球面相控陣聚焦超聲換能器的聲場焦點模式驅動控制方法
2023-12-07 09:27:06
專利名稱：球面相控陣聚焦超聲換能器的聲場焦點模式驅動控制方法
技術領域：
本發明屬於生物醫學儀器技術領域，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動控制方法，該方法能夠對球面相控陣聚焦超聲換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：
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，現稱為聚焦超聲手術(Focused Ultrasound Surgery，FUS)。
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、園環形和扇蝸形等樣式。授權的美國專利4,865,042，發明人Umemura，發明名稱為「Ultrasonic irradiaion system」是較早於1989年披露了球冠相控陣換能器，也就是球面環形相控陣和球面扇蝸形相控陣；其控制驅動方式能夠產生焦平面的環形分布的多焦點，而驅動方法只做相位控制，即相角調製，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」，相應的中國發明專利01813606.0，專利名稱是「利用相控陣聚焦超聲系統增加壞死體積的系統和方法」，其中採用了全陣等幅和變跡的聚焦方式交替工作實現了相控陣聚焦超聲手術中組織損傷，克服了僅用變跡所生成的組織損傷體積易造成焦前區過熱現象。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」，相應的中國發明專利01808265.3，專利名稱是「減少相控陣聚焦系統中次熱點的系統和方法」；其中採用了聚焦超聲發射時周期性變動發射頻率，實際上是增加驅動信號的帶寬，來有效地抑制環形聚焦超聲相控陣所產生的次焦點。
一般環形相控陣易產生次焦點，上述專利減少次熱點就是針對這一情況的方法，若採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狀陣相角調製方法能夠產生焦平面的環形分布的多焦點，而不能產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。
發明內容
針對以上所述環形相控陣系統和方法存在的不足，本發明的目的在於提供一種球面相控陣聚焦超聲換能器的聲場焦點模式驅動控制方法，使上百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器產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。
本發明所採用的技術方案是，一種球面相控陣聚焦超聲換能器的聲場焦點模式驅動控制方法，其特徵在於，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置一個百通道功率驅動器，百通道功率驅動器的驅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)主控計算機內設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，通過上述算法的結合能夠設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一組驅動信號；驅動信號由一組幅值信號和一組相位信號組成，幅值信號對應向量中分量的幅值，相位信號對應向量中分量的相角，將所有經優化算法得到相關聲場模式的驅動信號做成聚焦模式庫存於分層分布控制器的存儲器中，根據控制要求，在手術中調用相應結果進行控制；3)當主控計算機將命令和治療數據發送給分層分布控制器，由分層分布控制器即時提取對應聲場焦點模式的驅動信號並且轉化成包含各通道相位、幅值信息的電信號，驅動百通道功率驅動器工作；4)球面相控陣聚焦超聲換能器對百通道功率驅動器的要求是，每一陣元要對應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動器驅動發射超聲波。
本發明的方法用於百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器和相應分層分布控制器能產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，比現有的相控陣僅有環型多焦點的控制方法先進，多焦點形成的大焦點比現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手術。
圖1是應用本發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化程序流程圖；圖4是用本發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是用本發明控制方法驅動的百陣元球面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。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行進一步的詳細說明。
具體實施例方式
參見圖1，聚焦超聲治療系統中採用的是百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器2，其驅動控制通過分層分布控制器4控制百通道功率驅動器3來實現，本發明的控制方法即用於分層分布控制器4對百通道功率驅動器3的控制。當主控計算機5將命令和治療數據發送給分層分布控制器4，分層分布控制器4根據該控制方法控制百通道功率驅動器3實現百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器2的驅動，使之產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。
本發明的控制方法適用於百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器2及百通道功率驅動器3，百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器2的材料可以是壓電複合材料(Piezocomposite)或壓電陶瓷PZT，其球面矩形陣元結構如圖2所示，每一陣元6的投影是等面積的矩形，矩形陣元的結構排布緊湊，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的球面矩形陣元結構是2D陣形式，理論上2D陣能產生3D的焦點形式，可進行3D空間的焦點掃描，本發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計的遺傳算法聲場優化方法。
首先簡述球面矩形相控陣的聲場計算方法。
設陣元寬度為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。經嚴格的推導簡潔、精確的球面相控陣元聲場計算公式如下式P=jck2n=1NunR2ARe-(a+jk)R1sinckx1w2Rsincky1h2R---(1)]]>
式中複數聲壓P(x，y，z)，j=-1,]]>ρ和c分別是介質的密度和聲速，k＝ω/c是波數，N為陣元數，un是第n個陣元表面質點速度作為陣元驅動信號；其中各參數的計算為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)式是在採用了三種推導方法如將曲面積分轉換為平面的投影平面積分、建立平移的坐標系和採用二項展開的方法推導出來的。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於陣元尺寸。
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。它是一類借鑑生物界自然選擇和自然遺傳機制的隨機化搜索方法。與傳統的單點或單線搜索解的方法不同，遺傳算法是在解空間並行搜索，因而可以獲得全局最優解。遺傳算法已經成為科學、工程、經濟等諸多領域搜索最優解的理想工具。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)可設定為已知則
p(rm)=ick2n=1NunSne-ik|rm-rn||rm-rn|dSn---(8)]]>m＝1，2，……，M.
寫成矩陣形式HMuN＝PM(9)uN是陣元的驅動複數向量uN＝[u11，u22，…，uNN]τ。向量PM是設定的控制點的複數聲壓向量PM＝[pM(r1)，pM(r2)…pM(rM)]τ，HM是前向傳輸算子HM(m,n)=ick2Sne-ik|rm-rn||rm-rn|dSn---(10)]]>用矩陣方法可逆向求得驅動向量uN＝[u11，u22，…，uNN]τ為uN=HM*(HMHM*)-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，另一個是適應度函數。
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過編碼的基因串結構。在我們的遺傳構造中，染色體是由2進位串構成，其中各基因位是由編碼的各參數或變量串接組成。將PM向量的各相角θ(K)取為串長為8的基因片段(符合數字控制相位的精度)，PM相角的總串長為8×M位二進位串作為編碼後的個體(染色體)。經編碼後遺傳空間規模|SN|＝28×M。
適應度函數是用來檢測評估當前的染色體優劣的函數。在遺傳算法的進化搜索中適應度函數是重要的和唯一的衡量解的優化程度的指標。在我們遺傳優化控制中以聲強增益作為適應度函數FitFit{ii}=PMPMuNuN=PMPMPM(HMHM)-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，那麼搜索適應度函數最大值Fitmax.所對應的一個[θ(M)，θ(M-1)，…θ(2)，θ(1)]即是最優解。
標準遺傳算法的過程示於圖3。遺傳算法起始於隨機產生的初始種群，初始種群也就是一組染色體或稱個體，也是一組可能的解，其後的一代一代進化，其種群也就是解，就朝著最優解方向改進。
在產生新的一代的進程中，第一步就是依據計算所得的適應度函數Fit{(θ)n}評估當前染色體，見圖3。然後，複製若干適應度函數最好的個體到下一代。
隨後的幾步，就是進化為新的一代時採用相應的選擇、交叉、變異的遺傳操作。
從群體中選擇優勝個體，淘汰劣質個體的操作叫選擇。在我們的遺傳算法優化控制中的選擇步序中，採用的是適應度比例(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}和其適應度成比例，定義為下式P{ii}=Fit{ii}ii=1LFit{ii}---(13)]]>其中L是種群規模。
交叉是指把兩個父代個體的部分結構重組而生成新的個體的操作。遺傳算法的並行搜索能力既是體現在交叉操作中。在交叉步序中，交叉點是隨機選取的，交叉所產生後代的數量取決於交叉概率。
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，防止出現末成熟收斂。變異產生的後代數量取決於變異概率。
新的一代包含見圖3若干最好個體複製、一定數量依據選擇概率選擇的個體、一定數量依據交叉概率所得交叉後代、若干依據變異概率所得變異後代。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解或已達最大代數限定值。最優解[θ(M)，θ(M-1)，…θ(2)，θ(1)]和設定的PM幅值組成PM向量再用式(11)可逆向求得對應聚焦點的驅動向量uN。
用本發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計，在用了遺傳算法後得到對應聚焦點設計的驅動向量uN。
本發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合可以設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合就是在遺傳算法流程的適應度函數Fit的計算中(參見圖3)根據適應度函數的定義式(12)，其中的聲壓PM和前向傳輸算子HM的計算就用本發明球面矩形相控陣的聲場計算式子(1)。
為適應不同尺寸的腫瘤治療，可將相控陣在聚焦面的聚焦形式設計成多種樣式，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一組驅動信號uN；驅動信號由一組幅值信號和一組相位信號組成，幅值信號對應向量uN中分量的幅值，相位信號對應向量uN中分量的相角。一般將所有經優化算法得到相關聲場模式的驅動信號做成聚焦模式庫存於分層分布控制器4的存儲器中，根據控制要求，在HIFU手術中調用相應結果進行控制。
百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器2的f數(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，以便在軸上產生對稱的焦區形狀。
本發明控制方法設計的多種焦點形式對應各陣元的驅動信號，所有對應空間位置的焦點模式對應的驅動信號形成模式庫存於分層分布控制器4的存儲器中，主控計算機5將命令和治療數據發送給分層分布控制器4，分層分布控制器4即時提取對應焦點模式的驅動信號並且轉化成包含各通道相位、幅值信息的電信號驅動百通道功率驅動器3實現對百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器2進行驅動控制。
百陣元球面相控陣聚焦超聲換能器2對百通道功率驅動器3的要求是每一陣元要對應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動器3來驅動發射超聲波。根據聚焦控制方法，百通道功率驅動器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於一參考基準頻率信號的相位，百通道功率驅動器3中設有硬體實現的功率反饋的功率控制方式，這樣將使功率輸出穩定而不受電阻抗變化的影響。
圖4是本發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。採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化方法的組合控制方法驅動所產生的軸上單焦點，焦點位置(0，0，106)mm，所用的介質聲學參數為密度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。這裡焦點尺寸(FDHM)定義為焦點尺寸(FDHM)＝x向聲壓半高寬(FWHM，Full 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。採用本發明的控制方法驅動所產生的離軸單焦點，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動生成說明本發明控制方法驅動可產生三維單焦點及其單焦點的三維掃描。
圖6是本發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。採用本發明控制方法驅動所產生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，因而可節省治療時間。我們稱這一焦點形式為大焦點。
圖7是本發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。這裡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，所產生的焦點聲強峰值比圖6增加了為1775W/cm2，聲場疊加的結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。聚焦區體積為(FDHM)2.25mm×2.25mm×8mm，比軸上單焦點焦區體積增加了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，因而可節省治療時間。這種6焦點模式的焦區聲強達到足夠高從而確保焦區組織的完全損傷，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。採用本發明控制方法驅動所產生非軸對稱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)的生成說明本發明控制方法驅動可產生三維多焦點及其多焦點的三維掃描。
圖9是本發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，由於這一6焦點是環型多焦點，治療時容易形成中心過冷點，為確保治療時焦區組織的完全損傷，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採用子陣的方法，就是讓被肋骨遮擋的換能器陣元部分不工作，其餘陣元工作。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的要求。對圖10的半陣採用本專利控制方法驅動產生的軸上單焦點，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的半陣採用本發明控制方法驅動產生的軸對稱2焦點，焦點位置(1，1，110)mm，(-1，1，110)mm，給定總聲功率為250W，所產生的聲場性能見圖12，所形成軸上單焦點聲學性能非常好，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的要求。
權利要求
1.一種球面相控陣聚焦超聲換能器的聲場焦點模式驅動控制方法，其特徵在於，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置一個百通道功率驅動器，百通道功率驅動器的驅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)主控計算機內設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，通過上述算法的結合能夠設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一組驅動信號；驅動信號由一組幅值信號和一組相位信號組成，幅值信號對應向量中分量的幅值，相位信號對應向量中分量的相角，將所有經優化算法得到相關聲場模式的驅動信號做成聚焦模式庫存於分層分布控制器的存儲器中，根據控制要求，在手術中調用相應結果進行控制；3)當主控計算機將命令和治療數據發送給分層分布控制器，由分層分布控制器即時提取對應聲場焦點模式的驅動信號並且轉化成包含各通道相位、幅值信息的電信號，驅動百通道功率驅動器工作；4)球面相控陣聚焦超聲換能器對百通道功率驅動器的要求是，每一陣元要對應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動器驅動發射超聲波。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，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.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，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=jck2n=1NunR2ARe-(+jk)R1sinckx1w2Rsincky1h2R---(1)]]>其中各參數的計算為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)式是在採用了三種推導方法將曲面積分轉換為平面的投影平面積分、建立平移的坐標系和採用二項展開的方法推導出來的；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於陣元尺寸；2)遺傳算法聲場優化方法相控陣的聲場的矩陣控制點M的聲壓p(rm)可設定作已知為p(rm)=ick2n=1NunSne-ik|rm-rn||rm-rn|dSn---(8)]]>m＝1，2，……，M.寫成矩陣的形式HMuN＝PM(9)uN是陣元的驅動複數向量uN＝[u11，u22，…，uNN]τ。向量PM是設定的控制點的複數聲壓向量PM＝[pM(r1)，pM(r2)…pM(rM)]τ，HM是前向傳輸算子；HM(m,n)=ick2Sne-ik|rm-rn||rm-rn|dSn---(10)]]>用矩陣方法可逆向求得驅動向量uN＝[u11，u22，…，uNN]τ為uN=HM*(HMHM*)-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，另一個是適應度函數；染色體是由2進位串構成，其中各基因位是由編碼的各參數或變量串接組成，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位二進位串作為編碼後的染色體，經編碼後遺傳空間規模|SN|＝28×M；遺傳優化控制中以聲強增益作為適應度函數Fit，則有Fit{ii}=PMPMuNuN=PMPMPM(HMHM)-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，搜索適應度函數最大值所對應的一個[θ(M)，θ(M-1)，…θ(2)，θ(1)]即是最優解；最優解[θ(M)，θ(M-1)，…θ(2)，θ(1)]和設定的PM幅值組成PM向量再用式(11)可的大對應聚焦點的驅動向量uN。
全文摘要
本發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成的驅動控制，以及與方法配合的系統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動器驅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合在此治療系統之中使之產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手術。
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 優先權日2005年9月26日
發明者陸明珠, 萬明習, 王曉東, 徐豐 申請人:西安交通大學