CN107580519A - 用于调整换能器电源的工作参数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于校准治疗探针的方法，该探针包括至少一个圆柱形换能器，该换能器用于在目标聚焦位置产生高强度聚焦超声波，所述探针设计为电连接至用于对换能器的电源提供电信号的电源，其特征在于，所述方法包括调整换能器的电源的电信号的频率的步骤(20)，以这样的方法，换能器的最大振动强度和最小振动强度之间的变化沿着换能器的宽度为最小。
Description
技术领域
本发明涉及通过使用称为高强度聚焦超声波(HIFU)的技术的用于疾病(例如，眼部疾病)的装置和处理方法的一般技术领域。
背景技术
已知基于用于治疗疾病的HIFU技术的不同的方法和装置。
文献WO 2009/103721特别地描述了用于治疗眼部疾病的装置，其包括包含环和产生超声波的装置的探针。
该环具有旨在与患者的眼睛接触的近端部分和旨在接受用于产生超声波的装置的远端部分。
用于产生超声波的装置具有凹形截面。更具体地，用于产生超声波的装置包括位于轴A-A’的圆柱体顶端的圆柱体段形式的六个换能器。用于产生超声波的装置还包括电线，其旨在连接到用于向换能器提供电能的电源。
使用这样的装置的原则如下。一旦将探针置于待处理的器官上，电源就被激活。该换能器开始振动并产生聚焦在目标区域的超声波，使该区域温度上升，特别是使在该目标区域被加热的组织凝固。
在每次处理时，可以用新的探针替换使用过的探针。
如今，探针的性能可能会随着每个探针而变化，特别是由于在换能器的组装期间的机械作用和/或制造公差(每个换能器的表面粗糙度或厚度的变化等)。
因此，在目标区域中获得的温度可能会在两个连续的探针之间(甚至在同一探针的两个换能器之间)变化。
这就是为什么需要校准探针的每个换能器，以根据待处理的目标区域中的期望温度来确定施加到其上的能量。
该期望的温度可以根据希望执行的治疗的类型而变化。例如，对于器官的每次治疗，可以优选地使温度在长时间内缓慢增加，从而使得目标区域“缓慢凝固”；而对于其他的治疗，优选地使温度在短时间内明显增加，从而使得目标区域“快速凝固”。
该期望的温度也可以根据待处理的目标区域或器官而变化。例如，相对于治疗肝癌细胞，在治疗睫状体的情况下所期望的温度将是不同的。
因此需要：
-一方面根据目标应用来定义探针的校准参数，以及
-另一方面，在使用探针的换能器之前校准每个换能器。
本发明的目标是提出一种解决方案，以基于HIFU技术来校准用于治疗疾病的探针的供电参数。
发明内容
为了这个目的，本发明提出了一种用于校准治疗探针的方法，该探针包括至少一个换能器，该换能器用于在目标聚焦区域中产生高强度聚焦超声波，所述探针旨在电连接至用于提供换能器的电源电信号的电源，值得注意的是，所述方法包括用于调整所述换能器的电源电信号的频率的步骤，使得所述换能器的最大振动强度和最小振动强度之间的变化沿着换能器的宽度为最小。
根据本发明的方法的优选而非限制性的方面如下：
-用于调整所述换能器的激励频率的步骤可以包括以下子步骤：
○向换能器提供具有相等振幅和不同的相应频率的多个输入信号，
○针对每个输入信号，测量目标区域的不同的位置的温度(/压力)，
○针对每个输入信号，获得换能器的温度曲线(/压力)，
○从换能器的多个温度曲线(/压力)中选择温度曲线(/压力)的最高温度(/压力)和最低温度(/压力)之间的变化沿着换能器的宽度为最小的温度曲线(/压力)，
○根据与所选择的温度曲线(/压力)相关的输入信号的频率来计算换能器的电源电信号的频率；
-所述方法还可以包括用于确定换能器的谐振频率的步骤；
-多个输入信号的频率可以包括在换能器的谐振频率的90％和110％之间；
-所述方法还可以包括用于根据目标聚焦区域中的设定温度来调整换能器的电源电信号的电压的步骤；
-用于调整激励电压的步骤可以包括以下子步骤：
a)向换能器提供具有固定频率、特别是等于激励频率的输入信号，
b)测量目标聚焦区域的不同位置的温度，
c)根据测量到的温度来计算平均温度，
d)将计算的平均温度与设定温度进行比较，
e)如果平均温度大于设定温度，则减少输入信号的振幅并重复b)至e)的操作，
f)如果平均温度小于设定温度，则增加输入信号的振幅并重复b)至f)的操作，
g)如果平均温度等于设定温度，则选择输入信号的电压值作为激励电压。
本发明还涉及一种用于治疗疾病的探针，其包括超声波发生装置，所述超声波发生装置包括至少一个换能器，所述换能器用于在目标聚焦区域中产生高强度聚焦超声波，所述探针旨在电连接至用于提供换能器的电源电信号的电源，值得注意的是，所述探针包括适用于调整换能器的电源电信号的频率的调整装置，使得换能器的最大振动强度和最小振动强度之间的变化沿着换能器的宽度为最小。
有利地，所述调整装置可以包括用于控制电源的电子卡，所述卡包括存储器，所述存储器包括通过应用上述的校准方法而获得的至少一个校准参数。
优选地，所述电子控制卡被集成到超声波发生装置中。
附图说明
根据本发明以及相关产品的方法的其他优点和特征将从以下附图中，从作为非限制性示例给出的几个实施方案的描述中变得更加明显，在附图中：
-图1示意性地示出了治疗装置，
-图2示意性地示出了用于调整治疗探针的工作参数的方法，
-图3示出了换能器的振动曲线，
-图4示出了针对可变频率的输入信号获得的一系列温度曲线，
-图5是根据暴露于超声波的持续时间，表示凝胶中温度曲线的曲线图。
具体实施方式
现在将参考附图，对根据本发明的装置和方法的示例进行更详细的描述。在不同的附图中，相同的附图标记指代等同的元件。
1.治疗疾病的装置
图1示出了基于HIFU技术用于治疗眼部疾病的装置的示例。
该装置包括用于超声波发生装置2的支撑件1，该超声波发生装置经由本领域技术人员已知的任何类型的电线电连接到电源3。
该支撑件是特别适用于治疗眼部疾病的环形。当然，该装置可能适用于允许治疗除眼睛之外的其他器官，特别是通过改变支撑件1的形状和/或超声波发生装置2的布局。
电源3适用于将电振荡传递至超声波发生装置。这些电振荡可以以连续模式(即，永久电振荡)或循环模式(即，一系列周期，一个周期包括包含一个(或多个)电振荡的第一时间间隔和不包含任何电振荡的第二时间间隔)传递。换句话说，该发生器适用于产生一个(或几个)电脉冲序列。优选地，电源3以连续模式使用，以提高加热目标组织的效果(例如，与以循环模式使用的电源相比)。
超声波发生装置2可以产生超声波能量。该超声波发生装置2以适用于待治疗的疾病的方式设置。对于眼部疾病的治疗，超声波发生装置2包括环形冠，其包括：
-第一相对基座和第二相对基座，
-第一基座和第二基座之间的外侧壁，以及
-限定第一基座和第二基座之间的中心通道的内侧壁。
所述第一基座包括至少一个换能器，该换能器具有用于产生超声波的辐射元件。
辐射元件的外形可以适用于将超声波定向和聚焦在对应于线段的给定目标区域上，这将在后面更详细地描述。
或者，换能器可以包括一个或更多个反射器，用于将由一个辐射元件(或者多个元件)产生的超声波反射、定向和聚焦在给定目标区域中。
在一个实施方案中，六个换能器遍布在冠的第一基座上。六个换能器被分组为两对三个换能器，其由两个不活动扇区隔开。当探针放置在眼睛上时，非活动扇区被定位在冠上，以便在患者的颞/鼻平面中延伸，这些扇区对应于包括大部分神经和血管终端的眼睛区域。
超声波发生装置还可以包括电子卡，其用于控制为超声波发生装置供电的电源。
该卡包括存储器，每个换能器的工作参数存储在其中。这些工作参数可以根据与每个换能器相关的技术特征来控制电源。
实际上，由于探针的制造公差(尺寸、形状、加工公差等)，提供相同电压和频率的两个换能器可能具有不同的声响应。
值得注意的是，每个换能器的谐振频率可以从一个换能器到另一个换能器变化百分之几十。此外，每个换能器的效率和/或声响应可以从一个换能器到另一换能器变化。因此，可能需要针对探针的每个换能器来调整电压和应用的频率，以便使其效果在其各个目标区域内一致。
所述电子卡可以控制：
-工作电流，
-工作电压和/或
-工作频率
其通过电源应用至探针的每个换能器，以使所述换能器的热反应与其各个目标区域(即，聚焦超声波的区域)的水平一致。
在某些实施方案中，电子卡被植入电源3中。在这种情况下，探针的换能器的工作参数必须在每次更换探针时输入至电源3。
在其它的实施方案中，电子卡被集成到每个探针中，例如封装在冠中。这样可以拥有完全校准的探针，而不需要用户进行任何操作来调整电源3。因此，限制了误差的风险，并且简化了治疗装置的使用。
2.调整探针的工作参数的方法
现在将描述调整探针的工作参数的示例性方法。
该方法可以针对组织的治疗，为探针的每个换能器确定工作参数，该工作参数存储在电子卡的存储器中。
调整方法包括以下步骤(在测试台上执行)：针对每个换能器确定最佳激励频率和最佳激励电压。
2.1.确定每个换能器的额定频率
参考图2，所述调整方法包括步骤10，其在于确定探针的每个换能器的额定频率(或谐振频率)。
每个换能器由压电材料组成，该压电材料在经受给定频率的电压时能够振动。然后，这些振动能够持续，使得所获得的换能器的谐振频率(最大振动)以超声波的形式传递到周围的介质。
例如，可以根据如下方法来确定换能器的额定频率。换能器连接至网络分析仪，该网络分析仪可以在给定频率范围内测量电阻。
那么，额定频率对应于阻抗匹配最佳的电频率(即，振动最大的电频率)，该电频率由接收的电信号除以最小发射电信号的比例来表示为电平。
对于包括六个换能器的探针，该确定步骤将执行六次，以确定每个换能器各自的额定频率。
2.2.调整激励频率
该方法还包括步骤20，其用于调整每个换能器关于其额定频率的激励频率。
调整换能器的激励频率使得在换能器的整个宽度L(对应于构成换能器的柱状部分的母线)上产生的声能更均匀地分布。
实际上，如图3所示的振动曲线22所示，换能器21不会在其整个宽度L上均匀地振动，从而由相同尺寸的两个换能器产生的损伤大小可以变化。
对于给定的换能器，激励频率的调整包括：
-将换能器连接至(电压)发生器，用于向换能器施加输入电压(即，正弦电压)，
-将温度测量装置(例如，热电偶)放置在换能器的目标区域中。
输入信号的频率在换能器的额定频率周围(额定频率的±10％)的值的范围内变化，例如在包括在最小频率和最大频率之间的频率范围内，例如：
-最小频率等于额定频率的90％，
-最大频率等于额定频率的110％。
测量装置可以针对不同频率的每个输入信号来获得温度曲线。该温度曲线表示换能器的振动曲线。
然后将温度曲线的最高温度和最低温度之间变化最小的输入信号的频率选择为激励频率。
例如，参考图4(示出了针对频率在换能器的额定频率(21MHz)周围变化±200kHz的输入信号，换能器的温度变化曲线)，将额定频率减去100kHz的频率选择为激励频率。实际上，对于该激励频率，温度曲线23在换能器(因此，目标区域)的整个宽度上更加均匀。
调整换能器的激励频率的步骤可以获得更均匀的目标区域的温度曲线。
在调整激励频率的步骤中，输入信号的电压保持不变。
该方法的另一个步骤在于调整每个换能器的激励电压，以在目标区域获得设定温度。
对于包括六个换能器的探针，调整步骤将执行六次，以确定每个换能器各自的激励频率。
2.3.调整激励电压
该方法的另一个步骤30在于通过电源来调整对每个换能器的应用的激励电压。
如前所述，换能器的效率可以从一个换能器到另一换能器变化。因此，激励电压必须针对每个换能器进行调整，使得探针的换能器在其各自的目标区域传递等量的声能。
实际上，即使调整激励频率的步骤可以使探针的每个换能器的温度曲线(因此，振动曲线)一致，然而，探针的不同的换能器的外形在不同的换能器之间仍具有差异。此时，换能器的目标区域中的温度取决于该换能器的振动曲线。
因此需要调整每个换能器的激励电压，使得：
-在目标区域所获得的温度对应于设定温度，并且
-探针的不同换能器在各自的目标区域中所获得温度大致相同。
对于给定的换能器，激励电压的调整在于将换能器连接到(电压)发生器，用于向换能器施加输入信号(即，正弦电压)，并且在换能器的目标区域中定位用于测量温度的装置，例如热电偶。
然后，输入信号的电压变化，直到在目标区域的温度与设定温度相对应为止。
在某些可替选的实施方案中，考虑在目标区域上的平均温度，以调整换能器的激励电压。
更具体地，对于给定电压的输入信号：
-在目标区域的不同位置测量温度；
-根据测量的温度来计算平均温度；
-将平均温度与设定温度进行比较；
-如果平均温度高于(分别小于)设定温度，则输入信号的电压减小(分别增加)；
-如果平均温度等于设定温度，则将激励电压分配为输入信号的电压值。
在其它的替选形式中，考虑了在一半的目标区域的平均温度。这样可以限制在调节激励电压时，温度峰值的影响。
对于包括六个换能器的探针，调整步骤将执行六次，以确定每个换能器各自的激励电压。
2.4.记录工作参数
在确定和调整步骤结束时，对于探针的每个换能器，获得了激励频率和激励电压。
通过使用测试台来获得所述激励频率和激励电压，该测试台包括：
-支撑件，其用于定位超声波发生装置，
-基座，其用于容纳热敏凝胶块，该热敏凝胶块用于模拟待治疗的组织，
-热电偶，其用于在每个换能器的目标区域导入凝胶块，以在目标区域的不同位置测量温度。
优选地，凝胶块是基于动物蛋白的凝胶，并且更具体地，是基于“BSA，BovineSerum Albumine”(“牛血清蛋白”)的凝胶。在如下的出版物中特别描述了这种凝胶：由Lafon C、Zderic V、Noble ML、Yuen JC、Kaczkowski PJ、Sapozhnikov OA、Chavrier F、Crum LA、Vaezy S于2005年10月31日发表在“超声波医学生物学(Ultrasound MedBiol.)”，第31卷(第10期)：第1383-1389页，标题为“用于高强度聚焦超声波剂量测定的凝胶幻影(Gel phantom for use in high-intensity focused ultrasound dosimetry)”的出版物。
在下列表格中给出了该凝胶的成分的示例。
| 成分 | 比例 |
| 脱气水(mL) | 143.08 |
| 丙烯酰胺/双丙烯酰胺40％(mL) | 34.92 |
| TRIS 1mol/L)(mL) | 20 |
| BSA(g) | 36 |
| 10％APS(mL) | 1.68 |
| TEMED(mL) | 0.2 |
其中：
-TRIS是三羟甲基氨基甲烷，其中1L TRIS 1mol/L＝88.8g TRIZMA盐酸盐+53g基本TRIS+1L水，
-TEMED，四甲基乙二胺，以及
-APS，过硫酸铵，其中，10mL 10％的APS＝1g APS+10mL水。
所述热敏凝胶的特性具有代表组织的特性的优点。
然而，必须将在测试台(用于设定温度)上估算的激励电压转换(步骤40)，以便使用带有电源的探针(该带有电源的探针具有与测试台上使用的发生器的特性阻抗不同的特性阻抗)。
为此，将传递函数应用到激励电压。
将与每个换能器相关的工作参数(频率/转换的电压)记录(步骤50)在允许控制电源3的电子卡的存储器中，从而获得：
-针对每个换能器，该换能器目标组织区域的整个表面的大致均匀的加热，
-针对不同的换能器，不同目标组织区域的大致均匀的加热处理。
3.根据目标应用确定治疗探针的一个(或几个)校准参数的方法。
先前已经看到，调整方法可以使由探针的换能器在其各自的目标组织区域中产生的振动的曲线均匀。
如果探针朝向组织，那么这些振动就可以加热目标组织区域的组织。
然而，所需的温度(在下文中表示为“期望的温度”)可能会随着一个组织到另一个组织而变化。
对于可能会根据待应用的治疗或待执行的治疗而变化的有效处理组织所需的时间(在下文中表示为“期望的时间”)也是同样的。
因此，治疗的效率取决于期望的温度/期望的时间的组合。该组合的选择取决于用于第2点所述的调整方法中的设定温度。
发明人已经根据所述换能器的声强度确定了在换能器的目标区域的凝胶中(基于牛血清蛋白，特别是对于在上表中给出的凝胶)观察到的温度升高动力学之间的关系，所述声强度本身取决于用于校准换能器的设定温度。
为了允许根据用于治疗的期望的温度和/或期望的时间来快速确定设定温度，发明人已经通过使用测试台来估计不同的曲线。更具体地，发明人根据特定的质量标准(换能器的机械特性和/或由换能器产生的损伤质量等)选择换能器作为参考标准。
然后，发明人：
-校准不同设定温度下的电压参考标准；然后，
-针对每个设定温度，测量目标区域中的温度随着时间的变化。
发明人因此获得了在图5中示出的曲线图上的多条曲线，每条曲线与各自的设定温度相关。
例如，发明人确定了要施加到形成参考标准的换能器的第一激励电压，使得目标区域中的温度在预定时段(例如，半秒)之后升高预定温度(例如，14℃)。然后，发明人测量目标区域中的温度在时间段(例如，包括在0秒和30分钟之间)内随着时间的变化。因此，发明人得到了在图5的曲线图中标示为I14的曲线。
然后发明人确定了要施加到形成参考标准的换能器的第二激励电压，使得目标区域中的温度在半秒之后升高某一温度(例如，16℃)。一旦换能器标准被校准，发明人在0秒和30分钟之间的时间段内测量目标区域中的温度随时间的变化。因此，发明人得到了图5的曲线图中标示为I16的曲线。等等。
这样可以产生图5中示出的曲线图。该曲线图由曲线组成，每条曲线示出了在凝胶中根据暴露于超声波的时间的每个温度，所述每条曲线都与相应的设定温度(其可以用于第2点所述的调整方法中)相关。实际上，图5示出了对于包括在14℃和26℃之间的设定温度，在热敏凝胶中温度随着时间的变化差异。
如上所述，该热敏凝胶的特性具有代表组织特性的优点，因此在以下项之间存在相关性；
-组织中的期望的温度与凝胶中的温度
-在组织中的期望的暴露时段与在凝胶中的暴露时段。
因此，这些曲线可以间接地建立设定温度随着在组织中获得有效治疗的期望的时间与期望的暴露时段之间的关系。
确定图5所示的曲线的热关系可以通过以下类型的对数法则来进行插入：
Ti(t,K)＝log(t+1)×Ki+T室内；
其中：
-“t”为治疗时间(或声透射时间)，其从0到正无穷变化，
-“T室内”为室内温度(这里为20℃)以及
-“Ki”为与声强度相关的加权系数。
下面的表格给出了对于在前一表格中描述的凝胶所获得的值：
该曲线图的工作原理如下。当使用者希望校准探针以进行特定治疗时，他/她确定期望的温度和期望的暴露时段，从而保证组织治疗的效率。
然后，他/她根据期望的参考温度和时段(例如，通过将传递函数应用到期望的温度和时段)来估计凝胶中的参考温度和凝胶中的参考暴露时段。
通过将估计的参考温度和估计的暴露时段传递到图5的曲线图上，从中推断出可以用于第2点所述的调整方法中的设定温度。
当然，本领域技术人员将能够通过重新开始前述的方法，用不同的凝胶重现相同的测试。
读者将会理解的是，在大体上不脱离这里描述的新的教导和优点的情况下，可以对前述的发明进行许多修改。
例如，在前述的实施方案中，意图连接到允许向换能器提供电能的电源的电线被集成到探针。或者，该电线可以集成到电源，该探针包括用于允许其连接到电线的电连接连接器。
并且，在前面的描述中，使用的凝胶是基于蛋白质的热敏凝胶。当然，所使用的热敏凝胶可以是任何其它的合成凝胶或材料，当组织受到辐射以提高组织温度时，该热敏凝胶的特性代表组织的特性。
而且，在前面的描述中，通过针对不同的输入信号获得换能器的温度曲线来实现调节换能器的激励频率的步骤。或者，可以通过获得用于对换能器进行供电的不同输入信号的电压曲线来实现调整步骤。
因此，这种类型的所有修改旨在被并入所附权利要求的范围内。
Claims (9)
1.一种用于校准治疗探针的方法，该探针包括至少一个换能器(21)，该换能器用于在目标聚焦区域中产生高强度聚焦超声波，所述探针旨在电连接至用于提供换能器的电源电信号的电源(3)，
其特征在于，所述方法包括用于调整所述换能器(21)的电源电信号的频率的步骤(20)，使得所述换能器的最大振动强度和最小振动强度之间的变化沿着换能器的宽度(L)为最小。
2.根据权利要求1所述的校准方法，其中，用于调整所述换能器的激励频率的步骤包括以下子步骤：
○向换能器提供具有相等振幅和不同的相应频率的多个输入信号，
○针对每个输入信号，测量目标区域的不同的位置的温度，
○针对每个输入信号，获得换能器的温度曲线，
○从换能器的多个温度曲线中选择最高温度曲线和最低温度曲线之间的变化沿着换能器的宽度为最小的温度曲线，
○根据与所选择的温度曲线相关的输入信号的频率来计算换能器的电源电信号的频率。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的校准方法，还包括用于确定换能器的谐振频率的步骤。
4.根据作为组合的权利要求2和3所述的校准方法，其中，多个输入信号的频率包括在换能器的谐振频率的90％和110％之间。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的校准方法，还包括用于根据目标聚焦区域中的设定温度来调整换能器的电源电信号的电压的步骤。
6.根据权利要求5所述的校准方法，其中，用于调整激励电压的步骤包括以下子步骤：
a)向换能器提供具有固定频率、尤其等于激励频率的输入信号，
b)测量目标聚焦区域的不同位置的温度，
c)根据测量到的温度来计算平均温度，
d)将计算的平均温度与设定温度进行比较，
e)如果平均温度大于设定温度，则减少输入信号的振幅并重复b)至e)的操作，
f)如果平均温度小于设定温度，则增加输入信号的振幅并重复b)至f)的操作,
g)如果平均温度等于设定温度，则选择输入信号的电压值作为激励电压。
7.一种用于治疗疾病的探针，其包括超声波发生装置(2)，所述超声波发生装置(2)包括至少一个换能器(21)，该换能器用于在目标聚焦区域中产生高强度聚焦超声波，所述探针旨在电连接至用于提供换能器的电源电信号的电源(3)，
其特征在于，所述探针包括适用于调整换能器的电源电信号的频率的调整装置，使得换能器的最大振动强度和最小振动强度之间的变化沿着换能器的宽度为最小。
8.根据权利要求7所述的探针，其中，所述调整装置包括用于控制电源的电子卡，所述卡包括存储器，所述存储器包括通过应用根据权利要求1至6中的任一项所述的校准方法而获得的至少一个校准参数。
9.根据权利要求8所述的探针，其中，所述电子控制卡被集成到超声波发生装置中。
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