一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统及方法

1.本发明涉及超声波领域和控制科学领域，特别是一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统及方法。


背景技术：

2.超声波作用于人体组织会产生一定的生物效应，如机械效应、温热效应、空化效应等。
3.超声在介质中传播时产生的超声振动，可引起组织细胞内物质运动。这种超声波所独有的治疗特性，也被称为内按摩，它可以改变细胞膜的通透性，刺激细胞半透膜的弥散过程，促进新陈代谢、加速血液和淋巴循环、改善细胞缺血缺氧状态，改善组织营养、改变蛋白合成率、提高再生机能等，从而使细胞内部结构发生变化，导致细胞的功能变化，使坚硬的结缔组织延伸，松软。超声机械效应可以达到软化组织，增强渗透，促进代谢、循环，刺激神经系统和细胞功能的作用。
4.人体组织能够非常有效的吸收超声波的能量，即当超声波在人体组织中传播时，其能量会不断的被组织吸收从而变成热量，结果导致组织自身温度升高。这个内生热的过程，就是机械能在介质中转变为热能的一个能量转换的过程。超声波的温热效应简单来说可以加速代谢，逐步就可改善组织营养。与常见物理加热所不同的是，超声波的热效应以骨、结缔组织较为显著，而对于脂肪与血液来说效果最少。
5.国内外医学专家利用超声技术在治疗肢体软组织损伤、肢体慢性疼痛康复、肢体运动康复方面积取得了非常好的疗效。但是目前市面上的超声理疗仪大都是自主对目标区域进行刺激，并没有根据目标区的严重程度进行实时的调节，即理疗仪只能根据自己的设计来对某组织进行超声刺激，此种设备不能满足不同组织的刺激需求，也不能根据不同患者自己的需要来调节刺激需要。
6.传统控制理论只能对确定性系统进行分析控制，但是无法作用于非线性，时变的系统，这是传统控制理论的局限性。而作为现代控制理论中的自适应控制研究对象就是具有不确定性的系统，自适应控制能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化。自校正控制系统的内环包括被控对象和一个普通的线性反馈调节器，外环则由一个递推参数估计器和一个设计机构所组成，其任务是辨识过程参数，再按选定的设计方法综合出控制器参数，用以修改内环的控制器。这类系统的特点是必须对过程或者被控对象进行在线辨识(估计器)，然后用对象参数估计值和事先规定的性能指标在线综合出调节器的控制参数，并根据此控制参数产生的控制作用对被控对象进行控制。经过多次地辨识和综合调节参数，可以使系统的性能指标趋于最优。自校正控制可以看作是参数估计+控制器这两部分组成。


技术实现要素：

7.本技术的目的在于提供一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统及方法，目
前市面上存在的超声理疗仪所发出的超声刺激是没有考虑目标区的情况的，因此有可能不会对目标区进行最优强度的超声刺激。以最优的超声频率刺激目标区是目前需要解决的问题。
8.为实现上述目的，本技术采取的技术方案是：一方面，一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统，包括主控模块、电源模块、第一发射模块、第二发射模块、接收模块，第一开关选择模块、第二开关选择模块、探测换能器、自适应控制、刺激换能器阵列以及显示屏模块，所述主控模块与电源模块相连，主控模块与第一发射模块及第二发射模块相连，主控模块与所述显示屏模块相连，所述第一发射模块与所述第一开关选择模块相连，所述第二发射模块与所述第二开关选择模块相连，所述第一开关选择与探测换能器相连，所述第二开关选择与刺激换能器阵列相连，所述探测换能器与所述接收模块相连，所述接收模块与所述自适应控制相连，所述自适应控制与所述主控模块相连。
9.本系统的进一步改进在于，所述主控模块是整套系统的控制核心，可进行分析处理，通过接收模块接收到的数据通过自适应控制对发射模块进行调整，通过改变刺激换能器阵列中的阵元来改变刺激强度，是整个刺激探测系统的控制核心模块。
10.本系统的进一步改进在于，所述电源模块是作为整套系统的电源部分，包括一个220v交流转24v直流的降压模块，还包括一个直流5v转直流24v的升压模块，电源模块可以根据需要选择不同的电压供电模式，此设计方法的优点在于既能在有电时用高压供电，又能在停电时用充电宝供电。
11.本系统的进一步改进在于，所述第一发射模块、第二发射模块通过接收主控模块的信号发射脉冲信号，通过第一开关选择、第二开关选择分别驱动探测换能器、刺激换能器阵列发射超声波。
12.本系统的进一步改进在于，所述第一开关选择模块通过连接第一发射模块和探测换能器，所述第二开关选择模块通过连接第二发射模块和刺激换能器阵列，来选择何时获取探测信号，何时对目标区进行刺激。
13.本系统的进一步改进在于，所述探测换能器，探测换能器发射的超声波是需要得到回波信号的，获得信号后通过自适应控制来调整刺激换能器阵列中的阵元发射适合此时目标区的刺激强度。
14.本系统的进一步改进在于，所述刺激换能器阵列通过选择不同的阵元对目标区进行刺激。
15.本系统的进一步改进在于，所述探测换能器和接收模块以及主控模块共同组成自适应控制中的外环回路。
16.另一方面，一种上述的一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统的方法，包括：
17.s1、首先第一发射模块发射脉冲信号，脉冲信号驱动探测换能器对目标区发射超声波，获取此区域的超声回波信号，并显示在显示屏模块上进行保存；
18.s2、根据回波信号分析此区域需要的刺激强度，通过第二发射模块发射脉冲信号，驱动刺激换能器阵列某一阵元发射超声波对此区域进行刺激；
19.s3、5分钟之后通过第一发射模块再次通过第一开关选择模块发射脉冲信号驱动探测换能器发射超声波，获取此时的超声回波信号，显示在显示屏模块上并与上次的回波
信号进行比较；
20.s4、根据自适应控制计算刺激频率的需要改变的最优步长来改变刺激频率，对目标区进行最优强度的刺激。
21.由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
22.本发明提供一套基于自适应控制算法的超声探测刺激系统及方法，通过探测换能器和刺激换能器阵列来提供不同的刺激功能，探测换能器发射超声波需要接收回波信号来判断目标区需要多大强度的刺激，刺激换能器阵列是不需要接收回波信号的，直接对目标区进行刺激，以达到理疗的效果。
23.本发明基于自适应算法来寻找需要调整的刺激频率步长，通过探测换能器获取回波信号，经过自适应算法计算最优步长，然后调整刺激频率以达到最合适的刺激强度。可以根据目标区的严重程度或者不同部位的严重程度调整刺激频率，以目标区为主的一套刺激系统，实现刺激系统的智能化。
24.本发明提供的两套供电电路，可以在平常使用220v交流电压满足系统的供电，也可以在没有220v交流电源的情况下利用5v直流电源供电，极大的方便了在没有220v电压的情况下的利用，很好的应对停电等突发状况。
25.本发明可以在上电之后无需进行人工干预，无需人工调节，通过自适应控制算法和探测换能器的结合即可发出适合某一目标区的超声波实现理疗功能，优势在于可以实现智能化。
26.本发明的刺激换能器部分使用的是刺激换能器阵列，刺激换能器阵列中的阵元可以根据最常用的理疗频率来设计，用阵列的优势在于前述根据自适应控制算法获得的最优改变步长，可以通过改变阵元的方式来换不同的刺激频率以达到最佳的理疗效果。
附图说明
27.为了说明本技术实施例中采取的技术方案，下面对本技术方案中涉及到的附图进行简单地介绍。
28.图1为本发明的整体系统框架；
29.图2为自适应算法的整体原理框图；
30.图3为本套系统工作时的原理框图。
具体实施方式
31.如图1所示本技术提出一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统包括主控模块、电源模块、第一发射模块、第二发射模块、接收模块、自适应控制、第一开关选择模块、第二开关选择模块、探测换能器、刺激换能器阵列以及显示屏模块，探测换能器，接收模块，自适应控制，显示屏模块组成了自适应算法的反馈回路，刺激换能器阵列是刺激部分的主体；其中：
32.所述主控模块的功能是接收数据，发出指令，作为整套系统的控制核心部分；
33.所述电源模块是由两路部分组成，一路220v交流转24v直流，一路5v直流转24v直流，起到供电的作用；
34.所述第一开关选择模块连接第一发射模块和探测换能器，第二开关选择模块连接
第二发射模块和刺激换能器阵列，通过接收主控模块的信号选择发射到探测换能器和刺激换能器阵列的某一路；
35.所述第一发射模块通过第一开关选择模块连接到探测换能器部分，第二发射模块通过第二开关选择模块连接到刺激换能器阵列部分，驱动换能器发出超声波；
36.所述显示屏模块用来显示和保存探测回波信号，用来比较两次信号的差别；
37.所述接收模块和自适应控制组成了自适应控制算法的外回路部分。
38.图2为自适应控制的原理框图，具体实施方式如下：
39.主控模块和刺激换能器阵列组成自适应控制的内回路，内回路用来发射超声波对目标区进行刺激。
40.外环则由一个递推参数估计器和一个设计机构所组成，其任务是辨识过程参数，再按选定的设计方法综合出控制器参数，用以修改内环的控制器，此系统的外环是探测换能器和接收模块以及主控模块和显示屏模块。
41.自适应控制需要对被控对象进行在线辨识，然后通过最优估计值来调整控制参数，此系统通过判断回波信号的改变来改变刺激强度。
42.图3为基于本套系统的原理框图，其工作时的方法，工作流程如下：
43.1.首先第一发射模块发射脉冲信号，脉冲信号驱动探测换能器对目标区发射超声波，获取此区域的超声回波信号，并显示在显示屏模块上进行保存；
44.2.根据回波信号分析此区域需要的刺激强度，通过第二发射模块对刺激换能器阵列某一阵元进行发射信号对此区域进行刺激；
45.3.5分钟之后通过第一开关选择模块再次发射探测超声波，获取此时的超声回波信号，显示在显示屏模块上并与上次的回波信号进行比较；
46.4.根据自适应控制计算刺激频率的需要改变的最优步长来改变刺激频率，对目标区进行最优强度的刺激。
47.5.重复进行1-4步骤，直到此次刺激结束。
48.6.寻找目标区最优刺激频率。
49.首先目标区的期望刺激频率服从以下模型：
50.d(n)＝x
t
(n)w0+v(n)
ꢀꢀ
(0.1)
51.其中w0＝[w0,w1......w
l-1
]
t
是未知系统的脉冲响应向量，x(n)＝[x(n).....x(n-l-1)]
t
是输入信号向量，v(n)是探测到的系统的超声回波信号，更一般的v(0)＝0；
[0052]
此刺激系统假设变化量只有需要调整的刺激频率，不考虑噪声的影响，通过自适应算法进一步求最优步长：
[0053]
s1.w(k+1)＝w(k)+μ(k)λ-1
xh(k)e(k)
ꢀꢀ
(0.2)
[0054]
其中μ(k)是超声换能器陈列阵元频率的步长的对角矩阵，w(k)是本次刺激的频率，其中w(0)是首次探测刺激的回波信号，w(k+1)是下一次调整之后的刺激频率，x(k)是发射的探测超声波的频率，e(k)表示频率误差值，即本次探测回波获得的信号与上次探测获得的回波信号的差值。
[0055]
s2.进一步的可将上式转化为:
[0056]
w(k+1)＝w(k)-μ(k)λ-1
xh(k)e(k)
ꢀꢀ
(0.3)
[0057]
s3.进一步的将式(0.2)从左侧乘上各自的转置并取学期望后得到:
[0058][0059]
期望信号可以改写为d(k)＝gx(k)w0+v(k)
ꢀꢀ
(0.5)
[0060]
其中v(k)是超声回波信号的傅里叶变换。
[0061]
频率误差值：e(k)＝gx(k)w(k)+v(k)
ꢀꢀ
(0.6)
[0062]
s4.将(0.6)式代入(0.4)式第二项可以得到
[0063][0064]
s5.进一步将(0.4)式化简
[0065][0066]
s6.令j(k)＝e[||w(k+1)||2]-e[||w(k)||2]
ꢀꢀ
(0.9)
[0067]
s7.对u(k)求导即可得到最优步长
[0068][0069]
其中εi(k)＝e[|w(k)|2]是频域失调因子，f
vv,i
＝e[v
i2
(k)]是每次探测的频率谱密度。
[0070]
综上，获取探测回波后通过自适应算法求得最佳频率步长(s1-s7)，改变刺激强度以达到最理想的效果。
[0071]
提供以上实施方案的目的是为了使得本发明的公开内容更加清晰透彻，但本发明并不仅限于这些具体的实施方案。本技术领域人员应当理解，还可以对本发明做各种修改、同等替换或变化等等，只要这些变换未违背本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统，其特征在于，包括主控模块、电源模块、第一发射模块、第二发射模块、接收模块、自适应控制、第一开关选择模块、第二开关选择模块、探测换能器、刺激换能器阵列以及显示屏模块，所述主控模块分别与电源模块、第一发射模块、第二发射模块、自适应控制、显示屏模块相连，所述第一发射模块与所述第一开关选择模块相连，所述第二发射模块与所述第二开关选择模块相连，所述第一开关选择与探测换能器相连，所述第二开关选择模块与刺激换能器阵列相连，所述探测换能器与所述接收模块相连，所述接收模块与所述自适应控制相连。2.根据权利要求1所述的一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统，其特征在于，所述主控模块作为控制模块，用于分析接收到目标区的回波信号同时第二发射模块发射脉冲信号，脉冲信号驱动刺激换能器阵列发射超声波，作为自适应控制的控制部分，起到控制全套系统的目的。3.根据权利要求1所述的一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统，其特征在于，所述接收模块用于接收探测换能器的回波信号，作为自适应控制的输入。4.根据权利要求1所述的一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统，其特征在于，所述第一发射模块发射脉冲信号，脉冲信号驱动探测换能器，所述第二发射模块发射脉冲信号，脉冲信号驱动刺激换能器阵列。5.根据权利要求1所述的一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统，其特征在于，所述第一开关选择模块用于选择探测换能器，所述第二开关选择模块用于选择刺激换能器阵列。6.根据权利要求1所述的一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统，其特征在于，所述探测换能器用于接收目标区的回波信号，并判断是否需要更改频率的最优步长，同时将此信号作为自适应控制的输入信号。7.根据权利要求1所述的一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统，其特征在于，所述刺激换能器阵列中具有不同频率的阵元，根据不同目标区的严重程度，接收模块接收探测换能器返回来的回波信号，通过自适应控制的调整，再通过第二发射模块发射脉冲信号，脉冲信号通过第二开关选择模块驱动刺激换能器阵列发射超声波。8.根据权利要求1所述的一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统，其特征在于，所述显示屏模块用于显示和保存接收到的目标区的回波信号，以便记录和上次保存的信号进行对比，作为自适应控制的判断部分。9.根据权利要求1所述的一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统，其特征在于，自适应控制通过探测换能器获得的信号作为输入信号，进入自适应控制的自校正调节器，以调整需要的最优频率步长，改变刺激频率以达到最优刺激效果。10.一种根据权利要求1-9任一项所述的一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统的方法，包括：s1、首先第一发射模块发射脉冲信号，脉冲信号驱动探测换能器对目标区发射超声波，获取此区域的超声回波信号，并显示在显示屏模块上进行保存；s2、根据回波信号分析此区域需要的刺激强度，通过第二发射模块发射脉冲信号，驱动刺激换能器阵列某一阵元发射超声波对此区域进行刺激；s3、若干分钟之后通过第一发射模块再次通过第一开关选择模块发射脉冲信号驱动探
测换能器发射超声波，获取此时的超声回波信号，显示在显示屏模块上并与上次的回波信号进行比较；s4、根据自适应控制计算刺激频率的需要改变的最优步长来改变刺激频率，对目标区进行最优强度的刺激。

技术总结
本发明公开一种基于自适应控制算法的超声探测刺激系统及方法，属于超声波领域和控制科学领域，主要采用自适应算法对超声刺激装置进行控制。此超声刺激系统主要包括主控模块，电源模块，发射模块，接收模块，开关选择模块，超声换能器以及显示屏模块。本发明的目的在于根据不同程度的目标区，不同的部位进行自适应的选择超声刺激频率。首先对目标区进行探测，接收回波信号，判断其严重程度，根据此回波信号，对此区域进行持续的刺激，通过等时长间隔的探测对刺激频率进行调整以满足不同严重程度，不同部位的需要，并将探测和刺激的结果实时显示在显示屏上。时显示在显示屏上。时显示在显示屏上。


技术研发人员：袁毅 冯勇
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/21