一种基于双换能器的高特异性肌肉超声聚焦系统和方法

本发明涉及超声聚焦领域，尤其涉及一种基于双换能器的高特异性肌肉超声聚焦系统和方法。

背景技术：

1、聚焦超声在医疗领域作为一种新型的治疗手段，通过将超声波束的能量汇聚于小范围空间中，深入组织，通过热效应和空化效应等机制与生物组织相互作用。在神经调控方面，lifu(low-intensity focused ultrasound，低强度聚焦超声)被证明可以激发或抑制生物组织的某些生物学效应，在此原理上使用lifu作用于肌肉、脑部，对人体的中枢、外周神经系统进行调控，从而有望实现对癫痫、抑郁症、焦虑症等疾病的治疗，具有巨大的潜力；在肿瘤治疗等外科手术方面，通过使用hifu(high-intensity focused ultrasound，高强度聚焦超声)作用于特定病灶组织，在不对周围组织产生影响的同时使病灶组织受热消融，可达到手术治疗的目的；在医学美容方面，利用hifu的热效应与机械效应破坏脂肪细胞，可以起到溶脂塑性的作用，此外，也有学者在人体面部、颈部等部位的真皮层、皮下脂肪组织使用微聚焦超声技术，使组织中的胶原纤维产生形变，起到改善皱纹、紧致皮肤的效果。

2、其中，超声刺激作为一种新型的神经调控技术，其往往采用聚焦超声，将声波能量集中作用于生物神经的单个点上，刺激该处组织使其产生有关的生物物理效应。相对于传统的电刺激、磁刺激等神经调控技术而言，聚焦超声刺激作用靶点准确，在靶点以外声场能量低，可以减少对于非目标区域的作用和损伤，且具有非侵入性、穿透性强、空间分辨率高等优点。

3、目前，聚焦超声的声波发生主要使用超声聚焦换能器。超声聚焦换能器工作原理为通过压电材料(压电陶瓷等)的逆压电效应，将电信号转换为机械振动，从而产生声波，并通过声透镜或自聚焦原理实现声波的聚焦。在聚焦超声中，根据现行标准gb/t19890-2005中，焦域定义如下，比时间平均最大声强低-3db(或-6db)的所有声场点构成的封闭界面包围的空间。

4、目前在医疗领域普遍采用的超声聚焦方案，产生声波主要采用的方法包括使用单个单晶片聚焦换能器与单个相控阵换能器。单个单晶片聚焦换能器机械结构简单，焦点固定，控制较为简单，但其焦域在轴向长度较长，在超声聚焦中容易对除目标区域外其他区域产生影响，难以实现精准的作用，虽然提高换能器的频率会使焦域的尺寸减小，但是也仅对侧向有效，轴向尺寸无明显改善；单个相控阵换能器可以通过电路控制来实现多元组合换能器的动态聚焦，具有焦点可调，无需机械移动等优点，但是若需要控制焦域保持在较小尺寸，体积则难以小型化，且价格昂贵。于各种聚焦超声的使用场景，如使用超声对人体肌肉进行刺激，要求超声在靶点上精确产生作用，且尽量避免对周围正常组织的损伤，而常规的超声聚焦方法难以在较低频率下仍然保证较高的空间分辨率，实现高特异性的作用效果。对于已有的超声双探头刺激方案，其主要面向经颅刺激，超声能量较低，不适用于人体肌肉刺激需要，且无法灵活调节两个换能器在轴线方向上的距离，实现对焦域形状的控制。

5、因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于双换能器的高特异性肌肉超声聚焦系统和方法，可以对换能器的夹角、相位、轴线距离等多个参数进行调节，能够使焦域呈现多种不同形状，满足不同效果的聚焦需要。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种更准确作用于肌肉组织或外周神经，实现较高轴向分辨率的肌肉超声聚焦系统。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于双换能器的高特异性肌肉超声聚焦系统，包括信号发生模块、两台功率放大器、两个超声换能器；信号发生模块产生具有相位差的双通道信号，经过功率放大器放大，以不同相位、功率输入到两个超声换能器中，产生两束超声波束。

3、进一步地，功率放大器的增益倍数数控可调，能够控制输出功率大小。

4、进一步地，信号发生模块具备双通道信号输出功能，能够独立调节每个通道信号相位。

5、进一步地，所述超声换能器包括单阵元换能器和/或相控阵换能器。。

6、进一步地，超声波束的幅值、相位分别通过功率放大器增益倍数调节与信号发生模块相位调节进行改变；通过改变两个超声换能器之间的夹角使两束超声波束产生不同的叠加效果，实现对于焦域形状、焦域尺寸和焦瓣数量的控制。

7、本发明还提供了一种基于双换能器的高特异性肌肉超声聚焦方法，包括以下步骤：

8、步骤1、通过物理定位，初步确定靶点位置；

9、步骤2、由信号发生模块产生具有相位差的双通道信号，经过功率放大器放大，以不同相位、功率输入到两个超声换能器中，使其产生两束超声波束；

10、步骤3、调节两个超声换能器距靶点距离l1、l2，控制两个超声换能器在靶点处超声波束能量强度，同时通过功率放大器进一步调节超声波束能量强度；

11、步骤4、调节两个超声换能器之间的夹角和信号发生模块中的相位差控制焦域形状、焦域尺寸和焦瓣数量，从而在不改变超声换能器性能与构造的前提下对聚焦超声的分辨率进行优化与调整。

12、进一步地，焦域尺寸包括轴向焦长、横向焦长。

13、在本发明的一个实施例中，换能器为单阵元换能器时，调整换能器的夹角角度，共聚焦焦点发生移动。

14、在本发明的另一个实施例中，超声换能器为相控阵换能器时，当共聚焦焦点需要偏移时，两个超声换能器之间夹角角度从θ1调整为θ2，使焦点位置横向移动δx、轴向移动δy，通过设置两个超声换能器聚焦轴线偏角α、β(α、β均为小于的锐角)，实现共聚焦焦点移动，公式如下：

15、

16、本发明提供的基于双换能器的高特异性肌肉超声聚焦通过选择不同的换能器，可以对聚焦实现不同程度的调节效果，采用相控阵换能器在探头定位后仍能改变焦点位置，可进一步进行校准，对装置定位误差留有更多的裕量。

17、进一步地，调整后得到两个超声换能器距靶点距离l1'与l2'，公式如下：

18、

19、与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明中，两束超声波束焦域相互交叉时，在交叉处相互叠加产生新的焦域，新焦域尺寸相较于单个换能器产生的焦域有明显缩小，从而极大程度提高聚焦超声的空间分辨率。同时，由于采用双换能器叠加产生聚焦超声，焦域由两个超声波束的焦域叠加产生，与使用单个换能器进行超声聚焦的方案相比，在焦点处产生相同最大声压情况下，两个换能器分别产生的超声波束能量均小于单换能器方案，且聚焦效果更为明显，声场能量集中在空间尺寸更小的焦域处，而在焦域以外的区域，声场能量相对于单换能器方案更低，对生物组织刺激作用更弱，更不易产生干扰。

20、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

技术特征：

1.一种基于双换能器的高特异性肌肉超声聚焦系统，其特征在于，包括信号发生模块、两台功率放大器、两个超声换能器；所述信号发生模块产生具有相位差的双通道信号，经过所述功率放大器放大，以不同相位、功率输入到两个超声换能器中，产生两束超声波束。

2.如权利要求1所述的基于双换能器的高特异性超声聚焦系统，其特征在于，所述功率放大器的增益倍数数控可调，能够控制输出功率大小。

3.如权利要求1所述的基于双换能器的高特异性肌肉超声聚焦系统，其特征在于，所述信号发生模块具备双通道信号输出功能，能够独立调节每个通道信号相位。

4.如权利要求1所述的基于双换能器的高特异性肌肉超声聚焦系统，其特征在于，所述超声换能器包括单阵元换能器和/或相控阵换能器。

5.如权利要求1所述的基于双换能器的高特异性肌肉超声聚焦系统，其特征在于，所述超声波束的幅值、相位分别通过功率放大器增益倍数调节与信号发生模块相位调节进行改变；通过改变两个超声换能器之间的夹角使两束超声波束产生不同的叠加效果，实现对于焦域形状、焦域尺寸和焦瓣数量的控制。

6.一种基于双换能器的高特异性肌肉超声聚焦方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的基于双换能器的高特异性肌肉超声聚焦方法，其特征在于，所述焦域尺寸包括轴向焦长、横向焦长。

8.如权利要求6所述的基于双换能器的高特异性肌肉超声聚焦方法，其特征在于，所述换能器为单阵元换能器时，调整换能器的夹角角度，共聚焦焦点发生移动。

9.如权利要求6所述的基于双换能器的高特异性肌肉超声聚焦方法，其特征在于，所述换能器为相控阵换能器时，当共聚焦焦点需要偏移时，两个超声换能器之间夹角角度从θ1调整为θ2，使焦点位置横向移动δx、轴向移动δy通过设置两个超声换能器聚焦轴线偏角α、β(α、β均为小于的锐角)，实现共聚焦焦点移动，公式如下：

10.如权利要求9所述的基于双换能器的高特异性肌肉超声聚焦方法，其特征在于，调整后得到两个超声换能器距靶点距离新值l1'与l2'，公式如下：

技术总结
本发明公开了一种基于双换能器的高特异性肌肉超声聚焦系统和方法，涉及超声聚焦领域，超声聚焦系统包括信号发生模块、两台功率放大器、两个超声换能器；信号发生模块产生具有相位差的双通道信号，经过功率放大器放大，以不同相位、功率输入到两个超声换能器中，产生两束超声波束，功率放大器的增益倍数数控可调，能够控制输出功率大小，信号发生模块具备双通道信号输出功能，能够独立调节每个通道信号相位。本发明可以对换能器的夹角、相位、轴线距离等多个参数进行调节，能够使焦域呈现多种不同形状，满足不同效果的聚焦需要。

技术研发人员：刘洪海,黄旭佳,郑浩然,王小鑫,盛译萱,张宏伟,张跃
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）（哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院）
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24