腫瘤治療超聲聚焦刀的製作方法
2023-12-07 05:31:11 5
專利名稱：腫瘤治療超聲聚焦刀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用超聲波對腫瘤進行掃描和治療的腫瘤治療超聲聚焦刀。
2.背景技術近代醫學研究發現，腫瘤細胞比正常細胞耐熱性差，在42.5～45度之間，30分鐘內腫瘤細胞死亡，60℃需要約3秒殺死腫瘤細胞，而100℃只需0.1秒就可殺死腫瘤細胞。利用這一特點，採用高強度聚焦超聲(HighIntensity Ficused Ultrasoelnd-HIFU)技術治療腫瘤已成為國內外發展趨勢。超聲束在人體內聚焦，使焦點處的高強度超聲能量作用於人體內靶組織(腫瘤)上，經過高強度超聲(每平方釐米可達上萬瓦)短時間(0.5s～5s)輻照，在靶組織處產生高溫效應、機械效應和空化效應。使腫瘤組織產生凝固性壞死，失去增殖、浸潤和轉移能力，從而達到治療腫瘤的目的。現有利用HIFU技術治療腫瘤的產品存在一些缺點1.現有的產品焦域較大(長短軸之比較大)焦域內的超聲最大聲強低於15000W/cm2，這樣治療效果差、治療時間長。2.採用B超二維診斷和二維治療方法，不能完整地判斷病灶性質和結構並治療。3.現有的產品均沒有實時監視被治療區域體表的功能，容易發生燒傷和因患者體位變化造成治療部位偏差。4.現有的產品均不能快速、直觀、定性地判斷治療效果本發明的目的旨在克服現有技術的缺點，提供一種焦域小、大功率聲強、焦域形態良好、三維立體診斷和治療、定位精確、實時監控、工作穩定可靠和操作方便的腫瘤治療超聲聚焦刀。
3.發明內容本發明的目的是這樣實現的，一種腫瘤治療超聲聚焦刀是由組合治療頭、超聲功率源、介質水處理裝置、B超機、治療床、主控制器和工控機組成，其特徵是所述組合治療頭安裝在五維運動機構的弧形臂上；治療床的中部有用於存放介質水的水箱，介質水處理裝置與水箱相連，弧形臂放置在水箱內；組合治療頭與超聲功率源相連；工控機通過主控制器分別與五維運動機構、超聲功率源相連，B超機通過視頻採集卡連接工控機。
所述五維運動機構的五維運動由X、Y、Z、θ、γ運動組成X、Y、Z的運動機構是一樣的伺服電機通過減速器傳送到滾珠絲杆，滾珠絲杆帶動託板在導軌上運動，旋轉編碼器與滾珠絲杆連接，X、Y、Z三個運動機構疊加就構成三維直角坐標系運動機構；伺服電機通過減速器連接弧形臂上的同步帶，同步帶固定有滑塊，組合治療頭固定在滑塊上使組合治療頭沿弧形臂運動且與Y坐標保持在同一平面上形成，γ坐標運動完成二維斷面在Y坐標平面內的弧形運動，弧形臂固定在X、Y、Z三個單運動機構疊加構成三維運動裝置上；氣動作動筒通過連杆帶動組合治療頭繞自身軸心轉動形成θ坐標運動，完成兩個相互垂直且軸對稱二維診斷面的轉換；五維運動機構的控制是由工控機通過主控制器將運動信號傳送到前端控制器，前端控制器控制伺服運動機構帶動組合治療頭運動，運動檢測器將檢測到的位置信號反饋到前端控制器，再通過主控制器反饋到工控機，實現運動的閉環控制。
所述超聲功率源是0.8MHz～1.7MHz的主振動器接12路使能開關接中放電路進行放大，再由隔離變壓器驅動功率放大器，由功率放大器放大後的高頻電能經阻抗匹配電路經功率檢測送至換能器件，換能器件發射功率超聲波；12路使能開關接相序發生器，相序發生器接PC I/O接口，PC I/O接口通過可調節直流電源接功率放大器，PC I/O接口通過指示器接功率檢測電路；所述組合治療頭包括聲透鏡，聲透鏡的平面固定有8～20個壓電換能器；聲透鏡中心的孔處有凸陣式B超探頭；護套將聲透鏡和B超探頭密封，護套底部上固定有定位固定調節膠墊用於固定B超探頭。
所述弧形臂安裝有水下攝影頭。
在工控機控制下，超聲功率源、B超機、五維運動機構是連續實時工作的。
本發明同現有技術相比具有以下主要優點組合治療頭具有精確聚焦、焦點形態良好、大功率聲強、多種波場形式，焦點準確位於B超診斷面中垂線上，相對位置高度固定；採用凸陣式B超探頭使得B超圖像質量不受聲透鏡的影響；安裝有水下攝像頭，可直觀的實時監視被治療區域體表情況，有效避免發生燒傷和因患者體位變化造成治療部位偏差；利用θ坐標的工作方式可方便地完成兩個相互垂直且軸對稱二維診斷面的轉換；採用數字圖像處理技術，對治療前、後圖像進行實時處理並繪製圖表，使得操作者能夠快速、直觀、定性地判斷治療效果。
4.
圖1是本發明實施例的原理框圖；圖2是本發明實施例的五維運動機構中X、Y、Z的結構示意圖；圖3是本發明實施例的五維運動機構中γ的結構示意圖；圖4是本發明實施例的五維運動機構中θ的結構示意圖；圖5是本發明實施例的組合治療頭結構示意圖；圖6是本發明實施例的組合治療頭中聲透鏡結構示意圖；圖7是本發明實施例的超聲功率源原理圖8是本發明實施例的操作流程框圖。
5.具體實施方式
如圖1所示一種腫瘤治療超聲聚焦刀是由組合治療頭、超聲功率源、介質水處理裝置、B超機、治療床、主控制器和工控機組成。工控機為腫瘤治療超聲聚焦刀的控制中樞，採用奔騰3以上處理器，其I/O配置為DMC300運動控制卡、PC-6407開關量輸出卡、PC-6405開關量輸入卡、PC-6320 A/D卡和MVPCI圖象採集卡。B超機採用CX-900C型，介質水處理裝置採用CZ901-6型。
組合治療頭12安裝在五維運動機構的弧形臂9上；治療床的中部有用於存放介質水的水箱，介質水處理裝置與水箱相連，弧形臂放置在水箱內；組合治療頭與超聲功率源相連；工控機通過主控制器分別與五維運動機構、超聲功率源相連，B超機通過視頻採集卡連接工控機。
所述組合治療頭包括聲透鏡15，聲透鏡15的平面上通過強力膠粘接固定有均勻分布的8～12個壓電換能器件16；壓電換能器件的電源由超聲功率源提供；聲透鏡15中心的孔處有凸陣式B超探頭17；護套18將聲透鏡和B超探頭密封，護套18底部上固定有定位固定調節膠墊19用於固定和調節B超探頭17；8～12個壓電換能器件根據施加的高頻電能能量大小和相序，可組合產生多種功率超聲波場形式；採用凸陣式B超探頭，聲透鏡對B超成像質量沒有影響，這樣在組合治療頭對腫瘤治療的同時，B超探頭可同時掃描採集腫瘤的圖象，傳送到工控機，操作者可直觀地看到治療的情況。
組合治療頭技術參數如下焦域X短軸≤2.6mm、Y短軸≤2.6mm、Z長軸≤8.0mm；最大聲強焦點最大橫截面最大聲強≥20KW/cm2；焦平面高度55mm，95mm，115mm，165mm，140mm；功率超聲波場形式連續波、脈衝波(佔空比1％～99％)、旋轉波(6種形式)。
五維運動機構的五維運動由X、Y、Z、θ、γ運動組成X、Y、Z的運動機構是一樣的伺服電機1通過減速器2傳送到滾珠絲杆3，滾珠絲杆3帶動託板4在導軌5上運動，旋轉編碼器6與滾珠絲杆(3)連接，X、Y、Z三個運動機構疊加就構成三維直角坐標系運動機構；伺服電機7通過減速器8連接弧形臂9上的同步帶10，同步帶10固定有滑塊11，組合治療頭12固定在滑塊11上使組合治療頭12沿弧形臂(9)運動且與Y坐標保持在同一平面上形成，γ坐標運動完成二維斷面在Y坐標平面內的弧形運動，弧形臂9固定在X、Y、Z三個單運動機構疊加構成三維運動裝置上；氣動作動筒13通過連杆14帶動組合治療頭12繞自身軸心轉動形成θ坐標運動，完成兩個相互垂直且軸對稱二維診斷面的轉換；這樣可方便地完成診斷和治療的三維方式，從而能夠完整地判斷病灶性質和結構並治療。
五維運動機構的控制是由工控機通過主控制器將運動信號傳送到前端控制器，前端控制器控制伺服運動機構帶動組合治療頭運動，運動檢測器將檢測到的位置信號反饋到前端控制器，再通過主控制器反饋到工控機，實現運動的閉環控制。
弧形臂9安裝有水下攝像頭20，這樣可直觀的實時監視被治療區域體表情況，有效避免發生燒傷和因患者體位變化造成治療部位偏差。
如圖7所示超聲功率源是0.8MHz～1.7MHz的主振動器接12路使能開關，經中放電路進行放大，再由隔離變壓器驅動功率放大器，由功率放大器放大後的高頻電能經阻抗匹配電路經功率檢測送至換能器件，換能器件發射功率超聲波。12路使能開關接相序發生器，相序發生器接PC I/O接口，PC I/O接口通過可調節直流電源接功率放大器，PC I/O接口通過指示器接功率檢測電路。主振動器產生一個與換能器件匹配的工作頻率電壓，經使能開關送至中放電路進行放大，再由隔離變壓器驅動功率放大器，放大後的高頻電能經阻抗匹配電路送至使換能器件發射出功率超聲波；工控機經I/O接口自動調節直流電源的輸出電壓值，從而調節了高頻電能，也就調節了發射的超聲功率值。
在工控機控制下，超聲功率源、B超機、五維運動機構的是閉環實時工作的。
本發明採用以下診斷方式1.採用B超二維診斷平面與B超探頭旋轉90°的三維組合方式。
2.水下攝像與CT或MRI圖片進行輔助外表定位診斷方式。
本發明採用以下治療方式1.在治療區內可進行單點或多點，單次或多次重複治療。
2.在治療區內可進行單線或多線，單次或多次重複治療。
3.在治療區內可進行弧線的點、線，單次或多次重複治療。
這三種方式可組合起使用，由點到線，由多線構成面，由面構成立體。
如圖8所示本發明的工作過程，啟動超聲功率源、介質水處理裝置、五維運動機構。介質水處理裝置將介質水處理後並加溫到25℃左右，並將介質水向水箱內灌注達到治療所需高度。
利用水下攝影頭和B超診斷將患者定位固定，工控機控制五維運動機構帶動組合治療頭對患者的病灶部位進行診斷，根據診斷結果確定治療方案和治療參數，由工控機自動進行治療，水下攝影頭和監護儀實時監視患者體位和治療反應情況，並實時採集B超圖像並對治療前、後圖像，治療位置及相關參數進行保存和回放，實時進行治療位置的灰度比較和對已治療層面進行治療效果的分析。治療完畢後，根據治療前、後灰階變換變化曲線和血流情況判斷治療效果，確定下一步是重複上述過程，還是結束治療。
權利要求
1.一種腫瘤治療超聲聚焦刀是由組合治療頭、超聲功率源、介質水處理裝置、B超機、治療床、主控制器和工控機組成，其特徵是組合治療頭安裝在五維運動機構的弧形臂上；治療床的中部有用於存放介質水的水箱，介質水處理裝置與水箱相連，弧形臂放置在水箱內；組合治療頭與超聲功率源相連；工控機通過主控制器分別與五維運動機構、超聲功率源相連，B超機通過視頻採集卡連接工控機。
2.如權利要求1所述的腫瘤治療超聲聚焦刀，其特徵是所述五維運動機構的五維運動由X、Y、Z、θ、γ運動組成，X、Y、Z的運動機構是一樣的伺服電機(1)通過減速器(2)傳送到滾珠絲杆(3)，滾珠絲杆(3)帶動託板(4)在導軌(5)上運動，旋轉編碼器(6)與滾珠絲杆(3)連接，X、Y、Z三個運動機構疊加就構成三維直角坐標系運動機構；伺服電機(7)通過減速器(8)連接弧形臂(9)上的同步帶(10)，同步帶(10)固定有滑塊(11)，組合治療頭(12)固定在滑塊(11)上使組合治療頭(12)沿弧形臂(9)運動且與Y坐標保持在同一平面上形成，γ坐標運動完成二維斷面在Y坐標平面內的弧形運動，弧形臂(9)固定在X、Y、Z三個單運動機構疊加構成三維運動裝置上；氣動作動筒(13)通過連杆(14)帶動組合治療頭(12)繞自身軸心轉動形成θ坐標運動，完成兩個相互垂直且軸對稱二維診斷面的轉換；五維運動機構的控制是由工控機通過主控制器將運動信號傳送到前端控制器，前端控制器控制伺服運動機構帶動組合治療頭運動，運動檢測器將檢測到的位置信號反饋到前端控制器，再通過主控制器反饋到工控機，實現運動的閉環控制。
3.如權利要求1所述的腫瘤治療超聲聚焦刀，其特徵是所述超聲功率源是0.8MHz～1.7MHz的主振動器接12路使能開關，經中放電路進行放大，再由隔離變壓器驅動功率放大器，由功率放大器放大後的高頻電能經阻抗匹配電路經功率檢測送至換能器件，換能器件發射功率超聲波；12路使能開關接相序發生器，相序發生器接PC I/O接口，PC I/O接口通過可調節直流電源接功率放大器，PC I/O接口通過指示器接功率檢測電路。
4.如權利要求1所述的腫瘤治療超聲聚焦刀，其特徵是所述組合治療頭(12)包括聲透鏡(15)，聲透鏡(15)的平面固定有8～20個壓電換能器(16)；聲透鏡(15)中心的孔處有凸陣式B超探頭(17)；護套(18)將聲透鏡和B超探頭密封，護套(18)內部上固定有定位固定調節膠墊(19)用於固定B超探頭(17)。
5.如權利要求1所述的腫瘤治療超聲聚焦刀，其特徵是所述弧形臂(9)安裝有水下攝影頭(20)。
6.如權利要求1所述的腫瘤治療超聲聚焦刀，其特徵是在工控機的控制下，超聲功率源、B超機、五維運動機構是閉環實時的工作。
7.如權利要求1所述的腫瘤治療超聲聚焦刀，其特徵是所述組合治療頭形成的焦域X短軸≤2.6mm、Y短軸≤2.6mm、Z長軸≤8.0mm，焦點最大橫截面最大聲強≥20KW/cm2，定位精度±1mm。
全文摘要
本發明提供一種腫瘤治療超聲聚焦刀，涉及利用聚焦超聲波治療腫瘤的設備，腫瘤治療聚焦刀是由組合治療頭、超聲功率源、介質水處理裝置、B超機、治療床、主控制器和工控機組成，其特徵是組合治療頭安裝在五維運動機構的弧形臂上，弧形臂放置在治療床上的水箱內；組合治療頭與超聲功率源相連；工控機通過主控制器分別與五維運動機構、超聲功率源相連，B超機通過視頻採集卡連接工控機。本發明具有精確聚焦、焦點形態良好、大功率聲強、多種波場形式，可直觀的實時監視被治療區域體表情況，能夠快速、直觀、定性的判斷治療效果。
文檔編號A61B18/00GK1456128SQ0211372
公開日2003年11月19日 申請日期2002年5月10日 優先權日2002年5月10日
發明者劉伯濤, 陳祠松, 何躍明, 餘先華, 蘇強華, 曾文富 申請人:綿陽索尼克電子有限責任公司