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      用于控制相控陣聚焦超聲系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法

      文檔序號:2823853閱讀:228來源:國知局
      專利名稱:用于控制相控陣聚焦超聲系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明主要涉及聚焦超聲系統(tǒng),尤其涉及一種控制聚焦超聲系統(tǒng)中的相控陣換能器的系統(tǒng)和方法,目的是將由各個換能器元件所傳送的聲能聚焦位于患者體內(nèi)的一個或多個目標聚焦區(qū)。
      背景技術(shù)
      高強度聚焦的聲波,例如超聲波(頻率高于約20千赫),可用于治療患者體內(nèi)的內(nèi)部組織區(qū)域的病變。例如,超聲波可用于切除腫瘤,從而免于進行外科手術(shù)。為此目的,具有由電信號驅(qū)動的產(chǎn)生超聲能量的壓電換能器的聚焦超聲系統(tǒng)已得到應(yīng)用。
      在諸如聚焦超聲系統(tǒng)這樣的系統(tǒng)中,換能器置于患者體外,但通??拷颊唧w內(nèi)要切除的目標組織(靶組織)區(qū)域。換能器按一定的幾何形狀進行塑形(確定形狀)和定位,因此超生能量被聚焦于一個與患者體內(nèi)目標組織區(qū)域相對應(yīng)的“聚焦區(qū)”,加熱目標組織區(qū)域直到使其壞死。該換能器可對位于相近部位的多個病灶進行依次聚焦和放射。例如,可應(yīng)用這種系列的“超聲波治療”使完整的組織結(jié)構(gòu),諸如有一定大小和形狀的腫瘤凝結(jié)壞死。
      用圖解的方法說明如下,圖1顯示了一個具有“球冠”形狀的相控陣換能器10。該換能器10包括多個置于一個曲面上的同心環(huán)12,該曲面具有一個限定部分球體的曲率半徑。同心環(huán)12通常具有相等的表面積,并且可以沿圓周14分成許多彎曲的換能器元件或區(qū)段16,形成換能器10表面的“瓦形”面。換能器元件16由壓電材料制成,當被接近壓電材料共振頻率的正弦波驅(qū)動時,元件16按照激勵正弦波的相位和振幅振動,從而產(chǎn)生需要的超聲波能。
      如圖2所示,分別控制每個換能器元件16的正弦驅(qū)動信號的相對相位改變和振幅,以便使所發(fā)射的超聲波能18匯集在具有理想的聚焦平面和立體形式的聚焦區(qū)20??赏ㄟ^調(diào)整相應(yīng)換能器元件16的信號相位加以完成,其方式為使它們在特定的位置積極干涉,在其它位置破壞性地消除。例如,如果每一個元件16都依次被同相位的驅(qū)動信號驅(qū)動,(被稱為“0模式”),發(fā)射的超聲波能量18被聚焦在一個相對較窄的聚焦區(qū)上。作為選擇,元件16可以被相應(yīng)具有預(yù)確定偏移相位關(guān)系的驅(qū)動信號驅(qū)動(參照Umemura等人被授權(quán)的美國專利4,865,042,被稱為“模式n”)。這形成了一個包括設(shè)置在一個環(huán)面周圍的多個2n區(qū)的聚焦區(qū),就是說,總體上限定了一個環(huán)形形狀,產(chǎn)生較寬的聚焦,造成與聚焦區(qū)交叉的聚焦平面內(nèi)的較大面積的組織區(qū)壞死。通過對從換能器陣列發(fā)射的能量的相對相位和振幅的控制,能夠產(chǎn)生多種距離、形狀和方位(相對于對稱軸)的聚焦區(qū)域,包括光束的引導(dǎo)和掃描,使聚焦光束能夠進行電子控制來覆蓋和治療病人體內(nèi)的一個目標組織區(qū)域內(nèi)的多個點。
      用于獲得特定聚焦區(qū)域特性的更先進的技術(shù)在以下文件中披露美國專利申請S/N 09/626,176,申請日2000年7月27日,標題為“用聚焦超聲方式控制聚焦點周圍聲能分布的系統(tǒng)和方法(Systems and Methods for Controlling Distribution of Acoustic EnergyAround a Focal Point Using a Focused Ultrasound System)”;美國專利申請S/N 09/556,095,申請日2000年4月21日,標題為“用于在相控陣聚焦超聲系統(tǒng)中減少次熱點的系統(tǒng)和方法(Systems andMethods for Reducing Secondary Hot Spots in a Phased Array FocusedUltrasound System)”;和美國專利申請S/N 09/557,078,申請日2000年4月21日,標題為“采用定向聚焦超聲系統(tǒng)形成更大的壞死體積的系統(tǒng)和方法(Systems and Methods for Creating Longer NecrosedVolumes Using A Phased Array Focused Ultrasound System)”實施這些聚焦區(qū)域的定位和塑形技術(shù),來提供允許單獨控制每個換能器元件的相位的換能器控制系統(tǒng)是很有意義的。為了提供聚焦區(qū)域的精確定位和動態(tài)運動以及再定形,希望能夠使每個元件的相位和/或振幅的改變的相對更快一些,例如在μ秒范圍內(nèi)切換聚焦區(qū)域特性或操作模式。正如美國專利申請S/N 09/556,095中所述的,也希望能夠快速地改變一個或多個元件的驅(qū)動信號頻率。在MRI引導(dǎo)的聚焦超聲系統(tǒng)中,希望能夠驅(qū)動超聲換能器陣列而不產(chǎn)生電諧波、噪音或會干擾生成圖像的超敏感接受器信號的場。
      因此希望提供可單獨控制和動態(tài)改變相控陣聚焦超聲換能器中每個換能器元件的驅(qū)動電壓、相位以及振幅而對成像系統(tǒng)沒有干擾的系統(tǒng)和方法。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明提供了一種用于控制相控陣聚焦超聲換能器的單個驅(qū)動正弦波的相位和振幅的系統(tǒng)和方法。在一個實施例中,使用數(shù)字電位計將從相位分別為0°、90°、180°和270°的4個正交的正弦基波(bases sinuses)中選定的2個正弦基波的振幅標度(scale)為分量正弦矢量。該分量正弦矢量經(jīng)線性合成,以生成選定相位和振幅的單個正弦波。使用數(shù)控(數(shù)字控制)電位計可數(shù)控不同的聚焦特性之間的切換。例如,可以將任何數(shù)目的可能的關(guān)于聚焦區(qū)域距離、形狀和方向的相應(yīng)的輸入?yún)?shù)儲存在一個綜合表中或存儲器中,以便在μ秒范圍內(nèi)在不同聚焦區(qū)域特性之間切換。
      在一個優(yōu)選實施例中,很容易實現(xiàn)輸出頻率的變化而不影響換能器輸出的特定聚焦區(qū)域特性。為此目的,通過用以產(chǎn)生單個的正弦波的由中央控制器至相應(yīng)的控制通道傳送的有順的多套數(shù)控信號(或“超聲波治療參數(shù)”),來實現(xiàn)聚焦區(qū)域的距離、形狀和/或方向的順序變化。可以按照單一熱劑量或“超聲波治療”隨時間域變化的函數(shù)改變數(shù)控信號。也就是說,在單一超聲波治療期間,在此提供的系統(tǒng)和方法可以以一定的速率切換超聲能光束的聚焦形狀和位置,該速率與患者組織中的傳熱時間常數(shù)相比相對較高。
      根據(jù)本發(fā)明的另一個方面,對于每個正弦波,每套超聲波治療輸入?yún)?shù)都有相應(yīng)套的預(yù)定的或計劃的輸出相位和振幅。然后即可測量實際輸出水平,如果對于相應(yīng)正弦波,實際相位或振幅與預(yù)計的值不同,則作為預(yù)防性的安全措施,需要關(guān)閉特定的驅(qū)動正弦波或者整個系統(tǒng)。
      本發(fā)明的其他目的和特點,可以通過下文結(jié)合附圖的詳細說明來理解。


      本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合附圖進行說明,但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制,其中圖1是一個示例性的球冠換能器的俯視圖,該換能器包括在一相控陣中被驅(qū)動的多個換能器元件。
      圖2是圖1換能器部分剖開的側(cè)視圖,說明在目標聚焦區(qū)域中聚焦超聲能的集中發(fā)射。
      圖3是用于操作聚焦超聲系統(tǒng)中相控陣換能器的優(yōu)選控制系統(tǒng)的方塊圖。
      圖4是一個用于生成圖3系統(tǒng)中單個換能器元件正弦波的優(yōu)選電路實施例的示意圖。
      圖5說明了用于代表正弦波的復(fù)合平面中的一個矢量。
      圖6說明了第一個和第二個正弦矢量加和生成第三個正弦矢量。
      圖7(a)-(d)說明圖3系統(tǒng)中不同相位的正弦矢量的生成。
      圖8是另一個生成圖3系統(tǒng)中相應(yīng)換能器元件正弦波的優(yōu)選電路實施例的示意圖。
      圖9是示范性的MRI引導(dǎo)的聚焦超聲系統(tǒng)的方塊圖。
      圖10是用于操作圖9聚焦超聲系統(tǒng)中相控陣換能器的優(yōu)選控制系統(tǒng)的方塊圖。
      具體實施例方式
      圖3說明了聚焦超聲系統(tǒng)中用于驅(qū)動相控陣換能器24的優(yōu)選系統(tǒng)22。換能器24包括n個單獨的換能器元件(圖中未示出),盡管存在相位和/或控制振幅的偏移,每個換能器元件都被相同頻率下單個的正弦波(sinusi)分別驅(qū)動。尤其是,控制系統(tǒng)22可分別控制從每個換能器元件發(fā)射出的超聲能的相位和振幅。在替代實施例中,2個或多個換能器元件可能由相同的正弦驅(qū)動信號驅(qū)動,在相控陣中的換能器元件可能在不同的頻率下被驅(qū)動。同時,對于換能器,不需要有特殊的幾何形狀,例如它可以是球冠、線性陣列或其他形狀。
      用于驅(qū)動換能器24的所有換能器元件的正弦波最好來自于一個單獨的正弦源32(source sinus),提供純信號,即失真少、噪音低,以避免與聚焦超聲系統(tǒng)成像形態(tài)(如MRI)的信號相干擾。在一優(yōu)選實施例中,源正弦32由直接的數(shù)字合成器(direct digitalsynthesizer)生成,因此其頻率很容易在寬范圍輸出頻率之間變換。相矢量生成器34生成來自正弦源32的多個“基礎(chǔ)”正弦波(正弦基波)。在所述的控制系統(tǒng)22中,相矢量生成器34產(chǎn)生4個正弦基波,每個正弦波的相位偏移90°,即這些正弦基波各自的相位為0°、90°、180°和270°。通過本披露的全部內(nèi)容可以理解到,在替代實施例中可以最少生成3個正弦基波來實施本發(fā)明披露的內(nèi)容。在其他實施例中,可以采用4個以下或多于4個的正弦基波。非限定性地,這些正弦基波可以采用相互偏移120°的3個正弦基波,相互偏移60°的6個正弦基波,相互偏移45°的8個正弦基波。在不偏離本發(fā)明所披露的技術(shù)構(gòu)思的情況下,正弦基波的數(shù)目和相應(yīng)的相位偏移量可以根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員的設(shè)計選擇而有所不同。
      正弦基波經(jīng)過阻尼器36分配到每個“n”控制通道26,在此生成換能器24各n換能器元件相應(yīng)的正弦驅(qū)動信號。作為從0°參考信號線性相位偏移90°的替代設(shè)計,有可能使用2個DDS裝置來生成0°和90°參考信號,緊接著通過簡單的反向器生成4個基礎(chǔ)參考正弦波0°、90°、180°(0°的反向)以及270°(90°的反向)。尤其是,每個控制通道26以數(shù)控信號28的形式接受來自中央控制器的指示,中央控制器由數(shù)字硬件電路(例如,可在FPGA,CPLD或ASIC上實施)或控制器(圖中未示出)組成,控制器控制所要生成的相應(yīng)正弦(sinusi)的相位和振幅。另一個控制器(圖中未示出)控制正弦源32的輸出頻率。數(shù)控信號28包含數(shù)控電位計30的相應(yīng)輸入?yún)?shù),該數(shù)控電位計位于每個控制通道26中。按照下面更詳細的說明,該數(shù)控電位計根據(jù)相應(yīng)輸入?yún)?shù)中所包含的阻抗值精確地標度每個正弦基波的振幅。
      然后,標度后的正弦波經(jīng)過一個加法放大器38生成相應(yīng)的具有特定結(jié)構(gòu)的相位偏移和振幅的驅(qū)動正弦(波)。生成的驅(qū)動正弦經(jīng)過一個放大級40將信號提高到一個需要的電平用以驅(qū)動相應(yīng)的換能器元件。來自控制通道26的放大的正弦波通過捆成一個或多個傳輸電纜44的各個導(dǎo)線42傳送。在換能器24,導(dǎo)線42被分開并根據(jù)現(xiàn)有的導(dǎo)線—換能器連接技術(shù)被電連接到相應(yīng)的換能器元件。
      圖4通過一個優(yōu)選的實施例進行更詳細的說明,每個控制通道26中提供一個組件31,該組件包括4個數(shù)字電位計30,例如模擬裝置型號(Analog Devices model)AD8403。4個正弦基波(0°,90°、180°和270°)被輸入到組件31中相應(yīng)的數(shù)字電位計30。來自相應(yīng)數(shù)控信號28的輸入?yún)?shù)(例如電位計阻抗值)也被輸入到相應(yīng)的數(shù)字電位計30。根據(jù)輸入?yún)?shù),將正弦基波中的2個完全標度成0,將其他2個(正交的)正弦基波的振幅分別標度成由數(shù)字輸入?yún)?shù)所確定的值。尤其是,使用與所要生成的正弦波(sinusi)的特定相角最接近的2個正弦基波,而不需要使用其他2個正弦基波。然后,將“標度的”正弦基波29通過加法放大器38線性合成以生成相應(yīng)的正弦波(sinusi)。
      可以理解,利用數(shù)字電位計30標度正弦基波可以實現(xiàn)換能器24聚焦區(qū)域的相應(yīng)距離、形狀和/或方向(這里通稱為“聚焦區(qū)域特性”)之間的數(shù)控切換。例如,使用場編程門陣列(FPGA)就可以將可能的聚焦區(qū)域特性的相應(yīng)輸入?yún)?shù)存儲到一綜合表或存儲器中。利用數(shù)控信號28將參數(shù)輸送至相應(yīng)的控制通道26。通過將不同組的存儲數(shù)控信號28輸送至相應(yīng)的控制通道26實現(xiàn)在μ秒范圍內(nèi)該聚焦區(qū)域特性之間的切換。也可以快速地改變源正弦的頻率(包括或不包括不同組相關(guān)控制參數(shù))。
      為此目的,通過從中央控制器至相應(yīng)的控制通道26傳送的有序的多套數(shù)控信號28,可以實現(xiàn)換能器聚焦區(qū)域特性的順序改變,該信號按單一熱劑量或“超聲波治療”的部分由時域函數(shù)分離。換句話說,在單一超聲波治療期間,系統(tǒng)22能夠以一定的速率在超聲能光束的不同形狀之間切換,該速率與患者組織中的傳熱時間常數(shù)相比相對較高。這種能力是通過在一個超聲波治療期間進行多次“次-超聲波治療”而得以實現(xiàn)。
      舉例來說,10秒時間的超聲波治療可以包括每秒改變輸出頻率(例如在2個頻率之間來回改變以減少次熱點),同時每0.25秒獨立改變相應(yīng)的換能器聚焦區(qū)域特性。次-超聲波治療之間每0.25秒的過渡最好在最小的線振動下完成,同時不要受中央控制器的干擾。一種用于優(yōu)化聚焦超聲系統(tǒng)超聲波治療參數(shù)的系統(tǒng)在申請日為2000年11月28日的題目為“控制熱治療系統(tǒng)中熱劑量的方法和設(shè)備(Methods and Apparatus for Controlling Thermal Dosing in aThermal Treatment System)”的美國專利申請S/N 09/724,670中有所披露。
      按照控制系統(tǒng)22采用的總體構(gòu)思,每個控制通道26中的正弦基波的特定標度和線性合成,以及所生成的特定正弦(sinusi)的相位和振幅均按以下方式確定一個給定的正弦波“i”有實部和虛部,可以在復(fù)合平面中表示為矢量Aicos(ωt+α),其中A為振幅,ω為頻率,α為正弦波i的相位。矢量Ai可表示成圖5中X-Y坐標系下的Ai∠αimag。還參照圖5,矢量Ai也可按照表達式Ai=K1*Y+K2*X表示成兩個正弦基波矢量0°(K1*Y)和90°(K2*X)之和,其中K1和K2分別是0°和90°正弦基波常數(shù)的振幅。這樣,通過精確地標度相應(yīng)正弦基波的振幅,就可以通過將兩個標度的正弦基波加和到一起而得到0°至90°之間任何相位的矢量(sinusi)。據(jù)此,有可能得到所需振幅下0°至360°之間的任何加和矢量。
      與此相似,參見圖6,只要角度α3介于單個的角α1和α2之間,就可以根據(jù)關(guān)系式A1cos(ωt+α1)+A2cos(ωt+α2)=A3cos(ωt+α3)將第一個正弦矢量A1與第二個正弦矢量A2加和生成第三個正弦矢量A3。因此,任何給定相角αi的正弦矢量都可以由0°,90°,180°和270°的正弦基波來獲得。還可以看到,只要三個正弦基波的相位相互間相差至少90°,任何相位的正弦都可通過少至三個的正弦基波如0°,120°和240°得到。同時也可以理解到,數(shù)目更多的正弦基波如0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°和315°也可以被采用。
      圖7(a)-(d)進一步說明由正弦基波矢量A∠90°和A∠0°生成不同的正弦矢量A∠78.75°和A∠67.5°,A∠56.25°和A∠45°。特別要說明的是,正弦矢量A∠45°是通過將正弦基波矢量A∠90°和A∠0°標度和加和而得到的。在該例中,180°和270°的正弦基波都被相應(yīng)的數(shù)字電位計30標度為0。正弦矢量A∠67.5°是通過將正弦基波矢量A∠90°和正弦矢量A∠45°標度和加和而得到的。正弦矢量A∠78.75°是通過將正弦基波矢量A∠90°和正弦矢量A∠67.5°標度和加和而得到的。正弦矢量A∠56.25°是通過將正弦矢量A∠67.5°和正弦矢量A∠45°標度和加和而得到的。
      圖8表明系統(tǒng)22的另一個可選實施例,其中,使用多個交叉切換陣列(Crosspoint Switch Array)33從而減少所需數(shù)字電位計30的總數(shù)量。尤其是,4-乘-4交叉切換陣列33,諸如模擬裝置型號AD8108接受4個正弦基波(0°,90°,180°和270°)。數(shù)控信號28中的一個或多個參數(shù)場被輸入到相應(yīng)的交叉切換陣列33,使陣列分離,通過所需的2個相應(yīng)的正弦基波從而生成特定的通道正弦波sinusi,最后送至一對電位計30。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的,可以使用其它型號和尺寸的交叉切換陣列以便使在一個或多個控制通道26中所需的相應(yīng)的正弦基波對分離。值得注意的是,每個通道26必須包括至少2個數(shù)字電位計30以便確定相應(yīng)正弦波的相位和振幅。
      為了更好的理解在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思,圖9說明一個示范性的MRI-引導(dǎo)的聚焦超聲系統(tǒng)80。該系統(tǒng)80通常包括MRI設(shè)備82,該設(shè)備包括可容納患者臺86的圓柱形腔室84。將一個密封的水浴88嵌入(或位于頂部)患者臺86的某一位置,該位置是適于接近躺在患者臺86上的患者體內(nèi)要治療的目標組織區(qū)域。水浴88內(nèi)有一個具有“n”個換能器元件的移動式相控陣換能器90。換能器90最好具有與圖3中換能器24相似的球冠形狀。關(guān)于控制換能器90沿X和Y坐標以及俯仰、滾動和偏轉(zhuǎn)等位置的優(yōu)選換能器定位系統(tǒng)的特定細節(jié)在申請日為2000年7月31日的題目為“MRI導(dǎo)向超聲治療系統(tǒng)(Mechanical Positioner For MRI Guided UltrasoundTheraoy System)”的美國專利申請S/N 09/628,964中已經(jīng)披露。關(guān)于MRI引導(dǎo)的聚焦超聲系統(tǒng)的一般細節(jié)在美國專利5,247,935,5,291,890,5,323,779和5,769,790中披露。
      MRI設(shè)備82和患者臺86位于一個屏蔽的MRI室92內(nèi)。主控計算機(“主控制器”)94位于相鄰的設(shè)備間96,以便不干擾MRI設(shè)備82的操作(反之亦然)。主控制器94與換能器光束控制系統(tǒng)(“換能器控制器”)98進行通訊,該換能器控制器最好置于患者臺86較低周邊處以便不干擾MRI設(shè)備82的操作??傊?,主控制器94與換能器光束控制系統(tǒng)98完成以上所述控制系統(tǒng)22的功能。尤其是,對于系統(tǒng)80實施的每個患者治療期,主控制器94向換能器控制系統(tǒng)98提供超聲波治療參數(shù)?;颊咧委熎谝话惆ㄒ幌盗谐暡ㄖ委?,例如,每次超聲波治療持續(xù)約10秒,2次超聲波治療之間有大約90秒的冷卻期。每次超聲波治療本身通常包括多個次超聲波治療,例如,每次約1/2秒,其中頻率和/或聚焦區(qū)域特性隨著每個次超生波治療的不同而改變。由主控制器94向換能器控制器98提供的超聲波治療參數(shù)包括數(shù)控參數(shù),用于設(shè)定每個次超聲波治療期間,換能器90的每個換能器元件的驅(qū)動正弦波的相位偏移和振幅。
      MRI工作臺100也位于設(shè)備間96內(nèi),在該工作站上,可以將患者體內(nèi)治療區(qū)域的圖像展現(xiàn)給監(jiān)視治療的主治醫(yī)師或技術(shù)人員。正如美國專利申請S/N09/724,670所述的,在治療期間,該MRI工作臺100最好向主控制器94提供患者目標組織區(qū)域的實時組織溫度變化的反饋圖像。主控制器94可以對超聲波治療參數(shù)加以調(diào)整,以便根據(jù)反饋圖像確保治療期的超聲波治療效果。
      參見圖10,在每次治療期開始之前,以及每次超聲波治療后的冷卻期期間,換能器控制器98從主控制器94接收下一次超聲波治療的超聲波治療參數(shù),并將參數(shù)存入存儲器104中。在超聲波治療開始,參數(shù)被輸入到n相應(yīng)的控制通道106,以便由源正弦發(fā)生器110和矢量發(fā)生器112產(chǎn)生n驅(qū)動正弦波108,以驅(qū)動換能器90的n換能器元件。
      優(yōu)選地,主控制器94被設(shè)置為監(jiān)測每次超聲波治療期間患者的安全,通過監(jiān)測相應(yīng)正弦驅(qū)動信號的實際輸出相位和振幅,然后將實際值與相應(yīng)的超聲波治療參數(shù)的預(yù)定或計劃輸出值進行比較。在一個實施例中,通過將送入主控制器94A/D板的(全放大)驅(qū)動正弦波108進行低噪音多路化處理來實現(xiàn)上述功能,其中在主控制器94進行測量。如果實際相位或振幅與相應(yīng)正弦的預(yù)定值不同,則作為預(yù)防性的安全措施需要關(guān)閉特定的驅(qū)動正弦波108或者整個系統(tǒng)80。
      盡管本發(fā)明已經(jīng)參照附圖和優(yōu)選實施例進行了詳細說明,但是,對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說,本發(fā)明可以有各種更改和變化。本發(fā)明并不僅限于在此披露的特定形式或方法,相反,本發(fā)明的各種更改,變化,和等同物由所附的權(quán)利要求書的內(nèi)容涵蓋。
      權(quán)利要求
      1.一種聚焦超聲系統(tǒng),包括一個具有多個換能器元件的換能器;和一個驅(qū)動電路,用于給換能器元件提供驅(qū)動信號,使換能器元件發(fā)射聲能,所述驅(qū)動電路包括用于控制驅(qū)動信號的相對相位偏移和/或振幅的數(shù)控元件。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),還包括一個控制器,所述控制器用于向數(shù)控元件提供輸入?yún)?shù)從而控制驅(qū)動信號的相對相位偏移和/或振幅,以確定由換能器元件發(fā)射的聲能聚焦區(qū)域的距離、形狀、方向、或者其結(jié)合。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),還包括一個控制器,所述控制器用于向數(shù)控元件提供輸入?yún)?shù),其中所述輸入?yún)?shù)對應(yīng)于超聲波治療期間換能器元件的預(yù)期相位偏移、振幅或兩者,所述控制器可監(jiān)視超聲波治療期間換能器元件的實際相位偏移、振幅或兩者,并將實際相位偏移、振幅或兩者與預(yù)期相位偏移、振幅或兩者進行比較。
      4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng),其中所述控制器被設(shè)計為如果實際相位偏移、振幅或兩者與預(yù)期相位偏移、振幅或兩者相差較多,就關(guān)閉一個或多個換能器元件驅(qū)動信號。
      5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其中所述驅(qū)動電路包括正弦發(fā)生器,所述正弦發(fā)生器提供生成驅(qū)動信號的源正弦波。
      6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng),其中所述正弦發(fā)生器可改變源正弦波的頻率。
      7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng),所述驅(qū)動電路還包括矢量發(fā)生電路,用于由源正弦波生成多個正弦基波,所述正弦基波的相位相互偏移。
      8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng),其中所述矢量發(fā)生電路產(chǎn)生來自源正弦波的4個正弦基波,所述正弦基波的相對相位約為0°、90°、180°和270°。
      9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng),其中所述矢量發(fā)生電路產(chǎn)生來自源正弦波的3個正弦基波,所述正弦基波的相對相位約為0°、120°和240°。
      10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng),其中所述矢量發(fā)生電路產(chǎn)生來自源正弦波的6個正弦基波,所述正弦基波的相對相位約為0°、60°、120°、180°、240°和300°。
      11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng),其中所述矢量發(fā)生電路產(chǎn)生來自源正弦波的8個正弦基波,所述正弦基波的相對相位約為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°。
      12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng),其中所述驅(qū)動電路包括多個控制通道,每個控制通道與相應(yīng)的換能器元件相關(guān),電阻元件包括每個控制通道中的多個數(shù)字電位計,所述電位計接收正弦基波和數(shù)控信號的輸入,對選定的輸入正弦基波進行標度,然后標度的正弦基波經(jīng)加和生成相關(guān)換能器元件相應(yīng)的驅(qū)動信號。
      13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其中所述數(shù)控信號作為超聲波治療參數(shù)被存儲,所述系統(tǒng)向相應(yīng)的控制通道提供多個連續(xù)的超聲波治療參數(shù),從而改變由換能器元件發(fā)射的聲能聚焦區(qū)域的距離、形狀、方向、或者其結(jié)合。
      14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng),其中相應(yīng)的驅(qū)動信號的頻率由提供給正弦發(fā)生器的超聲波治療參數(shù)決定。
      15.一種聚焦超聲系統(tǒng),包括一個具有用于發(fā)射聲能的多個換能器元件的換能器;一個用于產(chǎn)生源正弦波的正弦發(fā)生器;矢量發(fā)生電路,用于生成源自源正弦波的多個正弦基波,所述正弦基波的相位相互偏移;多個控制通道,各控制通道與相應(yīng)的換能器元件相關(guān),各控制通道接受正弦基波的輸入,各控制通道具有多個數(shù)控元件,對選定的輸入正弦基波進行標度,具有加和電路的各控制通道對相應(yīng)標度的輸入正弦基波進行加和從而產(chǎn)生驅(qū)動相應(yīng)換能器元件的驅(qū)動正弦波。
      16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng),還包括一控制器,所述控制器向相應(yīng)控制通道的電阻元件提供控制參數(shù),從而控制相應(yīng)驅(qū)動正弦波的相對相位偏移、振幅或兩者,以便確定由換能器元件發(fā)射的聲能聚焦區(qū)域的距離、形狀、方向、或者其結(jié)合。
      17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng),其中所述矢量發(fā)生電路產(chǎn)生來自源正弦波的4個正弦基波,所述正弦基波的相對相位約為0°、90°、180°和270°。
      18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng),其中所述矢量發(fā)生電路產(chǎn)生來自源正弦波的3個正弦基波,所述正弦基波的相對相位約為0°、120°和240°。
      19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng),其中所述矢量發(fā)生電路產(chǎn)生來自源正弦波的6個正弦基波,所述正弦基波的相對相位約為0°、60°、120°、180°、240°和300°。
      20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng),其中所述矢量發(fā)生電路產(chǎn)生來自源正弦波的8個正弦基波,所述正弦基波的相對相位約為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°。
      21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng),其中所述矢量發(fā)生器可改變源正弦的頻率,從而根據(jù)由控制器接受到的輸入?yún)?shù)改變相應(yīng)驅(qū)動正弦波的頻率。
      22.一種用于生成具有相對相位、振幅或兩者的相應(yīng)正弦驅(qū)動信號的方法,用在一個具有多個換能器元件的聚焦超聲系統(tǒng)中,所述換能器元件由相應(yīng)的多個正弦驅(qū)動信號驅(qū)動從而發(fā)射聲能,所述方法包括提供源正弦波;由源正弦波生成多個正弦基波,所述正弦基波的相位相互偏移;標度第一個正弦基波的振幅,產(chǎn)生第一個標度的正弦波;標度第二個正弦基波的振幅,產(chǎn)生第二個標度的正弦波;加和第一個和第二個標度的正弦波以生成相應(yīng)的驅(qū)動信號。
      23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法,其中使用數(shù)控元件標度第一個和第二個正弦基波。
      24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法,還包括在超聲波治療期間,對由相應(yīng)驅(qū)動信號驅(qū)動的換能器元件的實際相位偏移、振幅或兩者與預(yù)期的相位偏移、振幅或兩者進行比較。
      25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法,還包括如果換能器元件的實際相位偏移、振幅或兩者與預(yù)期相位偏移、振幅或兩者比較相差較大,則關(guān)閉換能器驅(qū)動信號。
      全文摘要
      一種控制相控陣聚焦超聲換能器的單個驅(qū)動正弦波的相位和振幅的系統(tǒng)和方法,該系統(tǒng)和方法采用數(shù)控元件將3個或更多個正弦基波的振幅標度為分量正弦矢量。該分量正弦矢量經(jīng)線性合成生成選定相位和振幅的相應(yīng)正弦波。使用數(shù)控控制元件可將換能器聚焦區(qū)域的不同距離、形狀和方向(“特性”)進行數(shù)控切換。將可能的聚焦區(qū)域特性的相應(yīng)輸入?yún)?shù)存儲在一個綜合表中或存儲器中,以便在μ秒內(nèi)對不同聚焦區(qū)域特性進行快速切換。對輸出頻率進行改變而不影響換能器輸出的聚焦區(qū)域特性。以有序的多套數(shù)控信號的形式實現(xiàn)換能器聚焦區(qū)域特性的順序變化,該控制信號從中央控制器傳送到各自的控制通道以產(chǎn)生單個的正弦波??梢园凑兆鳛閱我粺釀┝康囊徊糠值臅r域函數(shù)改變數(shù)控信號。
      文檔編號G10K11/00GK1596432SQ01819664
      公開日2005年3月16日 申請日期2001年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月28日
      發(fā)明者阿夫納·埃齊奧恩, 艾哲朵爾·科利舍爾, 舒克·韋特克 申請人:因賽泰克-特克斯索尼克斯公司
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