CN102598118B - 具有气冷通道的曲面超声hifu换能器 - Google Patents

Abstract

一种曲面高强度聚焦超声（HIFU）换能器包括：具有相对的凹形前表面和凸形后表面的曲面压电阵列，该前表面包括声发射表面；以及被设置在所述凸形后表面上用于向该阵列施加电发射信号的多个电极；以及印刷电路板，其与该曲面压电阵列的后表面间隔开并且与该曲面压电阵列的后表面相对，该印刷电路板将电信号耦合到该阵列的该电极，该印刷电路板与该曲面压电阵列之间的空间包括压电阵列的声学空气衬垫通道，该通道用于对该曲面压电阵列和该印刷电路板进行气冷。

Description

具有气冷通道的曲面超声HIFU换能器

技术领域

本发明涉及医疗诊断超声系统，并且本发明特别地涉及用于通过高强度聚焦超声（称为HIFU）来可控地加热身体组织的超声换能器。

背景技术

以超声方式传送的提高温度的处置被用于各种各样的治疗目的。在HIFU处置中，超声能量被聚焦于人体中的小点，以便将组织加热到足够产生所期望的治疗效果的温度。该技术与碎石术类似，在碎石术中聚焦的能量高到足以打碎肾结石，但是该技术利用通过延长的时间而不是突然的脉冲传送的非常小的能量。HIFU技术可以被用于选择性破坏身体中不需要的组织。例如，通过施加聚焦超声能量以将细胞加热到足以杀死组织的温度（通常是大约60到大约80摄氏度），可以消灭肿瘤或其他病理组织，而不消灭邻近的正常组织。其它提高温度的处置包括选择性加热组织以在受检者身体的所选择部分中选择性地激活药物或者促进一些其他生理变化。

HIFU换能器经常被形成为具有曲率半径的抛物面形碟面或球面形碟面，该曲率半径使该换能器具有几何焦点。参见，例如，在公开号是WO98/52465的国际专利申请（Acker等的）和公开号是US2009/0230822的美国专利申请中描述的HIFU换能器。利用比诊断成像换能器大得多的能量来驱动HIFU换能器，并且可以产生大量的热量。该热量可以引起HIFU换能器和附着于该换能器的诸如安装框架和电气部件之类的部件的膨胀和收缩。因此，通过提供一些装置来冷却该换能器，该装置例如是Acker等的换能器的底座中的冷却剂通道。提供靠近HIFU换能器并且靠近暴露于来自换能器的热量的邻近电气部件的冷却是所期望的。

发明内容

根据本发明的原理，描述了一种球面的HIFU换能器，由来自位于该HIFU换能器后面的印刷电路板的驱动信号来以电气方式向该换能器供给能量。该印刷电路板与该换能器间隔开以在该换能器和该电路板之间形成空气通道。该空气通道为该换能器提供空气吸声衬垫（air acoustic backing），并且还提供用于对该换能器和该印刷电路板两者进行气冷的通道。柔性触点（compliant contact）跨越该换能器和该印刷电路板之间的通道以将驱动信号电耦合到该换能器。

附图说明

在附图中：

图1以透视图示出用于本发明的HIFU换能器的单独形成的球面换能器匹配层。

图2a示出陶瓷压电材料片的端视图，该陶瓷压电材料片被切割以形成用于本发明的HIFU换能器的复合换能器阵列。

图2b示出根据本发明原理构建的具有非磁性过孔的复合换能器阵列。

图3示出根据本发明原理构建的具有发射元件和非磁性过孔的复合换能器阵列。

图4示出用于本发明的HIFU换能器的在球面成形之前的复合压电瓦片。

图5以截面图示出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以透视图示出本发明的九瓦片HIFU换能器的背部。

图7a和图7b示出用于本发明HIFU换能器的具有延伸的柔性触点的曲面印刷电路板的前表面和后表面。

图8以透视图示出本发明HIFU换能器的背部，该HIFU换能器具有附着的用于图7a和图7b的印刷电路板的支撑框架。

图9是印刷电路板的延伸的柔性触点与本发明的HIFU换能器的换能器区域的连接的详细视图。

图10是具有外围框架和后管道盖（back duct cover）的本发明的HIFU换能器的局部截面图和透视图。

图11是图10的后管道盖的平面图。

图12是图10的HIFU换能器的截面图。

图12a是图12的HIFU换能器的周界的放大图。

图13是本发明的HIFU换能器被安装在患者支撑台中时的透视图。

具体实施方式

本发明的HIFU换能器的构建可以从制造球面或碟形匹配层开始。换能器的匹配层提供压电换能器的声学属性与患者身体的声学属性或换能器和患者身体之间的媒介的声学属性的至少部分匹配。匹配的属性可以包括声阻抗、声速和材料密度。在超声换能器的常规构建中，匹配层通常形成于换能器堆上，并且在位于压电材料发射表面上的参考电极之上形成。对于本公开中描述的HIFU换能器，球面匹配层独立于换能器的其他部分单独形成。存在数种形成球面匹配层的方式，包括铸造、模塑、热成型或机械加工。本文描述的HIFU换能器的球面匹配层由负载有粒子的负载环氧树脂（loaded epoxy）制成，如本领域已知的，该粒子向匹配层提供了其所期望的声学属性。该粒子优选是非磁性的。在铸造或模塑该球面匹配层时，将该负载环氧树脂注入具有所期望的球面形状的凹形夹具中。将凸形夹具闭合在该凹形夹具之上，迫使液态环氧树脂充满这两个夹具之间的球面空间。环氧树脂被固化并且被从夹具移除，然后被外围地机械加工成其最终形状。在热成型过程中，由负载环氧树脂形成期望厚度的平面片，然后部分固化。然后将该片置于加热后的具有期望曲率的凸形夹具或凹形夹具上，该夹具加热该片，使得该片变得柔软并且符合该夹具的曲率。当该片已经达到其期望的球面形状时，其被固化并且被制成。在机械加工过程中，铸造或模塑并且固化负载环氧树脂的圆盘。然后在一侧机械加工该圆盘以形成凸形表面。然后将该圆盘放置于凹形夹具上，并且将该圆盘的另一侧进行机械加工以形成球面匹配层的凹形侧。在所构建的实施例中，利用这些过程中的任意完成的球面匹配层是0.5mm厚，具有140mm的直径和140mm的球面半径，具有成品的HIFU换能器的尺寸和形状。图1示出这样的球面匹配层10。凹形表面12是成品的换能器中面向患者的发射表面，而凸形表面14被溅射以产生冗余信号返回电极，然后被覆盖复合压电瓦片（tile）。该刚性的匹配层因此为压电瓦片层的装配提供期望曲率的形状。由于在该瓦片前面的匹配层10是连续形成的表面，因此它提供了HIFU换能器的其他部分与在HIFU换能器前面的患者和外部环境的所期望的电气隔离和环境隔离。

复合压电换能器阵列的构建从如图2a和图2b中所示的陶瓷压电材料的片30开始。在所构建的换能器中，片30是1.2mm厚（T）。首先，在期望具有从换能器的背部到前部（发射侧）的电连接的地方贯穿该片30钻若干孔。然后利用填充银的环氧树脂填充这些孔，以形成贯穿该片的过孔32。银填充提供了导电性，并且对于在MRI系统的磁场中的操作是非磁性的。可以使用其他非磁性导电材料来用于导电填充。银环氧树脂被固化。然后利用在如图2a中的片30的边缘的视图所示的一个方向上的平行切口16，在厚度上部分地切割该片。然后利用正交方向上的平行切口部分地切割该片，留下多个向上突出的压电柱18和过孔32。然后用非导电的环氧树脂填充并固化切割的切口。然后将该片的上表面和下表面机械加工磨平到由图2a中的虚线表示的深度。这将得到如图2b中所示的具有在环氧树脂36中的压电柱18和导电过孔32的阵列的成品片。该成品片包括压电柱的1：3阵列，每个压电柱在其贯穿该片的厚度的纵向方向上具有其主导振动模式（dominant vibrational mode），并且压电柱主要在向着换能器的前（面向患者）侧的方向上发射超声。复合材料的该主导振动模式降低了不需要的跨越该阵列向该阵列的其它有效区域的横向发射。

将扁平的复合压电片30机械加工成如图4中的复合压电瓦片40的周界形状所示的梯形形状。在所构建的HIFU换能器中，该瓦片具有图4的梯形形状以允许下面所描述的圆球面中心瓦片。可替代地，每个瓦片可以被加工成一块馅饼（pie）的形状，从而这些瓦片将覆盖匹配层而不需要中心瓦片。该瓦片也可以呈现被布置成覆盖球面表面的其他几何形状，包括但不局限于如足球的嵌板所展示的夹杂六边形的五边形。然后给予图4的扁平梯形瓦片其期望的球面曲率。由于该复合换能器由环氧树脂中的矩阵形成，因此可以加热该瓦片以软化该环氧树脂，从而可以使该瓦片符合所期望的曲率。这可以通过将瓦片40置于加热后的凹形夹具或凸形夹具上，然后按压该瓦片以与该凸形形状或凹形形状相顺应来实现。当该瓦片处于所需的曲率时，冷却该夹具并且允许环氧树脂充分固化。结果得到用于球面HIFU换能器的球面形状的复合压电瓦片。

在瓦片已经被弯曲之后，通过在如图3中的片30所示的片的表面上溅射导电材料使上下表面38金属化。优选地，该导电材料是非磁性的，例如是金或钛/金。该金属化的表面被导电过孔32电连接，该导电过孔32提供从复合片的后表面到前面的电连接。然后通过围绕所期望的有效区域的金刚石钻孔、激光钻孔或超声加工，使复合压电片的有效（发射和接收）区域与该瓦片的后（凸形）表面44隔离。在图3和图4中示出了数个如此定义的有效区域44。限定了该有效区域的切口42切断该片的表面的敷金属（metallization）以使该区域电气隔离，并且优选地该切口超过一半地穿过该复合片延伸从而将该有效区域与该片的周围区域和其他有效区域声学隔离。可替代地，可以在瓦片与匹配层结合（bond）之后，将该有效区域电气隔离和声学隔离。

在所构建的瓦片中，有效区域44不是以行或列或环形或其他规则图案对称排列的，而是如图4所示地不规则地或随机地排列。该随机图案可以防止有效区域的声学旁瓣（acoustic sidelobe）的任何显著的相加性组合（additive combining），该相加性组合将减少HIFU换能器传送的有效能量。

然后将八个球面梯形瓦片40围绕匹配层的凸形表面14彼此相邻地薄结合，该匹配层的凸形表面14由此提供了瓦片装配的形状。如果球面瓦片40是上述的馅饼形状，则该瓦片将完全覆盖匹配层10的凸形侧。当球面瓦片是如图4所示的梯形时，它们将覆盖除了匹配层的中心以外的匹配层的凸形侧。可以使该圆球面空间开放。可替代地，可以用诸如铝之类的圆球面热导体覆盖它，以用于冷却。由于其球面几何形状，返回的声能将往往聚焦在HIFU换能器的中心。在此处设置热导体可以帮助冷却HIFU换能器。可替代地，圆球面复合压电瓦片48可以填充该空间。例如，可以将图3的具有其自身的有效区域的圆形片形成为球面形状并且设置在此处，以提供对匹配层10的完全的复合压电覆盖，如图5中的匹配层上的梯形瓦片和圆形瓦片的截面图所示。在该完全覆盖设计的所构建的换能器中，九个瓦片为HIFU换能器提供265个有效区域，其中256个用于发射，9个用于接收。

在图3可以看出，设置过孔32使得在后表面上的围绕有效区域的金属化区域连接到在瓦片前（面向患者）侧的金属化表面。在所构建的HIFU换能器中，围绕有效区域44的金属化区域被电耦合到参考电势。该过孔32将参考电势耦合到瓦片另一侧上的金属化表面，该另一侧在图3中是不可见的。因此过孔被用于将参考电势施加到复合压电瓦片面向患者的一侧，并且还将参考电势施加到有效区域44面向患者的一侧上的敷金属。由于瓦片40面向患者的一侧与匹配层10结合，并且因此难以实现电连接，所以过孔提供了贯穿压电片到瓦片前侧的所需的电连接。

接下来，如图6所示，将塑料支撑框架50通过结合、卡扣或紧固件附着于装配后的瓦片的背部。在所构建的换能器中，9个瓦片40、48中的每个在该支撑框架的肋条之间都是可及的。该支撑框架用于在复合压电瓦片40的后表面上以间隔的关系安装8个梯形印刷电路板和1个圆形印刷电路板52。图7a和7b示出梯形印刷电路板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，该连接器57由贯穿该电路板的电镀通孔59连接到HIFU换能器的有效区域。在印刷电路板的前表面上的是柔性金属触点60，该触点60跨越印刷电路板与其瓦片之间的空间并且将该印刷电路连接电连接到相对的复合压电瓦片40的有效区域44和过孔32。设置在印刷电路板52的一个边缘处的是冷却槽口58，该边缘位于HIFU换能器的周界处。

印刷电路板52结合到每个瓦片（例如图6中所示的瓦片40）之上的支撑框架50。当以这种方式装配印刷电路板时，它表现为如图8中的印刷电路板52所示的那样。在该装配之前，柔性金属触点60的延伸端将被涂有导电的环氧树脂。当该印刷电路板被装配在该框架上时，触点60的端部将与相对的瓦片的金属化区域连接，并且当导电的环氧树脂固化时变得与金属化区域电连接地结合。因此触点60提供印刷电路板与压电瓦片的有效的和参考电势的区域之间的电通信。

在可以如传统的平面印刷电路板那样制造该印刷电路板的同时，图7a和图7b的印刷电路板52优选具有与相对的复合压电瓦片40的球面曲率匹配的球面曲率，其中这些印刷电路板通过触点60连接到该复合压电瓦片40。可以仅在如图7a所示的面对瓦片的一侧或者在两侧弯曲印刷电路板。可以由数种方式将印刷电路板形成为曲面板。一种是以玻璃环氧树脂板材料的厚平面片开始，并且将该板的表面机械加工或磨到所期望的曲率。另一技术是使用热成型以加热该板材料并且软化环氧树脂，然后通过将该片向着具有所期望的曲率的夹具压紧来形成该曲率。可以利用光成像的（photo-imaged）和化学蚀刻的导电线在上下表面上双层包覆（double-clad）该电路板，该上下表面通过形成在板中的电镀通孔相互连接。该电路板也可以是用于更复杂、更高密度的电路配置的具有在板的表面上和板的层之中形成的三层或更多层的导电线的多层板。刚性的板52也能够牢固地安装诸如连接器57之类的其他电气部件。

柔性金属触点60可以被形成为弹簧，例如是弹簧片、卷曲弹簧或螺旋弹簧。该弹簧提供许多益处。首先，它们提供来自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。当使用平的平面印刷电路板与球面形状的复合压电瓦片相对时，触点60的柔性将允许触点跨越板52与压电瓦片之间的不均匀距离62，当跨越的距离较大时触点60被相对地解压，而当距离较小时触点60被相对地更多地压缩。第二，它们允许空间62保持在压电瓦片之间，该空间62用于冷却压电瓦片。第三，它们提供允许印刷电路板和瓦片之间的间隔随着HIFU换能器的加热和冷却而改变的柔性的电连接。第四，由于金属触点是导热的，并且跨越压电材料和印刷电路板之间的空气通道，因此它们将传导来自压电材料的热量，该热量将随着流过通道中的触点的空气而消散。这些益处可以从图9的这些连接的放大图中领会到。在该图中，触点60形成为跨越印刷电路板52和瓦片40之间的冷却空间62的弹簧夹（spring clip）。可以看出，中心触点60提供到瓦片40的有效区域44的电连接。该有效换能器区域44通过贯穿表面敷金属和进入复合压电瓦片40中的切口42与瓦片的周围区域隔离。在中心触点60的任一侧上的是弹簧夹触点60a，该弹簧夹触点60a连接到过孔32之上的敷金属。这些电连接由此将瓦片的前金属化表面连接到诸如参考电势之类的所期望的电势，该瓦片的前金属化表面被结合到匹配层10，因此难以实现直接的电连接。

图10示出本发明的HIFU换能器的进一步装配，其中装配后的匹配层10、复合压电瓦片40、支撑框架50和印刷电路板52被安装到盖有背板70的圆形外围框架80中。该背板70由此包围印刷电路板52的后表面与该板之间的空气通道76。该背板70包括两个空气口72和74，一个经由板52`中的孔到达中心印刷电路板52`和中心压电瓦片之间的冷却空间62`，并且另一个到达板52与该板70之间的空气通道76。在图11的平面图中示出了背板70。在图10的示例中，该板70与支撑框架50的圆形中央肋条相接触，以将冷却空间62`与外围的空气通道76分开。用于冷却的空气被迫使从这些通气口中的一个进入并且从其他空气口出来以冷却复合压电瓦片40。可以看出，与常规的换能器堆不同，复合压电瓦片没有附着在它们的后（非发射）表面的衬垫材料。相反，它们背靠冷却空间62。这意味着，在使用期间没有附着的衬垫材料将被复合压电体加热。相反，复合压电体的后表面由流入复合压电体与印刷电路板52之间的冷却空间62中的空气进行冷却。例如，当空气被迫使进入空气口74时，空气将流过中央冷却空间62`，流过支撑框架50中的孔眼64（参见图8），流过梯形瓦片40与梯形印刷电路板52之间的冷却空间62，流过印刷电路板的外围槽口58，进入空气通道76，并且从空气口72出来。因此，在HIFU换能器的使用期间，复合压电瓦片的后表面可以被持续地直接地进行气冷。

图12是穿过图10的HIFU换能器总成的中心的截面图，该图进一步示出该总成的气冷系统的元件。图12a是该总成的周界的放大图，示出与外围框架80邻接并且覆盖有背板70的压电瓦片40、支撑框架50和印刷电路板52。

图13示出在超声HIFU系统20的患者支撑台28中应用的本发明的HIFU换能器22。图13示出该患者支撑台的顶视图。该患者支撑台28具有被充满适当的传输液体的第一储液器24，该传输液体例如是水。为了清楚起见，未示出密封第一储液器24顶部的透明膜。HIFU换能器22被设置在第一储液器24内，并且被布置为向躺在支撑台28上的患者向上地发射高强度聚焦超声能量。储液器24的水提供HIFU换能器22和患者之间的声学耦合介质，并且还提供对HIFU换能器的前面的冷却。为了完成从第一储液器发射到患者的超声能量的耦合，在第一储液器24上放置包括低反射介质的第二储液器27。优选地，使用适当的凝胶垫用于第二储液器。该第二储液器27包括其上安置了待处置的患者的接触表面27。装置20还包括孔眼26，该孔眼26被布置为使检查（例如目检）第二储液器27与患者之间的接触表面27a成为可能。孔眼26优选被布置为基本上透明的窗口，通过该窗口医务人员直接或使用镜子或适当布置的照相机，能够检查在接触表面27a与患者之间的气泡的存在。在检测到气泡的情况下，患者被重新安置直到没有气泡存在。然后，患者适当地被固定并且可以开始处置。在公开号为WO2008/102293的国际专利申请（Bruggers）中进一步描述图13的HIFU系统20。

Claims (15)

1.一种曲面高强度聚焦超声换能器，包括：

曲面压电阵列，其具有相对的凹形前表面和凸形后表面，所述前表面包括声发射表面；

被设置在所述凸形后表面上的多个电极，其用于向所述阵列施加电发射信号；

印刷电路板，其与所述曲面压电阵列的所述后表面间隔开并且与所述曲面压电阵列的所述后表面相对，所述印刷电路板将电信号耦合到所述阵列的所述电极，所述印刷电路板与所述曲面压电阵列之间的空间包括所述压电阵列的用于空气流动的声学空气衬垫通道，用于对所述曲面压电阵列和所述印刷电路板进行气冷；

入口和出口，其提供流入和流出所述空气衬垫通道的空气。

2.如权利要求1所述的曲面高强度聚焦超声换能器，其中，所述入口和出口耦合到所述通道用于所述空气衬垫通道的强制气冷。

3.如权利要求2所述的曲面高强度聚焦超声换能器，还包括背板，所述背板安装在所述印刷电路板之后并且与所述印刷电路板是间隔关系，所述间隔关系限定了所述印刷电路板与所述背板之间的第二通道，

其中所述入口耦合到所述通道中的一个，并且所述出口耦合到另一个通道。

4.如权利要求3所述的曲面高强度聚焦超声换能器，还包括贯穿所述印刷电路板的孔眼，所述孔眼连接所述声学空气衬垫通道和所述第二通道。

5.如权利要求4所述的曲面高强度聚焦超声换能器，其中，所述入口和出口中的一个被设置在所述阵列的中心，并且贯穿所述印刷电路板的所述孔眼被设置在所述阵列的周界。

6.如权利要求1所述的曲面高强度聚焦超声换能器，还包括框架，所述印刷电路板与所述曲面压电阵列的所述后表面以间隔关系安装在所述框架上。

7.如权利要求6所述的曲面高强度聚焦超声换能器，还包括多个印刷电路板，所述多个印刷电路板与所述曲面压电阵列的不同区域以间隔关系安装在所述框架上。

8.如权利要求7所述的曲面高强度聚焦超声换能器，其中，所述印刷电路板还包括曲面印刷电路板，所述曲面印刷电路板呈现出与所述曲面压电阵列的相对区域的曲率相一致的曲率。

9.如权利要求6所述的曲面高强度聚焦超声换能器，其中，所述框架还包括位于所述框架中的孔，所述孔用作空气进入所述印刷电路板与所述曲面压电阵列之间的所述空间的通道。

10.如权利要求6所述的曲面高强度聚焦超声换能器，还包括多个导热式的电触点，所述电触点跨越所述印刷电路板与所述曲面压电阵列之间的所述空间延伸。

11.如权利要求10所述的曲面高强度聚焦超声换能器，其中，所述电触点将来自所述印刷电路板的电驱动信号和参考电势耦合到所述曲面压电阵列。

12.如权利要求1所述的曲面高强度聚焦超声换能器，还包括被设置在所述换能器的中心中的热导体。

13.如权利要求7所述的曲面高强度聚焦超声换能器，其中，多个印刷电路板被安装在所述曲面压电阵列的周界的周围，并且中央的印刷电路板以间隔的关系安装在所述阵列的中心之后，

还包括空气口，其耦合到所述中央的印刷电路板和所述压电阵列之间的空间。

14.如权利要求13所述的曲面高强度聚焦超声换能器，还包括贯穿所述框架的空气通道，所述空气通道将所述中央的印刷电路板和所述压电阵列之间的所述空间与外围的印刷电路板和所述压电阵列之间的空间进行连接。

15.如权利要求14所述的曲面高强度聚焦超声换能器，还包括贯穿外围的印刷电路板的孔眼，第二空气口耦合到所述孔眼。