專利名稱：一種超聲波治療設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)用儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種超聲波治療設(shè)備。
背景技術(shù)：
高強(qiáng)度超聲波信號在人體組織內(nèi)可以產(chǎn)生若干生物組織效應(yīng)，例如由于組織對超聲波能量的吸收導(dǎo)致細(xì)胞熱壞死、由于超聲波的機(jī)械效應(yīng)導(dǎo)致的細(xì)胞破裂、凋亡等。超聲空化是一種超聲波的機(jī)械效應(yīng)，是由于高強(qiáng)度超聲波作用于液體或類液體中的空化核(微小氣泡)后產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。微小氣泡受聲波正負(fù)壓強(qiáng)反復(fù)驅(qū)動而產(chǎn)生體積交替迅速增大和壓縮，由交變聲壓作用產(chǎn)生的氣泡漲縮運(yùn)動稱為穩(wěn)態(tài)空化。當(dāng)氣泡迅速劇烈漲縮而導(dǎo)致氣液兩相媒質(zhì)分界處的氣泡壁上的機(jī)械張力超出其臨界值時(shí)，氣泡崩潰產(chǎn)生瞬時(shí)空化。穩(wěn)態(tài)空化時(shí)氣泡體共振產(chǎn)生輻射力作用和微聲流，這些振動源發(fā)射對應(yīng)于聲波驅(qū)動頻率或氣泡固有共振頻率及其諧波頻率的若干窄帶聲信號。瞬時(shí)空化時(shí)，伴隨氣泡體積縮小或崩潰瞬間，由于能量積聚或釋放會產(chǎn)生局部瞬時(shí)高溫、放電發(fā)光、水蒸汽中H和OH 自由基釋放并與其他成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由此產(chǎn)生聲至發(fā)光、沖擊波和射流等現(xiàn)象。在應(yīng)用醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，最近二十年來，超聲空化的生物組織效應(yīng)日益受到廣泛研究和應(yīng)用利用其穩(wěn)態(tài)空化效應(yīng)，超聲造影劑能顯著提高超聲影像的對比度；利用其瞬時(shí)空化效應(yīng)，脈沖式高強(qiáng)度超聲波在治療腫瘤、藥物輸送、導(dǎo)致細(xì)胞破碎或凋零、阻斷神經(jīng)傳導(dǎo)等方面的應(yīng)用都有新的進(jìn)展。在利用超聲波的機(jī)械效應(yīng)改變生物組織特性的過程中，這種改變應(yīng)該是安全且可控的，以提高治療效果，過低的聲發(fā)射劑量無法產(chǎn)生聲空化，而過高的聲劑量則會導(dǎo)致組織吸熱甚至沸騰而生產(chǎn)熱損傷，導(dǎo)致過度治療或其他不必要的組織傷害。然而現(xiàn)有的組織內(nèi)超聲空化的控制手段都是根據(jù)發(fā)射換能器發(fā)射端所發(fā)出的電信號進(jìn)行控制，上述的控制方式至少存在如下的缺點(diǎn)由于發(fā)射端與治療區(qū)域之間存在的距離，因此并不是所有發(fā)射的能量都能夠在治療區(qū)域發(fā)生作用；或由于生物組織的個(gè)體差異，發(fā)射的能量不足以導(dǎo)致預(yù)期的超聲空化作用，或遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出空化所需的能量。因此此類方法只能從發(fā)射電信號的變化根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推理實(shí)際發(fā)生的生物組織效應(yīng)，其僅僅是一種推理，并不是實(shí)際發(fā)生的狀況，因此存在誤判的可能，也存在精度不高的缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)都會危害治療的安全性和有效性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超聲波治療設(shè)備，提高超聲空化控制手段的精確性，保證治療效果。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種超聲波治療設(shè)備，包括超聲波換能發(fā)射器，用于產(chǎn)生并向作用區(qū)域發(fā)射超聲波；超聲波換能接收器，用于從所述作用區(qū)域采集聲信號，并將采集到的聲信號轉(zhuǎn)化為電信號；
判斷裝置，用于根據(jù)所述電信號判斷所述作用區(qū)域是否發(fā)生預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化，獲取一判斷結(jié)果；反饋控制裝置，用于在所述判斷結(jié)果指示所述作用區(qū)域的聲空化不在預(yù)定強(qiáng)度范圍內(nèi)時(shí)，控制所述超聲波換能發(fā)射器的超聲發(fā)射劑量，使所述作用區(qū)域的聲空化處于所述預(yù)定強(qiáng)度范圍內(nèi)。上述的超聲波治療設(shè)備，其中，所述超聲波換能發(fā)射器與超聲波換能接收器均為聚焦式設(shè)備，且二者共焦點(diǎn)設(shè)置。上述的超聲波治療設(shè)備，其中，所述超聲波換能發(fā)射器與超聲波換能接收器的焦斑以一定角度相交，部分重合。上述的超聲波治療設(shè)備，其中，所述聚焦式超聲波換能發(fā)射器的球冠中心頂部具有一容納空間，所述聚焦式超聲波換能接收器設(shè)置于所述容納空間內(nèi)，所述超聲波換能發(fā)射器與超聲波換能接收器的焦斑以零度交角相交，部分或全部重合。上述的超聲波治療設(shè)備，其中，環(huán)狀的聚焦式超聲波換能接收器附著于聚焦式超聲波換能發(fā)射器外徑之外、或前端耦合錐套出口外側(cè)，共聲軸共焦點(diǎn)。上述的超聲波治療設(shè)備，其中，所述環(huán)狀的聚焦式超聲波換能接收器由多個(gè)獨(dú)立的超聲波換能接收器沿聚焦式超聲波換能發(fā)射器外環(huán)狀空間放置組成。上述的超聲波治療設(shè)備，其中，所述判斷裝置具體包括變換模塊，用于利用傅立葉分析方法，對所述電信號進(jìn)行時(shí)域到譜域變換；提取模塊，用于從譜域變換后的信號中提取介于超聲波換能發(fā)送器的工作基波頻率的預(yù)定高次或低于基頻的分?jǐn)?shù)次諧波頻率范圍內(nèi)的噪聲幅度譜分布；第一判斷模塊，用于判斷噪聲幅度譜分布是否存在至少一個(gè)分立的峰值大于第一預(yù)設(shè)門限的峰值，或者多個(gè)連續(xù)的峰值大于第二預(yù)設(shè)門限的峰值，獲取所述判斷結(jié)果。上述的超聲波治療設(shè)備，其中，所述判斷裝置具體包括變換模塊，用于利用傅立葉分析方法，對所述電信號進(jìn)行時(shí)域至譜域的變換；確定模塊，用于確定譜域變換后的信號在超聲波換能發(fā)送器的諧波頻率處的諧振品質(zhì)因數(shù)；第二判斷模塊，用于判斷諧振品質(zhì)因數(shù)是否處于一預(yù)定范圍，獲取所述判斷結(jié)果。上述的超聲波治療設(shè)備，其中，所述判斷裝置具體包括波形包絡(luò)提取模塊，用于對所述電信號進(jìn)行波形包絡(luò)提取；時(shí)域積分模塊，用于波形包絡(luò)提取得到的信號進(jìn)行時(shí)域積分，得到接收信號的總
能量；第三判斷模塊，用于比較所述總能量與預(yù)先測量得到的作用區(qū)域發(fā)生預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化時(shí)的能量區(qū)間，獲取所述判斷結(jié)果。上述的超聲波治療設(shè)備，其中，判斷裝置具體包括保存模塊，用于保存作用區(qū)域發(fā)生預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化時(shí)第一參考信號、作用區(qū)域發(fā)生低于預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化時(shí)第二參考信號、以及作用區(qū)域發(fā)生高于預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化時(shí)第三參考信號；互相關(guān)程度計(jì)算模塊，用于計(jì)算所述電信號與第一、第二和第三參考信號的互相關(guān)程度；
第四判斷模塊，用于根據(jù)所述互相關(guān)程度，獲取所述判斷結(jié)果。上述的超聲波治療設(shè)備，其中，還包括一傳感器；第二控制裝置，用于根據(jù)所述傳感器采集到的數(shù)據(jù)控制所述超聲波換能發(fā)射器的超聲發(fā)射劑量。上述的超聲波治療設(shè)備，其中，還包括呈現(xiàn)模塊，用于根據(jù)所述判斷結(jié)果提供可視化的治療信息。上述的超聲波治療設(shè)備，還包括一能夠持續(xù)移動的機(jī)械臂以及一用于獲取位置信息的機(jī)械臂定位裝置，所述超聲波換能發(fā)射器設(shè)置于所述機(jī)械臂上，所述呈現(xiàn)模塊具體用于根據(jù)所述位置信息及所述判斷結(jié)果提供可視化的治療信息。上述的超聲波治療設(shè)備，其中，所述超聲波換能發(fā)射器為一能夠手持移動的超聲發(fā)射換能器，所述超聲發(fā)射換能器上設(shè)置有一用于獲取位置信息的3維空間定位裝置，所述呈現(xiàn)模塊具體用于根據(jù)所述位置信息及所述判斷結(jié)果提供可視化的治療信息。本發(fā)明實(shí)施例具有以下的有益效果本發(fā)明實(shí)施例提出了一種用于高功率超聲治療的超聲波治療設(shè)備，其能夠通過檢測作用區(qū)域的聲音信號來判斷超聲空化效果是否處于預(yù)定范圍內(nèi)，并根據(jù)判斷結(jié)果控制超聲波的發(fā)射，提高了超聲空化控制手段的精確性，保證了治療效果。并通過提取接收信號的特征向治療設(shè)備操作者提供治療信息，進(jìn)而在超聲治療過程中實(shí)現(xiàn)基于治療區(qū)域聲場檢測信號的實(shí)時(shí)反饋控制治療超聲發(fā)射參數(shù)。以此聲場信號數(shù)據(jù)作為治療安全性和有效性的判據(jù)，提供了一個(gè)在高強(qiáng)度脈沖超聲治療術(shù)中實(shí)時(shí)監(jiān)控和術(shù)后療效評估的可行方法。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的超聲波治療設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例中，通過檢測作用區(qū)域的聲音信號來判斷超聲空化效果是否處于預(yù)定范圍內(nèi)，并根據(jù)判斷結(jié)果控制超聲波的發(fā)射，以達(dá)到預(yù)定的治療效果。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的超聲波治療設(shè)備包括超聲波換能發(fā)射器，用于產(chǎn)生并向作用區(qū)域發(fā)射超聲波；超聲波換能接收器，用于從所述作用區(qū)域采集聲信號，并將采集到的聲信號轉(zhuǎn)化為電信號；判斷裝置，用于根據(jù)所述電信號判斷所述作用區(qū)域是否發(fā)生預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化，獲取一判斷結(jié)果；反饋控制裝置，用于在所述判斷結(jié)果指示所述作用區(qū)域的聲空化不在預(yù)定強(qiáng)度范圍內(nèi)時(shí)，控制所述超聲波換能發(fā)射器的超聲發(fā)射劑量，使所述作用區(qū)域的聲空化處于所述預(yù)定強(qiáng)度范圍內(nèi)。超聲波換能發(fā)射器內(nèi)部具有一組具有壓電效應(yīng)的特殊晶體，這種壓電晶體具有特殊的性質(zhì)，就是在晶體特定方向上加上電壓，晶體會發(fā)生形變，產(chǎn)生超聲波，而超聲波換能接收器內(nèi)部同樣也具有這樣一組具有壓電效應(yīng)的特殊晶體，當(dāng)超聲波對晶體作用，使得晶體發(fā)生形變時(shí)，對應(yīng)方向上就會產(chǎn)生電壓，實(shí)現(xiàn)了電信號與超聲波的轉(zhuǎn)換。在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，超聲波換能發(fā)射器與超聲波換能接收器均為聚焦式設(shè)備，在二者都是聚焦式設(shè)備時(shí)，二者共焦點(diǎn)設(shè)置。通常而言，聚焦式超聲波換能發(fā)射器的焦斑處聲強(qiáng)最強(qiáng)，是希望的治療位置(聲空化的發(fā)生區(qū)域)。超聲波換能接收器采用聚焦接收方式時(shí)，其焦斑(最靈敏的接收區(qū)域) 需要對準(zhǔn)聚焦式超聲波換能發(fā)射器的焦斑，以提高對聲空化信號的接收靈敏度和降低來自聚焦式超聲波換能發(fā)射器焦斑外的噪聲干擾。下面對各種可能的共焦的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)現(xiàn)方式一聚焦式超聲波換能發(fā)射器和聚焦式超聲波換能接收器偏聲軸共焦點(diǎn)接收，兩個(gè)換能器的聲軸互不重合，但其焦斑以一定角度相交部分重合。通常的實(shí)現(xiàn)方法可以是在聚焦式超聲波換能發(fā)射器外側(cè)按照共焦關(guān)系固定聚焦式超聲波換能接收器。實(shí)現(xiàn)方式二聚焦式超聲波換能發(fā)射器和聚焦式超聲波換能接收器共聲軸共焦點(diǎn)接收，兩個(gè)換能器的聲軸互相重合，且其焦斑以零度交角相交，部分或全部重合。在實(shí)現(xiàn)方式二中，所述聚焦式超聲波換能發(fā)射器的球冠中心頂部具有一容納空間 (如孔)，然后所述聚焦式超聲波換能接收器設(shè)置于所述容納空間內(nèi)。實(shí)現(xiàn)方式二中，雖然聚焦式超聲波換能發(fā)射器的能量發(fā)射面積會有一定的犧牲， 但聚焦式超聲波換能發(fā)射器和聚焦式超聲波換能接收器一體設(shè)置，使得共焦調(diào)整更加簡單，方便使用。實(shí)現(xiàn)方式三采用環(huán)狀的聚焦式超聲波換能接收器附著于聚焦式超聲波換能發(fā)射器外徑之外、 或前端耦合錐套出口外側(cè)、貼緊作用區(qū)域?qū)崿F(xiàn)與聚焦式超聲波換能發(fā)射器的共聲軸共焦點(diǎn)接收。實(shí)現(xiàn)方式四在某些情形下，還可以將多個(gè)聚焦或非聚焦的獨(dú)立超聲波換能接收器沿聚焦式超聲波換能發(fā)射器外環(huán)狀空間放置，合成一個(gè)與聚焦式超聲波換能發(fā)射器共軸共焦的聲場接收設(shè)備。這種方式能夠解決超聲波換能接收器聚焦數(shù)(焦距與換能器直徑之比)過大(接收面積過小)導(dǎo)致的靈敏度下降的問題，以及降低被反射聲能量損壞的風(fēng)險(xiǎn)；而且，聚焦式超聲波換能發(fā)射器無需損失其發(fā)射面積，和聚焦式超聲波換能接收器的集成一體化也容易實(shí)現(xiàn)。更加有利的是，可以通過調(diào)整聚焦式超聲波換能接收器的寬度或曲面半徑來微調(diào)其接收聲場的焦斑大小，利用其特有的橫向延伸的聲場特性，可以獲得更加寬廣的橫向接收區(qū)域，使得該聲場接收設(shè)備能夠接收來自聚焦式超聲波換能發(fā)射器焦點(diǎn)及其附近生物組織內(nèi)的聲信號。在聚焦式超聲波換能發(fā)射器沿橫向運(yùn)動進(jìn)行掃描治療的情形下，檢測更加可靠。在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，該超聲波換能接收器可以采用環(huán)狀球冠面自聚焦方式的單換能器結(jié)構(gòu)或者環(huán)狀平面壓電陶瓷片配合聲透鏡的單換能器結(jié)構(gòu)，其可以通過改變球面曲率的途徑優(yōu)化聚焦聲場焦斑，利用聚焦聲場的焦斑靈敏度來選擇性地接收來自指定區(qū)域的聲發(fā)射/散射信號。當(dāng)然，該超聲波換能接收器也可以采用相控陣換能器陣列實(shí)現(xiàn)，利用相位控制形成聚焦波束，且該聚焦波束可以由改變接收相位的方法來調(diào)整波束接收區(qū)域，這樣甚至可以實(shí)現(xiàn)在二維縱深平面或三維空間掃描接收聲發(fā)射/散射信號，以影像的方式表現(xiàn)聲空化治療檢測結(jié)果。超聲波換能接收器的焦斑區(qū)域應(yīng)與超聲波換能發(fā)射器的焦斑有20%以上的重合，以保證信號接收的靈敏度。在本發(fā)明的具體實(shí)施例中需要根據(jù)采集到的信號來判斷作用區(qū)域是否發(fā)生預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化，下面對各種實(shí)現(xiàn)方式說明如下。<實(shí)現(xiàn)方式一 >在實(shí)現(xiàn)方式一中，該判斷裝置具體包括變換模塊，用于利用傅立葉分析方法，或短時(shí)傅立葉分析方法，對所述電信號整段或分段進(jìn)行時(shí)域至譜域的變換；提取模塊，基于聲空化信號的廣譜特性，用于從譜域變換后的信號中提取介于超聲波換能發(fā)射器的工作基波頻率的預(yù)定高次諧波頻率范圍(例如2次到10次諧波頻率) 內(nèi)的聲信號幅度頻譜分布，或提取低于超聲波發(fā)射換能器的工作基波頻率的預(yù)定分?jǐn)?shù)次諧波頻率范圍(例如1/4到3/4次諧波頻率)內(nèi)的聲信號幅度頻譜分布。建議避開超聲波換能發(fā)射器的工作基波頻率及其周邊頻段避免受到強(qiáng)發(fā)射信號的干擾；第一判斷模塊，用于判斷噪聲幅度譜分布是否存在單個(gè)或多個(gè)分立的峰值大于第一預(yù)設(shè)門限的峰值，或者多個(gè)連續(xù)的峰值大于第二預(yù)設(shè)門限的峰值，獲取一第一判斷結(jié)果；此時(shí)判斷結(jié)果有3種情況情況一、存在至少一個(gè)分立的峰值大于預(yù)設(shè)門限的峰值；情況二、存在多個(gè)連續(xù)的峰值大于預(yù)設(shè)門限的峰值；情況三、既不存在至少一個(gè)分立的峰值大于預(yù)設(shè)門限的峰值，也不存在多個(gè)連續(xù)的峰值大于預(yù)設(shè)門限的峰值?！┏暡〒Q能發(fā)射器向預(yù)定區(qū)域發(fā)射超聲波，如果導(dǎo)致預(yù)定區(qū)域發(fā)生聲空化現(xiàn)象時(shí)，則超聲波換能發(fā)射器焦斑處會發(fā)生氣泡振動，則可能出現(xiàn)至少一個(gè)個(gè)分立的峰值大于預(yù)設(shè)門限的局部峰值，而如果超聲發(fā)射劑量過大時(shí)，則會出現(xiàn)很多緊密相鄰的諧振頻率峰，導(dǎo)致譜分布顯示連續(xù)局部增強(qiáng)，其幅度甚至超越超聲波換能發(fā)射器的諧波信號峰值。因此可以基于以上頻譜特征來判斷作用區(qū)域的聲空化是否在預(yù)定強(qiáng)度范圍內(nèi)。當(dāng)出現(xiàn)結(jié)果一時(shí)，表明作用區(qū)域發(fā)生處于預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化，而當(dāng)出現(xiàn)結(jié)果二時(shí)，表明作用區(qū)域發(fā)生超過預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化，而當(dāng)出現(xiàn)結(jié)果三時(shí)，表明作用區(qū)域的聲空化低于預(yù)定強(qiáng)度范圍。當(dāng)出現(xiàn)結(jié)果二時(shí)，反饋控制裝置控制所述超聲波換能發(fā)射器降低超聲發(fā)射劑量， 而出現(xiàn)結(jié)果三時(shí)，反饋控制裝置控制所述超聲波換能發(fā)射器提高超聲發(fā)射劑量。當(dāng)然，上述的兩個(gè)門限可以根據(jù)需求設(shè)置，如要求聲空化強(qiáng)烈一些的治療場合，可以將門限設(shè)置高一些，否則可以將門限設(shè)置低一些，該門限都可以以超聲波換能發(fā)射器的諧波信號峰值的百分比作為參考來設(shè)置。判斷模塊的具體實(shí)施方法可以采用模擬、數(shù)字或模數(shù)混合電路方法來實(shí)現(xiàn)。采用A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換器將超聲波換能接收器的電信號經(jīng)數(shù)字采樣后，以數(shù)字信號處理方式對該數(shù)字信號實(shí)現(xiàn)上述變換、提取和判斷等操作。在實(shí)現(xiàn)方式二中，該判斷裝置具體包括變換模塊，用于利用傅立葉分析方法，或短時(shí)傅立葉分析方法，對所述電信號整段或分段進(jìn)行時(shí)域至譜域的變換；確定模塊，用于確定譜域變換后的信號在超聲波換能發(fā)送器的諧波頻率處的諧振品質(zhì)因數(shù)；第二判斷模塊，用于判斷諧振品質(zhì)因數(shù)是否處于一預(yù)定范圍，獲取一第二判斷結(jié)果；由于極其窄帶的諧頻信號表示沒有其他諧振信號源，而擴(kuò)張的諧振峰形狀則表示該諧振頻率的超聲波能量驅(qū)動空化氣泡受迫穩(wěn)定振動(不同氣泡直徑對應(yīng)不同的氣泡穩(wěn)定振動頻率，這些氣泡諧振頻率與超聲波換能發(fā)射器的諧波頻率略有偏差，導(dǎo)致擴(kuò)張的諧振峰形狀)。因此，在實(shí)現(xiàn)方式二中，諧振品質(zhì)因數(shù)高于預(yù)定范圍時(shí)，表示所述作用區(qū)域的聲空化低于預(yù)定強(qiáng)度范圍內(nèi)，反饋控制裝置應(yīng)該增加所述超聲波換能發(fā)射器的超聲發(fā)射劑量，而諧振品質(zhì)因數(shù)低于預(yù)定范圍時(shí)，表示所述作用區(qū)域的聲空化高于預(yù)定強(qiáng)度范圍內(nèi)，反饋控制裝置應(yīng)該降低所述超聲波換能發(fā)射器的超聲發(fā)射劑量。其他模塊的具體實(shí)施方法與上述實(shí)施方法一類似。在實(shí)現(xiàn)方式三中，該判斷裝置具體包括波形包絡(luò)提取模塊，用于對所述電信號進(jìn)行波形包絡(luò)提取；時(shí)域積分模塊，用于波形包絡(luò)提取得到的信號進(jìn)行時(shí)域積分，得到接收信號的總能量；第三判斷模塊，用于比較所述總能量與預(yù)先測量得到的作用區(qū)域發(fā)生預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化時(shí)的能量區(qū)間，獲取一第三判斷結(jié)果；在實(shí)現(xiàn)方式三中，時(shí)域積分模塊得到的總能量位于預(yù)先測量得到的作用區(qū)域發(fā)生預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化時(shí)的能量區(qū)間時(shí)，則表明作用區(qū)域發(fā)生預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化，當(dāng)時(shí)域積分模塊得到的總能量小于預(yù)先測量得到的作用區(qū)域發(fā)生預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化時(shí)的能量區(qū)間的最小值時(shí)，表示所述作用區(qū)域的聲空化低于預(yù)定強(qiáng)度范圍內(nèi)，反饋控制裝置應(yīng)該增加所述超聲波換能發(fā)射器的超聲發(fā)射劑量，當(dāng)時(shí)域積分模塊得到的總能量大于預(yù)先測量得到的作用區(qū)域發(fā)生預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化時(shí)的能量區(qū)間的最大值時(shí)，表示所述作用區(qū)域的聲空化高于預(yù)定強(qiáng)度范圍內(nèi)，反饋控制裝置應(yīng)該降低所述超聲波換能發(fā)射器的超聲發(fā)射劑量。該實(shí)現(xiàn)方式的波形包絡(luò)提取模塊、時(shí)域積分模塊和第三判斷模塊具體可以采用包絡(luò)檢波器、積分器和減法器等電路實(shí)現(xiàn)，因而方案簡單，成本低，易實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)方式四中，該判斷裝置具體包括保存模塊，用于保存作用區(qū)域發(fā)生預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化時(shí)第一參考信號、作用區(qū)域發(fā)生低于預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化時(shí)第二參考信號、以及作用區(qū)域發(fā)生高于預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化時(shí)第三參考信號；互相關(guān)程度計(jì)算模塊，用于計(jì)算所述電信號與第一、第二和第三參考信號的互相關(guān)程度；
第四判斷模塊，用于根據(jù)所述互相關(guān)程度，獲取一第四判斷結(jié)果；在實(shí)現(xiàn)方式四中，根據(jù)互相關(guān)程度判斷出電信號與第一參考信號最相關(guān)時(shí)，則表明作用區(qū)域發(fā)生預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化，當(dāng)電信號與第二參考信號最相關(guān)時(shí)，表示所述作用區(qū)域的聲空化低于預(yù)定強(qiáng)度范圍內(nèi)，反饋控制裝置應(yīng)該增加所述超聲波換能發(fā)射器的超聲發(fā)射劑量，當(dāng)電信號與第三參考信號最相關(guān)時(shí)，表示所述作用區(qū)域的聲空化高于預(yù)定強(qiáng)度范圍內(nèi)，反饋控制裝置應(yīng)該降低所述超聲波換能發(fā)射器的超聲發(fā)射劑量。在此，該互相關(guān)程度可以通過匹配濾波器來實(shí)現(xiàn)，利用匹配濾波器原理。當(dāng)超聲波換能發(fā)射器發(fā)射低聲輻照劑量時(shí)，超聲波換能接收器同時(shí)向治療區(qū)域發(fā)射某個(gè)特定脈沖， 拾取對應(yīng)的信號作為參考信號設(shè)計(jì)匹配濾波器；在高功率治療過程中，超聲波換能接收器處于脈沖發(fā)射/接收狀態(tài)，接收到的信號可以通過該匹配濾波器，其濾波器系統(tǒng)輸出值極大時(shí)表示所接收的信號與該參考信號相關(guān)性最好，反之則表示由于治療區(qū)域的變化導(dǎo)致接收到的信號產(chǎn)生顯著變化。當(dāng)然，在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，該判斷模塊還可以采用其他的方式來實(shí)現(xiàn)，如采用噪聲信號檢測的隨機(jī)噪聲建模的方法，對接收到的聲信號進(jìn)行噪聲模型參數(shù)提取，例如自回歸移動平均(ARMA)模型等方法，并使用參數(shù)閾值進(jìn)行二元聲空化判斷，在此，對于其他實(shí)現(xiàn)的方式不再一一詳細(xì)說明。在實(shí)現(xiàn)方式四中，采用A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以采集第一、第二和第三參考信號，互相關(guān)程度計(jì)算模塊可以用數(shù)字卷積計(jì)算實(shí)時(shí)聲空化信號和某個(gè)參考信號之間的互相關(guān)系數(shù) (即數(shù)字匹配濾波器)。對于噪聲模型的參數(shù)提取，也已有豐富的實(shí)用算法可供借鑒。在所述作用區(qū)域由多個(gè)區(qū)域組成時(shí)，在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，可以結(jié)合聲空化發(fā)生是否合適的判斷結(jié)果和作用區(qū)域的空間坐標(biāo)，把判斷結(jié)果映射到一個(gè)空間曲面上，顯示作用區(qū)域所在的整個(gè)治療區(qū)域的聲空化效果空間分布。每個(gè)作用區(qū)域的空間坐標(biāo)可以由機(jī)械移動軸各自的位置編碼器讀取，或可以采用固定于超聲波換能發(fā)射器上的3維定位標(biāo)志的位置跟蹤方法獲得。若該空間曲面是平行于身體皮膚表面的平面，則聲空化分布效果圖顯示為二維平面圖像。且該分布圖可以進(jìn)一步疊加到人體組織的影像圖上，作為治療效果的直觀顯示。利用本發(fā)明實(shí)施例的方法，如在一個(gè)由多位置多次超聲輻照組成的高強(qiáng)度超聲治療過程中，對于正在進(jìn)行的單次超聲輻照，采用上述檢測方法，可以判斷此次輻照是否產(chǎn)生了超聲空化效應(yīng)。若此次輻照沒有產(chǎn)生超聲空化，則可以在當(dāng)前位置追加一次超聲輻照，以保證產(chǎn)生效果；若已經(jīng)產(chǎn)生超聲空化，則治療探頭可以移動到下一個(gè)位置進(jìn)行治療。又例如，在單次超聲輻照過程中，若采集到的信號的短時(shí)傅立葉頻譜分析未顯示實(shí)時(shí)聲空化結(jié)果，則可以通過增加脈沖幅度和/或改變脈沖占空比的方法來誘導(dǎo)聲空化發(fā)生；反之，若聲空化過于劇烈，則可以適當(dāng)降低脈沖幅度來抑制聲空化的強(qiáng)度。或者，當(dāng)超聲波換能接收器和超聲波換能發(fā)射器都采用相控陣換能器結(jié)構(gòu)時(shí)，可以電子變焦，在當(dāng)前產(chǎn)生超聲空化的治療位置周圍，利用當(dāng)前空化產(chǎn)生的氣泡云，立即將超聲波換能發(fā)射器的焦點(diǎn)電子聚焦到氣泡云邊緣處進(jìn)行下一次聲輻照，可以采用較低的聲功率容易地持續(xù)激發(fā)聲空化效果；同時(shí)超聲波換能接收器的焦點(diǎn)也隨超聲波換能發(fā)射器的焦點(diǎn)相應(yīng)電子聚焦跟蹤監(jiān)測。利于擴(kuò)大聲空化治療區(qū)域，縮短治療時(shí)間。再例如，根據(jù)前面若干治療位置超聲輻照的聲空化效果，可以得到一個(gè)超聲空化參數(shù)范圍；從而預(yù)測下一個(gè)超聲輻照所需要的發(fā)射聲參數(shù)，來獲得聲空化現(xiàn)象。也可以對特定病人，結(jié)合其治療效果建立治療參數(shù)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)治療歷史參數(shù)，選定下次治療所需采用的聲輻照參數(shù)范圍。再例如，在每次治療區(qū)域完成后，對于整個(gè)治療區(qū)域，在沒有產(chǎn)生超聲空化效應(yīng)的區(qū)域，調(diào)整脈沖幅度、脈沖重復(fù)頻率或占空比參數(shù)，進(jìn)行再次治療，以便取得更均勻的療效。上述基于聲空化檢測信號的反饋控制可以實(shí)現(xiàn)針對具體病人具體治療部位的組織特性實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)射聲參數(shù)，是一種根據(jù)聲場信號反饋原理進(jìn)行的自適應(yīng)的治療過程。利用采集到的聲音信號作為反饋控制參數(shù)的治療系統(tǒng)需要有一個(gè)合適的反饋控制算法。針對具體需要，可以設(shè)計(jì)一個(gè)合適的系統(tǒng)代價(jià)函數(shù)，例如廣譜噪聲幅度的大小或者采集到的信號和參考信號之間的互相關(guān)系數(shù)等指標(biāo)。該反饋控制算法的目標(biāo)就是實(shí)時(shí)地在某個(gè)給定的發(fā)射聲參數(shù)區(qū)間內(nèi)尋找該代價(jià)函數(shù)的極小值。符合該條件的聲參數(shù)即為當(dāng)前限制條件下最優(yōu)的發(fā)射聲參數(shù)。本發(fā)明實(shí)施例的超聲波治療設(shè)備，還包括一傳感器；第二控制裝置，用于根據(jù)所述傳感器采集到的數(shù)據(jù)控制所述超聲波換能發(fā)射器的超聲發(fā)射劑量。說明如下。該基于接收信號的反饋控制自適應(yīng)治療過程還可以與其他傳感器技術(shù)組合使用， 特別對于皮下脂肪的超聲塑形消脂治療，可以采用近紅外射線傳感器檢測皮膚表面及淺表皮膚下溫度，皮膚溫度測量的反饋控制治療發(fā)射聲劑量可以防止皮膚損傷?；蛘卟捎煤线m波長的近紅外射線傳感器接收皮膚淺表組織內(nèi)(約小于1厘米距離)強(qiáng)烈瞬時(shí)超聲空化氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生的近紅外波段的光信號，作為除去超聲波換能發(fā)射器檢測空化程度之外的第二參考數(shù)據(jù)。此外，瞬時(shí)超聲空化會導(dǎo)致水中H和OH自由基釋放，近紅外射線波譜分析技術(shù)還對堿基OH離子濃度敏感，還可以作為實(shí)時(shí)或治療后聲空化療效評估的另一手段運(yùn)用。當(dāng)然，本發(fā)明實(shí)施例中，超聲波治療設(shè)備還可以包括呈現(xiàn)模塊，用于根據(jù)所述判斷結(jié)果提供可視化的治療結(jié)果?？梢暬闹委熃Y(jié)果需要根據(jù)位置信息來控制，在本發(fā)明具體實(shí)施例中，該超聲波發(fā)射換能器可以設(shè)置于能夠持續(xù)移動的機(jī)械臂上，通過機(jī)械臂的移動覆蓋需要的治療區(qū)域，所述超聲波換能發(fā)射器也可以是一能夠手持移動的超聲發(fā)射換能器。當(dāng)超聲波發(fā)射換能器可以設(shè)置于能夠持續(xù)移動的機(jī)械臂上時(shí)，所述超聲波發(fā)射換能器的位置信息可以根據(jù)用于獲取位置信息的機(jī)械臂定位裝置來獲得。所述呈現(xiàn)模塊根據(jù)治療過程中所述超聲波發(fā)射換能器的位置信息和在各個(gè)位置得到的超聲空化檢測結(jié)果，可以重構(gòu)治療區(qū)域聲空化效果，并可以疊加融合在人體治療區(qū)域進(jìn)行圖像顯示治療信息。而當(dāng)所述超聲波換能發(fā)射器為一能夠手持移動的超聲發(fā)射換能器，所述超聲發(fā)射換能器上設(shè)置有一用于獲取位置信息的3維空間定位裝置，，隨著所述超聲波換能發(fā)射器的移動，能夠得到各個(gè)點(diǎn)的聲空化結(jié)果，根據(jù)超聲輻照位置信息和該位置的聲空化信號判斷結(jié)果構(gòu)建療效分布供顯示治療信息用。所述呈現(xiàn)模塊具體用于根據(jù)所述位置信息及所述判斷結(jié)果提供可視化的治療信息。也就是所述呈現(xiàn)模塊根據(jù)治療過程中所述超聲波發(fā)射換能器的位置信息和在各個(gè)位置得到的超聲空化檢測結(jié)果，可以重構(gòu)治療區(qū)域聲空化效果，并可以疊加融合在人體治療區(qū)域進(jìn)行圖像顯示治療信息。綜上，本發(fā)明實(shí)施例提出了一種用于高功率超聲治療的超聲波治療設(shè)備，其能夠通過檢測作用區(qū)域的聲音信號來判斷超聲空化效果是否處于預(yù)定范圍內(nèi)，并根據(jù)判斷結(jié)果控制超聲波的發(fā)射，提高了超聲空化控制手段的精確性，保證了治療效果。并通過提取接收信號的特征向治療設(shè)備操作者提供治療信息，進(jìn)而在超聲治療過程中實(shí)現(xiàn)基于治療區(qū)域聲場檢測信號的實(shí)時(shí)反饋控制治療超聲發(fā)射參數(shù)。以此聲場信號數(shù)據(jù)作為治療安全性和有效性的判據(jù)，提供了一個(gè)在高強(qiáng)度脈沖超聲治療術(shù)中實(shí)時(shí)監(jiān)控和術(shù)后療效評估的可行方法。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種超聲波治療設(shè)備，其特征在于，包括超聲波換能發(fā)射器，用于產(chǎn)生并向作用區(qū)域發(fā)射超聲波；超聲波換能接收器，用于從所述作用區(qū)域采集聲信號，并將采集到的聲信號轉(zhuǎn)化為電信號；判斷裝置，用于根據(jù)所述電信號判斷所述作用區(qū)域是否發(fā)生預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化， 獲取一判斷結(jié)果；反饋控制裝置，用于在所述判斷結(jié)果指示所述作用區(qū)域的聲空化不在預(yù)定強(qiáng)度范圍內(nèi)時(shí)，控制所述超聲波換能發(fā)射器的超聲發(fā)射劑量，使所述作用區(qū)域的聲空化處于所述預(yù)定強(qiáng)度范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波治療設(shè)備，其特征在于，所述超聲波換能發(fā)射器與超聲波換能接收器均為聚焦式設(shè)備，且二者共焦點(diǎn)設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波治療設(shè)備，其特征在于，所述超聲波換能發(fā)射器與超聲波換能接收器的焦斑以一定角度相交，部分重合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波治療設(shè)備，其特征在于，所述聚焦式超聲波換能發(fā)射器的球冠中心頂部具有一容納空間，所述聚焦式超聲波換能接收器設(shè)置于所述容納空間內(nèi)，所述超聲波換能發(fā)射器與超聲波換能接收器的焦斑以零度交角相交，部分或全部重合。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波治療設(shè)備，其特征在于，環(huán)狀的聚焦式超聲波換能接收器附著于聚焦式超聲波換能發(fā)射器外徑之外、或前端耦合錐套出口外側(cè)，共聲軸共焦點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲波治療設(shè)備，其特征在于，所述環(huán)狀的聚焦式超聲波換能接收器由多個(gè)獨(dú)立的超聲波換能接收器沿聚焦式超聲波換能發(fā)射器外環(huán)狀空間放置組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波治療設(shè)備，其特征在于，所述判斷裝置具體包括變換模塊，用于利用傅立葉分析方法，對所述電信號進(jìn)行時(shí)域到譜域變換；提取模塊，用于從譜域變換后的信號中提取介于超聲波換能發(fā)送器的工作基波頻率的預(yù)定高次或低于基頻的分?jǐn)?shù)次諧波頻率范圍內(nèi)的噪聲幅度譜分布；第一判斷模塊，用于判斷噪聲幅度譜分布是否存在至少一個(gè)分立的峰值大于第一預(yù)設(shè)門限的峰值，或者多個(gè)連續(xù)的峰值大于第二預(yù)設(shè)門限的峰值，獲取所述判斷結(jié)果。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波治療設(shè)備，其特征在于，所述判斷裝置具體包括變換模塊，用于利用傅立葉分析方法，對所述電信號進(jìn)行時(shí)域至譜域的變換；確定模塊，用于確定譜域變換后的信號在超聲波換能發(fā)送器的諧波頻率處的諧振品質(zhì)因數(shù)；第二判斷模塊，用于判斷諧振品質(zhì)因數(shù)是否處于一預(yù)定范圍，獲取所述判斷結(jié)果。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波治療設(shè)備，其特征在于，所述判斷裝置具體包括波形包絡(luò)提取模塊，用于對所述電信號進(jìn)行波形包絡(luò)提?。粫r(shí)域積分模塊，用于波形包絡(luò)提取得到的信號進(jìn)行時(shí)域積分，得到接收信號的總能量；第三判斷模塊，用于比較所述總能量與預(yù)先測量得到的作用區(qū)域發(fā)生預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化時(shí)的能量區(qū)間，獲取所述判斷結(jié)果。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波治療設(shè)備，其特征在于，判斷裝置具體包括保存模塊，用于保存作用區(qū)域發(fā)生預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化時(shí)第一參考信號、作用區(qū)域發(fā)生低于預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化時(shí)第二參考信號、以及作用區(qū)域發(fā)生高于預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化時(shí)第三參考信號；互相關(guān)程度計(jì)算模塊，用于計(jì)算所述電信號與第一、第二和第三參考信號的互相關(guān)程度；第四判斷模塊，用于根據(jù)所述互相關(guān)程度，獲取所述判斷結(jié)果。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任意一項(xiàng)所述的超聲波治療設(shè)備，其特征在于，還包括一傳感器；第二控制裝置，用于根據(jù)所述傳感器采集到的數(shù)據(jù)控制所述超聲波換能發(fā)射器的超聲發(fā)射劑量。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波治療設(shè)備，其特征在于，還包括 呈現(xiàn)模塊，用于根據(jù)所述判斷結(jié)果提供可視化的治療信息。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的超聲波治療設(shè)備，其特征在于，所述超聲波治療設(shè)備還包括一能夠持續(xù)移動的機(jī)械臂以及一用于獲取位置信息的機(jī)械臂定位裝置，所述超聲波換能發(fā)射器設(shè)置于所述機(jī)械臂上，所述呈現(xiàn)模塊具體用于根據(jù)所述位置信息及所述判斷結(jié)果提供可視化的治療信息。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的超聲波治療設(shè)備，其特征在于，所述超聲波換能發(fā)射器為一能夠手持移動的超聲發(fā)射換能器，所述超聲發(fā)射換能器上設(shè)置有一用于獲取位置信息的 3維空間定位裝置，所述呈現(xiàn)模塊具體用于根據(jù)所述位置信息及所述判斷結(jié)果提供可視化的治療信息。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超聲波治療設(shè)備，該超聲波治療設(shè)備包括超聲波換能發(fā)射器，用于產(chǎn)生并向作用區(qū)域發(fā)射超聲波；超聲波換能接收器，用于從所述作用區(qū)域采集聲信號，并將采集到的聲信號轉(zhuǎn)化為電信號；判斷裝置，用于根據(jù)所述電信號判斷所述作用區(qū)域是否發(fā)生預(yù)定強(qiáng)度范圍的聲空化，獲取一判斷結(jié)果；反饋控制裝置，用于在所述判斷結(jié)果指示所述作用區(qū)域的聲空化不在預(yù)定強(qiáng)度范圍內(nèi)時(shí)，控制所述超聲波換能發(fā)射器的超聲發(fā)射劑量，使所述作用區(qū)域的聲空化處于所述預(yù)定強(qiáng)度范圍內(nèi)。本發(fā)明提高了超聲空化控制手段的精確性，保證了治療效果。
文檔編號A61N7/02GK102451525SQ20101052699
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者于晉生, 印向濤, 費(fèi)興波 申請人:北京匯福康醫(yī)療技術(shù)有限公司