CN1190027A - 一种新型超声波透热方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种采用多阵元非共面旋转聚焦方式的超声波透热方法及根据该方法设计的装置。它利用按不同的经度和不同的纬度分布在同一个球冠面上的多个压电振子,通过驱动机构使其绕球冠的旋转对称轴转动,所有的超声波束聚焦于球心处,每条声束旋转后扫描形成的辐射锥面互不重合,在透热治疗过程中极大地减少了人体皮肤与正常组织单位体积的热吸收量,避免因过热造成表皮灼伤、组织变性等伤害。

Description

一种新型超声波透热方法及装置

本发明涉及一种超声波透热治疗方法及根据该方法设计的超声波透热治疗装置。

大量实验研究及临床治疗证明，升温治癌方法(即热疗)是治疗癌症的一种有效手段。由于人体组织对超声波能量有比较大的吸收本领，因此，使用超声波在人体中传播，可使组织温度升高。根据该原理发展的超声波透热治疗技术目前已成为局部升温治癌领域的一项成功应用。

普通升温治癌方法必须使癌变组织升温至43±1℃以上，且加热时间一般在30min以上。由于采用体外超声波透热治疗深部肿瘤时，超声波首先经过人体表层组织，皮肤及皮下脂肪因散热能力较弱而升温较快，而肿瘤周围的正常组织耐热极限一般也不超过45℃，因此，如果不采取适当的冷却措施，将有可能出现皮肤灼痛、脂肪硬结、正常组织过热坏死等不良后果。由此聚焦超声技术应运而生，成为该领域的一个重要的发展方向。

对超声束采用聚焦措施有两个好处：其一是焦区范围内超声能量密度高，人体组织吸收热量多，温升快；其二是由于超声波束从不同方向入射，导致能量分散，因此穿过人体表浅层时不会使表浅部组织温升过高。目前比较常用的聚焦方式为多元布阵静态聚焦，即采用多个平面超声波压电振子分布于同一个球面上，超声波束从不同角度会聚于球心。如美国Stanford大学与惠普公司共同研制的聚焦加热系统，将6个超声振元沿同一纬度间隔均匀地固定于一个半球面上，该系统可对人体内6～12cm深部的病灶组织进行热疗。

为进一步抑制皮肤及皮下脂肪升温较快的现象，许多聚焦超声波透热装置设有循环水冷却系统，即在声头与治疗部位之间加有一个水囊，内部注满循环除气冷却水。水的作用有二：一是作为传声媒质将各超声振元发射的超声波耦合到人体；二是冷却振子与人体表浅层，以抑止温升。如专利号为US5485839的美国专利“Method and Apparatus forUltrasonic Wave Medical Treatment Using Computed Tomography”就设汁有上述循环水冷却系统。

采用多元布阵聚焦超声技术虽然可以分散能量，降低人体表浅组织和病灶周围正常组织单位体积的热吸收量，但由于治疗时间较长，现有的静态聚焦方式使得每条超声束经过的人体正常组织处于长时间连续加热状态，因此，即使附加有循环水冷却系统也不足以确保这些正常组织不受损伤。

本发明的目的是进一步减小超声波在人体表浅层的能量分布密度，大幅度降低人体表浅组织和肿瘤周围正常组织单位体积的热吸收量。

为达到上述目的，本发明提供如下方法：

一种超声波透热方法，采用多阵元聚焦方式，将多个压电振子(3)固定于同一个球冠体(2)，所有压电振子(3)产生的超声波束聚焦于球冠体(2)的球心；上述压电振子(3)均按不同的经度和不同的纬度分布于所述球冠体(2)的表面，并在驱动机构(5)的驱动下绕所述球冠体(2)的旋转对称轴转动。

根据上述方法，本发明提供如下装置：

一种根据上述方法设计的超声波透热装置，它主要由机壳(1)、球冠体(2)、压电振子(3)、水囊(4)、超声波发生器(14)和电源(16)等组成。压电振子(3)固定于球冠体(2)上，所有压电振子(3)产生的超声波束聚焦于球冠体(2)的球心；每个压电振子(3)在球冠体(2)的表面上具有不同的经度和不同的纬度；该装置还有用于驱动球冠体(2)做旋转运动的电机(5)，用于支撑球冠体(2)的轴承(6)，以及用于连接球冠体(2)与电机(5)的传动机构；轴承(6)固定于机壳(1)上。

采用上述超声波透热装置后，一方面通过精确定位，可使病灶区与超声波束聚焦区重合，由于焦区能量密度较高，因此病灶组织温升较快，并能保持较高的治疗温度；另一方面，由于每个压电振子在球冠面上具有不同的经度和不同的纬度，因此每个压电振子发出的超声波束在旋转扫描后形成的辐射锥面互不重合(即所谓非共面)，使得超声波能量在人体表浅层的分布进一步分散，而且从局部来看，超声波束扫描覆盖的人体组织只受到间断性的瞬间照射，由此极大程度地降低了人体表浅组织和肿瘤周围正常组织单位时间内单位体积的热吸收量，加上循环水冷却系统的散热作用，使得这些组织的温度在治疗过程中不会超过耐热极限值，从而可以避免出现皮肤灼痛、脂肪硬结、正常组织过热坏死等不良后果。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是实施例一、二中压电振子在球冠面上的分布示意图；

图2是实施例一、二中超声波束旋转聚焦的示意图；

图3是实施例一的结构示意图；

图4是实施例二的结构示意图。

实施例一、二均按照本发明提出的方法，6个压电振子3均按不同的经度和不同的纬度分布于球冠体2的表面，如图1所示，经度间隔为60°，具体经度值依次为0°、60°、120°、180°、240°、360°；纬度间隔为10°，具体纬度值依次为20°、30°、40°、50°、60°、70°。上述压电振子3产生的6条超声波束在绕球冠体2的旋转对称轴转动的同时，会聚于球冠体2的球心，如图2所示。

实施例一：

该装置主要由机壳1、球冠体2、压电振子3、水囊4、超声波发生器14和电源16等组成，机壳1套在球冠体2之外，水囊4由富有弹性的乳胶薄膜封闭机壳1后注入除气水而成；水囊4有一个进水口17和一个出水口18，它们与循环水冷却系统连接；6个压电振子3固定于球冠体2上，每个压电振子3在球冠体2的表面上的经度和纬度坐标如上所述，上述压电振子3产生的6条超声波束聚焦于球冠体2的球心；该装置还有用于驱动球冠体2做旋转运动的电机5，用于支撑球冠体2的轴承6，以及用于连接球冠体2与电机5的传动机构；轴承6固定于机壳1上。

上述传动机构为两个啮合轮7、8，一只7固定在球冠体2的支撑轴9上，另一只8固定在电机轴10上；支撑轴9内固定有一个导管12，导管12有一段延伸至机壳1外；导管12延伸段的外表面固定有6个电极环13，每个压电振子3的引线11穿过导管12分别与相应的电极环13连接，每个电极环13再分别与超声波发生器14的输出极以电刷15连接；超声波发生器14通过导线与电源16连接。

实施例二：

该装置主要由机壳1、球冠体2、压电振子3、水囊4、超声波发生器14和电源16等组成，机壳1套在球冠体2之外，水囊4由富有弹性的乳胶薄膜封闭机壳1后注入除气水而成；水囊4有一个进水口17和一个出水口18，它们与循环水冷却系统连接；6个压电振子3固定于球冠体2上，每个压电振子3在球冠体2的表面上的经度和纬度坐标与实施例一相同，上述压电振子3产生的6条超声波束聚焦于球冠体2的球心；该装置还有用于驱动球冠体2做旋转运动的电机5，用于支撑球冠体2的轴承6，以及用于连接球冠体2与电机5的传动机构；轴承6固定于机壳1上。

上述传动机构为两个啮合轮7、8，一只7固定在球冠体2的支撑轴9上，另一只8固定在电机轴10上；支撑轴9内固定有一个导管12，导管12有一段延伸至机壳1外；每个压电振子3的引线11穿过导管12分别与超声波发生器14的相应输出极连接；超声波发生器14通过导线与电源16连接。

电机5按一定的转动圈数正、反向来回转动，使得球冠体2及压电振子3按180°弧正、反方向来回转动。

事实上实施例一也可采用这种通过控制电机5的转动方向和转动圈数，使球冠体2及压电振子3按一定的弧度正、反方向来回转动的旋转方式。

Claims (5)

1.一种超声波透热方法，采用多阵元聚焦方式，将多个压电振子(3)固定于同一个球冠体(2)的表面，所有压电振子(3)产生的超声波束聚焦于球冠体(2)的球心，其特征在于：所述压电振子(3)均按不同的经度和不同的纬度分布于所述球冠面(2)，并在驱动机构(5)的驱动下绕所述球冠的旋转对称轴转动。

2.一种根据权利要求1所述方法设计的超声波透热装置，它主要由机壳(1)、球冠体(2)、压电振子(3)、水囊(4)、超声波发生器(14)和电源(16)等组成，压电振子(3)固定于球冠体(2)上，所有压电振子(3)产生的超声波束聚焦于球冠体(2)的球心，其特征在于：每个压电振子(3)在球冠面上具有不同的经度和不同的纬度；该装置还有用于驱动球冠体(2)做旋转运动的电机(5)，用于支撑球冠体(2)的轴承(6)，以及用于连接球冠体(2)与电机(5)的传动机构；轴承(6)固定于机壳(1)上。

3.根据权利要求2所述的超声波透热装置，其特征在于：所述传动机构为两个啮合轮(7)、(8)，一只(7)固定在球冠体(2)的支撑轴(9)上，另一只(8)固定在电机轴(10)上。

4.根据权利要求3所述的超声波透热装置，其特征在于：导管(12)固定于支撑轴(9)内，并有一段延伸至机壳(1)外；导管(12)延伸段的外表面固定有多个电极环(13)，每个压电振子(3)的引线(11)穿入导管(12)分别与相应的电极环(13)连接，每个电极环(13)分别与超声波发生器(14)的输出极以电刷(15)连接。

5.根据权利要求2或3或4所述的超声波透热装置，其特征在于：电机(5)按一定的转动圈数正、反向来回旋转，使得球冠体(2)及压电振子(3)按相应的弧度和相应的正、反方向来回旋转。

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