一種穿戴式醫學超聲治療裝置及其聲發射陣列定位與聲束聚焦方法制造方法及圖紙

一種穿戴式醫學超聲治療裝置及其聲發射陣列定位與聲束聚焦方法，屬于醫學超聲檢測與治療技術領域，本發明專利技術解決了現有固定設備安裝維護困難，聚焦區域有限的問題。本發明專利技術方法包括：步驟一、設計頭戴式、四肢佩戴式和軀干佩戴式三種裝置，計算設備姿態信息，存儲成表格，方便FPGA調用；步驟二、選擇裝置，安裝配置，調節姿態位置防止產生死角；步驟三、運行裝置，采集陣列上磁定位裝置信息，計算陣列的空間姿態，進行定位，確定裝置能夠覆蓋治療區域；步驟四、確定治療的聚焦中心，查表并計算，調節姿態位置和超聲陣列發射的時鐘延時，形成聚焦中心；步驟五、通過B型超聲檢測裝置，實時反饋聚焦位置信息，進行閉環反饋調節，修正聚焦位置姿態誤差。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種穿戴式醫學超聲治療裝置及其聲發射陣列定位與聲束聚焦方法，屬于醫學超聲檢測與治療

技術介紹
超聲波檢測及治療技術自應用于醫療領域以來，得到了飛速發展，其中高強度聚焦超聲（HIFU）技術自開發以來，受到國內外的廣泛關注，其開創了新型的體外無創手術方式，對于一些特殊疾病的治療和康復是一次創造性的突破，同時隨著醫療條件的改善，控制技術的提高，以及人們對于醫療和術后恢復要求的提高，都促進了HIFU技術的快速發展。現有的HIFU設備，采用外置式結構，由大功率發生器、治療頭、B超儀器、行程定位機構和操作控制等幾大部分組成。存在安裝復雜、無法攜帶、結構復雜、維修成本高等問題，同時要求將人體固定在設備上，超聲治療區域（超聲聚焦點）也是固定的，更改治療位置困難。隨著可穿戴技術的發展、超聲設備的小型化，越來越需要將HIFU的相應設備小型化，一方面靈活便攜易于操作，另一方面降低安裝維修成本，當然從技術的角度也提出了一些新的要求。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決現有醫學超聲治療設備不便于攜帶，設備復雜占地面積大，需要固定人體并且聚焦位置有限的問題，提出一種穿戴式醫學超聲治療裝置及其聲發射陣列定位與聲束聚焦方法。本專利技術的目的是通過以下技術方案實現的：結合圖1、圖8和圖9，采用一種穿戴式醫學超聲裝置及其聲發射陣列定位與聲束聚焦方法。通過機械臂控制多組陣列在空間中的位置，并且結合磁定位系統確定每個陣列的空間姿態信息，經過FPGA的解算能夠控制多組陣列覆蓋較大面積的治療靶區，并且通過嵌入式和集成化實現可穿戴特性，從而減少了固定裝置的銹蝕難以清理，以及一次治療病患靶區面積小不方便等諸多方面的問題。最后在完成姿態解算，延時計算后，進行超聲的匯聚，并且通過B超設備進行反饋檢測，實時修正姿態位置，并且實時顯示。本專利技術提出一種針對超聲聚焦治療的具體方法和裝置設計方案，也就是通過磁定位，機械臂和多組陣列的有效組合實現超聲聚焦治療裝置的便攜，聚焦廣泛的特點。本專利技術不僅降低超聲聚焦治療裝置成本，減少占地面積，方便患者使用，而且能夠實現更大的聚焦覆蓋面，從而一次治療患者多個靶區的目的。本專利技術所述的一種穿戴式醫學超聲治療聲發射陣列定位與聲束聚焦方法的流程圖如圖1所示，共分為五個步驟，具體步驟如下：步驟一、針對設計的3種裝置——頭戴式、四肢佩戴式和軀干佩戴式，計算每種裝置的姿態位置信息和對應的聚焦點需要的超聲陣列的延時信息，將主要信息存儲成表格，方便FPGA調用。此步驟與傳統超聲聚焦醫療裝置的不同之處在于，將固定裝置改進為可穿戴式裝置，并且結合人體不同病灶設計了3種不同裝置。結合圖2、圖4和圖6具體說明，頭戴式醫學治療裝置如圖2所示，用于對于腦內部的治療項目，將半球形裝置戴在頭上，每個陣列能夠沿著球半徑進行移動，從而能夠實現跟頭部完全貼合。在安裝頭戴式裝置的時候，由于需要完全貼合，因此預先需要將頭發去除，頭戴式裝置能夠實現一個內部半球形的聚焦覆蓋面積，半球的半徑由具體的控制步進電機的運動范圍決定。四肢佩戴式是2個對稱的半圓柱組成的一個圓柱形結構，并且2部分有鎖緊機構，每個在圓柱上的陣列能夠沿著環切面的半徑軸向移動，因此能夠完整的貼合在四肢上，同時其能夠做角度上的偏轉，因此能夠實現多個圓環切面上的超聲陣列聚焦到靶區。軀干佩戴式裝置是由一個銜接機構和多個攜帶超聲陣列的機械臂組成，其能夠通過控制機械臂控制超聲聚焦到軀干到任意位置，結合磁定位器和陣列在電機驅動下到偏轉角度，能夠實現陣列大范圍到覆蓋靶區到目標。步驟二、針對具體治療位置選擇相應裝置，將治療對象相應部位進行處理，進行安裝配置操作，調節姿態位置防止在運行中存在死角。此步驟與傳統超聲聚焦醫療裝置的不同之處在于，結合不同治療位置選擇不同的超聲治療裝置，并且能夠大范圍的覆蓋治療區域，從而實現可穿戴超聲聚焦治療。結合圖3、圖5和圖7具體說明針對不同對靶區選擇不同對可穿戴裝置。圖3，對于頭戴式裝置，其超聲陣列的初始聚焦位置為球體的圓心出，但是陣列單元內部安裝有小型步進電機，從而能夠驅動超聲陣列做圓錐形的旋轉偏轉，從而能夠每個陣列的覆蓋面積為一個一定角度的圓錐面，角度大小由步進電機的控制旋轉范圍決定，整個裝置的聚焦面積為所有陣列形成的圓錐幾何體的重疊部分。圖5，對于四肢佩戴式醫學治療裝置，初始陣列沿著圓柱面環形的安裝，每個環面上安裝的超聲陣列的聚焦中心都在環形的圓心處，隨著每個陣列的步進電機的驅動，能夠實現超聲陣列的偏轉，從而每組的環面上的聚焦中心可以聚焦在一個半徑小于圓柱的內部圓柱范圍內，內圓柱的大小隨電機的控制范圍變化。圖7，軀干佩戴式醫學超聲裝置，其每個機械臂有3個自由度，因此能夠在空間內自由的移動，每個超聲陣列能夠在電機的控制下進行偏轉，因此能夠將聚焦覆蓋在多個機械臂組成的幾何體內部的任意位置，由于人體柔軟度有限，以及人體坐臥姿勢的區別，需要具體計算每個聚焦位置中陣列需要的時延值，以及機械臂需要調節的具體位置。由于治療位置不同，則需要裝置形狀不同，選擇對應的裝置才能夠完全貼合，從而才能有效的避免超聲散射衰減的產生。同時，調節機械臂的位置，保證每組陣列產生的超聲范圍能夠彼此有效疊加，從而才能夠防止產生死角，實現大范圍的治療覆蓋。步驟三、運行裝置，采集每個陣列上配置磁定位接收器的信息，根據存儲的裝置尺寸位置信息，計算每個陣列的空間姿態，對每個超聲陣列進行定位，并且通過計算確定裝置能夠覆蓋對治療區域。此步驟與傳統的超聲聚焦醫療裝置的不同之處在于，軀干佩戴式裝置能夠通過控制機械臂結合磁定位裝置實現不同靶區的定位。由于參與超聲聚焦的機械臂多大16組甚至更多，每個機械臂都需要調整不同都位置以滿足覆蓋范圍，因此需要磁定位器進行超聲陣列的姿態信息采集，通過上位機有效計算出每個陣列需要的偏轉角以及機械臂的具體停留位置。1）根據機械臂的初始長度和旋轉角度測算處機械臂端點處的全局坐標值；2）步驟2、在裝置周圍有磁定位系統的發射器和控制電子箱，根據磁定位接收器里面有3個相互正交的線圈，當線圈接收到電磁波時產生電磁感應，就可以感知接收探頭在三維空間內的運動軌跡；根據磁偶極子模型，可得場點p處的磁感應強度B的矢量表達式為：可以將永磁體的位置和方向根據定義表示為空間直角坐標系下的3個分量：其可以通過3個線圈測量磁場，通過計算三個線圈感應的電磁場場強就可以計算出相對于發射器的接收器位置(x,y,z)和角度(α,β,γ)信息；通過坐標變換，能夠計算出旋轉調整后的超聲陣列在全局坐標系下的坐標，由于兩個空間坐標系原點不同，坐標軸互相不平行，因此存在三個平移參數和三個旋轉參數，如果兩個坐標系的尺度不同，還需要尺度變化參數m，因此共計7個參數，公式為：3）在具體使用時，由于m沒有變化，因此m＝0，而同時在實際使用過程中，需要求取6個轉換參數，在磁定位接收器所接收到的位置和角度信息就是這6個參數值，直接代入公式就可以獲得陣列所在位置的坐標和全局坐標系間的轉換坐標；其中可知：，；至此，完成了超聲陣元的坐標轉換，根據具體陣元的坐標位置，解算需要聚焦點的超聲時延；4）根據圖12，設計超聲陣列的延時時間，最終根據每個陣列的坐標位置綜合設計處于不同坐標位置的不同超聲陣列的延時時間集合；根據余弦定理可得：-L式中，L——焦本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種可穿戴式醫學超聲治療裝置及其聲發射陣列定位與聲束聚焦方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：步驟一、針對設計的3種裝置——頭戴式、四肢佩戴式和軀干佩戴式，計算每種裝置的姿態位置信息和對應的聚焦點需要的超聲陣列的延時信息，將主要信息存儲成表格，方便FPGA調用；步驟二、針對具體治療位置選擇相應裝置，將治療對象相應部位進行處理，進行安裝配置操作，調節姿態位置防止在運行中產生鎖死現象；步驟三、運行裝置，采集每個陣列上配置的磁定位接收器信息，根據存儲的裝置尺寸位置信息，計算每個陣列的空間姿態，對每個超聲陣列進行定位，并且通過計算確定裝置能夠覆蓋對治療區域；步驟四、確定需要治療的聚焦中心，從存儲表格中查詢指令集，調節姿態位置和超聲陣列發射的時鐘延時，形成聚焦中心，對于內存中沒有存儲的位置，可以進行計算，獲取需要的姿態和陣列延時信息，同時使用磁定位器進行實時反饋，調節控制位置，保證陣列到達設定位置；步驟五、通過B超檢測裝置，實時反饋聚焦位置信息，進行閉環反饋調節，修正姿態誤差。

【技術特征摘要】
1.一種可穿戴式醫學超聲治療裝置及其聲發射陣列定位與聲束聚焦方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：步驟一、針對設計的3種裝置——頭戴式、四肢佩戴式和軀干佩戴式，計算每種裝置的姿態位置信息和對應的聚焦點需要的超聲陣列的延時信息，將主要信息存儲成表格，方便FPGA調用；步驟二、針對具體治療位置選擇相應裝置，將治療對象相應部位進行處理，進行安裝配置操作，調節姿態位置防止在運行中產生鎖死現象；步驟三、運行裝置，采集每個陣列上配置的磁定位接收器信息，根據存儲的裝置尺寸位置信息，計算每個陣列的空間姿態，對每個超聲陣列進行定位，并且通過計算確定裝置能夠覆蓋對治療區域；步驟四、確定需要治療的聚焦中心，從存儲表格中查詢指令集，調節姿態位置和超聲陣列發射的時鐘延時，形成聚焦中心，對于內存中沒有存儲的位置，可以進行計算，獲取需要的姿態和陣列延時信息，同時使用磁定位器進行實時反饋，調節控制位置，保證陣列到達設定位置；步驟五、通過B超檢測裝置，實時反饋聚焦位置信息，進行閉環反饋調節，修正姿態誤差。2.根據權利要求1所述的一種可穿戴式醫學超聲治療裝置及其聲發射陣列定位與聲束聚焦方法，其特征在于，頭戴式醫學治療裝置用于對于腦內部的治療項目，將半球形裝置戴在頭上，每個陣列能夠沿著球半徑進行移動，從而能夠實現跟頭部完全貼合；在安裝頭戴式裝置的時候，由于需要完全貼合，因此預先需要將頭發去除，頭戴式裝置能夠實現一個內部半球形的聚焦覆蓋面積，半球的半徑由具體的控制步進電機的運動范圍決定；四肢佩戴式是2個對稱的半圓柱組成的一個圓柱形結構，并且2部分有鎖緊機構，每個在圓柱上的陣列能夠沿著環切面的半徑軸向移動，因此能夠完整的貼合在四肢上，同時其能夠做角度上的偏轉，因此能夠實現多個圓環切面上的超聲陣列聚焦到靶區；軀干佩戴式裝置是由一個銜接機構和多個攜帶超聲陣列的機械臂組成，其能夠通過控制機械臂控制超聲聚焦到軀干到任意位置，結合磁定位接收器和陣列在電機驅動下到偏轉角度，能夠實現陣列大范圍到覆蓋靶區到目標。3.根據權利要求1所述的一種可穿戴式醫學超聲治療裝置及其聲發射陣列定位與聲束聚焦方法，其特征在于，對于頭戴式裝置，其超聲陣列的初始聚焦位置為球體的圓心出，但是陣列單元內部安裝有小型步進電機，從而能夠驅動超聲陣列做圓錐形的旋轉偏轉，從而能夠每個陣列的覆蓋面積為一個一定角度的圓錐面，角度大小由步進電機的控制旋轉范圍決定，整個裝置的聚焦面積為所有陣列形成的圓錐幾何體的重疊部分；對于四肢佩戴式醫學治療裝置，初始陣列沿著圓柱面環形的安裝，每個環面上安裝的超聲陣列的聚焦中心都在環形的圓心處，隨著每個陣列的步進電機的驅動，能夠實現超聲陣列的偏轉，從而每組的環面上的聚焦中心可以聚焦在一個半徑小于圓柱的內部圓柱范圍內，內圓柱的大小隨電機的控制范圍變化；對于軀干佩戴式醫學超聲裝置，其每個機械臂有3個自由度，因此能夠在空間內自由的移動，每個超聲陣列能夠在電機的控制下進行偏轉，因此能夠將聚焦覆蓋在多個機械臂組成的幾何體內部的任意位置，由于人體柔軟度有限，以及人體坐臥姿勢的區別，需要具體計算每個聚焦位置中陣列需要的時延值，以及機械臂需要調節的具體位置。4.根據權利要求1所述的一種可穿戴式醫學超聲治療裝置及其聲發射陣列定位與聲束聚焦方法，其特征在于，步驟二中對每個超聲陣列進行定位的過程為：1）根據機械臂的初始長度和旋轉角度測算處機械臂端點處的全局坐標值；2）步驟2、在裝置周圍有磁定位系統的發射器和控制電子箱，根據磁定位接收器里面有3個相互正交的線圈，當線圈接收到電磁波時產生電磁感應，就可以感知接收探頭在三維空間內的運動軌跡；根據磁偶極子模型，可得場點p處的磁感應強度B的矢量表達式為：可以將永磁體的位置和方向根據定義表示為空間直角坐標系下的3個分量：其可以通過3個線圈測量磁場，通過計算三個線圈感應的電磁場場強就可以計算出相對于發射器的接收器位置(x,y,z)和角度(α,β,γ)信息；通過坐標變換，能夠計算出旋轉調整后的超聲陣列在全局坐標系下的坐標，由于兩個空間坐標系原點不同，坐標軸互相不平行，因此存在三個平移參數和三個旋轉參數，如果兩個坐標系的尺度不同，還需要尺度變化參數m，因此共計7個參數，公式為：3）在具體使用時，由于m沒有變化，因此m＝0，而同時在實際使用過程中，需要求取6個轉換參數，在磁定位接收器所接收到的位置和角度信息就是這6個參數值，直接代入公式就可以獲得陣列所在位置的坐標和全局坐標系間的轉換坐標；其中可知：，；至此，完成了超聲陣元的坐標轉換，根據具體陣元的坐標位置，解算需要聚焦點的超聲時延；4）根據圖12，設計超聲陣列的延時時間，最終根據每個陣列的坐標位置綜合設計處于不同坐標位置的不同超聲陣列的延時時間集合；根據余弦定理可得：-L式中，L——焦點到陣列弧面的距離；——第n通道與焦點到陣列弧面距離到距離差，其中n＝0～N（N為陣列數目）；R——凸陣探頭半徑；β——第n通道陣列中心線與該組陣列陣列中心線的夾角；設為相鄰陣列間的夾角，則有：，這里c為超聲波在人體內的傳播速度，通常取1540m/s，整理后可得：在獲得的延時時間后，將需要聚焦的超聲單元的數據紀錄進FPGA的ROM中，從而實現實時調用，并且將需要計算余弦函數的角度...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄭天佑，沈悅，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江;23