球面聚焦超声换能器控制系统、方法、终端及治疗设备与流程

本发明属于一般控制与调节，尤其涉及一种球面聚焦超声换能器控制系统、方法、终端及治疗设备。

背景技术：

1、高强度球面聚焦超声治疗设备所包括的球面聚焦超声换能器为核心组成之一。球面聚焦超声换能器根据振元数量可以分为两类，一类是球面单片自聚焦超声换能器，另一类是球面多片阵列式聚焦超声换能器。其中，球面单片自聚焦超声换能器具有结构简单的优点，但是，同时存在加工精度难以保证，以及无法对超声波的入射方向和焦域进行调整的目的。球面多片阵列式聚焦超声换能器是将多片压电振元均匀排列在球面支座上，并将振元通过串联和/或并联形成一个大功率的换能器。通过对球面多片阵列式聚焦超声换能器中压电振元的合理选择，能够实现超声波的入射方向和焦域可调的目的，因此，球面多片阵列式聚焦超声换能器、用于控制该换能器的控制系统/方法，以及治疗设备是当前研究的重点。

2、人和动物组织中包括各种功能单元或组织细胞。治疗超声通常使用换能器将能量递送到损伤组织。如果对于高强度换能器超声治疗而言，操作不当往往会引起治疗相关的热效应损伤靶组织。因此，对治疗性超声非热效应的研究是治疗超声研究中很重要的一个方面。此外，现有研究发现，非热效应超声治疗(如低强度治疗超声lipus)能改善多类组织的愈合时间和愈合质量。然而，活组织是高度结构刚性的，且不同类型组织在体内深度不同，导致需要特定参数的超声治疗设备。所述超声能量及载频是治疗超声的两个关键参数。研究重点集中在超声发射频率控制、超声发射剂量控制两个方面。现有技术公开了一种超声输出重复频率控制方法，其能够获取靶向组织类别与超声发射频率之间的映射关系，并根据上述映射关系确定超声发射频率。现有技术还公开了超声治疗系统和剂量控制方法，但并没有公开超声发射剂量的控制。即现有技术并没有给出基于基础信号或基础控制单元实现超声发射频率和超声发射剂量等精准控制的方法/系统。

3、然而，除了发射频率及超声发射剂量外，脉冲强度、脉冲类型、脉冲持续时间以及脉冲重复率对于治疗相同类型组织也是相当关键的。因此，现有球面聚焦超声换能器控制系统通常被设计为治疗单一类型组织，且每次治疗使用特定、固定且单一的超声频率、脉冲强度、脉冲重复率、脉冲持续时间、脉冲比以及单一波形。然而，换能器治疗元件通常需要围绕治疗区域进行实质性的移动，以避免热损伤目标组织。

4、本发明旨在克服上述一个或多个缺点并提供进一步的相关优点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种球面聚焦超声换能器控制系统、方法、终端及治疗设备，能够基于四个基础信号控制球面聚焦超声换能器按照预设发射区域、预设发射模式、预设发射时间、预设间隔时间、预设发射剂量和预设发射频率发射超声波，不仅能够满足实际治疗方案中对于控制项多样化客观需求，以提高适用性和优化治疗效果。而且，采用较为简单的逻辑控制即可满足多样化的应用需求，具有结构简单、成本低的优点。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种球面聚焦超声换能器控制系统，球面聚焦超声换能器为球面多片阵列式聚焦超声换能器，其配置有m个压电振元，m个压电振元中的n个为一组，共形成m/n个振元单元，位于同一个振元单元内的n个振元并联、串联或混联在一起。控制系统包括上位机、通信单元、信号处理单元、信号输出单元和驱动单元。驱动单元为m/n个，即一个振元单元对应配置一个驱动单元。

4、上位机内配置靶向组织数据，靶向组织数据包括位置坐标、体积、距离表皮深度。基于靶向组织数据生成治疗指令。

5、通信单元接收上位机发送的治疗指令并将其发送至信号处理单元。

6、信号处理单元包括复杂可编程逻辑器件、微控制器、频率信号源和频率合成器。复杂可编程逻辑器件接收治疗指令并对其进行逻辑化处理后发送至微控制器。微控制器接收治疗指令，基于治疗指令生成频率选通信号、电源选通信号、数字电位器控制信号和频率合成器控制信号。频率信号源产生具有基础频率的原始信号，原始信号发送至频率合成器，频率合成器同时接收来自微控制器发送的频率合成器控制信号，以对原始信号做分频处理，获得原始电激励信号，原始电激励信号、电源选通信号、数字电位器控制信号和频率选通信号经信号输出单元发送至m/n个驱动单元中的至少一个。

7、每一驱动单元均包括驱动电路和输出电路。其中，驱动电路包括选通子电路、数字电位器和电源芯片，以及逻辑子电路。输出电路包括谐振子电路和阻抗变换子电路。选通子电路接收并将串行的电源选通信号和数字电位器控制信号调整为并行信号后，再将电源选通信号发送至电源芯片，将数字电位器控制信号发送至数字电位器，以产生直流电压。直流电压发送至谐振子电路，被谐振子电路斩波处理且由阻抗变换子电路形成正弦波，正弦波用于驱动振元单元，以使振元单元按照预设发射剂量发射超声波。

8、逻辑子电路接收并处理频率选通信号和原始电激励信号，输出同步电激励信号，发送至谐振子电路，控制谐振子电路按照振元单元的工作频率开/关，以使振元单元按照预设发射频率发射超声波。阻抗变换子电路用于对振元单元进行阻抗匹配，以使振元单元按照预设发射频率发射超声波。

9、作为一种可能的实现方式，微控制器根据治疗指令确定多个治疗周期，每一治疗周期内驱动单元交替选通或不选通，基于此，确定预设发射时间以及相邻的两个预设发射时间之间的预设间隔时间。在预设发射时间内，微控制器将电源选通信号和数字电位器控制信号通过信号输出单元发送至驱动单元。微控制器将频率选通信号，以及频率合成器将原始电激励信号通过信号输出单元发送至驱动单元。基于此，球面聚焦超声换能器在预设发射时间内，按照预设发射剂量和预设发射频率发射超声波。

10、作为一种可能的实现方式，在预设间隔时间内，微控制器终止将电源选通信号和数字电位器控制信号通过信号输出单元发送至驱动单元。微控制器终止将频率选通信号，以及频率合成器终止将原始电激励信号通过信号输出单元发送至驱动单元。基于此，球面聚焦超声换能器在预设间隔时间内，终止按照预设发射剂量和预设发射频率发射超声波。

11、作为一种可能的实现方式，微控制器基于治疗指令确定m/n个振元单元中被选通的数量和位置，基于此，微控制器将电源选通信号、数字电位器控制信号、频率选通信号，以及频率合成器将原始电激励信号通过信号输出单元发送至需要被选通的驱动单元，以使球面聚焦超声换能器按照预设发射区域发射超声波。

12、作为一种可能的实现方式，微控制器接收治疗指令所包括的发射模式控制指令以产生发射模式控制信号，发射模式控制信号为使能信号，使能信号发送至复杂可编程逻辑器件，控制其内部的逻辑电路对频率信号源所产生的原始频率信号进行逻辑处理，以使原始频率信号产生连续模式或脉冲模式，控制球面聚焦超声换能器按照预设发射模式发射超声波。

13、作为一种可能的实现方式，控制系统控制所有个振元单元在同一频率、同一相位、同一激励电压下工作。或，控制系统控制所有个振元单元在不同频率、不同相位及不同激励电压下工作。或，控制系统控制至少一个振元单元在同一频率、同一相位、同一激励电压下工作，其他组振元单元不工作。执行上述控制以实现球面多片阵列式聚焦超声换能器的焦域可调。

14、第二方面，本发明还提供一种球面聚焦超声换能器控制方法，控制方法由第一方面提供的控制系统执行，控制方法包括：

15、上位机内配置靶向组织数据，靶向组织数据包括位置坐标、体积、距离表皮深度。基于靶向组织数据生成治疗指令。

16、通信单元接收上位机发送的治疗指令并将其发送至信号处理单元。

17、信号处理单元的复杂可编程逻辑器件接收通信单元发送的治疗指令，对治疗指令进行逻辑化处理后发送至微控制器，微控制器对治疗指令进行译码处理，以生成频率选通信号、电源选通信号、数字电位器控制信号和频率合成器控制信号。频率信号源产生具有基础频率的原始信号，原始信号发送至频率合成器，频率合成器同时接收来自微控制器发送的频率合成器控制信号，以对原始信号做分频处理，获得原始电激励信号，原始电激励信号、电源选通信号、数字电位器控制信号和频率选通信号经信号输出单元可控的发送至m/n个驱动单元中的至少一个。

18、当驱动单元接收上述信号后，选通子电路接收并将串行的电源选通信号和数字电位器控制信号调整为并行信号后，再将电源选通信号发送至电源芯片，将数字电位器控制信号发送至数字电位器，以产生直流电压。直流电压发送至谐振子电路，被谐振子电路斩波处理且由阻抗变换子电路形成正弦波，正弦波用于驱动振元单元，以使振元单元按照预设发射剂量发射超声波。

19、逻辑子电路接收并处理频率选通信号和原始电激励信号，输出同步电激励信号，发送至谐振子电路，控制谐振子电路按照振元单元的工作频率开/关，以使振元单元按照预设发射频率发射超声波。阻抗变换子电路用于对振元单元进行阻抗匹配，以使振元单元按照预设发射频率发射超声波。

20、作为一种可能的实现方式，原始电激励信号、电源选通信号、数字电位器控制信号和频率选通信号经信号输出单元可控的发送至m/n个驱动单元中的至少一个，包括：

21、微控制器基于治疗指令生成发射区域控制信号，基于发射区域控制信号确定m/n个振元单元中被选通的数量、位置。基于此，微控制器将电源选通信号、数字电位器控制信号、频率选通信号以及频率合成器将原始电激励信号通过信号输出单元发送至与需要被选通的驱动单元，以使球面聚焦超声换能器按照预设发射区域发射超声波。

22、微控制器基于治疗指令确定多个治疗周期，每一治疗周期内球面聚焦超声换能器交替发射和停止，基于此，确定预设发射时间以及相邻的两个预设发射时间之间的预设间隔时间。在预设发射时间内，微控制器将电源选通信号和数字电位器控制信号通过信号输出单元发送至驱动单元。微控制器将频率选通信号，以及频率合成器将原始电激励信号通过信号输出单元发送至驱动单元。基于此，球面聚焦超声换能器在预设发射时间内发射超声波。在预设间隔时间内，微控制器终止将电源选通信号和数字电位器控制信号通过信号输出单元发送至驱动单元。微控制器终止将频率选通信号，以及频率合成器终止将原始电激励信号通过信号输出单元发送至驱动单元。基于此，球面聚焦超声换能器在预设间隔时间内终止发射超声波。

23、微控制器接收发射模式控制指令以产生发射模式控制信号，发射模式控制信号为使能信号，使能信号发送至复杂可编程逻辑器件，控制其内部的逻辑电路对频率信号源所产生的原始频率信号进行逻辑处理，以使原始频率信号产生连续模式或脉冲模式，实现发射模式的控制。

24、在预设发射区域、预设发射时间、预设间隔时间和发射模式确定的情况下，按照第二方面提供的控制方法控制球面聚焦超声换能器按照预设发射频率和预设发射剂量发射超声波。

25、第三方面，本发明还提供一种终端，包括处理器以及与处理器耦合的通信接口；所述处理器用于运行计算机程序或指令，以实现第二方面所述的球面聚焦超声换能器控制方法。

26、第四方面，本发明还提供一种治疗设备，所述治疗设备执行第二方面所述的球面聚焦超声换能器控制方法，或，所述治疗设备应用第一方面所述的球面聚焦超声换能器控制系统。

27、与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

28、第一，利用靶向组织数据(位置坐标、体积和距离表皮深度)能够确定治疗指令，最终用于控制换能器发射超声波的控制信号由上述治疗指令确定。为了优化治疗效果以及患者体验，在上述控制信号的控制下，换能器可以按照预设参数工作，预设参数具体可以包括预设发射区域、预设发射时间、预设间隔时间、预设发射模式、预设发射剂量和预设发射频率发出超声波。而上述预设参数可以由四个基础参数确定，即由原始电激励信号、电源选通信号、数字电位器控制信号和频率选通信号四个基础参数确定上述六个预设参数。基于此，具有采用较为简单的逻辑控制即可满足多样化的应用需求，不仅能够简化控制系统的结构、降低成本，而且能够提高控制系统以及治疗设备的适用性，以及优化治疗效果。

29、第二，电源芯片在电源选通信号的控制下产生直流电压，数字电位器在数字电位器控制信号的控制下调整其阻值大小，进而调整直流电压的大小，直流电压经谐振子电路斩波后形成近似正弦波，近似正弦波再经阻抗变换子电路变换为正弦波，具有正弦波形的电压即为换能器的激励电压，也即预设发射剂量。数字电位器、电源芯片、谐振子电路和阻抗变换子电路配合产生正弦波，不仅能够根据实际治疗需求方便调整(通过调整数字电位器阻值即可实现)，而且具有调整精度高的优点，经试验证实，其输出电压的精度可达到毫伏级。

30、第三，信号处理单元和驱动单元均能够采用较为简单的器件即可实现多样化的功能，不仅能够降低成本，而且还能降低信号传输过程中的漂移和损失，从而提高控制精度。