CN112023244A - 超声多点聚焦发射的透皮给药装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声多聚焦发射的透皮给药装置及控制方法，所述给药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通过相位调制实现；所述控制方法包括自动进行多点聚焦发射和自动逐条移动给药发射声束，采用多点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，可以更好地进行药物地渗透。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声多点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。
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等。
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多点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多点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用于将电信号转换为声信号，并且其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超声波的发射，实现超声多点聚焦发射，形成一个从浅到深的超声聚焦通道。
进一步的，操作者通过人机交互接口向超声主机下达操作命令，由其产生控制信号并驱动超声换能器阵列发射向病灶区域给药所需的超声波。
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不同焦点。
另一方面，本发明还提供了一种超声多点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多点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，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，形成一个连续的推动力将药物粒子推向人体深处；然后在经过一定时间的多点聚焦发射后，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多点聚焦发射，这样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，在多点聚焦发射中，根据焦点的位置控制阵元的发射状态，在不同的焦点位置控制所需要打开的阵元位置和个数。
进一步的，在近场区使用较小的阵元孔径，用最中间的换能器阵元进行发射；而在远场区域，使用靠近两边的换能器阵元进行发射，开启的阵元距离换能器阵列中心位置随探测深度增加而逐渐增大。
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，换能器阵元的指向特性为：
其中k为波数，考虑到声波在组织中的衰减，
p＝p0*e-αx
其中p为考虑衰减后的声压，p0为不考虑衰减的声压，α为声波衰减系数，x为声波传播距离；α越大，声波随距离x的增大衰减越快；一般的生物组织的超声衰减系数与频率有如下关系：
α～fn
在1MHz～7MHz频率范围内n的值为1.07至1.14，即衰减系数与频率基本上成线性关系；每个阵元对焦点处声压的贡献为：
Pi＝D(θ)*p
每个焦点处对药物的声压是各阵元产生声压的叠加，即：
P＝sum(Pi)
为了使得每个焦点处声波对药物的推力大致相同，在动态孔径的范围内，使得每个焦点处的P值大致相同，以此来判断所开的阵元位置和个数。
上述控制方法整个流程为：先根据对病灶部位的医学的影像观察设置给药发射参数，设定焦点个数、位置，声束条数、位置，随后由超声主机自动计算每个焦点发射阵元位置和个数，再然后系统在深度方向自动进行多点聚焦发射，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动力，有利于其到达皮下较深的病灶处，且高效地将药物透入人体皮肤。
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，使得换能器阵列同时产生多个聚焦发射位置，从皮下浅处逐步向深处延伸。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，形成一个连续的推动力将药物粒子推向人体深处。经过一定的时间后，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多点聚焦发射，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，在不同的焦点位置控制所需要打开的阵元位置和个数，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，在近场区应使用较小的阵元孔径，用最中间的换能器阵元进行发射；而在远场区域，使用靠近两边的换能器阵元进行发射。开启的阵元距离换能器阵列中心位置随探测深度增加而逐渐增大。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，本发明设定纵向的焦点个数和位置，超声主机根据不同角度的声压值乘以随距离的衰减值，综合来确定由哪些阵元聚焦哪个焦点。再次，设定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。
附图说明
图1是超声多点聚焦发射的透皮给药原理示意图。
图2是超声多点聚焦发射的透皮给药流程图。
图3是超声多点聚焦发射示意图。
图4是超声多点聚焦发射声场效果图。
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多个焦点，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，设定计算焦点个数、位置，声束条数、位置，随后由超声主机自动计算每个焦点发射阵元位置和个数。系统在深度方向自动进行多点聚焦发射，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，超声多点聚焦发射示意图。所有的换能器阵元同时开启，n4到n5的阵元聚焦发射到位置d1处，n2到n3和n6到n7的阵元聚焦发射到位置d2处，1到n1和n8到N的阵元聚焦发射到dn病灶位置。换能器阵列形成一个多点聚焦的向下给药通道。
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，开不同的阵元位置。在近场时，位于中心的阵元发射超声信号进行聚焦。随着深度的增加，距离换能器阵列中心位置较远的通道进行聚焦发射，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。阵元的指向特性为：
其中k为波数，考虑到声波在组织中的衰减，
p＝p0*e-αx
其中p为考虑衰减后的声压，p0为不考虑衰减的声压，α为声波衰减系数，x为声波传播距离。α越大，声波随距离x的增大衰减越快。一般的生物组织的超声衰减系数与频率有如下关系：
α～fn
在1MHz～7MHz频率范围内n的值为1.07至1.14，即衰减系数与频率基本上成线性关系。每个阵元对焦点处声压的贡献为：
Pi＝D(θ)*p
每个焦点处声压是各阵元产生声压的叠加，即：
P＝sum(Pi)
为了使得每个焦点处声波对药物的推力大致相同，在动态孔径的范围内，使得每个焦点处的P值大致相同，以此来判断所开的阵元位置和个数。
本发明通过设定的焦点个数和横向宽度来确定换能器聚焦位置以及声束每次横向移动的距离。
如图4，超声多点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。所示箭头为声场中质点移动方向，焦点位于换能器阵列的中线上，焦点处质点移动方向向下，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，多点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 (8)
1.一种超声多点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用于将电信号转换为声信号，并且其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超声波的发射，实现超声多点聚焦发射，形成一个从浅到深的超声聚焦通道。
2.根据权利要求1所述的超声多点聚焦发射的透皮给药装置，其特征在于，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不同焦点。
3.一种超声多点聚焦发射的透皮给药装置的控制方法，其特征在于，包括深度方向自动进行多点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，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，形成一个连续的推动力将药物粒子推向人体深处；然后在经过一定时间的多点聚焦发射后，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多点聚焦发射，这样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。
4.根据权利要求3所述的超声多点聚焦发射的透皮给药装置的控制方法，其特征在于，在多点聚焦发射中，根据焦点的位置控制阵元的发射状态，在不同的焦点位置控制所需要打开的阵元位置和个数。
5.根据权利要求3所述的超声多点聚焦发射的透皮给药装置的控制方法，其特征在于，在近场区使用较小的阵元孔径，用最中间的换能器阵元进行发射；而在远场区域，使用靠近两边的换能器阵元进行发射，开启的阵元距离换能器阵列中心位置随探测深度增加而逐渐增大。
6.根据权利要求4或5所述的超声多点聚焦发射的透皮给药装置的控制方法，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。
7.根据权利要求6所述的超声多点聚焦发射的透皮给药装置的控制方法，其特征在于，换能器阵元的指向特性为：
其中k为波数，考虑到声波在组织中的衰减，
p＝p0*e-αx
其中p为考虑衰减后的声压，p0为不考虑衰减的声压，α为声波衰减系数，x为声波传播距离；α越大，声波随距离x的增大衰减越快；一般的生物组织的超声衰减系数与频率有如下关系：
α～fn
在1MHz～7MHz频率范围内n的值为1.07至1.14，即衰减系数与频率基本上成正比关系；每个阵元对焦点处声压的贡献为：
Pi＝D(θ)*p
每个焦点处对药物的声压是各阵元产生声压的叠加，即：
P＝sum(Pi)
为了使得每个焦点处声波对药物的推力大致相同，在动态孔径的范围内，使得每个焦点处的P值大致相同，以此来判断每个焦点对应需打开的阵元位置和个数。
8.根据权利要求3所述的超声多点聚焦发射的透皮给药装置的控制方法，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，并设定焦点个数、位置，声束条数、位置，随后由超声主机自动计算每个焦点发射阵元位置和个数，再然后系统在深度方向自动进行多点聚焦发射，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。
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