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(hào)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)源發(fā)射對(duì)應(yīng)于聲波驅(qū)動(dòng)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(hào)。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(huì)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(duì)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(huì)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(hào)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(hào)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(huì)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(hào)，并將采集到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；
判斷裝置，用于根據(jù)所述電信號(hào)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(duì)所述電信號(hào)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(hào)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(duì)所述電信號(hào)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(hào)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(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行波形包絡(luò)提??；時(shí)域積分模塊，用于波形包絡(luò)提取得到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域積分，得到接收信號(hào)的總
能量；第三判斷模塊，用于比較所述總能量與預(yù)先測(cè)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(hào)、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(hào)、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(hào)；互相關(guān)程度計(jì)算模塊，用于計(jì)算所述電信號(hào)與第一、第二和第三參考信號(hào)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(dòng)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(dòng)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(cè)作用區(qū)域的聲音信號(hào)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(hào)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(chǎng)檢測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)反饋控制治療超聲發(fā)射參數(shù)。以此聲場(chǎng)信號(hào)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(píng)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(cè)作用區(qū)域的聲音信號(hào)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(hào)，并將采集到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；判斷裝置，用于根據(jù)所述電信號(hào)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(huì)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(duì)晶體作用，使得晶體發(fā)生形變時(shí)，對(duì)應(yīng)方向上就會(huì)產(chǎn)生電壓，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)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(duì)準(zhǔn)聚焦式超聲波換能發(fā)射器的焦斑，以提高對(duì)聲空化信號(hào)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(duì)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(huì)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(chǎng)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(chǎng)的焦斑大小，利用其特有的橫向延伸的聲場(chǎng)特性，可以獲得更加寬廣的橫向接收區(qū)域，使得該聲場(chǎng)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(hào)。在聚焦式超聲波換能發(fā)射器沿橫向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行掃描治療的情形下，檢測(cè)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(chǎng)焦斑，利用聚焦聲場(chǎng)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(hào)。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(hào)，以影像的方式表現(xiàn)聲空化治療檢測(cè)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(hào)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(hào)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(duì)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(duì)所述電信號(hào)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(hào)的廣譜特性，用于從譜域變換后的信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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。—旦超聲波換能發(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(huì)發(fā)生氣泡振動(dòng)，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(huì)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(hào)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(chǎng)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(hào)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(hào)經(jīng)數(shù)字采樣后，以數(shù)字信號(hào)處理方式對(duì)該數(shù)字信號(hào)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(duì)所述電信號(hào)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(hào)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(hào)表示沒有其他諧振信號(hào)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(dòng)空化氣泡受迫穩(wěn)定振動(dòng)(不同氣泡直徑對(duì)應(yīng)不同的氣泡穩(wěn)定振動(dòng)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(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行波形包絡(luò)提??；時(shí)域積分模塊，用于波形包絡(luò)提取得到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域積分，得到接收信號(hào)的總能量；第三判斷模塊，用于比較所述總能量與預(yù)先測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(hào)、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(hào)、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(hào)；互相關(guān)程度計(jì)算模塊，用于計(jì)算所述電信號(hào)與第一、第二和第三參考信號(hào)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(hào)與第一參考信號(hào)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(hào)與第二參考信號(hào)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(hào)與第三參考信號(hào)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(duì)應(yīng)的信號(hào)作為參考信號(hào)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(hào)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(hào)與該參考信號(hào)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(hào)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(hào)檢測(cè)的隨機(jī)噪聲建模的方法，對(duì)接收到的聲信號(hào)進(jìn)行噪聲模型參數(shù)提取，例如自回歸移動(dòng)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(duì)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(hào)，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(hào)和某個(gè)參考信號(hào)之間的互相關(guān)系數(shù) (即數(shù)字匹配濾波器)。對(duì)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(dòng)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(duì)于正在進(jìn)行的單次超聲輻照，采用上述檢測(cè)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(dòng)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(hào)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(cè)。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(cè)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(duì)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(duì)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(cè)信號(hào)的反饋控制可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)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(chǎng)信號(hào)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(hào)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(duì)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(hào)和參考信號(hào)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(hào)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(duì)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(cè)皮膚表面及淺表皮膚下溫度，皮膚溫度測(cè)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(hào)，作為除去超聲波換能發(fā)射器檢測(cè)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(huì)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(duì)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(píng)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(dòng)的機(jī)械臂上，通過機(jī)械臂的移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(cè)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(dòng)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(dòng)，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(hào)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(cè)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(cè)作用區(qū)域的聲音信號(hào)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(hào)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(chǎng)檢測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)反饋控制治療超聲發(fā)射參數(shù)。以此聲場(chǎng)信號(hào)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(píng)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(duì)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(hào)，并將采集到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；判斷裝置，用于根據(jù)所述電信號(hào)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(duì)所述電信號(hào)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(hào)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(duì)所述電信號(hào)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(hào)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(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行波形包絡(luò)提??；時(shí)域積分模塊，用于波形包絡(luò)提取得到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域積分，得到接收信號(hào)的總能量；第三判斷模塊，用于比較所述總能量與預(yù)先測(cè)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(hào)、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(hào)、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(hào)；互相關(guān)程度計(jì)算模塊，用于計(jì)算所述電信號(hào)與第一、第二和第三參考信號(hào)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(dòng)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(dòng)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(hào)，并將采集到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；判斷裝置，用于根據(jù)所述電信號(hào)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(hào)A61N7/02GK102451525SQ20101052699
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京匯?？滇t(yī)療技術(shù)有限公司