一种相控阵高强度聚焦超声消融系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种相控阵高强度聚焦超声消融系统，该系统包括治疗床，在治疗床下方是由若干个超声换能器基元组成的凹球面相控阵治疗头，其中心处固定着引导B超探头，治疗头上的换能器基元由相控阵控制电路分别单独控制，其发射信号的相位、幅度均可单独调整，并由监测电路实时测量发射状态和反馈调整；在使用前，首先要在与治疗头相连的水囊中灌入去气水，利用五轴运动系统调整治疗头的位置和角度，寻找到最佳入射角度；在治疗前、中、后都可以通过系统中的引导B超观察病灶部位的情况。本系统不仅能改变超声聚焦点的位置、形状和大小，还可实时监测与调整，在面对复杂的病情时给了医生更多的选择，治疗精度、速度等各方面得到很大的提升。
【专利说明】一种相控阵高强度聚焦超声消融系统
[0001]【【技术领域】】
[0002]本实用新型涉及一种在体外通过高强度聚焦超声对体内目标区域进行热消融的外科手术系统，属于医学治疗仪器领域，尤其涉及一种相控阵高强度聚焦超声消融系统。
[0003]【【背景技术】】
[0004]声波是一种机械波，可以将能量从体外传递到人体内部。超声波是一种频率在20KHz以上的声波，具有良好的传播方向性，广泛应用于医疗诊断和治疗领域。
[0005]高强度聚焦超声(HighIntensity Focused Ultrasound, HIFU),是将超声波能量在人体内特定区域内聚集，在此区域内人体组织被加热升温到65°C以上，引起组织蛋白质变性，并结合机械效应、空化效应等达到消融的效果。在聚焦区域之外，因超声波未聚集、能量密度很低而不会形成温度升高，对正常组织无损伤。聚焦超声消融，因其在治疗过程中对人体没有创伤，是一种新兴的无创医疗手段，受到医生和病人的欢迎。该治疗方法已在癌症、肌瘤、结石等治疗领域得到了广泛的应用，取得了良好的效果。
[0006]高强度聚焦超声消融系统，一般由引导设备、监测设备、定位装置、机械运动装置、去气水装置、治疗头、控制电路、系统软件等部分组成。
[0007]各种系统的主要区别在于采用何种治疗头方案及相应的控制电路和软件。目前常采用的方案包括:单换能器、多个非相控阵换能器和相控阵换能器，三者各有优缺点。单换能器方案，具有加工难度低，机械结构简单，成本相对低廉的优点，但是其一旦设计定型，超声聚焦点的位置、形状、大小都是固定的，旁瓣抑制能力也相对较差，且无法实现部分面积发射；多个非相控阵换能器方案，具有旁瓣抑制良好、可部分发射等特点，在单换能器方案的基础上有所改进，但仍存在聚焦点调节困难的不足；相控阵换能器方案，具有聚焦位置和区域双重可调、可任意调整发射面积等优点，对各类待治疗区域有良好的适应性，但存在结构复杂、成本高昂等缺点。随着技术水平的发展，越来越多的高强度聚焦超声消融系统采用相控阵的方案，为医生和患者提供了更好的治疗设备。
[0008]以凹球面基座为基础，采用几十至几百个小尺寸换能器粘贴在基座内侧，配合对应的控制电路，形成相控阵聚焦控制，是目前比较常见的技术方法。利用凹球面的几何形状，形成初始的聚焦，可降低相控阵聚焦时边缘区域换能器基元的信号延时量，减小控制电路的设计难度。
[0009]本实用新型中，采用几百个小尺寸换能器组成相控阵治疗头，配合控制电路可实现聚焦位置的三方向移动，无需机械移动装置即可实现三维扫描治疗，同时可依据需求改变聚焦区域的形状和大小，实现点、线、面等多种聚焦区域；也可根据靶区位置而设置全部发射、部分发射、轮流发射等工作方式，避开骨骼、肺部的阻挡，利用发射功率加权等方法，能进一步抑制声场中的旁瓣，减少对非聚焦区域的不良影响；通过控制电路中的监测电路，可实时调整每一路换能器的相位和幅度，并可在某一路换能器出现异常时单独将其关闭。
[0010]采用相控阵技术的高强度聚焦超声消融系统，可有效提高治疗精度，满足各种治疗场景，具有良好的适应性和先进性。
[0011]【实用新型内容】
[0012]本实用新型的目的在于:设计一种相控阵高强度聚焦超声消融系统，采用凹球面基座结合几百个小尺寸圆形换能器，通过控制电路对每一个换能器发射信号的相位、幅度都单独控制，并监测其工作状态以实时调整；根据治疗需求，可实现聚焦位置、形状、大小的调节，满足实际治疗过程中的技术需求。
[0013]本实用新型的目的可以通过以下技术方案实现:
[0014]一种相控阵高强度聚焦超声消融系统，该系统包括治疗床、治疗床驱动马达、三轴运动驱动系统、三轴运动控制系统、超声波发射组件、聚焦超声驱动电路、聚焦超声控制电路、治疗头驱动马达、治疗头定位系统、五轴运动驱动系统、五轴运动控制系统、引导B超探头、B超机、数据采集卡、去气水管道、去气水生产装置和主控电脑；
[0015]其中，治疗床驱动马达与治疗床连接，可驱动其在X、Y、Z三个方向直线运动；治疗床驱动马达通过三轴运动驱动系统连接到三轴运动控制系统，再连接到主控电脑，并接收来自主控电脑的指令来调整治疗床的姿态；
[0016]所述治疗床中间有一个治疗孔,治疗孔下方设有超声波发射组件,超声波发射组件包括治疗头和水囊，治疗头的中心部位安装了引导B超探头，治疗头上方连着水囊；治疗头和附属部分一同安装在治疗头定位系统上，可以在治疗头驱动马达的作用下在X、Y、Z方向直线运动以及绕着X、Y方向转动；治疗头驱动马达通过五轴运动驱动系统连接到五轴运动控制系统，再连接到主控电脑，并接收来自主控电脑的指令来改变治疗头的位置和指向，寻找最佳治疗角度；
[0017]所述治疗头中的超声换能器通过聚焦超声驱动电路连接到聚焦超声控制电路，再连接到主控电脑，每一个换能器的发射信号都独立控制，其相位、幅度均可独立调整，并且进行实时监测和反馈调整，所有的操作都有主控电脑协调；
[0018]所述引导B超探头通过线缆和B超机连接，再通过数据采集卡和主控电脑连接，弓丨导B超机可对待治疗区域成像并通过采集卡将实时图像采集到主控电脑中，在系统操作软件的一个窗口中显示，且引导B超探头和治疗头之间的通过螺纹机械固定；
[0019]所述治疗头上的水囊通过去气水管道与去气水产生装置连接，治疗前在水囊中灌入去气水作为换能器与人体之间的超声传播介质。
[0020]在本实用新型中:所述的治疗头由若干个换能器基元放置在凹球面基座上，凹球面基座中间有引导探头安装孔，引导探头安装孔位于凹球面基座的正中心，引导探头安装孔的内侧设有螺纹；其中，引导B超探头结合安装附件拧入引导探头安装孔中并保持位置固定。
[0021]在本实用新型中:所述的换能器基元呈圆形，从内到外逐圈放置在凹球面基座上，在同一个圈上换能器基元之间的间距相同。
[0022]在本实用新型中:所述的治疗头中的换能器基元通过聚焦超声控制电路和聚焦超声驱动电路单独控制。
[0023]在本实用新型中:所述的聚焦超声驱动电路包括聚焦超声功放电路和聚焦超声匹配电路，主控电脑发出的指令在聚焦超声控制电路分解和分析，形成详细的相位和幅度信息，经系统内部总线发送到聚焦超声驱动电路；在此先经聚焦超声功放电路放大到足够功率，后经聚焦超声匹配电路进行阻抗转换后激发超声换能器。
[0024]在本实用新型中:所述的聚焦超声控制电路包括控制板ARM、FPGA, RS232接口、USB 接口、键盘鼠标、VGA 接口、显示器、RJ45 网络接口、SDRAM、NandFlash, JTAG 调试口、CAN接口、CAN驱动器、Trigger接口、LVDS总线、LVDS驱动器和控制板电源，其中，主控电脑通过RS232接口与控制板ARM相连，向其发送治疗参数和指令，由其分解和分析成每个通道的发射相位和幅度，其中相位信息被发送到FPGA并生成时序信号然后通过LVDS总线经LVDS驱动器增强传输能力后发送到系统内部总线，最终发送到聚焦超声驱动电路；而相应的幅度信息由控制板ARM直接通过CAN接口经CAN驱动器增强传输能力后发送到系统内部总线，最终也发送到聚焦超声驱动电路；
[0025]所述的控制板ARM通过USB接口与外接的键盘鼠标相连，用于人机交互操作；控制板ARM通过VGA接口与显示器相连，用于调试时显示信息；控制板ARM通过RJ45网络接口与调试用电脑相连，用于调试时通过电脑操作控制板电路；控制板ARM和SDRAM相连，用于系统运行时存储数据；控制板ARM和NandFlash相连，用于存储系统文件、控制程序等；控制板ARM拥有JTAG调试口，用于开发和生产时写入控制程序；
[0026]所述的FPGA通过Trigger接口向外输出脉冲同步信号，当发射的基准信号启动时向外输出高电平信号并维持到当前发射周期结束才恢复到低电平；
[0027]所述的控制板电源为聚焦超声控制电路提供全部电源供应。
[0028]在本实用新型中:所述的聚焦超声驱动电路包括功放板ARM、CAN接口、LVDS总线、高精度DAC、数字可调式DC-DC电源、D/E类功率放大器、滤波器、聚焦超声匹配电路、电压与电流采样电路、高速ADC、硬件算法电路和功放板电源，其中，功放板ARM通过CAN接口接收聚焦超声控制电路经系统内部总线发送过来的信息，并将每个通道的发射幅度值写入高精度DAC，通过其控制数字可调式DC-DC电源的输出电压，进而控制D/E类功率放大器的放大倍数，实现控制功率放大幅度的功能；同时经LVDS总线发送过来的时序信号也接到D/E类功率放大器，在此经功率放大后再通过滤波器和聚焦超声匹配电路加载到换能器基元上发射超声波；在发射的时候电压和电流采样电路采集驱动电路输出的电压和电流，经高速ADC转化为数字信号，并在硬件算法电路中计算出发射功率，随后将电压、电流、功率信号一并传入功放板ARM中；功放板ARM将采样值与预设值进行比对，如果存在延时误差，则将信息反馈发送给控制板ARM由其调整，如果存在幅度误差，则直接调整高精度DAC上的幅度值，同时把信息通报给控制板ARM ；
[0029]所述的功放板电源为聚焦超声驱动电路提供全部电源供应。
[0030]在本实用新型中:所述的D/E类功率放大器与外部手动开关相连，当医生或患者感觉到消融系统有异常时，可直接通过外部手动开关关闭换能器的发射，作为应急保险措施。
[0031]本实用新型的有益效果:本实用新型所设计的相控阵高强度聚焦超声消融系统，因其采用相控阵技术，对于若干个换能器基元的发射信号的相位、幅度单独进行控制，后汇合成一个焦点，调整每个换能器基元的发射相位和幅度，可实现聚焦区域的电子化移动；并且聚焦区域的形状也可以根据需求调整，点形、线形和面形聚焦区域均可实现；在治疗区域较小、精度要求较高时可采用点形聚焦；在治疗区域较大时则可采取线形或面形聚焦；系统的这些特性可以帮助医生在治疗时更好地适应复杂的病情，在治疗精度、速度、方便性等各方面得到很大的提升。
[0032]【【专利附图】
【附图说明】】
[0033]以下结合附图对本实用新型做进一步的说明，此处所说明的附图是用来提供对本实用新型的理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本实用新型的不当限定，在附图中
[0034]图1为本实用新型相控阵高强度聚焦超声消融系统架构示意图；
[0035]图2为本实用新型相控阵高强度聚焦超声消融系统治疗流程图；
[0036]图3为本实用新型中的聚焦超声治疗头的结构示意图；
[0037]图4为本实用新型中的相控阵控制电路架构示意图；
[0038]图5为本实用新型中聚焦超声控制电路架构示意图；
[0039]图6为本实用新型中聚焦超声驱动电路架构示意图；
[0040]图7为本实用新型中主控电脑内运行的控制程序流程图；
[0041]图8为本实用新型中控制板ARM内运行的控制程序流程图；
[0042]图9为本实用新型中功放板ARM内运行的控制程序流程图。
[0043]【【具体实施方式】】
[0044]下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，其中的示意图实施例以及说明仅用来解释此次实用新型，但并不作为其的限定。
[0045]如图所示，本实用新型所述的一种相控阵高强度聚焦超声消融系统，如图1所示包括治疗床1、治疗床驱动马达2、三轴运动驱动系统3、三轴运动控制系统4、超声波发射组件、聚焦超声驱动电路6、聚焦超声控制电路7、治疗头驱动马达8、治疗头定位系统9、五轴运动驱动系统10、五轴运动控制系统11、引导B超探头12、B超机14、数据采集卡15、去气水管道16、去气水产生装置17和主控电脑18，其中，治疗床驱动马达2与治疗床I连接，可驱动其在X、Y、Z三个方向直线运动；治疗床驱动马达2通过三轴运动驱动系统3连接到三轴运动控制系统4，再连接到主控电脑18，并接收来自主控电脑18的指令来调整治疗床I的姿态；
[0046]使用高强度聚焦超声消融系统治疗时，其工作流程如图2所示；启动设备后，首先通过图像引导设备观察病人体内待治疗区域的情况，寻找出病灶所在位置并确定病灶区域，根据靶区周围脏器的分布、可能的入射角度、需消融的核心部位，制定消融方案，包括消融的范围、顺序、速度等；确定消融方案后，由高强度聚焦超声消融系统自动分解、分析并实施消融方案；在消融过程中及完成后，都可以通过图像引导设备观察靶区的状态，评估消融的效果；当消融治疗达到预期目标后即可结束本次治疗并关闭设备。
[0047]如图1所示，治疗时病人平躺在治疗床I上，治疗床I的中间开有治疗孔，将病人移动到合适的位置，确保待治疗区域对应的身体部分位于治疗孔上方；治疗床驱动马达2与治疗床I连接，可使其在X、Y、Z方向直线运动；在三轴运动驱动系统3和三轴运动控制系统4的控制下，将治疗床I调整到合适的位置和高度，便于医护人员将病人移动到治疗床I上，调整治疗床I的姿态，可由操作人员通过主控电脑18上的软件操作，也可通过床边的按钮操作。
[0048]在治疗床I的治疗孔下方是由治疗头13和水囊5组成的超声波发射组件，治疗头13中间包括引导B超探头12，其中去气水产生装置17生成的去气水通过去气水管道16充入水囊5中，将水囊5鼓起，与病人身体表面接触。去气水是超声换能器与人体之间的声耦合介质，将水中的空气抽离，可避免水中的空气形成气泡而影响声波的传播；同时，由于水囊5和人体之间仍存在一定程度的声阻抗不连续，部分声波能量在皮肤处会转换成热能，去气水可起到冷却作用，防止可能发生的皮肤灼伤，为了更好地传递声波，一般还在水囊5表面涂抹超声耦合剂，增强水囊和人体间的声波耦合度。
[0049]其中，治疗头13是一个由若干个换能器基元20按一定的规则组合而成的凹球面阵列，向病人体内发射超声波，在聚焦区域提升温度，从而实现消融的作用；引导B超探头12安装在治疗头13的底部中间并机械固定，其扫描区域与治疗聚焦点在同一平面，因而可以起到引导与观察的作用。
[0050]治疗头13及附件被固定在治疗头定位系统9上，这是一个可以五方向定位与运动系统，不仅可以在X、Y、Z方向直线运动，还可绕X、Y方向转动，带动治疗头13及附件一同运动。操作者可通过主控电脑18上的软件操作或操作台上的摇杆操作，改变治疗头13的位置和指向，使其具有最佳的超声波入射角度，尽量避开骨骼、肺部、大血管等可能影响声波传播的组织。完成定位后，治疗头13被固定住，保持其与病人间的位置固定，治疗过程中焦点移动由相控阵系统电子扫描实现。
[0051]所述的换能器基元20由控制电路分别单独控制，每一路发射信号的相位、幅度都独立控制，相互间按一定的相控阵控制规则顺序发射。首先由聚焦超声控制电路7生产符合相位要求的延时信号，这是一个功率很小的激励信号，被传递到聚焦超声驱动电路6之后，其功率被放大到有足够的能量去驱动换能器基元20。通过调节每个通路的信号延时，可使超声波聚焦的位置发生变化，实现电子式的焦点扫描；通过调节每个通路的发射幅度，可改变发射出的声束的包络形状从而改变聚焦区域的形状和体积。
[0052]本系统中的治疗头13，如图3所示由一个凹球面基座19和若干个换能器基元20组成，在凹球面基座19的中心还设有一个引导探头安装孔21，孔内侧有螺纹，将引导B超探头12配合安装附件一起拧入其中，保持其和治疗头13的位置固定，其中在同一个圈上每个换能器基元20间的间距相同，但相邻两个圈上的换能器基元20间距不一定相同，圈与圈之间的间距也不同。
[0053]超声换能器是将电能量转换成声能量的器件，根据换能器数量的不同，一般可分为单换能器方案、多个非相控换能器方案和相控阵换能器方案，如下所述:
[0054]单换能器方案，只有一个发射面积较大的超声换能器，加工成凹形或在换能器前方加装凹形声透镜，以此形成声聚焦。此方案中，换能器加工简单，成本低廉，但其劣势在于换能器加工完后其焦点位置、形状、尺寸都不可改变，需要采用机械装置移动整个治疗头实现扫描治疗。单换能器的声场旁瓣较大，且无法调节，这在高强度聚焦超声的应用中是存在一定的风险的。
[0055]多个非相控换能器方案，一般由几个到十几个面积相对较大的超声换能器，固定在凹球面的基座上，依托凹球面基座的几何曲率实现聚焦。此方案中，每个换能器的主瓣在焦点处聚集但旁瓣互不重叠，从而整个治疗头的旁瓣可有效抑制，提高了治疗安全性。由于换能器数量增加，加工时如何保持参数一致性，以及在往基座上固定时如何保持方向性，都增加了加工难度。此外，该方案中换能器的尺寸仍相对较大，其指向性强烈，无法实现电子扫描治疗，仍需依靠机械装置移动整个治疗头实现扫描治疗。
[0056]相控阵换能器方案，一般由几十个到几百个小尺寸换能器固定在凹球面基座上。此方案中，每个换能器的旁瓣能量进一步缩小，整个治疗头的旁瓣抑制更有效。同时，利用控制发射信号的相位可改变聚焦点的位置、形状、尺寸，实现电子扫描治疗，简化了机械定位装置，加快了治疗速度。但伴随着换能器数量增加，治疗头的加工和装配难度显著提高，成本明显增加，控制电路的难度也大大提高，给系统的设计和生产带来诸多困难。
[0057]本系统中采用相控阵换能器的技术方案，在凹球面基座19上放置了几百个换能器基元20，这些换能器基元20采用直径为6-20mm的圆形结构，以PZT-4、PZT-8等发射型压电材料加工，表面镀有镍和银形成电极，换能器基元20的工作频率在0.6-4MHz范围，数量一般为2的倍数，尤其是2的N次方。所有换能器基元20按同心圆方式从内向外依次分布，每个圆上换能器基元20之间按等分方式排列，各圆上换能器基元20的中心距可以不相同，圆与圆之间的间距也可以不同，以换能器基元20间不碰触、不干扰为标准，尽量紧密排列，减小治疗头13的体积。所有换能器基元20均有独立的带屏蔽引线接出，在线缆连接器内有匹配电路，将输入阻抗调谐至50欧姆，考虑到线缆内芯线数量有限，一般将换能器分成若干组，采用多根线缆连接。
[0058]如图4所示，整个控制电路分为聚焦超声控制电路7和聚焦超声驱动电路6，其中聚焦超声驱动电路6又可细分为聚焦超声功放电路22和聚焦超声匹配电路23。聚焦超声控制电路7接受来自主控电脑18的指令，根据聚焦点的特性分析生成时序信号，这是一个小功率信号，还需经过功率放大后才能激发超声换能器；同时，控制电路分析生成每一路换能器需要发射的功率值，以配置指令的形式传递给驱动电路，时序信号和配置指令通过系统内部总线24发送到聚焦超声驱动电路6。
[0059]时序信号和配置指令首先传递给聚焦超声功放电路22，在此被放大到足够的功率，同时保持各通道间的时序关系，为了尽可能把电能量都转换成声能量，在驱动电路中还有一个聚焦超声匹配电路23，将驱动电路的输出阻抗调谐到50欧姆，和换能器基元20的阻抗相匹配。
[0060]考虑到电路板体积和电磁兼容需求，一般把聚焦超声控制电路7和聚焦超声驱动电路6分成不同的电路板，彼此间以板间连接器或软性印制板连接；而聚焦超声驱动电路6可进一步分成多块电路板，以控制电路板体积，每个电路板上布置若干路功放电路和匹配电路，一般以2的倍数尤其是2的N次方为通道数，在每块驱动电路板上都有功放电源24为驱动电路供电。
[0061]如图5所示为聚焦超声控制电路7的架构图，由控制板ARM25和FPGA26为核心组成的数字电路系统，控制板ARM25负责与外界的通讯、接口的控制，并与驱动电路板的信息交互，FPGA26负责时序信号的产生。
[0062]控制板ARM25通过RS232接口 27与主控电脑18连接，接收其发来的指令，并把相控阵控制系统的运行状态反馈给主控电脑18。由于控制板ARM25要处理的信息量很大，一般采用Cortex-A8或更高核心的ARM芯片。外接的键盘鼠标29通过USB接口 28与控制板ARM25相连，外接的显示器31通过VGA接口 30与控制板ARM25相连，两者主要用于开发、生产、测试、维护时进行人机交互。
[0063]RJ45网络接口 32在开发调试阶段可用于调试设备与控制板ARM25之间的数据通τΗ ο
[0064]SDRAM33是系统的运行内存，用于系统在运行时存储数据，根据需求可选择256Μ或更大容量的内存。
[0065]NandFlash34是系统的存储空间，用于存储系统文件、运行程序、配置参数等，其在关机时也不会丢失数据，根据需求可选择256M或更大容量的存储器件。
[0066]JTAG调试口 35用于向控制板ARM25内灌入运行程序，在调试阶段和生产阶段使用，日常运行时不再使用。
[0067]CAN接口 36接入系统内部总线24，用于向驱动电路下发每一路发射信号的幅度配置信息，同时接收发射电路板反馈的每一路发射电路工作状态。由于发射控制电路和驱动电路采用了分板的设计方式，为了增加信号在板间传输的可靠性，使用了 CAN驱动器37，用以提高信号的传输能力。
[0068]FPGA26 (Field Programmable Gates Array,现场可编程门阵列)主要用于产生每一路发射的时序信号，用以控制每个换能器基元20的发射信号相位。当控制板ARM25接收到主控电脑18发来的焦点位置、形状、尺寸的信息之后，结合治疗头13的几何数据，利用声学公式计算出每一路换能器基元需要的发射信号延时量，并传递给FPGA26 ；FPGA26利用其内部的门逻辑结构产生不同的延时，并在接收到启动信号后按顺序，以连续方波的形式发出。
[0069]所有时序信号的延时量都是相对于一个统一的基准信号，每一路信号的延时量为延时步长的整数倍。时序信号从LVDS总线39(Low Voltage Differential Signaling,低压差分信号)发出，并经LVDS驱动器40进行信号增强；因LVDS是差分信号，其传输的信号只与两个信号的差值有关，可有效抑制共模干扰，因而采用LVDS传递小功率的时序信号是比较理想的选择。
[0070]Trigger接口 38为触发信号输出口，将前文所述时序信号的基准信号引出，并可在超声换能器处于发射状态时始终维持高电平状态，至超声换能器结束发射再回到低电平状态。外部设备在需要的时候，可利用触发信号与消融系统协同作业，常见的应用方式是引导B超机14与消融系统的分时交替工作，避免高强度聚焦超声对小功率成像超声的干扰。整个聚焦超声控制电路的电源由控制板电源41提供。
[0071]如图6所示为聚焦超声驱动电路6的架构示意图，由功放板ARM42为核心构成。功放板ARM42接收来自聚焦超声控制系统7的指令和配置信息，设置每一个通道的发射幅度，查询每一个通道的实际输出电压和功率并反馈给控制系统。每个功放板ARM42管理的通道数一般为控制板ARM25管理通道数的1/16?1/4，处理的数据量相对较小，可选用Cortex-M3内核的ARM芯片。
[0072]聚焦超声控制电路7通过系统内部总线24将每个通道的发射幅度发送到每一个驱动电路，经过CAN接口 43进入功放板ARM42，功放板ARM42根据通道编号、幅度值，通过内部SPI总线以轮流的方式发送到高精度DAC45。
[0073]功率放大的主要部分是一个D/E类功率放大器47，由数字可调式DC-DC电源46给其提供电源。功率放大器将一个小功率的小信号放大成为一个大功率信号，从而可以驱动能量需求量大的换能器，按工作类型，放大器可分为A类、B类、AB类等模拟放大器，D/E类等数字放大器。A类、B类和AB类功率放大器，输出信号与输入信号在波形上一致，波形失真小，但这类放大器的能量利用效率低，元器件上损耗的电能较多，既造成能量的浪费又提高了放大电路散热等的设计难度；而D/E类放大器，是一种将输入信号变换成PWM(PulseWidth Modulat1n，脉冲宽度调制)的脉冲信号，然后用PWM信号去控制大功率开关器件通断的功率放大器，也称为开关放大器，此类放大器的能量利用效率可达85%以上，是用于超声波功率放大的理想选择，而功率放大器的具体放大量则是由数字可调式DC-DC电源46控制的。
[0074]功放板ARM42通过高精度DAC45调节数字可调式DC-DC电源46的电压，进而改变D/E类功率放大器47的放大量。由于高精度DAC45具有数据锁存功能，功放板ARM42可轮流向各通道的DAC传递该通道的发射信号幅度值，降低了系统复杂度。
[0075]从系统内部总线24经过LVDS总线44传过来的时序信号，按编号分配到各通道并输入到D/E类功率放大器47，放大到预定的功率后输出；经过D/E类功率放大器47放大输出的信号是一个近似方波的信号，如果直接加载到超声换能器上，因换能器的频响范围有限，高频分量的能量无法转换成声能量而在换能器处发热，对超声换能器的使用带来诸多负面影响；因此，功率放大后的信号需经过滤波器48，滤除超声换能器无法转换的高频分量。
[0076]由于功放电路的输出阻抗一般不会正好是50欧姆，为了更好地传输发射信号，还需要通过聚焦超声匹配电路23的阻抗转换，然后将发射信号发送到换能器基元20上。
[0077]由于电子元器件的不一致性、环境温湿度的变化、电子元器件的老化等各种因素，发射信号的相位、幅度都会存在一定的漂移，造成误差，为了提高发射精度，本实用新型所设计的系统中增加了反馈控制部分，在聚焦超声匹配电路23后增加了电压与电流采样电路49，同时对输出的电压和电流进行采样，采样后的信号经过高速DAC51转换成数字信号。由于单纯的电压和电流并不能完全体现电路的工作情况，还需进一步计算出发射功率，因此利用硬件计算电路52实现计算发射功率的功能，此处采用硬件乘法电路实现功率计算，一方面提高了计算速度以提升反馈响应速度，另一方面减轻了功放板ARM42的运算量。
[0078]采样得到及计算得到的电压、电流和功率数值被反馈送到功放板ARM42中，其中功率值的比对在功放板ARM42中进行，如果误差超过阈值就自动通过调整数字可调式DC-DC电源46进行纠正；而通过采样电压和电流信号可计算得出发射信号的相位和预定相位的误差，此误差通过系统内部总线24被反馈给控制板ARM25，在超过阈值时由控制板ARM25控制FPGA26调整信号延时量。
[0079]作为一种特殊的情况，如果某通道的超声换能器发射异常且超出反馈纠正范围，需要关闭该通道的发射，或因相控阵算法的需求而关闭某通道的发射，此时，可通过软件方式关闭数字可调式DC-DC电源46而关闭该通道的发射。开关信号由功放板ARM42发出，其会根据控制板ARM25发来的指令进行开关，或自主根据通道的发射功率值进行开关；此外，系统中还有一个外部手动开关52直接连接数字可调式DC-DC电源46的选通口，这是操作者或病人发现异常情况而系统自身尚未启动关闭机制时的应急响应措施。
[0080]上述描述的是超声波消融系统的硬件组成，要使系统正常运转，还需要配合相应的控制程序，本系统中的控制程序运行在主控电脑18、控制板ARM25和功放板ARM42中，和硬件电路协同工作完成治疗。
[0081]如图7所示为主控电脑18内运行的控制程序流程图，主控电脑18是系统的控制核心，需要协调系统内各组成部分的工作，并完成与操作者的人机交互，一般采用成品个人电脑或工控机作为系统主控电脑。主控电脑18开机后,控制程序将自动启动,通过与系统内其他部分设备的硬件通讯，在开机后完成系统自检，确保系统硬件工作正常，随后便通过数据采集卡15将B超机14的图像采集进来，在控制程序的界面中显示，与B超机14自身显示器保持同步显示。随后控制程序进入空闲等待状态，等待对病人进行治疗。
[0082]当病人被推进手术室，如果搬动到治疗床I上有困难，则可从控制程序中操纵与治疗床I依次连接的治疗床驱动马达2、三轴运动驱动系统3、三轴运动控制系统4，实现改变治疗床I高度与位置，帮助医护人员将病人抬上治疗床I。
[0083]病人躺到治疗床I上后就可以开始治疗流程。首先，通过控制程序操作与治疗头13依次连接的治疗头定位系统9、治疗头驱动马达8、五轴运动驱动系统10、五轴运动控制系统11，改变治疗头13的位置和指向，寻找到最佳观察和治疗角度，然后操作者可用在程序界面中以画框的方式在B超图像上画出待消融的区域范围，根据病人的身体情况、病灶所处位置、病情发展情况等综合因素，操作者在控制程序中选定消融治疗所使用的功率大小、单次发射持续时间、重复周期、重复次数等治疗参数，制定消融计划。
[0084]确定消融计划后，即可由主控电脑18配合系统内其他部分进行消融治疗。主控电脑18负责下发治疗参数、统一协调各部分工作顺序、显示实时发射状态等，而具体发射控制则由控制板ARM25和功放板ARM42及其内部的控制程序联合完成，操作者可通过控制程序界面上发射状态实时显示值了解当前系统发射超声波的情况。完成全部治疗区域的消融之后，可通过B超机14的成像对消融效果进行评估。控制程序还可将成像图像传输到医院信息系统(Hospital Informat1n System, HIS)中。经评估后,若消融治疗达到预期效果，即可结束此次治疗。关闭主控电脑18和系统内其他软硬件。
[0085]在消融过程中，如果控制板ARM25和功放板ARM42探测到了聚焦超声发射电路的发射状态有变化，则会通知主控电脑18，由其刷新显示值，通知操作者。这种刷新按软件中断的方式进行，插入正常运行的程序，修改的显示值，然后退出中断回到正常程序运行状态。由于这个中断操作量很小，不会对控制程序造成影响，因而采用中断的方式是可行而且合理的。
[0086]如图8所示为控制板ARM25内运行的控制程序流程图，控制板ARM25担负整个相控阵系统的控制和管理功能，需要处理的信息量较大，一般采用高端ARM芯片配合Linux系统的方式。开机后首先启动其中的Linux ?呆作系统，然后自动启动控制程序，此控制程序没有用户界面，以C/C++语言编写，程序启动后便进入空闲等待状态，等待主控电脑18发来指令。当主控电脑18发来治疗的指令和参数后，控制程序首先对治疗参数进行分解，按每个消融位置点分别保存下焦点位置、发射功率、脉冲长度、重复次数等。保存完全部数据后，读取第一个消融点的参数，然后分别查阅预设的数据表，得到在该参数下对应的每个通道的延时值和发射幅度值，然后读入该系统硬件环境下的修正值，这是由于硬件电路在元器件参数和加工工艺中总存在一定的不一致性，导致实际电路中的延时和幅度与理论值存在差异，需要对此差异进行修正才能得到真正的发射延时和幅度。经修正的每通道延时值被发送到FPGA26中，而修正后的每通道发射幅度值被发送到聚焦超声驱动电路6中的功放板ARM42。针对延时值和幅度值的读取、修正、发送，是两个互相独立的逻辑过程，可通过多线程的方式同时进行。当FPGA26和功放板ARM42接收到全部数据并完成配置后，会向控制板ARM25返回一个确认信号，意味着发射电路已经做好准备工作，此时可以启动发射，按预设的脉冲长度、占空比、重复次数控制聚焦超声发射，直至完成在该消融点的全部发射。
[0087]完成某一点的消融后，控制程序需判断是否还有未完成消融的点，如果还有未消融的点，则移动到下一消融点，重复聚焦超声发射的操作；如果已经完成全部消融任务，则恢复到空闲等待状态；当控制板ARM25接到来自总控电脑18的关机信号，将执行关机命令，关闭所有硬件。
[0088]在控制程序工作过程中，如果功放板ARM42探测到了聚焦超声发射电路的状态有变化导致延时和幅度误差变化，则会将此变化通知控制板ARM25，这种通知按软件中断的方式进行，插入正常运行的程序，修改存储的修正值并通知主控电脑18，然后退出中断回到正常程序运行状态。
[0089]如图9所示为功放板ARM42内运行的控制程序流程图，由于功放板ARM42需要处理的信息量不大，一般采用低端ARM和不带操作系统的方案，加电后，功放板ARM42中的程序将自动运行。
[0090]控制程序启动后自动进入空闲等待状态，当接收到控制板ARM25发来的发射指令和参数后，将各通道的发射幅度值依次写入到高精度DAC45中，完成后向控制板ARM25反馈确认信息。控制板ARM25启动发射后，功放板ARM42便开始轮流采样计算当前的发射功率、延时值等，并与预存的数据比对，如果发现延时值存在误差，则将信息反馈给控制板ARM25并由其调整FPGA26的发射来修正；如果发现发射幅度存在误差，则立刻调整高精度DAC45的参数并将情况反馈给控制板ARM25。在聚焦超声发射过程中，反复执行采样、计算、比对、修正的工作，直到该消融点的治疗完成，然后进入空闲等待状态，直到开始下一个消融点的发射。当接收到控制板ARM25发来的关机指令后，将执行关机命令，关闭所有硬件。
[0091]综上，通过针对治疗要求设计的硬件和软件配合工作，完成对预定区域的高强度聚焦超声消融治疗，实现无创治疗疾病的目标。
[0092]以上所述仅是本设计实用新型的最佳实施方式，故凡依本设计实用新型专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本实用新型专申范围内。
【权利要求】
1.一种相控阵高强度聚焦超声消融系统，其特征在于:该系统包括治疗床(I)、治疗床驱动马达(2)、三轴运动驱动系统(3)、三轴运动控制系统(4)、超声波发射组件、聚焦超声驱动电路(6)、聚焦超声控制电路(7)、治疗头驱动马达(8)、治疗头定位系统(9)、五轴运动驱动系统(10)、五轴运动控制系统(11)、引导B超探头(12)、B超机(14)、数据采集卡(15)、去气水管道(16)、去气水产生装置(17)和主控电脑(18)； 其中，治疗床驱动马达(2)与治疗床(I)连接，可驱动其在X、Y、Z三个方向直线运动；治疗床驱动马达(2)通过三轴运动驱动系统(3)连接到三轴运动控制系统(4)，再连接到主控电脑(18)，并接收来自主控电脑(18)的指令来调整治疗床(I)的姿态； 所述治疗床(I)中间有一个治疗孔，治疗孔下方设有超声波发射组件，超声波发射组件包括治疗头(13)和水囊(5)，治疗头(13)的中心部位安装了引导B超探头(12)，治疗头(13)上方连着水囊(5);治疗头(13)和附属部分一同安装在治疗头定位系统(9)上，可以在治疗头驱动马达(8)的作用下在X、Y、Z方向直线运动以及绕着X、Y方向转动；治疗头驱动马达(8)通过五轴运动驱动系统(10)连接到五轴运动控制系统(11)，再连接到主控电脑(18)，并接收来自主控电脑(18)的指令改变治疗头(13)的位置和指向，寻找最佳治疗角度； 所述治疗头(13)中的超声换能器通过聚焦超声驱动电路(6)连接到聚焦超声控制电路(7)，再连接到主控电脑(18)，每一个换能器的发射信号都独立控制，其相位、幅度均可独立调整，并且进行实时监测和反馈调整，所有的操作都有主控电脑(18)协调； 所述引导B超探头(12)通过线缆和B超机(14)连接，再通过数据采集卡(15)和主控电脑(18 )连接，B超机(14 )可对待治疗区域成像并通过采集卡(15 )将实时图像采集到主控电脑(18)中，在系统操作软件的一个窗口中显示，且引导B超探头(12)和治疗头(13)之间的通过螺纹机械固定； 所述治疗头(13)上的水囊(5)通过去气水管道(16)与去气水产生装置(17)连接，治疗前在水囊(5)中灌入去气水作为换能器与人体之间的超声传播介质。
2.根据权利要求1所述的一种相控阵高强度聚焦超声消融系统，其特征在于:所述的治疗头(13)由若干个换能器基元(20)放置在凹球面基座(19)上，凹球面基座(19)中间有引导探头安装孔(21)，引导探头安装孔(21)位于凹球面基座(19)的正中心，引导探头安装孔(21)的内侧设有螺纹；其中，引导B超探头(12)结合安装附件拧入引导探头安装孔(21)中并保持位置固定。
3.根据权利要求2所述的一种相控阵高强度聚焦超声消融系统，其特征在于；所述的换能器基元(20)呈圆形，从内到外逐圈放置在凹球面基座(19)上，在同一个圈上换能器基元(20)之间的间距相同。
4.根据权利要求1所述的一种相控阵高强度聚焦超声消融系统，其特征在于:所述的治疗头(13)中的换能器基元(20)通过聚焦超声控制电路(7)和聚焦超声驱动电路(6)单独控制。
5.根据权利要求4所述的一种相控阵高强度聚焦超声消融系统，其特征在于:所述的聚焦超声驱动电路(6)包括聚焦超声功放电路(22)和聚焦超声匹配电路(23)，其中主控电脑(18)发出的发射信号在聚焦超声控制电路(7)分解和分析，形成更详细的相位和幅度信息，经系统内部总线(24)发送到聚焦超声驱动电路(6);并在此先经聚焦超声功放电路(22)放大到足够功率，后经聚焦超声匹配电路(23)进行阻抗转换后激发超声换能器。
6.根据权利要求4所述的一种相控阵高强度聚焦超声消融系统，其特征在于:所述的聚焦超声控制电路(7)包括控制板ARM (25)、FPGA (26)、RS232接口(27)、USB接口(28)、键盘鼠标(29)、VGA 接口(30)、显示器(31)、RJ45 网络接口(32)、SDRAM (33)、NandFlash(34)、JTAG 调试口(35)、CAN 接口(36)、CAN 驱动器(37)、Trigger 接口(38)、LVDS 总线(39)、LVDS驱动器(40)和控制板电源(41)，其中，主控电脑(18)通过RS232接口(27)与控制板ARM (25)相连，向其发送治疗参数和指令，由其分解和分析成每个通道的发射相位和幅度，其中相位信息被发送到FPGA (26)并生成时序信号然后通过LVDS总线(39)经LVDS驱动器(40)增强传输能力后发送到系统内部总线(24)，最终发送到聚焦超声驱动电路(6);而相应的幅度信息由控制板ARM (25)直接通过CAN接口(36)经CAN驱动器(37)增强传输能力后发送到系统内部总线(24)，最终也发送到聚焦超声驱动电路(6); 所述的控制板ARM (25)通过USB接口(28)与外接的键盘鼠标(29)相连，用于人机交互操作；控制板ARM (25)通过VGA接口(30)与显示器(31)相连，用于生产调试时显示信息；控制板ARM (25)通过RJ45网络接口(32)与调试用电脑相连，用于生产调试时通过电脑操作控制板电路；控制板ARM (25)和SDRAM (33)相连，用于系统运行时存储数据；控制板ARM (25 WPNandFlash (34)相连，用于存储系统文件、控制程序等；控制板ARM (25)拥有JTAG调试口(35)，用于开发和生产时写入控制程序； 所述的FPGA (26)通过Trigger接口(38)向外输出脉冲同步信号，当发射的基准信号启动时向外输出高电平信号并维持到当前发射周期结束才恢复到低电平； 所述的控制板电源(41)为聚焦超声控制电路(7 )提供全部电源供应。
7.根据权利要求4所述的一种相控阵高强度聚焦超声消融系统，其特征在于:所述的聚焦超声驱动电路(6)包括功放板ARM (42)、CAN接口(43)、LVDS总线(44)、高精度DAC(45)、数字可调式DC-DC电源(46)、D/E类功率放大器(47)、滤波器(48)、聚焦超声匹配电路(23)、电压与电流采样电路(49)、高速ADC (50),硬件算法电路(51)和功放板电源(53)，其中，功放板ARM (42)通过CAN接口(43)接收聚焦超声控制电路(7)经系统内部总线(24)发送过来的信息，并将每个通道的发射幅度值写入高精度DAC (45)，通过其控制数字可调式DC-DC电源(46)的输出电压，进而控制D/E类功率放大器(47)的放大倍数，实现控制功率放大幅度的功能；同时经LVDS总线(44)发送过来的时序信号也接到D/E类功率放大器(47)，在此经功率放大后再通过滤波器(48)和聚焦超声匹配电路(23)加载到换能器基元(20)上发射超声波；在发射的时候电压和电流采样电路(49)采集驱动电路输出的电压和电流，经高速ADC (50)转化为数字信号，并在硬件算法电路(51)中计算出发射功率，随后将电压、电流、功率信号一并传入功放板ARM (42)中；功放板ARM(42)将采样值与预设值进行比对，如果存在延时误差，则将信息反馈发送给控制板ARM(25)由其调整，如果存在幅度误差，则直接调整高精度DAC (45)上的幅度值，同时把信息通报给控制板ARM(25)； 所述的功放板电源(53)为聚焦超声驱动电路(6)提供全部电源供应。
8.根据权利要求7所述的一种相控阵高强度聚焦超声消融系统，其特征在于:所述的D/E类功率放大器(47)与外部手动开关(52)相连，当医生或患者感觉到消融系统有异常时，可直接通过外部手动开关(52)关闭换能器的发射，作为应急保险措施。
【文档编号】A61B17/00GK203988158SQ201420335099
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】薛洪惠, 孔有年, 孔祥清 申请人:南京广慈医疗科技有限公司