CN110507918A - 一种超声针灸***和超声针灸***控制方法 - Google Patents

一种超声针灸***和超声针灸***控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种超声针灸***和超声针灸***控制方法。其中，***包括：超声多通道控制器模块和超声换能器模块；超声换能器模块为至少一个多阵元超声换能器和/或由至少两个单阵元超声换能器组成的多超声换能器阵列；超声多通道控制器模块调节每个超声发射单元产生超声波的参数，超声发射单元为多阵元超声换能器中任一阵元和单阵元超声换能器阵列中每个单阵元超声换能器；超声换能器模块在超声多通道控制器模块的控制下产生超声信号。本发明实施例解决了利用凹面超声换能器/凸面声透镜调控声波聚焦，聚焦深度均单一的问题；实现对超声发射单元的相位和幅值的调控，产生多种声束，使***可以对人体不同穴位的深度和位置进行精准超声刺激。

Description

一种超声针灸***和超声针灸***控制方法
技术领域
本发明实施例涉及医学成像技术，尤其涉及一种超声针灸***和超声针灸***控制方法。
背景技术
针灸是我国特有的一种疾病治疗手段。通过针灸可以疏通经络，从而使其发挥正常的生理作用，从而达到治疗疾病的目的。传统的针灸都是使用针具按照一定的角度刺入患者体内，对特定部位进行刺激达到治疗的目的。而传统针灸治疗存在一些风险，有可能出现晕针、滞针、弯针、出血和感染等不安全因素。
现今已经有许多实验室正在利用超声波代替传统针具对人体穴位进行刺激，进而达到治疗的目的，利用的是超声能量易于集中、穿透力强、方向性好等优点，并且对人体组织损伤为零或极小的优势，在医学诊断和治疗等方面都受到越来越多的关注。
但是，传统的超声聚焦形成声束对待治疗部位进行刺激是利用凹面超声换能器或者凸面声透镜调控声波聚焦，此种聚焦方法产生的聚焦声波焦距和焦斑宽度及聚焦深度均固定单一，不够灵活，导致超声针灸***产生的声束焦点单一，不够灵活，限制了超声在针灸治疗中的效果。
发明内容
本发明实施例提供一种超声针灸***和超声针灸***控制方法，以实现灵活调控超声波聚焦的焦点个数和焦距，使超声针灸***更够对待刺激部位同时在多点刺激以及使超声刺激深度可调。
第一方面，本发明实施例提供了一种超声针灸***，该***包括：
超声多通道控制器模块和超声换能器模块；
所述超声换能器模块为至少一个多阵元超声换能器和/或由至少两个单阵元超声换能器组成的多超声换能器阵列；其中，
所述超声多通道控制器模块，用于调节每一个超声发射单元产生超声波的参数，其中，超声发射单元为所述多阵元超声换能器中任一阵元和所述单阵元超声换能器阵列中每一个单阵元超声换能器；
所述超声换能器模块，用于在所述超声多通道控制器模块的控制下产生超声信号。
可选的，所述多阵元超声换能器为面阵超声换能器或环阵超声换能器。
可选的，所述超声多通道控制器模块用于：
获取所述超声发射单元需要发射的超声信号的焦点位置和焦距；
根据超声声束聚焦相位分布公式确定所述超声发射单元发出超声信号的相位和幅值，并调控所述超声发射单元的相位和幅值。
可选的，所述超声换能器模块与待超声刺激部位之间通过耦合模块进行耦合，所述耦合模块为超声信号传输介质。
第二方面，本发明实施例还提供了一种超声针灸***控制方法，应用于超声针灸***，所述超声针灸***包括超声多通道控制器模块和超声换能器模块，所述超声换能器模块包括多个超声发射单元，该方法包括：
获取所述超声发射单元需要发射的超声信号的焦点位置和焦距；
根据超声声束聚焦相位分布公式确定所述超声发射单元发出超声信号的相位和幅值，并调控所述超声发射单元的相位和幅值。
可选的，所述超声换能器模块为至少一个多阵元超声换能器和/或由至少两个单阵元超声换能器组成的多超声换能器阵列；所述超声发射单元为所述多阵元超声换能器中任一阵元和所述单阵元超声换能器阵列中每一个单阵元超声换能器。
可选的，所述超声换能器模块发射的超声信号为单点聚焦声束信号、多点聚焦声束信号、针形声束信号或具有自加速的弯曲声束信号中的一种。
可选的，所述超声换能器模块发射单点和/或多点聚焦声束信号时相位分布公式为其中，k＝2π/λ为入射超声波的波矢，N 为任意整数，λ为声波波长，F为焦距，r为换能器表面距焦点中心的距离。
可选的，所述超声换能器模块发射针形声束信号时相位分布公式为其中，k＝2π/λ为入射超声波的波矢，为所述超声换能器模块的相位分布，ζ和η为所述超声换能器模块表面的坐标；(x′，y′，z′)为声波传播面的坐标，且x′＝x/F，y′＝y′/F， F为针形聚焦超声信号的焦距；所述超声换能器模块表面的相位分布公式为：
可选的，所述超声换能器模块发射具有自加速弯曲声束信号的声束形成公式为h(x)＝Ψ(x，z＝0)＝Ai(x)ea·x，其中，是关于 x方向的艾里方程，t表示时间，z是声速传播方向的距离。
可选的，所超声信号聚焦的焦斑小于或等于0.5λ，其中，λ为声波波长。
本发明实施例通过至少一个多阵元超声换能器和/或由至少两个单阵元超声换能器组成的多超声换能器阵列在超声针灸***中作为超声换能模块，在超声多通道控制器模块控制下发出单点聚焦、多点聚焦或弯曲超声声束以适应不同的针灸治疗情况，解决了利用凹面超声换能器或者凸面声透镜调控声波聚焦，聚焦深度均单一，不够灵活，不能在针灸治疗中对穴位进行精准刺激的问题；可以实现对每个超声发射单元的相位和幅值进行调控，可以产生单点或多点聚焦、或弯曲超声声束，从而使该针灸***可以对人体不同穴位的深度和位置进行精准超声刺激，从而达到治疗和保健的效果。
附图说明
图1是本发明实施例一中的超声针灸***的结构示意图；
图2是本发明实施例一中的超声针灸***的结构示意图；
图3是本发明实施例一中的多阵元超声换能器俯视图的结构示意图；
图4是本发明实施例一中的多阵元超声换能器垂直于换能器面形成不同声束的示意图；
图5是本发明实施例二中的超声针灸***控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的超声针灸***的结构示意图，本实施例可适用于通过超声针灸***对需要进行针灸治疗的部位进行超声刺激的情况。
如图1所示，超声针灸***具体包括：超声多通道控制器模块10和超声换能器模块20。
具体的，超声波换能器的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波) 再传递出去。超声换能器模块20为至少一个多阵元超声换能器和/或由至少两个单阵元超声换能器组成的多超声换能器阵列，可参考图1或图2中的超声换能器模块20。在图1中，仅有一个超声换能器模块20，该超声换能器模块20 为多阵元超声换能器。而在图2中，包含有多个超声换能器模块20(图2中示出了3个超声换能器模块20，仅做示例性说明，并不是对超声换能器模块20 数量上的限定)，此时，超声换能器模块20是多个单阵元超声换能器组成的多超声换能器阵列，或是多个多阵元超声换能器组成的多超声换能器阵列，还可以是至少一个单阵元超声换能器和至少一个多阵元超声换能器组成的多超声换能器阵列。
进一步的，当超声换能器模块20为多阵元超声换能器时，可以是面阵超声换能器或是环阵超声换能器，可参考图3所示的多阵元超声换能器俯视图的示意图。图3中，21为面阵超声换能器俯视图，22为环阵超声换能器俯视图。在 21和22中，每一个单元格即表示一个阵元。
超声多通道控制器模块10，用于调节每一个超声发射单元产生超声波的参数，其中，超声发射单元为所述多阵元超声换能器中任一阵元和所述单阵元超声换能器阵列中每一个单阵元超声换能器。超声多通道控制模块10是一个已经成熟的控制***，可参考美国Verasonics公司的超声控制***。超声换能器模块10则在超声多通道控制器模块的控制下产生超声信号。具体的，超声多通道控制器模块10的每一个控制通道可以控制一个超声发射单元。当用户使用超声针灸***时，可针对具体的使用需求，如需要在几个穴位进行刺激，刺激的深度是什么，即确定超声信号需要形成几个焦点，以及焦距的大小；进而将焦点位置、数量及相应的焦距输入到超声多通道控制器模块10中，使超声多通道控制器模块10根据需要发射的声束、焦点位置、深度，根据相应的相位分布公式推出每个阵元的相位和幅值，进而调控每个超声发射单元的相位和幅值，得到相应的声束。例如，在某一个待刺激部位只需要对一个穴位(一个焦点)进行刺激，就只需要控制超声换能器模块20发出的超声信号仅形成一个焦点(如图 4中(a)图)；如果在一个相对较小对的区域需要对多个穴位(多个焦点)进行刺激，就要控制超声换能器模块20发出的超声信号形成多个焦点(如图4中(b)图)；如果需要刺激的部位有影响超声信号聚焦的血管等可控制超声换能器模块 20发出的超声信号为弯曲声束，可绕过障碍物聚焦，且能量损失较小；如果需要刺激的部位需要较大的深度范围，可控制超声换能器模块20发出的超声信号为针形声束(如图4中(c)图)。
进一步的，在超声针灸***的使用过程中，超声换能器模块20与待超声刺激部位之间以耦合模块为超声信号传输介质，通过耦合模块30进行耦合。耦合模块可以为医用硅橡胶、吸水海绵及医用耦合剂。使用耦合模块的目的是充填接触面之间的微小空隙，不使这些空隙间的微量空气影响超声的穿透；其次，还可以通过耦合剂"过渡"作用，使超声探头与皮肤之间的声阻抗差减小，从而减小超声能量在此界面的反射损失。
本实施例的技术方案，通过至少一个多阵元超声换能器和/或由至少两个单阵元超声换能器组成的多超声换能器阵列在超声针灸***中作为超声换能模块，在超声多通道控制器模块控制下发出单点聚焦、多点聚焦或弯曲超声声束以适应不同的针灸治疗情况，解决了利用凹面超声换能器或者凸面声透镜调控声波聚焦，聚焦深度均单一，不够灵活，不能在针灸治疗中对穴位进行精准刺激的问题；可以实现对每个超声发射单元的相位和幅值进行调控，可以产生单点或多点聚焦、或弯曲超声声束，从而使该针灸***可以对人体不同穴位的深度和位置进行精准超声刺激，从而达到治疗和保健的效果。
实施例二
图5为发明实施例二提供的一种超声针灸***控制方法的流程图，本实施例可适用于通过超声针灸***对需要进行针灸治疗的部位进行超声刺激的情况，该超声针灸***包括超声多通道控制器模块和超声换能器模块，超声换能器模块包括多个超声发射单元。超声针灸***控制方法可通过超声针灸***来实现。
如图5所示，超声针灸***控制方法具体包括如下步骤：
S501、获取所述超声发射单元需要发射的超声信号的焦点位置和焦距。
具体的，在超声针灸***中超声换能器模块为至少一个多阵元超声换能器和/或由至少两个单阵元超声换能器组成的多超声换能器阵列；超声发射单元为所述多阵元超声换能器中任一阵元和所述单阵元超声换能器阵列中每一个单阵元超声换能器。
当用户使用超声针灸***时，可针对具体的使用需求，如需要在几个穴位进行刺激，刺激的深度是什么，即确定超声信号需要形成几个焦点，以及焦距的大小；进而将焦点位置、数量及相应的焦距输入到超声针灸***中的超声多通道控制器模块中，使超声多通道控制器模块获取所述超声发射单元需要发射的超声信号的焦点位置和焦距。
S502、根据超声声束聚焦相位分布公式确定所述超声发射单元发出超声信号的相位和幅值，并调控所述超声发射单元的相位和幅值。
超声多通道控制器模块在获取了相应的超声信号参数后，则会根据相应的相位分布公式推出每个阵元的相位和幅值，进而调控每个超声发射单元的相位和幅值，得到相应的声束。
具体的，超声换能器模块发射的超声信号可以是单点聚焦声束信号、多点聚焦声束信号、针形声束信号、具有自加速的弯曲声束信号或自弯曲声束信号中的一种。其中，自加速弯曲声束和自弯曲声束是同一种声束，由于声束是弯曲传播，所以可认为在垂直于声束传播方向具有加速度，所以称为自加速弯曲声束。具体的，在某一个待刺激部位只需要对一个穴位(一个焦点)进行刺激，就只需要控制超声换能器模块发出的超声信号仅形成一个焦点；如果在一个相对较小对的区域需要对多个穴位(多个焦点)进行刺激，就要控制超声换能器模块发出的超声信号形成多个焦点；如果需要刺激的部位有影响超声信号聚焦的血管等可控制超声换能器模块发出的超声信号为弯曲声束，可绕过障碍物聚焦，且能量损失较小；如果需要刺激的部位需要较大的深度范围，可控制超声换能器模块20发出的超声信号为针形声束。
进一步的，当超声换能器模块发射单点和/或多点聚焦声束信号时，相位分布公式为其中，k＝2π/λ为入射超声波的波矢， N为任意整数，λ为声波波长，F为焦距，r为换能器表面距焦点中心的距离(即焦距)。当超声换能器模块发射针形声束信号时相位分布公式为其中，k＝2π/λ为入射超声波的波矢，为所述超声换能器模块的相位分布，ζ和η为所述超声换能器模块表面的坐标；(x′，y′，z′)为声波传播面的坐标，且x′＝x/F，y′＝y′/F，F为针形聚焦超声信号的焦距；所述超声换能器模块表面的相位分布公式为：当超声换能器模块发射具有自加速弯曲声束信号的声束形成公式为h(x)＝Ψ(x，z＝0)＝Ai(x)ea·x，其中， 是关与x方向(平行于换能器表面方向)的艾里方程，t表示时间，z是沿声速传播方向距换能器表面的距离。对于一维的艾里方程，自加速弯曲声速方程可描述为根据上述方程解出与时间t相关的艾里函数随x变化曲线Ai(x)，然后取艾里函数相位arg(Ai(x))＝π，满足此关系的超声发射单元发射的声波相位为π，其余超声发射单元的相位为0。
在本实施例中，超声信号的频率为0.2～100MHz。超声信号聚焦的焦斑小于或等于0.5λ，其中，λ为声波波长。传统单阵元超声换能器无法实现焦斑小于 0.5λ，因为经典波存在衍射极限(0.5λ)，而本发明实施例中可通过调控多阵元超声换能器的每个单元的相位和幅值就可以在单点或多点聚焦中打破这一衍射极限，实现超声信号聚焦的焦斑小于0.5λ。
本实施例的技术方案，通过超声针灸***获取超声信号参数，在超声多通道控制器模块控制下发出单点聚焦、多点聚焦或弯曲超声声束以适应不同的针灸治疗情况，解决了利用凹面超声换能器或者凸面声透镜调控声波聚焦，聚焦深度均单一，不够灵活，不能在针灸治疗中对穴位进行精准刺激的问题；可以实现对每个超声发射单元的相位和幅值进行调控，可以产生单点或多点聚焦、或弯曲超声声束，从而使该针灸***可以对人体不同穴位的深度和位置进行精准超声刺激，从而达到治疗和保健的效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种超声针灸***，其特征在于，包括：超声多通道控制器模块和超声换能器模块；
所述超声换能器模块为至少一个多阵元超声换能器和/或由至少两个单阵元超声换能器组成的多超声换能器阵列；其中，
所述超声多通道控制器模块，用于调节每一个超声发射单元产生超声波的参数，其中，超声发射单元为所述多阵元超声换能器中任一阵元和所述单阵元超声换能器阵列中每一个单阵元超声换能器；
所述超声换能器模块，用于在所述超声多通道控制器模块的控制下产生超声信号。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述多阵元超声换能器为面阵超声换能器或环阵超声换能器。
3.根据权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述超声多通道控制器模块用于：
获取所述超声发射单元需要发射的超声信号的焦点位置和焦距；
根据超声声束聚焦相位分布公式确定所述超声发射单元发出超声信号的相位和幅值，并调控所述超声发射单元的相位和幅值。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述超声换能器模块与待超声刺激部位之间通过耦合模块进行耦合，所述耦合模块为超声信号传输介质。
5.一种超声针灸***控制方法，应用于超声针灸***，所述超声针灸***包括超声多通道控制器模块和超声换能器模块，所述超声换能器模块包括多个超声发射单元，其特征在于，所述方法包括：
获取所述超声发射单元需要发射的超声信号的焦点位置和焦距；
根据超声声束聚焦相位分布公式确定所述超声发射单元发出超声信号的相位和幅值，并调控所述超声发射单元的相位和幅值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述超声换能器模块为至少一个多阵元超声换能器和/或由至少两个单阵元超声换能器组成的多超声换能器阵列；所述超声发射单元为所述多阵元超声换能器中任一阵元和所述单阵元超声换能器阵列中每一个单阵元超声换能器。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述超声换能器模块发射的超声信号为单点聚焦声束信号、多点聚焦声束信号、针形声束信号或具有自加速的弯曲声束信号中的一种。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述超声换能器模块发射单点和/或多点聚焦声束信号时相位分布公式为其中，k＝2π/λ为入射超声波的波矢，N为任意整数，λ为声波波长，F为焦距，r为换能器表面距焦点中心的距离。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述超声换能器模块发射针形声束信号时相位分布公式为 其中，k＝2π/λ为入射超声波的波矢，为所述超声换能器模块的相位分布，ζ和η为所述超声换能器模块表面的坐标；(x′,y′,z′)为声波传播面的坐标，且x′＝x/F,y′＝y′/F，F为针形聚焦超声信号的焦距；所述超声换能器模块表面的相位分布公式为：
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述超声换能器模块发射具有自加速弯曲声束信号时相位分布公式为h(x)＝Ψ(x,z＝0)＝Ai(x)ea·x，其中，是关于x方向的艾里方程，t表示时间，z是声速传播方向的距离。
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