CN102580261A

CN102580261A - 一种适用于浅表肿瘤治疗的聚焦超声换能器装置

Info

Publication number: CN102580261A
Application number: CN2012100933071A
Authority: CN
Inventors: 牛金海; 吴敏; 郭腾飞; 李钦山; 朱雅靖; 萧菡
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明提出一种适用于浅表肿瘤治疗的聚焦超声换能器装置，包括：组合探头外壳、治疗用压电陶瓷晶片、腔内B超探头、可插拔介质铝、背向吸声材料、耦合剂，其中，所述腔内B超探头内嵌于所述治疗用压电陶瓷晶片中并固定构成；所述可插拔介质铝紧密安装在所述治疗用压电陶瓷晶片内侧，并设置为可插拔式；所述可插拔介质铝与肿瘤细胞之间添加耦合剂以使两者充分接触；所述治疗用压电陶瓷晶片背面配有背向吸声材料。本发明采用2MHz，利用球型压电陶瓷晶片的超声热效应治疗浅表肿瘤，在治疗用换能器中心组合小型腔内B超探头，能够实现组织的对准和对变形情况的监控。本发明体积小，使用方便，在临床上有广泛的应用前景。

Description

一种适用于浅表肿瘤治疗的聚焦超声换能器装置

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域的装置，涉及到高强度聚焦超声治疗技术，且特别涉及一种适用于浅表肿瘤治疗的聚焦超声换能器装置。

背景技术

超声热疗具有无创，高效，可控等优势，通过聚焦超声技术使肿瘤能加热到有效的治疗温度。然而，超声聚焦换能器多应用于妇科疾病、肝癌、乳腺癌、胰腺癌、肾癌、软组织肿瘤等方面，对于浅表肿瘤的治疗还没有显著的发展。

现有技术中有采用一种聚焦超声治疗头，该技术通过压电陶瓷片将高频电能转换成相同频率的超声波，再经过压电陶瓷片座聚焦后通过导声液介质传播到声波约束罩头部后实现治疗功能。但是该技术存在明显不足：用于治疗皮肤病和妇科疾病等病症的该超声治疗头，外形为手枪形状，不便于深入口腔颌部，体积较大，应用起来很不方便。现有技术还提出一种超声波妇科及皮肤病变治疗仪，该技术通过控制单元实现电功率自适应控制，但是该技术存在明显的不足：第一，驱动组合聚焦超声治疗头的高频电功率缺乏有效的监控，即系统只能判别其电功率的有无，无法明确探测其高频电功率的数值大小，进而可能当电功率数值失控时造成对浅表主旨的损伤或达不到预期效果，也就是说，安全性有待进一步提高；第二，电信号产生部分大多采用模拟技术实现，这样在脉宽、频率及幅度等指标上的误差较大且调整不变，不利于系统动态实时精确地控制，也就是说，控制有效性有待进一步提高。

发明内容

本发明提出一种适用于浅表肿瘤治疗的聚焦超声换能器装置，针对现有技术的不足，提供一种适用于浅表肿瘤治疗的聚焦超声探头，采用适宜大小的压电陶瓷晶片来实现口腔内部的肿瘤治疗，并利用B超来实现病变组织的对准与对变性情况的实时监控，从而增强治疗的安全性和有效性，所用装置小巧灵活，实用性强。

为了达到上述目的，本发明提出一种适用于浅表肿瘤治疗的聚焦超声换能器装置，包括：

组合探头外壳、治疗用压电陶瓷晶片、腔内B超探头、可插拔介质铝、背向吸声材料、耦合剂，其中，

所述腔内B超探头内嵌于所述治疗用压电陶瓷晶片中并固定构成；

所述可插拔介质铝紧密安装在所述治疗用压电陶瓷晶片内侧，并设置为可插拔式；

所述可插拔介质铝与肿瘤细胞之间添加耦合剂以使两者充分接触；

所述治疗用压电陶瓷晶片背面配有背向吸声材料。

进一步的，所述可插拔介质铝一侧与所述治疗用压电陶瓷晶片内侧充分吻合，另一侧中心部位制成球状面。

进一步的，所述治疗用压电陶瓷晶片的频率为2MHz，焦点位置固定且为3cm，横向半径1.5cm。

进一步的，所述腔内B超探头的频率为3M-5MHz，并通过B超与计算机相连接。

进一步的，所述耦合剂上附着设置有温度传感器，用于监测治疗温度。

进一步的，所述组合探头外壳与背向吸声材料之间设置有绝缘层。

本发明比较现有技术的优势在于：

1、本发明为用于浅表肿瘤治疗的聚焦超声换能器，探头设计小巧，便于深入口腔治疗。

2、治疗用压电陶瓷晶片和B超探头互不干扰，设计合理，同时能够有效地对肿瘤变性情况的监控。

3、采用铝作为介质，不同于传统的水浸式聚焦换能器，形状更为固定，便于操作，并且超声在铝中传播速度较快，提高了超声热疗的效率。

4、介质铝设计为可插拔式，根据病灶组织的深度选用不同厚度的介质铝，从而使本发明应用范围更广，灵活方便。

5、本发明采用的压电陶瓷晶片为球型自聚焦设计，减少了透镜等部件引起的超声衰减。

6、体表设置温度传感器，能有效避免对表皮的灼伤、溃疡以及疼痛等不良反应。

7、本发明用于治疗口腔颌面部肿瘤组织，肿瘤深度一般不超过5cm，超声衰减小，因而本发明采用高频聚焦超声治疗，适合浅表肿瘤的治疗。

附图说明

图1所示为本发明较佳实施例的聚焦超声换能器装置结构示意图。

图2所示为本发明较佳实施例的聚焦超声换能器装置焦域示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的聚焦超声换能器装置结构示意图。本发明提出一种适用于浅表肿瘤治疗的聚焦超声换能器装置，包括：组合探头外壳60、治疗用压电陶瓷晶片20、腔内B超探头80、可插拔介质铝30、背向吸声材料10、耦合剂40，其中，所述腔内B超探头80内嵌于所述治疗用压电陶瓷晶片20中并固定构成；所述可插拔介质铝30紧密安装在所述治疗用压电陶瓷晶片20内侧，并设置为可插拔式；所述可插拔介质铝30与肿瘤细胞50之间添加耦合剂40以使两者充分接触；所述治疗用压电陶瓷晶片20背面配有背向吸声材料10。

根据本发明较佳实施例，所述可插拔介质铝30一侧与治疗用压电陶瓷晶片20内侧充分吻合，另一侧中心部位制成球状面，以有效防止B超发出超声波的反射及折射。此外，可插拔介质铝30设计为可插拔式，根据肿瘤组织的大小和深度选用不同厚度的介质铝，使焦点70对准组织。

所述治疗用压电陶瓷晶片20的频率为2MHz，焦点位置固定且为3cm，横向半径1.5cm。所述腔内B超探头80的频率为3M-5MHz可调，与聚焦超声不互相干涉，可用于对准肿瘤组织，以确定使用可插拔介质铝30的厚度，同时可用于实时观测聚焦超声治疗口腔颌面部肿瘤过程中生物组织的变性情况，其通过B超与计算机相连接。所述耦合剂40上附着设置有温度传感器90，用于监测治疗温度，进行无创测温，从而避免对表皮的灼伤。所述组合探头外壳60与背向吸声材料10之间设置有绝缘层。

本发明中将用于治疗的压电超声聚焦换能器探头和B超探头组合起来，使压电陶瓷晶片的焦点位于B超扫瞄平面，从而，B超能采集到待治疗生物组织焦域的图像，也就是待治疗生物组织中的“病灶”图像，本发明将介质铝安装在治疗用压电陶瓷晶片前方，并且将铝的前端中心部分制成部分球面状，这样可以保证B超探头发射的超声波在传播过程中不发生折射或反射。

请参考图2，图2所示为本发明较佳实施例的聚焦超声换能器装置焦域示意图。以下为压电陶瓷晶片与介质铝构成的治疗用超声换能器的相关数据及计算：

采用铝浸式自聚焦有源球面聚焦换能器，用部分球壳压电陶瓷元件直接作为超声辐射器。换能器的振动频率为2MHz，介质为铝。

超声波在组织中的声速为1540m/s，因而，辐射声波波长λ＝c/f＝0.77mm；

球面自聚焦换能器的曲率半径R＝3cm，横向半径a＝1.5cm，D＝2a＝3cm；

设计时将换能器作为一个三端网络来对待。

假设：

压电晶片选用：钛酸铅(PbTiO₃)，基本参数为：密度ρ＝7.6×10⁵kg/m³，压电常数d＝51，介电常数ε^s/ε₀＝140，纵波声速C’＝4300m/s；机电耦合系数k_i＝0.46；机械品质因数Q_m＝1050；电学品质因数Q_e＝300；居里温度点T_e＝490。其压电晶片厚度d为：

d＝λ/2＝c/2f＝1.075mm

表1压电晶片参数表

将压电元件直接做成球面形状，此时换能器的几何焦距就是压电元件的曲率半径，即：

F＝R＝3cm

以下为本发明产生的焦斑大小的相关说明：

(A)横向大小：

r₀＝0.257λf/a；

本发明中，换能器半径(聚焦系统孔径的一半)a＝1.5cm，波长λ＝0.77mm，系统的焦距f＝3cm；

因而，可以得到：

r₀＝0.257λf/a＝0.257×0.77mm×3cm/1.5cm＝0.396mm；

(B)径向大小：

L_f＝1.8λ(f/a)²

本发明中，波长λ＝0.77mm，聚焦系统孔径的一半a＝1.5cm，系统焦距f＝3cm；

因而，可以得到：

L_f＝1.8λ(f/a)²＝1.8×0.77mm×(3cm/1.5cm)²＝5.54mm

此外，背向吸声材料采用：环氧树脂+钨粉；外壳材料采用：铜；绝缘层采用：有机玻璃。

本发明提出的适用于浅表肿瘤治疗的聚焦超声换能器装置，其操作过程如下：

(1)首先，使用小型腔内B超探头对肿瘤组织的方位、大小等做出判断；

(2)根据B超判断结果，选用不同厚度的可插拔介质铝，使焦点对准需治疗的组织；

(3)通过CT、磁共振等相关计算机诊断，确定超声剂量(即：辐射功率与持续时间)，超声剂量相关数据为通过动物实验得到的经验数据；

(4)使用治疗用压电换能器对肿瘤组织进行治疗，利用超声热效应对一个焦点使用单位超声剂量加热好后，再转移到下一个焦点进行治疗。

(5)使用治疗用压电换能器进行治疗的同时，利用小型腔内B超探头以及温度传感器对变性情况进行监测，如果发现对一个焦点的治疗没有达到要求时，可再增加一个超声剂量的治疗，以使治疗效果更为理想。

(6)治疗过程中，使用温度传感器测量治疗温度，实时监控，有效避免表皮的灼伤。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种适用于浅表肿瘤治疗的聚焦超声换能器装置，其特征在于，包括：

所述治疗用压电陶瓷晶片背面配有背向吸声材料。

2.根据权利要求1所述的适用于浅表肿瘤治疗的聚焦超声换能器装置，其特征在于，所述可插拔介质铝一侧与所述治疗用压电陶瓷晶片内侧充分吻合，另一侧中心部位制成球状面。

3.根据权利要求1所述的适用于浅表肿瘤治疗的聚焦超声换能器装置，其特征在于，所述治疗用压电陶瓷晶片的频率为2MHz，焦点位置固定且为3cm，横向半径1.5cm。

4.根据权利要求1所述的适用于浅表肿瘤治疗的聚焦超声换能器装置，其特征在于，所述腔内B超探头的频率为3M-5MHz，并通过B超与计算机相连接。

5.根据权利要求1所述的适用于浅表肿瘤治疗的聚焦超声换能器装置，其特征在于，所述耦合剂上附着设置有温度传感器，用于监测治疗温度。

6.根据权利要求1所述的适用于浅表肿瘤治疗的聚焦超声换能器装置，其特征在于，所述组合探头外壳与背向吸声材料之间设置有绝缘层。