CN112603466B - 不可逆声穿孔设备、装置及计算机可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请属于医疗领域，提出了一种不可逆声穿孔设备、装置及计算机可读存储介质，该设备包括超声介入模块、超声电子激励模块、超声成像监控模块和控制模块，通过超声电子激励模块生成超声波的激励信号；超声介入模块发射可聚焦于所述感兴趣区域的超声波，从而在目标组织的感兴趣区域产生空化泡云，利用空化效应使生物细胞的外膜形成多个不可逆的孔道，破坏细胞内外水平衡，从而造成细胞凋亡，达到消融生物组织的目的可避免使用热效应所带来的热沉积问题，并且对周围损伤小，可以保留细胞基质和细胞周围的其它结构完整性，减少因电穿孔治疗所带来的疼痛，避免高压电脉冲所产生的并发症，并通过监控成像模块和控制模块对消融进行精准控制。
Description
技术领域
本申请属于医疗领域，尤其涉及不可逆声穿孔设备、装置及计算机可读存储介质。
背景技术
肿瘤是一类常见病，多发病，其中恶性肿瘤是目前危害人类健康和生命最严重的一类疾病。传统的治疗手段为手术治疗、放射治疗和化学治疗，这些方法由于会给患者留下较大创伤，容易复发转移，并且会出现相应的适应症、禁忌症和副作用等弊端。
近年来，随着靶向、免疫、微创消融等精准治疗技术在临床得到广泛的应用。其中，肿瘤的微创消融术是在医学影像引导下对肿瘤定位，采取局部的物理或化学的方法，直接杀灭肿瘤组织。其以缩短住院时间、对患者身体损伤小等优点成为肿瘤治疗的新手段之一。
传统的消融术包括：射频消融、微波消融、高强度聚焦超声消融(High IntensityFocused Ultrasound,HIFU)、激光消融、氩氦刀消融等。传统的消融技术主要采用的是热消融，导致肿瘤靠近胃肠道、胆管、尿道、神经等重要组织时成为消融禁区，且大血管也因“热沉降”效应而影响疗效。
不可逆细胞电穿孔消融技术(Irreversible Electroporation,IRE)，又称纳米刀，是一种较新的消融技术。与其他消融方法比较，不仅能够实现对肿瘤细胞的灭活治疗，还具有微创、快捷、可控、可视、选择性和无热沉积的优势和特色，被逐渐应用于临床治疗中，对胰腺癌、肝癌、肾癌、前列腺癌等肿瘤的治疗具有很好的效果。但是患者在电治疗过程中，往往会出现不同程度的肌肉收缩现象而导致其疼痛感和不适，而且纳米刀释放的高压脉冲对心电信号的产生和传导会产生极大的干扰，增大了引发心律失常等术中并发症的几率。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了不可逆声穿孔设备、装置及计算机可读存储介质，以解决现有技术中进行消融时，容易使患者产生疼痛和不适，增大引发以待失常并发症的几率的问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种不可逆声穿孔设备，所述设备包括超声介入模块、超声电子激励模块、超声成像监控模块和控制模块，其中：
所述超声电子激励模块用于根据待消融的感兴趣区域的空间位置，确定生成超声波的激励信号；
所述超声介入模块用于根据待消融的感兴趣区域进行目标组织的穿刺操作，并根据所述超声电子激励模块所生成的激励信号，发射可聚焦于所述感兴趣区域的超声波，使目标组织的感兴趣区域处的生物细胞的细胞膜上形成不可逆孔道，从而造成细胞凋亡，对所述目标组织的感兴趣区域进行消融；
所述超声成像监控模块用于接收所述超声介入模块所发射的超声波的回波信号，并根据所接收的回波信号生成和显示超声图像；
所述控制模块用于接收设置参数，并根据所述设置参数调整所述激励信号。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能实现方式中，所述超声电子激励模块包括信号发送单元、功率放大单元和波束合成单元，其中：
所述波束合成单元用于根据所述超声图像中的感兴趣区域的空间位置，计算所述超声介入模块中的阵元的延迟时间；
所述信号发送单元用于根据超声介入模块中的阵元的延迟时间生成发送至各个阵元的信号；
所述功率放大单元用于对所述信号发送单元所发生的信号进行功率放大。
结合第一方面，在第一方面的第二种可能实现方式中，所述超声成像监控模块包括回波信号采集单元和图像重建单元，其中：
所述回波信号采集单元用于在所述超声介入模块发射超声波时，接收所发射的超声波对应的回波信号，提取所述回波信号中基波成分和非线性谐波成分；
所述图像重建单元用于根据所述回波信号中的基波成分和非线性谐波成分变换，得到所述超声波对应的超声图像。
结合第一方面的第二种可能实现方式，在第一方面的第三种可能实现方式中，所述回波信号采集单元包括转换开关子单元、前置放大子单元、A/D采集子单元、时间增益补偿子单元、数字波束合成子单元、直流滤波子单元、I/Q解调子单元和带通滤波子单元，其中：
所述转换开关子单元用于在信号发射时，将信号模式在发射模式和接收模式之间转换；
所述前置放大子单元用于在信号模式处于接收模式时对所接收的回波信号进行放大，通过所述A/D采集子单元采集得到数字信号；
所述时间增益补偿子单元用于对所采集的数字信号进行增益补偿；
所述数字波束合成子单元用于根据不同空间点的延迟时间对增益补偿后的所述数字信号进行聚焦，得到波束合成后的回波信号；
所述直流滤波子单元用于过滤所述波束合成后的回波信号中的直流分量，并通过所述I/Q解调子单元进行解调和带通滤波子单元的滤波处理，提取所述回波信号中的基波成分和非线性谐波成分。
结合第一方面的第二种可能实现方式，在第一方面的第四种可能实现方式中，所述图像重建单元包括包络提取子单元、压缩子单元、图像优化子单元和扫描变换子单元，其中：
所述包络提取子单元用于根据基波成分和非线性谐波成分中的同相/正交分量，计算所述回波信号的幅度信息；
所述压缩子单元用于对所述幅度信息进行压缩，使数据压缩至适合显示的范围；
所述图像优化子单元用于对图像进行边缘增强和/或斑点噪声掏处理；
所述扫描变换子单元用于通过坐标变换，对扫描的数据进行插值显示。
结合第一方面，在第一方面的第五种可能实现方式中，所述超声介入模块包括超声换能器单元和声结构单元，其中：
所述超声换能器单元用于将所述超声电子激励模块所产生的信号转换为超声波；
所述声结构单元用于提高所转换后的超声波的声功率。
结合第一方面的第五种可能实现方式，在第一方面的第六种可能实现方式中，所述超声换能器单元包括单阵元换能器以及线阵换能器，所述单阵元换能器设置在超声换能器单元中的针管的前端，所述线阵换能器设置在所述超声换能器单元中的针管侧面的声窗处。
结合第一方面，在第一方面的第七种可能实现方式中，所述控制模块包括焦点声压估测单元、空化效应计算单元、组织温升估计单元和激励参数优化单元，其中：
所述焦点声压估测单元用于根据焦点区域的形状对感兴趣区域进行填充，确定感兴趣区域内的焦点的位置分布，并根据焦点和各个阵元之间的距离，计算阵元发射信号的相位延迟，根据所述相位延迟计算声压场分布，根据所述声压场分布确定焦点声压；
所述空化效应计算单元用于根据所述焦点声压和微泡动力学方程，得到微泡的散射声压，并根据微泡空化引起的阈值剪切力确定焦点处的阈值声压，根据所述微泡的散射声压和所述阈值声压，确定所述焦点处的空化效应信息；
所述组织温升估计单元用于根据所述声压场分布和预设的目标组织热扩散方程，得到所述目标组织随着时间变化的温度场分布；
所述激励参数优化单元用于根据所述组织温升估计单元和所述空化效应计算单元的结果，调整信号的激励参数。
本申请实施例的第二方面提供了一种不可逆声穿孔装置，不可逆声穿孔装置，所述装置包括：
激励信号确定单元，用于根据待消融的感兴趣区域的空间位置，确定阵元所对应的超声波的激励信号的延迟时间；
超声波发射单元，用于根据所确定的延迟时间发送激励所述阵元的信号，得到所述信号对应的、用于在所述感兴趣区域实现超声波聚焦的超声波，以根据所述聚焦的超声波在所述感兴趣区域产生空化效应；
超声图像获取单元，用于采集所发射的超声波发射对应的回波信号，根据所述回波信号生成超声图像；
调整单元，用于接收用户根据所述超声图像输入的控制参数，根据所述控制参数调整所述超声波的激励信号。
本申请实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括第二方面所述装置中的单元。
本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本申请实施例所述不可逆声穿孔设备，通过超声电子激励模块根据感兴趣区域的空间位置生成超声波的激励信号，所述超声介入模块根据所生成的激励信号转换为超声波，诱发目标组织内产生空化泡云，利用空化效应在目标组织的感兴趣区域的生物细胞的细胞膜处形成多个不可逆孔道，破坏细胞内外水平衡，引起细胞凋亡，从而对目标组织中的感兴趣区域进行消融，并通过监控成像模块所采集的回波信号显示超声图像，并可通过控制模块接收参数的设置和调整，可用于对超声激励系统进行调整。由于本申请所述设备利用超声波在目标组织的感兴趣区域产生空化泡云，利用空化效应使生物细胞的细胞膜产生不可逆声穿孔，引起细胞凋亡，实现灭活癌细胞的目的可避免使用热效应所产生的热沉积问题，并且对周围组织损伤小，可以保留细胞基质和细胞周围的其它结构，包括如神经、大血管和胆管等结构的完整性，减少由电穿孔治疗的疼痛，避免因高压脉冲而产生并发症。通过控制模块可以根据超声影像对消融过程进行精准监测，有利于提高消融控制精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的不可逆声穿孔的实现原理示意图；
图2是本申请实施例提供的一种可逆声穿孔设备的模块示意图；
图3是本申请实施例提供的超声换能器结构示意图；
图4-图8是本申请实施例提供的不同阵元的发射相位延迟时间对应的超声波图像示意图；
图9是本申请实施例提供的不可逆声穿孔装置的示意图；
图10为本申请实施例提供的又一不可逆声穿孔装置的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
为了说明本申请所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
目前的消融手术，通常采用的热消融方式，导致肿瘤靠近胃肠道、胆管、尿道、神经等重要组织时，热消融无法对这种部位的肿瘤进行消融处理。并且，由于大血管的热沉降效应，会影响到热消融的疗效。而不可逆细胞电穿孔消融技术与其它消融技术相比，不仅能够实现对肿瘤的灭活治疗，还具有微创、快捷、可控、可视、可选择性和无热沉积的优势，被逐渐应用于临床治疗中，对胰腺癌、肝癌、肾癌、前列腺癌等肿瘤的治疗具有很好的效果。但是患者在电治疗过程往往会出现不同程度的肌肉收缩现象而导致其疼痛感和不适，而且纳米刀释放的高压脉冲对心电信号的产生和传导会产生极大的干扰，增大了引发心律失常等术中并发症的机率。
基于上述问题，本申请提出了一种不可逆声穿孔设备，可以基于声波不可逆声穿孔效应实现肿瘤消融。如图1所示为本申请实施例提供的不可逆声穿孔的实现原理示意图，通过该设备，可以在生物组织的细胞上产生不可逆的孔道，引起细胞凋亡，从而消融生物组织。利用针式的超声换能器及声波引导结构，穿刺到生物组织内部，直接接触要消融的生物组织，采用高声压、短脉冲(比如可以为微秒级的短脉冲)，诱发声波引导结构周围的生物组织内产生空化泡云。利用空化效应使生物细胞的外膜形成不可逆的也孔道。破坏细胞内外的水平衡，从而造成细胞凋亡。同时，体内吞噬细胞将细胞碎片吞噬后，激活机体免疫反应，实现对肿瘤的灭活效果。基于空化效应的超声波消融方式，可以实现无热沉积的效果，对周围正常组织操伤小。
图2为本申请实施例提供的一种不可逆声穿孔设备的模块示意图，如图2所示，所述不可逆声穿孔设备包括超声介入模块、超声电子激励模块、超声成像监控模块和控制模块，其中：
所述超声电子激励模块用于根据待消融的感兴趣区域的空间位置，确定生成超声波的激励信号；
所述超声介入模块用于根据待消融的感兴趣区域进行目标组织的穿刺操作，并根据所述超声电子激励模块所生成的激励信号，发射可聚焦于所述感兴趣区域的超声波，在目标组织的感兴趣区域处的细胞膜形成不可逆孔道，对所述感兴趣区域进行消融；
所述超声成像监控模块用于接收所述超声介入模块所发射的超声波的回波信号，并根据所接收的回波信号生成和显示超声图像；
所述控制模块用于接收设置参数，并根据所述设置参数调整所述激励信号。
其中，所述超声介入模块可以包括超声换能器单元和声结构单元。所述超声换能器单元用于产生超声波。声结构单元用于提高声功率。超声换能器单元为功率型换能器，用于发射功率聚焦超声，通过空化效应，引起肿瘤细胞的凋亡。
为了达到微创的效果，考虑加工工艺的难度，如图3所示，超声换能器单元可以为针管结构。针管内径可以为1-2毫米，外径为1.5-2.5毫米。所述超声换能器单元包括单阵元换能器1和线阵换能器2，其中，单阵元换能器1设置在超声换能器单元中的针管的前端，比如图3位于穿刺针头3的位置，所述线阵换能器2设置在超声换能器单元的针管的侧面的声窗处。
在可能的实现方式中，线阵换能器中的可以包括多个阵元，比如图3中包括16个阵元。每个阵元的百度可以为2-2.5毫米，阵元间距可以为1-2毫米。激励所述阵元的中心频率可以为1MHz。
所述超声电子激励模块用于产生可激励阵元发射超声波的信号。在可能的实现方式中，所述超声电子激励模块可以包括信号发送单元、功率放大单元和波束合成单元，其中：
所述波束合成单元用于根据所述超声图像中的感兴趣区域的空间位置，计算所述超声介入模块中的阵元的延迟时间。
所述信号发送单元用于根据超声介入模块中的阵元的延迟时间生成发送至各个阵元的信号；所述功率放大单元用于对所述信号发送单元所发生的信号进行功率放大。
所述波束合成单元可以根据超声图像中感兴趣区域的空间位置，结合超声换能器的针管的位置，计算超声换能器中的每个阵元产生超声波的延迟时间。将将所计算的每个阵元的延迟时间发送至各个阵元所对应的信号发送单元。所述信号发送单元根据计算的延迟时间发送信号，经功率放大单元放大后，激励相应的阵元发射超声波，各阵元发射的超声波传播至感兴趣区域并聚焦。
在可能的实现方式中，所述信号发送单元可由2台8通道的TEK(泰克)信号发生器AWG5208和一台AFG2000实现。功率放大单元可以通过17个功率放大器LZY-22X+实现。2台AWG5208为穿刺换能器中的线阵换能器提供16路发射信号，1台AFG2000为其单阵元换能器提供1路发射信号。
在可能的实现方式中，所述超声成像监控模块包括回波信号采集单元和图像重建单元，其中：所述回波信号采集单元用于在所述超声介入模块发射超声波时，接收所发射的超声波对应的回波信号，提取所述回波信号中基波成分和非线性谐波成分；所述图像重建单元用于根据所述回波信号中的基波成分和非线性谐波成分变换，得到所述超声波对应的超声图像。
如图2所示，所述回波信号采集单元可以包括转换开关子单元、前置放大子单元、A/D采集子单元、时间增益补偿子单元、数字波束合成子单元、直流滤波子单元、I/Q解调子单元和带通滤波子单元，其中：
所述转换开关子单元用于在信号发射时，将信号模式在发射模式和接收模式之间转换；所述前置放大子单元用于在信号模式处于接收模式时对所接收的回波信号进行放大，通过所述A/D采集子单元采集得到数字信号；所述时间增益补偿子单元用于对所采集的数字信号进行增益补偿；所述数字波束合成子单元用于根据不同空间点的延迟时间对增益补偿后的所述数字信号进行聚焦，得到波束合成后的回波信号；所述直流滤波子单元用于过滤所述波束合成后的回波信号中的直流分量，并通过所述I/Q解调子单元进行解调和带通滤波子单元的滤波处理，提取所述回波信号中的基波成分和非线性谐波成分。
波束合成单元根据感兴趣区域的空间位置聚焦所需要的延迟时间，确定信号发送单元发送信号的延迟时间。根据所述延迟时间将信号发送至对应的单阵元，激励产生超声波，在感兴趣的空间位置处形成聚焦。
在所述超声波的发射间期，可以通过转换开关子单元将阵元从发射模式转换为接收模式，在接收模式下，接收不同位置的回波信号。其中，所述转换开关子单元可以按照预定的转换频率进行接收模式和发射模式的转换。回波信号经过前置放大子单元放大后，经过A/D采集，将模拟信号转换为数字信号，并经过时间增益补偿子单元对衰减的信号进行补偿。数字波束合成子单元用于根据不同空间点的延迟时间对回波信号进行聚焦，波束合成后的回波信号，通过直流滤波子单元过滤其中的直流分量，并经过I/Q(同相/正交)解调子单元进行解调处理，以及通过带通滤波子单元进行滤波处理，从回波信号中提取出其中的基波成分和非线性谐波成分，以便于根据所提取的基波成分和非线性谐波成分进行成像计算。
所述图像重建单元包括包络提取子单元、压缩子单元、图像优化子单元和扫描变换子单元，其中：
所述包络提取子单元用于根据基波成分和非线性谐波成分中的同相/正交分量，计算所述回波信号的幅度信息；所述压缩子单元用于对所述幅度信息进行压缩，使数据压缩至适合显示的范围；所述图像优化子单元用于对图像进行边缘增强和/或斑点噪声掏处理；所述扫描变换子单元用于通过坐标变换，对扫描的数据进行插值显示。
对于基波和非线性谐波的I/Q(同相/正交)分量计算回波幅度信息后，可以对所计算的数据进行压缩，比如可以通过对数压缩的方式进行压缩。使压缩后的数据适合显示的动态范围。进一步对图像进行优化处理时，可以包括对图像进行边缘增强处理，以及斑点噪声抑制处理等。通过扫描变换，可以将数据进行坐标变换，将数据所在的坐标系变换为显示器的显示坐标系。对扫描的数据可以进行插值后显示。
在可能的实现方式中，超声成像的发射、接收与采集中，信号发送单元可以通过高压脉冲发射芯片LM96550实现，转换开关子单元可以通过高压收发转换芯片LM96530实现。前置放大、A/D采样可以通过芯片AD9272实现，控制采集的时钟可以通过芯片AD951X实现，数字波束合成可以通过FPGA实现，I/Q解调可以通过芯片AD8339实现。带通滤波等信号处理可以通过后台软件处理完成。
在可能的实现方式中，所述控制模块可以包括焦点声压估测单元、空化效应计算单元、组织温升估计单元和激励参数优化单元，其中：
所述焦点声压估测单元用于根据焦点区域的形状对感兴趣区域进行填充，确定感兴趣区域内的焦点的位置分布，并根据焦点和各个阵元之间的距离，计算阵元发射信号的相位延迟，根据所述相位延迟计算声压场分布，根据所述声压场分布确定焦点声压；
所述空化效应计算单元用于根据所述焦点声压和微泡动力学方程，得到微泡的散射声压，并根据微泡空化引起的阈值剪切力确定焦点处的阈值声压，根据所述微泡的散射声压和所述阈值声压，确定所述焦点处的空化效应信息；
所述组织温升估计单元用于根据所述声压场分布和预设的目标组织热扩散方程，得到所述目标组织随着时间变化的温度场分布；
所述激励参数优化单元用于根据所述组织温升估计单元和所述空化效应计算单元的结果，调整信号的激励参数。
其中，在确定焦点声压时，可以根据焦点区域的开卷对感兴趣区域进行填充，以设计感兴趣区域(或治疗区域)内焦点的位置分布。根据焦点的位置分布，以及各阵元之间的距离，通过惠更斯原理，可以计算各个阵元发射信号的相位延迟。将计算的相位延迟代入声波动方程，结合伪谱法即可计算声压场分布，根据声压场分布确定焦点声压。
在对空化效应进行计算时，可以将焦点处的声压作为入射声压，代入微泡动力学方程，得到微泡振动的半径-时间曲线，根据该曲线得到微泡的散射声压。结合微泡空化引起的阈值剪切力的大小所确定的焦点处的阈值声压，确定焦点处的空化效应的状态。
在确定组织温升时，可以将计算得到的声压场分布代入生物组织热扩散方程，得到生物组织随时间变化的温度场分布，从而估计超声的作用时间、声压大小等参数。
根据上述的不可逆声穿孔设备进行治疗的实现方式中，可以在成像模式下发射3.5MHz超声对感兴趣区域或治疗区域进行成像。通过控制模块可以在显示的图像上标出感兴趣区域。基于-6dB焦域形状对感兴趣区域进行填充，各焦域的中心位置即为设计焦点位置。依次激发线阵换能器中的各个阵元发射超声波，并利用成像换能器接收信号，以计算各阵元与设置的焦点位置之间的距离，并进一步计算所获得的各个阵元的发射信号的相位延迟。将所计算的相位延迟代入波动方程，结合伪谱法即可计算得到声压场分布。
针对小振幅声波在均匀分布的非衰减介质中的传播情况，经过k空间伪谱法变换的一阶波动方程组的离散表达形式可以为：
其中：ρ0为待治疗区域的组织密度，u为声质点速度，Δt是时间步长，ξ表示空间中笛卡尔坐标系的各个方向，uξ表示ξ方向上的声质点速度。，
表示空间傅立叶变换，
表示空间傅立叶逆变换，k为k空间算子，其定义是κ＝sinc((c0kΔt)/2)，i为虚数单位，kξ表示ξ方向上的波数，Δξ表示ξ方向上的空间网格间距，u为声质点速度，uξ表示ξ方向上的声质点速度。ξ表示空间中笛卡尔坐标系的各个方向，为待治疗区域的组织密度，u为声质点速度，Δt是时间步长，ρξ表示ξ方向上的密度。
通过求解上述方程组可得到声场分布。
而入射声波传播到达超声造影剂微泡位置处的声压为pac(t)，该声压激励微泡产生的非线性振动可通过Rayleigh-Plesset类型的方程(RP方程)进行描述
其中，ρl为微泡周围介质密度，R表示微泡的瞬时半径，
表示微泡瞬时半径的一阶导数，
表示微泡瞬时半径的二阶导数，pg0为泡内气压，k为多方气体指数，Re为微泡的初始平衡半径，μL为微泡周围介质的粘度，μs为微泡外壳的剪切粘度，Gs为微泡外壳的剪切模量，dse为微泡外壳的厚度，pac(t)表示入射声波传播到达超声造影剂微泡位置处的声压
通过四阶-五步的龙格-库塔法求解上述方程可得到微泡瞬时半径-时间(R-t)曲线，并可进一步计算微泡的散射声压
(r为距离微泡中心的距离)，以及微泡对临近细胞的法向应力Pn＝(2πf)2ρR0(εR0)，以及切向应力τAC≈2(μρ)1/2(πf)3/2(εR0)(|ε|＜＜1)。通过调整输入参数，使得焦域产生的切向应力超过细胞开孔的阈值剪切应力。其中，f为入射超声波的频率，ρ为介质密度，μ为介质的剪切粘度，R0为微泡初始半径，ε为预设常数。
所述控制模块的实现方式中，可以采用复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammable Logic Device，CPLD)EPM7128SLC84-15为系统的控制核心，控制器在整个电子系统的工作中主要实现以下功能：液晶显示系统的控制和操作界面，设置系统工作参数，如超声换能器工作频率，重复频率，占空比、强度、导入时间、输出功率的设置，输出相应脉宽和频率的超声波PWM脉冲等。
所述控制模块可以包括人机交互电路，人机界面模块是人与系统进行交互的接口，可以通过液晶屏显示系统的工作参数和状态，并以触摸屏来实现系统工作参数的设置。本申请实施例可以采用开关稳压器提供各部件所需电压值。
为了验证本申请实施例所述不可逆声穿孔设备的可行性和有效性，通过仿真超声换能器声场分布，通过调整阵元的发射相位的延迟时间，控制聚焦点的空间位置发生改变，当聚焦的中心声压超过20MPa时，达到细胞穿孔阈值。如图4-图8为本申请实施例提供的不同阵元的发射相位的延迟时间所得到的超声波图像示意图。从图中可以看出，对不同的发射相位的延迟时间，聚焦点与超声换能器单元的针管的距离也不同，从而可以实现对不同空间的感兴趣区域进行聚焦调节的要求。
图9为本申请实施例提供的一种不可逆声穿孔装置的示意图，如图9所示，该装置包括：
激励信号确定单元901，用于根据待消融的感兴趣区域的空间位置，确定阵元所对应的超声波的激励信号的延迟时间；
超声波发射单元902，用于根据所确定的延迟时间发送激励所述阵元的信号，得到所述信号对应的、用于在所述感兴趣区域实现超声波聚焦的超声波，以根据所述聚焦的超声波在所述感兴趣区域产生空化效应；
超声图像获取单元903，用于采集所发射的超声波发射对应的回波信号，根据所述回波信号生成超声图像；
调整单元904，用于接收用户根据所述超声图像输入的控制参数，根据所述控制参数调整所述超声波的激励信号。
图9所示的不可逆声穿孔装置，与图2所示的不可逆声穿孔设备对应。
图10是本申请一实施例提供的又一不可逆声穿孔装置的示意图。如图10所示，该实施例的不可逆声穿孔装置10包括：处理器100、存储器101以及存储在所述存储器101中并可在所述处理器100上运行的计算机程序102，例如不可逆声穿孔程序。所述处理器100执行所述计算机程序102时实现上述各个不可逆声穿孔方法实施例中的步骤。或者，所述处理器100执行所述计算机程序102时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
示例性的，所述计算机程序102可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器101中，并由所述处理器100执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序102在所述不可逆声穿孔装置10中的执行过程。
所述不可逆声穿孔装置可包括，但不仅限于，处理器100、存储器101。本领域技术人员可以理解，图10仅仅是不可逆声穿孔装置10的示例，并不构成对不可逆声穿孔装置10的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述不可逆声穿孔装置还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器100可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器101可以是所述不可逆声穿孔装置10的内部存储单元，例如不可逆声穿孔装置10的硬盘或内存。所述存储器101也可以是所述不可逆声穿孔装置10的外部存储设备，例如所述不可逆声穿孔装置10上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart MediaCard,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器101还可以既包括所述不可逆声穿孔装置10的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器101用于存储所述计算机程序以及所述不可逆声穿孔装置所需的其他程序和数据。所述存储器101还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种不可逆声穿孔设备，其特征在于，所述设备包括超声介入模块、超声电子激励模块、超声成像监控模块和控制模块，其中：
所述超声电子激励模块用于根据待消融的感兴趣区域的空间位置，确定生成超声波的激励信号；
所述超声介入模块用于根据待消融的感兴趣区域进行目标组织的穿刺操作，并根据所述超声电子激励模块所生成的激励信号，发射可聚焦于所述感兴趣区域的超声波，诱发目标组织内产生空化泡云，利用空化效应使目标组织的感兴趣区域处的生物细胞的细胞膜上形成不可逆孔道，从而造成细胞凋亡，对所述目标组织的感兴趣区域进行消融；
所述超声成像监控模块用于接收所述超声介入模块所发射的超声波的回波信号，并根据所接收的回波信号生成和显示超声图像；
所述控制模块用于接收设置参数，并根据所述设置参数调整所述激励信号；
所述控制模块包括焦点声压估测单元、空化效应计算单元、组织温升估计单元和激励参数优化单元，其中：
所述焦点声压估测单元用于根据焦点区域的形状对感兴趣区域进行填充，确定感兴趣区域内的焦点的位置分布，并根据焦点和各个阵元之间的距离，计算阵元发射信号的相位延迟，根据所述相位延迟计算声压场分布，根据所述声压场分布确定焦点声压；
所述空化效应计算单元用于根据所述焦点声压和微泡动力学方程，得到微泡的散射声压，并根据微泡空化引起的阈值剪切力确定焦点处的阈值声压，根据所述微泡的散射声压和所述阈值声压，确定所述焦点处的空化效应信息；
所述组织温升估计单元用于根据所述声压场分布和预设的目标组织热扩散方程，得到所述目标组织随着时间变化的温度场分布；
所述激励参数优化单元用于根据所述组织温升估计单元和所述空化效应计算单元的结果，调整信号的激励参数。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述超声电子激励模块包括信号发送单元、功率放大单元和波束合成单元，其中：
所述波束合成单元用于根据所述超声图像中的感兴趣区域的空间位置，计算所述超声介入模块中的阵元的延迟时间；
所述信号发送单元用于根据超声介入模块中的阵元的延迟时间生成发送至各个阵元的信号；
所述功率放大单元用于对所述信号发送单元所发生的信号进行功率放大。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述超声成像监控模块包括回波信号采集单元和图像重建单元，其中：
所述回波信号采集单元用于在所述超声介入模块发射超声波时，接收所发射的超声波对应的回波信号，提取所述回波信号中基波成分和非线性谐波成分；
所述图像重建单元用于根据所述回波信号中的基波成分和非线性谐波成分变换，得到所述超声波对应的超声图像。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述回波信号采集单元包括转换开关子单元、前置放大子单元、A/D采集子单元、时间增益补偿子单元、数字波束合成子单元、直流滤波子单元、I/Q解调子单元和带通滤波子单元，其中：
所述转换开关子单元用于在信号发射时，将信号模式在发射模式和接收模式之间转换；
所述前置放大子单元用于在信号模式处于接收模式时对所接收的回波信号进行放大，通过所述A/D采集子单元采集得到数字信号；
所述时间增益补偿子单元用于对所采集的数字信号进行增益补偿；
所述数字波束合成子单元用于根据不同空间点的延迟时间对增益补偿后的所述数字信号进行聚焦，得到波束合成后的回波信号；
所述直流滤波子单元用于过滤所述波束合成后的回波信号中的直流分量，并通过所述I/Q解调子单元进行解调和带通滤波子单元的滤波处理，提取所述回波信号中的基波成分和非线性谐波成分。
5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述图像重建单元包括包络提取子单元、压缩子单元、图像优化子单元和扫描变换子单元，其中：
所述包络提取子单元用于根据基波成分和非线性谐波成分中的同相/正交分量，计算所述回波信号的幅度信息；
所述压缩子单元用于对所述幅度信息进行压缩，使数据压缩至适合显示的范围；
所述图像优化子单元用于对图像进行边缘增强和/或斑点噪声掏处理；
所述扫描变换子单元用于通过坐标变换，对扫描的数据进行插值显示。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述超声介入模块包括超声换能器单元和声结构单元，其中：
所述超声换能器单元用于将所述超声电子激励模块所产生的信号转换为超声波；
所述声结构单元用于提高所转换后的超声波的声功率。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述超声换能器单元包括单阵元换能器以及线阵换能器，所述单阵元换能器设置在超声换能器单元中的针管的前端，所述线阵换能器设置在所述超声换能器单元中的针管侧面的声窗处。
8.一种不可逆声穿孔装置，其特征在于，所述装置包括：
激励信号确定单元，用于根据待消融的感兴趣区域的空间位置，确定阵元所对应的超声波的激励信号的延迟时间；
超声波发射单元，用于根据所确定的延迟时间发送激励所述阵元的信号，得到所述信号对应的、用于在所述感兴趣区域实现超声波聚焦的超声波，以根据所述聚焦的超声波在所述感兴趣区域产生空化泡云，利用空化效应使目标组织的感兴趣区域处的生物细胞的细胞膜上形成不可逆孔道，从而造成细胞凋亡，对所述目标组织的感兴趣区域进行消融；
超声图像获取单元，用于采集所发射的超声波对应的回波信号，根据所述回波信号生成超声图像；
调整单元，用于接收用户根据所述超声图像输入的控制参数，根据所述控制参数调整所述超声波的激励信号，所述调整单元包括焦点声压估测单元、空化效应计算单元、组织温升估计单元和激励参数优化单元；
所述焦点声压估测单元，用于根据焦点区域的形状对感兴趣区域进行填充，确定感兴趣区域内的焦点的位置分布，并根据焦点和各个阵元之间的距离，计算阵元发射信号的相位延迟，根据所述相位延迟计算声压场分布，根据所述声压场分布确定焦点声压；
所述空化效应计算单元，用于根据所述焦点声压和微泡动力学方程，得到微泡的散射声压，并根据微泡空化引起的阈值剪切力确定焦点处的阈值声压，根据所述微泡的散射声压和所述阈值声压，确定所述焦点处的空化效应信息；
所述组织温升估计单元，用于根据所述声压场分布和预设的目标组织热扩散方程，得到所述目标组织随着时间变化的温度场分布；
所述激励参数优化单元，用于根据所述组织温升估计单元和所述空化效应计算单元的结果，调整信号的激励参数。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序包括权利要求8所述装置中的单元。
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| CN112603466A CN112603466A (zh) | 2021-04-06 |
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