測量高強度聚焦超聲功率的吸收靶的製作方法

2023-12-07 09:31:16

專利名稱：測量高強度聚焦超聲功率的吸收靶的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測量超聲功率高達千瓦以上的吸收靶，尤其是用於測量高強 度聚焦超聲(HIFU)功率達千瓦以上的吸收靶。
背景技術：
高強度聚焦超聲(HIFU)主要用於惡性腫瘤治療。其臨床有諸多特色可實現無 創或微創外科理念；對乏氧腫瘤細胞有更敏感的殺傷性；對增生性和非增生性腫瘤(肝、 腎腫瘤等)治療的無差異性以及可誘發肌體對腫瘤的特異性免疫反應等優點。然而現有 HIFU在治療深部腫瘤、肋下肝腫瘤和大體積腫瘤時所遇到的瓶頸性困難並非HIFU難以獲 得很高的聚焦聲強。例如當HIFU取工作頻率f = 1. 5MHz時，為獲得自由聲場中焦點聲強 IF。 " 15000W/cm、只需聲功率PA。 " 150 (W)。然而由於人體組織天然的導熱性和血供，導 致靶區在HIFU加熱的過程也同步散熱，根據人體平均軟組織已知聲學、生物物理學參數， 不難判知(實驗與計算機模擬)上述HIFU能有效治療的皮下平均軟組織病灶的最大深度 (最大焦皮距)僅約數釐米。而且治療速率很低，即使只是中等大小的病灶，治療時間之長 也令人難以接受。研究在適當的頻率下能可靠發射千瓦級、具有優勢聚焦特性的HIFU，是 其能否真正實現"一次性無創外科"理念的一個關鍵，從而使千瓦級超聲功率的測量成為 研發、生產、實際使用和診測維修高強度聚焦超聲(HIFU)裝備必不可少的關鍵環節。南京 海克醫療設備有限公司曾參考有關文獻，曾經以金屬為材質設計了一種可用於測量千瓦級 HIFU聲功率的凹錐形反射靶。實驗證明此類反射靶無法使不同物理結構的HIFU換能器發 射的聲束均能滿足必要的靶的縱、橫波全內反射條件，由其測量獲得的聲輻射力用於計算 輻射源聲功率，可信度必然存在問題。 目前國內外用於大功率高強度聚焦超聲功率的通常方法多是採取測量作用於吸 收靶法向輻射力以求得聲源所發射的聲功率，我國國家標準(GB/T19890-2005)所推薦的 方法也不例外。但目前能夠實用的只有可測量百瓦級聲功率的吸收靶，無法滿足HIFU的現 狀及發展需求。

發明內容
本發明目的在於針對目前測量高強度聚焦超聲(HIFU)設備的吸收靶存在的測 量聲功率上限太低缺陷，提供一種能測量高強度聚焦超聲功率達千瓦級的吸收靶。
本發明的目的是這樣實現的一種測量高強度聚焦超聲功率的吸收靶，其特徵在 於包括容器以及浸沒在液體介質中的群錐靶，其中，群錐靶由幾何形狀相同的基本單元組 成，基本單元上部為稜錐體，下部為相應的稜柱形底座，稜錐體各側面的頂點匯集於該稜柱 形底座中垂線形成錐頂，稜錐體和底座的截面為正方形或正三角形，或正六邊形；基本單元 的底座在容器內的底部無縫緊密排列，入射群錐靶的聲波至少經過兩次反射或散射才有可 能逸出群錐耙外的空間； 吸收耙基本單元體內密布有開放性微孔。
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在本發明中製作基本單元的基材為含有開放性微孔的無機固體材料；製作容器 的基材採用導熱率較高的無機固體材料。 在本發明中製作基本單元的基材為市場採購的無機固體材料，或採用特製的單 質或複合質含有開放性微孔的無機固體材料，優選磚，或含有開放性微孔的石，或含有開放 性微孔的巖，或石墨；製作容器的基材優選金屬，或玻璃。 在本發明中吸收靶使用的液體介質為去氣水，基本單元的稜柱形底座的高度應 該滿足聲衰減> 20dB ;群錐靶的總體底面最小尺寸至少應該大於所需截獲的_26dB聲速寬 度的1.5倍以上。 本發明的優點在於由於採用群錐靶，具有可輕易獲得反射係數低於-30dB的優 良物理特徵，由於因其所用基材為無機固體材料，優選磚，或含有開放性微孔的石，或含有 開放性微孔的巖，或石墨，具有高比熱、低溫升率、低膨脹率、大劑量聲照射不輻解不變性等 特質，從而可用於測量千瓦級聚焦超聲功率，且性能穩定、使用壽命長。


圖1是本發明群錐靶基本單元的結構示意圖；
圖2是群錐靶基本單元的幾種截面幾何形狀示意圖；
圖3是本發明實施的群錐靶結構示意圖； 圖4是利用本發明對HIFU換能器進行測量的輻射力聲功率天平測量系統。
圖中1、基本單元，2、容器，3、稜錐體，4、稜柱形底座，5、群錐靶，6、換能器，7、配重 電子天平，8、超聲功率吸收板，9、超聲射頻源，10、頻率計。 附圖非限制性地公開了本發明實施例的基本結構示意圖，下面結合附圖對本發明 的實施例作進一步說明。 由圖1可見本發明中群錐靶基本單元1的上部為稜錐體3，下部為稜柱形底座4。 由圖2可見，基本單元1的截面為a :正方形，或b :正三角形，或C :正六邊形，群錐靶總體底
面的最小尺寸(Wmin)至少為截獲_26dB聲速寬度的1. 5倍，稜柱形底座4的高度應滿足聲 衰減> 20dB ;稜錐體3各側面的頂點匯集於該基本單元1底面的中垂線中心形成錐頂。基 本單元1體內密布有開放性微孔。 由圖3可見，各基本單元1的稜柱形底座4在矩形容器2中無縫緊密排列，形成群 錐靶；入射群錐靶的聲束自錐頂至錐底至少需要在群錐靶內反(散)射2次以上才能返回 耙外空間。 具體實施時，基本單元1應採用與吸收靶使用的液體介質間聲壓反射係數小，且 導熱率高的無機固體材料製作，例如；矩形容器應該採用無機且導熱率較高的固體材料制 作。 實施例1 群錐耙的結構和使用條件 製作群錐耙基本單元的無機固體材料選擇宜興市聖德熱陶瓷有限公司生產的莫 來石06磚(耐火磚)。 群錐靶基本單元的底座高25mm，其橫截面是邊長為16mm的正方形，稜錐形靶頂到 底座上表面的高度為30mm。
製作矩形容器無機固體材料選用玻璃。容器的容積為 256mm X 256mm X 60mm (長X寬X深)。 矩形容器中無縫緊密排列16X 16 (行、列)個基本單元。
本吸收靶使用狀態液體介質為去氣水；可測量最大聲功率不低於3000W。 其方法是測試前，先將群錐靶5置於液體介質中，在真空狀態下，排除群錐靶5中
微孔內的空氣，使群錐靶5各基本單元體內密布的開放性微孔中充滿液體介質。 測量超聲輻射力裝置如圖4所示，超聲源應該固定在精密三維運動平臺，同時由
配重電子天平7通過槓桿機構將吸收靶被懸吊在換能器6下方，其超聲源聲束軸應與吸收
靶重垂線平行。此外，測量超聲輻射力裝置的四周內壁上還應該設置超聲功率吸收板8。為
了避免非線性和聲流等對輻射力測量的影響，吸收靶的軸向位置應設置在偏離聲焦點靠近
聲源處。吸收靶底平面應垂直於聲束軸，耙心對準聲束軸，與換能器6或換能器6的表面中
心的距離不大於0. 7倍聲壓焦距為宜。測量前吸收耙應浸泡在脫氣水中真空脫氣30min以
上，儀器預熱15min以上。 為減少熱漂移的影響，應測量施加聲壓時與中斷超聲時配重電子天平7示值的短 時(2 4S)穩定值，二者之差即為群錐靶5所受的法向輻射力F與重力加速度g的比值m， 單位kg。 採用槓桿機構時，配重電子天平7測得的力應通過校準力臂比，換算成實際的吸 收靶所受的力。 測量中應隨時觀察群錐耙5和換能器6表面，及時清除表面出現的小氣泡。 超聲功率的計算(忽略去氣水介質的聲衰減影響) 聲源為中心開圓孔的球檯型聚焦單元換能器的聲功率計算




1。
2FC
戶=~~^-^.................................(C. 1)
COS+ cos / 2
式中P—一聲功率，單位為(W);
C一一水的聲速，單位為(m/s);
F—一吸收靶所受的法向輻射力，單位為(N);
h—一球檯型聚焦換能器的外孔徑半會聚角，單位為(° ); e2—一球檯型聚焦換能器的中心內孔徑半會聚角，單位為(° )惑
若聲源為無中心孔的球冠型聚焦單元換能器，式C. 1也適用，只是此時cos 13
以上實施例不是對本發明的具體限制，尤其是吸收靶中群錐靶5的材料為市場採 購的無機固體材料，或採用特製的單質或複合質含有開放性微孔的無機固體材料，優選磚， 或含有開放性微孔的石，或含有開放性微孔的巖，或石墨；製作容器的基材優選金屬，或玻
權利要求
一種測量高強度聚焦超聲功率的吸收靶，其特徵在於包括容器以及浸沒在液體介質中的群錐靶，其中，群錐靶由幾何形狀相同的基本單元組成，基本單元上部為稜錐體，下部為相應的稜柱形底座，稜錐體各側面的頂點匯集於該稜柱形底座中垂線形成錐頂，稜錐體和底座的截面為正方形或正三角形，或正六邊形；基本單元的底座在容器內的底部無縫緊密排列，入射群錐靶的聲波至少經過兩次反射或散射才有可能逸出群錐靶外的空間；吸收靶基本單元體內密布有開放性微孔。
2. 根據權利要求1所述的測量高強度聚焦超聲功率的吸收靶，其特徵在於製作基本 單元的基材為含有開放性微孔的無機固體材料；製作容器的基材採用導熱率較高的無機固 體材料。
3. 根據權利要求2所述的測量高強度聚焦超聲功率的吸收靶，其特徵在於製作基本 單元的基材為市場採購的無機固體材料，或採用特製的單質或複合質含有開放性微孔的無 機固體材料，優選磚，或含有開放性微孔的石，或含有開放性微孔的巖，或石墨；製作容器的 基材優選金屬，或玻璃。
4. 根據權利要求1或2或3所述的測量高強度聚焦超聲功率的吸收靶，其特徵在於 吸收靶使用的液體介質為水，基本單元的稜柱形底座的高度應該滿足聲衰減> 20dB ;群錐 靶的總體底面最小尺寸至少應該大於所需截獲的_26dB聲速寬度的1. 5倍以上。
全文摘要
本發明涉及一種測量高強度聚焦超聲功率的吸收靶，包括容器及群錐靶，群錐靶由幾何形狀相同的基本單元組成，基本單元上部為稜錐體，下部為稜柱形底座，稜錐體各側面的頂點匯集於該稜柱形底座中垂線形成錐頂，稜錐體和底座的截面為正方形或正三角形，或正六邊形；基本單元的底座在容器內的底部無縫緊密排列，入射群錐靶的聲波至少經過兩次反射或散射才有可能逸出群錐靶外的空間；吸收靶基本單元體內密布有開放性微孔。其優點是群錐靶具有可輕易獲得反射係數低於-30dB的優良物理特徵，所用基材具有高比熱、低溫升率、低膨脹率、大劑量聲照射不輻解不變性等特質，從而可用於測量千瓦級聚焦超聲功率，且性能穩定、使用壽命長。
文檔編號G01H3/12GK101788330SQ20101011500
公開日2010年7月28日 申請日期2010年2月26日 優先權日2010年2月26日
發明者劉可凡, 熊國幹, 賴啟基, 賴寧磊 申請人:南京海克醫療設備有限公司