CN101190436A - 一种相控聚焦超声波波源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相控聚焦超声波波源装置，该装置包括多个用于发射超声波的换能器阵元和一承载换能器阵元的承载部件，所述换能器阵元为圆柱形，其阵元顶部的压电晶片形状可以为圆形凸面，圆形凹面，或圆柱形阵元的顶部为圆形压电平片加一个声透镜；阵元底部为一基底，该基底和压电晶片粘结为一整体，所述承载部件是球形凹面，所有所述换能器阵元承载到所述承载部件上使得所有压电晶片排布成球形凹面；所述多个换能器阵元与一使用电子技术调整各阵元发射信号的相位从而调整焦点位置和聚焦方向的相位控制装置连接。本发明的优点在于增强球面相控阵列的聚焦性能，可用于高强度聚焦超声治疗设备，仅破坏瘤组织而不损伤正常组织，从而提高治疗效果。
Description
技术领域
本发明涉及用于治疗设备的超声波波源，特别是涉及用于高强度聚焦超声(HighIntensity Focused Ultrasound，简称HIFU)治疗设备的波源装置。
背景技术
高强度聚焦超声(HIFU)治疗局部肿瘤是近几年发展起来的局部高温治疗肿瘤的新技术，它已成为治癌研究的新热点，它能将高功率的超声聚焦于肿瘤组织上，在短时间内，使瘤体内温度急骤升高，达到破坏瘤组织的目的。但是，在高强度的超声聚焦于肿瘤组织上，使瘤体温度在短时间内急骤升高的同时，必须保持瘤体以外的部分所受的辐射强度尽量低，以免破坏人体正常组织，或造成组织损伤，这要求焦点处的能量高度集中。因此肿瘤加热的成败关键在于超声聚焦的情况。聚焦方式和换能器几何形状是影响聚焦性能的主要因素。
已有的聚焦方式有：多元非相干聚焦、多元相干聚焦、相控聚焦、单元声透镜和凹面晶片自聚焦。超声治疗常需要调整焦点，比如改变焦距和聚焦的方向，但是除相控聚焦外的其他聚焦方法，其焦点都是固定的，只有用机械方法调焦，很不方便，速度也慢，这就限制了它的应用。因此相控聚焦超声波技术能更好地满足超声治疗调整焦点的需要。
超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列，每个晶片称为一个单元。它的基本思想是调整各阵元发射信号的相位，使得各阵元到达焦点的声束具有相同相位，这就实现了聚焦。采用数字式延迟线进行调相，利用电子技术调整焦点位置和聚焦的方向，实现动态聚焦调节。与其他聚焦换能器相比，相控阵换能器具有以下优点：①可以通过相控聚焦方式实现对超声束的旋转，替代传统的机械扫描方式，易于实现计算机精确控制；②可以产生多个焦点，扩大加热范围，有利于治疗较大体积肿瘤；③通过优化焦点控制方式，可以对目标有选择性定位，可以避免人体组织不均匀所造成的焦点偏移等。
目前，超声相控阵换能器按其阵列排布形式主要分三类，即线阵、面阵和环形阵列，阵元形状的选取一般采用矩形平片或圆形平片阵元，相控阵换能器的控制电路较为复杂，成本较高，尤其是当需要深度聚焦时所需要的换能器阵元数大大增加，设备复杂度也大为增加。
因此，就需要改进换能器阵元的几何形状，改进阵列排布形式，以便用尽可能少的阵元和尽可能简单的控制电路来获得高强度的超声焦点以及高精度的定位和扫描控制，这是设计改进的相控阵聚焦超声治疗系统的关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，改进换能器阵元和阵元排布方式，提供一种相控聚焦超声波波源装置。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种相控聚焦超声波波源装置，包括至少两个换能器阵元和一承载换能器阵元的承载部件，其特征在于，所述换能器阵元为圆柱形，顶部为一压电晶片，底部为一基底，该基底和压电晶片粘结为一整体，所述承载部件是球凹面形，所有所述换能器阵元承载到所述承载部件上使得所有压电晶片排布成球形凹面。
在上述技术方案中，进一步地，所述压电晶片为圆弧形，使换能器阵元顶部为圆形凸面。
在上述技术方案中，进一步地，所述压电晶片为圆弧形，使换能器阵元顶部为圆形凹面。
在上述技术方案中，进一步地，所述压电晶片为圆形平面晶片，一个声透镜粘结到所述压电晶片的顶部。
在上述技术方案中，进一步地，所述声透镜为凸透镜或凹透镜。
在上述技术方案中，进一步地，所述压电晶片材料为压电陶瓷，所述声透镜为复合材料制成。
在上述技术方案中，进一步地，所述声透镜是由硅橡胶材料制成的。
在上述技术方案中，进一步地，所有所述压电晶片排布成的球形凹面的孔径角50°～120°。
在上述技术方案中，进一步地，所述换能器阵元的底圆直径为5mm～20mm。
在上述技术方案中，进一步地，所述多个换能器阵元与一相位控制装置连接，采用相控阵聚焦方法聚焦。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供的聚焦超声波源具有理想的聚焦性能，增强了球面相控阵列的聚焦性能。这些形状的阵元用于高强度聚焦超声治疗设备，其聚焦性能优于平面圆形阵元和矩形阵元，从而实现破坏瘤组织而避免损伤正常组织的目的。
附图说明
图1是本发明中的球面相控阵列示意图，它是一个球形凹面，相控阵的多个阵元就是排布在其上；其中，图1(a)是口向下放置的球形凹面的示意图，图1(b)是排布了圆形阵元的球形凹面的示意图。
图2是本发明换能器阵元顶部为圆形凸面的示意图，图中φ代表直径。
图3是本发明换能器阵元顶部为圆形凹面的示意图，图中φ代表直径。
图4是本发明换能器阵元顶部的圆形平面压电晶片加上一个声透镜的示意图，图中φ代表直径。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例1
参照图1，一种用于相控聚焦超声波波源，包括多个换能器阵元1，比如20个，和一承载换能器阵元1的承载部件2，所述换能器阵元1为圆柱形，顶部为一压电晶片11，底部为一基底10，该基底10和压电晶片11通过胶状粘接剂粘结为一整体，所述承载部件2是凹球面形，所有所述换能器阵元1承载到所述承载部件2上使得所有压电晶片11排布成凹球面形。凹球面的半径为R＝300mm，孔径角在50°～120°之间选取，比如50°。压电晶片11为圆弧形，使换能器阵元1的顶部为圆形凸面。
承载部件2可以采用常规的技术制成，比如采用金属材料，做成球形凹面形状，在放置阵元处挖孔，将阵元固定在孔中，凹球面的半径R＝300mm，孔径角50°。
参照图2，换能器阵元1为圆柱形，底面直径为5mm～20mm，此处选取为5mm。基底材料选取为密度较低的材料，比如树脂类材料，具体比如618环氧树脂材料，厚度为2mm-10mm，比如2mm，该厚度是指从基底底面到基底最厚处的厚度；压电晶片11为圆弧形，材料为压电陶瓷，晶片的径向厚度为1mm-51mm，比如1mm，曲率半径为5mm-16mm，比如5mm。
本实施例采用球面阵列具有较高的声强增益和较低的栅瓣，可以通过较少的阵元数目实现较高的焦点声强，并且顶部为圆形凸面的换能器阵元也使得波源具有理想的聚焦性能，在焦点处能量高度集中，而焦点以外的部分声强较低。因此能够有效破坏瘤组织而又不损伤声通道上的正常组织。
实施例2
参照图1，一种用于相控聚焦超声波波源，包括多个换能器阵元1，比如10个，和一承载换能器阵元1的承载部件2，所述承载部件2是凹球面形，所有所述换能器阵元1承载到所述承载部件2上使得所有压电晶片11排布成凹球面形。凹球面的半径R＝300mm，孔径角在50°～120°之间选取，比如120°。压电晶片11为圆弧形，使换能器阵元1顶部为圆形凹面。
参照图3，换能器阵元1为圆柱形，底面直径为5mm～20mm，此处选取为20mm。基底材料选取为密度较低的材料，比如，树脂类材料，具体比如618环氧树脂材料，厚度为2mm-10mm，比如10mm；压电晶片11为圆弧形，材料为压电陶瓷，晶片的径向厚度为1mm-5mm，比如5mm，曲率半径为5mm-16mm，比如16mm。
其他同实施例1。
本实施例的顶部为圆形凹面的换能器阵元也使得波源具有理想的聚焦性能，在焦点处能量高度集中，而焦点以外的部分声强较低。因此能够有效破坏瘤组织而又不损伤声通道上的正常组织。
实施例3
参照图1，承载部件2是凹球面形，所有所述换能器阵元1承载到所述承载部件2上使得所有压电晶片11排布成凹球面形。凹球面的半径R＝300mm，孔径角在50°～120°之间选取，比如100°。
参照图4，压电晶片11为圆形平面的晶片，一个声透镜粘结到所述压电晶片11的顶部，声透镜可为凹透镜或凸透镜，此处以凸透镜为例，换能器阵元1的顶部为圆形凸面。换能器阵元1为圆柱形，底面直径为5mm～20mm，此处选取为10mm。基底材料选取为密度较低的材料，比如，树脂类材料，具体比如618环氧树脂材料，厚度为2mm-10mm，比如5mm；压电晶片材料为压电陶瓷，晶片的径向厚度为1mm-5mm，比如3mm。声透镜的材料为硅橡胶，曲率半径为5mm-20mm，其底面直径与晶片直径相同。其他同实施例1。
顶部为圆形凸面、带有声透镜的换能器阵元也使得波源具有理想的聚焦性能，在焦点处能量高度集中，而焦点以外的部分声强较低。因此能够有效破坏瘤组织而又不损伤声通道上的正常组织。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种相控聚焦超声波波源装置，包括至少两个换能器阵元和一承载换能器阵元的承载部件，其特征在于，所述换能器阵元为圆柱形，顶部为一压电晶片，底部为一基底，该基底和压电晶片粘结为一整体，所述承载部件是球形凹面，所有所述换能器阵元承载到所述承载部件上使得所有压电晶片排布成球形凹面。
2.根据权利要求1所述相控聚焦超声波波源装置，其特征在于，所述多个换能器阵元与一用于相控聚焦的相位控制装置连接。
3.根据权利要求1或2所述相控聚焦超声波波源装置，其特征在于，所述压电晶片是使换能器阵元顶部为圆形凸面的圆弧形。
4.根据权利要求1或2所述相控聚焦超声波波源装置，其特征在于，所述压电晶片是使换能器阵元顶部为圆形凹面的圆弧形。
5.根据权利要求1或2所述相控聚焦超声波波源装置，其特征在于，一个声透镜粘结到所述压电晶片的顶部，所述压电晶片为圆形平面晶片。
6.根据权利要求1或2所述相控聚焦超声波波源装置，其特征在于，所述压电晶片材料为压电陶瓷，所述声透镜为复合材料制作的透镜。
7.根据权利要求6所述相控聚焦超声波波源装置，其特征在于，所述声透镜为凸透镜或凹透镜。
8.根据权利要求6所述相控聚焦超声波波源装置，其特征在于，所述声透镜是硅橡胶材料制成的。
9.根据权利要求1或2所述相控聚焦超声波波源装置，其特征在于，所有所述压电晶片排布成的球形凹面的孔径角为50°～120°。
10.根据权利要求1或2所述相控聚焦超声波波源装置，其特征在于，所述换能器阵元的底圆直径为5mm～20mm。
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