CN105249995A - 利用超声波定位治疗点的体外震波碎石仪及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用超声波定位治疗点的体外震波碎石仪及其定位方法。安装B超机使其准确判定体外震波碎石仪的治疗点十分困难。本发明装置的四个超声波换能器均固定在治疗头上，其声轴均经过治疗头的焦点；四个超声波换能器均接有换能器电缆线，四根换能器电缆线均伸出治疗头的外壳外；电缆引线的一端与震波发生源连接，另一端伸出治疗头的外壳外。本发明的结石定位方法：以产生的冲击波在结石上的回波为探测信号，并使用信号采集***对接收信号进行处理和分析，确定出结石所在的位置以及与体外震波碎石仪治疗点的偏离情况，为调整体外震波碎石仪位置提供依据。本发明保证了冲击波和回波在相同的路径上传播，提高了超声波探测的准确性。

Description

利用超声波定位治疗点的体外震波碎石仪及其定位方法

技术领域

本发明属于医疗超声检测领域，具体涉及一种利用超声波定位治疗点的体外震波碎石仪及其定位方法。

背景技术

体外震波碎石仪为粉碎体内结石的医疗设备，该设备在体外产生冲击波，并传播进行人体内部。冲击波在传播过程中，能量将不断汇聚并最终聚集在直径为1cm左右的焦斑中，形成正峰值声压大于50MPa、负峰值声压大于2MPa的冲击波。当遇到位于焦斑中的结石时，会产生强大的作用力。在冲击波的反复作用下，结石会最终粉碎，并被排出体外。

为了保证体外震波碎石仪临床使用的有效性和安全性，必须使结石能处于体外震波碎石仪的焦斑中，方能保障冲击波能有效地作用在结石上，因此，对体外震波碎石仪的治疗点进行调节和定位十分重要。目前，体外震波碎石仪的定位是通过B超和X光机实现的，将B超设备和体外震波碎石仪组合在一起，通过B超图像来判断结石是否处于体外震波碎石仪的焦斑中，在临床治疗时，再通过观察X光片来判断治疗的效果。由于B超机和体外震波碎石仪为二套分离的设备，因此，安装B超机使其能准确判定体外震波碎石仪的治疗点十分困难，特别是实际使用时，由于结石的位置不同，病人将采取不同的***来进行治疗，医生必须对B超探头的位置进行调整，从而会导致设备定位准确性的下降，影响临床使用的有效性和安全性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种利用超声波定位治疗点的体外震波碎石仪及其定位方法，通过使用四个超声接收换能器同时测量来自结石的冲击波回波信号，并使用信号采集***对接收信号进行处理和分析，通过测量回波信号到达四个换能器的传播时间，计算出结石所在位置，以及与体外震波碎石仪焦域的吻合长度，为调整体外震波碎石仪的位置提供依据。

本发明装置包括震波发生源、电缆引线、超声波换能器、换能器电缆线、水密胶囊、水介质和治疗头；所述治疗头的外壳上位于震波发生源一侧加工有锥形安装台面，安装台面等距加工四个安装孔各自固定一个超声波换能器，四个超声波换能器的声轴均经过治疗头的焦点；四个超声波换能器均接有换能器电缆线，四根换能器电缆线均伸出治疗头的外壳外；所述电缆引线的一端与震波发生源连接，另一端伸出治疗头的外壳外；所述的水密胶囊套置在外壳上，且水密胶囊与外壳之间充有水介质。

所述的外壳采用不锈钢材料。

所述超声波换能器的有源材料采用直径为12mm、厚度为0.2mm的压电陶瓷圆片，能接收100～10MHz频段的超声波信号并转换为相应的电压波形输出；所述超声波换能器的外壳为圆柱型，超声波换能器的声轴与治疗头外壳上的锥形安装台面垂直设置。

所述的换能器电缆线为双芯屏蔽水密电缆，二根芯线分别连接超声波换能器的有源材料正、负电极，屏蔽线与超声波换能器的外壳连接；电缆线一端与超声波换能器连接，另一端伸出治疗头的外壳外。

本发明进行结石定位的方法，具体步骤如下：

步骤一、四根换能器电缆线伸出外壳外的一端均与信号采集仪连接，电缆引线伸出外壳外的一端与驱动功率源连接；驱动功率源发出驱动电压信号作为信号采集仪的触发信号；信号采集仪的输出信号传给信号分析仪的输入端。

步骤二、粗调体外震波碎石仪的位置，使得结石靠近体外震波碎石仪的焦域；开启信号采集仪和信号分析仪；通过驱动功率源设置体外震波碎石仪发射冲击波的强度和工作频率。

步骤三、细调体外震波碎石仪的角度和位置来定位结石。以震波发生源中心位置作为直角坐标系xyz的原点，四个超声波换能器在直角坐标系中位置分别为P₁(a，0，0)，P₂(0，a，0)，P₃(-a，0，0)，P₄(0，-a，0)，震波发生源的冲击波沿z轴传播，并在焦点O₁(0，0，z₀)处聚焦；其中，a、z₀均不等于0。

(1)如果结石位于冲击波的焦点上，当冲击波从震波发生源发出，经结石反射后被四个超声波换能器接收所产生的时间延迟相同，用t₀表示：

$t_0=(z_0+\sqrt{z_0^2+a^2})/c---\left(1\right)$

其中，c为冲击波在水介质中的传播速度。

(2)如果结石偏离焦点但仍位于焦平面的S(x₁,y₁,z₀)点上，此时：

x₁＝rcosθ

y₁＝rsinθ

其中，r为S点到z轴的距离，θ为S点和x轴之间的夹角。

冲击波从震波发生源发出后作用到结石的时间为：

$t_0^{\′}=\frac{\sqrt{z_0^2+r^2}}{c\·}---\left(2\right)$

而散射回波到达四个超声波换能器的时间分别为：

$t_1={(a^2-2ar\cos \mathrm{\θ}+r^2+z_0^2)}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

$t_2={(a^2-2arsin\mathrm{\θ}+r^2+z_0^2)}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

$t_3={(a^2+2ar\cos \mathrm{\θ}+r^2+z_0^2)}^{\frac{1}{2}}---\left(5\right)$

$t_4={(a^2+2arsin\mathrm{\θ}+r^2+z_0^2)}^{\frac{1}{2}}---\left(6\right)$

四个超声波换能器接收到散射回波的总延迟时间分别为：

T₁＝t'₀+t₁；

T₂＝t'₀+t₂

T₃＝t'₀+t₃

T₄＝t'₀+t₄

(3)由于t'₀是相同的，当S点位于第一象限中，即0<θ<90°时：T₁＜T₃；T₂＜T₄；当S点位于第二象限中，即90°<θ<180°时：T₁＞T₃；T₂＜T₄；当S点位于第三象限中，即180°<θ<270°时：T₁＞T₃；T₂＞T₄；当S点位于第四象限中，即270°<θ<360°时：T₁＜T₃；T₂＞T₄。

因此，通过监测四个超声波换能器接收到散射回波的总延迟时间来判断结石所处的位置，进而调整体外震波碎石仪的角度和位置。

所述步骤二中，体外震波碎石仪发射的冲击波初始时选择低功率的脉冲方式和低工作频率。

所述的信号采集仪对超声波换能器的输出信号进行采集、记录所输出的超声波信号波形；信号采集仪的采样频率为20MHz，垂直量化精度为16bit；信号采集仪具有四个以上的输入通道，能对四个超声波换能器的输入信号进行同时采集；信号采集仪具有外接信号触发输入通道，在外部信号触发下进行波形的同步采集和记录工作。

所述的信号分析仪对信号采集仪所记录的多通道脉冲回波信号进行分析，测量出四个超声波换能器所接收到回波信号的传播时间。

本发明的有益效果是：

(1)使用体外震波碎石仪在结石上所产生的回波为探测信号，能实时反映冲击波对结石的作用状况，并准确确定结石所在的位置。

(2)体外震波碎石仪波源和超声波探测换能器同轴安装，保证了冲击波和回波在相同的路径上传播，提高了超声波探测的准确性。

(3)通过同步采集换能器的回波信号，实时计算出结石所在的位置以及与体外震波碎石仪焦域的吻合情况，保证了临床治疗的有效性和安全性。

(4)本发明克服了使用B超设备进行结石定位所固有的缺点，以体外震波碎石仪所产生的冲击波在结石上的回波为探测信号，并将接收超声换能器与体外震波碎石仪的波源同轴安装，通过对该回波信号进行接收、并使用信号采集***对接收信号进行处理和分析，确定出结石所在的位置以及与体外震波碎石仪治疗点的偏离情况，从而为调整体外震波碎石仪位置提供依据，保证该类设备在临床使用中获得更加可靠和有效的治疗效果。

附图说明

图1为本发明装置的装配示意图；

图2为本发明与外部仪表设备构成回波定位***的连接示意图；

图3为本发明中超声波换能器接收到的结石反射的冲击波回波信号示意图；

图4为本发明利用冲击波回波定位的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，利用超声波定位治疗点的体外震波碎石仪，包括震波发生源1、电缆引线2、超声波换能器4、换能器电缆线5、水密胶囊6、水介质8和治疗头9；治疗头9的外壳3上位于震波发生源1一侧加工有锥形安装台面，安装台面等距加工四个安装孔各自固定一个超声波换能器4，保证四个超声波换能器的声轴均经过治疗头9的焦点7；四个超声波换能器4均接有换能器电缆线5，四根换能器电缆线5均伸出治疗头9的外壳3外；电缆引线2的一端与震波发生源1连接，另一端伸出治疗头9的外壳3外；水密胶囊6套置在外壳3上，且水密胶囊6与外壳3之间充有水介质8(除气水)，使人体组织与水密胶囊6充分接触，保证冲击波能有效传播到人体内部。

该利用超声波定位治疗点的体外震波碎石仪，工作原理如下：

1.如图2所示，体外震波碎石仪与外部仪表设备构成回波定位***。四根换能器电缆线5伸出外壳3外的一端均与信号采集仪13连接，电缆引线2伸出外壳3外的一端与驱动功率源10连接；驱动功率源10与信号采集仪13通过触发电缆线11连接，驱动功率源10发出驱动电压信号作为信号采集仪的触发信号；信号采集仪的输出信号传给信号分析仪12的输入端。

2、初始化调试。调节体外震波碎石仪的位置，以使结石能处于体外震波碎石仪的焦域附近；开启信号采集仪和信号分析仪，并使它们处于正常的工作状态。通过驱动功率源10设置体外震波碎石仪发射冲击波强度的大小和工作频率，初始工作时，为了保证治疗的安全性，选择低功率的脉冲方式和低工作频率。

3、调节体外震波碎石仪的角度和位置定位结石。通过信号采集仪同时获得四个超声波换能器所接收到的结石回波信号，并通过信号分析仪测量各超声波换能器接收到的回波信号的时间延迟量。冲击波具有陡峭的脉冲前沿，由结石反射的回波信号的典型波形如图3所示。以驱动功率源10的驱动电压信号作为触发信号，测量出各超声波换能器输出信号的脉冲前沿所对应的时间延迟量T₁、T₂、T₃、T₄，可获得冲击波从震源辐射、经过结石反射，再被各超声波换能器接收所经历的传播时间。当结石位于体外震波碎石仪的焦域中时，回波信号到达各超声波换能器的延时时间相同，设为t₀，如果结石位于焦域之外，则散射回波到达各超声波换能器的传播时间将各不相同，在图4定义的直角坐标系中，四个超声波换能器的坐标位置分别为P₁(a，0，0)，P₂(0，a，0)，P₃(-a，0，0)，P₄(0，-a，0)，则当结石偏离z轴位于第1象限中时，回波达到P₁、P₂的时间将小于P₃、P₄。因此，可以调节体外震波碎石仪的角度，使结石重新位于z轴，则回波到达各超声波换能器的时间延迟接近相同。如果结石位于体外震波碎石仪焦域之前或之后，则超声波换能器输出的时间延迟将小于或大于t₀，此时，可以通过调节体外震波碎石仪的位置，直至回波时间延迟接近t₀为止。

因此，通过监测四个超声波换能器输出的时间延迟，调节体外震波碎石仪的角度和位置，使各超声波换能器的时间延迟接近标准时间t₀，可保证结石能处于体外震波碎石仪的焦域中。此时，可以加大脉冲功率和提高工作频率，进行正常治疗。在治疗过程中，通过实时监测各超声波换能器的时间延迟，并及时进行体外震波碎石仪角度和位置的调整，可保证临床治疗的安全和有效。

该利用超声波定位治疗点的体外震波碎石仪进行结石定位的方法，具体步骤如下：

步骤一、四根换能器电缆线5伸出外壳3外的一端均与信号采集仪13连接，电缆引线2伸出外壳3外的一端与驱动功率源10连接；驱动功率源10与信号采集仪13通过触发电缆线11连接，驱动功率源10发出驱动电压信号作为信号采集仪的触发信号；信号采集仪的输出信号传给信号分析仪12的输入端。

步骤二、粗调体外震波碎石仪的位置，使得结石靠近体外震波碎石仪的焦域；开启信号采集仪和信号分析仪；通过驱动功率源10设置体外震波碎石仪发射冲击波的强度和工作频率，初始时选择低功率的脉冲方式和低工作频率。

步骤三、细调体外震波碎石仪的角度和位置来定位结石。使用冲击波回波信号对结石进行定位的工作原理如图4所示，以震波发生源1中心位置作为直角坐标系的原点O，四个超声波换能器在直角坐标系中位置分别为P₁(a，0，0)，P₂(0，a，0)，P₃(-a，0，0)，P₄(0，-a，0)，震波发生源1的冲击波沿z轴传播，并在焦点O₁(0，0，z₀)处聚焦；其中，a、z₀均不等于0。

(1)如果结石位于冲击波的焦点上，当冲击波从震波发生源1发出，经结石反射后被四个超声波换能器接收所产生的时间延迟相同，用t₀表示：

$t_0=(z_0+\sqrt{z_0^2+a^2})/c---\left(1\right)$

其中，c为冲击波在水介质中的传播速度。

(2)如果结石偏离焦点但仍位于焦平面的S(x₁,y₁,z₀)点上，此时：

x₁＝rcosθ

y₁＝rsinθ

其中，r为S点到z轴的距离，θ为S点和x轴之间的夹角。

冲击波从震波发生源1发出后作用到结石的时间为：

$t_0^{\&prime;}=\frac{\sqrt{z_0^2+r^2}}{c\&CenterDot;}---\left(2\right)$

而散射回波到达四个超声波换能器的时间分别为：

$t_1={(a^2-2ar\cos \mathrm{\&theta;}+r^2+z_0^2)}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

$t_2={(a^2-2arsin\mathrm{\&theta;}+r^2+z_0^2)}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

$t_3={(a^2+2ar\cos \mathrm{\&theta;}+r^2+z_0^2)}^{\frac{1}{2}}---\left(5\right)$

$t_4={(a^2+2arsin\mathrm{\&theta;}+r^2+z_0^2)}^{\frac{1}{2}}---\left(6\right)$

四个超声波换能器接收到的总延迟时间分别为：

T₁＝t'₀+t₁；

T₂＝t'₀+t₂

T₃＝t'₀+t₃

T₄＝t'₀+t₄

(3)由于t'₀是相同的，当S点位于第一象限中，即0<θ<90°时：T₁＜T₃；T₂＜T₄；当S点位于第二象限中，即90°<θ<180°时：T₁＞T₃；T₂＜T₄；当S点位于第三象限中，即180°<θ<270°时：T₁＞T₃；T₂＞T₄；当S点位于第四象限中，即270°<θ<360°时：T₁＜T₃；T₂＞T₄。

因此，通过监测四个超声波换能器接收到的总延迟时间，可以对结石所处的位置进行判断，进而进行相应的调整。

Claims (8)

1.利用超声波定位治疗点的体外震波碎石仪，包括治疗头，其特征在于：还包括震波发生源、电缆引线、超声波换能器、换能器电缆线、水密胶囊和水介质；所述治疗头的外壳上位于震波发生源一侧加工有锥形安装台面，安装台面等距加工四个安装孔各自固定一个超声波换能器，四个超声波换能器的声轴均经过治疗头的焦点；四个超声波换能器均接有换能器电缆线，四根换能器电缆线均伸出治疗头的外壳外；所述电缆引线的一端与震波发生源连接，另一端伸出治疗头的外壳外；所述的水密胶囊套置在外壳上，且水密胶囊与外壳之间充有水介质。

2.根据权利要求1所述的利用超声波定位治疗点的体外震波碎石仪，其特征在于：所述的外壳采用不锈钢材料。

3.根据权利要求1所述的利用超声波定位治疗点的体外震波碎石仪，其特征在于：所述超声波换能器的有源材料采用直径为12mm、厚度为0.2mm的压电陶瓷圆片，能接收100～10MHz频段的超声波信号并转换为相应的电压波形输出；所述超声波换能器的外壳为圆柱型，超声波换能器的声轴与治疗头外壳上的锥形安装台面垂直设置。

4.根据权利要求1所述的利用超声波定位治疗点的体外震波碎石仪，其特征在于：所述的换能器电缆线为双芯屏蔽水密电缆，二根芯线分别连接超声波换能器的有源材料正、负电极，屏蔽线与超声波换能器的外壳连接；电缆线一端与超声波换能器连接，另一端伸出治疗头的外壳外。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的利用超声波定位治疗点的体外震波碎石仪进行结石定位的方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

步骤一、四根换能器电缆线伸出外壳外的一端均与信号采集仪连接，电缆引线伸出外壳外的一端与驱动功率源连接；驱动功率源发出驱动电压信号作为信号采集仪的触发信号；信号采集仪的输出信号传给信号分析仪的输入端；

步骤二、粗调体外震波碎石仪的位置，使得结石靠近体外震波碎石仪的焦域；开启信号采集仪和信号分析仪；通过驱动功率源设置体外震波碎石仪发射冲击波的强度和工作频率；

步骤三、细调体外震波碎石仪的角度和位置来定位结石；以震波发生源中心位置作为直角坐标系xyz的原点，四个超声波换能器在直角坐标系中位置分别为P₁(a，0，0)，P₂(0，a，0)，P₃(-a，0，0)，P₄(0，-a，0)，震波发生源的冲击波沿z轴传播，并在焦点O₁(0，0，z₀)处聚焦；其中，a、z₀均不等于0；

(1)如果结石位于冲击波的焦点上，当冲击波从震波发生源发出，经结石反射后被四个超声波换能器接收所产生的时间延迟相同，用t₀表示：

$t_0=(z_0+\sqrt{z_0^2+a^2})/c---\left(1\right)$

其中，c为冲击波在水介质中的传播速度；

(2)如果结石偏离焦点但仍位于焦平面的S(x₁,y₁,z₀)点上，此时：

x₁＝rcosθ

y₁＝rsinθ

其中，r为S点到z轴的距离，θ为S点和x轴之间的夹角；

冲击波从震波发生源发出后作用到结石的时间为：

$t_0^{\&prime;}=\frac{\sqrt{z_0^2+r^2}}{c\&CenterDot;}---\left(2\right)$

而散射回波到达四个超声波换能器的时间分别为：

$t_1={(a^2-2ar\cos \mathrm{\&theta;}+r^2+z_0^2)}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

$t_2={(a^2-2ar\sin \mathrm{\&theta;}+r^2+z_0^2)}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

$t_3={(a^2+2ar\cos \mathrm{\&theta;}+r^2+z_0^2)}^{\frac{1}{2}}---\left(5\right)$

$t_4={(a^2+2arsin\mathrm{\&theta;}+r^2+z_0^2)}^{\frac{1}{2}}---\left(6\right)$

四个超声波换能器接收到散射回波的总延迟时间分别为：

T₁＝t'₀+t₁；

T₂＝t'₀+t₂

T₃＝t'₀+t₃

T₄＝t'₀+t₄

(3)由于t'₀是相同的，当S点位于第一象限中，即0<θ<90°时：T₁＜T₃；T₂＜T₄；当S点位于第二象限中，即90°<θ<180°时：T₁＞T₃；T₂＜T₄；当S点位于第三象限中，即180°<θ<270°时：T₁＞T₃；T₂＞T₄；当S点位于第四象限中，即270°<θ<360°时：T₁＜T₃；T₂＞T₄；

因此，通过监测四个超声波换能器接收到散射回波的总延迟时间来判断结石所处的位置，进而调整体外震波碎石仪的角度和位置。

6.根据权利要求5所述的利用超声波定位治疗点的体外震波碎石仪进行结石定位的方法，其特征在于：所述步骤二中，体外震波碎石仪发射的冲击波初始时选择低功率的脉冲方式和低工作频率。

7.根据权利要求5所述的利用超声波定位治疗点的体外震波碎石仪进行结石定位的方法，其特征在于：所述的信号采集仪对超声波换能器的输出信号进行采集、记录所输出的超声波信号波形；信号采集仪的采样频率为20MHz，垂直量化精度为16bit；信号采集仪具有四个以上的输入通道，能对四个超声波换能器的输入信号进行同时采集；信号采集仪具有外接信号触发输入通道，在外部信号触发下进行波形的同步采集和记录工作。

8.根据权利要求5所述的利用超声波定位治疗点的体外震波碎石仪进行结石定位的方法，其特征在于：所述的信号分析仪对信号采集仪所记录的多通道脉冲回波信号进行分析，测量出四个超声波换能器所接收到回波信号的传播时间。