关节滑膜消融柔性聚焦超声换能器及其动态补偿方法

本发明涉及超声换能器聚焦，特别涉及关节滑膜消融柔性聚焦超声换能器及其动态补偿方法。

背景技术：

1、目前关节炎是最常见的慢性疾病之一，据2023国家卫生健康委发布数据显示，我国骨关节炎的患病率达15%、患者人数超过2亿，类风湿性关节炎的患病率约1.5%、患者人数约2000万，血友病性关节炎的患病率虽然仅为2.73/10万，但患者年龄小、致残率高达70%。关节红肿、疼痛、功能障碍等问题困扰着关节炎患者，严重影响其生活和工作，甚至会影响患儿生长发育，目前临床上关节炎的诊断和治疗方式虽然层出不穷，但是仍然存在诊断不易、操作复杂、创伤性大、并发症多等问题。

2、参见图1，在关节除软骨以外的内表面覆盖着一层结缔组织薄膜---滑膜，它由表面的衬里层和深部的衬里下层构成。滑膜衬里层在正常状态下排列着1～3层细胞，分别是巨噬细胞样滑膜细胞即a型滑膜细胞，以及成纤维细胞样滑膜细胞即b型滑膜细胞。

3、在关节炎症状态下，滑膜衬里层细胞层数增多、炎症细胞浸润增加、滑膜新生血管形成和纤维化、滑膜充血肿胀，最终引起滑膜的厚度明显增加，这一病理现象称为滑膜增生。滑膜增生使得关节润滑物和基质成分紊乱，从而促进炎症反应，导致关节软骨及骨破坏，也就是说，滑膜增生是关节炎发展的必经阶段，在疾病的进程中起到了关键作用。所以，关节炎的治疗关键在于尽早去除增生的滑膜，避免关节软骨以及软骨下骨的进一步破坏，从而延缓关节炎进展，保持甚至提高关节活动度。

4、当前去除增生滑膜的主要方式之一是利用高能聚焦超声（high intensityfocused ultrasound，hifu）对滑膜病灶区进行消融。hifu技术利用高强度超声波作为能量源，通过体外发射器将超声波聚焦到体内的病灶部位。这些超声波在聚焦点上转化为热能，产生高温（65℃-100℃），从而使病灶组织立即凝固性坏死‌。超声波的聚焦类似于放大镜聚焦光线，使用由自聚焦压 电陶瓷构成的聚焦超声换能器，利用其平面换能器、声聚焦透镜和电子相控阵装置聚焦超声波、生成焦点，将能量传递至靶组织，引起靶组织温升，进而实现消融。这类超声聚焦换能器具有体积小、声强大、损耗小、能量集中、焦点可调的优点。

5、但现有聚焦超声滑膜去除术存在以下缺点：①现有聚焦超声换能器均为刚性换能器，与皮肤之间的声学耦合剂不充分时，容易导致声束散焦，声能沉积在皮肤表面，造成皮肤烧伤；②部分变形严重的关节，现有刚性换能器无法贴合关节皮肤，无法精准聚焦进行消融治疗；③由于激励电压非常高，现有高能聚焦超声换能器只能用于治疗，不能进行成像，当前的操作方式是经过一段时间的高能聚焦超声治疗后，再用mri或超声仪器进行检查，但是由于骨关节目标病灶区无法精准聚焦，这将引起治疗偏差、治疗不足或过度治疗等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供关节滑膜消融柔性聚焦超声换能器及其动态补偿方法，一方面，能够通过设置的柔性传感晶元单元使换能器更贴合患者关节轮廓形状，另一方面，能够控制传感晶元偏转和聚焦到目标病灶区。

2、本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：

3、一方面，本发明提供了关节滑膜消融柔性聚焦超声换能器，包括：

4、传感晶元单元，包括多个传感晶元，每个传感晶元能够独立发生相对运动，以适应关节皮肤轮廓的形状；

5、相控阵控制单元，用于通过聚焦法则控制每个传感晶元的激发时间和激发次序的，来控制最终合成超声波波束的偏转角度和聚焦深度，使得超声波波束偏转及聚焦到目标病灶区。

6、作为进一步优化，所述每个传感晶元的上表面用于柔性贴合关节皮肤，下表面通过柔性支撑架安装在传感器手柄上。

7、作为进一步优化，所述每个传感晶元下方连接有支撑套筒和位移传感器，所述支撑套筒包括支撑套筒内筒和支撑套筒外筒，位移传感器设置在支撑套筒内筒中，位移传感器顶端连接一个传感晶元，底部连接有压力传感器，支撑套筒外筒包裹支撑套筒内筒；

8、所述每个传感晶元在未受力时处于同一水平面上，当传感晶元受力时，则传感晶元压缩位移传感器而向下运动，通过支撑套筒的限制作用，传感晶元只能做垂直向下运动而不会产生扭转偏斜。

9、作为进一步优化，所述位移传感器为弹簧或光纤位移传感器。

10、作为进一步优化，当位移传感器为弹簧，且传感晶元受力向下运动时，基于胡克定律，并根据压力传感器的检测值计算每个晶元的运动距离。

11、作为进一步优化，还包括超声激励系统，所述超声激励系统包括高能激励模块和低能激励模块，每个激励模块均连接有控制开关，通过控制开关控制每个激励模块的工作状态与休眠状态；

12、在超声波波束偏转及聚焦到目标病灶区进行消融之前，采用低能激励模块，利用柔性聚焦超声换能器成像并判断病灶区位置，再切换至高能激励模块工作，通过超声波波束实现目标病灶区的高能超声消融。

13、作为进一步优化，还包括信号衰减器和信号采集单元；

14、切换至高能激励模块工作时，每个传感晶元的信号采集回路中设置有一个信号衰减器，通过信号衰减器将接收到的高能超声信号进行衰减，并传输到信号采集单元，实现超声实时成像。

15、另一方面，本发明还提供了关节滑膜消融柔性聚焦超声换能器的动态补偿方法，应用于所述的关节滑膜消融柔性聚焦超声换能器，包括如下步骤：

16、将关节滑膜消融柔性聚焦超声换能器贴近待治疗关节，仪器主机获取每个位移传感器的位移值；

17、将每个传感晶元进行编号，以编号为1的传感晶元为参考基准，计算出每个传感晶元的相对位移量；

18、根据每个传感晶元的相对位移量，依据超声波在人体的传播声速，计算出与每个传感晶元相对位移量对应的超声波传输时间，则该超声波传输时间即为每个晶元的聚焦法则时间修正值；

19、将聚焦法则时间修正值叠加到聚焦法则的控制时间函数中，完成关节滑膜消融柔性聚焦超声换能器的动态补偿。

20、作为进一步优化，假设传感晶元的个数为n，所述以编号为1的传感晶元为参考基准，计算出第n个传感晶元的相对位移量，其计算公式为：

21、，

22、所述聚焦法则时间修正值的计算公式为：

23、，

24、 t n表示第n个传感晶元的修正时间， d n表示第n个传感晶元的相对位移量， v表示超声波在人体的传播声速， d 1x表示与编号为1的传感晶元对应的位移传感器的位移值， d nx表示与编号为n的传感晶元对应的位移传感器的位移值；

25、修正后的聚焦法则对应的传感晶元n的激发时间为：

26、，

27、 t n表示换能器初始位置（各传感晶元处于同一水平位置）时传感晶元n的激发时间。

28、本发明的有益效果是：通过上述关节滑膜消融柔性聚焦超声换能器及动态补偿方法，能够通过设置的柔性传感晶元单元使换能器更贴合患者关节轮廓形状，避免使用传统刚性聚焦超声换能器与皮肤之间的声学耦合剂不充分时，容易导致声束散焦，声能沉积在皮肤表面，造成皮肤烧伤的问题，同时，能够针对部分变形严重的关节，避免现有刚性换能器无法贴合关节皮肤，无法进行消融治疗的问题；另外，本发明能够精准控制传感晶元偏转和聚焦到目标病灶区。同时，本发明可实时成像，可实时判断病灶区消融效果，并根据消融效果实时引导消融柔性聚焦超声换能器的聚焦角度和聚焦深度。