腫瘤超聲治療裝置的製作方法

2023-12-07 08:00:41 6

專利名稱：腫瘤超聲治療裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種大功率多元環狀聚焦超聲治療腫瘤的裝置。
目前，對於腫瘤的治療，都主張採取綜合治療。腫瘤的綜合治療方法有手術治療、放射治療、化學藥物治療和輔助治療。手術治療是現代治療腫瘤的重要手段，也是首選方案。隨著科技的進步，手術技巧和手術方法不斷完美，許多過去無法開展的手術現在都能較好地進行，手術既切除了腫瘤又切除了腫瘤好發部位，這無疑可延長病人的存活時間。但手術無法根除各種致癌因素，也無法將腫瘤細胞完全清除，手術雖切除了好發部位，可遠處轉移的可能幾乎存在於每個腫瘤病人。由於手術的創傷大，許多腫瘤病人的體質無法接受手術創傷的打擊。同時，手術切除受病人病情、體質、是否遠處轉移的影響外，還受手術條件、環境、醫生的治療水平等諸多因素的影響，因此，大量病人在就醫時就已失去了手術切除的機會，手術能徹底根治性切除的只是整個腫瘤患病人群中非常少的一部分病人。並且，對於手術後腫瘤復發或腫瘤已有遠處廣泛轉移的病人，手術治療方法更是無能為力。
放射治療是惡性腫瘤綜合性治療措施之一。但放射治療只是局限於對某些放射線敏感的腫瘤。由於射線對人體正常組織損傷大，病人的體質是否能耐受放射治療影響非常大，並且，病人接受射線治療的劑量有限，不可能長期接受放射治療，因此，放射治療在臨床上治療腫瘤受到很大限制。
化學藥物也是惡性腫瘤綜合性治療措施之一，由於藥物進入機體後在全身分布，這種治療方法雖然能破壞某些腫瘤細胞，但影響更大的是正常組織細胞，尤其是機體正常的免疫功能受損最為嚴重，化療對人體的造血系統損害非常明顯，限制了化療藥物在臨床上的廣泛應用。
輔助治療主要是採取增強病人機體抵抗力的方法，在腫瘤的治療中只起輔助作用。
近30年來，世界各國學者對高熱治療腫瘤領域進行了大量的基礎和臨床研究，高熱殺癌細胞的效應得到了大量實驗資料的證實，高熱作為一種高效的腫瘤治療方法正引起醫學界的關注。國際上都對分子熱生物學、細胞熱生物學、血管熱生物學、熱劑量測定方法、臨床應用等高熱治療腫瘤的方法進行了廣泛深入的探討。
從60年代開始，有不少學者進行了高熱對癌細胞殺傷作用的系統研究1962年Crile研究發現，高熱治療小鼠肢體S180肉瘤，42℃下120min可使肉瘤破壞50％以上。1963年有學者報告，對種植於鼠腿的黑色素瘤，局部加熱至44℃，30-40min，有明顯的治療效果。1972年Dickson研究發現，癌細胞熱損傷時，對RNA合成作用影響最敏感，熱作用後較早出現蛋白和DMA合成抑制。1973年Palzer研究發現，熱殺傷Hela細胞有明顯的相位性，加熱42℃，60-120min，對後S期和早G2期細胞殺傷作用最大。1976後Overgaard通過對小白鼠乳腺癌的組織化學觀察發現，熱殺傷腫瘤細胞的原發變化在溶酶體。同年，Leveen報告採用局部透熱治療，發現實質性腫瘤內的血流量僅為鄰近正常組織血流量的1％-15％。由於腫瘤的血流量低，透熱後腫瘤散熱困難，產生熱積聚，使腫瘤區溫度高於鄰近正常組織溫度8-10℃。正是這一溫度差使局部熱治療既得殺滅腫瘤細胞，又不會損傷正常組織細胞，提供了一種安全有效的治療手段。
由於局部透熱高熱治療無需手術，病人沒有傷口，有手術禁忌症的患者同樣可以接受局部高熱治療，許多手術無法切除的腫瘤或同時伴有遠處轉移的腫瘤同樣可以接受局部高熱治療；局部透熱治療無放射損傷，亦無化學藥物的影響，不會對機體產生明顯的全身性損害，機體的免疫功能也不會受到損傷，因此，局部透熱高熱治療適用範圍廣，腫瘤患者可以接受多次多部位的治療。因此局部高熱方法已顯現出明顯的治療優勢，具有廣闊的臨床應用前景。
超聲波是指頻率大於20kHz的聲波。自上世紀末到本世紀初，在物理學上發現了壓電效應及反壓電效應之後，人們解決了利用電子技術產生超聲波的方法，從而迅速揭開了發展與推廣超聲技術的歷史篇章。半個多世紀以來，超聲波已在科學技術、社會生產與生活等各個領域中獲得十分廣泛的應用。
超聲波是一種能量形式，當其強度超過一定值時，可以通過與傳播超聲波的介質發生作用，去影響、改變以至破壞後者的狀態、性質及結構。大量試驗已證實，超聲波在生物媒體吸收轉變為熱能而使生物體的溫度升高。人體組織對超聲能量有比較大的吸收本領。因此當超聲波在人體組織傳播時，其能量不斷地被組織吸收而變成熱量，其結果是組織的自身溫度升高。有資料表明，當組織溫度升高超過45℃且維持一定時間後，組織就會產生不可逆變性壞死作用。經檢索未發現一種腫瘤超聲治療裝置被公開使用。
本發明的目的是針對上述現有技術存在的缺陷提供一種可以比較精確檢測腫瘤部位、安全有效、便於操作、以滿足臨床上對腫瘤及其它增生性疾病治療的一種腫瘤超聲治療裝置。
本發明的腫瘤超聲治療裝置，包括由多元環狀矩陣排列的聚焦超聲發生系統、檢測系統、計算機成像及智能控制系統、機械定位系統及輔助設備所組成。
超聲發生系統由三十七單元的功率超聲發生器從不同的角度呈矩陣狀排列所組成。每個超聲發生單元由高頻功率發生器和超聲換能器兩大部分組成。其中高頻功率發生器包括電源電路、高壓電路、振蕩電路、輸出電路等幾個部分。高頻功率發生器提供的高頻電能激發換能器，產生頻率為0.8兆赫茲的超聲波。腫瘤超聲治療裝置是由多層環狀矩陣排列的聚焦超聲發生系統、B型超聲顯像儀、計算機及計算機圖像分析和智能控制程序、步進電機及傳動系統組成的機械定位系統和患者檢查和治療用工作檯等所組成。是超聲波換能器固定在1/4圓球形空心金屬件上，球形金屬件壁厚為7-9mm，球心點距球形金屬件的內壁距離為180-200mm，超聲發生器分別按第一層1個單元、第二層6個單元、第三層12個單元、第四層18個單元的方式，共三十七個單元超聲發生器均勻地固定在1/4圓球形金屬件的壁上，每個單元的超聲發射面都朝向球心排列，三十七個陣元超聲發生器發射的超聲波都在球心點上會聚，形成聚焦超聲波。每個圓孔的直徑與超聲換能器的直徑一致。用防鏽螺絲將超聲換能器固定在半圓弧形金屬件的圓孔上，使超聲換能器的超聲發射面朝向半圓弧金屬件的裡面。三十七個單元的超聲發生器發生的超聲同時會聚在球形金屬件形成的「球心」點上形成聚焦的超聲波，這種排列方式可以使各個單元發射的超聲束從不同的角度產生一種聚焦超聲波，焦域範圍內的超聲能量密度高，超過1KW/cm2。組織吸收了如此高能的超聲波後。轉變的熱量大，溫升快，焦域區在超聲發射後的10秒左右可產生高於70℃的高溫和空化效應，這些效應可以引起蛋白質變性和細胞結構的改變，從而使腫瘤細胞壞死。超聲波非聚焦區由於超聲能量分散，接收的超聲波輻照能量有限，對周圍組織不會引起過高的升溫效應，因而對超聲波非聚焦區域的組織不會產生損害。
1/4圓球狀金屬件的頂部與螺紋杆緊密連接。螺紋螺杆借同步皮帶輪與步進電機相連，步進電機的運動信號依靠步進電機驅動單元提供。步進電機驅動單元借電纜線與計算機的相關部分連接在一起，步進電機、同步皮帶輪、螺紋螺杆和1/4圓球形金屬件有機地與一金屬臂的一端連接在一起，金屬臂的另一端與治療床的可移動滑槽相連。治療床下分別連接有兩套步進電機、同步皮帶輪和螺紋螺杆。兩根螺紋螺杆呈高、低垂直交叉固定在金屬臂上，控制金屬臂與治療床產生兩個方向上的相對運動。這樣，金屬臂一端連接的聚焦超聲治療頭依靠步進電機的動作使治療頭相對於治療床產生上、下運動。金屬臂的另一端依靠治療床下的兩套步進電機分別產生沿治療床長軸方向上的平行運動和沿長軸方向上的垂直運動。從而實現超聲治療頭在三維空間上的移動。
待治療的腫瘤患者帶上輔助呼吸裝置(不在本治療系統描述之內)後，平臥於治療浴缸13中，由計算機控制臺1控制向浴缸13中加入脫氣溫水12，加水過程中由計算機1接受浴缸13中預埋的溫度傳感器45和液位傳感器44控制浴缸13中的脫氣水12的水溫，浴缸13中有冷水和熱水兩個電控閥門和液面高度，當加水到預設的高度後停止加水，計算機控制換能器驅動步進電機17→換能器運動杆16→B超探測換能器15降至預設的探測高度，並進行掃描探測，每隔1mm掃描一次，B超探測換能器15每次掃描的圖像信息經電纜傳輸給計算機控制櫃1，計算機控制櫃1中含有超聲顯像系統，在計算機控制櫃1中圖像信息→超聲顯像系統→視頻圖像採集卡轉變成數位訊號，再經計算機圖像處理系統進行存儲、分析計算、三維成像同時計算出病變區域的空間相對三維坐標位置、大小及形狀確定病變「質心點」的空間相對位置。計算機控制櫃1將患者的病變信息與可調聚焦治療頭的焦點進行分析計算，求出病變部位的相對位置。分別控制縱向步進電機4、橫向步進電機8及可調聚焦治療頭驅動步進電機20使聚焦治療頭髮出的超聲波焦點與患者的病變部位重合在一起，定位完成後，由計算機啟動超聲發生系統，按預設的能量開始治療，治療結束後由計算機控制櫃1控制上述三個縱向步進電機4、橫向步進電機8、可調聚焦治療頭驅動步進電機20復位並關閉治療系統，結束治療。
本發明與現有技術相比，具有如下優點和效果檢測腫瘤定位準確、安全有效，操作簡便，適用於治療腫瘤及其它增生性病變。


圖1是腫瘤超聲治療裝置結構示意圖。
圖2是圖1所示可調聚焦治療頭示意圖。
圖3是圖1所示單元治療頭可調裝置示意圖。
圖4是圖1中計算機控制櫃與主機電氣櫃結構示意圖。
下面根據附圖對本發明作進一步詳細描述根據圖1、圖2、圖3、圖4可知，計算機控制櫃1與主機電器櫃2以串行通訊電纜56連接，其中計算機主機35的串口與下位單片機40的串口相連接。整機的電源由AC220V提供，由計算機控制櫃2上電源總開關39控制。計算機控制櫃1內的計算機主機35與顯示器34、操作鍵盤36相連，計算機主機35與視頻採集卡37相連，B超顯像儀38與視頻採集卡37、B超換能器15相連。主機電氣櫃2內上的下位單片機40與模數轉換器41、42、液位電訊號比較器43、電磁閥驅動電路47、步進電機驅動模塊51、52、53、54、I/O擴展口55相連，模數轉換器41與水聽器44相連，模數轉換器42與溫度傳感器45相連，液位電訊號比較器43與液位傳感器46相連，電磁閥驅動電路47與冷水電磁閥48、熱水電磁閥49、排水電磁閥50相連，步進電機驅動模塊51與縱向步進電機4相連，步進電機驅動模塊52與橫向步進電機8相連，步進電機驅動模塊53與B超探測換能器驅動步進電機17相連，步進電機驅動模塊54與可調聚焦治療頭驅動步進電機20相連，換能器驅動板57與I/O擴展口55、可調聚焦治療頭21相連。計算機控制櫃1通過串行通訊電纜56與主機電氣櫃2相連接，使計算機主機35能與下位單片機40進行信息交換。B超探測換能器15通過專用電纜與B超顯像儀38相連接，使得B超探測換能器15掃查的B超聲像圖信息能被B超顯像儀38採集顯示。可調聚焦治療頭21中的單元治療頭27通過高頻電纜28與換能器驅動板57相連接(每治療頭對應一塊驅動板)，換能器發射功率超聲波所需要的電能由驅動板提供。縱向步進電機4、橫向步進電機8、B超探測換能器驅動步進電機17、可調聚焦治療頭驅動步進電機20用步進電機專用電纜分別與步進電機驅動模塊51、52、53、54相連接，使得各步進電機的運轉受下位單片機40的控制。主機電氣櫃2的電源通過計算機控制櫃1(接入市電Ac220V)，使得主機電氣櫃2的電源受總電源開關39的控制。治療浴缸13固定在治療臺3的滑板上，內可容脫氣水12，縱向步進電機4上的同步皮帶輪5通過同步皮帶6帶動縱向運動絲杆7轉動而帶動絲杆上的縱向運動鏍母11作縱向運動，從而帶動治療臺3上的滑板及治療浴缸13作縱向運動。橫向運動機架14安裝在治療臺3的橫向滑槽中，由固定在橫向運動機架14上的橫向運動步進電機8和同步皮帶輪組9與橫向運動絲杆10帶動其作橫向運動。B超探測換能器15固定在換能器運動杆16上，由B超探測換能器驅動步進電機17通過同步皮帶輪組9帶動其上下移動。可調聚焦治療頭21用連接法蘭23和固緊鏍釘22在治療頭運動杆18上，由換能器驅動步進電機17通過同步皮帶輪組9帶動其上下移動，上述兩套機構都安裝在橫向運動機架14的頂部橫梁上。連接法蘭23固定在鋁罩殼24上，法蘭23上的固緊鏍釘22用於固定治療頭運動杆18用。裝置固定板26安裝固定在鋁罩殼24上，可調裝置25固定在裝置固定板26的安裝孔內。單元治療頭27安裝在可調裝置25內。調節鋼球33用壓緊墊31和壓緊鏍母30嵌裝在可調裝置25殼體腔內，可用壓緊鏍母30調節其滑動鬆緊度。調節鋼球33中有一治療頭柄29的穿裝孔，單元治療頭27的治療頭柄29穿裝其中，用定位鏍釘32鎖緊。單元治療頭27通過高頻電纜28與主機電氣櫃2中換能器驅動板57相連接。
本裝置開機有初始化自檢程序，開機後由計算機主機35向下位單片機40發出自檢指令，下位單片機40指令擴展口分別開啟換能器驅動板57使可調聚焦治療頭21上每個單元治療頭27分別工作，由水聽器44接受到超聲波變成電訊號經模數轉換器41變成數字記號到下位單片機40中經串行通訊電纜56到計算機主機35以檢測介面在顯示器34顯示報告每個單元治療頭27的工作狀態。本裝置的加水由計算機主機35自動閉環控制，通過治療浴缸13中的溫度傳感器45接受水溫訊號，經模數轉換器42變成數字訊號通過下位單片機40的I/O口到下位單片機40通過串行通訊電纜56到計算機主機35，計算機主機35在串口接受到溫度記號與醫生通過操作鍵盤36預置的水溫比較後，發出指令通過串行通訊電纜56到下位單片機40下位單片機40通過電磁閥驅動電路47控制冷水電磁閥48和熱水電磁閥49的動作，分別控制冷熱水的進水量達到控制混合水溫的目的。治療浴缸13中置有液位傳感器46，當治療浴缸13內的水位達到一定的高度時，液位傳感器46將液位電訊號比較器43、下位單片機40在I/O口上讀得信息後通過串行通訊電纜56到計算機主機35，計算機主機35下達關水閥指令到下位單片機40並執行使冷水電磁閥48和熱水電磁閥49關閉，完成加水程序。治療裝置在加水完成後，進入病灶探測程序，計算機主機35向下位單片機40下達指令，下位單片機40通過步進電機驅動模塊54使B超探測換能器驅動步進電機17運動，下降到預定高度，開始掃描探測。B超探測換能器15掃查一幅B超切面圖像後，B超顯像儀38將其傳入視頻採集卡37存入計算機主機35，計算機主機35下達掃查下一個切面的指令，下位單片機40通過串行電纜56收到指令，通過串行電纜56驅動縱向步進電機4運動，治療浴缸13整體縱向移動1cm進行下個切面的圖像掃查存儲，到掃描到醫生預設的體積後停止掃描，計算機主機35將存儲的多個切面進行三維成像，在顯示器34顯示，由醫生確定病變區域和治療範圍，由計算機主機35計算出治療質點的空間相對位置，並下達指令將可調聚焦治療頭21的焦域與治療質點相重合，即在下位單片機40的控制下分別驅動縱向步進電機4、橫向步進電機8、可調聚焦治療頭步進電機20運動而實現。在可調聚焦治療頭步進電機20電源驅動下，縱向步進電機4轉動同步皮帶輪5同步皮帶6，使縱向運動絲杆7作正反向轉動，從而帶動縱向運動縲母11作縱向運動。縱向運動鏍母11固定在橫向運動機架14上，從而使B超探測換能器15、可調聚焦治療頭21作縱向運動。同樣通過橫向步進電機8同步皮帶輪組9可使上述機構作橫向運動。通過B超探測換能器驅動步進電機17帶動換能器運動杆16使B超探測換能器15上下運動。醫生可根據病人病情設計治療方案，設定超聲輻射劑量，即計算機主機35下達治療指令下位單片機40通過擴展口控制換能器驅動板57而控制可調聚焦治療頭21上單元超聲發射換能器發射的個數和發射時間而實現。可調聚焦治療頭21在圓形固定板26上成圓中心分布，根據臨床要求可裝幾個到幾百個。在組裝時，為良好聚焦、改變焦點深度及形狀，每個單元治療頭均設計為球形可調裝置25，可調裝置25工作原理為單元治療頭柄29穿在調節鋼球33中用定位鏍釘32固定。單元治療頭27調節到位後用壓緊墊31壓緊鏍母30固緊。再將裝置固定板固定在鋁罩殼24中，通過聯接法蘭盤19與治療頭運動光杆18用固定鏍釘22固定，組成可調聚焦治療頭。
當治療結束後，計算機主機35下達結束復位指令，下位單片機40控制縱向步進電機4、橫向步向電機8、治療頭驅動步進電機20、B超探測換能器驅動步進電機17，分別運動到起始位置，並啟動排水閥排水。
權利要求
1.一種腫瘤超聲治療裝置，它由計算機控制櫃(1)、主機電氣櫃(2)、治療臺(3)構成，其特徵是治療浴缸(13)固定在治療臺(3)的滑板上，橫向運動機架(14)裝在治療臺(3)的橫向滑槽中，B超探測換能器(15)固定在換能器運動杆(16)上，可調聚焦治療頭(21)用連接法蘭(23)和固緊鏍釘(22)固定在治療頭運動杆(18)上，裝置固定板(26)固定在鋁罩殼(24)上，可調裝置(25)固定在裝置固定板(26)孔內，單元治療頭(27)裝在可調裝置(25)內，調節鋼球(33)用壓緊墊(31)和壓緊鏍母(30)嵌裝在可調裝置(25)殼體腔內，單元治療頭(27)通過高頻電纜(28)與主機電氣櫃(2)中換能器驅動板(57)相連接。
2.根據權利要求1所述的一種腫瘤超聲治療裝置，其特徵是計算機控制櫃(1)與主機電器櫃(2)以串行通訊電纜(56)將計算機主機(35)的串口與下位單片機(40)的串口相連接。
3.根據權利要求1所述的一種腫瘤超聲治療裝置，其特徵是計算機控制櫃(1)內的計算機主機(35)與顯示器(34)、操作鍵盤(36)相連，計算機主機(35)與視頻採集卡(37)相連，B超顯像儀(38)與視頻採集卡(37)、B超探測換能器(15)相連。
4.根據權利要求1所述的一種腫瘤超聲治療裝置，其特徵是主機電氣櫃(2)內上的下位單片機(40)與模數轉換器(41)、(42)、比較器(43)、電磁閥驅動電路(47)、步進電機驅動模塊(51)、(52)、(53)、(54)、I/O擴展口(55)相連。
5.根據權利要求4所述的一種腫瘤超聲治療裝置，其特徵是模數轉換器(41)與水聽器(44)相連，模數轉換器(42)與溫度傳感器(45)相連，比較器(43)與液位傳感器(46)相連，電磁閥驅動電路(47)與冷水電磁閥(48)、熱水電磁閥(49)、排水電磁閥(50)相連，步進電機驅動模塊(51)與縱向步進電機(4)相連，步進電機驅動模塊(52)與B超探測換能器驅動步進電機(17)相連，步進電機驅動模塊(54)與可調聚焦治療頭驅動步進電機(20)相連。
全文摘要
本發明公開了一種腫瘤超聲治療裝置,它由計算機控制櫃、主機電氣櫃、治療臺、B超探測換能器構成,治療浴缸固定在治療臺的滑板上,橫向運動機架裝在治療臺的橫向滑槽中,B超探測換能器固定在換能器運動杆上,可調聚焦治療頭用連接法蘭和固緊螺釘固定在治療頭運動杆上,裝置固定板固定在鋁罩殼上,可調裝置固定在裝置固定板孔內,單元治療頭裝在可調裝置內,調節鋼球用壓緊墊和壓緊螺母嵌裝在可調裝置殼體腔內,單元治療頭通過高頻電纜與主機電氣櫃中換能器驅動板相連接。檢測腫瘤定位準確,安全有效,操作簡便,適用於治療腫瘤及其它增生性病變。
文檔編號A61N7/02GK1260217SQ9911631
公開日2000年7月19日 申請日期1999年1月12日 優先權日1999年1月12日
發明者艾時斌, 陳爾程, 洪豫北, 芮侃, 古可新 申請人:武漢天使科技發展有限公司