聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統的製作方法

2023-12-07 07:45:16

專利名稱：聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於醫療設備領域，更具體地說本發明涉及聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統。
背景技術：
惡性腫瘤是導致人體死亡的最主要原因，儘管有很多治療惡性腫瘤的技術，腫瘤手術、放射治療和化學治療仍然作為主要的惡性腫瘤治療方法，如何在手術後殺死殘存腫瘤細胞，減少腫瘤細胞擴散和轉移，提高放射治療敏感性和治療效果是醫學界共同關心的研究領域。光動力學腫瘤治療是利用雷射激發光敏劑產生單態氧，通過單態氧強大的氧化能力，對腫瘤細胞的微結構和亞結構產生破壞作用，從而發揮抗腫瘤功能，由於光敏劑對腫瘤細胞沒有特殊的親和力，可以自動吸附到腫瘤細胞周圍，因此，光動力腫瘤治療具有良好的選擇性，只會選擇性殺傷腫瘤細胞，而不會傷害周圍正常細胞，是極有發展前途的非創傷性腫瘤治療技術。對於早期及淺表腫瘤的治療有效率高達84% 100%，然而，光動力學的致命弱點在於紅色雷射對人體有效穿透深度有限，不到10mm，雷射不可能透入人體深度組織。 因此，僅能治療極少數很表淺或很局限的腫瘤，光動力腫瘤治療技術的推廣受到很大限制。大家知道，超聲波也是一種能量形式，而且選用適當頻率時，超聲波可以在人體內傳播足夠深度。1998年Umemura首次報導使用超聲波成功激活血卟啉，使其產生明顯的抗腫瘤效應。其後，人們便在這一領域中相繼做了大量研究工作，取得了不少進展。超聲激活血卟啉的機理，一般認為是超聲對血卟啉的作用類似雷射，激活血卟啉並使它產生類似的產物，如單線態氧、過氧化物、自由基等殺傷腫瘤細胞。目前，國內外對應用超聲激活光敏劑治療腫瘤的研究，大多是採用超聲理療儀進行實驗室階段的實驗，尚未見文獻報導專門設計的聲動力腫瘤治療系統及其應用於臨床腫瘤治療，美國專利文獻搜索未見相關專利。中國發明專利「光敏劑作為高強度聚焦超聲增敏劑應用」(專利申請號 200510115551. 3)介紹一種光敏劑作為高強度聚焦超聲增敏劑的新用途，該專利介紹的技術是在實施HIFU治療時，利用光敏劑作為超聲治療增敏劑，其增敏劑的作用是作為HIFU治療的輔劑，降低超聲治療劑量，並未將超聲動力學作為一種獨立治療手段，而且，並未介紹專門用於聲動力治療的超聲設備。中國發明專利「卟啉類在製備聲動力療法藥物中應用及聲動力療法」(專利申請號200710164M4. 2)介紹了一種卟啉化合物作為光敏劑應用於聲動力治療，並未介紹用於動力治療的超聲波設備。中國實用新型專禾Ij 「超聲復頻全身聲動力治療系統」(專利申請號 200720199881. χ)介紹一種帶有運動裝置的超聲治療水槽，該專利甚至沒有提及到光敏劑以及通過超聲激發光敏劑進行腫瘤治療，而且，該專利介紹的裝置，無靶向定位，無具體治療方向，不符合超聲治療的基本原則。
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為實現聲動力學腫瘤治療，首先必須有準確的立體定位裝置，保證超聲波準確遞運到靶部位，其次，為了準確遞運超聲波劑量到達靶部位，最好採用聚焦超聲的技術，將超聲波焦斑準確發射到靶部位；此外，根據研究顯示，多頻率超聲激發光敏劑殺傷腫瘤的效果遠比單頻率超聲要好，所以，應用雙頻或多頻超聲技術實現對靶部位光敏劑多重激發。隨著對微泡超聲造影劑的深入研究，其潛在的非創傷性治療作用引人注目，主要表現在以下兩方面，首先，各種微泡(尤其是脂膜微泡，其結構類似脂質體)是一種良好的腫瘤粘附劑，選擇性粘附在腫瘤細胞和腫瘤組織周圍。其次，微泡作為一種十分有效的空化核，容易誘導超聲空化發生，空化發生在生物體內可以主生「聲孔效應」，引起鄰近細胞被 「超聲打孔」，導致細胞膜通透性增高，利於藥物釋放。當組織血管被高濃度微泡灌注時，空化核密度大量增加，空化閾值降低，低能量超聲作用也可能引起強烈的空化效應，導致微小和血管機械性破裂出血以及血栓形成。利用超聲能量非創傷性治療腫瘤是本專利的目標。配合激發光敏劑殺死腫瘤細胞的同時用物理方法阻斷腫瘤微循環，它主要利用超聲波與微泡相互作用所產生的空化效應機械性損傷血管內皮細胞，使基底膜暴露，從而啟動內源性凝血系統，導致腫瘤微循環栓塞，阻斷腫瘤血供，與正常微血管不同，腫瘤微血管生長迅速導致結構紊亂，表現為管壁缺乏肌層，壁薄而脆，通透性高，所以更容易受到空化損傷。微泡造影劑在超聲作用下所產生的「聲孔效應」可使毛細血管破壞，引起出血，形成瘀點。這種效應在微泡注射完成後持續發生作用時間達數小時，且與微泡量呈正相關。本發明的主要目的是聯合應用光敏劑和超聲微泡造影劑作為選擇性腫瘤治療媒介，通過低功率、多頻率聚焦超聲形成的焦斑激發光敏劑的化學反應和誘發超聲微泡造影劑的空化效應，高選擇性殺傷腫瘤細胞的同時，不傷害周圍正常組織，達到非創傷性治療腫瘤的良好效果，廣泛應用於腫瘤術後治療，殺死殘留在腫瘤原發病灶及其周圍淋巴組織中的腫瘤細胞，預防腫瘤復發，也可以應用於早期腫瘤的無創傷治療。本發明的另一個目的是在聯合應用光敏劑和超聲微泡造影劑作為治療媒介的同時，利用超聲微泡造影劑良好藥物載體的功能，在微泡造影劑內加入抗腫瘤化學藥物，生物製品，利用超聲強大的「聲孔效應」，促進上述抗腫瘤製劑向腫瘤細胞內滲透，獲得更好的腫瘤治療效果。

發明內容
為實現本發明的上述目的，本發明所述聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統的技術特徵是，聯合應用光敏劑和超聲微泡造影劑作為腫瘤治療媒介，在治療前患者分別注射光敏劑和超聲微泡造影劑，應用超聲診斷探頭，探測治療部位和進行立體定位，通過多頻率聚焦超聲換能器發射低功率多種頻率超聲波激發光敏劑在腫瘤細胞產生光化學反應和誘導超聲微泡造影劑在腫瘤組織周圍產生聲空化效應，導致腫瘤微循環栓塞，阻止腫瘤細胞轉移，起到無創傷腫瘤治療的良好效果。本發明所述的聚焦超聲無創傷聲動力學腫瘤治療系統由光敏劑、超聲微泡造影劑、多頻率聚焦超聲換能器、多頻率智能化超聲波功率源，立體定位支架、超聲診斷探頭和超聲影像裝置組成。本發明所述的聚焦超聲無創傷聲動力治療系統的治療程序是，在治療前2小時-72小時注射光敏劑，在治療前數分鐘-數小時注射超聲微泡造影劑，利用安裝在換能器內的超聲診斷探頭，探測腫瘤組織(或手術切除部位)的位置，調整聚焦超聲換能器超聲波焦距，發射低功率多頻率聚焦超聲至靶組織，激發光敏劑產生單態氧，殺傷腫瘤細胞，誘導微泡造影劑產生空泡效應，阻塞腫瘤微循環，獲得治療腫瘤效果。本發明所述聚焦超聲無創傷聲動力學腫瘤治療系統中應用的光敏劑屬於光敏物質，光敏物質傳統上是一類含有光敏成分，能被一定波長激活發生光氧化反應產生活性氧的任何物質。本發明中所涉及的光敏劑是含有光敏成分能選擇性在良/惡性增生性組織中瀦留並能被一定波長的激活下生產活性氧殺傷增生性組織細胞的光敏物質，主要應用於良 /惡性增生性疾病的光動力治療。光敏劑應用的基本方法是將光敏劑輸入人體內，使之在一定時間後較多地在腫瘤內積聚，此時以特定頻率的超聲波放射腫瘤部位，在組織內氧的參與下，引起光氧化反應，產生單態氧等化學性質非常活潑的活性氧分子或自由基，攻擊破壞蛋白、脂質、核酸等重要的生物分子，最終使腫瘤細胞死亡，達到治療目的。常用的光敏劑是卟啉類物質，其四吡咯大環吸收600-800nm紅光，引發光氧化反應。光敏劑除了卟啉及其衍生物外，還有酞菁及其衍生物、葉綠素及其衍生物、醌類化合物、內源性光敏劑5-氨基乙醯丙酸、玫瑰紅、聚乙炔類如苯庚三炔、噻吩類化合物如α噻吩、中醫藥類如竹紅菌素衍生物、補骨脂素類、薑黃素、金絲桃素、假金絲桃素、大黃素、核黃素、蘆薈大黃素。所述增生性組織為良性腫瘤組織、惡性腫瘤組織、癌前變以及非腫瘤性過度增生性組織如病理性疤痕、 鮮紅斑痣、血管成形術後再狹窄等。在本發明中，所述光敏劑為安全無毒的能選擇性在良/惡性增生性組織中瀦留且能被光或聲激活產生光氧化反應生成活性氧物質的光敏劑，這些物質為親水性、親油性、兩親性的光敏劑。這些物質是靜脈注射、動脈注射、局部注射應用的光敏劑。所述活性氧物質為單態氧。本發明對所使用光敏劑的類型沒有過多的限制，只要該光敏物質在施用給靶組織後能選擇性分布於該靶組織，在低功率聚焦超聲的作用下能發生聲化學反應，發揮殺傷腫瘤細胞的治療效果即可。因而，本發明應用於腫瘤聲動力治療的光敏劑選自卟啉及其衍生物如血卟啉、苯並卟啉衍生物單酸環A等、酞菁及其衍生物如鋅酞菁和酞菁鋁等、葉綠素及其衍生物如脫鎂葉綠素和二氫卟酚及紫紅素18、內源性光敏劑5-氨基乙醯丙酸、玫瑰紅、藻膽蛋白類光敏劑如藻紅蛋白和藻藍蛋白等、醌類化合物光敏劑、富勒烯、五氮齒衍生物光敏劑如鑥III五氨齒、聚乙炔類光敏劑如苯庚三炔、噻吩類化合物光敏劑如α噻吩、中草藥類光敏劑金絲桃素、假金絲桃素、大黃素、核黃素、蘆薈大黃素等中的一種及其任二種或多種混合物。為了保證治療的安全性和可靠性，在實際應用中，最優選的光敏劑是已經獲得美國FDA批准、準許在臨床進行光動力學治療的光敏劑。另外，為了使本發明腫瘤聲動力治療光敏劑向特定的腫瘤組織如肝腫瘤、腎腫瘤、 骨腫瘤、乳腺癌和子宮肌瘤等，還可在該光敏劑中加入對所述的腫瘤組織或病灶部位有特異親和性的物質，如識別腫瘤的抗體、肽等而形成的靶向增敏物質。利用光敏物質作為光敏劑進行腫瘤聲動力治療的方法，是在患者的靶區進行低功率聚焦超聲治療前0 168小時，通過靜脈滴注或靶組織內直接注入等方式給患者注射以上所述的作為增敏劑的光敏物質。目前在光動力學療法領域中廣泛使用的各種光敏劑及其衍生的任何光敏物質均可以作為本發明的光敏劑，此外，這類光敏物質在超聲波激活下發生聲化學反應產生活性物質，可損傷靶組織血管內皮細胞，啟動內源性或外源性凝血系統栓塞微血管。本發明所述超聲微泡造影劑是指應用於臨床進行超聲造影用的各種超聲微泡造影劑。所述超聲造影劑微泡包括脂質超聲造影劑微泡、人血白蛋白超聲造影劑微泡、高分子材料超聲造影劑微泡。1.脂質超聲造影劑微泡包括各種用磷脂或磷脂類衍生物作為成膜材料的脂質微泡，例如聲諾維(SonoVue)、DefinityUmagent等，上面所述的磷脂或磷脂類衍生物，例如1，2 二棕櫚醯基-sn-甘油基-3-磷脂酸甘油基-鈉鹽(DPPG)、1，2-二硬脂醯基-sn-甘油基-3-磷脂酸-鈉鹽(DPPA)、1，2-二棕櫚醯基-sn-甘油基-3-磷脂醯膽鹼(DPPC)等。2.人血白蛋白超聲造影劑微泡包括各種用人血白蛋白作為成膜材料的超聲微泡，如Optison 等。3.高分子材料超聲造影劑微泡包括微泡殼成分中含有各種高分子作為成膜材料的超聲微泡，如:P0INT Biomedical公司的PB127、Acusphere公司的AI-700等。上面所述的高分子材料具體包括分子量在3000至10000的聚乙二醇、乳酸/羥基乙酸共聚物 (PLGA)、氰基丙烯酸酯等。所述的超聲造影劑微泡的氣體內核成分包括常溫下呈氣態的全氟丙烷、全氟丁烷和六氟化硫。本發明優選的超聲微泡造影劑是採用FDA批准臨床應用的製劑。本發明所述聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統中多頻率聚焦超聲換能器發射多種頻率的聚焦超到靶組織，多頻率聚焦超聲換能器的一種優選結構方案是在同一個半球冠同一平面位置等距離嵌入多組發射不同頻率超聲波的壓電晶體，每組相同頻率的壓電晶體，在同一球冠的同一平面等距離排列，形成該頻率聚焦超聲波，多組不同頻率的壓電晶體在同一球冠同一平面等距離排列，就會產生多頻率超聲波在同一焦點形成焦斑，而該焦斑內包括複合頻率超聲波、多頻率超聲組合方案，優越是雙頻250ΜΗζ/800ΚΗζ ；或三頻 250ΚΗζ/500ΚΗ/750ΚΗζ。多頻率聚焦超聲換能器的另一種優選結構方案，是在同一個半球冠內同一平面位置，等距離排列多個自聚焦或聲透鏡聚焦的聚焦超聲換能器，實現不同頻率聚焦超聲通過球冠實現二次超聲聚焦，在超聲波焦斑內包括多頻率聚焦超聲波。本發明所述聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統中，採用超聲影像診斷裝置作為定位裝置，優選B型超聲裝置作為標準配置，可以選擇彩超、三維立體超聲作為定位裝置， 超聲診斷探頭安裝在聚焦超聲換能器的中央部位，用支架將超聲診斷探頭固定在聚焦超聲換能器內，超聲影像診斷裝置採用市售的裝置，顯示超聲診斷圖像。本發明所述聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統，應用立體定位支架固定多頻聚焦超聲換能器，立體定位支架的一種優選方案是採用支架作為立體定位架，弧形支架由弧形架和支撐架組成，弧形架靠支撐架支持，支撐架底部有萬向輪，可自由移動，聚焦超聲換能器依靠滑塊套環與滑塊相聯接，滑塊固定在弧形架，並可在弧形架上自由移動，聚焦超聲換能器通過弧形支架，可以方便地在人體任何部位進行治療，聚焦超聲換能器通過耦合水墊與體表進行耦合治療，耦合水袋由矽膠製備，通過充填不同的水容量，其高度可以調節， 用於調節聚焦超聲換能器的焦距。立體定位支架的另一種優選方案是在治療床下方設置可以運動的支架，聚焦超聲換能器安裝在支架上，通過支架的移動，確定治療部位，進行治療。所述的支架上部邊沿兩邊設有運動導軌，運動機構的底部設有滑輪，滑輪活動裝在運動導軌上。所述的運動機構包括運動機構支架，運動機構支架上鉸接了運動聯杆，運動聯杆上活動連接有運動絲槓，運動絲槓上裝有聚焦超聲換能器，運動機構支架的底部設有滑輪。支架上方安裝了上部運動部件總成，由縱向運動電機、運動同步帶、縱向運動橡膠輪、沿運動導軌作縱向運動；由上下運動驅動電機帶動運動絲槓、運動聯杆實現上下運動。 上部運動部件總成上組裝了聚焦超聲換能器。治療前，根據病情可分區控制超聲發射的強度和時間，可通過運動控制聚焦超聲換能器與患者的距離，控制縱向運動的速度和運動範圍，實現對患者的靶組織的定位。本發明所述聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統中多頻超聲波發生控制單元，是一種基於直接數字合成(Direct Digital Synthesis，DDS)技術的智能超聲波功率源，由直接數字合成信號發生電路、單片機控制電路、功率放大電路、超聲波功率源與換能器匹配電路等部份組成，應用單片機AT89C51控制DDS晶片AD9850產生頻率IKHz IMHz的波形信號，功率放大採用半橋放大電路，其中功率開關使用MOSFET模塊，通過輸出變壓器和電感組成的匹配網絡驅動壓電換能器激發超聲波。有數個低頻，數個中頻和數個高頻超聲波頻率可供選擇，根據治療計劃需要進行選擇。本發明的有益效果是，利用光敏劑和微泡造影劑作為治療媒介，通過多頻率聚焦超聲換能器發射低功率多種頻率超聲波激發光敏劑在腫瘤細胞產生光化學反應和誘導超聲微泡造影劑在腫瘤組織周圍產生聲空化效應，導致腫瘤微循環栓塞，阻止腫瘤細胞轉移， 起到無創傷腫瘤治療的良好效果，選擇性殺傷腫瘤細胞的同時不傷害周圍正常組織，為腫瘤臨床治療提供了一種高選擇性、無創傷腫瘤治療解決方案，可以幫助很多腫瘤切除手術後病人殺死體內殘留的腫瘤組織或腫瘤細胞，預防腫瘤轉移；同時為早期腫瘤病人提供一種無創傷腫瘤治療方案，為那些腫瘤已經遠外轉移的病人，提供一條無創傷治療遠外轉移病灶的解決方案。


圖1是本發明裝置中多頻壓電晶體型聚焦超聲換能器切面示意2是本發明裝置中多頻壓電晶體型聚焦超聲換能器平面結構圖。圖3是本發明裝置中多頻雙重聚焦型超聲換能器切面示意4是本發明裝置中多頻雙重聚焦型超聲換能器平面結構圖。圖5是本發明裝置中弧形立體定位架示意圖。圖6是本發明裝置中治療臺底部運動支架順向視圖。圖7是本發明裝置中治療臺底部運動支架逆向視圖。圖8是本表明實施例1超聲波治療系統結構框9是本表明實施例1超聲波治療系統原理10是本表明實施例1超聲波治療系統內部連接示意11是本表明實施例1超聲波治療系統內部模塊通訊12是本表明實施例1超聲波治療系統治療模擬示意圖
圖1和圖2分別顯示的是多頻壓電晶體型聚焦超聲換能器的切面示意圖和平面結構圖。圖1中(01)和圖2中(201)代表半球形鋼性球冠，圖1中在鋼性球冠中，多個不同頻率的壓電晶體(0 和(0 排列在同一平面。圖2顯示的是二組相同頻率壓電晶體F1、 F2、F3、F4和另一組頻率相同的壓電晶元組Si、S2、S3、S4排列在鋼性球冠的同一平面，同一平面的壓電晶體(02)和(03)，發射超聲波(05)和(06)聚焦在靶組織(07)，圖1中(04) 和圖2中(202)代表的是多個多頻率壓電晶體放置在同一平面。圖1中的(08)和圖2中 (2.3)代表的是放置於聚焦換能器中央的超聲診斷探頭，用於對靶組織(07)的定位，根據臨床需要，多個多頻率超聲換能器可以同時排列在鋼性球冠的不同平面，發射超聲波軸線穿越靶組織(07)的中點，形成多重壓電晶體聚焦的效果，提高聚焦超聲功率和聲強。圖3和圖4分別顯示的是多頻雙重聚焦超聲換能器的切面示意圖和平面結構圖， 圖中放置在鋼性球冠(031)內壁的是聚焦型超聲換能器(03 和(033)，採用自聚焦或聲透鏡聚焦方式，發射聚焦超聲束(03 和(036)，雙重聚焦在靶組織(037)，同頻率聚焦超聲換能器組FlOU F102、F103和F104,與另一組同頻率聚焦超聲換能器組SlOU S102、S103、 S104，其中心軸線排列在鋼性球冠同一平面(034)和(402)，超聲診斷探頭(038)和(403)， 同樣放置於鋼性球冠中央，對靶組織(037)進行定位。圖5顯示的是弧形立體定位架示意圖，圖中，弧形立體定位架(501)由弧形架 (502)和支撐架(504)通過連接件(50 連接構成，弧形立體定位架(501)放置在治療臺 (506)的上方，移動萬向輪(507)，移動立體定位架至所需治療部位，滑動支架(50 固定聚焦超聲換能器(508)於弧形架，滑動支架可以自由沿弧形架上運動，從而將聚焦超聲換能器(508)移動至規定的治療位置，縱軸升降管(509)可以沿縱軸上下移動，帶動聚焦超聲換能器(508)在上下方向移動，調節聚焦超聲波的焦距。如圖6、圖7所示，移動支架上部邊沿兩邊設有運動導軌，運動機構的底部設有滑輪(13)，滑輪(1 活動裝在運動導軌上。所述的運動機構包括運動機構支架(12)，運動機構支架上鉸接了運動聯杆(10)，運動聯杆上活動連接有運動絲槓(11)，運動絲槓上裝有聚焦超聲換能器，運動機構支架的底部設有滑輪(1 。可控制縱向運動電機(1 通過運動同步帶(14)帶動橡膠滑輪(13)作縱向運動。上部運動機構在運動機構支架上安裝了運動聯杆(10)，運動聯杆(10)通過驅動電機(9)帶動運動絲杆(11)使連接在運動聯杆(10)上的聚焦超聲換能器作上下運動，以調整與患者之間的距離。
具體實施例方式實施例1 多頻聚焦超聲治療系統本發明以超聲波治療系統為實施例1，說明超聲波治療系統的實施方式。超聲波治療系統是用來接收、處理和發送治療超聲波信號和數據的系統，並根據控制指令控制治療超聲波輸出，設計超聲波治療系統的目的有兩個，一方面完成特定狀態下相關參數的測量，從而為超聲波治療提供信息；另一方面則是基於超聲波治療系統對治療超聲波進行控制。從功能上可以將超聲波治療系統分為主控制模塊001、溫度測量模塊002、治療部位指導模塊003、脈衝佔空比調節模塊004、功率調節模塊005、超聲波發生控制模塊006、超聲波發生器007、警報模塊008、人機界面009、治療頭定位光電開關模塊010、中央定位雷射模塊011、超聲換能器012。(見圖8)。圖8中，超聲波治療系統通過治療部位指導模塊003指導治療頭當時應該所處的位置，溫度測量換塊02測量超聲換能器外殼的溫度，主控制模塊001，根據預定程序確定當時治療頭位置，通過啟動代表該位置指導雷射定位束，明確指導治療部位，治療頭定位光電開關模塊接受該位置指導雷射定位束，光電開關接通，通過I/O接口發出數字開關信號至主控制模塊001，主控制模塊001發出控制信號至超聲波發生控制模塊006，通過控制超聲發生器007的工作，啟動治療超聲波經超聲換能器012照射治療部位。溫度測量模塊002定時測量超聲換能器表面溫度，將定時測量的溫度數值傳輸至主控制模塊001，主控制模塊001對比預置的溫度警報閾值，如果實時測量溫度超過警報閾值，主控制模塊001 —方面通過超聲波發生模塊阻止超聲波發生器007發射超聲波功率，另一方面傳送信號至警報模塊008，通過人機界面009發出聲光信號。主控制模塊001通過功率調節模塊005，調整輸出功率的數值，通過脈衝佔空比調節模塊004調節脈衝超聲波輸出的脈衝佔空比，通過超聲波發生控制模塊006，控制治療超聲波功率的輸出。主控制模塊001通過人機界面009，輸入控制指令和顯示實時工作狀態及顯示設置的參數，主控制模塊001同樣經I/O接口，經開關量控制器件，控制中央定位雷射模塊011 和治療部位指導模塊003中雷射發射器雷射束的發射。超聲系統硬體由主處理機模塊001和治療部位指導模塊003兩個獨立的模塊組成，如圖9所示，主處理機模塊001，是以單片機作為微處理器的微型計算機系統作為控制單元，其硬體組成包括以單片機為核心組成的微計算機系統11、超聲波電源及蕩振器電路 14、人機界面19、20和21、溫度傳感器16、雷射發射管27。所述的微計算機控制系統11，選擇8位或16位單片機作為核心部件，選擇的單片機最好採用SOC晶片(system on chip，系統級晶片)，內置8位 12位數/模轉換器，構成數/模轉換單元12，方便調節電壓輸出，內置PMW調節功能，可以方便地調節脈衝佔空比， 採用8051指令集或與其兼容的指令集，編程方便容易，內置快閃記憶體/電擦除(FLASH/EE)存儲器，包括程序存儲器和數據存儲器，並且儲存容量足夠大，不需外接存儲器。所述的人機界面採用觸摸式顯示屏，既可輸入指令又可顯示各類參數和控制信息，或者採用觸摸面板加LCD顯示器，應用觸摸面板輸入控制指令，利用LCD顯示各種參數； 所述的溫度傳感器可以採用智能溫度傳感器，通過其輸出口直接連接單片機的I/O 口，定時測量溫度；所述的雷射發射器採用市售的點狀雷射發射器，自攜透鏡和外殼，直接安裝在治療頭尾部正中；所述的治療部位指導模塊003硬體由點狀雷射發射器(紅色雷射)組成的治療部位指導器四(感探測器)、數字開關觀(數字量信號採集器)、I/O接口 27、微處理機17以及中央定位雷射發射器電源(綠色雷射)組成。所述治療部位指導器四，由點狀雷射發射器(紅色雷射)組成，主控制模塊001，根據預定程序確定當時治療頭位置，通過啟動代表該位置指導雷射定位束，明確指導治療部位，治療頭定位光電開關模塊接受該位置指導雷射定位束，光電開關接通，通過I/O接口發出數字開關信號至主控制模塊001，主控制模塊001 發出控制信號至超聲波發生控制模塊006，通過控制超聲發生器07的工作，啟動治療超聲波經超聲換能器012照射治療部位。
本系統的目的就在於提供一種智能化治療超聲波控制裝置，使其可以隨意地控制超聲波發生的能量，調製頻率以及作用方式，並採用閉環方式實現自動控制和鎖定超聲的發生狀態，進而控制超聲波儀器按照使用需求達到最佳的工作狀態。本系統的進一步目的在於提供一種智能化治療超聲波控制裝置，通過應用治療部位指導模塊裝置，自動選擇治療部位，在選定的治療部位自動定時發射超聲波，避免同一部位重複治療現象出現，防止選定治療部位以外的區域受到超聲波發射，提高了超聲波治療儀的安全性，可靠性和準確度。為了達到上述目的，本系統提供了一種智能化超聲波控制裝置，至少包括電源與振蕩器單元、換能器、傳感器、該電源及振蕩器通過線纜同時與換能器和傳感器相連，換能器與傳感器連接；該裝置還進一步包括主處理機、數/模轉換模塊、接口控制單元、監控單元和治療部位指導模塊。所述的監控單元至少包括功率顯示單元、時域顯示單元、治療時間顯示單元和輸出方式顯示單元，換能器溫度顯示單元，分別通過LCD顯示器，定時顯示超聲波輸出功率 (W)，時域(脈衝頻率佔空比值)，設定的治療時間和超聲波輸出方式(連續/間斷)，顯示單元與顯示器相連，顯示器為CRT或IXD點陣顯示器。所述的治療部位指導模塊是一個單獨擁有微處理器的工作模塊，該模塊通過治療部位指導器發射的定位雷射束，指導治療部位，準確指導治療頭所在治療部位，微處理器發送啟動信號經通用模塊傳輸至主處理機，啟動超聲波功率振蕩器，發射超聲波，並以聲光顯示方式顯示該部位治療正在進行，發射時間由設定的延時數值控制，當定時超聲功率發射完成後，自動停止發射超聲波功率。本系統還可包括一用戶輸入裝置，該用戶輸入裝置用來設置參數和控制設備，該用戶輸入裝置採用觸控螢幕作為用戶輸入裝置。本系統採用閉環方式進行自動控制，第一個反饋控制環是超聲換能器溫度自動控制系統，安裝在換能器外殼表面的溫度傳感器持續監測換能器外殼溫度，主控制模塊對比預置的溫度警報閾值，如果實時測量溫度超過警報閾值。圖10，圖11和圖12所示可見，本裝置主要由主處理機11、數/模轉換單元12、接口控制單元13、換能器溫度傳感器16、治療部位指導模塊17、用戶輸入裝置19、顯示裝置 20、蜂鳴器21組成。主處理機11通過接口控制單元，驅動和控制電源及振蕩器14產生超聲波功率輸出至超聲波換能器15，將高頻電振蕩轉化為超聲波振蕩，同時，控制超聲治療頭內置的治療頭定位光電開關模塊。圖11中所示的監測單元18，通過顯示裝置20，顯示多種超聲波裝置工作狀態；通過功率顯示單元181顯示超聲波的輸出功率；通過換能器溫度顯示單元182顯示換能器實時工作溫度；通過時域顯示單元183顯示調製脈衝佔空比數值；通過治療時間顯示單元 184，實時顯示當前設置的治療時間數值；通過輸出方式顯示單元185，顯示目前超聲波屬於連續輸出方式和間斷輸出方式；通過警報單元22，經蜂鳴器21和顯示裝置20發出聲光警報。實施例2 超聲照射血卟啉殺傷腫瘤細胞實驗一.設備1.實驗組設備聚焦超聲無創治療系統作為超聲波功率源，以聚焦超聲換能器同步放射兩組不同頻率Q50KHZ和800KHz)的聚焦超聲波。2.對照組設備以不發射超聲波塑料試管作為對照組。二.實驗環境及實驗材料1.實驗環境應用吸聲水箱O00X200X100)cm作為實驗場所，水箱內注滿去離子水，水箱內固定的支架用來放置塑料試管。2.實驗材料通過培養方式收集人體腫瘤細胞K562，分別放置在注滿去氣泡去離子水的塑料試管中，固定在水箱的支架上。3.實驗方法(1)實驗組應用上述實驗組設備，調節聚焦超聲換能器的焦斑於塑料試管，同時調節兩個超聲換能器的縱軸指向塑料試管，啟動兩個超聲換能器發射超聲波(焦距8cm， 峰值聲強5W/cm2，脈衝調製佔空比20 %，焦斑範圍2 X 2 X 3mm)，發射時間20分鐘，每發射一分鐘後停止放射2分鐘，共發射10分鐘。取血卟啉濃度分別為50μ g/ml/ΙΟΟμ g/ml 和200 μ g/ml，使用聚焦超聲無創治療系統作為超聲波功率源，，同步放射兩組不同頻率 (250KHz和800KHz)的聚焦超聲波，聲強1. 5W/cm2，超聲輻照時間為Os、15s、30s、60s，實驗研究對人體腫瘤細胞K562的殺傷任用。(2)對照組取血卟啉濃度分別為50 μ g/ml/100 μ g/ml和200 μ g/ml在試管內， 不發射超聲波。三.實驗結果分別將實驗組和對照組的人體腫瘤細胞K562在500倍速顯微鏡下進行檢查，結果表明，單純血卟啉而無超聲輻照時，沒有殺傷任用；有血卟啉再同時施以超聲輻照，殺傷作用隨輻照時間增加而增大；此外，在相同的超聲輻照條件下，殺傷任用隨血卟啉濃度增加而增大。而當取血卟啉濃度為200 μ g/ml，超聲輻照時間為60s時，可觀察到最佳的殺傷結果， 殺傷率達到98%，而僅有超聲輻照沒有血卟啉時，殺傷率僅為42%。四.結論應用通過多頻率聚焦超聲換能器發射低功率多種頻率超聲波激發光敏劑在腫瘤細胞產生光化學反應效果顯著，對周圍血管組織沒有損傷，是一種無創傷腫瘤治療的良好解決方案。
1權利要求
1.一種聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統，其特徵是，聯合應用光敏劑和超聲微泡造影劑作為腫瘤治療媒介，在治療前給患者分別注射光敏劑和超聲微泡造影劑，應用超聲診斷探頭，探測治療部位和進行立體定位，通過多頻率聚焦超聲換能器發射低功率多種頻率造聲波激發光敏劑在腫瘤細胞產生光化學反應和誘導超聲微泡造影劑在腫瘤組織周圍產生聲空化效應，導致腫瘤微循環栓塞，阻止腫瘤細胞轉移，起到無創傷腫瘤治療的良好效^ ο
2.按照權利要求1所述的聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統，其特徵是，本發明所述的聚焦超聲無創傷聲動力學腫瘤治療系統由光敏劑、超聲微泡造影劑、多頻率聚焦超聲換能器、多頻率智能化超聲波功率源，立體定位支架、超聲診斷探頭和超聲影像裝置組成。
3.按照權利要求1所述的聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統，其特徵是，本發明所述的聚焦超聲無創傷聲動力治療系統的治療程序是，在治療前2小時 72小時注射光敏劑，在治療前數分鐘 數小時注射超聲微泡造影劑，利用安裝在換能器內的超聲診斷探頭， 探測腫瘤組織(或手術切除部位)的位置，調整聚焦超聲換能器超聲波焦距，發射低功率多頻率聚焦超聲至靶組織，激發光敏劑產生單態氧，殺傷腫瘤細胞，誘導微泡造影劑產生空泡效應，阻塞腫瘤微循環，獲得治療腫瘤效果。
4.按照權利要求1所述的聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統，其特徵是，本發明所述聚焦超聲無創傷聲動力學腫瘤治療系統中應用的光敏劑屬於光敏物質，光敏物質傳統上是一類含有光敏成分，能被一定波長激活發生光氧化反應產生活性氧的任何物質，本發明中所涉及的光敏劑是含有光敏成分能選擇性在良/惡性增生性組織中瀦留並能被一定波長的激活下生產活性氧殺傷增生性組織細胞的光敏物質，主要應用於良/惡性增生性疾病的光動力治療。
5.按照權利要求1所述的聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統，其特徵是，為了使本發明腫瘤聲動力治療光敏劑靶向特定的腫瘤組織如肝腫瘤、腎腫瘤、骨腫瘤、乳腺癌和子宮肌瘤等，還可在該光敏劑中加入對所述的腫瘤組織或病灶部位有特異親和性的物質，如識別腫瘤的抗體、肽等而形成的靶向增敏物質。
6.按照權利要求1所述的聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統，其特徵是，本發明所述超聲微泡造影劑是指應用於臨床進行超聲造影用的各種超聲微泡造影劑，所述超聲造影劑微泡包括脂質超聲造影劑微泡、人血白蛋白超聲造影劑微泡、高分子材料超聲造影劑微泡，本發明優選的超聲微泡造影劑是採用FDA批准臨床應用的製劑。
7.按照權利要求1所述的聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統，其特徵是，本發明所述聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統中多頻率聚焦超聲換能器發射多種頻率的聚焦超聲波到靶組織，多頻率聚焦超聲換能器的一種優選結構方案是在同一個半球冠同一平面位置等距離嵌入多組發射不同頻率超聲波的壓電晶體，每組相同頻率的壓電晶體，在同一球冠的同一平面等距離排列，形成該頻率聚焦超聲波，多組不同頻率的壓電晶體在同一球冠同一平面等距離排列，就會產生多頻率超聲波在同一焦點形成焦斑，而該焦斑內包括複合頻率超聲波、多頻率超聲組合方案，優越是雙頻250ΜΗζ/800ΚΗζ，或三頻 250ΚΗζ/500ΚΗ/750ΚΗζ，多頻率聚焦超聲換能器的另一種優選結構方案，是在同一個半球冠內同一平面位置，等距離排列多個自聚焦或聲透鏡聚焦的聚焦超聲換能器，實現不同頻率聚焦超聲通過球冠實現二次超聲聚焦，在超聲波焦斑內包括多頻率聚焦超聲波。
8.按照權利要求1所述的聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統，其特徵是，本發明所述聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統中採用超聲影像診斷裝置作為定位裝置，優選B型超聲裝置作為標準配置，可以選擇彩超、三維立體超聲作為定位裝置，超聲診斷探頭安裝在聚焦超聲換能器的中央部位，用支架將超聲診斷探頭固定在聚焦超聲換能器內，超聲影像診斷裝置採用市售的裝置，顯示超聲診斷圖像。
9.按照權利要求1所述的聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統，其特徵是，本發明所述聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統，應用立體定位支架固定多頻聚焦超聲換能器，立體定位支架的一種優選方案是採用支架作為立體定位架，弧形支架由弧形架和支撐架組成，弧形架靠支撐架支持，支撐架底部有萬向輪，可自由移動，聚焦超聲換能器依靠滑塊套環與滑塊相聯接，滑塊固定在弧形架，並可在弧形架上自由移動，聚焦超聲換能器通過弧形支架，可以方便地在人體任何部位進行治療，聚焦超聲換能器通過耦合水墊與體表進行耦合治療，耦合水袋由矽膠製備，通過充填不同的水容量，其高度可以調節，用於調節聚焦超聲換能器的焦距，立體定位支架的另一種優選方案是在治療床下方設置可以運動的支架， 聚焦超聲換能器安裝在支架上，通過支架的移動，確定治療部位，進行治療。
10.按照權利要求1所述的聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統，其特徵是，本發明所述聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統中立體定位支架的另一種優選方案是在治療床下方設置可以運動的支架，聚焦超聲換能器安裝在支架上，通過支架的移動，確定治療部位， 進行治療，應用立體定位支架固定多頻聚焦超聲換能器，所述的支架上部邊沿兩邊設有運動導軌，運動機構的底部設有滑輪，滑輪活動裝在運動導軌上，所述的運動機構包括運動機構支架，運動機構支架上鉸接了運動聯杆，運動聯杆上活動連接有運動絲槓，運動絲槓上裝有聚焦超聲換能器，運動機構支架的底部設有滑輪，支架上方安裝了上部運動部件總成，由縱向運動電機、運動同步帶、縱向運動橡膠輪、沿運動導軌作縱向運動，由上下運動驅動電機帶動運動絲槓、運動聯杆實現上下運動，上部運動部件總成上組裝了聚焦超聲換能器，治療前，根據病情可分區控制超聲發射的強度和時間，可通過運動控制聚焦超聲換能器與患者的距離，控制縱向運動的速度和運動範圍，實現對患者的靶組織的定位。
全文摘要
一種聚焦超聲無創傷聲動力腫瘤治療系統，其特徵是，聯合應用光敏劑和超聲微泡造影劑作為腫瘤治療媒介，在治療前患者分別注射光敏劑和超聲微泡造影劑，應用超聲診斷探頭探測治療部位和進行立體定位，通過多頻率聚焦超聲換能器發射低功率多種頻率超聲波激發光敏劑在腫瘤細胞產生光化學反應和誘導超聲微泡造影劑在腫瘤組織周圍產生聲空化效應，導致腫瘤微循環栓塞，阻止腫瘤細胞轉移，起到無創傷腫瘤治療的良好效果。
文檔編號A61N7/00GK102233159SQ20101017105
公開日2011年11月9日 申請日期2010年5月6日 優先權日2010年5月6日
發明者高春平 申請人:高春平