CN100586508C - 相控聚焦高强度超声换能器阵列 - Google Patents

Abstract

一种相控聚焦高强度超声换能器阵列，由一个大孔径刚性球冠体和若干个离散分布的阵元组成，球冠体的球冠几何半径趋近于最大扫描深度，球冠体的中央开孔为定位B超探头安装空间，球冠体上离散分布的圆形小孔内镶嵌阵元，其分布规律为多层规则不等间距环阵，各个环层上相同个数的阵元呈均匀分布，奇数环层上的第一个阵元均位于Y轴上，偶数环层上的第一个阵元均顺时针方向偏离Y轴同一个角度，各阵元轴线与球冠体轴线相交于焦点。每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。本发明同时兼有球面、规则、不等间距等特点，具有强的栅瓣抑制能力，高的声强增益和小的阵列孔径等优点，治疗定位准确，聚焦方式灵活。

Description

相控聚焦高强度超声换能器阵列

技术领域

本发明涉及一种相控聚焦高强度超声换能器阵列，应用于高强度聚焦超声(HIFU)肿瘤治疗系统，属于生物医学工程技术领域。

背景技术

高强度聚焦超声换能器是高强度聚焦超声肿瘤治疗系统的关键部件之一。它不仅将在体外发射的超声能量渗透入人体组织，而且通过一定的聚焦方式在靶组织内形成一个声强极高的区域——焦区。焦区内由于能量大量沉积，使位于其中的组织内瞬时温度高达65℃以上，该部分组织随之出现瞬间凝固性坏死，而焦区外的组织因仅有少量能量沉积而基本不受损伤，从而达到靶向破坏病变之目的。

现有的高强度聚焦超声换能器的聚焦方式主要有：曲面自聚焦、声透镜聚焦和相控阵列聚焦。

曲面自聚焦的工作原理类同于光学凹面镜聚焦，声透镜聚焦的工作原理则类同于光学凹透镜聚焦。它们一般只能形成位置、强度固定的单一焦点，难以正确定位和扫描，工作灵活性差。

相控阵列聚焦的工作原理与它们完全不同，不再是利用超声波在传输过程中的反射特性或折射特性，而是通过控制阵元激励信号的相位，使声波波阵面曲率和中心位置发生变化，从而实现声束的电子聚焦和扫描。

美国专利第4,865,042号披露了一种相控聚焦高强度超声换能器阵列，它是一种球冠换能器阵列，包含有多个置于一个曲面上的同心环，这些同心环具有相等的表面积，且沿圆周被分成许多弯曲的换能器单元——阵元。这些阵元被频率相同，但相位和幅度不同的高频电信号所激励。正确控制相应激励信号的相位和幅度，阵列将把各阵元辐射的超声能量聚焦在所希望的焦区内，并达到足以使靶组织出现瞬间凝固性坏死的能量水平。这类相控聚焦高强度超声换能器阵列基本上克服了曲面自聚焦、声透镜聚焦超声换能器的缺点，但其不仅工作灵活性有限，而且超声波束的旁瓣电平较高，可能形成一个甚至几个次聚焦区，导致非预期加热，危害病人。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，设计提供一种相控聚焦高强度超声换能器阵列，可以通过电子调控方式校正或补偿因各种因素引起的聚焦和定位误差，实现聚焦灵活、定位准确。

为实现这样的目的，本发明设计的相控聚焦高强度超声换能器阵列采用一种球面、规则、不等间距环阵结构，主要包括一个大孔径刚性球冠体，若干个离散分布的超声换能器单元——阵元。

大孔径刚性球冠体的球冠几何半径趋近于最大扫描深度，即聚焦最小深度和轴向扫描范围之和，球冠孔径取决于阵元数量及其直径。球冠体的中央开孔为定位B超探头提供安装空间。整个球冠体上离散地分布有若干个圆形小孔，每个小孔内镶嵌一个阵元，小孔的直径略大于阵元的直径，阵元的分布规律为多层规则不等间距环阵，即各个环层之间的间隔各不相同，每层各有相同个数的阵元并呈均匀分布，其中奇数环层上的第一个阵元均位于Y轴上，而偶数环层上的第一个阵元均顺时针方向偏离Y轴同一个角度，各个阵元的轴线与球冠体的轴线相交于焦点。任意三个相邻阵元都呈不等边三角形排列，由它们组成的三元阵构成了相控聚焦的最小阵列。

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，可由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，调节电激励信号的相位也就调节了阵元表面振速的相位，使诸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，从而实现了电子控制的超声聚焦和扫描。

本发明的相控聚焦高强度超声换能器阵列同时兼有球面、规则、不等间距等特点，因此具有强的栅瓣抑制能力，高的声强增益和小的阵列孔径等优点。可以实现电子聚焦和扫描，使治疗定位准确、灵活，快速切换焦点位置；聚焦方式灵活，可以根据不同的病变组织形状和位置，形成不同的焦点强度和分布模式，不仅可以形成单焦点而且可以形成多焦点；声束路径控制灵活，可以使声束绕过骨骼等屏障，从而避免超声对正常组织的损伤；可以通过电子调控方式校正或补偿因组织的不均匀性、换能器性能的差异以及治疗目标移动等因素引起的聚焦和定位误差。本发明结构新颖紧凑，选材普通，性能优良，功能齐全、工作灵活，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构侧视图。

图1中，1为大孔径刚性球冠体，2为阵元，3为球冠体的中央开孔——定位B超探头安装空间，4为电激励信号馈线。

图2为本发明的阵元分布示意图。

图2中，1为大孔径刚性球冠体，2为阵元，3为球冠体的中央开孔。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步的详细描述。

本发明设计的相控聚焦高强度超声换能器阵列的结构侧视图如图1所示。大孔径刚性球冠体1的中央开孔3为定位B超探头安装空间，在中央开孔3之外的球冠体1上离散地分布多层圆形小孔，小孔内镶嵌阵元2。球冠体1的球冠几何半径R趋近于最大扫描深度，即聚焦最小深度和轴向扫描范围之和。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。

图2为本发明的阵元分布示意图。如图2所示，本发明采用一种球面、规则、不等间距环阵结构，主要包括一个大孔径刚性球冠体1，N个离散分布的超声换能器单元——阵元2，球冠体1的中央开孔3为定位B超探头安装空间。围绕中央开孔3，在球冠体1上离散地分布有N个圆形小孔，每个小孔内镶嵌一个阵元2，小孔的直径略大于阵元2的直径。阵元2为规则多层不等间距环阵分布，即N个阵元分为A，B，C，D，……等M个环层，各环层之间的间隔各不相同。每层各有相同个数(N/M个)的阵元，呈均匀分布。其中，A，C，……等奇数环层上的第一个阵元(A01，C01，……)均位于Y轴上，而B，D，……等偶数环层上的第一个阵元(B01，D01，……)均按顺时针方向偏离Y轴一个相同的角度α。各个阵元2的轴线与球冠体1的轴线相交于焦点。任意三个相邻阵元都呈不等边三角形排列，由它们组成的三元阵构成了相控聚焦的最小阵列。球冠体1的孔径取决于阵元数量N及阵元直径。

在本发明的一个实施例中，大孔径刚性球冠体1的球冠几何半径R为20cm，趋近于最大扫描深度，即聚焦最小深度D1(16cm)和轴向扫描范围D3(4cm)之和，球冠体1的孔径为174mm，阵元2的数量N＝90，阵元直径为14mm。球冠体的中央开孔3(φ50mm)为定位B超探头提供安装空间。球冠体1上离散地分布有90个圆形小孔，小孔内镶嵌阵元2。阵元2的分布规律为多层规则不等间距环阵，即90个阵元分为A，B，C，D，E，F共M＝6个环层，各层之间的间隔各不相同。每层各有N/M＝15个阵元呈均匀分布。A，C，E等奇数环层上的第一个阵元(A01，C01，E01)均位于Y轴上，而B，D，F等偶数环层上的第一个阵元(B01，D01，F01)均顺时针方向偏离Y轴12°。各阵元轴线与球冠轴线相交于焦点0。任意三个相邻阵元都呈不等边三角形排列，由它们组成的三元阵构成了相控聚焦的最小阵列。

在本发明的实施例中，对各部件的选材作了优化选择，以保证相控聚焦高强度超声换能器阵列不但性能优良，而且价格相对低廉。大孔径刚性球冠体1采用聚四氟己烯，超声换能器单元——阵元2采用圆形、平面形式，各个阵元2的直径d(14mm)、厚度h(4mm)均相同，都由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的诸小孔内，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4，分别连接至相控信号激励系统。

本发明同时兼有球面、规则、不等间距等特点，因此，它具有强的栅瓣抑制能力，高的声强增益和小的阵列孔径等优点。

Claims (2)

1.一种相控聚焦高强度超声换能器阵列，其特征在于由一个大孔径刚性球冠体(1)和若干个阵元(2)组成，球冠体(1)的中央开孔(3)为定位B超探头安装空间，球冠体(1)的球冠几何半径趋近于最大扫描深度，围绕中央开孔(3)的球冠体(1)上离散地分布圆形小孔，每个小孔内镶嵌一个阵元(2)，阵元(2)为多层规则不等间距环阵分布，各个环层之间的间隔各不相同，每层各有相同个数的阵元(2)并呈均匀分布，其中奇数环层上的第一个阵元均位于Y轴上，偶数环层上的第一个阵元均顺时针方向偏离Y轴同一个角度，各个阵元(2)的轴线与球冠体(1)的轴线相交于焦点，任意三个相邻阵元(2)都呈不等边三角形排列，由它们组成的三元阵构成相控聚焦的最小阵列，每个阵元(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.如权利要求1的相控聚焦高强度超声换能器阵列，其特征在于所述的阵元(2)采用圆形、平面形式，各个阵元的直径、厚度相同。

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