基于256阵元半球形相控阵超声换能器的焦域调控方法

摘要

本发明公开了一种基于256阵元半球形相控阵超声换能器的焦域调控方法，包括以下步骤：S1：在刚性半球体上随机设计第一个阵元中心坐标位置；S2：在相邻阵元中心间距不小于18mm的条件下，选取最近阵元作为下一阵元中心坐标位置，然后按上述步骤依次设计其他各阵元，直至阵元数为256个；S3：激励全部256个阵元经颅聚焦，数值仿真其在三维空间x、y和z方向形成的温度场，确定换能器的安全可调控范围；S4：选取换能器的部分阵元激励，使换能器的安全可调控聚焦范围扩大。本发明避免了经颅脑神经系统疾病治疗过程中出现的颅骨烫伤，且在大开口半球形换能器中实现了小开口非半球形换能器聚焦，扩大了焦域调控范围，提高了换能器的经颅聚焦性能。

说明书

技术领域

本发明涉及高强度聚焦超声技术领域，具体是一种基于256阵元半球形相控阵超声换能器的焦域调控方法。

背景技术

脑肿瘤为脑神经系统疾病之一，现已成为危害人类生命健康的重大疾病，常规的外科手术切除、放射治疗和化学药物治疗等临床治疗手段存在风险大、副作用大且由于血脑屏障使大分子药物无法进入脑组织等不足之处，癫痫、神经痛和震颤等神经系统疾病同样存在外科手术的风险，而具有非侵入性和可重复施治等特点的高强度聚焦超声(HIFU)是具有脑神经系统疾病临床治疗应用前景的技术之一。HIFU经颅治疗这些疾病的过程中，由于颅骨与周围脑组织声学特性差异较大，声波在经颅传播时易发生相位畸变和幅值衰减，从而出现颅骨处能量沉积而损伤颅骨及周边组织、焦域处能量不足而无法致死病变组织等问题，半球形相控换能器能够最大化覆盖颅骨表面，降低颅骨单位面积上的能量，从而避免颅骨处能量沉积，提升焦域处温升，使脑神经系统疾病治疗成为可能。但由于其焦域可调控范围较小，目前在HIFU经颅治疗脑神经系统疾病的应用中受到了限制。非半球形凹球面换能器的焦域可调控范围较大，但当设定目标焦点位置距颅骨外表面越来越近时，颅骨内的声能量累积越来越多，易造成颅骨及其周边软组织热损伤。随着相控聚焦调控换能器技术的进步，经颅HIFU脑神经系统疾病治疗的研究正在向更加深入的方向发展。如果将半球形多阵元相控换能器的激励阵元按照不同位置进行选择，可实现半球形与非半球形换能器优势的互补，有利于早日实现无创、精准、有效的HIFU经颅脑神经系统疾病治疗。

2004年Concor等利用开口半径150mm的500阵元半球形相控换能器经颅聚焦，结果表明，大开口半球形相控换能器凭借其几何结构能够使颅骨中的热沉积减小，并在颅内形成可治疗焦域。2011年Pinton等利用开口直径150mm的512阵元相控换能器经颅聚焦，结果表明，颅内浅表脑组织内形成的可治疗焦域体积远远小于深部脑组织内的焦域体积。2012年Jeanmomod等利用半球形相控换能器对12位慢性神经痛患者进行临床治疗试验，结果表明大部分患者得到了缓解。2012年Leduc等采用开口直径60mm的227阵元小开口换能器进行HIFU经颅聚焦，结果显示，颅骨处有大量声能量沉积。2013年Elisa等利用半球形相控换能器对震颤患者进行治疗，结果显示患者丘脑部分产生了热损伤，震颤得到缓解。2014年丁鑫等利用开口直径100mm的凹球面相控换能器在距颅骨表面25mm处形成了可治疗焦域。上述专家对半球形和非半球形相控换能器进行了研究，但并未涉及本发明中的开口直径300mm的256阵元随机分布半球形相控换能器，且未明确半球形换能器的经颅安全可治疗范围。另外，通过选取部分激励阵元在半球形换能器上实现非半球形换能器聚焦的方法也未曾有过研究。

发明内容

本发明就是为了解决上述现有技术中存在的问题，所提供的一种基于256阵元半球形相控阵超声换能器的焦域调控方法。

本发明是按照以下技术方案实现的。

一种基于256阵元半球形相控阵超声换能器的焦域调控方法，包括以下步骤：

S1：在256阵元半球形相控阵超声换能器上按以下公式随机设计第一个阵元中心坐标位置，

θ(i)＝π·rand(1,1)………………………………………………(1)，

z(i)＝R_o·cos(θ(i))………………………………………………(5)，

其中，θ(i)为球面上一点i和球心的连线与z轴正方向的夹角，为球面上一点i在xoy平面上的投影点i’和球心的连线沿顺时针旋转直至与正x轴重合转过的角度，R_o为半球形换能器的开口半径，x(i)、y(i)和z(i)分别为球面上一点i的三维直角坐标；

S2：在相邻阵元中心间距不小于18mm的条件下，选取最近阵元作为下一阵元中心坐标位置，然后按步骤S1中公式(1)-(5)依次设计其它各阵元，直至阵元数为256个；

S3：激励全部256个阵元经颅聚焦，激励信号为

其中，为阵元i的初始相位，P₀为换能器输入声压幅值，数值仿真其在三维空间x、y和z方向形成的温度场，确定换能器的安全调控范围；

S4：选取换能器的部分阵元激励，在η倍输入功率的条件下经颅聚焦，激励信号为

调控换能器的安全聚焦范围。

进一步的，所述256阵元半球形相控阵超声换能器包括一个刚性半球体和256个随机嵌在刚性半球体上的阵元，所述刚性半球体上形成有用于镶嵌阵元的圆形小孔。

进一步的，所述刚性半球体的开口直径为300mm，曲率半径为150mm，曲率半径与开口直径之比F值为1.0。

进一步的，所述256阵元半球形相控阵超声换能器的阵元数为256个，激励面积比(激励阵元面积与换能器表面面积之比)为41％。

进一步的，所述256阵元半球形相控阵超声换能器各个阵元相位信号独立可调，阵元激励信号频率一致，均为0.7MHz。

进一步的，当激励部分阵元时，只需在全部阵元中选取接近换能器基底中心的部分阵元激励，且总输入功率是激励全部阵元时的η倍。

本发明获得了如下的有益效果。

a.本发明的256阵元半球形相控阵超声换能器能够最大化覆盖颅骨表面，降低颅骨单位面积上的超声能量，有效降低颅骨处能量沉积。

b.本发明的256阵元半球形相控阵超声换能器各个阵元相位信号独立可调，其全部激励阵元调控方法能够实现三维可调控聚焦，有利于实现不同位置脑肿瘤及其它神经系统疾病的治疗。

c.本发明的基于256阵元半球形相控阵超声换能器的焦域调控方法能够在半球形相控换能器上实现非半球形换能器聚焦，实现了半球形及非半球形换能器的优势互补。

d.本发明的基于256阵元半球形相控阵超声换能器的焦域调控方法扩大了换能器的经颅安全可治疗范围，提高了半球形换能器的经颅聚焦性能。

e.本发明的基于256阵元半球形相控阵超声换能器的焦域调控方法既能实现脑深部聚焦，又能在较浅表处聚焦，使任意位置的脑神经系统疾病治疗成为可能。

附图说明

图1是本发明256阵元半球形相控阵超声换能器的结构示意图；

图2是本发明256阵元半球形相控阵超声换能器经颅聚焦的数值仿真模型图；

图3是本发明激励256阵元半球形相控阵超声换能器全部阵元沿声轴x方向变焦在x-y平面上经颅聚焦的温度场分布图；

图4是本发明激励256阵元半球形相控阵超声换能器全部阵元沿声轴x方向变焦经颅聚焦声轴上的温度分布曲线图；

图5是本发明激励256阵元半球形相控阵超声换能器全部阵元沿y轴方向变焦在x-y平面上经颅聚焦的温度场分布及其y轴温度分布曲线图；

图6是本发明激励256阵元半球形相控阵超声换能器全部阵元沿z轴方向变焦在x-z平面上经颅聚焦的温度场分布及其z轴温度分布曲线图；

图7是本发明激励256阵元半球形相控阵超声换能器的45阵元沿声轴x方向变焦在x-y平面上经颅聚焦的温度分布及其声轴温度分布曲线图；

图8是本发明激励256阵元半球形相控阵超声换能器的45阵元沿y轴方向偏离声轴x轴6mm处经颅聚焦的温度分布及其声轴温度分布曲线图；

图9是本发明激励256阵元半球形相控阵超声换能器的45阵元沿z轴方向偏离声轴x轴6mm处经颅聚焦的温度分布及其声轴温度分布曲线图；

图10是本发明激励256阵元半球形相控阵超声换能器的48阵元沿声轴x方向变焦在x-y平面上经颅聚焦的温度分布及其声轴温度分布曲线图；

图11是本发明激励256阵元半球形相控阵超声换能器的48阵元沿y轴方向偏离声轴x轴经颅聚焦的温度分布及其声轴温度分布曲线图；

图12是本发明激励256阵元半球形相控阵超声换能器的48阵元沿z轴方向偏离声轴x轴经颅聚焦的温度分布及其声轴温度分布曲线图；

图13是本发明方法的流程图。

其中：1.刚性半球体

2.阵元

3.水

4.人体头颅CT三维重建数据模型

Φ.换能器开口直径。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

S1：在刚性半球体上按公式(1)θ(i)＝π·rand(1,1)、(2)(3)(4)和(5)z(i)＝R_o·cos(θ(i))随机产生第一个阵元中心坐标位置(2.07,125.75,144.64)。

S2：在相邻阵元中心间距不小于18mm的条件下，选取最近阵元作为下一阵元中心坐标位置，然后按上述公式(1)-(5)依次生成其它各阵元，直至阵元数为256个，图1为256阵元半球形相控阵超声换能器的结构示意图。

S3：激励换能器全部256个阵元经颅聚焦，激励信号为公式(6)在激励频率为0.7MHz，输入功率为50W，辐照时间为10s的条件下，数值仿真其在三维空间x、y和z方向形成的温度场，确定换能器的安全可调控范围。图2为256阵元半球形相控换能器经颅聚焦的数值仿真模型图，由水、颅骨和脑组织构成。

S4：选取接近换能器基底中心的45个激励阵元，阵元序号如表1所示，在输入功率为100W的条件下经颅聚焦，激励信号为公式(7)调控换能器的安全聚焦范围。

表1选取的45个激励阵元编号

图3是激励半球形相控换能器全部阵元沿声轴x方向经颅聚焦的温度场分布图，图4是图3对应的声轴温度分布曲线图。图5是激励全部阵元沿y轴方向经颅聚焦的温度场分布及其y轴温度分布曲线图。图6是激励全部阵元沿z轴方向经颅聚焦的温度场分布及其z轴温度分布曲线图。由图3、图4、图5和图6可知，该256阵元半球形相控换能器声轴x轴方向的安全治疗范围为设定焦距150-168mm，y轴和z轴方向的安全聚焦范围为偏离声轴3mm。

图7是激励256阵元半球形相控换能器的45阵元沿声轴在(144,150,150)和(138,150,150)处经颅聚焦的温度分布及其声轴温度分布曲线图，由图7可知，通过激励45阵元聚焦，半球形相控换能器声轴x轴方向的安全治疗范围扩至138-168mm。

图8是激励45阵元沿y轴方向偏离声轴6mm在(150,144,150)处经颅聚焦的温度分布及其y轴温度分布曲线图。图9是激励45阵元沿z轴方向偏离声轴6mm在(150,150,144)处经颅聚焦的温度分布及其z轴温度分布曲线图。由图8、图9可知，通过激励45阵元经颅聚焦，半球形相控换能器y轴和z轴方向的安全调控范围均扩至偏离声轴6mm。

实施例2

基于256阵元半球形相控阵超声换能器的全部阵元焦域调控方法同实例1实施步骤S1-S3。部分阵元焦域调控方法实施步骤如下：

S4：在换能器四个象限中分别选取接近基底中心的12个激励阵元，阵元序号如表2所示，在输入功率为60W的条件下经颅聚焦，激励信号为公式(7)调控换能器的安全聚焦范围。

表2选取的48个激励阵元编号

图10是激励256阵元半球形相控换能器的48阵元沿声轴在(144,150,150)和(138,150,150)处经颅聚焦的温度分布及其声轴温度分布曲线图，由图10可知，通过激励48阵元聚焦，半球形相控换能器声轴x轴方向的安全治疗范围扩至138-168mm。

图11是激励48阵元沿y轴方向偏离声轴在(150,144,150)和(150,141,150)处经颅聚焦的温度分布及其y轴温度分布曲线图。图12是激励48阵元沿z轴方向偏离声轴在(150,150,144)和(150,150,141)处经颅聚焦的温度分布及其z轴温度分布曲线图。由图11、图12可知，通过激励48阵元经颅聚焦，半球形相控换能器y轴和z轴方向的安全调控范围均扩至偏离声轴9mm。

由实施例1-2可以得出如下结论：

a.本发明的256阵元半球形相控阵超声换能器能够最大化覆盖颅骨表面，降低颅骨单位面积上的超声能量，有效降低颅骨处能量沉积。在温度场分布中，颅骨处几乎无能量沉积，如图3所示。

b.本发明的256阵元半球形相控阵超声换能器各个阵元相位信号独立可调，其全部激励阵元调控方法能够实现三维可调控聚焦，如图4、图5和图6所示，有利于实现不同位置脑肿瘤的治疗。

c.本发明的基于256阵元半球形相控阵超声换能器的焦域调控方法能够在半球形相控换能器上实现非半球形换能器聚焦，如图7所示，实现了半球形和非半球形换能器的优势互补。

d.本发明的基于256阵元半球形相控阵超声换能器的焦域调控方法扩大了换能器的经颅安全可治疗范围，声轴方向上由150-168mm扩至138-168mm，y轴和z轴方向由偏离声轴3mm可扩至偏离声轴6mm和9mm，大大提高了半球形相控换能器的经颅聚焦性能。

e.本发明的基于256阵元半球形相控阵超声换能器的焦域调控方法既能实现脑深部聚焦(聚焦深度45mm)，又能在较浅表处聚焦(聚焦深度33mm)，使任意位置的脑神经系统疾病治疗成为可能。