一種相控陣高強度聚焦超聲消融系統的製作方法

2023-12-07 08:18:46 2

一種相控陣高強度聚焦超聲消融系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種相控陣高強度聚焦超聲消融系統，該系統包括治療床，在治療床下方是由若干個超聲換能器基元組成的凹球面相控陣治療頭，其中心處固定著引導B超探頭，治療頭上的換能器基元由相控陣控制電路分別單獨控制，其發射信號的相位、幅度均可單獨調整，並由監測電路實時測量發射狀態和反饋調整；在使用前，首先要在與治療頭相連的水囊中灌入去氣水，利用五軸運動系統調整治療頭的位置和角度，尋找到最佳入射角度；在治療前、中、後都可以通過系統中的引導B超觀察病灶部位的情況。本系統不僅能改變超聲聚焦點的位置、形狀和大小，還可實時監測與調整，在面對複雜的病情時給了醫生更多的選擇，治療精度、速度等各方面得到很大的提升。
【專利說明】一種相控陣高強度聚焦超聲消融系統
[0001]【【技術領域】】
[0002]本實用新型涉及一種在體外通過高強度聚焦超聲對體內目標區域進行熱消融的外科手術系統，屬於醫學治療儀器領域，尤其涉及一種相控陣高強度聚焦超聲消融系統。
[0003]【【背景技術】】
[0004]聲波是一種機械波，可以將能量從體外傳遞到人體內部。超聲波是一種頻率在20KHz以上的聲波，具有良好的傳播方向性，廣泛應用於醫療診斷和治療領域。
[0005]高強度聚焦超聲(HighIntensity Focused Ultrasound, HIFU),是將超聲波能量在人體內特定區域內聚集，在此區域內人體組織被加熱升溫到65°C以上，引起組織蛋白質變性，並結合機械效應、空化效應等達到消融的效果。在聚焦區域之外，因超聲波未聚集、能量密度很低而不會形成溫度升高，對正常組織無損傷。聚焦超聲消融，因其在治療過程中對人體沒有創傷，是一種新興的無創醫療手段，受到醫生和病人的歡迎。該治療方法已在癌症、肌瘤、結石等治療領域得到了廣泛的應用，取得了良好的效果。
[0006]高強度聚焦超聲消融系統，一般由引導設備、監測設備、定位裝置、機械運動裝置、去氣水裝置、治療頭、控制電路、系統軟體等部分組成。
[0007]各種系統的主要區別在於採用何種治療頭方案及相應的控制電路和軟體。目前常採用的方案包括:單換能器、多個非相控陣換能器和相控陣換能器，三者各有優缺點。單換能器方案，具有加工難度低，機械結構簡單，成本相對低廉的優點，但是其一旦設計定型，超聲聚焦點的位置、形狀、大小都是固定的，旁瓣抑制能力也相對較差，且無法實現部分面積發射；多個非相控陣換能器方案，具有旁瓣抑制良好、可部分發射等特點，在單換能器方案的基礎上有所改進，但仍存在聚焦點調節困難的不足；相控陣換能器方案，具有聚焦位置和區域雙重可調、可任意調整發射面積等優點，對各類待治療區域有良好的適應性，但存在結構複雜、成本高昂等缺點。隨著技術水平的發展，越來越多的高強度聚焦超聲消融系統採用相控陣的方案，為醫生和患者提供了更好的治療設備。
[0008]以凹球面基座為基礎，採用幾十至幾百個小尺寸換能器粘貼在基座內側，配合對應的控制電路，形成相控陣聚焦控制，是目前比較常見的技術方法。利用凹球面的幾何形狀，形成初始的聚焦，可降低相控陣聚焦時邊緣區域換能器基元的信號延時量，減小控制電路的設計難度。
[0009]本實用新型中，採用幾百個小尺寸換能器組成相控陣治療頭，配合控制電路可實現聚焦位置的三方向移動，無需機械移動裝置即可實現三維掃描治療，同時可依據需求改變聚焦區域的形狀和大小，實現點、線、面等多種聚焦區域；也可根據靶區位置而設置全部發射、部分發射、輪流發射等工作方式，避開骨骼、肺部的阻擋，利用發射功率加權等方法，能進一步抑制聲場中的旁瓣，減少對非聚焦區域的不良影響；通過控制電路中的監測電路，可實時調整每一路換能器的相位和幅度，並可在某一路換能器出現異常時單獨將其關閉。
[0010]採用相控陣技術的高強度聚焦超聲消融系統，可有效提高治療精度，滿足各種治療場景，具有良好的適應性和先進性。
[0011]【實用新型內容】
[0012]本實用新型的目的在於:設計一種相控陣高強度聚焦超聲消融系統，採用凹球面基座結合幾百個小尺寸圓形換能器，通過控制電路對每一個換能器發射信號的相位、幅度都單獨控制，並監測其工作狀態以實時調整；根據治療需求，可實現聚焦位置、形狀、大小的調節，滿足實際治療過程中的技術需求。
[0013]本實用新型的目的可以通過以下技術方案實現:
[0014]一種相控陣高強度聚焦超聲消融系統，該系統包括治療床、治療床驅動馬達、三軸運動驅動系統、三軸運動控制系統、超聲波發射組件、聚焦超聲驅動電路、聚焦超聲控制電路、治療頭驅動馬達、治療頭定位系統、五軸運動驅動系統、五軸運動控制系統、引導B超探頭、B超機、數據採集卡、去氣水管道、去氣水生產裝置和主控電腦；
[0015]其中，治療床驅動馬達與治療床連接，可驅動其在X、Y、Z三個方向直線運動；治療床驅動馬達通過三軸運動驅動系統連接到三軸運動控制系統，再連接到主控電腦，並接收來自主控電腦的指令來調整治療床的姿態；
[0016]所述治療床中間有一個治療孔,治療孔下方設有超聲波發射組件,超聲波發射組件包括治療頭和水囊，治療頭的中心部位安裝了引導B超探頭，治療頭上方連著水囊；治療頭和附屬部分一同安裝在治療頭定位系統上，可以在治療頭驅動馬達的作用下在X、Y、Z方向直線運動以及繞著X、Y方向轉動；治療頭驅動馬達通過五軸運動驅動系統連接到五軸運動控制系統，再連接到主控電腦，並接收來自主控電腦的指令來改變治療頭的位置和指向，尋找最佳治療角度；
[0017]所述治療頭中的超聲換能器通過聚焦超聲驅動電路連接到聚焦超聲控制電路，再連接到主控電腦，每一個換能器的發射信號都獨立控制，其相位、幅度均可獨立調整，並且進行實時監測和反饋調整，所有的操作都有主控電腦協調；
[0018]所述引導B超探頭通過線纜和B超機連接，再通過數據採集卡和主控電腦連接，弓丨導B超機可對待治療區域成像並通過採集卡將實時圖像採集到主控電腦中，在系統操作軟體的一個窗口中顯示，且引導B超探頭和治療頭之間的通過螺紋機械固定；
[0019]所述治療頭上的水囊通過去氣水管道與去氣水產生裝置連接，治療前在水囊中灌入去氣水作為換能器與人體之間的超聲傳播介質。
[0020]在本實用新型中:所述的治療頭由若干個換能器基元放置在凹球面基座上，凹球面基座中間有引導探頭安裝孔，引導探頭安裝孔位於凹球面基座的正中心，引導探頭安裝孔的內側設有螺紋；其中，引導B超探頭結合安裝附件擰入引導探頭安裝孔中並保持位置固定。
[0021]在本實用新型中:所述的換能器基元呈圓形，從內到外逐圈放置在凹球面基座上，在同一個圈上換能器基元之間的間距相同。
[0022]在本實用新型中:所述的治療頭中的換能器基元通過聚焦超聲控制電路和聚焦超聲驅動電路單獨控制。
[0023]在本實用新型中:所述的聚焦超聲驅動電路包括聚焦超聲功放電路和聚焦超聲匹配電路，主控電腦發出的指令在聚焦超聲控制電路分解和分析，形成詳細的相位和幅度信息，經系統內部總線發送到聚焦超聲驅動電路；在此先經聚焦超聲功放電路放大到足夠功率，後經聚焦超聲匹配電路進行阻抗轉換後激發超聲換能器。
[0024]在本實用新型中:所述的聚焦超聲控制電路包括控制板ARM、FPGA, RS232接口、USB 接口、鍵盤滑鼠、VGA 接口、顯示器、RJ45 網絡接口、SDRAM、NandFlash, JTAG 調試口、CAN接口、CAN驅動器、Trigger接口、LVDS總線、LVDS驅動器和控制板電源，其中，主控電腦通過RS232接口與控制板ARM相連，向其發送治療參數和指令，由其分解和分析成每個通道的發射相位和幅度，其中相位信息被發送到FPGA並生成時序信號然後通過LVDS總線經LVDS驅動器增強傳輸能力後發送到系統內部總線，最終發送到聚焦超聲驅動電路；而相應的幅度信息由控制板ARM直接通過CAN接口經CAN驅動器增強傳輸能力後發送到系統內部總線，最終也發送到聚焦超聲驅動電路；
[0025]所述的控制板ARM通過USB接口與外接的鍵盤滑鼠相連，用於人機互動操作；控制板ARM通過VGA接口與顯示器相連，用於調試時顯示信息；控制板ARM通過RJ45網絡接口與調試用電腦相連，用於調試時通過電腦操作控制板電路；控制板ARM和SDRAM相連，用於系統運行時存儲數據；控制板ARM和NandFlash相連，用於存儲系統文件、控制程序等；控制板ARM擁有JTAG調試口，用於開發和生產時寫入控制程序；
[0026]所述的FPGA通過Trigger接口向外輸出脈衝同步信號，當發射的基準信號啟動時向外輸出高電平信號並維持到當前發射周期結束才恢復到低電平；
[0027]所述的控制板電源為聚焦超聲控制電路提供全部電源供應。
[0028]在本實用新型中:所述的聚焦超聲驅動電路包括功放板ARM、CAN接口、LVDS總線、高精度DAC、數字可調式DC-DC電源、D/E類功率放大器、濾波器、聚焦超聲匹配電路、電壓與電流採樣電路、高速ADC、硬體算法電路和功放板電源，其中，功放板ARM通過CAN接口接收聚焦超聲控制電路經系統內部總線發送過來的信息，並將每個通道的發射幅度值寫入高精度DAC，通過其控制數字可調式DC-DC電源的輸出電壓，進而控制D/E類功率放大器的放大倍數，實現控制功率放大幅度的功能；同時經LVDS總線發送過來的時序信號也接到D/E類功率放大器，在此經功率放大後再通過濾波器和聚焦超聲匹配電路加載到換能器基元上發射超聲波；在發射的時候電壓和電流採樣電路採集驅動電路輸出的電壓和電流，經高速ADC轉化為數位訊號，並在硬體算法電路中計算出發射功率，隨後將電壓、電流、功率信號一併傳入功放板ARM中；功放板ARM將採樣值與預設值進行比對，如果存在延時誤差，則將信息反饋發送給控制板ARM由其調整，如果存在幅度誤差，則直接調整高精度DAC上的幅度值，同時把信息通報給控制板ARM ；
[0029]所述的功放板電源為聚焦超聲驅動電路提供全部電源供應。
[0030]在本實用新型中:所述的D/E類功率放大器與外部手動開關相連，當醫生或患者感覺到消融系統有異常時，可直接通過外部手動開關關閉換能器的發射，作為應急保險措施。
[0031]本實用新型的有益效果:本實用新型所設計的相控陣高強度聚焦超聲消融系統，因其採用相控陣技術，對於若干個換能器基元的發射信號的相位、幅度單獨進行控制，後匯合成一個焦點，調整每個換能器基元的發射相位和幅度，可實現聚焦區域的電子化移動；並且聚焦區域的形狀也可以根據需求調整，點形、線形和面形聚焦區域均可實現；在治療區域較小、精度要求較高時可採用點形聚焦；在治療區域較大時則可採取線形或面形聚焦；系統的這些特性可以幫助醫生在治療時更好地適應複雜的病情，在治療精度、速度、方便性等各方面得到很大的提升。
[0032]【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0033]以下結合附圖對本實用新型做進一步的說明，此處所說明的附圖是用來提供對本實用新型的理解，構成本申請的一部分，但並不構成對本實用新型的不當限定，在附圖中
[0034]圖1為本實用新型相控陣高強度聚焦超聲消融系統架構示意圖；
[0035]圖2為本實用新型相控陣高強度聚焦超聲消融系統治療流程圖；
[0036]圖3為本實用新型中的聚焦超聲治療頭的結構示意圖；
[0037]圖4為本實用新型中的相控陣控制電路架構示意圖；
[0038]圖5為本實用新型中聚焦超聲控制電路架構示意圖；
[0039]圖6為本實用新型中聚焦超聲驅動電路架構示意圖；
[0040]圖7為本實用新型中主控電腦內運行的控制程序流程圖；
[0041]圖8為本實用新型中控制板ARM內運行的控制程序流程圖；
[0042]圖9為本實用新型中功放板ARM內運行的控制程序流程圖。
[0043]【【具體實施方式】】
[0044]下面將結合附圖以及具體實施例來詳細說明本實用新型，其中的示意圖實施例以及說明僅用來解釋此次實用新型，但並不作為其的限定。
[0045]如圖所示，本實用新型所述的一種相控陣高強度聚焦超聲消融系統，如圖1所示包括治療床1、治療床驅動馬達2、三軸運動驅動系統3、三軸運動控制系統4、超聲波發射組件、聚焦超聲驅動電路6、聚焦超聲控制電路7、治療頭驅動馬達8、治療頭定位系統9、五軸運動驅動系統10、五軸運動控制系統11、引導B超探頭12、B超機14、數據採集卡15、去氣水管道16、去氣水產生裝置17和主控電腦18，其中，治療床驅動馬達2與治療床I連接，可驅動其在X、Y、Z三個方向直線運動；治療床驅動馬達2通過三軸運動驅動系統3連接到三軸運動控制系統4，再連接到主控電腦18，並接收來自主控電腦18的指令來調整治療床I的姿態；
[0046]使用高強度聚焦超聲消融系統治療時，其工作流程如圖2所示；啟動設備後，首先通過圖像引導設備觀察病人體內待治療區域的情況，尋找出病灶所在位置並確定病灶區域，根據靶區周圍臟器的分布、可能的入射角度、需消融的核心部位，制定消融方案，包括消融的範圍、順序、速度等；確定消融方案後，由高強度聚焦超聲消融系統自動分解、分析並實施消融方案；在消融過程中及完成後，都可以通過圖像引導設備觀察靶區的狀態，評估消融的效果；當消融治療達到預期目標後即可結束本次治療並關閉設備。
[0047]如圖1所示，治療時病人平躺在治療床I上，治療床I的中間開有治療孔，將病人移動到合適的位置，確保待治療區域對應的身體部分位於治療孔上方；治療床驅動馬達2與治療床I連接，可使其在X、Y、Z方向直線運動；在三軸運動驅動系統3和三軸運動控制系統4的控制下，將治療床I調整到合適的位置和高度，便於醫護人員將病人移動到治療床I上，調整治療床I的姿態，可由操作人員通過主控電腦18上的軟體操作，也可通過床邊的按鈕操作。
[0048]在治療床I的治療孔下方是由治療頭13和水囊5組成的超聲波發射組件，治療頭13中間包括引導B超探頭12，其中去氣水產生裝置17生成的去氣水通過去氣水管道16充入水囊5中，將水囊5鼓起，與病人身體表面接觸。去氣水是超聲換能器與人體之間的聲耦合介質，將水中的空氣抽離，可避免水中的空氣形成氣泡而影響聲波的傳播；同時，由於水囊5和人體之間仍存在一定程度的聲阻抗不連續，部分聲波能量在皮膚處會轉換成熱能，去氣水可起到冷卻作用，防止可能發生的皮膚灼傷，為了更好地傳遞聲波，一般還在水囊5表面塗抹超聲耦合劑，增強水囊和人體間的聲波耦合度。
[0049]其中，治療頭13是一個由若干個換能器基元20按一定的規則組合而成的凹球面陣列，向病人體內發射超聲波，在聚焦區域提升溫度，從而實現消融的作用；引導B超探頭12安裝在治療頭13的底部中間並機械固定，其掃描區域與治療聚焦點在同一平面，因而可以起到引導與觀察的作用。
[0050]治療頭13及附件被固定在治療頭定位系統9上，這是一個可以五方向定位與運動系統，不僅可以在X、Y、Z方向直線運動，還可繞X、Y方向轉動，帶動治療頭13及附件一同運動。操作者可通過主控電腦18上的軟體操作或操作臺上的搖杆操作，改變治療頭13的位置和指向，使其具有最佳的超聲波入射角度，儘量避開骨骼、肺部、大血管等可能影響聲波傳播的組織。完成定位後，治療頭13被固定住，保持其與病人間的位置固定，治療過程中焦點移動由相控陣系統電子掃描實現。
[0051]所述的換能器基元20由控制電路分別單獨控制，每一路發射信號的相位、幅度都獨立控制，相互間按一定的相控陣控制規則順序發射。首先由聚焦超聲控制電路7生產符合相位要求的延時信號，這是一個功率很小的激勵信號，被傳遞到聚焦超聲驅動電路6之後，其功率被放大到有足夠的能量去驅動換能器基元20。通過調節每個通路的信號延時，可使超聲波聚焦的位置發生變化，實現電子式的焦點掃描；通過調節每個通路的發射幅度，可改變發射出的聲束的包絡形狀從而改變聚焦區域的形狀和體積。
[0052]本系統中的治療頭13，如圖3所示由一個凹球面基座19和若干個換能器基元20組成，在凹球面基座19的中心還設有一個引導探頭安裝孔21，孔內側有螺紋，將引導B超探頭12配合安裝附件一起擰入其中，保持其和治療頭13的位置固定，其中在同一個圈上每個換能器基元20間的間距相同，但相鄰兩個圈上的換能器基元20間距不一定相同，圈與圈之間的間距也不同。
[0053]超聲換能器是將電能量轉換成聲能量的器件，根據換能器數量的不同，一般可分為單換能器方案、多個非相控換能器方案和相控陣換能器方案，如下所述:
[0054]單換能器方案，只有一個發射面積較大的超聲換能器，加工成凹形或在換能器前方加裝凹形聲透鏡，以此形成聲聚焦。此方案中，換能器加工簡單，成本低廉，但其劣勢在於換能器加工完後其焦點位置、形狀、尺寸都不可改變，需要採用機械裝置移動整個治療頭實現掃描治療。單換能器的聲場旁瓣較大，且無法調節，這在高強度聚焦超聲的應用中是存在一定的風險的。
[0055]多個非相控換能器方案，一般由幾個到十幾個面積相對較大的超聲換能器，固定在凹球面的基座上，依託凹球面基座的幾何曲率實現聚焦。此方案中，每個換能器的主瓣在焦點處聚集但旁瓣互不重疊，從而整個治療頭的旁瓣可有效抑制，提高了治療安全性。由於換能器數量增加，加工時如何保持參數一致性，以及在往基座上固定時如何保持方向性，都增加了加工難度。此外，該方案中換能器的尺寸仍相對較大，其指向性強烈，無法實現電子掃描治療，仍需依靠機械裝置移動整個治療頭實現掃描治療。
[0056]相控陣換能器方案，一般由幾十個到幾百個小尺寸換能器固定在凹球面基座上。此方案中，每個換能器的旁瓣能量進一步縮小，整個治療頭的旁瓣抑制更有效。同時，利用控制發射信號的相位可改變聚焦點的位置、形狀、尺寸，實現電子掃描治療，簡化了機械定位裝置，加快了治療速度。但伴隨著換能器數量增加，治療頭的加工和裝配難度顯著提高，成本明顯增加，控制電路的難度也大大提高，給系統的設計和生產帶來諸多困難。
[0057]本系統中採用相控陣換能器的技術方案，在凹球面基座19上放置了幾百個換能器基元20，這些換能器基元20採用直徑為6-20mm的圓形結構，以PZT-4、PZT-8等發射型壓電材料加工，表面鍍有鎳和銀形成電極，換能器基元20的工作頻率在0.6-4MHz範圍，數量一般為2的倍數，尤其是2的N次方。所有換能器基元20按同心圓方式從內向外依次分布，每個圓上換能器基元20之間按等分方式排列，各圓上換能器基元20的中心距可以不相同，圓與圓之間的間距也可以不同，以換能器基元20間不碰觸、不幹擾為標準，儘量緊密排列，減小治療頭13的體積。所有換能器基元20均有獨立的帶屏蔽引線接出，在線纜連接器內有匹配電路，將輸入阻抗調諧至50歐姆，考慮到線纜內芯線數量有限，一般將換能器分成若干組，採用多根線纜連接。
[0058]如圖4所示，整個控制電路分為聚焦超聲控制電路7和聚焦超聲驅動電路6，其中聚焦超聲驅動電路6又可細分為聚焦超聲功放電路22和聚焦超聲匹配電路23。聚焦超聲控制電路7接受來自主控電腦18的指令，根據聚焦點的特性分析生成時序信號，這是一個小功率信號，還需經過功率放大後才能激發超聲換能器；同時，控制電路分析生成每一路換能器需要發射的功率值，以配置指令的形式傳遞給驅動電路，時序信號和配置指令通過系統內部總線24發送到聚焦超聲驅動電路6。
[0059]時序信號和配置指令首先傳遞給聚焦超聲功放電路22，在此被放大到足夠的功率，同時保持各通道間的時序關係，為了儘可能把電能量都轉換成聲能量，在驅動電路中還有一個聚焦超聲匹配電路23，將驅動電路的輸出阻抗調諧到50歐姆，和換能器基元20的阻抗相匹配。
[0060]考慮到電路板體積和電磁兼容需求，一般把聚焦超聲控制電路7和聚焦超聲驅動電路6分成不同的電路板，彼此間以板間連接器或軟性印製板連接；而聚焦超聲驅動電路6可進一步分成多塊電路板，以控制電路板體積，每個電路板上布置若干路功放電路和匹配電路，一般以2的倍數尤其是2的N次方為通道數，在每塊驅動電路板上都有功放電源24為驅動電路供電。
[0061]如圖5所示為聚焦超聲控制電路7的架構圖，由控制板ARM25和FPGA26為核心組成的數字電路系統，控制板ARM25負責與外界的通訊、接口的控制，並與驅動電路板的信息交互，FPGA26負責時序信號的產生。
[0062]控制板ARM25通過RS232接口 27與主控電腦18連接，接收其發來的指令，並把相控陣控制系統的運行狀態反饋給主控電腦18。由於控制板ARM25要處理的信息量很大，一般採用Cortex-A8或更高核心的ARM晶片。外接的鍵盤滑鼠29通過USB接口 28與控制板ARM25相連，外接的顯示器31通過VGA接口 30與控制板ARM25相連，兩者主要用於開發、生產、測試、維護時進行人機互動。
[0063]RJ45網絡接口 32在開發調試階段可用於調試設備與控制板ARM25之間的數據通τΗ ο
[0064]SDRAM33是系統的運行內存，用於系統在運行時存儲數據，根據需求可選擇256Μ或更大容量的內存。
[0065]NandFlash34是系統的存儲空間，用於存儲系統文件、運行程序、配置參數等，其在關機時也不會丟失數據，根據需求可選擇256M或更大容量的存儲器件。
[0066]JTAG調試口 35用於向控制板ARM25內灌入運行程序，在調試階段和生產階段使用，日常運行時不再使用。
[0067]CAN接口 36接入系統內部總線24，用於向驅動電路下發每一路發射信號的幅度配置信息，同時接收發射電路板反饋的每一路發射電路工作狀態。由於發射控制電路和驅動電路採用了分板的設計方式，為了增加信號在板間傳輸的可靠性，使用了 CAN驅動器37，用以提高信號的傳輸能力。
[0068]FPGA26 (Field Programmable Gates Array,現場可編程門陣列)主要用於產生每一路發射的時序信號，用以控制每個換能器基元20的發射信號相位。當控制板ARM25接收到主控電腦18發來的焦點位置、形狀、尺寸的信息之後，結合治療頭13的幾何數據，利用聲學公式計算出每一路換能器基元需要的發射信號延時量，並傳遞給FPGA26 ；FPGA26利用其內部的門邏輯結構產生不同的延時，並在接收到啟動信號後按順序，以連續方波的形式發出。
[0069]所有時序信號的延時量都是相對於一個統一的基準信號，每一路信號的延時量為延時步長的整數倍。時序信號從LVDS總線39(Low Voltage Differential Signaling,低壓差分信號)發出，並經LVDS驅動器40進行信號增強；因LVDS是差分信號，其傳輸的信號只與兩個信號的差值有關，可有效抑制共模幹擾，因而採用LVDS傳遞小功率的時序信號是比較理想的選擇。
[0070]Trigger接口 38為觸發信號輸出口，將前文所述時序信號的基準信號引出，並可在超聲換能器處於發射狀態時始終維持高電平狀態，至超聲換能器結束髮射再回到低電平狀態。外部設備在需要的時候，可利用觸發信號與消融系統協同作業，常見的應用方式是引導B超機14與消融系統的分時交替工作，避免高強度聚焦超聲對小功率成像超聲的幹擾。整個聚焦超聲控制電路的電源由控制板電源41提供。
[0071]如圖6所示為聚焦超聲驅動電路6的架構示意圖，由功放板ARM42為核心構成。功放板ARM42接收來自聚焦超聲控制系統7的指令和配置信息，設置每一個通道的發射幅度，查詢每一個通道的實際輸出電壓和功率並反饋給控制系統。每個功放板ARM42管理的通道數一般為控制板ARM25管理通道數的1/16?1/4，處理的數據量相對較小，可選用Cortex-M3內核的ARM晶片。
[0072]聚焦超聲控制電路7通過系統內部總線24將每個通道的發射幅度發送到每一個驅動電路，經過CAN接口 43進入功放板ARM42，功放板ARM42根據通道編號、幅度值，通過內部SPI總線以輪流的方式發送到高精度DAC45。
[0073]功率放大的主要部分是一個D/E類功率放大器47，由數字可調式DC-DC電源46給其提供電源。功率放大器將一個小功率的小信號放大成為一個大功率信號，從而可以驅動能量需求量大的換能器，按工作類型，放大器可分為A類、B類、AB類等模擬放大器，D/E類等數字放大器。A類、B類和AB類功率放大器，輸出信號與輸入信號在波形上一致，波形失真小，但這類放大器的能量利用效率低，元器件上損耗的電能較多，既造成能量的浪費又提高了放大電路散熱等的設計難度；而D/E類放大器，是一種將輸入信號變換成PWM(PulseWidth Modulat1n，脈衝寬度調製)的脈衝信號，然後用PWM信號去控制大功率開關器件通斷的功率放大器，也稱為開關放大器，此類放大器的能量利用效率可達85%以上，是用於超聲波功率放大的理想選擇，而功率放大器的具體放大量則是由數字可調式DC-DC電源46控制的。
[0074]功放板ARM42通過高精度DAC45調節數字可調式DC-DC電源46的電壓，進而改變D/E類功率放大器47的放大量。由於高精度DAC45具有數據鎖存功能，功放板ARM42可輪流向各通道的DAC傳遞該通道的發射信號幅度值，降低了系統複雜度。
[0075]從系統內部總線24經過LVDS總線44傳過來的時序信號，按編號分配到各通道並輸入到D/E類功率放大器47，放大到預定的功率後輸出；經過D/E類功率放大器47放大輸出的信號是一個近似方波的信號，如果直接加載到超聲換能器上，因換能器的頻響範圍有限，高頻分量的能量無法轉換成聲能量而在換能器處發熱，對超聲換能器的使用帶來諸多負面影響；因此，功率放大後的信號需經過濾波器48，濾除超聲換能器無法轉換的高頻分量。
[0076]由於功放電路的輸出阻抗一般不會正好是50歐姆，為了更好地傳輸發射信號，還需要通過聚焦超聲匹配電路23的阻抗轉換，然後將發射信號發送到換能器基元20上。
[0077]由於電子元器件的不一致性、環境溫溼度的變化、電子元器件的老化等各種因素，發射信號的相位、幅度都會存在一定的漂移，造成誤差，為了提高發射精度，本實用新型所設計的系統中增加了反饋控制部分，在聚焦超聲匹配電路23後增加了電壓與電流採樣電路49，同時對輸出的電壓和電流進行採樣，採樣後的信號經過高速DAC51轉換成數位訊號。由於單純的電壓和電流並不能完全體現電路的工作情況，還需進一步計算出發射功率，因此利用硬體計算電路52實現計算發射功率的功能，此處採用硬體乘法電路實現功率計算，一方面提高了計算速度以提升反饋響應速度，另一方面減輕了功放板ARM42的運算量。
[0078]採樣得到及計算得到的電壓、電流和功率數值被反饋送到功放板ARM42中，其中功率值的比對在功放板ARM42中進行，如果誤差超過閾值就自動通過調整數字可調式DC-DC電源46進行糾正；而通過採樣電壓和電流信號可計算得出發射信號的相位和預定相位的誤差，此誤差通過系統內部總線24被反饋給控制板ARM25，在超過閾值時由控制板ARM25控制FPGA26調整信號延時量。
[0079]作為一種特殊的情況，如果某通道的超聲換能器發射異常且超出反饋糾正範圍，需要關閉該通道的發射，或因相控陣算法的需求而關閉某通道的發射，此時，可通過軟體方式關閉數字可調式DC-DC電源46而關閉該通道的發射。開關信號由功放板ARM42發出，其會根據控制板ARM25發來的指令進行開關，或自主根據通道的發射功率值進行開關；此外，系統中還有一個外部手動開關52直接連接數字可調式DC-DC電源46的選通口，這是操作者或病人發現異常情況而系統自身尚未啟動關閉機制時的應急響應措施。
[0080]上述描述的是超聲波消融系統的硬體組成，要使系統正常運轉，還需要配合相應的控制程序，本系統中的控制程序運行在主控電腦18、控制板ARM25和功放板ARM42中，和硬體電路協同工作完成治療。
[0081]如圖7所示為主控電腦18內運行的控制程序流程圖，主控電腦18是系統的控制核心，需要協調系統內各組成部分的工作，並完成與操作者的人機互動，一般採用成品個人電腦或工控機作為系統主控電腦。主控電腦18開機後,控制程序將自動啟動,通過與系統內其他部分設備的硬體通訊，在開機後完成系統自檢，確保系統硬體工作正常，隨後便通過數據採集卡15將B超機14的圖像採集進來，在控制程序的界面中顯示，與B超機14自身顯示器保持同步顯示。隨後控制程序進入空閒等待狀態，等待對病人進行治療。
[0082]當病人被推進手術室，如果搬動到治療床I上有困難，則可從控制程序中操縱與治療床I依次連接的治療床驅動馬達2、三軸運動驅動系統3、三軸運動控制系統4，實現改變治療床I高度與位置，幫助醫護人員將病人抬上治療床I。
[0083]病人躺到治療床I上後就可以開始治療流程。首先，通過控制程序操作與治療頭13依次連接的治療頭定位系統9、治療頭驅動馬達8、五軸運動驅動系統10、五軸運動控制系統11，改變治療頭13的位置和指向，尋找到最佳觀察和治療角度，然後操作者可用在程序界面中以畫框的方式在B超圖像上畫出待消融的區域範圍，根據病人的身體情況、病灶所處位置、病情發展情況等綜合因素，操作者在控制程序中選定消融治療所使用的功率大小、單次發射持續時間、重複周期、重複次數等治療參數，制定消融計劃。
[0084]確定消融計劃後，即可由主控電腦18配合系統內其他部分進行消融治療。主控電腦18負責下發治療參數、統一協調各部分工作順序、顯示實時發射狀態等，而具體發射控制則由控制板ARM25和功放板ARM42及其內部的控制程序聯合完成，操作者可通過控制程序界面上發射狀態實時顯示值了解當前系統發射超聲波的情況。完成全部治療區域的消融之後，可通過B超機14的成像對消融效果進行評估。控制程序還可將成像圖像傳輸到醫院信息系統(Hospital Informat1n System, HIS)中。經評估後,若消融治療達到預期效果，即可結束此次治療。關閉主控電腦18和系統內其他軟硬體。
[0085]在消融過程中，如果控制板ARM25和功放板ARM42探測到了聚焦超聲發射電路的發射狀態有變化，則會通知主控電腦18，由其刷新顯示值，通知操作者。這種刷新按軟體中斷的方式進行，插入正常運行的程序，修改的顯示值，然後退出中斷回到正常程序運行狀態。由於這個中斷操作量很小，不會對控制程序造成影響，因而採用中斷的方式是可行而且合理的。
[0086]如圖8所示為控制板ARM25內運行的控制程序流程圖，控制板ARM25擔負整個相控陣系統的控制和管理功能，需要處理的信息量較大，一般採用高端ARM晶片配合Linux系統的方式。開機後首先啟動其中的Linux ?呆作系統，然後自動啟動控制程序，此控制程序沒有用戶界面，以C/C++語言編寫，程序啟動後便進入空閒等待狀態，等待主控電腦18發來指令。當主控電腦18發來治療的指令和參數後，控制程序首先對治療參數進行分解，按每個消融位置點分別保存下焦點位置、發射功率、脈衝長度、重複次數等。保存完全部數據後，讀取第一個消融點的參數，然後分別查閱預設的數據表，得到在該參數下對應的每個通道的延時值和發射幅度值，然後讀入該系統硬體環境下的修正值，這是由於硬體電路在元器件參數和加工工藝中總存在一定的不一致性，導致實際電路中的延時和幅度與理論值存在差異，需要對此差異進行修正才能得到真正的發射延時和幅度。經修正的每通道延時值被發送到FPGA26中，而修正後的每通道發射幅度值被發送到聚焦超聲驅動電路6中的功放板ARM42。針對延時值和幅度值的讀取、修正、發送，是兩個互相獨立的邏輯過程，可通過多線程的方式同時進行。當FPGA26和功放板ARM42接收到全部數據並完成配置後，會向控制板ARM25返回一個確認信號，意味著發射電路已經做好準備工作，此時可以啟動發射，按預設的脈衝長度、佔空比、重複次數控制聚焦超聲發射，直至完成在該消融點的全部發射。
[0087]完成某一點的消融後，控制程序需判斷是否還有未完成消融的點，如果還有未消融的點，則移動到下一消融點，重複聚焦超聲發射的操作；如果已經完成全部消融任務，則恢復到空閒等待狀態；當控制板ARM25接到來自總控電腦18的關機信號，將執行關機命令，關閉所有硬體。
[0088]在控制程序工作過程中，如果功放板ARM42探測到了聚焦超聲發射電路的狀態有變化導致延時和幅度誤差變化，則會將此變化通知控制板ARM25，這種通知按軟體中斷的方式進行，插入正常運行的程序，修改存儲的修正值並通知主控電腦18，然後退出中斷回到正常程序運行狀態。
[0089]如圖9所示為功放板ARM42內運行的控制程序流程圖，由於功放板ARM42需要處理的信息量不大，一般採用低端ARM和不帶作業系統的方案，加電後，功放板ARM42中的程序將自動運行。
[0090]控制程序啟動後自動進入空閒等待狀態，當接收到控制板ARM25發來的發射指令和參數後，將各通道的發射幅度值依次寫入到高精度DAC45中，完成後向控制板ARM25反饋確認信息。控制板ARM25啟動發射後，功放板ARM42便開始輪流採樣計算當前的發射功率、延時值等，並與預存的數據比對，如果發現延時值存在誤差，則將信息反饋給控制板ARM25並由其調整FPGA26的發射來修正；如果發現發射幅度存在誤差，則立刻調整高精度DAC45的參數並將情況反饋給控制板ARM25。在聚焦超聲發射過程中，反覆執行採樣、計算、比對、修正的工作，直到該消融點的治療完成，然後進入空閒等待狀態，直到開始下一個消融點的發射。當接收到控制板ARM25發來的關機指令後，將執行關機命令，關閉所有硬體。
[0091]綜上，通過針對治療要求設計的硬體和軟體配合工作，完成對預定區域的高強度聚焦超聲消融治療，實現無創治療疾病的目標。
[0092]以上所述僅是本設計實用新型的最佳實施方式，故凡依本設計實用新型專利申請範圍所述的構造、特徵及原理所做的等效變化或修飾，均包括於本實用新型專申範圍內。
【權利要求】
1.一種相控陣高強度聚焦超聲消融系統，其特徵在於:該系統包括治療床(I)、治療床驅動馬達(2)、三軸運動驅動系統(3)、三軸運動控制系統(4)、超聲波發射組件、聚焦超聲驅動電路(6)、聚焦超聲控制電路(7)、治療頭驅動馬達(8)、治療頭定位系統(9)、五軸運動驅動系統(10)、五軸運動控制系統(11)、引導B超探頭(12)、B超機(14)、數據採集卡(15)、去氣水管道(16)、去氣水產生裝置(17)和主控電腦(18)； 其中，治療床驅動馬達(2)與治療床(I)連接，可驅動其在X、Y、Z三個方向直線運動；治療床驅動馬達(2)通過三軸運動驅動系統(3)連接到三軸運動控制系統(4)，再連接到主控電腦(18)，並接收來自主控電腦(18)的指令來調整治療床(I)的姿態； 所述治療床(I)中間有一個治療孔，治療孔下方設有超聲波發射組件，超聲波發射組件包括治療頭(13)和水囊(5)，治療頭(13)的中心部位安裝了引導B超探頭(12)，治療頭(13)上方連著水囊(5);治療頭(13)和附屬部分一同安裝在治療頭定位系統(9)上，可以在治療頭驅動馬達(8)的作用下在X、Y、Z方向直線運動以及繞著X、Y方向轉動；治療頭驅動馬達(8)通過五軸運動驅動系統(10)連接到五軸運動控制系統(11)，再連接到主控電腦(18)，並接收來自主控電腦(18)的指令改變治療頭(13)的位置和指向，尋找最佳治療角度； 所述治療頭(13)中的超聲換能器通過聚焦超聲驅動電路(6)連接到聚焦超聲控制電路(7)，再連接到主控電腦(18)，每一個換能器的發射信號都獨立控制，其相位、幅度均可獨立調整，並且進行實時監測和反饋調整，所有的操作都有主控電腦(18)協調； 所述引導B超探頭(12)通過線纜和B超機(14)連接，再通過數據採集卡(15)和主控電腦(18 )連接，B超機(14 )可對待治療區域成像並通過採集卡(15 )將實時圖像採集到主控電腦(18)中，在系統操作軟體的一個窗口中顯示，且引導B超探頭(12)和治療頭(13)之間的通過螺紋機械固定； 所述治療頭(13)上的水囊(5)通過去氣水管道(16)與去氣水產生裝置(17)連接，治療前在水囊(5)中灌入去氣水作為換能器與人體之間的超聲傳播介質。
2.根據權利要求1所述的一種相控陣高強度聚焦超聲消融系統，其特徵在於:所述的治療頭(13)由若干個換能器基元(20)放置在凹球面基座(19)上，凹球面基座(19)中間有引導探頭安裝孔(21)，引導探頭安裝孔(21)位於凹球面基座(19)的正中心，引導探頭安裝孔(21)的內側設有螺紋；其中，引導B超探頭(12)結合安裝附件擰入引導探頭安裝孔(21)中並保持位置固定。
3.根據權利要求2所述的一種相控陣高強度聚焦超聲消融系統，其特徵在於；所述的換能器基元(20)呈圓形，從內到外逐圈放置在凹球面基座(19)上，在同一個圈上換能器基元(20)之間的間距相同。
4.根據權利要求1所述的一種相控陣高強度聚焦超聲消融系統，其特徵在於:所述的治療頭(13)中的換能器基元(20)通過聚焦超聲控制電路(7)和聚焦超聲驅動電路(6)單獨控制。
5.根據權利要求4所述的一種相控陣高強度聚焦超聲消融系統，其特徵在於:所述的聚焦超聲驅動電路(6)包括聚焦超聲功放電路(22)和聚焦超聲匹配電路(23)，其中主控電腦(18)發出的發射信號在聚焦超聲控制電路(7)分解和分析，形成更詳細的相位和幅度信息，經系統內部總線(24)發送到聚焦超聲驅動電路(6);並在此先經聚焦超聲功放電路(22)放大到足夠功率，後經聚焦超聲匹配電路(23)進行阻抗轉換後激發超聲換能器。
6.根據權利要求4所述的一種相控陣高強度聚焦超聲消融系統，其特徵在於:所述的聚焦超聲控制電路(7)包括控制板ARM (25)、FPGA (26)、RS232接口(27)、USB接口(28)、鍵盤滑鼠(29)、VGA 接口(30)、顯示器(31)、RJ45 網絡接口(32)、SDRAM (33)、NandFlash(34)、JTAG 調試口(35)、CAN 接口(36)、CAN 驅動器(37)、Trigger 接口(38)、LVDS 總線(39)、LVDS驅動器(40)和控制板電源(41)，其中，主控電腦(18)通過RS232接口(27)與控制板ARM (25)相連，向其發送治療參數和指令，由其分解和分析成每個通道的發射相位和幅度，其中相位信息被發送到FPGA (26)並生成時序信號然後通過LVDS總線(39)經LVDS驅動器(40)增強傳輸能力後發送到系統內部總線(24)，最終發送到聚焦超聲驅動電路(6);而相應的幅度信息由控制板ARM (25)直接通過CAN接口(36)經CAN驅動器(37)增強傳輸能力後發送到系統內部總線(24)，最終也發送到聚焦超聲驅動電路(6); 所述的控制板ARM (25)通過USB接口(28)與外接的鍵盤滑鼠(29)相連，用於人機互動操作；控制板ARM (25)通過VGA接口(30)與顯示器(31)相連，用於生產調試時顯示信息；控制板ARM (25)通過RJ45網絡接口(32)與調試用電腦相連，用於生產調試時通過電腦操作控制板電路；控制板ARM (25)和SDRAM (33)相連，用於系統運行時存儲數據；控制板ARM (25 WPNandFlash (34)相連，用於存儲系統文件、控制程序等；控制板ARM (25)擁有JTAG調試口(35)，用於開發和生產時寫入控制程序； 所述的FPGA (26)通過Trigger接口(38)向外輸出脈衝同步信號，當發射的基準信號啟動時向外輸出高電平信號並維持到當前發射周期結束才恢復到低電平； 所述的控制板電源(41)為聚焦超聲控制電路(7 )提供全部電源供應。
7.根據權利要求4所述的一種相控陣高強度聚焦超聲消融系統，其特徵在於:所述的聚焦超聲驅動電路(6)包括功放板ARM (42)、CAN接口(43)、LVDS總線(44)、高精度DAC(45)、數字可調式DC-DC電源(46)、D/E類功率放大器(47)、濾波器(48)、聚焦超聲匹配電路(23)、電壓與電流採樣電路(49)、高速ADC (50),硬體算法電路(51)和功放板電源(53)，其中，功放板ARM (42)通過CAN接口(43)接收聚焦超聲控制電路(7)經系統內部總線(24)發送過來的信息，並將每個通道的發射幅度值寫入高精度DAC (45)，通過其控制數字可調式DC-DC電源(46)的輸出電壓，進而控制D/E類功率放大器(47)的放大倍數，實現控制功率放大幅度的功能；同時經LVDS總線(44)發送過來的時序信號也接到D/E類功率放大器(47)，在此經功率放大後再通過濾波器(48)和聚焦超聲匹配電路(23)加載到換能器基元(20)上發射超聲波；在發射的時候電壓和電流採樣電路(49)採集驅動電路輸出的電壓和電流，經高速ADC (50)轉化為數位訊號，並在硬體算法電路(51)中計算出發射功率，隨後將電壓、電流、功率信號一併傳入功放板ARM (42)中；功放板ARM(42)將採樣值與預設值進行比對，如果存在延時誤差，則將信息反饋發送給控制板ARM(25)由其調整，如果存在幅度誤差，則直接調整高精度DAC (45)上的幅度值，同時把信息通報給控制板ARM(25)； 所述的功放板電源(53)為聚焦超聲驅動電路(6)提供全部電源供應。
8.根據權利要求7所述的一種相控陣高強度聚焦超聲消融系統，其特徵在於:所述的D/E類功率放大器(47)與外部手動開關(52)相連，當醫生或患者感覺到消融系統有異常時，可直接通過外部手動開關(52)關閉換能器的發射，作為應急保險措施。
【文檔編號】A61B17/00GK203988158SQ201420335099
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年6月23日 優先權日:2014年6月23日
【發明者】薛洪惠, 孔有年, 孔祥清 申請人:南京廣慈醫療科技有限公司