CN100540089C - 大焦域相控阵聚焦超声换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大焦域相控阵聚焦超声换能器，由一个大孔径刚性球冠体和若干个平面超声换能器阵元组成，所有阵元离散地分布在以球冠体中心为原点的若干层同心环上，各环层之间的角间距相等，每一层同心环的起始阵元位置随机而定，其余阵元则相继按等角间距均匀地分布在同心环上，各个阵元均有独立的电激励信号馈线，分别连接至相控信号激励系统。各个阵元激励信号的频率一致，相位和电压幅度各不相同，通过调控各个阵元的激励相位和幅度实现电子聚焦和扫描，可产生多种模式的多焦点声场分布，进而形成所需形状和大小的焦域，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，实现人体深部肿瘤病灶的定向适形加热。

Description

大焦域相控阵聚焦超声换能器
技术领域
本发明涉及一种超声换能器，尤其涉及一种大焦域相控阵聚焦超声换能器，应用于加热深部肿瘤病灶的大焦域相控聚焦超声系统，属于生物医学工程技术领域。
背景技术
大焦域相控阵聚焦超声换能器是加热深部肿瘤病灶的大焦域相控聚焦超声系统的关键部件之一。它不仅可将低辐射功率的超声能量通过体外发射渗透入人体组织，并将其汇聚在设定的焦域内，形成一个高声强的区域，而且可以通过调控其中各个阵元的激励相位和幅度，产生多种模式的多焦点声场分布，进而形成所需形状(圆、环等规则形状以及任意的不规则形状)、大小的焦域。焦域区内由于能量大量沉积，位于其中的组织温度会迅速升高，形成人体内局部的立体温升区域(高于体温4～8℃)，实现人体深部区域的定向适形加热，而焦域外的组织因仅有少量能量沉积而温升甚少，不会受到明显的损伤。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号为CN1596432，2005.03.16公开，国际公布为WO2002/045073英2002.6.6，由以色列公司申请的发明专利《用于控制相控阵聚焦超声系统的系统和方法》，中国专利公开号为CN1444491，2003.09.24公开，国际公布为WO01/80709英2001.11.1，美国专利申请S/N09/557,078的发明专利《利用相控阵聚焦超声系统增加坏死体积的系统和方法》等多个发明专利都披露了“一种具有球冠形状的相控阵换能器，该换能器包括多个置于一个曲面上的同心环，该曲面具有一个限定部分球体的曲率半径。同心环具有相等的表面积，并且可以沿圆周分成许多弯曲的换能器元件或区段，形成换能器表面的“瓦形”面。换能器元件可以被相应具有预确定偏移相位关系的驱动信号驱动。通过对从换能器阵列发射的能量的相对相位和振幅的控制，能够产生多种距离、形状和方位的聚焦区域。”该技术存在明显不足：该相控阵换能器只能形成一个有限的“聚焦区”，不具有适形性，且聚焦区域有限，对于具有一定形状和大小的肿瘤组织必须逐点地依次聚焦和辐射，才能完整地覆盖整个病灶组织。因此，它不适合应用于较大范围病灶的定向适形加热。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种大焦域相控阵聚焦超声换能器，它可以通过调控各个阵元的激励相位和幅度实现电子聚焦和扫描，产生多种模式的多焦点声场分布，进而形成所需形状(圆、环等规则形状以及任意的不规则形状)、大小的焦域，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，实现人体深部肿瘤病灶的定向适形加热。
为实现这样的目的，本发明采用了以下技术方案。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、随机离散分布的平面超声换能器阵元组成。所有的阵元离散地分布在以球冠体中心为原点的若干层同心环上，各环层之间的角间距相等，每一层同心环上的起始阵元的位置随机而定，其余阵元则相继按等角间距分布在同心环上。各个阵元均有独立的电激励信号馈线，分别连接至相控信号激励系统。各个阵元激励信号的频率一致，相位和电压幅度各不相同。通过调控各个阵元的激励相位和幅度实现电子聚焦和扫描，可产生多种模式的多焦点声场分布，进而形成所需形状和大小的焦域，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，实现人体深部肿瘤病灶的定向适形加热。
本发明的具体结构为：整个大焦域相控阵聚焦超声换能器由一个大孔径刚性球冠体和若干个离散分布的超声换能器单元——阵元组成，球冠体的中央圆孔为超声定位装置的检测探头提供安装空间，所有阵元离散地分布在以球冠体中心为原点的若干层同心环上，各环层之间的角间距相等，每一层同心环的起始阵元位置随机而定，其余阵元则相继按等角间距均匀地分布在同心环上，各个阵元均有独立的电激励信号馈线，分别连接至相控信号激励系统。
大孔径刚性球冠体的球冠几何半径R＝L1+L2，其中L1为大焦域相控阵聚焦超声换能器外水囊的厚度，L2为拟治疗的最大深度。
阵元的形状、大小、分布间距、数量和排列方式取决于声场栅瓣、声强增益、输出能量和结构的复杂程度等多种因素的综合平衡，经优化设计决定。本发明的阵元采用圆形、平面形式，各个阵元的直径、厚度均相同，由发射型压电材料制成，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，分别连接至相控信号激励系统。
本发明的各个阵元的电激励信号都是独立可控的，各个阵元激励信号的频率f一致，相位φn和电压幅度un各不相同，因此各个阵元表面振速的相位与幅值也各不相同，使各个阵元辐射的声波在空间相干后的波阵面形成球面会聚或偏转，不同的相位φn和电压幅度un组合就会形成了不同大小、不同形状的焦域。调控各个阵元激励信号的工作比Δn可使其输出的超声功率相应地改变，保证靶组织具有稳定均匀的热剂量分布，实现人体深部肿瘤病灶的定向适形加热。
本发明的大焦域相控阵聚焦超声换能器同时兼有球面、规则、等角间距和随机等特点，通过调控各个阵元的激励相位和幅度实现电子聚焦和扫描，产生多种模式的多焦点声场分布，进而形成所需形状(圆、环等规则形状以及任意的不规则形状)、大小的焦域，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，实现人体深部肿瘤病灶的定向适形加热。本发明结构新颖紧凑，选材普通，性能优良，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，3为球冠体的中央圆孔。
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。实施例所采用的技术参数不构成对本发明的限定。
本发明的大焦域相控阵聚焦超声换能器由一个大孔径刚性球冠体1和N个离散分布的超声换能器单元——阵元2组成，采用球面、规则、等角间距环阵结构，每环的起始阵元随机定位。
大孔径刚性球冠体1的球冠几何半径R＝L1+L2，其中L1为大焦域相控阵聚焦超声换能器外水囊的厚度，L2为拟治疗的最大深度。
大孔径刚性球冠体1的球冠几何半径R决定了最佳焦点的位置，随着球冠体的几何焦点，即球冠体的球心Ro前移，最佳焦点的位置也随之前移。在最佳焦点两边的一定区域内，其声强增益虽然已不是最强，但仍保持有足够的声强，形成有效的聚焦区域。
球冠体1的中央圆孔3用来给超声定位装置，即B型超声诊断仪的检测探头提供安装空间，整个球冠体上1离散地分布有若干个圆形小孔，每个小孔内镶嵌一个阵元2。球冠孔径D取决于中央圆孔3的大小和同心环阵的层数及阵元2的直径。
阵元2的形状、大小、分布间距、数量和排列方式取决于声场栅瓣、声强增益、输出能量和结构的复杂程度等多种因素的综合平衡，经优化设计决定。本发明的阵元2采用圆形、平面形式，各个阵元2的直径、厚度均相同。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，分别连接至相控信号激励系统。
阵元2的分布规律为多层、规则、等角间距环阵，其具体的分布排列规则是：所有阵元2离散地分布在以球冠体中心为原点的k层同心环上，各环层之间的角间距相等，即，第一层同心环上的阵元中心和球冠体中心Ro的连线与Z轴的夹角为θ1，第二层同心环上的阵元中心和球冠体中心Ro的连线与Z轴的夹角为θ2，第三层同心环上的阵元中心和球冠体中心Ro的连线与Z轴的夹角为θ3，θ3-θ2＝θ2-θ1，依此类推。第一层的阵元的起始阵元为11#阵元，其位置随机而定，也就是说，11#阵元的中心和球冠中心Do的连线与x轴的夹角α11的数值随机生成，其余阵元2则相继按等角间距均匀地分布在同心环上，即α12-α11＝α13-α12，……，依此类推。第二层的阵元的起始阵元为21#阵元，其中心和球冠中心Do的连线与x轴的夹角α21的数值也随机生成，其余阵元2也相继按等角间距均匀地分布在同心环上，即α22-α21＝α23-α22，……，依此类推。其余各层均依此类推。
在本发明的实施例中，同心环层数k＝4，θ1＝10.04°，θ2＝15.45°，θ3＝20.86°，θ3-θ2＝θ2-θ1＝5.41°，第一层的阵元为12个，α11＝0°，α12-α11＝α13-α12＝30°，第二层的阵元为S2＝19，α21＝3.5°，α22-α21＝α23-α22＝360°/19＝18.95°。
本发明的各个阵元2均有独立的电激励信号馈线，分别连接至信号激励系统，因此各个阵元2的电激励信号都是独立可控的。各个阵元激励信号的频率f一致，相位φn和电压幅度un各不相同，于是各个阵元2表面振速的相位与幅值也各不相同，使各个阵元2辐射的声波在空间相干后的波阵面形成球面会聚或偏转，不同的相位φn和电压幅度un组合就会形成不同大小、不同形状的焦域。调控各个阵元激励信号的工作比Δn可使其输出的超声功率相应地改变，保证靶组织具有稳定均匀的热剂量分布，实现人体深部肿瘤病灶的定向适形加热。
在本发明的实施例中，阵元2总共有89个，球冠体中央圆孔3的直径是4cm，球冠孔径D是21.5cm。大焦域相控阵聚焦超声换能器外水囊的厚度L1＝6cm，拟治疗的最大深度L2＝14cm，大孔径刚性球冠体1的球冠几何半径R＝L1+L2，为20cm。最佳焦点位于离开球冠中心Do18cm的中轴线上，中轴线上离开球冠中心Do16到20cm之间的区域为有效的聚焦区域。阵元2的直径是1.6cm，厚度是0.2cm。阵元2的材料采用PZT-8压电陶瓷，其外表面胶合有匹配层。

Claims (4)

1、一种大焦域相控阵聚焦超声换能器，其特征在于包括一个大孔径刚性球冠体(1)和若干个离散分布的超声换能器阵元(2)，球冠体(1)的中央圆孔(3)为超声定位装置的检测探头提供安装空间，所有阵元(2)离散地分布在以球冠体(1)中心为原点的若干层同心环上，各环层之间的角间距相等，每一层同心环的起始阵元位置随机而定，其余阵元则相继按等角间距均匀地分布在同心环上，各个阵元(2)均有独立的电激励信号馈线，分别连接至相控信号激励系统。
2、根据权利要求1的大焦域相控阵聚焦超声换能器，其特征在于所述的大孔径刚性球冠体(1)的球冠几何半径R＝L1+L2，其中L1为大焦域相控阵聚焦超声换能器外水囊的厚度，L2为拟治疗的最大深度。
3、根据权利要求1的大焦域相控阵聚焦超声换能器，其特征在于所述的阵元(2)采用圆形、平面形式，各个阵元(2)的直径、厚度均相同，由发射型压电材料制成，阵元(2)的外表面胶合有匹配层。
4、根据权利要求1的大焦域相控阵聚焦超声换能器，其特征在于所述的各个阵元(2)的电激励信号独立可控，各个阵元电激励信号的频率一致、相位和电压幅度各不相同，由不同的相位和电压幅度组合形成不同大小、不同形状的焦域，调整各个阵元(2)电激励信号的工作比则相应改变其输出的超声功率。
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