基于相控阵列焦点调节的超声脉冲控制系统、方法、介质、程序产品及终端与流程

本技术涉及超声脉冲控制，特别是涉及基于相控阵列焦点调节的超声脉冲控制系统、方法、介质、程序产品及终端。

背景技术：

1、组织摧毁术（histotripsy）是一种利用聚焦超声波在组织中产生空化效应来实现机械性组织消融的非侵入性治疗技术。与传统的高强度聚焦超声（high intensityfocused ultrasound，hifu）热消融不同，组织摧毁术主要通过空化气泡的机械力学效应（膨胀、塌陷、冲击波）破坏组织结构，具有无热损伤、实时可视化、组织选择性等优势。

2、根据空化触发机制的不同，现有组织摧毁术主要包括本征阈值型组织摧毁术（intrinsic-threshold histotripsy，it-ch）、冲击散射型组织摧毁术（shock-scatteringhistotripsy，ss-ch）以及沸腾型组织摧毁术（boiling histotripsy，bh）。

3、其中，本征阈值型组织摧毁术通常采用极短脉冲（1-2个循环，<4μs），依赖组织内固有纳米气核（2-10 nm）在高负压（|p-| > 26-30 mpa）下自发膨胀产生空化。气泡形成位置确定性强，但其电压需求高。

4、冲击散射型组织摧毁术通常采用较长脉冲（3-20个循环），前几个循环产生的冲击波在已有气泡上反射散射，叠加增强负压半周期，从而降低对初始负压幅值的要求（峰值负压|p-|约20-30 mpa）。但其初始气泡形成存在随机性，需要10-100个以上脉冲才能形成稳定气泡云。

5、沸腾型组织摧毁术通常采用毫秒级长脉冲（1-20 ms），依靠冲击波强吸收使焦点组织极速升温沸腾生成蒸汽泡，后续冲击波与蒸汽泡作用引发声雾化实现机械消融，所需峰值负压更低（峰值负压|p-|约10-15 mpa）。但其消融精度弱于空化型，单次作用的病灶体积更大。

6、现有技术中，例如公开号为cn105530869b的专利公开了一种利用冲击散射促进气泡云形成的组织摧毁术激发序列。该方案通过先发射初生脉冲以在组织中产生至少一个初始气泡，再在所述初始气泡存在期间发射散射脉冲，使散射脉冲与所述初始气泡相互作用，通过冲击散射作用增强局部负压力并进一步形成气泡云。由此，初生脉冲和散射脉冲作为功能不同的脉冲分别产生，并需要按照相应的时间关系进行配合。然而，这种现有技术方案存在以下显著局限性：一方面，现有冲击散射型组织摧毁方案需要分别产生用于形成初始气泡的初生脉冲以及用于产生冲击散射作用的散射脉冲，并在二者之间设置5-200μs的时间延迟。该延迟必须根据焦点深度、组织声速精确计算，误差需控制在微秒级。在临床应用中，不同患者组织声速存在差异（肝脏约1550 m/s，脂肪约1450 m/s），同一患者治疗过程中组织状态也在动态变化，使得精确的时序控制实现难度大、鲁棒性差。

7、另一方面，现有组织摧毁系统多采用固定焦距的球面换能器阵列，焦点尺寸在制造时即确定。例如，现有系统采用固定焦点设计，无法在同一治疗过程中根据目标尺寸调节焦点。临床中需要面对从亚毫米级神经纤维到数十毫米肿瘤的多样化治疗目标，固定焦点导致大体积肿瘤需要密集扫描（治疗时间长）、小目标治疗精度不足（损伤周围正常组织）。

8、此外，在冲击散射型组织摧毁过程中，需要通过降低散射脉冲的幅值和循环数来减少整体能量剂量，以降低热沉积。然而，冲击散射型ch的空化增强效果依赖于散射脉冲在初始气泡上的反射强度，降低散射脉冲幅值会直接削弱散射增强效应，导致负压增强不足，空化云密度下降。并且，冲击散射型ch中初始气泡形成的随机性使得从少于10个到超过100个以上脉冲才能在焦点处触发冲击散射过程，进而形成稳定的气泡云。降低散射脉冲能量会进一步加剧这一问题：空化触发概率下降、单脉冲消融体积减小、达到治疗终点所需的总脉冲数增加。这种“降低单脉冲能量→降低空化概率→需要更多脉冲→总治疗时间延长→总累积热剂量反而可能增加”的恶性循环，使得现有技术中降低能量剂量的做法未能从机制层面解决以更少的能量实现更高效空化的问题。

9、进一步地，冲击散射型ch的初始气泡形成依赖于组织内随机分布的气核，导致空化云的位置、大小和密度在不同脉冲间存在显著波动，治疗可重复性差，且在关键部位（如血管旁）可能因空化云偏移而造成非预期损伤。

10、基于上述现有技术的局限性，仍存在以下亟待解决的技术问题：

11、第一，如何简化治疗脉冲的波形结构，避免对初生脉冲和散射脉冲的区分和精确时序控制，从根本上消除微秒级时间延迟依赖性；

12、第二，如何在同一套治疗系统上实现焦点尺寸的灵活调节，以适应不同治疗场景（从大体积肿瘤消融到亚毫米级神经精控）的需求；

13、第三，如何在保证甚至提升空化效率的前提下实现更低的电压需求和更少的循环数，打破现有技术中能量剂量与空化效率的矛盾，实现低电压、少循环、高效率的统一目标；

14、第四，如何消除冲击散射型ch初始气泡形成的随机性问题，使空化云的产生更加确定和可重复。

15、因此，有必要提供一种超声脉冲控制系统，以解决现有技术中存在的上述问题。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的缺点，本发明提供一种基于相控阵列焦点调节的超声脉冲控制系统、方法、介质、程序产品及终端，用于解决以上现有技术中的至少一个技术问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第一方面提供一种基于相控阵列焦点调节的超声脉冲控制系统，包括：相控控制器、波形生成器、功率放大器以及相控阵列换能器；所述相控阵列换能器包括多个换能器阵元；所述功率放大器分别与所述相控控制器、所述波形生成器和所述相控阵列换能器连接；其中：所述相控控制器用于获取目标组织的尺寸数据，根据所述尺寸数据计算各所述换能器阵元对应的相位分布，并根据所述相位分布输出相位控制信息，以控制调节所述相控阵列换能器形成的超声焦点的焦点尺寸；所述波形生成器用于获取所述目标组织的深度数据，根据所述深度数据确定目标工作频率，并根据所述目标工作频率生成统一治疗脉冲；其中，所述统一治疗脉冲的脉冲时序包括本征阈值预触发阶段和局部冲击增强阶段，所述本征阈值预触发阶段用于形成初始空化核，所述局部冲击增强阶段用于与所述初始空化核相互作用并形成气泡云；所述本征阈值预触发阶段的统一治疗脉冲的峰值负压小于本征阈值；所述功率放大器用于接收所述相位控制信息和所述统一治疗脉冲，基于所述相位控制信息和所述统一治疗脉冲生成驱动电信号，并将所述驱动电信号进行功率放大后发送至所述相控阵列换能器；所述相控阵列换能器用于响应于功率放大后的驱动电信号，使各所述换能器阵元按照所述相位分布发射超声波信号，并基于各所述换能器阵元发射的超声波信号在目标组织上形成具有对应焦点尺寸的超声焦点。

3、于本技术的第一方面的一些实施例中，所述相控控制器用于根据所述目标组织的尺寸数据调整各所述换能器阵元之间的相位关系，根据调整后的所述相位关系生成对应的相位分布，并通过所述相位分布调整各所述换能器阵元发射的超声波信号，以调节所述超声焦点的焦点尺寸。

4、于本技术的第一方面的一些实施例中，所述相位分布包括：对应于第一焦点尺寸的第一相位分布、对应于第二焦点尺寸的第二相位分布；其中，所述第一焦点尺寸小于所述第二焦点尺寸；在所述第一相位分布中，各所述换能器阵元发射的超声波信号同相聚焦，以使形成的对应超声焦点为第一焦点尺寸；在所述第二相位分布中，所述相控阵列换能器中的各所述换能器阵元被划分为多个阵元组，各个阵元组以不同相位配置同时发射形成平顶分布，以使形成的对应超声焦点为第二焦点尺寸。

5、于本技术的第一方面的一些实施例中，所述统一治疗脉冲包括多个脉冲循环；所述多个脉冲循环组成的脉冲时序被划分为前序循环时段和位于所述前序循环时段之后的后续循环时段；所述本征阈值预触发阶段对应于所述前序循环时段，所述局部冲击增强阶段对应于所述后续循环时段；其中：在所述前序循环时段内，各脉冲循环作用于所述目标组织中的固有气核，以形成初始空化核；在所述后续循环时段内，各脉冲循环与所述初始空化核相互作用形成瞬时增强负压，并基于所述瞬时增强负压最终形成气泡云。

6、于本技术的第一方面的一些实施例中，所述峰值负压为18-26mpa，所述本征阈值为26-30mpa。

7、于本技术的第一方面的一些实施例中，所述系统还包括：超声成像模块；所述超声成像模块用于对所述目标组织的空化云形态进行实时监测，得到空化云形态监测结果，并显示所述空化云形态监测结果。

8、于本技术的第一方面的一些实施例中，所述系统还包括：主控模块；所述主控模块分别与所述相控控制器、所述波形生成器和所述超声成像模块连接；所述主控模块用于向所述相控控制器和所述波形生成器发送预设治疗参数，以及接收所述超声成像模块在获得空化云形态监测结果后生成的反馈调节参数，并基于所述反馈调节参数调整治疗参数。

9、于本技术的第一方面的一些实施例中，所述相控控制器还用于基于焦点尺寸与prf的联动优化机制，在根据目标组织的尺寸数据确定相位分布并形成对应的超声焦点后，根据所述超声焦点的焦点尺寸确定与其对应的脉冲重复频率。

10、为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第二方面提供一种基于相控阵列焦点调节的超声脉冲控制方法，包括：获取目标组织的尺寸数据，根据所述尺寸数据计算相控阵列换能器中各换能器阵元对应的相位分布，并根据所述相位分布输出相位控制信息，以控制调节所述相控阵列换能器形成的超声焦点的焦点尺寸；获取所述目标组织的深度数据，根据所述深度数据确定目标工作频率，并根据所述目标工作频率生成统一治疗脉冲；其中，所述统一治疗脉冲的脉冲时序包括本征阈值预触发阶段和局部冲击增强阶段，所述本征阈值预触发阶段用于形成初始空化核，所述局部冲击增强阶段用于与所述初始空化核相互作用并形成气泡云；所述本征阈值预触发阶段的统一治疗脉冲的峰值负压小于本征阈值；接收所述相位控制信息和所述统一治疗脉冲，基于所述相位控制信息和所述统一治疗脉冲生成驱动电信号，并将所述驱动电信号进行功率放大后发送至所述相控阵列换能器；响应于功率放大后的驱动电信号，使各所述换能器阵元按照所述相位分布发射超声波信号，并基于各所述换能器阵元发射的超声波信号在目标组织上形成具有对应焦点尺寸的超声焦点。

11、于本技术的第二方面的一些实施例中，所述方法还包括：根据目标组织的深度数据动态切换统一治疗脉冲的目标工作频率；当目标组织的深度大于10 cm时，所述目标组织为深层目标组织，发射目标工作频率为700 khz的统一治疗脉冲在深层目标组织上产生初始空化核；当目标组织的深度小于5 cm时，所述目标组织为表浅目标组织，发射目标工作频率为1 mhz的统一治疗脉冲作用于表浅目标组织进行消融。

12、为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第三方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述基于相控阵列焦点调节的超声脉冲控制方法。

13、为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第四方面提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品中包括计算机程序代码，当所述计算机程序代码在计算机上运行时，使得所述计算机实现所述基于相控阵列焦点调节的超声脉冲控制方法。

14、为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第五方面提供一种电子终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序；所述处理器执行所述计算机程序以实现所述基于相控阵列焦点调节的超声脉冲控制方法。

15、如上所述，本技术提供的基于相控阵列焦点调节的超声脉冲控制系统、方法、介质、程序产品及终端，具有以下有益效果：

16、（1）本技术采用单一统一治疗脉冲，不区分初生脉冲和散射脉冲，无需在脉冲间设置时间延迟。这一改进从根本上消除了现有技术中微秒级时间延迟控制的复杂性，降低了系统实现难度，避免了不同患者组织声速差异导致的时间延迟计算误差，使得脉冲发射控制更为简洁，系统鲁棒性显著提升。

17、（2）本技术通过本征阈值预触发阶段和局部冲击增强阶段协同的本征增强机制，利用统一治疗脉冲内多脉冲循环的相互增强效应补偿初始负压不足，使峰值负压从本征阈值型组织摧毁术的26-30 mpa降至18-26 mpa。按照声压与驱动电压的线性关系换算，使得电压需求降低约20%至40%。该降低直接减少了换能器的电应力，延长了设备使用寿命，同时降低了电磁干扰风险。

18、（3）本技术并非通过削弱空化效果来降低剂量，而是通过统一脉冲内的本征阈值预触发阶段和局部冲击增强阶段协同的本征增强机制，在更低的峰值负压和更少的循环数下实现等效或更强的空化效应，从而打破了降低单脉冲能量会导致降低空化概率进而需要更多脉冲的恶性循环，实现低电压、少循环、高效率的统一目标。

19、（4）本技术通过相控阵列焦点调节，可实现1 mm-30 mm焦点直径的连续可调，覆盖从神经精控到大体积肿瘤消融的全场景需求。同时通过焦点尺寸与脉冲重复频率的联动优化机制进一步确保不同焦点尺寸下的安全性与效率平衡。

20、（5）本技术的统一治疗脉冲通过前序脉冲循环的本征阈值预触发阶段，使初始空化核的位置更加确定，消除了现有技术冲击散射型ch中初始气泡形成的随机性。同时使得空化云的位置、大小和密度在不同脉冲间的一致性显著提升，治疗可重复性得到改善，进一步降低目标组织治疗时因空化云偏移而造成非预期损伤的风险。