CN115591137A - 一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置，包括主机、探头、定位器，所述主机与探头电连接，探头与定位器可拆卸连接；所述探头包括探头本体、单阵元探头，所述单阵元探头设置在探头本体的下端与探头本体连接，所述单阵元探头与主机通过同轴电缆电连接，单阵元探头与定位器可拆卸连接。本发明可无创对肝脏进行再生治疗，通过聚焦脉冲适应肝脏的特点来提高肝脏的再生速度，提高了焦区的准确性，大范围覆盖，疗效显著。

Description

一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置
技术领域
本发明涉及超声波医疗技术领域，具体涉及一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置。
背景技术
原发性肝癌是临床上常见的恶性肿瘤之一，全球发病率居第六位，病死率居第三位，且肝癌的发病率呈持续上升趋势。手术切除是肝癌的根治性治疗措施之一。但是较大范围的肝脏切除，患者可能因剩余肝脏体积过少而出现术后肝功能衰竭(PHLF，posthepatectomy liver failure)。目前认为剩余肝脏体积/标准肝脏体积<25％，40％(正常肝脏，肝硬化肝脏)，剩余肝脏体积/体重<0.5％，0.8％(正常肝脏，肝硬化肝脏)则术后肝功能衰竭风险性大，足够的剩余肝组织是必需的。促进剩余肝脏再生可以减少术后肝功能衰竭，提高可切除率。
为了提高剩余肝脏体积，加速剩余肝脏体积增生，门静脉分支栓塞术(PVE，portalvein embolism)、门静脉结扎术(PVL，portal vein ligation)、联合肝脏离断和门静脉结扎的二步肝切除术(ALPPS，associating liver partition and portal vein ligationfor staged hepatectomy)相继提出。
门静脉结扎术(PVL)是通过对患侧门静脉进行结扎，阻断门静脉供血，而使得对侧肝脏代偿性增生；但由于技术手术难度大，对解剖要求高，并发症较多等原因，并未得到广泛的推广。
门静脉分支栓塞术(PVE)是由日本学者Makuuchi提出的通过介入的方式阻断一侧门静脉血供，可在术前诱导健侧剩余肝脏增生；相对于PVL，PVE的手术难度小，并发症少，在临床得到广泛应用，然而其增生速率较慢(4-8周)，等待时间较长，可能使得肿瘤侵袭性生长。
联合肝脏离断和门静脉结扎的二步肝切除术(ALPPS)是在PVL的基础上劈裂肝脏，进一步阻断患肝和剩余肝脏的血供，患侧肝脏只保留肝动脉供血，一定程度上保有肝脏功能，避免于因剩余肝脏过小而发生PHLF；虽然该手术使得剩余肝脏能在短时间内(7-14天)内快速的增生，但其却有术后并发症发生率高、死亡率上升、住院时间长、费用昂贵等缺点。
现有技术中，目前临床应用的PVE、PVL、ALPPS均可在一定程度上促进残余肝脏体积再生，但均为有创操作且手术难度较大，因此寻找到一种无创或微创的手段代替方法有重要临床意义和现实需求。
发明人的研究和实验表明，脉冲聚焦超声对促进肝脏再生具有良好的效果，并且具有无电磁辐射、疗效显著、大范围覆盖、无痛苦等治疗特点。根据发明人的调研，在人体肝脏部位作为市场上暂时没有相应的促进再生的超声治疗设备，虽然现有技术中存在利用超声作为髋部、腕部等人体部位的安全治疗手段，但人体肝脏的再生机理与人体其它部位的促进愈合由着显著的区别。由于肝脏本身的再生能力较强、再生速度较快，而且肝脏是位于人体腹部的最大脏器，上方可以直接通过腹部进行超声辐射，所以需要脉冲聚焦超声以适应肝脏的特点。传统的非聚焦超声难以形成较深的聚焦区域，同时不能覆盖较大的治疗范围，极大的影响焦区的准确性和治疗效果。
发明内容
本发明旨在提供一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置，可无创对肝脏进行再生治疗，通过聚焦脉冲适应肝脏的特点来提高肝脏的再生速度，提高了焦区的准确性，大范围覆盖，疗效显著。
为达到上述目的，本发明提供的上述一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置，包括主机、探头、定位器，所述主机与探头电连接，探头与定位器可拆卸连接；
所述探头包括探头本体、单阵元探头，所述单阵元探头设置在探头本体的下端与探头本体连接，所述单阵元探头与主机通过同轴电缆电连接，单阵元探头与定位器可拆卸连接。
优选的，所述主机包括主机本体、交互界面、图形图像处理器、控制信息处理器、高压脉冲电路，所述交互界面设置在主机本体表面，所述图形图像处理器、控制信息处理器、高压脉冲电路设置在主机本体内，图形图像处理器、控制信息处理器、高压脉冲电路均与交互界面电连接，图形图像处理器与控制信息处理器电连接，控制信息处理器与高压脉冲电路电连接，所述高压脉冲电路与探头电连接。
优选的，所述单阵元探头包括超声晶元体、封装组件、壳体，所述超声晶元体封装在封装组件内与封装组件形成超声晶元封装体，所述壳体包裹所述超声晶元封装体。
进一步地，所述封装组件包括声透层、匹配层、下电极层、压电层、上电极层、吸声层，所述声透层、匹配层、下电极层、压电层、上电极层、吸声层由下至上依次层叠连接，所述超声晶元体设置在压电层处，超声晶元体分别与下电极层、上电极层连接。
进一步地，所述超声晶元体为一个或者多个晶片组成的柱状晶体或块状晶体。
进一步地，所述单阵元探头至少有一个，多个单阵元探头在探头本体的下端面上阵列分布形成超声探头阵列。
优选的，所述定位器包括固定卡槽、固定组件，所述固定组件设置在固定卡槽相互平行的两侧，两侧的固定组件相互之间可拆卸连接并与固定卡槽连接形成环形结构，探头安装在固定卡槽上与固定卡槽可拆卸连接。
进一步地，所述固定卡槽上开设有槽孔，探头的单阵元探头安装在槽孔内。
进一步地，所述槽孔的个数与单阵元探头的个数对应，每个槽孔的孔径与每个单阵元探头的孔径相适配，每个槽孔的深度与每个单阵元探头的高度对应。
进一步地，所述固定组件为带状的柔软消毒纺织物。
相比现有的技术，本发明具有以下技术效果：
1、本发明可无创对肝脏进行再生治疗；
2、本发明通过聚焦脉冲适应肝脏的特点来提高肝脏的再生速度；
3、本发明提高了焦区的准确性，大范围覆盖，疗效显著。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为实施例的电气结构框体；
图2为实施例的探头纵向剖面结构示意图；
图3为实施例的单阵元探头纵向剖面结构示意图；
图4为实施例的定位器结构示意图；
图5为实施例的延时计算方案示意图；
图标：1-探头、2-探头本体、3-单阵元探头、301-声透层、302-匹配层、303-下电极层、304-上电极层、305-压电层、306-吸声层、307-壳体、308-同轴电缆、4-固定卡槽、401-槽孔、5-固定组件。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例
一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置，包括主机、探头1、定位器，所述主机与探头1电连接，探头1与定位器可拆卸连接；
探头1包括探头本体2、单阵元探头3，所述单阵元探头3设置在探头本体2的下端与探头本体2连接，所述单阵元探头3与主机通过同轴电缆308电连接，单阵元探头3与定位器可拆卸连接。
主机包括主机本体、交互界面、图形图像处理器、控制信息处理器、高压脉冲电路，所述交互界面设置在主机本体表面，所述图形图像处理器、控制信息处理器、高压脉冲电路设置在主机本体内，图形图像处理器、控制信息处理器、高压脉冲电路均与交互界面电连接，图形图像处理器与控制信息处理器电连接，控制信息处理器与高压脉冲电路电连接，所述高压脉冲电路与探头1电连接。
主机用于控制治疗全过程，根据设置参数产生高电压的脉冲驱动信号驱动探头，发射低强度的脉冲聚焦超声。
单阵元探头3包括超声晶元体、封装组件、壳体307，所述超声晶元体封装在封装组件内与封装组件形成超声晶元封装体，所述壳体307包裹所述超声晶元封装体；封装组件包括声透层301、匹配层302、下电极层303、上电极层304、吸声层306，所述声透层301、匹配层302、下电极层303、压电层305、上电极层304、吸声层306由下至上依次层叠连接，所述超声晶元体设置在压电层305处，超声晶元体分别与下电极层303、上电极层304连接，声透层301和匹配层302使得产生的超声信号无损地进行前向传播，下电极层303与上电极层304用于激励压电层305处设置的超声晶元体并传播电信号，吸声层306采用吸声材料，主要用于吸收背向超声；超声晶元体为一个或者多个晶片组成的柱状晶体或块状晶体；单阵元探头3至少有一个，多个单阵元探头3在探头本体2的下端面上阵列分布形成超声探头阵列；单阵元探头3的超声晶元封装体的尺寸约为0.2cm-2.0cm，加上壳体307后的整体尺寸约为0.3cm-3cm，单阵元探头3的频率为0.8MHz-2.0MHz，单阵元探头3的个数在1-128个范围内，根据治疗场景来具体确定单阵元探头3的个数，整个阵列声场的聚焦焦斑面积精确到1cm*1cm。
定位器包括固定卡槽4、固定组件5，所述固定组件5设置在固定卡槽4相互平行的两侧，两侧的固定组件5相互之间可拆卸连接并与固定卡槽4连接形成环形结构，探头1安装在固定卡槽4上与固定卡槽4可拆卸连接；固定卡槽4上开设有槽孔401，探头1的单阵元探头3安装在槽孔401内；槽孔401的个数与单阵元探头3的个数对应，每个槽孔401的孔径与每个单阵元探头3的孔径相适配，每个槽孔401的深度与每个单阵元探头3的高度对应，槽孔401的相对空间位置和曲率依据人体腹部表面情况进行设计；固定组件5为带状的柔软消毒纺织物，固定卡槽4由消毒的医用塑质材料组成，其中，固定卡槽4为阵列卡槽，可以同时固定多个换能器形成换能器阵列；阵列卡槽可以为一维模式或二维模式，一维模式包括一维线阵模式和一维凹阵模式，二维模式包括二维面阵模式和二维凹阵模式，通过选择已知阵列卡槽的类型，确定各单阵元探头3在空间的位置关系，再通过设定的聚焦深度，可以计算出各单阵元探头3对应的延时，从而达到精准的聚焦治疗效果。
在本实施例中，使用该脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置时，通过固定组件5将定位器固定于人体腹部表面，使用消菌超声耦合剂涂抹于探头1的工作表面，将选择好型号的探头1安装在定位器的固定卡槽4上，与人体肝脏上方的腹部皮肤直接接触。
主机中的图形图像处理器采用Qualcomm公司的骁龙820型号(MSM8996)运行图形界面处理软件。交互界面所对应的人机交互接口为10.1寸触摸屏、10.1寸显示屏、鼠标。用户在交互界面上通过操作相应的参数控制按钮确定所需输入的超声参数，骁龙处理器最终将交互界面上选定的治疗参数综合信息发送到控制信息处理器。
图形界面选择参数包括超声发射频率、超声发射脉冲重复周期、占空比、照射时间、固定装置类型等。声强的可调节范围为0-2000mW/cm2，中心频率为0.8MHz、1.0MHz、1.2MHz、1.5MHz、1.8MHz、2.0MHz，可选脉冲重复频率为500Hz-5000Hz可选，占空比为0-50％可选，照射时间为0-10000s可选，定位器的固定卡槽为1*128、2*64、4*32、8*16阵列类型可选。
主机中的控制信息处理器采用Intel公司的Cyclone 10型号的FPGA处理器，图形图像处理器和控制信息处理器之间采用SPI串行接口进行数据和命令传输，FPGA根据发送下来的参数生成所需治疗波形和各个通道的延时参数。超声发射频率、周期、脉冲重复周期、占空比等参数由FPGA内部的锁相环控制产生，生成低电压的脉冲波形后经过延时传送到高压脉冲电路产生高压信号。定位器的固定卡槽的阵列类型和聚焦深度参数决定各个通道的延时参数，延时精度由内部锁相环控制产生，采用200MHz的数字时钟，延时精度达5ns。
FPGA处理器通过GPIO接口实时检测探头连接接口电平，判断探头1的单阵元探头3是否位于定位器的固定卡槽的阵列中以确定是否发射对应的延时和波形。若单阵元探头3位于定位器的固定卡槽阵列中，则选择发射；若单阵元探头3没有位于定位器的固定卡槽阵列中，则选择不发射以节省电能，同时也起到防止电击的保护作用。
单阵元探头3通过同轴电缆与主机进行连接，单阵元探头3采用直径为0.8cm、高度为1cm的柱形压电陶瓷晶元，单阵元探头3之间的间距1cm，如图3所示，单阵元探头3包括超声晶元体、封装组件、壳体307，所述超声晶元体封装在封装组件内与封装组件形成超声晶元封装体，壳体307包裹所述超声晶元封装体，封装组件包括声透层301、匹配层302、下电极层303、压电层305、上电极层304、吸声层306，所述声透层301、匹配层302、下电极层303、压电层305、上电极层304、吸声层306由下至上依次层叠连接，所述超声晶元体设置在压电层305处，超声晶元体分别与下电极层303、上电极层304连接。
在本实施例中，单阵元探头3选择的发射频率为1.0MHz中心频率，占空比为50％。
在本实施例中，由于肝脏为人体较大的内脏器官，需要较大的覆盖区域，超声探头阵列排列成8x16形式，形成共128个单阵元探头的阵列，可以覆盖128cm2的区域，可以同时治疗多个肝区。
在本实施例中，超声聚焦的深度为4cm-20cm，每8个探头可以组成一组阵列，最多可形成的焦点个数为16个。探头焦点深度和个数根据不同的治疗方案进行调节。
在本实施例中，一个焦点P的延时计算方案如图5所示，根据阵列的类型可以计算出延时曲线。在位于三维空间的焦点P处，其到任意阵元E处的延时计算方法采用空间几何距离计算，Delay为延时值，i,j,k分别代表X、Y、Z轴的索引值，Pi、Pj、Pk分别表示焦点P处的X、Y、Z坐标值，Ei、Ej、Ek分别表示阵元E处的X、Y、Z坐标值，c为超声在人体内的传播速度，约为1540m/s。
Figure BDA0003156438100000091
在本实施例中，固定卡槽主要用于安装超声探头阵列，各个单阵元探头3可以直接固定于对应位置的槽孔401中，单阵元探头3的匹配层302朝下，声透层301与人体腹部直接接触，接触时可以涂抹消菌耦合剂进行超声波的耦合。固定组件5设置在固定卡槽4相互平行的两侧，两侧的固定组件5相互之间可拆卸连接并与固定卡槽4连接形成环形结构，或者固定组件5的自由端固定于其它非移动区域以达到稳固作用。
在本实施例中，固定卡槽4选用8x16阵列，每个槽孔401的直径为0.8cm、深度为1cm的形态，各槽孔401之间的间距为1cm，固定卡槽材质为硬质医用塑料。
在本实施例中，固定组件5为抗菌医用棉、涤纶纺织物组成的医用可拉伸绷带，具有一定的拉伸性，既可以两边单独固定也可以通过卡扣实现环绕人体腹部的组合固定或是两端打结固定。根据治疗者的体型不同可以制作不同宽度、长度的固定组件5。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置，其特征在于：包括主机、探头(1)、定位器，所述主机与探头(1)电连接，探头(1)与定位器可拆卸连接；
所述探头(1)包括探头本体(2)、单阵元探头(3)，所述单阵元探头(3)设置在探头本体(2)的下端与探头本体(2)连接，所述单阵元探头(3)与主机通过同轴电缆(308)电连接，单阵元探头(3)与定位器可拆卸连接。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置，其特征在于：所述主机包括主机本体、交互界面、图形图像处理器、控制信息处理器、高压脉冲电路，所述交互界面设置在主机本体表面，所述图形图像处理器、控制信息处理器、高压脉冲电路设置在主机本体内，图形图像处理器、控制信息处理器、高压脉冲电路均与交互界面电连接，图形图像处理器与控制信息处理器电连接，控制信息处理器与高压脉冲电路电连接，所述高压脉冲电路与探头(1)电连接。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置，其特征在于：所述单阵元探头(3)包括超声晶元体、封装组件、壳体(307)，所述超声晶元体封装在封装组件内与封装组件形成超声晶元封装体，所述壳体(307)包裹所述超声晶元封装体。
4.根据权利要求3所述的一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置，其特征在于：所述封装组件包括声透层(301)、匹配层(302)、下电极层(303)、压电层(305)、上电极层(304)、吸声层(306)，所述声透层(301)、匹配层(302)、下电极层(303)、压电层(305)、上电极层(304)、吸声层(306)由下至上依次层叠连接，所述超声晶元体设置在压电层(305)处，超声晶元体分别与下电极层(303)、上电极层(304)连接。
5.根据权利要求3或4所述的一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置，其特征在于：所述超声晶元体为一个或者多个晶片组成的柱状晶体或块状晶体。
6.根据权利要求1或3所述的一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置，其特征在于：所述单阵元探头(3)至少有一个，多个单阵元探头(3)在探头本体(2)的下端面上阵列分布形成超声探头阵列。
7.根据权利要求1所述的一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置，其特征在于：所述定位器包括固定卡槽(4)、固定组件(5)，所述固定组件(5)设置在固定卡槽(4)相互平行的两侧，两侧的固定组件(5)相互之间可拆卸连接并与固定卡槽(4)连接形成环形结构，探头(1)安装在固定卡槽(4)上与固定卡槽(4)可拆卸连接。
8.根据权利要求7所述的一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置，其特征在于：所述固定卡槽(4)上开设有槽孔(401)，探头(1)的单阵元探头(3)安装在槽孔(401)内。
9.根据权利要求8所述的一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置，其特征在于：所述槽孔(401)的个数与单阵元探头(3)的个数对应，每个槽孔(401)的孔径与每个单阵元探头(3)的孔径相适配，每个槽孔(401)的深度与每个单阵元探头(3)的高度对应。
10.根据权利要求7所述的一种脉冲聚焦超声肝脏再生治疗装置，其特征在于：所述固定组件(5)为带状的柔软消毒纺织物。
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