CN111921103A - 用于选择性密封小血管的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于选择性密封小血管的系统和方法。用于选择性地密封肝脏中的血管网络的高强度聚焦超声(HIFU)系统包括配置成产生和供应电力的发电器以及配置成接收所供应的电力的声学组件。声学组件包括配置成产生具有第一频率的振动的第一换能器，以及配置成产生具有第二频率的振动的第二换能器。当产生的具有第一频率的振动的第一焦点和产生的具有第二频率的振动的第二焦点在聚焦区域内对准时，在聚焦区域处的血管组被选择性地密封。

Description

用于选择性密封小血管的系统和方法

技术领域

本公开涉及用于选择性地密封肝脏中的小血管网络的系统和方法。更具体地，本公开涉及一种使用高强度聚焦超声(HIFU)选择性地密封肝脏中的小血管网络的系统和方法。

背景技术

通常，水刀和Cavitron超声外科手术抽吸器(CUSA)已用于肝脏切除术。水刀就像智能刀，其自动将肝的抗性导管和血管结构与实质分开。水刀以期望的横切线击中肝脏并冲走实质，使肝内导管和血管完好无损。然后，可以结扎血管和胆汁结构，并且可以使横切面凝固。即使水刀可以提供出色的可视化，并且对肝硬化肝有效，但是如果与传统技术相比，该技术难以凝结或实现止血，并且难以减轻术中失血和缓慢的手术时间。此外，水刀的飞溅会引起手术室的污染、健康的腹部器官的癌变播种以及操作员被肝病毒感染。

CUSA是一种外科手术系统，其中铅笔握式外科手术手持件包含换能器，其以23kHz的频率纵向振动。器械的振动尖端引起含水量高的细胞爆炸，但保留血管和胆汁管，因为它们的壁通常由结缔细胞组成，结缔细胞含水量低但细胞内键丰富。CUSA还配备了盐溶液冲洗系统，其去除碎裂的组织碎片，并允许出色的可视性。然而，对改进用于选择性地密封肝手术中的小血管网络的技术存在持续的兴趣。

发明内容

本公开涉及用于选择性地密封肝脏中的血管网络的系统和方法。更具体地，该系统和方法涉及通过使用高强度聚焦超声选择性地暴露肝脏中的血管网络并且一旦暴露血管网络即使用其他手术工具例如手术刀密封并切除暴露的血管网络，执行肝脏切除程序。

参考附图详细描述本公开的方面，其中类似的附图标记表示相似或相同的元件。根据本公开的一个方面，用于选择性地密封肝脏中的血管网络的高强度聚焦超声(HIFU)系统包括配置成产生和供应电力的发电器以及配置成接收所供应的电力的声学组件。声学组件包括配置成产生具有第一频率的振动的第一换能器，以及配置成产生具有第二频率的振动的第二换能器。当具有第一频率的所产生的振动的第一焦点和具有第二频率的所产生的振动的第二焦点在聚焦区域内对准时，在聚焦区域处的血管组被选择性地密封。

在一方面，第一换能器具有第一曲率，第二换能器具有第二曲率。第一曲率等于第二曲率。

在另一方面，当第一焦点和第二焦点未在聚焦区域内对准时，血管组未被密封。

在仍另一方面，第二频率是第一频率的谐波频率。

在另一方面，血管组的直径小于或等于0.2毫米。

在仍另一方面，即使当第一焦点和第二焦点在聚焦区域内对准时，直径大于0.2毫米的血管也没有被密封。

在仍另一方面，HIFU系统还包括与第一换能器耦合的第一透镜和与第二换能器耦合的第二透镜。

在仍另一方面，第一透镜将所产生的具有第一频率的振动聚焦在第一焦点上，第二透镜将所产生的具有第二频率的振动聚焦在第二焦点上。

在仍另一方面，HIFU系统还包括相位控制器，其被配置为调整第一换能器和第二换能器的元件的相对相位。

在又另一方面，相位控制器将所产生的具有第一频率的振动聚焦到第一焦点，和将所产生的具有第二频率的振动聚焦到第二焦点。

在另一个实施例中，使用包括第一换能器和第二换能器的高强度聚焦超声(HIFU)系统选择性地密封血管网络的方法包括向第一换能器和第二换能器提供电力，通过第一换能器产生具有第一频率的振动，通过第二换能器产生具有第二频率的振动，将产生的具有第一频率的振动的第一焦点和产生的具有第二频率的振动的第二焦点在聚焦体积内对准，当产生的具有第一频率的振动的第一焦点和产生的具有第二频率的振动的第二焦点在聚焦体积内对准时选择性地密封位于聚焦区域的血管组。

在一方面，具有第一频率的振动由具有第一曲率的第一换能器产生，并且具有第二频率的振动由具有第二曲率的第二换能器产生。

在另一方面，提供给第一换能器的电力等于提供给第二换能器的电力。或者，提供给第一换能器的电力等于提供给第二换能器的电力。

在仍另一方面，当第一焦点和第二焦点未在聚焦体积内对准时，血管组未被密封。

在仍另一方面，第二频率是第一频率的谐波频率。

在仍另一方面，当血管组的直径小于或等于0.2毫米时血管组被密封。

在仍另一方面，即使当第一焦点和第二焦点在聚焦体积内对准时，直径大于0.2毫米的血管也没有被密封。

在又一个实施例中，一种包括计算机可执行指令的非暂时性计算机可读介质，当由计算机执行指令时，使所述计算机执行使用包括第一换能器和第二换能器的高强度聚焦超声(HIFU)系统选择性地密封血管网络的方法。该方法包括向第一换能器和第二换能器提供电力，通过第一换能器产生具有第一频率的振动，通过第二换能器产生具有第二频率的振动，将产生的具有第一频率的振动的第一焦点和产生的具有第二频率的振动的第二焦点在聚焦体积内对准，当产生的具有第一频率的振动的第一焦点和产生的具有第二频率的振动的第二焦点在聚焦体积内对准时选择性地密封位于聚焦区域的血管组。

附图说明

以下参考附图描述本公开的各个方面和实施例，其中：

图1是根据本公开的实施例的用于使用高强度聚焦超声选择性地密封小血管的系统的透视图；

图2是根据本公开的实施例的图1的系统的超声换能器的横截面图；

图3是根据本公开的实施例的使用图1的系统的手术的图形说明；

图4A是根据本公开的实施例的用于使用共焦和同轴换能器元件选择性地密封小血管的系统的框图；

图4B是图4A的系统的共焦和同轴换能器元件的顶视图；和

图5是示出根据本公开的实施例的用于选择性地密封小血管的方法的流程图。

具体实施方式

本公开涉及用于选择性地暴露和密封肝脏中的血管网络并且用于通过选择性地密封和切除血管网络进行肝脏切除的系统和方法。该系统利用至少两个换能器产生超声波，该超声波将通过匹配层传输，该匹配层可以是声音传输液体和声透镜，以选择性地破坏肝实质。一个超声换能器产生的超声波的能量不足以密封小血管。然而，当由至少两个超声换能器产生的超声波会聚、组合并叠加到聚焦体积时，由叠加的超声波引起的热能和机械能具有足够的能量以将小血管密封在聚焦体积内。但是，这种热能和机械能不足以密封大血管。以这种方式，小血管被至少两个超声换能器选择性地密封。

利用以下描述的特征，实现了肝的毛细血管网的选择性凝结。减少了肝切除手术后的并发症，例如热损伤和术中或术后出血。肝脏手术无需穿刺。此外，减少了手术后的胆汁泄漏。下面参考附图描述选择性密封小血管的细节。

图1示出了高强度聚焦超声(HIFU)系统100，其用于使用HIFU选择性地密封肝脏中的小血管。HIFU系统100包括发电器110、第一传输线120、第一声学组件130、第二传输线140和第二声学组件150。HIFU系统100以类似于使用放大镜聚焦阳光的方式控制第一声学组件130和第二声学组件150以将超声波聚焦在目标组织上。通过聚焦超声波，聚焦体积内的目标被振动并被加热，从而引起空化和密封。

在超声波传输的路径中，正和负压力交替出现。当声能处于高水平时，意味着声能高于0.1瓦/cm²，在超声传输路径上的组织中形成微泡。空化是指组织中微泡的这种形成。在此过程中，微泡因压力变化而生长、变形、膨胀和塌陷。当微泡生长、变形和膨胀时，微泡内部的温度升高。

当微泡塌陷时，由塌陷引起的爆发向塌陷和射流附近的组织产生冲击波，这会机械破坏微泡周围的组织。冲击波和射流引起的这种机械和热效应使血管在短时间内收缩，在此期间蛋白质发生变性和凝结。在几秒钟内暴露于超声能下，血管壁发生凝结坏死。这样，可以密封直径小于或等于0.2毫米(mm)的小血管。

发电器110可以被配置为产生足够且适合于使第一声学组件130产生超声能量的电力。发电器110可以包括控制器115，例如用于控制发电器110的参数的旋钮或用于以图形方式控制发电器110的参数的触摸屏。发电器110的控制器115也可以是DIP开关。发电器110可以由操作员开启。在一个方面，发电器110可以通过与第一声学组件130或第二声学组件150机械或电耦合的开关开启，使得当第一声学组件130或第二声学组件150被开启时，发电器110可以被相应地开启。

在一方面，控制器115可以包括相位控制器。相位控制器可以被配置为动态地调整第一声学组件130和第二声学组件150的换能器阵列中的元件的相对相位。基于调整的相位，可以将由第一声学组件130和第二声学组件150产生的超声波转向到不同的位置或聚焦在焦点处。此外，相位控制器可以能够校正由于组织结构引起的超声波束中的异常。

发电器100可以包括处理器(例如，中央处理单元或图形处理单元)和存储器(例如，随机存取存储器、只读存储器、硬盘驱动器、固态盘、磁带等)。处理器被配置为执行存储在存储器中的处理器可执行指令(例如，模块、程序、批处理文件等)。当指令被执行时，处理器被配置为执行发电器的控制或操作，如上文和下文所述。

在一方面，第一声学组件130和第二声学组件150中的每个可以具有透镜，该透镜以与放大镜聚焦日光相似的方式将所产生的超声波聚焦在焦点处。

在又一方面，第一声学组件130和第二声学组件150中的每一个可以具有球形弯曲的换能器，使得所产生的超声波可以聚焦在超声波会聚的焦点处。

由发电器110产生的超声能量分别经由第一传输线120和第二传输线140传输到第一声学组件130和第二声学组件150。经由第一传输线120传输至第一声学组件130的电力可以与经由第二传输线140传输至第二声学组件150的电力相同或不同。在这种情况下，发电器110可以包括至少两个输出端口，使得经由第一传输线120传输到第一声学组件130的电力可以不同于传输到第二声学组件150的电力。每个输出端口可以输出预定量的电力。

在发电器110具有一个端口的情况下，可以使用功率分配器将电力分成两部分，以使第一传输线120和第二传输线140可以分别将均等分配的电力传输至第一声学组件130和第二声学组件150。

第一传输线120和第二传输线140可以由诸如铜、银、金的导电材料或适合于传输电力的任何材料制成。第一传输线120和第二传输线140的拓扑形状可能影响电力传输的效率。因此，为了调整传输的电力量，可以相应地调整第一传输线120和第二传输线140的形状。例如，第一传输线120和第二传输线140可以保持笔直或可以具有一个或多个圆形匝。此外，为了防止彼此的电磁效应，第一传输线120和第二传输线140可以被涂覆或覆盖有绝缘材料并且被导电材料屏蔽。如HIFU系统100的传输线的技术人员容易理解的，可以将其他预防措施应用于第一传输线120和第二传输线140。

当接收到电力时，第一声学组件130和第二声学组件150将电力转换为具有频率的超声能量。由第一声学组件130产生的频率和由第二声学组件150产生的频率可以具有相同的基本频率f₁。在一方面，由第一声学组件130和第二声学组件150产生的频率可以等于f₁。在另一方面，由第一声学组件130产生的频率f₁可以小于由第二声学组件150产生的频率f₂，意味着f₂＝m*f₁，其中m是大于或等于二的整数。

在一方面，发电器110可开启一个输出端口，使得第一声学组件130和第二声学组件150中仅一个可接收电力。在这种情况下，由一个产生的超声能量可导致聚焦体积内的组织变性。当两个输出端口被开启时，由第一声学组件130和第二声学组件150产生的超声能量可以在聚焦体积内叠加或组合，使得可以选择性地凝结和密封小血管。

第一声学组件130和第二声学组件150可以具有相同或不同的结构尺寸。特别地，图2中示出了声学组件200的一个示例性结构。声学组件200可以经由传输线与发电器110电耦合，并且可以被配置为产生超声能量并将所产生的超声能量聚焦到聚焦体积。聚焦体积可以是大约1立方毫米(mm³)。通过将超声能量聚焦在小体积的组织中，声学组件200可能够凝结并密封位于聚焦体积内的小血管。

声学组件200可以包括内部电缆210、换能器220、电极230、壳体240、匹配层250和透镜260。内部电缆210连接传输线和电极230之间的电连接，从而将电力传输到换能器220。如图2所示，内部电缆210可以经由前和后电极230连接到换能器220的前和后表面。然后，换能器220可以将电力转换成超声能量。换能器220的材料可以是蛋白质、晶体(例如石英)和/或陶瓷。换能器220可以被壳体240包围并固定到其上。可以将高达500瓦的电力传输到换能器220，并且作为响应，换能器220可以生成具有高频(例如250KHz)的超声波。电极230的厚度可约为0.1毫米，因此电极230对换能器220产生的超声振动的影响可以极小。

在换能器220与水或组织之间存在声阻抗失配。例如，换能器220的可由陶瓷制成的声阻抗为约35兆瑞利(MRayl)，而水或组织的声阻抗为约1.5MRayl。两种材料在声阻抗上的这种差异导致在换能器220和组织之间的界面中发生声反射，并且由于反射而浪费了很多能量。因此，声学组件200可以在换能器220和组织之间具有匹配层250。匹配层250的声阻抗可以设置在大约10MRayl与大约15MRayl之间的范围内，但是不限于该范围。匹配层250的声阻抗可以是适合于优化换能器220与组织之间的超声波传输的任何声阻抗。匹配层250可以由可以在超声波的传输中提供最佳声阻抗的任何材料制成。例如，匹配层250可以由1-3丁二醇制成。

透镜260可以聚焦超声波，从而可以在组织中形成聚焦体积。如上所述，聚焦体积可以为大约1mm³。声音传输液体可以填充在换能器220和透镜260之间的腔中。透镜260可以由丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)塑料制成。透镜260的厚度可以是大约1mm，使得与传输到组织的总超声能量相比，超声能量的损失在低范围内。透镜260可以由具有耐冲击性、韧性和耐热性的任何材料制成。此外，基于透镜260的视场，可以调节聚焦体积。视场越小，聚焦体积可能越小。

当发电器110被供电并提供电力时，换能器220可以产生超声波。如图3所示，第一超声换能器310产生超声波330，第二超声换能器320产生超声波340。超声波330和超声波340中的每一个都没有足够的热/机械能来密封组织中的小血管。由于超声波330和340的压力的变化，器官370的一部分可以沿着超声波330和340的传输方向缩回。当超声波330和340聚焦在器官370中的组织的聚焦体积350中时，小血管360的网络可以暴露在聚焦体积内，并且可以被组合/叠加的超声波330和340凝结并密封。聚焦体积内的温度可在几秒钟内上升到65°或85℃，通过凝结性坏死破坏小血管。因为聚焦体积周围的组织仅暴露于超声波330和340的一小部分，所以聚焦体积周围的组织可能仅受到超声波330和340的最小影响。

小血管的大小可至多约0.2毫米。即使大血管位于聚焦体积或体积之内，直径大于0.2mm的大血管也不会被密封，因为超声波330和340的组合能量不足以密封大血管。

第一超声换能器310可以具有第一半径r₁的球形，并且第二超声换能器320可以具有第二半径r₂的另一球形。第一半径可以等于第二半径，即r₁＝r₂。在一方面，第一半径r₁和第二半径r₂可以彼此不同，以调节聚焦体积350的位置或调节组合或叠加的超声能量的量。

第一超声换能器310的中心可以是由第一超声换能器310产生的超声波汇聚的第一焦点，并且第二超声换能器320的中心可以是由第二超声换能器320产生的超声波汇聚的第二焦点。当第一焦点和第二焦点位于聚焦体积350内时，聚焦体积350内的小血管网络被凝结并密封。换句话说，当第一焦点和第二焦点未位于聚焦体积350内时，聚焦体积350内的小血管网络未被密封。

在另一方面，第一超声换能器310和第二超声换能器320可以不具有球形形状。替代地，第一超声换能器310通常可以具有第一曲率，并且第二超声换能器320可以通常具有第二曲率。第一曲率和第二曲率可以相同或不同。基于第一和第二曲率，确定第一和第二焦点。当第一焦点和第二焦点位于聚焦体积350内时，聚焦体积350内的小血管网络被凝结并密封。如果没有，则聚焦体积350内的小血管网络未被密封。

图4A示出了根据本公开的实施例的HIFU系统400。HIFU系统400包括第一发电器410和第二发电器420。第一和第二发电器410和420分别包括功能发电器412、422和射频(RF)放大器414、424。RF放大器414和424可以分别调节由功能发电器412和422产生的电力的输出水平。在一方面，功能发电器412和RF放大器414可以提供具有第一频率f₁的电力，并且功能发电器422和RF放大器424可以提供具有第二频率f₂的电力。第一频率f₁和第二频率f₂可以具有相同的基本频率。

HIFU系统400还包括第一换能器430和第二换能器440。当从第一发电器410和第二发电器420接收电力时，第一换能器430可以产生具有第一频率f₁的超声波，并且第二换能器430可以产生具有第二频率f₂的超声波。在一个方面，可以通过将球形聚焦换能器切割成两个同轴且共焦的换能器元件，制造第一换能器430和第二换能器440。因此，第一换能器430和第二换能器440可以具有相同的基本频率，这意味着f₂＝m*f₁，其中m是大于或等于一的整数。

在一方面，第一换能器430和第二换能器440可以被对准，使得它们具有相同的轴和相同的焦点。图4B示出了图4A的HIFU系统400的具有相同焦点和相同轴的第一换能器430和第二换能器440的顶视图。具体地，第一换能器430设置在第二换能器440的内部。此外，第一换能器430和第二换能器440的组合形成球形的一部分。以这种方式，第一换能器430和第二换能器440可以具有相同的焦点和相同的轴。

因此，当第一换能器430和第二换能器440产生超声波时，因为第一换能器430和第二换能器440是同轴和共焦的，自然发生产生的超声波聚焦在器官450的聚焦体积460内的焦点处。因此，在HIFU系统400中，不需要在聚焦体积460内对准第一换能器430和第二换能器440的焦点。

聚焦体积460可以是椭圆形、球形或圆柱形。

返回图5，示出了用于选择性地密封小血管的方法500。在步骤510中，HIFU系统的发电器可以产生并向声学组件提供电力，该声学组件产生超声振动。声学组件包括至少第一和第二超声换能器。

在步骤520中，控制声学组件，使得第一超声换能器的第一焦点和第二超声换能器的第二焦点在聚焦体积内对准。焦点是所产生的超声波会聚的点。焦点的对准可以通过第一超声换能器和第二超声换能器的形状来执行。例如，第一超声换能器和第二超声换能器可以具有球形形状。第一和第二焦点可以是球形的中心。

在一方面，声学组件可以包括透镜，该透镜使所产生的超声波会聚在焦点处。通过调节透镜的视场，可以增大或减小聚焦体积。例如，视野越小，聚焦体积可以越小。

在另一方面，HIFU系统可以包括相位控制器，其动态地调节换能器阵列中的元件的相对相位。基于调整后的相位，可以将生成的超声波转向不同的位置或聚焦在焦点上。

在步骤530中，当第一和第二焦点位于聚焦体积内时，选择性地密封聚焦体积中的小血管网络。小血管的截面直径可以小于或等于0.2mm。如果血管(即大血管)的直径大于0.2mm，则即使大血管位于聚焦体积之内，大血管也不会被密封。在焦点处会聚的超声波没有足够的功率使大血管密封。这样，小血管的网络被声学组件选择性地密封。

在一方面，发电器的功率可调节电力的水平，使得位于聚焦体积内的大血管可被密封。

虽然已经在附图中示出本公开的若干实施例，但是本公开并不旨在受其限制，因为本公开的范围旨在如领域将允许的一样广泛并且说明书同样以此方式阅读。因此，上文的描述不应解释为限制性的，而仅仅是作为具体实施例的例证。本领域技术人员将在所附权利要求的范围和精神内设想其它修改。

Claims (20)

1.一种高强度聚焦超声(HIFU)系统，其用于选择性地密封血管网络，所述HIFU系统包括：

发电器，其被配置为产生和供应电力；和

声学组件，其被配置为接收供应的电力，所述声学组件包括：

第一换能器，其被配置为产生具有第一频率的振动；和

第二换能器，其被配置为产生具有第二频率的振动，

其中，当产生的具有第一频率的振动的第一焦点和产生的具有第二频率的振动的第二焦点在聚焦区域内对准时，在所述聚焦区域处的血管组被选择性地密封。

2.根据权利要求1所述的HIFU系统，其中第一换能器具有第一曲率，第二换能器具有第二曲率。

3.根据权利要求2所述的HIFU系统，其中第一曲率等于第二曲率。

4.根据权利要求1所述的HIFU系统，其中当第一焦点和第二焦点未在聚焦区域内对准时所述血管组未被密封。

5.根据权利要求1所述的HIFU系统，其中第二频率是第一频率的谐波频率。

6.根据权利要求1所述的HIFU系统，其中所述血管组的直径小于或等于0.2毫米。

7.根据权利要求1所述的HIFU系统，其中即使当第一焦点和第二焦点在聚焦区域内对准时，直径大于0.2毫米的血管也没有被密封。

8.根据权利要求1所述的HIFU系统，还包括与第一换能器耦合的第一透镜和与第二换能器耦合的第二透镜。

9.根据权利要求8所述的HIFU系统，其中第一透镜将产生的具有第一频率的振动聚焦在第一焦点上，第二透镜将产生的具有第二频率的振动聚焦在第二焦点上。

10.根据权利要求1所述的HIFU系统，还包括相位控制器，其被配置为调整第一换能器和第二换能器的元件的相对相位。

11.根据权利要求10所述的HIFU系统，其中所述相位控制器将产生的具有第一频率的振动聚焦到第一焦点，和将产生的具有第二频率的振动聚焦到第二焦点。

12.一种用包括第一换能器和第二换能器的高强度聚焦超声(HIFU)系统选择性地密封血管网络的方法，所述方法包括：

向第一换能器和第二换能器提供电力；

由第一换能器产生具有第一频率的振动；

由第二换能器产生具有第二频率的振动；

将产生的具有第一频率的振动的第一焦点和产生的具有第二频率的振动的第二焦点在聚焦体积内对准；和

当产生的具有第一频率的振动的第一焦点和产生的具有第二频率的振动的第二焦点在聚焦体积内对准时，选择性地密封位于聚焦区域的血管组。

13.根据权利要求12所述的方法，其中具有第一频率的振动由具有第一曲率的第一换能器产生，并且

其中具有第二频率的振动由具有第二曲率的第二换能器产生。

14.根据权利要求12所述的方法，其中提供给第一换能器的电力等于提供给第二换能器的电力。

15.根据权利要求12所述的方法，其中提供给第一换能器的电力不同于提供给第二换能器的电力。

16.根据权利要求12所述的方法，其中当第一焦点和第二焦点未在聚焦体积内对准时所述血管组未被密封。

17.根据权利要求12所述的方法，其中第二频率是第一频率的谐波频率。

18.根据权利要求12所述的方法，其中当所述血管组的直径小于或等于0.2毫米时所述血管组被密封。

19.根据权利要求12所述的方法，其中即使当第一焦点和第二焦点在聚焦体积内对准时，直径大于0.2毫米的血管也没有被密封。

20.一种包括计算机可执行指令的非暂时性计算机可读介质，当由计算机执行所述指令时，使所述计算机执行使用包括第一换能器和第二换能器的高强度聚焦超声(HIFU)系统选择性地密封血管网络的方法，所述方法包括：

向第一换能器和第二换能器提供电力；

由第一换能器产生具有第一频率的振动；和

由第二换能器产生具有第二频率的振动；

将产生的具有第一频率的振动的第一焦点和产生的具有第二频率的振动的第二焦点在聚焦体积内对准；和

当产生的具有第一频率的振动的第一焦点和产生的具有第二频率的振动的第二焦点在聚焦体积内对准时，选择性地密封位于聚焦区域的血管组。

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