专利名称：球面相控阵聚焦超声换能器的声场焦点模式驱动控制方法
技术领域：
本发明属于生物医学仪器技术领域，涉及聚焦超声换能器的控制方法，具体涉及一种球面相控阵聚焦超声换能器的声场焦点模式驱动控制方法，该方法能够对球面相控阵聚焦超声换能器的声场的三维单焦点、三维多焦点、组合切换焦点等进行控制。
背景技术：
高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)是将超声能量聚焦在人体深部目标组织，达到精确热损伤选定目标组织而丝毫不伤害临近正常组织的治疗，现称为聚焦超声手术(Focused Ultrasound Surgery，FUS)。
HIFU换能器有单阵元换能器和相控阵换能器两种形式。在HIFU治疗中HIFU换能器及其波束合成甚为重要。相控阵聚焦超声换能器可产生适合治疗的灵活多变的单焦点和同时多点的聚焦模式，同单阵元换能器产生的单焦点相比，多点聚焦可增大单次治疗聚焦体积，大大减少了治疗时间，加快了超声手术的治疗速度。
相控阵聚焦超声换能器有平面式、凹面式、有声透镜形式；阵元的形状有圆形、矩形、柱形、园环形和扇蜗形等样式。授权的美国专利4,865,042，发明人Umemura，发明名称为“Ultrasonic irradiaion system”是较早于1989年披露了球冠相控阵换能器，也就是球面环形相控阵和球面扇蜗形相控阵；其控制驱动方式能够产生焦平面的环形分布的多焦点，而驱动方法只做相位控制，即相角调制，而各阵元的幅度保持一样。
在相控阵聚焦方法方面以色列InSightec-TxSonics，Ltd.公司申请的美国专利US 6,613,004B1，申请日2003年4月，专利名称“System andmethod for creating longer necrosed volumes using a phased array focusedultrasound”，相应的中国发明专利01813606.0，专利名称是“利用相控阵聚焦超声系统增加坏死体积的系统和方法”，其中采用了全阵等幅和变迹的聚焦方式交替工作实现了相控阵聚焦超声手术中组织损伤，克服了仅用变迹所生成的组织损伤体积易造成焦前区过热现象。以色列InSightec-TxSonics，Ltd.公司的另一美国专利S/N 09/556,095，专利名称“Systems andmethods for reducing secondary hot spots in a phased array focused ultrasoundsystem”，相应的中国发明专利01808265.3，专利名称是“减少相控阵聚焦系统中次热点的系统和方法”；其中采用了聚焦超声发射时周期性变动发射频率，实际上是增加驱动信号的带宽，来有效地抑制环形聚焦超声相控阵所产生的次焦点。
一般环形相控阵易产生次焦点，上述专利减少次热点就是针对这一情况的方法，若采用矩形相控阵元形式就可以克服这一不足。以上提及的专利运用环状阵相角调制方法能够产生焦平面的环形分布的多焦点，而不能产生非轴对称的多焦点，因而不能形成三维空间的多焦点扫描。
发明内容
针对以上所述环形相控阵系统和方法存在的不足，本发明的目的在于提供一种球面相控阵聚焦超声换能器的声场焦点模式驱动控制方法，使上百阵元球面相控阵聚焦超声换能器产生多样的三维单焦点和三维多焦点模式，使单次治疗的体积比单阵元的大、效率更高。
本发明所采用的技术方案是，一种球面相控阵聚焦超声换能器的声场焦点模式驱动控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤1)首先在工作频率为0.5MHz～4MHz的球面相控阵聚焦超声换能器上设置一个百通道功率驱动器，百通道功率驱动器的驱动通过一个分层分布控制器控制；分层分布控制器与主控计算机相连接；2)主控计算机内设置有球面矩形相控阵的声场计算方法和相控阵多点聚焦模式遗传算法，通过上述算法的结合能够设计球面相控阵的三维空间多焦点模式，每一种模式加上位置信息所对应一组驱动信号；驱动信号由一组幅值信号和一组相位信号组成，幅值信号对应向量中分量的幅值，相位信号对应向量中分量的相角，将所有经优化算法得到相关声场模式的驱动信号做成聚焦模式库存于分层分布控制器的存储器中，根据控制要求，在手术中调用相应结果进行控制；3)当主控计算机将命令和治疗数据发送给分层分布控制器，由分层分布控制器即时提取对应声场焦点模式的驱动信号并且转化成包含各通道相位、幅值信息的电信号，驱动百通道功率驱动器工作；4)球面相控阵聚焦超声换能器对百通道功率驱动器的要求是，每一阵元要对应一个通道的功率控制，因此百阵元HIFU相控阵要求百通道功率驱动器驱动发射超声波。
本发明的方法用于百阵元球面相控阵聚焦超声换能器和相应分层分布控制器能产生适合肿瘤治疗的三维单焦点、三维多焦点、组合切换焦点及子阵单焦点和多焦点模式，比现有的相控阵仅有环型多焦点的控制方法先进，多焦点形成的大焦点比现有单阵元单焦点单次治疗的体积大、效率更高，而子阵焦点模式能避开肋骨遮挡进行聚焦超声无创手术。
图1是应用本发明控制方法的装置连接原理图；图2是百阵元HIFU球面相控阵换能器形状示意图；图3是遗传算法多点聚焦模式优化程序流程图；图4是用本发明控制方法得到的百阵元HIFU球面相控阵轴上单焦点模式的声场性能，其中，a是轴上单焦点聚焦平面声强分布，b是轴上单焦点x-y平面的声强等高图，c是轴上单焦点x投影面声强分布，d是轴上单焦点x-z平面的声强等高图；图5是用本发明控制方法得到的百阵元HIFU球面相控阵离轴单焦点模式的声场性能，其中，a是离轴单焦点聚焦平面声强分布，b是离轴单焦点x-y平面的声强等高图，c是离轴单焦点x投影面声强分布，d是离轴单焦点x-z平面的声强等高图；图6是用本发明控制方法得到的百阵元HIFU球面相控阵轴对称6焦点形成的大焦点模式的声场性能，其中，a是对称6焦点大焦点模式的聚焦平面声强分布，b是6焦点x-y平面的声强等高图，c是6焦点x-z平面的声强等高图；图7是用本发明控制方法得到的百阵元HIFU球面相控阵轴对称6焦点形成的紧凑焦点模式的声场性能，其中，a是6紧凑焦点焦平面声强分布，b是6紧凑焦点x-y平面的声强等高图；图8是用本发明控制方法得到的百阵元HIFU球面相控阵非轴对称4焦点形成的大焦点的模式声场性能，其中，a是4焦点焦平面声强分布，b是4焦点x-y平面的声强等高图；图9是用本发明控制方法驱动的百阵元球面HIFU相控阵两个焦点模式的组合切换焦点模式图，其中，a是轴对称6焦点形成的大焦点模式，b是轴上单焦点模式，c是a和b两焦点模式组合切换形成的无过冷点的大焦点；图10是百阵元HIFU球面相控阵的一种半阵子阵划分示意图；图11是为图10 HIFU相控阵半阵轴上单焦点模式的声场性能，其中，a是焦平面声强分布，b是x-z平面的声强等高图，c是x投影面声强分布，d是y投影面声强分布；图12是图10 HIFU相控阵半阵的对称2焦点模式声场性能，其中，a是焦平面声强分布，b是y投影面声强分布。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行进一步的详细说明。
具体实施例方式
参见图1，聚焦超声治疗系统中采用的是百阵元球面相控阵聚焦超声换能器2，其驱动控制通过分层分布控制器4控制百通道功率驱动器3来实现，本发明的控制方法即用于分层分布控制器4对百通道功率驱动器3的控制。当主控计算机5将命令和治疗数据发送给分层分布控制器4，分层分布控制器4根据该控制方法控制百通道功率驱动器3实现百阵元球面相控阵聚焦超声换能器2的驱动，使之产生适合肿瘤治疗的三维单焦点、三维多焦点、组合切换焦点及子阵单焦点和多焦点的声场模式。
本发明的控制方法适用于百阵元球面相控阵聚焦超声换能器2及百通道功率驱动器3，百阵元球面相控阵聚焦超声换能器2的材料可以是压电复合材料(Piezocomposite)或压电陶瓷PZT，其球面矩形阵元结构如图2所示，每一阵元6的投影是等面积的矩形，矩形阵元的结构排布紧凑，而且矩形阵元尺寸可做得较大，可超过3倍波长，所形成的声场波形好、旁瓣小、焦点外无不希望的声压波动。球面相控阵聚焦超声换能器2的工作频率为0.5-4MHz。百阵元球面相控阵聚焦超声换能器2的球面矩形阵元结构是2D阵形式，理论上2D阵能产生3D的焦点形式，可进行3D空间的焦点扫描，本发明的控制方法就是要提供可生成3D焦点形式的控制方法，即球面矩形相控阵的声场计算方法和适合任何相控阵多点聚焦模式设计的遗传算法声场优化方法。
首先简述球面矩形相控阵的声场计算方法。
设阵元宽度为Δw，阵元高度为Δh，面积ΔA，xyz坐标系的建立为原点在球冠的顶点，波束方向为z轴。经严格的推导简洁、精确的球面相控阵元声场计算公式如下式P=jρck2πΣn=1NunR2ΔAR′e-(a+jk)R1sinckx1Δw2Rsincky1Δh2R---(1)]]>
式中复数声压P(x，y，z)，j=-1,]]>ρ和c分别是介质的密度和声速，k＝ω/c是波数，N为阵元数，un是第n个阵元表面质点速度作为阵元驱动信号；其中各参数的计算为R′=(z-zn)2+(y-yn)2+(x-xn)2---(2)]]>R=z2+(y-yn)2+(x-xn)2---(3)]]>RPP2=RSP2-(xn2+yn2)---(4)]]>R1=R+1R(RSP2-zRSP+z)RPP-xn2+yn22)---(5)]]>x1=x-z-RSPRPPxn---(6)]]>y1=y-z-RSPRPPyn---(7)]]>上面(1)式是在采用了三种推导方法如将曲面积分转换为平面的投影平面积分、建立平移的坐标系和采用二项展开的方法推导出来的。式(1)适合计算远场声压，也就是计算的声压点距换能器的距离远大于阵元尺寸。
下面是相控阵多焦点模式遗传算法。
遗传算法(Genetic Algorithm，GA)是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型。它是一类借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机化搜索方法。与传统的单点或单线搜索解的方法不同，遗传算法是在解空间并行搜索，因而可以获得全局最优解。遗传算法已经成为科学、工程、经济等诸多领域搜索最优解的理想工具。遗传算法的每一代过程都包含评估、繁衍、重组和变异四个步骤。
相控阵的声场声压的矩阵表达为如下如果声源是由N个阵元组成，控制点M的声压P(rm)可设定为已知则
p(rm)=iρck2πΣn=1Nun∫Sn′e-ik|rm-rn′||rm-rn′|dSn′---(8)]]>m＝1，2，……，M.
写成矩阵形式HMuN＝PM(9)uN是阵元的驱动复数向量uN＝[u11，u22，…，uNN]τ。向量PM是设定的控制点的复数声压向量PM＝[pM(r1)，pM(r2)…pM(rM)]τ，HM是前向传输算子HM(m,n)=iρck2π∫Sn′e-ik|rm-rn′||rm-rn′|dSn′---(10)]]>用矩阵方法可逆向求得驱动向量uN＝[u11，u22，…，uNN]τ为uN=HM*τ(HM··HM*τ)-1PM---(11)]]>在开始描述遗传算法的步序之前，首先定义遗传算法中十分重要的两个要素；一个是染色体，另一个是适应度函数。
在遗传操作中，染色体也称为个体，代表了可能的解。染色体通常表示成经过编码的基因串结构。在我们的遗传构造中，染色体是由2进制串构成，其中各基因位是由编码的各参数或变量串接组成。将PM向量的各相角θ(K)取为串长为8的基因片段(符合数字控制相位的精度)，PM相角的总串长为8×M位二进制串作为编码后的个体(染色体)。经编码后遗传空间规模|SN|＝28×M。
适应度函数是用来检测评估当前的染色体优劣的函数。在遗传算法的进化搜索中适应度函数是重要的和唯一的衡量解的优化程度的指标。在我们遗传优化控制中以声强增益作为适应度函数FitFit{(θ)ii}=PMτPMuNτuN=PMτPMPMτ(HMHMτ)-1PM---(12)]]>
其中θ＝[θ(M)θ(M-1)…θ(2)θ(1)]是前述向量PM中各分向量的相角。在遗传搜索中，每一相角θ(k)是变量，那么搜索适应度函数最大值Fitmax.所对应的一个[θ(M)，θ(M-1)，…θ(2)，θ(1)]即是最优解。
标准遗传算法的过程示于图3。遗传算法起始于随机产生的初始种群，初始种群也就是一组染色体或称个体，也是一组可能的解，其后的一代一代进化，其种群也就是解，就朝着最优解方向改进。
在产生新的一代的进程中，第一步就是依据计算所得的适应度函数Fit{(θ)n}评估当前染色体，见图3。然后，复制若干适应度函数最好的个体到下一代。
随后的几步，就是进化为新的一代时采用相应的选择、交叉、变异的遗传操作。
从群体中选择优胜个体，淘汰劣质个体的操作叫选择。在我们的遗传算法优化控制中的选择步序中，采用的是适应度比例(fitness proportionalmodel)方法，也称为轮盘赌选择。群体中个体的选择概率P{(θ)n}和其适应度成比例，定义为下式P{(θ)ii}=Fit{(θ)ii}Σii=1LFit{(θ)ii}---(13)]]>其中L是种群规模。
交叉是指把两个父代个体的部分结构重组而生成新的个体的操作。遗传算法的并行搜索能力既是体现在交叉操作中。在交叉步序中，交叉点是随机选取的，交叉所产生后代的数量取决于交叉概率。
变异个体是从选择步序中随机选择一个个体，在个体串中变异点的位置(基因座)是随机选定的。变异在种群中随机地注入新的信息维持了种群的多样性，防止出现末成熟收敛。变异产生的后代数量取决于变异概率。
新的一代包含见图3若干最好个体复制、一定数量依据选择概率选择的个体、一定数量依据交叉概率所得交叉后代、若干依据变异概率所得变异后代。一代一代的繁衍一直进行直到停止准则满足；停止准则是寻到最优解或已达最大代数限定值。最优解[θ(M)，θ(M-1)，…θ(2)，θ(1)]和设定的PM幅值组成PM向量再用式(11)可逆向求得对应聚焦点的驱动向量uN。
用本发明的遗传算法可对任何形式的相控阵进行焦点位置和焦点峰值设计，在用了遗传算法后得到对应聚焦点设计的驱动向量uN。
本发明的球面矩形相控阵的声场计算方法和相控阵多点聚焦模式遗传算法结合可以设计球面相控阵的三维空间多焦点模式。所谓声场计算方法和相控阵遗传算法结合就是在遗传算法流程的适应度函数Fit的计算中(参见图3)根据适应度函数的定义式(12)，其中的声压PM和前向传输算子HM的计算就用本发明球面矩形相控阵的声场计算式子(1)。
为适应不同尺寸的肿瘤治疗，可将相控阵在聚焦面的聚焦形式设计成多种样式，也称为焦点模式，有单焦点模式也有多焦点模式。每一种模式加上位置信息所对应一组驱动信号uN；驱动信号由一组幅值信号和一组相位信号组成，幅值信号对应向量uN中分量的幅值，相位信号对应向量uN中分量的相角。一般将所有经优化算法得到相关声场模式的驱动信号做成聚焦模式库存于分层分布控制器4的存储器中，根据控制要求，在HIFU手术中调用相应结果进行控制。
百阵元球面相控阵聚焦超声换能器2的f数(f-number)要取接近1，工作频率可为0.5～4MHz，阵元6排布一般为对称排布，以便在轴上产生对称的焦区形状。
本发明控制方法设计的多种焦点形式对应各阵元的驱动信号，所有对应空间位置的焦点模式对应的驱动信号形成模式库存于分层分布控制器4的存储器中，主控计算机5将命令和治疗数据发送给分层分布控制器4，分层分布控制器4即时提取对应焦点模式的驱动信号并且转化成包含各通道相位、幅值信息的电信号驱动百通道功率驱动器3实现对百阵元球面相控阵聚焦超声换能器2进行驱动控制。
百阵元球面相控阵聚焦超声换能器2对百通道功率驱动器3的要求是每一阵元要对应一个通道的功率控制，因此百阵元HIFU相控阵要求百通道功率驱动器3来驱动发射超声波。根据聚焦控制方法，百通道功率驱动器3的每一通道的功率、相位信号可独立控制，且所有通道的相位是相对于一参考基准频率信号的相位，百通道功率驱动器3中设有硬件实现的功率反馈的功率控制方式，这样将使功率输出稳定而不受电阻抗变化的影响。
图4是本发明控制方法得到的百阵元HIFU球面相控阵轴上单焦点模式的声场性能。采用球面矩形相控阵的声场计算方法和遗传算法聚焦模式声场优化方法的组合控制方法驱动所产生的轴上单焦点，焦点位置(0，0，106)mm，所用的介质声学参数为密度ρ＝1000kg/m3、声速c＝1500m/s、组织哀减α＝0.05Np/cm/MHz。给定总声功率为400W。所形成轴上单焦点声学性能非常好，焦点声强峰值6079W/cm2，很小的旁瓣，无栅瓣或其它二次声强极大点，焦点尺寸(FDHM)1.25mm×1.25mm×6.75mm。这里焦点尺寸(FDHM)定义为焦点尺寸(FDHM)＝x向声压半高宽(FWHM，Full width at halfmaximum pressure)×y向声压半高宽(FWHM)×z向声压半高宽(FLHM，full length at half maximum)。
图5是本发明控制方法得到的百阵元HIFU球面相控阵离轴单焦点模式的声场性能。采用本发明的控制方法驱动所产生的离轴单焦点，焦点位置(4，0，108)mm，给定总声功率为400W。所形成离轴单焦点声学性能非常好，焦点声强峰值2747W/cm2，无栅瓣或其它二次声强极大点，焦点尺寸(FDHM)1.5mm×1.25mm×7mm。轴上单焦点和离轴单焦点的驱动生成说明本发明控制方法驱动可产生三维单焦点及其单焦点的三维扫描。
图6是本发明控制方法得到的百阵元HIFU球面相控阵轴对称6焦点形成的大焦点模式的声场性能。采用本发明控制方法驱动所产生2倍单位园的6焦点形式，6焦点位置在(2，0，110)mm，(1，1.7，110)mm，(-1，1.7，110)mm，(-2，0，110)mm，(-1，-1.7，100)mm，(1，-1.7，110)mm，给定总声功率为300W。形成的焦点声强峰值1205W/cm2，6个焦点可以分辨，聚焦区体积从单焦点的0.012cm2增加到六焦点的0.25cm2增加了22倍。用这种6焦点模式单次聚焦照射体积比单阵元单焦点大，因而可节省治疗时间。我们称这一焦点形式为大焦点。
图7是本发明控制方法得到的百阵元HIFU球面相控阵轴对称6焦点形成的紧凑焦点模式的声场性能。这里将六焦点分布往中心靠近，6焦点位置在(1，0，110)mm，(0.5，0.8，110)mm，(-0.5，0.8，110)mm，(-1，0，110)mm，(-0.5，-0.8，1100)mm，(0.5，-0.8，110)mm。给定总声功率为300W，所产生的焦点声强峰值比图6增加了为1775W/cm2，声场叠加的结果使得六焦点合成为一个锐度好的单焦点，无栅瓣或二次声强极大点，旁瓣仅为主瓣的1/23。聚焦区体积为(FDHM)2.25mm×2.25mm×8mm，比轴上单焦点焦区体积增加了3.7倍，用这种6焦点模式单次聚焦超声照射体积比单阵元单焦点大，因而可节省治疗时间。这种6焦点模式的焦区声强达到足够高从而确保焦区组织的完全损伤，我们把这种焦点模式定义为紧凑模式。
图8是本发明控制方法得到的百阵元HIFU球面相控阵非轴对称4焦点形成的大焦点的声场模式。采用本发明控制方法驱动所产生非轴对称4焦点形式，4焦点位置在(1，1，110)mm，(3，1，110)mm，(1，3，110)mm，(3，3，110)mm。给定总声功率为300W，所产生的声场性能中，焦点声强峰值1040W/cm2，4个焦点可以分辨。聚焦区域比单焦点增加了约9倍，用这种4焦点模式单次聚焦超声照射体积比单阵元单焦点大，因而可节省治疗时间，我们称这一焦点形式大焦点。非轴对称多焦点(离轴多焦点)的生成说明本发明控制方法驱动可产生三维多焦点及其多焦点的三维扫描。
图9是本发明控制方法得到的百阵元HIFU球面相控阵两个焦点模式的组合切换焦点模式。图9a为轴对称6焦点形成的大焦点模式，由于这一6焦点是环型多焦点，治疗时容易形成中心过冷点，为确保治疗时焦区组织的完全损伤，无过冷点，可以将图9a轴对称6焦点模式和图9b轴上单焦点模式两种模式切换交替工作，从而形成图9c无过冷点的大焦点。
图10是百阵元HIFU球面相控阵的一种半阵子阵划分示意图。一般聚焦超声治疗换能器尺寸较大，其声窗容易被肋骨或障碍物遮挡，且会造成骨过度超声吸收产热。单阵元换能器治疗时只能将遮挡肋骨去掉，而相控阵聚焦超声换能器在这种被肋骨遮挡情况下就可以采用子阵的方法，就是让被肋骨遮挡的换能器阵元部分不工作，其余阵元工作。装在百阵元球面相控阵聚焦超声换能器2中孔的B超探头1可以判断哪部分阵元被肋骨遮挡，从而确定被肋骨遮挡部分阵元不工作，最简单的子阵划分是半阵，图10中，划分深色半阵不工作。
图11是图10 HIFU相控阵半阵轴上单焦点模式的声场性能。我们最为关心半阵的焦点形状和焦点声强峰值是否能满足聚焦超声手术的要求。对图10的半阵采用本专利控制方法驱动产生的轴上单焦点，焦点位置(0，0，110)mm。给定总声功率为250W，所形成轴上单焦点声学性能非常好，焦点声强峰值3340W/cm2，很小的旁瓣，无栅瓣或其它二次声强极大点，焦点尺寸(FDHM)2.5mm×1.25mm×7mm。与图4全阵轴上单焦点的对称椭球状焦点形状相比，半阵轴上单焦点的焦点形状已不再对称，x向声压半高宽比全阵的宽了1mm；半阵的焦点形状和焦点声强峰值仍可满足聚焦超声手术的要求。
图12是图10 HIFU相控阵半阵对称2焦点模式声场性能。对图10的半阵采用本发明控制方法驱动产生的轴对称2焦点，焦点位置(1，1，110)mm，(-1，1，110)mm，给定总声功率为250W，所产生的声场性能见图12，所形成轴上单焦点声学性能非常好，焦点声强峰值1340W/cm2，2个焦点可以分辨，很小的旁瓣，无栅瓣或其它二次声强极大点，半阵的2焦点仍可满足聚焦超声手术的要求。
权利要求
1.一种球面相控阵聚焦超声换能器的声场焦点模式驱动控制方法，其特征在于，包括下列步骤1)首先在工作频率为0.5MHz～4MHz的球面相控阵聚焦超声换能器上设置一个百通道功率驱动器，百通道功率驱动器的驱动通过一个分层分布控制器控制；分层分布控制器与主控计算机相连接；2)主控计算机内设置有球面矩形相控阵的声场计算方法和相控阵多点聚焦模式遗传算法，通过上述算法的结合能够设计球面相控阵的三维空间多焦点模式，每一种模式加上位置信息所对应一组驱动信号；驱动信号由一组幅值信号和一组相位信号组成，幅值信号对应向量中分量的幅值，相位信号对应向量中分量的相角，将所有经优化算法得到相关声场模式的驱动信号做成聚焦模式库存于分层分布控制器的存储器中，根据控制要求，在手术中调用相应结果进行控制；3)当主控计算机将命令和治疗数据发送给分层分布控制器，由分层分布控制器即时提取对应声场焦点模式的驱动信号并且转化成包含各通道相位、幅值信息的电信号，驱动百通道功率驱动器工作；4)球面相控阵聚焦超声换能器对百通道功率驱动器的要求是，每一阵元要对应一个通道的功率控制，因此百阵元HIFU相控阵要求百通道功率驱动器驱动发射超声波。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的声场焦点模式为三维单焦点、三维多焦点、组合切换焦点及子阵单焦点和多焦点的声场焦点模式。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的球面矩形相控阵的声场计算方法和相控阵多点聚焦模式遗传算法分别为1)声场焦点模式球面矩形相控阵声场计算P=jρck2πΣn=1NunR2ΔAR′e-(α+jk)R1sinckx1Δw2Rsincky1Δh2R---(1)]]>其中各参数的计算为R′=(z-zn)2+(y-yn)2+(x-xn)2---(2)]]>R=z2+(y-yn)2+(x-xn)2---(3)]]>RPP2=RSP2-(xn2+yn2)---(4)]]>R1=R+1R(RSP2-zRSP+z)RPP-xn2+yn22)---(5)]]>x1=x-z-RSPRPPxn---(6)]]>y1=y-z-RSPRPPyn---(7)]]>(1)式是在采用了三种推导方法将曲面积分转换为平面的投影平面积分、建立平移的坐标系和采用二项展开的方法推导出来的；式(1)适合计算远场声压，也就是计算的声压点距换能器的距离远大于阵元尺寸；2)遗传算法声场优化方法相控阵的声场的矩阵控制点M的声压p(rm)可设定作已知为p(rm)=iρck2πΣn=1Nun∫Sn′e-ik|rm-rn′||rm-rn′|dSn′---(8)]]>m＝1，2，……，M.写成矩阵的形式HMuN＝PM(9)uN是阵元的驱动复数向量uN＝[u11，u22，…，uNN]τ。向量PM是设定的控制点的复数声压向量PM＝[pM(r1)，pM(r2)…pM(rM)]τ，HM是前向传输算子；HM(m,n)=iρck2π∫Sn′e-ik|rm-rn′||rm-rn′|dSn′---(10)]]>用矩阵方法可逆向求得驱动向量uN＝[u11，u22，…，uNN]τ为uN=HM*τ(HM·HM*τ)-1PM---(11)]]>在开始描述遗传算法的步序之前，需要定义遗传算法中两个要素；一个是染色体，另一个是适应度函数；染色体是由2进制串构成，其中各基因位是由编码的各参数或变量串接组成，将PM向量的各相角θ(K)取为串长为8的基因片段，PM相角的总串长为8×M位二进制串作为编码后的染色体，经编码后遗传空间规模|SN|＝28×M；遗传优化控制中以声强增益作为适应度函数Fit，则有Fit{(θ)ii}=PMτPMuNτuN=PMτPMPMτ(HMHMτ)-1PM---(12)]]>其中θ＝[θ(M)θ(M-1)…θ(2)θ(1)]是前述向量PM中各分向量的相角，在遗传搜索中，每一相角θ(k)是变量，搜索适应度函数最大值所对应的一个[θ(M)，θ(M-1)，…θ(2)，θ(1)]即是最优解；最优解[θ(M)，θ(M-1)，…θ(2)，θ(1)]和设定的PM幅值组成PM向量再用式(11)可的大对应聚焦点的驱动向量uN。
全文摘要
本发明公开了一种球面相控阵聚焦超声换能器的声场焦点模式驱动控制方法，包括球面矩形相控阵的声场计算方法和相控阵多点聚焦模式遗传算法构成的驱动控制，以及与方法配合的系统是一主控计算机控制一分层分布控制器再控制百通道功率驱动器驱动百阵元球面相控阵聚焦超声换能器。两个算法控制方法结合在此治疗系统之中使之产生适合肿瘤治疗的三维单焦点、三维多焦点、组合切换焦点及子阵单焦点和多焦点的声场模式。多焦点形成的大焦点比现有单阵元单焦点单次治疗的体积大、效率更高；而子阵焦点模式能避开肋骨遮挡进行聚焦超声无创手术。
文档编号B06B3/04GK1768877SQ200510096069
公开日2006年5月10日 申请日期2005年9月26日 优先权日2005年9月26日
发明者陆明珠, 万明习, 王晓东, 徐丰 申请人:西安交通大学