專利名稱：焦域可控的聚焦超聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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，應用于超聲腫瘤熱療系統(tǒng)，屬于生物醫(yī)學工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的超聲腫瘤熱療系統(tǒng)，例如美國聯(lián)合醫(yī)藥集團LABTHERMICS公司生產(chǎn)的SONOTHERM 1000型超聲治癌系統(tǒng)，采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(nèi)部組織上形成的聲強不但不可能高于在體表處的聲強，而且因輻射路徑上組織的吸收而明顯降低，越深入體內(nèi)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，甚至于淺部組織。
自聚焦式超聲換能器不僅可將在體外發(fā)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(qū)域——焦域。焦域區(qū)內(nèi)由于能量大量沉積，使位于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(qū)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(chǎn)生的問題。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，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(fā)明由球冠和安裝在球冠內(nèi)表面的壓電晶體所構(gòu)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(fā)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(shè)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于病灶上，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(shù)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、大小恒定的焦域，且焦域過小、強度太高，不適合應用于超聲腫瘤熱療系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)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(diào)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(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明由一個大孔徑剛性球冠體和若干個按規(guī)則、等間距方陣結(jié)構(gòu)分布的球面超聲換能器陣元組成，整個球冠體上按規(guī)則、等間距方陣結(jié)構(gòu)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，它決定于陣元的曲率半徑r和陣元本身的焦斑大小。其換算關(guān)系為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(guān)的常數(shù)，須經(jīng)反復迭代確定。
大孔徑剛性球冠體的球冠孔徑為D，取決于陣元數(shù)量及其口徑d。其換算關(guān)系為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(shù)，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(nèi)，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。
陣元采用圓形、曲面形式。陣元的曲率半徑r取決于焦域離開其的距離，兩者成正比。口徑?jīng)Q定于要求的焦域大小，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(zhì)有關(guān)，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角對于大孔徑剛性球冠體上的圓形小孔加工和陣元鑲嵌是至關(guān)重要的，若誤差過大為明顯影響焦域性能。
本發(fā)明的焦域可控的聚焦超聲換能器陣列可以根據(jù)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(huán)等規(guī)則形狀，而且可以形成各種不規(guī)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壓電陶瓷制成，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(nèi)，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(tǒng)。各個陣元的電激勵信號都是獨立可控的，調(diào)節(jié)電激勵信號的幅度也就調(diào)節(jié)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(nèi)徑為2Ф1的圓環(huán)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?shù)剡x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(shù)。此外，還可以通過調(diào)節(jié)電激勵信號的幅度來調(diào)控陣元輻射的超聲功率，達到焦域內(nèi)的組織，即靶組織溫度保持在治療溫度上。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，選材普通，性能優(yōu)良，工作靈活，可以根據(jù)靶組織的大小和形狀，通過電子調(diào)控方式形成所需形狀(圓、環(huán)、任意的不規(guī)則形狀)、大小的焦域，并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(tǒng)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(xiàn)有的超聲腫瘤熱療系統(tǒng)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(shù)與可控釋放藥物相結(jié)合，保證只在需要治療的指定區(qū)域內(nèi)釋放藥物，使藥物達到最大的療效，因此本發(fā)明具有廣闊的應用前景。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)A-A剖面示意3為本發(fā)明的陣元示意圖。
具體實施例方式
為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖作進一步的詳細描述。
如圖1、2所示，本發(fā)明的焦域可控的聚焦超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意，它由一個大孔徑剛性球冠體1和若干個按規(guī)則、等間距方陣結(jié)構(gòu)分布的球面陣元2組成，整個球冠體1上按規(guī)則、等間距方陣結(jié)構(gòu)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，它決定于陣元的曲率半徑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，取決于陣元數(shù)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(guī)則、等間距方陣結(jié)構(gòu)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，小孔的直徑略大于陣元的直徑。圓形小孔，亦即陣元的規(guī)則、等間距方陣結(jié)構(gòu)的分布規(guī)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(nèi)，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(nèi)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(nèi)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采用圓形、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，取決于焦域離開其的距離，兩者成正比?？趶絛，在實施例中d＝20mm，決定于要求的焦域大小，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角對于大孔徑剛性球冠體上的圓形小孔加工和陣元鑲嵌是至關(guān)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壓電陶瓷制成，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(nèi)，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(tǒng)。各個陣元2的電激勵信號都是獨立可控的，調(diào)節(jié)電激勵信號的幅度也就調(diào)節(jié)了陣元2輻射的超聲功率。
本發(fā)明的焦域可控的聚焦超聲換能器陣列可以根據(jù)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(huán)等規(guī)則形狀，而且可以形成各種不規(guī)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(nèi)徑為10mm的圓環(huán)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?shù)剡x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(shù)。此外，還可以通過調(diào)節(jié)電激勵信號的幅度來調(diào)控陣元輻射的超聲功率，達到焦域內(nèi)的組織，即靶組織溫度保持在治療溫度上的目的。
權(quán)利要求
1.一種焦域可控的聚焦超聲換能器，其特征在于，由一個大孔徑剛性球冠體(1)和若干個按規(guī)則、等間距方陣結(jié)構(gòu)分布的球面陣元(2)組成，整個球冠體(1)上按規(guī)則、等間距方陣結(jié)構(gòu)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(quán)利要求1所述的焦域可控的聚焦超聲換能器，其特征是，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(guān)的常數(shù)，須經(jīng)反復迭代確定。
3.如權(quán)利要求1所述的焦域可控的聚焦超聲換能器，其特征是，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(shù)，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(quán)利要求1所述的焦域可控的聚焦超聲換能器，其特征是，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(quán)利要求4所述的焦域可控的聚焦超聲換能器，其特征是，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(nèi)，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(quán)利要求1所述的焦域可控的聚焦超聲換能器，其特征是，所述的陣元(2)采用圓形或者曲面形式。
7.如權(quán)利要求1或者6所述的焦域可控的聚焦超聲換能器，其特征是，所述的陣元(2)，其曲率半徑r取決于焦域離開其的距離，兩者成正比。
8.如權(quán)利要求1或者6所述的焦域可控的聚焦超聲換能器，其特征是，所述的陣元(2)，所有陣元(2)的口徑、厚度均相同。
9.如權(quán)利要求1或者6所述的焦域可控的聚焦超聲換能器，其特征是，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(tǒng)。
全文摘要
一種焦域可控的聚焦超聲換能器，應用于超聲腫瘤熱療系統(tǒng)，屬于生物醫(yī)學工程技術(shù)領(lǐng)域。由一個大孔徑剛性球冠體和若干個按規(guī)則、等間距方陣結(jié)構(gòu)分布的球面超聲換能器陣元組成，整個球冠體上按規(guī)則、等間距方陣結(jié)構(gòu)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(fā)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(diào)節(jié)電激勵信號的幅度來調(diào)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(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，選材普通，性能優(yōu)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(yōu)先權(quán)日2005年2月3日
發(fā)明者陳亞珠, 蕭翔麟, 倪養(yǎng)華 申請人:上海交通大學