用于控制相控阵聚焦超声系统的系统和方法技术方案

一种控制相控阵聚焦超声换能器的单个驱动正弦波的相位和振幅的系统和方法，该系统和方法采用数控元件将３个或更多个正弦基波的振幅标度为分量正弦矢量。该分量正弦矢量经线性合成生成选定相位和振幅的相应正弦波。使用数控控制元件可将换能器聚焦区域的不同距离、形状和方向（“特性”）进行数控切换。将可能的聚焦区域特性的相应输入参数存储在一个综合表中或存储器中，以便在μ秒内对不同聚焦区域特性进行快速切换。对输出频率进行改变而不影响换能器输出的聚焦区域特性。以有序的多套数控信号的形式实现换能器聚焦区域特性的顺序变化，该控制信号从中央控制器传送到各自的控制通道以产生单个的正弦波。可以按照作为单一热剂量的一部分的时域函数改变数控信号。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术主要涉及聚焦超声系统，尤其涉及一种控制聚焦超声系统中的相控阵换能器的系统和方法，目的是将由各个换能器元件所传送的声能聚焦位于患者体内的一个或多个目标聚焦区。
技术介绍
高强度聚焦的声波，例如超声波(频率高于约20千赫)，可用于治疗患者体内的内部组织区域的病变。例如，超声波可用于切除肿瘤，从而免于进行外科手术。为此目的，具有由电信号驱动的产生超声能量的压电换能器的聚焦超声系统已得到应用。在诸如聚焦超声系统这样的系统中，换能器置于患者体外，但通常靠近患者体内要切除的目标组织(靶组织)区域。换能器按一定的几何形状进行塑形(确定形状)和定位，因此超生能量被聚焦于一个与患者体内目标组织区域相对应的“聚焦区”，加热目标组织区域直到使其坏死。该换能器可对位于相近部位的多个病灶进行依次聚焦和放射。例如，可应用这种系列的“超声波治疗”使完整的组织结构，诸如有一定大小和形状的肿瘤凝结坏死。用图解的方法说明如下，图1显示了一个具有“球冠”形状的相控阵换能器10。该换能器10包括多个置于一个曲面上的同心环12，该曲面具有一个限定部分球体的曲率半径。同心环12通常具有相等的表面积，并且可以沿圆周14分成许多弯曲的换能器元件或区段16，形成换能器10表面的“瓦形”面。换能器元件16由压电材料制成，当被接近压电材料共振频率的正弦波驱动时，元件16按照激励正弦波的相位和振幅振动，从而产生需要的超声波能。如图2所示，分别控制每个换能器元件16的正弦驱动信号的相对相位改变和振幅，以便使所发射的超声波能18汇集在具有理想的聚焦平面和立体形式的聚焦区20。可通过调整相应换能器元件16的信号相位加以完成，其方式为使它们在特定的位置积极干涉，在其它位置破坏性地消除。例如，如果每一个元件16都依次被同相位的驱动信号驱动，(被称为“0模式”)，发射的超声波能量18被聚焦在一个相对较窄的聚焦区上。作为选择，元件16可以被相应具有预确定偏移相位关系的驱动信号驱动(参照Umemura等人被授权的美国专利4,865,042，被称为“模式n”)。这形成了一个包括设置在一个环面周围的多个2n区的聚焦区，就是说，总体上限定了一个环形形状，产生较宽的聚焦，造成与聚焦区交叉的聚焦平面内的较大面积的组织区坏死。通过对从换能器阵列发射的能量的相对相位和振幅的控制，能够产生多种距离、形状和方位(相对于对称轴)的聚焦区域，包括光束的引导和扫描，使聚焦光束能够进行电子控制来覆盖和治疗病人体内的一个目标组织区域内的多个点。用于获得特定聚焦区域特性的更先进的技术在以下文件中披露美国专利申请S/N 09/626,176，申请日2000年7月27日，标题为“用聚焦超声方式控制聚焦点周围声能分布的系统和方法(Systems and Methods for Controlling Distribution of Acoustic EnergyAround a Focal Point Using a Focused Ultrasound System)”；美国专利申请S/N 09/556,095，申请日2000年4月21日，标题为“用于在相控阵聚焦超声系统中减少次热点的系统和方法(Systems andMethods for Reducing Secondary Hot Spots in a Phased Array FocusedUltrasound System)”；和美国专利申请S/N 09/557,078，申请日2000年4月21日，标题为“采用定向聚焦超声系统形成更大的坏死体积的系统和方法(Systems and Methods for Creating Longer NecrosedVolumes Using A Phased Array Focused Ultrasound System)”实施这些聚焦区域的定位和塑形技术，来提供允许单独控制每个换能器元件的相位的换能器控制系统是很有意义的。为了提供聚焦区域的精确定位和动态运动以及再定形，希望能够使每个元件的相位和/或振幅的改变的相对更快一些，例如在μ秒范围内切换聚焦区域特性或操作模式。正如美国专利申请S/N 09/556,095中所述的，也希望能够快速地改变一个或多个元件的驱动信号频率。在MRI引导的聚焦超声系统中，希望能够驱动超声换能器阵列而不产生电谐波、噪音或会干扰生成图像的超敏感接受器信号的场。因此希望提供可单独控制和动态改变相控阵聚焦超声换能器中每个换能器元件的驱动电压、相位以及振幅而对成像系统没有干扰的系统和方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于控制相控阵聚焦超声换能器的单个驱动正弦波的相位和振幅的系统和方法。在一个实施例中，使用数字电位计将从相位分别为0°、90°、180°和270°的4个正交的正弦基波(bases sinuses)中选定的2个正弦基波的振幅标度(scale)为分量正弦矢量。该分量正弦矢量经线性合成，以生成选定相位和振幅的单个正弦波。使用数控(数字控制)电位计可数控不同的聚焦特性之间的切换。例如，可以将任何数目的可能的关于聚焦区域距离、形状和方向的相应的输入参数储存在一个综合表中或存储器中，以便在μ秒范围内在不同聚焦区域特性之间切换。在一个优选实施例中，很容易实现输出频率的变化而不影响换能器输出的特定聚焦区域特性。为此目的，通过用以产生单个的正弦波的由中央控制器至相应的控制通道传送的有顺的多套数控信号(或“超声波治疗参数”)，来实现聚焦区域的距离、形状和/或方向的顺序变化。可以按照单一热剂量或“超声波治疗”随时间域变化的函数改变数控信号。也就是说，在单一超声波治疗期间，在此提供的系统和方法可以以一定的速率切换超声能光束的聚焦形状和位置，该速率与患者组织中的传热时间常数相比相对较高。根据本专利技术的另一个方面，对于每个正弦波，每套超声波治疗输入参数都有相应套的预定的或计划的输出相位和振幅。然后即可测量实际输出水平，如果对于相应正弦波，实际相位或振幅与预计的值不同，则作为预防性的安全措施，需要关闭特定的驱动正弦波或者整个系统。本专利技术的其他目的和特点，可以通过下文结合附图的详细说明来理解。附图说明本专利技术的优选实施例结合附图进行说明，但并不构成对本专利技术的限制，其中图1是一个示例性的球冠换能器的俯视图，该换能器包括在一相控阵中被驱动的多个换能器元件。图2是图1换能器部分剖开的侧视图，说明在目标聚焦区域中聚焦超声能的集中发射。图3是用于操作聚焦超声系统中相控阵换能器的优选控制系统的方块图。图4是一个用于生成图3系统中单个换能器元件正弦波的优选电路实施例的示意图。图5说明了用于代表正弦波的复合平面中的一个矢量。图6说明了第一个和第二个正弦矢量加和生成第三个正弦矢量。图7(a)-(d)说明图3系统中不同相位的正弦矢量的生成。图8是另一个生成图3系统中相应换能器元件正弦波的优选电路实施例的示意图。图9是示范性的MRI引导的聚焦超声系统的方块图。图10是用于操作图9聚焦超声系统中相控阵换能器的优选控制系统的方块图。具体实施例方式图3说明了聚焦超声系统中用于驱动相控阵换能器24的优选系统22。换能器24包括n个单独的换能器元件(图中未示出)，尽管存在相位和/或控制振幅的偏移，每个换能器元件都被相同频本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚焦超声系统，包括：　　　　一个具有多个换能器元件的换能器；和　　　　一个驱动电路，用于给换能器元件提供驱动信号，使换能器元件发射声能，所述驱动电路包括用于控制驱动信号的相对相位偏移和／或振幅的数控元件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2000-11-28 09/724,6111.一种聚焦超声系统，包括一个具有多个换能器元件的换能器；和一个驱动电路，用于给换能器元件提供驱动信号，使换能器元件发射声能，所述驱动电路包括用于控制驱动信号的相对相位偏移和/或振幅的数控元件。2.根据权利要求1所述的系统，还包括一个控制器，所述控制器用于向数控元件提供输入参数从而控制驱动信号的相对相位偏移和/或振幅，以确定由换能器元件发射的声能聚焦区域的距离、形状、方向、或者其结合。3.根据权利要求1所述的系统，还包括一个控制器，所述控制器用于向数控元件提供输入参数，其中所述输入参数对应于超声波治疗期间换能器元件的预期相位偏移、振幅或两者，所述控制器可监视超声波治疗期间换能器元件的实际相位偏移、振幅或两者，并将实际相位偏移、振幅或两者与预期相位偏移、振幅或两者进行比较。4.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制器被设计为如果实际相位偏移、振幅或两者与预期相位偏移、振幅或两者相差较多，就关闭一个或多个换能器元件驱动信号。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述驱动电路包括正弦发生器，所述正弦发生器提供生成驱动信号的源正弦波。6.根据权利要求5所述的系统，其中所述正弦发生器可改变源正弦波的频率。7.根据权利要求6所述的系统，所述驱动电路还包括矢量发生电路，用于由源正弦波生成多个正弦基波，所述正弦基波的相位相互偏移。8.根据权利要求7所述的系统，其中所述矢量发生电路产生来自源正弦波的4个正弦基波，所述正弦基波的相对相位约为0°、90°、180°和270°。9.根据权利要求7所述的系统，其中所述矢量发生电路产生来自源正弦波的3个正弦基波，所述正弦基波的相对相位约为0°、120°和240°。10.根据权利要求7所述的系统，其中所述矢量发生电路产生来自源正弦波的6个正弦基波，所述正弦基波的相对相位约为0°、60°、120°、180°、240°和300°。11.根据权利要求7所述的系统，其中所述矢量发生电路产生来自源正弦波的8个正弦基波，所述正弦基波的相对相位约为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°。12.根据权利要求7所述的系统，其中所述驱动电路包括多个控制通道，每个控制通道与相应的换能器元件相关，电阻元件包括每个控制通道中的多个数字电位计，所述电位计接收正弦基波和数控信号的输入，对选定的输入正弦基波进行标度，然后标度的正弦基波经加和生成相关换能器元件相应的驱动信号。13.根据权利要求12所述的系统，其中所述数控信号作为超声波治疗参数被存储，所述系统向相应的控制通道提供多个连续的超声波治疗参数，从而改变由换能器元件发射的声能聚焦区域的距离、...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿夫纳埃齐奥恩，艾哲朵尔科利舍尔，舒克韦特克，
申请(专利权)人：因赛泰克特克斯索尼克斯公司，
类型：发明
国别省市：IL[以色列]