CN103027708A - 超声换能器的工作状态的监控方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声换能器的工作状态的监控方法及装置，属于医用超声治疗领域。其中，该超声换能器的工作状态的监控方法，包括：获取超声换能器的当前的工作状态；比较所述超声换能器的当前的工作状态和预设的工作状态；根据比较结果控制所述超声换能器的工作参数，以使所述超声换能器处于预设的工作状态。本发明的技术方案能够增加超声换能器使用的安全性，提升超声治疗的质量。

Description

超声换能器的工作状态的监控方法及装置

技术领域

本发明涉及医用超声治疗领域，特别是指一种超声换能器的工作状态的监控方法及装置。

背景技术

众所周知，超声波与人体组织相互作用可以产生若干生物组织效应。根据超声波的局部声强高低和声波发射方式，这些生物组织效应可以分为热效应和非热机械效应。组织热效应指细胞对超声波能量的吸收导致其升温至热坏死。组织非热机械效应指由于声空化、声流和局部小振幅振动导致的细胞活动增加进而使细胞形态产生改变、破裂、凋亡等现象。影响超声生物组织效应的物理因素包括声场聚焦形式、声波频率、声压幅度、连续或脉冲声发射方式(脉冲重复频率和占空比)、驻波条件、媒质静态压强、温度、黏滞状态和边界条件等因素。

近年来，超声波的生物组织效应在治疗超声领域日益受到广泛研究和应用。高强度超声治疗在肿瘤热消融、体外冲击波粉碎尿结石、药物输送、阻断神经传导等方面的应用都有新的进展。

在减肥和美容应用领域，超声波也显现其独特的优势，例如采用体外低频率超声波辅助微创吸脂手术可以增强局部脂肪破坏效率。单独采用体外发射高强度聚焦超声波破坏局部脂肪组织的方法和设备正在经历临床验证，并显现其疗效，其安全性也得到初步验证。此类治疗往往先选定需治疗区域，然后采用体外超声波换能器发射超声波聚焦于皮下脂肪层内，基于超声波的人体组织热效应或机械效应原理在当前焦斑区域破坏脂肪组织，并逐点移动换能器改变焦点位置覆盖所需的治疗区域。在合适的治疗区域和剂量条件下，超声波破碎的脂肪组织经由人体自体新陈代谢循环分解。

在超声治疗中，由于超声换能器压电材料本身特性的离散性，以及治疗时的使用参数和工作环境往往不尽相同，使得超声换能器的输出能量随使用时间变化，而超声输出能量会影响治疗质量的一致性和有效性。更为危险的是，若超声换能器或其驱动电路出现故障，从安全性的角度考虑，迫切需要能够在能量超出安全边界时立刻停止治疗，避免进一步的伤害。因此，对超声换能器的工作状态进行监控已经成为一个急需解决的重要的临床安全性问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种超声换能器的工作状态的监控方法及装置，能够对超声换能器的工作状态进行实时监控，并适当反馈调整超声换能器的工作参数，从而增加超声换能器使用的安全性，以及提升超声治疗质量。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：

一方面，提供一种超声换能器的工作状态的监控方法，包括：

获取超声换能器的当前的工作状态；

比较所述超声换能器的当前的工作状态和预设的工作状态；

根据比较结果控制所述超声换能器的工作参数，以使所述超声换能器处于预设的工作状态。

进一步地，所述获取超声换能器的当前的工作状态包括：

对所述超声换能器的输入信号利用采样-保持电路进行包络检测，分别获得所述超声换能器的电压信号和电流信号的幅度值；

测量所述超声换能器的电压信号和电流信号的相位差；

根据所述电压信号、电流信号的幅度值和二者相位差计算所述超声换能器的实际电功率值；

所述比较所述超声换能器的当前的工作状态和预设的工作状态，根据比较结果控制所述超声换能器的工作参数，以使所述超声换能器处于预设的工作状态包括：

将所述实际电功率值与预设的电功率值、预设的最大输出电功率值相比较；

当所述实际电功率值处于预设的允许变化范围时，调整所述超声换能器的功放电路的输入信号幅度或增益，以使所述实际电功率值达到预设的电功率值；或

当所述实际电功率值超出预设的允许变化范围时，报警提示用户；或

当所述实际电功率值超出预设的最大输出电功率值时，切断所述超声换能器的电功率输出并报警提示用户。

进一步地，所述获取超声换能器的当前的工作状态包括：

采用射频信号双向功率耦合器对所述超声换能器的正向和反向射频信号进行测量，获得其正向和反向的电压信号，计算得到所述超声换能器的电压反射驻波比；

所述比较所述超声换能器的当前的工作状态和预设的工作状态，根据比较结果控制所述超声换能器的工作参数，以使所述超声换能器处于预设的工作状态包括：

将所述电压反射驻波比与预设阈值、预设最大阈值相比较；

当所述电压反射驻波比处于预设阈值和预设最大阈值之间时，调整所述超声换能器的功放输出以使所述超声换能器的电压反射驻波比达到预设阈值；或

当所述电压反射驻波比高于预设最大阈值时，切断所述超声换能器的功放输出并报警提示用户。

进一步地，所述获取超声换能器的当前的工作状态包括：

从所述超声换能器的射频信号谱域检测其基波频率，并测量所述基波频率下超声换能器的电压信号和电流信号的相位差值；

所述比较所述超声换能器的当前的工作状态和预设的工作状态，根据比较结果控制所述超声换能器的工作参数，以使所述超声换能器处于预设的工作状态包括：

将所述相位差值与预设的相位差值相比较；

当所述相位差值超出预设差值范围时，调整所述超声换能器的功放的输出射频信号频率，使所述相位差值处于预设差值范围内。

本发明实施例还提供了一种超声换能器的工作状态的监控装置，包括：

获取模块，用于获取超声换能器的当前的工作状态；

处理模块，用于比较所述超声换能器的当前的工作状态和预设的工作状态；

控制模块，用于根据比较结果控制所述超声换能器的工作参数，以使所述超声换能器处于预设的工作状态。

进一步地，所述获取模块包括：

第一获取子模块，用于对所述超声换能器的输入信号利用采样-保持电路进行包络检测，分别获得所述超声换能器的电压信号和电流信号的幅度值，测量所述超声换能器的电压信号和电流信号的相位差，根据所述电压信号、电流信号的幅度值和二者相位差计算所述超声换能器的实际电功率值；

所述处理模块包括：

第一处理子模块，用于将所述实际电功率值与预设的电功率值、预设的最大输出电功率值相比较；

所述控制模块包括：

第一控制子模块，用于当所述实际电功率值处于预设的允许变化范围时，调整所述超声换能器的功放电路的输入信号幅度或增益，以使所述实际电功率值达到预设的电功率值；或

当所述实际电功率值超出预设的允许变化范围时，报警提示用户；或

当所述实际电功率值超出预设的最大输出电功率值时，切断所述超声换能器的电功率输出并报警提示用户。

进一步地，所述获取模块包括：

第二获取子模块，用于采用射频信号双向功率耦合器对所述超声换能器的正向和反向射频信号进行测量，获得其正向和反向的电压信号，计算得到所述超声换能器的电压反射驻波比；

所述处理模块包括：

第二处理子模块，用于将所述电压反射驻波比与预设阈值、预设最大阈值相比较；

所述控制模块包括：

第二控制子模块，用于当所述电压反射驻波比处于预设阈值和预设最大阈值之间时，调整所述超声换能器的功放输出以使所述超声换能器的电压反射驻波比达到预设阈值；或

当所述电压反射驻波比高于预设最大阈值时，切断所述超声换能器的功放输出并报警提示用户。

进一步地，所述获取模块包括：

第三获取子模块，用于从所述超声换能器的射频信号谱域检测其基波频率，并测量所述基波频率下超声换能器的电压信号和电流信号的相位差值；

所述处理模块包括：

第三处理子模块，用于将所述相位差值与预设的相位差值相比较；

所述控制模块包括：

第三控制子模块，用于当所述相位差值超出预设差值范围时，调整所述超声换能器的功放的输出射频信号频率，使所述相位差值处于预设差值范围内。

本发明的实施例具有以下有益效果：

上述方案中，首先获取超声换能器的当前的工作状态，比较超声换能器的当前的工作状态和预设的工作状态，并根据比较结果控制超声换能器的工作参数，以使超声换能器处于预设的工作状态。本发明实施例能够对超声换能器的工作状况进行实时监测，并适当反馈调整工作参数，增加超声换能器使用的安全性，以及提升超声治疗的质量。

附图说明

图1为本发明实施例的超声换能器的工作状态的监控方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的超声换能器的工作状态的监控装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明要解决的技术问题是提供一种超声换能器的工作状态的监控方法及装置，能够对超声换能器的工作状态进行实时监控，并适当反馈调整超声换能器的工作参数，从而增加超声换能器使用的安全性，以及提升超声治疗质量。

图1为本发明实施例的超声换能器的工作状态的监控方法的流程示意图，如图1所示，本实施例包括：

步骤101：获取超声换能器的当前的工作状态；

步骤102：比较超声换能器的当前的工作状态和预设的工作状态；

步骤103：根据比较结果控制超声换能器的工作参数，以使超声换能器处于预设的工作状态。

本发明实施例的超声换能器的工作状态的监控方法，首先获取超声换能器的当前的工作状态，比较超声换能器的当前的工作状态和预设的工作状态，并根据比较结果控制超声换能器的工作参数，以使超声换能器处于预设的工作状态。本发明实施例能够对超声换能器的工作状况进行实时监测，并适当反馈调整工作参数，增加超声换能器使用的安全性，以及提升超声治疗的质量。

图2为本发明实施例的超声换能器的工作状态的监控装置的结构框图，如图2所示，本实施例包括：

获取模块20，用于获取超声换能器的当前的工作状态；

处理模块22，用于比较超声换能器的当前的工作状态和预设的工作状态；

控制模块24，用于根据比较结果控制超声换能器的工作参数，以使超声换能器处于预设的工作状态。

进一步地，超声换能器的当前的工作状态可以包括超声换能器的实际电功率值，获取模块20包括：

第一获取子模块，用于对超声换能器的输入信号利用采样-保持电路进行包络检测，分别获得超声换能器的电压信号和电流信号的幅度值，测量超声换能器的电压信号和电流信号的相位差，根据电压信号、电流信号的幅度值和二者相位差计算超声换能器的实际电功率值；

处理模块22包括：

第一处理子模块，用于将实际电功率值与预设的电功率值、预设的最大输出电功率值相比较；

控制模块24包括：

第一控制子模块，用于当实际电功率值处于预设的允许变化范围时，调整超声换能器的功放电路的输入信号幅度或增益，以使实际电功率值达到预设的电功率值；或

当实际电功率值超出预设的允许变化范围时，报警提示用户；或

当实际电功率值超出预设的最大输出电功率值时，切断超声换能器的电功率输出并报警提示用户。

进一步地，超声换能器的当前的工作状态可以包括超声换能器的电压反射驻波比，获取模块20包括：

第二获取子模块，用于采用射频信号双向功率耦合器对超声换能器的正向和反向射频信号进行测量，获得其正向和反向的电压信号，计算得到超声换能器的电压反射驻波比；

处理模块22包括：

第二处理子模块，用于将电压反射驻波比与预设阈值、预设最大阈值相比较；

控制模块24包括：

第二控制子模块，用于当电压反射驻波比处于预设阈值和预设最大阈值之间时，调整超声换能器的功放输出以使超声换能器的电压反射驻波比达到预设阈值；或

当电压反射驻波比高于预设最大阈值时，切断超声换能器的功放输出并报警提示用户。

进一步地，超声换能器的当前的工作状态可以包括超声换能器的电压信号和电流信号的相位差值，获取模块20包括：

第三获取子模块，用于从超声换能器的射频信号谱域检测其基波频率，并测量基波频率下超声换能器的电压信号和电流信号的相位差值；

处理模块22包括：

第三处理子模块，用于将相位差值与预设的相位差值相比较；

控制模块24包括：

第三控制子模块，用于当相位差值超出预设差值范围时，调整超声换能器的功放的输出射频信号频率，使相位差值处于预设差值范围内。

本发明实施例的超声换能器的工作状态的监控装置，能够获取超声换能器的当前的工作状态，比较超声换能器的当前的工作状态和预设的工作状态，并根据比较结果控制超声换能器的工作参数，以使超声换能器处于预设的工作状态。本发明实施例能够对超声换能器的工作状况进行实时监测，并适当反馈调整工作参数，增加超声换能器使用的安全性，以及提升超声治疗的质量。

下面对本发明的超声换能器的工作状态的监控方法进行详细说明。本发明内所指的超声换能器工作状态指超声换能器及其***(包括其压电材料和阻抗匹配电路，及驱动功放)的电气工作状态。

实施例一监控超声换能器的实际电功率值

首先采用电路方法实时测量超声换能器的工作电压和电流，对超声换能器的输入信号利用采样-保持电路进行包络检测，获得其包络电压值和电流值，并测量电压信号和电流信号的相位差，然后根据电压信号的幅度值、电流信号的幅度值和二者相位差计算超声换能器的实际电功率值。

将该实际电功率值与预设的输出电功率值进行比较，根据差值调整功放电路的输出(调整输入信号幅度或调整功放增益。当实际电功率值小于预设的输出电功率值时，增大输入信号幅度或功放增益；当实际电功率值大于预设的输出电功率值时，减小输入信号幅度或功放增益)，使得输出的实际电功率值符合预设的范围。当实际电功率值高于或低于预设的输出电功率值的某个误差容限时，或变化范围超出预设的允许变化范围时，报警提示用户。当实际电功率值超出***预设最大输出电功率值时，切断电功率输出并报错。

实施例二监控超声换能器的电压反射驻波比

采用射频信号双向功率耦合器对超声换能器的正向和反向射频信号进行测量，获得其正/反向电压信号，据此计算电压反射驻波比。根据超声换能器的总输出功率和电压反射驻波比，可以计算超声换能器入射电功率和反射电功率数值。

过高的电压反射驻波比表示有较多的电功率被反射回功放输出端，可能是由于超声换能器的电阻抗实部与功放输出阻抗的实部之间存在过大差异(即过大的阻抗失配)，从而影响功放的工作状态，可以通过改变超声换能器功放的输出射频信号频率改变功放的输出阻抗、或改变功放输出阻抗匹配网络来减小阻抗失配程度，从而调整超声换能器的功放输出以使超声换能器的电压反射驻波比达到预设阈值。当该电压反射驻波比高于预设的最大阈值时，切断超声换能器功放的输出并报警提示用户。

实施例三监控超声换能器的发射参数

首先从超声换能器的射频信号谱域检测其基波频率，从测得的电压信号和电流信号计算二者相位差。如果该基波频率下的电压信号和电流信号的相位差超出预设的差值范围，则表示该功放的输出与超声换能器的输入阻抗可能存在失配，需要调整功放的输出射频信号频率改变功放的输出阻抗、或改变功放输出阻抗匹配网络来减小阻抗失配程度，纠正该相位差至允许的差值范围，使得两端的阻抗重新匹配，获得最佳的电声转换效率。保证超声换能器稳定地工作在合适的工作频率、发射功率，可以维持合适的电声转换效率。

对超声换能器的工作状态的监控并不局限于以上实施例，还可以对超声换能器的功率射频信号经适当衰减后采用模数变换方法进行数字采样，利用数字信号处理方法，获得该射频信号的幅度和相位频谱信息，之后控制超声换能器的功放参数，使得该射频信号的幅度和相位频谱信息达到预定值。

上述实施例可以通过检测电压、电流等参数监测超声换能器的实时工作状态，也可以通过超声换能器电声转换效率等间接手段进行监控。

在对上述实时监测获得的超声换能器工作状态进行分析判断后，可以向操作者进行信息反馈，显示超声换能器工作状态，以便对工作状态加以控制，以及用于超声治疗后的质量控制和分析。具体地，可以采用磁体线圈将馈给超声换能器的电流信号耦合至发光二极管发光，显示超声换能器处于发射状态。还可以将所监测的信号在操作软件界面上显示，并在***软硬件中实现对上述监测信号出界时的相应容错措施，或提示操作者进行干预。

在本发明各方法实施例中，所述各步骤的序号并不能用于限定各步骤的先后顺序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种超声换能器的工作状态的监控方法，其特征在于，包括：

获取超声换能器的当前的工作状态；

比较所述超声换能器的当前的工作状态和预设的工作状态；

根据比较结果控制所述超声换能器的工作参数，以使所述超声换能器处于预设的工作状态。

2.根据权利要求1所述的超声换能器的工作状态的监控方法，其特征在于，所述获取超声换能器的当前的工作状态包括：

对所述超声换能器的输入信号利用采样-保持电路进行包络检测，分别获得所述超声换能器的电压信号和电流信号的幅度值；

测量所述超声换能器的电压信号和电流信号的相位差；

根据所述电压信号、电流信号的幅度值和二者相位差计算所述超声换能器的实际电功率值；

所述比较所述超声换能器的当前的工作状态和预设的工作状态，根据比较结果控制所述超声换能器的工作参数，以使所述超声换能器处于预设的工作状态包括：

将所述实际电功率值与预设的电功率值、预设的最大输出电功率值相比较；

当所述实际电功率值处于预设的允许变化范围时，调整所述超声换能器的功放电路的输入信号幅度或增益，以使所述实际电功率值达到预设的电功率值；或

当所述实际电功率值超出预设的允许变化范围时，报警提示用户；或

当所述实际电功率值超出预设的最大输出电功率值时，切断所述超声换能器的电功率输出并报警提示用户。

3.根据权利要求1所述的超声换能器的工作状态的监控方法，其特征在于，所述获取超声换能器的当前的工作状态包括：

采用射频信号双向功率耦合器对所述超声换能器的正向和反向射频信号进行测量，获得其正向和反向的电压信号，计算得到所述超声换能器的电压反射驻波比；

所述比较所述超声换能器的当前的工作状态和预设的工作状态，根据比较结果控制所述超声换能器的工作参数，以使所述超声换能器处于预设的工作状态包括：

将所述电压反射驻波比与预设阈值、预设最大阈值相比较；

当所述电压反射驻波比处于预设阈值和预设最大阈值之间时，调整所述超声换能器的功放输出以使所述超声换能器的电压反射驻波比达到预设阈值；或

当所述电压反射驻波比高于预设最大阈值时，切断所述超声换能器的功放输出并报警提示用户。

4.根据权利要求1所述的超声换能器的工作状态的监控方法，其特征在于，所述获取超声换能器的当前的工作状态包括：

从所述超声换能器的射频信号谱域检测其基波频率，并测量所述基波频率下超声换能器的电压信号和电流信号的相位差值；

所述比较所述超声换能器的当前的工作状态和预设的工作状态，根据比较结果控制所述超声换能器的工作参数，以使所述超声换能器处于预设的工作状态包括：

将所述相位差值与预设的相位差值相比较；

当所述相位差值超出预设差值范围时，调整所述超声换能器的功放的输出射频信号频率，使所述相位差值处于预设差值范围内。

5.一种超声换能器的工作状态的监控装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取超声换能器的当前的工作状态；

处理模块，用于比较所述超声换能器的当前的工作状态和预设的工作状态；

控制模块，用于根据比较结果控制所述超声换能器的工作参数，以使所述超声换能器处于预设的工作状态。

6.根据权利要求5所述的超声换能器的工作状态的监控装置，其特征在于，所述获取模块包括：

第一获取子模块，用于对所述超声换能器的输入信号利用采样-保持电路进行包络检测，分别获得所述超声换能器的电压信号和电流信号的幅度值，测量所述超声换能器的电压信号和电流信号的相位差，根据所述电压信号、电流信号的幅度值和二者相位差计算所述超声换能器的实际电功率值；

所述处理模块包括：

第一处理子模块，用于将所述实际电功率值与预设的电功率值、预设的最大输出电功率值相比较；

所述控制模块包括：

第一控制子模块，用于当所述实际电功率值处于预设的允许变化范围时，调整所述超声换能器的功放电路的输入信号幅度或增益，以使所述实际电功率值达到预设的电功率值；或

当所述实际电功率值超出预设的允许变化范围时，报警提示用户；或

当所述实际电功率值超出预设的最大输出电功率值时，切断所述超声换能器的电功率输出并报警提示用户。

7.根据权利要求5所述的超声换能器的工作状态的监控装置，其特征在于，所述获取模块包括：

第二获取子模块，用于采用射频信号双向功率耦合器对所述超声换能器的正向和反向射频信号进行测量，获得其正向和反向的电压信号，计算得到所述超声换能器的电压反射驻波比；

所述处理模块包括：

第二处理子模块，用于将所述电压反射驻波比与预设阈值、预设最大阈值相比较；

所述控制模块包括：

第二控制子模块，用于当所述电压反射驻波比处于预设阈值和预设最大阈值之间时，调整所述超声换能器的功放输出以使所述超声换能器的电压反射驻波比达到预设阈值；或

当所述电压反射驻波比高于预设最大阈值时，切断所述超声换能器的功放输出并报警提示用户。

8.根据权利要求5所述的超声换能器的工作状态的监控装置，其特征在于，所述获取模块包括：

第三获取子模块，用于从所述超声换能器的射频信号谱域检测其基波频率，并测量所述基波频率下超声换能器的电压信号和电流信号的相位差值；

所述处理模块包括：

第三处理子模块，用于将所述相位差值与预设的相位差值相比较；

所述控制模块包括：

第三控制子模块，用于当所述相位差值超出预设差值范围时，调整所述超声换能器的功放的输出射频信号频率，使所述相位差值处于预设差值范围内。

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