CN102233159A - 聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统 - Google Patents

Abstract

一种聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统，其特征是，联合应用光敏剂和超声微泡造影剂作为肿瘤治疗媒介，在治疗前患者分别注射光敏剂和超声微泡造影剂，应用超声诊断探头探测治疗部位和进行立体定位，通过多频率聚焦超声换能器发射低功率多种频率超声波激发光敏剂在肿瘤细胞产生光化学反应和诱导超声微泡造影剂在肿瘤组织周围产生声空化效应，导致肿瘤微循环栓塞，阻止肿瘤细胞转移，起到无创伤肿瘤治疗的良好效果。

Description

聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统

所属技术领域

本发明属于医疗设备领域，更具体地说本发明涉及聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统。

背景技术

恶性肿瘤是导致人体死亡的最主要原因，尽管有很多治疗恶性肿瘤的技术，肿瘤手术、放射治疗和化学治疗仍然作为主要的恶性肿瘤治疗方法，如何在手术后杀死残存肿瘤细胞，减少肿瘤细胞扩散和转移，提高放射治疗敏感性和治疗效果是医学界共同关心的研究领域。

光动力学肿瘤治疗是利用激光激发光敏剂产生单态氧，通过单态氧强大的氧化能力，对肿瘤细胞的微结构和亚结构产生破坏作用，从而发挥抗肿瘤功能，由于光敏剂对肿瘤细胞没有特殊的亲和力，可以自动吸附到肿瘤细胞周围，因此，光动力肿瘤治疗具有良好的选择性，只会选择性杀伤肿瘤细胞，而不会伤害周围正常细胞，是极有发展前途的非创伤性肿瘤治疗技术。对于早期及浅表肿瘤的治疗有效率高达84％～100％，然而，光动力学的致命弱点在于红色激光对人体有效穿透深度有限，不到10mm，激光不可能透入人体深度组织。因此，仅能治疗极少数很表浅或很局限的肿瘤，光动力肿瘤治疗技术的推广受到很大限制。

大家知道，超声波也是一种能量形式，而且选用适当频率时，超声波可以在人体内传播足够深度。1998年Umemura首次报道使用超声波成功激活血卟啉，使其产生明显的抗肿瘤效应。其后，人们便在这一领域中相继做了大量研究工作，取得了不少进展。

超声激活血卟啉的机理，一般认为是超声对血卟啉的作用类似激光，激活血卟啉并使它产生类似的产物，如单线态氧、过氧化物、自由基等杀伤肿瘤细胞。

目前，国内外对应用超声激活光敏剂治疗肿瘤的研究，大多是采用超声理疗仪进行实验室阶段的实验，尚未见文献报道专门设计的声动力肿瘤治疗系统及其应用于临床肿瘤治疗，美国专利文献搜索未见相关专利。

中国发明专利“光敏剂作为高强度聚焦超声增敏剂应用”(专利申请号：200510115551.3)介绍一种光敏剂作为高强度聚焦超声增敏剂的新用途，该专利介绍的技术是在实施HIFU治疗时，利用光敏剂作为超声治疗增敏剂，其增敏剂的作用是作为HIFU治疗的辅剂，降低超声治疗剂量，并未将超声动力学作为一种独立治疗手段，而且，并未介绍专门用于声动力治疗的超声设备。

中国发明专利“卟啉类在制备声动力疗法药物中应用及声动力疗法”(专利申请号：200710164244.2)介绍了一种卟啉化合物作为光敏剂应用于声动力治疗，并未介绍用于动力治疗的超声波设备。

中国实用新型专利“超声复频全身声动力治疗系统”(专利申请号：200720199881.x)介绍一种带有运动装置的超声治疗水槽，该专利甚至没有提及到光敏剂以及通过超声激发光敏剂进行肿瘤治疗，而且，该专利介绍的装置，无靶向定位，无具体治疗方向，不符合超声治疗的基本原则。

为实现声动力学肿瘤治疗，首先必须有准确的立体定位装置，保证超声波准确递运到靶部位，其次，为了准确递运超声波剂量到达靶部位，最好采用聚焦超声的技术，将超声波焦斑准确发射到靶部位；此外，根据研究显示，多频率超声激发光敏剂杀伤肿瘤的效果远比单频率超声要好，所以，应用双频或多频超声技术实现对靶部位光敏剂多重激发。

随着对微泡超声造影剂的深入研究，其潜在的非创伤性治疗作用引人注目，主要表现在以下两方面，首先，各种微泡(尤其是脂膜微泡，其结构类似脂质体)是一种良好的肿瘤粘附剂，选择性粘附在肿瘤细胞和肿瘤组织周围。其次，微泡作为一种十分有效的空化核，容易诱导超声空化发生，空化发生在生物体内可以主生“声孔效应”，引起邻近细胞被“超声打孔”，导致细胞膜通透性增高，利于药物释放。当组织血管被高浓度微泡灌注时，空化核密度大量增加，空化阈值降低，低能量超声作用也可能引起强烈的空化效应，导致微小和血管机械性破裂出血以及血栓形成。

利用超声能量非创伤性治疗肿瘤是本专利的目标。配合激发光敏剂杀死肿瘤细胞的同时用物理方法阻断肿瘤微循环，它主要利用超声波与微泡相互作用所产生的空化效应机械性损伤血管内皮细胞，使基底膜暴露，从而启动内源性凝血系统，导致肿瘤微循环栓塞，阻断肿瘤血供，与正常微血管不同，肿瘤微血管生长迅速导致结构紊乱，表现为管壁缺乏肌层，壁薄而脆，通透性高，所以更容易受到空化损伤。微泡造影剂在超声作用下所产生的“声孔效应”可使毛细血管破坏，引起出血，形成瘀点。这种效应在微泡注射完成后持续发生作用时间达数小时，且与微泡量呈正相关。

本发明的主要目的是联合应用光敏剂和超声微泡造影剂作为选择性肿瘤治疗媒介，通过低功率、多频率聚焦超声形成的焦斑激发光敏剂的化学反应和诱发超声微泡造影剂的空化效应，高选择性杀伤肿瘤细胞的同时，不伤害周围正常组织，达到非创伤性治疗肿瘤的良好效果，广泛应用于肿瘤术后治疗，杀死残留在肿瘤原发病灶及其周围淋巴组织中的肿瘤细胞，预防肿瘤复发，也可以应用于早期肿瘤的无创伤治疗。

本发明的另一个目的是在联合应用光敏剂和超声微泡造影剂作为治疗媒介的同时，利用超声微泡造影剂良好药物载体的功能，在微泡造影剂内加入抗肿瘤化学药物，生物制品，利用超声强大的“声孔效应”，促进上述抗肿瘤制剂向肿瘤细胞内渗透，获得更好的肿瘤治疗效果。

发明内容

为实现本发明的上述目的，本发明所述聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统的技术特征是，联合应用光敏剂和超声微泡造影剂作为肿瘤治疗媒介，在治疗前患者分别注射光敏剂和超声微泡造影剂，应用超声诊断探头，探测治疗部位和进行立体定位，通过多频率聚焦超声换能器发射低功率多种频率超声波激发光敏剂在肿瘤细胞产生光化学反应和诱导超声微泡造影剂在肿瘤组织周围产生声空化效应，导致肿瘤微循环栓塞，阻止肿瘤细胞转移，起到无创伤肿瘤治疗的良好效果。

本发明所述的聚焦超声无创伤声动力学肿瘤治疗系统由光敏剂、超声微泡造影剂、多频率聚焦超声换能器、多频率智能化超声波功率源，立体定位支架、超声诊断探头和超声影像装置组成。

本发明所述的聚焦超声无创伤声动力治疗系统的治疗程序是，在治疗前2小时-72小时注射光敏剂，在治疗前数分钟-数小时注射超声微泡造影剂，利用安装在换能器内的超声诊断探头，探测肿瘤组织(或手术切除部位)的位置，调整聚焦超声换能器超声波焦距，发射低功率多频率聚焦超声至靶组织，激发光敏剂产生单态氧，杀伤肿瘤细胞，诱导微泡造影剂产生空泡效应，阻塞肿瘤微循环，获得治疗肿瘤效果。

本发明所述聚焦超声无创伤声动力学肿瘤治疗系统中应用的光敏剂属于光敏物质，光敏物质传统上是一类含有光敏成分，能被一定波长激活发生光氧化反应产生活性氧的任何物质。本发明中所涉及的光敏剂是含有光敏成分能选择性在良/恶性增生性组织中潴留并能被一定波长的激活下生产活性氧杀伤增生性组织细胞的光敏物质，主要应用于良/恶性增生性疾病的光动力治疗。光敏剂应用的基本方法是将光敏剂输入人体内，使之在一定时间后较多地在肿瘤内积聚，此时以特定频率的超声波放射肿瘤部位，在组织内氧的参与下，引起光氧化反应，产生单态氧等化学性质非常活泼的活性氧分子或自由基，攻击破坏蛋白、脂质、核酸等重要的生物分子，最终使肿瘤细胞死亡，达到治疗目的。常用的光敏剂是卟啉类物质，其四吡咯大环吸收600-800nm红光，引发光氧化反应。光敏剂除了卟啉及其衍生物外，还有酞菁及其衍生物、叶绿素及其衍生物、醌类化合物、内源性光敏剂5-氨基乙酰丙酸、玫瑰红、聚乙炔类如苯庚三炔、噻吩类化合物如α噻吩、中医药类如竹红菌素衍生物、补骨脂素类、姜黄素、金丝桃素、假金丝桃素、大黄素、核黄素、芦荟大黄素。所述增生性组织为良性肿瘤组织、恶性肿瘤组织、癌前变以及非肿瘤性过度增生性组织如病理性疤痕、鲜红斑痣、血管成形术后再狭窄等。

在本发明中，所述光敏剂为安全无毒的能选择性在良/恶性增生性组织中潴留且能被光或声激活产生光氧化反应生成活性氧物质的光敏剂，这些物质为亲水性、亲油性、两亲性的光敏剂。这些物质是静脉注射、动脉注射、局部注射应用的光敏剂。所述活性氧物质为单态氧。本发明对所使用光敏剂的类型没有过多的限制，只要该光敏物质在施用给靶组织后能选择性分布于该靶组织，在低功率聚焦超声的作用下能发生声化学反应，发挥杀伤肿瘤细胞的治疗效果即可。因而，本发明应用于肿瘤声动力治疗的光敏剂选自卟啉及其衍生物如血卟啉、苯并卟啉衍生物单酸环A等、酞菁及其衍生物如锌酞菁和酞菁铝等、叶绿素及其衍生物如脱镁叶绿素和二氢卟酚及紫红素18、内源性光敏剂5-氨基乙酰丙酸、玫瑰红、藻胆蛋白类光敏剂如藻红蛋白和藻蓝蛋白等、醌类化合物光敏剂、富勒烯、五氮齿衍生物光敏剂如镥Ⅲ五氨齿、聚乙炔类光敏剂如苯庚三炔、噻吩类化合物光敏剂如α噻吩、中草药类光敏剂金丝桃素、假金丝桃素、大黄素、核黄素、芦荟大黄素等中的一种及其任二种或多种混合物。为了保证治疗的安全性和可靠性，在实际应用中，最优选的光敏剂是已经获得美国FDA批准、准许在临床进行光动力学治疗的光敏剂。

另外，为了使本发明肿瘤声动力治疗光敏剂向特定的肿瘤组织如肝肿瘤、肾肿瘤、骨肿瘤、乳腺癌和子宫肌瘤等，还可在该光敏剂中加入对所述的肿瘤组织或病灶部位有特异亲和性的物质，如识别肿瘤的抗体、肽等而形成的靶向增敏物质。

利用光敏物质作为光敏剂进行肿瘤声动力治疗的方法，是在患者的靶区进行低功率聚焦超声治疗前0～168小时，通过静脉滴注或靶组织内直接注入等方式给患者注射以上所述的作为增敏剂的光敏物质。

目前在光动力学疗法领域中广泛使用的各种光敏剂及其衍生的任何光敏物质均可以作为本发明的光敏剂，此外，这类光敏物质在超声波激活下发生声化学反应产生活性物质，可损伤靶组织血管内皮细胞，启动内源性或外源性凝血系统栓塞微血管。

本发明所述超声微泡造影剂是指应用于临床进行超声造影用的各种超声微泡造影剂。所述超声造影剂微泡包括：脂质超声造影剂微泡、人血白蛋白超声造影剂微泡、高分子材料超声造影剂微泡。

1.脂质超声造影剂微泡：包括各种用磷脂或磷脂类衍生物作为成膜材料的脂质微泡，例如：声诺维(SonoVue)、Definity、Imagent等，上面所述的磷脂或磷脂类衍生物，例如：1，2二棕榈酰基-sn-甘油基-3-磷脂酸甘油基-钠盐(DPPG)、1，2-二硬脂酰基-sn-甘油基-3-磷脂酸-钠盐(DPPA)、1，2-二棕榈酰基-sn-甘油基-3-磷脂酰胆碱(DPPC)等。

2.人血白蛋白超声造影剂微泡：包括各种用人血白蛋白作为成膜材料的超声微泡，如：Optison等。

3.高分子材料超声造影剂微泡：包括微泡壳成分中含有各种高分子作为成膜材料的超声微泡，如：POINT Biomedical公司的PB127、Acusphere公司的AI-700等。上面所述的高分子材料具体包括：分子量在3000至10000的聚乙二醇、乳酸/羟基乙酸共聚物(PLGA)、氰基丙烯酸酯等。

所述的超声造影剂微泡的气体内核成分包括：常温下呈气态的全氟丙烷、全氟丁烷和六氟化硫。

本发明优选的超声微泡造影剂是采用FDA批准临床应用的制剂。

本发明所述聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统中多频率聚焦超声换能器发射多种频率的聚焦超到靶组织，多频率聚焦超声换能器的一种优选结构方案是在同一个半球冠同一平面位置等距离嵌入多组发射不同频率超声波的压电晶体，每组相同频率的压电晶体，在同一球冠的同一平面等距离排列，形成该频率聚焦超声波，多组不同频率的压电晶体在同一球冠同一平面等距离排列，就会产生多频率超声波在同一焦点形成焦斑，而该焦斑内包括复合频率超声波、多频率超声组合方案，优越是双频250MHz/800KHz；或三频250KHz/500KH/750KHz。

多频率聚焦超声换能器的另一种优选结构方案，是在同一个半球冠内同一平面位置，等距离排列多个自聚焦或声透镜聚焦的聚焦超声换能器，实现不同频率聚焦超声通过球冠实现二次超声聚焦，在超声波焦斑内包括多频率聚焦超声波。

本发明所述聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统中，采用超声影像诊断装置作为定位装置，优选B型超声装置作为标准配置，可以选择彩超、三维立体超声作为定位装置，超声诊断探头安装在聚焦超声换能器的中央部位，用支架将超声诊断探头固定在聚焦超声换能器内，超声影像诊断装置采用市售的装置，显示超声诊断图像。

本发明所述聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统，应用立体定位支架固定多频聚焦超声换能器，立体定位支架的一种优选方案是采用支架作为立体定位架，弧形支架由弧形架和支撑架组成，弧形架靠支撑架支持，支撑架底部有万向轮，可自由移动，聚焦超声换能器依靠滑块套环与滑块相联接，滑块固定在弧形架，并可在弧形架上自由移动，聚焦超声换能器通过弧形支架，可以方便地在人体任何部位进行治疗，聚焦超声换能器通过耦合水垫与体表进行耦合治疗，耦合水袋由硅胶制备，通过充填不同的水容量，其高度可以调节，用于调节聚焦超声换能器的焦距。

立体定位支架的另一种优选方案是在治疗床下方设置可以运动的支架，聚焦超声换能器安装在支架上，通过支架的移动，确定治疗部位，进行治疗。

所述的支架上部边沿两边设有运动导轨，运动机构的底部设有滑轮，滑轮活动装在运动导轨上。所述的运动机构包括运动机构支架，运动机构支架上铰接了运动联杆，运动联杆上活动连接有运动丝杠，运动丝杠上装有聚焦超声换能器，运动机构支架的底部设有滑轮。

支架上方安装了上部运动部件总成，由纵向运动电机、运动同步带、纵向运动橡胶轮、沿运动导轨作纵向运动；由上下运动驱动电机带动运动丝杠、运动联杆实现上下运动。上部运动部件总成上组装了聚焦超声换能器。治疗前，根据病情可分区控制超声发射的强度和时间，可通过运动控制聚焦超声换能器与患者的距离，控制纵向运动的速度和运动范围，实现对患者的靶组织的定位。

本发明所述聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统中多频超声波发生控制单元，是一种基于直接数字合成(Direct Digital Synthesis，DDS)技术的智能超声波功率源，由直接数字合成信号发生电路、单片机控制电路、功率放大电路、超声波功率源与换能器匹配电路等部份组成，应用单片机AT89C51控制DDS芯片AD9850产生频率1KHz～1MHz的波形信号，功率放大采用半桥放大电路，其中功率开关使用MOSFET模块，通过输出变压器和电感组成的匹配网络驱动压电换能器激发超声波。有数个低频，数个中频和数个高频超声波频率可供选择，根据治疗计划需要进行选择。

本发明的有益效果是，利用光敏剂和微泡造影剂作为治疗媒介，通过多频率聚焦超声换能器发射低功率多种频率超声波激发光敏剂在肿瘤细胞产生光化学反应和诱导超声微泡造影剂在肿瘤组织周围产生声空化效应，导致肿瘤微循环栓塞，阻止肿瘤细胞转移，起到无创伤肿瘤治疗的良好效果，选择性杀伤肿瘤细胞的同时不伤害周围正常组织，为肿瘤临床治疗提供了一种高选择性、无创伤肿瘤治疗解决方案，可以帮助很多肿瘤切除手术后病人杀死体内残留的肿瘤组织或肿瘤细胞，预防肿瘤转移；同时为早期肿瘤病人提供一种无创伤肿瘤治疗方案，为那些肿瘤已经远外转移的病人，提供一条无创伤治疗远外转移病灶的解决方案。

附图说明

图1是本发明装置中多频压电晶体型聚焦超声换能器切面示意图

图2是本发明装置中多频压电晶体型聚焦超声换能器平面结构图。

图3是本发明装置中多频双重聚焦型超声换能器切面示意图

图4是本发明装置中多频双重聚焦型超声换能器平面结构图。

图5是本发明装置中弧形立体定位架示意图。

图6是本发明装置中治疗台底部运动支架顺向视图。

图7是本发明装置中治疗台底部运动支架逆向视图。

图8是本表明实施例1超声波治疗系统结构框图

图9是本表明实施例1超声波治疗系统原理图

图10是本表明实施例1超声波治疗系统内部连接示意图

图11是本表明实施例1超声波治疗系统内部模块通讯图

图12是本表明实施例1超声波治疗系统治疗模拟示意图

图1和图2分别显示的是多频压电晶体型聚焦超声换能器的切面示意图和平面结构图。图1中(01)和图2中(201)代表半球形钢性球冠，图1中在钢性球冠中，多个不同频率的压电晶体(02)和(03)排列在同一平面。图2显示的是二组相同频率压电晶体F1、F2、F3、F4和另一组频率相同的压电晶元组S1、S2、S3、S4排列在钢性球冠的同一平面，同一平面的压电晶体(02)和(03)，发射超声波(05)和(06)聚焦在靶组织(07)，图1中(04)和图2中(202)代表的是多个多频率压电晶体放置在同一平面。图1中的(08)和图2中(2.3)代表的是放置于聚焦换能器中央的超声诊断探头，用于对靶组织(07)的定位，根据临床需要，多个多频率超声换能器可以同时排列在钢性球冠的不同平面，发射超声波轴线穿越靶组织(07)的中点，形成多重压电晶体聚焦的效果，提高聚焦超声功率和声强。

图3和图4分别显示的是多频双重聚焦超声换能器的切面示意图和平面结构图，图中放置在钢性球冠(031)内壁的是聚焦型超声换能器(032)和(033)，采用自聚焦或声透镜聚焦方式，发射聚焦超声束(035)和(036)，双重聚焦在靶组织(037)，同频率聚焦超声换能器组F101、F102、F103和F104，与另一组同频率聚焦超声换能器组S101、S102、S103、S104，其中心轴线排列在钢性球冠同一平面(034)和(402)，超声诊断探头(038)和(403)，同样放置于钢性球冠中央，对靶组织(037)进行定位。

图5显示的是弧形立体定位架示意图，图中，弧形立体定位架(501)由弧形架(502)和支撑架(504)通过连接件(505)连接构成，弧形立体定位架(501)放置在治疗台(506)的上方，移动万向轮(507)，移动立体定位架至所需治疗部位，滑动支架(503)固定聚焦超声换能器(508)于弧形架，滑动支架可以自由沿弧形架上运动，从而将聚焦超声换能器(508)移动至规定的治疗位置，纵轴升降管(509)可以沿纵轴上下移动，带动聚焦超声换能器(508)在上下方向移动，调节聚焦超声波的焦距。

如图6、图7所示，移动支架上部边沿两边设有运动导轨，运动机构的底部设有滑轮(13)，滑轮(13)活动装在运动导轨上。所述的运动机构包括运动机构支架(12)，运动机构支架上铰接了运动联杆(10)，运动联杆上活动连接有运动丝杠(11)，运动丝杠上装有聚焦超声换能器，运动机构支架的底部设有滑轮(13)。可控制纵向运动电机(15)通过运动同步带(14)带动橡胶滑轮(13)作纵向运动。上部运动机构在运动机构支架上安装了运动联杆(10)，运动联杆(10)通过驱动电机(9)带动运动丝杆(11)使连接在运动联杆(10)上的聚焦超声换能器作上下运动，以调整与患者之间的距离。

具体实施方式

实施例1：多频聚焦超声治疗系统

本发明以超声波治疗系统为实施例1，说明超声波治疗系统的实施方式。

超声波治疗系统是用来接收、处理和发送治疗超声波信号和数据的系统，并根据控制指令控制治疗超声波输出，设计超声波治疗系统的目的有两个，一方面完成特定状态下相关参数的测量，从而为超声波治疗提供信息；另一方面则是基于超声波治疗系统对治疗超声波进行控制。

从功能上可以将超声波治疗系统分为主控制模块001、温度测量模块002、治疗部位指导模块003、脉冲占空比调节模块004、功率调节模块005、超声波发生控制模块006、超声波发生器007、警报模块008、人机界面009、治疗头定位光电开关模块010、中央定位激光模块011、超声换能器012。(见图8)。

图8中，超声波治疗系统通过治疗部位指导模块003指导治疗头当时应该所处的位置，温度测量换块02测量超声换能器外壳的温度，主控制模块001，根据预定程序确定当时治疗头位置，通过启动代表该位置指导激光定位束，明确指导治疗部位，治疗头定位光电开关模块接受该位置指导激光定位束，光电开关接通，通过I/O接口发出数字开关信号至主控制模块001，主控制模块001发出控制信号至超声波发生控制模块006，通过控制超声发生器007的工作，启动治疗超声波经超声换能器012照射治疗部位。

温度测量模块002定时测量超声换能器表面温度，将定时测量的温度数值传输至主控制模块001，主控制模块001对比预置的温度警报阈值，如果实时测量温度超过警报阈值，主控制模块001一方面通过超声波发生模块阻止超声波发生器007发射超声波功率，另一方面传送信号至警报模块008，通过人机界面009发出声光信号。

主控制模块001通过功率调节模块005，调整输出功率的数值，通过脉冲占空比调节模块004调节脉冲超声波输出的脉冲占空比，通过超声波发生控制模块006，控制治疗超声波功率的输出。

主控制模块001通过人机界面009，输入控制指令和显示实时工作状态及显示设置的参数，主控制模块001同样经I/O接口，经开关量控制器件，控制中央定位激光模块011和治疗部位指导模块003中激光发射器激光束的发射。

超声系统硬件由主处理机模块001和治疗部位指导模块003两个独立的模块组成，如图9所示，主处理机模块001，是以单片机作为微处理器的微型计算机系统作为控制单元，其硬件组成包括以单片机为核心组成的微计算机系统11、超声波电源及荡振器电路14、人机界面19、20和21、温度传感器16、激光发射管27。

所述的微计算机控制系统11，选择8位或16位单片机作为核心部件，选择的单片机最好采用SOC芯片(system on chip，系统级芯片)，内置8位～12位数/模转换器，构成数/模转换单元12，方便调节电压输出，内置PMW调节功能，可以方便地调节脉冲占空比，采用8051指令集或与其兼容的指令集，编程方便容易，内置闪存/电擦除(FLASH/EE)存储器，包括程序存储器和数据存储器，并且储存容量足够大，不需外接存储器。

所述的人机界面采用触摸式显示屏，既可输入指令又可显示各类参数和控制信息，或者采用触摸面板加LCD显示器，应用触摸面板输入控制指令，利用LCD显示各种参数；所述的温度传感器可以采用智能温度传感器，通过其输出口直接连接单片机的I/O口，定时测量温度；所述的激光发射器采用市售的点状激光发射器，自携透镜和外壳，直接安装在治疗头尾部正中；

所述的治疗部位指导模块003硬件由点状激光发射器(红色激光)组成的治疗部位指导器29(感探测器)、数字开关28(数字量信号采集器)、I/O接口27、微处理机17以及中央定位激光发射器电源(绿色激光)组成。所述治疗部位指导器29，由点状激光发射器(红色激光)组成，主控制模块001，根据预定程序确定当时治疗头位置，通过启动代表该位置指导激光定位束，明确指导治疗部位，治疗头定位光电开关模块接受该位置指导激光定位束，光电开关接通，通过I/O接口发出数字开关信号至主控制模块001，主控制模块001发出控制信号至超声波发生控制模块006，通过控制超声发生器07的工作，启动治疗超声波经超声换能器012照射治疗部位。

本系统的目的就在于提供一种智能化治疗超声波控制装置，使其可以随意地控制超声波发生的能量，调制频率以及作用方式，并采用闭环方式实现自动控制和锁定超声的发生状态，进而控制超声波仪器按照使用需求达到最佳的工作状态。本系统的进一步目的在于提供一种智能化治疗超声波控制装置，通过应用治疗部位指导模块装置，自动选择治疗部位，在选定的治疗部位自动定时发射超声波，避免同一部位重复治疗现象出现，防止选定治疗部位以外的区域受到超声波发射，提高了超声波治疗仪的安全性，可靠性和准确度。

为了达到上述目的，本系统提供了一种智能化超声波控制装置，至少包括电源与振荡器单元、换能器、传感器、该电源及振荡器通过线缆同时与换能器和传感器相连，换能器与传感器连接；该装置还进一步包括主处理机、数/模转换模块、接口控制单元、监控单元和治疗部位指导模块。

所述的监控单元至少包括功率显示单元、时域显示单元、治疗时间显示单元和输出方式显示单元，换能器温度显示单元，分别通过LCD显示器，定时显示超声波输出功率(W)，时域(脉冲频率占空比值)，设定的治疗时间和超声波输出方式(连续/间断)，显示单元与显示器相连，显示器为CRT或LCD点阵显示器。

所述的治疗部位指导模块是一个单独拥有微处理器的工作模块，该模块通过治疗部位指导器发射的定位激光束，指导治疗部位，准确指导治疗头所在治疗部位，微处理器发送启动信号经通用模块传输至主处理机，启动超声波功率振荡器，发射超声波，并以声光显示方式显示该部位治疗正在进行，发射时间由设定的延时数值控制，当定时超声功率发射完成后，自动停止发射超声波功率。

本系统还可包括一用户输入装置，该用户输入装置用来设置参数和控制设备，该用户输入装置采用触摸屏作为用户输入装置。

本系统采用闭环方式进行自动控制，第一个反馈控制环是超声换能器温度自动控制系统，安装在换能器外壳表面的温度传感器持续监测换能器外壳温度，主控制模块对比预置的温度警报阈值，如果实时测量温度超过警报阈值。

图10，图11和图12所示可见，本装置主要由主处理机11、数/模转换单元12、接口控制单元13、换能器温度传感器16、治疗部位指导模块17、用户输入装置19、显示装置20、蜂鸣器21组成。主处理机11通过接口控制单元，驱动和控制电源及振荡器14产生超声波功率输出至超声波换能器15，将高频电振荡转化为超声波振荡，同时，控制超声治疗头内置的治疗头定位光电开关模块。

图11中所示的监测单元18，通过显示装置20，显示多种超声波装置工作状态；通过功率显示单元181显示超声波的输出功率；通过换能器温度显示单元182显示换能器实时工作温度；通过时域显示单元183显示调制脉冲占空比数值；通过治疗时间显示单元184，实时显示当前设置的治疗时间数值；通过输出方式显示单元185，显示目前超声波属于连续输出方式和间断输出方式；通过警报单元22，经蜂鸣器21和显示装置20发出声光警报。

实施例2：超声照射血卟啉杀伤肿瘤细胞实验

一.设备

1.实验组设备：

聚焦超声无创治疗系统作为超声波功率源，以聚焦超声换能器同步放射两组不同频率(250KHz和800KHz)的聚焦超声波。

2.对照组设备：

以不发射超声波塑料试管作为对照组。

二.实验环境及实验材料

1.实验环境

应用吸声水箱(200×200×100)cm作为实验场所，水箱内注满去离子水，水箱内固定的支架用来放置塑料试管。

2.实验材料

通过培养方式收集人体肿瘤细胞K562，分别放置在注满去气泡去离子水的塑料试管中，固定在水箱的支架上。

3.实验方法

(1)实验组：应用上述实验组设备，调节聚焦超声换能器的焦斑于塑料试管，同时调节两个超声换能器的纵轴指向塑料试管，启动两个超声换能器发射超声波(焦距8cm，峰值声强5W/cm²，脉冲调制占空比20％，焦斑范围2×2×3mm)，发射时间20分钟，每发射一分钟后停止放射2分钟，共发射10分钟。取血卟啉浓度分别为50μg/ml/100μg/ml和200μg/ml，使用聚焦超声无创治疗系统作为超声波功率源，，同步放射两组不同频率(250KHz和800KHz)的聚焦超声波，声强1.5W/cm²，超声辐照时间为0s、15s、30s、60s，实验研究对人体肿瘤细胞K562的杀伤任用。

(2)对照组：取血卟啉浓度分别为50μg/ml/100μg/ml和200μg/ml在试管内，不发射超声波。

三.实验结果

分别将实验组和对照组的人体肿瘤细胞K562在500倍速显微镜下进行检查，结果表明，单纯血卟啉而无超声辐照时，没有杀伤任用；有血卟啉再同时施以超声辐照，杀伤作用随辐照时间增加而增大；此外，在相同的超声辐照条件下，杀伤任用随血卟啉浓度增加而增大。而当取血卟啉浓度为200μg/ml，超声辐照时间为60s时，可观察到最佳的杀伤结果，杀伤率达到98％，而仅有超声辐照没有血卟啉时，杀伤率仅为42％。

四.结论

应用通过多频率聚焦超声换能器发射低功率多种频率超声波激发光敏剂在肿瘤细胞产生光化学反应效果显著，对周围血管组织没有损伤，是一种无创伤肿瘤治疗的良好解决方案。

Claims (10)

1.一种聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统，其特征是，联合应用光敏剂和超声微泡造影剂作为肿瘤治疗媒介，在治疗前给患者分别注射光敏剂和超声微泡造影剂，应用超声诊断探头，探测治疗部位和进行立体定位，通过多频率聚焦超声换能器发射低功率多种频率造声波激发光敏剂在肿瘤细胞产生光化学反应和诱导超声微泡造影剂在肿瘤组织周围产生声空化效应，导致肿瘤微循环栓塞，阻止肿瘤细胞转移，起到无创伤肿瘤治疗的良好效果。

2.按照权利要求1所述的聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统，其特征是，本发明所述的聚焦超声无创伤声动力学肿瘤治疗系统由光敏剂、超声微泡造影剂、多频率聚焦超声换能器、多频率智能化超声波功率源，立体定位支架、超声诊断探头和超声影像装置组成。

3.按照权利要求1所述的聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统，其特征是，本发明所述的聚焦超声无创伤声动力治疗系统的治疗程序是，在治疗前2小时～72小时注射光敏剂，在治疗前数分钟～数小时注射超声微泡造影剂，利用安装在换能器内的超声诊断探头，探测肿瘤组织(或手术切除部位)的位置，调整聚焦超声换能器超声波焦距，发射低功率多频率聚焦超声至靶组织，激发光敏剂产生单态氧，杀伤肿瘤细胞，诱导微泡造影剂产生空泡效应，阻塞肿瘤微循环，获得治疗肿瘤效果。

4.按照权利要求1所述的聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统，其特征是，本发明所述聚焦超声无创伤声动力学肿瘤治疗系统中应用的光敏剂属于光敏物质，光敏物质传统上是一类含有光敏成分，能被一定波长激活发生光氧化反应产生活性氧的任何物质，本发明中所涉及的光敏剂是含有光敏成分能选择性在良/恶性增生性组织中潴留并能被一定波长的激活下生产活性氧杀伤增生性组织细胞的光敏物质，主要应用于良/恶性增生性疾病的光动力治疗。

5.按照权利要求1所述的聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统，其特征是，为了使本发明肿瘤声动力治疗光敏剂靶向特定的肿瘤组织如肝肿瘤、肾肿瘤、骨肿瘤、乳腺癌和子宫肌瘤等，还可在该光敏剂中加入对所述的肿瘤组织或病灶部位有特异亲和性的物质，如识别肿瘤的抗体、肽等而形成的靶向增敏物质。

6.按照权利要求1所述的聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统，其特征是，本发明所述超声微泡造影剂是指应用于临床进行超声造影用的各种超声微泡造影剂，所述超声造影剂微泡包括：脂质超声造影剂微泡、人血白蛋白超声造影剂微泡、高分子材料超声造影剂微泡，本发明优选的超声微泡造影剂是采用FDA批准临床应用的制剂。

7.按照权利要求1所述的聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统，其特征是，本发明所述聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统中多频率聚焦超声换能器发射多种频率的聚焦超声波到靶组织，多频率聚焦超声换能器的一种优选结构方案是在同一个半球冠同一平面位置等距离嵌入多组发射不同频率超声波的压电晶体，每组相同频率的压电晶体，在同一球冠的同一平面等距离排列，形成该频率聚焦超声波，多组不同频率的压电晶体在同一球冠同一平面等距离排列，就会产生多频率超声波在同一焦点形成焦斑，而该焦斑内包括复合频率超声波、多频率超声组合方案，优越是双频250MHz/800KHz，或三频250KHz/500KH/750KHz，多频率聚焦超声换能器的另一种优选结构方案，是在同一个半球冠内同一平面位置，等距离排列多个自聚焦或声透镜聚焦的聚焦超声换能器，实现不同频率聚焦超声通过球冠实现二次超声聚焦，在超声波焦斑内包括多频率聚焦超声波。

8.按照权利要求1所述的聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统，其特征是，本发明所述聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统中采用超声影像诊断装置作为定位装置，优选B型超声装置作为标准配置，可以选择彩超、三维立体超声作为定位装置，超声诊断探头安装在聚焦超声换能器的中央部位，用支架将超声诊断探头固定在聚焦超声换能器内，超声影像诊断装置采用市售的装置，显示超声诊断图像。

9.按照权利要求1所述的聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统，其特征是，本发明所述聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统，应用立体定位支架固定多频聚焦超声换能器，立体定位支架的一种优选方案是采用支架作为立体定位架，弧形支架由弧形架和支撑架组成，弧形架靠支撑架支持，支撑架底部有万向轮，可自由移动，聚焦超声换能器依靠滑块套环与滑块相联接，滑块固定在弧形架，并可在弧形架上自由移动，聚焦超声换能器通过弧形支架，可以方便地在人体任何部位进行治疗，聚焦超声换能器通过耦合水垫与体表进行耦合治疗，耦合水袋由硅胶制备，通过充填不同的水容量，其高度可以调节，用于调节聚焦超声换能器的焦距，立体定位支架的另一种优选方案是在治疗床下方设置可以运动的支架，聚焦超声换能器安装在支架上，通过支架的移动，确定治疗部位，进行治疗。

10.按照权利要求1所述的聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统，其特征是，本发明所述聚焦超声无创伤声动力肿瘤治疗系统中立体定位支架的另一种优选方案是在治疗床下方设置可以运动的支架，聚焦超声换能器安装在支架上，通过支架的移动，确定治疗部位，进行治疗，应用立体定位支架固定多频聚焦超声换能器，所述的支架上部边沿两边设有运动导轨，运动机构的底部设有滑轮，滑轮活动装在运动导轨上，所述的运动机构包括运动机构支架，运动机构支架上铰接了运动联杆，运动联杆上活动连接有运动丝杠，运动丝杠上装有聚焦超声换能器，运动机构支架的底部设有滑轮，支架上方安装了上部运动部件总成，由纵向运动电机、运动同步带、纵向运动橡胶轮、沿运动导轨作纵向运动，由上下运动驱动电机带动运动丝杠、运动联杆实现上下运动，上部运动部件总成上组装了聚焦超声换能器，治疗前，根据病情可分区控制超声发射的强度和时间，可通过运动控制聚焦超声换能器与患者的距离，控制纵向运动的速度和运动范围，实现对患者的靶组织的定位。

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