雙頻聚焦超聲系統的製作方法
2023-12-07 05:26:01
專利名稱：雙頻聚焦超聲系統的製作方法
技術領域：
本申請涉及醫療器械技術領域，特別是涉及一種基於雙頻高強度聚焦超聲的診斷及治療系統。
背景技術：
在生物體的各種生命活動中,刺激-反應-反饋調節模式是生命調節的基本模式，其中力-電學耦聯在該調節中發揮著十分重要的作用，尤其在心臟、腦、神經、肌肉及內臟等組織、器官中的作用明顯。因此，通過力學刺激，觸發、獲取組織、器官的電學活動變化，進而明確組織、器官的功能狀態及病灶位置在醫學研究及臨床診療領域具有十分重要的作用。目前，在醫學研究及臨床診療中對組織、器官的力學刺激往往通過直接作用而獲 得，並且對於深部的組織器官進行刺激時往往需要通過手術或介入操作的方式進入，將力學刺激源直接作用於組織器官上。這一方面會增加機體的損傷，另一方面也不可避免的帶來一系列的併發症，從而限制了其臨床應用。近年來隨著醫學超聲發展迅速，超聲在診斷、治療領域取得了長足的發展。尤其是聚焦超聲在醫學研究及臨床診療領域的廣泛應用。從聚焦超聲的本身特點來看，良好的組織穿透性及準確的空間指向性是其顯著特徵，決定了其可以準確的到達深部實體組織、器官，從而產生診療效應。但從目前聚焦超聲的應用來看，主要集中在兩個方面(1)高強度聚焦超聲，該技術主要是通過高能量的聚焦聲束對組織產生的熱效應和空化效應導致焦區內的組織破壞，而不損傷周圍的正常組織，但目前高強度聚焦超聲幾乎都為單一頻率工作；(2)超聲激發聲發射(Ultrasound-Stimulated Acoustic Emission, USAE):該技術是利用差頻超聲幹涉產生拍頻的原理引起目標區域組織低頻振動形成聲發射,從而形成聲譜成像。通過對現有技術研究，申請人發現對於高強度聚焦超聲，其主要引起組織的高頻振動而產生熱效應及空化效應，其損傷效應明顯而力學效應不明顯；對於USAE，由於其超聲束能量較低，引起的組織振動有限，不能形成良好的組織力學特徵，此外低頻超聲空間指向性差，不能對深部組織特定的點進行刺激和發現病灶，不適合用來進行組織力學刺激。因此現有的兩種聚焦超聲應用都不適用於活體組織力學刺激。
發明內容
有鑑於此，本申請實施例提供一種雙頻聚焦超聲系統，該系統利用差頻幹涉產生拍頻的原理，採用兩個空間指向性好的高頻聲波在目標區域產生一個力學效應好的低頻振動，實現組織、器官的力學刺激，進而通過雙頻聚焦超聲將力學刺激與組織消融結合起來，實現力學刺激到病灶的診斷及病灶的治療。為了實現上述目的，本申請實施例提供的技術方案如下一種雙頻聚焦超聲系統，包括第一信號發生器、第一功率放大器、第二信號發生器、第二功率放大器、超聲換能器組件、多個信號接收裝置和信號分析裝置，其中
所述超聲換能器組件中設置有共焦的第一超聲換能器和第二超聲換能器，所述第一超聲換能器和第二超聲換能器具有頻率差，並且所述第一超聲換能器通過所述第一功率放大器與第一信號發生器相連接，所述第二超聲換能器通過所述第二功率放大器與第二信號發生器相連接；多個所述信號接收裝置用於採集人體生理電信號，所述信號分析裝置與多個所述信號接收裝置相連接，用於將多個所述信號接收裝置採集得到的人體生理電信號生成可表示靶區功能狀態的信息並輸出。優選地，所述第一超聲換能器和第二超聲換能器的輸出聲功率為100mW-500mW，並且所述第一超聲換能器和第二超聲換能器的頻率差值小於基礎頻率的I %，所述基礎頻率為 0. lMHz-5MHz。優選地，所述第一超聲換能器和第二超聲換能器的輸出聲功率為100-500W。優選地，所述第一超聲換能器和第二超聲換能器為同心共焦。 優選地，所述第一超聲換能器和第二超聲換能器均為球殼自聚焦換能器，並且第一超聲換能器和第二超聲換能器以共心的方式排列。優選地，所述信號分析裝置具體為心電監護儀，多個信號接收裝置為與所述心電監護儀相連接的電極片。優選地，所述信號分析裝置具體為腦電監護儀，多個信號接收裝置為與所述腦電監護儀相連接的電極片。優選地，該系統進一步包括信號反饋調節單元，所述信號反饋調節單元的輸入端與所述信號分析裝置的輸出端相連接，輸出端分別與所述第一功率放大器、第二功率放大器相連接，用於根據所述信號分析裝置輸出的醫學信號調節所述第一功率放大器、第二功率放大器的放大倍數。優選地，所述信號反饋調節單元包括診斷信號反饋調節單元和治療信號反饋調節單元，並且所述診斷信號反饋調節單元和治療信號反饋調節單元可調節第一功率放大器、第二功率放大器放大倍數的範圍不同。優選地，該系統進一步包括B超影像裝置，用於採集所述第一超聲換能器和第二超聲換能器的焦點位置的影像，在所述第一超聲換能器和第二超聲換能器的圓心位置設置有通孔，所述B超影像裝置的超聲探頭固定在所述通孔內。由以上技術方案可見，本申請實施例提供的該雙頻聚焦超聲系統，與現有技術相比較，具有如下優勢(I)、利用差頻聚焦超聲束的力學效應，對目標區域組織進行功能定位，相比較與現有高強度聚焦超聲治療系統依靠二維超聲解剖圖像對目標區域進行定位更準確因為二維超聲解剖圖像容易受到多種因素的幹擾，尤其是對於結構相似、臨近的組織難於區分；同時對於體內許多病變並不一定會表現為解剖結構的異常，如心臟的異位節律點、腦組織中的癲癇病灶，這些情況均不能通過解剖影像來實現定位，而本發明可以通過差頻聚焦超聲束對目標區域進行力學刺激，一方面能對相鄰組織的力學特徵進行分析，並加以鑑別，也可以對同一組織的不同狀態加以區分，如水腫組織、纖維化組織、瘢痕組織，另一方面可以通過有效的力學刺激誘發病灶的異常電活動，記錄並分析其電活動變化可以明確病灶部位及範圍。從以上幾個方面可以看出本發明能夠實現對目標區域精確的功能定位，從而顯著的提聞治療的準確性和有效性。(2)、利用本發明可以明顯提高治療效率，縮短治療時間本發明由於差頻的作用，明顯的增強了治療焦區內的空化效應，使其較單頻高強度聚焦超聲治療在相同的聲功率下具有更大的消融灶，這可以極大的提高治療效率、縮短治療時間。(3)、利用雙頻聚焦超聲的力學效應對目標組織前後力學特徵的改變，客觀評價治療效果目前對聚焦超聲治療前後療效的評價主要通過治療前後目標區域的灰度變化來體現，但灰度變化的判斷受人為因素影響較多，尚缺乏統一、客觀的標準，不利於對療效的統一、客觀評價。運用該系統，可以通過差頻形成USAE的原理，形成組織治療前後的聲譜發射圖，而聲譜發射圖可以客觀的評價組織的力學狀態，也就是說可以客觀的反應出組織的硬度，從而對治療前後目標區域組織改變進行統一、客觀的評價，進而對療效進行客觀評價。
為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本申請實施例提供的一種雙頻聚焦超聲系統的結構示意圖；圖2為本申請實施例提供的超聲換能器組件的示意圖；圖3為本申請實施例提供的另一種雙頻聚焦超聲系統的結構不意圖。
具體實施例方式為了使本技術領域的人員更好地理解本申請中的技術方案，下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本申請保護的範圍。實施例一圖I為本申請實施例提供的一種雙頻聚焦超聲系統的結構示意圖。如圖I所示，圖中I為患者，2為靶區，該雙頻聚焦超聲系統包括超聲換能器組件
4、第一功率放大器43、第二功率放大器44、第一信號發生器45、第二信號發生器46、多個信號接收裝置51和信號分析裝置52，其中超聲換能器4通過第一功率放大器43與第一信號發生器45相連接，並且通過第二功率放大器44與第二信號發生器46相連接。超聲換能器組件4中設置有相互共焦的第一超聲換能器41和第二超聲換能器42，並且第一超聲換能器41和第二超聲換能器42的輸出頻率不同，如圖2所示，為本申請實施例提供的超聲換能器組件的示意圖。圖中3為共焦的焦點。在本申請實施例中，第一超聲換能器41和第二超聲換能器42為優選為同心共焦。另外，為了便於將焦點3的面積儘量的小，第一超聲換能器41和第二超聲換能器42優選採用球殼自聚焦換能器，並且第一超聲換能器41和第二超聲換能器42以共心的方式排列。第一超聲換能器41通過第一功率放大器43與第一信號發生器45相連接,通過改變第一功率放大器43的放大倍數可以改變輸出聲功率大小，另外通過調整第一信號發生器45也可以使得第一換能器41的頻率進行變化。第二超聲換能器42通過第二功率放大器44與第二信號發生器46相連接，第二功率放大器44的作用是改變第二超聲換能器42的輸出聲功率大小，第二信號發生器46的作用也可以改變第二超聲換能器4的輸出頻率大小。在本申請實施例中，為了在靶區2產生低頻振動，第一超聲換能器41和第二超聲換能器42在工作時具有一定的頻率差，並且為了使得在靶區2產生振動的幅度較大，第一超聲換能器41和第二超聲換能器42頻率差優選低於基礎頻率的I %，並且兩個換能器的基礎頻率範圍為0. 5MHz-5MHz，輸出聲功率0 1000W。如圖I所示，多個信號接收裝置51與信號分析裝置52相連接，並且信號接收裝置51可以採集人體生理電信號，並且將採集到的人體生理電信號發送給信號分析裝置52，信號分析裝置可以根據採集得到的人體生理電信號生成醫學信號並輸出。操作人員通過輸出的醫學信號可以對診斷或治療的結果進行判斷。 在本申請實施例中，根據診斷和治療的靶區的不同，信號分析裝置52可以選用現有的設備或儀器。例如當要診療的靶區組織為心肌組織，則信號分析裝置52可以為心電監護儀，信號採集裝置51可以為與心電監護儀相連接，且緊貼在患者皮膚表面的電極片。由於電-機械耦聯是心肌活動的基礎，對心肌的力學刺激可以引起其電學活動的改變，這種效應在異位節律發放部位更為明顯。在本申請實施中，可以利用第一超聲換能器41和第二超聲換能器42形成的差頻超聲，在靶區2產生刺激形成低頻振動，就會對靶區2的心肌組織形成剪切力而產生力學刺激，進而導致心電活動或異常衝動的發生，電極片51接收靶區2的這些心電活動信息並傳輸給心電監護儀，心電監護儀詳細記錄並分析心電活動生成醫學信號並以輸出。這樣操作者通過這些輸出的醫學信號(通常為心電圖)就可以明確心肌組織的功能狀態，並明確異位節律點的部位及範圍，從而做出明確的診斷。另外，在診斷時，如果靶區產生低頻振動的振幅比較低，在靶區的刺激不能產生電生理反應，則操作者通過心電監護儀輸出的信息，就較難判斷心肌組織的功能狀態，此時可以通過調節第一功率放大器43和/或第二功率放大器44的參數,加大第一超聲換能器41和第二超聲換能器42的輸出聲功率，提高靶區產生低頻振動的振幅比。同理，當要診療的靶區組織為腦組織，則信號分析裝置52可以為腦電監護儀，信號採集裝置51可以為與腦電監護儀相連接，且緊貼在患者頭部的電極片，另外，根據要診療的靶區組織的不同，信號採集裝置51不一定全部為電極片，還可以為其他類型的採集裝置。由於腦組織具有十分豐富的電活動，不同的腦組織區域、異常病灶其電活動具有不同的規律。在本申請實施例中，可以通過第一超聲換能器41和第二超聲換能器42的差頻超聲對腦組織形成的力學刺激，誘導目標區域發放電信號，並且通過腦電監護儀對電信號的詳細記錄和分析了解腦組織的功能狀態、病灶部位及範圍。如癲癇病灶，不同部位的癲癇病灶在受到刺激時可以產生各種形式的異常腦電波(癲癇波)，通過對這些癲癇波的分析可以明確病灶部位及範圍。若要診療的靶區組織為自主神經，自主神經對內臟活動具有十分明顯的調節作用，力-化學耦合是自主神經的調節過程中的重要環節，通過力學刺激引起化學遞(調)質的釋放，進而導致內臟功能狀態的改變。通過差頻超聲可以對自主神經形成力學刺激，進而通過對內臟功能狀態的記錄、分析，如生物電、血壓、酸鹼度等，可以了解自主神經的功能狀態及病灶部位、範圍。實施例二 根據上述實施例一的雙頻聚焦超聲診斷的結果，可以確定病灶的部位及範圍，所以在本申請實施例一的基礎上，該雙頻聚焦超聲系統還可以用於對病灶部位進行治療。在本申請實施例中，在對病灶部位進行治療時，根據雙頻聚焦超聲診斷系統的診斷結果，調整第一功率放大器43和第二功率放大器44的參數，改變其各自的放大倍數，可以使第一超聲換能器41和第二超聲換能器42的輸出聲功率增加，在本申請實施例中，優選地，第一超聲換能器41和第二超聲換能器42的輸出聲功率在100-500 ，這樣就可以使得在焦點處聲強達到lOOOW/cm2及以上，對已確定的病灶可以進行瞬間消融治療。此外，在消融治療時，對第一超聲換能器41和第二超聲換能器42的頻率差值不做要求。同時充分利用該系統能夠增強組織的空化效應，增大其毀損灶的體積，以極大的提高治療的治療效率，縮短相應的治療時間，並避免由於治療時間過長帶來的相關併發症。 實施例三圖3為本申請實施例提供的另一種雙頻聚焦超聲系統的結構不意圖。在實施例一中對患者進行診斷及在實施例二中對患者進行治療時，當需要對第一功率放大器43和/或第二功率放大器44的參數進行調節時，可以通過手動的方式進行調節。在其他實施例中，還可以採用自動調節的方式對第一功率放大器43和/或第二功率放大器44的參數進行調節。如圖3所示,在本申請實施例中，該雙頻聚焦超聲系統還包括信號反饋單元,其中信號反饋調節單元的輸入端與信號分析裝置52的輸出端相連接，輸出端分別與第一功率放大器43、第二功率放大器44相連接，其作用是根據信號分析裝置52輸出的醫學信號調節第一功率放大器43、第二功率放大器44的放大倍數。信號反饋單元可以包括診斷信號反饋單元61和治療信號反饋單元62，其中診斷信號反饋單元61和治療信號反饋單元62對於兩個功率放大器的放大倍數可調節範圍不同，診斷信號反饋單元61通常在超聲換能器為較低功率的情況下，對兩個功率放大器進行調節，而治療信號反饋單元61通常在超聲換能器為較高功率的情況下，對兩個功率放大器進行調節。此外，在本申請實施例中，為了方便對靶區從影像的角度進行定位、診斷過程進行引導及對治療療效進行評價，該系統還可以包括影像單元，影像單元可以採用超聲影像系統也可以採用MRI等。如圖2所示，影像單元採用B超影像裝置，則在第一超聲換能器41和第二超聲換能器42的圓心位置設置有通孔7，並且將B超影像裝置的超聲探頭固定在通孔7內，這樣就可以通過B超影像裝置對靶區2及焦點3進行監控及對治療療效進行評價。以上所述僅是本申請的優選實施方式，使本領域技術人員能夠理解或實現本申請。對這些實施例的多種修改對本領域的技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本申請的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本申請將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。
權利要求
1.一種雙頻聚焦超聲系統，其特徵在於，包括第一信號發生器、第一功率放大器、第二信號發生器、第二功率放大器、超聲換能器組件、多個信號接收裝置和信號分析裝置，其中 所述超聲換能器組件中設置有共焦的第一超聲換能器和第二超聲換能器，所述第一超聲換能器和第二超聲換能器具有頻率差，並且所述第一超聲換能器通過所述第一功率放大器與第一信號發生器相連接，所述第二超聲換能器通過所述第二功率放大器與第二信號發生器相連接； 多個所述信號接收裝置用於採集人體生理電信號，所述信號分析裝置與多個所述信號接收裝置相連接，用於將多個所述信號接收裝置採集得到的人體生理電信號生成可表示靶區功能狀態的信息並輸出。
2.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述第一超聲換能器和第二超聲換能器的輸出聲功率為100mW-500mW，並且所述第一超聲換能器和第二超聲換能器的頻率差值小於基礎頻率的1%，所述基礎頻率為0. lMHz-5MHz。
3.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述第一超聲換能器和第二超聲換能器的輸出聲功率為100-500W。
4.根據權利要求2或3所述的系統，其特徵在於，所述第一超聲換能器和第二超聲換能器為同心共焦。
5.根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述第一超聲換能器和第二超聲換能器均為球殼自聚焦換能器，並且第一超聲換能器和第二超聲換能器以共心的方式排列。
6.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述信號分析裝置具體為心電監護儀，多個信號接收裝置為與所述心電監護儀相連接的電極片。
7.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，所述信號分析裝置具體為腦電監護儀，多個信號接收裝置為與所述腦電監護儀相連接的電極片。
8.根據權利要求2或3所述的系統，其特徵在於，進一步包括 信號反饋調節單元，所述信號反饋調節單元的輸入端與所述信號分析裝置的輸出端相連接，輸出端分別與所述第一功率放大器、第二功率放大器相連接，用於根據所述信號分析裝置輸出的醫學信號調節所述第一功率放大器、第二功率放大器的放大倍數。
9.根據權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述信號反饋調節單元包括診斷信號反饋調節單元和治療信號反饋調節單元，並且所述診斷信號反饋調節單元和治療信號反饋調節單元可調節第一功率放大器、第二功率放大器放大倍數的範圍不同。
10.根據權利要求4或5所述的系統，其特徵在於，進一步包括B超影像裝置，用於採集所述第一超聲換能器和第二超聲換能器的焦點位置的影像，在所述第一超聲換能器和第二超聲換能器的圓心位置設置有通孔，所述B超影像裝置的超聲探頭固定在所述通孔內。
全文摘要
本申請公開了一種雙頻聚焦超聲系統，包括設置有共焦的第一超聲換能器和第二超聲換能器的超聲換能器組件，與第一超聲換能器相連接的第一功率放大器，與第一功率放大器相連接的第一信號發生器；與第二超聲換能器相連接的第二功率放大器，與第二功率放大器相連接的第二信號發生器；與人體皮膚相接觸的多個信號接收裝置，與多個信號接收裝置相連接的信號分析裝置。該系統利用差頻幹涉產生拍頻的原理，採用兩個空間指向性好的高頻聲波在目標區域產生一個力學效應好的低頻振動，實現組織、器官的力學刺激，進而通過雙頻聚焦超聲將力學刺激與組織消融結合起來，實現力學刺激到病灶的診斷及病灶的治療。
文檔編號A61B8/08GK102793980SQ20111013553
公開日2012年11月28日 申請日期2011年5月24日 優先權日2011年5月24日
發明者黃晶, 曾德平, 趙純亮, 羅真春 申請人:重慶融海超聲醫學工程研究中心有限公司