聚焦超声装置及聚焦超声换能器聚焦方法与流程

1.本发明属于高强度聚焦超声治疗技术领域，具体涉及一种聚焦超声装置及聚焦超声换能器聚焦方法。


背景技术：

2.高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,hifu)技术被广泛用于治疗肝癌、乳腺癌、肾癌、骨肿瘤、子宫肌瘤等良恶性肿瘤，其利用超声的可聚焦性和穿透性，使超声在人体内的病变部位聚焦，将焦域的高能量密度机械能转换为热能，使病变组织凝固性坏死(又称超声热消融)；同时，其声通道上的超声能量较低，故可保证病变组织周围和声通道上的正常组织不受影响或受到的影响可接受。
3.目前，在应用高强度聚焦超声设备进行消融肿瘤手术过程时，通常需要根据聚焦超声换能器的几何焦距来实现体内焦域位置的定位，但是由于个体差异性和人体不同组织的差异性，导致聚焦超声换能器在每个人甚至同一个人的不同部位的几何焦距也不同，所以，如果在任何场景(任何人的任何部位)使用聚焦超声换能器时，都采用相同的几何焦距来进行焦域位置的定位，则可能导致焦域位置不准，无法确定人体组织内部实际的焦域位置。


技术实现要素：

4.本发明至少部分解决现有的聚焦超声治疗设备焦域定位不准的问题，提供一种能够进行焦域校准的聚焦超声装置及聚焦超声换能器聚焦方法。
5.解决本发明技术问题一方面所采用的技术方案是一种聚焦超声装置，包括聚焦超声换能器、连续波驱动源、脉冲信号仪及控制器，其中：
6.所述聚焦超声换能器，分别与连续波驱动源和所述脉冲信号仪连接；所述聚焦超声换能器用于在首次发射连续超声波对焦域内的组织进行消融之前，在所述脉冲信号仪的驱动下向任意正常组织的界面发射脉冲超声波，并将接收到的回波信号发送至所述脉冲信号仪；以及在所述连续波驱动源的驱动下多次发射连续超声波，以对焦域内的组织进行消融；
7.所述控制器，与所述连续波驱动源和所述脉冲信号仪连接，用于控制所述聚焦超声换能器发射所述脉冲超声波，并通过所述脉冲信号仪获取所述回波信号，根据所述回波信号确定所述聚焦超声换能器的实际焦距。
8.可选地，所述控制器根据所述回波信号确定所述几何焦点是否位于所述正常组织的界面上，若所述几何焦点位于所述正常组织的界面上，则确定当前所述聚焦超声换能器的发射表面与所述正常组织的界面之间的距离为所述实际焦距；
9.若所述几何焦点没有位于所述正常组织的界面上，所述控制器则控制所述聚焦超声换能器移动至指定位置，以使所述几何焦点位于所述正常组织的界面上，确定所述聚焦超声换能器在所述指定位置时，其发射表面与所述正常组织的界面之间的距离为所述实际
焦距。
10.可选地，所述脉冲信号仪向所述聚焦超声换能器发射多个所述脉冲信号；
11.所述控制器通过所述脉冲信号仪获取多个所述回波信号的平均幅值，并在所述平均幅值大于等于第一预设阈值时，确定所述几何焦点位于所述正常组织的界面上；
12.所述控制器若未读取到回波信号或者所述回波信号的平均幅值小于第二预设阈值，确定所述几何焦点没有位于所述正常组织的界面上。
13.可选地，还包括信号处理器，所述信号处理器设置于所述控制器与所述脉冲信号仪之间；
14.所述控制器控制所述信号处理器从所述脉冲信号仪获取所有回波信号，并对所有回波信号进行降噪、滤波及频谱分析，以提取自所述正常组织的界面反射的、与所述脉冲超声波对应的目标回波信号。
15.可选地，所述控制器若确定所述几何焦点没有位于所述正常组织的界面上，则控制所述聚焦超声换能器移动一次或多次，直至所述控制器能够读取到平均幅值大于等于所述第一预设阈值的新回波信号。
16.可选地，还包括警报器，所述警报器与所述控制器连接；
17.所述控制器确定所述几何焦点没有位于所述正常组织的界面上时，控制所述警报器发出警报。
18.可选地，还包括存储器；
19.所述存储器与所述控制器连接，用于存储多个所述回波信号，并确定和存储多个所述回波信号的平均幅值。
20.可选地，还包括阻抗匹配器，所述阻抗匹配器设置于所述聚焦超声换能器与所述脉冲信号仪之间，用于改变负载阻抗，使其与所述脉冲信号仪的阻抗相匹配，并在超声换能器的工作频率上进行调谐。
21.可选地，还包括连续波驱动源和隔离开关，所述连续波驱动源与所述脉冲信号仪并联，并均与阻抗匹配器连接；
22.所述高压隔离开关设置于所述阻抗匹配器与所述脉冲信号仪之间，以防止所述连续波驱动源的功率传输至所述脉冲信号仪。
23.解决本发明技术问题另一方面所采用的技术方案是一种聚焦超声换能器聚焦方法，包括：
24.在首次发射连续超声波对焦域内的组织进行消融之前，将所述聚焦超声换能器的几何焦点移动至任意正常组织的界面；
25.控制所述聚焦超声换能器向所述正常组织的界面发射脉冲超声波，并控制所述聚焦超声换能器将接收到的回波信号发送至脉冲信号仪；
26.通过所述脉冲信号仪获取所述回波信号，并根据所述回波信号确定所述聚焦超声换能器的实际焦距。
27.可选地，根据所述回波信号确定所述聚焦超声换能器的实际焦距，包括：
28.所述控制器根据所述回波信号确定所述几何焦点是否位于所述正常组织的界面上，若所述几何焦点位于所述正常组织的界面上，则确定当前所述聚焦超声换能器的发射表面与所述正常组织的界面之间的距离为所述实际焦距；
29.若所述几何焦点没有位于所述正常组织的界面上，所述控制器则控制所述聚焦超声换能器移动至指定位置，以使所述几何焦点位于所述正常组织的界面上，确定所述聚焦超声换能器在所述指定位置时，其发射表面与所述正常组织的界面之间的距离为所述实际焦距。
30.可选地，所述控制所述聚焦超声换能器向所述正常组织的界面发射脉冲超声波，包括：
31.控制所述脉冲信号仪向所述聚焦超声换能器发射多个脉冲信号，以多次驱动所述聚焦超声换能器向所述正常组织的界面发射脉冲超声波；
32.所述通过所述脉冲信号仪获取所述回波信号，并根据所述回波信号确定所述聚焦超声换能器的实际焦距，包括：
33.通过所述脉冲信号仪获取多个所述回波信号，且根据多个所述回波信号确定平均幅值，并根据所述平均幅值确定所述聚焦超声换能器的实际焦距。
34.可选地，所述根据所述回波信号确定所述几何焦点是否位于所述正常组织的界面上，包括：
35.若所述回波信号的平均幅值大于等于第一预设阈值，则确定所述几何焦点位于所述正常组织的界面上；
36.若未读取到回波信号或者所述回波信号的平均幅值小于第二预设阈值，则确定所述几何焦点没有位于所述正常组织的界面上，并发出重新确定所述实际焦距的警报，其中，所述第二预设阈值小于等于所述第一预设阈值。
37.可选地，所述若确定所述几何焦点没有位于所述正常组织的界面上，则通过控制所述聚焦超声换能器移动，包括：
38.若未读取到回波信号或者所述回波信号的平均幅值小于第二预设阈值，则控制所述聚焦超声换能器移动一次或多次，直至能够读取到大于等于所述第一预设阈值的新回波信号。
39.本发明具有以下有益效果：
40.本发明提供的聚焦超声装置，设置有聚焦超声换能器、连续波驱动源、脉冲信号仪及控制器，将聚焦超声换能器的几何焦点放置于待治疗个体的任意正常组织界面上，控制器可以先通过脉冲信号仪控制聚焦超声换能器向该正常组织界面发射脉冲超声波，并根据该脉冲超声波的回波信号确定聚焦超声换能器在待治疗个体的该正常组织处的实际焦距，从而能够对聚焦超声换能器在人体组织内部的实际焦域位置进行校准，实现聚焦超声换能器焦域的精准定位，继而可以向实际焦域位置的待消融组织发射连续超声波，以实现聚焦超声手术的精准治疗。
附图说明
41.图1为本发明实施例提供的一种超声换能器的结构示意图；
42.图2为本发明实施例提供的聚焦超声换能器聚焦方法的流程示意图。
具体实施方式
43.下面详细描述本申请，本申请的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同
或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
44.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
45.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”和“该”也可包括复数形式。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
46.下面结合附图以具体的实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。
47.本实施例提供一种聚焦超声装置，可以对位于其焦域内的组织(如人体组织，为便于说明，以下的组织均可以理解为人体组织进行举例说明)进行消融。在实际应用过程中，由于个体(可以理解为待治疗的人或动物)差异性和人体不同组织的差异性，聚焦超声装置的聚焦超声换能器30在每个人甚至同一个人的不同部位的几何焦距也不同，所以在采用聚焦超声装置进行治疗之前，可以先确定聚焦超声换能器30在待治疗个体的待治疗组织处的焦距，以便准确放置聚焦超声换能器30的位置，使待消融的组织能准确位于聚焦超声换能器30的焦域内，继而保证该聚焦超声装置的治疗效果。
48.如图1所示，本实施例的聚焦超声装置，包括聚焦超声换能器30、连续波驱动源40、脉冲信号仪20及控制器10，其中：
49.聚焦超声换能器30，分别与连续波驱动源40和脉冲信号仪20连接；聚焦超声换能器30用于在首次发射连续超声波对焦域内的组织进行消融之前，在脉冲信号仪20的驱动下向任意正常组织的界面70发射脉冲超声波，并将接收到的回波信号发送至脉冲信号仪20；以及在连续波驱动源40的驱动下多次发射连续超声波，以对焦域内的组织进行消融。
50.其中，脉冲信号仪20向聚焦超声换能器30发射脉冲信号，每个脉冲信号驱动聚焦超声换能器30向其焦域发射许多个脉冲超声波，该许多个脉冲超声波经焦域内及焦域外的组织反射的许多个回波达到聚焦超声换能器30的表面后被聚焦超声换能器30叠加接收，并以回波信号的方式传递给脉冲信号仪20。
51.控制器10，与连续波驱动源40和脉冲信号仪20连接，用于控制聚焦超声换能器30发射脉冲超声波，并通过脉冲信号仪20获取回波信号，根据回波信号确定聚焦超声换能器30的实际焦距。
52.本实施例提供的聚焦超声装置，设置有聚焦超声换能器30、连续波驱动源40、脉冲信号仪20及控制器10，将聚焦超声换能器30的几何焦点放置于待治疗个体的任意正常组织界面上，控制器10可以先通过脉冲信号仪20控制聚焦超声换能器30向该正常组织界面发射脉冲超声波，并根据该脉冲超声波的回波信号确定聚焦超声换能器30在待治疗个体的该正
常组织处的实际焦距，从而能够对聚焦超声换能器30在人体组织内部的实际焦域位置进行校准，实现聚焦超声换能器30焦域的精准定位，继而可以向实际焦域位置的待消融组织发射连续超声波，以实现聚焦超声手术的精准治疗。
53.需要说明的是，本实施例对聚焦超声换能器30、连续波驱动源40、脉冲信号仪20及控制器10的具体结构均不作具体限定，只要其能使该聚焦超声装置实现上述消融，并能够对焦聚焦超声换能器30进行焦距校准即可。其中，控制器10具体可以是一台具有数据处理和图形分析等处理功能的上位机。
54.具体地，在实际应用过程中，可以通过b超找到上述任意正常组织的界面70，然后再移动聚焦超声换能器30，使其几何焦点位于该正常组织的界面70。其中，该b超可以是独立于聚焦超声换能器30外的设备，也可以集成在聚焦超声换能器30上，本实施例对此不作具体限定。
55.于一具体实施方式中，控制器10根据回波信号确定几何焦点是否位于正常组织的界面70上，若几何焦点位于正常组织的界面70上，则根据当前聚焦超声换能器30的发射表面与正常组织的界面70之间的距离确定实际焦距；若几何焦点没有位于正常组织的界面70上，控制器10则控制聚焦超声换能器30移动至指定位置，以使几何焦点位于正常组织的界面70上，则根据聚焦超声换能器30在指定位置时，其发射表面与正常组织的界面70之间的距离确定实际焦距。
56.在本实施例中，聚焦超声换能器30的发射表面通常是球面，其面上各点距离几何焦点的位置是一致的，当几何焦点位于正常组织的界面70上时，则可以根据聚焦超声换能器30的发射表面与正常组织的界面70之间的距离确定聚焦超声换能器30的实际焦距，在移动聚焦超声换能器30时，可以在上下左右等多个方向任意移动，本实施例对此不作具体限定。
57.于一具体实施方式中，脉冲信号仪20向聚焦超声换能器30发射多个脉冲信号；控制器10通过脉冲信号仪20获取多个回波信号的平均幅值，并在平均幅值大于等于第一预设阈值时，确定几何焦点位于正常组织的界面70上；控制器10若未读取到回波信号或者回波信号的平均幅值小于第二预设阈值，确定几何焦点没有位于正常组织的界面70上，其中，第二预设阈值小于等于第一预设阈值。
58.在本实施例中，多个脉冲信号可以但不限于是2个～4个，可以提高该装置对回波信号探测的准确性，提高对几何焦点是否位于正常组织的界面70上的判定准确性，避免由于信号衰减，致使回波信号幅值较小，不易探测到，而导致的判定失误等情况。其中，回波信号的幅值可以数字或图形的方式呈现在控制器10的显示界面上，以便医生比较直观地看到回波信号的幅值的大小，也便于对该聚焦超声装置的判定结果进行验证和评估。另外，第二预设阈值可以等于第一预设阈值，也可以小于第一预设阈值，若第二预设阈值小于第一预设阈值，而探测的平均幅值大于第二预设阈值且小于第一预设阈值时，相对误差较小，既可以判定为几何焦点位于正常组织的界面70上，也可以判定为几何焦点没有位于正常组织的界面70上，医生可根据具体情况具体分析判定。
59.需要说明的是，本实施例并不以回波信号的幅值为限，也可以通过回波信号的能量值或其它指标的波动状态确定回波信号的变化规律。
60.更具体地，该聚焦超声装置还包括信号处理器(图中未示出)，信号处理器设置于
控制器10与脉冲信号仪20之间；控制器10控制信号处理器从脉冲信号仪20获取所有回波信号，并根据正常组织的界面70对脉冲超声波传播的特性，如反射率较大，能量衰减较少等，对所有回波信号进行降噪、滤波及频谱分析，以提取自正常组织的界面70反射的、与脉冲超声波对应的目标回波信号。需要说明的是，本实施例并不对信号处理器的具体结构进行限定，只要其能实现上述信号处理的作用即可。
61.于一具体实施方式中，控制器10若确定几何焦点没有位于正常组织的界面70上，则可以控制聚焦超声换能器30移动一次或多次，直至控制器10能够读取到平均幅值大于等于第一预设阈值的新回波信号。在本实施例中，可以移动一次聚焦超声换能器30进行一次脉冲信号探测，待探测结果出来后，若仍需要重新确定实际焦距，则再次移动聚焦超声换能器30并进行脉冲信号探测，如此反复，直到控制器10能够读取到平均幅值大于等于第一预设阈值的新回波信号，具体地，在移动聚焦超声换能器30时，可以在上下左右等多个方向任意移动，本实施例对此不作具体限定。
62.进一步地，该聚焦超声装置还包括警报器(图中未示出)，警报器与控制器10连接；控制器10确定几何焦点没有位于正常组织的界面70上时，控制警报器发出警报。通过设置警报器，可以在需要进行重置确定实际焦距时，及时、直观地提醒医生，便于医生对实际焦距的位置进行及时有效地判定和校准。需要说明的是，本实施例并不对警报器的具体结构进行限定，只要其能实现上述发出警报的作用即可。
63.于一具体实施方式中，还包括存储器(图中未示出)；存储器与控制器10连接，用于存储多个回波信号，并确定和存储多个回波信号的平均幅值。如此，便于将多个回波信号的平均幅值进行缓存，以便信号处理器对所有回波信号进行处理，防止将信号处理器来不及处理的回波信号丢失掉，也便于对历史数据进行查询和追溯。
64.于一具体实施方式中，还包括阻抗匹配器50，阻抗匹配器50设置于聚焦超声换能器30与脉冲信号仪20之间，用于改变负载阻抗，使其与脉冲信号仪20的阻抗相匹配，并在超声换能器的工作频率上进行调谐，以使连续波驱动源40及脉冲信号仪20能够驱动聚焦超声换能器30发射相应的超声波。
65.于一具体实施方式中，还包括连续波驱动源40和隔离开关60，连续波驱动源40与脉冲信号仪20并联，并均与阻抗匹配器50连接；如此，连续波驱动源40发射连续波信号时，其一部分功率传输至阻抗匹配器50，还有一部分功率会向脉冲信号仪20传输，为了防止该部分功率传输至脉冲信号仪20(以免连续波驱动源40的高功率将脉冲信号仪20烧坏)，可以在连续波驱动源40与脉冲信号仪20之间设置高压隔离开关60，以防止连续波驱动源40的功率传输至脉冲信号仪20。
66.基于相同的发明构思，本实施例还提供一种聚焦超声换能器30聚焦方法，应用于上述聚焦超声装置，如图2所示，为该聚焦超声装置控制方法的流程图，该方法可以包括以下步骤：
67.步骤s1，在首次发射连续超声波对焦域内的组织进行消融之前，将聚焦超声换能器30的几何焦点移动至任意正常组织的界面70。
68.其中，首次发射连续超声波可以理解为该次消融手术的首次发射连续超声波，即在使用该聚焦超声换能器30进行消融手术之前可以先对其焦距进行校准。校准时，具体可以先借助b超找到上述任意正常组织的界面70，然后可以通过控制器10控制聚焦超声换能
器30移动(也可以人工手动操作)，使其几何焦点位于该正常组织的界面70。其中，该b超可以是独立于聚焦超声换能器30外的设备，也可以集成在聚焦超声换能器30上，本实施例对此不作具体限定。
69.步骤s2，控制聚焦超声换能器30向正常组织的界面70发射脉冲超声波，并控制聚焦超声换能器30将接收到的回波信号发送至脉冲信号仪20。
70.步骤s3，通过脉冲信号仪20获取回波信号，并根据回波信号确定聚焦超声换能器30的实际焦距。
71.在本实施例中，控制器10可以控制脉冲信号仪20向聚焦超声换能器30发射脉冲信号，以驱动聚焦超声换能器30向正常组织的界面70发射脉冲超声波，所有脉冲超声波经正常组织的界面70反射后的回波信号在聚焦超声换能器30的表面被叠加接收。然后，控制器10可以控制聚焦超声换能器30将接收到的回波信号发送至脉冲信号仪20。然后，控制器10可以通过脉冲信号仪20获取回波信号，并根据回波信号确定聚焦超声换能器30的实际焦距。
72.具体地，脉冲信号仪20可以向聚焦超声换能器30发射多个脉冲信号，以多次驱动聚焦超声换能器30向正常组织的界面70发射脉冲超声波，聚焦超声换能器30便能多次接收到回波信号，控制器10通过脉冲信号仪20也能获取多个回波信号，且可以根据多个回波信号确定平均幅值，并根据平均幅值确定聚焦超声换能器30的实际焦距。
73.于一具体实施方式中，根据回波信号确定聚焦超声换能器30的实际焦距，包括：
74.控制器10根据回波信号确定几何焦点是否位于正常组织的界面70上，若几何焦点位于正常组织的界面70上，则确定当前聚焦超声换能器30的发射表面与正常组织的界面70之间的距离为实际焦距；
75.若几何焦点没有位于正常组织的界面70上，控制器10则控制聚焦超声换能器30移动至指定位置，以使几何焦点位于正常组织的界面70上，确定聚焦超声换能器30在指定位置时，其发射表面与正常组织的界面70之间的距离为实际焦距。
76.于一具体实施方式中，根据回波信号确定几何焦点是否位于正常组织的界面70上，包括：
77.若回波信号的平均幅值大于等于第一预设阈值，则确定几何焦点位于正常组织的界面70上；
78.若未读取到回波信号或者回波信号的平均幅值小于第二预设阈值，则确定几何焦点没有位于正常组织的界面70上，并发出重新确定几何焦点的警报，其中，第二预设阈值小于等于第一预设阈值。
79.于一具体实施方式中，若确定几何焦点没有位于正常组织的界面70上，则通过控制聚焦超声换能器30移动，包括：
80.若未读取到回波信号或者回波信号的平均幅值小于第二预设阈值，则控制聚焦超声换能器30移动一次或多次，直至能够读取到大于等于第一预设阈值的新回波信号。
81.上述方法实施例中的具体实施过程可参照装置实施例，在此不再赘述。
82.通过该聚焦超声装置控制方法至少可以实现以下有益效果：
83.本实施例提供的聚焦超声方法，通过将聚焦超声换能器30的几何焦点放置于待治疗个体的任意正常组织界面上，然后通过脉冲信号仪20控制聚焦超声换能器30向该正常组
织界面发射脉冲超声波，并根据该脉冲超声波的回波信号确定聚焦超声换能器30在待治疗个体的该正常组织处的实际焦距，从而能够对聚焦超声换能器30在人体组织内部的实际焦域位置进行校准，实现聚焦超声换能器30焦域的精准定位，继而可以向实际焦域位置的待消融组织发射连续超声波，以实现聚焦超声手术的精准治疗。
84.在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
85.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
86.在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
87.在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
88.以上仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。