專利名稱：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
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域，涉及聚焦超聲換能器的控制方法，具體涉及一種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，該方法能夠?qū)η蛎嫦嗫仃嚲劢钩晸Q能器的聲場的三維單焦點、三維多焦點、組合切換焦點等進行控制。
背景技術(shù)：
高強度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)是將超聲能量聚焦在人體深部目標組織，達到精確熱損傷選定目標組織而絲毫不傷害臨近正常組織的治療，現(xiàn)稱為聚焦超聲手術(shù)(Focused Ultrasound Surgery，F(xiàn)US)。
HIFU換能器有單陣元換能器和相控陣換能器兩種形式。在HIFU治療中HIFU換能器及其波束合成甚為重要。相控陣聚焦超聲換能器可產(chǎn)生適合治療的靈活多變的單焦點和同時多點的聚焦模式，同單陣元換能器產(chǎn)生的單焦點相比，多點聚焦可增大單次治療聚焦體積，大大減少了治療時間，加快了超聲手術(shù)的治療速度。
相控陣聚焦超聲換能器有平面式、凹面式、有聲透鏡形式；陣元的形狀有圓形、矩形、柱形、園環(huán)形和扇蝸形等樣式。授權(quán)的美國專利4,865,042，發(fā)明人Umemura，發(fā)明名稱為“Ultrasonic irradiaion system”是較早于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)生焦平面的環(huán)形分布的多焦點，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以色列InSightec-TxSonics，Ltd.公司申請的美國專利US 6,613,004B1，申請日2003年4月，專利名稱“System andmethod for creating longer necrosed volumes using a phased array focusedultrasound”，相應(yīng)的中國發(fā)明專利01813606.0，專利名稱是“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”，其中采用了全陣等幅和變跡的聚焦方式交替工作實現(xiàn)了相控陣聚焦超聲手術(shù)中組織損傷，克服了僅用變跡所生成的組織損傷體積易造成焦前區(qū)過熱現(xiàn)象。以色列InSightec-TxSonics，Ltd.公司的另一美國專利S/N 09/556,095，專利名稱“Systems andmethods for reducing secondary hot spots in a phased array focused ultrasoundsystem”，相應(yīng)的中國發(fā)明專利01808265.3，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”；其中采用了聚焦超聲發(fā)射時周期性變動發(fā)射頻率，實際上是增加驅(qū)動信號的帶寬，來有效地抑制環(huán)形聚焦超聲相控陣所產(chǎn)生的次焦點。
一般環(huán)形相控陣易產(chǎn)生次焦點，上述專利減少次熱點就是針對這一情況的方法，若采用矩形相控陣元形式就可以克服這一不足。以上提及的專利運用環(huán)狀陣相角調(diào)制方法能夠產(chǎn)生焦平面的環(huán)形分布的多焦點，而不能產(chǎn)生非軸對稱的多焦點，因而不能形成三維空間的多焦點掃描。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上所述環(huán)形相控陣系統(tǒng)和方法存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種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，使上百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器產(chǎn)生多樣的三維單焦點和三維多焦點模式，使單次治療的體積比單陣元的大、效率更高。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種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，其特征在于，該方法包括下列步驟1)首先在工作頻率為0.5MHz～4MHz的球面相控陣聚焦超聲換能器上設(shè)置一個百通道功率驅(qū)動器，百通道功率驅(qū)動器的驅(qū)動通過一個分層分布控制器控制；分層分布控制器與主控計算機相連接；2)主控計算機內(nèi)設(shè)置有球面矩形相控陣的聲場計算方法和相控陣多點聚焦模式遺傳算法，通過上述算法的結(jié)合能夠設(shè)計球面相控陣的三維空間多焦點模式，每一種模式加上位置信息所對應(yīng)一組驅(qū)動信號；驅(qū)動信號由一組幅值信號和一組相位信號組成，幅值信號對應(yīng)向量中分量的幅值，相位信號對應(yīng)向量中分量的相角，將所有經(jīng)優(yōu)化算法得到相關(guān)聲場模式的驅(qū)動信號做成聚焦模式庫存于分層分布控制器的存儲器中，根據(jù)控制要求，在手術(shù)中調(diào)用相應(yīng)結(jié)果進行控制；3)當(dāng)主控計算機將命令和治療數(shù)據(jù)發(fā)送給分層分布控制器，由分層分布控制器即時提取對應(yīng)聲場焦點模式的驅(qū)動信號并且轉(zhuǎn)化成包含各通道相位、幅值信息的電信號，驅(qū)動百通道功率驅(qū)動器工作；4)球面相控陣聚焦超聲換能器對百通道功率驅(qū)動器的要求是，每一陣元要對應(yīng)一個通道的功率控制，因此百陣元HIFU相控陣要求百通道功率驅(qū)動器驅(qū)動發(fā)射超聲波。
本發(fā)明的方法用于百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器和相應(yīng)分層分布控制器能產(chǎn)生適合腫瘤治療的三維單焦點、三維多焦點、組合切換焦點及子陣單焦點和多焦點模式，比現(xiàn)有的相控陣僅有環(huán)型多焦點的控制方法先進，多焦點形成的大焦點比現(xiàn)有單陣元單焦點單次治療的體積大、效率更高，而子陣焦點模式能避開肋骨遮擋進行聚焦超聲無創(chuàng)手術(shù)。


圖1是應(yīng)用本發(fā)明控制方法的裝置連接原理圖；圖2是百陣元HIFU球面相控陣換能器形狀示意圖；圖3是遺傳算法多點聚焦模式優(yōu)化程序流程圖；圖4是用本發(fā)明控制方法得到的百陣元HIFU球面相控陣軸上單焦點模式的聲場性能，其中，a是軸上單焦點聚焦平面聲強分布，b是軸上單焦點x-y平面的聲強等高圖，c是軸上單焦點x投影面聲強分布，d是軸上單焦點x-z平面的聲強等高圖；圖5是用本發(fā)明控制方法得到的百陣元HIFU球面相控陣離軸單焦點模式的聲場性能，其中，a是離軸單焦點聚焦平面聲強分布，b是離軸單焦點x-y平面的聲強等高圖，c是離軸單焦點x投影面聲強分布，d是離軸單焦點x-z平面的聲強等高圖；圖6是用本發(fā)明控制方法得到的百陣元HIFU球面相控陣軸對稱6焦點形成的大焦點模式的聲場性能，其中，a是對稱6焦點大焦點模式的聚焦平面聲強分布，b是6焦點x-y平面的聲強等高圖，c是6焦點x-z平面的聲強等高圖；圖7是用本發(fā)明控制方法得到的百陣元HIFU球面相控陣軸對稱6焦點形成的緊湊焦點模式的聲場性能，其中，a是6緊湊焦點焦平面聲強分布，b是6緊湊焦點x-y平面的聲強等高圖；圖8是用本發(fā)明控制方法得到的百陣元HIFU球面相控陣非軸對稱4焦點形成的大焦點的模式聲場性能，其中，a是4焦點焦平面聲強分布，b是4焦點x-y平面的聲強等高圖；圖9是用本發(fā)明控制方法驅(qū)動的百陣元球面HIFU相控陣兩個焦點模式的組合切換焦點模式圖，其中，a是軸對稱6焦點形成的大焦點模式，b是軸上單焦點模式，c是a和b兩焦點模式組合切換形成的無過冷點的大焦點；圖10是百陣元HIFU球面相控陣的一種半陣子陣劃分示意圖；圖11是為圖10 HIFU相控陣半陣軸上單焦點模式的聲場性能，其中，a是焦平面聲強分布，b是x-z平面的聲強等高圖，c是x投影面聲強分布，d是y投影面聲強分布；圖12是圖10 HIFU相控陣半陣的對稱2焦點模式聲場性能，其中，a是焦平面聲強分布，b是y投影面聲強分布。
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。
具體實施例方式
參見圖1，聚焦超聲治療系統(tǒng)中采用的是百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器2，其驅(qū)動控制通過分層分布控制器4控制百通道功率驅(qū)動器3來實現(xiàn)，本發(fā)明的控制方法即用于分層分布控制器4對百通道功率驅(qū)動器3的控制。當(dāng)主控計算機5將命令和治療數(shù)據(jù)發(fā)送給分層分布控制器4，分層分布控制器4根據(jù)該控制方法控制百通道功率驅(qū)動器3實現(xiàn)百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器2的驅(qū)動，使之產(chǎn)生適合腫瘤治療的三維單焦點、三維多焦點、組合切換焦點及子陣單焦點和多焦點的聲場模式。
本發(fā)明的控制方法適用于百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器2及百通道功率驅(qū)動器3，百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器2的材料可以是壓電復(fù)合材料(Piezocomposite)或壓電陶瓷PZT，其球面矩形陣元結(jié)構(gòu)如圖2所示，每一陣元6的投影是等面積的矩形，矩形陣元的結(jié)構(gòu)排布緊湊，而且矩形陣元尺寸可做得較大，可超過3倍波長，所形成的聲場波形好、旁瓣小、焦點外無不希望的聲壓波動。球面相控陣聚焦超聲換能器2的工作頻率為0.5-4MHz。百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器2的球面矩形陣元結(jié)構(gòu)是2D陣形式，理論上2D陣能產(chǎn)生3D的焦點形式，可進行3D空間的焦點掃描，本發(fā)明的控制方法就是要提供可生成3D焦點形式的控制方法，即球面矩形相控陣的聲場計算方法和適合任何相控陣多點聚焦模式設(shè)計的遺傳算法聲場優(yōu)化方法。
首先簡述球面矩形相控陣的聲場計算方法。
設(shè)陣元寬度為Δw，陣元高度為Δh，面積ΔA，xyz坐標系的建立為原點在球冠的頂點，波束方向為z軸。經(jīng)嚴格的推導(dǎo)簡潔、精確的球面相控陣元聲場計算公式如下式P=jρck2πΣn=1NunR2ΔAR′e-(a+jk)R1sinckx1Δw2Rsincky1Δh2R---(1)]]>
式中復(fù)數(shù)聲壓P(x，y，z)，j=-1,]]>ρ和c分別是介質(zhì)的密度和聲速，k＝ω/c是波數(shù)，N為陣元數(shù)，un是第n個陣元表面質(zhì)點速度作為陣元驅(qū)動信號；其中各參數(shù)的計算為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)式是在采用了三種推導(dǎo)方法如將曲面積分轉(zhuǎn)換為平面的投影平面積分、建立平移的坐標系和采用二項展開的方法推導(dǎo)出來的。式(1)適合計算遠場聲壓，也就是計算的聲壓點距換能器的距離遠大于陣元尺寸。
下面是相控陣多焦點模式遺傳算法。
遺傳算法(Genetic Algorithm，GA)是模擬達爾文的遺傳選擇和自然淘汰的生物進化過程的計算模型。它是一類借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機制的隨機化搜索方法。與傳統(tǒng)的單點或單線搜索解的方法不同，遺傳算法是在解空間并行搜索，因而可以獲得全局最優(yōu)解。遺傳算法已經(jīng)成為科學(xué)、工程、經(jīng)濟等諸多領(lǐng)域搜索最優(yōu)解的理想工具。遺傳算法的每一代過程都包含評估、繁衍、重組和變異四個步驟。
相控陣的聲場聲壓的矩陣表達為如下如果聲源是由N個陣元組成，控制點M的聲壓P(rm)可設(shè)定為已知則
p(rm)=iρck2πΣn=1Nun∫Sn′e-ik|rm-rn′||rm-rn′|dSn′---(8)]]>m＝1，2，……，M.
寫成矩陣形式HMuN＝PM(9)uN是陣元的驅(qū)動復(fù)數(shù)向量uN＝[u11，u22，…，uNN]τ。向量PM是設(shè)定的控制點的復(fù)數(shù)聲壓向量PM＝[pM(r1)，pM(r2)…pM(rM)]τ，HM是前向傳輸算子HM(m,n)=iρck2π∫Sn′e-ik|rm-rn′||rm-rn′|dSn′---(10)]]>用矩陣方法可逆向求得驅(qū)動向量uN＝[u11，u22，…，uNN]τ為uN=HM*τ(HM··HM*τ)-1PM---(11)]]>在開始描述遺傳算法的步序之前，首先定義遺傳算法中十分重要的兩個要素；一個是染色體，另一個是適應(yīng)度函數(shù)。
在遺傳操作中，染色體也稱為個體，代表了可能的解。染色體通常表示成經(jīng)過編碼的基因串結(jié)構(gòu)。在我們的遺傳構(gòu)造中，染色體是由2進制串構(gòu)成，其中各基因位是由編碼的各參數(shù)或變量串接組成。將PM向量的各相角θ(K)取為串長為8的基因片段(符合數(shù)字控制相位的精度)，PM相角的總串長為8×M位二進制串作為編碼后的個體(染色體)。經(jīng)編碼后遺傳空間規(guī)模|SN|＝28×M。
適應(yīng)度函數(shù)是用來檢測評估當(dāng)前的染色體優(yōu)劣的函數(shù)。在遺傳算法的進化搜索中適應(yīng)度函數(shù)是重要的和唯一的衡量解的優(yōu)化程度的指標。在我們遺傳優(yōu)化控制中以聲強增益作為適應(yīng)度函數(shù)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。在遺傳搜索中，每一相角θ(k)是變量，那么搜索適應(yīng)度函數(shù)最大值Fitmax.所對應(yīng)的一個[θ(M)，θ(M-1)，…θ(2)，θ(1)]即是最優(yōu)解。
標準遺傳算法的過程示于圖3。遺傳算法起始于隨機產(chǎn)生的初始種群，初始種群也就是一組染色體或稱個體，也是一組可能的解，其后的一代一代進化，其種群也就是解，就朝著最優(yōu)解方向改進。
在產(chǎn)生新的一代的進程中，第一步就是依據(jù)計算所得的適應(yīng)度函數(shù)Fit{(θ)n}評估當(dāng)前染色體，見圖3。然后，復(fù)制若干適應(yīng)度函數(shù)最好的個體到下一代。
隨后的幾步，就是進化為新的一代時采用相應(yīng)的選擇、交叉、變異的遺傳操作。
從群體中選擇優(yōu)勝個體，淘汰劣質(zhì)個體的操作叫選擇。在我們的遺傳算法優(yōu)化控制中的選擇步序中，采用的是適應(yīng)度比例(fitness proportionalmodel)方法，也稱為輪盤賭選擇。群體中個體的選擇概率P{(θ)n}和其適應(yīng)度成比例，定義為下式P{(θ)ii}=Fit{(θ)ii}Σii=1LFit{(θ)ii}---(13)]]>其中L是種群規(guī)模。
交叉是指把兩個父代個體的部分結(jié)構(gòu)重組而生成新的個體的操作。遺傳算法的并行搜索能力既是體現(xiàn)在交叉操作中。在交叉步序中，交叉點是隨機選取的，交叉所產(chǎn)生后代的數(shù)量取決于交叉概率。
變異個體是從選擇步序中隨機選擇一個個體，在個體串中變異點的位置(基因座)是隨機選定的。變異在種群中隨機地注入新的信息維持了種群的多樣性，防止出現(xiàn)末成熟收斂。變異產(chǎn)生的后代數(shù)量取決于變異概率。
新的一代包含見圖3若干最好個體復(fù)制、一定數(shù)量依據(jù)選擇概率選擇的個體、一定數(shù)量依據(jù)交叉概率所得交叉后代、若干依據(jù)變異概率所得變異后代。一代一代的繁衍一直進行直到停止準則滿足；停止準則是尋到最優(yōu)解或已達最大代數(shù)限定值。最優(yōu)解[θ(M)，θ(M-1)，…θ(2)，θ(1)]和設(shè)定的PM幅值組成PM向量再用式(11)可逆向求得對應(yīng)聚焦點的驅(qū)動向量uN。
用本發(fā)明的遺傳算法可對任何形式的相控陣進行焦點位置和焦點峰值設(shè)計，在用了遺傳算法后得到對應(yīng)聚焦點設(shè)計的驅(qū)動向量uN。
本發(fā)明的球面矩形相控陣的聲場計算方法和相控陣多點聚焦模式遺傳算法結(jié)合可以設(shè)計球面相控陣的三維空間多焦點模式。所謂聲場計算方法和相控陣遺傳算法結(jié)合就是在遺傳算法流程的適應(yīng)度函數(shù)Fit的計算中(參見圖3)根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)的定義式(12)，其中的聲壓PM和前向傳輸算子HM的計算就用本發(fā)明球面矩形相控陣的聲場計算式子(1)。
為適應(yīng)不同尺寸的腫瘤治療，可將相控陣在聚焦面的聚焦形式設(shè)計成多種樣式，也稱為焦點模式，有單焦點模式也有多焦點模式。每一種模式加上位置信息所對應(yīng)一組驅(qū)動信號uN；驅(qū)動信號由一組幅值信號和一組相位信號組成，幅值信號對應(yīng)向量uN中分量的幅值，相位信號對應(yīng)向量uN中分量的相角。一般將所有經(jīng)優(yōu)化算法得到相關(guān)聲場模式的驅(qū)動信號做成聚焦模式庫存于分層分布控制器4的存儲器中，根據(jù)控制要求，在HIFU手術(shù)中調(diào)用相應(yīng)結(jié)果進行控制。
百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器2的f數(shù)(f-number)要取接近1，工作頻率可為0.5～4MHz，陣元6排布一般為對稱排布，以便在軸上產(chǎn)生對稱的焦區(qū)形狀。
本發(fā)明控制方法設(shè)計的多種焦點形式對應(yīng)各陣元的驅(qū)動信號，所有對應(yīng)空間位置的焦點模式對應(yīng)的驅(qū)動信號形成模式庫存于分層分布控制器4的存儲器中，主控計算機5將命令和治療數(shù)據(jù)發(fā)送給分層分布控制器4，分層分布控制器4即時提取對應(yīng)焦點模式的驅(qū)動信號并且轉(zhuǎn)化成包含各通道相位、幅值信息的電信號驅(qū)動百通道功率驅(qū)動器3實現(xiàn)對百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器2進行驅(qū)動控制。
百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器2對百通道功率驅(qū)動器3的要求是每一陣元要對應(yīng)一個通道的功率控制，因此百陣元HIFU相控陣要求百通道功率驅(qū)動器3來驅(qū)動發(fā)射超聲波。根據(jù)聚焦控制方法，百通道功率驅(qū)動器3的每一通道的功率、相位信號可獨立控制，且所有通道的相位是相對于一參考基準頻率信號的相位，百通道功率驅(qū)動器3中設(shè)有硬件實現(xiàn)的功率反饋的功率控制方式，這樣將使功率輸出穩(wěn)定而不受電阻抗變化的影響。
圖4是本發(fā)明控制方法得到的百陣元HIFU球面相控陣軸上單焦點模式的聲場性能。采用球面矩形相控陣的聲場計算方法和遺傳算法聚焦模式聲場優(yōu)化方法的組合控制方法驅(qū)動所產(chǎn)生的軸上單焦點，焦點位置(0，0，106)mm，所用的介質(zhì)聲學(xué)參數(shù)為密度ρ＝1000kg/m3、聲速c＝1500m/s、組織哀減α＝0.05Np/cm/MHz。給定總聲功率為400W。所形成軸上單焦點聲學(xué)性能非常好，焦點聲強峰值6079W/cm2，很小的旁瓣，無柵瓣或其它二次聲強極大點，焦點尺寸(FDHM)1.25mm×1.25mm×6.75mm。這里焦點尺寸(FDHM)定義為焦點尺寸(FDHM)＝x向聲壓半高寬(FWHM，F(xiàn)ull width at halfmaximum pressure)×y向聲壓半高寬(FWHM)×z向聲壓半高寬(FLHM，full length at half maximum)。
圖5是本發(fā)明控制方法得到的百陣元HIFU球面相控陣離軸單焦點模式的聲場性能。采用本發(fā)明的控制方法驅(qū)動所產(chǎn)生的離軸單焦點，焦點位置(4，0，108)mm，給定總聲功率為400W。所形成離軸單焦點聲學(xué)性能非常好，焦點聲強峰值2747W/cm2，無柵瓣或其它二次聲強極大點，焦點尺寸(FDHM)1.5mm×1.25mm×7mm。軸上單焦點和離軸單焦點的驅(qū)動生成說明本發(fā)明控制方法驅(qū)動可產(chǎn)生三維單焦點及其單焦點的三維掃描。
圖6是本發(fā)明控制方法得到的百陣元HIFU球面相控陣軸對稱6焦點形成的大焦點模式的聲場性能。采用本發(fā)明控制方法驅(qū)動所產(chǎn)生2倍單位園的6焦點形式，6焦點位置在(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，給定總聲功率為300W。形成的焦點聲強峰值1205W/cm2，6個焦點可以分辨，聚焦區(qū)體積從單焦點的0.012cm2增加到六焦點的0.25cm2增加了22倍。用這種6焦點模式單次聚焦照射體積比單陣元單焦點大，因而可節(jié)省治療時間。我們稱這一焦點形式為大焦點。
圖7是本發(fā)明控制方法得到的百陣元HIFU球面相控陣軸對稱6焦點形成的緊湊焦點模式的聲場性能。這里將六焦點分布往中心靠近，6焦點位置在(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。給定總聲功率為300W，所產(chǎn)生的焦點聲強峰值比圖6增加了為1775W/cm2，聲場疊加的結(jié)果使得六焦點合成為一個銳度好的單焦點，無柵瓣或二次聲強極大點，旁瓣僅為主瓣的1/23。聚焦區(qū)體積為(FDHM)2.25mm×2.25mm×8mm，比軸上單焦點焦區(qū)體積增加了3.7倍，用這種6焦點模式單次聚焦超聲照射體積比單陣元單焦點大，因而可節(jié)省治療時間。這種6焦點模式的焦區(qū)聲強達到足夠高從而確保焦區(qū)組織的完全損傷，我們把這種焦點模式定義為緊湊模式。
圖8是本發(fā)明控制方法得到的百陣元HIFU球面相控陣非軸對稱4焦點形成的大焦點的聲場模式。采用本發(fā)明控制方法驅(qū)動所產(chǎn)生非軸對稱4焦點形式，4焦點位置在(1，1，110)mm，(3，1，110)mm，(1，3，110)mm，(3，3，110)mm。給定總聲功率為300W，所產(chǎn)生的聲場性能中，焦點聲強峰值1040W/cm2，4個焦點可以分辨。聚焦區(qū)域比單焦點增加了約9倍，用這種4焦點模式單次聚焦超聲照射體積比單陣元單焦點大，因而可節(jié)省治療時間，我們稱這一焦點形式大焦點。非軸對稱多焦點(離軸多焦點)的生成說明本發(fā)明控制方法驅(qū)動可產(chǎn)生三維多焦點及其多焦點的三維掃描。
圖9是本發(fā)明控制方法得到的百陣元HIFU球面相控陣兩個焦點模式的組合切換焦點模式。圖9a為軸對稱6焦點形成的大焦點模式，由于這一6焦點是環(huán)型多焦點，治療時容易形成中心過冷點，為確保治療時焦區(qū)組織的完全損傷，無過冷點，可以將圖9a軸對稱6焦點模式和圖9b軸上單焦點模式兩種模式切換交替工作，從而形成圖9c無過冷點的大焦點。
圖10是百陣元HIFU球面相控陣的一種半陣子陣劃分示意圖。一般聚焦超聲治療換能器尺寸較大，其聲窗容易被肋骨或障礙物遮擋，且會造成骨過度超聲吸收產(chǎn)熱。單陣元換能器治療時只能將遮擋肋骨去掉，而相控陣聚焦超聲換能器在這種被肋骨遮擋情況下就可以采用子陣的方法，就是讓被肋骨遮擋的換能器陣元部分不工作，其余陣元工作。裝在百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器2中孔的B超探頭1可以判斷哪部分陣元被肋骨遮擋，從而確定被肋骨遮擋部分陣元不工作，最簡單的子陣劃分是半陣，圖10中，劃分深色半陣不工作。
圖11是圖10 HIFU相控陣半陣軸上單焦點模式的聲場性能。我們最為關(guān)心半陣的焦點形狀和焦點聲強峰值是否能滿足聚焦超聲手術(shù)的要求。對圖10的半陣采用本專利控制方法驅(qū)動產(chǎn)生的軸上單焦點，焦點位置(0，0，110)mm。給定總聲功率為250W，所形成軸上單焦點聲學(xué)性能非常好，焦點聲強峰值3340W/cm2，很小的旁瓣，無柵瓣或其它二次聲強極大點，焦點尺寸(FDHM)2.5mm×1.25mm×7mm。與圖4全陣軸上單焦點的對稱橢球狀焦點形狀相比，半陣軸上單焦點的焦點形狀已不再對稱，x向聲壓半高寬比全陣的寬了1mm；半陣的焦點形狀和焦點聲強峰值仍可滿足聚焦超聲手術(shù)的要求。
圖12是圖10 HIFU相控陣半陣對稱2焦點模式聲場性能。對圖10的半陣采用本發(fā)明控制方法驅(qū)動產(chǎn)生的軸對稱2焦點，焦點位置(1，1，110)mm，(-1，1，110)mm，給定總聲功率為250W，所產(chǎn)生的聲場性能見圖12，所形成軸上單焦點聲學(xué)性能非常好，焦點聲強峰值1340W/cm2，2個焦點可以分辨，很小的旁瓣，無柵瓣或其它二次聲強極大點，半陣的2焦點仍可滿足聚焦超聲手術(shù)的要求。
權(quán)利要求
1.一種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，其特征在于，包括下列步驟1)首先在工作頻率為0.5MHz～4MHz的球面相控陣聚焦超聲換能器上設(shè)置一個百通道功率驅(qū)動器，百通道功率驅(qū)動器的驅(qū)動通過一個分層分布控制器控制；分層分布控制器與主控計算機相連接；2)主控計算機內(nèi)設(shè)置有球面矩形相控陣的聲場計算方法和相控陣多點聚焦模式遺傳算法，通過上述算法的結(jié)合能夠設(shè)計球面相控陣的三維空間多焦點模式，每一種模式加上位置信息所對應(yīng)一組驅(qū)動信號；驅(qū)動信號由一組幅值信號和一組相位信號組成，幅值信號對應(yīng)向量中分量的幅值，相位信號對應(yīng)向量中分量的相角，將所有經(jīng)優(yōu)化算法得到相關(guān)聲場模式的驅(qū)動信號做成聚焦模式庫存于分層分布控制器的存儲器中，根據(jù)控制要求，在手術(shù)中調(diào)用相應(yīng)結(jié)果進行控制；3)當(dāng)主控計算機將命令和治療數(shù)據(jù)發(fā)送給分層分布控制器，由分層分布控制器即時提取對應(yīng)聲場焦點模式的驅(qū)動信號并且轉(zhuǎn)化成包含各通道相位、幅值信息的電信號，驅(qū)動百通道功率驅(qū)動器工作；4)球面相控陣聚焦超聲換能器對百通道功率驅(qū)動器的要求是，每一陣元要對應(yīng)一個通道的功率控制，因此百陣元HIFU相控陣要求百通道功率驅(qū)動器驅(qū)動發(fā)射超聲波。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的聲場焦點模式為三維單焦點、三維多焦點、組合切換焦點及子陣單焦點和多焦點的聲場焦點模式。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的球面矩形相控陣的聲場計算方法和相控陣多點聚焦模式遺傳算法分別為1)聲場焦點模式球面矩形相控陣聲場計算P=jρck2πΣn=1NunR2ΔAR′e-(α+jk)R1sinckx1Δw2Rsincky1Δh2R---(1)]]>其中各參數(shù)的計算為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)式是在采用了三種推導(dǎo)方法將曲面積分轉(zhuǎn)換為平面的投影平面積分、建立平移的坐標系和采用二項展開的方法推導(dǎo)出來的；式(1)適合計算遠場聲壓，也就是計算的聲壓點距換能器的距離遠大于陣元尺寸；2)遺傳算法聲場優(yōu)化方法相控陣的聲場的矩陣控制點M的聲壓p(rm)可設(shè)定作已知為p(rm)=iρck2πΣn=1Nun∫Sn′e-ik|rm-rn′||rm-rn′|dSn′---(8)]]>m＝1，2，……，M.寫成矩陣的形式HMuN＝PM(9)uN是陣元的驅(qū)動復(fù)數(shù)向量uN＝[u11，u22，…，uNN]τ。向量PM是設(shè)定的控制點的復(fù)數(shù)聲壓向量PM＝[pM(r1)，pM(r2)…pM(rM)]τ，HM是前向傳輸算子；HM(m,n)=iρck2π∫Sn′e-ik|rm-rn′||rm-rn′|dSn′---(10)]]>用矩陣方法可逆向求得驅(qū)動向量uN＝[u11，u22，…，uNN]τ為uN=HM*τ(HM·HM*τ)-1PM---(11)]]>在開始描述遺傳算法的步序之前，需要定義遺傳算法中兩個要素；一個是染色體，另一個是適應(yīng)度函數(shù)；染色體是由2進制串構(gòu)成，其中各基因位是由編碼的各參數(shù)或變量串接組成，將PM向量的各相角θ(K)取為串長為8的基因片段，PM相角的總串長為8×M位二進制串作為編碼后的染色體，經(jīng)編碼后遺傳空間規(guī)模|SN|＝28×M；遺傳優(yōu)化控制中以聲強增益作為適應(yīng)度函數(shù)Fit，則有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，在遺傳搜索中，每一相角θ(k)是變量，搜索適應(yīng)度函數(shù)最大值所對應(yīng)的一個[θ(M)，θ(M-1)，…θ(2)，θ(1)]即是最優(yōu)解；最優(yōu)解[θ(M)，θ(M-1)，…θ(2)，θ(1)]和設(shè)定的PM幅值組成PM向量再用式(11)可的大對應(yīng)聚焦點的驅(qū)動向量uN。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種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，包括球面矩形相控陣的聲場計算方法和相控陣多點聚焦模式遺傳算法構(gòu)成的驅(qū)動控制，以及與方法配合的系統(tǒng)是一主控計算機控制一分層分布控制器再控制百通道功率驅(qū)動器驅(qū)動百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器。兩個算法控制方法結(jié)合在此治療系統(tǒng)之中使之產(chǎn)生適合腫瘤治療的三維單焦點、三維多焦點、組合切換焦點及子陣單焦點和多焦點的聲場模式。多焦點形成的大焦點比現(xiàn)有單陣元單焦點單次治療的體積大、效率更高；而子陣焦點模式能避開肋骨遮擋進行聚焦超聲無創(chuàng)手術(shù)。
文檔編號B06B3/04GK1768877SQ200510096069
公開日2006年5月10日 申請日期2005年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月26日
發(fā)明者陸明珠, 萬明習(xí), 王曉東, 徐豐 申請人:西安交通大學(xué)