CN102793980B - 双频聚焦超声系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种双频聚焦超声系统，包括：设置有共焦的第一超声换能器和第二超声换能器的超声换能器组件，与第一超声换能器相连接的第一功率放大器，与第一功率放大器相连接的第一信号发生器；与第二超声换能器相连接的第二功率放大器，与第二功率放大器相连接的第二信号发生器；与人体皮肤相接触的多个信号接收装置，与多个信号接收装置相连接的信号分析装置。该系统利用差频干涉产生拍频的原理，采用两个空间指向性好的高频声波在目标区域产生一个力学效应好的低频振动，实现组织、器官的力学刺激，进而通过双频聚焦超声将力学刺激与组织消融结合起来，实现力学刺激到病灶的诊断及病灶的治疗。

Description

双频聚焦超声系统

技术领域

本申请涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种基于双频高强度聚焦超声的诊断及治疗系统。

背景技术

在生物体的各种生命活动中，刺激-反应-反馈调节模式是生命调节的基本模式，其中力-电学耦联在该调节中发挥着十分重要的作用，尤其在心脏、脑、神经、肌肉及内脏等组织、器官中的作用明显。因此，通过力学刺激，触发、获取组织、器官的电学活动变化，进而明确组织、器官的功能状态及病灶位置在医学研究及临床诊疗领域具有十分重要的作用。

目前，在医学研究及临床诊疗中对组织、器官的力学刺激往往通过直接作用而获得，并且对于深部的组织器官进行刺激时往往需要通过手术或介入操作的方式进入，将力学刺激源直接作用于组织器官上。这一方面会增加机体的损伤，另一方面也不可避免的带来一系列的并发症，从而限制了其临床应用。近年来随着医学超声发展迅速，超声在诊断、治疗领域取得了长足的发展。尤其是聚焦超声在医学研究及临床诊疗领域的广泛应用。

从聚焦超声的本身特点来看，良好的组织穿透性及准确的空间指向性是其显著特征，决定了其可以准确的到达深部实体组织、器官，从而产生诊疗效应。但从目前聚焦超声的应用来看，主要集中在两个方面：(1)高强度聚焦超声，该技术主要是通过高能量的聚焦声束对组织产生的热效应和空化效应导致焦区内的组织破坏，而不损伤周围的正常组织，但目前高强度聚焦超声几乎都为单一频率工作；(2)超声激发声发射(Ultrasound-StimulatedAcoustic Emission，USAE)：该技术是利用差频超声干涉产生拍频的原理引起目标区域组织低频振动形成声发射，从而形成声谱成像。

通过对现有技术研究，申请人发现：对于高强度聚焦超声，其主要引起组织的高频振动而产生热效应及空化效应，其损伤效应明显而力学效应不明显；对于USAE，由于其超声束能量较低，引起的组织振动有限，不能形成良好的组织力学特征，此外低频超声空间指向性差，不能对深部组织特定的点进行刺激和发现病灶，不适合用来进行组织力学刺激。因此现有的两种聚焦超声应用都不适用于活体组织力学刺激。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种双频聚焦超声系统，该系统利用差频干涉产生拍频的原理，采用两个空间指向性好的高频声波在目标区域产生一个力学效应好的低频振动，实现组织、器官的力学刺激，进而通过双频聚焦超声将力学刺激与组织消融结合起来，实现力学刺激到病灶的诊断及病灶的治疗。

为了实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下：

一种双频聚焦超声系统，包括：第一信号发生器、第一功率放大器、第二信号发生器、第二功率放大器、超声换能器组件、多个信号接收装置和信号分析装置，其中：

所述超声换能器组件中设置有共焦的第一超声换能器和第二超声换能器，所述第一超声换能器和第二超声换能器具有频率差，并且所述第一超声换能器通过所述第一功率放大器与第一信号发生器相连接，所述第二超声换能器通过所述第二功率放大器与第二信号发生器相连接；

多个所述信号接收装置用于采集人体生理电信号，所述信号分析装置与多个所述信号接收装置相连接，用于将多个所述信号接收装置采集得到的人体生理电信号生成可表示靶区功能状态的信息并输出。

优选地，所述第一超声换能器和第二超声换能器的输出声功率为100mW-500mW，并且所述第一超声换能器和第二超声换能器的频率差值小于基础频率的1％，所述基础频率为0.1MHz-5MHz。

优选地，所述第一超声换能器和第二超声换能器的输出声功率为100-500W。

优选地，所述第一超声换能器和第二超声换能器为同心共焦。

优选地，所述第一超声换能器和第二超声换能器均为球壳自聚焦换能器，并且第一超声换能器和第二超声换能器以共心的方式排列。

优选地，所述信号分析装置具体为心电监护仪，多个信号接收装置为与所述心电监护仪相连接的电极片。

优选地，所述信号分析装置具体为脑电监护仪，多个信号接收装置为与所述脑电监护仪相连接的电极片。

优选地，该系统进一步包括：

信号反馈调节单元，所述信号反馈调节单元的输入端与所述信号分析装置的输出端相连接，输出端分别与所述第一功率放大器、第二功率放大器相连接，用于根据所述信号分析装置输出的医学信号调节所述第一功率放大器、第二功率放大器的放大倍数。

优选地，所述信号反馈调节单元包括：诊断信号反馈调节单元和治疗信号反馈调节单元，并且所述诊断信号反馈调节单元和治疗信号反馈调节单元可调节第一功率放大器、第二功率放大器放大倍数的范围不同。

优选地，该系统进一步包括：B超影像装置，用于采集所述第一超声换能器和第二超声换能器的焦点位置的影像，在所述第一超声换能器和第二超声换能器的圆心位置设置有通孔，所述B超影像装置的超声探头固定在所述通孔内。

由以上技术方案可见，本申请实施例提供的该双频聚焦超声系统，与现有技术相比较，具有如下优势：

(1)、利用差频聚焦超声束的力学效应，对目标区域组织进行功能定位，相比较与现有高强度聚焦超声治疗系统依靠二维超声解剖图像对目标区域进行定位更准确：因为二维超声解剖图像容易受到多种因素的干扰，尤其是对于结构相似、临近的组织难于区分；同时对于体内许多病变并不一定会表现为解剖结构的异常，如心脏的异位节律点、脑组织中的癫痫病灶，这些情况均不能通过解剖影像来实现定位，而本发明可以通过差频聚焦超声束对目标区域进行力学刺激，一方面能对相邻组织的力学特征进行分析，并加以鉴别，也可以对同一组织的不同状态加以区分，如水肿组织、纤维化组织、瘢痕组织，另一方面可以通过有效的力学刺激诱发病灶的异常电活动，记录并分析其电活动变化可以明确病灶部位及范围。从以上几个方面可以看出本发明能够实现对目标区域精确的功能定位，从而显著的提高治疗的准确性和有效性。

(2)、利用本发明可以明显提高治疗效率，缩短治疗时间：本发明由于差频的作用，明显的增强了治疗焦区内的空化效应，使其较单频高强度聚焦超声治疗在相同的声功率下具有更大的消融灶，这可以极大的提高治疗效率、缩短治疗时间。

(3)、利用双频聚焦超声的力学效应对目标组织前后力学特征的改变，客观评价治疗效果：目前对聚焦超声治疗前后疗效的评价主要通过治疗前后目标区域的灰度变化来体现，但灰度变化的判断受人为因素影响较多，尚缺乏统一、客观的标准，不利于对疗效的统一、客观评价。运用该系统，可以通过差频形成USAE的原理，形成组织治疗前后的声谱发射图，而声谱发射图可以客观的评价组织的力学状态，也就是说可以客观的反应出组织的硬度，从而对治疗前后目标区域组织改变进行统一、客观的评价，进而对疗效进行客观评价。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种双频聚焦超声系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的超声换能器组件的示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种双频聚焦超声系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

图1为本申请实施例提供的一种双频聚焦超声系统的结构示意图。

如图1所示，图中1为患者，2为靶区，该双频聚焦超声系统包括：超声换能器组件4、第一功率放大器43、第二功率放大器44、第一信号发生器45、第二信号发生器46、多个信号接收装置51和信号分析装置52，其中：超声换能器4通过第一功率放大器43与第一信号发生器45相连接，并且通过第二功率放大器44与第二信号发生器46相连接。

超声换能器组件4中设置有相互共焦的第一超声换能器41和第二超声换能器42，并且第一超声换能器41和第二超声换能器42的输出频率不同，如图2所示，为本申请实施例提供的超声换能器组件的示意图。图中3为共焦的焦点。在本申请实施例中，第一超声换能器41和第二超声换能器42为优选为同心共焦。另外，为了便于将焦点3的面积尽量的小，第一超声换能器41和第二超声换能器42优选采用球壳自聚焦换能器，并且第一超声换能器41和第二超声换能器42以共心的方式排列。

第一超声换能器41通过第一功率放大器43与第一信号发生器45相连接，通过改变第一功率放大器43的放大倍数可以改变输出声功率大小，另外通过调整第一信号发生器45也可以使得第一换能器41的频率进行变化。第二超声换能器42通过第二功率放大器44与第二信号发生器46相连接，第二功率放大器44的作用是改变第二超声换能器42的输出声功率大小，第二信号发生器46的作用也可以改变第二超声换能器4的输出频率大小。

在本申请实施例中，为了在靶区2产生低频振动，第一超声换能器41和第二超声换能器42在工作时具有一定的频率差，并且为了使得在靶区2产生振动的幅度较大，第一超声换能器41和第二超声换能器42频率差优选低于基础频率的1％，并且两个换能器的基础频率范围为0.5MHz-5MHz，输出声功率0～1000W。

如图1所示，多个信号接收装置51与信号分析装置52相连接，并且信号接收装置51可以采集人体生理电信号，并且将采集到的人体生理电信号发送给信号分析装置52，信号分析装置可以根据采集得到的人体生理电信号生成医学信号并输出。操作人员通过输出的医学信号可以对诊断或治疗的结果进行判断。

在本申请实施例中，根据诊断和治疗的靶区的不同，信号分析装置52可以选用现有的设备或仪器。例如：当要诊疗的靶区组织为心肌组织，则信号分析装置52可以为心电监护仪，信号采集装置51可以为与心电监护仪相连接，且紧贴在患者皮肤表面的电极片。由于电-机械耦联是心肌活动的基础，对心肌的力学刺激可以引起其电学活动的改变，这种效应在异位节律发放部位更为明显。在本申请实施中，可以利用第一超声换能器41和第二超声换能器42形成的差频超声，在靶区2产生刺激形成低频振动，就会对靶区2的心肌组织形成剪切力而产生力学刺激，进而导致心电活动或异常冲动的发生，电极片51接收靶区2的这些心电活动信息并传输给心电监护仪，心电监护仪详细记录并分析心电活动生成医学信号并以输出。这样操作者通过这些输出的医学信号(通常为心电图)就可以明确心肌组织的功能状态，并明确异位节律点的部位及范围，从而做出明确的诊断。另外，在诊断时，如果靶区产生低频振动的振幅比较低，在靶区的刺激不能产生电生理反应，则操作者通过心电监护仪输出的信息，就较难判断心肌组织的功能状态，此时可以通过调节第一功率放大器43和/或第二功率放大器44的参数，加大第一超声换能器41和第二超声换能器42的输出声功率，提高靶区产生低频振动的振幅比。

同理，当要诊疗的靶区组织为脑组织，则信号分析装置52可以为脑电监护仪，信号采集装置51可以为与脑电监护仪相连接，且紧贴在患者头部的电极片，另外，根据要诊疗的靶区组织的不同，信号采集装置51不一定全部为电极片，还可以为其他类型的采集装置。由于脑组织具有十分丰富的电活动，不同的脑组织区域、异常病灶其电活动具有不同的规律。在本申请实施例中，可以通过第一超声换能器41和第二超声换能器42的差频超声对脑组织形成的力学刺激，诱导目标区域发放电信号，并且通过脑电监护仪对电信号的详细记录和分析了解脑组织的功能状态、病灶部位及范围。如癫痫病灶，不同部位的癫痫病灶在受到刺激时可以产生各种形式的异常脑电波(癫痫波)，通过对这些癫痫波的分析可以明确病灶部位及范围。若要诊疗的靶区组织为自主神经，自主神经对内脏活动具有十分明显的调节作用，力-化学耦合是自主神经的调节过程中的重要环节，通过力学刺激引起化学递(调)质的释放，进而导致内脏功能状态的改变。通过差频超声可以对自主神经形成力学刺激，进而通过对内脏功能状态的记录、分析，如：生物电、血压、酸碱度等，可以了解自主神经的功能状态及病灶部位、范围。

实施例二：

根据上述实施例一的双频聚焦超声诊断的结果，可以确定病灶的部位及范围，所以在本申请实施例一的基础上，该双频聚焦超声系统还可以用于对病灶部位进行治疗。

在本申请实施例中，在对病灶部位进行治疗时，根据双频聚焦超声诊断系统的诊断结果，调整第一功率放大器43和第二功率放大器44的参数，改变其各自的放大倍数，可以使第一超声换能器41和第二超声换能器42的输出声功率增加，在本申请实施例中，优选地，第一超声换能器41和第二超声换能器42的输出声功率在100-500w，这样就可以使得在焦点处声强达到1000W/cm²及以上，对已确定的病灶可以进行瞬间消融治疗。此外，在消融治疗时，对第一超声换能器41和第二超声换能器42的频率差值不做要求。

同时充分利用该系统能够增强组织的空化效应，增大其毁损灶的体积，以极大的提高治疗的治疗效率，缩短相应的治疗时间，并避免由于治疗时间过长带来的相关并发症。

实施例三：

图3为本申请实施例提供的另一种双频聚焦超声系统的结构示意图。

在实施例一中对患者进行诊断及在实施例二中对患者进行治疗时，当需要对第一功率放大器43和/或第二功率放大器44的参数进行调节时，可以通过手动的方式进行调节。在其他实施例中，还可以采用自动调节的方式对第一功率放大器43和/或第二功率放大器44的参数进行调节。

如图3所示，在本申请实施例中，该双频聚焦超声系统还包括：信号反馈单元，其中：信号反馈调节单元的输入端与信号分析装置52的输出端相连接，输出端分别与第一功率放大器43、第二功率放大器44相连接，其作用是根据信号分析装置52输出的医学信号调节第一功率放大器43、第二功率放大器44的放大倍数。

信号反馈单元可以包括：诊断信号反馈单元61和治疗信号反馈单元62，其中：诊断信号反馈单元61和治疗信号反馈单元62对于两个功率放大器的放大倍数可调节范围不同，诊断信号反馈单元61通常在超声换能器为较低功率的情况下，对两个功率放大器进行调节，而治疗信号反馈单元61通常在超声换能器为较高功率的情况下，对两个功率放大器进行调节。

此外，在本申请实施例中，为了方便对靶区从影像的角度进行定位、诊断过程进行引导及对治疗疗效进行评价，该系统还可以包括：影像单元，影像单元可以采用超声影像系统也可以采用MRI等。如图2所示，影像单元采用B超影像装置，则在第一超声换能器41和第二超声换能器42的圆心位置设置有通孔7，并且将B超影像装置的超声探头固定在通孔7内，这样就可以通过B超影像装置对靶区2及焦点3进行监控及对治疗疗效进行评价。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种双频聚焦超声系统，其特征在于，包括：第一信号发生器、第一功率放大器、第二信号发生器、第二功率放大器、超声换能器组件、多个信号接收装置和信号分析装置，其中：

所述超声换能器组件中设置有共焦的第一超声换能器和第二超声换能器，所述第一超声换能器和第二超声换能器具有频率差，并且所述第一超声换能器通过所述第一功率放大器与第一信号发生器相连接，所述第二超声换能器通过所述第二功率放大器与第二信号发生器相连接；

在确定病灶的部位及范围时，所述第一超声换能器和第二超声换能器的输出声功率为100mW-500mW，并且所述第一超声换能器和第二超声换能器的频率差值小于基础频率的1％，所述基础频率为0.1MHz-5MHz；

在对病灶部位进行治疗时，所述第一超声换能器和第二超声换能器的输出声功率为100-500W；

多个所述信号接收装置用于采集人体生理电信号，所述信号分析装置与多个所述信号接收装置相连接，用于将多个所述信号接收装置采集得到的人体生理电信号生成可表示靶区功能状态的信息并输出。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一超声换能器和第二超声换能器为同心共焦。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一超声换能器和第二超声换能器均为球壳自聚焦换能器，并且第一超声换能器和第二超声换能器以共心的方式排列。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号分析装置具体为心电监护仪，多个信号接收装置为与所述心电监护仪相连接的电极片。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号分析装置具体为脑电监护仪，多个信号接收装置为与所述脑电监护仪相连接的电极片。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：

信号反馈调节单元，所述信号反馈调节单元的输入端与所述信号分析装置的输出端相连接，输出端分别与所述第一功率放大器、第二功率放大器相连接，用于根据所述信号分析装置输出的医学信号调节所述第一功率放大器、第二功率放大器的放大倍数。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述信号反馈调节单元包括：诊断信号反馈调节单元和治疗信号反馈调节单元，并且所述诊断信号反馈调节单元和治疗信号反馈调节单元可调节第一功率放大器、第二功率放大器放大倍数的范围不同。

8.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，进一步包括：B超影像装置，用于采集所述第一超声换能器和第二超声换能器的焦点位置的影像，在所述第一超声换能器和第二超声换能器的圆心位置设置有通孔，所述B超影像装置的超声探头固定在所述通孔内。