CN107540786B - 一种可显示高强度聚焦超声的体模凝胶和体模测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可显示高强度聚焦超声的体模凝胶和体模测量装置，属于仿生物体技术领域，其可解决现有的体模测量聚焦超声观测困难，评估不准确，不适于显像的问题。本发明的可显示高强度聚焦超声的体模测量装置可在显示单元中显示焦域形态，通过显示单元中能量区域的灰度变化，识别聚焦超声定位精度是否正确，判断聚焦超声能量大小是否正常，其测量聚焦超声的步骤简单，成本较低，使用方便，适于操作医生直观的判断高强度聚焦超声的能量大小与定位的准确性。

Description

一种可显示高强度聚焦超声的体模凝胶和体模测量装置

技术领域

本发明属于仿生物体技术领域，具体涉及一种可显示高强度聚焦超声的体模凝胶和体模测量装置。

背景技术

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound，简称HIFU)治疗是近年来迅速发展的物理治疗技术，是无创治疗技术的代表。在使用HIFU进行治疗的过程中，需要通过超声换能器将体外发射的低声强超声波精确聚焦于病人体内目标组织处，利用聚焦超声的热效应、空化效应、机械效应及声化学效应等，使组织产生不可逆凝固性坏死或变性区域，再通过超声换能器的体外移动带动超声换能器的焦点在病人体内移动，直至坏死区域适形覆盖整个实体肿瘤或病体组织。因此，HIFU治疗过程的安全性与和有效性与超声换能器的探头的聚焦性能及焦点定位的精确度密切相关。

目前，聚焦超声包括声场测试和能量测试两种方式，其中声场测试通常由声场测试系统在实验室进行测试，该测试系统较复杂，成本较高；聚焦超声的能量测试通常采用辐射压力法，由专业人员进行测试。这种测试方法对环境要求高，测量时间长，效率低。因此，上述两种测量方法均不适合非工程专业的医生在日常操作中使用。

实际临床应用中，通常采用体模或有机玻璃(亚克力)等物理手段，校验超声的输出能量，给操作医生一种方便的评估聚焦超声能量大小和定位精度准确性的方法。

其中，超声体模由于在生物学上的相关参数与人体相近、特别是声阻抗参数接近人体的软组织声阻抗参数，因而被广泛应用于聚焦超声能量的临床评估。该评估过程主要是在聚焦超声输出能量作用下，通过仿生材料产生的焦域范围内的温度变化和空化效应，造成仿生材料组织的破坏，形成可见的颜色变化区域，再通过变化区域的大小和位置，判断聚焦超声输出能量的大小和位置是否准确。

中国专利CN101513554公开了“一种智能型仿组织超声体模及其制作方法”，该体模在受热后，焦点部分受热变性，外观变白；停止受热后，由于局部热量散失，白色区域又会回到无色透明状态，可用于聚焦超声消融时对焦域能量进行评估。但超声能量停止输出后焦域显示消失，观测不方便。

中国专利CN103122115A公开了“不可逆型温敏水凝胶及其制备方法”，该透明水凝胶，当温度达到60至65℃后产生由淡黄色透明相向白色不透明相的不可逆转变，供使用者观察HIFU能量的聚焦性能与聚焦位置准确性。但其过程不可逆转，内部尺寸难以测量，无法多次使用。

此外，现有技术中的体模的物理特性更适于目视观测，与B超图像结合使用时显像效果不佳。同时，为了确定聚焦区域在体模中的坐标与定位，使用者均需从体模/水凝胶的边界位置开始测量；而透明体模/水凝胶的边界通常不规则，且难以准确在医学成像装置(如B超)中显现或定位，导致测量困难，评估不准确。

发明内容

本发明针对现有的体模测量聚焦超声困难，评估不准确，不适于显像的问题，提供一种可显示高强度聚焦超声的体模凝胶和体模测量装置。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

一种可显示高强度聚焦超声的体模凝胶，包括以下重量百分数的原料组成的原料液：

聚乙烯醇0.05～0.5％，丙烯酰胺10～18％，亚甲基双丙烯酰胺0.02～0.15％，过硫酸铵0.01～0.06％，四甲基乙二胺0.0012～0.006％，脱氢乙酸钠0.005％，其余为水。

其中，加入的聚乙烯醇，可以使得体模凝胶在聚焦超声的作用下易碎、易产生气泡，便于实现用显示单元观察焦点处的灰度变化，以确定焦点的位置和能量强弱。

优选的是，所述聚乙烯醇包括聚乙烯醇2499、聚乙烯醇2488、聚乙烯醇2599、聚乙烯醇2399、聚乙烯醇1799、聚乙烯醇1788中的任意一种或几种。

优选的是，所述体模凝胶的声速为：1400～1450m/s，声阻抗为：(1.61～1.70)×10⁶Pa·s/m，密度为：1.06±0.1g/cm³。

本发明还提供一种上述体模凝胶的原料液的制备方法，包括以下制备步骤：

将聚乙烯醇溶于部分水中得到聚乙烯醇的水溶液；

将四甲基乙二胺溶于部分水中得到四甲基乙二胺的水溶液；

将丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺溶于部分水中后与聚乙烯醇的水溶液混合得到混合液；

将过硫酸铵和脱氢乙酸钠溶于部分水中后加入所述混合液中；

将四甲基乙二胺的水溶液加入所述混合液得到体模凝胶的原料液。

优选的是，所述聚乙烯醇的水溶液的浓度为10％；所述四甲基乙二胺的水溶液的浓度为2％。

优选的是，所述体模凝胶内固设有多条交叉设置的定位线，用于作为参考点定位超声换能器的焦点。

本发明还提供一种上述体模凝胶的制备方法，包括以下制备步骤：

在模具中固定多条定位线；

将体模凝胶的原料液加入模具中，室温下静置30-120min得到体模凝胶。

优选的是，多条所述定位线包括相互垂直设置的定位线。

优选的是，所述定位线由尼龙构成。

优选的是，所述定位线的直径为0.3±0.05mm。

本发明还提供一种可显示高强度聚焦超声的体模测量装置，包括：

上述的体模凝胶；

控制单元，用于控制超声换能器的焦点在体模凝胶内的位置；

与体模凝胶和控制单元均连接的显示单元，用于显示体模凝胶内的图像以及控制单元控制的超声换能器焦点的位置。

优选的是，所述显示单元包括B超显示设备。

其中，本发明中超声换能器指的是聚焦超声治疗头的超声换能器。

本发明的可显示高强度聚焦超声的体模测量装置使用时，将聚焦超声治疗头的焦点定位于体模凝胶内，使用聚焦超声辐射，然后显示单元取得体模凝胶内显示的图像，若该图像中产生灰度变化的区域的显示位置，与控制单元控制的聚焦超声治疗头焦点的实际位置重合，则表明聚焦超声治疗头的定位准确；若不重合，则其定位需要校准。根据显示位置与定位线之间的位置差，或者根据显示位置与实际位置之间的位置差，调整控制单元控制的聚焦超声治疗头需要校准的方向和距离，以使显示位置与实际位置重合。

本发明的可显示高强度聚焦超声的体模测量装置可在显示单元中显示焦域形态，通过显示单元中能量区域的灰度变化，识别聚焦超声定位精度是否正确，判断聚焦超声能量大小是否正常，其测量聚焦超声的步骤简单，成本较低，使用方便，适于操作医生直接直观的判断高强度聚焦超声的能量大小与定位的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例4和实施例5的可显示高强度聚焦超声的体模测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例5的可显示高强度聚焦超声的体模测量装置应用示意图；

图3为本发明实施例5的可显示高强度聚焦超声的体模测量装置显示示意图；

图4为本发明实施例5的可显示高强度聚焦超声的体模测量装置显示图；

图5、图6为对比例1、对比例2的体模测量装置显示图；

其中，附图标记为：1、显示位置；2、实际位置；3、定位线；4、体模凝胶；5、显示单元；6、控制单元；70、B超探头；71、聚焦超声治疗头。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种可显示高强度聚焦超声的体模凝胶，其包括以下重量百分数的原料(本发明的体模凝胶所用的原料均为市售)组成的原料液：

0.5％的聚乙烯醇1799，18％丙烯酰胺，0.15％亚甲基双丙烯酰胺，0.06％过硫酸铵，0.006％四甲基乙二胺，脱氢乙酸钠0.005％，其余为水。

该体模凝胶包括制备步骤：

将聚乙烯醇1799溶于部分水中得到浓度为10％的聚乙烯醇1799的水溶液；

将四甲基乙二胺溶于部分水中得到浓度为2％的四甲基乙二胺的水溶液；

将丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺溶于部分水中后与聚乙烯醇的水溶液混合，搅拌均匀得到混合液；其中，在此可以采用磁力搅拌或机械搅拌棒搅拌；

将过硫酸铵和脱氢乙酸钠溶于部分水中后加入所述混合液中；

将四甲基乙二胺的水溶液加入所述混合液得到体模凝胶的原料液；

在模具中固定多条相互垂直设置的定位线；其中，所述定位线由直径为0.3±0.05mm尼龙构成；

将上述的体模凝胶的原料液加入模具中，室温下静置120min得到体模凝胶。该体模凝胶无色透明，其声速为：1400m/s，声阻抗为：1.70×10⁶Pa·s/m，密度为：1.06g/cm³。

实施例2：

本实施例提供一种可显示高强度聚焦超声的体模凝胶，其包括以下重量百分数的原料组成的原料液：

0.05％的聚乙烯醇1788，10％丙烯酰胺，0.02％亚甲基双丙烯酰胺，0.01％过硫酸铵，0.0012％四甲基乙二胺，脱氢乙酸钠0.005％，其余为水。

该体模凝胶包括制备步骤：

将聚乙烯醇1788溶于部分水中得到浓度为10％的聚乙烯醇1788的水溶液；

将四甲基乙二胺溶于部分水中得到浓度为2％的四甲基乙二胺的水溶液；

将丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺溶于部分水中后与聚乙烯醇的水溶液混合得到混合液；

将过硫酸铵和脱氢乙酸钠溶于部分水中后加入所述混合液中；

将四甲基乙二胺的水溶液加入所述混合液得到体模凝胶的原料液；

在模具中固定多条相互垂直设置的定位线；其中，所述定位线由直径为0.3±0.05mm尼龙构成；

将上述的体模凝胶的原料液加入模具中，室温下静置30min得到体模凝胶。

实施例3：

本实施例提供一种可显示高强度聚焦超声的体模凝胶，其包括以下重量百分数的原料组成的原料液：

0.3％的聚乙烯醇2499，15％丙烯酰胺，0.1％亚甲基双丙烯酰胺，0.04％过硫酸铵，0.004％四甲基乙二胺，脱氢乙酸钠0.005％，其余为水。

该体模凝胶包括制备步骤：

将聚乙烯醇2499溶于部分水中得到浓度为10％的聚乙烯醇2499的水溶液；

将四甲基乙二胺溶于部分水中得到浓度为2％的四甲基乙二胺的水溶液；

将丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺溶于部分水中后与聚乙烯醇的水溶液混合得到混合液；

将过硫酸铵和脱氢乙酸钠溶于部分水中后加入所述混合液中；

将四甲基乙二胺的水溶液加入所述混合液得到体模凝胶的原料液；

在模具中固定多条相互垂直设置的定位线；其中，所述定位线由直径为0.3±0.05mm尼龙构成；

将上述的体模凝胶的原料液加入模具中，室温下静置80min得到体模凝胶。

对比例1：

对比例1同实施例3类似，其不同之处仅在于，聚乙烯醇1799的用量为0.6％。

对比例2：

对比例2同实施例3类似，其不同之处仅在于，聚乙烯醇1799的用量为0.04％。

实施例4：

本实施例提供一种可显示高强度聚焦超声的体模测量装置，如图1、图2所示，包括体模凝胶4、控制单元6和显示单元5；其中，所述体模凝胶内固设有多条交叉设置的定位线3，用于定位聚焦超声治疗头71的焦点，在此，采用聚焦超声治疗头71输出聚焦超声能量作用于体模凝胶4，用B超探头70观测体模凝胶4；所述控制单元6，用于控制聚焦超声治疗头71的焦点在体模凝胶4内的位置；所述显示单元5与B超探头70和控制单元6均连接，用于显示体模凝胶4内的图像以及控制单元6控制的聚焦超声治疗头71焦点的位置。

本发明的可显示高强度聚焦超声的体模测量装置可在显示单元5中显示焦域形态，通过显示单元5中能量区域的灰度变化，识别聚焦超声定位精度是否正确，判断聚焦超声能量大小是否正常，其测量聚焦超声的步骤简单，成本较低，使用方便，适于操作医生直接直观的判断高强度聚焦超声的能量大小与定位的准确性。

实施例5：

本实施例提供一种可显示高强度聚焦超声的体模测量装置，如图1-4所示，包括实施例3所述的体模凝胶4、控制单元6和显示单元5。

其中，如图1所示，体模凝胶4内固设有多条相互垂直设置的尼龙材质的直径为0.3±0.05mm的定位线3，该定位线3用于定位聚焦超声治疗头71的焦点。

优选的是，所述体模凝胶4的声速为：1400～1450m/s，声阻抗为：(1.61～1.70)×10⁶Pa·s/m，密度为：1.06g/cm³。也就是说，当体模凝胶4参数满足上述条件时，显示单元识别的聚焦超声定位精度准确，显示单元中能量区域的灰度变化明显，易于观测。

控制单元6，用于控制聚焦超声治疗头71的焦点在体模凝胶4内的位置。

具体的，在使用时，通过调整控制单元6控制的聚焦超声治疗头71需要校准的方向和距离，以使显示位置1与实际位置2重合。

显示单元5与B超探头70和控制单元6均连接，用于显示体模凝胶4内的图像以及控制单元6控制的聚焦超声治疗头71焦点的位置。其中的显示单元5可以是B超显示设备。

本实施例的可显示高强度聚焦超声的体模测量装置使用时，如图2所示，将聚焦超声治疗头71的焦点定位于体模凝胶4内，用B超探头70观测体模凝胶4，然后显示单元5取得体模凝胶4内显示的图像。

若如图3所示，该图像中产生灰度变化的区域的显示位置1，与控制单元控制的聚焦超声治疗头71焦点的实际位置2重合(或者二者位置关系相差不大，在允许的误差范围内)，则表明聚焦超声治疗头71的定位准确。若不重合，则其定位需要校准。若灰度变化的区域与正常能量时的大小一致，或在允许的误差范围内，则可以判断聚焦超声能量正常。

图4为本发明实施例5的可显示高强度聚焦超声的体模测量装置显示图，根据显示位置1与定位线3之间的位置差，或者根据显示位置1与实际位置2之间的位置差，调整控制单元6控制的聚焦超声治疗头71需要校准的方向和距离，以使显示位置1与实际位置2重合。

其中，将对比例1、对比例2得到的体模凝胶用于可显示高强度聚焦超声的体模测量装置中；

将聚焦超声治疗头的焦点定位于对比例1、对比例2和实施例3体模凝胶内，使用聚焦超声辐射；

结果，显示单元显示的实施例3体模凝胶如图4所示，对比例1、对比例2的体模凝胶如图5、图6所示，与图4相比，可以看出图5的焦域与定位线边界模糊，无法准确测量；图6不仅边界极为模糊，聚焦超声通道的范围发亮，完全无法供直观判断或测量使用。。

显然，上述各实施例的具体实施方式还可进行许多变化；例如：体模凝胶的各原料物质的具体份数比例可以根据需要进行调整，或者具体溶解步骤，加料顺序可以根据实际情况进行改变。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种可显示高强度聚焦超声的体模凝胶，其特征在于，由以下原料液制备而成：

聚乙烯醇0.05～0.5％，丙烯酰胺10～18％，亚甲基双丙烯酰胺0.02～0.15％，过硫酸铵0.01～0.06％，四甲基乙二胺0.0012～0.006％，脱氢乙酸钠0.005％，其余为水。

2.根据权利要求1所述的可显示高强度聚焦超声的体模凝胶，其特征在于，所述聚乙烯醇包括聚乙烯醇2499、聚乙烯醇2488、聚乙烯醇2599、聚乙烯醇2399、聚乙烯醇1799、聚乙烯醇1788中的任意一种或几种。

3.根据权利要求1所述的可显示高强度聚焦超声的体模凝胶，其特征在于，所述体模凝胶的声速为：1400～1450m/s，声阻抗为：(1.61～1.70)×10⁶Pa·s/m，密度为：1.06±0.1g/cm³。

4.根据权利要求1所述的可显示高强度聚焦超声的体模凝胶，其特征在于，所述原料液通过以下步骤制备而成：

将聚乙烯醇溶于部分水中得到聚乙烯醇的水溶液；

将四甲基乙二胺溶于部分水中得到四甲基乙二胺的水溶液；

将丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺溶于部分水中后与聚乙烯醇的水溶液混合得到混合液；

将过硫酸铵和脱氢乙酸钠溶于部分水中后加入所述混合液中；

将四甲基乙二胺的水溶液加入所述混合液得到体模凝胶的原料液。

5.根据权利要求4所述的可显示高强度聚焦超声的体模凝胶，其特征在于，所述聚乙烯醇的水溶液的浓度为10％；所述四甲基乙二胺的水溶液的浓度为2％。

6.根据权利要求1所述的可显示高强度聚焦超声的体模凝胶，其特征在于，所述体模凝胶内固设有多条交叉设置的定位线，用于作为参考点定位超声换能器的焦点。

7.根据权利要求6所述的可显示高强度聚焦超声的体模凝胶，其特征在于，所述体模凝胶通过以下步骤制备而成：

在模具中固定多条定位线；

将体模凝胶的原料液加入模具中，室温下静置30～120min得到体模凝胶。

8.根据权利要求7所述的可显示高强度聚焦超声的体模凝胶，其特征在于，多条所述定位线包括相互垂直设置的定位线。

9.根据权利要求7所述的可显示高强度聚焦超声的体模凝胶，其特征在于，所述定位线由尼龙构成。

10.根据权利要求7所述的可显示高强度聚焦超声的体模凝胶，其特征在于，所述定位线的直径为0.3±0.05mm。

11.一种可显示高强度聚焦超声的体模测量装置，其特征在于，包括：

权利要求1-10任一项所述的体模凝胶；

控制单元，用于控制超声换能器的焦点在体模凝胶内的位置；

与体模凝胶和控制单元均连接的显示单元，用于显示体模凝胶内的图像以及控制单元控制的超声换能器焦点的位置。

12.根据权利要求11所述的可显示高强度聚焦超声的体模测量装置，其特征在于，所述显示单元包括B超显示设备。

Images