一种平面型全电子聚焦HIFU相控阵及其测试系统

技术领域

本发明涉及超声聚焦技术领域，更具体的，涉及一种平面型全电子聚焦HIFU相控阵及其测试系统。

背景技术

高强度聚焦超声(HIFU)是一种蓬勃发展的微无创治疗方法，可用于治疗子宫肌瘤、前列腺癌、乳腺癌、肝癌、肾癌、胰腺癌和甲状腺癌、骨转移、原发性震颤和帕金森病等。典型的HIFU系统采用球形弯曲换能器/作为治疗头。如现有文献[王智彪.聚焦超声治疗技术在妇科领域的研究与应用[J].中华妇产科杂志,2006,41(009):638-640]、[Kennedy JE.High-Intensity Focused Ultrasound in the Treatment of Solid Tumours[J].Nature reviews.Cancer,2005,5(4):321-327]、[Martin E,Jeanmonod D,Morel A,etal.High-intensity focused ultrasound for noninvasive functional neurosurgery[J].Annals of Neurology,2009,66(6)]，这些文献公开了治疗头一般包含单个、数十个或数百个阵元，可以在几何焦点周围实现高能沉积。

然而文献[Haar D G T,Coussios C.High intensity focused ultrasound:Physical principles and devices[J].Int J Hyperthermia,2007,23(2):89-104]这种换能器在远离其几何焦点的区域不能很好的聚焦，需要机械平移来完成较大范围的焦点调控，从而导致治疗时间相对较长。为了缩短治疗时间，可采用单元间距不超过半个波长的平面型相控阵实现全电子式的大范围聚焦控制，其可行性已经得到验证。不过，这种具有不同焦点的平面阵列的聚焦超声场分布比具有固定几何焦点的球形换能器的空间聚焦超声场分布更为复杂，如文献[Ellens N P K,Lucht B B C,Gunaseelan S T,et al.A novel,flat,electronically-steered phased array transducer for tissue ablation:preliminary results[J].Physics in Medicine&Biology,2015,60(6):2195-215]。

因此，研究平面阵列的空间聚焦性能具有重要意义。

发明内容

本发明为了解决现有的平面阵列聚焦超声场效果不好的问题，提供了一种平面型全电子聚焦HIFU相控阵及其测试系统，其具有较好的全电子超声聚焦性能。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种平面型全电子聚焦HIFU相控阵，包括M个平面型模块，每个所述的平面型模块有N×N个正方形阵元，所述的相控阵的发射超声频率为f

优选地，所述的相控阵上的每个正方形阵元的发射声压为：

p

其中，p

进一步地，采用基于声线理论对每个正方形阵元进行相位补偿。

再进一步地，根据声线理论，计算每个正方形阵元的相位补偿为：

其中，ω

再进一步地，M为96个；所述的正方形阵元有8×8＝64个。

再进一步地，每个正方形阵元的尺寸为1.35×1.35mm

再进一步地，H为14.1mm，L为1.5mm。

一种测试系统，包括所述的平面型全电子聚焦HIFU相控阵、第一智能终端、控制系统、水槽、水听器、第二智能终端；

所述的水槽中装有水，所述的平面型全电子聚焦HIFU相控阵安装在水槽的底部；所述的水听器悬浸在水中，且位于平面型全电子聚焦HIFU相控阵的上方；

所述的第二智能终端通过控制系统对平面型全电子聚焦HIFU相控阵进行相位和幅度调控；

所述的第一智能终端通过水听器获取平面型全电子聚焦HIFU相控阵发射的超声声场数据信号。

优选地，所述的测试系统还包括步进电机；所述的第一智能终端通过步进电机控制水听器的移动，实现测量不同位置的超声声场。

进一步地，所述的测试系统还包括示波器，所述的示波器将接收水听器的数据信号传输给第一智能终端进行保存及处理。

本发明的有益效果如下：

通过本发明所述的测试系统对本发明所述的平面型全电子聚焦HIFU相控阵进行测试，本发明所述的相控阵设置相邻两个正方形阵元中心点间距1.5mm，约为半个波长λ/2，该设置能满足天线理论，即相邻阵元间距不超过半个波长，并通过声线理论计算初始相位，二者结合，所述的相控阵能实现高性能的全电子超声聚焦。

附图说明

图1是实施例1中96个平面型模块的相控阵示意图。

图2是实施例1中64正方形阵元的示意图。

图3是实施例2所述的测试系统的示意图。

图4是实施例选定焦点三维分布图。

图5是实施例选定焦点二维俯视图。

图6是实施例焦点电压峰峰值三维分布图。

图7是实施例选定焦点和实际焦点三维分布图。

图8是实施例聚焦偏差三维分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

一种平面型全电子聚焦HIFU相控阵，包括96个平面型模块，如图1所示。每个所述的平面型模块有8×8＝64个正方形阵元，如图2所示，所述的相控阵的发射超声频率为f

在一个具体的实施例中，为了实现所述的相控阵激发的超声波能够聚焦在选定的焦点处，就必须对每个正方形阵元的超声发射相位进行调控。

本实施例采用的聚焦方案是基于声线理论对所述的相控阵的每个正方形阵元进行相位补偿。具体来说，对于平面相控阵上的每个正方形阵元，其发射声压为：

p

其中，p

所述的相控阵发射超声聚焦的核心是每个发射的超声波在传播到选定的焦点处是的相位一致，形成线性叠加效应，从而实现超声聚焦。

如图1所示，平面型全电子聚焦HIFU相控阵表面位于xOy平面上，阵列的中心位于坐标原点，z轴垂直于阵列表面并穿过阵列中心。对于阵列前方空间内选定的焦点F(x

其中，ω

实施例2

为了进一步验证实施例1所述的平面型全电子聚焦HIFU相控阵的技术效果，本实施例还提供了一种测试系统，包括所述的平面型全电子聚焦HIFU相控阵、第一智能终端、控制系统、水槽、水听器、第二智能终端；

所述的水槽中装有水，所述的平面型全电子聚焦HIFU相控阵安装在水槽的底部；所述的水听器悬浸在水中，且位于平面型全电子聚焦HIFU相控阵的上方；

所述的第二智能终端通过控制系统对平面型全电子聚焦HIFU相控阵进行相位和幅度调控；

所述的第一智能终端通过水听器获取平面型全电子聚焦HIFU相控阵发射的超声声场数据信号。

本实施例所述的第一智能终端、第二智能终端是一类嵌入式计算机系统设备，其具体包括但不限于PC个人电脑、台式电脑等。所述的第二智能终端安装有治疗计划系统(TPS)。本实施例所述的水听器采用但不限于针式水听器。本文以针式水听器为例进行说明。

在一个具体的实施例中，所述的测试系统还包括步进电机；所述的第一智能终端通过步进电机控制水听器的移动，实现测量不同位置的超声声场。所述的测试系统还包括示波器，所述的示波器将接收水听器的数据信号传输给第一智能终端进行保存及处理。

待测超声聚焦区域为所述的相控阵正上方半径为90mm、高度为170mm的圆柱体，且圆柱体的中心轴与相控阵的z轴重合，其底面在阵列上方30.0mm处。在被测区域，从圆柱体底面开始，在高度方向上每隔10mm设置一个被测平面。在每个被测平面上，以圆心为起点：方位角从0°开始，每45°画一条半径线，径向以半径分别为30mm、60mm、70mm、80mm、90mm的圆分开。所有测线的交点就是选定的待测超声焦点，如图4、5所示。在TPS上设置平面阵列统一以1W的声功率发射超声波，在选定的焦点位置进行电子聚焦。针式水听器捕捉选定的焦点周围的超声波信号。对于每个选定的焦点，焦点周围的最大电压峰峰值由水听器确定，并记录其相应的实际焦点坐标位置，以便进行后续的数据分析。

如图6所示，所述的针式水听器在选定的焦点周围测得的最大电压峰峰值的三维分布图，也即实际焦点处的电压峰峰值三维分布图。其中，最大值约为V

图6中电压峰峰值三维分布图所对应的实际焦点和选定焦点的位置的三位分布对比如图7所示：圆圈代表图4中的选定焦点，五星则代表实际焦点。图7显示，实际焦点与选定焦点的位置具有较好的重合度，一致性较好。实际焦点与选定焦点之间的量化聚焦偏差如图8所示。其中，最大聚焦偏差约为D

根据以上分析可知，利用水听器法对平面型全电子聚焦HIFU相控阵的全电子式超声聚焦性能的测试结果表明：在平面型全电子聚焦HIFU相控阵的正上方半径为90mm、高度为170mm的圆柱体被测区域内，基于声线理论对初始相位进行补偿后，最大聚焦偏差为4.41mm，整体上聚焦偏差不大，聚焦精度较好；最大和最小电压峰峰值分别为2.59V和0.78V。总体上，该相控阵具有较好的全电子超声聚焦性能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。