焦域可控的聚焦超聲換能器的製作方法
2023-12-07 09:25:41
專利名稱：焦域可控的聚焦超聲換能器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲換能器，尤其涉及一種焦域可控的聚焦超聲換能器，應用於超聲腫瘤熱療系統，屬於生物醫學工程技術領域。
背景技術：
現有的超聲腫瘤熱療系統，例如美國聯合醫藥集團LABTHERMICS公司生產的SONOTHERM 1000型超聲治癌系統，採用的是平面式超聲換能器，其聲波沿垂直方向輻射，能量分散，因而，其在人體內部組織上形成的聲強不但不可能高於在體表處的聲強，而且因輻射路徑上組織的吸收而明顯降低，越深入體內兩者相差越大，這一方面使有效的熱療深度不深，另一方面會使患者感到疼痛，灼傷體表皮膚，甚至於淺部組織。
自聚焦式超聲換能器不僅可將在體外發射的超聲能量滲透入人體組織，而且可將超聲能量匯聚在其幾何焦點附近，形成一個高聲強的區域——焦域。焦域區內由於能量大量沉積，使位於其中的組織溫度迅速升高，達到43℃的熱療溫度，而焦域外的組織因僅有少量能量沉積而溫升甚少，從而達到靶向破壞病變之目的。顯然，在同等熱療區域、同樣聲強的條件下，它可大大降低輻射功率，使得在體表皮膚和輻射路徑上的組織中的聲強也隨之大大減小，從而避免了平面式超聲換能器產生的問題。
經對現有技術的文獻檢索發現，公開號為1416923，申請(專利)號02148797.9的中國專利《超聲腫瘤治療機換能器》，該專利自述本發明由球冠和安裝在球冠內表面的壓電晶體所構成，多個壓電晶體單獨通以高頻信號源，具有800cm#+[2]-1200cm#+[2]超大超聲發射面，當超聲能量進入人體時，具有80°-120°的超大入射角，可以在與其它設備相比具有同樣焦域和聲強的前提下，大大降低超聲能量在人體皮膚和組織傳輸路徑上的聲強，而將超聲波能量集中作用於病灶上，確保在使用該治療機對患者治療時，不需麻醉用品，不灼傷皮膚，不會使病人感到疼痛。該技術存在明顯不足其自聚焦式超聲換能器都只能形成固定位置、大小恆定的焦域，且焦域過小、強度太高，不適合應用於超聲腫瘤熱療系統。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的上述不足，提供一種焦域可控的聚焦超聲換能器，它可以通過選擇不同的陣元組合得到不同大小、不同形狀的焦域，調控陣元的激勵電壓可使其輸出的超聲功率相應地改變，進而控制了焦域的溫度。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明由一個大孔徑剛性球冠體和若干個按規則、等間距方陣結構分布的球面超聲換能器陣元組成，整個球冠體上按規則、等間距方陣結構離散地分布有若干個圓形小孔，每個小孔用來鑲嵌一個陣元。
大孔徑剛性球冠體的球冠曲率半徑為R，它決定於陣元的曲率半徑r和陣元本身的焦斑大小。其換算關係為R＝r+C，其中C為與陣元本身的焦斑直徑及球冠曲率半徑R自身有關的常數，須經反覆迭代確定。
大孔徑剛性球冠體的球冠孔徑為D，取決於陣元數量及其口徑d。其換算關係為D＝nd+(n-1)p+2q，其中n為陣元排列最多的行或列中的陣元數，d為陣元的直徑，p為相鄰陣元間的間隙，q為最外面的陣元離開球冠邊緣的距離。
所述的小孔，其分布排列是以球冠中心OD為原點，按直角坐標將球冠分為四個象限，各個象限中圓形小孔的分布都是軸對稱的。在第三象限內，在X軸下方依次有……E、D、C、B、A行，在Y軸左面依次有……5、4、3、2、1列，共有……5E、4E、3E、2E、1E、5D、4D、3D、2D、1D、5C、4C、3C、2C、5B、4B、3B、5A、4A、……、若干個圓形小孔。
陣元採用圓形、曲面形式。陣元的曲率半徑r取決於焦域離開其的距離，兩者成正比。口徑決定於要求的焦域大小，在陣元曲率半徑r一定的條件下，口徑越大，聚焦性能越好，其形成的焦域也就越小，反之亦然。因為形成的焦域大小還與路徑組織的性質有關，難以定量計算，所以簡單可行的辦法是由實驗確定。
陣元鑲嵌入剛性球冠體時，陣元的中軸線應與球冠半徑吻合，且其與球冠中軸線的夾角為θ，不同位置的陣元的θ角是各不相同的。θ角對於大孔徑剛性球冠體上的圓形小孔加工和陣元鑲嵌是至關重要的，若誤差過大為明顯影響焦域性能。
本發明的焦域可控的聚焦超聲換能器陣列可以根據不同的病變組織形狀和大小，選擇不同的陣元組合施以電激勵信號，從而形成不同的焦域分布模式，即焦域形狀，它不僅可以形成圓、環等規則形狀，而且可以形成各種不規則形狀，使之與病變組織形狀和大小相匹配。各個陣元的口徑、厚度均相同，由PZT-8壓電陶瓷製成，其外表面膠合有匹配層。陣元分別精密地鑲嵌在球冠體的小孔內，同時輔以粘合劑膠合。各個陣元均有獨立的電激勵信號饋線，分別連接至信號激勵系統。各個陣元的電激勵信號都是獨立可控的，調節電激勵信號的幅度也就調節了陣元輻射的超聲功率。例如僅激勵陣元5E將形成Ф＝Ф1的圓狀焦域；同時激勵陣元4E、4F、5D、5E、5F、5G、6D、6E、6F、6G、7E，7F將形成Ф＝4Ф1的圓狀焦域；若同時激勵陣元4E、4F、5D、5G、6D、6G、7E、7F，則將形成外徑為4Ф1，內徑為2Ф1的圓環狀焦域；若同時激勵陣元2E、3E、8E、9E、3F、4F、5F、6F、7F、8F、4G、5G、6G、7G，則將形成一個弧狀的焦域。更為有利的是，借適當地選定工作陣元，使聲束避開骨骼等屏障，從而避免額外的輔助性手術。此外，還可以通過調節電激勵信號的幅度來調控陣元輻射的超聲功率，達到焦域內的組織，即靶組織溫度保持在治療溫度上。
本發明結構緊湊，選材普通，性能優良，工作靈活，可以根據靶組織的大小和形狀，通過電子調控方式形成所需形狀(圓、環、任意的不規則形狀)、大小的焦域，並提供加熱靶組織所需的超聲能量，保證靶組織具有均勻的熱劑量分布。應用其的聚焦超聲加熱系統不但可以以靶向加熱的方式對腫瘤患者實施熱療，大大減輕現有的超聲腫瘤熱療系統的不良反應，顯著地增強療效。尤為重要的是這一適形加溫技術與可控釋放藥物相結合，保證只在需要治療的指定區域內釋放藥物，使藥物達到最大的療效，因此本發明具有廣闊的應用前景。
圖1為本發明的結構示意2為本發明的結構A-A剖面示意3為本發明的陣元示意圖。
具體實施例方式
為了更好地理解本發明的技術方案，以下結合附圖作進一步的詳細描述。
如圖1、2所示，本發明的焦域可控的聚焦超聲換能器的結構示意，它由一個大孔徑剛性球冠體1和若干個按規則、等間距方陣結構分布的球面陣元2組成，整個球冠體1上按規則、等間距方陣結構離散地分布有若干個圓形小孔，每個小孔用來鑲嵌一個陣元2。
大孔徑剛性球冠體1的球冠曲率半徑為R，在實施例中R＝215mm，它決定於陣元的曲率半徑r，在實施例中r＝160mm，和陣元本身的焦域大小，在實施例中為Ф＝5mm的圓柱狀。球冠的孔徑為D，在實施例中D＝240mm，取決於陣元數量，在實施例中為76個，及其口徑d，在實施例中d＝20mm。整個球冠體1上按規則、等間距方陣結構離散地分布有若干個圓形小孔，在實施例中為76個，每個小孔用來鑲嵌一個陣元，小孔的直徑略大於陣元的直徑。圓形小孔，亦即陣元的規則、等間距方陣結構的分布規律是以球冠中心OD為原點，按直角坐標將球冠分為四個象限，各個象限中圓形小孔的分布都是軸對稱的。在第三象限內，在X軸下方依次有……E、D、C、B、A行，在實施例中有E、D、C、B、A等五行，在Y軸左面依次有……5、4、3、2、1列，在實施例中有5、4、3、2、1等五列，一個象限內共有……5E、4E、3E、2E、1E、5D、4D、3D、2D、1D、5C、4C、3C、2C、5B、4B、3B、5A、4A等若干個圓形小孔，在實施例中，一個象限內共有5E、4E、3E、2E、1E、5D、4D、3D、2D、1D、5C、4C、3C、2C、5B、4B、3B、5A、4A等19個圓形小孔，正個球冠體1上共有76個圓形小孔。
陣元2採用圓形、曲面形式，如示意3所示。陣元2的曲率半徑r，在實施例中r＝160mm，取決於焦域離開其的距離，兩者成正比。口徑d，在實施例中d＝20mm，決定於要求的焦域大小，在實施例中為Ф＝5mm的圓柱狀，在陣元2曲率半徑r一定的條件下，口徑越大，聚焦性能越好，其形成的焦域也就越小，反之亦然。陣元2鑲嵌入剛性球冠體1時，陣元2的中軸線應與球冠半徑吻合，且其與球冠中軸線的夾角為θ。不同位置的陣元的θ角是各不相同的，在實施例中，θ5E＝4.15°，θ4D＝12.54°，θ3C＝21.21°，θ4E＝9.31°，……。θ角對於大孔徑剛性球冠體上的圓形小孔加工和陣元鑲嵌是至關重要的，若誤差過大為明顯影響焦域性能。所有陣元2的口徑、厚度，在實施例中為4mm，均相同，由PZT-8壓電陶瓷製成，其外表面膠合有匹配層。陣元2分別精密地鑲嵌在球冠體的小孔內，同時輔以粘合劑膠合。各個陣元2均有獨立的電激勵信號饋線，分別連接至信號激勵系統。各個陣元2的電激勵信號都是獨立可控的，調節電激勵信號的幅度也就調節了陣元2輻射的超聲功率。
本發明的焦域可控的聚焦超聲換能器陣列可以根據不同的病變組織形狀和大小，選擇不同的陣元組合施以電激勵信號，從而形成不同的焦域分布模式，即焦域形狀，它不僅可以形成圓、環等規則形狀，而且可以形成各種不規則形狀，使之與病變組織形狀和大小相匹配，在實施例中若僅僅激勵陣元5E，將形成Ф＝5mm的圓狀焦域；若同時激勵陣元4E、4F、5D、5E、5F、5G、6D、6E、6F、6G、7E，7F，將形成Ф＝20mm的圓狀焦域；若同時激勵陣元4E、4F、5D、5G、6D、6G、7E、7F，則將形成外徑為20mm，內徑為10mm的圓環狀焦域；若同時激勵陣元2E、3E、8E、9E、3F、4F、5F、6F、7F、8F、4G、5G、6G、7G，則將形成一個寬度為10mm的弧狀焦域；若同時激勵全部76個陣元，則將形成Ф＝50mm的圓狀焦域。更為有利的是，借適當地選定工作陣元，能使聲束避開骨骼等屏障，從而避免額外的輔助性手術。此外，還可以通過調節電激勵信號的幅度來調控陣元輻射的超聲功率，達到焦域內的組織，即靶組織溫度保持在治療溫度上的目的。
權利要求
1.一種焦域可控的聚焦超聲換能器，其特徵在於，由一個大孔徑剛性球冠體(1)和若干個按規則、等間距方陣結構分布的球面陣元(2)組成，整個球冠體(1)上按規則、等間距方陣結構離散地分布有若干個圓形小孔，每個小孔用來鑲嵌一個陣元(2)。
2.如權利要求1所述的焦域可控的聚焦超聲換能器，其特徵是，所述的大孔徑剛性球冠體(1)的球冠曲率半徑為R，R＝r+C，其中陣元的曲率半徑r，C為與陣元本身的焦斑直徑及球冠曲率半徑R自身有關的常數，須經反覆迭代確定。
3.如權利要求1所述的焦域可控的聚焦超聲換能器，其特徵是，所述的大孔徑剛性球冠體(1)的球冠孔徑為D，D＝nd+(n-1)p+2q，其中n為陣元排列最多的行或列中的陣元數，d為陣元的直徑，p為相鄰陣元間的間隙，q為最外面的陣元離開球冠邊緣的距離。
4.如權利要求1所述的焦域可控的聚焦超聲換能器，其特徵是，所述的小孔，其分布排列是以球冠中心OD為原點，按直角坐標將球冠分為四個象限，各個象限中圓形小孔的分布都是軸對稱的。
5.如權利要求4所述的焦域可控的聚焦超聲換能器，其特徵是，所述的各個象限中圓形小孔的分布都是軸對稱的，在第三象限內，在X軸下方依次有……E、D、C、B、A行，在Y軸左面依次有……5、4、3、2、1列，共有……5E、4E、3E、2E、1E、5D、4D、3D、2D、1D、5C、4C、3C、2C、5B、4B、3B、5A、4A、……若干個圓形小孔。
6.如權利要求1所述的焦域可控的聚焦超聲換能器，其特徵是，所述的陣元(2)採用圓形或者曲面形式。
7.如權利要求1或者6所述的焦域可控的聚焦超聲換能器，其特徵是，所述的陣元(2)，其曲率半徑r取決於焦域離開其的距離，兩者成正比。
8.如權利要求1或者6所述的焦域可控的聚焦超聲換能器，其特徵是，所述的陣元(2)，所有陣元(2)的口徑、厚度均相同。
9.如權利要求1或者6所述的焦域可控的聚焦超聲換能器，其特徵是，所述的陣元(2)，各個陣元(2)均有獨立的電激勵信號饋線，分別連接至信號激勵系統。
全文摘要
一種焦域可控的聚焦超聲換能器，應用於超聲腫瘤熱療系統，屬於生物醫學工程技術領域。由一個大孔徑剛性球冠體和若干個按規則、等間距方陣結構分布的球面超聲換能器陣元組成，整個球冠體上按規則、等間距方陣結構離散地分布有若干個圓形小孔，每個小孔用來鑲嵌一個陣元。本發明陣列可以形成不同的焦域分布模式，還能使聲束避開骨骼等屏障，還可以通過調節電激勵信號的幅度來調控陣元輻射的超聲功率，使靶組織溫度保持在治療溫度上。本發明結構緊湊，選材普通，性能優良，工作靈活，具有廣闊的應用前景。
文檔編號B06B3/04GK1647829SQ20051002377
公開日2005年8月3日 申請日期2005年2月3日 優先權日2005年2月3日
發明者陳亞珠, 蕭翔麟, 倪養華 申請人:上海交通大學