球面多片阵列式聚焦超声换能器的阵元排布方法及系统与流程

本发明属于球面多片阵列式聚焦超声换能器，尤其涉及一种球面多片阵列式聚焦超声换能器的阵元排布方法及系统。

背景技术：

1、球面多片阵列式聚焦超声换能器具有换能效率高的优点，因此，是近几年研究的热点之一。

2、在实际应用中，球面多片阵列式聚焦超声换能器产生的焦域以及声强需要满足治疗需求。其中，影响焦域大小的因素包括驱动电路输出至超声换能器的频率、超声换能器中阵元的厚度以及多阵元在球面托架上的排布方式。即可以通过调整频率、阵元厚度以及阵元排布方式控制焦域的大小。

3、为了确保治疗效果，在实际应用中，一般要求球面多阵元聚焦超声换能器具有固定的输出频率，因此，通过调整频率控制焦域大小的方式不适用于要求固定频率输出的应用场景。阵元组装完成后，阵元厚度为固定值，因此，无法通过调整阵元厚度来控制焦域的大小。

4、鉴于此，亟待提出一种通过设计阵元排布方法，以使得超声换能器能够发射满足治疗需求的焦域和声强，而且，能够避免超声换能器尺寸过大，以减小设计及驱动负担。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种球面多片阵列式聚焦超声换能器的阵元排布方法及系统，首先在球面托架所具有的内球面上依据本发明建立的排布原则构建排布区域，其次，构建多个相同的等效阵元组，最后将等效阵元组一一装配至与其对应的排布区域上，以完成球面多片阵列式聚焦超声换能器的振元排布。本发明通过优化的排布方式，能够使得聚焦超声换能器发射出满足治疗需求的焦域和声强，而且，同时能够避免聚焦超声换能器的尺寸过大，以及由尺寸过大带来的与之装配的水囊，以及驱动其运动的驱动装置的设计、装配以及驱动难度。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种球面多片阵列式聚焦超声换能器的阵元排布方法，球面多片阵列式聚焦超声换能器包括球面托架以及分布在球面托架上的多个等效阵元组，阵元排布方法包括如下步骤：

4、s10.在球面托架所具有的内球面上构建多个排布区域；具体包括如下子步骤：

5、s100.确定靶向组织数据，基于靶向组织数据确定焦域尺寸和治疗深度；其中，靶向组织数据包括位置坐标、体积和距离表皮深度；焦域尺寸包括焦域直径和焦域高度；

6、s101.基于焦域尺寸和治疗深度确定球面托架所具有的内球面的总面积；

7、s102.将内球面均匀划分为多个扇区；

8、s103.配置内球面的有效发射面积以及阵元直径，根据有效发射面积和阵元直径确定阵元数量及相邻阵元之间的间距；

9、s104.根据阵元数量确定内球面上用于排布阵元的圈数，基于相邻圈径向间距相等的原则，确定每一圈对应的同心圆位置，以及被扇区截断的同心圆的圆弧段，基于圆弧段的弧长和阵元间距确定安装孔位置和安装孔数量；

10、s105.针对每一扇区确定用于划分排布区域的排布原则；排布原则为：当位于圆弧段上的安装孔数量大于或等于等效阵元组中阵元数量时，依据同圆弧段且位置临近原则划分排布区域；当位于圆弧段上的安装孔数量小于等效阵元组中阵元数量时，依据临圆弧段且位置临近原则划分排布区域；每一排布区域中安装孔数量相等；

11、s11.构建多个相同的等效阵元组，等效阵元组的数量与排布区域的数量相等，每一排布区域中安装孔数量与每一等效阵元组中阵元数量相等；每一等效阵元组中的阵元数量相等、阵元本征频率组分相同、端接等效阻抗偏差最大值小于或等于阻抗偏差阈值；同一等效阵元组内的阵元阻抗角偏差最大值小于或等于阻抗角偏差阈值；

12、s12.将一个等效阵元组对应安装在一个排布区域。

13、作为一种可能的实现方式，s101具体包括如下步骤：

14、s1010.基于焦域直径计算获得聚焦角；

15、s1011.基于治疗深度和聚焦角计算获得内球面的总面积；

16、作为一种可能的实现方式，基于治疗深度和聚焦角计算获得内球面在二维平面上投影形成的弧的弦长，将弦长定义为聚焦超声换能器的开口直径。

17、作为一种可能的实现方式，通过如下方式获得聚焦角：

18、d＝0.71λ/sin(α)

19、其中，d为焦域直径，λ为超声波的波长，α为聚焦角，d和λ为已知量，α为未知量。

20、作为一种可能的实现方式，构建多个相同的等效阵元组，针对每一等效阵元组，构建方法如下：

21、构建精筛阵元组，确定精筛阵元组组数，精筛阵元组组数小于等于等效阵元组组数；一组精筛阵元组对应一个本征频率，不同组精筛阵元组对应的本征频率不同，不同组精筛阵元组之间的本征频率偏差最大值小于等于本征频率偏差阈值；每一精筛阵元组内阵元数量大于等于所有等效阵元组内从对应精筛阵元组中选取的阵元数量之和；

22、确定等效阵元组中所需阵元的数量；

23、从每一精筛阵元组中选取至少一个阵元，从所有精筛阵元中选取的阵元数量总和与等效阵元组中所需的阵元数量相等；由从不同本征频率对应的精筛阵元组中选取的多个阵元构成等效阵元组。

24、作为一种可能的实现方式，端接等效阻抗由等效阵元组中阵元的阻抗以及连接关系确定。

25、作为一种可能的实现方式，端接等效阻抗通过如下方式确定：

26、当等效阵元组中的阵元串联时，等效阻抗为所有阵元的串联总阻抗；

27、当等效阵元组中的阵元并联时，等效阻抗为所有阵元的并联总阻抗；

28、当等效阵元组中的阵元混联时，等效阻抗为所有阵元的混联总阻抗。

29、作为一种可能的实现方式，阻抗偏差阈值不大于10ω；阻抗角偏差阈值不大于20°；本征频率偏差阈值不大于50khz。

30、作为一种可能的实现方式，焦域尺寸为1.1mm*1.1mm*8mm～2.5mm*2.5mm*12.5mm；内球面的半径为15～30cm；聚焦角为10～60°。

31、第二方面，本发明还提供一种球面多片阵列式聚焦超声换能器的阵元排布系统，包括：

32、排布区域构建单元，用于在球面托架所具有的内球面上构建多个排布区域，排布区域构建单元具体执行如下步骤：

33、s100.确定靶向组织数据，基于靶向组织数据确定焦域尺寸和治疗深度；其中，靶向组织数据包括位置坐标、体积和距离表皮深度；焦域尺寸包括焦域直径和焦域高度；

34、s101.基于焦域尺寸和治疗深度确定球面托架所具有的内球面的总面积；

35、s102.将内球面均匀划分为多个扇区；

36、s103.配置内球面的有效发射面积以及阵元直径，根据有效发射面积和阵元直径确定阵元数量及相邻阵元之间的间距；

37、s104.根据阵元数量确定内球面上用于排布阵元的圈数，基于相邻圈径向间距相等的原则，确定每一圈对应的同心圆位置，以及被扇区截断的同心圆的圆弧段，基于圆弧段的弧长和阵元间距确定安装孔位置和安装孔数量；

38、s105.针对每一扇区确定用于划分排布区域的排布原则；排布原则为：当位于圆弧段上的安装孔数量大于或等于等效阵元组中阵元数量时，依据同圆弧段且位置临近原则划分排布区域；当位于圆弧段上的安装孔数量小于等效阵元组中阵元数量时，依据临圆弧段且位置临近原则划分排布区域；每一排布区域中安装孔数量相等；

39、等效阵元组构建单元，等效阵元组构建单元用于构建多个相同的等效阵元组，等效阵元组的数量与排布区域的数量相等，每一排布区域中安装孔数量与每一等效阵元组中阵元数量相等；每一等效阵元组中的阵元数量相等、阵元本征频率组分相同、端接等效阻抗偏差最大值小于或等于阻抗偏差阈值；同一等效阵元组内的阵元阻抗角偏差最大值小于或等于阻抗角偏差阈值

40、以及装配单元，装配单元用于将等效阵元组对应安装在排布区域。

41、与现有技术相比，本发明具有如下效果：

42、1.本发明提出一种基于焦域尺寸和治疗深度参数确定球面托架内球面的面积，再根据内球面面积的有效发射面积、阵元直径等确定阵元数量以及阵元间距，基于此，可以确定阵元在内球面的排布圈数和相邻圈之间的径向间距。将内球面均匀划分多个扇区，针对每个扇区依据排布原则合理确定排布区域。通过上述方法确定的排布区域，在有限的内球面面积上，能够使阵元排布更加合理，即能够发射出满足治疗需求的焦域和分布在焦域附件的声强。

43、2.当球面托架尺寸过大时，与之装配在一起的水囊尺寸也需要相应的增大，此时，对于驱动装置而言，负载增大。应用本发明提供的排布方法确定的排布区域，在发射出满足治疗需求的焦域和声强的情况下，还能够避免球面托架尺寸过大的问题，从而降低驱动装置的负载。

44、3.在获得精筛阵元组之后，还构建多个相同的等效阵元组，由从不同本征频率对应的所述精筛阵元组中选取的多个阵元构成等效阵元组。且等效阵元组中的阵元具有相同的本征频率组分、相同的端接等效阻抗以及在预设偏差范围内的阻抗角，在实际应用中，能够确保每个等效阵元组输出特性参数的一致性。