CN113349881A - 上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法和系统，方法包括以下步骤：根据需求调控各个阵元的激励幅度和相位，控制相控阵产生不同的焦点模式；基于不同的焦点模式进行两阶段的毁损：第一阶段利用第一脉冲超声作用于靶点的实验样本，诱导产生空化微泡和沸腾气泡，使靶区实验样本初步均匀化，形成疏松结构；第二阶段利用第二脉冲超声彻底机械粉碎和均匀化靶区实验样本；第一脉冲和第二脉冲为百微秒或毫秒长脉冲；第一脉冲聚焦超声波的占空比为3％～10％；第二脉冲聚焦超声波的占空比为<2％。这种脉冲超声序列能有效利用空化微泡和沸腾气泡的活动，减少形成损伤所需超声激励时间，加之相控阵换能器能同时产生多个焦点，增大单次毁损的区域，因此本发明可以从时间和空间上有效提高组织毁损的效率。

Description

上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法和系统

技术领域

本发明属于聚焦超声技术领域，涉及一种上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法和系统。

背景技术

组织毁损(Histotripsy)是一种非侵入式的聚焦超声手术治疗方法，其利用超声波、空化微泡及沸腾气泡的机械效应粉碎(液化)靶组织，有利于术后吸收，且能克服热池效应，已成为治疗超声领域的研究热点。组织毁损的原理是利用脉冲超声空化或沸腾气泡的纯机械效应粉碎靶组织至亚细胞尺寸碎片或均匀化为易被组织吸收的乳状物，从而在不损害周围正常组织的前提下，达到精准治疗的目的。除了用于实体肿瘤的消融外，组织毁损在深静脉血栓、颅脑出血大血肿、良性前列腺增生以及先天性心脏病的治疗中也具有广泛的应用前景。目前，组织毁损主要分为空化云组织毁损(Cavitation Cloud Histotripsy，CH)和沸腾组织毁损(Boiling Histotripsy，BH)两种。

空化云组织毁损由密西根大学的Zhen Xu等人提出，其利用微秒长度的超声脉冲在焦区产生空化微泡，大量微泡聚集形成空化云，空化云迅速的膨胀、收缩和剧烈坍塌而产生强烈的机械应变和应力，将空化云附近的细胞机械粉碎为亚细胞尺寸的碎片，从而实现靶组织的均匀化。美国专利US 6,309,355B1，发明人Cain等，发明名称“Method andassembly for performing ultrasound surgery using cavitation”中介绍了利用超声诱导空化进行治疗的方法和装置。空化云组织毁损过程中存在的空化记忆效应会导致焦前区域及焦区外周区域发生空化活动，从而对靶区外正常组织造成附加损伤并显著降低组织毁损效率。Cain等人在美国专利US2013/0090579A1，发明名称为“Pulsed CavitationalTherapeutic Ultrasound With Dithering”中提出通过增加连续脉冲之间的时间间隔移除空化核来消除空化记忆。

沸腾组织毁损由华盛顿大学的Khokhlova等人提出，其利用毫秒长度的脉冲快速加热焦区并产生沸腾气泡，冲击波与沸腾气泡相互作用，在沸腾气泡——组织界面发生雾化效应，形成向空腔内部喷射的微喷泉，将靶组织粉碎成亚细胞尺寸的碎片。MichaelS.Canney等人在发明专利名称为“Methods and systems for non-invasive treatmentof tissue using high intensity focused ultrasound therapy”的美国专利US8,876,740B2中介绍了利用脉冲超声波在靶组织产生沸腾气泡的方法和装置。进一步地，同一研究组的Vera Khokhlova等人在发明专利“Boiling histotripsy methods and systems foruniform volumetric ablation of an object by high-intensity focused ultrasoundwaves with shocks”的美国专利US 20170072227A1中披露了依次聚焦在组织不同部分以实现更大区域均匀毁损的方法。

在上述空化云组织毁损和沸腾组织毁损的研究中，已经提出的激发序列都是不同持续时间的脉冲超声的简单重复。然而，组织毁损使用的脉冲超声序列存在很大的优化空间，以充分考虑空化微泡和沸腾气泡的产生、维持、运动和消散等动力学过程，从而提升组织毁损的效能。

除此之外，这些研究中采用的治疗换能器一般为单阵元聚焦换能器，每次只能辐照一个很小的焦点区域，在治疗大的肿瘤区域时需要机械性地移动换能器，这使得组织毁损的效率偏低。为了增大单次辐射体积、缩短治疗时间，一种改进方法是使用分裂阵换能器。

使用分裂阵虽然能扩大焦区体积，但分裂阵一般阵元数目较少，因此只能形成一个固定的聚焦区域，焦点不能偏移和扫描。相比于分裂阵换能器，相控阵换能器除了可以同时产生多个焦点以增大治疗区域以外，还可以根据病灶的形状和大小产生灵活多变的多种焦点模式，包括焦点的扫描，这需要改变各个阵元驱动信号的幅度和相位。

综上所述，组织毁损具有比传统热消融治疗更多的优势和更广阔的临床应用前景。然而，现有的组织毁损方法仍存在以下缺陷：组织毁损的激发序列为一定占空比的脉冲超声的简单重复，未充分利用焦区内诱导的空化微泡和沸腾气泡的特性，因此毁损效率有待进一步提高；组织毁损一般采用单阵元治疗换能器,产生的焦点尺寸小，导致毁损大肿瘤时需要多次辐照，治疗时间较长。

发明内容

考虑到这些问题，本发明提出了一种上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法和系统。该方法使用更高效的两阶段组织毁损脉冲序列，并且进一步地将其与相控阵换能器相结合，以从时间和空间上提高组织毁损的效率。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法，包括以下步骤：

根据需求调控各个阵元的激励幅度和相位，控制相控阵产生不同的焦点模式；

基于不同的焦点模式进行两阶段的毁损：

第一阶段利用第一脉冲超声作用于靶点的实验样本，诱导产生空化微泡和沸腾气泡，使靶区实验样本初步均匀化，形成疏松结构；

第二阶段利用第二脉冲超声彻底机械粉碎和均匀化靶区实验样本；

第一脉冲和第二脉冲为百微秒或毫秒长脉冲；第一脉冲聚焦超声波的占空比为3％～10％；第二脉冲聚焦超声波的占空比为<2％。

作为本发明的进一步改进，第一脉冲和第二脉冲使用百微秒脉冲时，第一脉冲重复频率PRF＝40～300Hz，单个脉冲持续时间PD＝300～900μs，每组脉冲重复次数S1＝100～900次；

第二脉冲重复频率PRF＝40～300Hz，单个脉冲宽度PD＝300～900μs，每15～30组脉冲作用过后会有400～900ms的停止时间，组合脉冲重复次数S2＝15～35次；

作为本发明的进一步改进，第一脉冲和第二脉冲使用毫秒脉冲时，第一脉冲脉冲重复频率PRF＝8～20Hz，单个脉冲持续时间PD＝2～10ms，每组脉冲重复次数S1＝15～90次；

第二脉冲重复频率PRF＝8～20Hz，单个脉冲宽度PD＝2～10ms，每8～30组脉冲作用过后会有1～5ms的停止时间，组合脉冲重复次数S2＝4～10次。

作为本发明的进一步改进，用于组织毁损的换能器为相控阵换能器，换能器中央带圆孔，用于放置超声监测探头。

作为本发明的进一步改进，控制相控阵产生不同的焦点模式具体包括：相控阵的声场计算方法和使用优化算法控制相控阵的焦点模式；

相控阵的声场计算方法包括：

设阵元宽度为Δw，阵元高度为Δh，阵元面积为ΔA，xyz坐标系的原点在球冠的顶点，波束方向为z轴，球面相控阵的声场计算公式如下式：

式中，

ρ为介质密度；c为介质中的声速，k＝ω/c是波数，N为阵元数，u_n是第n个阵元表面质点速度作为阵元驱动信号，其中各参数的计算公式为：

R_zn ²＝R_SR ²-(x_n+y_n)² (5)

使用优化算法控制相控阵的焦点模式包括：

将式(1)写成矩阵形式：

P_M＝H_Mu_N (8)

其中，M为焦点个数，N为阵元数。

矩阵求逆得驱动信号u_N为：

结合相控阵的声场计算方法和优化算法，得到相控阵的多种焦点模式。

作为本发明的进一步改进，利用遗传算法等优化算法计算出不同焦点模式下换能器每个阵元的最优驱动信号，以产生单焦点、双焦点、四焦点等多种模式的声场分布。采用遗传算法计算阵元最优驱动信号具体包括：

将解编码成染色体，形成初始种群；

初始种群经过选择—复制、交叉、变异等遗传操作一代代进化，逐步逼近最优解；

在每一代中，第一步是通过计算适应度函数来评估当前染色体，算法中以声强增益作为适应度函数Fit：

然后，复制一些适应度值最大的染色体。选择操作中，每个个体按照其适应度的比例繁殖后代；交叉操作中随机选择两条染色体交叉，交叉点也是随机选择的，交叉产生的子代数量取决于交叉概率；突变操作中随机选择要突变的个体，以突变概率随机改变每一代的比特数；

重复上述步骤，不断产生新的一代，直到满足终止标准，得到不同焦点模式下最佳聚焦控制对应的[θ(1)，θ(2),…,θ(M)]；然后，由[θ(1)，θ(2),…,θ(M)]和设定的P_M幅值组成P_M向量，利用式(9)求得不同焦点模式对应的阵元驱动信号u_N。

作为本发明的进一步改进，基于不同的焦点模式进行两阶段的毁损之前还包括调节实验样本位置至相控阵的焦区的步骤，具体包括：

使用连续波模式在实验样本中打出热损伤，然后使用两束激光相交于损伤处，交点即被认为是换能器的近似焦点，最后用三维定位系统将实验样本移动至焦点处。

上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法的系统，包括换能器与波形驱动子系统；换能器与波形驱动子系统包括上百阵元相控阵换能器及驱动系统；驱动系统经过阻抗匹配网络连接上百阵元相控阵换能器，每个阵元都连接独立的驱动通道。

作为本发明的进一步改进，还包括高速摄影子系统、数据采集子系统、PCD声学信号检测子系统和三维定位子系统；

所述高速摄影子系统包括高速摄像机；

所述PCD声学信号检测子系统包括被动空化检测探头、宽带接收器、数据采集卡和计算机；被动空化检测探头、宽带接收器、数据采集卡和计算机依次电连接；

所述三维定位子系统包括三维驱动装置和控制计算机，三维驱动装置和控制计算机电连接，实验样本设置在三维驱动装置上，且实验样本置于上百阵元相控阵换能器的焦点处。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

与现有的组织毁损激发序列相比，本发明提出的激发序列为两阶段脉冲超声序列，第一阶段使用较高占空比的脉冲超声作用于靶组织，使靶组织结构疏松、多孔，连接变脆弱，第二阶段使用较低占空比的脉冲超声作用于靶组织，使靶组织完全均匀化。这种脉冲超声序列能有效利用空化微泡和沸腾气泡的活动，减少形成损伤所需超声激励时间，提高组织毁损的效率。

进一步的，本发明提出了两种不同长度的超声脉冲：一种是百微秒脉冲，主要利用冲击波形成的空化云进行组织毁损；一种是毫秒脉冲，主要通过沸腾气泡的活动进行组织毁损。

与基于单阵元换能器实现的组织毁损相比，本发明提出的治疗换能器为相控阵换能器，其优势在于可以通过电子控制实现多种聚焦模式，且不需要机械扫描来移动焦区位置。多焦点模式可以有效治疗大体积区域，缩短治疗时间，从空间上提高组织毁损效率。

基于以上几点，本发明可以从时间和空间上有效地提高组织毁损的效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明中百微秒超声脉冲序列的示意图。第一阶段设置脉冲重复频率PRF＝40～300Hz，单个脉冲持续时间PD＝300～900μs，每组脉冲重复次数S1＝100～900次；第二阶段设置脉冲重复频率PRF＝40～300Hz，单个脉冲宽度PD＝300～900μs，每15～30组脉冲作用过后会有400～900ms的停止时间，组合脉冲重复次数S2＝15～35次。

图2是本发明中毫秒超声脉冲序列的示意图。第一阶段设置脉冲重复频率PRF＝8～20Hz，单个脉冲持续时间PD＝2～10ms，每组脉冲重复次数S1＝15～90次；第二阶段设置脉冲重复频率PRF＝8～20Hz，单个脉冲宽度PD＝2～10ms，每8～30组脉冲作用过后会有1～5ms的停止时间，组合脉冲重复次数S2＝4～10次。

图3是本发明中相控阵换能器结构的正视图。其中，1为阵元，2为中央圆孔，作为一个实例，图中相控阵换能器的阵元数为256，阵元排列方式为周期排列。需要说明的是，本发明提出的方法还适用于不同阵元数目(如512等)、不同阵元排列方式(如螺旋形排列等)的相控阵换能器。

图4是本发明中控制相控阵焦点模式使用的遗传算法的流程图。

图5是利用遗传算法得到的相控阵单焦点模式的声场性能。其中，(a)是单焦点聚焦平面声强分布，(b)是单焦点xy平面的声强等高图。

图6是利用遗传算法得到的相控阵双焦点模式的声场性能。其中，(a)是双焦点聚焦平面声强分布，(b)是双焦点xy平面的声强等高图。

图7是利用遗传算法得到的相控阵四焦点模式的声场性能。其中，(a)是四焦点聚焦平面声强分布，(b)是四焦点xy平面的声强等高图。

图8是利用遗传算法得到的相控阵非中心四焦点模式的声场性能。其中，(a)是非中心四焦点聚焦平面声强分布，(b)是非中心四焦点xy平面的声强等高图。

图9是本发明实验系统的框图，1为Verasonics控制系统，2为波形设置控制面板，3为HIFU电源，4为阻抗匹配网络，5为HIFU换能器，6为仿体，7为水箱，8为3D控制台，9为PCD探头，10为Gage采集卡，11为高速摄像，12为控制计算机。

图10是本发明中百微秒脉冲超声两阶段组织毁损时，牛血清蛋白丙烯酰胺仿体中损伤形成过程的高速摄影结果。其中，图(a)-(d)为单焦点模式下的高速摄像结果，图(e)-(h)为双焦点模式下的高速摄像结果，图(i)-(l)为四焦点模式下的高速摄像结果。

图11是本发明中毫秒脉冲超声两阶段组织毁损时，牛血清蛋白丙烯酰胺仿体中损伤形成过程的高速摄影结果。其中，图(a)-(d)为单焦点模式下的高速摄像结果，图(e)-(h)为双焦点模式下的高速摄像结果，图(i)-(l)为四焦点模式下的高速摄像结果。

图12是本发明中相控阵单焦点、双焦点、四焦点模式下的PCD信号的均方能量值随着毁损时间的变化图，经过类梳状滤波后的宽带信号的均方值反映了焦区瞬态空化的能量。

图13是本发明中百微秒脉冲两阶段组织毁损后，离体猪肾组织的毁损结果图。图(a)-(c)分别为单焦点、双焦点、四焦点模式下的离体猪肾组织解剖图。

图14是本发明中毫秒脉冲两阶段组织毁损后，离体猪肾组织的毁损结果图。图(a)-(c)分别为单焦点、双焦点、四焦点模式下的离体猪肾组织解剖图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明一种上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法，主要包括：

1)提出了一种优化的两阶段组织毁损脉冲序列，其中第一阶段使用较高占空比的脉冲，第二阶段使用较低占空比的脉冲；

2)提出了两种用于两阶段组织毁损的驱动波形，一种是百微秒脉冲超声，一种是毫秒脉冲超声；

3)提出了两阶段组织毁损使用的治疗换能器为相控阵。

具体包括以下步骤：

根据需求调控各个阵元的激励幅度和相位，控制相控阵产生不同的焦点模式；

基于不同的焦点模式进行两阶段的毁损：

第一阶段利用第一脉冲超声作用于靶点的实验样本，诱导产生空化微泡和沸腾气泡，使靶区实验样本初步均匀化，形成疏松结构；

第二阶段利用第二脉冲超声彻底机械粉碎和均匀化靶区实验样本；

第一脉冲和第二脉冲为百微秒或毫秒长脉冲；第一脉冲聚焦超声波的占空比为3％～10％；第二脉冲聚焦超声波的占空比为<2％。

本发明充分利用了相控阵能同时产生多个焦点和焦点可以电子扫描的特性，结合百微秒或毫秒脉冲超声进行两阶段组织毁损，从空间和时间上提高了组织毁损的效率。

下面结合附图和实施例对本发明做出详细说明。

本发明提出了一种优化的组织毁损脉冲序列，以提高组织毁损的效能。与上述简单重复的脉冲序列不同，本发明将组织毁损过程分为两个阶段。第一阶段主要用于改变靶组织结构及其力学特性，初步均匀化组织。第二阶段主要用于在组织初步均匀化的基础上，实现进一步的机械粉碎和完全均匀化。

两阶段脉冲序列的区别在于占空比的不同，第一阶段脉冲超声的占空比较高，第二阶段脉冲超声的占空比较低。在第一阶段中，脉冲序列的占空比(DC)被设计为3％～10％，主要利用高占空比脉冲超声的热效应和机械效应，同时为了避免热扩散的发生。在第二阶段中，脉冲序列的占空比被设计为小于2％，主要利用脉冲超声的机械效应，使损伤具有清晰平滑的边界。此外，第二阶段使用了“激励”+“停止”的毁损模式。停止时间(off-time)的设置主要用于被动消除可能产生的“空化记忆”，防止焦区局部组织过热造成的损伤不均匀。

基于空化云组织毁损的原理，本发明提出两阶段组织毁损的一种方式是使用百微秒长度的脉冲超声。第一阶段设置脉冲重复频率PRF＝40～300Hz，单个脉冲持续时间PD＝300～900μs，每组脉冲重复次数S1＝100～900次；第二阶段设置脉冲重复频率PRF＝40～300Hz，单个脉冲宽度PD＝300～900μs，每15～30组脉冲作用过后会有400～900ms的停止时间，组合脉冲重复次数S2＝15～35次。

基于沸腾气泡组织毁损的原理，本发明提出两阶段组织毁损的另一种方式是使用毫秒长度的脉冲超声。与百微秒长度的脉冲相比，毫秒长度的脉冲重复频率更低，脉冲持续时间更长，更有利于快速产热，损伤形成过程中沸腾气泡更多更大。第一阶段设置脉冲重复频率PRF＝8～20Hz，单个脉冲持续时间PD＝2～10ms，每组脉冲重复次数S1＝15～90次；第二阶段设置脉冲重复频率PRF＝8～20Hz，单个脉冲宽度PD＝2～10ms，每8～30组脉冲作用过后会有1～5ms的停止时间，组合脉冲重复次数S2＝4～10次。

与组织毁损过程中常使用单阵元换能器不同，本发明提出利用上百阵元的相控阵换能器进行毁损，相控阵的优势在于每个阵元的幅度和相位都独立可控，通过调控各个阵元的激励幅度和相位可产生多种模式的焦点声场分布，进而形成所需形状、大小和位置的焦域，实现病灶的定向适形毁损。多焦点模式可以有效增大单次毁损的区域，缩短组织毁损时间。而且，相控阵还能够在不移动换能器的情况下实现焦点位置的移动。阵元多有利于产生更精细和更多变的焦点模式，适形性更好。

本发明提出将上述两阶段组织毁损脉冲序列与相控阵换能器相结合，一方面充分利用空化微泡和沸腾气泡的活动，另一方面利用相控阵焦点模式灵活多变的优势，从时间和空间两个维度提高组织毁损的效率。

本发明提供一种组织毁损的实验系统，主要包括治疗换能器与波形驱动子系统、高速摄影子系统、数据采集子系统、PCD声学信号检测子系统、三维定位子系统。治疗换能器与波形驱动子系统包括上百阵元相控阵换能器及Verasonics驱动系统。高速摄影子系统主要由高速摄像机构成。PCD声学信号检测子系统包括被动空化检测探头、宽带接收器、Gage高速数据采集卡和计算机。三维定位子系统包括三维驱动装置和控制计算机。

进一步的，使用Matlab软件编程控制Verasonics驱动系统中的相关参数，实现对相控阵焦点模式和驱动波形的控制；高速摄像机对焦区的空化活动进行监测；PCD探头接收空化活动中产生的被动空化信号；三维定位装置用于将BSA仿体或离体组织精确地移动到所需位置。

上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法，包括以下步骤：

1)根据需求调控各个阵元的激励幅度和相位，控制相控阵产生不同的焦点模式；

2)调节BSA仿体或离体组织的位置至相控阵的焦区；

3)第一阶段毁损：用占空比较高的脉冲超声在焦区产生热效应和机械效应，以改变靶组织局部的力学特性和结构。

4)第二阶段毁损：用占空比较低的脉冲超声辐射焦区，进一步机械性粉碎和均匀化损伤区域的组织。

进一步的，步骤1)中利用遗传算法或粒子群算法等优化算法计算出不同焦点模式下换能器每个阵元的最优驱动信号，以产生单焦点、双焦点、四焦点等多种模式的声场分布。

进一步的，步骤2)中使用连续波模式在BSA仿体中打出较小的热损伤，然后使用两束激光相交于损伤处，交点即被认为是换能器的近似焦点，最后用三维定位系统将BSA仿体或离体组织移动至焦点处。

进一步的，步骤3)第一阶段毁损中脉冲聚焦超声波的占空比(DC)被设计为3％～10％，以同时产生热积累和机械效应，使得靶组织在发生热变性的同时实现组织部分均匀化。该阶段毁损使得靶组织的结构和力学特性也发生改变，组织变得疏松多孔且细胞间的连接变得脆弱，为第二阶段的彻底均匀化毁损做准备。

进一步的，步骤4)第二阶段毁损中脉冲聚焦超声波的占空比(DC)被设计为<2％，低占空比的脉冲序列可产生强烈惯性空化活动，其机械效应可彻底粉碎靶组织从而形成均匀化的损伤。第二阶段的脉冲序列在重复一定次数后，会有一个停止时间，这是为了消除可能产生的“空化记忆”，使得后续空化活动能量更高。

进一步的，步骤3)和步骤4)中两阶段组织毁损的超声脉冲波形两种选择：一种是百微秒脉冲，主要利用脉冲作用下的冲击波的背向散射形成的空化云进行毁损；另一种是毫秒脉冲，主要通过增强沸腾气泡的活动来进行毁损。

基于组织毁损技术的研究和应用现状，为了进一步提高组织毁损的效率，本发明提出了一种上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法。

参见图9，实现本发明上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法的实验系统主要包括治疗换能器与波形驱动子系统、高速摄影子系统、数据采集子系统、PCD声学信号检测子系统、三维定位子系统四个部分。

换能器与波形驱动子系统主要用于发射聚焦超声，完成组织毁损，其由一个相控阵HIFU换能器以及换能器驱动系统组成。驱动系统由Verasonics系统及阻抗匹配网络构成。实验中通过设置驱动系统中相关参数可实现对相控阵的各种波形及不同焦点模式的控制。

所述高速摄影子系统包括高速摄像机；

所述PCD声学信号检测子系统包括被动空化检测探头、宽带接收器、数据采集卡和计算机；被动空化检测探头、宽带接收器、数据采集卡和计算机依次电连接；

所述三维定位子系统包括三维驱动装置和控制计算机，三维驱动装置和控制计算机电连接，实验样本设置在三维驱动装置上，且实验样本置于上百阵元相控阵换能器的焦点处。

高速摄影子系统主要用于揭示组织毁损的物理机制，通过该子系统可实时观察并记录透明BSA仿体中空化云、沸腾气泡的动力学过程及损伤的演变过程。

PCD声学信号检测子系统由被动空化检测探头、宽带接收器、Gage高速数据采集卡和计算机组成。采集被动空化(PCD)信号时，将被动空化信号测量探头放置于HIFU换能器的中心孔处，并和HIFU换能器共轴放置，可有效接收焦区空化和沸腾气泡活动过程中的声学信号。

三维定位子系统由三维驱动装置和控制计算机组成，其可将透明BSA仿体或离体组织精确地移动到换能器焦区位置。

本发明上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法，包括以下步骤：

步骤一：相控阵的声场计算方法。

如图3所示，本发明中的相控阵换能器可以为球面相控阵，其声场计算方法如下：

设阵元宽度为Δw，阵元高度为Δh，阵元面积为ΔA，xyz坐标系的原点在球冠的顶点，波束方向为z轴。经严格的推导，球面相控阵的声场计算公式如下式：

式中，

ρ为介质密度；c为介质中的声速，k＝ω/c是波数，N为阵元数，u_n是第n个阵元表面质点速度作为阵元驱动信号。其中各参数的计算公式为：

R_zn ²＝R_SR ²-(x_n+y_n)² (5)

步骤二：使用优化算法控制相控阵的焦点模式。

将式(1)写成矩阵形式：

P_M＝H_Mu_N (8)

其中，M为焦点个数，N为阵元数。

矩阵求逆得驱动信号u_N为：

作为一个实施例，可以使用遗传算法控制相控阵的焦点模式。遗传算法实施过程中需要定义两个要素：一个是染色体，另一个是适应度函数。

染色体，即个体，代表了目标问题可能的解。染色体最常见的表示形式是二进制字符串，其中字符串的各个部分表示被编码的变量或解的参数。由于问题的解是P_M的一组相位[θ(1)，θ(2),…,θ(M)]，因此本发明中的染色体定义为对相位[θ(1)，θ(2),…,θ(M)]的8位二进制编码。

适应度函数是用来评估当前染色体优劣程度的函数。本发明中以声强增益作为适应度函数Fit：

适应度函数最大值对应的θ＝[θ(1)，θ(2),…,θ(M)]即是最优解。

标准遗传算法的过程如图4所示。首先将可能的解编码成染色体，形成初始种群。然后，初始种群经过选择—复制、交叉、变异等遗传操作一代代进化，逐步逼近最优解。

在每一代中，第一步是通过计算适应度函数来评估当前染色体。然后，复制一些适应度值最大的染色体。选择操作中，每个个体按照其适应度的比例繁殖后代。交叉操作中随机选择两条染色体交叉，交叉点也是随机选择的，交叉产生的子代数量取决于交叉概率。突变操作中随机选择要突变的个体，以突变概率随机改变每一代的比特数。重复上述步骤，不断产生新的一代，直到满足终止标准，就找到了所需问题的解，即不同焦点模式下最佳聚焦控制对应的[θ(1)，θ(2),…,θ(M)]。然后，由[θ(1)，θ(2),…,θ(M)]和设定的P_M幅值组成P_M向量，利用式(9)求得驱动信号u_N。

结合上述相控阵的声场计算方法和优化算法，就可以设计相控阵的多种焦点模式。

图5是本发明中相控阵单焦点模式的声场性能。所用的介质声学参数为密度ρ＝1000kg/m³、声速c＝1500m/s、衰减系数α＝0.05Np/cm/MHz。可以看到，形成的单焦点声学性能非常好，具有很小的旁瓣且几乎没有栅瓣。

图6和图7是本发明中相控阵多焦点模式的声场性能。可以看到，无论是双焦点模式还是四焦点模式，各个焦点都清晰可分，具有很小的旁瓣且几乎没有栅瓣。多焦点模式是相控阵的主要优势，可以毁损较大的肿瘤区域，从而缩短组织毁损时间。

图8是本发明中相控阵非中心四焦点模式的声场性能。图8中的焦区位置对比图7中的焦区位置有所移动，但四个焦点同样可以彼此区分开。这说明可以在不移动换能器位置的情况下，通过控制相控阵的驱动信号来实现聚焦声束的偏转和焦点位置的偏移。

步骤三：脉冲超声两阶段组织毁损。

相控阵换能器的驱动系统使用Verasonics系统，使用Matlab软件编写了脉冲序列控制面板。在实验中，使用了一种两阶段的脉冲超声组织毁损方法，目的是在毁损时先改变目标区域的局部力学性质和结构，然后再进行进一步的毁损。第一阶段主要利用较高占空比脉冲超声兼具热效应和机械效应的特点，在靶区产生空化效应和沸腾气泡，降低靶组织的机械强度，实现部分均匀化。第二阶段主要利用较低占空比脉冲超声的机械效应，将靶区组织进一步粉碎和均匀化。

两阶段组织毁损使用百微秒长脉冲超声时，百微秒超声脉冲序列如图1所示，第一阶段设置脉冲重复频率PRF＝40～300Hz，单个脉冲持续时间PD＝300～900μs，每组脉冲重复次数S1＝100～900次；第二阶段设置脉冲重复频率PRF＝40～300Hz，单个脉冲宽度PD＝300～900μs，每15～30组脉冲作用过后会有400～900ms的停止时间，组合脉冲重复次数S2＝15～35次。

两阶段组织毁损使用毫秒长脉冲超声时，毫秒超声脉冲序列如图2所示，第一阶段设置脉冲重复频率PRF＝8～20Hz，单个脉冲持续时间PD＝2～10ms，每组脉冲重复次数S1＝15～90次；第二阶段设置脉冲重复频率PRF＝8～20Hz，单个脉冲宽度PD＝2～10ms，每8～30组脉冲作用过后会有1～5ms的停止时间，组合脉冲重复次数S2＝4～10次。与百微秒脉冲超声利用空化云进行毁损不同的是，毫秒脉冲超声主要通过增强沸腾气泡的活动来进行高效毁损。

以下结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。

实施例1

制备含有牛血清蛋白(Bovine Serum Albumin，BSA)的聚丙烯酰胺凝胶仿体。BSA仿体的声学、热学特性与软组织相似，因而被用于模拟软组织。另外BSA仿体是透明的，便于观察损伤的形成过程。当仿体被加热到60℃以上时，牛血清蛋白会发生变性，变得不透明，可以作为损伤出现的标志，从而便于区分损伤区域和正常仿体部分。

按照图9搭建实验系统，调节BSA仿体至换能器焦点处，控制相控阵产生如图5至图8所示的不同焦点模式，分别用图1所示的百微秒脉冲和图2所示的毫秒脉冲进行组织毁损。在毁损过程中，利用高速摄像设备同步进行实时监控。

分析结果：

图10为单焦点、双焦点和四焦点三种焦点模式在百微秒脉冲作用下的损伤形成过程的高速摄像结果，换能器在图中右侧。t＝1.3s左右几种焦点模式下焦区都出现了可见损伤，并在t＝1.3～1.5s迅速生长、扩大，在t＝2.0s左右损伤开始相互连通，并在损伤内可见沸腾气泡的活动，在t＝2.0～4.0s左右损伤向周围扩展，并在4.0s左右形成基本形态。对比不同焦点模式可以发现，多焦点可以扩大损伤区域，有效提高组织毁损效率。

图11为单焦点、双焦点和四焦点三种焦点模式在毫秒脉冲作用下的损伤形成过程的高速摄像结果，换能器在图中右侧。在t＝1.5s左右几种焦点模式都在焦区出现了可见损伤，并在t＝1.5～2.0s左右迅速生长、扩大，在t＝4.0s左右损伤开始相互连通，并在损伤内可见沸腾气泡的活动，同时，多焦点模式开始出现径向的损伤生长，在t＝4.0～6.0s损伤向周围扩展，进一步形成，并在6.0s左右形成基本形态。对比几种焦点模式可以发现，多焦点模式在毫秒级脉冲作用下，相同时间内损伤体积要大于单焦点模式，并且损伤除了轴向生长，还出现了径向的扩展，可以从损伤结果清晰看出多焦点的存在。相对于百微秒脉冲，毫秒级脉冲的产热更充分，因而第一阶段形成的热损伤更明显，但在第二阶段为了避免进一步形成热损伤，停止时间设置了更长的时间，因而整体的脉冲时间长度也更长。

图12为单焦点、双焦点和四焦点三种焦点模式下的PCD信号的均方能量值随着组织毁损时间的变化图。从图11中可以看出，在初始很短的时间内，几种焦点模式的均方能量值都快速达到很高的水平，这是因为一开始焦区出现了大量的空化微泡，并伴随着空化微泡的生长、膨胀、破裂的过程。第一阶段后续时间空化水平也维持在较高的水平，且会有一些极大值的出现，主要是损伤形成过程中反复出现和消散的沸腾气泡的影响。第二阶段损伤形态并未发现明显变化，但整体的PCD均方能量仍旧保持在较高的水平，主要是机械效应进一步损伤组织的影响。对比几种焦点模式可以看出，单焦点模式的空化效应要略高于多焦点模式，这主要是因为单焦点模式在相同驱动电压情况下，焦区的声场强度要大于多焦点模式的焦区声场强度，因而更容易发生空化效应，但整体的区别并不大。

实施例2

从新鲜的离体猪肾组织上切下尺寸为2cm×2cm×4cm的样品，并放置于聚丙烯酰胺凝胶溶液中，加入促凝剂使其凝固。

按照图9搭建实验系统，调节离体猪肾组织至换能器焦点处，控制相控阵产生如图5至图8所示的不同焦点模式，分别用图1所示的百微秒脉冲和图2所示的毫秒脉冲进行组织毁损。

分析结果：

图13为单焦点、双焦点和四焦点三种焦点模式在百微秒脉冲作用下在离体猪肾脏组织上的毁损效果。从图中可以看到，几种焦点模式均可见明显的机械效应引起的空洞状损伤，损伤内部被完全液化，但仍残留部分热损伤。多焦点模式可以扩大焦区体积，提高组织毁损的效率。

图14为单焦点、双焦点和四焦点三种焦点模式在毫秒脉冲作用下在离体猪肾脏组织上的毁损效果。从图中可以看到，单焦点模式损伤呈现圆形，双焦点模式损伤呈现出椭圆形，四焦点损伤的形态则相对来说不太规则，主要是由于多焦点模式产生了多个损伤区域，彼此之间相互影响，最终的损伤形态大于单焦点模式。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (9)

1.上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据需求调控各个阵元的激励幅度和相位，控制相控阵产生不同的焦点模式；

基于不同的焦点模式进行两阶段的毁损：

第一阶段利用第一脉冲超声作用于靶点的实验样本，诱导产生空化微泡和沸腾气泡，使靶区实验样本初步均匀化，形成疏松结构；

第二阶段利用第二脉冲超声彻底机械粉碎和均匀化靶区实验样本；

第一脉冲和第二脉冲为百微秒或毫秒长脉冲；第一脉冲聚焦超声波的占空比为3％～10％；第二脉冲聚焦超声波的占空比为＜2％。

2.根据权利要求1所述的上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法，其特征在于，第一脉冲和第二脉冲使用百微秒脉冲时，第一脉冲重复频率PRF＝40～300Hz，单个脉冲持续时间PD＝300～900μs，每组脉冲重复次数S1＝100～900次；

第二脉冲重复频率PRF＝40～300Hz，单个脉冲宽度PD＝300～900μs，每15～30组脉冲作用过后会有400～900ms的停止时间，组合脉冲重复次数S2＝15～35次。

3.根据权利要求1所述的上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法，其特征在于，第一脉冲和第二脉冲使用毫秒脉冲时，第一脉冲脉冲重复频率PRF＝8～20Hz，单个脉冲持续时间PD＝2～10ms，每组脉冲重复次数S1＝15～90次；

第二脉冲重复频率PRF＝8～20Hz，单个脉冲宽度PD＝2～10ms，每8～30组脉冲作用过后会有1～5ms的停止时间，组合脉冲重复次数S2＝4～10次。

4.根据权利要求1所述的上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法，其特征在于，用于组织毁损的换能器为相控阵换能器，换能器中央带圆孔，用于放置超声监测探头。

5.根据权利要求1所述的上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法，其特征在于，

控制相控阵产生不同的焦点模式具体包括：相控阵的声场计算方法和使用优化算法控制相控阵的焦点模式；

相控阵的声场计算方法包括：

设阵元宽度为Δw，阵元高度为Δh，阵元面积为ΔA，xyz坐标系的原点在球冠的顶点，波束方向为z轴，球面相控阵的声场计算公式如下式：

式中，

ρ为介质密度；c为介质中的声速，k＝ω/c是波数，N为阵元数，u_n是第n个阵元表面质点速度作为阵元驱动信号，其中各参数的计算公式为：

R_zn ²＝R_SR ²-(x_n+y_n)² (5)

使用优化算法控制相控阵的焦点模式包括：

将式(1)写成矩阵形式：

P_M＝H_Mu_N (8)

其中，M为焦点个数，N为阵元数；

矩阵求逆得驱动信号u_N为：

结合相控阵的声场计算方法和优化算法，得到相控阵的多种焦点模式。

6.根据权利要求5所述的上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法，其特征在于，利用遗传算法等优化算法计算出不同焦点模式下换能器每个阵元的最优驱动信号，以产生单焦点、双焦点、四焦点等多种模式的声场分布；采用遗传算法计算阵元最优驱动信号具体包括：

将解编码成染色体，形成初始种群；

初始种群经过选择-复制、交叉、变异等遗传操作一代代进化，逐步逼近最优解；

在每一代中，第一步是通过计算适应度函数来评估当前染色体，算法中以声强增益作为适应度函数Fit：

然后，复制适应度值最大的染色体；选择操作中，每个个体按照其适应度的比例繁殖后代；交叉操作中随机选择两条染色体交叉，交叉点也是随机选择的，交叉产生的子代数量取决于交叉概率；突变操作中随机选择要突变的个体，以突变概率随机改变每一代的比特数；

重复上述步骤，不断产生新的一代，直到满足终止标准，得到不同焦点模式下最佳聚焦控制对应的[θ(1)，θ(2)，...，θ(M)]；然后，由[θ(1)，θ(2)，...，θ(M)]和设定的P_M幅值组成P_M向量，利用式(9)求得不同焦点模式对应的阵元驱动信号u_N。

7.根据权利要求1所述的上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法，其特征在于，基于不同的焦点模式进行两阶段的毁损之前还包括调节实验样本位置至相控阵的焦区的步骤，具体包括：

使用连续波模式在实验样本中打出热损伤，然后使用两束激光相交于损伤处，交点即被认为是换能器的近似焦点，最后用三维定位系统将实验样本移动至焦点处。

8.实现权利要求1至7任一项所述的上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法的系统，其特征在于，包括换能器与波形驱动子系统；换能器与波形驱动子系统包括上百阵元相控阵换能器及驱动系统；驱动系统经过阻抗匹配网络连接上百阵元相控阵换能器，每个阵元都连接独立的驱动通道。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括高速摄影子系统、数据采集子系统、PCD声学信号检测子系统和三维定位子系统；

所述高速摄影子系统包括高速摄像机；

所述PCD声学信号检测子系统包括被动空化检测探头、宽带接收器、数据采集卡和计算机；被动空化检测探头、宽带接收器、数据采集卡和计算机依次电连接；

所述三维定位子系统包括三维驱动装置和控制计算机，三维驱动装置和控制计算机电连接，实验样本设置在三维驱动装置上，且实验样本置于上百阵元相控阵换能器的焦点处。

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