一種仿生體系及基於仿生體系的超聲聚焦評估系統的製作方法
2023-12-07 08:18:16
一種仿生體系及基於仿生體系的超聲聚焦評估系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型適用於物理治療【技術領域】，提供一種仿生體系及基於仿生體系的超聲聚焦評估系統，所述仿生體系具有多個仿生層：仿生體系的表皮層，用於模擬人體皮膚層；仿生體系的仿生體模層，用於模擬人體肌肉層；仿生體系的脂肪層，用於模擬人體脂肪層；仿生體系的水囊袋，用於模擬人體膀胱，所述水囊袋上設有一針頭口；仿生體系的內嵌式仿生體模層，用於模擬人體子宮和子宮肌瘤的相對位置和相對狀態；以及仿生體系的記憶型仿生體模層，用於探測超聲聚焦的反射及折射狀況，從而得到一個與人體結構特點、聲學以及熱學特性相似的仿生體系，用於模擬超聲聚焦治療，以實現對肌瘤周圍組織、超聲通道上的溫度監控以及對超聲聚焦治療劑量的安全和性能評估。
【專利說明】一種仿生體系及基於仿生體系的超聲聚焦評估系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於物理治療【技術領域】，尤其涉及一種仿生體系及基於仿生體系的超聲聚焦評估系統。
[0002]
【背景技術】
[0003]高強度聚焦超聲(high-1ntensityfocused ultrasound, HIFU)技術是一種利用聲波作為能源的醫療手段。通過將很多束超聲波從體外射到身體裡去，在發射和投射的過程中間發生聚焦，生成一個聚焦點，所述聚焦點通過聲波和熱能的轉化，在0.5-1秒內形成一個70°C _100°C高溫治療點。腫瘤位於所述聚焦點附近的一定區域內時，腫瘤組織將產生凝固性壞死，失去增值、浸潤和轉移能力，從而達到熱切除腫瘤的治療效果。
[0004]然而，由於超聲換能器的技術局限以及人體的多界面間出現的反射以及衍射等相關聲波的線路變化，會對腫瘤周圍的組織產生一定程度的溫度變化，因此，需要對周圍組織以及超聲通道上的溫度進行監控。
[0005]國內外有很多聚焦超聲領域的研究者採用各種透明或者不透明的超聲體模，用於超聲聚焦焦域形態的呈現和評價。透明的超聲體模有雞蛋清類蛋白質體模、牛血清蛋白(BSA)類蛋白質體模，甚至牛眼睛晶狀體，這一類的透明體模可以通過肉眼實時觀測到HIFU焦域熱效應的變化，並可通過圖片或錄像拍攝進行記錄和測量。不透明的超聲體模有蛋白質類體模，所述蛋白質類體模不能實時觀測，如同牛肝的HIFU實驗一樣，輻射後需要切開並尋找到最大焦域切面。通過對透明體模內可視化的焦域觀測，確定聚焦超聲所形成的焦域形態及位置，從而可以對聚焦超聲的聚焦性能進行評估。由上可知，傳統意義上對焦斑的大小研究更多的是基於離體組織上進行，由於離體組織不具備可視化以及不能多次重複利用，因此在大量數據輸出的平臺上，不能高效地進行數據統計與觀察。另一方面，在超聲治療中，超聲波的輻照劑量的確定也很重要。一個理想的聲波劑量計量方法應該能夠滿足:(1)反應聲強和輻照持續時間；(2)較好反應聲波輻照下的生物學效應；(3)便於文獻見相互比較。但是目前仍沒有一種對超聲聚焦治療中聲波劑量進行評估的產品或者設備。
[0006]實用新型內容
[0007]本實用新型實施例提供一種可重複利用的仿生體系及基於仿生體系的超聲聚焦評估系統，以實現模擬超聲聚焦治療，對聚焦焦域處組織、超聲通道上的溫度監控以及對超聲聚焦治療劑量的安全和性能評估。
[0008]本實用新型實施例是這樣實現的，一種仿生體系，所述仿生體系具有多個仿生體層，包括:
[0009]仿生體系的表皮層,用於模擬人體皮膚層；
[0010]仿生體系的仿生體模層，用於模擬人體肌肉層；
[0011]仿生體系的脂肪層，用於模擬人體脂肪層；
[0012]仿生體系的水囊袋，用於模擬人體膀胱，所述水囊袋上設有一針頭口 ；
[0013]仿生體系的內嵌式仿生體模層，用於模擬人體子宮和子宮肌瘤的相對位置和相對狀態；以及
[0014]仿生體系的記憶性仿生體模層，用於探測超聲聚焦的反射及投射狀況。
[0015]進一步地，所述仿生體系的表皮層為表面經過打蠟防腐處理的豬皮；
[0016]所述仿生體系的表皮層按照預設的距離間隔嵌有多個熱電偶。
[0017]進一步地，所述仿生體系的仿生體模層為凝膠聚合反應原液；
[0018]所述仿生體系的仿生體模層內按照預設的距離間隔嵌有多個熱電偶。
[0019]進一步地，所述仿生體系的水囊袋為裝有預設水量的水袋。
[0020]進一步地，所述仿生體系的內嵌式仿生體模層內按照預設的距離間隔嵌有多個熱電偶。
[0021]進一步地，所述仿生體系的記憶型仿生體模層內按照預設的距離間隔嵌有多個熱電偶。
[0022]進一步地，所述距離間隔為10毫米。
[0023]本實用新型實施例還提供了一種基於仿生體系的超聲聚焦評估評估系統，所述系統包括上述的仿生體系和多個熱電偶，以及聚焦超聲波發射設備；
[0024]所述聚焦超聲波發射設備向所述仿生體系發送超聲波，以模擬超聲聚焦治療。
[0025]進一步地，所述系統還包括主控計算機、報警器，所述主控計算機與所述多個熱電偶連接；所述報警器與所述主控計算機連接。
[0026]本實用新型實施例提供了一個與人體結構特點、聲學和熱學特性相似的仿生體系，以實現模擬超聲聚焦治療。在模擬超聲聚焦治療的超聲聚焦過程中，通過內嵌在所述仿生體系內的熱電偶探測肌瘤周圍組織的溫度信息，主控計算機採集並分析所述溫度信息，以實現對肌瘤周圍組織、超聲通道上的溫度監控以及對超聲聚焦治療劑量的安全和性能評估；所述仿生體系可重複使用，並且設備布線簡單、使用方便，有助於對超聲聚焦治療的研究。
[0027]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是本實用新型實施例一提供的仿生體系的組成結構圖；
[0029]圖2是本實用新型實施例二提供的基於仿生體系的超聲聚焦評估系統的組成結構；
[0030]圖3是本實用新型實施例二提供的仿生體系的超聲聚焦通道示意圖。
[0031]
【具體實施方式】
[0032]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。
[0033]本實用新型實施例提供了一個與人體結構特點、聲學和熱學特性相似的仿生體系，以實現模擬超聲聚焦治療。在模擬超聲聚焦治療的超聲聚焦過程中，通過內嵌在所述仿生體系內的熱電偶探測肌瘤周圍組織的溫度信息，主控計算機採集並分析所述溫度信息，以實現對肌瘤周圍組織、超聲通道上的溫度監控以及對超聲聚焦治療劑量的安全和性能評估；所述仿生體系可重複利用，且設備布線簡單、使用方便，有助於對超聲聚焦治療的研究。
[0034]圖1示出了本實用新型實施例一提供的仿生體系的組成結構，為了便於說明，僅示出了與本實用新型相關的部分。
[0035]所述終仿生體系I具有多個仿生層，包括:
[0036]仿生體系的表皮層11，用於模擬人體皮膚層；
[0037]仿生體系的仿生體模層12，，用於模擬人體肌肉層；
[0038]仿生體系的脂肪層13，用於模擬人體脂肪層；
[0039]仿生體系的水囊袋14，用於模擬人體膀胱，所述水囊袋上設有一針頭口 ；
[0040]仿生體系的內嵌式仿生體模層15，用於模擬人體子宮和子宮肌瘤的相對位置和相對狀態；以及
[0041]仿生體系的記憶型仿生體模層16，用於探測超聲聚焦的反射及投射狀況。
[0042]在離體實驗以及相關聲學測量試驗發現，人體皮膚層(或脂肪層)聲學參數與豬皮(或豬的脂肪)聲學參數相近。本實用新型實施例中採用接近人體皮膚的豬皮，對其表面進行打蠟防腐處理，從而得到仿生體系的表皮層，用於模擬人體的皮膚層，並將多根(優選為三根)熱電偶2按照10毫米的相隔距離並排插入所述豬皮中，同時做好標記。
[0043]由於超聲聚焦仿生體模在聲學特性上與人體的肌肉組織有著比較相近的參數，因此，以仿生體模層來模擬人體的肌肉層。本實用新型實施例可根據不同的需要製作不同尺寸規格的仿生體模層，以進一步地模擬肌肉層能量的變化過程和變化趨勢。優選地，所述仿生體模層的成分為凝膠聚合反應原液。在實際的超聲聚焦評估過程中，可根據不同的需要，選擇適量的凝膠聚合反應原液進行凝固，製作出不同尺寸規格的仿生體模層，以進一步地模擬肌肉層能量的變化過程和變化趨勢。與透明的超聲體模中的蛋白質體模相比，以凝膠聚合反應原液製成的仿生體模層在外觀上更加無色透明，且與人體軟組織有更相近的聲學特性和熱學特性，有利於對聚焦超聲波安全劑量的評估。所述仿生體模層位於所述皮膚層(即豬皮)下方，並且在仿生體模層中間與皮膚層(即豬皮)的平行方向下並排插入多根(優選為三根)熱電偶2，相鄰熱電偶之間的距離間隔為10毫米。
[0044]優選地，所述凝膠聚合反應原液的製備過程包括下述步驟:
[0045]在步驟SlOl中，以脫氣去氣水作為溶劑加入到第一塑料杯中，將N-異丙基丙烯醯胺單體溶於所述溶劑中，再對所述溶劑進行單方向攪拌均勻，直至所述N-異丙基丙烯醯胺單體完全溶於溶劑中，以獲得N-異丙基丙烯醯胺溶液。
[0046]在本實施例中，所述N-異丙基丙烯醯胺(NIPA)為白色晶體，可溶於水。因其為熱敏性材料，優選用於製備本實用新型實施例中的凝膠聚合反應原液。
[0047]在步驟S102中，以脫氣去氣水作為溶劑加入到第二塑料杯中，將過硫酸銨和偏重亞硫酸鈉溶於所述溶劑中，以製得過硫酸銨和偏重亞硫酸鈉的混合溶液。
[0048]在步驟S103中，向所述N-異丙基丙烯醯胺溶液中加入甲叉雙丙烯醯胺及丙烯醯胺，對加入了甲叉雙丙烯醯胺及丙烯醯胺的N-異丙基丙烯醯胺溶液進行單方向攪拌，直至所述甲叉雙丙烯醯胺及丙烯醯胺完全溶於所述N-異丙基丙烯醯胺溶液中，得到N-異丙基丙烯醯胺反應原液。
[0049]在步驟S104中，向所述過硫酸銨和偏重亞硫酸鈉的混合溶液中加入N-異丙基丙烯醯胺反應原液，單方向攪拌至均勻，從而製得凝膠聚合反應原液。
[0050]在本實施例中，所述攪拌可以通過人工攪拌，也可以通過磁力攪拌器攪拌。所述單方向可以為順時針方向或者逆時針方向。
[0051]通過上述步驟製得的凝膠聚合反應原液呈果凍狀、無色透明，表面光滑平整，具有良好的可塑性、彈性以及韌性；其內部質地均勻，無氣泡。
[0052]在本實用新型實施例中，仿生體系的脂肪層包括豬的脂肪、去氣水以及保險袋，所述豬的脂肪和去氣水密封在所述保險袋內部。其製作過程為:選取不同厚度的豬脂肪，將其裝進密封的保險袋子裡，並灌注去氣水後進行密封，從而得到所述仿生體系的脂肪層。所述述仿生體系的脂肪層位於上述仿生體模層下方。同樣的，預先將多根(優選為三根)熱電偶2按照1mm的相隔距離並排插入所述仿生體系的脂肪層中。
[0053]仿生體模的水囊袋主要用於模擬人體的膀胱，可以通過在水袋裡面注入一定量的去氣水製備得到。優選地，所述水囊袋上面設置一注射用的針頭口，用於增加或者減少水囊袋中的去氣水量。所述仿生體模的水囊袋位於所述仿生體模的脂肪層下方。預先將多根熱電偶2按照1mm的相隔距離並排插入所述仿生體系的脂肪層中。在本實施例中，優選為三根熱電偶。
[0054]仿生體模的內嵌式仿生體模層主要用於模擬人體子宮和子宮肌瘤的相對位置以及相對狀態，包括離體組織和固態的聚丙烯醯胺仿生體模原液，所述離體組織位於所述固態的聚丙烯醯胺仿生體模原液內部。示例性地，所述內嵌式仿生體模層的主要製備過程為:將特定形狀的離體組織放置在容器的中部位置，然後加入聚丙烯仿生體模原液，通過快速成型技術，使得離體組織凝固在所述聚丙烯仿生體模原液內部，從而獲得所述內嵌式仿生體模層。優選地，所述離體組織為豬瘦肉。在本實用新型中，可按照實際需要，預先將多根(優選為六根)熱電偶2內嵌在所述內嵌式仿生體模層內，並且設置相鄰熱電偶之間的距離間隔為10毫米。所述內嵌式仿生體模層位於仿生體模的水囊袋下方。
[0055]所述仿生體系的最內層為記憶型仿生體模層，預先按照10毫米的相隔距離在所述記憶型仿生體模層內部插入多根(優選為六根)熱電偶2，以實現探測超聲聚焦的反射及折射狀況。
[0056]在本實用新型實施例中，通過建立一個與人體結構特點、聲學特性以及熱學特性相似的仿生體系，用於模擬超聲聚焦治療。在模擬超聲聚焦治療的超聲聚焦過程中，由內嵌在所述仿生體系內的熱電偶探測仿生體系內仿生層及周圍組織的溫度變化信息，以實現模擬超聲聚焦治療。本實用新型的仿生體系與人體結構特點、聲學特性以及熱學特性相似，且可重複使用，有助於對超聲聚焦治療的研究。
[0057]實施例二
[0058]圖2示出了本實用新型實施例二提供的基於仿生體系的超聲聚焦評估系統的組成結構，為了便於說明，僅示出了與本實用新型相關的部分。
[0059]所述基於仿生體系的超聲聚焦評估系統包括圖1實施例所述的仿生體系I和多個熱電偶2 ;以及聚焦超聲波發射設備3。
[0060]所述聚焦超聲波發射設備為PR02008超聲聚焦子宮肌瘤治療系統，所述系統在實際應用中能夠向人體的子宮肌瘤發射聚焦超聲波，以實現對人體子宮肌瘤的無創治療。而在本實施例中，所述PR02008超聲聚焦子宮肌瘤治療系統用於向所述仿生體系的指定位置發射聚焦超聲波，所述指定位置為用於模擬人體子宮和子宮肌瘤的相對位置和相對狀態的內嵌式仿生體模層。通過向所述仿生體系發送聚焦超聲波，在所述仿生體系中產生一個超聲聚焦通道，以實現超聲聚焦治療中的模擬耦合。圖3是本實用新型實施例二提供的仿生體系的超聲聚焦通道示意圖。
[0061]在本實施例中，所述仿生體系的指定位置優選為仿生體系的內嵌式仿生體模層。所述內嵌式仿生體模層用於模擬人體子宮和子宮肌瘤的相對位置和相對狀態，因此，所述基於仿生體系的超聲聚焦評估系統主要用於模擬肌瘤的超聲聚焦治療。
[0062]進一步地，所述系統還包括主控計算機4，所述主控計算機4與所述多個熱電偶2連接，用於採集熱電偶探測到的溫度信息，並根據所述溫度信息估算出超聲能量的衰減程度和超聲能量對人體組織的損傷程度；存儲所採集到的溫度信息、超聲能量的衰減程度以及超聲能量對人體組織(即肌瘤周圍組織)的損傷程度。
[0063]所述主控計算機4還包括一顯示器，用於以圖形的方式顯示所述超聲能量的衰減程度和超聲能量對人體組織的損傷程度。
[0064]在本實施例中，所述圖形可以為折線圖、柱狀圖等。作為本實用新型的一個實施示例，所述超聲能量隨時間變化的衰減程度通過折線圖顯示，或者所述超聲能量對人體組織的損傷程度通過柱狀圖顯示，以使得用戶能夠直觀地了解到超聲聚焦治療模擬過程中的信息變化情況。
[0065]優選地，所述主控計算機還可以根據所述超聲能量的衰減程度以及超聲能量對人體組織的損傷程度，反饋出最優的超聲聚焦治療劑量，以供醫療參考。
[0066]進一步地，所述系統還包括報警器5。
[0067]所述報警器5與所述主控計算機4連接，用於在模擬的過程中，超聲能量對人體組織的損傷程度超過預設的閾值時，自動進行報警處理，以及時提醒用戶，以免損壞所述仿生體系及基於仿生體系的超聲聚焦評估系統。所述報警的方式可以為報警器通過蜂鳴器發出蜂鳴聲，或者以簡訊的方式告知用戶。
[0068]在本實用新型實施例中，將一個與人體聲學參數相似的仿生體系與聚焦超聲波發射設備結合，並增加一個主控計算機，以實現模擬超聲聚焦治療。在模擬超聲聚焦治療的超聲聚焦過程中，通過內嵌在所述仿生體系內的熱電偶探測肌瘤周圍組織的溫度信息，主控計算機採集並分析所述溫度信息，以實現對肌瘤周圍組織、超聲通道上的溫度監控以及對超聲聚焦治療劑量的安全和性能評估；進一步地，所述基於仿生體系的超聲聚焦評估系統布線簡單、使用方便，有助於對超聲聚焦治療的研究。
[0069]本領域普通技術人員還可以理解，實現上述實施例方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關的硬體來完成，所述的程序可以在存儲於一計算機可讀取存儲介質中，所述的存儲介質，包括R0M/RAM、磁碟、光碟等。
[0070]以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，並不用於限制本實用新型。例如，各個模塊只是按照功能邏輯進行劃分的，但並不局限於上述的劃分，只要能夠實現相應的功能即可；另外，各仿生體層的具體名稱也只是為了便於相互區分，並不用於限制本實用新型的保護範圍。
[0071]凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種仿生體系，其特徵在於，所述仿生體系具有多個仿生層，包括: 仿生體系的表皮層，用於模擬人體皮膚層； 仿生體系的仿生體模層，用於模擬人體肌肉層； 仿生體系的脂肪層，用於模擬人體脂肪層； 仿生體系的水囊袋，用於模擬人體膀胱，所述水囊袋上設有一針頭口 ； 仿生體系的內嵌式仿生體模層，用於模擬人體子宮和子宮肌瘤的相對位置和相對狀態；以及 仿生體系的記憶型仿生體模層，用於探測超聲聚焦的反射及折射狀況。
2.如權利要求1所述的仿生體系，其特徵在於，所述仿生體系的表皮層為表面經過打蠟防腐處理的豬皮； 所述仿生體系的表皮層按照預設的距離間隔嵌有多個熱電偶。
3.如權利要求1所述的仿生體系，其特徵在於，所述仿生體系的仿生體模層為凝膠聚合反應原液； 所述仿生體系的仿生體模層內按照預設的距離間隔嵌有多個熱電偶。
4.如權利要求1所述的仿生體系，其特徵在於，所述仿生體系的水囊袋為裝有預設水量的水袋。
5.如權利要求1所述的仿生體系，其特徵在於，所述仿生體系的內嵌式仿生體模層內按照預設的距離間隔嵌有多個熱電偶。
6.如權利要求1所述的仿生體系，其特徵在於，所述仿生體系的記憶型仿生體模層內按照預設的距離間隔嵌有多個熱電偶。
7.如權利要求2-6任一項所述的仿生體系，其特徵在於，所述距離間隔為10毫米。
8.一種基於仿生體系的超聲聚焦評估評估系統，其特徵在於，所述系統包括如權利要求1-7任一項所述的仿生體系和多個熱電偶，以及聚焦超聲波發射設備； 所述聚焦超聲波發射設備向所述仿生體系的指定位置上發送聚焦超聲波，以模擬超聲聚焦治療。
9.如權利要求8所述的基於仿生體系的超聲聚焦評估評估系統，其特徵在於，所述系統還包括主控計算機、報警器，所述主控計算機與所述多個熱電偶連接；所述報警器與所述主控計算機連接。
【文檔編號】A61N7/02GK204106876SQ201420434580
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年8月1日 優先權日:2014年8月1日
【發明者】黃漢年, 江劍暉 申請人:深圳市普羅惠仁醫學科技有限公司