一种穿戴式医学超声治疗装置及其声发射阵列定位与声束聚焦方法

摘要

一种穿戴式医学超声治疗装置及其声发射阵列定位与声束聚焦方法，属于医学超声检测与治疗技术领域，本发明解决了现有固定设备安装维护困难，聚焦区域有限的问题。本发明方法包括：步骤一、设计头戴式、四肢佩戴式和躯干佩戴式三种装置，计算设备姿态信息，存储成表格，方便FPGA调用；步骤二、选择装置，安装配置，调节姿态位置防止产生死角；步骤三、运行装置，采集阵列上磁定位装置信息，计算阵列的空间姿态，进行定位，确定装置能够覆盖治疗区域；步骤四、确定治疗的聚焦中心，查表并计算，调节姿态位置和超声阵列发射的时钟延时，形成聚焦中心；步骤五、通过B型超声检测装置，实时反馈聚焦位置信息，进行闭环反馈调节，修正聚焦位置姿态误差。

说明书

技术领域

本发明涉及一种穿戴式医学超声治疗装置及其声发射阵列定位与声束聚焦方法，属于医学超声检测与治疗技术领域。

背景技术

超声波检测及治疗技术自应用于医疗领域以来，得到了飞速发展，其中高强度聚焦超声（HIFU）技术自开发以来，受到国内外的广泛关注，其开创了新型的体外无创手术方式，对于一些特殊疾病的治疗和康复是一次创造性的突破，同时随着医疗条件的改善，控制技术的提高，以及人们对于医疗和术后恢复要求的提高，都促进了HIFU技术的快速发展。

现有的HIFU设备，采用外置式结构，由大功率发生器、治疗头、B超仪器、行程定位机构和操作控制等几大部分组成。存在安装复杂、无法携带、结构复杂、维修成本高等问题，同时要求将人体固定在设备上，超声治疗区域（超声聚焦点）也是固定的，更改治疗位置困难。随着可穿戴技术的发展、超声设备的小型化，越来越需要将HIFU的相应设备小型化，一方面灵活便携易于操作，另一方面降低安装维修成本，当然从技术的角度也提出了一些新的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有医学超声治疗设备不便于携带，设备复杂占地面积大，需要固定人体并且聚焦位置有限的问题，提出一种穿戴式医学超声治疗装置及其声发射阵列定位与声束聚焦方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：结合图1、图8和图9，采用一种穿戴式医学超声装置及其声发射阵列定位与声束聚焦方法。通过机械臂控制多组阵列在空间中的位置，并且结合磁定位系统确定每个阵列的空间姿态信息，经过FPGA的解算能够控制多组阵列覆盖较大面积的治疗靶区，并且通过嵌入式和集成化实现可穿戴特性，从而减少了固定装置的锈蚀难以清理，以及一次治疗病患靶区面积小不方便等诸多方面的问题。最后在完成姿态解算，延时计算后，进行超声的汇聚，并且通过B超设备进行反馈检测，实时修正姿态位置，并且实时显示。

本发明提出一种针对超声聚焦治疗的具体方法和装置设计方案，也就是通过磁定位，机械臂和多组阵列的有效组合实现超声聚焦治疗装置的便携，聚焦广泛的特点。本发明不仅降低超声聚焦治疗装置成本，减少占地面积，方便患者使用，而且能够实现更大的聚焦覆盖面，从而一次治疗患者多个靶区的目的。

本发明所述的一种穿戴式医学超声治疗声发射阵列定位与声束聚焦方法的流程图如图1所示，共分为五个步骤，具体步骤如下：

步骤一、针对设计的3种装置——头戴式、四肢佩戴式和躯干佩戴式，计算每种装置的姿态位置信息和对应的聚焦点需要的超声阵列的延时信息，将主要信息存储成表格，方便FPGA调用。

此步骤与传统超声聚焦医疗装置的不同之处在于，将固定装置改进为可穿戴式装置，并且结合人体不同病灶设计了3种不同装置。

结合图2、图4和图6具体说明，头戴式医学治疗装置如图2所示，用于对于脑内部的治疗项目，将半球形装置戴在头上，每个阵列能够沿着球半径进行移动，从而能够实现跟头部完全贴合。在安装头戴式装置的时候，由于需要完全贴合，因此预先需要将头发去除，头戴式装置能够实现一个内部半球形的聚焦覆盖面积，半球的半径由具体的控制步进电机的运动范围决定。四肢佩戴式是2个对称的半圆柱组成的一个圆柱形结构，并且2部分有锁紧机构，每个在圆柱上的阵列能够沿着环切面的半径轴向移动，因此能够完整的贴合在四肢上，同时其能够做角度上的偏转，因此能够实现多个圆环切面上的超声阵列聚焦到靶区。躯干佩戴式装置是由一个衔接机构和多个携带超声阵列的机械臂组成，其能够通过控制机械臂控制超声聚焦到躯干到任意位置，结合磁定位器和阵列在电机驱动下到偏转角度，能够实现阵列大范围到覆盖靶区到目标。

步骤二、针对具体治疗位置选择相应装置，将治疗对象相应部位进行处理，进行安装配置操作，调节姿态位置防止在运行中存在死角。

此步骤与传统超声聚焦医疗装置的不同之处在于，结合不同治疗位置选择不同的超声治疗装置，并且能够大范围的覆盖治疗区域，从而实现可穿戴超声聚焦治疗。

结合图3、图5和图7具体说明针对不同对靶区选择不同对可穿戴装置。图3，对于头戴式装置，其超声阵列的初始聚焦位置为球体的圆心出，但是阵列单元内部安装有小型步进电机，从而能够驱动超声阵列做圆锥形的旋转偏转，从而能够每个阵列的覆盖面积为一个一定角度的圆锥面，角度大小由步进电机的控制旋转范围决定，整个装置的聚焦面积为所有阵列形成的圆锥几何体的重叠部分。图5，对于四肢佩戴式医学治疗装置，初始阵列沿着圆柱面环形的安装，每个环面上安装的超声阵列的聚焦中心都在环形的圆心处，随着每个阵列的步进电机的驱动，能够实现超声阵列的偏转，从而每组的环面上的聚焦中心可以聚焦在一个半径小于圆柱的内部圆柱范围内，内圆柱的大小随电机的控制范围变化。图7，躯干佩戴式医学超声装置，其每个机械臂有3个自由度，因此能够在空间内自由的移动，每个超声阵列能够在电机的控制下进行偏转，因此能够将聚焦覆盖在多个机械臂组成的几何体内部的任意位置，由于人体柔软度有限，以及人体坐卧姿势的区别，需要具体计算每个聚焦位置中阵列需要的时延值，以及机械臂需要调节的具体位置。

由于治疗位置不同，则需要装置形状不同，选择对应的装置才能够完全贴合，从而才能有效的避免超声散射衰减的产生。同时，调节机械臂的位置，保证每组阵列产生的超声范围能够彼此有效叠加，从而才能够防止产生死角，实现大范围的治疗覆盖。

步骤三、运行装置，采集每个阵列上配置磁定位接收器的信息，根据存储的装置尺寸位置信息，计算每个阵列的空间姿态，对每个超声阵列进行定位，并且通过计算确定装置能够覆盖对治疗区域。

此步骤与传统的超声聚焦医疗装置的不同之处在于，躯干佩戴式装置能够通过控制机械臂结合磁定位装置实现不同靶区的定位。

由于参与超声聚焦的机械臂多大16组甚至更多，每个机械臂都需要调整不同都位置以满足覆盖范围，因此需要磁定位器进行超声阵列的姿态信息采集，通过上位机有效计算出每个阵列需要的偏转角以及机械臂的具体停留位置。

1）根据机械臂的初始长度和旋转角度测算处机械臂端点处的全局坐标值；

2）步骤2、在装置周围有磁定位系统的发射器和控制电子箱，根据磁定位接收器里面有3个相互正交的线圈，当线圈接收到电磁波时产生电磁感应，就可以感知接收探头在三维空间内的运动轨迹；根据磁偶极子模型，可得场点p>B>

可以将永磁体的位置和方向根据定义表示为空间直角坐标系下的3个分量：

其可以通过3个线圈测量磁场，通过计算三个线圈感应的电磁场场强就可以计算出相对于发射器的接收器位置(x, y, z)和角度(α, β, γ)信息；通过坐标变换，能够计算出旋转调整后的超声阵列在全局坐标系下的坐标，由于两个空间坐标系原点不同，坐标轴互相不平行，因此存在三个平移参数和三个旋转参数，如果两个坐标系的尺度不同，还需要尺度变化参数m，因此共计7个参数，公式为：

3）在具体使用时，由于m没有变化，因此m＝0，而同时在实际使用过程中，需要求取6个转换参数，在磁定位接收器所接收到的位置和角度信息就是这6个参数值，直接代入公式就可以获得阵列所在位置的坐标和全局坐标系间的转换坐标；其中可知：，；

至此，完成了超声阵元的坐标转换，根据具体阵元的坐标位置，解算需要聚焦点的超声时延；

4）根据图12，设计超声阵列的延时时间，最终根据每个阵列的坐标位置综合设计处于不同坐标位置的不同超声阵列的延时时间集合；根据余弦定理可得：

-L

式中，L——焦点到阵列弧面的距离；

——第n通道与焦点到阵列弧面距离到距离差，其中n＝0～N（N为阵列数目）；

R——凸阵探头半径；

β——第n通道阵列中心线与该组阵列阵列中心线的夹角；

设为相邻阵列间的夹角，则有：

，这里c为超声波在人体内的传播速度，通常取1540m/s，整理后可得：

在获得的延时时间后，将需要聚焦的超声单元的数据纪录进FPGA的ROM中，从而实现实时调用，并且将需要计算余弦函数的角度，按照0.1度为最小分辨率，将数值预先计算出，并且存入ROM中，在需要计算时迅速调用，从而节省FPGA计算内存和计算时间，从而实现迅速相应，准确快速超声聚焦度功能；通过控制聚焦延时时间，能够实现单个超声单元的聚焦，而可穿戴式装置存在一系列超声单元，因此需要根据坐标变换，整理出所有超声阵列的延时时间，从而实现超声聚焦治疗；

在确定了阵列内的延时时间后，能够确定超声声束的聚焦点在阵列局部坐标系中的位置，同时由于超声发射声束垂直与局部坐标系XOY平面，并且沿着Z轴正方向，因此在根据指定位置进行超声聚焦的位置解算时，能够提供一个直线约束方程；但是提供的是在全局坐标系下的指定位置进行聚焦，因此能够获得的已知条件是：

以及，需要求取的信息是：

很明显根据现有公式：

以及已知条件求取6个未知变量，是一个超定方程，解有无穷多个，但是只要在机械臂能够到达的位置内，任何一个方程都是满足条件的，因此需要引入磁定位系统，对于机械臂的移动采用实时控制实时反馈的方式，通过控制算法实现相应超声阵列到达指定位置，进而实现超声聚焦治疗。

步骤四、确定需要治疗的聚焦中心，从存储表格中查询指令集，调节姿态位置和超声阵列发射的时钟延时，形成聚焦中心，对于内存中没有存储的位置，可以进行计算，获取需要的姿态和阵列延时信息，同时使用磁定位器进行实时反馈，调节控制位置，保证阵列到达设定位置。

此步骤与传统的超声聚焦医疗装置的不同之处在于通过ARM和FPGA的交互，在显示器上选择聚焦中心位置，并且交互给FPGA进而控制机械臂实现超声阵列的聚焦，并且结合磁定位实时反馈，实现精确定位聚焦。结合图10具体说明：

1）根据选择的可穿戴超声聚焦治疗装置，如果选择的是躯干式穿戴装置，磁定位采集每组超声阵列的姿态信息，连同机械臂自己的旋转伸曲姿态一并作为坐标信息传输给FPGA，FPGA和ARM进行通信，ARM获取每组超声阵列的姿态信息后，通过坐标转换，都转换到同ARM所处位置相同的同一坐标系下；

2）ARM能够将坐标信息显示在屏幕上，操作人员在屏幕上选择需要的聚焦位置，选择后输入到显示器中；具体的数据信息传输给显示器的方案有两种：

方式1、采用嵌入式固定化屏幕，将信息直接显示在控制终端，此方案，数据传输延时短，干扰小，但是可能由于装置位置不当导致操作不便

方式2、采用无线网络传输，将数据信息和控制信息等通过无线网络方式访问，显示器可以放置在任何无线网络可就收范围内，此方案，优点是不因为装置安装位置问题而影响操作，但是传输时延长同时抗干扰能力变弱。

以上两种方式可以一起设计，根据具体情况选择，在不影响操作的情况下使用嵌入式固定屏幕，在操作不便的情况下选择无线网络传输模式操作；

3）ARM通过选择的聚焦位置进行解算，获得每个超声阵列需要旋转和伸缩的参数，以及产生聚焦超声，每组阵列需要产生的延时时间；ARM将计算获得的数据传输给FPGA；

4）FPGA针对获得的姿态参数，将余弦正弦函数值通过查询ROM表格形式获得，从而确定最终的姿态信息，并且控制机械臂移动到指定位置，完成超声聚焦；

5）如果选择的是头戴式医学超声装置，结合图2和图3，可以佩戴在头部，并且每个阵列在电机的控制下能够进行偏转，每个超声阵列能够形成一个圆锥形的覆盖声场，在电机控制的旋转下，多个超声阵列能够形成一个半径小于安装半球的小的半球形覆盖声场，在此声场内的所有点均能够实现超声聚焦治疗；

6）如果选择的是四肢穿戴式医学超声装置，结合图4和图5，四肢穿戴式医学超声装置不具备机械臂，而是将超声阵列安装在圆柱体上，并且每个超声阵列上面安装磁定位接收器，可以采集超声阵列的姿态信息，因此只存在旋转参数，不存在伸缩参数，其他同1）、2）、3）、4）；其佩戴在四肢上，并且每个阵列在电机的控制下能够进行偏转，每个超声阵列在不动的情况下能够形成一个圆锥形的覆盖声场，结合电机的旋转，多个阵列能够形成一个圆柱半径小于安装圆柱的覆盖声场，在此声场内的所有点均能够实现超声聚焦治疗。

步骤五、通过B超检测装置，实时反馈聚焦位置信息，进行闭环反馈调节，修正姿态误差。

此步骤与传统超声聚焦医疗装置的不同之处在于，采用B超设备进行超声聚焦装置的反馈控制，从而实现精确定位。

对于需要确定聚焦位置是否满足要求，采用B超设备进行反馈控制，在进行汇聚的同时可以选择逐渐汇聚，即每次只增加一个超声阵列的汇聚，并且用B超设备监测聚焦区域，观测是否达到聚焦效果，对于未达到聚焦效果的及时进行反馈调节，从而达到闭环反馈控制效果。

基于上述一种穿戴式医学超声治疗声发射阵列定位与声束聚焦方法的装置：

它包括3种可穿戴装置——头戴式，四肢佩戴式和躯干佩戴式装置，阵列产生超声的压电陶瓷装置、控制阵列偏转的步进电机、测量阵列姿态信息的磁定位的磁放射器和磁接收器、控制超声阵列运动的小型机械臂、控制机械臂的舵机、控制系统运行的FPGA模块、进行存储的RAM和ROM模块、上位机的arm嵌入式系统模块、系统稳定供电的电源模块以及用于显示实时效果的显示器模块，结合B超设备可以进行位置姿态的反馈控制。

本发明的优点：

1）针对现有HIFU设备体积巨大，安装困难，投资开发以及维修成本高的情况，在基于便携式B超检测设备和控制系统小型化的基础上，有效的利用了机械臂自由度高，超声阵列体积小的特点，提出了一种穿戴式医学超声治疗装置及其声发射阵列定位与声束聚焦方法，可以便携可穿戴的进行超声聚焦治疗，大大降低了安装维护成本，提高了便捷性。

2）利用磁定位器对姿态信息的精确定位，机械臂的多自由度控制以及电机对于超声阵列的广角控制，能够有效的增大单个阵列的覆盖面积，将多个机械臂上的超声阵列通过FPGA运算时延实现超声汇聚，能够大大的提高可穿戴装置的超声聚焦覆盖面积，不需要治疗对象移动位置，就能够对多个靶区进行治疗。

附图说明

图1 为本发明的流程图；

图2 为头戴式医学超声治疗装置的结构示意图；

图3 为头戴式医学超声治疗装置的超声覆盖仿真图；

图4 为四肢佩戴式医学超声治疗装置的结构示意图；

图5 为四肢佩戴式医学超声治疗装置的超声覆盖仿真图；

图6 为躯干佩戴式医学超声治疗装置的结构示意图；

图7 为躯干佩戴式医学超声治疗装置的超声覆盖仿真图；

图8 为超声阵列控制以及磁定位测量结构示意图；

图9 为FPGA测量计算阵列姿态信息以及实现聚焦系统架构图；

图10为FPGA、arm、存储器、显示器、模数转换和电源模块组成架构图；

图11 为磁定位器测量下局部坐标系向全局坐标系变换的图示；

图12 为超声阵列聚焦示意图。

具体实施方式

下面结合图1、图8和图9说明本实施方式，根据患者的具体超声聚焦治疗病兆位置和装置能够聚焦的位置进行客观分析穿戴式确定适用情况。

执行步骤一：选择三种装置中的具体的一种，通过调用图3、图5和图7存储好的装置的聚焦位置信息，确定能够聚焦的位置，并且将装置的姿态位置信息和聚焦点需要的超声阵列的延时信息存储成数据表，以备FPGA调用。

执行步骤二：将病兆区域涂抹治疗使用试剂，保证超声聚焦装置跟人体无隙结合，适当摆放躯干式治疗装置的机械臂位置，防止在解算过程中因为无法到达指定位置而存在死角。

执行步骤三：根据磁定位接收器确定躯干式装置的位置(x,y,z)和角度(α,β,γ)信息，通过坐标变换方程：

其中，，求得机械臂的超声阵列的坐标位置。

根据超声阵列的坐标位置，确定超声阵元的延时时间，根据余弦定理可得：

-L

式中，L——焦点到阵列弧面的距离；

——第n通道与焦点到阵列弧面距离到距离差，其中n＝0～N（N为阵列数目）；

R——凸阵探头半径；

——第n通道阵列中心线与该组阵列阵列中心线的夹角。

设为相邻阵列间的夹角，则有：

，这里c为超声波在人体内的传播速度，通常取1540m/s，整理后可得：

通过控制聚焦延时时间，能够实现单个超声单元的聚焦，而可穿戴式装置存在一系列超声单元，因此需要根据坐标变换，整理出所有超声阵列的延时时间，从而实现超声聚焦治疗。并且通过磁定位接收器实时反馈控制超声阵列的聚焦位置，实现精确定位。

执行步骤四：结合显示器确定超声聚焦的聚焦中心信息，通过ARM和FPGA的交互进行解算，计算出聚焦所需控制的每个机械臂的位移信息，并且利用磁定位器实时反馈控制。具体的工作方式如下：

1）根据选择的可穿戴超声聚焦治疗装置，如果选择的是躯干式穿戴装置，磁定位采集每组超声阵列的姿态信息，连同机械臂自己的旋转伸曲姿态一并作为坐标信息传输给FPGA，FPGA和ARM进行通信，ARM获取每组超声阵列的姿态信息后，通过坐标转换，都转换到同ARM所处位置相同的同一坐标系下；

2）ARM能够将坐标信息显示在屏幕上，操作人员在屏幕上选择需要的聚焦位置，选择后输入到显示器中；

3）ARM通过选择的聚焦位置进行解算，获得每个超声阵列需要旋转和伸缩的参数，以及产生聚焦超声，每组阵列需要产生的延时时间；ARM将计算获得的数据传输给FPGA；

4）FPGA针对获得的姿态参数，将余弦正弦函数值通过查询ROM表格形式获得，从而确定最终的姿态信息，并且控制机械臂移动到指定位置，完成超声聚焦；

5）如果选择的是头戴式医学超声装置，结合图2和图3，可以佩戴在头部，并且每个阵列在电机的控制下能够进行偏转，每个超声阵列能够形成一个圆锥形的覆盖声场，在电机控制的旋转下，多个超声阵列能够形成一个半径小于安装半球的小的半球形覆盖声场，在此声场内的所有点均能够实现超声聚焦治疗；

6）如果选择的是四肢穿戴式医学超声装置，结合图4和图5，四肢穿戴式医学超声装置不具备机械臂，而是将超声阵列安装在圆柱体上，并且每个超声阵列上面安装磁定位接收器，可以采集超声阵列的姿态信息，因此只存在旋转参数，不存在伸缩参数，其他同1）、2）、3）、4）；其佩戴在四肢上，并且每个阵列在电机的控制下能够进行偏转，每个超声阵列在不动的情况下能够形成一个圆锥形的覆盖声场，结合电机的旋转，多个阵列能够形成一个圆柱半径小于安装圆柱的覆盖声场，在此声场内的所有点均能够实现超声聚焦治疗。

执行步骤五：对于需要确定聚焦位置是否满足要求，采用B超设备进行反馈控制，在进行汇聚的同时可以选择逐渐汇聚，即每次只增加一个超声阵列的汇聚，并且用B超设备监测聚焦区域，观测是否达到聚焦效果，对于未达到聚焦效果的及时进行反馈调节，从而达到闭环反馈控制效果。

通过以上步骤的有序运行，就可以实现可穿戴式医学超声治疗装置的声定位和聚焦的治疗方案。

本发明针对目前的超声聚焦治疗技术装置结构复杂，占地面积大，安装调试复杂，采购维护成本高昂的现状，采用一种穿戴式医学超声装置及其声发射阵列定位与声束聚焦方法。通过机械臂控制多组阵列在空间中的位置，并且结合磁定位系统确定每个阵列的空间姿态信息，经过FPGA的解算能够控制多组阵列覆盖较大面积的治疗靶区，并且通过嵌入式和集成化实现可穿戴特性，从而减少了固定设备的锈蚀难以清理，以及一次治疗病患靶区面积小不方便等诸多方面的问题。最后在完成姿态解算，延时计算后，进行超声的汇聚，并且通过B超设备进行反馈检测，实时修正姿态位置，并且实时显示。

本发明通过以上方法提出一种针对超声聚焦治疗的具体方法和装置设计方案，也就是通过磁定位，机械臂和多组阵列的有效组合实现超声聚焦治疗装置的便携，聚焦广泛的特点。本发明不仅降低超声聚焦治疗装置成本，减少占地面积，方便患者使用，而且能够实现更大的聚焦覆盖面，从而一次治疗患者多个靶区的目的。