CN100484592C - 上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，包括置于治疗床下部的上百阵元复合材料球面相控阵换能器、B超探头、上百通道相控阵HIFU驱动控制***、控制换能器姿态的6轴运动***及控制***，B超探头与B超仪和图像采集装置，在换能器发射面的前方设置有与脱气净化水***连接的水囊，还包括分别控制上述***动作的主控计算机。由于采用1-3压电复合材料的球面相控阵聚焦换能器及相应的驱动控制***，该***可以产生适合体外聚焦超声治疗的多种焦点模式，比单阵元单焦点单次治疗体积大，减少了治疗时间、提高了效率，同时也能以避开肋骨遮挡的子阵焦点模式实现无创治疗。

Description

上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***

技术领域

本发明属生物医学仪器与设备领域，涉及一种高强度聚焦超声非侵入性外科手术的治疗***，尤其涉及上百阵元球面相控阵高强度聚焦超声治疗***。

背景技术

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)是将超声能量聚焦在人体深部目标组织，达到精确热损伤选定的目标组织而丝毫不伤害临近正常组织的治疗，现称为聚焦超声手术(Focused Ultrasound Surgery，FUS)HIFU的聚焦点峰值声强为数百W/cm～数千W/cm²，作用时间仅为几秒钟(通常为1-3S)，而使组织温度超过56℃-60℃以上，这时细胞蛋白突然被凝固，且还有空化形成气泡迫使细胞和组织结构破坏，称组织烧融或消融。高强度聚焦超声具有高度的准确性、无创性和快速性的特点，目前已在肿瘤治疗方面应用。

HIFU治疗换能器有单阵元换能器、相控阵换能器和由几个阵元组成的非相控直接叠加聚能的多阵元换能器。单阵元换能器焦点固定、结构简单，采用的换能器材料为压电陶瓷PZT。相控阵换能器最主要的特点是可产生适合治疗的灵活多变的单焦点和同时多点的聚焦焦点模式，同单阵元单焦点相比多点聚焦可增大单次治疗聚焦体积，大大减少了治疗时间，加快了超声治疗的治疗速度。再有相控阵可以采用子阵技术避开一些障碍物(如肋骨)来进行治疗。

据申请人所进行的资料检索，中国发明专利《高强度聚焦超声肿瘤扫描治疗***》ZL98100283.8(公开日1999年5月5日，公开号1215616)，和中国发明专利《体外高能聚焦超声波治疗机》ZL01134485.7(公开日2002年4月3日，公开号1342503)披露了两种HIFU***，都是采用HIFU单阵元换能器，由单阵元换能器、B超图像和相应的多自由度运动机构组成。

授权的美国专利4,865,042，发明人Umemura，发明名称为“Ultrasonicirradiation system”早在1989年就披露了一种相控阵HIFU换能器，它所采用的是球冠相控阵换能器，也就是球面环形相控阵和球面扇蜗形相控阵；专利中运用环状阵相角调制方法能够产生焦平面的环形分布的多焦点，而不能产生非轴对称的多焦点，因而不能形成三维空间的多焦点扫描。

球冠作为具有几何焦区的相控阵换能器外形，到目前为止仍然是人们普遍采用的相控阵换能器外形形式。在本发明专利中我们将采用矩形阵元的结构形式，矩形阵元相控阵可以形成的声场波形好、旁瓣小、焦点外无不希望的声压波动，结构上排列亦紧凑。目前换能器材料采用压电复合材料、换能器阵元数大于一百，在技术上是有可能实现的；这样的换能器形式能够产生适合肿瘤超声治疗的精细、灵活和多变的焦点形式。本专利球面矩形阵元结构是2D阵形式用相关的控制方法可进行3D空间的焦点扫描。大规模阵元相控阵换能器要求先进的聚焦控制方法与之匹配，同时要有大规模、高技术的通道功率驱动进行控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，采用新型1-3压电复合材料(1-3Piezocomposite)和结构为上百阵元球面矩形相控阵换能器，从而确保适合体外聚焦超声治疗的高性能、高效率、灵活、多变的焦点控制形状。

本发明所采用的技术方案是，一种上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，它是用B超图像引导的立体定位相控阵高强度聚焦超声手术治疗***。其特征在于，该***包括：置于治疗床下部的上百阵元复合材料球面相控阵换能器，该上百阵元复合材料球面相控阵换能器的探头中同轴安装有绕中心轴自转θ角度的B超探头，与百阵元复合材料球面相控阵换能器的探头共同构成组合探头；其中B超探头连接有B超仪和图像采集装置；B超探头在治疗换能器中的同轴自转可以实现三维图像监控，也就是能在三维空间跟踪和评价治疗目标靶组织的治疗损伤状况。上百阵元复合材料球面相控阵换能器发射面的前方设置有水囊，该水囊与脱气净化水***相连接，水囊中还设置有进行表面皮肤监视的摄像机；

***还包括有主控计算机、6轴运动***及6轴运动控制***；主控计算机控制了百通道相控阵HIFU驱动控制和上百阵元复合材料球面相控阵HIFU换能器子***、6轴立体运动定位控制子***、B超图像采集子***和脱气净化水子***。主控计算机通过高速双向数据传输控制接口与上百通道相控阵HIFU驱动控制***连接，主控计算机同时还通过双向数据传输线与6轴运动控制***连通，用于控制组合探头以5自由度运动姿态定位，并驱动B超探头自转；主控计算机还与图像采集装置和脱气净化水***互连。

由于本发明采用了上百阵元复合材料球面相控阵换能器，可以产生适合体外聚焦超声治疗的多种焦点模式，而且焦点形式精细、灵活多变，特别是可以产生同时多焦点形成的大焦点比单阵元单焦点单次治疗体积大，因而减少了治疗时间、提高了效率，同时也能以可避开肋骨遮挡的子阵焦点模式实现无创治疗，该***从医生直观的B超图像引导的视点角度，根据病灶的具体情况灵活选择不同的焦点形状，方便地进行立体定位和聚焦超声操作。

附图说明

图1是本发明上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***原理图；

图2是本发明中球面相控阵换能器结构示意图，其中a是主视图，b是a的侧视图；

图3是上百通道相控阵HIFU驱动控制***分层分布结构框图；

图4是上百通道相控阵HIFU驱动控制中上位机的一种实例结构框图；

图5是上百通道相控阵HIFU驱动控制中下位机结构框图；

图6是上百通道相控阵HIFU功率驱动通道功率驱动器原理图；

图7是上百通道相控阵HIFU驱动控制中上位机软件状态转换图；

图8是上百通道相控阵HIFU驱动控制中下位机软件流程图；

图9是HIFU工作与B超图像采集时序图，其中，a是HIFU工作的占空比波形图，b是B超成像的时序图；

图10是本发明主控计算机软件流程图。

图中所示的标号分别表示：1.治疗床，2.上百阵元复合材料球面相控阵换能器，3.B超探头，4.B超仪与B超探头连线，5.B超仪，6.B超仪与图像采集装置连线，7.图像采集装置，8.主控计算机与图像采集接口，9.摄像机，10.水囊，11.6轴运动***，12.6轴运动与运动控制连线，13.6轴运动控制***，14.主控计算机与6轴运动控制***双向数据传输线，15.主控计算机，16.上百阵元相控阵换能器与相控阵HIFU驱动控制***的连接电缆，17.上百通道相控阵HIFU驱动控制***，18.主控计算机与上百通道相控阵HIFU驱动控制***的双向数据传输控制接口，19.脱气净化水***，20.矩形阵元，23.上位机，24.自定义内部总线，25.下位机，26.通道功率驱动器，31.调试显示器，32.ARM核，33.RS232通道，34.键盘，35.JTAG调试口，36.CS8900网络口，37.电源，38.64MSDRAM控制器，39.64MNandFlash，40.FPGA，41.频率合成器DDS，42.驱动与缓冲，44.上位机与下位机通讯通道，45.双端口RAM，46.时钟信号，48.数字相位移产生器，49.八通道AD，50.四通道DA，51.功率幅值信号，52.数字相位移信号，53.功率测量，54.控制信号，56.数字幅度控制的DC-DC电源，57.D/E类通道功率放大器，58.PLL相位检测器，59.谐波滤波器，60.匹配电路。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的详细说明。

具体实施方式

参看图1，其中示出了一种上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***的原理图。整体***由上百阵元复合材料球面相控阵换能器2、上百通道相控阵HIFU驱动控制***17、B超探头3、B超仪5、图像采集装置7、6轴运动***11及6轴运动控制***13、主控计算机15、脱气净化水***19、摄像机9、水囊10和治疗床1组成。

本发明的上百阵元复合材料球面相控阵换能器2安装于治疗床1的下方，在上百阵元复合材料球面相控阵换能器2探头的中心孔中，同轴安装有B超探头3，B超探头3与它形成组合探头，B超探头3可绕中心轴自转θ角度，B超探头3与B超仪5和图像采集装置7相连接。上百阵元复合材料球面相控阵换能器2的驱动通过上百通道相控阵HIFU驱动控制***17来完成，其姿态的立体定位由6轴运动***11及6轴运动控制***13来控制。在治疗床1中心有孔，上百阵元复合材料球面相控阵换能器2的发射面的前方还设置有水囊10，水囊10中通有脱气净化水***19提供的循环、恒温的脱气水，脱气水一方面做治疗超声的耦合液，另一方面可冷却声窗中表面皮肤，为防止声窗中表面皮肤过热灼伤，还设置有置于水囊中的摄像机9，进行窗中表面皮肤的监视。主控计算机15通过高速双向数据传输控制接口18控制上百通道相控阵HIFU驱动控制***17，然后驱动上百阵元复合材料球面相控阵换能器2发射聚焦超声波束进行治疗；主控计算机15同时还通过双向数据传输线14控制6轴运动控制***13，进而控制6轴运动***11使组合探头以5自由度运动姿态定位治疗，并使B超探头3自转；主控计算机15还控制B超图像的图像采集装置7和脱气净化水***19的水循环。

上百阵元复合材料球面相控阵换能器2的结构为上百阵元球面矩形相控阵，从图2中可看到，每一阵元的投影面积为相等的矩形20，这样的结构排布紧凑，阵元数多则有利于产生精细、灵活多变的焦点形式。换能器的工作频率为0.5-4MHz。采用的材料是新型1-3压电复合材料(1-3Piezocomposite)，1-3压电复合材料利用其主振动模式即厚度模式，抑制其他方向模式，减少寄生旁瓣，因而1-3压电复合材料的球面换能器仅有焦点处声压的光滑分布。1-3压电复合材料可直接做成球面，无需声透镜，因而减少了声透镜带来的声衰减，还具有宽频带、高信噪比和低声阻抗的特性。

上百通道相控阵HIFU驱动控制***17可将适合肿瘤治疗的三维单焦点、三维多焦点、组合切换焦点以及可避开肋骨遮挡的子阵焦点模式的驱动控制信号传输给上百阵元复合材料球面相控阵换能器2。一般的聚焦超声治疗换能器尺寸较大，其声窗容易被肋骨或障碍物遮挡，单阵元换能器治疗时只能将遮挡肋骨去掉，而相控阵聚焦超声换能器在这种被肋骨遮挡情况下就可以采用子阵的方法，就是让被肋骨遮挡的换能器阵元部分不工作，其余阵元工作。上百阵元复合材料球面相控阵换能器2中心孔的B超探头3可以判断哪部分阵元被肋骨遮挡从而确定被肋骨遮挡部分阵元不工作，这样就实现了无创手术。

为产生适合肿瘤的多种焦点模式，控制方法是必不可少的，与上百阵元复合材料球面相控阵换能器2相配的是上百通道相控阵HIFU驱动控制***17。控制方法设计的焦点形式对应各阵元的驱动信号，所有的焦点模式对应的驱动信号形成模式库存于上百通道相控阵HIFU驱动控制***17的存储器中，在HIFU治疗时即时取出相应焦点模式的驱动信号由上百通道相控阵HIFU驱动控制***17实现对上百阵元复合材料球面相控阵换能器2的驱动控制，即每一阵元要对应一个通道的功率控制，治疗时所有阵元和驱动通道都同时工作，每一阵元的通道驱动的功率幅度和相位都独立可控。

高精度、含局部反馈的各通道相位和功率可独立控制、计算机分层和分布管理控制以及高速数据传输控制接口的***是本发明上百通道相控阵HIFU驱动控制***17的构架。从图3中可以看出上百通道相控阵HIFU驱动控制***17的分层分布结构框图；本发明中的上百通道相控阵HIFU驱动控制***17设计为一个典型的分布式计算机控制***，分为HIFU驱动控制器上位机23和分布的下位机25以及分布的各通道功率驱动器26。主控计算机15通过双向数据传输控制接口18和上位机23双向通讯传输命令。上位机23可以是一单板计算机或嵌入式ARM—Linux***，上位机23通过自定义内部总线24驱动控制分布式下位机25，下位机25为单片机，每个下位机控制4或8或16个通道功率驱动器26，在这样的分布式结构中下位机25的数量取为4、8、16的倍数，同样每个下位机25控制的功率驱动器26也取为4、8、16的倍数。

每一阵元对应一个通道的功率控制，上百阵元HIFU相控阵要求上百通道的功率驱动控制器驱动发射超声波；每一通道的功率、相位信号可独立控制，连续波的相位控制范围为0-360°，所有通道的相位是相对于一参考基准频率时钟信号的相位。相控阵HIFU驱动控制实现的主要功能就是接收主控计算机15的命令和治疗数据进行解析，转化成包含各通道相位、幅值信息的电信号作为功率通道的前端输入信号，同时通过实时监测功率放大通道工作过程中反馈回来的信息，对各个通道的工作状态进行实时监测，从而实现安全自锁等功能。

图4是上百通道相控阵HIFU驱动控制中上位机的一种实例结构图。本实施例的上位机23采用了嵌入式ARM—Linux***，硬件上采用ARM+FPGA+DDS+Driver+TFT结构，软件上采用嵌入式Linux+MiniGUI+上位机功能软件的***实现方式。在微控制器ARM核32的***有：

·两个通道RS23233，一个通道用来外接键盘34，一个通道用来和主控计算机15连通；

·一个NANDFlash控制器，用来外接64MNandFlash39，用来存贮bootloader，内核，根文件***，上位机程序等；

·64MSDRAM控制器38，用来做***内存；

·现场可编程门阵列FPGA(Field Prorammable Gates Array)40，采用Altera中等规模芯片作各种控制信号的产生；

·频率合成器DDS(Direct Digital Synthesizer)41是用来产生基准频率时钟信号的，可采用美国AD公司的AD9850频率合成器。

·LCD液晶显示器31：***测试调试显示；

·JTAG调试口35：用于***测试调试；

·CS8900网络口36：在调试阶段，可以用来作为***的调试口，在商品化阶段，用于上位机软件设计；

·驱动与缓冲42传送数据到自定义内部总线24

***软件主要指嵌入式Linux和MiniGUI。***通电以后运行bootloader，初始化各种CPU运行环境并加载内核，内核启动以后挂载根文件***，开始运行MiniGUI，接着运行上位机23的功能软件。

在本实施例中自定义了与主控计算机通讯和控制的协议，上位机23遵循本***自定义的与主控计算机的通讯和控制协议主要完成以下功能：

·产生整体相控阵HIFU驱动控制器所需的基准频率时钟信号，如本实施例中基准频率时钟信号与换能器的工作频率一致为1.2MHz。

·接收主控计算机发来的治疗命令和数据，进行预处理。

·根据接受到的命令发生治疗模式信号等控制信号。

·驱动各级信号，与下位机通讯，把信号发送到下位机进行具体实现。

·实时监控各个信号通道，做相应的安全处理。

图5是本发明中上百通道相控阵HIFU驱动控制中分布的下位机的一种实例结构图。首先下位机25的硬件设计选用了单片机作为实现下位各功能的核心处理器，单片机25负责调度、管理每个功能模块的协调工作。单片机25与双端口RAM 45进行双向数据传输；下位机25通过双端口RAM 45与上位机23通过内部上位机与下位机通讯通道44进行双向通讯，接收上位机23发送来的治疗数据和控制信息，并且适时地上传功率等通道检测信息。单片机25把接收到的治疗数据分解为每个通道的数字相位数据和数字功率幅度数据，然后一边把控制信号54发送到通道功率驱动器26，一边把数字相位数据发送到数字相位移产生器48。数字相位移产生器48接受两个信号控制：一个是单片机25给的8位数字相移量，另一是从上位机23通过内部上位机与下位机通讯通道44直接传递过来的换能器基准频率时钟信号46，根据这两个信号数字相位移产生器48进行相位延时后产生数字相移信号52传递给通道功率驱动器26。单片机25将分解得到的数字功率幅度数据发送到四通道DA 50进行转换，然后将转换的功率幅值信号51传递给通道功率驱动器26，本实施例的功率幅度控制是8位精度数字量。在工作期间，通道功率驱动器26的每一个通道都设有每一阵元驱动电功率的检测，还有相关点电压检测；单片机25控制八通道AD 49通过功率测量53将四个通道的功率和电压转换成数字信号，输送、存放到双端口RAM 45中，以便上位机23查询。根据各通道的功率和电压的检测数据判断每一通道功率驱动器的工作状态是否正常，如果不正常，立刻关闭该通道。

下位机25在上位机23的控制下，直接向功率放大通道提供各种信息，其主要功能包括：

·与上位机通讯，接受各种控制信号。

·把上位机发来的治疗数据通过DA转换器变成换能器幅值信息，并发送给相应的功率放大通道。

·信号经过延时电路产生各通道相位信息，并发送给相应功率放大通道。

·根据上位机提供的治疗模式数据，实现对功率放大通道各种工作方式的控制。

·实时监测各功率放大通道的工作状态并转换为数字信号，发送给上位机。

图6是本发明中上百通道相控阵HIFU功率驱动通道原理图。图中显示的是通道功率驱动26中一个通道的驱动。通道的功率幅度和相位是独立控制的，幅度控制方式有两种可供选择：一种是电压反馈的电压控制方式，另一种是功率反馈的功率控制方式，他们由单片机25直接控制。由于相控阵换能器2的阵元20在工作时其电阻抗会发生变化，因而采用功率反馈的功率控制方式使输出功率稳定而不受电阻抗变化的影响。通道功率驱动的放大器设计采用D/E类通道功率放大器57，D/E类通道功率放大器57工作在开关状态，这里是周期方波，因而效率比A/B类放大器高可达90％，且体积小；D/E类通道功率放大器57产生的功率驱动信号的相位和幅度是由单片机25控制的结果：首先数字相位移产生器48将上位机23产生的基准时钟方波信号按单片机25发送的数字延时量产生相移的方波信号送入D/E类通道功率放大器57进行相位控制，与此同时D/E类通道功率放大器57放大的方波幅度受单片机25发送的数字幅度信号通过DA 50控制DC-DC电源56的幅度实现幅度控制。数字幅度控制的DC-DC电源56实际上是脉宽可调的脉冲DC-DC电源，其效率高可达85％。D/E类通道功率放大器57输出的方波信号经2倍于工作频率带宽的谐波滤波器59滤波后再经过L-C匹配电路60将工作频率的正弦波信号经同轴屏蔽电缆送到上百阵元复合材料球面相控阵换能器2驱动其阵元。本实施例的功率测量53完全用硬件乘法器和积分器实现。硬件实现的功率测量53的功率信号在功率控制方式时作为反馈信号。放大通道各环节产生的相移可以通过锁相环PLL相位检测器58进行相位反馈的补偿。通道的功率测量53和电压的检测量经八通道AD(49)转换后送入单片机25，单片机25根据各通道的功率和电压的检测数据判断每一通道功率驱动器的工作状态是否正常，如果不正常，通过使能控制立刻关闭该通道。

按照上位机要完成的功能上位机软件状态转换图参见图7，***开机即运行位于指定地址的bootloader程序，设置完Linux内核运行环境以后，加载Linux内核，内核运行过程中挂载需要的根文件***，***启动完成以后，运行基于MiniGUI的图形用户接口，在MiniGUI图形接口上运行上位机功能软件。上位机功能软件是实现上位机各种功能的具体部件，首先需要初始化***软硬件，包括FPGA(40)中相应的控制字，DDS(41)的复位初始化，串行通讯口，以及软件中的各种标志位等，初始化通过以后即进入无限循环模式，按接收到的不同的命令帧进行相应的处理。

当收到配置命令时，需要设置上百通道相控阵HIFU驱动控制***参数，设置换能器工作频率，设置上百通道校正因子和***自检等。当通讯出错时，需要重新初始化串口，清空缓冲区，进行出错处理。当收到查询命令时，需要查询设备标识，查询功放状态值，查询通道功率检测值。当应答查询命令时，需要向主控机发送应答数据，包括设备标识，***状态值。当接收到开始治疗命令时，进入到治疗模式循环状态，HIFU模式(on)发送治疗脉冲，HIFU模式(off)关闭治疗脉冲。在这个治疗过程中均需要查询***状态，如果发现***信号不在预先设定的阈值范围以内，自动停止治疗，进行错误分析，如果***正常工作，并且HIFU模式循环结束，意味着一点治疗结束，正常停止治疗。

按照下位机23要完成的功能下位机软件流程参见图8，上百通道相控阵HIFU驱动控制***下位机23为单片机控制，***上电以后，进行各项初始化工作，为程序设置运行环境。***初始化成功以后，设置相应的状态供上位机检查，开数据发送中断，以便能够从上位机接收治疗数据。接下来检查***工作时钟是否正常，如果时钟出错，设置时钟出错状态；如果时钟正常，设置工作时钟正确状态，读取当前各通道工作状态，设置状态字节供上位机23检查。接下来检查是否有通道处于工作状态，如果有，则采集20组功率、电压值存放到双端口RAM(45)中，并且置数据采集完标志位，等待上位机进行数据处理，如果上位机数据处理完成，判断通道正常，便可以读取功率使能控制字节并设置相应通道

为了让聚焦超声从体外任意方位和短的焦距聚焦于体内，采用6轴运动***11及6轴运动控制***13来进行换能器的姿态，实施立体定位治疗。其中3个自由度为x轴、y轴、z轴相互垂直的直线运动和2个绕轴摆动，再有一个自由度是B超探头3的自转。x轴、y轴、z轴相互垂直的直线运动采用伺服电机驱动滚珠丝杆或螺母使其沿直线导轨做直线运动，2个绕二垂直轴的摆动则是采用两相互垂直运动的摆船结构绕其锥顶进行摆动，采用伺服电机驱动滚珠丝杆使其螺母做直线运动，再转化为圆弧摆动；两摆动结构紧凑、高精度并且摆角与电机控制成线性关系。而本发明再有一个自由度的运动是让B超探头3同轴装于上百阵元复合材料球面相控阵换能器2探头的中心孔内做±90°的自转；这样可监测三维空间的不同面的治疗损伤状况。6个轴的运动都采用伺服电机驱动实现高精度的运动闭环控制。本发明的6轴运动***11及6轴运动控制***13以紧凑和高精度实现6自由度的姿态运动控制和立体定位。6自由度的运动采用了美国DelatTau公司产的PMAC(Programmable Multiaxes Controller)多轴控制卡进行联动控制。

上百阵元球面相控阵可以实现3D空间的焦点扫描，因而聚焦超声治疗的损伤B超图像监控的扇扫面也应达能在3D空间查找到治疗损伤点。本发明中B超探头3在相控阵治疗换能器中心孔的自转，就能在3D空间查找到治疗损伤点，也能进行3D成像。

本发明专利的治疗***采用B超图像引导和监控聚焦超声治疗，主控计算机软件可以控制B超图像采集和监控为准实时的图像监控，即在治疗占空周期的空时段进行B超图像采集。一般HIFU工作的时间段中是采用占空比的工作方式，即周期性的间断工作；HIFU工作的占空比波形见图9a，B超成像是在HIFU的空的时间段中进行，以防止HIFU的强干扰，B超成像的时序见图9b。这样的方式就是B超准实时监控成像。

水囊10与脱气净化水***19的连接控制与现有技术相同。

图10表示出了本发明实施例上百阵元球面相控阵高强度聚焦超声治疗***主控计算机软件流程，主控计算机软件对各子***进行管理实现了图像引导的立体定位的聚焦超声治疗和治疗损伤图像显示。主控计算机软件运行后，首先检查脱气净化水***19、上百通道相控阵HIFU驱动控制***17、6轴运动控制***13、11以及内部各部件的状态，引导6轴运动装置归位；而后显示病人资料输入界面，由医生输入病人资料，以便于载入其他图像资料时的有效性校验。医生利用主控计算机软件提供的导航工具寻找病灶组织位置，同时可以通过DICOM文件接口载入其他模态的三维检查图像，通过交互式的方法，进行各模态数据和当前治疗位置的配准，通过主控计算机软件提供的各种处理方法进行三维可视化显示，直观地观察病灶组织的情况，以面为基础制定治疗规划。启动治疗后主控计算机软件控制脱气净化水***19、上百通道相控阵HIFU驱动控制***17、6轴运动控制***13、图像采集装置7等子***协调工作。首先进行一次预扫描，然后按照治疗规划所要求的位置声窗、功率和工作模式进行工作，同时记录治疗前后的超声图像，用于治疗效果评价。当所有治疗目标完成后，一次治疗过程结束，主控计算机软件负责6轴运动控制***13、脱气净化水***19的复位。治疗过程中，主控计算机软件对于***水温、上百阵元复合材料球面相控阵换能器2的温度、上百通道相控阵HIFU驱动控制***17的各通道状态等关键参数进行实时监控，确保治疗过程设备安全运行。

治疗***主控计算机软件功能为：

·对上百通道相控阵HIFU驱动控制***、6轴运动控制***、B超图像采集装置和脱气净化水***进行控制和管理。

·医生可以根据治疗病灶的不同，采用不同的焦点模式和位置：轴上单焦点、离轴单焦点、多焦点、多焦点合成的大焦点；多焦点比单焦点有更快的治疗速度，同时灵活多变的焦点模式扩大了治疗范围。

·医生可以根据B超图像确定换能器哪部分被肋骨等障碍遮挡，从而选用相应的子阵，即被遮挡的子阵不工作，其它阵元工作；***中存储了32种子阵可以选择，从而是真正意义上的无创手术。

·医生可以在B超图像上直接上、下、左、右、前、后操作进行聚焦超声治疗立体定位。

·可视化的声窗、焦点调整技术使得治疗规划的制定速度更快，更准确。

·治疗功率、时间、焦点模式、焦点切换模式等可设定，可进行点扫、线扫等治疗规划，并且设有预扫进行规划方案确定。

·DICOM文件导入近期病灶区域的其他诊断图像，并能够在医生的介入下进行配准，可以克服B超图像质量不足的缺点，便于医生在治疗过程中了解治疗区域的情况，采取合理的治疗方案，避免正常组织的意外损伤。

·通过B超监控图像对组织进行扫描，采用体绘制方法获取三维重建图像。

·B超图像显示。

·B超旋转成像技术，可以观察到治疗区域的全方位超声图像而不是某一个限定的方向，使得对于病灶区域的了解更全面，超声监控更加准确。

·摄像头可以直接观察声窗部位偏皮肤组织的状态。

本发明的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***的工作过程如下：本发明治疗过程实际上是在B超图像引导下的立体定位聚焦超声手术治疗，整体***的操作是在主控计算机15的主控计算机软件上进行。一般首先是确定患病部位，医生是基于B超视图进行立体扫查，这时主控计算机15控制6轴运动控制***13通过6轴运动***11来控制B超探头3的运动，从而B超扇扫面运动得到各切面图像，用主控计算机软件提供的三维可视化处理得到器官组织内部及患病部位三维图像；也可用DICOM文件接口载入其他MRI或CT图像作配准确定患病部位，并可对载入的各模态的图像进行三维重构和图像分析。B超图像采集是在主控计算机15的主控计算机软件控制下由在图像采集装置7获得。肿瘤的HIFU治疗需要由单点聚焦照射，再由点组成线，再由线组成面，多个面(多层)则形成一定体积的治疗。一般点、线、面组成的治疗顺序由远及近，医生治疗时会制作相应的治疗规划。治疗时根据声窗的立体定位治疗：是由医生基于B超视图通过主控计算机15控制6轴运动控制***13通过6轴运动***11来控制上百阵元复合材料球面相控阵换能器2的姿态进行立体定位治疗，治疗时医生可采用相应的焦点模式：如单焦点、多焦点合成的大焦、组合切换焦点和可避开肋骨等障碍的子阵焦点模式，以及选择发射功率、发射持续时间等参数，主控计算机15通过双向数据传输控制接口18发送治疗命令到上百通道相控阵HIFU驱动控制***17控制上百阵元复合材料球面相控阵换能器2发射出高强度聚焦超声进行治疗。主控计算机软件在治疗前可进行预扫描以便治疗方案的确定。治疗完一点或相应的区域，可用B超视图观察对比治疗效果，B超探头可以自转以便在三维空间寻到治疗损伤组织的位置和对治疗损伤状况的三维成像。治疗中的辅助子***.脱气净化水***19也是由主控计算机15主控计算机软件控制的。

Claims (17)

1.一种上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，***还包括有主控计算机(15)、6轴运动***(11)及6轴运动控制***(13)，主控计算机(15)同时还通过双向数据传输线(14)与6轴运动控制***(13)连通，并通过6轴运动控制***(13)与6轴运动***(11)连接，用于控制组合探头以5自由度运动姿态定位，其中3个自由度为x轴、y轴、z轴相互垂直的直线运动和2个绕轴摆动，再有一个自由度是B超探头(3)的自转；x轴、y轴、z轴相互垂直的直线运动采用伺服电机驱动滚珠丝杆或螺母使其沿直线导轨做直线运动，2个绕二垂直轴的摆动则是采用两相互垂直运动的摆船结构绕其锥顶进行摆动，采用伺服电机驱动滚珠丝杆使其螺母做直线运动，再转化为圆弧摆动；有一个自由度的运动是让B超探头(3)同轴装于上百阵元复合材料球面相控阵换能器(2)探头的中心孔内做±90°的自转；其特征在于，该***包括：置于治疗床(1)下部的上百阵元复合材料球面相控阵换能器(2)，上百阵元复合材料球面相控阵换能器(2)的探头中同轴安装有绕中心轴自转θ角度的B超探头(3)，与百阵元复合材料球面相控阵换能器(2)的探头共同构成组合探头；其中，上百阵元复合材料球面相控阵换能器(2)和上百通道相控阵HIFU驱动控制***(17)连接，每一阵元的通道驱动的功率幅度和相位是独立可控的；B超探头(3)连接有B超仪(5)和图像采集装置(7)；在上百阵元复合材料球面相控阵换能器(2)发射面的前方设置有水囊(10)，该水囊(10)与脱气净化水***(19)相连接，水囊(10)中还设置有进行表面皮肤监视的摄像机(9)；

所述主控计算机(15)内有主控计算机软件，用于支持***的B超图像引导立体定位的聚焦超声治疗；主控计算机(15)通过高速双向数据传输控制接口(18)与上百通道相控阵HIFU驱动控制***(17)连接，并驱动B超探头(3)自转；主控计算机(15)还与图像采集装置(7)和脱气净化水***(19)互连。

2.如权利要求1所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，其特征在于，所述的上百阵元复合材料球面相控阵换能器(2)的结构为上百阵元球面矩形相控阵，采用的材料是新型1-3压电复合材料直接做成球面，每一阵元的投影面积为相等的矩形，其工作频率为0.5-4MHz。

3.如权利要求1所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，其特征在于，所述的主计算机(15)控制上百通道相控阵HIFU驱动控制***(17)，进而驱动上百阵元复合材料球面相控阵换能器(2)发射聚焦超声，同时控制6轴运动控制***(13)，使组合探头以5自由度运动姿态定位，和B超探头(3)自转形成的三维图像监控，也控制B超图像的图像采集装置(7)和脱气净化水***(19)的水循环。

4.如权利要求1所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，其特征在于，所述的上百通道相控阵HIFU驱动控制***(17)中每一阵元的通道驱动的功率幅度和相位是独立可控的，连续波的相位控制范围为0-360°。

5.如权利要求1所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，其特征在于，所述上百通道相控阵HIFU驱动控制***(17)为分层分布结构，包括上位机(23)和分布的下位机(25)以及分布的各通道功率驱动器(26)。

6.如权利要求5所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，其特征在于，所述上位机(23)为嵌入式ARM—Linux控制硬件结构。

7.如权利要求5所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，其特征在于，所述上位机(23)设置有与主控计算机(15)的通讯和控制协议。

8.如权利要求5所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，其特征在于，所述的上位机(23)采用频率合成器DDS(41)产生所有通道的基准频率时钟信号，从而高精度地控制信号相位。

9.如权利要求5所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，其特征在于，所述的分布式下位机(25)采用双端口RAM(45)的双向数据传输结构，并用于对各通道功率驱动器(26)实施数字相位延时控制和数字幅度控制。

10.如权利要求5所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，其特征在于，所述的分布通道功率驱动器(26)采用高电效率的D/E类功率放大器，同时也采用了数字幅度控制的DC-DC电源结构。

11.如权利要求5所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，其特征在于，所述分布通道功率驱动器(26)采用了硬件乘法器实现的功率检测和功率反馈控制。

12.如权利要求5所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，其特征在于，所述分布通道功率驱动器(26)采用了数字相移器和锁相环PLL实现的相位反馈，从而确保了通道相位控制的精确性。

13.如权利要求1所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，其特征在于，所述上百通道相控阵HIFU驱动控制***(17)的存储器中存有焦点模式对应的驱动信号形成的模式库，在HIFU治疗时即时取出相应焦点模式的驱动信号对上百阵元复合材料球面相控阵换能器(2)的每一阵元进行驱动控制。

14.如权利要求1所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，其特征在于，所述的主控计算机软件包括有三维图像的可视化处理，用于提供的B超扇扫面运动的切面图像构成器官组织内部和治疗目标靶组织的治疗损伤状况的三维图像，并进行基于B超视图的立体定位。

15.按照权利要求1所述的百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，其特征在于，所述的B超探头(3)得到的图像能够判断哪部分阵元被肋骨遮挡，从而确定被肋骨遮挡部分阵元不工作的子阵工作方式。

16.按照权利要求1所述的百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，其特征在于，所述的主控计算机软件能够载入DICOM图像文件、能够在医生的介入下进行多模态图像配准，并能够对载入的各模态的图像进行三维重构和图像分析。

17.按照权利要求1所述的百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗***，其特征在于，所述的主控计算机软件具有B超图像准实时监控功能，即在治疗占空周期的空时段进行B超图像的采集。

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