CN110064136B - 超声换能器、聚焦超声治疗设备 - Google Patents

超声换能器、聚焦超声治疗设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超声换能器、聚焦超声治疗设备，属于高强度聚焦超声技术领域，其可解决现有的超声换能器焦域尺寸大、形状呈“雪茄型”的问题。该超声换能器包括发声单元和发声面，发声单元用于产生超声波，发声面为具有第一缺口、第二缺口、第三缺口的球面，其中，发声面对应的球面的一个球心面为主球心面，第一缺口和第二缺口分别位于垂直于主球心面的直径与球面的两个相交处，第三缺口连接第一缺口和第二缺口；在距离主球心面两侧分别一定距离的范围内，发声面在与主球心面平行的截面中为圆弧形，圆弧形的开口对应第三缺口，圆弧形的圆心角大于180度且小于360度；发声面能反射超声，且发声单元产生的超声波聚焦于发声面对应的球心。

Description

超声换能器、聚焦超声治疗设备
技术领域
本发明属于高强度聚焦超声技术领域，具体涉及一种超声换能器、聚焦超声治疗设备。
背景技术
高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)技术已在医疗、科研、材料处理等领域获得了广泛应用，其利用超声的可聚焦性和穿透性，使超声在特定位置聚焦，并利用焦域处的高能量治疗疾病、激发反应、改变材料性质等。例如，高强度聚焦超声技术在临床上已用于治疗肝癌、乳腺癌、肾癌、骨肿瘤、子宫肌瘤等良恶性肿瘤，其原理是将超声聚焦到人体内的病变处，使焦域的高能量密度机械能转换为热能，使病变组织凝固性坏死(又称超声热消融)；同时，由于声通道上的超声能量密度较低，故可保证病变组织周围和声通道上的正常组织不受影响或受到的影响可接受。
超声换能器是高强度聚焦超声技术的核心部件，其用于将电能转换为机械能，并从发声面各处沿法线方向发射超声，以使发出的超声聚焦。现有的聚焦超声换能器的发声面多为球冠面，其发出的超声为行波，并在球冠的球心附近聚焦。由于超声的特性，故现有超声换能器的焦域实际近似于雪茄形或纺锤形，其在声轴方向的长度较大，一般超过10mm，而在其它两短轴的尺寸则在2～3mm(以超声频率为1MHz时为例)。
现有超声换能器的焦域范围较大，能量不够集中，焦域处能量密度较低，声压最多仅能达到107Pa量级，由此导致其不能迅速消融病变组织，治疗时间长，治疗效果不佳。
另外，人体内存在大量骨骼、含气脏器、脂肪等非均匀组织，它们会对现有超声换能器发出的超声造成严重的散射、反射，使超声的传播呈严重的非线性等，进而使焦域产生不可预测的偏移、畸变，影响治疗的安全性。
发明内容
本发明至少部分解决现有的超声换能器焦域尺寸大、形状呈“雪茄型”的问题，提供一种可形成小尺寸的球形焦域的超声换能器、聚焦超声治疗设备。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种超声换能器，包括发声单元和发声面，所述发声单元用于产生超声波，且
所述发声面为具有第一缺口、第二缺口、第三缺口的球面，其中，所述发声面对应的球面的一个球心面为主球心面，所述第一缺口和第二缺口分别位于主球心面所在球面的两侧，所述第三缺口连接第一缺口和第二缺口；
在距离主球心面两侧分别一定距离的范围内，所述发声面在与主球心面平行的截面中为圆弧形，所述圆弧形的开口对应第三缺口，所述圆弧形对应的圆心角大于180度且小于360度；
所述发声面具有反射超声的能力，且所述发声单元产生的超声波聚焦于发声面对应的球心。
优选的是，所述第一缺口和第二缺口的边缘分别位于第一平面和第二平面中。
进一步优选的是，所述第一平面与第二平面均平行于所述主球心面。
进一步优选的是，所述第一平面与第二平面间的距离在80～1000mm。
进一步优选的是，所述第一平面与第二平面间的距离在150～500mm。
进一步优选的是，所述第一平面与主球心面间的距离等于所述第二平面与主球心面间的距离。
优选的是，所述发声面在任意平行于主球心面的截面中均为圆弧形，所述圆弧形对应的圆心角大于180度且小于360度。
进一步优选的是，所述发声面在任意平行于主球心面的截面中的圆弧形的开口朝向相同。
进一步优选的是，所述发声面在任意平行于主球心面的截面中的圆弧形对应的圆心角相等。
优选的是，在距离主球心面两侧分别一定距离的范围内，所述发声面在与主球心面平行的截面中的圆弧形对应的圆心角大于180度且小于300度。
进一步优选的是，在距离主球心面两侧分别一定距离的范围内，所述发声面在与主球心面平行的截面中的圆弧形对应的圆心角大于200度且小于280度。
优选的是，所述距离主球心面两侧分别一定距离的范围为距主球心面两侧分别40～500mm的范围。
优选的是，所述发声面对应的球面的直径在100～3000mm。
进一步优选的是，所述发声面对应的球面的直径在200～2000mm。
优选的是，所述发声面相对于主球心面对称设置。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种聚焦超声治疗设备，其包括：
上述的超声换能器。
本发明的超声换能器中，发声面具有反射超声的能力，且其对应的圆心角超出180度，故发声面部分位置发出的超声会被对面的发声面反射回来，从而在该区域内使超声形成驻波，而发声面其它部分发出的超声不会被反射，仍为行波。
通过这种行波与驻波相结合的形式，可在部分方向上对超声的焦域进行压缩，使其由雪茄形变为接近于球形的规则形状，且尺寸变小，从而使焦域处的能量密度提高，改善治疗效果和效率，减小对正常组织的损伤；同时，其还可降低超声在人体内不均匀组织中的散射、反射等，减小焦域的偏移、畸变，利于焦域准确定位。
另一方面，发声面还具有三个缺口，故人体、待处理材料、研究设备等可通过这些缺口进入发声面内并达到焦域附近，便于超声换能器的实际应用。
本发明的超声换能器优选用于聚焦超声治疗设备中，当然也可用于科研、材料处理等其它领域中。
附图说明
图1为本发明的实施例的一种超声换能器的结构示意图；
图2为本发明的实施例的一种超声换能器中发声面的结构示意图；
图3为本发明的实施例的一种超声换能器中发声面沿平行于主球心面的方向的结构示意图；
图4为本发明的实施例的一种超声换能器中发声面沿垂直于主球心面的方向的结构示意图；
图5为本发明的实施例的一种超声换能器中发声面在平行于主球心面的截面中的结构示意图；
图6为一种对应60度圆心角的发声面的模拟声场强度空间分布图；
图7为一种对应100度圆心角的发声面的模拟声场强度空间分布图；
图8为一种对应220度圆心角的发声面的模拟声场强度空间分布图；
图9为一种对应300度圆心角的发声面的模拟声场强度空间分布图；
图10为不同圆心角的发声面在X轴上的模拟声场强度分布图；
图11为不同圆心角的发声面在Y轴上的模拟声场强度分布图；
图12为不同圆心角的发声面在Z轴上的模拟声场强度分布图；
图13为不同圆心角的发声面的模拟声场在各轴上的-6dB宽度图；
图14为不同圆心角的发声面对应的-6dB宽度的焦域体积图；
图15为沿Y轴尺寸不同的发声面在X轴上的模拟声场强度分布图；
图16为沿Y轴尺寸不同的发声面在Y轴上的模拟声场强度分布图；
图17为沿Y轴尺寸不同的发声面在Z轴上的模拟声场强度分布图；
图18为沿Y轴尺寸不同的发声面的模拟声场在各轴上的-6dB宽度图；
图19为沿Y轴尺寸不同的发声面的模拟声场对应的-6dB宽
度的焦域体积图
其中，附图标记为：1、外壳；2、上盖；3、发声面；31、第一缺口；32、第二缺口；33、第三缺口；4、压电阵元；5、端盖；91、第一平面；92、第二平面；99、主球心面。
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：
如图1至图19所示，本实施例提供一种超声换能器，其包括发声单元和发声面3，发声单元用于产生超声波。
而且，发声面3为具有第一缺口31、第二缺口32、第三缺口33的球面，其中，发声面3对应的球面的一个球心面为主球心面99，第一缺口31和第二缺口32分别位于主球心面99所在平面的两侧，第三缺口33连接第一缺口31和第二缺口32；
在距离主球心面99两侧分别一定距离的范围内，发声面3在与主球心面99平行的截面中为圆弧形，圆弧形的开口对应第三缺口33，圆弧形对应的圆心角大于180度且小于360度；
发声面3具有反射超声的能力，且发声单元产生的超声波聚焦于发声面3对应的球心。
本实施例的超声换能器具有发声单元，发声单元为可产生超声的器件，如为压电陶瓷或1-3型压电复合材料等。通过设计发声单元的形状、数量、位置等，可使其相当于从发声面3的各位置发出超声，且在每个位置发出的超声均沿发声面3在该位置的法线方向传播，而这些超声最终可在所需位置聚焦(包括直接聚焦或经反射后聚焦)。
具体的，如图1所示，发声面3可为具有预定形状的透声面，而发声单元(如压电阵元4)可设于发声面3后；或者，发声面3也可直接就是发声单元本身的发射面。
具体的，发声单元也可采用不同的形式。例如，发声单元可为多个设于发声面3不同位置的压电阵元4(如矩形的压电陶瓷片)，即多个压电阵元4“拼接”出发声面3；或者，发声单元也直接具有与发声面3相同的形状(如为异形的压电陶瓷片)。
当然，图1所示，超声换能器中除发声面3和发声单元，还可包括发声单元的驱动电路、封闭驱动电路和发声单元的壳体(外壳1、上盖2、下盖、端盖5等)等其它部件，在此不再详细描述。
不同于传统的球冠面式的发声面，本实施例的超声换能器的发声面3相当于缺少了三个部分的球面。
如图2至图4所示，以上发声面3缺少的两个部分(第一缺口31和第二缺口32)是球面在一个直径上两端处的部分，其中，与该直径垂直的球心面(即过球心的面)为主球心面99。而发声面3缺少的第三部分(第三缺口33)则为从侧面将以上第一缺口31和第二缺口32连接起来的部分。
也就是说，若以主球心面99所在平面为水平方向，以上垂直于主球心面99的直径的方向为竖直方向，则对一个球面，可先将其在竖直方向上的顶端和底端各切掉一部分，之后将其侧面再切掉一部分，且该侧面被切掉的部分应将顶端和底端的切口连起来，则剩余的球面即为以上发声面3。
其中，在主球心面99两侧各一定距离(以上一定距离优选为40～500mm，且两侧的距离可不同)的范围内，发声面3在平行于主球心面99的截面中被截出的形状为圆弧形，该圆弧形对应的圆心角大于180度且小于360度，其开口则对应以上第三缺口33。也就是说，至少在靠近主圆心面的部分范围内，以上第三缺口33只将球面切下“少于半个球”的部分，而保留的发声面3则是“多于半个球”的部分。
进一步的，以上发声面3具有反射超声的能力，故如图5所示，从圆心角超出180度的圆弧部分发出的超声会被对面的发声面3反射回来，且该超出180度的圆弧部分也可反射对面的发声面3发射的超声，从而在部分区域(图5中画斜线的部分)内可使超声返回，形成驻波，改变超声的聚焦情况和焦域形态；同时，圆弧与开口对应的部分发出的超声不被反射，故圆弧这部分发出的超声仍为行波。
也就是说，本实施例的超声换能器产生的超声实际是行波与驻波相结合的形式，由此其传播、聚焦等会发生改变。具体的，该超声换能器可使原雪茄形焦域的长轴发生压缩，从而使焦域更接近于球形且尺寸变小，使焦域处的能量密度提高，改善治疗效果和效率，减小对正常组织的损伤。同时，该超声换能器可还降低超声在人体内不均匀组织中的散射、反射等，减小焦域的偏移、畸变，利于焦域的准确定位。
另一方面，发声面3还具有三个缺口，故人体、待处理材料、研究设备等可通过这些缺口进入发声面3内并达到焦域附近，便于超声换能器的实际应用。
优选的，第一缺口31和第二缺口32的边缘分别位于第一平面91和第二平面92中。更优选的，第一平面91与第二平面92均平行于主球心面99。
如图3所示，以上第一缺口31和第二缺口32优选是被平面所截去的球冠，更优选是被两个平行平面截去的球冠，即两个被截去的球冠的底面优选相互平行。由此，除去第一缺口31和第二缺口32后的球面相当于两个球台底面对接而得到的结构。当然，两个球台的底面均为主球心面99，且二者的高可不同。以上形式的发声面3形状与球台接近，比较规则，结构简单。
当然，如果以上第一缺口31和第二缺口32是由相互不平行的平面截去的，或者是由非平面的曲面截去的，也都是可行的。
更优选的，第一平面91与第二平面92间的距离在80～1000mm，进一步优选在150～500mm。
也就是说，第一缺口31与第二缺口32间的距离(即发声面3在竖直方向上的尺寸)优选处于以上范围内(当然发声面3对应的球面直径应比以上距离大)，这样的发声面3面积足够，可产生适于实用的超声。
更优选的，第一平面91与主球心面99间的距离等于第二平面92与主球心面99间的距离。
也就是说，第一缺口31和第二缺口32优选是由与球心距离相等的两个平面截得的，故它们尺寸相等且对称分布。
当然，如果第一缺口31和第二缺口32与球心的距离不同，或者形状根本不同，也是可行的。
优选的，发声面3在任意平行于主球心面99的截面中均为圆弧形，圆弧形对应的圆心角大于180度且小于360度。
以上限定了至少在主球心面99附近，发声面3在平行于主球心面99的截面中为圆弧形，但作为更优选的方式，发声面3在任意平行于主球心面99的截面中均可为以上对应圆心角大于180度且小于360度的圆弧形，从而保证发声面3在竖直方向的各位置均可产生驻波。
当然，如果发声面3的部分位置在平行于主球心面99的截面中不是圆弧形(如为分开的两段圆弧)，也是可行的。
进一步优选的，发声面3在任意平行于主球心面99的截面中的圆弧形的开口朝向相同；进一步优选的，发声面3在任意平行于主球心面99的截面中的圆弧形对应的圆心角相等。
也就是说，在竖直方向的不同位置，以上第三缺口33优选朝向相同，更优选对应的圆心角也相同，即第三缺口33优选是由与主球心面99垂直的平面截得的。
如图4所示，从垂直于主球心面99的方向上看，以上发声面3是类似于“C形”的形状，且在垂直于主球心面99的方向上该“C形”具有一定“厚度”，而在垂直于主球心面99的方向的不同位置处“C形”的尺寸不同。
优选的，在距离主球心面99两侧分别一定距离的范围内，发声面3在与主球心面99平行的截面中的圆弧形对应的圆心角大于180度且小于300度，更优选大于200度且小于280度。
虽然只要以上圆心角大于180度且小于360度即可形成驻波，但从实用的角度考虑，圆心角更优选处于以上范围内，这样其既可形成足够的驻波，且第三缺口33也足够大，便于实际应用。
优选的，发声面3对应的球面的直径在100～3000mm，更优选在200～2000mm。
在发声面3形状(不包括尺寸)相同时，其对应的球面直径越大则发声面3的实际尺寸越大，从而在单位面积发射的超声能量相同时，超声换能器的总能量就越大，焦域的能量密度越高，而以上尺寸的球面是比较适于实用的。
优选的，发声面3相对于主球心面99对称设置。
如图3所示，发声面3优选相对于主球心面99对称分布，即主球心面99两侧的发声面3的形式优选相同，这样，其形成的声场、焦域也是相对于主球心面99对称的，更加规则，易于控制。
下面对不同发声面3发出的超声进行模拟；其中，模拟用的发声面3的第一平面91与第二平面92相互平行且到主球心面99距离相等，且其在任意平行于主球心面99的截面中均为圆弧形，各圆弧形对应的圆心角相等且朝向相同。
具体的，圆心角分别为60度、100度、220度、300度的以上发声面3的模拟声场强度(以声压代表，单位为Pa)空间分布分别如图6至图9所示(其中O为球心，Y为竖直方向，Z指向发声面3的几何中心，X与Y、Z均垂直，下同)。
可见，当圆心角小于180度时，焦域在XOZ面和YOZ面中呈明显的椭圆形，而随着圆心角的增大该椭圆形的长轴虽有缩短，但改变并不明显。这表明，对现有的行波发声面3，其形成的焦域是明显的雪茄形。而当圆心角超过180度时，焦域在XOZ面和YOZ面的形状则趋近于圆形，故焦域相应的变为接近于球形的规则形状。这表明，当圆心角超过180度时，通过在部分位置形成驻波，可在部分方向上明显压缩焦域尺寸，从而使焦域变为近似球形。
进一步的，当以上圆心角不同时，在各轴上的模拟声场强度(以声压代表，单位为Pa)分布如图10至图12所示，模拟声场在各轴上的-6dB宽度如图13所示，而-6dB宽度的焦域体积则如图14所示。
从以上各图也可见，当圆心角大于180度时，焦域在X轴和Z轴被明显压缩，尤其是在Z轴上，焦域长度从接近5个波长被压缩为近似1个波长，最终使X轴、Y轴、Z轴上焦域的尺寸基本相当，焦域从“雪茄型”变成近球形，体积大幅缩小；同时，随着圆心角的增大，声压最大值也不断提高，这表明随着焦域体积的缩小，焦域的能量密度明显提高。
而当以上第一平面91与第二平面92间的距离(即发声面3在Y轴方向的尺寸)不同时，在各轴上的模拟声场强度(以声压代表，单位为Pa)分布如图15至图17所示，而模拟声场在各轴上的-6dB宽度则如图18所示，而-6dB宽度的焦域体积则如图19所示。
可见，随着球台总高度(即发声面3在Y轴方向的尺寸)的增大，焦域尺寸也被压缩，且在Y轴方向的压缩更明显，相应的，焦域体积明显降低。这表明，第一平面91与第二平面92间的距离对焦域也是有影响的。
实施例2：
本实施例提供一种聚焦超声治疗设备，其包括：
上述的超声换能器。
也就是说，可将以上的超声换能器与其它部件组合，构成利用聚焦的超声治疗疾病的设备。例如，该聚焦超声治疗设备可发射超声(如从体外发射)，并将超声聚焦于肝癌、乳腺癌、肾癌、骨肿瘤、子宫肌瘤等病变组织处，从而对良恶性肿瘤进行治疗。
由于本实施例的聚焦超声治疗设备采用以上的超声换能器，故其超声传播受人体内不均匀组织的影响小，形成的焦域形状规则、尺寸小、能量密度高；由此，其可准确的将焦域定位在病变组织处，迅速消融病变组织，提高治疗效率和效果，同时还可尽量降低对病变组织周围、声通道等的影响，提高安全性。
当然，根据治疗部位的不同，该聚焦超声治疗设备中超声换能器的形状、尺寸也可不同，且超声换能器的发声面与人体的相对位置关系也可不同。例如，发声面可以类似于“环”的形式“套”在人体的某部位外(即人体部位穿过第一缺口和第二缺口)；或者，也可以是人体的某部位通过以上第三缺口进入发声面内。
当然，在该聚焦超声治疗设备中，还可包括其它部件。例如，为使超声顺利进入人体，还可设置用于在发声面与人体表面间保持传声媒质(如脱气水)的媒质容纳单元。再如，为方便治疗，可设置用于支撑人体的治疗床等。再如，为调整焦域位置，还可设置用于驱动超声换能器和/或人体运动的驱动单元。再如，为实时评价治疗效果，还可设置用于实时形成焦域周围的图像的成像单元(如B超、CT、MRI)等。
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 (15)

1.一种超声换能器，包括发声单元和发声面，所述发声单元用于产生超声波，其特征在于，
所述发声面为具有第一缺口、第二缺口、第三缺口的球面，其中，所述发声面对应的球面的一个球心面为主球心面，所述第一缺口和第二缺口分别位于主球心面所在平面的两侧，所述第三缺口连接第一缺口和第二缺口；
在分别距离主球心面两侧40～500mm的范围内，所述发声面在与主球心面平行的截面中为圆弧形，所述圆弧形的开口对应第三缺口，所述圆弧形对应的圆心角大于180度且小于360度；
所述发声面具有反射超声的能力，且所述发声单元产生的超声波聚焦于发声面对应的球心。
2.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，
所述第一缺口和第二缺口的边缘分别位于第一平面和第二平面中。
3.如权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，
所述第一平面与第二平面均平行于所述主球心面。
4.如权利要求3所述的超声换能器，其特征在于，
所述第一平面与第二平面间的距离在80～1000mm。
5.如权利要求4所述的超声换能器，其特征在于，
所述第一平面与第二平面间的距离在150～500mm。
6.如权利要求3所述的超声换能器，其特征在于，
所述第一平面与主球心面间的距离等于所述第二平面与主球心面间的距离。
7.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，
所述发声面在任意平行于主球心面的截面中均为圆弧形，所述圆弧形对应的圆心角大于180度且小于360度。
8.如权利要求7所述的超声换能器，其特征在于，
所述发声面在任意平行于主球心面的截面中的圆弧形的开口朝向相同。
9.如权利要求8所述的超声换能器，其特征在于，
所述发声面在任意平行于主球心面的截面中的圆弧形对应的圆心角相等。
10.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，
在分别距离主球心面两侧40～500mm的范围内，所述发声面在与主球心面平行的截面中的圆弧形对应的圆心角大于180度且小于300度。
11.如权利要求10所述的超声换能器，其特征在于，
在分别距离主球心面两侧40～500mm的范围内，所述发声面在与主球心面平行的截面中的圆弧形对应的圆心角大于200度且小于280度。
12.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，
所述发声面对应的球面的直径在100～3000mm。
13.如权利要求12所述的超声换能器，其特征在于，
所述发声面对应的球面的直径在200～2000mm。
14.如权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，
所述发声面相对于主球心面对称设置。
15.一种聚焦超声治疗设备，其特征在于，包括：权利要求1至14中任意一项所述的超声换能器。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110478633B (zh) * 2019-09-02 2021-08-10 重庆医科大学 聚焦超声换能器的固定架及超声换能系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1190027A (zh) * 1998-01-11 1998-08-12 祁任丽 一种新型超声波透热方法及装置
US5873845A (en) * 1997-03-17 1999-02-23 General Electric Company Ultrasound transducer with focused ultrasound refraction plate
CN102210910A (zh) * 2010-04-02 2011-10-12 重庆融海超声医学工程研究中心有限公司 一种超声换能器
CN105944245A (zh) * 2016-05-31 2016-09-21 深圳先进技术研究院 头戴式超声换能器
CN205829497U (zh) * 2016-08-01 2016-12-21 山西省交通科学研究院 一种高效的压电路面换能器结构

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE879925C (de) * 1951-05-26 1953-06-18 Heinz Dr Born Vorrichtung zur Buendelung von Ultraschallenergie
JPH04108001A (ja) * 1990-08-28 1992-04-09 Murata Mfg Co Ltd 超音波発生器及び超音波照射装置
US8409099B2 (en) * 2004-08-26 2013-04-02 Insightec Ltd. Focused ultrasound system for surrounding a body tissue mass and treatment method
US7602672B2 (en) * 2004-12-27 2009-10-13 Ninglei Lai Quasi-self focusing high intensity and large power ultrasonic transducer
CN101140354B (zh) * 2006-09-04 2012-01-25 重庆融海超声医学工程研究中心有限公司 谐振式超声换能器
CN101190436B (zh) * 2006-11-22 2010-09-29 中国科学院声学研究所 一种相控聚焦超声波波源装置
CN101740017A (zh) * 2008-11-12 2010-06-16 同致电子企业股份有限公司 哑铃形腔室的超音波换能器
CN201426922Y (zh) * 2009-07-16 2010-03-24 马淑芳 新型聚焦超声治疗头
EP2710586A2 (en) * 2011-05-18 2014-03-26 Koninklijke Philips N.V. Spherical ultrasonic hifu transducer with modular cavitation sense element
CN103520844B (zh) * 2012-07-03 2016-07-13 重庆海扶医疗科技股份有限公司 聚焦超声治疗装置
WO2015030268A1 (ko) * 2013-08-26 2015-03-05 알피니언메디칼시스템 주식회사 고강도 집속 초음파 치료헤드
US10589129B2 (en) * 2016-09-14 2020-03-17 Insightec, Ltd. Therapeutic ultrasound with reduced interference from microbubbles

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5873845A (en) * 1997-03-17 1999-02-23 General Electric Company Ultrasound transducer with focused ultrasound refraction plate
CN1190027A (zh) * 1998-01-11 1998-08-12 祁任丽 一种新型超声波透热方法及装置
CN102210910A (zh) * 2010-04-02 2011-10-12 重庆融海超声医学工程研究中心有限公司 一种超声换能器
CN105944245A (zh) * 2016-05-31 2016-09-21 深圳先进技术研究院 头戴式超声换能器
CN205829497U (zh) * 2016-08-01 2016-12-21 山西省交通科学研究院 一种高效的压电路面换能器结构

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