CN102596432B - 具有预成型的球面形匹配层的弯曲超声hifu换能器 - Google Patents
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Abstract
一种弯曲的高强度聚焦超声（HIFU）换能器包括：弯曲压电阵列，所述弯曲压电阵列具有相反的凸形和凹形表面以及多个声发送区域，所述凹形表面是发送表面；多个电极，所述电极位于弯曲压电阵列的表面上，用于向声发送区域施加电发送信号；以及整体式的连续形成的弯曲匹配层，所述弯曲匹配层被预成型为弯曲换能器阵列的期望曲率，且接合到弯曲压电阵列的发送表面，并为弯曲压电阵列的发送表面提供声匹配和电隔离。
Description
技术领域
本发明涉及一种医疗诊断超声系统，特别是涉及超声换能器，其用于通过称作HIFU的高强度聚焦超声受控地加热身体组织。
背景技术
超声产生的升温处理用于各种各样治疗目的。在HIFU处理中，超声能量聚焦在身体内的某一小的点，以将该组织加热到足以产生期望的治疗效果的温度。该技术与碎石术类似，在所述碎石术中，聚焦的能量高到足以破碎肾结石，但在长的时间上产生明显较小的能量，而不是突然的脉冲。HIFU技术可用于选择性地破坏身体内的不希望的组织。例如，肿瘤或其它病态组织可通过施加聚焦的超声波能量以将该细胞加热到足以杀死该组织的温度、通常达到大约60-大约80度而被破坏，但不会破坏邻近的正常组织。其它升温处理包括：选择性地加热组织以选择性地激活药物或在客体的所选部分中促使一些其它的生理改变。
HIFU换能器通常作为球面形或抛物线形盘形成，所述盘具有使换能器具有几何焦点的曲率半径。例如，参看国际专利申请公开文献WO 98/52465(Acker等)中描述的HIFU换能器。该公开文献中描述的换能器由多个换能器区段形成，所述换能器区段固定到具有期望曲率的框架上。当各个区段或区段中的换能器元件可利用不同相位和幅度的驱动信号被单独地激励时，整个换能器可以以定相阵列的方式被操纵和聚焦，以绕着正常的几何焦点操纵能量的焦点。
需要大量换能器区段提供要由换能器产生的高的能量。Acker等人的专利公开的换能器具有大约15cm的直径，且具有连接到其盘形框架的许多换能器区段。需要换能器区段在框架上的精确放置，以使最终的组件具有其期望的球面形状和声学特性。这需要具有明显较多的制作和构造工作，且需要进行辛苦的质量控制和测试，以确认每个区段均完全是可运行的。因此，希望提供一种换能器结构，所述换能器结构可更容易地形成为其期望的形状，且优选使用在球面形换能器的声学性能中起作用的构件。
发明内容
根据本发明的原理，提供了一种球面形HIFU换能器，所述HIFU换能器由多个复合压电陶瓷瓦片形成，所述瓦片绕着预成型的球面形匹配层装配。匹配层在为换能器组装压电瓦片之前单独地形成，然后将匹配层用作用于组装球面形换能器的形状。匹配层被形成为连续的结构体，所述连续的结构体在压电元件与换能器的前发射侧之间提供电隔离和环境隔离。
附图说明
附图包括：
图1以透视图示出了被单独形成用于本发明的HIFU换能器的球面形换能器匹配层。
图2a示出了压电陶瓷材料片的端视图，所述压电陶瓷材料片已被切割形成用于本发明的HIFU换能器的复合换能器阵列。
图2b示出了具有根据本发明的原理构造的复合换能器阵列，所述复合换能器阵列具有非磁性通路。
图3示出了根据本发明的原理构造的复合换能器阵列，所述复合换能器阵列具有发射元件和非磁性通路。
图4示出了在球面成型之前用于本发明的HIFU换能器的复合压电瓦片。
图5以剖视图示出了复合压电瓦片在用于本发明的HIFU换能器的匹配层上的布置。
图6以透视图示出了本发明的九个瓦片的HIFU换能器的后部。
图7a和7b示出了弯曲印刷电路板的前表面和后表面，所述弯曲印刷电路板具有用于本发明的HIFU换能器的延伸的顺从性接触部。
图8以透视图示出了本发明的HIFU换能器的后部，所述HIFU换能器具有被加装用于图7a和7b的印刷电路板的支撑框架。
图9是印刷电路板的延伸的顺从性接触部与本发明的HIFU换能器的换能器区域的连接部位的详细图示。
图10是本发明的HIFU换能器的局部剖切透视图，其具有周边框架和后管盖。
图11是图10的后管盖的俯视图。
图12是图10的HIFU换能器的剖视图。
图12a是图12的HIFU换能器的周边的放大视图。
图13是本发明的HIFU换能器当安装在患者支持台中时的透视图。
具体实施方式
本发明的HIFU换能器的构造可从制作球面形或盘形匹配层开始。换能器的匹配层至少提供压电换能器的声学性能与患者身体的、或换能器与患者之间的介质的声学性能的部分匹配。被匹配的性能可包括声阻抗、声速和材料密度。在超声换能器的传统构造中，匹配层通常形成在换能器堆叠体上，且形成在压电材料的发射表面上的参考电极之上。对于该公开中描述的HIFU换能器，球面形匹配层独自地、与换能器的其余部分单独地形成。具有多种方式形成球面形匹配层，包括铸造、模制成型、热成型或机加工。在此描述的HIFU换能器的球面形匹配层由填料环氧树脂制成，所述填料环氧树脂填有为匹配层提供其期望的声学性能的颗粒，如现有技术中所知。优选地，颗粒是非磁性的。在铸造或模制成型球面形匹配层的过程中，填料环氧树脂灌注到期望球面形状的凹形夹具中。凸形夹具在凹形夹具之上被封闭，并使液态环氧树脂充填两个夹具之间的球面形空间。环氧树脂硬化并被从夹具移除，然后周边被机加工到其最终形状。在热成型过程中，具有期望厚度的平坦片由填料环氧树脂形成，然后部分硬化。片然后放置在具有期望曲率的已被加热的凸形或凹形夹具上，将片加热到使其变得顺从而适配于夹具的曲率。当片已经达到其期望的球面形状时，它被硬化和最终完成。在机加工过程中，填料环氧树脂的盘被铸造或被模制成型和硬化。盘然后在一侧被机加工，以形成凸形表面。盘然后放置在凹形夹具上，且盘的另一侧被机加工形成球面形匹配层的凹形侧。在一种已被构造的实施例中，使用这些过程中的任何过程的最终完成的球面形匹配层为0.5mm厚，具有140mm的直径、140mm的球半径-最终完成的HIFU换能器的尺寸和形状。图1示出了这种球面形匹配层10。凹形表面12是最终完成的换能器的发射表面，所述发射表面面向患者，且凸形表面14被溅镀，以产生冗余信号返回电极，然后覆盖有复合压电瓦片。从而，刚性匹配层提供用于压电瓦片层的组装的具有期望曲率的形状。由于瓦片之前的匹配层10是连续形成的表面，其使得HIFU换能器与患者和HIFU换能器面前的外部周边环境之间产生期望的电隔离和不可透过湿气的环境隔离。
复合压电换能器阵列的构造以压电陶瓷材料的片30开始，如图2a和2b所示。在一种已被构造的换能器中，片30为1.2mm厚（T）。首先，多个孔贯穿片30钻出，在贯穿处，期望从换能器的后部到前部（发射侧）具有电连接。孔然后被填充填有银的环氧树脂，以形成穿过片的通路32。银填充提供了导电性，且对于MRI系统的磁场中的操作是非磁性的。也可使用其他非磁性导电材料来进行导电填充。银环氧树脂被硬化。片然后被切掉一部分厚度而在一个方向上形成平行切口16，如图2a的片30的边缘的视图中所示。然后，所述片被切掉一部分厚度而在正交方向上形成平行切口，从而，留下多个向上突出的压电柱18和通路32。切割的切口然后被填充非导电的环氧树脂且被硬化。片的上表面和下表面然后被机械削平到图2a中的虚线34所示的深度。这将在环氧树脂36中产生成矩阵（matrix）方式布置的压电柱18和导电通路32的最终完成的片，如图2b所示。最终完成的片包括1：3的成矩阵方式布置的压电柱，每个压电柱在其通过片的厚度的纵向上具有其主导振动模式，且主要沿一个方向将超声向着换能器的前侧（患者面向侧）发送。复合材料的该主导振动模式降低了跨过阵列向阵列的其他有效（active）区域的不希望的侧向发送。
平坦的复合压电片30被机加工为梯形形状，如图4的复合压电瓦片40的外周形状所示。在一种已被构造的HIFU换能器中，瓦片具有图4的梯形形状，以适配下面描述的圆球面形中心瓦片。替代性地，每个瓦片可以饼的扇切形状被机加工，使得瓦片覆盖匹配层，而不需要中心瓦片。瓦片也可成被设置成覆盖球面形表面的其他几何形状，包括但不限于五边形与六边形的混合，如足球的组成块体所示。图4的平坦的梯形瓦片然后被赋予其期望的球面曲率。由于复合换能器由环氧树脂中的矩阵体形成，因此瓦片可被加热，以软化环氧树脂，使得瓦片可变得符合期望的曲率。这可通过将瓦片40放置在被加热的凹形或凸形夹具上、然后挤压瓦片使其符合凸形或凹形形状进行。在瓦片以期望的曲率保持时，夹具被冷却，且环氧树脂被允许完全硬化。结果产生用于球面形HIFU换能器的球面形复合压电瓦片。
在瓦片已经弯曲之后，上、下表面38通过将导电材料溅到片的表面上而被用金属处理，如图3的片30所示。优选地，导电材料是非磁性的，例如金或钛/金。被用金属处理的表面通过导电通路32被电连接，提供了从复合片的后表面到前部的电连接。复合压电片的有效（发送和接收）区域然后从瓦片的后表面（凸形表面）通过绕着期望的有效区域进行金刚石钻头钻削、激光钻削或超声波加工而被隔离。图3和4中示出了多个这种限定的有效区域44。限定出有效区域的切口42切割穿过片的表面的被用金属处理的部分以电隔离所述区域，且优选伸到复合片的一半位置处，以使有效区域与片的周围区域和其他有效区域声隔离。替代性地，有效区域可在瓦片粘接到匹配层之后被电隔离和声隔离。
在一种已被构造的瓦片中，有效区域44不是对称地成行或成列地或以圆形图案或其他规则图案设置，而是如同4所示不规则或随意地设置。随意图案防止有效区域的声旁瓣的任何明显的附加组合，这种附加组合可降低由HIFU换能器给予的有效能量。
八个球面形梯形瓦片40然后绕着匹配层40的凸形表面14彼此邻近地稀疏地接合，从而提供了一种用于瓦片的组装的形状。如果球面形瓦片40如上所述地为饼状，瓦片将完全覆盖匹配层10的凸形侧。当球面形瓦片如图4所示为梯形时，所述球面形瓦片将覆盖匹配层的凸形侧，但除了匹配层的中心以外。该圆形球面形空间可保持敞开。替代性地，它可覆盖有圆球面形热传导体、例如铝，以用于冷却。返回声学能量借助于HIFU换能器的球面形几何形状趋向聚焦于HIFU换能器的中心处。将热传导体定位在此处可帮助冷却HIFU换能器。替代性地，圆形球面形复合压电瓦片48可填充该空间。例如，图3的具有其自身的有效区域的圆形片可被形成为球面形状且定位在此处，如图5中的匹配层10上的梯形和圆形瓦片的剖视图所示，提供了匹配层10的完全的复合压电覆盖。在一种采用该完全覆盖设计的已被构造的换能器中，九个瓦片使HIFU换能器具有265个有效区域，其中，256个用于发送，九个用于接收。
从图3中可以看出，通路32被定位成将后表面上的有效区域周围的被用金属处理的区域连接到瓦片的前（患者面向的）侧上的被用金属处理的表面。在一种已被构造的HIFU换能器中，有效区域44周围的被用金属处理的区域电耦合到参考电势。通路32将该参考电势耦合到瓦片的另一侧上的被用金属处理的表面，所述另一侧在图3中不可见。从而，通路用于向复合压电瓦片的患者面向侧施加参考电势，以及还向有效区域44的患者面向侧的被用金属处理的部分施加参考电势。由于瓦片40的患者面向侧接合到匹配层10、从而不可接近电连接，因此，通路提供了通过压电片到瓦片的前侧的所需的电连接。
接着，塑料支撑框架50通过接合、咬配连接或通过固定件加装到已被组装的瓦片的后部，如图6所示。在一种已被构造的换能器中，九个瓦片40、48中的每个瓦片可放置在支撑框架的肋之间。支撑框架用于将八个梯形的、和一个圆形的印刷电路板52以间隔开的关系安装在复合压电瓦片40的后表面的上方。图7a和7b示出了梯形印刷电路板52的前、后（54）表面。自连接器57的印刷电路连接部56位于后表面54上，且通过穿过电路板的被电镀的通孔59连接到HIFU换能器的有效区域。顺从性的金属接触部60位于印刷电路板的前表面上，且跨过印刷电路板及其瓦片之间的空间并将印刷电路连接部电连接到相对的复合压电瓦片40的有效区域44和通路32。冷却槽口58定位在印刷电路板52的位于HIFU变换器的外周处的一个边缘处。
印刷电路板52在每个瓦片、例如图6所示的瓦片40的上方接合到支撑框架50。当印刷电路板以这种方式组装时，它表现为图8中的印刷电路板52。在该组装之前，顺从性的金属接触部60的延伸端部涂覆有导电环氧树脂。当印刷电路板组装在框架上时，接触部60的端部将接触相对瓦片的被用金属处理的区域，且当导电环氧树脂硬化时变得接合而与被用金属处理的区域电连接。从而，接触部60在印刷电路板与压电瓦片的有效区域和参考电势区域之间提供电连通。
尽管印刷电路板可被制作为传统的平坦的印刷电路板，但图7a和7b的印刷电路板52优选具有球面形弯曲，该球面形弯曲与它们要通过接触部60连接到的相对的复合压电瓦片40的球面形弯曲匹配。印刷电路板可如图7a所示地仅在面向瓦片的一侧或在两侧上弯曲。印刷电路板可以多种方式被形成为弯曲的电路板。一种技术以玻璃环氧树脂电路板材料的厚的平坦片开始，且将电路板的表面机加工或磨削到期望曲率。另一技术是使用热成型加热电路板材料和软化环氧树脂，然后通过将片挤压在期望曲率的夹具上而形成所述曲率。电路板可在通过形成于电路板中的被电镀的通孔互连的上表面和下表面上被双包覆有光致成像和化学蚀刻获得的导电线。所述电路板也可以是多层电路板，所述多层电路板具有三个或更多个导电线层，所述导电线层形成在电路板的表面上和层内，以用于更复杂、更高密度的电路构造。刚性电路板52也能够可靠地安装其他电构件，例如连接器57。
顺从性金属接触部60可被形成为弹簧，例如板簧、卷曲弹簧或螺旋弹簧。弹簧提供多种益处。首先，它们提供了从印刷电路板的电连接，以向HIFU换能器的压电区域提供驱动信号和参考电势。当平面状印刷电路板与球面形状的复合压电瓦片相对地使用时，接触部60的顺从性将使得接触部可跨过电路板52与压电瓦片之间的非均匀的距离62，当跨过的距离较大时，其相对不太被压缩，当距离较小时，相对更为压缩。其次，它们使得可在压电瓦片之间保留空间62，以用于冷却压电瓦片。第三，它们提供了这样的顺从性电连接，所述顺从性电连接考虑到了印刷电路板与瓦片之间的间距，所述间距随HIFU换能器的加热和冷却变化。第四，由于金属接触部是导热的且跨过压电材料与印刷电路板之间的空气流通道，因此，它们将从压电材料传导热量，所述热量当空气流过通道中的接触部时而会消散。这些益处可从图9的这些连接的放大视图中看出。在该图中，接触部60被形成为弹簧夹，所述弹簧夹跨过印刷电路板52与瓦片40之间的冷却空间62。中心接触部60被看见提供与瓦片40的有效区域44的电连接。该有效换能器区域44通过穿过被用金属处理的表面部分进入到复合压电瓦片40中的切口42而与瓦片的周边区域隔离开。弹簧夹接触部60a位于中心接触部60的任一侧，所述弹簧夹接触部60a在通路32上方连接到被用金属处理的部分。从而，这些电连接将瓦片的被用金属处理的前表面连接到期望电势例如参考电势，所述被用金属处理的前表面接合到匹配层10，因此不可接近直接电连接。
图10示出了本发明的HIFU换能器的另一组件，其中，已被组装的匹配层10、复合压电瓦片40、支撑框架50和印刷电路板52被装配到圆形周边框架80中，所述圆形周边框架80被盖有后板70。从而，后板70围出印刷电路板52的后表面与板之间的空气通道76。后板包括两个空气端口72和74，一个空气端口通过电路板52’中的孔通到中心印刷电路板52’与中心压电瓦片之间的冷却空间62’，另一个空气端口通到电路板52与板70之间的空气通道76。后板70在图11中以俯视图示出。在图10的例子中，板70接触支撑框架50的圆形中心肋，以使冷却空间62’与周边的空气通道76隔开。用于冷却的空气被强制进入这些端口中的一个端口且从另一个端口出来，以冷却复合压电瓦片40。可看出，与传统的换能器堆叠体不同，复合压电瓦片不具有背衬材料，所述背衬材料连接到它们的后（非发射）表面。相反，它们的背后是冷却空间62。这意味着，未加装有在使用时由复合压电体加热的背衬材料。相反，复合压电体的后表面通过复合压电体与印刷电路板52之间的冷却空间62中的空气流冷却。当空气被强迫进入端口74中时，例如，空气将流过中心冷却空间62’、支撑框架50中的孔眼64（参看图8）、梯形瓦片40与梯形印刷电路板52之间的冷却空间62、印刷电路板的周边槽口58而进入空气通道76中，以及通过端口72流出。因此，复合压电瓦片的后表面可在使用HIFU换能器的过程中连续地被直接空气冷却。
图12是通过图10的HIFU换能器组件的中心的剖视图，其进一步示出了组件的空气冷却系统的元件。图12a是组件的周边的放大视图，示出了压电瓦片40、支撑框架50和印刷电路板52，它们邻接周边框架80且盖有后板70。
图13示出了本发明的HIFU换能器22，其应用于超声HIFU系统20的患者支持台28中。图13提供了患者支持台的顶视图。患者支持台28具有第一蓄存器24，所述第一蓄存器24填充有合适的发送液体，例如水。为了清楚起见，未示出密封第一蓄存器24的顶部的透明膜。HIFU换能器22位于第一蓄存器24中，且被设置成用于向着依靠在台28上的患者向上发射高强度聚焦超声能量。蓄存器24的水在HIFU换能器22与患者之间提供声耦合介质，且还提供对HIFU换能器的前部的冷却。为了完成从第一蓄存器发出的超声能量与患者的耦合，包括低反射性的介质的第二蓄存器27定位在第一蓄存器24的上方。优选地，合适的凝胶垫用于第二蓄存器。第二蓄存器27包括接触表面27a，待治疗的患者定位在所述接触表面27a上。装置20还包括孔眼26，所述孔眼26被设置成能够检查、例如视觉检查第二蓄存器27与患者之间的接触表面27a。孔眼26优选作为基本透明的窗设置，通过所述窗，医疗人员可直接地或通过使用镜子或通过合适设置的照相机检查接触表面27a与患者之间是否存在气泡。在气泡被探测到的情况下，患者被重新定位直到没有气泡出现。在这之后，患者被合适地固定，且开始治疗。图13的HIFU系统20进一步描述于国际专利申请公开WO 2008/102293（Bruggers）中。
Claims (15)
1.一种弯曲的高强度聚焦超声换能器，包括：
多个弯曲压电阵列，每个弯曲压电阵列具有相反的凸形和凹形表面以及多个声发送区域，所述凹形表面是发送表面；
位于每个弯曲压电阵列的表面上的多个电极，用于向声发送区域施加电发送信号；
整体式的连续形成的弯曲匹配层，所述弯曲匹配层被预成型为弯曲换能器阵列的期望曲率，且接合到弯曲压电阵列的发送表面，并为弯曲压电阵列的发送表面提供声匹配和电隔离；
支撑框架，所述支撑框架加装到由多个弯曲压电阵列在接合到匹配层时形成的凸形表面；以及
多个印刷电路板，所述多个印刷电路板加装到支撑框架且电连接到弯曲压电阵列的电极。
2.如权利要求1所述的弯曲的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，匹配层还包括通过铸造或模制成型形成的球面形弯曲层。
3.如权利要求2所述的弯曲的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，球面形弯曲层被模制而形成凸球面形表面，所述凸球面形表面匹配弯曲压电阵列的凹形表面的曲率。
4.如权利要求1所述的弯曲的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，球面形弯曲层使用凹形模制夹具被铸造或模制成型。
5.如权利要求1所述的弯曲的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，匹配层还包括通过机加工实心匹配层材料形成的球面形弯曲层。
6.如权利要求4所述的弯曲的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，实心匹配层材料被机加工而形成凸球面形表面，所述凸球面形表面匹配弯曲压电阵列的凹形表面的曲率。
7.如权利要求1所述的弯曲的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，弯曲匹配层还包括填有颗粒的环氧树脂，所述颗粒使得所述匹配层具有期望的声学性能。
8.如权利要求1所述的弯曲的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，弯曲匹配层还包括填有颗粒的热塑性树脂，所述颗粒使得所述匹配层具有期望的声学性能。
9.如权利要求1所述的弯曲的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，弯曲匹配层还包括平坦的匹配层材料片，所述平坦的匹配层材料片被加热且被形成为期望的曲率。
10.如权利要求9所述的弯曲的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，所述匹配层材料片被加热且被形成为具有凸球面形表面，所述凸球面形表面匹配弯曲压电阵列的凹形表面的曲率。
11.如权利要求1所述的弯曲的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，弯曲压电阵列还包括多个压电瓦片，所述多个压电瓦片当组装在一起时形成具有期望曲率的压电阵列；以及
其中，预成型匹配层还包括固定装置，压电瓦片一起组装和接合在所述固定装置上。
12.如权利要求11所述的弯曲的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，每个压电瓦片还具有局部球面形凹形表面，
其中，局部球面形凹形表面适配预成型的匹配层的凸形表面。
13.如权利要求1所述的弯曲的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，匹配层还在弯曲压电阵列与换能器面前的环境之间包括连续的、不可透过湿气的隔离件。
14.如权利要求1所述的弯曲的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，匹配层还在弯曲压电阵列与换能器面前的环境之间包括连续的电隔离的隔离件。
15.如权利要求1所述的弯曲的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，匹配层的接合到弯曲压电阵列的表面包括凸形表面，
其中，匹配层的凸形表面由被用金属处理的电极覆盖。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |