CN100446827C

CN100446827C - 自聚焦阵列超声换能器

Info

Publication number: CN100446827C
Application number: CNB2005100259498A
Authority: CN
Inventors: 陈亚珠; 萧祥麟; 倪养华
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2008-12-31
Anticipated expiration: 2025-05-19
Also published as: CN1686582A

Abstract

一种自聚焦阵列超声换能器，应用于生物医学工程中的聚焦超声适形加热系统。由一个大孔径刚性球冠体和若干个按同心环阵结构离散分布的球面超声换能器阵元组成，中央阵元以球冠中心为中心，其余阵元离散地分布在以球冠中心为原点的若干层同心环上，每一层同心环上的阵元按等角间距分布，各个阵元均有独立的电激励信号馈线，分别连接至信号激励系统。本发明中每个阵元都是自聚焦的，可以根据不同的病变组织形状和大小，选择不同的阵元组合施以电激励信号，可以形成不同的焦域分布模式，还可以通过调节电激励信号的幅度来调控阵元辐射的超声功率，使焦域内的组织，即靶组织温度保持在治疗温度上。

Description

自聚焦阵列超声换能器

技术领域

本发明涉及一种超声换能器，尤其涉及一种自聚焦阵列超声换能器，应用于聚焦超声适形加热系统，属于生物医学工程技术领域。

背景技术

自聚焦超声换能器不仅可将在体外发射的超声能量渗透入人体组织，而且可将超声能量汇聚在其几何焦点附近，形成一个高声强的区域——焦域。焦域区内由于能量大量沉积，使位于其中的组织温度迅速升高，达到43℃的治疗温度，而焦域外的组织因仅有少量能量沉积而温升甚少。这种靶向加温技术与可控释放药物相结合，即可保证只在需要治疗的指定区域内释放药物，使药物达到最大的疗效而副作用最小，达到靶向破坏病变之目的。显然，与非聚焦超声换能器相比，在同等治疗区域、同样声强的条件下，它可大大降低辐射功率，使得在体表皮肤和辐射路径上的组织中的声强也随之大大减小，从而避免了非聚焦超声换能器，例如平面式超声换能器在治疗中产生的灼伤皮肤甚至于浅部组织等不良反应。

经对现有技术的文献检索发现，有公开号为1416923，申请号为02148797.9的中国专利《超声肿瘤治疗机换能器》，该专利自述：发明由球冠和安装在球冠内表面的压电晶体所构成，多个压电晶体单独通以高频信号源，具有800cm²-1200cm²超大超声发射面，当超声能量进入人体时，具有80°-120°的超大入射角，可以在与其它设备相比具有同样焦域和声强的前提下，大大降低超声能量在人体皮肤和组织传输路径上的声强，而将超声波能量集中作用于病灶上，确保在使用该治疗机对患者治疗时，不需麻醉用品，不灼伤皮肤，不会使病人感到疼痛。但是，该技术对于聚焦超声适形加热系统存在明显不足：其自聚焦式超声换能器只能形成固定位置、大小恒定的焦域，且焦域过小、强度太高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种自聚焦阵列超声换能器，其中的阵元可以通过电子调控方式灵活组合，形成不同的焦域分布模式与病变组织的形状大小相匹配，保证靶组织具有均匀的热剂量分布，提供治疗效果。

本发明是通过以下技术方案实现的。本发明由一个大孔径刚性球冠体和若干个按同心环阵结构离散分布的球面超声换能器阵元组成。中央的阵元以球冠中心为中心，其余的阵元离散地分布在以球冠中心为原点的若干层同心环上，每一层同心环上的阵元按等角间距分布，各个阵元均有独立的电激励信号馈线，分别连接至信号激励系统。每一个阵元都是自聚焦的，会形成一个细小的焦斑，组合多个阵元，它们各自的焦斑将会合成一个较大的焦域。选择不同数量、不同位置的阵元加以组合，就可以得到不同大小、不同形状的焦域，调控阵元的激励电压可使其输出的超声功率相应地改变，进而控制了焦域的温度。

本发明的具体结构为：大孔径刚性球冠体上按同心环阵结构离散地分布有若干个圆形小孔，每个小孔用来镶嵌一个球面超声换能器阵元。所述按同心环阵结构离散分布的阵元，其具体的分布排列是：中央的阵元以球冠中心为中心，其余的阵元离散地分布在以球冠中心为原点的若干层同心环上，每一层同心环上的阵元再按等角间距分布，各层的阵元数各不相同。大孔径刚性球冠体的球冠曲率半径决定于阵元的曲率半径和阵元本身的焦斑大小。大孔径刚性球冠体的球冠孔径取决于同心环阵的层数(自中心阵元外的同心环开始计数)及阵元的口径。

阵元采用圆形、曲面形式。阵元的曲率半径取决于焦斑离开阵元的距离，两者成正比。阵元的口径决定于所要求的焦斑大小，在阵元曲率半径一定的条件下，口径越大，聚焦性能越好，其形成的焦斑也就越小，反之亦然。因为形成的焦斑大小还与路径组织的性质有关，难以定量计算，所以简单可行的办法是由实验确定。

阵元镶嵌入刚性球冠体时，阵元的中轴线应与球冠半径吻合，不同层同心环上阵元的中轴线与球冠中轴线的夹角θ各不相同，第n层同心环上阵元的θ角是第一层同心环上阵元的θ角的n倍。θ角对于大孔径刚性球冠体上的圆形小孔加工和阵元镶嵌是至关重要的，若误差过大会明显影响焦域性能。

各个阵元的口径、厚度均相同，由PZT-8压电陶瓷制成，其外表面胶合有匹配层。阵元分别精密地镶嵌在球冠体的小孔内，同时辅以粘合剂胶合。各个阵元均有独立的电激励信号馈线，分别连接至信号激励系统。各个阵元的电激励信号都是独立可控的，调节电激励信号的幅度也就调节了阵元辐射的超声功率。

本发明的自聚焦阵列超声换能器可以根据不同的病变组织形状和大小，选择不同的阵元组合施以电激励信号，可以形成不同的焦域分布模式，即焦域形状，不仅可以形成圆、环等规则形状，而且可以形成弧状、半圆状，甚至各种不规则形状，且焦域的大小也可选定，从而使焦域与病变组织的形状和大小相匹配。更为有利的是，适当地选定工作阵元，可使声束避开骨骼等屏障，从而避免额外的辅助性手术。此外，还可以通过调节电激励信号的幅度来调控阵元辐射的超声功率，使焦域内的组织，即靶组织温度保持在治疗温度上。

本发明结构紧凑，选材普通，性能优良，工作灵活，可以根据靶组织的大小和形状，通过电子调控方式形成不同的焦域分布模式，并提供加热靶组织所需的超声能量，保证靶组织具有均匀的热剂量分布。它应用于聚焦超声适形加热系统能保证可控释放药物只在需要治疗的指定区域内释放，使药物达到最大的疗效而副作用最小。它还可以以靶向加热的方式对肿瘤患者实施常规的热疗，大大减轻现有的超声肿瘤热疗系统的不良反应，显著地增强疗效。因此本发明具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图1中，1为大孔径刚性球冠体，2为阵元，D为大孔径刚性球冠体的球冠孔径，0为中央阵元的编号，11-16为第一层同心环上阵元的编号。

图2为本发明结构的A-A剖面示意图。

图2中，1为大孔径刚性球冠体，2为阵元，R为大孔径刚性球冠体的球冠曲率半径，r为阵元的曲率半径，θ₁-θ₅为各层阵元的中轴线与球冠中轴线的夹角。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图和实施例作进一步的详细描述。

本发明的自聚焦阵列超声换能器结构如图1、图2所示，由一个大孔径刚性球冠体1和若干个按同心环阵结构离散分布的球面超声换能器阵元2组成。编号为0的中央阵元以球冠中心为中心，其余的阵元离散地分布在以球冠中心为原点的若干层同心环上，每一层同心环上的阵元按等角间距分布。每一层上的阵元数各不相同，各个阵元均有独立的电激励信号馈线，分别连接至信号激励系统。

大孔径刚性球冠体1的球冠曲率半径为R，它决定于阵元2的曲率半径r和阵元2本身的焦斑大小，其换算关系为：R＝r+C，其中：C为与阵元2本身的焦斑直径及球冠曲率半径R自身有关的常数，可经迭代确定。大孔径刚性球冠体1的球冠孔径为D，取决于同心环阵的层数(中心阵元除外)及阵元2的口径d，其换算关系近似为：D＝(1+2N)d+2Np+2q，其中：N为同心环阵的层数，p为相邻阵元间的间隙，q为最外层的阵元与球冠边缘的距离。

在本发明的一个实施例中，阵元2共91个，大孔径刚性球冠体1的球冠曲率半径为R＝210mm，阵元2的曲率半径r＝160mm，阵元2的焦斑为Φ＝5mm的圆柱状，与阵元2本身的焦斑直径及球冠曲率半径R有关的常数C＝50mm，大孔径刚性球冠体1的球冠孔径D＝250mm，同心环阵的层数为5层，在实施例中d＝20mm，相邻阵元间的间隙p＝2mm，最外层的阵元与球冠边缘的距离q＝5mm。

本发明所述同心环阵结构、离散分布的阵元，其具体的分布排列是：中央阵元以球冠中心O为中心，其余小孔离散地分布在以球冠中心O为原点的N层同心环上，第n层同心环的中央半径是(d+p)n，每一层同心环上的阵元按等角间距分布，每一层的阵元数是各不相同的，在实施例中，第一层的阵元为6个，第二层为12个，第三层为16个，第四层为24个，第五层为32个。

阵元2采用圆形、曲面形式。阵元的曲率半径r取决于焦斑离开阵元的距离，两者成正比。阵元口径d决定于要求的焦斑大小，在阵元曲率半径r一定的条件下，口径越大，聚焦性能越好，其形成的焦斑也就越小，反之亦然。因为形成的焦斑大小还与路径组织的性质有关，难以定量计算，所以简单可行的办法是由实验确定。

阵元2镶嵌入刚性球冠体1时，阵元2的中轴线应与球冠半径吻合，且其与球冠中轴线的夹角为θ，不同层同心环上的阵元2的θ角θ_m是各不相同的。第一层同心环上的阵元2的θ角θ₁＝(d+p)/R[rad]，在实施例中θ₁＝6°，第n层同心环上的阵元2的θ角θ_n＝nθ₁。θ角对于大孔径刚性球冠体1上的圆形小孔加工和阵元2镶嵌是至关重要的，若误差过大会明显影响焦域性能。

各个阵元2的口径、厚度均相同，在实施例中阵元厚度为4mm，由PZT-8压电陶瓷制成，其外表面胶合有匹配层。阵元2分别精密地镶嵌在球冠体1的小孔内，同时辅以粘合剂胶合。各个阵元2均有独立的电激励信号馈线，分别连接至信号激励系统。各个阵元2的电激励信号都是独立可控的，调节电激励信号的幅度也就调节了阵元2辐射的超声功率。

本发明的自聚焦阵列超声换能器可以根据不同的病变组织形状和大小，选择不同的阵元组合施以电激励信号，从而形成不同的焦域分布模式，即焦域形状，它不仅可以形成圆、环等规则形状，而且可以形成弧状、半圆状，甚至各种不规则形状，且焦域的大小也可选定，从而使焦域与病变组织的形状和大小相匹配。例如：仅激励编号为0的中央阵元，将形成Φ＝Φ₁的圆状焦域，在实施例中Φ＝Φ₁＝5mm；若同时激励中央阵元0、第一层所有阵元11、12、……、16和第二层所有阵元21、22、……212将形成Φ＝5Φ₁的圆状焦域，在实施例中Φ＝25mm；若同时激励第二层所有阵元21、22、……212和第三层所有阵元31、32、……316，则将形成外径为7Φ₁，在实施例中为35mm，内径为5Φ₁，在实施例中为25mm，的圆环状焦域；若同时激励第二层中的阵元21、22、……、27和第三层中的阵元31、32、……、39，则将形成一个弧状的焦域。更为有利的是，借适当地选定工作阵元，可使声束避开骨骼等屏障，从而避免额外的辅助性手术。此外，还可以通过调节电激励信号的幅度来调控阵元辐射的超声功率，使焦域内的组织，即靶组织温度保持在治疗温度上。

Claims

1、一种自聚焦阵列超声换能器，其特征在于由一个大孔径刚性球冠体(1)和若干个镶嵌在大孔径刚性球冠体(1)上的球面超声换能器阵元(2)组成，阵元(2)按同心环阵结构离散分布，中央的阵元(2)以球冠中心为中心，其余阵元(2)离散地分布在以球冠中心为原点的若干层同心环上，每一层同心环上的阵元(2)按等角间距分布，阵元(2)的中轴线与大孔径刚性球冠体(1)的半径吻合，不同层同心环上阵元的中轴线与大孔径刚性球冠体(1)中轴线的夹角θ各不相同，第n层同心环上阵元的θ角是第一层同心环上阵元的θ角的n倍，各个阵元(2)均有独立的电激励信号馈线，分别连接至信号激励系统。

2、根据权利要求1的自聚焦阵列超声换能器，其特征在于所述大孔径刚性球冠体(1)的球冠曲率半径R＝210mm，阵元(2)的曲率半径r＝160mm，大孔径刚性球冠体(1)的球冠孔径D＝250mm，同心环阵的层数为5层，阵元(2)共有91个，围绕中央阵元的各层阵元数依次为6个、12个、16个、24个、32个，阵元(2)的口径d＝20mm，阵元(2)的厚度为4mm，相邻阵元层的距离p＝2mm，最外层的阵元与球冠边缘的距离q＝5mm。

3、根据权利要求1的自聚焦阵列超声换能器，其特征在于所述阵元(2)采用压电陶瓷制成，其外表面胶合有匹配层。