【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于超声调控应用，更具体地，涉及一种用于人体靶组织消融的声透镜及超声消融装置。
技术介绍
1、在临床医学上，超声波被广泛应用于各种治疗和诊断程序中，具有在无需侵入性手术的情况下渗透生物组织并产生热效应和机械效应的特性，特别在治疗如肿瘤、心血管方面的疾病时独具优势。得益于近年医学科技的迅猛发展，无创超声治疗已逐步成为临床领域的重要手段。高强度聚焦超声(hifu)作为一种无创、无放射的治疗技术，将mhz频率的超声波汇聚于靶组织，利用超声波良好的指向性、穿透性和聚焦性能，使穿过非治疗部位的能量不足以对组织造成损伤。同时利用产生的高声强焦斑，在短时间内引发高温效应，使靶区病变组织发生急性热凝固性坏死，能够在不破坏皮肤或组织的前提下，对体内的靶点进行精确治疗。现代医学已经广泛接纳hifu作为无创、无放射的治疗手段，尤其在肿瘤消融和心血管疾病的治疗中取得了显著效果。
2、尽管如此，现有的hifu设备在聚焦精度、控制范围以及聚焦效果方面存在一定限制。在hifu治疗过程中，超声波聚焦模式的控制被认为是核心技术，为了在人体的深部病灶实现有效的聚焦超声，采用的主要聚焦方法包括曲面自聚焦、相控阵列聚焦和声透镜聚焦。其中，曲面自聚焦是通过阵元发出的超声波束在曲面几何焦点的位置汇聚，进而形成聚焦热斑。相控阵列聚焦则通过控制超声换能器阵列中各阵元的激励信号，调整阵元表面的振动幅值和相位，从而形成超声波的球面汇聚或偏转的相干波阵面，实现了电子控制的超声聚焦和扫描。声透镜聚焦的原理与光学聚焦相似，即超声波穿过凹面声透镜后实现聚焦，然而，焦
3、因此，现有hifu设备特别是在对位于血管外、食道外或气道外的靶组织进行消融时，可能会对血管壁、气管壁及食道壁等非目标组织造成非必要损伤。
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种用于人体靶组织消融的声透镜及超声消融装置，其目的在于实现聚焦型声学器件的焦距可调，从而能够在hifu治疗过程中减少对非目标组织的损伤。
2、为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种用于人体靶组织消融的声透镜，其为套筒结构的表面呈阶梯状排布的菲涅尔声透镜，且其表面几何参数是通过以下方式设计得到：
3、对菲涅尔声透镜的呈二维轴向对称的三维声传播场进行仿真，将三维声传播场的二维传播平面划分为有限格点数n，以最大化目标格点处的声压、最小化目标格点以外的格点处声压为目标，迭代优化所述表面几何参数；
4、其中，所述目标格点为设定参量，对应目标靶组织相对声透镜的位置以及目标靶组织的形貌。
5、进一步，所述目标具体为：
6、最大化所述二维传播平面中的目标传输轨迹上前m大声压对应的点的声压之和与目标传输轨迹以外的其它所有点的声压之和的比值；
7、其中，所述目标传输轨迹为设定参量，对应目标靶组织相对声透镜的的位置以及目标靶组织的形貌；所述m为设定值，当m取值为1时，所述表面几何参数的设计用于实现声透镜焦距的调整，当m取值大于1时，该设计方式用于实现对声透镜焦域大小的调整。
8、进一步，当待消融靶组织位于正常组织周围时，则根据待消融靶组织和正常组织的相对位置，在所述二维传播平面上确定多个焦域，该多个焦域连成环形，环形区域对应待保护正常组织区域，则所述目标具体为：
9、分别最大化各个焦域中心处的声压、最小化所述环形中心处的声压。
10、进一步，采用遗传算法，执行所述最大化的优化操作。
11、进一步，将所述菲涅尔声透镜的表面上各阶梯进行平滑处理，形成多个楔形，以消除阶梯高度差；
12、则所述表面几何参数为各个楔形的高度和宽度。
13、本专利技术还提供一种用于人体靶组织消融的声透镜，其为套筒结构的表面呈阶梯状排布的菲涅尔声透镜，且其表面几何参数是通过以下方式设计得到：
14、根据目标靶组织的形貌和位置，确定声透镜焦域在所述二维传播平面上的弯曲声束轨迹；基于所述弯曲声束轨迹上各点坐标，通过对声透镜表面的相位轮廓公式积分，确定声透镜表面的初始相位分布，式中k为声波波数；根据声透镜阶梯的高度与初始相位的对应关系，确定声透镜各阶梯的高度；
15、其中，利用几何声线传播理论，在笛卡尔坐标下构建波阵面与弯曲声束轨迹斜率关系式如下：式中，u、v构成弯曲声束轨迹上任一点坐标(u,v)；根据三角形边角关系可得ξ＝v-[-utan(π-θ)]＝v-utan(θ)；式中，ξ为波阵面上任一点在弯曲声束轨迹上的投影距离；f(x)为由贝塞尔多项式生成的贝塞尔曲线，x为所述弯曲声束轨迹上各点横坐标。
16、本专利技术还提供一种人体腔内介入式超声消融装置，包括：超声换能器以及如上所述的一种用于人体靶组织消融的声透镜；
17、所述超声换能器套入所述声透镜的中空腔内；机械振动由上所述超声换能器沿周向激励，引发所述声透镜振动，产生声传播场。
18、进一步，用于腔外靶组织的消融。
19、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
20、(1)本专利技术提出一种用于人体靶组织消融的声透镜，其为套筒结构的表面呈阶梯状排布的菲涅尔声透镜，这种声透镜的表面几何参数可以通过结合靶组织的形貌进行人工设计。进一步，表面几何参数可通过以下方式设计得到：对菲涅尔声透镜的呈二维轴向对称的三维声传播场进行仿真，将三维声传播场的二维传播平面划分为有限格点数n，以最大化目标格点处的声压、最小化目标格点以外的格点处声压为目标，迭代优化表面几何参数；其中目标格点为设定参量，对应目标靶组织相对声透镜的位置以及目标靶组织的形貌，该设计方式结合了靶组织的形貌，定制化声透镜人工结构，能够实现声透镜焦距以及焦域大小的调整，从而实现声场聚焦到靶组织上，减少非靶组织的损伤。
21、(2)本专利技术考虑到各阶梯间高度弱化声场的衍射，以及后续加工精度的限制，对菲涅尔透镜的每个菲涅尔带做平滑处理，消除单个菲涅尔带上的阶梯高度差；则此时专利技术提出的声透镜为套筒结构的表面呈阶梯状排布类菲涅尔声透镜，所有楔形结构构成声透镜的功能结构，上述表面几何参数为各个楔形的高度和宽度，简化了声透镜表面结构。
22、(3)本专利技术还提出另一种用于人体靶组织消融的声透镜，其表面几何参数的设计方式为：根据目标靶组织的形貌和位置，确定声透镜焦域在二维传播平面上的弯曲声束轨迹；基于弯曲声束轨迹上各点坐标，根据声透镜表面的相位分布确定声透镜表面各阶梯处的初始相位；根据声透镜阶梯的高度与初始相位的对应关系，确定声透镜各阶梯的高度。也就是，本专利技术基于大角度无衍射声弯曲信道的生成方法，通过改变声透镜相邻环结构的高度参数，进而调制相位，构成本专利技术声透镜的弯曲声束功能结构，能够用于实现人体腔内弯曲路径消融。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于人体靶组织消融的声透镜，其特征在于，其为套筒结构的表面呈阶梯状排布的菲涅尔声透镜，且其表面几何参数是通过以下方式设计得到：
2.根据权利要求1所述的声透镜，其特征在于，所述目标具体为：
3.根据权利要求1所述的声透镜，其特征在于，当待消融靶组织位于正常组织周围时，则根据待消融靶组织和正常组织的相对位置，在所述二维传播平面上确定多个焦域，该多个焦域连成环形，环形区域对应待保护正常组织区域，则所述目标具体为：
4.根据权利要求1至3任一项所述的声透镜，其特征在于，采用遗传算法，执行所述最大化的优化操作。
5.根据权利要求1至3任一项所述的声透镜，其特征在于，将所述菲涅尔声透镜的表面上各阶梯进行平滑处理，形成多个楔形，以消除阶梯高度差；
6.一种用于人体靶组织消融的声透镜，其特征在于，其为套筒结构的表面呈阶梯状排布的菲涅尔声透镜，且其表面几何参数是通过以下方式设计得到：
7.一种人体腔内介入式超声消融装置，其特征在于，包括：超声换能器以及如权利要求1至6任一项所述的一种用于人体靶组织消融的声透镜；>
8.根据权利要求7所述的一种人体腔内介入式消融装置，其特征在于，用于腔外靶组织的消融。
...【技术特征摘要】
1.一种用于人体靶组织消融的声透镜，其特征在于，其为套筒结构的表面呈阶梯状排布的菲涅尔声透镜，且其表面几何参数是通过以下方式设计得到：
2.根据权利要求1所述的声透镜，其特征在于，所述目标具体为：
3.根据权利要求1所述的声透镜，其特征在于，当待消融靶组织位于正常组织周围时，则根据待消融靶组织和正常组织的相对位置，在所述二维传播平面上确定多个焦域，该多个焦域连成环形，环形区域对应待保护正常组织区域，则所述目标具体为：
4.根据权利要求1至3任一项所述的声透镜，其特征在于，采用遗传算法，执行所述最大化的优...
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