高强度聚焦超声设备及其同步控制方法与流程

1.本技术涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种高强度聚焦超声设备及其同步控制方法。


背景技术：

2.高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound)是一种无创治疗技术,它利用超声波的组织可穿透性和能量可聚焦性等特点,将体外低能量超声波聚焦于体内深部病灶处(靶区),通过焦点区高能超声波产生的瞬间高温效应和空化效应杀死肿瘤细胞,而靶区外组织几乎无损伤。
3.传统的高强度聚焦超声设备，如专利202020055114.7中所述的硬件系统，包括高能聚焦超声器件、图像超声器件、运动机构与控制器，其中，焦点的移动可以通过两种方式实现：1.相控阵换能器可以通过更改各个通道相位解决；2.单通道的换能器可以通过整个换能器的移动来实现。相对第二种方法，第一种方法可以实现更加高速的运动，但是其精度较差，容易受到环境、声波传输过程中的折射与反射的干扰，相控阵换能器对于设备的要求更高，换能器的单位输出能量更低。此外，对于相控阵换能器，在位置与焦点位置确定时，超声波的传输轨迹无法再进行改变。而第二种方法的缺点则是，其焦点运动需要外部机构的配合。
4.如专利202020055114.7所述的硬件系统，将焦点移动1毫米的时间仅需数毫秒。而高能聚焦超声在使用空化效应进行治疗时，能量以脉冲的形式发射，并要求脉冲之间必须暂停数十毫秒以上，故该系统能够在不损失效率的情况下完成如专利202010412554.8所述的控制方法。专利202010412554.8中，为了保证安全性，能量脉冲之间必须保证一个周期i不可以短于固定的时间间隔。当时间短于预订时间间隔时，系统将会等待一定的时间直到脉冲之间的时间间隔符合需求。由于聚焦超声换能器工作时会对影像超声产生较大的声学和电磁的干扰，传统的高强度聚焦超声设备中，未对时间进行控制，容易对影像采集造成不可控的干扰，使得监控效果无法达到预期的效果。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述问题，提供一种避免换能器的工作影响监控效果的高强度聚焦超声设备及其同步控制方法。
6.一种高强度聚焦超声设备，包括时间同步控制器、运动控制装置、影像超声装置和聚焦超声装置，所述时间同步控制器连接所述运动控制装置、所述影像超声装置和所述聚焦超声装置；
7.所述时间同步控制器用于发送运动控制触发信号至所述运动控制装置，发送聚焦超声触发信号至所述聚焦超声装置，以及发送影像超声触发信号至所述影像超声装置，其中，所述聚焦超声触发信号和所述影像超声触发信号的发送时间被设定为具有时间差；
8.所述运动控制装置用于在接收到所述运动控制触发信号时返回运动启动信号至
所述时间同步控制器，根据所述运动控制触发信号进行运动控制，在结束移动后返回运动结束信号至所述时间同步控制器；
9.所述聚焦超声装置用于在接收到所述聚焦超声触发信号后返回射频能量启动信号至所述时间同步控制器，根据所述聚焦超声触发信号进行聚焦控制，结束超声脉冲释放后返回射频能量结束信号至所述时间同步控制器；
10.所述影像超声装置用于在接收到影像超声触发信号后返回超声图像采集启动信号至所述时间同步控制器，根据所述影像超声触发信号进行影像采集控制，在结束影像采集后返回超声图像采集结束信号至所述时间同步控制器。
11.在其中一个实施例中，在所述影像超声装置处于具有观测兴趣区的影像超声模式时，所述时间同步控制器还用于对所述聚焦超声触发信号和所述影像超声触发信号的发送时间的时间差进行调整，以使高强度聚焦超声脉冲在超声图像中的显示位置位于所述观测兴趣区以外。
12.在其中一个实施例中，所述影像超声装置包括影像超声主机和影像超声探头，所述影像超声主机连接所述时间同步控制器和所述影像超声探头。
13.在其中一个实施例中，所述聚焦超声装置包括射频能量源和聚焦超声换能器，所述射频能量源连接所述时间同步控制器和所述聚焦超声换能器。
14.在其中一个实施例中，所述运动控制装置包括运动控制器和运动机构，所述运动控制器连接所述时间同步控制器和所述运动机构，所述运动机构用于控制所述聚焦超声换能器移动。
15.在其中一个实施例中，所述射频能量源根据所述聚焦超声触发信号，控制所述聚焦超声换能器在工作周期内释放一次高强度聚焦超声脉冲；所述运动控制器根据所述运动控制触发信号，控制所述运动机构带动所述聚焦超声换能器在工作周期内进行一次移动；所述影像超声主机根据所述影像超声触发信号，控制所述影像超声探头在工作周期内进行两次以上的影像采集。
16.在其中一个实施例中，所述影像超声触发信号的持续时间指影像超声采集一帧图像的时间，为0.1-10.0ms，帧率为20～50hz。
17.在其中一个实施例中，所述聚焦超声触发信号的持续时间指释放一次高强度聚焦超声脉冲的时间，为1～20ms；所述运动控制触发信号的持续时间指进行一次移动的时间，为20～500ms。
18.在其中一个实施例中，两次所述聚焦超声触发信号之间的时间间隔为50～500ms。
19.在其中一个实施例中，所述影像超声触发信号的起始时间，与所述聚焦超声触发信号的起始时间的时间间隔为5ms。
20.在其中一个实施例中，提供了一种高强度聚焦超声设备的同步控制方法，基于上述的高强度聚焦超声设备实现，包括以下步骤：
21.发送聚焦超声触发信号至聚焦超声装置，所述聚焦超声触发信号用于所述聚焦超声装置进行聚焦控制；所述聚焦超声装置在接收到所述聚焦超声触发信号后返回射频能量启动信号至所述时间同步控制器，根据所述聚焦超声触发信号进行聚焦控制，结束超声脉冲释放后返回射频能量结束信号至所述时间同步控制器；
22.发送运动控制触发信号至运动控制装置，所述运动控制触发信号用于所述运动控
制装置进行运动控制；所述运动控制装置在接收到所述运动控制触发信号时返回运动启动信号至所述时间同步控制器，根据所述运动控制触发信号进行运动控制，在结束移动后返回运动结束信号至所述时间同步控制器；
23.发送影像超声触发信号至影像超声装置，所述影像超声触发信号用于所述影像超声装置进行影像采集控制；其中，所述聚焦超声触发信号和所述影像超声触发信号的发送时间被设定为具有时间差；所述影像超声装置在接收到影像超声触发信号后返回超声图像采集启动信号至所述时间同步控制器，根据所述影像超声触发信号进行影像采集控制，在结束影像采集后返回超声图像采集结束信号至所述时间同步控制器。
24.在其中一个实施例中，所述方法还包括：
25.获取所述影像超声装置的影像超声模式；
26.在所述影像超声装置的影像超声模式处于具有观测兴趣区的影像超声模式时，调整所述聚焦超声触发信号和所述影像超声触发信号的发送时间的时间差，以使高强度聚焦超声脉冲在超声图像中的显示位置位于所述观测兴趣区以外。
27.上述高强度聚焦超声设备及其同步控制方法，通过时间同步控制器分别发送相应信号同步控制运动控制装置、影像超声装置和聚焦超声装置的工作，并确保影像超声装置和聚焦超声装置不同时工作，避免聚焦超声装置的换能器影响影像超声装置的监控效果。
附图说明
28.图1为一实施例中高强度聚焦超声设备的结构框图；
29.图2为一实施例中高强度聚焦超声设备的结构示意图；
30.图3为一实施例中高强度聚焦超声设备的时序控制示意图；
31.图4为一实施例中高强度聚焦超声脉冲在超声图像中的显示位置位于所述观测兴趣区时的超声图像示意图；
32.图5为一实施例中超声图像受高强度聚焦超声脉冲干扰时的示意图；
33.图6为一实施例中高强度聚焦超声脉冲在超声图像中的显示位置位于所述观测兴趣区以外时的超声图像示意图；
34.图7为一实施例中超声图像未受高强度聚焦超声脉冲干扰时的示意图。
具体实施方式
35.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
36.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
37.可以理解，空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
38.需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
39.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语包括相关所列项目的任何及所有组合。
40.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种高强度聚焦超声设备，包括时间同步控制器100、运动控制装置200、影像超声装置300和聚焦超声装置400，时间同步控制器100连接运动控制装置200、影像超声装置300和聚焦超声装置400；时间同步控制器100用于发送运动控制触发信号至运动控制装置200，发送聚焦超声触发信号至聚焦超声装置400，以及发送影像超声触发信号至影像超声装置300，其中，聚焦超声触发信号和影像超声触发信号的发送时间被设定为具有时间差，具体可保持固定的时间差；运动控制装置200用于在接收到运动控制触发信号时返回运动启动信号至时间同步控制器100，根据运动控制触发信号进行运动控制，在结束移动后返回运动结束信号至时间同步控制器100。聚焦超声装置400用于在接收到聚焦超声触发信号后返回射频能量启动信号至时间同步控制器100，根据聚焦超声触发信号进行聚焦控制，结束超声脉冲释放后返回射频能量结束信号至时间同步控制器100。影像超声装置300用于在接收到影像超声触发信号后返回超声图像采集启动信号至时间同步控制器100，根据影像超声触发信号进行影像采集控制，在结束影像采集后返回超声图像采集结束信号至时间同步控制器。
41.运动控制装置200在接收到运动控制触发信号时，带动聚焦超声装置400移动，以便对待处理对象内腔不同位置进行聚焦照射。当运动控制触发信号结束后，运动控制装置200停止运动。其中，通过对时间同步控制器100输出的运动控制触发信号进行设置，可使得运动控制装置200在工作周期内进行一次或多次运动。聚焦超声装置400在接收到聚焦超声触发信号时，释放高强度聚焦超声脉冲，对待处理对象内腔的待处理区域进行聚焦照射，形成局部的高强度聚焦超声能量以消融掉靶区组织。当聚焦超声触发信号结束后，聚焦超声装置400停止释放高强度聚焦超声脉冲。可通过对时间同步控制器100输出的聚焦超声触发信号进行设置，使得聚焦超声装置400在工作周期内进行一次或多次脉冲释放。影像超声装置300在接收到影像超声触发信号时对待处理对象内腔进行影像采集后上传，以便监控靶区情况。当影像超声触发信号结束时，影像超声装置300停止影像采集。同样的，可通过对时间同步控制器100输出的影像超声触发信号进行设置，使影像超声装置300在工作周期内进行一次或多次影像采集。
42.具体地，时间同步控制器100可以是按照两条时间序列对运动控制装置200、影像超声装置300和聚焦超声装置400进行同步控制。其中一条时间序列为：运动-发射能量-运动-发射能量
‑…
，循环往复，即依次输出运动控制触发信号和聚焦超声触发信号并进行循
环，控制聚焦超声装置400和运动控制装置200循坏执行操作，例如在一个工作周期内先控制聚焦超声装置400聚焦，再控制运动控制装置200移动，然后在下一个工作周期内继续先控制聚焦超声装置400聚焦，再控制运动控制装置200移动。另一条时间序列为：图像超声-图像超声-图像超声
‑…
，即持续循环输出影像超声触发信号，控制影像超声装置300执行操作。例如在一个工作周期控制影像超声装置300持续进行多次影像采集。其中，通过时间同步控制器100进行时间序列设置，使得聚焦超声装置400与影像超声装置300不同时工作，例如在工作周期开始时使聚焦超声装置400进行一次脉冲释放操作后，在本工作周期剩余时间中，控制运动控制装置200和影像超声装置300动作。利用时间同步控制器100同步控制运动控制装置200、影像超声装置300和聚焦超声装置400的工作，可以实现对待处理对象内腔的不同待处理区域分别进行超声脉冲处理和影像采集，方便进行统一管理，最大化的确保消融效率。
43.上述高强度聚焦超声设备，通过时间同步控制器100分别发送相应信号同步控制运动控制装置200、影像超声装置300和聚焦超声装置400的工作，并确保影像超声装置300和聚焦超声装置400不同时工作且保持固定的时间差，避免聚焦超声装置400的换能器影响影像超声装置300的监控效果。
44.在一个实施例中，如图2所示，影像超声装置300包括影像超声主机310和影像超声探头320，影像超声主机310连接时间同步控制器100和影像超声探头320。影像超声主机310接收时间同步控制器100发送的影像超声触发信号，并在接收到影像超声触发信号时控制影像超声探头320进行影像采集操作。
45.在一个实施例中，聚焦超声装置400包括射频能量源410和聚焦超声换能器420，射频能量源410连接时间同步控制器100和聚焦超声换能器420。射频能量源410接收时间同步控制器100发送的聚焦超声触发信号，并在接收到聚焦超声触发信号时释放一次高强度聚焦超声脉冲。
46.在一个实施例中，运动控制装置200包括运动控制器210和运动机构220，运动控制器210连接时间同步控制器100和运动机构220，运动机构220用于控制聚焦超声换能器420移动。运动控制器210接收时间同步控制器100发送的运动控制触发信号，并在接收到运动控制触发信号时控制运动机构220带动聚焦超声换能器420进行一次移动。此外，还可将影像超声探头320与聚焦超声换能器420固定设置，则在聚焦超声换能器420移动时影像超声探头320跟随移动，更加方便影像超声探头320对聚焦超声换能器420的作用靶区进行影像采集。
47.进一步地，在一个实施例中，射频能量源410根据聚焦超声触发信号，控制聚焦超声换能器420在工作周期内释放一次高强度聚焦超声脉冲；运动控制器210根据运动控制触发信号，控制运动机构220带动聚焦超声换能器420在工作周期内进行一次移动；影像超声主机310根据影像超声触发信号，控制影像超声探头320在工作周期内进行两次以上的影像采集。
48.具体地，在一个工作周期内控制聚焦超声换能器420释放一次高强度聚焦超声脉冲后，控制运动机构220进行一次移动，以便对下一个待处理区域释放超声脉冲。由于传统方案在一个工作周期内，可能控制聚焦超声换能器420释放一次高强度聚焦超声脉冲，仅对一个待处理区域进行照射，照射结束后，工作周期内的剩余时间全部用于休息。而在本实施
例中，通过运动控制器210根据运动控制触发信号，控制运动机构220带动聚焦超声换能器420在工作周期内进行移动，移动至另一个待处理区域进行照射，实现了在一个工作周期内对待处理对象内腔的不同待处理区域分别进行超声脉冲处理和影像采集，大大缩短了多个待处理区域的处理总时间，提高了工作效率。
49.在聚焦超声换能器420释放高强度聚焦超声脉冲后，在本工作周期内控制影像超声探头320进行多次影像采集，例如进行三次影像采集。影像超声探头320进行影像采集的时间可以与运动机构220的移动时间重合，也可以与运动机构220的移动时间不重合。
50.具体地，在一个实施例中，如图2和3所示，射频能量源410在接收到聚焦超声触发信号后返回射频能量启动信号至时间同步控制器100，并控制聚焦超声换能器420释放超声脉冲，结束超声脉冲释放后还返回射频能量结束信号至时间同步控制器100。运动控制器210在接收到运动控制触发信号时返回运动启动信号至时间同步控制器100，并控制运动机构220进行移动，在结束移动后返回运动结束信号至时间同步控制器100。影像超声主机310在接收到影像超声触发信号后返回超声图像采集启动信号至时间同步控制器100，并控制影像超声探头320进行影像采集，在结束影像采集后返回超声图像采集结束信号至时间同步控制器100。
51.本实施例中，射频能量源410、运动控制器210和影像超声主机310在执行相应操作前后，还分别发送对应的启动信号和结束信号至时间同步控制器100，以便时间同步控制器100获知射频能量源410、运动控制器210和影像超声主机310的工作状态。
52.可以理解，聚焦超声触发信号、运动控制触发信号和影像超声触发信号的具体时长，以及信号之间的时间间隔都不是唯一的。在一个实施例中，影像超声触发信号的持续时间指影像超声采集一帧图像的时间，为0.1-10.0ms，具体可设置为1ms，帧率为20～50hz。进一步地，在一个实施例中，聚焦超声触发信号的持续时间指释放一次高强度聚焦超声脉冲的时间，为1～20ms；运动控制触发信号的持续时间指进行一次移动的时间，为20～500ms。
53.在一个实施例中，两次聚焦超声触发信号之间的时间间隔为50～500ms。此外，在一个实施例中，影像超声触发信号的起始时间，与聚焦超声触发信号的起始时间的时间间隔为5ms。具体地，从上一工作周期的最后一个影像超声触发信号的起始时间，到当前工作周期的聚焦超声触发信号的起始时间的时间间隔为5ms。
54.在一个实施例中，高强度聚焦超声设备还可包括上位机，上位机具体可采用计算机。上位机连接时间同步控制器100，可通过上位机对时间同步控制器100进行参数设置，例如设置时间同步控制器100发送的相关信号等。进一步地，上位机还可连接运动控制器210，对运动控制器210运行参数设置，例如设置运动控制器210在一个工作周期内控制运动机构220的具体移动幅度等。此外，上位机还可连接影像超声主机310，通过影像超声主机310接收影像超声探头320采集的数据上传至上位机进行保存或显示。
55.在一个实施例中，在影像超声装置300处于具有观测兴趣区的影像超声模式时，时间同步控制器100还用于对聚焦超声触发信号和影像超声触发信号的发送时间的时间差进行调整，以使高强度聚焦超声脉冲在超声图像中的显示位置位于观测兴趣区以外。
56.其中，影像超声装置300具备有多种影像超声模式，例如普通b模式、彩色多普勒模式、以及弹性成像模式等。可以理解，在上述不同的影像超声模式下，影像超声装置300根据影像超声触发信号采集得到的超声图像可获得的观测信息不同。例如，在影像超声装置300
处于普通的b模式时，超声图像的成像色彩单一且获得的信息有限，仅为直观的颜色改变，为了确定组织的改变情况可能还需进一步人为判断。在影像超声装置300处于彩色多普勒模式时，超声图像可实现观测高强度聚焦超声脉冲所治疗的器官中危险区域的血管或肿瘤变化，且可利用彩色对治疗区域的组织移动变化进行显示。而在影像超声装置300处于弹性成像模式时，超声图像可实现观测高强度聚焦超声脉冲所治疗的区域内的组织刚性变化，来判断治疗是否成功。
57.此外，影像超声装置300的不同的影像超声模式的切换可根据本领域技术人员常用的方式进行切换，例如，影像超声主机310可根据用户选择的影像超声模式，进而调整影像超声探头320的探头扫描参数(例如频率或波束合成方法)以及影像超声主机310内部的算法，实现影像超声装置300的不同的影像超声模式的切换，不在此赘述。
58.可以理解，为了实现准确的治疗过程的监控，需要在高强度聚焦超声脉冲发射以后，一段准确的时间内采集超声图像。在时间同步控制器100同步控制运动控制装置200、影像超声装置300和聚焦超声装置400的工作时，高强度聚焦超声脉冲也可能显示在影像超声装置300采集的超声图像中，如图4所示。但在影像超声装置300处于具有观测兴趣区的影像超声模式时，由于观测兴趣区的观测信息较为敏感，高强度聚焦超声脉冲可能对其造成波纹干扰，导致观测兴趣区的超声图像失真，如图5所示。故在影像超声装置300处于具有观测兴趣区的影像超声模式时，需控制高强度聚焦超声脉冲在超声图像中的显示位置位于观测兴趣区以外，以避免高强度聚焦超声脉冲造成的波纹干扰，如图6与图7所示。
59.具体地，影像超声装置300的具有观测兴趣区的影像超声模式，可以是彩色多普勒模式，也可以是弹性成像模式。时间同步控制器100还用于对聚焦超声触发信号和影像超声触发信号的发送时间的时间差进行调整，以使高强度聚焦超声脉冲在超声图像中的显示位置位于观测兴趣区以外。其中，对聚焦超声触发信号和影像超声触发信号的发送时间的时间差进行调整的方式可根据实际情况确定，例如在一种实施例中，为保证实时监控，时间同步控制器100将发送实时的影像超声触发信号至影像超声主机310处，再根据观测兴趣区的实际位置调整时间差，提前或延后聚焦超声触发信号的释放，以使高强度聚焦超声脉冲在超声图像中的显示位置位于观测兴趣区以外。在另一种实施例中，为控制治疗效果，时间同步控制器100将根据设定的频率发送聚焦超声触发信号至射频能量源410，再根据观测兴趣区的实际位置调整时间差，即提前或延后影像超声触发信号。
60.在一个实施例中，还提供了一种高强度聚焦超声设备的同步控制方法，基于上述的高强度聚焦超声设备实现，包括以下步骤：
61.发送聚焦超声触发信号至聚焦超声装置，聚焦超声触发信号用于聚焦超声装置进行聚焦控制；聚焦超声装置在接收到聚焦超声触发信号后返回射频能量启动信号至时间同步控制器，根据聚焦超声触发信号进行聚焦控制，结束超声脉冲释放后返回射频能量结束信号至时间同步控制器。
62.发送运动控制触发信号至运动控制装置，运动控制触发信号用于运动控制装置进行运动控制；运动控制装置在接收到运动控制触发信号时返回运动启动信号至时间同步控制器，根据运动控制触发信号进行运动控制，在结束移动后返回运动结束信号至时间同步控制器。
63.发送影像超声触发信号至影像超声装置，影像超声触发信号用于影像超声装置进
行影像采集控制；其中，聚焦超声触发信号和影像超声触发信号的发送时间被设定为具有时间差，具体可保持固定的时间差；影像超声装置在接收到影像超声触发信号后返回超声图像采集启动信号至时间同步控制器，根据影像超声触发信号进行影像采集控制，在结束影像采集后返回超声图像采集结束信号至时间同步控制器。
64.具体地，时间同步控制器可以是按照两条时间序列对运动控制装置、影像超声装置和聚焦超声装置进行同步控制。其中一条时间序列为：运动-发射能量-运动-发射能量
‑…
，循环往复，即依次输出运动控制触发信号和聚焦超声触发信号并进行循环，控制聚焦超声装置和运动控制装置循环执行操作，例如在一个工作周期内先控制聚焦超声装置聚焦，再控制运动控制装置移动，然后在下一个工作周期内继续先控制聚焦超声装置聚焦，再控制运动控制装置移动。另一条时间序列为：图像超声-图像超声-图像超声
‑…
，即持续循环输出影像超声触发信号，控制影像超声装置执行操作。例如在一个工作周期控制影像超声装置持续进行多次影像采集。其中，通过时间同步控制器进行时间序列设置，使得聚焦超声装置与影像超声装置不同时工作，例如在工作周期开始时使聚焦超声装置进行一次脉冲释放操作后，在本工作周期剩余时间中，控制运动控制装置和影像超声装置动作。利用时间同步控制器同步控制运动控制装置、影像超声装置和聚焦超声装置的工作，可以实现对待处理对象内腔的不同待处理区域分别进行超声脉冲处理和影像采集，方便进行统一管理，最大化的确保消融效率。
65.在一个实施例中，影像超声装置包括影像超声主机和影像超声探头，影像超声主机连接时间同步控制器和影像超声探头。影像超声主机接收时间同步控制器发送的影像超声触发信号，并在接收到影像超声触发信号时控制影像超声探头进行影像采集操作。
66.在一个实施例中，聚焦超声装置包括射频能量源和聚焦超声换能器，射频能量源连接时间同步控制器和聚焦超声换能器。射频能量源接收时间同步控制器发送的聚焦超声触发信号，并在接收到聚焦超声触发信号时释放一次高强度聚焦超声脉冲。
67.在一个实施例中，运动控制装置包括运动控制器和运动机构，运动控制器连接时间同步控制器和运动机构，运动机构用于控制聚焦超声换能器移动。运动控制器接收时间同步控制器发送的运动控制触发信号，并在接收到运动控制触发信号时控制运动机构带动聚焦超声换能器进行一次移动。此外，还可将影像超声探头与聚焦超声换能器固定设置，则在聚焦超声换能器移动时影像超声探头跟随移动，更加方便影像超声探头对聚焦超声换能器的作用靶区进行影像采集。
68.进一步地，在一个实施例中，射频能量源根据聚焦超声触发信号，控制聚焦超声换能器在工作周期内释放一次高强度聚焦超声脉冲；运动控制器根据运动控制触发信号，控制运动机构带动聚焦超声换能器在工作周期内进行一次移动；影像超声主机根据影像超声触发信号，控制影像超声探头在工作周期内进行两次以上的影像采集。具体地，在一个工作周期内控制聚焦超声换能器释放一次高强度聚焦超声脉冲后，控制运动机构进行一次移动，以便对下一个待处理区域释放超声脉冲。在聚焦超声换能器释放高强度聚焦超声脉冲后，在本工作周期内控制影像超声探头进行多次影像采集，例如进行三次影像采集。影像超声探头进行影像采集的时间可以与运动机构的移动时间重合，也可以与运动机构的移动时间不重合。
69.具体地，在一个实施例中，射频能量源在接收到聚焦超声触发信号后返回射频能
量启动信号至时间同步控制器，并控制聚焦超声换能器释放超声脉冲，结束超声脉冲释放后还返回射频能量结束信号至时间同步控制器。运动控制器在接收到运动控制触发信号时返回运动启动信号至时间同步控制器，并控制运动机构进行移动，在结束移动后返回运动结束信号至时间同步控制器。影像超声主机在接收到影像超声触发信号后返回超声图像采集启动信号至时间同步控制器，并控制影像超声探头进行影像采集，在结束影像采集后返回超声图像采集结束信号至时间同步控制器。
70.本实施例中，射频能量源、运动控制器和影像超声主机在执行相应操作前后，还分别发送对应的启动信号和结束信号至时间同步控制器，以便时间同步控制器获知射频能量源、运动控制器和影像超声主机的工作状态。
71.可以理解，聚焦超声触发信号、运动控制触发信号和影像超声触发信号的具体时长，以及信号之间的时间间隔都不是唯一的。在一个实施例中，影像超声触发信号的持续时间指影像超声采集一帧图像的时间，为0.1-10.0ms，帧率为20～50hz。进一步地，在一个实施例中，聚焦超声触发信号的持续时间指释放一次高强度聚焦超声脉冲的时间，为1～20ms；运动控制触发信号的持续时间指进行一次移动的时间，为20～500ms。
72.在一个实施例中，两次聚焦超声触发信号之间的时间间隔为50～500ms。此外，在一个实施例中，影像超声触发信号的起始时间，与聚焦超声触发信号的起始时间的时间间隔为5ms。具体地，从上一工作周期的最后一个影像超声触发信号的起始时间，到当前工作周期的聚焦超声触发信号的起始时间的时间间隔为5ms。
73.上述高强度聚焦超声设备的同步控制方法，通过分别发送相应信号同步控制运动控制装置、影像超声装置和聚焦超声装置的工作，并确保影像超声装置和聚焦超声装置不同时工作且保持固定的时间差，避免聚焦超声装置的换能器影响影像超声装置300的监控效果。
74.在一个实施例中，高强度聚焦超声设备的同步控制方法还包括：获取影像超声装置的影像超声模式；在影像超声装置的影像超声模式处于具有观测兴趣区的影像超声模式时，调整聚焦超声触发信号和影像超声触发信号的发送时间的时间差，以使高强度聚焦超声脉冲在超声图像中的显示位置位于观测兴趣区以外。
75.其中，影像超声装置300具备有多种影像超声模式，例如普通b模式、彩色多普勒模式、以及弹性成像模式等。可以理解，在上述不同的影像超声模式下，影像超声装置300根据影像超声触发信号采集得到的超声图像可获得的观测信息不同。例如，在影像超声装置300处于普通的b模式时，超声图像的成像色彩单一且获得的信息有限，仅为直观的颜色改变，为了确定组织的改变情况可能还需进一步人为判断。在影像超声装置300处于彩色多普勒模式时，超声图像可实现观测高强度聚焦超声脉冲所治疗的器官中危险区域的血管或肿瘤变化，且可利用彩色对治疗区域的组织移动变化进行显示。而在影像超声装置300处于弹性成像模式时，超声图像可实现观测高强度聚焦超声脉冲所治疗的区域内的组织刚性变化，来判断治疗是否成功。
76.此外，影像超声装置300的不同的影像超声模式的切换可根据本领域技术人员常用的方式进行切换，例如，影像超声主机310可根据用户选择的影像超声模式，进而调整影像超声探头320的探头扫描参数(例如频率或波束合成方法)以及影像超声主机310内部的算法，实现影像超声装置300的不同的影像超声模式的切换，不在此赘述。
77.可以理解，为了实现准确的治疗过程的监控，需要在高强度聚焦超声脉冲发射以后，一段准确的时间内采集超声图像。因此，在时间同步控制器100同步控制运动控制装置200、影像超声装置300和聚焦超声装置400的工作时，高强度聚焦超声脉冲也可能显示在影像超声装置300采集的超声图像中，如图4所示。但在影像超声装置300处于具有观测兴趣区的影像超声模式时，由于观测兴趣区的观测信息较为敏感，高强度聚焦超声脉冲可能对其造成波纹干扰，导致观测兴趣区的超声图像失真。故在影像超声装置300处于具有观测兴趣区的影像超声模式时，需控制高强度聚焦超声脉冲在超声图像中的显示位置位于观测兴趣区以外，如图5所示，以避免高强度聚焦超声脉冲造成的波纹干扰。
78.具体地，时间同步控制器100获取的影像超声装置300具有观测兴趣区的影像超声模式，可以是彩色多普勒模式，也可以是弹性成像模式。进而时间同步控制器100还用于对聚焦超声触发信号和影像超声触发信号的发送时间的时间差进行调整，以使高强度聚焦超声脉冲在超声图像中的显示位置位于观测兴趣区以外。其中，对聚焦超声触发信号和影像超声触发信号的发送时间的时间差进行调整的方式可根据实际情况确定，例如在一种实施例中，为保证实时监控，时间同步控制器100将发送实时的影像超声触发信号至影像超声主机310处，再根据观测兴趣区的实际位置调整时间差，提前或延后聚焦超声触发信号的释放，以使高强度聚焦超声脉冲在超声图像中的显示位置位于观测兴趣区以外。在另一种实施例中，为控制治疗效果，时间同步控制器100将根据设定的频率发送聚焦超声触发信号至射频能量源410，再根据观测兴趣区的实际位置调整时间差，即提前或延后影像超声触发信号。
79.为便于更好地理解上述高强度聚焦超声设备及其同步控制方法，下面结合具体实施例进行详细解释说明。
80.高强度聚焦超声技术具有无创性、有效性、安全性等特点。例如，高能聚焦超声热疗技术是一种可迅速增加焦点区域组织的温度，使组织产生热凝损伤的治疗方法。经过高能聚焦超声的热疗技术治疗后，组织将被热凝并留存在远处，并在治疗后数月甚至数年的时间内被缓慢吸收。这种方法利用的是高能聚焦超声的热效应，来达到体外靶向治疗的方法。
81.此外，高能聚焦超声也可以对目标组织产生机械损伤。具体的，这种技术可迅速使焦点区域的液体沸腾，沸腾作用带来的气泡爆破可以在目标区域将组织击碎、撕裂。在良好的控制条件下，该区域的组织将被打碎直到不再存在完整的细胞。经过该技术作用后的目标区域的组织将变成一种乳状的液体，故该过程亦可成为组织乳化。对于某些治疗应用中，组织乳化可能比热损伤更有利，因为与热凝的固体体积相比，组织乳化产生的液化体积更容易、快速地被清除或人体吸收。
82.其中，焦点的移动可以通过两种方式实现：1.相控阵换能器可以通过更改各个通道相位解决；2.单通道的换能器可以通过整个换能器的移动来实现。相对第二种方法，第一种方法可以实现更加高速的运动，但是其精度较差，容易受到环境、声波传输过程中的折射与反射的干扰，相控阵换能器对于设备的要求更高，换能器的单位输出能量更低。此外，对于相控阵换能器，在位置与焦点位置确定时，超声波的传输轨迹无法再进行改变。而第二种方法的缺点则是，其焦点运动需要外部机构的配合。
83.为了保证安全性，能量脉冲之间必须保证一个周期不可以短于固定的时间间隔。
当时间短于预订时间间隔时，系统将会等待一定的时间直到脉冲之间的时间间隔符合需求。此外，使用硬件移动换能器的系统下，可以使用更高自由度(四自由度以上)的机器人，使得系统移动换能器焦点的同时，改变超声波的传输路径，使得高能聚焦超声的副作用更小，并在一些特殊的位置(如骨骼遮挡的情况下)实现路径优化。
84.为了实现准确的治疗过程的监控，需要在高能聚焦超声能量发射以后，一段准确的时间内采集超声图像。若该时间间隔太小，则高能聚焦超声的成像将受到波纹干扰。若时间间隔过大，则无法捕捉到空化效应产生的空化气泡簇，使得图像超声难以实现准确地监控。为了实现安全、有效的能量、运动控制与兼顾治疗所需的监控的前提下，将效率提高至最大。需要将高能聚焦超声与运动控制器之间的同步控制在1ms以内。
85.基于此，本技术提供的一种高强度聚焦超声设备及其同步控制方法，其中高强度聚焦超声设备如图2所示，利用运动机构移动换能器进行高速地移动，利用时间同步控制器，实时控制运动控制器、图像超声、能量超声之间的相对时间来获取良好监控效果的前提下的最大的消融效率。
86.时间同步控制器进行同步控制的时间序列有两条：
87.a:运动-发射能量-运动-发射能量
‑…
(循环往复，10hz左右)；
88.b:图像超声-图像超声-图像超声
‑…
(40hz左右)。
89.一般的系统里面，这两条时间序列是相互独立的，所以存在一定的情况即能量超声和图像超声同时启动，导致图像受到干扰。本技术则是协调这三者的时间来兼顾图像的独立性以及运动、消融的效率。如图3所示为高强度聚焦超声设备的时序控制示意图，图像序列采集时间约1ms，图像采集频率约20～50hz。射频能量脉冲时间为1～20ms不等；运动时间为20～500ms不等。工作周期(两次能量脉冲之间的时间)与能量相关，控制在50～500ms不等；图像超声启动信号到射频能量启动信号之间的时间间隔，应控制在5ms左右，按照实际情况进行调试。
90.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
91.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种高强度聚焦超声设备，其特征在于，包括时间同步控制器、运动控制装置、影像超声装置和聚焦超声装置，所述时间同步控制器连接所述运动控制装置、所述影像超声装置和所述聚焦超声装置；所述时间同步控制器用于发送运动控制触发信号至所述运动控制装置，发送聚焦超声触发信号至所述聚焦超声装置，以及发送影像超声触发信号至所述影像超声装置，其中，所述聚焦超声触发信号和所述影像超声触发信号的发送时间被设定为具有时间差；所述运动控制装置用于在接收到所述运动控制触发信号时返回运动启动信号至所述时间同步控制器，根据所述运动控制触发信号进行运动控制，在结束移动后返回运动结束信号至所述时间同步控制器；所述聚焦超声装置用于在接收到所述聚焦超声触发信号后返回射频能量启动信号至所述时间同步控制器，根据所述聚焦超声触发信号进行聚焦控制，结束超声脉冲释放后返回射频能量结束信号至所述时间同步控制器；所述影像超声装置用于在接收到影像超声触发信号后返回超声图像采集启动信号至所述时间同步控制器，根据所述影像超声触发信号进行影像采集控制，在结束影像采集后返回超声图像采集结束信号至所述时间同步控制器。2.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声设备，其特征在于，在所述影像超声装置处于具有观测兴趣区的影像超声模式时，所述时间同步控制器还用于对所述聚焦超声触发信号和所述影像超声触发信号的发送时间的时间差进行调整，以使高强度聚焦超声脉冲在超声图像中的显示位置位于所述观测兴趣区以外。3.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声设备，其特征在于，所述影像超声装置包括影像超声主机和影像超声探头，所述影像超声主机连接所述时间同步控制器和所述影像超声探头。4.根据权利要求3所述的高强度聚焦超声设备，其特征在于，所述聚焦超声装置包括射频能量源和聚焦超声换能器，所述射频能量源连接所述时间同步控制器和所述聚焦超声换能器。5.根据权利要求4所述的高强度聚焦超声设备，其特征在于，所述运动控制装置包括运动控制器和运动机构，所述运动控制器连接所述时间同步控制器和所述运动机构，所述运动机构用于控制所述聚焦超声换能器移动。6.根据权利要求5所述的高强度聚焦超声设备，其特征在于，所述射频能量源根据所述聚焦超声触发信号，控制所述聚焦超声换能器在工作周期内释放一次高强度聚焦超声脉冲；所述运动控制器根据所述运动控制触发信号，控制所述运动机构带动所述聚焦超声换能器在工作周期内进行一次移动；所述影像超声主机根据所述影像超声触发信号，控制所述影像超声探头在工作周期内进行两次以上的影像采集。7.根据权利要求1-6任意一项所述的高强度聚焦超声设备，其特征在于，所述影像超声触发信号的持续时间指影像超声采集一帧图像的时间，为0.1-10.0ms，帧率为20～50hz。8.根据权利要求1-6任意一项所述的高强度聚焦超声设备，其特征在于，所述聚焦超声触发信号的持续时间指释放一次高强度聚焦超声脉冲的时间，为1～20ms；所述运动控制触发信号的持续时间指进行一次移动的时间，为20～500ms。9.根据权利要求1-6任意一项所述的高强度聚焦超声设备，其特征在于，两次所述聚焦
超声触发信号之间的时间间隔为50～500ms。10.根据权利要求1-6任意一项所述的高强度聚焦超声设备，其特征在于，所述影像超声触发信号的起始时间，与所述聚焦超声触发信号的起始时间的时间间隔为5ms。11.一种高强度聚焦超声设备的同步控制方法，基于权利要求1-10任意一项所述的高强度聚焦超声设备实现，包括以下步骤：发送聚焦超声触发信号至聚焦超声装置，所述聚焦超声触发信号用于所述聚焦超声装置进行聚焦控制；所述聚焦超声装置在接收到所述聚焦超声触发信号后返回射频能量启动信号至所述时间同步控制器，根据所述聚焦超声触发信号进行聚焦控制，结束超声脉冲释放后返回射频能量结束信号至所述时间同步控制器；发送运动控制触发信号至运动控制装置，所述运动控制触发信号用于所述运动控制装置进行运动控制；所述运动控制装置在接收到所述运动控制触发信号时返回运动启动信号至所述时间同步控制器，根据所述运动控制触发信号进行运动控制，在结束移动后返回运动结束信号至所述时间同步控制器；发送影像超声触发信号至影像超声装置，所述影像超声触发信号用于所述影像超声装置进行影像采集控制；其中，所述聚焦超声触发信号和所述影像超声触发信号的发送时间被设定为具有时间差；所述影像超声装置在接收到影像超声触发信号后返回超声图像采集启动信号至所述时间同步控制器，根据所述影像超声触发信号进行影像采集控制，在结束影像采集后返回超声图像采集结束信号至所述时间同步控制器。12.根据权利要求11所述的高强度聚焦超声设备的同步控制方法，其特征在于，所述方法还包括：获取所述影像超声装置的影像超声模式；在所述影像超声装置的影像超声模式处于具有观测兴趣区的影像超声模式时，调整所述聚焦超声触发信号和所述影像超声触发信号的发送时间的时间差，以使高强度聚焦超声脉冲在超声图像中的显示位置位于所述观测兴趣区以外。

技术总结
本申请涉及一种高强度聚焦超声设备及其同步控制方法，该设备包括时间同步控制器、运动控制装置、影像超声装置和聚焦超声装置，时间同步控制器用于发送运动控制触发信号至运动控制装置，发送聚焦超声触发信号至聚焦超声装置，以及发送影像超声触发信号至影像超声装置，其中，聚焦超声触发信号和影像超声触发信号的发送时间被设定为具有时间差；运动控制装置用于根据运动控制触发信号进行运动控制，聚焦超声装置用于根据聚焦超声触发信号进行聚焦控制，影像超声装置用于根据影像超声触发信号进行影像采集控制。通过确保影像超声装置和聚焦超声装置不同时工作，避免聚焦超声装置的换能器影响影像超声装置在兴趣区的监控效果。换能器影响影像超声装置在兴趣区的监控效果。换能器影响影像超声装置在兴趣区的监控效果。


技术研发人员：高晓彬 李焕 袁进强 魏可欣 张湘敏 周佳
受保护的技术使用者：深圳市奥昇医疗科技有限责任公司
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/8/14