专利名称：一种聚焦装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及生物医学工程领域，尤其涉及一种聚焦装置。
背景技术：
目前在高强度聚焦超声技术(high-intensityfocused ultrasound, HIFU)中主要的聚焦方式有自聚焦、声透镜聚焦以及电子相控阵列聚焦。与前两种聚焦方式不同，电子相控阵列超声治疗系统的治疗头包含多个小的换能器阵元，通过控制单个阵元激励信号的相位或时延达到声束聚焦的目的，该电子相控阵列聚焦技术代表了当前的最新技术。图I为现有技术中利用电子相控阵列聚焦技术进行聚焦的示意图。如图所示，通 过激励碗状换能器的每个阵元形成聚焦声束聚焦在靶区所在的位置，从而消蚀人体组织内的病灶即祀区。其具体实现过程为首先，由超声诊断技术(type-B ultrasonic, B超)或电子计算机 X 身寸线断层扫描技术(electronic computer X-ray tomography technique,CT)等医疗成像技术确定针对人体特定组织的靶区的位置，比如靶区为肿瘤等异物。然后根据碗状换能器每一阵元到靶区的距离计算换能器每一阵元激发信号的时延；最后碗状换能器每一阵元向靶区发出声束并同时聚焦在靶区并将靶区的特定组织消蚀。上述方法只根据碗状换能器每一阵元到靶区的距离来决定激发信号的时延。但是，人体组织是一种非均匀介质，该介质还具有粘滞吸收和非线性特征，当碗状换能器各个阵元向靶区发出声束后，声束在人体各种组织中传播时的传播速度不是相同的而是各自发生了变化，并且由于人体组织的非线性特性，声束中不同的频率成分在同一组织中具有不同的传播速度和吸收系数，从而使得各个声束发生信号波形畸变和时延改变，最终导致各个声束最后形成的聚焦区域位置发生偏移、或者聚焦区域面积增大等而不能得到最佳的聚焦效果。同时，电子相控阵列超声系统产生的焦域形状一般为纺锤形，难以和实际的靶区很好匹配。
实用新型内容本实用新型的目的是，提供一种聚焦装置。该装置利用时间反转原理能够在具有非均匀、热粘滞吸收和非线性等特征的人体组织中实现自适应的高精度聚焦，解决了现有技术中因人体组织是一种非均匀、热粘滞吸收和非线性特征的介质而导致聚焦声束聚焦在靶区的准确度不高的问题。为实现上述目的，本实用新型提供了一种聚焦装置，所述装置包括控制模块，发射模块、换能器阵列、米样模块和处理模块。控制模块用于根据靶区与换能器阵列中每一阵元的距离计算所述换能器阵列中每一阵元的原始激励数字信号的时延；还用于对第一数字信号进行时间反转并生成第二数字信号。发射模块用于利用所述第一激励信号激励所述换能器阵列中每一阵元并使得所述换能器阵列向所述靶区发出第一聚焦声束；还用于利用所述第二激励信号激励所述换能器阵列中每一阵元并使得所述换能器阵列向所述靶区发出第二聚焦声束。换能器阵列用于向所述靶区发出所述第一聚焦声束并接收所述靶区的反射声波；还用于向所述靶区发出所述第二聚焦声束。采样模块用于对所述靶区的反射声波进行采样并生成所述第一数字信号。处理模块 用于对所述原始激励数字信号进行处理并生成所述换能器阵列中每一阵元的第一激励信号；还用于对所述第二数字信号进行处理并生成所述换能器阵列中每一阵元的第二激励信号。其中，所述控制模块控制所述发射模块向所述换能器阵列发射所述第一激励信号，所述换能器阵列接收到所述第一激励信号后向所述靶区发出所述第一聚焦声束并接收所述靶区的所述反射声波，所述反射声波经所述采样模块采样后生成所述第一数字信号并发送至所述控制模块，所述控制模块对所述第一数字信号进行时间反转并生成所述第二数字信号，所述第二数字信号经所述处理模块后生成所述第二激励信号，通过所述发射模块向所述换能器阵列发射所述第二激励信号，所述换能器阵列接收到所述第二激励信号后向所述靶区发出所述第二聚焦声束。优选的，所述处理模块还用于根据所述第二数字信号确定再次激励所述换能器的每个阵元的所述第二激励信号的激励时延。优选的，所述装置还包括存储模块，用于存储所述第二数字信号。优选的，所述处理模块具体用于对所述原始激励数字信号进行数模转换和功率放大，并生成所述换能器阵列中每一阵元的第一激励信号；还具体用于对所述第二数字信号进行数模转换和功率放大，并生成所述换能器阵列中每一阵元的第二激励信号。优选的，所述处理模块中所述第一激励信号的电压幅值小于所述第二激励信号的电压幅值。因此，本实用新型公开的一种聚焦装置，该装置通过将第一次聚焦声束从靶区反射回来得到的接收信号进行时间反转后再次发出第二次聚焦声束，能够在具有非均匀、粘滞吸收和非线性等特征的人体组织中实现自适应的高精度聚焦，从而提高了利用该方法和装置进行超声治疗的准确性。
图I为现有技术中利用电子相控阵列聚焦技术进行聚焦的示意图；图2为本实用新型实施例一种聚焦系统的架构图；图3为本实用新型实施例一种聚焦方法的流程图；图4为本实用新型实施例一种聚焦方法的控制发射部分的电路图；图5为本实用新型实施例一种聚焦方法的接收处理部分的电路图；图6为本实用新型实施例中使用的人体组织模型示意图；图7为本实用新型实施例使用电子相控阵列聚焦技术进行聚焦的声压幅值图；图8为本实用新型实施例使用时间反转聚焦技术进行聚焦的声压幅值图；图9为本实用新型实施例一种聚焦装置的示意图。
具体实施方式
[0027]下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。本实用新型实施例将时间反转原理应用于HIFU系统中，克服人体组织非均匀、热粘滞吸收和非线性特征对现有HIFU系统中采用的聚焦技术带来的不利影响，以实现自适应的高精度聚焦。时间反转方法最早由法国的FINK教授引入到超声检测领域，它可以实现在不均匀介质中的声束聚焦成像。时间反转方法的基本原理是由换能器阵元组成的时间反转镜接收来自目标处的脉冲回波信号，将其转换成电信号后进行存储和时间反转处理，然后将这个时间反转信号加到换能器阵上重新激发声波，在原目标处将这些发散的声波变成会聚声波。但到目前为止，尚未见时间反转方法在人体组织这种极不均匀又具有粘滞吸收和非线性特征的介质中的应用。图2为本实用新型实施例一种聚焦系统的架构图。如图所示，本实用新型实施例 系统架构图具体由碗状的换能器阵列，控制电路，D/A功放电路(处理电路)，发射接收电路和采样电路等组成。其中碗状的换能器阵列由32-256个独立的阵元组成，各个阵元的中心频率和发射、接收的相应特性保持一致。另外，针对每一个阵元皆需要有一路独立的发射接收、D/A功放和采样电路。图3为本实用新型实施例一种聚焦方法的流程图。本实施例中以64个阵元的碗状换能器为例。其中，每个阵元的中心频率为1MHz，控制处理电路由数字信号处理(DigitalSignal Processing, DSP)和 / 或现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)和数据存储单元组成。如图所述，本实施例的具体实现步骤包括步骤301，根据靶区与换能器阵列中每一阵元的距离计算换能器阵列中每一阵元的原始激励数字信号的时延。具体地，针对人体特定组织的目标靶区(肿瘤等异物，其位置可由B超，CT等医学成像技术得到)。为了保证碗状换能器阵列中各阵元发出的声束同时到达靶区，根据靶区与换能器阵列中各阵元的距离由控制电路计算换能器阵列中各阵元原始激励数字信号的时延。也就是说，发送与靶区距离远的阵元的第一激励信号比与靶区距离近的阵元的第一激励信号在时间上要早一些，最终结果是各阵元发出的声束同时到达靶区。步骤302，根据每一阵元的原始激励数字信号的时延，对所述原始激励数字信号进行处理并生成所述换能器阵列中每一阵元的具有较低电压幅值的第一激励信号。其中，对所述原始激励数字信号进行处理具体为对原始激励数字信号进行数模转换和功率放大生成第一激励信号。步骤303，利用所述第一激励信号激励所述换能器阵列中每一阵元并使得所述换能器阵列向所述靶区发出第一聚焦声束。具体地，对原始激励数字信号进行数模转换和功率放大生成第一激励信号。其中，激励碗状换能器的每个阵元使用的第一激励信号为经过功率放大后的信号，电压幅值较低，大约40-70多伏，故第一聚焦声束的能量较小。步骤304，换能器阵列发出第一聚焦声束后，到达靶区的第一聚焦声束被反射回来，则换能器的每一阵元接收靶区反射回来的声波。具体地，第一聚焦声束到达目标靶区时，由于靶区异物组织的声学参数和人体其他正常组织之间存在着差异，将会反射声波，当反射声波到达换能器后，被换能器阵列中各阵元独立接收。步骤305，对靶区的反射声波进行采样并生成第一数字信号；当换能器阵列中各阵元独立接收靶区的反射声波后，对该反射声波进行数字采样，即对该反射声波进行模数转换，得到第一数字信号。步骤306，对第一数字信号进行时间反转并生成第二数字信号。具体地，控制处理电路将接收到换能器的各个阵元的第一数字信号进行时间反转，即先到的第一数字信号放在后面，后到的第一数字信号放在前面。如公式(I)所示。pr (T\t) = p(T\ Tfj —/)公式(I)其中，为第一数字信号，Ttl为自定义的一个比较大的常数，ftOV)为将第一数字信号进行时间反转后生成的第二数字信号。步骤307，对所述第二数字信号进行处理并生成所述换能器阵列中每一阵元的第二激励信号。其中，对所述第二数字信号进行处理具体为对第二数字信号进行数模转换和功率放大生成第二激励信号。步骤308，根据所述第二激励信号并利用第二激励信号激励所述换能器阵列中每一阵元并使得所述换能器阵列向所述靶区发出第二聚焦声束。具体地，控制处理电路控制发射电路并使其发射第二激励信号，进而再次激励碗状换能器的每个阵元重新朝目标组织的靶区位置发出精确的第二聚焦声束。其中，再次激励碗状换能器的每个阵元使用的第二激励信号为经过功率放大后的信号，电压幅值大约一百多伏，大于第一激励信号，故第二聚焦声束的能量大，聚焦在靶区后，从而消蚀位于靶区的病灶。图4为本实用新型实施例一种聚焦方法的控制发射部分的电路图。如图所示，本实用新型实施例中的控制发射功能由控制电路41、线性稳压器42、存储电路43、与上位机的通信接口 44、波形生成即数模转换DA电路45、功率放大电路46和高压电源47组成的控制发射模块完成。控制电路41可以由DSP单独实现，或由FPGA单独实现，还可以由DSP和FPGA共同实现。该控制电路41用于根据靶区与换能器阵列中每一阵元的距离计算换能器阵列中每一阵元的原始激励数字信号的时延，还用于根据接收到的信号进行时间反转后生成的第二数字信号确定再次激励换能器的每个阵元的第二激励信号的激励时序。线性稳压器42为控制电路41提供工作电压。存储电路43用来存储控制电路41需要处理的数据，包括原始激励数字信号的时延、第二数字信号等。与上位机的通信接口 44是建立控制电路41与上位机的通信。波形生成即数模转换DA电路45对控制电路41的原始激励数字信号和第二数字信号进行数模转换。功率放大电路46对波形生成即数模转换DA电路45生成的波形进行功率放大生成第一激励信号或第二激励信号。高压电源47为可控功率放大电路46供电。该控制发射部分的工作原理为控制电路41根据靶区与换能器阵列中每一阵元的距离计算激励换能器阵列中每一阵元的原始激励数字信号的时延，通过波形生成即数模转换DA电路45、可控功率放大电路46对原始激励数字信号进行数模转换和功率放大后生成第一激励信号。利用较低功率放大倍数得到电压幅值较低的第一激励信号，激励换能器阵列中每一阵元，从而使得换能器阵列向靶区方向发出能量较小的第一聚焦声束。另外，控制电路41根据接收到的反射信号进行时间反转后生成第二数字信号后。通过波形生成即数模转换DA电路45、可控功率放大电路46对第二数字信号进行数模转换和功率放大后生成第二激励信号，利用比较高的功率放大倍数得到电压幅值较大的第二激励电压，激励换能器阵列中每一阵元，从而使得换能器阵列向靶区方向发出能量较大的第二聚焦声束。图5为本实用新型实施例一种聚焦方法的接收处理部分的电路图。如图所示，本实用新型实施例中的接收处理功能由前置放大电路51、模拟开关电路52、模数转换ADC驱动电路53、模数转换ADC电路54和控制电路55组成接收处理模块完成。前置放大电路51对通过换能器的每一阵元接收靶区反射回来的声波进行放大。模拟开关电路52、模数转换ADC驱动电路53和模数转换ADC电路54用来控制选择接收换 能器的哪一路阵元的反射声波同时将该反射声波通过模数转换即数字采样生成第一数字信号。控制电路55 (即控制电路41)将所有的第一数字信号进行时间反转，生成第二数字信号。其中，控制电路55可以由DSP单独实现，或由FPGA单独实现，还可以由DSP和FPGA共同实现。该接收处理部分的工作原理为第一聚焦声束到达靶区，由于靶区异物组织的声学参数和人体其他正常组织之间存在着差异，将会反射声波，换能器阵列中各阵元独立接收靶区的反射声波后，前置放大电路51对通过换能器的每一阵元接收靶区反射回来的声波进行放大。再通过模拟开关电路52、模数转换ADC驱动电路53和模数转换ADC电路54选择并进行数字采样，从而生成第一数字信号，接着由控制电路55利用时间反转原理对所有的第一数字信号进行时间反转并生成第二数字信号。控制电路55(即控制电路41)通过波形生成即数模转换DA电路45、可控功率放大电路46对第二数字信号进行数模转换和功率放大后生成第二激励信号，利用比较高的功率放大倍数得到电压幅值较大的第二激励电压，激励换能器阵列中每一阵元，从而使得换能器阵列向靶区方向发出能量较大的第二聚焦声束。图6为本实用新型实施例中使用的人体组织模型示意图。在示意图中设置了不同的密度和声速、粘滞吸收作用及非线性作用。然后，分别使用电子相控阵列聚焦技术和时间反转聚焦技术，对目标发射聚焦声束，从而聚焦在目标即靶区所在的位置，从而得到两种聚焦技术的不同实现效果。图7为本实用新型实施例使用电子相控阵列聚焦技术进行聚焦的声压幅值图。如图所示，横坐标是距离声源轴向距离(目标点位于σ = I)，纵坐标是声压幅值。黑色虚线是理论上均匀介质的情况，红色实线是实际上非均匀、热粘滞吸收、非线性的情况。从图7中可以看出，在非均匀介质情况下，电子相控阵列直接聚焦有一些偏差。图8为本实用新型实施例使用时间反转聚焦技术进行聚焦的声压幅值图。如图所示，横坐标是距离声源轴向距离(目标点位于σ = I)，纵坐标是声压幅值。黑色虚线代表时间反转前的发射声场，红色实线代表时间反转后的反转声场。从图8中可以看出，声场在目标点处形成了精准的聚焦。将图7和图8进行对比可以看出，时间反转聚焦法比相控阵直接聚焦法，具有更精准的聚焦效果。因此，本实用新型实施例一种聚焦方法，根据靶区与换能器阵列中每一阵元的距离计算所述换能器阵列中每一阵元的原始激励数字信号的时延；对所述原始激励数字信号进行处理并生成所述换能器阵列中每一阵元的具有较低电压幅值的第一激励信号，利用所述第一激励信号激励所述换能器阵列中每一阵元并使得所述换能器阵列向所述靶区发出能量较低的第一聚焦声束；所述换能器的每一阵元接收所述靶区的反射声波；对所述靶区的反射声波进行采样并生成第一数字信号；对所述第一数字信号进行时间反转并生成第二数字信号；对所述第二数字信号进行处理并生成所述换能器阵列中每一阵元的第二激励信号；根据所述第二激励信号激励所述换能器阵列中每一阵元并使得所述换能器阵列向所述靶区发出能量较高的第二聚焦声束。故该第二聚焦声束能够在具有非均匀、粘滞吸收和非线性等特征的人体组织中实现自适应的高精度聚焦，从而提高了利用该方法进行超声治疗的准确性。图9为本实用新型实施例一种聚焦装置的示意图。如图所示，本实用新型实施例具体包括控制模块91、处理模块92、发射模块93、换能器阵列94、采样模块95和存储模块 96。控制模块91用于根据靶区与换能器阵列94中每一阵元的距离计算所述换能器阵列中每一阵元的原始激励数字信号的时延。具体地，针对人体特定组织的目标靶区(肿瘤等异物，其位置可由B超，CT等医学成像技术得到)。为了保证碗状换能器阵列中各阵元发出的声束同时到达靶区，根据靶区与换能器阵列中各阵元的距离由控制模块91计算换能器阵列94中各阵元原始激励数字信号的时延。也就是说，发送与靶区距离远的阵元的第一激励信号比与靶区距离近的阵元的第一激励信号在时间上要早一些，最终结果是各阵元发出的聚焦声束同时到达靶区。另外，控制模块91用于对所述第一数字信号进行时间反转并生成第二数字信号；具体地，控制模块将接收到换能器的各个阵元的第一数字信号进行时间反转，即先到的第一数字信号放在后面，后到的第一数字信号放在前面。如公式(I)所
/Jn ο处理模块92用于对原始激励数字信号进行处理并生成换能器94阵列中每一阵元的第一激励信号；还用于对第二数字信号进行处理并生成换能器94阵列中每一阵元的第二激励信号。其中，处理模块92具体用于对原始激励数字信号进行数模转换和功率放大，并生成换能器阵列中每一阵元的第一激励信号；还具体用于对第二数字信号进行数模转换和功率放大，并生成换能器阵列中每一阵元的第二激励信号。处理模块92还用于根据第二数字信号确定再次激励换能器的每个阵元的所述第二激励信号的激励时延。发射模块93用于利用所述第一激励信号激励所述换能器阵列94中每一阵元并使得所述换能器阵列向所述靶区发出第一聚焦声束。具体地，控制模块91控制发射模块93并使其发射第一激励信号，进而激励碗状换能器阵列94的每个阵元朝目标组织的靶区位置发出第一聚焦声束。其中，激励碗状换能器阵列94的每个阵元使用的第一激励信号的电压幅值较小，大约40-70多伏，故第一聚焦声束的能量小。还用于利用所述第二激励信号激励所述换能器阵列94中每一阵元并使得所述换能器阵列向所述靶区发出第二聚焦声束。具体地，控制模块91控制发射模块93并使其发射第二激励信号，进而再次激励碗状换能器阵列94的每个阵元重新朝目标组织的靶区位置发出精确的第二聚焦声束。其中，再次激励碗状换能器阵列94的每个阵元使用的第二激励信号的电压幅值较大，大约一百多伏，故第二聚焦声束的能量大，聚焦在靶区后，从而消蚀位于靶区的病灶。换能器阵列94用于向所述靶区发出聚焦声束并接收所述靶区的反射声波；采样模块95用于对所述靶区的反射声波进行采样并生成第一数字信号；存储模块96用于来存储所述第二数字信号。因此，本实用新型公开的一种聚焦装置，通过控制模块根据靶区与换能器阵列中每一阵元的距离计算所述换能器阵列中每一阵元的原始激励数字信号的时延；处理模块对所述原始激励数字信号进行处理并生成所述换能器阵列中每一阵元的第一激励信号；发射模块利用所述第一激励信号激励所述换能器阵列中每一阵元；换能器向所述靶区发出第一聚焦声束并接收所述靶区的反射声波；采样模块对所述靶区的反射声波进行采样并生成第一数字信号；控制模块对所述第一数字信号进行时间反转并生成第二数字信号；处理模块对所述第二数字信号进行处理并生成所述换能器阵列中每一阵元的第二激励信号；发射模块利用所述第二激励信号激励所述换能器阵列中每一阵元并使得所述换能器阵列向所述靶区发出第二聚焦声束。故该第二聚焦声束能够在具有非均匀、粘滞吸收和非线性等特征的人体组织中实现自适应的高精度聚焦，从而提高了利用该装置进行超声治疗的准确性。以上所述的具体实施方式
，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式
而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种聚焦装置，其特征在于，所述装置包括控制模块，发射模块、换能器阵列、采样模块和处理模块； 控制模块，用于根据靶区与换能器阵列中每一阵元的距离计算所述换能器阵列中每一阵元的原始激励数字信号的时延；还用于对第一数字信号进行时间反转并生成第二数字信号; 发射模块，用于利用所述第一激励信号激励所述换能器阵列中每一阵元并使得所述换能器阵列向所述靶区发出第一聚焦声束；还用于利用所述第二激励信号激励所述换能器阵列中每一阵元并使得所述换能器阵列向所述靶区发出第二聚焦声束； 换能器阵列，用于向所述靶区发出所述第一聚焦声束并接收所述靶区的反射声波；还用于向所述靶区发出所述第二聚焦声束； 采样模块，用于对所述靶区的反射声波进行采样并生成所述第一数字信号； 处理模块，用于对所述原始激励数字信号进行处理并生成所述换能器阵列中每一阵元的第一激励信号；还用于对所述第二数字信号进行处理并生成所述换能器阵列中每一阵元的第二激励信号； 其中，所述控制模块控制所述发射模块向所述换能器阵列发射所述第一激励信号，所述换能器阵列接收到所述第一激励信号后向所述靶区发出所述第一聚焦声束并接收所述靶区的所述反射声波，所述反射声波经所述采样模块采样后生成所述第一数字信号并发送至所述控制模块，所述控制模块对所述第一数字信号进行时间反转并生成所述第二数字信号，所述第二数字信号经所述处理模块后生成所述第二激励信号，通过所述发射模块向所述换能器阵列发射所述第二激励信号，所述换能器阵列接收到所述第二激励信号后向所述靶区发出所述第二聚焦声束。
2.根据权利要求I所述的聚焦装置，其特征在于，所述处理模块还用于根据所述第二数字信号确定再次激励所述换能器的每个阵元的所述第二激励信号的激励时延。
3.根据权利要求I所述的聚焦装置，其特征在于，所述装置还包括 存储模块，用于存储所述第二数字信号。
4.根据权利要求I所述的聚焦装置，其特征在于，所述处理模块具体用于对所述原始激励数字信号进行数模转换和功率放大，并生成所述换能器阵列中每一阵元的第一激励信号；还具体用于对所述第二数字信号进行数模转换和功率放大，并生成所述换能器阵列中每一阵兀的第二激励信号。
5.根据权利要求I所述的聚焦装置，其特征在于，所述处理模块中所述第一激励信号的电压幅值小于所述第二激励信号的电压幅值。
专利摘要本实用新型涉及一种聚焦装置，该装置包括控制模块，发射模块、换能器阵列、采样模块和处理模块。控制模块用于根据靶区与换能器阵列中每一阵元的距离计算换能器阵列时延以及对第二数字信号进行时间反转，发射模块用于分别利用第一激励信号和第二激励信号激励换能器阵列，换能器阵列用于向靶区发出第一聚焦声束并接收靶区的反射声波以及再次发出第二聚焦声束，采样模块用于对靶区的反射声波进行采样并生成第一数字信号，处理模块用于分别对原始激励数字信号和第二数字信号进行处理。因此，该方法和装置能够在具有非均匀、热粘滞吸收和非线性等特征的人体组织中实现自适应的高精度聚焦，从而提高了超声治疗的准确性。
文档编号A61N7/00GK202637748SQ20122020174
公开日2013年1月2日 申请日期2012年5月7日 优先权日2012年5月7日
发明者林伟军, 张海澜, 贺洪斌, 张澄宇, 刘蕾 申请人:中国科学院声学研究所