CN117065239B - 一种超声聚焦补偿的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超声聚焦补偿的方法和系统。超声波在生物组织中存在衰减，并且不同生物组织中的超声声速不同，因此超声波聚焦于生物组织中的不同部位时会形成不同的超声强度和相位，这导致在生物组织的不同位置形成不同的影响区域，不利于HIFU技术的精确控制。本发明提供的聚焦补偿方法通过调整超声换能器的输出，对各个超声元素的初始强度、发射时间或初始相位进行补偿，克服了现有技术中存在问题，使高强度超声聚焦在不同部位时仍然能够保持相同的超声强度和相位，有效提高了HIFU技术的精确性。

Description

一种超声聚焦补偿的方法和系统
技术领域
本发明涉及高强度聚焦超声技术，具体涉及一种超声聚焦补偿的方法和系统。
背景技术
高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound，简称HIFU）提供了一种精确消融肿瘤的无创治疗方法，其基本原理是将超声能量高度汇聚在焦点处，从而在该点产生瞬态的高温效应、空化效应，进而破坏病变的目标组织，达到“消融”病灶的外科手术目的。HIFU治疗不产生外部创口，也不会损伤超声路径上的正常组织，已经被应用于子宫肌瘤、肝癌、肾癌、乳腺癌等良恶性肿瘤的临床治疗中。
在超声聚焦的过程中，由于超声波在生物组织中存在衰减，并且在不同生物组织中的声速不同，因此当聚焦于生物组织中的不同部位时，在焦点处会形成不同的超声强度，并且当不同方向的超声波（超声元素）经过的生物组织不同时，各个超声元素在焦点处的相位也可能不同。目前的HIFU技术主要利用高强度聚焦超声的高温效应，本身就需要在焦点处聚集过量的超声能量，对精细控制的要求并不高，即使以整体驱动换能器的方式提供超声波，焦点处的强度和相位偏差并不会产生实质性的影响，但对于焦点能量过载量较低的工作模式而言，例如多焦点聚焦的HIFU、基于空化效应的HIFU，以整体驱动换能器的方式不能消除各个超声波在焦点处的声强和相位偏差，可能会出现无法消融病灶的现象，导致手术失败。
发明内容
基于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种超声聚焦补偿的方法和系统，技术方案如下：
在本发明的第一个方面，本发明提供了一种超声聚焦补偿的方法。通常而言，这种方法会被应用于HIFU设备的控制过程中，以提高超声波在焦点处的聚焦效果。具体的，该方法包括以下步骤：
S1. 确定超声波聚焦路径上各个生物组织的声衰减系数、穿透距离；
S2. 确定焦点处的超声强度；
S3. 通过调整超声换能器的输出，对超声波的初始强度进行补偿，使焦点处的超声强度和期望强度保持一致。
具体的，步骤S1通过建立目标生物组织的计算模型，计算得到超声波聚焦路径上各个生物组织的声衰减系数、穿透距离。所述计算模型是在预先建立的理论模型基础上，根据目标生物组织的年龄、重量、尺寸等生理数据调整得到。在一个优选的实施方案中，所述步骤S1通过对生物组织进行MRI测量，并测量得到超声波聚焦路径上各个生物组织的声衰减系数、穿透距离。
具体的，步骤S2通过以下公式（1）确定某一深度区域处的超声强度：
（1）
其中，I0表示超声波的初始强度，α表示声衰减系数，z表示声波到达的深度，I(z)表示该深度处的超声强度。
基于通过公式（1）得到的某一深度的超声强度，在步骤S3中通过调整超声换能器的输出对超声波的初始强度进行补偿，使补偿后的初始强度符合以下公式（2）： （2）
其中，Itarget是期望在目标深度处获得的超声强度，即期望强度。通过上述聚焦补偿过程，可以在不同的穿透距离时保持焦点处的超声强度相同，取得良好的聚焦控制效果。
优选的，考虑到超声波路径上可能经过多种生物组织，并且各个超声波经过的生物组织可能有所不同，步骤S2通过公式（3）确定第j个超声元素在焦点处的超声强度：
（3）
其中，Ij(z)表示深度z处的超声强度，αij表示该超声波经过的第i种生物组织的声衰减系数，zij表示声波在该生物组织中穿过的距离。
基于通过公式（3）得到的焦点处的超声强度，在步骤S3中通过调整超声换能器的输出对超声波的初始强度进行补偿，使补偿后的初始强度符合以下公式（4）：
（4）
其中，I0j表示第j个超声元素经过补偿后的实际初始强度，由于各个超声波路径上经过的生物组织可能有所不同，因此需要单独确定各个超声元素的初始强度。通过该聚焦补偿过程，可以更准确的在不同的穿透距离时保持焦点处的超声强度相同，取得良好的聚焦控制效果。
进一步优选的，考虑到各个超声波路径上的生物组织不同还可能导致各个超声元素在焦点处的相位有所偏差，所述步骤S1还确定了超声波聚焦路径上各个生物组织的声速，所述步骤S2还确定各个超声波到达焦点处所需的时间，所述步骤S3还通过调整超声换能器的输出，对各个超声波的发射时间进行补偿，使各个超声波在焦点处的相位保持一致。
具体的，与前述其他参数类似的，步骤S1可通过建立目标生物组织的计算模型，得到超声波聚焦路径上各个生物组织的声速，也可以通过对生物组织进行B模式超声测量得到。
具体的，步骤S2通过以下公式（5）确定各个超声波到达焦点处所需的时间：
（5）
其中，Tj表示第j个超声元素到达焦点所需的时间，vij表示第j个超声元素经过的第i种生物组织中的超声波声速。
基于通过公式（5）得到的各个超声波到达焦点处所需的时间，在步骤S3中通过调整超声换能器的输出对各个超声波的发射时间进行补偿，使各个超声波的发射时间延迟符合公式（6）：
（6）
其中，是第j个超声元素的发射时间延迟，Ttarget是预先设定的、期望各个超声元素聚焦在焦点处的时间，该时间不能小于各个超声元素到达焦点所需的最大时间。
除对各个超声波的发射时间进行补偿外，在一个替代方案中，所述步骤S3还可以通过调整超声换能器的输出，按照以下公式（7）对各个超声波发射时的初始相位进行补偿，同样可以使各个超声波在焦点处的相位保持一致：
（7）
其中，是第j个超声元素发射时的相位补偿量，/>是预先设定的、期望各个超声元素聚焦在焦点时的初始相位，ω是声波频率。
在本发明的第二个方面，本发明提供了一种超声聚焦补偿的系统，包括一个超声换能器，一个计算机，和一个控制器，其中所述超声换能器用于发射声波，所述计算机用于执行前述超声聚焦补偿的方法，得出所需的超声聚焦补偿量，所述控制器则用于根据所需的超声聚焦补偿量，控制超声换能器的输出。
根据本发明提供的一种超声聚焦补偿的方法和系统，本发明取得了如下技术效果：
本发明能够使高强度聚焦超声在不同深度的生物组织内保持一致的强度，避免了聚焦深度变化时HIFU的影响范围大小不一，有效提高了超声聚焦效果。并且，本发明能够克服复杂聚焦场景下各个超声路径上生物组织不同所带来的影响，保持各个超声元素在焦点处具有相同的相位，达到良好的聚焦效果，使HIFU的控制过程更加精确。
以上介绍了本发明所取得的部分技术效果。应当理解，提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1给出了现有技术中HIFU的聚焦示意图；
图2给出了本发明实施例中HIFU的聚焦示意图；
附图标记说明：1-超声换能器；2-聚焦超声的影响范围。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
图1给出了现有技术中HIFU的聚焦示意图。如图1所示，随着聚焦深度逐渐变浅，焦点处聚焦的超声强度逐渐变强，导致HIFU的影响大小逐渐变大，这一现象不利于HIFU技术的精细化控制。
根据本发明公开的内容，本具体实施方式提供了一种优选的超声聚焦补偿的方法，主要包括以下步骤：
步骤S1. 确定超声波聚焦路径上各个生物组织的声衰减系数、穿透距离、声速；
步骤S2. 确定焦点处的超声强度，以及各个超声波到达焦点处所需的时间；
步骤S3. 通过调整超声换能器的输出，对超声波的初始强度、发射时间进行补偿，使焦点处的超声强度和期望强度保持一致，并且各个超声波在焦点处的相位保持一致。
具体而言，所述步骤S1优选通过B模式超声测量的方式得到超声波聚焦路径上各个生物组织的声衰减系数、穿透距离、声速。此外，也可以通过建立计算模型的方式计算得到这些参数，但需要通过实验或查阅资料预先建立生物组织的理论模型，再根据实际检测得到的年龄、重量、尺寸等生理数据对理论模型进行调整。相对于B模式超声测量，通过计算模型取得的参数可能存在一定的偏差，但能够在保持适当精度的同时控制成本。
根据步骤S1中确定的声衰减系数、穿透距离、声速，所述方法的步骤S2可以根据以下公式确定焦点处的超声强度Ij(z)及各个超声波到达焦点处所需的时间Tj：
（3）
（5）
其中，αij表示第j个超声元素经过的第i种生物组织的声衰减系数，zij表示声波在该生物组织中穿过的距离，vij表示第j个超声元素经过的第i种生物组织中的超声波声速。应当理解，如果聚焦到焦点的各个超声路径经过了完全相同的生物组织，例如肌肉、脂肪或骨骼等，则各个超声波的Ij(z)和Tj是相同的，但通常情况下，实际情况并不符合这一理想假设，因此需要在步骤S3中进行聚焦补偿。
具体的，所述方法的步骤S3通过以下公式对各个超声波的初始强度I0j进行强度补偿，以保证各个超声波在焦点处的超声强度一致：
（4）
同时，步骤S3通过以下公式对各个超声波的发射时间进行补偿，以保证各个超声波在焦点处的相位一致：
（6）
其中，本实施例选取各个超声元素到达焦点所需的最大时间Tmax作为Ttarget，通过使其他超声波延迟发射，各个超声波在Tmax时同时到达焦点。
在另一具体实施方案中，步骤S3还可以通过以下公式对各个超声波的初始相位进行补偿，同样能够保证各个超声波在焦点处的相位一致：
（7）
其中，是第j个超声元素发射时的相位补偿量，/>是预先设定的、期望各个超声元素聚焦在焦点时的初始相位，ω是声波频率。
通过本具体实施方式提供的超声聚焦补偿的方法，如图2所示，随着超声换能器1聚焦位置深浅变化，在焦点处的超声强度保持恒定，并且各超声元素的相位保持一致，使HIFU的超声聚焦更加精确，有利于HIFU技术的精细化控制。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其他普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种超声聚焦补偿的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 确定超声波聚焦路径上各个生物组织的声衰减系数、穿透距离；
S2. 确定焦点处的超声强度；
S3. 通过调整超声换能器的输出，对超声波的初始强度进行补偿，使焦点处的超声强度和期望强度保持一致；
所述步骤S2通过以下公式确定第j个超声元素在焦点处的超声强度：
其中，Ij(z)表示该超声波在深度z处的超声强度，I0表示超声波的初始强度，αij表示该超声波经过的第i种生物组织的声衰减系数，zij表示声波在该生物组织中穿过的距离；
所述步骤S3通过调整超声换能器的输出对超声波的初始强度进行补偿，使补偿后的初始强度符合以下公式：
其中，I0j表示第j个超声元素经过补偿后的实际初始强度，Itarget是期望在焦点处获得的超声强度。
2.根据权利要求1所述的一种超声聚焦补偿的方法，其特征在于，所述步骤S1通过建立目标生物组织的计算模型，计算得到超声波聚焦路径上各个生物组织的声衰减系数、穿透距离；
所述计算模型是在预先建立的理论模型基础上，根据目标生物组织的年龄、重量、尺寸调整得到。
3.根据权利要求1所述的一种超声聚焦补偿的方法，其特征在于，所述步骤S1通过对生物组织进行MRI测量，并对比数据库得到超声波聚焦路径上各个生物组织的声衰减系数、穿透距离。
4.根据权利要求1所述的一种超声聚焦补偿的方法，其特征在于，所述步骤S1还确定了超声波聚焦路径上各个生物组织的声速，所述步骤S2还确定各个超声波到达焦点处所需的时间，所述步骤S3还通过调整超声换能器的输出，对各个超声波的发射时间进行补偿，使各个超声波在焦点处的相位保持一致。
5.根据权利要求4所述的一种超声聚焦补偿的方法，其特征在于，所述步骤S2通过以下公式确定各个超声波到达焦点处所需的时间：
其中，Tj表示第j个超声元素到达焦点所需的时间，vij表示第j个超声元素经过的第i种生物组织中的超声波声速，zij表示声波在该生物组织中穿过的距离；
所述步骤S3通过调整超声换能器的输出对各个超声波的发射时间进行补偿，使各个超声波的发射时间延迟符合以下公式：
其中，是第j个超声元素的发射时间延迟，Ttarget是期望各个超声元素聚焦在焦点处的时间，该时间不小于各个超声元素到达焦点所需的最大时间。
6.根据权利要求1所述的一种超声聚焦补偿的方法，其特征在于，所述步骤S1还确定了超声波聚焦路径上各个生物组织的声速，所述步骤S2还确定各个超声波到达焦点处所需的时间，所述步骤S3还通过调整超声换能器的输出，对各个超声波发射时的初始相位进行补偿，使各个超声波在焦点处的相位保持一致。
7.根据权利要求6所述的一种超声聚焦补偿的方法，其特征在于，所述步骤S2通过以下公式确定各个超声波到达焦点处所需的时间：
其中，Tj表示第j个超声元素到达焦点所需的时间，vij表示第j个超声元素经过的第i种生物组织中的超声波声速，zij表示声波在该生物组织中穿过的距离；
所述步骤S3通过调整超声换能器的输出，按照以下公式对各个超声波发射时的初始相位进行补偿：
其中，是第j个超声元素发射时的相位补偿量，/>是期望各个超声元素聚焦在焦点时的初始相位，ω是声波频率。
8.一种超声聚焦补偿的系统，其特征在于，包括一个超声换能器，一个计算机，和一个控制器；
所述超声换能器用于发射声波；
所述计算机用于执行权利要求1-7任一项所述的超声聚焦补偿的方法；
所述控制器用于控制超声换能器的输出。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1376040A (zh) * 1999-08-20 2002-10-23 诺瓦索尼克斯公司 小型超声仪器和方法
CN108652672A (zh) * 2018-04-02 2018-10-16 中国科学院深圳先进技术研究院 一种超声成像系统、方法及装置
CN113947584A (zh) * 2021-10-20 2022-01-18 中国计量大学 一种基于核磁共振图像的人体组织内hifu治疗焦点位置预测方法
CN116266484A (zh) * 2021-12-18 2023-06-20 中国科学院深圳先进技术研究院 全息超声跨颅与神经环路调控系统及其设计方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120143100A1 (en) * 2009-08-14 2012-06-07 University Of Southern California Extended depth-of-focus high intensity ultrasonic transducer
EP2494925A1 (en) * 2011-03-03 2012-09-05 Koninklijke Philips Electronics N.V. Calculating the speed of ultrasound in at least two tissue types

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1376040A (zh) * 1999-08-20 2002-10-23 诺瓦索尼克斯公司 小型超声仪器和方法
CN108652672A (zh) * 2018-04-02 2018-10-16 中国科学院深圳先进技术研究院 一种超声成像系统、方法及装置
CN113947584A (zh) * 2021-10-20 2022-01-18 中国计量大学 一种基于核磁共振图像的人体组织内hifu治疗焦点位置预测方法
CN116266484A (zh) * 2021-12-18 2023-06-20 中国科学院深圳先进技术研究院 全息超声跨颅与神经环路调控系统及其设计方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Compensation_network_design_for_capacitive_ultrasonic_transducers;S.G. Mc Sweeney, W.M.D. Wright;ISSC;全文 *
医学超声内窥成像系统的数字增益补偿;陈晓冬;付永强;温世杰;鲍静;张红旭;郁道银;;纳米技术与精密工程(01);全文 *
超高频超声换能器的器件设计与制备;朱渊博;中国优秀硕士论文库;全文 *

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