專利名稱：聚焦超聲治療組合陣元相控陣及多焦點剪切波成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學儀器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種聚焦超聲非侵入性外科手術(shù)治療
的設(shè)備，具體涉及一種組合陣元相控陣換能器，應(yīng)用于多焦點聚焦超聲治療和輻射力成
像激勵；以及采用該組合陣元相控陣換能器的多焦點平面剪切波成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
聚焦超聲手術(shù)(Focused ultrasound surgery, FUS)是將超聲能量聚焦在人體深部目 標組織，以達到精確選定熱損傷目標組織而絲毫不傷害臨近正常組織的治療方式，目前 主要應(yīng)用于腫瘤的非侵入性治療。聚焦超聲手術(shù)屬于治療超聲(Therapeutic ultrasound)的 高能量治療，治療超聲中較低能量的治療，如骨修復、超聲波導入(Sonophoresis)、聲致 穿孔(Sonoporation)和基因治療(Gene therapy)等的聚焦治療和生物效應(yīng)也是目前的國際前 沿研究。 在聚焦超聲治療的研究中，相控陣換能器作為治療的主要技術(shù)手段已得到基本 認可。相控陣比起單陣元有諸多優(yōu)勢，如(a)相控陣不僅能達到單陣元的焦點聲強， 更重要的是它具有電子控制焦點掃描；(b)相控陣適合靈活、多變的單焦點治療，以及同 時多點的聚焦模式同單陣元單焦點相比可增大單次治療的聚焦區(qū)體積，大大減少治療時 間，加快了聚焦超聲手術(shù)的治療速度；(c)相控陣可采用子陣方式有效避開一些聲傳播障 礙物進行無創(chuàng)治療，如避開肋骨的治療等；(d)相控陣可以校正由于超聲穿越顱骨時帶來 的焦點偏移和柵瓣。 為了獲得大的聲強增益， 一般采用具有幾何焦區(qū)的球冠(凹球面)作為相控 陣治療換能器的外形，陣元排布在球面上；陣元的形式有環(huán)形、圓形、矩形和扇蝸形 等形式。發(fā)明人Umemura、發(fā)明名稱為"Ultrasonic irradiation system"的美國專利
US4,865,042較早于1989年披露了球冠相控陣換能器，也就是球面環(huán)形相控陣和球面扇蝸 形相控陣；其控制驅(qū)動方式能夠產(chǎn)生焦平面上環(huán)形對稱分布的多焦點，而驅(qū)動方法只做 相位控制，即相角調(diào)制，而各陣元的幅度保持一樣。 在相控陣聚焦方法方面有以色列InSightec-TxSonics.Ltd.公司申請的專利名稱 為 "System and method for creating longer necrosed volumes using a phased array focused ultrasound"的美國專利US 6,613,004B1以及專利名稱為"利用相控陣聚焦超聲系統(tǒng)增加 壞死體積的系統(tǒng)和方法"的相應(yīng)的中國發(fā)明專利01813606.0，其中采用了全陣等幅和變 跡的聚焦方式交替工作，增大了相控陣聚焦超聲手術(shù)中組織損傷的治療體積，克服了僅 用變跡所生成的組織損傷體積易造成焦前區(qū)過熱的現(xiàn)象。以色列InSightec-TxSonics.Ltd. 公司的專利名稱是"減少相控陣聚焦系統(tǒng)中次熱點的系統(tǒng)和方法"的另一中國發(fā)明專利 01808265.3， 以及專禾U名稱是 "Systems and methods for controlling a phased array focused ultrasound system"的美國專利US 6,506,171B1和專利名稱是"用于控制相控陣聚焦超聲 系統(tǒng)的系統(tǒng)方法"的相應(yīng)的中國發(fā)明專利01819664.0，披露了在聚焦超聲發(fā)射時周期性 地變動發(fā)射頻率，實際上是增加驅(qū)動信號的帶寬，來有效地抑制聚焦超聲相控陣所產(chǎn)生的次焦點；還披露了在系統(tǒng)幅度和相位控制上采用數(shù)字電位器和數(shù)字合成法產(chǎn)生的正弦 波矢量作為相控陣的驅(qū)動信號的方法。 國內(nèi)相控陣的發(fā)明專利情況為上海交通大學申請的發(fā)明專利2007100451792、 專利名稱為"相控陣聚焦超聲多模式熱場形成方法"和發(fā)明專利ZL200610023637.8、 專利名稱為"相控陣聚焦超聲的大焦域形成方法"；兩發(fā)明專利中披露了采用圓形108 陣元安裝于球冠面的相控陣，工作方式采用旋轉(zhuǎn)交替焦點方式來均勻加熱和增加熱場 治療體積，焦點的控制是采用矩陣偽逆和熱場代價函數(shù)優(yōu)化的。陳亞珠等2006年公 開的發(fā)明專利，申請?zhí)?005101111028.3 "加熱深部腫瘤病灶的大焦域相控聚焦系統(tǒng)" 中披露相控陣系統(tǒng)通道相位和幅度控制方法和系統(tǒng)構(gòu)造。中國科學院申請的發(fā)明專利 200610114747.5，專利名稱為"一種相控聚焦超聲波源裝置"中披露了采用圓形陣元 安裝于球冠中的相控陣陣元結(jié)構(gòu)。西安交通大學的發(fā)明專利ZL200610096069.x、專利 名稱為"球面相控陣聚焦超聲換能器的聲場焦點模式驅(qū)動控制方法"，其中披露了常 規(guī)的球面換能器陣元中心對齊的矩形陣元分布方式，還披露了球面矩形陣元的聲場計算 并結(jié)合多焦點的遺傳算法優(yōu)化的模式控制方法進行3維多焦點的控制；另一發(fā)明專利 ZL200610096068.5、專利名稱為"上百陣元復合材料球面相控陣高強度聚焦超聲治療系 統(tǒng)"，其中披露了適合驅(qū)動大于100陣元的分層分布結(jié)構(gòu)的各對應(yīng)陣元通道相位和幅度獨 立控制的系統(tǒng)構(gòu)架和B超圖像引導的治療系統(tǒng)組成；該系統(tǒng)可實施相控陣的各3維焦點 模式的控制和手術(shù)過程的引導及治療規(guī)劃等。 目前，治療換能器的探頭尺寸一般較大，直徑約在3-20cm之間，為的是獲得大 的聲強增益；然而對相控陣換能器理論上要完全不產(chǎn)生柵瓣，則陣元中心間距(或陣元尺 寸)要等于或小于半個超聲波波長。由此推得對于大增益的治療換能器，就會要求陣元數(shù) 大于10000，因而隨之而來的驅(qū)動通道數(shù)也應(yīng)大于10000。對現(xiàn)有技術(shù)做上萬陣元相控陣 在技術(shù)上是可行的，但要上萬通道的驅(qū)動控制會開銷太大且過于復雜，是不可行的。一 般治療相控陣換能器的陣元尺寸都大于l個波長，矩形陣元尺寸約幾個波長，因此，焦 點掃描僅在幾何焦點的一個較小區(qū)域內(nèi)不會產(chǎn)生柵瓣，并且聲強符合治療要求，我們把 這個區(qū)域叫做焦點掃描區(qū)域(或叫焦區(qū))。對于相同直徑參數(shù)的換能器，陣元尺寸越小則 焦點掃描區(qū)域越大。對當前的高強度聚焦超聲(HIFU)治療和低強度聚焦超聲治療應(yīng)用需 求來說，希望有大的焦點掃描區(qū)、盡量少的驅(qū)動通道數(shù)，這樣可得到焦點電子掃描更大 的三維區(qū)域而無需附加機械掃描裝置。而常規(guī)的陣元中心對齊的換能器焦點掃描區(qū)域就 有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的就是提供一種組合陣元相控陣換能器，在不改變常規(guī)相控陣
換能器驅(qū)動通道數(shù)的情況下，通過新的組合陣元分布和相關(guān)驅(qū)動方式實現(xiàn)顯著擴大焦點
掃描區(qū)體積，以克服現(xiàn)有常規(guī)陣元中心對齊的換能器的焦點掃描區(qū)有限的不足。 本發(fā)明的另一個目的就是提供一種多焦點平面剪切波成像系統(tǒng)，將組合陣元相
控陣換能器擴大焦點掃描區(qū)體積的特性應(yīng)用于新的彈性成像中的聲輻射力激勵成像方式中。 為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
(l)—種組合陣元相控陣換能器，應(yīng)用于多焦點聚焦超聲治療和輻射力成像激 勵，其特征在于組合陣元是2X2或3X3基陣陣元以球面矩形形式分行緊湊布置而成， 每個組合陣元中的所有基陣陣元在電氣上并聯(lián)，共用一個功率驅(qū)動通道；相鄰組合陣元 的中心至少在一個方向上相互錯開一個基陣陣元距離，每一組合陣元對應(yīng)一個功率驅(qū)動 通道的相位和幅值。 技術(shù)方案(1)的進一步改進和特點在于換能器的球面中心有用于安裝治療時進 行圖像引導監(jiān)控的B超探頭孔；組合陣元對稱分布于球面上。這種組合陣元分布與驅(qū)動 方式在不增加有效工作陣元面積和不增加功率驅(qū)動通道的情況下，顯著擴大焦點掃描區(qū) 域；獲得比常規(guī)相控陣擴大約10倍的無柵瓣焦點掃描區(qū)域體積；獲得無柵瓣的多焦點分 布在比常規(guī)相控陣更大的半徑圓上。 對于驅(qū)動陣元尺寸大于半波長的相控陣要達到擴展無柵瓣焦點掃描區(qū)的目的， 可采用陣元中心錯開的陣元分布方式，它不僅對球面矩形相控陣適用，而且對其它陣元 和曲面的如扇蝸形和圓形等相控陣的分布同樣適用，這時錯開的方式不是行間，而是圓 環(huán)間。 (2)—種多焦點平面剪切波成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為兩路 一路是采用技術(shù)方案(l) 所述組合陣元相控陣換能器的多焦點輻射力剪切波激勵子系統(tǒng)，另一路是剪切波B超射 頻圖像獲取和剪切波彈性成像子系統(tǒng)；主控計算機控制激勵子系統(tǒng)與成像子系統(tǒng)的時序 控制，先將激勵信號按每個功率驅(qū)動通道所需的相位和幅值發(fā)送到分層分布控制器，通 過控制256通道功率驅(qū)動器驅(qū)動256組合陣元的各基陣陣元生成沿聲軸的多焦點的輻射 力剪切波；然后激勵子系統(tǒng)與成像子系統(tǒng)按發(fā)出的時序控制信號觸發(fā)剪切波振動的射頻 數(shù)據(jù)及圖像采集B超成像探頭將輻射力平面剪切波的振動位移通過全數(shù)字化B超，再 通過射頻數(shù)據(jù)得到剪切波振動的射頻序列圖像送到主控計算機，然后經(jīng)過實時處理剪切 波振動的射頻序列圖像得到組織剪切波傳播速度CT、剪切波彈性模量P和剪切粘性系數(shù) 112進行成像。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步詳細說明。 圖l作為參考，圖示為常規(guī)球面矩形陣元相控陣治療換能器的陣元結(jié)構(gòu)原理 圖，各陣元中心為對齊的排布，換能器外徑112mm、中心孔徑38mm、方形陣元寬 6.9mm、曲率半徑125mm、工作頻率1.3MHz ; 圖2是本發(fā)明組合陣元球面相控陣陣元排布結(jié)構(gòu)原理圖，圖示為1284-組合陣 元相控陣((a)為主視圖，(b)為俯視圖，換能器外徑112mm、中心孔徑38mm、曲率半徑 125mm、工作頻率1.3MHz， 612基陣，基陣陣元寬3.4mm); 圖3是本發(fā)明組合陣元球面相控陣陣元排布結(jié)構(gòu)原理圖，圖示為128 9-組合陣 元相控陣(換能器外徑112mm、中心孔徑38mm、曲率半徑125mm、工作頻率1.3MHz， 1516基陣，基陣陣元寬2.2mm); 圖4是圖l常規(guī)球面相控陣在焦點(O， 4.2， 125)mm處的聲強分布圖，(a)焦平 面聲強分布，(b)x-y平面聲強等高圖，(c)y投影面聲強分布； 圖5是本發(fā)明1284-組合陣元相控陣在焦點(0， 9， 125)mm處的聲強分布圖，(a)焦平面聲強分布，(b)x-y平面聲強等高圖，(c)y投影面聲強分布； 圖6是本發(fā)明1289-組合陣元相控陣在焦點(0， 9， 125)mm處的聲強分布圖，(a) 焦平面聲強分布，(b)x-y平面聲強等高圖，(c)y投影面聲強分布； 圖7(a)和(b)是圖1常規(guī)球面相控陣產(chǎn)生的適形"C"形(5焦點)焦點模式的聲 強分布圖，圖7(c)和(d)為本發(fā)明1284-組合陣元相控陣產(chǎn)生的適形"C"形(7焦點)焦 點模式的聲強分布比較圖； 圖8是本發(fā)明組合陣元相控陣產(chǎn)生的適形多焦點聲強分布，(a)是128-4組合陣元 相控陣產(chǎn)生的適形"C"形焦點模式的聲強等高圖，(b)是256 4-組合陣元相控陣產(chǎn)生的 適形"C"形焦點模式的聲強等高圖，(c)是256 4-組合陣元相控陣產(chǎn)生的13焦點"S" 形焦點模式的聲強等高圖，(d)是256 4-組合陣元相控陣產(chǎn)生的16焦點方形焦點模式的聲 強等高圖； 圖9是以本發(fā)明組合陣元治療相控陣激勵產(chǎn)生多焦點輻射力平面剪切波，與此 同時用全數(shù)字化B超獲取射頻圖像并得到剪切圖像的系統(tǒng)原理圖； 圖10是本發(fā)明2564-組合陣元相控陣在聲軸方向(聲傳播方向)產(chǎn)生多焦點輻射 力激勵平面剪切波的聲強等高圖(a)聲軸方向上兩分離焦點、(b)聲軸方向上兩緊湊焦 點、(c)聲軸方向上3分離焦點、(d)聲軸方向上兩對兩焦點加強型聲強等高圖；
圖11是本發(fā)明圖9激勵成像系統(tǒng)得到的組織中硬塊的剪切彈性模量參數(shù)圖像。
具體實施例方式
—般情況下，如發(fā)明專利ZL200510096069.x和ZL200510096068.5采用的陣元分 布見圖l(我們稱為常規(guī)陣元分布)，相鄰兩行的陣元2中心對齊。過于整齊的陣元排布 可能是易產(chǎn)生柵瓣的根源之一。對于2維圓形陣元以往有一些辦法如隨機分布陣元或采 取稀疏陣來抑制柵瓣，這樣做會增大換能器的聲窗面積。本發(fā)明專利采用緊湊的陣元分 布不會增加聲窗面積，具體的思路是采用組合陣元中心不對齊而錯開分布的方式，這樣 的結(jié)果可擴大無柵瓣的區(qū)域體積。 本發(fā)明的具體實施方式
(l)見圖2，換能器3的外徑112mm、中心孔徑38mm、 曲率半徑125mm、工作頻率1.3HMz，為了方便對比，圖2的這些參數(shù)和圖1完全一樣。 圖1陣元寬度6.9mm、共128陣元。在圖2中先將圖1換能器的每一個陣元劃分為4個 陣元，做成一個612陣元的基陣，基陣陣元寬度3.4mm;然后將相鄰的4個陣元(基陣陣 元)組合成l個組合陣元，稱為4-組合陣元4，即2X2陣元組合陣元，每個組合陣元4 的中心用小圓點標出(見圖2) ; 1個組合陣元的4個陣元在電氣連接上是并聯(lián)的由一個通 道驅(qū)動，也就是1個4-組合陣元由1個通道的相位和幅度信號驅(qū)動。最重要的分布是相 鄰兩行的組合陣元中心不是對齊的，而是移動了(錯開)1個基陣的位置(見圖2)，這樣的 組合陣元分布是能擴展掃描焦點區(qū)的主要因素；總的4-組合陣元數(shù)是128，稱1284-組合 陣，用128通道功率驅(qū)動器驅(qū)動(同圖1的128通道功率驅(qū)動數(shù)相同)，圖2中中心孔5用 于安裝B超探頭，128驅(qū)動信號從接頭6連到換能器組合陣元。本發(fā)明的具體的實施方式(2)見圖3，換能器3的外徑112mm、中心孔徑38mm、 曲率半徑125mm、工作頻率1.3HMz，為了方便對比，圖3的這些參數(shù)和圖2、圖1完全 一樣。在圖3中先將圖1換能器的每一個陣元劃分為9個陣元，做成一個1516陣元的基
6陣，基陣陣元寬度2.2mm ;然后將相鄰的9個陣元(基陣陣元)組合成1個組合陣元，稱 為9-組合陣元，即3X3陣元組合陣元，每個組合陣元的中心用小圓點標出(見圖3); 1 個組合陣元的9個陣元在電氣連接上是并聯(lián)的由一個通道驅(qū)動，也就是1個9-組合陣元 由1個通道的相位和幅度信號驅(qū)動。與128 4-組合陣一樣，相鄰兩行的組合陣元中心移 動(錯開)1個基陣的位置(見圖3)，因而能擴展掃描焦點區(qū)；總的9-組合陣元數(shù)是128， 稱1289-組合陣，用128通道功率驅(qū)動器驅(qū)動。 在現(xiàn)有高技術(shù)條件下，可在1-3壓電材料球殼上分(切)割出較小的整齊緊湊分 布相同尺寸的矩形基陣，再由相鄰基陣陣元組合成組合陣元。 組合陣的多焦點模式驅(qū)動控制方法同常規(guī)相控陣的驅(qū)動控制方法一樣每一組 合陣元對應(yīng)一個通道的相位和幅值，128個通道的幅值和相位要能夠獨立控制。采用授 權(quán)的發(fā)明專利ZL200510096096.x的球面陣元聲場計算聯(lián)合該專利的遺傳算法多焦點優(yōu)化 的聯(lián)合算法逆向得到所設(shè)計的多焦點模式所對應(yīng)的各陣元驅(qū)動信號的相位和幅值進行控 制。 以下關(guān)于聲場結(jié)果的實施條件為相控陣換能器施加的總聲功率為200W、組織 聲衰減系數(shù)0.02Np/cm/MHz。 對于圖1的對齊方式常規(guī)陣，我們可得到單焦點3維掃描的無柵瓣區(qū)域為徑 向8.4mm、軸向18mm，也就是無柵瓣焦點掃描區(qū)體積為8.4X8.4X 18mm3，圖 4示出常規(guī)球面相控陣在極限位置焦點(0， 4.2， 125)mm處的聲強分布圖，焦點尺寸 1.75X 1.75X 18mm3 ;這些結(jié)果將作為后面實施例結(jié)果的對照。
實施例1 : 對于圖2本發(fā)明的球面1284-組合陣元相控陣，在與圖1的128通道驅(qū)動數(shù)、 換能器外徑、曲率半徑和頻率完全一樣的情況下得到單焦點3維掃描的無柵瓣區(qū)域 為徑向18mm、軸向40mm，無柵瓣焦點掃描區(qū)體積為18X18X40mm3，圖5示 出1284-組合球面相控陣在極限位置焦點(0， 9， 125)mm處的聲強分布圖，焦點尺寸 1.75X 1.75X 18mm3。 因而得到的結(jié)論是128 4-組合陣3(圖2)可以獲得比常規(guī)陣(圖l)擴大約10倍
的無柵瓣焦點掃描區(qū)域體積。
實施例2 : 對于圖3本發(fā)明的球面128 9-組合陣元相控陣，在與圖1的128通道驅(qū)動數(shù)、 換能器外徑、曲率半徑和頻率完全一樣的情況下得到單焦點3維掃描的無柵瓣區(qū)域 為徑向18mm、軸向40mm，無柵瓣焦點掃描區(qū)體積為18X18X40mm3，圖6示 出1289-組合球面相控陣在極限位置焦點(0， 9， 125)mm處的聲強分布圖，焦點尺寸 1.75X 1.75X 18mm3，焦點峰值比128 4-組合陣略高。 因而得到的結(jié)論是128 9-組合陣3(圖3)同樣可以獲得比常規(guī)陣(圖1)擴大約 10倍的無柵瓣焦點掃描區(qū)域體積。 雖然128 4-組合陣和128 9-組合陣能獲得相同的擴大約10倍的無柵瓣焦點掃描 區(qū)域體積，但因為4-組合陣的制作比9-組合陣在技術(shù)上相對簡單，所以推薦4-組合陣的 分布驅(qū)動方式。
實施例3:
由于組合陣可擴展焦點掃描區(qū)域，所以在多焦點模式上可安排焦點間的間距更 大些(比常規(guī)陣的)。圖7展示了 128 4-組合陣(圖2)多焦點聲強分布與常規(guī)陣(圖1的) 的對比；相控陣的優(yōu)勢是可以同時多焦點，在圖7中展示了適形多焦點"C"形焦點模 式的聲強分布圖，這種適形多焦點模式可以用于手術(shù)中繞過重要的神經(jīng)或血管進行高效 適形治療。圖7(a)和(b)是常規(guī)陣(圖1)5焦點"C"形焦點模式的聲強分布，5焦點分 布在較小半徑R = 2.7mm的圓上；圖7(c)和(d)是128 4-組合陣(圖2)7焦點"C"形 焦點模式的聲強分布，7焦點分布在較大半徑R二4.8mm的圓上；圖示聲學特性均無柵 瓣。多焦點的控制方法是先設(shè)計多焦點的焦平面和焦平面上多焦點的位置，然后用球面 陣元聲場計算聯(lián)合遺傳算法多焦點優(yōu)化的結(jié)合算法逆向得到所設(shè)計的多焦點模式所對應(yīng) 的各陣元驅(qū)動信號的相位和幅值進行控制。這些方法可參考已授權(quán)的專利名稱為"球面 相控陣聚焦超聲換能器的聲場焦點模式驅(qū)動控制方法"的發(fā)明專利ZL200610096069.x， 故不再重復，這里要強調(diào)的是本發(fā)明專利最顯著的特點-組合陣和其陣元中心錯開的分布 形式。 實施例4 : 我們進一步做256 4-組合陣(未給出圖，結(jié)構(gòu)同圖2相同)，基陣陣元寬2.6mm， 其它參數(shù)和圖2相同；2564-組合陣能產(chǎn)生更靈活多變的多焦點。2564-組合陣無柵瓣焦 點掃描區(qū)體積為34X34X46mm3。圖8(a)是128 4-組合陣(圖2)7焦點"C"形焦點模 式的聲強分布，7焦點分布在半徑R二4.8mm的圓上；與圖8(a)形成對比的是圖8(b)為 2564-組合陣9焦點"C"形焦點模式的聲強分布，9焦點分布在更大的半徑R二 7.5mm 的圓上。圖8(c)顯示2564-組合陣可產(chǎn)生多達13焦點的"S"形焦點模式和(d)產(chǎn)生多 達16焦點的方形焦點模式，方形適形多焦點模式適合由點、線、面組合的治療，治療中 大體積焦點區(qū)重疊最少且焦點(損傷區(qū))邊沿光滑。圖示均無柵瓣。
實施例5 : 其實采用組合陣元分布結(jié)構(gòu)，原本是為聚焦超聲治療中擴大電子掃描的3維焦 區(qū)而創(chuàng)建的；而治療損傷的監(jiān)控中如果用2維組合陣元的分布結(jié)構(gòu)換能器作為成像激勵 將是創(chuàng)新的應(yīng)用。而本發(fā)明正是要披露用組合陣元相控陣產(chǎn)生沿聲軸方向的多焦點輻射 力平面剪切波及輻射力剪切波成像方法。因為輻射力成像尚屬最新和前沿的研究，到 目前僅見到披露單焦點輻射力成像，同時也沒有治療換能器同時兼兩職治療和監(jiān)控激 勵。利用組合陣元相控陣作為輻射力剪切波的激勵會具有優(yōu)越性以往在治療中如發(fā)明 專利ZL200510096069.x和ZL200510096068.5披露的相控陣的多焦點是分布在一個焦平 面上，而不是布置在聲軸方向(聲傳播方向)的；這是由于聲軸方向的聲衰減和組織變性 對波束會有影響。本發(fā)明輻射力剪切波的激勵是需要相控陣產(chǎn)生沿聲軸方向的同時兩焦 點和多焦點方式； 一般沿聲軸方向焦點尺寸較徑向的大(橢球長軸)如徑向l-2mm、軸向 6-12mm，這意味著軸向多焦點的間距會較大，這就要求相控陣的無柵瓣焦點掃描范圍要 大，用常規(guī)相控陣就要求陣元通道數(shù)要多，這在現(xiàn)有技術(shù)下是受限制的；所以本專利采 用了組合陣元相控陣以期在盡可能少的通道驅(qū)動情況下獲得大的無柵瓣焦點掃描區(qū)，實 現(xiàn)無柵瓣大間距軸向多焦點的輻射力激勵。 聲輻射力彈性成像是新近發(fā)展的渴望能應(yīng)用于高強度聚焦超聲治療損傷檢測、 腫瘤和病變檢測的方法；而聚焦于深部的聲輻射力的動態(tài)響應(yīng)可以實時、精確、非侵入地探測到深部定點的彈性信息；進一步地輻射力剪切波可以用于檢測深部組織的粘彈
性，特別是剪切波的線性特性便于實時重構(gòu)彈性參數(shù)圖像，因而具有重要意義。 圖9主要是用于產(chǎn)生多焦點平面剪切波和剪切波成像的系統(tǒng)。本發(fā)明(見圖9
左)用2564-組合陣3產(chǎn)生沿聲軸(z軸)方向的二焦點8，此二焦點輻射力在組織感興趣區(qū)
產(chǎn)生平面剪切波的波陣面7 ; B超成像探頭13的成像面處在與剪切波陣面平行的位置，
因此剪切波的振動位移估計是一維的。 輻射力剪切波成像是脈沖響應(yīng)成像， 一般脈沖激勵需多個脈沖，脈沖持續(xù)約 100 iis， 400個脈沖，方可產(chǎn)生所需的大于10iim的剪切波幅度。激勵脈沖信號18有兩 種波形 一種是100iis脈沖波形，另一種是脈沖調(diào)幅波形，脈沖調(diào)幅波有利于分離剪切 波成像的粘性和彈性特性。輻射力剪切波成像系統(tǒng)(圖9)分為兩路 一路是組合陣多焦 點輻射力剪切波激勵子系統(tǒng)，另一路是剪切波B超射頻圖像獲取和剪切波彈性成像子系 統(tǒng)；兩路均由主控計算機ll控制；主控計算機11控制激勵與成像時序控制12，先將激 勵信號發(fā)送到控制分層分布控制器10，按每個通道所需的相位和幅值控制256通道功率 驅(qū)動器9驅(qū)動256 4-組合陣3的各陣元生成沿聲軸方向的多焦點8的輻射力剪切波7 ;然 后激勵與成像時序控制12按發(fā)出的時序信號觸發(fā)剪切波振動的射頻數(shù)據(jù)及圖像采集B 超成像探頭13將輻射力平面剪切波的振動位移通過全數(shù)字化B超14，再通過射頻數(shù)據(jù)及 高速圖像處理15得到的剪切波振動的射頻序列圖像送到主控計算機11，然后經(jīng)過實時處 理剪切波振動的射頻序列圖像16得到組織剪切波傳播速度CT、剪切波彈性模量y和剪切 粘性系數(shù)P 2等的成像17。其中實時剪切波數(shù)據(jù)的依據(jù)如下 聚焦輻射力能夠產(chǎn)生剪切波，剪切波速遠比縱波波速(1500m/s)慢，在生物組織 中剪切波速為l-5m/s，所以剪切波易測到，在純彈性介質(zhì)中剪切彈性模量P和剪切波速 CT的關(guān)系如下式 <formula>formula see original document page 9</formula> [OO52]剪切彈性模量可以用Fourier變換(頻域)估計出為下式<formula>formula see original document page 9</formula>
此式就是剪切彈性模量成像參數(shù)重構(gòu)的計算方法。 用脈沖調(diào)幅波可以分離出剪切波成像的粘性系數(shù)，依據(jù)下式 <formula>formula see original document page 9</formula> 其中h是剪切模量，P2是剪切粘性系數(shù)。 法國巴黎大學的J.Bercoff， M.Tanter， and M.Fink在2004年發(fā)表了著名的文 章〃 Supersonic shear imaging : a new technique for soft tissue elasticity mapping, 〃 正EE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Contr.， vol.51， pp.396-409， 2004，該文章披露用單焦點 超剪切波速(5m/s)沿聲軸移動產(chǎn)生具有Mach錐的錐面剪切波，稱為SSI(supersonic shearimaging)超聲速剪切波成像。本發(fā)明的最主要特征是沿聲軸的同時多焦點的平面剪切波 的生成，克服了 SSI中Mach錐剪切波需專門傾斜成像的缺陷，再有多焦點的平面剪切波 的激勵采用的是組合陣形式。 實際上要在聲軸上產(chǎn)生同時多焦點而不產(chǎn)生柵瓣難度較大，主要是焦點在聲軸 方向尺寸大，所以分開的兩焦點間距要大于18mm，這就是為什么要用2564-組合陣3的 原因。圖10是用2564-組合陣3產(chǎn)生的沿聲軸的多焦點聲強等高圖，圖中紅直線是多焦 點輻射力平面剪切波的波陣面也是成像面的示意；圖10(a)聲軸上兩分離焦點、(b)聲軸 上兩緊湊焦點、(c)聲軸上3分離焦點、(d)聲軸上兩對兩焦點加強型聲強等高圖，圖示均 無柵瓣。 圖11是輻射力剪切波的剪切彈性模量參數(shù)圖像，圖中顯示的是瓊脂組織仿體中 有組織硬物的實時剪切彈性模量圖像。
權(quán)利要求
一種組合陣元相控陣換能器，應(yīng)用于多焦點聚焦超聲治療和輻射力成像激勵，其特征在于組合陣元是2×2或3×3基陣陣元以球面矩形形式分行緊湊布置而成，每個組合陣元中的所有基陣陣元在電氣上并聯(lián)，共用一個功率驅(qū)動通道；相鄰組合陣元的中心至少在一個方向上相互錯開一個基陣陣元距離，每一組合陣元對應(yīng)一個功率驅(qū)動通道的相位和幅值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合陣元相控陣換能器，其特征在于組合陣元對稱分布 于球面上；換能器的球面中心有用于安裝治療時進行圖像引導監(jiān)控的B超探頭孔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合陣元相控陣換能器，其特征在于在不增加有效工作 陣元面積和不增加功率驅(qū)動通道的情況下，獲得比常規(guī)相控陣擴大約io倍的無柵瓣焦點 掃描區(qū)域體積。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的組合陣元相控陣換能器，其特征在于獲得無柵瓣的多焦 點分布在比常規(guī)相控陣更大的半徑圓上。
5. —種多焦點平面剪切波成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為兩路 一路是采用權(quán)利要求l所述 組合陣元相控陣換能器的多焦點輻射力剪切波激勵子系統(tǒng)，另一路是剪切波B超射頻 圖像獲取和剪切波彈性成像子系統(tǒng)；主控計算機控制激勵子系統(tǒng)與成像子系統(tǒng)的時序控 制，先將激勵信號按每個功率驅(qū)動通道所需的相位和幅值發(fā)送到分層分布控制器，通過 控制256通道功率驅(qū)動器驅(qū)動256組合陣元生成沿聲軸的多焦點輻射力剪切波；然后激 勵子系統(tǒng)與成像子系統(tǒng)按發(fā)出的時序控制信號觸發(fā)剪切波振動的射頻數(shù)據(jù)及圖像采集 B超成像探頭將輻射力平面剪切波的振動位移通過全數(shù)字化B超，再通過射頻數(shù)據(jù)得到剪 切波振動的射頻序列圖像送到主控計算機，然后經(jīng)過實時處理剪切波振動的射頻序列圖 像得到組織剪切波傳播速度CT、剪切波彈性模量P和剪切粘性系數(shù)i^進行成像。
全文摘要
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學儀器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種聚焦超聲非侵入性外科手術(shù)治療的聚焦超聲治療組合陣元相控陣及多焦點剪切波成像系統(tǒng)，具體公開了一種組合陣元相控陣換能器，應(yīng)用于多焦點聚焦超聲治療和輻射力成像激勵；以及采用該組合陣元相控陣換能器的多焦點平面剪切波成像系統(tǒng)。組合陣元相控陣換能器中，組合陣元是2×2或3×3基陣陣元以球面矩形形式分行緊湊布置而成，每個組合陣元中的所有基陣陣元在電氣上并聯(lián)，共用一個功率驅(qū)動通道；相鄰組合陣元的中心至少在一個方向上相互錯開一個基陣陣元距離，每一組合陣元對應(yīng)一個功率驅(qū)動通道的相位和幅值，可以顯著擴大焦點掃描區(qū)域。
文檔編號A61B18/04GK101690677SQ20091002428
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月13日
發(fā)明者萬明習, 陸明珠 申請人:西安交通大學