CN1073453C - 医用体外超声治疗机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用超声技术中的超声治疗装置，它主要由B超肿瘤定位装置、超声波发生、发射装置、高强度超声波聚焦换能器及声波传播介质体和自动搜索三维运动装置所组成，它以人体组织热效应达到治疗肿瘤及病变肿块的效果，或者利用人体组织的机械效应粉碎体内结石，它不仅操作简单，性能可靠，而且治疗效果明显、安全、无付作用，因此具有很强的实用性。

Description

医用体外超声治疗机

本发明涉及应用声学中的一种超声医疗装置，多少年来，人们一直为治疗癌症而进行顽强的努力，肿瘤热疗是人们通过科学探索和实践总结出来的行之有效的治疗肿瘤的办法之一，超声波肿瘤热疗是肿瘤热疗的主要措施，超声波是一种传递能量的波动，在不同介质中，超声波可将能量传送到一定的距离。因此，利用超声波能量的传递，将能量集中于体内的病灶上，产生足够的热，抑制肿瘤细胞的生长和病灶的进一步恶化，从而达到治疗肿瘤和消除病灶的目的。湖南肿瘤医院李鼎九、胡自省大夫编译的《肿瘤热疗》一书中指出：超声加热可以达到深层，用几个超声辐射加聚焦可以在一定温度，一定区域内较满意地加热。近十几年来，高强度聚焦超声波技术的提出和实现，有力地推动了超声肿瘤热疗的发展，成为超声技术在生物医学工程方面应用的重要领域。

1983年，亥雅奇(Hayashi)和1940年贝克(Beck)先后报告：“超声波可使动物肿瘤生长延迟，并可使肿瘤消退，温度增高是肿瘤消退的原因”等现象以来，生物学家、物理学家及工程技术专家对此进行了大量的工作，从超声在人体组织上的传播特性到人体细胞、各脏器组织对超声波的反应等方面进行了广泛的研究。我国在七十年代开始从事这方面的研究，取得了很多重要的成果，上海交通大学是这方面开展工作较早的单位之一。

尽管如此，人们未能提出一整套用于临床的实用性治疗机，以便使这一技术更广泛的应用和作进一步的实践型研究。

本发明的目的在于提出一种主要由B超定位装置、超声波发生、发射装置、高强度超声波聚焦换能器及声波传送介质体和自动跟踪三维运动装置所组成的医用体外超声治疗机，它在治疗过程中不需手术，无痛苦，而且操作简单、安全、无副作用，从而解决了现有技术所存在的问题。

超声的生物效应，早已被人们所关注，超声的生物效应与声强、频率及生物组织本身的性质有很大关系。按作用机理，它可分为：热效应、机械效应、声流效应和空化效应。而本发明主要是利用生物组织对能量的吸收特性，射入组织的超声能量将会变成热能，使其温度升高，即生物加热效应，以达到治疗肿瘤所必需的温度，一般为42℃至44℃。本发明采用同相位聚焦声波的办法，使能量高强度地集中于焦点，作用于病变区，而非病变区损坏较小，达到理想的热疗效果。为此，本发明采用的方案主要在于：它由B超定位装置，超声波发生、发射装置，高强度超声波聚焦换能器，以及声波传送介质体和自动跟踪三维运动装置所组成。

所说的B超定位装置，是采用已有的市售产品；所说的超声波发生、发射装置是包含有：信号源、功率放大电路和控制电路，而信号源是保证同相位超声波信号发生，其频率在1MHz-2 MHz之间。控制电路具有控制定位、定时、能量调节的作用，并直接由计算机控制。功率放大器可以周期地产生功率发射，发射周期可由计算机任意设定，采用二套高频功率放大器，连续发射方式；所说的高强度聚焦换能器，是由200个20×20mm²的换能单元组成，换能单元采用并联或串联方式有序地排列在内球面的表面，形成内球面的发射单元阵列；也可以采用将换能单元分成若干组，每一组单元并联于内球面的条状配重体上，再将若干配重体均匀固定在一个圆形支架上形成的球面状，球心即为换能阵列的焦点；所说的超声波传播介质体，则是由透声胶囊及蒸馏水所组成；所说的三维运动装置，它是一种由计算机控制伺服电机的动力机构。它可以自动地沿X、Y、Z的三个方向移动。

本发明的优点在于：它治疗效果明显，不需手术、体外治疗、无痛苦；治疗时间短；安全、方便、无副作用；本发明结构简单、操作方便、性能可靠。本发明由于用高强聚焦换能器、B超定位、微机控制的自动扫描等一系列高新技术，使本发明具有极高的使用价值。

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明的高强度聚焦超声波换能器示意图。

图3为本发明的信号源电路图。

图4为本发明的控制信号电路图。

图5为本发明的功率放大电路图。

图6为本发明系统的原理框图。

图7为本发明的高频大功率退耦电路图。

现在结合上述各附图来进一步说明本发明的较佳具体实施例，本发明主要由B超定位装置1，超声波发生、发射装置9，高强度超声波聚焦换能器3，声波传送介质体11，以及自动跟踪三维运动装置8所组成，如图1所示。其中：

1．B超定位装置1：它是诊断体内肿瘤及病灶的有效手段，将B超探头置于B超探头支架17上，将高强度聚焦换能器焦点5相对锁定在B超的扫描面内，B超搜索体内肿瘤的过程也就是移动换能器3的焦点，将焦点落实在B超定位的肿瘤或病灶上，这就完成了定位的过程。

2．超声波发生、发射装置9：它是由信号源、控制电路、前置放大电路、高频功率放大器及功率调节器等部分所组成。如图3至图7所示，其所有参数和功能由计算机设定和控制。

A、信号源如图3所示，它是由晶振和任意比例的分频器，整形输出所组成。具有频率稳定、可调和前后沿陡直的脉冲信号。

B、控制电路，如图4、图5所示本部分通过接口电路直接与计算机相连接。对发射周期、频率、功率、定时等进行控制。

C、前置放大与功率放大器，如图5所示，前置放大器采用单管放大、射随器输出，其驱动输出采用中功率场效应管，以变压器耦合的方式与功率放大器相连接。其中小功率管U₅-U₁₀是采用器件25C2500。本前置放大器简单可靠，具有很强的驱动能力，适合做大功率放大器的驱动。

上述电路的工作原理在于：

40MHz晶体振荡器产生的方波信号，经过任意分频的8位计数器，产生所需要的信号频率，计数器由2片4位二进制计数器所组成。分频值由手动拨码开关控制，方波信号经过反相器整形和OC门电路驱动送至功率放大器的前级输入端。

功率放大器的前级输入采用调整高速光耦(型号为6M37型)隔离，以减小相互间的干扰。功率放大器为单电源推挽方式。上下两功率管分别工作，上管导通时，下管截止交替工作。经过光耦的方波信号经过反相器送至上、下两管功率管的驱动级输入，驱动级由3个高速小功率三极管和1个中功率场效应管组成，3个三极管的第一级为集电极输出，第二、三级为射极跟随器输出，以提供足够的驱动电流，中功率场效应管工作在开关状态，采用变压器耦合，将前后级隔离开同时为大功率管提供足够电压和电流驱动。大功率场效应管也工作在开关状态，当上管导通时，电源电压全部加在负载(换能器)上。向负载充电，当上管关，下管导通时，负载(换能器)通过下管放电，这样在负载(换能器)上形成与信号同频率的电压波形，负载(换能器)将此能量转换成声能发射出去。

功率放大器采用大功率场效应管推挽输出，其输出与换能器直接耦合，本功率放大器由6路放大器组成，其特点为：

频率：1-2MHz(可任意设定)

功率输出：1000-2000瓦(可连续调节)

与负载直接耦合，采用了最佳的匹配方式，以获较高的效率，具有很高抗干扰能力。

本功率放大器从整体设计上采用小信号隔离技术和大功率供电系统退耦技术，如图7所示，本退耦采用了共模退耦技术，不仅对电源，而且对地线均能抑制其干扰。为了抑制强信号对弱信号干扰，对信号源采用了隔离技术，以提高整个系统的稳定性、可靠性。

3．高强度聚焦换能器3：高强度聚焦换能器是由200个20×20mm²的换能单元组18组成，换能单元16采用并联或串联方式有序地排列在内球面的表面，形成内球面发射的换能单元阵列。内球面的球心即为换能单元阵列的焦点5，如图2所示。换能单元16的额定功率为8瓦，因此每单元发射的超声能量小，在其传播距离内不会损坏人体组织，并减少体内副作用产生。所有换能器单元16的能量只集中于焦点5，焦点5的能量将是8×200=1600瓦的电功率，成为足够消灭癌细胞的能量。为保证足够大的电功率聚焦，我们采用单信号源，保证在相同介质内，换能单元16能相位相同地把能量传送到焦点，产生单元能量叠加效果。从而达到高强度聚焦的效果。换能的阵列组成有两种方法：一种是换能单元16直接装在内球面体表面，形成一个整体聚焦换能器3。此种换能器聚焦焦点不可调，它将根据换能单元16粘接的工艺水平而定；另一种是将换能单元16分成若干组，每一组单元并联于内球面的条状配重体15上，再将若干配重体15均匀固定在一个圆形支架14上形成的球面形状，并装配上盖18，构成换能器3，球心即为换能阵列的焦点5。此种聚焦焦点5可调，可达到理想焦点要求，但工艺麻烦。

换能单元16：压电陶瓷，PZ8

换能阵列的球面半径：320mm

换能阵列弦长：550mm

换能阵列焦点尺寸：2×2×10mm³

 4．超声波传播介质体11：由透声胶囊和蒸馏水组成，以减少声波传送中的能量衰减及声波的空间折射。水囊介于换能器和人体之间可达到超声波能量损失最小的效果，透声胶囊有一定的弹性。

5．自动跟踪三维运动装置8:B超定位装置1为聚焦换能器焦点5相对锁定，移动换能器3本身即为移动B超声扫描面。三维运动装置8由微计算机2控制，步进电机作为动力机构。计算机将三维方向计算结果通知伺服电机，并通过丝扛推动换能器3作三维运动，完成对肿瘤及病灶的扫描、搜索工作，以及及时、准确地将焦点定位于肿瘤处。同时，治疗过程中，由于超声作用面小于肿瘤病灶面，所以通过三维运动有效移动焦点5位置，将全面地杀死癌细胞及病变。

三维运动中有效移动范围：

X:100mm

Y:100mm

Z:100mm

精度误差±0.5mm。

6．微型计算机：本发明设有一台微型计算机，它主要是完成本发明的所有控制功能，控制各数据输入、自动处理各种数据输出及显示。

7．流水外围设备：包括治疗床(7)，水囊更换及电流控制台等。上述系统的相互关系见图1。

设备使用过程：将患者6以适当位置安放于治疗床7上，将腹部(或其它治疗范围)置于治疗床7水囊区内。开启B超诊断系统，移动三维自动定位装置8，扫描、搜寻腹腔内肿瘤及病灶。

当发现肿瘤后，将B超扫描面的焦点5标记(屏幕器+字显示)移动到肿瘤位置上。

开启超声波发生以及功率发射机，在周期控制的作用下，向病灶连续发射超声波。每二十分钟为一疗程。

根据病灶组织不同，调节“功率发射档”，以调节发射功率以达到最佳效果。

本发明主要利用生物组织对能量的吸收特性，射入组织的超声能量将会变成热能，并使其温度升高，即生物的热效应，以达到肿瘤热疗所必需的温度，一般为42℃-44℃。本发明采用同相位聚焦声波的办法，使能量高强度地集中于聚点，作用于病变区内，而非病变区损坏较小，达到理想的热疗效果。

利用同样的装置，改变发射频率及功率，可产生超声碎石的效果。因此本发明也可适用于医用体外超声碎石机的有关要求和设计结构。

Claims (2)

1．一种医用体外超声治疗机，它包含有B超肿瘤定位系统、超声波发生和发射装置、高强度超声波聚焦换能器、声波传播介质、微型计算机和三维驱动装置，其特征在于，

B超肿瘤定位系统与聚焦换能器刚性连接，通过B超显示屏，将聚焦换能器的焦点对准到人体中的肿瘤位置；

超声波发生和发射装置包含：信号源、控制电路和功率放大电路，控制电路设有与计算机的接口，通过计算机以数字方式控制，并可精确地进行相位控制，产生超声波信号并放大至所需要的2000瓦功率，通过换能器转换成为高强度超声波；

换能器是聚焦型的，它是由200个20×20mm²的换能器单元组成，每一换能器单元额定功率为8瓦，换能器单元分成若干组，每一组单元贴于条状基体的内表面上并联在一起，条状基体内表面为球面，再将若干条状基体均匀固定在一个圆形支架，基体的内表面形成一个球面形状，球心即为聚焦点；

声波传播介质，由透声胶囊及蒸馏水组成，它将换能器发射的超声波直接传送到人体内，减小传送中的声能量衰减及声波的空间折射；

微型计算机完成全部系统的所有控制功能，以及各种数据输入输出、自动处理及显示；

所说的三维驱动装置，它包括：B超机、微型计算机、控制电路、伺服电机、三维传动系统，根据病灶和超声波焦点在三维空间中的精确位置，微型计算机控制三维传动系统，将超声换能器的焦点对准于病灶内，它可以自动地沿X、Y、Z三个方向逐点扫描。

2．按权利1要求所说的医用体外超声治疗机，其特征在于所说的超声波发生和发射装置，其中，功率放大器工作于开关状态加上选用特殊的开关晶体管，无变压器输出，与负载直接耦合，因此功率放大器本身的功耗极低，避免了大功率系统中功率管发热难题，获得了发射效率达95％的高效率和1.6KW的高功率。

Images