上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗系统技术方案

本发明专利技术公开了一种上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗系统，包括置于治疗床下部的上百阵元复合材料球面相控阵换能器、Ｂ超探头、上百通道相控阵ＨＩＦＵ驱动控制系统、控制换能器姿态的６轴运动系统及控制系统，Ｂ超探头与Ｂ超仪和图像采集装置，在换能器发射面的前方设置有与脱气净化水系统连接的水囊，还包括分别控制上述系统动作的主控计算机。由于采用１－３压电复合材料的球面相控阵聚焦换能器及相应的驱动控制系统，该系统可以产生适合体外聚焦超声治疗的多种焦点模式，比单阵元单焦点单次治疗体积大，减少了治疗时间、提高了效率，同时也能以避开肋骨遮挡的子阵焦点模式实现无创治疗。

【技术实现步骤摘要】
上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗系统                        
本专利技术属生物医学仪器与设备领域，涉及一种高强度聚焦超声非侵入性外科手术的治疗系统，尤其涉及上百阵元球面相控阵高强度聚焦超声治疗系统。                        
技术介绍
高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)是将超声能量聚焦在人体深部目标组织，达到精确热损伤选定的目标组织而丝毫不伤害临近正常组织的治疗，现称为聚焦超声手术(ocused Ultrasound Surgery，FUS)HIFU的聚焦点峰值声强为数百W/cm～数千W/cm2，作用时间仅为几秒钟(通常为1-3S)，而使组织温度超过56℃-60℃以上，这时细胞蛋白突然被凝固，且还有空化形成气泡迫使细胞和组织结构破坏，称组织烧融或消融。高强度聚焦超声具有高度的准确性、无创性和快速性的特点，目前已在肿瘤治疗方面应用。HIFU治疗换能器有单阵元换能器、相控阵换能器和由几个阵元组成的非相控直接叠加聚能的多阵元换能器。单阵元换能器焦点固定、结构简单，采用的换能器材料为压电陶瓷PZT。相控阵换能器最主要的特点是可产生适合治疗的灵活多变的单焦点和同时多点的聚焦焦点模式，同单阵元单焦点相比多点聚焦可增大单次治疗聚焦体积，大大减少了治疗时间，加快了超声治疗的治疗速度。再有相控阵可以采用子阵技术避开一些障碍物(如肋骨)来进行治疗。据申请人所进行的资料检索，中国专利技术专利《高强度聚焦超声肿瘤扫描治疗系统》ZL98100283.8(公开日1999年5月5日，公开号1215616)，和中国专利技术专利《体外高能聚焦超声波治疗机》ZL01134485.7(公开日2002年4月3日，公开号1342503)披露了两种HIFU系统，都是采用HIFU单阵-->元换能器，由单阵元换能器、B超图像和相应的多自由度运动机构组成。授权的美国专利4,865,042，专利技术人Umemura，专利技术名称为“Ultrasonicirradiation system”早在1989年就披露了一种相控阵HIFU换能器，它所采用的是球冠相控阵换能器，也就是球面环形相控阵和球面扇蜗形相控阵；专利中运用环状阵相角调制方法能够产生焦平面的环形分布的多焦点，而不能产生非轴对称的多焦点，因而不能形成三维空间的多焦点扫描。球冠作为具有几何焦区的相控阵换能器外形，到目前为止仍然是人们普遍采用的相控阵换能器外形形式。在本专利技术专利中我们将采用矩形阵元的结构形式，矩形阵元相控阵可以形成的声场波形好、旁瓣小、焦点外无不希望的声压波动，结构上排列亦紧凑。目前换能器材料采用压电复合材料、换能器阵元数大于一百，在技术上是有可能实现的；这样的换能器形式能够产生适合肿瘤超声治疗的精细、灵活和多变的焦点形式。本专利球面矩形阵元结构是2D阵形式用相关的控制方法可进行3D空间的焦点扫描。大规模阵元相控阵换能器要求先进的聚焦控制方法与之匹配，同时要有大规模、高技术的通道功率驱动进行控制。                        
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗系统，采用新型1-3压电复合材料(1-3Piezocomposite)和结构为上百阵元球面矩形相控阵换能器，从而确保适合体外聚焦超声治疗的高性能、高效率、灵活、多变的焦点控制形状。本专利技术所采用的技术方案是，一种上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗系统，它是用B超图像引导的立体定位相控阵高强度聚焦超声手术治疗系统。其特征在于，该系统包括：置于治疗床下部的上百阵元复合材料球面相控阵换能器，该上百阵元复合材料球面相控阵换能器的探头中同轴安装有绕中心轴自转θ角度的B超探头，与百阵元复合材料球面相控阵换-->能器的探头共同构成组合探头；其中B超探头连接有B超仪和图像采集装置；B超探头在治疗换能器中的同轴自转可以实现三维图像监控，也就是能在三维空间跟踪和评价治疗目标靶组织的治疗损伤状况。上百阵元复合材料球面相控阵换能器发射面的前方设置有水囊，该水囊与脱气净化水系统相连接，水囊中还设置有进行表面皮肤监视的摄像机；系统还包括有主控计算机、6轴运动系统及6轴运动控制系统；主控计算机控制了百通道相控阵HIFU驱动控制和上百阵元复合材料球面相控阵HIFU换能器子系统、6轴立体运动定位控制子系统、B超图像采集子系统和脱气净化水子系统。主控计算机通过高速双向数据传输控制接口与上百通道相控阵HIFU驱动控制系统连接，主控计算机同时还通过双向数据传输线与6轴运动控制系统连通，用于控制组合探头以5自由度运动姿态定位，并驱动B超探头自转；主控计算机还与图像采集装置和脱气净化水系统互连。由于本专利技术采用了上百阵元复合材料球面相控阵换能器，可以产生适合体外聚焦超声治疗的多种焦点模式，而且焦点形式精细、灵活多变，特别是可以产生同时多焦点形成的大焦点比单阵元单焦点单次治疗体积大，因而减少了治疗时间、提高了效率，同时也能以可避开肋骨遮挡的子阵焦点模式实现无创治疗，该系统从医生直观的B超图像引导的视点角度，根据病灶的具体情况灵活选择不同的焦点形状，方便地进行立体定位和聚焦超声操作。                        附图说明图1是本专利技术上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗系统原理图；图2是本专利技术中球面相控阵换能器结构示意图，其中a是主视图，b是a的侧视图；图3是上百通道相控阵HIFU驱动控制系统分层分布结构框图；图4是上百通道相控阵HIFU驱动控制中上位机的一种实例结构框图；图5是上百通道相控阵HIFU驱动控制中下位机结构框图；-->图6是上百通道相控阵HIFU功率驱动通道功率驱动器原理图；图7是上百通道相控阵HIFU驱动控制中上位机软件状态转换图；图8是上百通道相控阵HIFU驱动控制中下位机软件流程图；图9是HIFU工作与B超图像采集时序图，其中，a是HIFU工作的占空比波形图，b是B超成像的时序图；图10是本专利技术主控计算机软件流程图。图中所示的标号分别表示：1.治疗床，2.上百阵元复合材料球面相控阵换能器，3.B超探头，4.B超仪与B超探头连线，5.B超仪，6.B超仪与图像采集装置连线，7.图像采集装置，8.主控计算机与图像采集接口，9.摄像机，10.水囊，11.6轴运动系统，12.6轴运动与运动控制连线，13.6轴运动控制系统，14.主控计算机与6轴运动控制系统双向数据传输线，15.主控计算机，16.上百阵元相控阵换能器与相控阵HIFU驱动控制系统的连接电缆，17.上百通道相控阵HIFU驱动控制系统，18.主控计算机与上百通道相控阵HIFU驱动控制系统的双向数据传输控制接口，19.脱气净化水系统，20.矩形阵元，23.上位机，24.自定义内部总线，25.下位机，26.通道功率驱动器，31.调试显示器，32.ARM核，33.RS232通道，34.键盘，35.JTAG调试口，36.CS8900网络口，37.电源，38.64MSDRAM控制器，39.64MNandFlash，40.FPGA，41.频率合成器DDS，42.驱动与缓冲，44.上位机与下位机通讯通道，45.双端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗系统，其特征在于，该系统包括：置于治疗床（１）下部的上百阵元复合材料球面相控阵换能器（２），上百阵元复合材料球面相控阵换能器（２）的探头中同轴安装有绕中心轴自转θ角度的Ｂ超探头（３），与百阵元复合材料球面相控阵换能器（２）的探头共同构成组合探头；其中，上百阵元复合材料球面相控阵换能器（２）和上百通道相控阵ＨＩＦＵ驱动控制系统（１７）连接；Ｂ超探头（３）连接有Ｂ超仪（５）和图像采集装置（７）；在上百阵元复合材料球面相控阵换能器（２）发射面的前方设置有水囊（１０），该水囊（１０）与脱气净化水系统（１９）相连接，水囊（１０）中还设置有进行表面皮肤监视的摄像机（９）；系统还包括有主控计算机（１５）、６轴运动系统（１１）及６轴运动控制系统（１３）；主控计算机（１５） 内有主控计算机软件，用于支持系统的Ｂ超图像引导立体定位的聚焦超声治疗；主控计算机（１５）通过高速双向数据传输控制接口（１８）与上百通道相控阵ＨＩＦＵ驱动控制系统（１７）连接；主控计算机（１５）同时还通过双向数据传输线（１４）与６轴运动控制系统（１３）连通，并通过６轴运动控制系统（１３）与６轴运动系统（１１）连接，用于控制组合探头以５自由度运动姿态定位，并驱动Ｂ超探头（３）自转；主控计算机（１５）还与图像采集装置（７）和脱气净化水系统（１９）互连。...

【技术特征摘要】
1.一种上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗系统，其特征在于，该系统包括：置于治疗床(1)下部的上百阵元复合材料球面相控阵换能器(2)，上百阵元复合材料球面相控阵换能器(2)的探头中同轴安装有绕中心轴自转θ角度的B超探头(3)，与百阵元复合材料球面相控阵换能器(2)的探头共同构成组合探头；其中，上百阵元复合材料球面相控阵换能器(2)和上百通道相控阵HIFU驱动控制系统(17)连接；B超探头(3)连接有B超仪(5)和图像采集装置(7)；在上百阵元复合材料球面相控阵换能器(2)发射面的前方设置有水囊(10)，该水囊(10)与脱气净化水系统(19)相连接，水囊(10)中还设置有进行表面皮肤监视的摄像机(9)；系统还包括有主控计算机(15)、6轴运动系统(11)及6轴运动控制系统(13)；主控计算机(15)内有主控计算机软件，用于支持系统的B超图像引导立体定位的聚焦超声治疗；主控计算机(15)通过高速双向数据传输控制接口(18)与上百通道相控阵HIFU驱动控制系统(17)连接；主控计算机(15)同时还通过双向数据传输线(14)与6轴运动控制系统(13)连通，并通过6轴运动控制系统(13)与6轴运动系统(11)连接，用于控制组合探头以5自由度运动姿态定位，并驱动B超探头(3)自转；主控计算机(15)还与图像采集装置(7)和脱气净化水系统(19)互连。2.如权利要求1所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗系统，其特征在于，所述的上百阵元复合材料球面相控阵换能器(2)的结构为上百阵元球面矩形相控阵，采用的材料是新型1-3压电复合材料直接做成球面，每一阵元的投影面积为相等的矩形，其工作频率为0.5-4MHz。3.如权利要求1所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗系统，其特征在于，所述的主计算机(15)控制上百通道相控阵HIFU驱动控制系统(17)，进而驱动上百阵元复合材料球面相控阵换能器(2)发射聚焦超声，同时控制6轴运动控制系统(13)，使组合探头以5自由度运动姿态定位，和B超探头(3)自转形成的三维图像监控，也控制B超图像的图像采集装置(7)和脱气净化水系统(19)的水循环。4.如权利要求1所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗系统，其特征在于，所述的上百通道相控阵HIFU驱动控制系统(17)中每一阵元的通道驱动的功率幅度和相位是独立可控的，连续波的相位控制范围为0-360°。5.如权利要求1所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗系统，其特征在于，所述上百通道相控阵HIFU驱动控制系统(17)为分层分布结构，包括上位机(23)和分布的下位机(25)以及分布的各通道功率驱动器(26)。6.如权利要求5所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗系统，其特征在于，所述上位机(23)为嵌入式ARM-Linux控制硬件结构。7.如权利要求5所述的上百阵元复合材料球面相控阵高强度聚焦超声治疗系...

【专利技术属性】
技术研发人员：万明习，陆明珠，王晓东，徐丰，骆志坚，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]