CN103547381B - 具有模块化的空化传感元件的球面形超声hifu换能器 - Google Patents

Abstract

一种具有螺纹开口的超声HIFU换能器（120），模块化的空化传感器（90）可移除地位于所述螺纹开口中。所述模块化的空化传感器包括模块化壳体（92），所述壳体包含用于对指示空化的声信号进行感测的压电换能器。所述模块化的空化传感器具有电极（96、98），当将所述模块化壳体拧入所述螺纹开口时，所述电极与所述螺纹开口中的弹簧触头（112、114）接合。损坏的传感器可被拧下并被简单替换而无需连接器或焊接。

Description

具有模块化的空化传感元件的球面形超声HIFU换能器

发明领域

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，其用于通过称为HIFU的高强度聚焦超声受控地加热身体组织。

背景技术

超声传递升高温度的处理被用于各种治疗目的。在HIFU处理中，超声能量聚焦在体内某一小点处，以将该组织加热到足以产生所期望治疗效果的温度。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，但是以延长时间传递明显较小的能量而非突然脉冲。HIFU技术可用于选择性地破坏体内不需要的组织。例如，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，通常为大约60到大约80摄氏度，能够破坏肿瘤或者其他病理组织，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受者身体的选定部分中促进一些其他生理学变化。

HIFU换能器通常形成为球面形或者抛物面形盘，所述盘具有为换能器给定几何焦点的曲率半径。参见例如2010年11月3日提交的国际专利申请IB2010/054985中描述的HIFU换能器。该申请中描述的换能器由少量复合陶瓷压电瓦片形成。所述瓦片以二维方式弯曲，使得其配装在一起以形成具有期望几何焦点的期望的球面形发射表面。每一瓦片在组装前可单独地制造和测试，从而确保整个换能器在组装后按规定要求具有完备功能。这种复合陶瓷压电瓦片在发射期间可具有80-85%的能量转换效率。

当利用热效应破坏组织细胞时，通常希望避免进入更高超声能量级别，所述更高超声能量级别将产生例如空化等更多有害效应。因此HIFU换能器常包括用于监测空化迹象的空化传感器。稳态和瞬态空化可根据某些噪声和谐波信号电平的表现进行检测，如题为“MONITORINGANDCONTROLOFMICROBUBBLECAVITATIONINTHERAPEUTICULTRASOUND”（Vignon等人）的美国临时专利申请号61/392,067所述。也可参见使用水听器检测空化声学迹象的美国专利5,827,204（Grandia等人）。所述空化传感器通常接合在HIFU换能器的中心。但是，当HIFU换能器为用于聚焦的球面或抛物面形状时，已发现盘形中心可接收换能器液槽和声窗界面反射回的能量和热量。该热量和能量可聚焦在HIFU换能器的中心并损坏空化传感器。损坏的空化传感器，无论是由于反射能量或在制造过程中的损坏，可造成整个换能器不可用，即使HIFU元件本身仍功能完备。因此希望能够修复换能器及其空化传感器，以减少将仍可工作的换能器废弃的需要。

发明内容

根据本发明的原理，描述了一种具有模块化安装的空化传感器的球面形HIFU换能器。在所述实施方案中，将用于空化传感器的底座拧入HIFU换能器中心处的开口，并以O型圈密封流体出口。通过弹簧触头来对空化传感器的接触区域进行信号连接，所以空化传感器可用新的传感器替换而无需焊接。若空化传感器被损坏，则可拧下传感器底座，将新的传感器插入以替换被损坏的传感器并拧到同样位置。

附图说明

在附图中：

图1以透视图示出被单独形成用于本发明HIFU换能器的球面形换能器匹配层；

图2a示出压电陶瓷材料片的端视图，所述压电陶瓷材料片已被切削形成用于本发明HIFU换能器的复合换能器阵列；

图2b示出具有非磁性通路互联的复合换能器阵列；

图3示出具有发射元件和非磁性通路的复合换能器阵列；

图4示出在本发明HIFU换能器的球面形成型之前的复合压电瓦片；

图5以剖视图示出复合压电瓦片在本发明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换能器的后部；

图7a和图7b示出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HIFU换能器的延伸的顺应性触头；

图8以透视图示出本发明HIFU换能器的后部，所述HIFU换能器具有附连用于图7a和图7b印刷电路板的支撑框架；

图9和图10示出安装在根据本发明原理的HIFU换能器中的模块化的空化传感器；

图11和图12为具有模块化的空化传感器的HIFU换能器的剖视图。

具体实施方式

构建本发明HIFU换能器可从制作球面形或盘形匹配层开始。换能器的匹配层提供压电换能器的声学特性与患者身体的、或换能器与患者之间介质的声学特性的至少部分匹配。所匹配的特性可包括声阻抗、声速和材料密度。在超声换能器的常规构建中，匹配层通常形成在换能器堆叠体上，且形成在压电材料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，球面形匹配层自身与换能器其余部分分离地形成。有多种方式形成球面形匹配层，包括铸造、模制、热成型或机械加工。此处描述的HIFU换能器的球面形匹配层由填有颗粒的填料环氧树脂制成，所述颗粒为匹配层提供了期望声学特性，如现有技术中已知的那样。优选地，颗粒为非磁性的。在铸造或模制球面形匹配层的过程中，将填料环氧树脂倒入具有期望球面形状的凹形固定装置。凸形固定装置封闭在该凹形固定装置之上，从而迫使液态环氧树脂充满两固定装置之间的球面形空间。使环氧树脂固化并将其从固定装置中移出，然后将其周边加工成为最终形状。在热成型工艺中，由填料环氧树脂形成具有期望厚度的平面片体，然后将其部分固化。然后将该片体放置在已被加热的具有期望曲率的凸形或凹形固定装置上，所述固定装置将片体加热使其易弯曲并且顺应固定装置的曲率。当片体已经达到期望的球面形状时，将其固化并完成。在机械加工过程中，将填料环氧树脂的盘体铸造或者模制并且固化。再将该盘体的一个侧面加工以形成凸形表面。再将该盘体放在凹形固定装置上，并将该盘体的另一侧面加工以形成球面形匹配层的凹形侧。在一个已构建实施例中，由这些过程中的任一过程完成的球面形匹配层为0.5mm厚，具有140mm的直径，以及140mm的球半径，即为成品HIFU换能器的尺寸和形状。图1示出这种球面形匹配层10。凹形表面12是成品换能器的发射表面，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，然后被覆盖复合压电瓦片。该刚性匹配层因而提供了用于组装压电瓦片层的期望曲率的形式。由于瓦片前方的匹配层10是连续形成的表面，所述匹配层提供了HIFU换能器其余部分与患者以及HIFU换能器前方外部环境的期望电气和环境隔离。

复合压电换能器阵列的构建从陶瓷压电材料的片体30开始，如图2a和图2b所示。在一种已构建的换能器中，片体30为1.2mm厚（T）。首先，在期望具有从换能器的后部到前部（发射侧）的电连接的位置处钻取穿过片体30的若干孔。再向该孔填入充银环氧树脂以形成穿过片体的通路32。充银提供导电性并且对于在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进行导电填充。固化该银环氧树脂。然后对片体在厚度的一部分上切削沿某一方向的平行切口16，如图2a中的片体30的边缘的视图所示。然后对该片体在一部分上切削沿正交方向的平行切口，留下多个向上突起的压电柱18和通路32。然后用非导电的环氧树脂填充切削的切口并且使其部分地固化。然后将片体顶表面和底表面加工平整，至图2a中虚线34所指示的深度。这将在环氧树脂36中产生压电柱18和导电通路32成矩阵的成品片体，如图2b所示。成品片体包括1：3矩阵的压电柱，每一压电柱在沿片体厚度的纵向上具有其主导振动模式，且主要沿朝着换能器前（面向患者）侧的方向发射超声。复合材料的该主导振动模式降低了横过该阵列向阵列其他有效区域的不利的侧向发送。

将平整复合压电片体30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。在一种已构建的HIFU换能器中，瓦片具有图4的梯形形状，以适配以下所述圆形球状中心瓦片。替代地，可将每一瓦片加工为饼形切片的形状，使得瓦片可覆盖匹配层而无需中心瓦片。瓦片也可以采用布置为覆盖球面形表面的其它几何形状，包括但不限于如足球各面片（panel）所展现的与六边形相混合的五边形。然后赋予图4的平整梯形瓦片以期望的球面形曲率。由于复合换能器由环氧树脂矩阵形成，所以可加热瓦片以软化环氧树脂，从而使瓦片可符合期望的曲率。这可通过将瓦片40放置在被加热的凹形或凸形固定装置上、然后挤压瓦片使其符合凸形或凹形形状来实现。在将该瓦片保持为期望曲率的同时，冷却固定装置且使环氧树脂完全固化。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，通过将导电材料溅镀在如图3的片体30所示的片体的表面上而将顶表面和底表面38金属化。该导电材料优选是非磁性的，例如金或者钛/金。金属化的表面通过导电通路32电连接，从而提供了从复合片体的后表面到前表面的电连接。然后通过从瓦片的后（凸形）表面在期望的有效区域周围进行金刚石钻头钻孔、激光钻孔或者超声加工来隔离出复合压电片体的有效（发射和接收）区域。图3和图4显示了多个如此限定的有效区域44。限定有效区域的切口42切过片体的表面的金属化部分以将所述区域电隔离，并且优选地延伸达到复合片体的一半位置处，以使有效区域与片体周围区域及其它有效区域声隔离。替代地，可在瓦片接合到匹配层之后将有效区域电隔离和声隔离。

在一种已构建的瓦片中，有效区域44并非以行或列或者圆形或者其他规则图案对称地布置，而是如图4所示不规则地或者随意地布置。所述随意图案防止有效区域的声学旁瓣的任何显著的相加组合，所述相加组合将减小HIFU换能器所传递的有效能量。

然后将八个球面形梯形瓦片40围绕匹配层10的凸形表面14彼此邻近地轻微接合，从而提供瓦片的组件的形式。如果球面形瓦片40为如上所述的饼状，则瓦片将完全覆盖匹配层10的凸形侧。当球面形瓦片为如图4所示的梯形时，则所述球面形瓦片将覆盖匹配层的除了匹配层的中心以外的凸形侧。该圆形球状空间可保持敞开。替代地，它可覆盖有用于冷却的圆形球状的例如铝的热导体。由于HIFU换能器的球面形几何形状，返回的声能量趋向于被聚焦到HIFU换能器的中心处。将热导体设在此处可帮助冷却HIFU换能器。替代地，圆形球状复合压电瓦片48可填充该空间。例如，图3的具有其自身有效区域的圆形片体可被制成为球面形状且设定在此处，从而提供了匹配层10的完全复合压电覆盖，如图5中匹配层10上的梯形和圆形瓦片的剖视图所示。在已构建的这一完全覆盖设计的换能器中，九个瓦片为HIFU换能器提供265个有效区域，256个用于发射而9个用于接收。

从图3中可见，通路32定位为可将后表面上的有效区域周围的金属化区域连接到瓦片的前（面向患者）侧上的金属化表面。在一种已构建的HIFU换能器中，有效区域44周围的金属化区域与参考电位电联接。通路32将该参考电位与瓦片另一侧的金属化表面联接，所述另一侧在图3中不可见。该通路因此用于向复合压电瓦片的面向患者的一侧施加参考电位，并且也向有效区域44的面向患者的一侧的金属化部分施加参考电位。由于瓦片40的面向患者的一侧与匹配层10接合因而无法接近以用于电连接，所以通路提供了穿过压电片体到瓦片前侧的所需电连接。

其后，如图6所示，通过粘合、卡扣配合或者紧固件将塑料支撑框架50附连到组装好的瓦片的后部。在一种已构建的换能器中，九个瓦片40、48中的每一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以相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示出梯形印刷电路板52的前表面和后（54）表面。来自连接器57的印刷电路连接部56位于后表面54上，所述连接部由穿过所述电路板到HIFU换能器的有效区域的电镀通孔59连接。顺应性的金属触头60在印刷电路板前表面上，其横跨印刷电路板与其瓦片之间的空间，并且将各印刷电路连接部与相反的复合压电瓦片40的有效区域44和通路32电连接。冷却槽口58位于印刷电路板52的在HIFU变换器的外周处的一个边缘处。

印刷电路板52在每一瓦片（例如图6所示瓦片40）上方接合到支撑框架50。当以此方式组装印刷电路板时，其呈现如图8中印刷电路板52所示的那样。在该组装之前，顺应性金属触头60的伸出末端涂覆有导电环氧树脂。当将印刷电路板组装到框架上时，触头60的末端将与相对的瓦片的金属化区域接触，并且在导电环氧树脂固化时变为接合而与金属化区域电连接。触头60因而在印刷电路板与压电瓦片的有效区域和参考电位区域之间提供电气连通。

尽管印刷电路板可被制成为传统的平面的印刷电路板，图7a和图7b的印刷电路板52优选具有球面形曲率，所述球面形曲率与相对的复合压电瓦片40的球面形曲率相匹配，印刷电路板通过触头60与该复合压电瓦片40连接。印刷电路板如图7a所示可仅在面向瓦片的一侧上弯曲或在两侧上弯曲。可以以多种方式将印刷电路板形成为弯曲的板。一种技术以玻璃环氧树脂板材料的平整厚片开始，将该板的表面机械加工或磨削至期望曲率。另一技术是使用热成型以加热该板材料并软化环氧树脂，然后通过将片体紧靠在期望曲率的固定装置上按压而形成所述曲率。电路板可在顶表面和底表面上双层包覆有光致成像和化学蚀刻的导电线，所述顶表面和底表面通过形成于电路板中的电镀通孔互连。所述电路板也可以是具有三个或更多个导电线层的多层板，所述导电线层形成在电路板的表面上以及各层之内以用于更复杂、更高密度的电路构造。刚性板52也能够牢固地安装如连接器57的其他电气元件。

根据本发明的原理，模块化的可移除空化传感器位于HIFU换能器的中心，如图9中示出的换能器的后视图所示。在该视图中，移除了印刷电路板52，可见框架50中的瓦片40的后部。也移除了在框架50的中心中的用于实现到空化传感器的连接的圆形印刷电路板，从而可见空化传感器的模块化组件。在HIFU换能器的中心的交叉影线区域为空化传感器90的位置。HIFU换能器的中心的放大视图在图10中示出。

在图10的放大视图中，开口位于HIFU换能器的中心，所述开口由向后延伸的圆柱形印刷电路板底座94环绕。所述底座94从中心开口的圆环处向后突出，并且在其内圆柱形表面带有螺纹。带有螺纹的模块化壳体92位于带有螺纹的印刷电路板底座内部，从印刷电路板位置向前。两个带螺纹表面的接合指示在106处。空化传感器90，压电接收元件，位于壳体92内。压电接收元件可由实心压电陶瓷、将压电陶瓷盘以直角切削并对切削的切口填充环氧树脂填充剂而形成的复合陶瓷、或由压电PVDF材料制成的元件形成。在任一情况下，压电元件经磨削或磨平到一定厚度，所述厚度可获得期望的接收频率。压电元件外表面经金属化以提供信号和返回触头。在压电元件后表面中形成圆形隔离切口104，以将后表面上的金属化部分分隔为两个接触电极，后表面中心的一个圆形接触电极98以及环形外周接触电极96，所述环形外周接触电极与所述元件前部的金属化部分邻接。然后将所述元件电极化。匹配层100接合到压电元件90的前表面。

图11和图12为安装在HIFU换能器120中模块化封装的空化传感器的剖视图，其中图12以放大视图显示中心组件。可见模块化的空化传感器壳体92具有中心接合的压电传感器元件90，所述压电传感器元件面向匹配层100。在将壳体的带螺纹外部拧入印刷电路板底座94的匹配螺纹之前，O型圈102围绕模块化壳体92放置。当模块化壳体92完全拧入就位时，将O型圈102压紧在模块化壳体92与底座94之间以形成围绕壳体的液密密封。当壳体92以此方式安置时，从印刷电路板110延伸的电触头112、114与压电元件的金属化接触电极98、96电接触。这些触头将由元件90接收的压电信号与印刷电路板110上的电路联接，所接收的可指示空化的信号被从所述印刷电路板联接至电路并被处理。

若空化传感器在制造过程中或使用过程中被损坏，可通过从换能器120拧下模块化壳体92和传感器元件90而替换被损坏的空化传感器。在一个已构建的实施例中，在模块化壳体98的面向患者的一侧中形成多个孔，用于活动扳手的接合以将所述壳体从换能器底座94拧入和拧下。在将已损坏传感器元件拧下并移除后，将新的模块化壳体和传感器元件拧回到开口中直至O型圈102再次压紧形成液封。印刷电路板110的弹性弹簧触头112、114与新传感器上的电极98、96接触，而具有其新传感器的HIFU换能器则可准备好再次投入工作。

Claims (15)

1.一种具有可更换空化传感器的高强度聚焦超声换能器，包括：

具有中心区域的盘形高强度聚焦超声发射器；

空化传感器；以及

包含所述空化传感器的模块化壳体，所述模块化壳体以可移除方式定位在所述高强度聚焦超声发射器中，使得所述空化传感器定位成接收能够指示空化的声信号。

2.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，所述盘形高强度聚焦超声发射器具有球面形的面向患者的表面。

3.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，所述空化传感器还包括压电换能器。

4.根据权利要求3所述的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，所述压电换能器还包括压电元件，所述压电元件形成为下述元件中的一种：a）实心压电陶瓷；b）复合陶瓷，所述复合陶瓷通过将压电陶瓷盘切削并用填充剂材料填充所述切削的切口而形成；或c）由压电PVDF材料制成的元件。

5.根据权利要求4所述的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，所述压电换能器具有被金属化以提供第一电极和第二电极的外表面。

6.根据权利要求5所述的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，所述压电换能器还包括将金属化外表面电气分离成单独电极的隔离切口。

7.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，所述模块化壳体以可移除方式定位在所述高强度聚焦超声发射器的中心区域中。

8.根据权利要求7所述的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，所述中心区域还包括螺纹开口；并且

其中所述模块化壳体带有螺纹以便以可移除方式接合所述中心区域的螺纹开口。

9.根据权利要求8所述的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，所述高强度聚焦超声换能器还包括位于所述中心区域中的印刷电路板，所述印刷电路板具有电气触头；

其中所述空化传感器还包括电极，当所述模块化壳体被拧入所述中心区域时，所述电极被所述印刷电路板的电气触头接合。

10.根据权利要求8所述的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，所述模块化壳体还形成为通过工具接合以将所述模块化壳体拧入所述中心区域。

11.根据权利要求10所述的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，所述模块化壳体还形成有适用于由活动扳手接合的多个孔。

12.根据权利要求8所述的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，所述高强度聚焦超声换能器还包括液密密封，当所述模块化壳体完全接合在所述高强度聚焦超声发射器中时，所述液密密封接合在所述模块化壳体与所述高强度聚焦超声发射器之间。

13.根据权利要求12所述的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，所述液密密封还包括O型圈密封。

14.根据权利要求9所述的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，所述印刷电路板电气触头还包括弹性触头。

15.根据权利要求14所述的高强度聚焦超声换能器，其特征在于，所述弹性触头还包括弹簧触头。