CN101828960B - 阵元呈环形密集分布的高强度聚焦超声球面相控阵 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种阵元呈环形密集分布的高强度聚焦超声球面相控阵，由一个刚性球冠体和若干个阵元组成，在球冠体的中央单独放置一个阵元，其余阵元均离散地分布在以球冠体中心为原点的若干层同心环上，各环层之间的角间距均不相等，各环层之间的间隔及同环内相邻阵元的间距根据阵元密集分布原则设定，每层同心环的起始阵元位置随机而定，其余阵元相继按等角间距紧密均匀地分布在同心环上，每个阵元有独立的电激励信号馈线，分别连接至相控信号激励***。本发明通过基于伪逆矩阵理论的焦点模式合成方法计算阵元的相位和电压幅度分布，实现声束电子聚焦和扫描，产生所需单焦点或多焦点等声场控制模式，应用于人体内目标肿瘤病灶的加热消融。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声相控阵，尤其涉及一种阵元呈环形密集分布的高强度聚焦超声球面相控阵，应用于核磁共振成像(MRI)引导的相控型高强度聚焦超声(P-HIFU)肿瘤治疗***，属于生物医学工程技术领域。
背景技术
高强度聚焦超声相控阵是相控型高强度聚焦超声肿瘤治疗***的关键部件之一。它是电子控制聚焦并且焦距可变，可产生单个焦点或者多个焦点等多种声场控制模式。它通过调控其中任意阵元的激励相位和幅度，就可以实现体外超声在人体内汇聚于一点，该点(即焦点)在整个声场分布中具有最大声压幅度的特性，于是在靶区内形成一个高声强的区域。焦点处由于超声能量大量沉积，位于其中的组织温度会迅速升高(2～10秒内温度可达65℃以上)进而导致细胞发生凝固性坏死，而焦点外的正常组织因仅有少量能量沉积而温升甚少，不会受到明显的损伤。
现有的高强度聚焦超声相控阵主要有：平面相控阵和球面相控阵(或凹面相控阵)。阵元的形状有圆形、圆环形、矩形、柱形和扇蜗形等形式。
平面相控阵是指阵元按一定形状置于平面上所形成的相控阵，聚焦时它容易在近场产生相对主瓣无法忽略的旁瓣，同时其实现声束的电子扫描范围较小，工作灵活性有限。而球面相控阵是指阵元按一定形状置于球面上所形成的相控阵，由于球面自身具有几何焦点，采用这样的结构既能够保证大的声强增益放大倍数，又可以在三维空间内产生大的焦点扫描范围和多种焦点模式，具有很好的声学性能。
目前高强度聚焦超声手术中主要采用两种图像引导方式：一种是B超引导，另一种是核磁共振成像(MRI)引导。在B超引导的相控型高强度聚焦超声***中，B超换能器通常放置在超声相控阵的中央开孔内，类似中央开孔的换能器结构将影响该换能器的声场分布特性和工作方式，可能制约这类换能器的性能，而MRI引导则不会产生这些问题。
经对现有技术的文献检索发现，中国实用新型专利《一种对称分区的多元高强度聚焦超声换能器》(授权公告号为CN2894640Y)披露了“一种对称分区的多元高强度聚焦超声换能器，它包括：固定在支架上的换能器片、半球面托架、B超换能器、O型密封圈，排水孔，O型密封圈用于高强度聚焦超声换能器与水囊之间的密封，固定在支架上的换能器片在360°内等分为4N个分区，均匀对称排列并固定在半球面托架的内表面，N为自然数，每个区域放置1～100个固定在支架上的换能器片，换能器片直径为1～50MM；所有分区共同形成高强度聚焦超声换能器片阵列，各个分区分别由独立的电源控制，通过分别调整驱动电源的功率和相位实现聚焦超声焦域形状和入射方向的调整；B超换能器直接镶嵌在半球面托架中心；使用粘接剂将能产生高强度聚焦超声的换能器片阵密封固定在半球面托架上，能产生高强度聚焦超声的换能器片阵列与B超换能器组合共同形成高强度聚焦超声换能器。”该技术存在明显不足：由于每个分区分别由独立的电源控制，即该分区内的所有阵元都将被激励同一个驱动电源的相同功率和相位，因此每个分区可被等效地看作一个“大”阵元，于是该多元高强度聚焦超声换能器仅由4N个“大”阵元组成，等效阵元数量减少将限制该换能器的焦点扫描范围，同时由于相邻“大”阵元之间的距离比原先相邻阵元间距大得多，即“大”阵元空间分布不紧凑，电子聚焦和扫描时容易产生较大的旁瓣，可能导致靶区外正常组织被过度加热，危害病人。
中国发明专利《大焦域相控阵聚焦超声换能器》(公开号为CN1775327)披露了“大焦域相控阵聚焦超声换能器由一个大孔径刚性球冠体和若干个离散分布的超声换能器单元——阵元组成，球冠体的中央圆孔为超声定位装置的检测探头提供安装空间，所有阵元离散地分布在以球冠体中心为原点的若干层同心环上，各环层之间的角间距相等，每一层同心环的起始阵元位置随机而定，其余阵元则相继按等角间距均匀地分布在同心环上，各个阵元均有独立的电激励信号馈线，分别连接至相控信号激励***。”该技术存在以下两点不足：第一，由于在球冠体的中央圆孔内安装了超声定位装置的检测探头，这种中央开孔的换能器结构会使在声束轴上聚焦时的焦点能量不集中，无法发挥球面相控阵自身几何聚焦的优势，同时聚焦点位置偏移声束轴的距离(即焦点扫描范围)受到限制，影响该换能器的治疗范围；第二，“各环层之间的角间距相等”使得内环层的相邻阵元环间距比外环层的相邻阵元环间距大，由于相控阵内相邻阵元间距和相控阵聚焦时产生的旁瓣大小成正比，因此阵元处于非密集排布的该相控阵聚焦时产生的旁瓣要比相同条件下阵元呈密集排布的相控阵大，这将影响该相控阵聚焦效果。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，设计提供一种阵元呈环形密集分布的高强度聚焦超声球面相控阵，用于MRI引导的相控型高强度聚焦超声***，它可以通过控制每个阵元激励电压的相位和幅度实现声束的电子聚焦和扫描，产生所需的单焦点或者多焦点等声场控制模式，进而使焦点所形成的焦域覆盖靶区，保证体外超声在人体内靶区组织的能量沉积，达到使靶区组织发生凝固性坏死所需的温升，实现对人体内目标肿瘤病灶的加热消融。
为实现这样的目的，本发明采用了以下设计方案：整个阵元呈环形密集分布的高强度聚焦超声相控阵由一个刚性球冠体和若干个离散分布的超声换能器单元——平面圆形阵元组成，在球冠体的中央单独放置一个阵元，其余阵元均离散地分布在以球冠体中心为原点的若干层同心环上，各环层之间的角间距均不相等，根据阵元呈密集分布(即相邻环之间的间隔和同环内相邻阵元的间距尽可能小)的原则设定各个环层之间的间隔和同环内相邻阵元的间距，每一层同心环的起始阵元位置随机而定，其余阵元则相继按等角间距紧密均匀地分布在同心环上。每个阵元均有独立的电激励信号馈线，分别连接至相控信号激励***。
各个阵元激励信号的频率一致，相位和电压幅度各不相同，通过基于伪逆矩阵理论的焦点模式合成方法计算阵元的相位和电压幅度组合，实现声束的电子聚焦和扫描，产生所需的单焦点或者多焦点等声场控制模式，进而使焦点所形成的焦域覆盖靶区，保证体外超声在人体内靶区组织的能量沉积，达到使靶区组织发生凝固性坏死所需的温升，实现对人体内目标肿瘤病灶的加热消融。
本发明中，所述刚性球冠体的曲率半径R＝L1+L2，其中L1为该相控阵的聚焦最小深度，L2为该相控阵的轴向扫描范围，刚性球冠体的f-number满足0.85≤f-number≤0.95，其中f-number为刚性球冠体的曲率半径R与外部直径D之比。
本发明的阵元采用圆形、平面形式，各个阵元的直径、厚度均相同，由发射性压电材料制成，其外表面胶合有匹配层。
本发明的阵元的大小、分布间距和数量取决于声场旁瓣水平、激励信号的频率、刚性球冠体的曲率半径R和外部直径D等多个条件，经优化设计决定。阵元分别精密地镶嵌在刚性球冠体的小孔内，同时辅以粘合剂胶合。每个阵元均有独立的电激励信号馈线，分别连接至相控信号激励***。
本发明的各个阵元的电激励信号都是独立可控的，每个阵元激励信号的频率f一致，相位
和电压幅度μi各不相同(其中i表示阵元序号)，因此每个阵元表面振速的相位与幅值也各不相同，通过基于伪逆矩阵理论的焦点模式合成方法计算阵元的相位和电压幅度组合
阵元被激励电压信号
后辐射的声波在三维空间内叠加会使声波波阵面曲率和中心位置发生变化，从而实现了声束的电子聚焦和扫描，产生所需的单焦点或者多焦点等多种声场控制模式，进而使焦点所形成的焦域覆盖靶区，并保证足以使靶区组织发生凝固性坏死的能量沉积。
本发明的阵元呈环形密集分布的高强度聚焦超声相控阵同时兼有球面、规则、变角间距、阵元空间分布紧凑和随机等特点，因此具有集中的焦点能量分布，大的三维空间焦点扫描范围，强的旁瓣抑制能力和高的声强增益等优点。可以通过控制各个阵元激励信号的相位和幅度实现声束的电子聚焦和扫描，产生所需的单焦点或者多焦点等多种声场控制模式，进而使焦点所形成的焦域覆盖靶区，保证体外超声在人体内靶区组织的能量沉积，达到使靶区组织发生凝固性坏死所需的温升，实现对人体内目标肿瘤病灶的加热消融。本发明结构新颖紧凑，选材普通，性能优良，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图1中，1为刚性球冠体，2为阵元。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步的详细描述。实施例所采用的技术参数不构成对本发明的限定。
图1为本发明的结构示意图。如图1所示，本发明设计的高强度聚焦超声相控阵由一个刚性球冠体1和N个离散分布的超声换能器单元——圆形平面阵元2组成，采用球面、规则、紧凑、变角间距环阵结构，每环的起始阵元随机定位。
刚性球冠体1的曲率半径R＝L1+L2，其中L1为该相控阵的聚焦最小深度，L2为该相控阵的轴向扫描范围，刚性球冠体的f-number满足0.85≤f-number≤0.95，其中f-number为刚性球冠体的曲率半径R与外部直径D之比。
阵元2的分布如图1所示，刚性球冠体1上离散地分布若干个圆形小孔，每个小孔内镶嵌一个圆形平面阵元2。阵元2的大小、分布间距和数量取决于声场旁瓣水平、激励信号的频率、刚性球冠体的曲率半径R和外部直径D等多个条件，经优化设计决定。阵元分别精密地镶嵌在刚性球冠体的小孔内，同时辅以粘合剂胶合。每个阵元均有独立的电激励信号馈线，分别连接至相控信号激励***。
阵元2为多层、密集分布、变角间距环阵，即所有阵元依次分布在A，B，C，D，……等M个环层上，每层的阵元个数不同，所有层的阵元个数之和为N。其中，仅有一个阵元A01分布在A层上，阵元A01与Z轴垂直于球冠体中心O，并且阵元A01的圆心与球冠体中心O重合，其余阵元离散地分布在以球冠体中心O为原点的M-1层同心环上，各环层之间的角间距均不相等，即，A层同心环上的阵元圆心和球冠体几何焦点Ro的连线与Z轴的夹角为θA，B层同心环上的阵元圆心和球冠体几何焦点Ro的连线与Z轴的夹角为θB，C层同心环上的阵元圆心和球冠体几何焦点Ro的连线与Z轴的夹角为θC，θC-θB≠θB-θA，依此类推，根据阵元呈密集分布(即相邻环之间的间隔和同环内相邻阵元的间距尽可能小)的原则设定各个环层之间的间隔和同环内相邻阵元的间距。由于A层阵元仅有一个且位置固定，因此，从B层开始每层上的第一个阵元(B01，C01，……)，其位置随机而定，同层上的其余阵元则相继按等角间距紧密均匀地分布在同心环上，即，举B层为例，阵元B01的圆心和球冠体中心O的连线与X轴的夹角αB01的数值随机生成，B层上的其余阵元则相继按等角间距紧密均匀地分布在同心环上，即αB03-αB02＝αB02-αB01，……，依此类推。其余各层均依此类推。
在本发明的实施例中，该相控阵的聚焦最小深度L1＝4cm，轴向扫描范围L2＝3.2cm，因此刚性球冠体1的曲率半径R＝L1+L2＝7.2cm，刚性球冠体1的f-number取为0.9，其外部直径D＝8cm。阵元2的直径是1.0cm，厚度是0.15cm。阵元2的材料采用PZT-8压电陶瓷，其外表面胶合有匹配层。
在本发明的实施例中，同心环层数M＝4，阵元个数N＝37，θA＝0.00°，θB＝8.10°，θC＝16.86°，θD＝26.52°，θD-θC＝9.66°≠θC-θB＝8.76°。A层的阵元个数NA＝1，B层的阵元个数NB＝5，αB01＝5°，αB03-αB02＝αB02-αB01＝360°/5＝72°，C层的阵元个数NC＝12，αC01＝10°，其同心环上相邻阵元的角间距为30°，D层的阵元个数ND＝19个，αD01＝15°，其同心环上相邻阵元的角间距为18.95°。
本发明的各个阵元2的电激励信号都是独立可控的，每个阵元激励信号的频率f一致，相位
和电压幅度μi各不相同(其中i表示阵元序号)，因此每个阵元表面振速的相位与幅值也各不相同，通过基于伪逆矩阵理论的焦点模式合成方法计算阵元的相位和电压幅度组合阵元被激励电压信号
后辐射的声波在三维空间内叠加会使声波波阵面曲率和中心位置发生变化，从而实现了声束的电子聚焦和扫描，产生所需的单焦点或者多焦点等多种声场控制模式，进而使焦点所形成的焦域覆盖靶区，并保证足以使靶区组织发生凝固性坏死的能量沉积。
Claims (4)
1.一种阵元呈环形密集分布的高强度聚焦超声球面相控阵，由一个刚性球冠体(1)和若干个阵元(2)组成，其特征在于在球冠体(1)的中央单独放置一个阵元(2)，其余阵元(2)均离散地分布在以球冠体(1)中心为原点的若干层同心环上，各环层之间的角间距均不相等，各环层之间的间隔及同环内相邻阵元的间距根据阵元密集分布原则设定，每一层同心环的起始阵元位置随机而定，其余阵元相继按等角间距紧密均匀地分布在同心环上，每个阵元(2)均有独立的电激励信号馈线，分别连接至相控信号激励***，所述阵元密集分布原则是指相邻环之间的间隔和同环内相邻阵元的间距尽可能小。
2.根据权利要求1的阵元呈环形密集分布的高强度聚焦超声球面相控阵，其特征在于所述的刚性球冠体(1)的曲率半径R＝L1+L2，其中L1为该相控阵的聚焦最小深度，L2为该相控阵的轴向扫描范围，刚性球冠体(1)的f-number满足0.85≤f-number≤0.95，其中f-number为刚性球冠体(1)的曲率半径R与外部直径D之比。
3.根据权利要求1的阵元呈环形密集分布的高强度聚焦超声球面相控阵，其特征在于所述的阵元(2)采用圆形、平面形式，各个阵元(2)的直径、厚度均相同，由发射型压电材料制成，其外表面胶合有匹配层。
4.根据权利要求1的阵元呈环形密集分布的高强度聚焦超声球面相控阵，其特征在于所述的各个阵元(2)的电激励信号独立可控，各个阵元激励信号的频率一致，相位和电压幅度各不相同，通过基于伪逆矩阵理论的焦点模式合成方法计算阵元的相位和电压幅度组合，实现声束的电子聚焦和扫描，产生所需的单焦点或多焦点声场控制模式。
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