CN100581620C - 加热深部肿瘤病灶的大焦域相控聚焦超声系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种加热深部肿瘤病灶的大焦域相控聚焦超声系统,包括由N路相控信号形成子系统和N路可控功率放大器组成的大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置、大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头、介质水水囊、立体组合运动装置、循环介质水处理装置、多路温度检测装置及含人机对话外设及计算机辅助治疗计划软件包的计算机智能子系统。计算机智能子系统在计算机辅助治疗计划指引下,实时采集各装置的运行和状态数据,分析处理后发出相应的工作指令,通过调控大焦域相控阵聚焦超声换能器中各个阵元的激励相位和幅度,可产生多种模式的多焦点声场分布,形成所需形状、大小的焦域,提供加热靶组织所需的超声能量,实现人体深部区域的定向适形加热。
Description
技术领域
本发明涉及一种加热用超声系统,尤其涉及一种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
以温度为钥匙开关的纳米颗粒热敏脂质体作为一种药物载体,可以携带药物进入人体靶组织。当人体靶组织被定向适形加热到40~45℃之间时,脂质体壳体被打开,其装载的药物定点释放。这一技术不但增加了药物的局部浓度,提高了对靶组织肿瘤细胞的杀伤力,而且避免了全身给药对人体带来的伤害,极大地降低了毒副作用。这种加热不但能起到在靶组织内打开药物载体的作用,而且会增加血管的通透性,提高病灶区域的脂质体浓度,尤为重要的是把靶组织加热到40~45℃之间,本身就是一种有效的肿瘤治疗方法,即所谓热疗,两者协同,增敏互补,共同完成对肿瘤的抑制、损伤和杀灭,疗效尤为明显。
经对现有技术检索,发现美国联合医工集团Labthermics科技公司(UnitedMedical Industrial Group Labthermics Technologies Inc.)生产的SONOTHERM1000型超声治癌系统(The SONOTHERM 1000Ultrasound Therapy System)。该公司在有关技术资料中自述,SONOTHERM 1000型超声治癌系统最多可有16个独立可控的阵元,能根据治疗区域大小和形状来选择工作阵元以设定热场形态,他们的辐射功率也可改变,从而保证治疗区具有均匀热剂量分布。其有效深度可达8cm,最大治疗区域可达15cm×15cm。该技术存在明显不足:系统采用平面式超声换能器,其声波沿垂直方向辐射,能量分散,同时因辐射路径上组织的吸收而使其在人体内部组织上形成的声强明显降低,越深入体内声强越低,为保证足够的有效加热深度,超声换能器必须有足够高的辐射功率,这将会使患者感到疼痛,灼伤体表皮肤,甚至于浅部组织;仅靠16个阵元排列组合形成不同的形状,适形性差;超声能量在向体内靶组织辐射时,只有衰减没有增强,因此有效加热深度较短,难以满足治疗要求。
相控聚焦超声加热系统由于可将超声能量汇聚在其焦域内,在同等热疗区域、同样的声强条件下,它可大大降低超声换能器的辐射功率,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,从而避免了现有的超声肿瘤热疗系统产生的问题。
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》。该专利自述:“一种控制相控阵聚焦超声换能器的单个驱动正弦波的相位和振幅的系统和方法,该系统和方法采用数控元件将3个或更多个正弦基波的振幅标度为分量正弦矢量。该分量正弦矢量经线性合成生成选定相位和振幅的相应正弦波。使用数控控制元件可将换能器聚焦区域的不同距离、形状和方向(“特性”)进行数控切换。……以有序的多套数控信号的形式实现换能器聚焦区域特性的顺序变化,该控制信号从中央控制器传送到各自的控制通道以产生单个的正弦波。可以按照作为单一热剂量的一部分的时域函数改变数控信号”。该技术存在明显不足:该系统只能形成一个有限的“聚焦区”,不具有适形性,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,形成系列“超声波治疗”才能完整地覆盖整个病灶组织。因此,它不适合应用于治疗范围大、温热(靶组织温度长时间保持在43℃左右)、安全的肿瘤热疗,也不适合应用于热敏脂质体的定向打开及载体热敏药物的热协同治疗。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种加热深部肿瘤病灶的大焦域相控聚焦超声系统,可以根据靶组织的大小和形状来设定热场形态,并通过调控大焦域相控阵聚焦超声换能器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、大小的焦域,并提供加热靶组织所需的超声能量,实现人体深部区域的定向适形加热。
本发明是通过以下技术方案实现的,本发明包括由N路相控信号形成子系统和N路可控功率放大器组成的大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置、大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头、介质水水囊、立体组合运动装置、循环介质水处理装置、多路温度检测装置及计算机智能子系统。计算机智能子系统分别与大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置、立体组合运动装置、循环介质水处理装置及多路温度检测装置相连,大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头固定在立体组合运动装置上,治疗头的电信号输入端与大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置相连,治疗头的超声输出端连到介质水水囊,介质水水囊中的介质水通过进、出水管与循环介质水处理装置相通,多路温度检测装置的测温针插入在人体靶组织中,其信号输出端通过连接电缆与计算机智能子系统相连。
所述计算机智能子系统包含人机对话外设及计算机辅助治疗计划软件包,计算机辅助治疗计划根据靶组织的大小、形状和据此设定的热场形态制定,计算机智能子系统在计算机辅助治疗计划指引下,实时采集大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置、立体组合运动装置、循环介质水处理装置、多路温度检测装置的运行和状态数据,经分析处理后,向各个装置发出相应的工作指令,使之正确、协调地工作,保证靶组织具有均匀的热剂量分布,形成人体内局部的立体温升区域,实现人体深部区域的定向适形加热。
所述大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置由N路相控信号形成子系统和N路可控功率放大器两大部分构成。它根据计算机智能子系统的指令向大焦域相控阵聚焦超声换能器的各个阵元分别输出正弦波激励信号。
所述N路相控信号形成子系统包括时钟信号发生器、mΔΦ相移信号形成电路、N路M选1数字开关、程序存储器、含I/O通信卡的波控计算机及波控软件包,时钟信号发生器产生时钟脉冲并输出至相移信号形成电路,相移信号形成电路在波控计算机控制下形成的方波信号同时送至N路M选1数字开关,数字开关在波控计算机控制下在各个通路上分别输出指定的方波激励信号。
所述N路可控功率放大器包括N个结构相同、独立运行的可控功率放大器,每路可控功率放大器都由调制器、串联谐振功率放大器和馈电电源构成,调制器的输入端连接N路相控信号形成子系统中对应的M选1数字开关,接受指定的方波激励信号,调制器的工作同时受波控计算机控制,按其发出的脉冲宽度调制信号对方波激励信号进行幅度调制,形成不同工作比的间隙振荡信号,并输出至串联谐振功率放大器,串联谐振功率放大器的输出对应地激励大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头中的一个阵元。
所述大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头包括大焦域相控阵聚焦超声换能器和超声定位装置中的检测探头,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阵元组成,球冠体的中央开有圆孔用于安装检测探头,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。
所述立体组合运动装置对大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头(连同介质水水囊)进行多维定位,使其超声输出面对准人体靶组织并紧贴在其上方的体表皮肤上,并能使其中的换能器阵列轴向往复运动,以满足轴向加热区域的要求。
所述介质水水囊安装在大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头的下方,去气、去杂质的低温介质水从进水管流入,在水囊中进行热交换后,从出水管返回,进、出水管均与循环介质水处理装置相通。
所述循环介质水处理装置包括致冷器,水泵、进出水管、水箱、过滤器、去气器、电源和控制电路等。水泵、进出水管、水箱、和介质水水囊构成水循环回路。循环介质水处理装置用来完成介质水的去气、去杂质和降温以及循环驱动。
所述多路温度检测装置包括多个温度测量探针和模拟多路开关、热电偶信号放大器、仪用放大器等电路。各温度测量探针均采用T型热电偶作为温度传感器。各温度测量探针分别接入至模拟多路开关。模拟多路开关在计算机智能系统控制下将各温度传感信号逐一送至热电偶信号放大器,经其放大、去噪、补偿后再加至仪用放大器进行再次放大,最后经由连接电缆送到计算机智能子系统的监控插卡内。
本发明结构新颖,能根据靶组织的大小和形状来设定热场形态,并通过调控大焦域相控阵聚焦超声换能器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,进而形成相应的焦域,保证靶组织具有均匀的热剂量分布,形成局部的立体温升区域,实现人体深部靶组织的定向适形加热。系统不但能对位于人体深部、范围大的肿瘤实施定向适形的热疗,尤为重要的是,它为热敏脂质体的定向打开及载体热敏药物的热协同治疗技术提供了有效的手段,让热疗和局部化疗共同完成对肿瘤的抑制、损伤和杀灭。因此加热深部肿瘤病灶的大焦域相控聚焦超声系统是一种新颖、有效的恶性肿瘤治疗手段,具有广阔的应用前景和市场潜力。
附图说明
图1为本发明的系统组成框图。
图2为本发明的大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置组成框图。
图3为本发明的大焦域相控阵聚焦超声换能器结构示意图。
图3中,25为大孔径刚性球冠体,26为阵元,27为圆孔。
图4为本发明的多路温度检测装置的组成框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。实施例中采用的参数不构成对本发明技术方案的限定。
本发明的系统组成如图1所示,包括由N路相控信号形成子系统和N路可控功率放大器共同组成的大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置、大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头,介质水水囊,超声定位装置,立体组合运动装置、循环介质水处理装置、多路温度检测装置和计算机智能子系统(含人机对话外设和计算机辅助治疗计划软件包)。计算机智能子系统通过连接电缆分别与大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置、立体组合运动装置、循环介质水处理装置、多路温度检测装置相连。大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头固定在立体组合运动装置上,它的电信号输入端与大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置通过连接电缆相连,其超声输出端则与介质水水囊相通。介质水水囊的上端固定在大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头上,下端在进行治疗时则紧贴于人体上(其间可加入超声偶合剂),其中的介质水通过进、出水管与循环介质水处理装置相通。多路温度检测装置的测温针插入在人体靶组织中,其信号输出端通过连接电缆与计算机智能子系统相连。
所述计算机智能子系统安放在一个独立的操纵台上,由主控计算机、人机对话外设、多个数字I/O卡和监控插卡以及计算机辅助治疗计划软件包等构成。主控计算机的主板总线槽口上插有多个数字I/O卡和监控插卡,它的存储器内装有计算机辅助治疗计划软件包等智能化软件。人机对话外设安放在操纵台上并通过连接电缆与主控计算机相连。主控计算机中的多个数字I/O卡和监控插卡分别通过连接电缆与大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置、立体组合运动装置、介质水处理装置、多路温度检测装置相连。引导计算机智能子系统正确运行的计算机辅助治疗计划是根据靶组织的大小、形状和据此设定的热场形态制定的,它确定了大焦域相控阵聚焦超声换能器中各个阵元的激励相位和幅度,从而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。在系统运行时,计算机智能子系统在计算机辅助治疗计划指引下,实时采集大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置、立体组合运动装置、循环介质水处理装置、多路温度检测装置的运行和状态数据,经其处理、分析、判定后,发出相应的指令,令大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置、立体组合运动装置、循环介质水处理装置、多路温度检测装置等各部件正确、协调地工作,保证靶组织具有均匀的热剂量分布,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。同时把靶组织温度、焦域位置、形状和大焦域相控阵聚焦超声换能器中各个阵元的激励相位和幅度等重要参数以数据、图形等形式显示在屏幕上。
本发明所述的大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置结构组成如图2所示,由N路相控信号形成子系统和N路可控功率放大器2两大部分构成,在实施例中N为89。它根据计算机智能子系统的指令向大焦域相控阵聚焦超声换能器的各个阵元分别输出频率为f、相位φn为mΔΦ、幅度un在umin~umax之间、工作比Δn在0~100%之间的正弦波激励信号。
N路相控信号形成子系统包括时钟信号发生器、mΔΦ(m=0~M)相移信号形成电路(在实施例中M为M=28=256)、N路M选1数字开关、程序存储器、波控计算机及I/O通信卡、波控软件包。时钟信号发生器产生频率为fc的时钟脉冲,在实施例中fc为256MHz,并输出至相移信号形成电路。相移信号形成电路在波控计算机控制下用p-bit计数器将时钟脉冲分频,在实施例中为8-bit计数器,即p=8,同时通过阈值比较形成频率为f、相位为mΔΦ的M个方波信号,其中,f=fc/M,m=(0,1,……,M),M=2p,,ΔΦ=360°/M,在实施例中f为1MHz,ΔΦ为1.40625°,所有这些方波信号被同时送至N路M选1数字开关15的各自的信号输入端。波控计算机17给出的地址码A6A5A4A3A2A1A0通过p-M译码器决定了选通哪一路M选1数字开关,波控计算机给出的数字码D7D6D5D4D3D2D1D0决定了该路M选1数字开关输出的方波激励信号的相位mΔΦ。例如,当A6A5A4A3A2A1A0=0000001,D7D6D5D4D3D2D1D0=00000011时,第二路M选1数字开关输出方波激励信号,其相位为3ΔΦ。依此类推,第n(n=0,1,2,……,N)路M选1数字开关输出的方波激励信号的相位为mΔΦ。
在实施例中,mΔΦ(m=0~M)相移信号形成电路和N路M选1数字开关完全由FPGA来实现,集成设计到FPGA内部,从而不但使得其复杂性大大降低,而且还能有效地提高其可靠性,降低开发成本。波控计算机及I/O通信卡、数据存储PROM和波控软件包构成一个完整的专用计算机控制系统,它接受计算机智能子系统指令,并据其发出相应的各种控制命令到mΔΦ相移信号形成电路1和N路M选1数字开关,保证在n#通路上输出频率为f、相位为mΔΦ的指定的方波激励信号。
N路可控功率放大器包括N个独立运行,但结构组成、工作原理完全相同的可控功率放大器,每路可控功率放大器对应地激励大焦域相控阵聚焦超声换能器中的一个阵元,激励该阵元发出指定频率、指定相位和指定幅度的超声波。每路可控功率放大器都由调制器、串联谐振功率放大器和馈电电源等电路构成。第n路可控功率放大器中的调制器的输入端接向N路相控信号形成子系统中的M选1数字开关的第n路,接受指定的方波激励信号。调制器的工作同时受波控计算机控制,按其发出的脉冲宽度调制(PWM)信号对方波激励信号进行幅度调制,形成不同工作比的间隙振荡信号,并输出至串联谐振功率放大器。馈电电源在波控计算机的控制下形成电压值为Un的直流馈电,并加至串联谐振功率放大器,直接决定串联谐振功率放大器输出的正弦波激励信号的电压幅度。串联谐振功率放大器应用调谐放大电路程式,使用VMOS场效应管作功率放大器件,工作在临界C类状态。其良好的选频特性可将方波激励信号转换成同频、同相的正弦波输出信号,而其谐振特性可使输出的正弦波信号的幅度大大高于其馈电电压,此外,电路中的串联谐振网络还能使放大器的输出阻抗与被激励阵元的输入阻抗相匹配,从而得到最高的传输效率。串联谐振功率放大器还把其输出信号的电压和电流幅度值反馈至波控计算机。第n路可控功率放大器输出到大焦域相控阵聚焦超声换能器中对应的第n个阵元的激励信号将是:频率为f的正弦波,电压幅度un在umin~umax之间,直接取决于第n路馈电电源的电压值Un;工作比Δn在0~100%之间,取决于波控计算机发出的脉冲宽度调制(PWM)信号。
所述大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头包括大焦域相控阵聚焦超声换能器和超声定位装置即B型超声诊断仪中的检测探头。大焦域相控阵聚焦超声换能器结构如图3所示,由一个大孔径刚性球冠体25和若干个离散分布的平面超声换能器阵元26组成。球冠体中央开有一个直径为Φ的圆孔27,用于安装检测探头,检测探头通过特制的专用电缆与超声定位装置相连。所有阵元26离散地分布在以球冠体25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26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。在实施例中,大孔径刚性球冠体25的球冠曲率半径R=20cm,球冠孔径D=21.5cm,圆孔27的直径Φ=4cm。
阵元26分布的同心环阵结构分为k层,在实施例中为4层。第一层有阵元S1个,在实施例中为12个,各阵元中心和球冠体中心Ro的连线与Z轴的夹角为θ1,在实施例中θ1=10.04°。第一层起始阵元(编号为11)的中心和球冠中心Do的连线与x轴的夹角为α11(随机生成),在实施例中α11=0°,其余阵元按等角间距均匀地分布在同心环上。第二层有阵元S2个,在实施例中为19个,各阵元中心和球冠体中心Ro的连线与Z轴的夹角为θ2,在实施例中θ2=15.45°,第二层起始阵元(编号为21)的中心和球冠中心Do的连线与x轴的夹角为α21(随机生成),在实施例中α21=3.5°,其余阵元按等角间距均匀地分布在同心环上。……,其余各层依此类推。
本发明中的阵元26采用圆形、平面形式。在实施例中阵元的直径d=1.6cm,厚度为0.2cm。阵元由PZT-8压电陶瓷制成,其外表面胶合有匹配层。
所述立体组合运动装置对大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头(连同介质水水囊)进行多维定位,使其超声输出面对准人体靶组织并紧贴在其上方的体表皮肤上,并能使其中的换能器阵列轴向往复运动,以满足轴向加热区域的要求。
所述介质水水囊安装在大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头的下方,去气、去杂质的低温介质水从进水管流入,在水囊中进行热交换后,从出水管返回,进、出水管均与循环介质水处理装置相通。
所述循环介质水处理装置包括致冷器,水泵、进出水管、水箱、过滤器、去气器、电源和控制电路等。水泵、进出水管、水箱、和介质水水囊构成水循环回路。循环介质水处理装置用来完成介质水的去气、去杂质和降温以及循环驱动。
本发明所述的多路温度检测装置结构如图4所示,包括多个温度测量探针和模拟多路开关、热电偶信号放大器、仪用放大器等电路。各温度测量探针均采用T型热电偶作为温度传感器。各温度测量探针分别接入至模拟多路开关。模拟多路开关在计算机智能系统控制下将各温度传感信号逐一送至热电偶信号放大器,经其放大、去噪、补偿后再加至仪用放大器进行再次放大,最后经由连接电缆送到计算机智能子系统的监控插卡内。
Claims (5)
1、一种加热深部肿瘤病灶的大焦域相控聚焦超声系统,其特征在于包括由N路相控信号形成子系统和N路可控功率放大器组成的大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置、大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头、介质水水囊、立体组合运动装置、循环介质水处理装置、多路温度检测装置及计算机智能子系统,计算机智能子系统分别与大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置、立体组合运动装置、循环介质水处理装置及多路温度检测装置相连,大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头固定在立体组合运动装置上,治疗头的电信号输入端与大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置相连,治疗头的超声输出端连到介质水水囊,介质水水囊中的介质水通过进、出水管与循环介质水处理装置相通,多路温度检测装置的测温针插入在人体靶组织中,多路温度检测装置的信号输出端通过连接电缆与计算机智能子系统相连;所述计算机智能子系统包含人机对话外设及计算机辅助治疗计划软件包,计算机辅助治疗计划根据靶组织的大小、形状和据此设定的热场形态制定,计算机智能子系统在计算机辅助治疗计划指引下,实时采集大焦域相控阵聚焦超声换能器激励装置、立体组合运动装置、循环介质水处理装置、多路温度检测装置的运行和状态数据,经分析处理后,向各个装置发出相应的工作指令;其中,N为自然数。
2、根据权利要求1的加热深部肿瘤病灶的大焦域相控聚焦超声系统,其特征在于所述N路相控信号形成子系统包括时钟信号发生器、mΔФ相移信号形成电路、N路M选1数字开关、程序存储器、含I/O通信卡的波控计算机及波控软件包,时钟信号发生器产生时钟脉冲并输出至mΔФ相移信号形成电路,mΔФ相移信号形成电路在波控计算机控制下形成的方波信号同时送至N路M选1数字开关,N路M选1数字开关在波控计算机控制下在各个通路上分别输出指定的方波激励信号。
3、根据权利要求1的加热深部肿瘤病灶的大焦域相控聚焦超声系统,其特征在于所述N路可控功率放大器包括N个结构相同、独立运行的可控功率放大器,每路可控功率放大器都由调制器、串联谐振功率放大器和馈电电源构成,调制器的输入端连接N路相控信号形成子系统中对应的M选1数字开关,接受指定的方波激励信号,调制器的工作同时受波控计算机控制,按其发出的脉冲宽度调制信号对方波激励信号进行幅度调制,形成不同工作比的间隙振荡信号,并输出至串联谐振功率放大器,串联谐振功率放大器的输出对应地激励大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头中的一个阵元。
4、根据权利要求1的加热深部肿瘤病灶的大焦域相控聚焦超声系统,其特征在于所述大焦域相控阵聚焦超声换能器组合治疗头包括大焦域相控阵聚焦超声换能器和超声定位装置中的检测探头,大焦域相控阵聚焦超声换能器由一个大孔径刚性球冠体(25)和若干个离散分布的超声换能器阵元(26)组成,球冠体(25)的中央开有圆孔(27)用于安装检测探头,所有阵元(26)离散地分布在以球冠体(25)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(26)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。
5、根据权利要求4的加热深部肿瘤病灶的大焦域相控聚焦超声系统,其特征在于所述阵元(26)采用圆形、平面形式,由压电陶瓷制成,其外表面胶合有匹配层。
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