本發(fā)明涉及一種穿戴式醫(yī)學(xué)超聲治療裝置及其聲發(fā)射陣列定位與聲束聚焦方法，屬于醫(yī)學(xué)超聲檢測與治療技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

超聲波檢測及治療技術(shù)自應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域以來，得到了飛速發(fā)展，其中高強(qiáng)度聚焦超聲（HIFU）技術(shù)自開發(fā)以來，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，其開創(chuàng)了新型的體外無創(chuàng)手術(shù)方式，對于一些特殊疾病的治療和康復(fù)是一次創(chuàng)造性的突破，同時(shí)隨著醫(yī)療條件的改善，控制技術(shù)的提高，以及人們對于醫(yī)療和術(shù)后恢復(fù)要求的提高，都促進(jìn)了HIFU技術(shù)的快速發(fā)展。

現(xiàn)有的HIFU設(shè)備，采用外置式結(jié)構(gòu)，由大功率發(fā)生器、治療頭、B超儀器、行程定位機(jī)構(gòu)和操作控制等幾大部分組成。存在安裝復(fù)雜、無法攜帶、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修成本高等問題，同時(shí)要求將人體固定在設(shè)備上，超聲治療區(qū)域（超聲聚焦點(diǎn)）也是固定的，更改治療位置困難。隨著可穿戴技術(shù)的發(fā)展、超聲設(shè)備的小型化，越來越需要將HIFU的相應(yīng)設(shè)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(dāng)然從技術(shù)的角度也提出了一些新的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有醫(yī)學(xué)超聲治療設(shè)備不便于攜帶，設(shè)備復(fù)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(yī)學(xué)超聲治療裝置及其聲發(fā)射陣列定位與聲束聚焦方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：結(jié)合圖1、圖8和圖9，采用一種穿戴式醫(yī)學(xué)超聲裝置及其聲發(fā)射陣列定位與聲束聚焦方法。通過機(jī)械臂控制多組陣列在空間中的位置，并且結(jié)合磁定位系統(tǒng)確定每個(gè)陣列的空間姿態(tài)信息，經(jīng)過FPGA的解算能夠控制多組陣列覆蓋較大面積的治療靶區(qū)，并且通過嵌入式和集成化實(shí)現(xiàn)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(qū)面積小不方便等諸多方面的問題。最后在完成姿態(tài)解算，延時(shí)計(jì)算后，進(jìn)行超聲的匯聚，并且通過B超設(shè)備進(jìn)行反饋檢測，實(shí)時(shí)修正姿態(tài)位置，并且實(shí)時(shí)顯示。

本發(fā)明提出一種針對超聲聚焦治療的具體方法和裝置設(shè)計(jì)方案，也就是通過磁定位，機(jī)械臂和多組陣列的有效組合實(shí)現(xiàn)超聲聚焦治療裝置的便攜，聚焦廣泛的特點(diǎn)。本發(fā)明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?qū)崿F(xiàn)更大的聚焦覆蓋面，從而一次治療患者多個(gè)靶區(qū)的目的。

本發(fā)明所述的一種穿戴式醫(yī)學(xué)超聲治療聲發(fā)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(gè)步驟，具體步驟如下：

步驟一、針對設(shè)計(jì)的3種裝置——頭戴式、四肢佩戴式和軀干佩戴式，計(jì)算每種裝置的姿態(tài)位置信息和對應(yīng)的聚焦點(diǎn)需要的超聲陣列的延時(shí)信息，將主要信息存儲成表格，方便FPGA調(diào)用。

此步驟與傳統(tǒng)超聲聚焦醫(yī)療裝置的不同之處在于，將固定裝置改進(jìn)為可穿戴式裝置，并且結(jié)合人體不同病灶設(shè)計(jì)了3種不同裝置。

結(jié)合圖2、圖4和圖6具體說明，頭戴式醫(yī)學(xué)治療裝置如圖2所示，用于對于腦內(nèi)部的治療項(xiàng)目，將半球形裝置戴在頭上，每個(gè)陣列能夠沿著球半徑進(jìn)行移動，從而能夠?qū)崿F(xiàn)跟頭部完全貼合。在安裝頭戴式裝置的時(shí)候，由于需要完全貼合，因此預(yù)先需要將頭發(fā)去除，頭戴式裝置能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)內(nèi)部半球形的聚焦覆蓋面積，半球的半徑由具體的控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動范圍決定。四肢佩戴式是2個(gè)對稱的半圓柱組成的一個(gè)圓柱形結(jié)構(gòu)，并且2部分有鎖緊機(jī)構(gòu)，每個(gè)在圓柱上的陣列能夠沿著環(huán)切面的半徑軸向移動，因此能夠完整的貼合在四肢上，同時(shí)其能夠做角度上的偏轉(zhuǎn)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)圓環(huán)切面上的超聲陣列聚焦到靶區(qū)。軀干佩戴式裝置是由一個(gè)銜接機(jī)構(gòu)和多個(gè)攜帶超聲陣列的機(jī)械臂組成，其能夠通過控制機(jī)械臂控制超聲聚焦到軀干到任意位置，結(jié)合磁定位器和陣列在電機(jī)驅(qū)動下到偏轉(zhuǎn)角度，能夠?qū)崿F(xiàn)陣列大范圍到覆蓋靶區(qū)到目標(biāo)。

步驟二、針對具體治療位置選擇相應(yīng)裝置，將治療對象相應(yīng)部位進(jìn)行處理，進(jìn)行安裝配置操作，調(diào)節(jié)姿態(tài)位置防止在運(yùn)行中存在死角。

此步驟與傳統(tǒng)超聲聚焦醫(yī)療裝置的不同之處在于，結(jié)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(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)可穿戴超聲聚焦治療。

結(jié)合圖3、圖5和圖7具體說明針對不同對靶區(qū)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(nèi)部安裝有小型步進(jìn)電機(jī)，從而能夠驅(qū)動超聲陣列做圓錐形的旋轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)，從而能夠每個(gè)陣列的覆蓋面積為一個(gè)一定角度的圓錐面，角度大小由步進(jìn)電機(jī)的控制旋轉(zhuǎn)范圍決定，整個(gè)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(yī)學(xué)治療裝置，初始陣列沿著圓柱面環(huán)形的安裝，每個(gè)環(huán)面上安裝的超聲陣列的聚焦中心都在環(huán)形的圓心處，隨著每個(gè)陣列的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)超聲陣列的偏轉(zhuǎn)，從而每組的環(huán)面上的聚焦中心可以聚焦在一個(gè)半徑小于圓柱的內(nèi)部圓柱范圍內(nèi)，內(nèi)圓柱的大小隨電機(jī)的控制范圍變化。圖7，軀干佩戴式醫(yī)學(xué)超聲裝置，其每個(gè)機(jī)械臂有3個(gè)自由度，因此能夠在空間內(nèi)自由的移動，每個(gè)超聲陣列能夠在電機(jī)的控制下進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，因此能夠?qū)⒕劢垢采w在多個(gè)機(jī)械臂組成的幾何體內(nèi)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(qū)別，需要具體計(jì)算每個(gè)聚焦位置中陣列需要的時(shí)延值，以及機(jī)械臂需要調(diào)節(jié)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(yīng)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(chǎn)生。同時(shí)，調(diào)節(jié)機(jī)械臂的位置，保證每組陣列產(chǎn)生的超聲范圍能夠彼此有效疊加，從而才能夠防止產(chǎn)生死角，實(shí)現(xiàn)大范圍的治療覆蓋。

步驟三、運(yùn)行裝置，采集每個(gè)陣列上配置磁定位接收器的信息，根據(jù)存儲的裝置尺寸位置信息，計(jì)算每個(gè)陣列的空間姿態(tài)，對每個(gè)超聲陣列進(jìn)行定位，并且通過計(jì)算確定裝置能夠覆蓋對治療區(qū)域。

此步驟與傳統(tǒng)的超聲聚焦醫(yī)療裝置的不同之處在于，軀干佩戴式裝置能夠通過控制機(jī)械臂結(jié)合磁定位裝置實(shí)現(xiàn)不同靶區(qū)的定位。

由于參與超聲聚焦的機(jī)械臂多大16組甚至更多，每個(gè)機(jī)械臂都需要調(diào)整不同都位置以滿足覆蓋范圍，因此需要磁定位器進(jìn)行超聲陣列的姿態(tài)信息采集，通過上位機(jī)有效計(jì)算出每個(gè)陣列需要的偏轉(zhuǎn)角以及機(jī)械臂的具體停留位置。

1）根據(jù)機(jī)械臂的初始長度和旋轉(zhuǎn)角度測算處機(jī)械臂端點(diǎn)處的全局坐標(biāo)值；

2）步驟2、在裝置周圍有磁定位系統(tǒng)的發(fā)射器和控制電子箱，根據(jù)磁定位接收器里面有3個(gè)相互正交的線圈，當(dāng)線圈接收到電磁波時(shí)產(chǎn)生電磁感應(yīng)，就可以感知接收探頭在三維空間內(nèi)的運(yùn)動軌跡；根據(jù)磁偶極子模型，可得場點(diǎn)p 處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 的矢量表達(dá)式為：

可以將永磁體的位置和方向根據(jù)定義表示為空間直角坐標(biāo)系下的3個(gè)分量：

其可以通過3個(gè)線圈測量磁場，通過計(jì)算三個(gè)線圈感應(yīng)的電磁場場強(qiáng)就可以計(jì)算出相對于發(fā)射器的接收器位置(x, y, z)和角度(α, β, γ)信息；通過坐標(biāo)變換，能夠計(jì)算出旋轉(zhuǎn)調(diào)整后的超聲陣列在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，由于兩個(gè)空間坐標(biāo)系原點(diǎn)不同，坐標(biāo)軸互相不平行，因此存在三個(gè)平移參數(shù)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)，如果兩個(gè)坐標(biāo)系的尺度不同，還需要尺度變化參數(shù)m，因此共計(jì)7個(gè)參數(shù)，公式為：

3）在具體使用時(shí)，由于m沒有變化，因此m＝0，而同時(shí)在實(shí)際使用過程中，需要求取6個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，在磁定位接收器所接收到的位置和角度信息就是這6個(gè)參數(shù)值，直接代入公式就可以獲得陣列所在位置的坐標(biāo)和全局坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)；其中可知：，；

至此，完成了超聲陣元的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，根據(jù)具體陣元的坐標(biāo)位置，解算需要聚焦點(diǎn)的超聲時(shí)延；

4）根據(jù)圖12，設(shè)計(jì)超聲陣列的延時(shí)時(shí)間，最終根據(jù)每個(gè)陣列的坐標(biāo)位置綜合設(shè)計(jì)處于不同坐標(biāo)位置的不同超聲陣列的延時(shí)時(shí)間集合；根據(jù)余弦定理可得：

-L

式中，L——焦點(diǎn)到陣列弧面的距離；

——第n通道與焦點(diǎn)到陣列弧面距離到距離差，其中n＝0～N（N為陣列數(shù)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(shè)為相鄰陣列間的夾角，則有：

，這里c為超聲波在人體內(nèi)的傳播速度，通常取1540m/s，整理后可得：

在獲得的延時(shí)時(shí)間后，將需要聚焦的超聲單元的數(shù)據(jù)紀(jì)錄進(jìn)FPGA的ROM中，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)用，并且將需要計(jì)算余弦函數(shù)的角度，按照0.1度為最小分辨率，將數(shù)值預(yù)先計(jì)算出，并且存入ROM中，在需要計(jì)算時(shí)迅速調(diào)用，從而節(jié)省FPGA計(jì)算內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)迅速相應(yīng)，準(zhǔn)確快速超聲聚焦度功能；通過控制聚焦延時(shí)時(shí)間，能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)超聲單元的聚焦，而可穿戴式裝置存在一系列超聲單元，因此需要根據(jù)坐標(biāo)變換，整理出所有超聲陣列的延時(shí)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)超聲聚焦治療；

在確定了陣列內(nèi)的延時(shí)時(shí)間后，能夠確定超聲聲束的聚焦點(diǎn)在陣列局部坐標(biāo)系中的位置，同時(shí)由于超聲發(fā)射聲束垂直與局部坐標(biāo)系XOY平面，并且沿著Z軸正方向，因此在根據(jù)指定位置進(jìn)行超聲聚焦的位置解算時(shí)，能夠提供一個(gè)直線約束方程；但是提供的是在全局坐標(biāo)系下的指定位置進(jìn)行聚焦，因此能夠獲得的已知條件是：

以及，需要求取的信息是：

很明顯根據(jù)現(xiàn)有公式：

以及已知條件求取6個(gè)未知變量，是一個(gè)超定方程，解有無窮多個(gè)，但是只要在機(jī)械臂能夠到達(dá)的位置內(nèi)，任何一個(gè)方程都是滿足條件的，因此需要引入磁定位系統(tǒng)，對于機(jī)械臂的移動采用實(shí)時(shí)控制實(shí)時(shí)反饋的方式，通過控制算法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)超聲陣列到達(dá)指定位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超聲聚焦治療。

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(diào)節(jié)姿態(tài)位置和超聲陣列發(fā)射的時(shí)鐘延時(shí)，形成聚焦中心，對于內(nèi)存中沒有存儲的位置，可以進(jìn)行計(jì)算，獲取需要的姿態(tài)和陣列延時(shí)信息，同時(shí)使用磁定位器進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，調(diào)節(jié)控制位置，保證陣列到達(dá)設(shè)定位置。

此步驟與傳統(tǒng)的超聲聚焦醫(yī)療裝置的不同之處在于通過ARM和FPGA的交互，在顯示器上選擇聚焦中心位置，并且交互給FPGA進(jìn)而控制機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)超聲陣列的聚焦，并且結(jié)合磁定位實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)精確定位聚焦。結(jié)合圖10具體說明：

1）根據(jù)選擇的可穿戴超聲聚焦治療裝置，如果選擇的是軀干式穿戴裝置，磁定位采集每組超聲陣列的姿態(tài)信息，連同機(jī)械臂自己的旋轉(zhuǎn)伸曲姿態(tài)一并作為坐標(biāo)信息傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA和ARM進(jìn)行通信，ARM獲取每組超聲陣列的姿態(tài)信息后，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，都轉(zhuǎn)換到同ARM所處位置相同的同一坐標(biāo)系下；

2）ARM能夠?qū)⒆鴺?biāo)信息顯示在屏幕上，操作人員在屏幕上選擇需要的聚焦位置，選擇后輸入到顯示器中；具體的數(shù)據(jù)信息傳輸給顯示器的方案有兩種：

方式1、采用嵌入式固定化屏幕，將信息直接顯示在控制終端，此方案，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)短，干擾小，但是可能由于裝置位置不當(dāng)導(dǎo)致操作不便

方式2、采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，將數(shù)據(jù)信息和控制信息等通過無線網(wǎng)絡(luò)方式訪問，顯示器可以放置在任何無線網(wǎng)絡(luò)可就收范圍內(nèi)，此方案，優(yōu)點(diǎn)是不因?yàn)檠b置安裝位置問題而影響操作，但是傳輸時(shí)延長同時(shí)抗干擾能力變?nèi)酢?/p>

以上兩種方式可以一起設(shè)計(jì)，根據(jù)具體情況選擇，在不影響操作的情況下使用嵌入式固定屏幕，在操作不便的情況下選擇無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模式操作；

3）ARM通過選擇的聚焦位置進(jìn)行解算，獲得每個(gè)超聲陣列需要旋轉(zhuǎn)和伸縮的參數(shù)，以及產(chǎn)生聚焦超聲，每組陣列需要產(chǎn)生的延時(shí)時(shí)間；ARM將計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)傳輸給FPGA；

4）FPGA針對獲得的姿態(tài)參數(shù)，將余弦正弦函數(shù)值通過查詢ROM表格形式獲得，從而確定最終的姿態(tài)信息，并且控制機(jī)械臂移動到指定位置，完成超聲聚焦；

5）如果選擇的是頭戴式醫(yī)學(xué)超聲裝置，結(jié)合圖2和圖3，可以佩戴在頭部，并且每個(gè)陣列在電機(jī)的控制下能夠進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，每個(gè)超聲陣列能夠形成一個(gè)圓錐形的覆蓋聲場，在電機(jī)控制的旋轉(zhuǎn)下，多個(gè)超聲陣列能夠形成一個(gè)半徑小于安裝半球的小的半球形覆蓋聲場，在此聲場內(nèi)的所有點(diǎn)均能夠?qū)崿F(xiàn)超聲聚焦治療；

6）如果選擇的是四肢穿戴式醫(yī)學(xué)超聲裝置，結(jié)合圖4和圖5，四肢穿戴式醫(yī)學(xué)超聲裝置不具備機(jī)械臂，而是將超聲陣列安裝在圓柱體上，并且每個(gè)超聲陣列上面安裝磁定位接收器，可以采集超聲陣列的姿態(tài)信息，因此只存在旋轉(zhuǎn)參數(shù)，不存在伸縮參數(shù)，其他同1）、2）、3）、4）；其佩戴在四肢上，并且每個(gè)陣列在電機(jī)的控制下能夠進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，每個(gè)超聲陣列在不動的情況下能夠形成一個(gè)圓錐形的覆蓋聲場，結(jié)合電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，多個(gè)陣列能夠形成一個(gè)圓柱半徑小于安裝圓柱的覆蓋聲場，在此聲場內(nèi)的所有點(diǎn)均能夠?qū)崿F(xiàn)超聲聚焦治療。

步驟五、通過B超檢測裝置，實(shí)時(shí)反饋聚焦位置信息，進(jìn)行閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，修正姿態(tài)誤差。

此步驟與傳統(tǒng)超聲聚焦醫(yī)療裝置的不同之處在于，采用B超設(shè)備進(jìn)行超聲聚焦裝置的反饋控制，從而實(shí)現(xiàn)精確定位。

對于需要確定聚焦位置是否滿足要求，采用B超設(shè)備進(jìn)行反饋控制，在進(jìn)行匯聚的同時(shí)可以選擇逐漸匯聚，即每次只增加一個(gè)超聲陣列的匯聚，并且用B超設(shè)備監(jiān)測聚焦區(qū)域，觀測是否達(dá)到聚焦效果，對于未達(dá)到聚焦效果的及時(shí)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，從而達(dá)到閉環(huán)反饋控制效果。

基于上述一種穿戴式醫(yī)學(xué)超聲治療聲發(fā)射陣列定位與聲束聚焦方法的裝置：

它包括3種可穿戴裝置——頭戴式，四肢佩戴式和軀干佩戴式裝置，陣列產(chǎn)生超聲的壓電陶瓷裝置、控制陣列偏轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)、測量陣列姿態(tài)信息的磁定位的磁放射器和磁接收器、控制超聲陣列運(yùn)動的小型機(jī)械臂、控制機(jī)械臂的舵機(jī)、控制系統(tǒng)運(yùn)行的FPGA模塊、進(jìn)行存儲的RAM和ROM模塊、上位機(jī)的arm嵌入式系統(tǒng)模塊、系統(tǒng)穩(wěn)定供電的電源模塊以及用于顯示實(shí)時(shí)效果的顯示器模塊，結(jié)合B超設(shè)備可以進(jìn)行位置姿態(tài)的反饋控制。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

1）針對現(xiàn)有HIFU設(shè)備體積巨大，安裝困難，投資開發(fā)以及維修成本高的情況，在基于便攜式B超檢測設(shè)備和控制系統(tǒng)小型化的基礎(chǔ)上，有效的利用了機(jī)械臂自由度高，超聲陣列體積小的特點(diǎn)，提出了一種穿戴式醫(yī)學(xué)超聲治療裝置及其聲發(fā)射陣列定位與聲束聚焦方法，可以便攜可穿戴的進(jìn)行超聲聚焦治療，大大降低了安裝維護(hù)成本，提高了便捷性。

2）利用磁定位器對姿態(tài)信息的精確定位，機(jī)械臂的多自由度控制以及電機(jī)對于超聲陣列的廣角控制，能夠有效的增大單個(gè)陣列的覆蓋面積，將多個(gè)機(jī)械臂上的超聲陣列通過FPGA運(yùn)算時(shí)延實(shí)現(xiàn)超聲匯聚，能夠大大的提高可穿戴裝置的超聲聚焦覆蓋面積，不需要治療對象移動位置，就能夠?qū)Χ鄠€(gè)靶區(qū)進(jìn)行治療。

附圖說明

圖1 為本發(fā)明的流程圖；

圖2 為頭戴式醫(yī)學(xué)超聲治療裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3 為頭戴式醫(yī)學(xué)超聲治療裝置的超聲覆蓋仿真圖；

圖4 為四肢佩戴式醫(yī)學(xué)超聲治療裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5 為四肢佩戴式醫(yī)學(xué)超聲治療裝置的超聲覆蓋仿真圖；

圖6 為軀干佩戴式醫(yī)學(xué)超聲治療裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7 為軀干佩戴式醫(yī)學(xué)超聲治療裝置的超聲覆蓋仿真圖；

圖8 為超聲陣列控制以及磁定位測量結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9 為FPGA測量計(jì)算陣列姿態(tài)信息以及實(shí)現(xiàn)聚焦系統(tǒng)架構(gòu)圖；

圖10為FPGA、arm、存儲器、顯示器、模數(shù)轉(zhuǎn)換和電源模塊組成架構(gòu)圖；

圖11 為磁定位器測量下局部坐標(biāo)系向全局坐標(biāo)系變換的圖示；

圖12 為超聲陣列聚焦示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合圖1、圖8和圖9說明本實(shí)施方式，根據(jù)患者的具體超聲聚焦治療病兆位置和裝置能夠聚焦的位置進(jìn)行客觀分析穿戴式確定適用情況。

執(zhí)行步驟一：選擇三種裝置中的具體的一種，通過調(diào)用圖3、圖5和圖7存儲好的裝置的聚焦位置信息，確定能夠聚焦的位置，并且將裝置的姿態(tài)位置信息和聚焦點(diǎn)需要的超聲陣列的延時(shí)信息存儲成數(shù)據(jù)表，以備FPGA調(diào)用。

執(zhí)行步驟二：將病兆區(qū)域涂抹治療使用試劑，保證超聲聚焦裝置跟人體無隙結(jié)合，適當(dāng)擺放軀干式治療裝置的機(jī)械臂位置，防止在解算過程中因?yàn)闊o法到達(dá)指定位置而存在死角。

執(zhí)行步驟三：根據(jù)磁定位接收器確定軀干式裝置的位置(x,y,z)和角度(α,β,γ)信息，通過坐標(biāo)變換方程：

其中，，求得機(jī)械臂的超聲陣列的坐標(biāo)位置。

根據(jù)超聲陣列的坐標(biāo)位置，確定超聲陣元的延時(shí)時(shí)間，根據(jù)余弦定理可得：

-L

式中，L——焦點(diǎn)到陣列弧面的距離；

——第n通道與焦點(diǎn)到陣列弧面距離到距離差，其中n＝0～N（N為陣列數(shù)目）；

R——凸陣探頭半徑；

——第n通道陣列中心線與該組陣列陣列中心線的夾角。

設(shè)為相鄰陣列間的夾角，則有：

，這里c為超聲波在人體內(nèi)的傳播速度，通常取1540m/s，整理后可得：

通過控制聚焦延時(shí)時(shí)間，能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)超聲單元的聚焦，而可穿戴式裝置存在一系列超聲單元，因此需要根據(jù)坐標(biāo)變換，整理出所有超聲陣列的延時(shí)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)超聲聚焦治療。并且通過磁定位接收器實(shí)時(shí)反饋控制超聲陣列的聚焦位置，實(shí)現(xiàn)精確定位。

執(zhí)行步驟四：結(jié)合顯示器確定超聲聚焦的聚焦中心信息，通過ARM和FPGA的交互進(jìn)行解算，計(jì)算出聚焦所需控制的每個(gè)機(jī)械臂的位移信息，并且利用磁定位器實(shí)時(shí)反饋控制。具體的工作方式如下：

1）根據(jù)選擇的可穿戴超聲聚焦治療裝置，如果選擇的是軀干式穿戴裝置，磁定位采集每組超聲陣列的姿態(tài)信息，連同機(jī)械臂自己的旋轉(zhuǎn)伸曲姿態(tài)一并作為坐標(biāo)信息傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA和ARM進(jìn)行通信，ARM獲取每組超聲陣列的姿態(tài)信息后，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，都轉(zhuǎn)換到同ARM所處位置相同的同一坐標(biāo)系下；

2）ARM能夠?qū)⒆鴺?biāo)信息顯示在屏幕上，操作人員在屏幕上選擇需要的聚焦位置，選擇后輸入到顯示器中；

3）ARM通過選擇的聚焦位置進(jìn)行解算，獲得每個(gè)超聲陣列需要旋轉(zhuǎn)和伸縮的參數(shù)，以及產(chǎn)生聚焦超聲，每組陣列需要產(chǎn)生的延時(shí)時(shí)間；ARM將計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)傳輸給FPGA；

4）FPGA針對獲得的姿態(tài)參數(shù)，將余弦正弦函數(shù)值通過查詢ROM表格形式獲得，從而確定最終的姿態(tài)信息，并且控制機(jī)械臂移動到指定位置，完成超聲聚焦；

5）如果選擇的是頭戴式醫(yī)學(xué)超聲裝置，結(jié)合圖2和圖3，可以佩戴在頭部，并且每個(gè)陣列在電機(jī)的控制下能夠進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，每個(gè)超聲陣列能夠形成一個(gè)圓錐形的覆蓋聲場，在電機(jī)控制的旋轉(zhuǎn)下，多個(gè)超聲陣列能夠形成一個(gè)半徑小于安裝半球的小的半球形覆蓋聲場，在此聲場內(nèi)的所有點(diǎn)均能夠?qū)崿F(xiàn)超聲聚焦治療；

6）如果選擇的是四肢穿戴式醫(yī)學(xué)超聲裝置，結(jié)合圖4和圖5，四肢穿戴式醫(yī)學(xué)超聲裝置不具備機(jī)械臂，而是將超聲陣列安裝在圓柱體上，并且每個(gè)超聲陣列上面安裝磁定位接收器，可以采集超聲陣列的姿態(tài)信息，因此只存在旋轉(zhuǎn)參數(shù)，不存在伸縮參數(shù)，其他同1）、2）、3）、4）；其佩戴在四肢上，并且每個(gè)陣列在電機(jī)的控制下能夠進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，每個(gè)超聲陣列在不動的情況下能夠形成一個(gè)圓錐形的覆蓋聲場，結(jié)合電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，多個(gè)陣列能夠形成一個(gè)圓柱半徑小于安裝圓柱的覆蓋聲場，在此聲場內(nèi)的所有點(diǎn)均能夠?qū)崿F(xiàn)超聲聚焦治療。

執(zhí)行步驟五：對于需要確定聚焦位置是否滿足要求，采用B超設(shè)備進(jìn)行反饋控制，在進(jìn)行匯聚的同時(shí)可以選擇逐漸匯聚，即每次只增加一個(gè)超聲陣列的匯聚，并且用B超設(shè)備監(jiān)測聚焦區(qū)域，觀測是否達(dá)到聚焦效果，對于未達(dá)到聚焦效果的及時(shí)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，從而達(dá)到閉環(huán)反饋控制效果。

通過以上步驟的有序運(yùn)行，就可以實(shí)現(xiàn)可穿戴式醫(yī)學(xué)超聲治療裝置的聲定位和聚焦的治療方案。

本發(fā)明針對目前的超聲聚焦治療技術(shù)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，安裝調(diào)試復(fù)雜，采購維護(hù)成本高昂的現(xiàn)狀，采用一種穿戴式醫(yī)學(xué)超聲裝置及其聲發(fā)射陣列定位與聲束聚焦方法。通過機(jī)械臂控制多組陣列在空間中的位置，并且結(jié)合磁定位系統(tǒng)確定每個(gè)陣列的空間姿態(tài)信息，經(jīng)過FPGA的解算能夠控制多組陣列覆蓋較大面積的治療靶區(qū)，并且通過嵌入式和集成化實(shí)現(xiàn)可穿戴特性，從而減少了固定設(shè)備的銹蝕難以清理，以及一次治療病患靶區(qū)面積小不方便等諸多方面的問題。最后在完成姿態(tài)解算，延時(shí)計(jì)算后，進(jìn)行超聲的匯聚，并且通過B超設(shè)備進(jìn)行反饋檢測，實(shí)時(shí)修正姿態(tài)位置，并且實(shí)時(shí)顯示。

本發(fā)明通過以上方法提出一種針對超聲聚焦治療的具體方法和裝置設(shè)計(jì)方案，也就是通過磁定位，機(jī)械臂和多組陣列的有效組合實(shí)現(xiàn)超聲聚焦治療裝置的便攜，聚焦廣泛的特點(diǎn)。本發(fā)明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?qū)崿F(xiàn)更大的聚焦覆蓋面，從而一次治療患者多個(gè)靶區(qū)的目的。