一种自主识别最佳入射路径相控阵超声面罩及其控制方法与流程

本发明涉及一种自主识别最佳入射路径相控阵超声面罩及其控制方法，属于柔性超声。

背景技术：

1、超声波疗法的使用范围日益广泛，已远远超过理疗原来的一般疗法。同时随着现代科学技术的进步，超声波不仅用于治疗，还已广泛用于诊断、基础及实验医学、医疗美容等。超声波可使细胞膜通透性加强，利用超声波的机械作用和热效应，改变组织的物理性质，以提高药物在体内的传输效率。通过穿透增强、渗透增强、剂量减少和疗效提高等效应。它为医学领域的药物递送提供了一种有效的手段，可以提高治疗效果并减轻患者的负担。

2、当前常规使用的超声换能器通常是由压电陶瓷和铝合金透镜构成的刚性表面，使用时需要在铝合金声透前涂抹耦合剂或药棉，在遇到不平整的皮肤时（例如：面部皮肤），超声换能器难以完全耦合既而降低药物渗透效率和治疗效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种自主识别最佳入射路径相控阵超声面罩及其控制方法，其在遇到面部不平整的皮肤时也可完全耦合；该超声面罩由数十个单独控制的子阵元组成，每个阵元可独立自主识别最佳超声入射路径；同时，每个子阵元可独立检测超声路径上的皮肤声阻抗和超声耦合情况，并针对不同声阻抗条件进行能量补偿，保证不同个体以及同一个体不同位置的治疗效果一致。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种自主识别最佳入射路径相控阵超声面罩，其所述超声面罩包括内层面罩外壳、外层面罩外壳、柔性水囊、超声换能器和角度执行机构，

4、所述内层面罩外壳和外层面罩外壳上开有孔位，分别是眼、口、鼻通气孔和换能器安装孔位，并且内层面罩外壳和外层面罩外壳之间形成夹层空间用于安装角度执行机构；

5、所述柔性水囊与内层面罩外壳对应位置同样开有眼、口、鼻通气孔，并且其与内层面罩外壳之间通过胶连密封形成封闭空间，柔性水囊内充满耦合介质用于传导超声能量；

6、所述超声换能器用于发射超声和接收超声能量，超声换能器安装在角度执行机构的前端，并且其整体位于换能器安装孔位上；

7、所述角度执行机构用于带动换能器沿横向角度偏转和沿纵向角度偏转，实现换能器独立在x、y两个方向调整偏转角度。

8、进一步的，所述柔性水囊由硅胶或橡胶柔性材料制成，其厚度为超声波波长的四分之一的奇数倍。

9、进一步的，所述角度执行机构包括两个步进电机、两个蜗杆、两个涡轮件和涡轮机构壳体，其中，x轴步进电机的转动轴安装于x轴蜗杆的轴套上并带动x轴蜗杆绕轴线转动，x轴蜗杆转动带动x轴蜗轮件实现角度偏移，所述超声换能器固定在位于最外层的x轴蜗轮件上，x轴蜗轮件角度偏移带动超声换能器一起偏移；

10、y轴步进电机的转动轴安装于y轴蜗杆的轴套上并带动y轴蜗杆绕轴线转动，y轴蜗杆转动带动y轴蜗轮件实现角度偏移，所述y轴蜗轮件与用于安装x轴蜗杆和x轴蜗轮件的机构壳体固定连接或集成为一体，y轴蜗轮件角度偏移进而带动x轴蜗轮件上超声换能器一起偏移。

11、一种自主识别最佳入射路径相控阵超声面罩的控制方法，其包括以下步骤：

12、s1：相控阵超声面罩的所有通道恢复到初始位置，将超声面罩的超声辐射面对准标准测试装置，测试每个通道阵元的最大全反射超声能量poriginal,n，并记录在超声面罩内部存储单元；poriginal,n的表达式如下：

13、<msub><mi>p</mi><mi>original,n</mi></msub><mi>=[</mi><msub><mi>p</mi><mi>original,1</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>original,2</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>original,3</mi></msub><mi>;</mi><mi>…</mi><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>original,n</mi></msub><mi>]</mi>

14、其中，n为相控阵超声面罩中超声换能器阵元的数目；

15、s2：在用户每次使用前执行一次自检功能来判定每个通道是否正常工作，若存在工作异常的通道，则关闭该通道；

16、s3：将超声面罩的柔性水囊和负载皮肤之间进行耦合；

17、s4：每个通道阵元按给定步距进行x轴方向扫描，并记录扫描过程中每个角度位置的超声能量返回值pxm，然后每个通道的x轴方向角度执行机构回到pxm中最大值max(pxm)对应的角度位置；pxm的表达式如下：

18、<msub><mi>p</mi><mi>xm</mi></msub><mi>=[</mi><msub><mi>p</mi><mi>x1</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>x2</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>x3</mi></msub><mi>;</mi><mi>…</mi><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>xm</mi></msub><mi>]</mi>

19、其中，m为x轴方向角度执行机构按照角度步进扫描的总点数；

20、s5：每个通道阵元按给定步距进行y轴方向扫描，并记录扫描过程中每个角度位置的超声能量返回值pym，然后每个通道的y轴方向角度执行机构回到pym中最大值max(pym)对应的角度位置；pym的表达式如下：

21、<msub><mi>p</mi><mi>ym</mi></msub><mi>=[</mi><msub><mi>p</mi><mi>y1</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>y2</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>y3</mi></msub><mi>;</mi><mi>…</mi><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>ym</mi></msub><mi>]</mi>

22、其中，m为y轴方向角度执行机构按照角度步进扫描的总点数；

23、s6：当前位置即是最佳超声入射路径，每个通道阵元在此状态下记录返回的超声能量py,n和延时tskin,n；表达式如下：

24、<msub><mi>p</mi><mi>y,n</mi></msub><mi>=[</mi><msub><mi>p</mi><mi>y,1</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>y,2</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>y,3</mi></msub><mi>;</mi><mi>…</mi><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>y,n</mi></msub><mi>]</mi>

25、<msub><mi>t</mi><mi>skin,n</mi></msub><mi>=[</mi><msub><mi>t</mi><mi>skin,1</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>t</mi><mi>skin,2</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>t</mi><mi>skin,3</mi></msub><mi>;</mi><mi>…</mi><mi>;</mi><msub><mi>t</mi><mi>skin,n</mi></msub><mi>]</mi>

26、其中，每个通道的py为对应通道y轴扫描的超声返回能量最大值，即py=max(pym)；n为相控阵超声面罩中超声换能器阵元的数目；

27、s7：计算每个通道在带载情况下的超声能量返回值pskin,n并结合空载情况下的超声能量返回值pair,n和水的声阻抗值zwater，计算每个通道所对应的超声辐射路径的皮肤声阻抗值zskin,n；

28、s8：通过判定每个通道所对应的超声路径皮肤声阻抗zskin,n是否超过阈值范围来检测超声面罩与皮肤的耦合度；

29、s9：根据每个通道所对应的超声路径皮肤声阻抗zskin,n分别对每个通道超声辐射能量进行补偿，保证每个通道穿透过皮肤的超声能量相同；

30、s10：根据每个通道所对应的超声返回能量延时tskin,n分别对每个通道超声辐射时间进行补偿，保证每个通道超声辐射到达皮肤表面的时间相同。

31、进一步的，所述步骤s2中，相控阵超声面罩自检步骤如下：

32、s201：首先向超声面罩水囊内部充满介质水并检测介质水的温度，根据当前介质水温度给出对应的声速cwater；

33、s202：每个通道阵元按给定步距进行x轴方向扫描，并记录扫描过程中每个角度位置的超声能量返回值pxm，然后每个通道的x轴方向角度执行机构回到pxm中最大值max(pxm)对应的角度位置；pxm的表达式如下：

34、<msub><mi>p</mi><mi>xm</mi></msub><mi>=[</mi><msub><mi>p</mi><mi>x1</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>x2</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>x3</mi></msub><mi>;</mi><mi>…</mi><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>xm</mi></msub><mi>]</mi>

35、其中，m为x轴方向角度执行机构按照角度步进扫描的总点数；

36、s203：每个通道阵元按给定步距进行y轴方向扫描，并记录扫描过程中每个角度位置的超声能量返回值pym，然后每个通道的y轴方向角度执行机构回到pym中最大值max(pym)对应的角度位置；pym的表达式如下：

37、<msub><mi>p</mi><mi>ym</mi></msub><mi>=[</mi><msub><mi>p</mi><mi>y1</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>y2</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>y3</mi></msub><mi>;</mi><mi>…</mi><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>ym</mi></msub><mi>]</mi>

38、其中，m为y轴方向角度执行机构按照角度步进扫描的总点数；

39、s204：每个通道阵元在此状态下记录返回的超声能量py,n和延时 tair,n；

40、s205：计算每个通道在空负载情况下的超声能量返回值pair,n，并与全反射超声能量poriginal,n对比判定每个通道阵元是否工作正常；

41、s206：每个通道在空负载情况下的超声能量返回值pair,n与全反射超声能量poriginal,n比值记作pratio,n，若pratio,n小于设定阈值，则该通道为非正常工作，此通道关闭不辐射超声能量并提示该通道异常。

42、更进一步的，空负载情况下的超声能量返回值pair,n的表达式和计算公式如下：

43、<msub><mi>p</mi><mi>air,n</mi></msub><mi>=[</mi><msub><mi>p</mi><mi>air,1</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>air,2</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>air,3</mi></msub><mi>;</mi><mi>…</mi><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>air,n</mi></msub><mi>]</mi>

44、

45、其中，n为相控阵超声面罩中超声换能器阵元的数目；py,n为每个通道y轴扫描的超声返回能量最大值；attnair,n为超声能量在空气中的衰减，由于介质水和空气界面为强反射截面，attnair,n忽略不计； attnmembrane为超声辐射路径中水囊的衰减，attn0water,n为超声辐射路径中介质水的衰减，计算公式如下：

46、

47、

48、其中，n为相控阵超声面罩中超声换能器阵元的数目；fc为相控阵超声面罩中超声换能器中心频率；αmembrane为硅胶水囊的衰减系数；dmembrane为硅胶水囊的厚度；αwater为介质水的衰减系数；d0water,n为每个通道在介质水中发射到接收的声程，计算公式如下：

49、

50、其中，n为相控阵超声面罩中超声换能器阵元的数目；tair,n为每个通道在介质水中发射到接收的时间；cwater为当前介质水对应的声速。

51、进一步的，所述步骤s7中，带载情况下的超声能量返回值pskin,n的表达式和计算公式如下：

52、<msub><mi>p</mi><mi>skin,n</mi></msub><mi>=[</mi><msub><mi>p</mi><mi>skin,1</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>skin,2</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>skin,3</mi></msub><mi>;</mi><mi>…</mi><mi>;</mi><msub><mi>p</mi><mi>skin,n</mi></msub><mi>]</mi>

53、

54、其中，n为相控阵超声面罩中超声换能器阵元的数目；py,n为每个通道y轴扫描的超声返回能量最大值； attnmembrane为超声辐射路径中水囊的衰减，attn1water,n为超声辐射路径中介质水的衰减，计算公式如下：

55、

56、

57、其中，n为相控阵超声面罩中超声换能器阵元的数目；fc为相控阵超声面罩中超声换能器中心频率；αmembrane为硅胶水囊的衰减系数；dmembrane为硅胶水囊的厚度；αwater为介质水的衰减系数；d1water,n为每个通道在介质水中发射到接收的声程，计算公式如下：

58、

59、其中，n为相控阵超声面罩中超声换能器阵元的数目；tskin,n为每个通道在介质水中发射到接收的时间；cwater为当前介质水对应的声速。

60、进一步的，每个通道所对应的超声辐射路径的皮肤声阻抗值zskin,n，表达式和计算公式如下：

61、<msub><mi>z</mi><mi>skin,n</mi></msub><mi>=[</mi><msub><mi>z</mi><mi>skin,1</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>z</mi><mi>skin,2</mi></msub><mi>;</mi><msub><mi>z</mi><mi>skin,3</mi></msub><mi>;</mi><mi>…</mi><mi>;</mi><msub><mi>z</mi><mi>skin,n</mi></msub><mi>]</mi>

62、

63、其中，n为相控阵超声面罩中超声换能器阵元的数目；pskin,n为每个通道在带载情况下的超声能量返回值；zwater=ρwater*cwater为超声辐射路径中水的声阻抗值，其中ρwater和cwater分别为介质水的密度和声速；tskin,n为每个通道到达皮肤表面总的超声入射能量，计算公式如下：

64、

65、其中，pair,n为空载情况下的超声能量返回值；attnmembrane为超声辐射路径中水囊的衰减，attn1water,n为超声辐射路径中介质水的衰减。

66、进一步的，所述步骤s9中，将每个通道穿透过皮肤的超声能量比例记作tratio,n，计算公式如下：

67、

68、其中，n为相控阵超声面罩中超声换能器阵元的数目；zskin,n为每个通道所对应的超声路径皮肤声阻抗；zwater为超声辐射路径中水的声阻抗值；

69、为保证穿透过皮肤表面的能量相同，每个发射通道超声能量乘以能量补偿的比例φn，φn计算公式如下：

70、

71、其中，n为相控阵超声面罩中超声换能器阵元的数目。

72、进一步的，所述步骤s10中，将每个通道超声能量发射的延时记作δtskin,n，计算公式如下：

73、

74、其中，n为相控阵超声面罩中超声换能器阵元的数目。

75、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

76、（1）相控阵超声面罩的辐射面采用面具形式在一定程度上与面部轮廓适应有助于换能器与负载进行耦合，进一步的耦合方式采用柔性水囊，水囊的可任意变形最终确保超声辐射路径可以完全耦合。

77、（2）超声面罩由数十个单独控制的子阵元成随机分布或规则排布组成，每个阵元可以独立控制发射延时和超声能量，使换能器具有精准调控的能力。

78、（3）超声面罩每个阵元有独立的角度偏转执行机构，可以在x、y两个方向（相互垂直）调整偏转角度，但不限制于两个方向。超声面罩水囊充满介质水且水囊外有负载下，通过判定超声返回能量调整每个独立阵元的入射角度，从而自主确定每个阵元的最佳超声入射路径，保证超声能量的透射率最大化。

79、（4）超声面罩每个阵元有独立的自检功能，水囊充满介质水且水囊外为空负载下，通过判定超声返回能量确定每个阵元是否正常工作，确保每个通道都可进行有效的治疗，同时保证了机器的安全性问题。

80、（5）超声面罩的每个通道在最佳入射路径下，通过判断每个通道的超声能量返回值可以测定每个通道所对的超声辐射路径的皮肤声阻抗，可以对每个通道进行能量补偿，保证每个通道的同等治疗深度下能量相同、治疗效果一致。

81、（6）超声面罩的每个通道在最佳入射路径下，通过判断每个通道的超声能量返回值可以测定每个通道到负载的距离，通过调整每个通道发射延时可以保证所有通道同时到达治疗指定深度。

82、（7）超声面罩的每个通道在最佳入射路径下，通过判断每个通道的超声能量返回值可以检测每个通道对应的水囊和负载的耦合情况，不完全耦合该通道则不辐射超声能量。