[发明专利]基于阵列加权网络优化的超声能量聚焦方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于阵列加权网络优化的超声能量聚焦方法及装置，其中，方法包括以下步骤：引入替代相控阵的移相器阵列的阵列加权网络；构造以阵列加权网络的权值矩阵与阵列产生的空间超声能量分布函数之间的关系，以得到系统模型；根据系统模型和肿瘤的空间分布构造权值的优化问题；根据优化问题的目标函数和约束条件分别在空域和变换域构造满足约束条件的权值集合与理想权值集合，以通过跨域交替投影算法生成空间超声能量分布函数，使得超声能量均匀分布于乳房的肿瘤组织上。该方法可以有效减少健康组织之中的超声能量，不仅可以缩短治疗时间，而且可以缓解治疗痛苦，有效增强用户体验。

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，特别涉及一种基于阵列加权网络优化的超声能量聚焦方法 及装置。

背景技术

相控阵系统，最早应用于先进雷达和无线通信系统。相控阵基于波的干涉原理，因此 原则上可以对任何形式的波(包括声波等)实现能量聚焦。基于超声波能量聚焦的乳癌高 温疗法通过超声相控阵系统，将超声能量聚焦于乳腺组织的肿瘤上，利用超声能量产生的 热量杀死癌细胞。不同于放疗和化疗，这类治疗方法不会对人体产生有害的化学或者放射 性刺激，具有相对安全，治疗效果好，病患痛苦低的优点。

然而，从能量聚焦的角度来看，相控阵系统是一个秩-1的系统，其能量聚焦能力受到 相关矩阵的秩的限制，使能量在空间中的散布函数仍无法达到令人满意的程度。准确的说， 高效的高温乳癌治疗，需要将主要的超声能量散布到整个肿瘤组织上，同时，尽可能减少 健康组织中的超声能量，以增大健康组织和肿瘤组织之间的温差。而基于相控阵的秩-1系 统所产生的空间能量分布函数难于满足这样的要求，从而需要更长的治疗时间。长时间的 组织加热将增加病患的痛苦。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于阵列加权网络优化的超声能量聚焦方法， 该方法可以有效减少健康组织之中的超声能量，不仅可以缩短治疗时间，而且可以缓解治 疗痛苦，有效增强用户体验。

本发明的另一个目的在于提出一种基于阵列加权网络优化的超声能量聚焦装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于阵列加权网络优化的超声能量 聚焦方法，包括以下步骤：引入替代相控阵的移相器阵列的阵列加权网络；构造以所述阵 列加权网络的权值矩阵与阵列产生的空间超声能量分布函数之间的关系，以得到系统模型； 根据所述系统模型和肿瘤的空间分布构造权值的优化问题；根据所述优化问题的目标函数 和约束条件分别在空域和变换域构造满足所述约束条件的权值集合与理想权值集合，以通 过跨域交替投影算法生成空间超声能量分布函数，使得超声能量均匀分布于乳房的肿瘤组 织上。

本发明实施例的基于阵列加权网络优化的超声能量聚焦方法，通过对阵列的加权网络 进行迭代优化，使阵列能够根据给定的肿瘤组织分布图，产生优化的空间超声能量分布函 数，将超声能量均匀分布于肿瘤组织上，从而有效减少健康组织之中的超声能量，不仅可 以缩短治疗时间，而且可以缓解治疗痛苦，有效增强用户体验。

另外，根据本发明上述实施例的基于阵列加权网络优化的超声能量聚焦方法还可以具 有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述系统模型表示为：

其中，r为空间坐标矢量，P(r)为空间超声能量分布函数，a(r)为坐标r处的导向矢量， W为网络权值，矩阵X的每个列矢量代表了一路超声波形；并且，所述权值的优化问题表示为：

其中，代表由测量的肿瘤组织分布得到的理想空间超声能量分布函数，S_r代表乳 腺组织在空间中分布的坐标集合，S_con代表权值矩阵需要满足的约束条件。