CN1804562A - 实时超声能量监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实时超声能量监测装置和方法，用于在高强度聚焦超声治疗过程中实时地监测超声波发生器的工作状态。该实时超声能量监测装置包括：振动传感器，安装在超声波发生器上或超声传播声场内，用于检测超声波的振动压力，并转换为电信号并输出；信号放大电路，与振动传感器连接，用于放大并输出上述振动传感器输出的电信号；以及信号采集电路，与信号放大电路连接，用于从上述信号放大电路输出的电信号中检测出表示超声波频率和振幅的频率和电压值，并输出给计算机，使计算机根据所检测的频率和振幅来判断超声波发生器的工作状态。本发明可以实时地监测超声波发生器产生的超声波强度、频率的变化，从而为操作人员判断设备的稳定性和有效性提高判断依据。

Description

实时超声能量监测装置和方法

技术领域

本发明涉及实时超声能量监测装置和方法，特别是涉及高强度聚焦超声治疗系统中超声波发生器的实时超声能量监测装置和方法。

背景技术

医学研究发现肿瘤细胞的耐热性比正常细胞要差，在42.5℃以上的温度环境下，30分钟内肿瘤细胞死亡，而正常细胞损伤较轻且可逆转。高强度聚焦超声肿瘤治疗系统就是根据肿瘤细胞的这一特点，以超声波为能量源，利用其穿透性和可聚焦性，将探头发射出的平均声强较低的超声波通过介质耦合，经过皮肤进入人体肿瘤组织，聚焦或者汇聚到一个空间点，形成一个平均声强在1000W/m²以上的焦域(焦域大小：Φ3×8mm)，使该焦域瞬时(0.1秒到5秒)产生强烈的温度升高(高于70℃)，加上其空化作用(即强超声在液体中产生类似雾状的气泡，其形成和消失可以产生极高的温度和压力，从而使组织受到严重破坏)和机械振动作用，破坏焦域处的组织。通过对肿瘤进行如此由点到线、由线到面、由面到体逐点扫描的固化治疗，从而使整个肿瘤组织固化，实现治疗的目的。

在高强度聚焦超声治疗系统对肿瘤进行治疗的过程中，医生一般可以通过B超实时地监控病人病灶部位的变化，判断治疗的效果。但是目前没有对超声波发生器进行有效监视的手段，因而医生难以判断超声波发生器是否在稳定工作。因此，在临床治疗过程中，迫切地需要实时监测超声波发生器的工作状态，以判断设备的稳定性和有效性的装置和方法。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种对高强度聚焦超声肿瘤治疗系统超声波发生器的实时能量监测装置和方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明的实时超声能量监测装置，用于在高强度聚焦超声治疗过程中实时地监测超声波发生器的工作状态。该实时超声能量监测装置包括以下部分：振动传感器，安装在超声波发生器上或安装在该超声波发生器发出超声波的声场内，用于检测超声波的振动压力，并转换为电信号并输出；信号放大电路，与振动传感器连接，用于放大并输出上述振动传感器输出的电信号；以及信号采集电路，与信号放大电路连接，用于从上述信号放大电路输出的电信号中检测出表示超声波频率和振幅的频率和电压值，并输出给计算机，使计算机根据所检测的频率和振幅来判断超声波发生器的工作状态。

本发明所述振动传感器是压电转换元件、光测转换元件、电容转换元件或电感转换元件中的一种。

此外，本发明的实时超声能量监测方法，用于在高强度聚焦超声治疗过程中实时地监测超声波发生器的工作状态。该实时超声能量监测装置包括以下步骤：振动转换步骤，检测超声波发生器产生的超声波的振动压力，并转换为电信号并输出；信号放大步骤，将上述电信号放大并输出；以及信号采集步骤，从上述放大的电信号中检测出表示超声波频率和振幅的频率值和电压值，并输出给计算机，使计算机根据所检测的频率和振幅来判断超声波发生器的工作状态。

由于所采集的幅值和频率反映了超声波发生器产生的超声波的幅值和频率值的变化，所以它能客观的实时检测超声波发生装置的超声波的稳定性和有效性。

附图说明

图1是本发明的实时超声能量监测装置的结构示意框图。

图2是本发明的实时超声能量监测装置在超声波发生器上安装位置的示意图。

图3是信号采集电路的结构示意图。

具体实施方式

以下参照图1至图3，对本发明进行详细说明。图1是本发明的实时超声能量监测装置1的结构示意框图，其中包括振动传感器11、与振动传感器11连接的信号放大电路12以及与信号放大电路12连接的信号采集电路13。图2是本发明的实时超声能量监测装置1在超声波发生器2上安装位置的示意图，其中仅示出了振动传感器11，图2中的21是超声波发生器2的压电晶片21，用于产生超声波，22是聚焦透镜，它设置在压电晶片21的上表面，用于将压电晶片21产生的超声波汇聚在病灶处，23是B超探头，用于定位肿瘤和进行疗效评价，24是用于固定振动传感器11的装置，例如弹簧片。图3是信号采集电路13的结构示意图。

在高强度聚焦超声治疗过程中，超声波发生器2的压电晶片21振动而产生的超声波通过聚焦透镜22聚焦，在病灶处产生具有高密度超声能量的焦点，使病灶处组织温度瞬时升高，从而杀死病灶细胞(例如癌细胞、肿瘤细胞等)。

压电晶片21的振动将带动聚焦透镜22和声场中的传播介质振动，并传导到振动传感器11。振动传感器11是能够感应超声波的压力，并能够将该压力转换为电信号的压电部件，它可以使用公知的材料。在本发明中优选使用PVDF(聚偏氟乙烯树脂)压电膜，这是由于PVDF压电膜具有良好的压电效应，与传统的压电材料相比具有频响宽、动态范围大、压电转换灵敏度高、机械强度高、声阻抗易匹配等特点。但本发明的振动传感器11不限于PVDF压电膜，只要是能够感应超声波的压电转换元件、光测转换元件、电容转换元件或电感转换元件，并将其转换为电信号的材料即可，例如可以使用公知的压电单晶、压电陶瓷、氧化锌压电薄膜等。

振动传感器11利用其压电效应将超声的机械波转换成与超声波振幅对应、频率相同的正弦电信号。为了提高振动传感器11的带负载能力，在振动传感器11上连接信号放大电路12。信号放大电路12优选采用具有很高输入阻抗的场效应管来对信号进行射极跟随放大，这样放大后的信号振幅基本保持不变，电流却可以放大近100倍，这样放大后的电信号大幅度地提高了带负载的能力，从而使后级的数据采集电路13能正常工作。

然后，放大后的信号输入信号采集电路13。如图3所示，信号被分为两路。一路通过整流电路134对该正弦信号进行整流滤波，从而产生一个稳定的电压值，然后通过AD转换器135将该电压值采集出来，使该电压值对应一数字量。由于输入信号的幅值对应整流后的电压值，所以AD转换器135输出的数字量就对应于输入信号的幅值。AD转换器135将表示输入信号幅值的数字量输出到单片机133中。

另一方面，从信号放大电路12输出的正弦信号的另一路被加载到正弦波方波转换电路131，通过正弦波方波转换电路131把正弦信号变为同频的方波信号，方便随后的数字信号处理。由于超声波频率一般较高，普通的单片机计数器不能采集出该信号，所以变为方波信号后，先要通过分频电路132(例如四分频电路等)对其进行降频处理，再输入单片机133采集出其频率。

如上所述，信号采集电路13从振动传感器11产生的电信号中分离出表示超声波频率和振幅的数据，单片机133从分频电路132和AD转换器135分别读出这两个数据，并将这两个数据输出给计算机。计算机根据被输入的频率值，可以判断超声输出的稳定性，而根据幅度值，可以判断超声输出的能量强弱，从而计算机通过实时地监测这两个数据，就能够实时地监测超声能量。当计算机判断出现异常时，可以控制超声能量输出装置或提醒操作人员采取措施，从而能够实现实时控制超声能量的目的。

在本发明的实施例中，振动传感器安装在超声波发生器上，但本发明不限于此，只要振动传感器能够接收到超声波即可，例如可以安装在超声波发生器发生的声场内。

综上所述，本发明可以实时地监测超声波发生器产生的超声波强度、频率的变化，从而为操作人员判断设备的稳定性和有效性提高判断依据。另外，本发明的监测装置结构简单、体积小、成本低。

以上所述仅为本发明具体实施例，并非用以限定本发明的保护范围，凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或变形，均应包含在所述的专利申请的范围内。

Claims (13)

1.一种实时超声能量监测装置，用于在高强度聚焦超声治疗过程中实时地监测超声波发生器的工作状态，其特征在于，

该实时超声能量监测装置包括以下部分：

振动传感器，安装在超声波发生器上或安装在该超声波发生器发出超声波的声场内，用于检测该超声波发生器发出超声波的振动压力，并转换为电信号并输出；

信号放大电路，与振动传感器连接，用于放大并输出上述振动传感器输出的电信号；以及

信号采集电路，与信号放大电路连接，用于从上述信号放大电路输出的电信号中检测出超声波的频率值和振幅值，并输出给计算机，使计算机根据所检测的频率值和振幅值来判断超声波发生器的工作状态。

2.根据权利要求1所述的实时超声能量监测装置，其特征在于，上述信号采集电路包括以下部分：

电压检测单元，接收上述信号放大电路输出的电信号，检测其电压值；

频率检测单元，接收来自于上述信号放大电路的电信号，检测其频率值；以及

读取单元，分别与上述电压检测单元和上述频率检测单元连接，从上述电压检测单元读取其检测出的电压值，从上述频率检测单元读取其检测出的频率值，然后将上述电压值和频率值输出给计算机。

3.根据权利要求2所述的实时超声能量监测装置，其特征在于，上述振动传感器将超声波的振动压力转换为正弦电信号。

4.根据权利要求3所述的实时超声能量监测装置，其特征在于，

上述电压检测单元包括：

整流电路，接收来自于上述信号放大电路的正弦电信号并对其进行整流滤波，从而输出与该正弦电信号对应的稳定模拟电压值；以及

AD转换器，与上述整流电路连接，将整流电路输出的上述电压值转换为与之对应的数字量。

5.根据权利要求3所述的实时超声能量监测装置，其特征在于，

上述频率检测单元包括：

正弦波方波转换电路，接收来自于上述信号放大电路的正弦电信号，将该正弦电信号转换为同频的方波信号；以及

分频电路，与上述正弦波方波转换电路连接，接收上述正弦波方波转换电路输出的方波信号，对其进行降频后输出。

6.根据权利要求3所述的实时超声能量监测装置，其特征在于，

上述读取单元为单片机。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的实时超声能量监测装置，其特征在于，上述振动传感器是压电转换元件、光测转换元件、电容转换元件或电感转换元件中的一种。

8.根据权利要求7所述的实时超声能量监测装置，其特征在于，上述振动传感器为PVDF压电膜。

9.一种实时超声能量监测方法，用于在高强度聚焦超声治疗过程中实时地监测超声波发生器的工作状态，其特征在于，

该实时超声能量监测方法包括以下步骤：

振动转换步骤，检测超声波发生器产生的超声波的振动压力，并转换为电信号并输出；

信号放大步骤，将上述电信号放大并输出；以及

信号采集步骤，从上述放大的电信号中检测出表示超声波频率和振幅的频率和电压值，并输出给计算机，使计算机根据所检测的频率和振幅来判断超声波发生器的工作状态。

10.根据权利要求9所述的实时超声能量监测方法，其特征在于，上述信号采集步骤还包括以下步骤：

电压检测步骤，接收上述信号放大步骤中输出的电信号，检测其电压值；

频率检测步骤，接收上述信号放大步骤中输出的电信号，检测其频率值；以及

读取步骤，分别读取在上述电压检测步骤中检测出的电压值和在上述频率检测步骤中检测出的频率值，然后将上述电压值和频率值输出给计算机。

11.根据权利要求10所述的实时超声能量监测方法，其特征在于，在上述振动转换步骤中将超声波的振动压力转换为正弦电信号。

12.根据权利要求11所述的实时超声能量监测方法，其特征在于，

上述电压检测步骤还包括：

整流步骤，接收上述振动转换步骤中输出的正弦电信号并对其进行整流滤波，从而输出与该正弦电信号对应的稳定模拟电压值；以及

AD转换步骤，将上述整流步骤中输出的上述模拟电压值转换为与之对应的数字量。

13.根据权利要求11所述的实时超声能量监测方法，其特征在于，

上述频率检测步骤还包括：

正弦波方波转换步骤，接收上述信号放大步骤中输出的正弦电信号，将该正弦电信号转换为同频的方波信号；以及

分频步骤，接收上述正弦波方波转换步骤中输出的方波信号，对其进行降频后输出。

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