CN114768126A - 超声频率的确定方法、超声输出方法及装置、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种超声频率的确定方法、超声输出方法及装置、电子设备。该超声频率的确定方法，包括：获取目标生物细胞的第一相关参数；第一相关参数为表征目标生物细胞特性的参数；将第一相关参数输入仿真模型，确定目标生物细胞的自聚焦频率，作为超声频率；自聚焦频率为目标生物细胞基于共振效应吸收声场能量，使得在目标生物细胞的至少一个区域的声压增大到不小于阈值声压，阈值声压是对目标生物细胞造成破坏的声压。本申请实施例可以确定自聚焦频率，使得基于超声频率输出到目标生物细胞的超声可以单独完全破坏目标生物细胞，不需要配合超声造影剂。
Description
技术领域
本申请涉及超声装置技术领域，具体而言，本申请涉及一种超声频率的确定方法、超声输出方法及装置、电子设备。
背景技术
目前，目标生物细胞(例如：肿瘤细胞)在临床上往往采用在目标生物组织处施加超声，以破坏目标生物细胞。
但是，由于现有的采用超声的方式一般需要配合超声造影剂才能破坏目标生物细胞，或者破坏目标生物细胞效果不明显的问题。
发明内容
本申请针对现有方式的缺点，提出一种超声频率的确定方法、超声输出方法及装置、电子设备，用以解决现有技术存在的需要配合超声造影剂才能破坏目标生物细胞，或者破坏目标生物细胞效果不明显的技术问题。
第一方面，本申请实施例提供一种超声频率的确定方法，包括：
获取目标生物细胞的第一相关参数；第一相关参数为表征目标生物细胞特性的参数；
将第一相关参数输入仿真模型，确定目标生物细胞的自聚焦频率，作为超声频率；自聚焦频率为目标生物细胞基于共振效应吸收声场能量，使得在目标生物细胞的至少一个区域的声压增大到不小于阈值声压，阈值声压是对目标生物细胞造成破坏的声压。
在一个可能的实现方式中，将第一相关参数输入仿真模型，确定目标生物细胞的自聚焦频率，包括：
将第一相关参数输入仿真模型，确定至少一个共振频率；至少一个共振频率包括以下至少一项：最大总弹性应变能对应的共振频率、最大细胞变形总位移量对应的共振频率、基于共振效应吸收声场能量使得声压增大的共振频率；
将至少一个共振频率，分别输入仿真模型；
针对每一共振频率，确定一个声压分布模型；
若声压分布模型中存在不小于阈值声压的声压，将声压分布模型对应的共振频率，作为目标生物细胞的自聚焦频率。
在一个可能的实现方式中，超声频率的确定方法，还包括：
获取正常生物细胞的第二相关参数；第二相关参数为表征正常生物细胞特性的参数；
将第二相关参数输入仿真模型，确定正常生物细胞的自聚焦频率；
以及，将第一相关参数输入仿真模型，确定目标生物细胞的自聚焦频率，作为超声频率，包括：
确定目标生物细胞的自聚焦频率与正常生物细胞的自聚焦频率是否不同，若是，则将目标生物细胞的自聚焦频率作为超声频率。
在一个可能的实现方式中，第一相关参数包括以下至少一项：细胞质和细胞核的杨氏模量、密度、泊松比、声速；和/或，
超声频率为低强度脉冲超声的频率。
第二方面，本申请实施例提供一种超声输出装置，包括：电连接的控制单元和超声输出单元；
控制单元，用于获取超声频率，并基于超声频率，控制超声输出单元向目标生物组织输出超声，使得目标生物组织的目标生物细胞受到破坏；超声频率是基于第一方面的超声频率的确定方法得到的。
在一个可能的实现方式中，超声输出装置，还包括：显示单元；
控制单元与显示单元电连接，用于获取显示单元的显示界面的超声频率。
在一个可能的实现方式中，控制单元，用于基于超声频率和预设的装置能量阈值，生成对应的信号参数；基于超声频率和信号参数，控制超声输出单元向目标生物组织输出超声。
在一个可能的实现方式中，超声输出单元，包括：信号发生电路、电源模块、驱动电路、逆变电路和换能模块；
信号发生电路，与控制单元电连接，用于接收控制单元输出的超声频率、占空比以及脉冲个数，基于超声频率、占空比以及脉冲个数，输出第一输出信号；信号参数包括占空比和脉冲个数；
电源模块，与控制单元电连接，用于基于控制单元输出的电压幅值，对应输出直流电压；信号参数包括电压幅值；
驱动电路，与信号发生电路通信连接，用于基于第一输出信号得到第一驱动信号；第一驱动信号的电压幅值大于第一输出信号的电压幅值；
逆变电路，与电源模块和驱动电路均电连接，用于在驱动电路的第一驱动信号的控制下，将直流电压转换为交流电压，输出交流电信号；
换能模块，与逆变电路电连接，用于基于交流电信号向目标生物组织输出超声。
在一个可能的实现方式中，超声输出单元，还包括：隔离电路；
隔离电路，与信号发生电路和驱动电路通信连接，用于将信号发生电路输出的第一输出信号转换为光信号，将光信号转换为第一输出信号向驱动电路输出。
在一个可能的实现方式中，超声输出单元，还包括：匹配电路；
匹配电路与换能模块电连接，用于将交流电信号由矩形波转换为正弦波；和/或,
换能模块包括压电换能器，匹配电路用于将压电换能器由电容性负载转换为电阻性负载。
在一个可能的实现方式中，超声输出装置，还包括以下至少一项：
超声频率为1030千赫兹；
信号参数的触发间隔为30毫秒；
信号参数的占空比为10％；
信号参数的电压幅值为110伏；
信号参数的电流幅值为110毫安。
第三方面，本申请实施例提供一种超声输出方法，应用于第二方面的超声输出装置，包括：
获取超声频率；
基于超声频率，控制超声输出单元向目标生物组织输出超声，使得目标生物组织的目标生物细胞受到破坏。
在一个可能的实现方式中，获取超声频率，包括：
获取超声输出装置的显示单元的显示界面的超声频率；
基于超声频率，控制超声输出单元向目标生物组织输出超声，包括：
基于超声频率和预设的装置能量上限，生成对应的信号参数；
基于超声频率和信号参数，控制超声输出单元向目标生物组织输出超声。
在一个可能的实现方式中，基于超声频率和信号参数，控制超声输出单元向目标生物组织输出超声，包括：
向信号发生电路输出超声频率、占空比以及脉冲个数，使得信号发生电路向驱动电路输出第一输出信号，驱动电路基于第一输出信号得到第一驱动信号；信号参数包括占空比和脉冲个数；
向超声输出单元的电源模块输出电压幅值，使得电源模块基于电压幅值向逆变电路输出直流电压，逆变电路在第一驱动信号的控制下，将直流电压转换为交流电压，输出交流电信号，换能模块基于交流电信号向目标生物组织输出超声。
第四方面，本申请实施例提供一种超声频率的确定装置，包括：
获取模块，用于获取目标生物细胞的第一相关参数；第一相关参数为表征目标生物细胞特性的参数；
确定模块，用于将第一相关参数输入仿真模型，确定目标生物细胞的自聚焦频率，作为超声频率；自聚焦频率为目标生物细胞基于共振效应吸收声场能量，使得在目标生物细胞的至少一个区域的声压增大到不小于阈值声压，阈值声压是对目标生物细胞造成破坏的声压。
第五方面，本申请实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，处理器执行计算机程序以实现第一方面的超声频率的确定方法的步骤。
第六方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现第一方面的超声频率的确定方法的步骤。
本申请实施例提供的技术方案带来的有益技术效果包括：
本申请实施例超声频率的确定方法可以将目标生物细胞的第一相关参数输入仿真模型，确定目标生物细胞的自聚焦频率，作为超声频率。由于自聚焦频率是基于共振效应吸收声场能量，使得在目标生物细胞的至少一个区域的声压增大到不小于阈值声压，从而使得基于超声频率输出到目标生物细胞的超声就可以破坏目标生物细胞，不需要配合超声造影剂，可以单独使用完全破坏目标生物细胞。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例提供的一种超声频率的确定方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的一种超声输出装置的结构的框架示意图；
图3为本申请实施例提供的另一种超声输出装置的结构的框架示意图；
图4为本申请实施例提供的又一种超声输出装置的结构的框架示意图；
图5为本申请实施例提供的一种逆变电路的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种超声输出方法的流程图；
图7为本申请实施例提供的一种超声频率的确定装置的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的一种电子设备的结构的框架示意图。
附图标记：
100-超声输出装置；
110-控制单元、120-超声输出单元、130-显示单元；
121-信号发生电路、122-电源模块、123-隔离电路、124-驱动电路、125-逆变电路、126-匹配电路、127-换能模块；
700-超声频率的确定装置、710-获取模块、720-确定模块。
具体实施方式
下面结合本申请中的附图描述本申请的实施例。应理解，下面结合附图所阐述的实施方式，是用于解释本申请实施例的技术方案的示例性描述，对本申请实施例的技术方案不构成限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除实现为本技术领域所支持其他特征、信息、数据、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合等。应该理解，当我们称一个元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，该一个元件可以直接连接或耦接到另一元件，也可以指该一个元件和另一元件通过中间元件建立连接关系。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的术语“和/或”指该术语所限定的项目中的至少一个，例如“A和/或B”可以实现为“A”，或者实现为“B”，或者实现为“A和B”。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
首先对本申请涉及的几个名词进行介绍和解释：
细胞共振：在某些频率下，细胞将从周围声场吸收较多的能量转化为自身的弹性应变能，这些频率称为共振频率。在共振频率下的细胞会产生共振，细胞产生较大的形变，形变次数和持续时间较非共振频率下的细胞更多，更持久，这种现象称为细胞共振。
自聚焦：频率较高的共振频率作用细胞时，可以观察到细胞上某些区域的声压值较其他区域更高，可以高出100倍及以上，本发明称这种现象为低强度脉冲超声在细胞上超声了自聚焦，声场能量没有均匀的分布在整个细胞上，而是在细胞的某些区域聚集，形成了高幅值的声压，该高幅值声压可能超过外界施加声场的声压。
塑性状态：若细胞上受到的声压超过细胞的von Mises应力，细胞将不再处于弹性状态，进入塑性状态，这意味着细胞受力后无法恢复到原来的形状。
本申请提供的超声频率的确定方法、超声输出方法及装置、电子设备，旨在解决现有技术的如上技术问题。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。需要指出的是，下述实施方式之间可以相互参考、借鉴或结合，对于不同实施方式中相同的术语、相似的特征以及相似的实施步骤等，不再重复描述。
本申请实施例提供一种超声频率的确定方法，参见图1所示，该超声频率的确定方法包括：步骤S101至步骤S102。
S101、获取目标生物细胞的第一相关参数；第一相关参数为表征目标生物细胞特性的参数。
在一些实施例中，第一相关参数包括以下至少一项：细胞质和细胞核的杨氏模量、密度、泊松比、声速。即包括细胞质的杨氏模量、密度、泊松比、声速，细胞核的杨氏模量、密度、泊松比、声速。
其中，杨氏模量是沿纵向的弹性模量，材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系(即符合胡克定律)，其比例系数称为弹性模量。泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。声速是指声波在细胞内传播的速度。
S102、将第一相关参数输入仿真模型，确定目标生物细胞的自聚焦频率，作为超声频率；自聚焦频率为目标生物细胞基于共振效应吸收声场能量，使得在目标生物细胞的至少一个区域的声压增大到不小于阈值声压，阈值声压是对目标生物细胞造成破坏的声压。
可选地，声压可以对应声压值，阈值声压可以对应阈值声压值。超声频率为低强度脉冲超声(low intensity pulsed ultrasound，LIPUS)的频率。
可选地，仿真模型可以基于第一相关参数模拟目标生物细胞接收超声的形态变化过程。目标生物细胞受到声压作用会受压变形，仿真模型可以模拟目标生物细胞的形变等，例如模拟目标生物细胞尺度上发生“自聚焦”现象，该现象会在目标生物细胞的部分区域形成超过输入声场声压的高幅值声压，从而使得目标生物细胞剧烈共振，产生形变，或直接进入塑性状态。
可选地，阈值声压是基于仿真模型对目标生物细胞接收声压进行受力分析后确定的使得目标生物组织受到破坏的临界声压。
作为一种示例，本申请实施例的仿真模型可以利用仿真软件COMSOLMultiphysics建立声场与目标生物细胞相互作用的模型，对细胞质和细胞核的杨氏模量、密度、泊松比、声速等参数以恶性黑色素瘤细胞A375的特征来设置，之后进行仿真计算。其中，COMSOL Multiphysics是一款仿真软件，它具有用途广泛、灵活、易用的特性，比其它有限元分析软件强大之处在于，利用附加的功能模块，软件功能可以很容易进行扩展。
仿真结果发现目标生物细胞存在多个共振频率，不同的共振频率对应着不同的细胞总弹性应变能、细胞变形总位移量、细胞特征形态和细胞在XY切面边沿受到的声压等参数。
在一些实施例中，步骤S102中，将第一相关参数输入仿真模型，确定目标生物细胞的自聚焦频率，包括：
将第一相关参数输入仿真模型，确定至少一个共振频率；至少一个共振频率包括以下至少一项：最大总弹性应变能对应的共振频率、最大细胞变形总位移量对应的共振频率、基于共振效应吸收声场能量使得声压增大的共振频率。
将至少一个共振频率，分别输入仿真模型。
针对每一共振频率，确定一个声压分布模型。
若声压分布模型中存在不小于阈值声压的声压，将声压分布模型对应的共振频率，作为目标生物细胞的自聚焦频率。
可选地，声压分布模型用于展示声压分布，便于确定声压分布模型中是否存在不小于阈值声压的声压。
作为一种示例，选取目标生物细胞总弹性应变能从大到小对应的前15个频率点观察目标生物细胞(在示例中简称细胞)变形总位移量随细胞总弹性应变能的变化趋势，总体趋势上随着总弹性应变能的增加，细胞总变形位移量也在升高，理论上最大总弹性应变能与最大细胞变形总位移量应该对应同一共振频率，但当共振频率为1030kHz，细胞总弹性应变能最大为84.9×10-9J(焦)时，变形总位移量为1.23μm(微米)并不是最大的，反观共振频率140kHz时细胞变形位移量高达620μm，是计算的600个特征模态中的最大值，而此时细胞总弹性应变能仅为3.25×10-9J。
从细胞的特征模态可以看出，在垂直于声场传播方向的XY切面上，细胞沿XY切面边沿处的细胞质部分变形最为剧烈。因此，进一步观察了对应频率坐标的细胞沿XY切面边沿处的声压分布，分析了了15组数据，数据包括细胞特征模态)及其对应的细胞XY切面边沿处声压分布。
基于15组数据的分析，可以得到不同共振频率下癌细胞的特征模态和细胞变形总位移量大小(例如1030kHz和1.23μm)，以及共振频率对应的癌细胞的总弹性应变能大小和细胞沿XY切面边沿的声压分布及其最大值(例如共振频率1030kHz对应总弹性应变能84.9×10-9J及声压最大值1909600Pa)。
基于上述分析，进一步研究发现，随着总弹性应变能的升高，细胞沿XY切面边沿的声压最大值也在升高。随着共振频率的大幅上升(例如：260kHz＜755kHz＜1570kHz)，即使细胞总弹性应变能在下降(例如：0.27＞0.16＞0.11，单位为10-9J)，细胞总变形位移量在下降(例如：70.5μm＞44.9μm＞40.9μm)。
但是，细胞受到的声压最大值却在提高(例如：37250Pa＜54265Pa＜95437Pa)，这说明在总弹性应变能相差不大的情况下，共振频率越高，声压分布的不对称不均匀程度越高，导致声场能量在小区域范围内“自发聚焦”，因此细胞受到的声压最大值越大，同时由于细胞受到的压力不均匀，细胞特征形态所展示的变形也越来越不均匀。
可选地，选取癌细胞变形总位移量最大时对应的140kHz和声压峰值最大时对应的1030kHz做对比研究。频率140kHz，总位移量620μm，峰值声压0.099940MPa(兆帕)，而频率1030kHz，细胞变形总位移量仅1.23μm，声压峰值为1.9096MPa是140kHz对应数值的19倍，是所设置的输入声场声压0.7MPa的2.7倍。
显然，当超声频率为1030kHz时，由于声场能量在癌细胞上出现“自聚焦”现象，声压在细胞上的分布极不均匀，再加上此频率下细胞总弹性应变能和频率质量因数最大，导致在细胞上出现了超过输入声场声压的声压幅值，对细胞产生直接有效的破坏。因此，细胞变形总位移量最大时对应的共振频率(140kHz，620μm)不一定是对细胞形成最有效破坏的共振频率。
因此，低强度脉冲超声通过细胞的共振效应吸收了最大的声场能量，并将其“自聚焦”在细胞尺寸范围的小部分区域，从而得到高幅值的声压，细胞沿XY切面边沿声压图中的每一个声压极值就像是一根根锋利的针尖，刺向细胞，造成破坏。
下面，继续对共振频率为140kHz和1030kHz时的癌细胞进行受力分析。
使用140kHz中心频率的低强度脉冲超声作用癌细胞时，可以发现在特征模态变形严重的地方，如椭圆细胞长轴的两端附近，细胞受到的声场压力也更大。Von Mises应力分布图中所示数值较大，表明在140kHz下细胞的屈服点不容易达到，从细胞压力分布和vonMises应力分布的对应关系看，140kHz时，细胞上分布的压力均小于屈服点，不满足塑性条件，这表示在该共振频率的低强度脉冲超声作用下细胞仍处于弹性状态，细胞变形后能够恢复原状并反复变形，这也是其细胞变形总位移量高的原因。
在共振频率为1030kHz的低强度脉冲超声作用下癌细胞的von Mises应力值最大为3.79×103N/m2(牛顿/平方米)，较癌细胞受到的压力最大值1.46×106Pa(帕)小3个数量级，与癌细胞受到的压力最小值3.74×103N/m2基本持平，因此整个癌细胞几乎都达到了屈服条件进入塑性状态而不再处于弹性状态。癌细胞在压力作用下产生形变并且无法恢复到原来的形状。塑性状态下细胞结构变形后无法回弹，这就解释了共振频率1030kHz时，细胞总弹性应变能高达84.9×10-9J，但细胞变形总位移量却仅有1.23μm的现象。细胞进入塑性状态后将受到严重破坏。例如，细胞膜的结构无法恢复导致其通透性被永久改变，同时，支撑细胞生理活动的细胞骨架也无法维持正常形态。
基于上述分析，共振频率为1030kHz的低强度脉冲超声作用下，细胞将从外界声场吸收最多的能量，通过共振效应使得低强度脉冲超声声场在细胞上完成“自聚焦”，从而在“自聚焦”区域形成极大的声压，导致细胞进入塑性状态，细胞膜、细胞骨架和细胞核等细胞器被破坏，细胞走向死亡。
在一些实施例中，超声频率的确定方法，还包括：
获取正常生物细胞的第二相关参数；第二相关参数为表征正常生物细胞特性的参数；
将第二相关参数输入仿真模型，确定正常生物细胞的自聚焦频率。
可选地，步骤S102中，将第一相关参数输入仿真模型，确定目标生物细胞的自聚焦频率，作为超声频率，包括：
确定目标生物细胞的自聚焦频率与正常生物细胞的自聚焦频率是否不同，若是，则将目标生物细胞的自聚焦频率作为超声频率。
可选地，将第二相关参数输入仿真模型，确定正常生物细胞的自聚焦频率的方法与将第一相关参数输入仿真模型，确定正常生物细胞的自聚焦频率的方法相同，在此不再赘述。
在上述示例中，癌细胞的自聚焦频率，或者说低强度脉冲超声杀伤癌细胞A375最有效的频率为1030kHz。导入癌细胞A375对应的正常细胞HaCaT的参数进行计算。同理，采用上述方法，可以得到正常细胞的自聚焦频率为1270kHz，与癌细胞的1030kHz不相等，而且试验发现1270kHz时正常细胞仍处于弹性状态，未被破坏。
综上，自聚焦频率可以是最大总弹性应变能对应的共振频率，例如本申请实施例的共振频率1030kHz。
基于上述步骤S101至步骤S102，本申请实施例超声频率的确定方法可以将目标生物细胞的第一相关参数输入仿真模型，确定目标生物细胞的自聚焦频率，作为超声频率，由于自聚焦频率是基于共振效应吸收声场能量，使得在目标生物细胞的至少一个区域的声压增大到不小于阈值声压，从而使得基于超声频率输出到目标生物细胞的超声可以破坏目标生物细胞，不需要配合超声造影剂，可以单独完全破坏目标生物细胞。
本申请实施例是采用仿真模型的仿真计算的方法，研究发现了低强度脉冲超声波能够在单细胞尺度上发生“自聚焦”现象。本申请实施例是通过仿真可以计算得出靶细胞的自聚焦频率以及目标生物细胞(即靶细胞)周边的正常细胞的自聚焦频率，通过调制低强度脉冲超声的参数就可以针对性地作用在靶细胞，避免对正常细胞产生伤害。
具体地，本申请实施例的超声频率的确定方法是采用仿真模型，在仿真模型中导入癌细胞和正常细胞相应的机械与材料参数进行计算，便确定两类细胞的自聚焦频率，通过选择癌细胞的自聚焦频率，避开正常细胞的自聚焦频率，可以最大限度的杀伤癌细胞而不伤害正常细胞。
基于同一发明构思，本申请实施例提供一种超声输出装置，参见图2所示，该超声输出装置100包括：电连接的控制单元110和超声输出单元120。
控制单元110用于获取超声频率，并基于超声频率，控制超声输出单元120向目标生物组织输出超声，使得目标生物组织的目标生物细胞受到破坏；超声频率是基于本申请任一实施例的超声频率的确定方法得到的。
可选地，超声输出单元120用于向目标生物组织输出超声频率的超声，以破坏目标生物细胞。
在一些实施例中，参见图3所示，超声输出装置100还包括：显示单元130。
控制单元110与显示单元130电连接，用于获取显示单元130的显示界面的超声频率。
可选地，控制单元110用于响应于显示界面的相关输入操作，获取超声频率。
可选地，超声频率是用户在基于仿真模型确定之后，通过显示单元130的显示界面输入。显示界面为人机交互界面，可以实现人机交互。
可选地，控制单元110也可以直接与执行本申请任一实施例的超声频率的确定方法的电子设备通信连接，接收电子设备输出的超声频率。或者，控制单元110被配置为执行本申请任一实施例的超声频率的确定方法，获取确定后的超声频率。
在一些实施例中，控制单元110用于基于超声频率和预设的装置能量阈值，生成对应的信号参数；基于超声频率和信号参数，控制超声输出单元120向目标生物组织输出超声。
可选地，控制单元110需要在超声频率的基础上，对应生成相应的信号参数，使得超声输出单元120对应输出超声频率的超声。
可选地，预设的装置能量阈值一般为超声输出装置100的能量上限，输出的超声需要满足超声频率和装置能量上限的要求。
在一些实施例中，参见图4所示，超声输出单元120包括：信号发生电路121、电源模块122、驱动电路124、逆变电路125、换能模块127。
信号发生电路121与控制单元110电连接，信号发生电路121用于接收控制单元110输出的超声频率、占空比以及脉冲个数，基于超声频率、占空比以及脉冲个数，输出第一输出信号；信号参数包括占空比和脉冲个数。
可选地，参见图4所示，电源模块122与控制单元110电连接，电源模块122用于基于控制单元110输出的电压幅值，对应输出直流电压；信号参数包括电压幅值。
可选地，电源模块122为高压电源模块，电源模块122的输出电压可以在控制单元110的控制下进行调节。
可选地，参见图4所示，驱动电路124与信号发生电路121通信连接，驱动电路124用于基于第一输出信号得到第一驱动信号；第一驱动信号的电压幅值大于第一输出信号的电压幅值。
可选地，驱动电路124可以进行电压的转换，用于输出控制逆变电路125的第一驱动信号。
可选地，参见图4所示，逆变电路125与电源模块122和驱动电路124均电连接，逆变电路125用于在驱动电路124的第一驱动信号的控制下，将直流电压转换为交流电压，输出交流电信号。
可选地，逆变电路125可以基于全桥原理，输出双极性脉冲波形，可以使得换能模块127输出脉冲串，脉冲串之间的间隔可以设置，使得输出的脉冲串内的电压电流波形可以为正弦波。
可选地，参见图5所示，S1、S2、S3和S4为开关器件，可以为MOS管，通过控制开关器件S1、S2、S3和S4的导通和断开，实现逆变电路125将直流电转换为交流电的过程。A和B之间连接电源模块122，C与换能模块127电连接，以将逆变电路125的交流电信号向换能模块127输出。
可选地，参见图5所示，逆变电路125的工作原理为：将开关器件S1和S4作为一组，同时控制开关器件S1和S4的导通和断开；开关器件S2和S3作为一组，同时控制开关器件S2和S3的导通和断开。在第一阶段，控制开关器件S1和S4导通，开关器件S2和S3断开，A点开关器件S1、S4以及B点形成导通回路，向换能模块127输出第一电压信号；在第二阶段，控制开关器件S1和S4断开，开关器件S2和S3导通，A点开关器件S3、S2以及B点形成导通回路，向换能模块127输出第二电压信号。第一电压信号和第二电压信号为方向相反的信号，从而实现向换能模块127输出交流电信号。
可选地，参见图4所示，换能模块127与逆变电路125电连接，换能模块127用于基于交流电信号向目标生物组织输出超声。
可选地，换能模块127包括至少一个换能器，可以将电信号转换为机械振动，以向目标生物组织输出脉冲超声。
在一些实施例中，参见图4所示，超声输出单元120还包括：隔离电路123。
隔离电路123与信号发生电路121和驱动电路124通信连接，隔离电路123用于将信号发生电路121输出的第一输出信号转换为光信号，将光信号转换为第一输出信号向驱动电路124输出。
可选地，隔离电路123可以对信号发生电路121和驱动电路124进行隔离，信号发生电路121和驱动电路124之间没有电的直接连接，避免因有电的连接而引起的干扰。隔离电路123可以采用光耦隔离的形式。
在一些实施例中，参见图4所示，超声输出单元120还包括：匹配电路126。
匹配电路126与换能模块127电连接，匹配电路126用于将交流电信号由矩形波转换为正弦波。
可选地，匹配电路126可以调整交流电信号的波形以调整换能模块127输出的超声的波形。
可选地，换能模块127包括压电换能器，匹配电路126用于将压电换能器由电容性负载转换为电阻性负载。
可选地，在压电换能器发射表面和病灶之间涂抹医用超声耦合剂，可以减少能量的损失，保证癌细胞受到的自聚焦声压足够大。
在一些实施例中，超声输出装置100，还包括以下至少一项：
超声频率为1030千赫兹；信号参数的触发间隔为30毫秒；信号参数的占空比为10％；信号参数的电压幅值为110伏；信号参数的电流幅值为110毫安。
可选地，本申请实施例的超声频率根据不同患者不同部位不同类型的目标生物组织，可能有所差异。在实践中，可以根据患者实际的肿瘤细胞的分析，基于本申请实施例的超声频率的确定方法对应确定超声频率。
本申请实施例的超声输出装置100是基于脉冲形式激发的超声波在组织层面几乎不会引起温升。
本申请实施例以裸鼠为实验，进一步验证本申请实施例的超声输出装置100和超声频率的确定方法的效果，证实了低强度脉冲超声能够有效的抑制癌细胞的生长。经试验发现，低强度脉冲超声(超声频率选用1030千赫兹)对正常细胞的细胞骨架和细胞核几乎没有影响，而癌细胞A375在低强度脉冲超声作用前后细胞核与细胞骨架的颜色均变浅，说明癌细胞的细胞核与细胞骨架已被低强度脉冲超声破坏。进一步试验发现，本申请实施例采用30ms触发间隔的低强度脉冲超声最能引起癌细胞A375的凋亡。采用本申请实施例超声输出装置100在同一低强度脉冲超声作用正常细胞HaCaT和癌细胞A375，48小时后，正常细胞HaCaT凋亡率略微下降，而癌细胞A375的凋亡率迅速攀升，说明低强度脉冲超声选择性地引起了A375的凋亡。
本申请实施例的超声输出装置100可以实现超声频率的确定方法确定的超声频率的效果验证和实践。通过该超声输出装置100的显示界面，输入仿真模型计算得到的自聚焦频率，并设置对应的电压幅值、占空比和脉冲个数，信号发生电路121将根据信号参数产生对应第一输出信号，第一输出信号经隔离电路123和驱动电路124对逆变电路125的开关进行关断控制，实现电源模块122输出的直流电向交流电的转换，最终驱动换能模块127产生所设置的低强度脉冲超声，实现对目标生物组织输出低强度脉冲超声。
基于同一发明构思，本申请实施例提供一种超声输出方法，应用于本申请任一实施例的超声输出装置，参见图6所示，超声输出装置100包括：步骤S601至步骤S602。
S601、获取超声频率。
可选地，结合图3所示，本申请实施例的超声输出方法应用于控制单元110，与控制单元110的功能一致。
在一些实施例中，步骤S601中，获取超声频率，包括：
获取超声输出装置100的显示单元130的显示界面的超声频率。
可选地，控制单元110获取超声输出装置100的显示单元130的显示界面的超声频率。
S602、基于超声频率，控制超声输出单元120向目标生物组织输出超声，使得目标生物组织的目标生物细胞受到破坏。
可选地，步骤S602中，基于超声频率，控制超声输出单元120向目标生物组织输出超声，包括：
基于超声频率和预设的装置能量上限，生成对应的信号参数。
基于超声频率和信号参数，控制超声输出单元120向目标生物组织输出超声。
可选地，控制单元110基于超声频率和预设的装置能量上限，生成对应的信号参数，基于超声频率和信号参数，控制超声输出单元120向目标生物组织输出超声。
在一些实施例中，基于超声频率和信号参数，控制超声输出单元120向目标生物组织输出超声，包括：
向信号发生电路121输出超声频率、占空比以及脉冲个数，使得信号发生电路121向驱动电路124输出第一输出信号，驱动电路124基于第一输出信号得到第一驱动信号；信号参数包括占空比和脉冲个数；
向超声输出单元120的电源模块122输出电压幅值，使得电源模块122基于电压幅值向逆变电路125输出直流电压，逆变电路125在第一驱动信号的控制下，将直流电压转换为交流电压，输出交流电信号，换能模块127基于交流电信号向目标生物组织输出超声。
可选地，控制单元110向信号发生电路121输出超声频率、占空比以及脉冲个数，向超声输出单元120的电源模块122输出电压幅值，使得超声输出单元120向目标生物组织输出超声。
可选地，本申请实施例的超声输出方法与本申请实施例的超声输出装置100相匹配，原理一致，在此不再赘述。
基于同一发明构思，本申请实施例提供一种超声频率的确定装置，参见图7所示，该超声频率的确定装置700包括：获取模块710和确定模块720。
获取模块710用于获取目标生物细胞的第一相关参数；第一相关参数为表征目标生物细胞特性的参数。
确定模块720用于将第一相关参数输入仿真模型，确定目标生物细胞的自聚焦频率，作为超声频率；自聚焦频率为目标生物细胞基于共振效应吸收声场能量，使得在目标生物细胞的至少一个区域的声压增大到不小于阈值声压，阈值声压是对目标生物细胞造成破坏的声压。
可选地，获取模块710还用于获取正常生物细胞的第二相关参数；第二相关参数为表征正常生物细胞特性的参数。
可选地，确定模块720用于将第一相关参数输入仿真模型，确定至少一个共振频率；至少一个共振频率包括以下至少一项：最大总弹性应变能对应的共振频率、最大细胞变形总位移量对应的共振频率、基于共振效应吸收声场能量使得声压增大的共振频率。将至少一个共振频率，分别输入仿真模型。针对每一共振频率，确定一个声压分布模型。若声压分布模型中存在不小于阈值声压的声压，将声压分布模型对应的共振频率，作为目标生物细胞的自聚焦频率。
可选地，确定模块720用于将第二相关参数输入仿真模型，确定正常生物细胞的自聚焦频率。
可选地，确定模块720用于将第二相关参数输入仿真模型，确定至少一个共振频率；至少一个共振频率包括以下至少一项：最大总弹性应变能对应的共振频率、最大细胞变形总位移量对应的共振频率、基于共振效应吸收声场能量使得声压增大的共振频率。将至少一个共振频率，分别输入仿真模型。针对每一共振频率，确定一个声压分布模型。若声压分布模型中存在不小于正常生物细胞的阈值声压的声压，将声压分布模型对应的共振频率，作为正常生物细胞的自聚焦频率。
本申请实施例的超声频率的确定装置700可以将目标生物细胞的第一相关参数输入仿真模型，确定目标生物细胞的自聚焦频率，作为超声频率，由于自聚焦频率是基于共振效应吸收声场能量，使得在目标生物细胞的至少一个区域的声压增大到不小于阈值声压，从而使得基于超声频率输出到目标生物细胞的超声可以就破坏目标生物细胞，不需要配合超声造影剂，可以单独使用完全破坏目标生物细胞。
本申请实施例的超声频率的确定装置700可执行本申请实施例所提供的超声频率的确定方法，其实现原理相类似，本申请各实施例的装置中的各模块所执行的动作是与本申请各实施例的方法中的步骤相对应的，对于装置的各模块的详细功能描述具体可以参见前文中所示的对应方法中的描述，此处不再赘述。
基于同一发明构思，本申请实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，处理器执行计算机程序以实现本申请任一实施例的超声频率的确定方法的步骤。
本申请在一个可选实施例中提供了一种电子设备，如图8所示，图8所示的电子设备2000包括：处理器2001和存储器2003。其中，处理器2001和存储器2003相通信连接，如通过总线2002相连。
处理器2001可以是CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，通用处理器，DSP(Digital Signal Processor，数据信号处理器)，ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit，专用集成电路)，FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本申请公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。处理器2001也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等。
总线2002可包括一通路，在上述组件之间传送信息。总线2002可以是PCI(Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准)总线或EISA(ExtendedIndustry Standard Architecture，扩展工业标准结构)总线等。总线2002可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图8中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
存储器2003可以是ROM(Read-Only Memory，只读存储器)或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，RAM(random access memory，随机存取存储器)或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是EEPROM(Electrically ErasableProgrammable Read Only Memory，电可擦可编程只读存储器)、CD-ROM(Compact DiscRead-Only Memory，只读光盘)或其他光盘存储、光碟存储(包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等)、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。
可选地，电子设备2000还可以包括通信单元2004。通信单元2004可用于信号的接收和发送。通信单元2004可以允许电子设备2000与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。需要说明的是，实际应用中通信单元2004不限于一个。
可选地，电子设备2000还可以包括输入单元2005。输入单元2005可用于接收输入的数字、字符、图像和/或声音信息，或者产生与电子设备2000的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输入单元2005可以包括但不限于触摸屏、物理键盘、功能键(比如音量控制按键、开关按键等)、轨迹球、鼠标、操作杆、拍摄装置、拾音器等中的一种或多种。
可选地，电子设备2000还可以包括输出单元2006。输出单元2006可用于输出或展示经过处理器2001处理的信息。输出单元2006可以包括但不限于显示装置、扬声器、振动装置等中的一种或多种。
虽然图8示出了具有各种装置的电子设备2000，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。
可选的，存储器2003用于存储执行本申请方案的应用程序代码，并由处理器2001来控制执行。处理器2001用于执行存储器2003中存储的应用程序代码，以实现本申请实施例提供的任一种超声频率的确定方法。
本技术领域技术人员可以理解，本申请实施例提供的电子设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以包括通用计算机中的已知设备。这些设备具有存储在其内的计算机程序，这些计算机程序选择性地激活或重构。这样的计算机程序可以被存储在设备(例如，计算机)可读介质中或者存储在适于存储电子指令并分别耦联到总线的任何类型的介质中。
基于同一发明构思，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现本申请任一实施例的超声频率的确定方法的步骤。
本申请的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
在本申请实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。
本技术领域技术人员可以理解，本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本申请中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本申请中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤的实施顺序并不受限于箭头所指示的顺序。除非本文中有明确的说明，否则在本申请实施例的一些实施场景中，各流程中的步骤可以按照需求以其他的顺序执行。而且，各流程图中的部分或全部步骤基于实际的实施场景，可以包括多个子步骤或者多个阶段。这些子步骤或者阶段中的部分或全部可以在同一时刻被执行，也可以在不同的时刻被执行在执行时刻不同的场景下，这些子步骤或者阶段的执行顺序可以根据需求灵活配置，本申请实施例对此不限制。
以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的方案技术构思的前提下，采用基于本申请技术思想的其他类似实施手段，同样属于本申请实施例的保护范畴。
Claims (17)
1.一种超声频率的确定方法，其特征在于，包括：
获取目标生物细胞的第一相关参数；所述第一相关参数为表征目标生物细胞特性的参数；
将所述第一相关参数输入仿真模型，确定所述目标生物细胞的自聚焦频率，作为超声频率；所述自聚焦频率为所述目标生物细胞基于共振效应吸收声场能量，使得在所述目标生物细胞的至少一个区域的声压增大到不小于阈值声压，所述阈值声压是对所述目标生物细胞造成破坏的声压。
2.根据权利要求1所述的超声频率的确定方法，其特征在于，所述将所述第一相关参数输入仿真模型，确定所述目标生物细胞的自聚焦频率，包括：
将所述第一相关参数输入仿真模型，确定至少一个共振频率；所述至少一个共振频率包括以下至少一项：最大总弹性应变能对应的共振频率、最大细胞变形总位移量对应的共振频率、基于共振效应吸收声场能量使得声压增大的共振频率；
将所述至少一个共振频率，分别输入所述仿真模型；
针对每一所述共振频率，确定一个声压分布模型；
若所述声压分布模型中存在不小于所述阈值声压的声压，将所述声压分布模型对应的共振频率，作为目标生物细胞的自聚焦频率。
3.根据权利要求1所述的超声频率的确定方法，其特征在于，还包括：
获取正常生物细胞的第二相关参数；所述第二相关参数为表征正常生物细胞特性的参数；
将所述第二相关参数输入仿真模型，确定所述正常生物细胞的自聚焦频率；
以及，所述将所述第一相关参数输入仿真模型，确定所述目标生物细胞的自聚焦频率，作为超声频率，包括：
确定所述目标生物细胞的自聚焦频率与所述正常生物细胞的自聚焦频率是否不同，若是，则将所述目标生物细胞的自聚焦频率作为超声频率。
4.根据权利要求1所述的超声频率的确定方法，其特征在于，所述第一相关参数包括以下至少一项：细胞质和细胞核的杨氏模量、密度、泊松比、声速；和/或，
所述超声频率为低强度脉冲超声的频率。
5.一种超声输出装置，其特征在于，包括：电连接的控制单元和超声输出单元；
控制单元，用于获取超声频率，并基于所述超声频率，控制所述超声输出单元向目标生物组织输出超声，使得所述目标生物组织的目标生物细胞受到破坏；所述超声频率是基于权利要求1-4中任一项所述的超声频率的确定方法得到的。
6.根据权利求5所述的超声输出装置，其特征在于，还包括：显示单元；
所述控制单元与所述显示单元电连接，用于获取所述显示单元的显示界面的超声频率。
7.根据权利要求5所述的超声输出装置，其特征在于，所述控制单元，用于基于所述超声频率和预设的装置能量阈值，生成对应的信号参数；基于所述超声频率和所述信号参数，控制所述超声输出单元向目标生物组织输出超声。
8.根据权利要求7所述的超声输出装置，其特征在于，所述超声输出单元，包括：信号发生电路、电源模块、驱动电路、逆变电路和换能模块；
所述信号发生电路，与所述控制单元电连接，用于接收所述控制单元输出的所述超声频率、占空比以及脉冲个数，基于所述超声频率、占空比以及脉冲个数，输出第一输出信号；所述信号参数包括所述占空比和所述脉冲个数；
所述电源模块，与所述控制单元电连接，用于基于所述控制单元输出的电压幅值，对应输出直流电压；所述信号参数包括所述电压幅值；
所述驱动电路，与所述信号发生电路通信连接，用于基于所述第一输出信号得到第一驱动信号；所述第一驱动信号的电压幅值大于所述第一输出信号的电压幅值；
所述逆变电路，与所述电源模块和所述驱动电路均电连接，用于在所述驱动电路的第一驱动信号的控制下，将所述直流电压转换为交流电压，输出交流电信号；
所述换能模块，与所述逆变电路电连接，用于基于所述交流电信号向目标生物组织输出超声。
9.根据权利要求8所述的超声输出装置，其特征在于，所述超声输出单元，还包括：隔离电路；
所述隔离电路，与所述信号发生电路和所述驱动电路通信连接，用于将所述信号发生电路输出的所述第一输出信号转换为光信号，将所述光信号转换为所述第一输出信号向所述驱动电路输出。
10.根据权利要求8所述的超声输出装置，其特征在于，所述超声输出单元，还包括：匹配电路；
所述匹配电路与所述换能模块电连接，用于将所述交流电信号由矩形波转换为正弦波；和/或，
所述换能模块包括压电换能器，所述匹配电路用于将所述压电换能器由电容性负载转换为电阻性负载。
11.根据权利要求7所述的超声输出装置，其特征在于，还包括以下至少一项：
所述超声频率为1030千赫兹；
所述信号参数的触发间隔为30毫秒；
所述信号参数的占空比为10％；
所述信号参数的电压幅值为110伏；
所述信号参数的电流幅值为110毫安。
12.一种超声输出方法，应用于如权利要求5-11中任一项所述的超声输出装置，其特征在于，包括：
获取超声频率；
基于所述超声频率，控制所述超声输出单元向目标生物组织输出超声，使得所述目标生物组织的目标生物细胞受到破坏。
13.根据权利要求12所述的超声输出方法，其特征在于，所述获取超声频率，包括：
获取超声输出装置的显示单元的显示界面的超声频率；
所述基于所述超声频率，控制所述超声输出单元向目标生物组织输出超声，包括：
基于所述超声频率和预设的装置能量上限，生成对应的信号参数；
基于所述超声频率和所述信号参数，控制所述超声输出单元向目标生物组织输出超声。
14.根据权利要求13所述的超声输出方法，其特征在于，所述基于所述超声频率和所述信号参数，控制所述超声输出单元向目标生物组织输出超声，包括：
向信号发生电路输出所述超声频率、占空比以及脉冲个数，使得所述信号发生电路向驱动电路输出第一输出信号，所述驱动电路基于所述第一输出信号得到第一驱动信号；所述信号参数包括占空比和脉冲个数；
向超声输出单元的电源模块输出电压幅值，使得电源模块基于所述电压幅值向所述逆变电路输出直流电压，所述逆变电路在所述第一驱动信号的控制下，将所述直流电压转换为交流电压，输出交流电信号，换能模块基于所述交流电信号向目标生物组织输出超声。
15.一种超声频率的确定装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取目标生物细胞的第一相关参数；所述第一相关参数为表征目标生物细胞特性的参数；
确定模块，用于将所述第一相关参数输入仿真模型，确定所述目标生物细胞的自聚焦频率，作为超声频率；所述自聚焦频率为所述目标生物细胞基于共振效应吸收声场能量，使得在所述目标生物细胞的至少一个区域的声压增大到不小于阈值声压，所述阈值声压是对所述目标生物细胞造成破坏的声压。
16.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1-4任一项所述超声频率的确定方法的步骤。
17.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-4任一项所述超声频率的确定方法的步骤。
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