大焦域相控陣聚焦超聲換能器的製作方法
2023-12-07 09:27:16 1
專利名稱：大焦域相控陣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，尤其涉及一種大焦域相控陣聚焦超聲換能器，應用於加熱深部腫瘤病灶的大焦域相控聚焦超聲系統，屬於生物醫學工程技術領域。
背景技術：
大焦域相控陣聚焦超聲換能器是加熱深部腫瘤病灶的大焦域相控聚焦超聲系統的關鍵部件之一。它不僅可將低輻射功率的超聲能量通過體外發射滲透入人體組織，並將其匯聚在設定的焦域內，形成一個高聲強的區域，而且可以通過調控其中各個陣元的激勵相位和幅度，產生多種模式的多焦點聲場分布，進而形成所需形狀(圓、環等規則形狀以及任意的不規則形狀)、大小的焦域。焦域區內由於能量大量沉積，位於其中的組織溫度會迅速升高，形成人體內局部的立體溫升區域(高於體溫4～8℃)，實現人體深部區域的定向適形加熱，而焦域外的組織因僅有少量能量沉積而溫升甚少，不會受到明顯的損傷。
經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利公開號為CN1596432，2005.03.16公開，國際公布為WO2002/045073英2002.6.6，由以色列公司申請的發明專利《用於控制相控陣聚焦超聲系統的系統和方法》，中國專利公開號為CN1444491，2003.09.24公開，國際公布為WO01/80709英2001.11.1，美國專利申請S/N09/557,078的發明專利《利用相控陣聚焦超聲系統增加壞死體積的系統和方法》等多個發明專利都披露了「一種具有球冠形狀的相控陣換能器，該換能器包括多個置於一個曲面上的同心環，該曲面具有一個限定部分球體的曲率半徑。同心環具有相等的表面積，並且可以沿圓周分成許多彎曲的換能器元件或區段，形成換能器表面的「瓦形」面。換能器元件可以被相應具有預確定偏移相位關係的驅動信號驅動。通過對從換能器陣列發射的能量的相對相位和振幅的控制，能夠產生多種距離、形狀和方位的聚焦區域。」該技術存在明顯不足該相控陣換能器只能形成一個有限的「聚焦區」，不具有適形性，且聚焦區域有限，對於具有一定形狀和大小的腫瘤組織必須逐點地依次聚焦和輻射，才能完整地覆蓋整個病灶組織。因此，它不適合應用於較大範圍病灶的定向適形加熱。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，設計提供一種大焦域相控陣聚焦超聲換能器，它可以通過調控各個陣元的激勵相位和幅度實現電子聚焦和掃描，產生多種模式的多焦點聲場分布，進而形成所需形狀(圓、環等規則形狀以及任意的不規則形狀)、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，實現人體深部腫瘤病灶的定向適形加熱。
為實現這樣的目的，本發明採用了以下技術方案。本發明由一個大孔徑剛性球冠體和若干個按同心環陣結構、隨機離散分布的平面超聲換能器陣元組成。所有的陣元離散地分布在以球冠體中心為原點的若干層同心環上，各環層之間的角間距相等，每一層同心環上的起始陣元的位置隨機而定，其餘陣元則相繼按等角間距分布在同心環上。各個陣元均有獨立的電激勵信號饋線，分別連接至相控信號激勵系統。各個陣元激勵信號的頻率一致，相位和電壓幅度各不相同。通過調控各個陣元的激勵相位和幅度實現電子聚焦和掃描，可產生多種模式的多焦點聲場分布，進而形成所需形狀和大小的焦域，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，實現人體深部腫瘤病灶的定向適形加熱。
本發明的具體結構為整個大焦域相控陣聚焦超聲換能器由一個大孔徑剛性球冠體和若干個離散分布的超聲換能器單元——陣元組成，球冠體的中央圓孔為超聲定位裝置的檢測探頭提供安裝空間，所有陣元離散地分布在以球冠體中心為原點的若干層同心環上，各環層之間的角間距相等，每一層同心環的起始陣元位置隨機而定，其餘陣元則相繼按等角間距均勻地分布在同心環上，各個陣元均有獨立的電激勵信號饋線，分別連接至相控信號激勵系統。
大孔徑剛性球冠體的球冠幾何半徑R＝L1+L2，其中L1為大焦域相控陣聚焦超聲換能器外水囊的厚度，L2為擬治療的最大深度。
陣元的形狀、大小、分布間距、數量和排列方式取決於聲場柵瓣、聲強增益、輸出能量和結構的複雜程度等多種因素的綜合平衡，經優化設計決定。本發明的陣元採用圓形、平面形式，各個陣元的直徑、厚度均相同，由發射型壓電材料製成，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，分別連接至相控信號激勵系統。
本發明的各個陣元的電激勵信號都是獨立可控的，各個陣元激勵信號的頻率f一致，相位φn和電壓幅度un各不相同，因此各個陣元表面振速的相位與幅值也各不相同，使各個陣元輻射的聲波在空間相干後的波陣面形成球面會聚或偏轉，不同的相位φn和電壓幅度un組合就會形成了不同大小、不同形狀的焦域。調控各個陣元激勵信號的工作比Δn可使其輸出的超聲功率相應地改變，保證靶組織具有穩定均勻的熱劑量分布，實現人體深部腫瘤病灶的定向適形加熱。
本發明的大焦域相控陣聚焦超聲換能器同時兼有球面、規則、等角間距和隨機等特點，通過調控各個陣元的激勵相位和幅度實現電子聚焦和掃描，產生多種模式的多焦點聲場分布，進而形成所需形狀(圓、環等規則形狀以及任意的不規則形狀)、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，實現人體深部腫瘤病灶的定向適形加熱。本發明結構新穎緊湊，選材普通，性能優良，具有廣闊的應用前景。
圖1為本發明的結構示意圖。
圖1中，1為大孔徑剛性球冠體，2為陣元，3為球冠體的中央圓孔。
具體實施例方式
為了更好地理解本發明的技術方案，以下結合附圖和實施例作進一步的詳細描述。實施例所採用的技術參數不構成對本發明的限定。
本發明的大焦域相控陣聚焦超聲換能器由一個大孔徑剛性球冠體1和N個離散分布的超聲換能器單元——陣元2組成，採用球面、規則、等角間距環陣結構，每環的起始陣元隨機定位。
大孔徑剛性球冠體1的球冠幾何半徑R＝L1+L2，其中L1為大焦域相控陣聚焦超聲換能器外水囊的厚度，L2為擬治療的最大深度。
大孔徑剛性球冠體1的球冠幾何半徑R決定了最佳焦點的位置，隨著球冠體的幾何焦點，即球冠體的球心Ro前移，最佳焦點的位置也隨之前移。在最佳焦點兩邊的一定區域內，其聲強增益雖然已不是最強，但仍保持有足夠的聲強，形成有效的聚焦區域。
球冠體1的中央圓孔3用來給超聲定位裝置，即B型超聲診斷儀的檢測探頭提供安裝空間，整個球冠體上1離散地分布有若干個圓形小孔，每個小孔內鑲嵌一個陣元2。球冠孔徑D取決於中央圓孔3的大小和同心環陣的層數及陣元2的直徑。
陣元2的形狀、大小、分布間距、數量和排列方式取決於聲場柵瓣、聲強增益、輸出能量和結構的複雜程度等多種因素的綜合平衡，經優化設計決定。本發明的陣元2採用圓形、平面形式，各個陣元2的直徑、厚度均相同。陣元2分別精密地鑲嵌在球冠體1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，分別連接至相控信號激勵系統。
陣元2的分布規律為多層、規則、等角間距環陣，其具體的分布排列規則是所有陣元2離散地分布在以球冠體中心為原點的k層同心環上，各環層之間的角間距相等，即，第一層同心環上的陣元中心和球冠體中心Ro的連線與Z軸的夾角為θ1，第二層同心環上的陣元中心和球冠體中心Ro的連線與Z軸的夾角為θ2，第三層同心環上的陣元中心和球冠體中心Ro的連線與Z軸的夾角為θ3，θ3-θ2＝θ2-θ1，依此類推。第一層的陣元的起始陣元為11#陣元，其位置隨機而定，也就是說，11#陣元的中心和球冠中心Do的連線與x軸的夾角α11的數值隨機生成，其餘陣元2則相繼按等角間距均勻地分布在同心環上，即α12-α11＝α13-α12，……，依此類推。第二層的陣元的起始陣元為21#陣元，其中心和球冠中心Do的連線與x軸的夾角α21的數值也隨機生成，其餘陣元2也相繼按等角間距均勻地分布在同心環上，即α22-α21＝α23-α22，……，依此類推。其餘各層均依此類推。
在本發明的實施例中，同心環層數k＝4，θ1＝10.04°，θ2＝15.45°，θ3＝20.86°，θ3-θ2＝θ2-θ1＝5.41°，第一層的陣元為12個，α11＝0°，α12-α11＝α13-α12＝30°，第二層的陣元為S2＝19，α21＝3.5°，α22-α21＝α23-α22＝360°/19＝18.95°。
本發明的各個陣元2均有獨立的電激勵信號饋線，分別連接至信號激勵系統，因此各個陣元2的電激勵信號都是獨立可控的。各個陣元激勵信號的頻率f一致，相位φn和電壓幅度un各不相同，於是各個陣元2表面振速的相位與幅值也各不相同，使各個陣元2輻射的聲波在空間相干後的波陣面形成球面會聚或偏轉，不同的相位φn和電壓幅度un組合就會形成不同大小、不同形狀的焦域。調控各個陣元激勵信號的工作比Δn可使其輸出的超聲功率相應地改變，保證靶組織具有穩定均勻的熱劑量分布，實現人體深部腫瘤病灶的定向適形加熱。
在本發明的實施例中，陣元2總共有89個，球冠體中央圓孔3的直徑是4cm，球冠孔徑D是21.5cm。大焦域相控陣聚焦超聲換能器外水囊的厚度L1＝6cm，擬治療的最大深度L2＝14cm，大孔徑剛性球冠體1的球冠幾何半徑R＝L1+L2，為20cm。最佳焦點位於離開球冠中心Do18cm的中軸線上，中軸線上離開球冠中心Do16到20cm之間的區域為有效的聚焦區域。陣元2的直徑是1.6cm，厚度是0.2cm。陣元2的材料採用PZT-8壓電陶瓷，其外表面膠合有匹配層。
權利要求
1.一種大焦域相控陣聚焦超聲換能器，其特徵在於由一個大孔徑剛性球冠體(1)和若干個離散分布的超聲換能器陣元(2)組成，球冠體(1)的中央圓孔(3)為超聲定位裝置的檢測探頭提供安裝空間，所有陣元(2)離散地分布在以球冠體(1)中心為原點的若干層同心環上，各環層之間的角間距相等，每一層同心環的起始陣元位置隨機而定，其餘陣元則相繼按等角間距均勻地分布在同心環上，各個陣元(2)均有獨立的電激勵信號饋線，分別連接至相控信號激勵系統。
2.根據權利要求1的大焦域相控陣聚焦超聲換能器，其特徵在於所述的大孔徑剛性球冠體(1)的球冠幾何半徑R＝L1+L2，其中L1為大焦域相控陣聚焦超聲換能器外水囊的厚度，L2為擬治療的最大深度。
3.根據權利要求1的大焦域相控陣聚焦超聲換能器，其特徵在於所述的陣元(2)採用圓形、平面形式，各個陣元(2)的直徑、厚度均相同，由發射型壓電材料製成，其外表面膠合有匹配層。
4.根據權利要求1的大焦域相控陣聚焦超聲換能器，其特徵在於所述的各個陣元(2)的電激勵信號獨立可控，各個陣元激勵信號的頻率一致，相位和電壓幅度各不相同，由不同的相位和電壓幅度組合形成不同大小、不同形狀的焦域，調整各個陣元(2)激勵信號的工作比則相應改變其輸出的超聲功率。
全文摘要
本發明涉及一種大焦域相控陣聚焦超聲換能器，由一個大孔徑剛性球冠體和若干個平面超聲換能器陣元組成，所有陣元離散地分布在以球冠體中心為原點的若干層同心環上，各環層之間的角間距相等，每一層同心環的起始陣元位置隨機而定，其餘陣元則相繼按等角間距均勻地分布在同心環上，各個陣元均有獨立的電激勵信號饋線，分別連接至相控信號激勵系統。各個陣元激勵信號的頻率一致，相位和電壓幅度各不相同，通過調控各個陣元的激勵相位和幅度實現電子聚焦和掃描，可產生多種模式的多焦點聲場分布，進而形成所需形狀和大小的焦域，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，實現人體深部腫瘤病灶的定向適形加熱。
文檔編號B06B3/00GK1775327SQ20051011102
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月1日 優先權日2005年12月1日
發明者陳亞珠, 倪養華 申請人:上海交通大學