CN106108945A - 一种用于声动力治疗的远场超声探头 - Google Patents

一种用于声动力治疗的远场超声探头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于声动力治疗的远场超声探头，属于医疗仪器技术领域。该超声探头包括超声换能器、上部超声传输腔体、电位移轴、波纹伸缩器、下部超声传输腔体、超声吸声层和超声耦合层；所述上部超声传输腔体的一端与超声换能器固定相连，另一端与波纹伸缩器的一端相连；所述波纹伸缩器的另一端与下部超声传输腔体的一端相连；所述下部超声传输腔体的另一端固定有超声耦合层；所述电位移轴分布于以波纹伸缩器为中心的四方向上；所述超声吸声层涂覆于下部超声传输腔体的内表面。该超声探头具有结构简单、易于实现、使用安全、效率高和持续性强等特点。

Description

一种用于声动力治疗的远场超声探头
技术领域
本发明涉及一种用于声动力治疗的远场超声探头，属于医疗仪器技术领域。
背景技术
心血管疾病是导致人类死亡的首要病因，而动脉粥样硬化是其根源。搭桥和支架治疗技术创伤大、且还有很多出现术后再狭窄。基于超声激发的声动力已被初步证实是一种无创治疗动脉粥样硬化的新方法，声动力疗法利用超声波对生物组织有较强的穿透能力，尤其是聚焦超声能无创伤地将声能聚焦于深部组织，并激活一些声敏药物(如血卟啉)产生抗肿瘤效应。由于世界上患有动脉粥样硬化的病人达十几个亿，而声动力治疗方法简单，花销低，因此，声动力方法一旦引入临床应用将会有很大市场，可以创造出巨大的经济效益。
用于声动力治疗的超声探头的核心部件为超声换能器，通过压电陶瓷晶片将电信号转换为相同频率的超声信号，然后通过超声波实现激发治疗药物的功能。在声动力治疗过程中，超声声场强度是一个非常重要的治疗参数。声场过强，可能引起药物分子或细胞坏死，促成局部炎症使病情加重；声场过弱，则疗效不显著或需要的治疗时间过长。另一方面，靠近超声换能器表面处的超声信号为近场信号，近场区声强度有剧烈的起伏变化，存在着许多声强度为极小值的节点。这些节点可引起不希望有的盲点，对治疗药物进行精确量化可控作用不足，无法明确声动力治疗效果、建立精确超声剂量治疗效果数据间关系，在远场区声强度变化趋于平稳，所以需要研制超声远场作用探头，以实现提高声动力治疗装置的可靠性。
发明内容
本发明为解决上述现有技术中存在的技术问题，提出了一种用于声动力治疗的远场超声探头，可用于粥样动脉硬化、心血管及肿瘤等疾病的生动力治疗，所采取的技术方案如下：
所述远场超声探头包括超声换能器1、上部超声传输腔体2、电位移轴3、波纹伸缩器5、下部超声传输腔体6、超声吸声层7和超声耦合层8；所述上部超声传输腔体2的一端与超声换能器1固定相连，另一端与波纹伸缩器5的一端相连；所述波纹伸缩器5的另一端与下部超声传输腔体6的一端相连；所述下部超声传输腔体6的另一端固定有超声耦合层8；所述电位移轴3分布于以波纹伸缩器5为中心的四方向上；所述超声吸声层7涂覆于下部超声传输腔体6的内表面。
优选地，所述超声换能器1由圆形压电材料为核心构成，并通过法兰与上部超声传输腔体2的一端相连；所述超声换能器1上设有超声换能器连线9。
优选地，所述上部超声传输腔体2采用有机玻璃圆管，并在上部超声传输腔体2中部设有 进水口10；所述下部超声传输腔体6采用有机玻璃管，并且在下部超声传输腔体6靠近超声耦合层8一侧设有出水口11。
优选地，所述电位移轴3上设有电位移轴控制器连线4。
优选地，所述波纹伸缩器5的两端分别以套管方式与上部超声传输腔体2和下部超声传输腔体6相连。
优选地，所述超声吸声层7采用JB型环氧树脂基复合结构，其材料声特性阻抗为2.55MPa·s/m，声衰减系数为16.5dB/cm。
优选地，所述远场超声探头还包括超声信号发生模块、水循环模块和伸缩器控制模块；所述超声信号发生模块通过超声换能器连线9与超声换能器1相连；所述水循环模块通过进水口10和出水口11分别与上部超声传输腔体2和下部超声传输腔体6相连；所述伸缩器控制模块通过电位移轴控制器连线4与电位移轴3相连。
优选地，所述超声信号发生模块包括信号发生模块和功率放大模块；所述信号发生模块用于产生用于声动力治疗不同频率的电信号，同时控制所述电信号的占空比；所述功率放大模块用于将信号发生模块发出的电信号进行功率放大并调节信号强度，输出给所述超声换能器1，使超声换能器发出特定频率和强度的超声。
优选地，所述水循环模块包括水箱和水泵；所述水箱采用小型盛水容器，用于确保波纹伸缩器5在伸缩过程中超声传输腔体内注满水；所述水泵用于超声传输腔体进行有效水循环。
优选地，所述伸缩器控制模块包括电位移控制器和计算机；所述电位移控制器用于控制电位移轴3同步精确转动，从而使波纹伸缩器5精确纵向伸缩；所述计算机根据超声换能器1参数计算超声频率及声场焦点位置，传输程序至电位移控制器，控制波纹伸缩器5纵向伸缩。
本发明有益效果：
本发明提供一种用于声动力治疗的远场超声探头，能够克服现有声动力治疗中超声换能器近场的声场强度不均匀，无法对治疗药物进行精确量化可控作用的不足，可提高声动力治疗效果、建立精确超声剂量治疗效果数据间关系，实现提高声动力治疗装置的可靠性，本发明提出的声动力治疗的远场超声探头结构简单、易于实现、使用安全、效率高、持续性强，对声动力治疗领域有很高的工程应用价值，在其他一些生物工程领域也具有广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明所述远场超声探头的结构示意图。
图2为本发明所述远场超声探头原理示意框图。
图3为超声波近场和远场场强及超声分布示意图。
(1，超声换能器；2，上部超声传输腔体；3，电位移轴；4，电位移轴控制器连线；5，波纹伸缩器；6，下部超声传输腔体；7，超声吸声层；8，超声耦合层；9，超声换能器连线；10，进水口；11，出水口)
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
一种用于声动力治疗的远场超声探头，该超声探头包括超声换能器1、上部超声传输腔体2、电位移轴3、电位移轴控制器连线4、波纹伸缩器5、下部超声传输腔体6、超声吸声层7、超声耦合层8、超声换能器控制器连线9、进水口10、出水口11。超声换能器1由圆形压电材料为核心构成，可发出用于声动力治疗不同频率和强度超声波，可用法兰与所述上部超声传输腔体2固定。
上部超声传输腔体2、波纹伸缩器5和下部超声传输腔体6整体构成超声传输腔体。其中，上部超声传输腔体2采用有机玻璃圆管，一侧与超声换能器1连接，另一侧采用套管形式与波纹伸缩器5的一端连接，在该腔体中部设有进水口，其中，根据频率和强度的需要可更换超声换能器1。
波纹伸缩器5分别与所述上部超声传输腔体2及下部超声传输腔体6通过套管形式连接，该波纹伸缩器5可补偿纵向位移，通过伸缩实现超声传输腔体总长度的调节，其伸缩尺度由分布在四个方向的电位移轴3决定。
下部超声传输腔体6材料为有机玻璃管，一侧以套管形式与波纹伸缩器5的一端连接，另一侧固定有超声耦合层8，该超声耦合层8可直接接触治疗部位。在靠近超声耦合层8处设有出水口11。下部超声传输腔体内侧表面涂覆有超声吸声层7。
电位移轴3通过横向支杆支撑，以波纹伸缩器5为中心分布在其四个方向顶点上，由同一台电位移控制器精确程序控制，保证伸缩长度一致。超声吸声层7为JB型环氧树脂基复合结构，该吸声层可吸收辐射到下部超声传输腔体6内表面的超声，防止超声换能器1发射出的发散型超声波界面反射破坏均匀远场。
同时，该远场超声探头的超声换能器1通过超声换能器控制器连线9与超声信号发生模块连接，并由超声信号发生模块驱动，该模块包括信号发生模块和功率放大模块。其中，信号发生模块：负责产生用于声动力治疗不同频率的电信号，同时可控制该电信号的占空比。功率放大模块：负责将信号发生模块发出的电信号进行功率放大并调节信号强度，输出给所 述超声换能器1，使得超声换能器发出特定频率和强度的超声。
电位移轴3通过电位移轴控制器连线4与伸缩器控制模块连接，并由伸缩器控制模块控制，该模块包括电位移控制器和计算机。其中，电位移控制器：同时控制电位移轴同步精确转动，从而使波纹伸缩器5精确纵向伸缩。计算机：可根据超声换能器1参数计算超声频率及声场焦点位置，从而传输程序至电位移控制器，控制波纹伸缩器5纵向伸缩，确保超声耦合层处在远场位置。
上部超声传输腔体2与下部超声传输腔体6分别通过进水口和出水口与水循环模块连接。水循环模块包括水箱和水泵。其中，水箱：小型盛水容器，确保波纹伸缩器5在伸缩过程中超声传输腔体内注满水，所使用水为除泡水，避免超声波在水中传播产生空化气泡，影响超声均匀传输。水泵：确保超声传输腔体进行有效水循环，一方面使腔体始终注满水，另一方面通过水循环对超声换能器起到散热作用。
实施例1：
图1为本发明所述远场超声探头的结构示意图；如图1所示，该超声探头包括超声换能器1、上部超声传输腔体2、电位移轴3、电位移轴控制器连线4、波纹伸缩器5、下部超声传输腔体6、超声吸声层7、超声耦合层8、超声换能器控制器连线9、进水口10、出水口11。超声换能器1、上部超声传输腔体2、电位移轴3、波纹伸缩器5、下部超声传输腔体6、超声吸声层7和超声耦合层8；所述上部超声传输腔体2的一端与超声换能器1固定相连，另一端与波纹伸缩器5的一端相连；所述波纹伸缩器5的另一端与下部超声传输腔体6的一端相连；所述下部超声传输腔体6的另一端固定有超声耦合层8；所述电位移轴3分布于以波纹伸缩器5为中心的四方向上；所述超声吸声层7涂覆于下部超声传输腔体6的内表面。超声换能器1由圆形压电材料为核心构成，可发出用于声动力治疗不同频率和强度超声波，可用法兰与所述上部超声传输腔体2固定。
上部超声传输腔体2、波纹伸缩器5和下部超声传输腔体6整体构成超声传输腔体。其中，上部超声传输腔体2采用有机玻璃圆管，一侧与超声换能器1连接，另一侧采用套管形式与波纹伸缩器5的一端连接，在该腔体中部设有进水口，其中，根据频率和强度的需要可更换超声换能器1。
波纹伸缩器5分别与所述上部超声传输腔体2及下部超声传输腔体6通过套管形式连接，该波纹伸缩器5的伸缩尺度由分布在四个方向的电位移轴3决定。
下部超声传输腔体6材料为有机玻璃管，一侧以套管形式与波纹伸缩器5的一端连接，另一侧固定有超声耦合层8，该超声耦合层8可直接接触治疗部位。在靠近超声耦合层8处 设有出水口11。下部超声传输腔体内侧表面涂覆有超声吸声层7。
电位移轴3通过横向支杆支撑，以波纹伸缩器5为中心分布在其四个方向顶点上，由同一台电位移控制器精确程序控制，保证伸缩长度一致。超声吸声层7为JB型环氧树脂基复合结构，其材料声特性阻抗为2.55MPa·s/m，声衰减系数为16.5dB/cm，该吸声层可吸收辐射到下部超声传输腔体6内表面的超声，防止超声波反射破坏均匀声场。
同时，该远场超声探头的超声换能器1通过超声换能器控制器连线9与超声信号发生模块连接，并由超声信号发生模块驱动，该模块包括信号发生模块和功率放大模块。其中，信号发生模块：负责产生用于声动力治疗不同频率的电信号，同时可控制该电信号的占空比。功率放大模块：负责将信号发生模块发出的电信号进行功率放大并调节信号强度，输出给所述超声换能器1，使得超声换能器发出特定频率和强度的超声。
电位移轴3通过电位移轴控制器连线4与伸缩器控制模块连接，并由伸缩器控制模块控制，该模块包括电位移控制器和计算机。其中，电位移控制器：同时控制电位移轴同步精确转动，从而使波纹伸缩器5精确纵向伸缩。计算机：可根据超声换能器1参数计算超声频率及声场焦点位置，从而传输程序至电位移控制器，控制波纹伸缩器5纵向伸缩，确保超声耦合层处在远场位置。
上部超声传输腔体2与下部超声传输腔体6分别通过进水口和出水口与水循环模块连接。水循环模块包括水箱和水泵。其中，水箱：小型盛水容器，确保波纹伸缩器5在伸缩过程中超声传输腔体内注满水，所使用水为除泡水，避免超声波在水中传播产生空化气泡，影响超声均匀传输。水泵：确保超声传输腔体进行有效水循环，一方面使腔体始终注满水，另一方面通过水循环对超声换能器起到散热作用。
图2为本发明所述远场超声探头原理示意框图。如图2所示，超声信号发生模块持续对超声换能器1提供特定频率、占空比及一定功率的周期性电信号，通过超声换能器1的电声转换发射出具有特定频率、占空比及一定声强的超声并形成连续声场，靠近超声换能器1为超声近场，近场区声强度有剧烈的起伏变化，存在着许多声强度为极小值的节点。这些节点可引起不希望有的盲点。在远场区声强都变化趋于平稳，单随着距离的增加，声强逐渐减弱。超声先经过上部超声传输腔体2及波纹伸缩器5，然后进入下部超声传输腔体6。根据不同超声换能器所形成焦点位置不同，调节波纹伸缩器5纵向长度，可确保下部超声传输腔体6内的超声声场始终为远场，以确保超声耦合层8出为远场并具有均匀声场。其中波纹伸缩器5长度由固定在其四周的四个电位移轴3转动控制，电位移轴由图2中伸缩器控制模块控制，伸缩器控制模块采集超声换能器1参数计算超声频率及声场焦点位置，从而传输程序至电位 移控制器，控制波纹伸缩器5纵向伸缩，调节超声耦合层8距离超声换能器1位置，确保超声耦合层8处在远场位置。在设备工作中，图2中水循环模块始终处于工作状态，以确保波纹伸缩器5在伸缩过程中超声传输腔体内注满水，其中水循环过程所使用水为除泡水，避免超声波在水中传播产生空化气泡，影响超声均匀传输。而水循环对超声换能器1也起到散热作用。治疗时可在需要超声辐照位置皮肤表面涂覆医用超声耦合剂，使用本发明超声探头直接通过耦合剂接触皮肤进行声动力治疗。
图3为超声波近场和远场场强及超声分布示意图。如图3所示，对于平面圆片换能器，在无吸收的介质中其波束形状有两个不同的区域即圆柱形区和发散区或称为近场区和远场区。近场区的长度与换能器内陶瓷圆片直径及超声频率有关，在远场区，声场发散角同样与换能器内陶瓷圆片直径及超声频率有关，减小陶瓷片直径可缩短近场长度并加宽了远场波束，增加频率即减小波长时，加长了近场区，同时减少了发散角，可获得较窄的波束。
本实施例中选取声动力治疗时使用的频率为1MHz，换能器内陶瓷圆片直径为4cm，发出超声在水中传播时，近场区长度约为27cm。此时，针对该换能器和治疗所使用的超声频率，通过调节波纹伸缩器5的长度，使得超声耦合层8处在距离超声换能器1表面大于27cm的远场位置。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于，使用的频率为1.5MHz，换能器内陶瓷圆片直径为3.5cm，发出超声在水中传播时，近场区长度约为31cm。此时，针对该换能器和治疗所使用的超声频率，通过调节波纹伸缩器5的长度，使得超声耦合层8处在距离超声换能器1表面大于31cm的远场位置。其他部件组成及各部件之间的连接方式与实施例1相同。
实施例3
实施例3与实施例2的不同之处在于，实施例3提供了不同换能器陶瓷圆片直径和频率的超声远场长度之间的关系，具体表1所示。
表1 不同换能器陶瓷圆片直径和频率的超声远场长度(单位：cm)
在远场区声强的变化趋于平稳，但随着距离的增加，声强逐渐减弱。此时可通过调节波纹伸缩器5的长度，使得超声耦合层8取到远场区较强声场处。
其他部件组成及各部件之间的连接方式与实施例2相同。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种用于声动力治疗的远场超声探头，其特征在于，所述远场超声探头包括超声换能器(1)、上部超声传输腔体(2)、电位移轴(3)、波纹伸缩器(5)、下部超声传输腔体(6)、超声吸声层(7)和超声耦合层(8)；所述上部超声传输腔体(2)的一端与超声换能器(1)固定相连，另一端与波纹伸缩器(5)的一端相连；所述波纹伸缩器(5)的另一端与下部超声传输腔体(6)的一端相连；所述下部超声传输腔体(6)的另一端固定有超声耦合层(8)；所述电位移轴(3)分布于以波纹伸缩器(5)为中心的四方向上；所述超声吸声层(7)涂覆于下部超声传输腔体(6)的内表面。
2.根据权利要求1所述远场超声探头，其特征在于，所述超声换能器(1)由圆形压电材料为核心构成，并通过法兰与上部超声传输腔体(2)的一端相连；所述超声换能器(1)上设有超声换能器连线(9)。
3.根据权利要求1所述远场超声探头，其特征在于，所述上部超声传输腔体(2)采用有机玻璃圆管，并在上部超声传输腔体(2)中部设有进水口(10)；所述下部超声传输腔体(6)采用有机玻璃管，并且在下部超声传输腔体(6)靠近超声耦合层(8)一侧设有出水口(11)。
4.根据权利要求1所述远场超声探头，其特征在于，所述电位移轴(3)上设有电位移轴控制器连线(4)。
5.根据权利要求1所述远场超声探头，其特征在于，所述波纹伸缩器(5)的两端分别以套管方式与上部超声传输腔体(2)和下部超声传输腔体(6)相连。
6.根据权利要求1所述远场超声探头，其特征在于，所述超声吸声层(7)采用JB型环氧树脂基复合结构，其材料声特性阻抗为2.55MPa·s/m，声衰减系数为16.5dB/cm。
7.根据权利要求1至6所述任一远场超声探头，其特征在于，所述远场超声探头还包括超声信号发生模块、水循环模块和伸缩器控制模块；所述超声信号发生模块通过超声换能器连线(9)与超声换能器(1)相连；所述水循环模块通过进水口(10)和出水口(11)分别与上部超声传输腔体(2)和下部超声传输腔体(6)相连；所述伸缩器控制模块通过电位移轴控制器连线(4)与电位移轴(3)相连。
8.根据权利要求7所述远场超声探头，其特征在于，所述超声信号发生模块包括信号发生模块和功率放大模块；所述信号发生模块用于产生用于声动力治疗不同频率的电信号，同时控制所述电信号的占空比；所述功率放大模块用于将信号发生模块发出的电信号进行功率放大并调节信号强度，输出给所述超声换能器(1)，使超声换能器发出特定频率和强度的超声。
9.根据权利要求7所述远场超声探头，其特征在于，所述水循环模块包括水箱和水泵；所述水箱采用小型盛水容器，用于确保波纹伸缩器(5)在伸缩过程中超声传输腔体内注满水；所述水泵用于超声传输腔体进行有效水循环。
10.根据权利要求7所述远场超声探头，其特征在于，所述伸缩器控制模块包括电位移控制器和计算机；所述电位移控制器用于控制电位移轴(3)同步精确转动，从而使波纹伸缩器(5)精确纵向伸缩；所述计算机根据超声换能器(1)参数计算超声频率及声场焦点位置，传输程序至电位移控制器，控制波纹伸缩器(5)纵向伸缩。
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