CN115518860A - 一种阵列换能器的激励方法、设备及存储介质 - Google Patents

一种阵列换能器的激励方法、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种阵列换能器的激励方法，包括：使用单个超声阵列换能器，将其划分成发射阵元组和接收阵元组，该换能器的发射阵元组采用不同发射频率、不同发射电压和不同超声阵元数的方式共同激励超声阵元发射超声波，同时激励目标微泡，而接收阵元组中的超声阵元不参与发射，只负责接收发射阵元组发射的超声波反射的信号，根据反射信号中提取的空化信号，实时监测当前空化状态，进而动态调控发射阵元组中各阵元的发射频率和发射电压，提高空化效率、增强空化效果。

Description

一种阵列换能器的激励方法、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及医学超声系统领域，尤其涉及一种阵列换能器的激励方法、设备及存储介质。
背景技术
研究表明，微泡在双频或多种频率同时激励下，产生空化条件阈值会降低，同时也会产生更强的空化效果，进而提高超声空化设备的空化效率。
现有的超声空化系统中，常见的阵列换能器的激励方法有两种：一种是使用单个阵列换能器，这种方法虽然简单但是只能使用单一的发射频率，空化效率较低，并且为了达到目标空化效率而提高电压或占空比后，会对探头的损耗大大增加；另一种是使用两个或多个换能器，每个换能器采用不同的频率和电压同时激励，但是这样的系统电路、换能器等装置复杂，造成对超声波束控制及操作使用等不便。
另外，在产生空化过程时，经常使用较长的脉冲长度，比如几十到几百微秒，去激励微泡，如果需要在较高占空比的情况下，换能器发射完一个脉冲再去接收，很难在发射脉冲之后，留出足够的接收信号时间，并且无法收到完整的空化信号，对当前空化状态的监控比较困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阵列换能器的激励方法、系统及存储介质，旨在解决现有技术中超声空化装置复杂、空化效果差、空化状态监测难等问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供一种阵列换能器的激励方法，所述方法包括步骤：使用单个阵列换能器，根据阵元空间坐标位置将各个超声阵元划分为发射阵元组和接收阵元组；使用不同激励方式对所述发射阵元组同时进行激励，以产生超声波，所述接收阵元组接收该超声波反射的信号；根据所述超声波反射的信号，提取空化信号并判断当前空化状态，以动态调控所述发射阵元组内各超声阵元的激励方式。
作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：所述发射阵元组包括多个使用不同发射频率的子超声阵元组，每个子超声阵元组中的超声阵元发射相同频率的超声波；所述子超声阵元组包含一个或多个超声阵元且均匀分布在发射阵元组内。
作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：所述发射阵元组和接收阵元组是均匀分布的。
作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：所述接收阵元组包括一个或多个超声阵元，且都不发射超声波。
作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：所述激励方式包括调控所述发射阵元组内各超声阵元的发射频率、发射电压和发射阵元数量。
作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：所述阵列换能器中包括多阵元一维阵列换能器和多阵元二维阵列换能器。
作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：所述空化状态包括稳态空化和瞬态空化。
作为本发明的进一步改进，所述“提取所述超声波反射信号中的空化信号，并根据该空化信号判断当前空化状态”具体包括：所述接收阵元组接收发射阵元组发射超声波反射的信号，使用带通滤波器提取所述信号中的空化信号；其中，所述空化信号包括超谐波和宽带噪声；根据所述空化信号判断当前空化状态。
本发明还提供一种超声空化设备，该设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序对实现如任意一项阵列换能器的激励方法。
本发明还提供一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项阵列换能器的激励方法。
与现有技术相比，本发明提供的阵列换能器的激励方法，使用单个超声阵列换能器同时实现发射和接收的双重功能，不仅降低了换能器的损耗，而且还可以实时监测当前空化状态，降低了监测空化状态的难度和临床医学上使用两个探头发射超声波和接收并提取反射信号中的空化信号的操作不便等问题，提高了激励方式的灵活性，另外，动态调控发射阵元组中各超声阵元的发射频率和发射电压，提高了空化效率、增强空化效果。
附图说明
图1是本发明实施例中阵列换能器激励方法的流程图。
图2是本发明实施例中单个阵列换能器激励平面波空化的示意图。
图3是本发明实施例中单个阵列换能器激励聚焦波空化的示意图。
图4是本发明实施例中超声空化设备的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本申请公开了一个实施方式的一种阵列换能器激励方法，虽然本申请提供了如下述实施方式或流程图1所述的方法操作步骤，但是基于常规或者无需创造性的劳动，所述方法在逻辑性上不存在必要因果关系的步骤中，这些步骤的执行顺序不限于本申请实施方式中所提供的执行顺序。如图1所示，本发明实施例提供了一种阵列换能器激励方法，所述方法包括以下若干步骤，下面对所述方法及每个步骤分别进行说明：
步骤S101，使用单个超声阵列换能器，并根据阵元的坐标位置划分为发射阵元组和接收阵元组；
在超声空化系统中，要达到超声波的空化效应所需的超声辐射力强度或温升效果，需要较大的换能器激励能量。在本发明实施例中，使用单个超声阵列换能器，将该超声阵列换能器按照空间坐标位置将各个阵元划分为发射阵元组和接收阵元组。优选地，本发明实施例中的阵列换能器为多阵元一维阵列换能器，如图2所示，同样，多阵元二维阵列换能器也适用本发明的保护范围。
具体地，如图2所示是单个阵列换能器激励平面波空化方式，在微泡产生空化过程中，A、B和C代表阵列换能器上三组不同工作状态的阵元，不同发射频率的多个子超声阵元组共同构成一个发射阵元组，每个子超声阵元组包含一个或多个超声阵元且均匀分布在发射阵元组内。
于一具体实施例，如图2所示，AB整体作为一个发射阵元组，该发射阵元组包括两个使用不同发射频率的子超声阵元组A和B，每个子超声阵元组中包含的所有超声阵元发射相同频率的超声波，比如A组中的所有超声阵元发射频率都为fA，B组中的所有超声阵元发射频率都为fB。其中，A组和B组的阵元数是可以相同也可以不同的，可以按照不同比例进行设置，但是一个发射阵元组内不同频率的子超声阵元组的数量是相同的，是均匀分布在发射阵元组内，即发射阵元组内子超声阵元组A组和B组的数量是1：1。另外，发射阵元组循环占据超声阵列换能器的发射孔径，比如ABABABAB，这样设置其位置分布，可以尽可能保证发射阵元组发射超声波产生的声场和聚焦区是一致的，提高空化效果。
发射阵元组是负责发射不同频率的超声波，而接收阵元组，如图2所示的C组，从始至终保持无发射状态，只会负责接收发射阵元组发射超声波后反射回的信号。另外，在发射阵元组之间插入接收阵元组，所述接收阵元组中的阵元数包括一个或多个，且插入到发射阵元组的位置也是不固定的。比如，接收阵元组可以插入到每个发射阵元组中间，即ABCABCABCABC，也可以插入到部分发射阵元组中间，即ABABCABCAB，这些位置的部署是根据我们需要监测的空化区域及范围来动态调整的。
在本发明实施例中，由于聚焦波存在发射延时聚焦的问题，所以在使用单个超声阵列换能器实现空化的发射方案与平面波略有不同。如图3所示，由于存在发射延时聚焦，因此在时刻①，发射阵元组中的A组和B组阵元会分别发射频率为fA和fB的超声波，超声阵列换能器两侧完全对称，同样的，C组阵元是接收阵元组，只接收超声波反射信号不发射超声波。同样的，在时刻②和③与时刻①做同样的操作。另外，对于聚焦波发射孔径远小于空化区域的情况，通过滑动孔径的方式实现对整个区域的空化激励，其中每个孔径的发射方法均适用上述方案。
步骤S102，使用不同发射频率、不同发射电压和不同阵元数量对发射阵元组的阵元同时进行激励，产生激励微泡空化的超声波，同时接收阵元组接收超声波反射的信号并提取空化信号；
在本发明实施例中，使用多个发射频率和多个发射电压同时对单个超声阵列换能器中的发射阵元组进行激励，如图2所示，A组和B组超声阵元为激励阵元，采用不同发射电压和不同发射频率同时激励A组和B组超声阵元，并且A组和B组的超声阵元数可不同。具体地，图2中A组超声阵元数与B组超声阵元数的比值为2：1，如果发射电压相同，理论上发射频率fA声场的声强为发射频率fB的二倍。因此，通过调控A组和B组的发射电压，以及超声阵元数比值，实现对微泡不同发射频率和不同发射电压的激励，从而达到最佳空化效果。
如图2所示，C组阵元从始至终保持无发射状态，只负责接收发射阵元组发射超声波反射回的信号，比如A组和B组发射的超声波反射回的信号。通过提取并分析接收信号中的超谐波和宽带噪声等成分，可以判断当前空化状态，比如稳态空化或瞬态空化。另外，在A组和B组之间间隔的C组阵元不一定必须是单个阵元，可以是两个或者多个。
步骤S103，根据所述空化信号监测当前空化状态，根据空化状态动态调整发射阵元组中各阵元的激励方式；
现有的实验室及临床在使用超声波空化过程中，一般是一个探头发射超声波，另外一个和发射探头垂直或者成180°去接收空化信号，这加大了接收空化信号的操作难度。而本发明采用了将单个超声阵列换能器中的部分阵元划分为接收阵元组，可以更方便简单的接收空化信号。
接收阵元组接收发射阵元组发射超声波反射回的信号，使用带通滤波器提取所述信号中的超谐波和宽带噪声等空化信号，根据所得空化信号判断当前空化状态，所述的空化状态包括稳态空化和瞬态空化。根据当前的空化状态和我们需要的空化状态进行比较，动态调控发射阵元组各个超声阵元的发射频率、发射电压、脉冲长度、脉冲重复频率和阵元数量等各因素，使得当前空化状态达到我们需要的状态。此外，所述反射信号可用于复合生成一帧图像数据，并可将所得空化信号使用彩色编码等方式半透明显示于该图像数据上。
具体地，假设在做增敏的空化过程中，需要的空化状态是稳态空化，如果接收阵元组监测当前状态是瞬态空化，则要降低发射阵元组的发射电压或是减少发射超声阵元的数量。也可通过增大两种发射频率之间的差值，比如将之前的2.8MHz和3MHz调控为2.6MHz和3MHz，或是同时等比例降低2.8MHz和3MHz的发射电压，以降低空化效率，使得空化状态由瞬态空化变成稳态空化。这不仅降低了接收和监控空化状态的难度，而且根据监控的空化状态实施调整激励方式，提高了空化效率和激励空化方式的灵活性。
本发明一实施例提供了一种超声空化设备400，如图4所示，包括处理器401、存储器402以及存储在存储器402中并可在处理器401上运行的计算机程序403。该处理器401执行计算机程序403时实现上述超声阵列换能器的激励方法实施例中的步骤，例如，图1所示的步骤S101至S103。
本发明实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一项所述的阵列超声换能器的激励方法中的步骤。
综上，本发明提供的超声阵列换能器的激励方法、系统及存储介质，使用单个超声阵列换能器，对其根据阵元空间坐标位置将各个阵元划分为发射阵元组和接收阵元组，对发射阵元组使用不同发激励方式共同激励，并根据接收阵元组接收到的信号判断当前空化状态，动态调控发射阵元组的激励方式，提高了激励空化方式的灵活性，同时还增强了空化效果，降低了接收和监控空化信号的难度。使用单个超声阵列换能器同时实现了发射和接收的双重功能，降低了成本，另外，在空化阈值降低情况下，适当降低换能器的发射电压或占空比，可以降低对阵列换能器的损耗。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种阵列换能器的激励方法，其特征在于，所述方法包括：
使用单个阵列换能器，根据阵元空间坐标位置将各个超声阵元划分为发射阵元组和接收阵元组；
使用不同激励方式对所述发射阵元组同时进行激励，以产生超声波，所述接收阵元组接收该超声波反射的信号；
提取所述超声波反射信号中的空化信号，并根据该空化信号判断当前空化状态，以动态调控所述发射阵元组内各超声阵元的激励方式。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
所述发射阵元组包括多个使用不同发射频率的子超声阵元组，每个子超声阵元组中的超声阵元发射相同频率的超声波；
所述子超声阵元组包含一个或多个超声阵元且均匀分布在发射阵元组内。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述发射阵元组和接收阵元组是均匀分布的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述接收阵元组包括一个或多个超声阵元，且都不发射超声波。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
所述激励方式包括调控所述发射阵元组内各超声阵元的发射频率、发射电压和发射阵元数量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述阵列换能器中包括多阵元一维阵列换能器和多阵元二维阵列换能器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述空化状态包括稳态空化和瞬态空化。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述“提取所述超声波反射信号中的空化信号，并根据该空化信号判断当前空化状态”具体包括：
所述接收阵元组接收发射阵元组发射超声波反射的信号，使用带通滤波器提取所述信号中的空化信号；其中，所述空化信号包括超谐波和宽带噪声；
根据所述空化信号判断当前空化状态。
9.一种超声空化设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序对实现如权利要求1-8任一项所述方法的步骤。
10.一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时候实现如权利要求1-8任意一项所述方法的步骤。
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