CN202355446U

CN202355446U - 一种压电聚焦式超声波碎石装置

Info

Publication number: CN202355446U
Application number: CN2011204522233U
Authority: CN
Inventors: 王世全; 王月兵; 徐平; 费腾; 朱学文
Original assignee: 715th Research Institute of CSIC
Current assignee: 715th Research Institute of CSIC
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2021-11-16

Abstract

本实用新型涉及一种压电聚焦式超声波碎石装置，包括信号发生器、高频功率放大器、阻抗匹配网络、B超装置、XYZ三维运动机构、控制计算机，所述的控制计算机通过通讯接口与信号发生器相连，该信号发生器所产生的正弦波填充脉冲信号通过高频功率放大器放大进入于阻抗匹配网络内，且该高频功率放大器通过阻抗匹配网络驱动压电聚焦式超声探头；所述的B超装置通过提供信息方式与控制计算机相连，XYZ三维运动机构内的三个步进电机分别连接于所述的控制计算机内的步进电机控制接口内，该XYZ三维运动机构通过控制方式与结石仿真模型相连；本实用新型装置在碎石过程中具有安全、高效、可操作性强等特点。

Description

一种压电聚焦式超声波碎石装置

技术领域

本实用新型涉及医疗超声技术领域，具体涉及一种压电聚焦式超声波碎石装置。

背景技术

在临床治疗人体结石方面传统的方法是采用手术治疗。自上世纪80年代以来，体外震波碎石仪被发明并在临床中得到了广泛应用。体外冲击波碎石的发生装置有液电式、电磁式、压电式、激光式、爆炸式等，其机理是产生脉冲冲击波，该冲击波在传播过程中通过会聚形成直径为1cm左右的超声波束，峰值声压可高达50～100MPa，对处于聚焦区域中的结石会产生强烈的冲击作用力，将结石粉碎；同时，在冲击波的作用下，水介质会产生强烈的空化，也会增强对结石的粉碎效果。但是，利用体外冲击波碎石仪进行治疗时，由于产生的脉冲冲击波初始能量较大，在介质中传播时会对人体的软组织器官等产生损伤副作用，另外，体外冲击波碎石仪产生的脉冲波频谱中含有很丰富的低频声波，在声波传播过程中不能得到有效汇聚，损失了到达治疗区域的声波能量，降低了对结石的粉碎效率。

传统对于肿瘤的治疗多是采用保守的药物治疗、化疗和手术治疗等。随着高强度聚焦超声（High Intensity Focus Ultrasound）技术的发展，该技术在肿瘤无创治疗方面在国内外得到了广泛的应用。其治疗机理是：将探头发射出的平均声强较低的超声波聚焦到直径为1～5mm左右的声波波束中，形成一个平均声强1000W/cm²以上的焦域，对肿瘤进行0.1～5秒的辐照，使得被辐照处的肿瘤组织温度上升到70℃以上，破坏肿瘤组织，达到治疗的目的。公开专利CN1215616A即是这类治疗系统。

高强度聚焦超声对肿瘤的切除和治疗主要利用的是聚焦超声的热效应，同时治疗的过程中也会伴随着空化效应和机械振荡等效应。高强度聚焦超声对肿瘤的治疗一般采用间断式连续声波，为了使肿瘤组织处达到足够高的温度，需要延长辐照的时间，提高超声剂量，积累的热效应同样会使得声波通过路径上的组织收到灼伤。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述存在的不足，而提供一种采用高强度聚焦式超声探头作为碎石超声波源，同时，为避免碎石过程中热效应的产生，采用具有一定占空比的正弦波填充脉冲信号，不会使得治疗区域产生明显的温升；通过将超声波能量聚焦到焦点处产生空化作用，将结石粉碎的压电聚焦式超声波碎石装置。

本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的，它包括信号发生器、高频功率放大器、阻抗匹配网络、B超装置、XYZ三维运动机构、控制计算机，所述的控制计算机通过通讯接口与信号发生器相连，该信号发生器所产生的正弦波填充脉冲信号通过高频功率放大器放大进入于阻抗匹配网络内，且该高频功率放大器通过阻抗匹配网络驱动压电聚焦式超声探头；所述的B超装置通过提供信息方式与控制计算机相连，XYZ三维运动机构内的三个步进电机分别连接于所述的控制计算机内的步进电机控制接口内，该XYZ三维运动机构通过控制方式与结石仿真模型相连。

作为优选，所述的B超装置由B超显示机与B超探头连接组成，B超显示机通过提供信息方式与控制计算机相连，B超探头用于对结石进行扫描定位，所检测的信息通过B超显示机显示。

作为优选，所述的信号发生器所产生的正弦波填充脉冲信号为填充信号与脉冲信号，所述的填充信号为至少一个频率的组合信号，信号频率范围500kHz～2MHz之间；所述的脉冲信号为周期性信号，具有一定的占空比，以减小超声波的热效应。

作为优选，所述的压电聚焦式超声探头采用压电材料或压电复合材料作为有源元件，并采用多个阵元排布在球冠型结构的内面，通过这种结构的排布使得多个阵元的能量在空间某点形成聚焦；压电聚焦式超声探头的工作频率在500kHz～2MHz，所形成焦点的-3dB焦斑直径约1～4mm，-6dB的焦长一般在10～20mm。

本实用新型的有益效果为：（1）本实用新型的碎石机理不同于传统的冲击波碎石，采用压电聚焦式超声探头将初始能量级较低的超声波聚集于空间一点处，形成高能量区域，具有能量转换效率高的优点，同时避免了传统冲击波碎石仪在碎石过程中对人体软组织可能存在的潜在的损伤，具有副作用小的特点；

（2）本实用新型的碎石机理不同于传统的冲击波碎石，传统的冲击波碎石是利用很高的电压（一般是数千伏乃至上万伏的高压）瞬间放电，产生刺耳的噪声，对治疗过程中病人的生理和心理会带来负面的影响；本实用新型采用的正弦波填充脉冲信号，具有所需电压低（一般在数百伏的量级），在碎石过程中比较安静，可潜在地舒缓病人的心理压力；

（3）本实用新型的碎石机理是基于空化效应对结石的磨蚀作用，聚焦超声波治疗肿瘤过程中主要是利用热效应，与治疗肿瘤所采用的信号不同，本实用新型装置采用具有一定占空比的正弦波填充脉冲信号，在碎石过程中不会产生明显的温升，因此，不会对软组织和皮肤等产生潜在的灼伤；

（4）本实用新型所采用碎石装置在碎石效率上与传统冲击波碎石机可以比拟，但是在最终碎石颗粒的尺寸上，传统冲击波碎石仪最终是将结石粉碎成不规则的具有一定物理尺寸的块状物或者颗粒，不易排出；本实用新型最中将结石磨蚀成粉末状微粒，利于人体自然排出；

（5）本实用新型装置在碎石过程中具有安全、高效、可操作性强等特点。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是现有冲击波碎石仪的信号波形图；

图3是本实用新型的所采用的信号波形图。

附图中的标号分别为： 1、信号发生器， 2、高频功率放大器， 3、阻抗匹配网络， 4、B超装置， 5、XYZ三维运动机构， 6、控制计算机， 7、压电聚焦式超声探头， 8、步进电机控制接口， 9、结石仿真模型， 41、B超显示机， 42、B超探头。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型做详细的介绍：图1所示，本实用新型包括信号发生器1、高频功率放大器2、阻抗匹配网络3、压电聚焦式超声探头7、B超装置4、XYZ三维运动机构5、控制计算机6。所述的控制计算机6通过通讯接口控制信号发生器1产生所需的正弦波填充脉冲信号，输入到高频功率放大器2进行放大输出，用以驱动压电聚焦式超声探头7向介质中辐射超声波。B超装置4对结石进行扫描定位，将结石的位置信息提供给控制计算机6，控制计算机6发出控制指令，控制相应的步进电机驱动运动机构在X、Y、Z三个运动方向产生精确的位移，将结石对准压电聚焦式超声探头7的声学焦点，通过高强度声波的作用，在结石表面产生空化，从而将结石进行磨蚀粉碎。

所述的信号发生器1，可采用商业化的信号发生器或者振荡电路实现，信号频率可根据压电聚焦式超声探头7的工作频率进行设定，具有频率稳定可调等特点，并可通过计算机接口对其进行编程控制其信号频率、脉冲长度和脉冲周期等参数。

所述的高频功率放大器2，可采用商业化的功率放大器或者根据设计要求订制，具有功率输出可调的特点。其作用是在压电聚焦式超声探头7的工作频率上提供大功率的驱动能力，满足压电聚焦式超声探头7实际的工作需求。

所述的阻抗匹配网络3，其作用是在有效的工作频段上完成阻抗调节，使得高频功率放大器2的输出阻抗与压电聚焦式超声探头7的电阻抗进行匹配，提高高频功率放大器2的功率输出效率，增加高频功率放大器2的有功功率。阻抗匹配网络3可作为单独的部件或者与高频功率放大器2集成在一起。

所述的压电聚焦式超声探头7，采用压电材料或者压电复合材料作为有源元件，其实现形式为，采用球冠式压电陶瓷或者复合材料元件直接实现超声波的能量聚焦，或者采用多个阵元排布在球冠型结构的内面(阵元也可以本身具有各自的焦点)，通过这种结构的排布使得多个阵元的能量在空间某点形成聚焦。压电聚焦式超声探头的工作频率在500kHz～2MHz，所形成焦点的-3dB焦斑直径约1～4mm，-6dB的焦长一般在10～20mm。

所述的B超装置4，采用商业成熟产品，由B超显示机41与B超探头42连接组成，其作用是对结石的位置进行定位，将结石位置信息提供给控制计算机6，并在超声波碎石过程中，提供实时的声学影像监控。

所述的XYZ三维运动机构5，是由步进电机驱动的X、Y、Z三维运动机构5，每个电机可由可控计算机6经RS232串口进行单独控制，其各个方向的步进分辨率不低于0.1mm。

所述的控制计算机6，采用商业化成熟产品，能够满足本装置的需求，具有本装置工作所必需的设备接口。其作用是，控制信号发生器1产生压电聚焦式超声探头7工作所需的信号形式，控制XYZ三维运动机构5使得结石能够准确与压电聚焦式超声探头7的声学焦点对准。

本实用的工作原理为：根据压电聚焦式超声探头7的工作频率，控制计算机1控制信号源产生具有一定占空比的正弦填充脉冲波，正弦波的频率与压电聚焦式超声探头7的工作频率相同，填充波的波数一般在数十至数百个，脉冲重复周期须大于信号作用的时间。信号经过高频功率放大器2进行放大输出，经过阻抗匹配网络3后加载到压电聚焦式超声探头7，驱动其向介质中辐射声波，声波在压电聚焦式超声探头7的声学焦点上汇聚。控制计算机1通过步进电机控制接口可分别控制XYZ三个步进电机，将结石仿真模型9移动到压电聚焦式超声探头7的焦点附近，利用B超机对回波图像进行观察将结石仿真模型9准确定位到压电聚焦式超声探头7的声学焦点上。定位完成后，增加信号源的信号幅度和高频功率放大器2的输出增益，使得在压电聚焦式超声探头7的焦点处产生空化，可由B超回波图像上观察到，持续作用一段时间，可以看到空化在结石仿真模型9表面产生明显的磨蚀，磨蚀过程中产生很细微的结石粉末，可形成直径约3～4mm的蚀坑。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims

1.一种压电聚焦式超声波碎石装置，包括信号发生器（1）、高频功率放大器（2）、阻抗匹配网络（3）、B超装置（4）、XYZ三维运动机构（5）、控制计算机（6），其特征在于：所述的控制计算机（6）通过通讯接口与信号发生器（1）相连，该信号发生器（1）所产生的正弦波填充脉冲信号通过高频功率放大器（2）放大进入于阻抗匹配网络（3）内，且该高频功率放大器（2）通过阻抗匹配网络（3）驱动压电聚焦式超声探头（7）；所述的B超装置（4）通过提供信息方式与控制计算机（6）相连，XYZ三维运动机构（5）内的三个步进电机分别连接于所述的控制计算机（6）内的步进电机控制接口（8）内，该XYZ三维运动机构（5）通过控制方式与结石仿真模型（9）相连。

2.根据权利要求1所述的压电聚焦式超声波碎石装置，其特征在于所述的B超装置（4）由B超显示机（41）与B超探头（42）连接组成，B超显示机（41）通过提供信息方式与控制计算机（6）相连，B超探头（42）用于对结石进行扫描定位，所检测的信息通过B超显示机（41）显示。

3.根据权利要求1所述的压电聚焦式超声波碎石装置，其特征在于所述的信号发生器（1）所产生的正弦波填充脉冲信号为填充信号与脉冲信号，所述的填充信号为至少一个频率的组合信号，信号频率范围500kHz～2MHz之间；所述的脉冲信号为周期性信号，具有一定的占空比。

4.根据权利要求1所述的压电聚焦式超声波碎石装置，其特征在于所述的压电聚焦式超声探头（7）采用压电材料或压电复合材料作为有源元件，并采用多个阵元排布在球冠型结构的内面，通过这种结构的排布使得多个阵元的能量在空间某点形成聚焦；压电聚焦式超声探头的工作频率在500kHz～2MHz，所形成焦点的-3dB焦斑直径1～4mm，-6dB的焦长一般在10～20mm。