專利名稱：超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及醫(yī)用超聲治療領(lǐng)域，特別是指一種超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，超聲波與人體組織相互作用可以產(chǎn)生若干生物組織效應(yīng)。根據(jù)超聲波的局部聲強高低和聲波發(fā)射方式，這些生物組織效應(yīng)可以分為熱效應(yīng)和非熱機械效應(yīng)。組織熱效應(yīng)指細胞對超聲波能量的吸收導致其升溫至熱壞死。組織非熱機械效應(yīng)指由于聲空化、聲流和局部小振幅振動導致的細胞活動增加進而使細胞形態(tài)產(chǎn)生改變、破裂、凋亡等現(xiàn)象。影響超聲生物組織效應(yīng)的物理因素包括聲場聚焦形式、聲波頻率、聲壓幅度、連續(xù)或脈沖聲發(fā)射方式(脈沖重復頻率和占空比)、駐波條件、媒質(zhì)靜態(tài)壓強、溫度、黏滯狀態(tài)和邊界條件等因素。近年來，超聲波的生物組織效應(yīng)在治療超聲領(lǐng)域日益受到廣泛研究和應(yīng)用。高強度超聲治療在腫瘤熱消融、體外沖擊波粉碎尿結(jié)石、藥物輸送、阻斷神經(jīng)傳導等方面的應(yīng)用都有新的進展。在減肥和美容應(yīng)用領(lǐng)域，超聲波也顯現(xiàn)其獨特的優(yōu)勢，例如采用體外低頻率超聲波輔助微創(chuàng)吸脂手術(shù)可以增強局部脂肪破壞效率。單獨采用體外發(fā)射高強度聚焦超聲波破壞局部脂肪組織的方法和設(shè)備正在經(jīng)歷臨床驗證，并顯現(xiàn)其療效，其安全性也得到初步驗證。此類治療往往先選定需治療區(qū)域，然后采用體外超聲波超聲換能器發(fā)射超聲波聚焦于皮下脂肪層內(nèi)，基于超聲波的人體組織熱效應(yīng)或機械效應(yīng)原理在當前焦斑區(qū)域破壞脂肪組織，并逐點移動超聲換能器改變焦點位置覆蓋所需的治療區(qū)域。在合適的治療區(qū)域和劑量條件下，超聲波破碎的脂肪組織經(jīng)由人體自體新陳代謝循環(huán)分解。在超聲治療中，由于超聲換能器壓電材料本身特性的離散性，以及治療時的使用參數(shù)和工作環(huán)境往往不盡相同，使得超聲換能器的輸出能量隨使用時間變化，而超聲輸出能量會影響治療質(zhì)量的一致性和有效性。更為危險的是，若超聲換能器或其驅(qū)動電路出現(xiàn)故障，從安全性的角度考慮，迫切需要能夠在能量超出安全邊界時立刻停止治療，避免進一步的傷害。此外，由于常用的高強度聚焦超聲換能器大多工作于高諧振品質(zhì)因數(shù)⑴值)狀態(tài)，若超聲換能器的諧振頻率有所飄移，可能導致驅(qū)動頻率與諧振頻率失配而無法產(chǎn)生所希望的超聲換能器輸出功率，影響治療效果或損壞超聲換能器。從延長超聲換能器使用壽命和保證治療有效性的角度，也需要能夠?qū)Τ晸Q能器的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測和調(diào)整。而對超聲換能器的聲場輸出特征進行直接測量能夠為調(diào)整超聲換能器工作狀態(tài)提供最直接的定量依據(jù)，因此，對超聲換能器的聲場進行監(jiān)控已經(jīng)成為一個急需解決的重要的臨床安全性問題。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置，能夠?qū)Τ晸Q能器的聲場狀況進行實時監(jiān)測，并適當反饋調(diào)整超聲換能器的工作參數(shù)，從而增加超聲換能器使用的安全性，以及提升超聲治療質(zhì)量。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的實施例提供技術(shù)方案如下一方面，提供一種超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置，包括用于獲取第一超聲換能器當前發(fā)射的聲信號，并提取所獲取的聲信號的參數(shù)的獲取模塊；用于比較所獲取的聲信號的參數(shù)和設(shè)定的參數(shù)的處理模塊；用于根據(jù)比較結(jié)果控制所述第一超聲換能器的工作狀態(tài)參數(shù)，以使所述第一超聲換能器發(fā)射的聲信號符合設(shè)定的參數(shù)的控制模塊。進一步地，所述獲取模塊包括用于采用第二超聲換能器接收所述第一超聲換能器發(fā)射的聲信號的接收子模塊， 其中，所述第二超聲換能器為單個或多個寬帶超聲換能器或水聽器。進一步地，所獲取的聲信號包括所述第一超聲換能器的直接發(fā)射聲信號、或治療焦斑區(qū)域的散射聲信號、或治療頭與人體組織分界面的聲反射信號、或耦合液腔體內(nèi)的聲散射信號；所述聲信號的參數(shù)包括聲信號的時間延遲、頻率、幅度和相位。進一步地，當所獲取的聲信號為治療焦斑區(qū)域的散射聲信號時，所述獲取模塊包括用于將所述聲信號與所述第一超聲換能器的輸入信號進行匹配濾波，獲得兩者之間的互相關(guān)系數(shù)的第一獲取子模塊；所述處理模塊包括用于將所述互相關(guān)系數(shù)與第一預設(shè)閾值進行比較的第一處理子模塊；所述控制模塊包括用于當所述互相關(guān)系數(shù)在允許的變化范圍內(nèi)，調(diào)整所述第一超聲換能器的輸入信號頻率以使所述互相關(guān)系數(shù)達到預設(shè)閾值；當所述互相關(guān)系數(shù)超出允許的變化范圍，或所述聲信號的時間延遲與預期的傳播距離不符，則控制所述第一超聲換能器停止發(fā)射并報錯的第一控制子模塊。進一步地，當所獲取的聲信號為所述第一超聲換能器的直接發(fā)射聲信號時，所述獲取模塊包括用于檢測所述聲信號的諧波與基波各分量的幅度和頻帶寬度，計算得到所述聲信號的諧振品質(zhì)因數(shù)的第二獲取子模塊；所述處理模塊包括用于將所述諧振品質(zhì)因數(shù)與第二預設(shè)閾值進行比較的第二處理子模塊；所述控制模塊包括用于當所述諧振品質(zhì)因數(shù)在允許的變化范圍內(nèi)，則調(diào)整所述第一超聲換能器的輸入電功率以使所述諧振品質(zhì)因數(shù)達到所述第二預設(shè)閾值；當所述諧振品質(zhì)因數(shù)超出允許的變化范圍，則控制所述第一超聲換能器停止發(fā)射并報錯的第二控制子模塊。本實用新型的實施例具有以下有益效果上述方案中，超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置首先獲取第一超聲換能器當前發(fā)射的聲信號的參數(shù)，比較所獲取的聲信號的參數(shù)和設(shè)定的參數(shù)，并根據(jù)比較結(jié)果控制第一超聲換能器的工作狀態(tài)參數(shù)，以使第一超聲換能器發(fā)射的聲信號符合設(shè)定的參數(shù)。本實用新型實施例能夠?qū)Τ晸Q能器的聲場狀況進行實時監(jiān)測，并適當反饋調(diào)整超聲換能器的工作狀態(tài)參數(shù)，從而增加超聲換能器使用的安全性，以及提升超聲治療質(zhì)量。

圖1為本實用新型實施例的超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
為使本實用新型的實施例要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實施例進行詳細描述。本實用新型提供一種超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置，能夠?qū)Τ晸Q能器的聲場狀況進行實時監(jiān)測，并適當反饋調(diào)整超聲換能器的工作參數(shù)，從而增加超聲換能器使用的安全性，以及提升超聲治療質(zhì)量。圖1為本實用新型實施例的超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置的結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示， 本實施例包括用于獲取第一超聲換能器當前發(fā)射的聲信號，并提取所獲取的聲信號的參數(shù)的獲取模塊10 ；用于比較所獲取的聲信號的參數(shù)和設(shè)定的參數(shù)的處理模塊12 ；用于根據(jù)比較結(jié)果控制第一超聲換能器的工作狀態(tài)參數(shù)，以使第一超聲換能器發(fā)射的聲信號符合設(shè)定的參數(shù)的控制模塊14。進一步地，獲取模塊10包括用于采用第二超聲換能器接收第一超聲換能器發(fā)射的聲信號的接收子模塊，其中，第二超聲換能器為單個或多個寬帶超聲換能器或水聽器。進一步地，所獲取的聲信號包括第一超聲換能器的直接發(fā)射聲信號、或治療焦斑區(qū)域的散射聲信號、或治療頭與人體組織分界面的聲反射信號、或耦合液腔體內(nèi)的聲散射信號；聲信號的參數(shù)包括聲信號的時間延遲、頻率、幅度和相位。進一步地，當所獲取的聲信號為治療焦斑區(qū)域的散射聲信號時，獲取模塊10包括用于將聲信號與第一超聲換能器的輸入信號進行匹配濾波，獲得兩者之間的互相關(guān)系數(shù)的第一獲取子模塊；處理模塊12包括用于將互相關(guān)系數(shù)與第一預設(shè)閾值進行比較的第一處理子模塊；控制模塊14包括用于當互相關(guān)系數(shù)在允許的變化范圍內(nèi)，調(diào)整第一超聲換能器的輸入信號頻率以使互相關(guān)系數(shù)達到預設(shè)閾值；當互相關(guān)系數(shù)超出允許的變化范圍，或聲信號的時間延遲與預期的傳播距離不符，則控制第一超聲換能器停止發(fā)射并報錯的第一控制子模塊。進一步地，當所獲取的聲信號為第一超聲換能器的直接發(fā)射聲信號時，[0053]獲取模塊10包括用于檢測聲信號的諧波與基波的幅度比值，以及最高次諧波分量的頻率，計算得到聲信號的諧振品質(zhì)因數(shù)的第二獲取子模塊；處理模塊12包括用于將諧振品質(zhì)因數(shù)與第二預設(shè)閾值進行比較的第二處理子模塊；控制模塊14包括用于當諧振品質(zhì)因數(shù)在允許的變化范圍內(nèi)，則調(diào)整第一超聲換能器的輸入電功率以使諧振品質(zhì)因數(shù)達到第二預設(shè)閾值；當諧振品質(zhì)因數(shù)超出允許的變化范圍，則控制第一超聲換能器停止發(fā)射并報錯的第二控制子模塊。本實用新型實施例的超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置，在工作時，首先獲取第一超聲換能器當前發(fā)射的聲信號的參數(shù)，比較所獲取的聲信號的參數(shù)和設(shè)定的參數(shù)，并根據(jù)比較結(jié)果控制第一超聲換能器的工作狀態(tài)參數(shù)，以使第一超聲換能器發(fā)射的聲信號符合設(shè)定的參數(shù)。本實用新型實施例能夠?qū)Τ晸Q能器的聲場狀況進行實時監(jiān)測，并適當反饋調(diào)整超聲換能器的工作狀態(tài)參數(shù)，從而增加超聲換能器使用的安全性，以及提升超聲治療質(zhì)量。下面對本實用新型的超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置的工作過程進行詳細說明。本實用新型實施例中，可以采用另外設(shè)置的超聲換能器來接收超聲治療頭內(nèi)的超聲換能器發(fā)射的聲信號，下面描述中，將超聲治療頭內(nèi)的超聲換能器作為第一超聲換能器， 另外設(shè)置的超聲換能器作為第二超聲換能器，采用第二超聲換能器在固定位置實時接收第一超聲換能器發(fā)射的聲波能量信號。其中，第二超聲換能器可以為單個或多個寬帶超聲換能器或水聽器，第二超聲換能器接收來自第一超聲換能器的直接發(fā)射聲信號、或治療焦斑區(qū)域的散射聲信號、或治療頭(即包括第一超聲換能器的超聲治療頭)與人體組織分界面的聲反射信號、或治療頭的耦合液腔體內(nèi)的聲散射信號。該第二超聲換能器可以是聚焦或非聚焦的，均可以提供非接觸遙距測量聲場聲壓變化的功能。第二超聲換能器還可以是固定接收距離或可變接收距離的。第二超聲換能器可以內(nèi)置在超聲治療頭內(nèi)，與第一超聲換能器集成在同一個治療頭外殼內(nèi)；或外置在超聲治療頭外。第二超聲換能器還可以擴展為分立的若干超聲換能器在不同位置接收。第二超聲換能器接收到的聲信號經(jīng)過該超聲換能器的逆向壓電效應(yīng)，轉(zhuǎn)換為電信號，進行合適的信號處理操作，例如時域波形積分、匹配濾波、包絡(luò)檢測、基頻和諧頻分量檢測等，提取出聲信號相應(yīng)的時域或譜域特征，包括第一超聲換能器發(fā)射的聲波信號的時間延遲、頻率、幅度和相位等信息；然后對這些聲信號特征進行判斷，判斷這些聲信號特征是否符合預期的聲場特征；根據(jù)判斷結(jié)果，調(diào)整相應(yīng)的第一超聲換能器的功放輸出，以便調(diào)整聲信號特征至希望的狀態(tài)。上述各操作可以采用模擬電路、數(shù)字電路、或模數(shù)混合電路實現(xiàn)。下面結(jié)合具體的實施例對本實用新型的超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置的工作流程進行說明。實施例一利用第二超聲換能器接收治療焦斑區(qū)域的散射聲信號，將之與第一超聲換能器的輸入信號進行匹配濾波，獲得兩信號之間的互相關(guān)系數(shù)，并將該互相關(guān)系數(shù)的數(shù)值與第一預設(shè)閾值相比較，若小于第一預設(shè)閾值，則判斷聲信號與輸入信號失真。另外還可以匹配濾波輸出的時間延遲推算聲波傳播的對應(yīng)距離，作為判斷治療焦斑位置的信息?；ハ嚓P(guān)系數(shù)是判斷兩個信號的時域波形形狀和信號頻率相似程度的定量指針。大多數(shù)情況下，信號頻率的差異對互相關(guān)系數(shù)的影響較為明顯，互相關(guān)系數(shù)可以作為衡量兩信號頻率偏差的定量依據(jù)。將互相關(guān)系數(shù)與第一預設(shè)閾值進行比較，當互相關(guān)系數(shù)在允許的變化范圍內(nèi)，即信號失真度較小(頻率偏差較小)，可以通過微調(diào)第一超聲換能器的輸入信號頻率來改進，使得互相關(guān)系數(shù)達到第一預設(shè)閾值，散射聲信號的頻率和輸入信號的頻率之間的差異被控制在容許范圍內(nèi)，輸入信號頻率向超聲換能器的實時工作頻率靠攏，減少電-聲能量轉(zhuǎn)換的損耗。當互相關(guān)系數(shù)超出允許的變化范圍，即信號失真度過大(主要是頻率偏差過大)，或時間延遲與預期的傳播距離不符，則控制第一超聲換能器停止發(fā)射并向用戶報錯。實施例二聲波信號傳播的非線性導致該信號產(chǎn)生高次諧波分量，聲信號強度越高，高次諧波分量就越強。利用第二超聲換能器接收到第一超聲換能器的直接發(fā)射聲信號，檢測其諧波與基波的幅度比值，以及最高次諧波分量的頻率，據(jù)此來判斷第一超聲換能器是否處于良好功率輸出狀態(tài)。同時，對聲信號的基波或諧波各分量的幅度和頻帶寬度進行檢測，將基波和各諧波分量的中心頻率除以各自的_6dB帶寬，可以計算出對應(yīng)的諧振品質(zhì)因數(shù)。將諧振品質(zhì)因數(shù)與第二預設(shè)閾值進行比較，當諧振品質(zhì)因數(shù)在允許的變化范圍內(nèi)，調(diào)整第一超聲換能器的輸入電功率以使諧振品質(zhì)因數(shù)達到第二預設(shè)閾值，比如若第一超聲換能器的輸出信號幅度不足，則需要通過提高超聲換能器輸入電功率進行補償。當諧振品質(zhì)因數(shù)超出允許的變化范圍，即超聲換能器諧振狀態(tài)超出設(shè)定的范圍，則控制第一超聲換能器停止發(fā)射并向用戶報錯。另外，由于第一超聲換能器在發(fā)射聲信號的同時也會接收來自組織的聲散射、聲反射或聲發(fā)射信號并在自身的電端產(chǎn)生相應(yīng)的輸出，那么對第一超聲換能器接收到的聲信號進行與對第二超聲換能器接收到的聲信號類似的處理也可以部分實現(xiàn)對第一超聲換能器的聲場狀態(tài)的檢測。進一步地，在實際應(yīng)用中，上述實施例一和實施例二的技術(shù)方案可以單獨或混合使用。超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置在對上述實時監(jiān)測獲得的超聲換能器聲場狀態(tài)進行分析判斷后，可以向操作者進行信息反饋，顯示超聲換能器聲場狀態(tài)，以便對聲場狀態(tài)加以控制，以及用于超聲治療后的質(zhì)量控制和分析。具體地，可以將所監(jiān)測的聲信號特征在操作軟件界面上顯示，并在系統(tǒng)軟硬件內(nèi)實現(xiàn)對上述監(jiān)測信號出界時的相應(yīng)容錯措施，或提示操作者進行干預。以上所述是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置，其特征在于，包括用于獲取第一超聲換能器當前發(fā)射的聲信號，并提取所獲取的聲信號的參數(shù)的獲取模塊；用于比較所獲取的聲信號的參數(shù)和設(shè)定的參數(shù)的處理模塊；用于根據(jù)比較結(jié)果控制所述第一超聲換能器的工作狀態(tài)參數(shù)，以使所述第一超聲換能器發(fā)射的聲信號符合設(shè)定的參數(shù)的控制模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置，其特征在于，所述獲取模塊包括用于采用第二超聲換能器接收所述第一超聲換能器發(fā)射的聲信號的接收子模塊，其中，所述第二超聲換能器為單個或多個寬帶超聲換能器或水聽器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置，其特征在于，所獲取的聲信號包括所述第一超聲換能器的直接發(fā)射聲信號、或治療焦斑區(qū)域的散射聲信號、或治療頭與人體組織分界面的聲反射信號、或耦合液腔體內(nèi)的聲散射信號；所述聲信號的參數(shù)包括聲信號的時間延遲、頻率、幅度和相位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置，其特征在于，當所獲取的聲信號為治療焦斑區(qū)域的散射聲信號時，所述獲取模塊包括用于將所述聲信號與所述第一超聲換能器的輸入信號進行匹配濾波，獲得兩者之間的互相關(guān)系數(shù)的第一獲取子模塊； 所述處理模塊包括用于將所述互相關(guān)系數(shù)與第一預設(shè)閾值進行比較的第一處理子模塊； 所述控制模塊包括用于當所述互相關(guān)系數(shù)在允許的變化范圍內(nèi)，調(diào)整所述第一超聲換能器的輸入信號頻率以使所述互相關(guān)系數(shù)達到預設(shè)閾值；當所述互相關(guān)系數(shù)超出允許的變化范圍，或所述聲信號的時間延遲與預期的傳播距離不符，則控制所述第一超聲換能器停止發(fā)射并報錯的第一控制子模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置，其特征在于，當所獲取的聲信號為所述第一超聲換能器的直接發(fā)射聲信號時，所述獲取模塊包括用于檢測所述聲信號的諧波與基波各分量的幅度和頻帶寬度，計算得到所述聲信號的諧振品質(zhì)因數(shù)的第二獲取子模塊； 所述處理模塊包括用于將所述諧振品質(zhì)因數(shù)與第二預設(shè)閾值進行比較的第二處理子模塊； 所述控制模塊包括用于當所述諧振品質(zhì)因數(shù)在允許的變化范圍內(nèi)，則調(diào)整所述第一超聲換能器的輸入電功率以使所述諧振品質(zhì)因數(shù)達到所述第二預設(shè)閾值；當所述諧振品質(zhì)因數(shù)超出允許的變化范圍，則控制所述第一超聲換能器停止發(fā)射并報錯的第二控制子模塊。
專利摘要本實用新型提供一種超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置，屬于醫(yī)用超聲治療領(lǐng)域。其中，該超聲換能器的聲場監(jiān)控裝置，包括用于獲取第一超聲換能器當前發(fā)射的聲信號的參數(shù)的獲取模塊；用于比較所獲取的聲信號的參數(shù)和設(shè)定的參數(shù)的處理模塊；用于根據(jù)比較結(jié)果控制所述第一超聲換能器的工作參數(shù)，以使所述第一超聲換能器發(fā)射的聲信號符合設(shè)定的參數(shù)的控制模塊。本實用新型的技術(shù)方案能夠增加超聲換能器使用的安全性，提升超聲治療的質(zhì)量。
文檔編號A61N7/00GK202223769SQ20112038080
公開日2012年5月23日 申請日期2011年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月9日
發(fā)明者于晉生, 印向濤, 姜克明, 王宏圖, 費興波 申請人:北京匯福康醫(yī)療技術(shù)有限公司