CN102596430B - 由瓷片平铺部分形成的弯曲超声hifu换能器 - Google Patents
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Abstract
一种弯曲高强度聚焦超声（HIFU）换能器包括：多个弯曲复合陶瓷压电瓷片，其具有相对的凸起表面和凹入表面，每个瓷片在表面上具有与复合陶瓷压电材料电耦合的电极，以及多个声发射区域，其位于每个瓷片上并且通过凸起表面上的电极致动，通过进入复合陶瓷压电材料中的切口将所述发射区域和电极与周围区域声学隔离，所述多个瓷片适配在一起以形成发射HIFU声能量的基本连续的弯曲复合压电表面。
Description
本发明涉及医学诊断超声系统，并且，具体而言，涉及用于通过被称为HIFU的高强度聚焦超声来受控加热身体组织的超声换能器。
超声递送升高温度的处置被用于各种治疗目的。在HIFU处置中，将超声能量聚焦于身体之内的小点从而加热组织至足以产生期望治疗效果的温度。该技术类似于碎石术，其聚焦能量高到足以打碎肾结石，但是用的是在延长时间上递送的相当小的能量而不是快速脉冲。该HIFU技术能够用于选择性地破坏身体内部不需要的组织。例如，能够通过施加聚焦超声能量从而将细胞加热至足以杀死组织的温度，通常是大约60到大约80摄氏度，来破坏肿瘤或者其他病理组织，但是不破坏邻近的正常组织。其他升高温度的处置包括选择性地加热组织从而在受试者身体的选定部分中选择性地激活药物或者促进一些其他生理学变化。
HIFU换能器通常形成为球形或者抛物线盘形，其具有的曲率半径给出了换能器的几何焦点。见，例如在国际专利申请公开号WO 98/52465（Acker等）中描述的HIFU换能器。在这一公开中描述的换能器由多个固定在具有期望曲率的框架上的换能器部分形成。当能够用不同相位和幅值的驱动信号来分别对各个部分或者在该部分中的换能器元件进行供能时，能够以相控阵的方式来引导和聚集整个换能器，从而围绕标称几何焦点引导能量焦点。
需要很多的换能器部分来提供被该换能器递送的高能量。Acker等的公开中的换能器的直径是大约15cm并且具有很多围绕其盘形框架放置的换能器部分。必须将每个换能器部分连接至信号导线，并且每个必须适当地工作以实现期望焦点用于加热。这提出了显著的制造和构建努力并且需要用心的质量控制以及测试以验证每个部分是完全可用的。因此将期望提供能够由更少的用于组装的换能器部件形成的换能器结构。每个部件必须能够简单制造、测试和组装。优选地，该换能器元件在电驱动能到聚焦声能的转换中是高效率的。在Acker等的换能器结构中，换能器例如由压电薄膜、聚偏二氟乙烯（PVDF）来制成。虽然PVDF薄膜是柔性的并且可以有利地形成为弯曲HIFU换能器的形状，但是该材料通常呈现出不良的耦合系数以及低介电常数。因此，该材料的用于发射超声的转换效率可能只有20%或者更低。未被转换为声能的驱动能量将被产生为热，引起压电薄膜和该压电薄膜所附接的背衬的加热。将进一步期望减少HIFU换能器中的这种加热。
根据本发明的原理，描述了一种球形HIFU换能器，其由少量的复合陶瓷压电瓷片形成。该瓷片在二维上弯曲从而它们将适配在一起以形成具有期望几何焦点的期望球形发射表面。可以在组装前分别制造和测试每个瓷片，确保完整的换能器将在组装之后如指定地充分起作用。这种复合陶瓷压电瓷片在发射期间可以呈现80-85%的能量转换效率。
在图中：
图1透视地图示了用于本发明的HIFU换能器的单独形成的球形换能器匹配层；
图2a图示了已经被切成块以形成用于本发明的HIFU换能器的复合换能器阵列的陶瓷压电材料片状物的端视图；
图2b图示了具有根据本发明原理而构建的无磁性通路的复合换能器阵列；
图3图示了具有根据本发明原理而构建的发射元件和无磁性通路的复合换能器阵列；
图4图示了用于本发明的HIFU换能器的在球形定形之前的复合压电瓷片；
图5以横截面图示了用于本发明的HIFU换能器的复合压电瓷片在匹配层上的放置；
图6透视地图示了本发明的九瓷片HIFU换能器的后部；
图7a和7b图示了用于本发明的HIFU换能器的弯曲印刷电路板的前表面和后表面，该弯曲印刷电路板具有伸出的顺应性触头；
图8透视地图示了本发明的HIFU换能器的后部，具有被附接以用于图7a和7b的印刷电路板的支撑框架；
图9详细图示了印刷电路板的伸出的顺应性触头与本发明的HIFU换能器的换能器区域的连接；
图10是本发明的具有外围框架和背面管罩（duct cover）的HIFU换能器的部分横截面和透视图；
图11是图10的背面管罩的主视图；
图12是图10的HIFU换能器的横截面视图；
图12a是图12的HIFU换能器的外围的放大视图；
图13是安装在患者支撑台中的本发明的HIFU换能器的透视图。
构建本发明的HIFU换能器可从制造球形或者盘形匹配层开始。换能器的该（一个或多个）匹配层至少提供压电换能器的声学特性与患者身体的声学特性的部分匹配或换能器与患者之间的介质。匹配的特性可包括声阻抗、声速以及材料密度。在超声换能器的常规构建中，匹配层通常形成在换能器堆上并且形成在压电材料发射表面上的参考电极之上。对于在本公开中描述的HIFU换能器，球形匹配层由其自身形成，并且与换能器的其余部分分离。有几种方式来形成该球形匹配层，包括铸造、模制、热成型、或者机加工。在本文中描述的HIFU换能器的球形匹配层由掺杂有粒子的掺杂环氧树脂制成，该粒子给该匹配层提供了现有技术中已知的其期望声学特性。该粒子优选是无磁性的。在铸造或者模制该球形匹配层时，将该掺杂环氧树脂倒入具有期望球形形状的凹入夹具（fixture）。将凸起夹具靠紧在该凹入夹具之上，迫使液态环氧树脂填充该两个夹具之间的球形空间。固化该环氧树脂并且将其从夹具中移走，然后将该环氧树脂外围机加工成其最终形状。在热成型处理中，由掺杂环氧树脂形成具有期望厚度的平面片状物，然后将其部分固化。然后将该片状物放在具有期望曲率的被加热的凸起或者凹入夹具上，该片状物被该夹具加热从而变得易弯曲并且顺应夹具的曲率。当片状物已经达到其期望的球形形状时，将其固化并完成。在机加工处理中，铸造或者模制并且固化掺杂环氧树脂盘。然后机加工该盘的一个侧面以形成凸起表面。然后将该盘放在凹入夹具上并且机加工该盘的另一侧面以形成球形匹配层的凹入侧面。在构建实施例中，通过任意这些处理而完成的球形匹配层有0.5mm厚，具有140mm的直径，以及140mm的球形半径，所完成的HIFU换能器的尺寸和形状。图1图示了这种球形匹配层10。凹入表面12是所完成的换能器的发射表面，其面对患者，并且凸起表面14被溅射以形成冗余信号返回电极，然后被覆盖复合压电瓷片。该刚性匹配层因而提供了用于组装压电瓷片层的期望曲率的形式。由于瓷片之前的匹配层10是连续形成的表面，因此其提供了HIFU换能器的其余部分与患者以及该HIFU换能器之前的外部环境的期望电绝缘和环境隔离。
复合压电换能器阵列的构建从如图2a和2b所示的陶瓷压电材料片状物30开始。在构建的换能器中，片状物30为1.2mm厚（T）。首先，在期望具有电连接的位置处从换能器的后部到前部（发射侧）钻出穿过片状物30的若干孔。然后向该孔填入填充有银的环氧树脂以形成穿过片状物的通路32。该银填充提供了导电性并且对于在MRI系统的磁场中的操作而言是非磁性的。可使用其他非磁性传导材料用于该传导性填充。固化该银环氧树脂。然后用在图2a的片状物30的边缘视图中所示的一个方向中的平行切口16来将该片状物在厚度的一部分上切成块。然后用在正交方向上的平行切口将该片状物部分穿过地切成块，形成多个向上突起的压电柱18和通路32。然后给切块切口填充非传导环氧树脂并且固化。然后将该片状物的顶表面和底表面机加工为平坦的，至图2a中虚线34所指示的深度。这将导致图2b中所示的完成片状物，其具有环氧树脂36中的压电柱18和传导传导通路32的基质（matrix）。所完成的片状物包括压电柱的1:3基质，该压电柱的每一个在其纵向方向上穿过片状物的厚度具有其主导振动模式，并且其主要在朝着换能器前（面对患者）侧的方向上发射超声。复合材料的这一主要振动模式减少了横过该阵列对该阵列的其他作用区域的不期望的侧向发射。
将平坦复合压电片状物30机加工为图4的复合压电瓷片40的外围形状所示的梯形形状。在构建的HIFU换能器中，该瓷片具有图4的梯形形状以允许如以下所描述的圆球形中心瓷片。可选地，可将每个瓷片机加工为馅饼切片的形状，从而该瓷片将覆盖匹配层而不需要中心瓷片。该瓷片也可以采用布置为覆盖球形表面的其他几何形状，包括但不限于，如足球的面所示范的混合了六边形的五边形。图4的平坦梯形瓷片然后给出了其期望的球形曲率。由于复合换能器由环氧树脂的基质形成，因此能够加热该瓷片以软化环氧树脂从而能够使该瓷片顺应期望的曲率。这可以通过将瓷片40放置在被加热的凹入或者凸起夹具上，然后挤压该瓷片以顺应凹入或者凸起形状来实现。在将该瓷片保持在期望曲率的同时，冷却夹具并且允许环氧树脂完全固化。结果是用于球形HIFU换能器的球形形状的复合压电瓷片。
在已经弯曲瓷片之后，通过将传导材料溅射在如图3的片状物30所示的片状物的表面上而将顶表面和底表面38金属化。该传导材料优选是非磁性的，例如金或者钛/金。金属化的表面通过传导通路32电连接，该通路提供了从复合片状物的后表面到前部的电连接。然后通过在期望作用区域周围从瓷片后（凸起）表面进行金刚石钻头钻孔、激光钻孔或者超声机加工来隔离出该复合压电片状物的作用（发射和接收）区域。图3和4中示出了若干这种限定的作用区域44。限定了作用区域的切口42切穿片状物表面的包镀金属以将该区域电绝缘，并且优选延伸穿过复合片状物的一半从而将该作用区域与片状物的周围区域和其他作用区域声学隔离。可选地，能够在将瓷片结合至匹配层之后将作用区域电绝缘和声学隔离。
在构建的瓷片中，作用区域44并不以行或者列或者圆形或者其他规则样式对称地布置，而是如图4所示的不规则地或者随意地布置。该随意样式防止作用区域的声学旁瓣的任意显著附加组合，该组合将减小由HIFU换能器递送的有效能量。
然后将八个球形梯形瓷片40围绕匹配层10的凸起表面14彼此邻近地稀疏结合，因而提供了瓷片的组装形式。在球形瓷片40是如以上描述的馅饼形状的情况下，该瓷片将完全覆盖匹配层10的凸起侧。当球形瓷片是如图4所示的梯形时，它们将覆盖匹配层的除了该匹配层中心之外的凸起侧。可以让这一圆球形空间是敞开的。可选地，其能够被覆盖有圆球形的热导体，例如用于冷却的铝。返回的声能量由于HIFU换能器的球形几何形状将倾向于被聚焦到该HIFU换能器的中心。在这里设置热导体可以帮助冷却HIFU换能器。可选地，圆球形复合压电瓷片48能够填充这一空间。例如，图3的具有其自己的作用区域的圆形片状物能够形成为球形形状并且定位在这里，提供匹配层10的完全复合压电覆盖，如图5中匹配层10上的梯形和圆形瓷片的横截面视图所示。在构建的这一完全覆盖设计的换能器中，九个瓷片给HIFU换能器提供了265个作用区域，256个用于发射并且九个用于接收。
在图3中可见，通路32被定位从而将后表面上作用区域周围的金属化区域连接到瓷片的前（面对患者）侧上的金属化表面。在构建的HIFU换能器中，作用区域44周围的金属化区域电耦合到参考电位。通路32将这一参考电位耦合到瓷片另一侧上的金属化表面，该侧在图3中不可见。该通路因而用于给复合压电瓷片的面对患者侧施加参考电位，并且也给作用区域44的面对患者侧上的包镀金属施加参考电位。由于瓷片40的面对患者侧与匹配层10结合并且因而无法接近以用于电连接，因此该通路提供了穿过压电片状物与瓷片前侧的必需电连接。
接着，如图6所示通过粘合、扣合、或者紧固件将塑料支撑框架50附接到组装好的瓷片的后部。在构建的换能器中，九个瓷片40、48中的每个在该支撑框架的肋之间是可接近的。该支撑框架用于以隔开的关系在复合压电瓷片40的后表面之上安装八个梯形的和一个圆形的印刷电路板52。图7a和7b图示了梯形印刷电路板52的前表面和后（54）表面。位于后表面54上的是来自连接器57的印刷电路连接56，该连接通过穿过板的通板孔59连接至HIFU换能器的作用区域。在印刷电路板前表面的是顺应性的金属触头60，其横跨印刷电路板和其瓷片之间的空间，并且将印刷电路连接电连接至相对的复合压电瓷片40的作用区域44和通路32。位于印刷电路板52的一个边缘处并处于HIFU换能器的外围处的是冷却凹口58。
印刷电路板52在每个瓷片之上结合到支撑框架50，该瓷片例如是图6所示的瓷片40。当以此方式组装印刷电路板时，其看起来如图8中的印刷电路板52所示。在这一组装之前，顺应性金属触头60的伸出末端被涂覆有传导性环氧树脂。当将印刷电路板组装到框架上时，触头60的末端将接触相对瓷片的金属化区域，并且在传导性环氧树脂固化时触头的末端变为结合并与金属化区域电连接。触头60因而提供了印刷电路板与压电瓷片的作用和参考电位区域之间的电通信。
虽然能够将印刷电路板制造成常规的平面印刷电路板，但是图7a和7b的印刷电路板52优选具有球形曲率，与相对的复合压电瓷片40的曲率相匹配，印刷电路板通过触头60与该复合压电瓷片40连接。可以如图7a所示的仅将印刷电路板的面对瓷片的侧面弯曲，或者将两个侧面都弯曲。能够以几种方式将印刷电路板形成为弯曲的板。一种是以玻璃环氧树脂板材料的平坦厚片开始，将该板的表面机加工或者磨削成期望的曲率。其他技术是使用热成型来加热该板材料并且软化环氧树脂，然后通过将该片倚靠在具有期望曲率的夹具上挤压而形成曲率。能够在电路板的通过形成在该板中的通板孔互连的顶表面和底表面上双层包覆光-成像和化学蚀刻传导线。该电路板也可以是多层板，具有形成在该板的表面上以及各层之内的三层或者更多层的传导线，用于更复杂、更高密度的电路配置。刚性板52也能够牢固地安装其他电部件，例如连接器57。
顺应性的金属触头60可形成为弹簧，例如板簧（leaf spring）、卷簧或者螺旋弹簧。该弹簧提供了诸多益处。第一，它们提供了来自印刷电路板的电连接，以给HIFU换能器的压电区域提供驱动信号和参考电位。当使用与球形形状复合压电瓷片相对的平坦的平面印刷电路板时，触头60的顺应性将允许该触头横跨板52和压电瓷片之间的不均匀距离62，触头60在横跨距离较大时相对地未被压缩，并且在距离减小时相对地被更多压缩。第二，它们允许用于冷却压电瓷片的空间62保持在压电瓷片之间。第三，它们提供了顺应性电连接，其允许印刷电路板和瓷片之间的间隔随着HIFU换能器的加热和冷却而改变。第四，由于金属触头是导热的并且横跨压电材料和印刷电路板之间的空气流动通道，因此它们将从压电材料导热，当空气流动经过通道中的触头时将会驱散该热。通过图9的这些连接的放大视图将意识到这些益处。在这一图中，触头60形成为横跨印刷电路板52和瓷片40之间的冷却空间62的弹簧夹。中心触头60被视为提供了与瓷片40的作用区域44的电连接。这一换能器作用区域44通过穿过表面包镀金属并进入复合压电瓷片40的切口42与瓷片的周围区域相隔离。在中心触头60的任一侧上的是弹簧夹触头60a，其与通路32之上的包镀金属连接。这些电连接因而将瓷片的结合至匹配层10并且因而不可用于直接电连接的前部金属化表面，连接到期望的电位例如参考电位。
图10图示了本发明的HIFU换能器的另一组件，其中将组装好的匹配层10、复合压电瓷片40、支撑框架50和印刷电路板52适配至加盖有背板70的圆形外围框架80。背板70因而封闭了印刷电路板52的后表面和该板之间的空气通道76。该背板包括两个空气端口72和74，一个接近中心印刷电路板52’和通过板52’中的孔的中心压电瓷片之间的冷却空间62’，而另一个接近板52和板70之间的空气通道76。背板70在图11中以主视图示出。在图10的例子中，板70接触支撑框架50的圆形中心肋以将冷却空间62’与外围空气通道76分开。迫使用于冷却的空气进入这些端口之一并且从其他端口出去以冷却复合压电瓷片40。可以看出的是，不同于常规的换能器堆，复合压电瓷片没有附接至其后（非发射）表面的背衬材料。替代的是，它们的背面是冷却空间62。这意味着在使用时没有被复合压电加热的附接背衬材料。替代的是，复合压电的后表面被复合压电和印刷电路板52之间的冷却空间62中的空气流冷却。当迫使空气进入端口74时，例如，空气将流动通过中心冷却空间62’，通过支撑框架50中的孔径64（见图8），通过梯形瓷片40和梯形印刷电路板52之间的冷却空间62，通过印刷电路板的外围凹口58进入空气通道76，并且通过端口72流出。因而，在HIFU换能器的使用期间，能够连续直接地空气冷却复合压电瓷片的后表面。
图12是穿过图10的HIFU换能器组件的中心的横截面视图，其进一步图示了该组件的空气冷却系统的元件。图12a是该组件的外围的放大视图，示出了邻接外围框架80并加盖有背板70的压电瓷片40、支撑框架50和印刷电路板52。
图13图示了在超声HIFU系统20的患者支撑台28中采用的本发明的HIFU换能器22。图13展示了患者支撑台的顶视图。该患者支撑台28具有填充有适当的传播液体例如水的第一储存器24。为了清楚起见，未示出密封该第一储存器24的顶部的透明隔膜。HIFU换能器22位于第一储存器24中并且布置为朝着躺在台28上的患者向上发射高强度聚焦超声能量。储存器24的水提供HIFU换能器22和患者之间的声学耦合介质，并且也提供HIFU换能器的前部的冷却。为了完成从第一储存器向患者发射的超声能量的耦合，将包括低反射介质的第二储存器27定位在该第一储存器24之上。合适的凝胶垫优选用于该第二储存器。第二储存器27包括被处置的患者被定位于其上的接触表面27a。该设备20还包括孔径26，其布置为使得能够进行第二储存器27和患者之间的接触表面27a的检查，例如视觉检查。该孔径26优选布置为基本透明的窗，通过该窗医护人员能够直接地，或者使用镜子或适当布置的照相机，检查接触表面27a和患者之间的气泡的存在。在检测到气泡的情况下，将患者重新定位直到不存在气泡。在那之后，适当地固定患者并且可以启动治疗。在国际专利申请公开号WO 2008/102293（Bruggers）中进一步描述了图13的HIFU系统20。
Claims (14)
1.一种弯曲高强度聚焦超声(HIFU)换能器，包括：
多个弯曲复合陶瓷压电瓷片，其具有相对的凸起表面和凹入表面，
每个瓷片在所述凸起表面和凹入表面上具有与复合陶瓷压电材料电耦合的电极，以及
多个声发射区域，其位于每个瓷片上并且通过所述凸起表面上的所述电极致动，通过进入所述复合陶瓷压电材料中的切口将所述发射区域和电极与周围区域声学隔离，
所述多个瓷片适配在一起以形成发射HIFU声能量的基本连续的弯曲复合压电表面，
其中，在每一个瓷片上的所述发射区域被电极区域围绕，所述电极区域与所述发射区域电隔离并且耦合到参考电位。
2.如权利要求1所述的弯曲HIFU换能器，其中，所述复合陶瓷压电瓷片包括嵌入在环氧树脂中并且形成1:3复合基质的陶瓷压电柱的层。
3.如权利要求2所述的弯曲HIFU换能器，其中，每个声发射区域还包括复合基质的多个陶瓷压电柱。
4.如权利要求1所述的弯曲HIFU换能器，其中，每个所述压电瓷片还呈现具有梯形外围的部分球形形状。
5.如权利要求1所述的弯曲HIFU换能器，其中，通过延伸穿过所述压电材料的至少一半的外围切口来声学隔离所述声发射区域。
6.如权利要求1所述的弯曲HIFU换能器，还包括位于每个瓷片上并且通过所述凸起表面上的电极来致动的至少一个声接收区域。
7.如权利要求1所述的弯曲HIFU换能器，其中，所述凹入表面上的所述电极还包括耦合到参考电位的金属化层。
8.如权利要求7所述的弯曲HIFU换能器，其中，所述凹入表面上的所述电极通过延伸穿过所述复合陶瓷压电瓷片的传导通路耦合到所述凸起表面上的参考电位电极区域。
9.如权利要求1所述的弯曲HIFU换能器，其中，所述凹入表面还包括面对患者的声发射表面。
10.如权利要求1所述的弯曲HIFU换能器，其中，所述多个瓷片在弯曲匹配层之上被适配在一起并且结合到所述弯曲匹配层，所述弯曲匹配层具有与所述复合压电表面的凹入曲率匹配的凸起曲率。
11.如权利要求1所述的弯曲HIFU换能器，其中，每个所述压电瓷片还呈现具有馅饼切片状外围的部分球形形状。
12.如权利要求1所述的弯曲HIFU换能器，其中，每个所述压电瓷片还呈现具有梯形外围的部分球形形状，当所述瓷片被适配在一起时所述梯形外围限定了所述换能器中心的中心空间，
其中，盘形的球形瓷片位于所述中心空间中。
13.如权利要求1所述的弯曲HIFU换能器，其中，每个所述压电瓷片还呈现具有梯形外围的部分球形形状，当所述瓷片被适配在一起时所述梯形外围限定了所述换能器中心的中心空间，
其中，冷却元件位于所述中心空间中。
14.如权利要求1所述的弯曲HIFU换能器，其中，所述复合陶瓷压电瓷片包括嵌入在环氧树脂中并且形成1:3复合基质的陶瓷压电柱的层，
其中，所述1:3复合压电柱和围绕所述声发射区域进入所述复合陶瓷压电材料中的切口都用于减少穿过所述压电材料的横向声发射。
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