CN108709623A - 光声透镜的制作方法、聚焦超声器件及聚焦超声量测系统 - Google Patents
光声透镜的制作方法、聚焦超声器件及聚焦超声量测系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种光声透镜的制作方法、聚焦超声器件及聚焦超声量测系统,该制作方法其包括以下步骤;S1、将平凹透镜置于蜡烛火焰上,使平凹透镜的凹面表面产生一层均匀的蜡烛烟灰纳米粒子;S2、将所述平凹透镜沉浸于装有聚二甲基硅氧烷的容器中,使用浸涂方式,形成蜡烛烟灰纳米粒子‑聚二甲基硅氧烷复合物;S3、将所述平凹透镜表面多余的聚二甲基硅氧烷引导出去;S4、对所述平凹透镜进行热固化。本发明聚焦焦斑小、器件尺寸小、适用于高精度治疗。制备便宜且简单且适用于手持操作。
Description
技术领域
本发明涉及聚焦超声设备技术领域,尤其涉及一种光声透镜的制作方法、聚焦超声器件及聚焦超声量测系统。
背景技术
高强度聚焦超声(High-intensity focused ultrasound,HIFU)是一种医学技术,可用于治疗许多病症。借由将超声汇聚在一个小的聚焦体积内,高强度聚焦超声可对目标物产生有用的热或机械效应。高强度聚焦超声已被用于许多应用,例如肝与肾肿瘤的治疗,药物的靶向和递送,和骨头的消融。此外,基于空穴(Cavitation)的高强度聚焦超声可以提高治疗效果,并已展示了很好的应用,例如减缓肿瘤生长。在治疗过程中,一般使用图像引导的高强度聚焦超声治疗来实现靶向和监测。
目前主要使用压电换能器来产生高强度聚焦超声,其中心频率通常为数兆赫,孔径为数厘米,导致其聚焦焦斑尺寸通常比1毫米大。由压电换能器产生的局部加热可用于治疗囊肿和肿瘤。肿瘤周围一般有重要血管,在使用高强度聚焦超声治疗时,应避免损害到这些重要血管。在这方面,由于压电换能器的焦斑尺寸大,所以进行肿瘤治疗而不伤害到周围重要血管的难度极大。若要实现高精度的靶向治疗,必须使用微小焦斑的高强度聚焦超声。高频超声(数十兆赫)具有高空间分辨率,有望产生微小焦斑的高强度聚焦超声。然而,高频的高强度聚焦超声的产生是相当困难的,因为在生物组织和水介质中高频超声有较大衰减。此外,对于高频超声,需要更高的超声压强才能产生空穴效应。另一个关键的限制是:由于压电换能器的孔径较大,使其无法用于腔内治疗或术中治疗的应用。
超声的产生除了使用传统的压电换能器,激光产生超声(Laser-generatedultrasound,LGUS)发射器(transmitter)也是很好的选择,并可用于许多先进的超声应用。激光产生超声的原理是基于光声效应。发射器吸收脉冲激光的光能量,然后转换成局部和瞬态的温度上升。温度上升会引起发射器的热膨胀,最终产生脉冲声波。激光产生超声的方法可以很容易地产生高频宽带的超声波,从数十兆赫甚至可到千兆赫。因此,激光产生超声发射器在过去几年已经引起越来越多的关注。有许多关于平面激光产生超声发射器的研究,主要使用金属或碳基材料作为吸收体。在过去的几年里,发射器的效率大大地提高了。例如,蜡烛烟灰纳米粒子-聚二甲基硅氧烷复合物的超声发射器可以达到很高的能量转换效率,为4.41X 10-3。在这些工作中,制作的都是平面的超声发射器。
对于产生高强度聚焦超声,尤其是要产生高频的那种,激光产生聚焦超声(Laser-generated focused ultrasound,LGFU)是一种很理想的方式。其主要是将激光产生超声发射器制作于一个透镜的凹面上来实现声聚焦,这样的透镜也称为光声透镜。目前,已展示光声透镜能够产生微小聚焦体积的高强度聚焦超声,聚焦体积大小在横向和轴向分别为75微米和400微米,可用于高精度的靶向治疗。然而,在所有这些展示中,激光照射光声透镜需在光学桌上进行良好光路对准,并不适用于手持操作。因此,将激光产生聚焦超声用于临床应用的腔内和术中治疗也高度受限。此外,大多数的光声透镜使用碳纳米管-聚二甲基硅氧烷复合物作为超声发射器,其中的碳纳米管需要使用昂贵的设备和复杂的制程才能获得。虽然也有关于光纤的激光产生超声发射器的研究被报道,但目前只有展示发散波束或笔形波束。也就是说,目前还没有能产生高强度聚焦超声的微型光纤的发射器被报道。由于这样的发射器能在腔内和术中应用中进行高精度治疗,因此具有很高的临床应用价值。
因此,从当前产生高强度聚焦超声的研究可以看出,现有技术存在以下问题和不足之处。(i)压电超声换能器具有聚焦焦斑尺寸大的缺点,不适用于高精度治疗;(ii)目前的激光产生聚焦超声发射器需在光学桌上进行良好光路对准,并不适用于手持操作,腔内和术中应用;(iii)适用碳纳米管-聚二甲基硅氧烷的光声透镜,其碳纳米管的制备昂贵且复杂。
发明内容
本发明主要是解决现有技术中所存在的技术问题,从而提供一种聚焦焦斑尺寸小、适用于手持操作且制备成本低的光声透镜的制作方法、聚焦超声器件及聚焦超声量测系统。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
本发明提供的光声透镜的制作方法,其包括以下步骤;
S1、将平凹透镜置于蜡烛火焰上,使平凹透镜的凹面表面产生一层均匀的蜡烛烟灰纳米粒子;
S2、将所述平凹透镜沉浸于装有聚二甲基硅氧烷的容器中,使用浸涂方式,形成蜡烛烟灰纳米粒子-聚二甲基硅氧烷复合物;
S3、将所述平凹透镜表面多余的聚二甲基硅氧烷引导出去;
S4、对所述平凹透镜进行热固化。
进一步地,所述步骤S1具体包括:点燃蜡烛并等待蜡烛火焰稳定后,将平凹透镜的凹面置于蜡烛灯芯上方3厘米处,持续5-7秒,使所述平凹透镜的凹面产生平均直径为30-50纳米的蜡烛烟灰纳米粒子涂层。
进一步地,所述步骤S2具体包括:
S21、将带有蜡烛烟灰纳米粒子涂层的平凹透镜固定,并与电控平台连接;
S22、并将所述平凹透镜直放,使平凹透镜的轴线与水平面相平行方向,并完全沉浸于装有聚二甲基硅氧烷的容器中;
S23、将所述平凹透镜缓慢往上拉升,将聚二甲基硅氧烷渗入蜡烛烟灰纳米粒子,形成蜡烛烟灰纳米粒子-聚二甲基硅氧烷复合物。
进一步地,所述步骤S3具体包括:
S31、将光声透镜安装在旋转平台上;
S32、旋转平台将光声透镜转动90度并静置30分钟,在重力下会将多余的聚二甲基硅氧烷往下方引导;
S33、使用卫生纸从光声透镜的下方擦去多余的聚二甲基硅氧烷;
S34、依次重复步骤S32-33四次。
进一步地,所述步骤S4具体包括,将具有蜡烛烟灰纳米粒子-聚二甲基硅氧烷复合物的所述平凹透镜置于60℃的烤箱中1.5小时,完成复合物固化。
本发明提供的聚焦超声器件,其包括光声透镜,所述光声透镜由上述所述的光声透镜的制作方法制作而成,还包括玻璃管和多模光纤,所述光声透镜通过紫外胶固定连接在所述玻璃管的内部一端,所述多模光纤穿设在所述玻璃管的内部另一端,所述多模光纤的轴线与所述光声透镜的轴线共线,且所述多模光纤的出射光完整覆盖所述光声透镜上。
本发明提供的聚焦超声量测系统,包括上述聚焦超声器件,其还包括连续激光光源、脉冲激光光源、环形器、光纤光分束器、光功率计、光探测器、示波器、水听器和水箱;
所述脉冲激光光源与所述多模光纤相连接;
所述连续激光光源与所述环形器的第一接口相连接,所述环形器的第二接口与所述水听器相连接,所述环形器的第三接口与光纤光分束器的入口端相连接;
所述光纤光分束器的第一出口端与所述光功率计相连接,所述光纤光分束器的第二出口端与所述光探测器相连接;
所述光功率计与电脑相连接,进行数据读取;所述光探测器与所述示波器相连接,所述示波器与所述电脑相连接,进行数据读取;
其中,所述水听器和所述聚焦超声器件均设置在所述水箱中,且所述水听器与所述聚焦超声器件的位置相对应。
进一步地,所述脉冲激光光源依次经减光镜、光圈、光分束器、针孔和光纤耦合器后将激光耦合至所述多模光纤。
本发明的有益效果在于:
(1)能获得微小高强度超声聚焦焦斑:由于使用光声透镜,能获得比压电高强度聚焦超声探头更小的聚焦焦斑,且器件尺寸小、适用于高精度治疗。
(2)制备便宜且简单:使用蜡烛烟灰纳米粒子-聚二甲基硅氧烷复合材料来作为光声透镜的涂层,与使用碳纳米管-聚二甲基硅氧烷的光声透镜相比,所需设备便宜,制作方法也相对简单。
(3)适用于手持操作:通过光声透镜制作成聚焦超声器件,可用于手持操作,并具有潜力用于腔内和术中治疗应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的光声透镜的制作方法的方法流程图;
图2是本发明的光声透镜的制作方法的蜡烛烟灰纳米粒子的扫描电镜图;
图3是本发明的聚焦超声器件的结构示意图;
图4是本发明的聚焦超声器件的聚焦焦斑示意图;
图5是本发明的聚焦超声量测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解,从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1所示,本发明的光声透镜的制作方法,其包括以下步骤;
S1、将平凹透镜置于蜡烛火焰上,使平凹透镜的凹面表面产生一层均匀的蜡烛烟灰纳米粒子;
S2、将平凹透镜沉浸于装有聚二甲基硅氧烷的容器中,为了提高光声转换效率,使用浸涂方式,形成蜡烛烟灰纳米粒子-聚二甲基硅氧烷复合物;
S3、将平凹透镜表面多余的聚二甲基硅氧烷引导出去;
S4、对平凹透镜进行热固化。
本发明的步骤S1具体包括:点燃蜡烛并等待蜡烛火焰稳定后,将平凹透镜的凹面置于蜡烛灯芯上方3厘米处,持续5-7秒,使平凹透镜的凹面产生平均直径为30-50纳米的蜡烛烟灰纳米粒子涂层,其中,蜡烛烟灰纳米粒子涂层的扫描电镜图如图2所示。本发明中的蜡烛为现有市场上的普通蜡烛,并在室温下点燃。
本发明的步骤S2具体包括:
S21、将带有蜡烛烟灰纳米粒子涂层的平凹透镜固定,并与电控平台连接;
S22、并将平凹透镜直放,使平凹透镜的轴线与水平面相平行方向,并完全沉浸于装有聚二甲基硅氧烷的容器中;
S23、将平凹透镜缓慢往上拉升,将聚二甲基硅氧烷渗入蜡烛烟灰纳米粒子,形成蜡烛烟灰纳米粒子-聚二甲基硅氧烷复合物。
本发明中,由于产生的聚二甲基硅氧烷厚度较厚,会产生较大超声衰减,因此可采用下述步骤将多余的聚二甲基硅氧烷引导出去。具体地,S31、将光声透镜安装在旋转平台上;S32、旋转平台将光声透镜转动90度并静置30分钟,在重力下会将多余的聚二甲基硅氧烷往下方引导;S33、使用卫生纸从光声透镜的下方擦去多余的聚二甲基硅氧烷;S34、为了使引导均匀,依次重复步骤S32-33四次。前述引导方法可将聚二甲基硅氧烷从约45微米减少至约12微米左右。
本发明的步骤S4具体包括,将具有蜡烛烟灰纳米粒子-聚二甲基硅氧烷复合物的平凹透镜置于60℃的烤箱中1.5小时,完成复合物固化,提高结构的稳定性。
参阅图3所示,本发明的聚焦超声器件,其包括光声透镜1,光声透镜1由上述光声透镜的制作方法制作而成,还包括玻璃管2和多模光纤3,光声透镜1通过紫外胶4固定连接在玻璃管2的内部一端,多模光纤3穿设在玻璃管2的内部另一端,多模光纤3的轴线与光声透镜1的轴线共线,且多模光纤3的出射光完整覆盖光声透镜1上。本发明中,由于聚焦超声器件已整合光声透镜1和多模光纤3,使得手持操作成为可能,该器件的尺寸小、重量轻,可用于腔内和术中治疗。参阅图4所示,经实验证实,当选用光声透镜1的尺寸为6毫米,数值孔径为0.5,工作距离约6毫米时,聚焦超声器件的聚焦焦斑直径可达约100微米,其与现有技术的光声透镜的结果类似,另外,光声透镜1可达到的高强度聚焦超声超过30兆帕,已属于高强度聚焦超声。
参阅图5所示,本发明的聚焦超声量测系统,包括上述聚焦超声器件,其还包括连续激光光源5、脉冲激光光源6、环形器7、光纤光分束器8、光功率计9、光探测器10、示波器11、水听器12和水箱13;
脉冲激光光源6与多模光纤3相连接;本实施例中的脉冲激光光源6为532纳米的脉冲激光,此脉冲激光依次经减光镜14、光圈15、光分束器16、针孔17和光纤耦合器18后将激光耦合至多模光纤3,出射之后用于照射光声透镜1。
连续激光光源5与环形器7的第一接口相连接,环形器7的第二接口与水听器12相连接,环形器7的第三接口与光纤光分束器8的入口端相连接;
光纤光分束器8的第一出口端与光功率计9相连接,光纤光分束器8的第二出口端与光探测器10相连接;
光功率计9与电脑相连接,进行数据读取;光探测器10与示波器11相连接,示波器11与电脑相连接,进行数据读取;
其中,水听器12和聚焦超声器件均设置在水箱13中,且水听器12与聚焦超声器件的位置相对应。
本发明中,水听器12来测定产生的高强度聚焦超声,本实施例中的水听器12为单模光纤,连续激光光源5为1550纳米的连续激光,连续激光光源5经环行器7再与水听器12相连接,环行器7的设置方便了水听器12的输入、输出端的接通。连续激光光源5先连接至光环行器7的第一接口,环行器7的第二接口则连接到此水听器12,环形器7的第三接口则连接到光纤光分束器8,其中,10%的光耦合至光功率计9,作为监测水听器12的反射功率,确保水听器12的灵敏度;另外90%的光耦合至低噪声高速光探测器10,用于记录短脉冲超声信号。
本发明的优点在于:
(1)能获得微小高强度超声聚焦焦斑:由于使用光声透镜,能获得比压电高强度聚焦超声探头更小的聚焦焦斑,且器件尺寸小、适用于高精度治疗。
(2)制备便宜且简单:使用蜡烛烟灰纳米粒子-聚二甲基硅氧烷复合材料来作为光声透镜的涂层,与使用碳纳米管-聚二甲基硅氧烷的光声透镜相比,所需设备便宜,制作方法也相对简单。
(3)适用于手持操作:通过光声透镜制作成聚焦超声器件,可用于手持操作,并具有潜力用于腔内和术中治疗应用。
以上,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何不经过创造性劳动想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种光声透镜的制作方法,其特征在于,包括以下步骤;
S1、将平凹透镜置于蜡烛火焰上,使平凹透镜的凹面表面产生一层均匀的蜡烛烟灰纳米粒子;
S2、将所述平凹透镜沉浸于装有聚二甲基硅氧烷的容器中,使用浸涂方式,形成蜡烛烟灰纳米粒子-聚二甲基硅氧烷复合物;
S3、将所述平凹透镜表面多余的聚二甲基硅氧烷引导出去;
S4、对所述平凹透镜进行热固化。
2.如权利要求1所述的光声透镜的制作方法,其特征在于,所述步骤S1具体包括:点燃蜡烛并等待蜡烛火焰稳定后,将平凹透镜的凹面置于蜡烛灯芯上方3厘米处,持续5-7秒,使所述平凹透镜的凹面产生平均直径为30-50纳米的蜡烛烟灰纳米粒子涂层。
3.如权利要求1所述的光声透镜的制作方法,其特征在于,所述步骤S2具体包括:
S21、将带有蜡烛烟灰纳米粒子涂层的平凹透镜固定,并与电控平台连接;
S22、并将所述平凹透镜直放,使平凹透镜的轴线与水平面相平行方向,并完全沉浸于装有聚二甲基硅氧烷的容器中;
S23、将所述平凹透镜缓慢往上拉升,将聚二甲基硅氧烷渗入蜡烛烟灰纳米粒子,形成蜡烛烟灰纳米粒子-聚二甲基硅氧烷复合物。
4.如权利要求1所述的光声透镜的制作方法,其特征在于,所述步骤S3具体包括:
S31、将光声透镜安装在旋转平台上;
S32、旋转平台将光声透镜转动90度并静置30分钟,在重力下会将多余的聚二甲基硅氧烷往下方引导;
S33、使用卫生纸从光声透镜的下方擦去多余的聚二甲基硅氧烷;
S34、依次重复步骤S32-33四次。
5.如权利要求1所述的光声透镜的制作方法,其特征在于,所述步骤S4具体包括,将具有蜡烛烟灰纳米粒子-聚二甲基硅氧烷复合物的所述平凹透镜置于60℃的烤箱中1.5小时,完成复合物固化。
6.一种聚焦超声器件,其特征在于,包括光声透镜,所述光声透镜由权利要求1-5任一项所述的光声透镜的制作方法制作而成,还包括玻璃管和多模光纤,所述光声透镜通过紫外胶固定连接在所述玻璃管的内部一端,所述多模光纤穿设在所述玻璃管的内部另一端,所述多模光纤的轴线与所述光声透镜的轴线共线,且所述多模光纤的出射光完整覆盖所述光声透镜上。
7.一种聚焦超声量测系统,包括如权利要求6所述的聚焦超声器件,其特征在于,还包括连续激光光源、脉冲激光光源、环形器、光纤光分束器、光功率计、光探测器、示波器、水听器和水箱;
所述脉冲激光光源与所述多模光纤相连接;
所述连续激光光源与所述环形器的第一接口相连接,所述环形器的第二接口与所述水听器相连接,所述环形器的第三接口与光纤光分束器的入口端相连接;
所述光纤光分束器的第一出口端与所述光功率计相连接,所述光纤光分束器的第二出口端与所述光探测器相连接;
所述光功率计与电脑相连接,进行数据读取;所述光探测器与所述示波器相连接,所述示波器与所述电脑相连接,进行数据读取;
其中,所述水听器和所述聚焦超声器件均设置在所述水箱中,且所述水听器与所述聚焦超声器件的位置相对应。
8.如权利要求7所述的聚焦超声量测系统,其特征在于,所述脉冲激光光源依次经减光镜、光圈、光分束器、针孔和光纤耦合器后将激光耦合至所述多模光纤。
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