可變焦體高能聚焦超聲腫瘤治療系統的製作方法

2023-12-07 08:10:46 2

專利名稱：可變焦體高能聚焦超聲腫瘤治療系統的製作方法
技術領域：
本發明與利用高能聚焦超聲在焦體內產生效應來殺死腫瘤組織的治療裝置有關。
背景技術：
超聲波是一種機械波，利用超聲振動能量可以改變物質結構、狀態、功能等性質。超聲波治療是將超聲能量作用於人體，利用它的機械、熱能和空化效應，對人體組織作用，引起機體的生理效應，達到治療疾病的目的。
高能聚焦超聲無創傷治療腫瘤相對於現行腫瘤治療的一般手段如手術治療、放化療，具有無可比擬的優點。病人沒有傷口，沒有對人體的放射性損傷和化學藥物影響，不會對人體產生全身性損害，也不會對人體的免疫系統產生損害。因此，高能聚焦超聲治療腫瘤將越來越受到人們的重視。
高能聚焦超聲腫瘤治療的質量好壞主要取決於超聲聚焦治療器的性能。現在的高能聚焦超聲治療裝置超聲束的聚焦一般採用幾何透鏡、物理透鏡、或者將換能器直接做成凹面陣實現聚焦。這些聲束聚焦的方向、焦距、頻率都是固定的，而超聲治療中常需要根據病情調整焦點的各項參數和焦點大小、位置、頻率等，高能聚焦超聲治療腫瘤還應滿足一些技術要求；腫瘤位置的定位和治療的實時監控跟蹤，超聲焦體的運行控制，超聲輻射劑量的控制等。
發明的內容本發明的目的提供一種結構緊湊，運用靈活，安全可靠，治療定位準確，治療效果好，超聲焦體的運動和各項參數可調控的可變焦體高能聚焦超聲腫瘤治療系統。
本發明是這樣實現的
本發明可變焦體高能聚焦超聲腫瘤治療系統，聚焦支座(1)上有若干超聲發生單元(2)，每個超聲發生單元(2)有壓電晶片與功率電源(8)連接，聚焦支座(1)與機械手(3)連接，機械手(3)輸入與輸出分別通過驅動器(6)、傳感器(7)與I/O接口(9)連接，I/O接口與計算機(17)連接，聚焦支座(1)與介質儲運倉(18)連接，功率電源(8)與I/O接口(9)連接。
聚焦支座(1)為拋物面殼體，超聲發生單元(2)在殼體上構成若干同心園，每個單元(2)底部為壓電晶片，頂部為拋物面，並朝向支座拋物面的焦點。
聚焦支座(1)安裝在平臺(16)中心部位，平臺周邊與柔性伸縮波紋管(15)的一端密封連接，波紋管的另一端與介質儲運倉(18)中心孔周邊密封連接，平臺(16)與五坐標機械手(3)連接。平臺(16)上固有電機及傳動裝置(31)，平臺(16)上的兩個傳感器(7)與I/O接口(9)連接。
有對中機構(14)位於平臺(16)上方，對中機構的旋轉伸縮臂上固定有B超探頭，B超機(5)與I/O接口(9)連接。
有患病呼吸傳感器(10)用吸盤吸附在患者患處，其輸出信號經信號調理電路(4)與I/O接口(9)連接。
功率電源(8)包括大功率開關電源(19)，其輸出經動態頻率多路開關(20)與超聲電源(21)連接，電源(21)的輸出通過主頻切換電子開關(22)與壓電陶瓷晶片(24)連接，開關電源(19)通過調壓輸出電路(25)與I/O接口連接，多路開關(20)，超聲電源(21)，電子開關(22)分別通過光電耦合器(26，27，28)與I/O接口連接，電子開關(22)通過DSP電路(29)與I/O接口連接。
有自適應模塊(23)分別與超聲電源(21)，電子開關(22)和壓電陶瓷晶片(24)連接。
本發明結構緊湊，運用靈活，治療定位準確。可根據腫瘤在體內的定位和在計算機內的圖像三維重構數據，由計算機治療專家系統給出最佳的高能聚焦超聲焦體的形狀，能量和頻率大小，由這些參數確定需要工作的超聲發生單元，計算機控制這些單元工作，以最接近腫瘤形狀的焦體進行工作，這樣可以減少聚焦治療器的移動，提高治療效率，同時根據腫瘤實際情況，調整焦體的能量和頻率，以最佳的入射能量和入射頻率，達到高效靈活的治療效果。
本發明可由運動對中機構保證B超探頭檢測與定位。可通過機械手靈活操縱，保證高能超聲有最佳入射角度，可通過呼吸測控系統，跟蹤由呼吸造成的患位移動，實時控制機械手，使治療定位好。


圖1本發明的框圖。
圖2為功率電源框圖。
圖3為聚焦支座結構圖。
圖4為超聲發生單元結構圖。
圖5為系統治療流程圖。
具體實施例方式高能超聲聚焦治療器是整個治療系統的關鍵，本發明的聚焦治療器基層聚焦支座1為拋物面殼體，殼體上有二十四個帶臺階的通孔，這二十四個通孔在聚焦支座上分為內、中、外三圈，每圈圓周上均勻分布八個通孔，每圈通孔對應的支座拋物面曲率不同，通孔軸線與通孔所在位置的支座拋物面法線一致。二十四個超聲發生單元2外形與通孔形狀尺寸一致，分別配合嵌入通孔內，形成同心圓環形換能器陣列。每個超聲發生單元底部粘合壓電陶瓷晶片，每一圈的壓電晶片固有頻率不同，中圈八個超聲發生單元壓電晶體採用一種頻率，內圈八個超聲發生單元分別採用兩種不同頻率，外圈八個超聲發生單元也採用兩種不同頻率，即聚焦治療器上二十四個超聲發生單元壓電晶體有五種不同頻率，每個壓電晶片有導線接入各自對應的超聲波功率電源8。超聲發生單元2頂部也是拋物面，並朝向支座拋物面的焦點。每個超聲發生單元底部的壓電晶片受激勵產生超聲波，超聲波束通過超聲發生單元實體到達超聲發生單元頂部，由頂部的拋物面折射聚焦。這樣每個超聲發生單元對發出的超聲波束就已進行了一次聚焦，形成了小的不同頻率的焦點。調整各超聲發生單元軸線與基層聚焦支座法線的夾角，可使超聲發生單元聚焦的超聲波再由基層聚焦支座第二次聚焦成多種形狀多頻率的焦體。中圈八個超聲發生單元中的任意組合工作模式在基層支座聚焦拋物面的對稱軸線上聚焦成一定形狀的焦體，作為主要的治療聚焦能量體；內、外圈超聲發生單元可以調整為在中間焦體上下範圍排列各自發生單元聚焦的焦點。這樣聚焦治療器可以根據腫瘤形狀位置，由計算機控制組合出最佳的治療焦體形狀和能量頻率大小。聚焦治療器中每個超聲發生單元都有對應的功率電源，因此計算機可以控制每個超聲發生單元的工作狀態，這樣二十四個超聲發生單元中任意幾個壓電晶片同時工作，可以組合出多種焦體形狀、能量、頻率不同的工作模式。
單相220V交流電與大功率開關電源連接，為聚焦治療頭提供電源，計算機系統中的專家系統與知識庫經決策輸出至調壓接口25，調壓接口25與大功率開關電源19連接並為其提供控制輸入，大功率開關電源輸出與動態頻率開關20連接並為其提供自檢輸入。計算機系統17中的專家系統與知識庫經決策輸出連接主頻切換電子開關22，主頻切換電子開關22與壓電陶瓷晶片24連接，計算機控制系統根據不同腫瘤位置和形狀確定所需聲強的最佳劑量，焦體形狀和頻率，來控制動態頻率多路開關20的動態頻率、佔空參量等參數。動態頻率多路開關20輸出至超聲電源21，超聲電源21是相應壓電換能器陣列24的系統電源，其輸出經主頻切換電子開關接至每一對應換能器。主頻切換光耦器的切換或開關由計算機根據病情控制。這樣就可以實現各個超聲發生單元的不同組合工作模式，根據治療的實際需要，由計算機控制，靈活調整焦體聲強、頻率、形狀，焦距等參數。
聚焦治療器安裝在一圓形平臺中心部位，在遠離圓形中心部位安裝運動對中機構14，運動對中機構14的旋伸臂上固定B超探頭，在圓臺16的另一面固定驅動電機6及兩個定位傳感器7，這樣構成一個治療運動對中集成平臺。當需要B超機5工作時，運動對中機構的驅動器6，接收計算機命令(或手動指令)，帶動B超探頭準確定位到聚焦治療器中心前部，以保證B超探頭顯示面圖像有確定的坐標位置；當聚焦治療器需工作時，B超探頭按程序控制命令(或手動指令)，由運動對中機構帶動到遠離聚焦治療器波陣面的確定位置，以保證聚焦治療器具有很好的聚焦性能。
集成平臺16由五坐標診治機械手3舉握，五坐標自由度包括X、Y、Z三個軸移動和兩個繞X、Y軸轉動，機械手的每一個自由度由交流伺服電機或步進電機6驅動，採用位置閉環控制或開環控制。這樣保證機械手的運動定位精度和操縱靈活，以滿足B超圖像採集後的三維重構，高能超聲最佳入射角度的要求。
集成平臺16的圓形周邊與柔性伸縮波紋管15的一端密封固連，柔性波紋管的另一端與固定在治療床上的容器18底部的中心孔的周邊密封固連，從而組成介質儲運倉。儲運倉中由負壓除氣水作為超聲耦合介質，耦合介質包圍患者皮膚，以保證診治過程中B超探頭或聚焦治療器優良的聲阻抗耦合特性。
呼吸測控系統是將呼吸運動傳感器10用吸盤吸附在患者患處，感應呼吸帶來的位移，傳感器經信號調理4，輸入計算機接口系統9，計算機17根據這些實時採集的患位呼吸運動數據，實時控制機械手3，跟蹤由於呼吸造成的患位的移動。
下面將進一步說明本發明的操作過程患者俯臥在治療床上，患位基體位於治療床中心孔，患者身上吸附呼吸運動傳感器10，檢測患者呼吸運動，數據接入計算機接口系統9。患者患位下方是介質儲運倉18，進水電磁閥打開，儲運倉注入負壓除氣水，液位傳感器檢測儲運倉水位，到規定水位時由計算機控制進水電磁閥關閉。液位傳感器實時監測儲運倉水位變化，當水位降低超過規定水位，計算機控制電磁閥打開補充出氣水。運動對中機構14將B超探頭旋轉至聚焦治療器中心位置，通過醫生在計算機上操縱機械手，控制B探頭以最佳位置檢查患位，並採集B超圖像存儲至計算機。計算機對檢查完的B超圖像進行處理，重新標定，重構出腫瘤的三維形狀，確定出腫瘤空間位置。腫瘤表狀位置確定後，B超探頭旋轉，離開聚焦治療器中心位置。計算機根據腫瘤採集的信息，由治療專家系統或在主治醫生指導下，確定診治機械手運動軌跡，高能超聲焦體形狀、能量、頻率等參數。首先實施試治方案1)選擇最佳試治區域點位，實施點位的位置運動或超聲聚焦劑量的試治；2)通過B超探頭對試治區域灰度檢測，得到運動控制誤差和劑量偏差，計算確定偏差補償最，制定新的試治點位，再試治方案實施，直至最佳。再實施治療方案1)根據試治定位方案，確認各層面運動和超聲聚焦劑量已達最佳。2)實施連續軌跡治療方案。治療過程中，計算機實時處理採集的呼吸運動傳感器信號，確定診治機械手的跟蹤呼吸運動的補償量，使體內焦體跟蹤患位隨呼吸移動。
權利要求
1.可變焦體高能聚焦超聲腫瘤治療系統，其特徵在於聚焦支座(1)上有若干超聲發生單元(2)，每個超聲發生單元(2)有壓電晶片與功率電源(8)連接，聚焦支座(1)與機械手(3)連接，機械手(3)輸入與輸出分別通過驅動器(6)、傳感器(7)與I/O接口(9)連接，I/O接口與計算機(17)連接，聚焦支座(1)與介質儲運倉(18)連接，功率電源(8)與I/O接口(9)連接。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於聚焦支座(1)為拋物面殼體，超聲發生單元(2)在殼體上構成若干同心園，每個單元(2)底部為壓電晶片，頂部為拋物面，並朝向支座拋物面的焦點。
3.根據權利要求1或2所述的系統，其特徵在於聚焦支座(1)安裝在平臺(16)中心部位，平臺周邊與柔性伸縮波紋管(15)的一端密封連接，波紋管的另一端與介質儲運倉(18)中心孔周邊密封連接，平臺(16)與五坐標機械手(3)連接，平臺(16)上固有電機及傳動裝置(31)，平臺(16)上的兩個傳感器(7)與I/O接口(9)連接。
4.根據權利要求1或2所述的系統，其特徵在於有對中機構(14)位於平臺(16)上方，對中機構的旋轉伸縮臂上固定有B超探頭，B超機(5)與I/O接口(9)連接。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於有患者呼吸傳感器(10)用吸盤吸附在患者患處，其輸出信號經信號調理電路(4)與I/O接口(9)連接。
6.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於功率電源(8)包括大功率開關電源(19)，其輸出經動態頻率多路開關(20)與超聲電源(21)連接，電源(21)的輸出通過主頻切換電子開關(22)與壓電陶瓷晶片(24)連接，開關電源(19)通過調壓輸出電路(25)與I/O接口連接，多路開關(20)，超聲電源(21)，電子開關(22)分別通過光電耦合器(26，27，28)與I/O接口連接，電子開關(22)通過DSP電路(29)與I/O接口連接。
7.根據權利要求6所述的系統，其特徵在於有自適應模塊(23)分別與超聲電源(21)，電子開關(22)和壓電陶瓷晶片(24)連接。
全文摘要
本發明為可變焦體高能聚焦超聲腫瘤治療系統。聚焦支座(1)上有若干超聲發生單元(2)，每個超聲發生單元(2)有壓電晶片與功率電源(8)連接，聚焦支座(1)與機械手(3)連接，機械手(3)通過驅動器(6)與I/O接口(9)連接，I/O接口與計算機(17)連接，聚焦支座(1)與介質儲運倉(18)連接，功率電源(8)與I/O接口(9)連接。可根據腫瘤實際情況，調整焦體能量和頻率，以最佳的入射角度，達到優良的治療效果。
文檔編號A61N7/00GK1463772SQ02133319
公開日2003年12月31日 申請日期2002年6月21日 優先權日2002年6月21日
發明者黃大貴, 張列平, 葛森, 李輝, 武好明, 吳獻鋼, 寇化瑜, 張軍, 崔慶林 申請人:電子科技大學