一种超声波声场调控治疗装置

1.本发明涉及超声治疗和医疗仪器技术领域，具体为发明了一种超声波声场调控治疗装置。


背景技术：

2.超声波是一种穿透性强、方向性好且安全的机械波。利用超声波来进行治疗的方式由来已久，作为一种安全、无创、非电离的治疗方式，聚焦超声治疗已经被广泛应用于临床治疗。常规的聚焦超声治疗可以分为高强度聚焦超声治疗和中低强度聚焦超声治疗。高强度聚焦超声治疗主要是利用超声的机械效应和热效应对病患部位进行治疗，高强度聚焦超声能量较高，其产生的组织损伤往往不可逆，因此，目前临床上主要应用于肿瘤的非侵入性治疗；而中低强度的超声治疗因为其能显著降低超声的热效应并且能够优化机械效应和生物学效应，主要应用于骨修复、组织再生、组织愈合以及基因治疗等方面。除上述两种主流的超声治疗方法外，近几年新兴的聚焦涡旋声场调控治疗也为超声治疗提供了新的思路。
3.在常规的超声治疗中，使用的治疗换能器一般为单阵元的聚焦换能器，这种换能器结构简单，价格便宜，且拥有良好的聚焦性能，虽然这种聚焦性能保证了超声治疗的空间精准性，但在一定程度上也限制了治疗组织的体积，从而限制了超声治疗的效率。因此，如何利用声场调控来增加被治疗组织的体积，增加超声治疗的效果成为了本领域关键的技术难题。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种超声波声场调控治疗装置，以克服现有技术中在一定程度上限制了治疗组织的体积，从而限制了超声治疗的效率的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种超声波声场调控治疗装置，包括控制模块、信号发生模块、功率放大及反馈模块、换能器模块、显示模块和电源模块
7.控制模块用于下发治疗模式和治疗参数给信号发生模块，并在治疗期间用于监测功率放大及反馈模块；
8.信号发生模块用于根据控制模块下发的治疗模式和治疗参数，产生对应的激励信号，并传输给换能器模块；
9.换能器模块用于根据传输来的激励信号，输出超声波，并将自身状态反馈至功率放大及反馈模块；
10.功率放大及反馈模块用于对激励信号进行放大，并将放大后的激励信号传输到换能器模块，并将换能器模块的反馈结果传输至控制模块；
11.显示模块用于输入治疗参数和治疗模式，并传输到控制模块，同时显示各模块的治疗模式和治疗参数；
12.电源模块用于给整个装置进行供电。
13.优选地，控制模块包括fpga和单片机，激励信号的产生是通过单片机将激励信号的数据通过信号通路发送给fpga，fpga对接收到的信号进行解析，转化为各通道能够调节的初始相位、幅值、频率信号，fpga根据这些信号通过其内部的同步模块、dds信号产生模块和调理输出模块协同作用产生激励信号。
14.优选地，激励信号频率的调节是通过调节fpga内部系统时钟分频系数来完成的，所述激励信号频率的调节能够匹配不同的换能器。
15.优选地，激励信号相位的调节是通过调节fpga内部延时系统中设置的粗延时系数和细延时系数共同作用来实现不同通道信号的延时，通过延时的长短来调节通道间激励信号的初始相位，所述激励信号相位的调节能够产生不同的工作模式。
16.优选地，激励信号幅值的调节能够匹配不同的工作强度。
17.优选地，换能器模块采用双频多层多阵元换能器，其中每个振元均能够单独工作。
18.优选地，功率放大及反馈模块由多块功放板构成，所述功放板数量与双频多阵元换能器中的振元数相同。
19.优选地，电源模块包括电源转换模块和程控开关电源，所述电源转换模块将电压转换后提供给控制模块，所述程控开关电源为功率放大和反馈模块供电。
20.优选地，控制模块上连接有上位机，所述上位机用于传输命令给控制模块。
21.优选地，所述换能器模块能够与外部机械臂配合使用，所述机械臂通过上位机控制。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种超声波声场调控治疗装置，包括控制模块、信号发生模块、功率放大及反馈模块、换能器模块、显示模块和电源模块，输入命令至控制模块，由控制模块下发治疗参数给信号发生模块，信号发生模块生成激励信号，并将激励信号传输至功率放大及反馈模块，功率放大及反馈模块将激励信号放大后传输至换能器模块，换能器模块输出超声波，并将自身状态反馈至功率放大及反馈模块，功率放大及反馈模块将换能器模块的反馈结果传输至控制模块，换能器模块根据其自身反馈，不断调整激励信号。本装置还能够产生多种治疗模式，通过调整激励信号不同通道间信号的相位差和倍频生成不同的声场调控治疗模式，扩大焦域体积，产生更强烈的空化效应与热效应，为超声治疗增效。
附图说明
23.图1为一种超声波声场调控治疗装置示意图；
24.图2为一种超声声场调控治疗装置使用示意图；
25.图3为本发明的控制芯片的软件流程图。
具体实施方式
26.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
27.如图1所示，本方法提供了一种超声波声场调控治疗装置，包括控制模块、功率放大及反馈模块、换能器模块和电源模块；
28.其中，控制模块由单片机和外围电路组合而成，单片机作为主控芯片，用于接收外部指令，并将指令转化为治疗模式和治疗参数等信息下发给信号产生模块。信号发生模块的核心是fpga，它控制输出不同相位差、频率、占空比都可调的脉冲激励信号。功率放大和反馈模块在程控开关电源的控制下对信号进行放大，并将放大后的信号传送到换能器模块，同时在治疗的过程中不断的接收来自换能器的反馈信息，并将其传送给控制模块。最后由换能器模块直接作用于需要使用的地方。本装置还设有与上位机通讯接口，连接上位机时，可以由上位机下发占空比、幅值、初始相位差等参数给控制模块用来产生所需要的激励信号。
29.激励信号的产生是通过单片机将信号的占空比、幅值等参数发送给信号产生模块，信号产生模块中的fpga根据接收的命令通过其内部的同步模块、dds信号产生模块和调理输出模块协同作用产生激励信号。
30.激励信号频率的调节是通过调节系统时钟分频系数的大小来完成的。首先，fpga产生频率为f0的基频信号用于驱动换能器中的低频阵元，同时通过对fpga时钟进行n倍频(n为正整数)后产生的nf0的倍频信号用于驱动换能器的高频阵元。本装置最小可调节频率的步进值为1khz，当换能器由于制作精度不足产生误差或者在需要对激励信号的频率进行微调的情况下，此时可以使用fpga产生f0+δf的信号用于驱动换能器的低频单元，同时通过对fpga时钟进行n倍频(n为正整数)后产生的n(f0+δf)的倍频信号用于驱动换能器的高频阵元。
31.激励信号相位的调节是通过延时系统中设置的粗延时系数和细延时系数共同作用来实现不同通道信号的延时，通过延时的长短来调节通道间激励信号的初始相位。
32.声功率的调节是通过调节激励信号的幅值，进而调节声场的能量大小。
33.声场焦域体积的大小是通过调节换能器不同阵元间的相位和倍频，在不同相位和倍频的控制下产生扩大焦域体积的焦点，焦域体积比普通的焦点更大，从而扩大一次治疗的焦域体积和热效率，增大覆盖的范围。
34.通过设置激励信号的初始相位，且初始相位满足φ＝(m*2pi)/n的激励信号,其中m为拓扑荷数，n为换能器的阵元数。从而产生拓扑荷为n的复合涡旋声场，复合涡旋声场在声场调控中也能起到增效的作用。
35.在产生复合涡旋声场时，可以通过调节相邻通道相位差进一步的调节拓扑荷的大小，增大声场焦域的体积，扩大覆盖区域的范围。
36.控制模块外接有显示器，显示器与面板开关可以设置和显示工作过程中的基本参数，例如：患者姓名、年龄、治疗部位及治疗配方、治疗总时间、剩余治疗时间、各通道的工作功率等信息。同时显示器还存在工程模式，用于工程人员调试和检修时使用，工程模式只针对工程技术人员开放。
37.本装置还可以与上位机连接，由上位机负责下发占空比、幅值、初始相位差等参数给控制模块用来产生所需要的激励信号。除此之外，上位机还可以兼顾当换能器和机械臂协同作用时控制机械臂运行的时间和工作轨迹。
38.实施例1
39.本实施例中主控芯片采用stm32系列的单片机，在stm32外围有：
40.一个用于设置关键参数的矩阵键盘、一个用于和fpga连接的spi通信接口、两个
rs232接口、一个驱动液晶显示屏的串口屏幕驱动接口以及一个用来和上位机连接的串口通信接口。
41.lcd液晶显示屏：用于对系统关键信息的显示和工程技术人员对系统测试调试。
42.jtag调试接口：用于系统的测试调试。
43.现场可编程门阵列fpga(field prorammable gates array)使用xilinx公司生产的中等规模芯片用作各种控制信号的产生。
44.本发明的工作流程如下，首先使用stm32系列的单片机作为核心处理器负责管理和协调其他部件，在独立工作时，使用显示模块输入通道频率、相位、幅度等信息后，由单片机通过spi接口发送给信号发生模块，信号发生模块中的fpga收到信号后先将信号解析为频率、相位等信息。然后，通过fpga的时钟管理模块，控制每一个通路激励信号的频率。激励信号频率可以通过调节fpga内部系统时钟分频系数的大小来完成。当fpga分析好治疗参数时，首先产生一个频率为f0的基频信号用于驱动换能器中的低频阵元，同时通过对时钟进行n倍频(n为正整数)后产生的nf0的倍频信号用于驱动换能器的高频阵元。本装置最小可调节频率的步进值为1khz，当换能器由于制作精度不足产生误差的情况下或者在需要对激励信号的频率进行微调的情况下，此时可以由信号发生模块产生一个f0+δf的信号用于驱动换能器的低频单元，同时通过对时钟进行n倍频(n为正整数)后产生的n(f0+δf)的倍频信号用于驱动换能器的高频阵元。然后再调节每一路的相位，相位的调节是通过对不同信号通道进行延时来完成的，相位的控制范围为0-2pi。信号发生模块整合上面的参数后，通过其内部fpga的同步模块、dds信号产生模块和调理输出模块协同作用产生激励信号。激励信号传入功率放大系统，功率放大系统对信号进行放大后直接输出驱动换能器产生对应的声场，直接作用于需要治疗的部位。
45.当装置与上位机连接时则由上位机发送治疗数据给单片机，单片机接收到来自上位机的数据后，再下发给信号发生模块，其余具体过程与上面所述相同。
46.进一步的，功率放大及反馈系统由与换能器振元数相等的功放板组成，当n路从信号发生及控制系统中输出的信号进入到功率放大板之后，功率放大板对信号进行放大，输出的信号用于驱动换能器工作。除此之外，为了在运行过程中，便于实时观测和调节各通道的功率，本发明还设计了一个反馈模块，反馈模块由电源模块中的功率调节子模块、以及单片机中的adc(analog to digital converter)、dac(digital to analog converter)和功率检测等子模块协同完成，具体的工作步骤是：单片机控制adc通过功率测量将各个通道的功率和电压转化为数字信号，再传送到单片机中进行处理，单片机根据各通道的功率和电压的检测数据判断每一个通道功率放大板的工作状态是否正常，如果不正常则立即关闭该通道。
47.本发明公开的一种超声波声场调控治疗装置有三种工作模式：
48.1.各阵元在没有初始相位差情况下的常规聚焦模式；
49.2.各阵元在倍频和相位控制条件下，产生扩大焦域面积的声场调控模式；
50.3.复合涡旋声场调控模式；
51.本发明涉及到的常规聚焦模式如下：
52.当激励信号所有相位都没有相位差时，整个双频多阵元换能器看成一个整体，由于换能器的形状使其能够物理自聚焦。另外，在工作时，可以只使用低频区域工作；也可以
只使用高频区域工作；还可以高频低频一起协同工作。通过改变频率的大小，可以更改超声作用的部位，当作用部位位于浅表时可以使用高频区域，当作用部位位于深处时可以使用低频区域。
53.本发明中涉及到的扩大焦域面积的具体方法如下：
54.对于双频多阵元换能器，其阵元数为偶数，其中一半的阵元工作在高频f0，一半的阵元工作在低频f1,频率不同的两种阵元按照内圈外圈两层来进行排布，且f0＝n*f1，其中n为正整数。在倍频和相位控制的条件下，双频多阵元换能器在焦平面产生多个分裂焦点，使得多焦点在径向分布的尺寸扩大，这样在治疗时产生的焦域会比单焦点大很多。
55.本发明中涉及到的复合涡旋声场调控模式相关的具体方法如下：
56.通过设置初始相位，且初始相位满足φ＝(m*2pi)/n的激励信号,其中m为拓扑荷数，n为换能器的阵元数。在阵元数n确定的情况下，改变相位φ即可产生拓扑荷不同涡旋声场，且由于内外层阵元的频率不同，因此产生的涡旋声场为复合涡旋声场。复合涡旋声场产生的声场焦域体积更大，扩大了超声与病患组织的作用范围，有效的增大了空化的范围和强度，显著提高了超声治疗效率。
57.本发明预留了上位机的接口可以和上位机联机使用，上位机有配套的软件系统可以控制治疗参数的下发，另外，上位机还负责在换能器与机械臂协同使用时，控制机械臂运行的时间和轨迹。
58.本发明使用的电源模块，其工作原理如下：首先输入为220v的交流电，经过程控开关电源后变为48v的直流电，48v的直流电分成了两路，一路送给功率放大模块用于放大激励信号，另一路的48v的直流电在经过直流转直流后变为15v的直流电。15v的直流电再经过稳压器变为+5v，+5v的直流电用于串口屏幕的供电。+5v再经过dc-dc芯片后变为3.3v的直流电，用于给单片机和fpga供电。
59.本发明的控制芯片的软件流程图如图3所示，当系统上电后，首先进行系统自检，各寄存器进行初始化，系统设置各寄存器的状态，如果有上位机连接的情况下，检查上位机通讯，开发送数据中断，以便从上位机接收数据。在没有上位机的情况下，检查与fpga间的通讯。确定通讯正常后，检查时钟是否工作正常，然后扫描检查各通道的连接状态。如果此时有通道处于工作状态，立即关闭该通道。直到各通道均处于待机状态时，判断通道正常。系统开数据中断，等待矩阵键盘输入治疗参数信息，当信息输入完成后，系统关闭数据中断，将指令处理好后下发给fpga，fpga根据指令开始工作，此时单片机处于监控状态，实时扫描各通道的功率和电压信息。
60.尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

技术特征：
1.一种超声波声场调控治疗装置，其特征在于，包括控制模块、信号发生模块、功率放大及反馈模块、换能器模块、显示模块和电源模块控制模块用于下发治疗模式和治疗参数给信号发生模块，并在治疗期间用于监测功率放大及反馈模块；信号发生模块用于根据控制模块下发的治疗模式和治疗参数，产生对应的激励信号，并传输给换能器模块；换能器模块用于根据传输来的激励信号，输出超声波，并将自身状态反馈至功率放大及反馈模块；功率放大及反馈模块用于对激励信号进行放大，并将放大后的激励信号传输到换能器模块，并将换能器模块的反馈结果传输至控制模块；显示模块用于输入治疗参数和治疗模式，并传输到控制模块，同时显示各模块的治疗模式和治疗参数；电源模块用于给整个装置进行供电。2.根据权利要求1所述的一种超声波声场调控治疗装置，其特征在于，所述控制模块包括fpga和单片机，激励信号的产生是通过单片机将激励信号的数据通过信号通路发送给fpga，fpga对接收到的信号进行解析，转化为各通道能够调节的初始相位、幅值、频率信号，fpga根据这些信号通过其内部的同步模块、dds信号产生模块和调理输出模块协同作用产生激励信号。3.根据权利要求2所述的一种超声波声场调控治疗装置，其特征在于，所述激励信号频率的调节是通过调节fpga内部系统时钟分频系数来完成的，所述激励信号频率的调节能够匹配不同的换能器。4.根据权利要求2所述的一种超声波声场调控治疗装置，其特征在于，所述激励信号相位的调节是通过调节fpga内部延时系统中设置的粗延时系数和细延时系数共同作用来实现不同通道信号的延时，通过延时的长短来调节通道间激励信号的初始相位，所述激励信号相位的调节能够产生不同的工作模式。5.根据权利要求2所述的一种超声波声场调控治疗装置，其特征在于，所述激励信号幅值的调节能够匹配不同的工作强度。6.根据权利要求1所述的一种超声波声场调控治疗装置，其特征在于，所述换能器模块采用双频多层多阵元换能器，其中每个振元均能够单独工作。7.根据权利要求6所述的一种超声波声场调控治疗装置，其特征在于，所述功率放大及反馈模块由多块功放板构成，所述功放板数量与双频多阵元换能器中的振元数相同。8.根据权利要求1所述的一种超声波声场调控治疗装置，其特征在于，所述电源模块包括电源转换模块和程控开关电源，所述电源转换模块将电压转换后提供给控制模块，所述程控开关电源为功率放大和反馈模块供电。9.根据权利要求1所述的一种超声波声场调控治疗装置，其特征在于，所述控制模块上连接有上位机，所述上位机用于传输命令给控制模块。10.根据权利要求9所述的一种超声波声场调控治疗装置，其特征在于，所述换能器模块能够与外部机械臂配合使用，所述机械臂通过上位机控制。

技术总结
本发明公开了一种超声波声场调控治疗装置，该装置包括控制模块、信号发生模块、功率放大及反馈模块、换能器模块、显示模块和电源模块，输入命令至控制模块，由控制模块下发治疗参数给信号发生模块，信号发生模块生成激励信号，并将信号传输至功率放大及反馈模块，功率放大及反馈模块将激励信号放大后传输至换能器模块，换能器模块输出超声波，并将自身状态反馈至功率放大及反馈模块，功率放大及反馈模块将换能器模块的反馈结果传输至控制模块，换能器模块根据反馈调整激励信号。本装置还能够产生多种治疗模式，通过调整激励信号不同通道间信号的相位差和倍频生成不同的治疗模式，扩大焦域体积，产生更强烈的空化效应与热效应，为超声治疗增效。为超声治疗增效。为超声治疗增效。


技术研发人员：万明习 万春野 刘盈盈
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/13