CN112023243B - 超声循环聚焦发射的透皮给药装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声循环发射的透皮给药装置及控制方法，所述装置包括超声主机和换能器阵列，超声主机控制换能器阵列发射超声波，换能器阵列的聚焦方式是通过相位调制实现的；所述控制方法包括自动进行循环聚焦发射和自动逐条移动给药发射声束，采用循环聚焦发射可在透皮给药的通路上形成连续的垂直向深度方向的较强声场，从而给药物粒子连续的推动力，有利于其到达皮下较深的病灶处，更好地进行药物地渗透。

Description

超声循环聚焦发射的透皮给药装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种超声循环聚焦发射的透皮给药装置及控制方法，属于医疗器械技术领域。

背景技术

超声波是一种振动频率超过20000Hz的机械振动，一般由超声换能器产生，可在固体、液体、气体中传播。一定功率的超声波，在医疗方面可用于疾病治疗、透皮给药、理疗美容等。为实现更便捷的控制、更强大的功能，一般会将若干个超声换能器组合成阵列使用，并在控制电路的控制下发射出不同的超声波，满足不同的业务需求。

透皮给药是指在皮肤上放置药物后，利用物理或化学的方法使药物穿透皮肤，进入循环系统而起治疗作用的治疗方式。透皮给药治疗具有超越一般给药方法的独特优点，可以不经过肝脏的“首过效应”和胃肠道的破坏。透皮给药治疗方法以其独特的优点，成为近年来国内外医药工作者的研究热点，发展迅速。超声透皮给药与化学促进剂相比安全性高，超声停止后皮肤屏障功能恢复更快，药物通透程度更深，药物不会被电解破坏，不存在极化问题，无电刺激现象等。

提高药物透皮的效率可以改善透皮给药的疗效，使用更少的药物而达到同样的治疗效果，尤其对病灶位于较深位置的情况，提高药物透皮效率很有价值。H·佩尔策等在用于经皮给药的设备和操作这种设备的方法(CN101466432A)中提出一种用于向皮肤下进行给药的设备，该设备采用超声膜片换能器发射的超声波向目标区域聚焦提升透皮给药的效率。

这些设备可以一定程度进行靶向给药和提高超声透皮给药的效率，但仍存在一些不足：超声场中焦点区域是声波强度最大且质点振动方向垂直向深度方向的，此处的超声波对药物粒子向人体深处渗透作用最强，而这些设备只有一个聚焦位置，无法在深度方向对药物粒子进行较长距离的有效推动。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明提出了一种超声循环聚焦发射的透皮给药装置及控制方法。

本发明采取的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种超声循环聚焦发射的透皮给药装置，其包括超声换能器阵列和超声主机，所述超声换能器阵列可将电信号转换为声信号，并依据不同的信号波形、幅度、相位，发射出不同的超声场，所述超声主机用于驱动超声换能器阵列完成透皮给药所需的发射，实现超声循环聚焦发射，形成一个从浅到深的超声聚焦通道。

进一步的，所述超声换能器阵列紧贴皮肤表面的药物池，换能器阵列呈线形形式，共N个阵元，每个阵元宽度为L，相邻阵元之间间隔为dL，发射的时候通过驱动信号相位不同实现移动焦点。

另一方面，本发明还提供了一种超声循环聚焦发射的透皮给药装置的控制方法，该控制方法包括深度方向自动进行循环聚焦发射和水平方向自动逐条移动给药发射声束；具体为：通过改变驱动信号的相位，使超声场的聚焦位置从皮下浅处逐步向深处延伸，完成一次从浅到深的连续聚焦发射后，再次回到浅处开始逐个位置连续聚焦发射，依次循环形成一个连续的推动力将药物粒子推向人体深处；经过一定次数的循环聚焦发射后，改变换能器阵列的发射序列，移动到旁边的空间位置进行同样的循环聚焦发射，经过若干次发射空间位置的移动，实现覆盖整个靶区的药物推送。

进一步的，根据不同的焦点深度，开不同的阵元个数，在近场区使用较小的阵元孔径，减少发射的阵元数目，在远场区域使用较大的孔径，增大发射的阵元数目；开启的有效孔径数随探测深度增加而逐渐增多，直至全部打开。

进一步的，以换能器阵元产生的声压下降到最大值的一半，即-6dB处的角度为准，若换能器阵元中心点与焦点之间的连线与换能器法线方向的夹角，小于-6dB半开角的，该阵元均属于可开启的，半开角的计算公式为：

其中λ为传播介质中的声波波长，L为换能器阵元的宽度。

进一步的，根据焦点的纵向长度，使相邻的焦点纵向长度之间相连，焦点纵向长度公式为：

其中，c为传播介质中的声速，f_c为中心频率，D为焦点到换能器的距离，A为所有开启的阵元对应的总长度。

进一步的，根据焦点的横向宽度，使每次移动声束后相邻的声束横向之间相连，焦点横向宽度公式：

其中λ为传播介质中的声波波长，BW为-6dB频响带宽。

上述控制方法整个流程为：先根据对病灶部位的医学影像的观察设置给药发射参数，随后由超声主机自动计算焦点个数、位置，声束条数、位置，自动计算每个焦点对应发射孔径，再然后系统在深度方向自动进行循环聚焦发射，在水平方向自动逐条移动给药发射声束，直至覆盖全部靶区，完成给药。

本发明的原理及效果如下：

本发明可在透皮给药的通路上形成连续的垂直向深度方向的较强声场，从而给药物粒子连续的推动力，有利于其到达皮下较深的病灶处。

本发明的超声换能器阵列，可通过改变每个阵元的驱动信号相位实现声场在不同位置聚焦。通过改变驱动信号的相位，可连续改变超声场的聚焦位置，从皮下浅处逐步向深处延伸。完成一次从浅到深的连续聚焦发射后，再次回到浅处开始逐个位置连续聚焦发射，充分发挥焦点区域声波强度最大且质点振动方向垂直向深度方向的特点，依次循环形成一个连续的推动力将药物粒子推向人体深处。经过一定次数的循环聚焦发射后，超声场焦域宽度范围内的药物有足够多的量被推到病灶处。此时改变换能器阵列的发射序列，移动到旁边的空间位置进行同样的循环聚焦发射，将同样宽度范围内的药物推到病灶处。经过若干次发射空间位置的移动，实现覆盖整个靶区的药物推送。

由于换能器阵列的每个基元都有一定的宽度，在声波发射时存在不同角度上声场强度不同的固有特性。在换能器阵列进行聚焦发射，尤其是焦点距离阵列很近的时候，阵列边缘的某些阵元所发射的声场对形成良好的焦点并没有帮助，反而会造成很强的近场混乱效应而影响声场的聚焦特性。此时需要根据焦点的位置控制阵元的发射状态，只打开一部分阵元进行发射，即为变孔径控制方式。

本发明采用的动态孔径的方法进行超声聚焦，其在近场区应使用较小的阵元孔径，减少发射的阵元数目；而在远场区域可以使用较大的孔径，增大发射的阵元数目。动态孔径技术开启的有效孔径数随探测深度增加而逐渐增多，直至全部打开。在整个给药区域，动态孔径技术可以使声场的波束形状保持较好的形态。

其次，本发明根据在不同位置聚焦时所产生焦域的长度(对应皮肤下的深度方向)和宽度(对应平行皮肤表面的方向)来确定每次循环中聚焦点的个数以及声束每次移动的距离。在深度方向，每次变化聚焦点位置，以相邻两个焦域的长度方向相接为准；在平行方向，每次移动声束的距离，以相邻两个焦域的宽度方向相接为准。

附图说明

图1是超声循环聚焦发射的透皮给药原理示意图。

图2是超声循环聚焦发射的透皮给药流程图。

图3是超声循环聚焦发射示意图。

图4是超声循环聚焦发射声场效果图，其中(a)为位置1处超声波束聚焦给药示意图，(b)为位置2处超声波束聚焦给药示意图，(c)为位置3处超声波束聚焦给药示意图。位置1-3的深度依次增加。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，超声换能器阵列与皮肤表面的药物池紧贴。换能器阵列呈线形形式，共N个阵元，每个阵元宽度为L，相邻阵元之间间隔为dL，由超声主机控制超声波的发射，发射的时候通过驱动信号相位不同实现焦点移动，从浅到深移动发射焦点，形成持续向下的推动力，推动药物粒子到达靶区。

如图2所示，首先由操作者根据实现对病灶部位的医学影像观察设置给药发射参数，随后由超声主机自动计算焦点个数、位置，声束条数、位置，自动计算每个焦点对应发射孔径。系统在深度方向自动进行循环聚焦发射，在水平方向自动逐条移动给药发射声束，直至覆盖全部靶区，完成给药。

如图3，换能器阵列透皮给药，在t₁时间，换能器阵列焦点在位置d₁，在t₂时间，换能器阵列焦点在位置d₂，在t_n时间，换能器阵列焦点到达d_n病灶位置。当超声聚焦焦点到达病灶，在下一时刻t_n+1，换能器焦点回到d₁位置，在t_n+2时，换能器焦点在d₂位置，进行再一次循环，在t_n+n时，换能器焦点再次到达病灶位置。如此重复上述循环，随着超声聚焦焦点的移动，形成高效的给药通道。

针对不同的焦点位置，采用动态孔径技术。根据不同的焦点深度，开不同的阵元个数。在近场时，只有部分位于中心的阵元开通，发射超声信号，其他阵元处于关闭状态，随着深度的增加，越来越多的通道开启，发射孔径逐渐增大，直到所有阵元都开启。也可根据实际应用中不同的需求，开启需要的阵元。一般而言，定义换能器阵元的有效发射角度θ为随着角度增大，换能器阵元产生的声压下降到最大值的一半即-6dB处的角度，根据超声方程的贝塞尔解可得：

其中λ为传播介质中的声波波长，L为换能器阵元的宽度。凡换能器阵元中心点与焦点之间的连线，其与换能器法线方向的夹角，小于-6dB半开角的，该阵元均属于可以开启的，以此来确定动态孔径的大小。

另一方面，不同条件下，焦点的纵向长度和横向宽度也不同，焦点纵向长度公式：

其中，c为传播介质中的声速，f_c为中心频率，D为焦点到换能器的距离，A为所有开启的阵元对应的总长度。

焦点横向宽度公式：

其中λ为声波波长，BW为-6dB频响带宽。

本发明根据不同焦点的纵向长度，形成的不同的焦点中，相邻的焦点纵向长度之间相连，这样更利于药物的透皮。其次本发明根据焦点的横向宽度来确定换能器阵列给药时候每次横向移动的距离。

如图4，超声循环聚焦发射声场效果图，颜色越深，表明声场的绝对推动力越大。图4(a)到图4(b)到图4(c)，焦点纵向深度依次加深。所示箭头为声场中质点移动方向，焦点处的质点移动方向向下，具有更好地向深处推动药物粒子的能力，焦点周围的质点移动方向偏向焦点处，向深处推动药物粒子移动的能力相对较弱。相比单个聚焦点的声场，循环聚焦发射得到的声场，在深度方向形成了一个持续正向下的推动力，可以更有效将药物推动到病灶位置。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种超声循环聚焦发射的透皮给药装置，其特征在于，包括超声换能器阵列和超声主机，所述超声换能器阵列可将电信号转换为声信号，并依据不同的信号波形、幅度、相位，发射出不同的超声场，所述超声主机用于驱动超声换能器阵列完成透皮给药所需的发射，实现超声循环聚焦发射，形成一个从浅到深的超声聚焦通道,超声主机通过改变驱动信号的相位，使超声场的聚焦位置从皮下浅处逐步向深处延伸，完成一次从浅到深的连续聚焦发射后，再次回到浅处开始逐个位置连续聚焦发射，依次循环形成一个连续的推动力将药物粒子推向人体深处；所述超声换能器阵列紧贴皮肤表面的药物池，换能器阵列呈线形形式，共N个阵元，每个阵元宽度为L，相邻阵元之间间隔为dL，发射的时候通过驱动信号相位不同实现移动焦点。

2.根据权利要求1所述的超声循环聚焦发射的透皮给药装置，其特征在于，所述超声主机驱动超声换能器阵列发射包括深度方向自动进行循环聚焦发射和水平方向自动逐条移动给药发射声束；经过一定次数的循环聚焦发射后，超声主机改变换能器阵列的发射序列，移动到旁边的空间位置进行同样的循环聚焦发射，经过若干次发射空间位置的移动，实现覆盖整个靶区的药物推送。

3.根据权利要求2所述的超声循环聚焦发射的透皮给药装置，其特征在于，在循坏聚焦发射中，根据不同的焦点深度，开不同的阵元个数，在近场区使用较小的阵元孔径，减少发射的阵元数目，在远场区域使用较大的孔径，增大发射的阵元数目；开启的有效孔径数随探测深度增加而逐渐增多，直至全部打开。

4.根据权利要求2所述的超声循环聚焦发射的透皮给药装置，其特征在于，以换能器阵元产生的声压下降到最大值的一半，即-6dB处的角度为准，若换能器阵元中心点与焦点之间的连线与换能器法线方向的夹角，小于-6dB半开角的，该阵元均属于可开启的，半开角的计算公式为：

其中λ为传播介质中的声波波长，L为换能器阵元的宽度。

5.根据权利要求2所述的超声循环聚焦发射的透皮给药装置，其特征在于，根据焦点的纵向长度，使相邻的焦点纵向长度之间相连，焦点纵向长度公式为：

其中，c为传播介质中的声速，f_c为中心频率，D为焦点到换能器的距离，A为所有开启的阵元对应的总长度。

6.根据权利要求书2所述的超声循环聚焦发射的透皮给药装置，其特征在于，根据焦点的横向宽度，使每次移动声束后相邻的声束横向之间相连，焦点横向宽度公式：

其中λ为传播介质中的声波波长，BW为-6dB频响带宽。

7.根据权利要求2所述的超声循环聚焦发射的透皮给药装置，其特征在于，先根据对病灶部位的医学影像的观察设置给药发射参数，随后由超声主机自动计算焦点个数、位置，声束条数、位置，自动计算每个焦点对应发射孔径，再然后系统在深度方向自动进行循环聚焦发射，在水平方向自动逐条移动给药发射声束，直至覆盖全部靶区，完成给药。

Images