CN202223770U - 超声换能器的温度的监控装置 - Google Patents

超声换能器的温度的监控装置 Download PDF

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印向涛
费兴波
于晋生
姜克明
王宏图
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Beijing 3H Medical Technology Co Ltd
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Abstract

本实用新型提供一种超声换能器的温度的监控装置，属于医用超声治疗领域。其中，该超声换能器的温度的监控装置，包括：用于获取超声换能器的当前的工作温度的测量模块；用于比较所述当前的工作温度和设定的工作温度的处理模块；用于根据比较结果控制所述超声换能器的发射参数，以使所述超声换能器处于设定的工作温度的控制模块。本实用新型的技术方案能够增加超声换能器使用的安全性，提升超声治疗剂量的稳定性和一致性。

Description

超声换能器的温度的监控装置
技术领域
本实用新型涉及医用超声治疗领域，特别是指一种超声换能器的温度的监控装置。
背景技术
众所周知，超声波与人体组织相互作用可以产生若干生物组织效应。根据超声波的局部声强高低和声波发射方式，这些生物组织效应可以分为热效应和非热机械效应。组织热效应指细胞对超声波能量的吸收导致其升温至热坏死。组织非热机械效应指由于声空化、声流和局部小振幅振动导致的细胞活动增加进而使细胞形态产生改变、破裂、凋亡等现象。影响超声生物组织效应的物理因素包括声场聚焦形式、声波频率、声压幅度、连续或脉冲声发射方式(脉冲重复频率和占空比)、驻波条件、媒质静态压强、温度、黏滞状态和边界条件等因素。
近年来，超声波的生物组织效应在治疗超声领域日益受到广泛研究和应用。高强度超声治疗在肿瘤热消融、体外冲击波粉碎尿结石、药物输送、阻断神经传导等方面的应用都有新的进展。
在减肥和美容应用领域，超声波也显现其独特的优势，例如采用体外低频率超声波辅助微创吸脂手术可以增强局部脂肪破坏效率。单独采用体外发射高强度聚焦超声波破坏局部脂肪组织的方法和设备正在经历临床验证，并显现其疗效，其安全性也得到初步验证。此类治疗往往先选定需治疗区域，然后采用体外超声波换能器发射超声波聚焦于皮下脂肪层内，基于超声波的人体组织热效应或机械效应原理在当前焦斑区域破坏脂肪组织，并逐点移动换能器改变焦点位置覆盖所需的治疗区域。在合适的治疗区域和剂量条件下，超声波破碎的脂肪组织经由人体自体新陈代谢循环分解。
安全有效的治疗依赖于对超声换能器工作状态的可测性和可控性。但是，由于超声换能器压电材料本身特性的离散性，以及治疗时的使用参数往往不尽相同，使得超声换能器的工作状态各不相同，最终导致其使用寿命长短不同。由于超声换能器工作状态的不同，会造成治疗中的电声转换效率不同，部分电能量会转换为热能量，导致超声换能器压电材料各个部位温度升高情况不同。严重的压电材料温度升高会进而影响压电材料的工作状态，可能进一步降低压电材料的电声转换效率，产生更多的热量，甚至导致电极与压电材料的脱落和剥离、击穿压电材料，产生使用故障。而且，热传导还会导致介于压电材料和病人皮肤表面之间的耦合液体温度升高，若持续升温至超过人体皮肤耐受温度的时间足够长，还可能导致皮肤及其皮下组织的热伤害。
因此，超声换能器压电材料需要在一个合适的温度区间内工作，保证治疗的安全性和有效性。因此，对超声换能器的工作温度进行监控已经成为一个急需解决的重要的临床安全性问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种超声换能器的温度的监控装置，能够对超声换能器的工作温度进行实时监测和控制，增加超声换能器使用的安全性。
为解决上述技术问题，本实用新型的实施例提供技术方案如下：
一方面，提供一种超声换能器的温度的监控装置，包括：
用于获取超声换能器的当前的工作温度的测量模块；
用于比较所述当前的工作温度和设定的工作温度区间的处理模块；
用于根据比较结果控制所述超声换能器的发射参数和/或所述超声换能器的散热方式，以使所述超声换能器处于设定的工作温度区间的控制模块。
优选地，所述测量模块包括：
用于通过贴附在所述超声换能器表面的一个以上热电偶或设置在所述超声换能器内的一个以上红外线传感器测量所述超声换能器的工作温度的第一测量子模块；
用于通过一个以上热电偶或红外线传感器测量所述超声换能器的耦合液体的温度，并根据测得的温度及测量位置，推算出所述超声换能器的工作温度的第二测量子模块。
优选地，所述控制模块包括：
用于当所述当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，降低所述超声换能器的电功率以使所述当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内；或
当所述当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，减小所述超声换能器发射的信号的脉冲宽度以使所述当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内；或
当所述当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，减小所述超声换能器发射的信号的占空比以使所述当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内的第一控制子模块。
优选地，所述控制模块包括：
用于当所述当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，增加向所述超声换能器的耦合液体腔内注入低温液体的速度，同时相应地增加从所述耦合液体腔内排出高温液体的速度，以使所述超声换能器的当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内的第二控制子模块。
优选地，所述控制模块包括：
用于当所述当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，增加设置在所述超声换能器外壳内的风扇的转速以使所述超声换能器的当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内的第三控制子模块。
本实用新型的实施例具有以下有益效果：
上述方案中，超声换能器的温度的监控装置首先获取超声换能器的当前的工作温度，将获取到的当前的工作温度与设定的工作温度区间进行比较，并根据比较结果控制超声换能器的发射参数和/或超声换能器的散热方式，以使超声换能器处于设定的工作温度区间。本实用新型实施例能够对超声换能器的工作温度进行实时监测和控制，增加超声换能器使用的安全性。
附图说明
图1为本实用新型实施例的超声换能器的温度的监控装置的结构框图。
具体实施方式
为使本实用新型的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本实用新型的实施例提供一种超声换能器的温度的监控装置，能够对超声换能器的工作温度进行实时监测和控制，增加超声换能器使用的安全性。
图1为本实用新型实施例的超声换能器的温度的监控装置的结构框图，如图1所示，本实施例包括：
用于获取超声换能器的当前的工作温度的测量模块10；
用于比较当前的工作温度和设定的工作温度区间的处理模块12；
用于根据比较结果控制超声换能器的发射参数和/或超声换能器的散热方式，以使超声换能器处于设定的工作温度区间的控制模块14。
优选地，测量模块10包括：
用于通过贴附在超声换能器表面的一个以上热电偶或设置在超声换能器内的一个以上红外线传感器测量超声换能器的工作温度的第一测量子模块；
用于通过一个以上热电偶或红外线传感器测量超声换能器的耦合液体的温度，并根据测得的温度及测量位置，推算出超声换能器的工作温度的第二测量子模块。
优选地，控制模块14包括：
用于当当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，降低超声换能器的电功率以使当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内；或
当当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，减小超声换能器发射的信号的脉冲宽度以使当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内；或
当当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，减小超声换能器发射的信号的占空比以使当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内的第一控制子模块。
优选地，控制模块14包括：
用于当当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，增加向超声换能器的耦合液体腔内注入低温液体的速度，同时相应地增加从耦合液体腔内排出高温液体的速度，以使超声换能器的当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内的第二控制子模块。
优选地，控制模块14包括：
用于当当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，增加设置在超声换能器外壳内的风扇的转速以使超声换能器的当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内的第三控制子模块。
本实施例的超声换能器的温度的监控装置，在进行超声换能器的工作温度的实时监测和控制时，首先获取超声换能器的当前的工作温度，将获取到的当前的工作温度与设定的工作温度区间进行比较，并根据比较结果控制超声换能器的发射参数和/或超声换能器的散热方式，以使超声换能器处于设定的工作温度区间。本实用新型实施例能够对超声换能器的工作温度进行实时监测和控制，增加超声换能器使用的安全性。
下面结合具体的实施例对本实用新型的超声换能器的温度的监控装置的工作流程进行进一步介绍，值得说明的是，本实用新型中所指的超声换能器的工作温度也即是指超声换能器的压电材料的工作温度。该工作流程包括以下步骤：
步骤S1：实时测量超声换能器的工作温度；
可以采用热电偶贴附在超声换能器表面，取得超声换能器的温度数据。或在超声换能器外壳内置红外线传感器测量超声换能器的表面温度。上述热电偶或红外线传感器可以是单个或多个同时使用，获得单一的或分散的温度测量数据。若同时采用多个热电偶或红外线传感器，则可以获得温度变化随位置分布的信息。
类似上述实施方法，还可以用热电偶、红外线传感器测量超声换能器的耦合液体的温度。由于液体对流和热传导，耦合液体内的稳态温度应该是在介于皮肤表面温度和压电材料工作温度之间连续平滑渐变。若采用单个热电偶或红外线传感器，根据测得的温度及测量位置，可以近似推算出压电材料的工作温度；若采用多个热电偶或红外线传感器，根据测得的温度数据及热电偶或红外线传感器的位置分布，可以获得温度变化的梯度信息，用于插值外推获得更准确的压电材料工作温度；
步骤S2：将获得的超声换能器的工作温度与设定的工作温度区间相比较；
具体可以将热电偶或红外线传感器的输出输入电平比较器，判断该温度数据是否属于设定的工作温度区间；也可以是无级测量获得实际精确的温度读数；或是采用差分器获得前后步温度测量值的差值；还可以是采用数字电路方法采样读取和存储温度数据，构建温度变化历史；
温度读取的结果或温度变化历史的信息可以用来判别超声换能器的实时工作温度是否超出设定的范围、或前后步之间的温度变化是否超出预设的变化速率，在多热电偶或红外线传感器的情况下还可以判断温度随空间位置的分布是否均匀等信息(因为过大的空间温度差异往往也是超声换能器压电材料故障的伴生现象)；
步骤S3：根据比较结果控制超声换能器的发射参数和/或超声换能器的散热方式，以使超声换能器处于设定的工作温度区间。
实施方案一：可以根据上述步骤S2的比较结果调整超声换能器的发射参数
超声换能器的发射参数包括超声换能器的电功率，超声换能器所发射信号的脉冲宽度和占空比，该调整超声换能器的发射参数的过程可以持续实时进行，以超声换能器的工作温度稳定在设定的工作温度区间内为控制目标；
比如说，当当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，降低超声换能器的电功率以使当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内；当当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，减小超声换能器发射的信号的脉冲宽度以使当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内；当当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，减小超声换能器发射的信号的的占空比以使当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内。
实施方案二：除去上述调整超声换能器发射参数的手段，还可以采用附加主动液体/气体循环散热的手段，加快超声换能器的压电材料与周围液体/气体的散热交换速率，以保证超声换能器的工作温度稳定在设定的工作温度区间
(1)可以采用增加进水和出水流速的方法，增加向耦合液体腔内注入较低温度的液体的速度，同时增加从原耦合液体腔内排出较高温度的液体的速度，实现加快的主动液体循环散热。具体可以利用水泵或液量调节阀来实现液体流速的控制。
(2)增加内置于超声换能器外壳内的风扇的转速和/或加大进/出气管道和阀门的开度，加快气体循环以实现压电材料的散热。
上述散热手段(1)和(2)可以单独或混合使用，保证超声换能器压电材料工作在合适的温度区间。
上述步骤S1～S3形成封闭的实时反馈控制系统，对超声换能器的工作温度进行实时温度测量和控制。
除去上述调整超声换能器发射参数以及主动液体/气体循环散热的方案，本实施例的超声换能器的温度的监控装置还可以采用被动的热传导散热的手段，加快压电材料与周围液体/气体的散热交换速率，具体地，可以采用高导热系数的材料或采用多叶片散热器的结构制作压电材料的支持结构，利用加快的材料热传导特性和增加的热辐射面积的方法，加快压电材料的被动散热速率，从而使超声换能器的工作温度稳定在设定的工作温度区间内。
超声换能器的温度的监控装置在超声换能器的工作温度超出设定的工作温度区间的上限时，若上述控制方法不足以迅速调整超声换能器的工作温度，可以对超声换能器使用者报警提示并暂时关闭超声换能器的能量输出，同时持续进行主动或被动式散热措施，待超声换能器的工作温度回到合适区间后重新进行超声换能器发射治疗。
此说明书中所描述的温度控制手段可以由本行业内普通技术人员不付出创造性劳动的前提下，根据实际情况单独或混合使用。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种超声换能器的温度的监控装置，其特征在于，包括：
用于获取超声换能器的当前的工作温度的测量模块；
用于比较所述当前的工作温度和设定的工作温度区间的处理模块；
用于根据比较结果控制所述超声换能器的发射参数和/或所述超声换能器的散热方式，以使所述超声换能器处于设定的工作温度区间的控制模块。
2.根据权利要求1所述的超声换能器的温度的监控装置，其特征在于，所述测量模块包括：
用于通过贴附在所述超声换能器表面的一个以上热电偶或设置在所述超声换能器内的一个以上红外线传感器测量所述超声换能器的工作温度的第一测量子模块；
用于通过一个以上热电偶或红外线传感器测量所述超声换能器的耦合液体的温度，并根据测得的温度及测量位置，推算出所述超声换能器的工作温度的第二测量子模块。
3.根据权利要求1或2所述的超声换能器的温度的监控装置，其特征在于，所述控制模块包括：
用于当所述当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，降低所述超声换能器的电功率以使所述当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内；或
当所述当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，减小所述超声换能器发射的信号的脉冲宽度以使所述当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内；或
当所述当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，减小所述超声换能器发射的信号的占空比以使所述当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内的第一控制子模块。
4.根据权利要求1或2所述的超声换能器的温度的监控装置，其特征在于，所述控制模块包括：
用于当所述当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，增加向所述超声换能器的耦合液体腔内注入低温液体的速度，同时相应地增加从所述耦合液体腔内排出高温液体的速度，以使所述超声换能器的当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内的第二控制子模块。
5.根据权利要求1或2所述的超声换能器的温度的监控装置，其特征在于，所述控制模块包括：
用于当所述当前的工作温度超出设定的工作温度区间的上限，增加设置在所述超声换能器外壳内的风扇的转速以使所述超声换能器的当前的工作温度降低至设定的工作温度区间内的第三控制子模块。
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