CN203971216U - 焦域可变的球面聚焦超声换能器 - Google Patents
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Abstract
一种焦域可变的球面聚焦超声换能器，包括球面托架、压电振片单元、固定在球面托架底部的探头，球面托架内沿探头周向均布有若干安装孔，压电振片单元通过安装孔固定在球面托架内，球面托架底部设有装配孔，装配孔内设有用于固定探头的固定座，其技术要点是：由球面托架底部至顶部设有三圈以上的压电振片单元，每圈压电振片单元中的两个以上构成一个换能单元，每个换能单元与一个功率驱动单元相连。从根本上解决了现有用于肿瘤消融治疗的超声换能器焦域无法根据实际需要快速变换、治疗精确度低、热效果不均匀、治疗应用范围窄等问题。其结构设计巧妙，具有操作方便、焦域可控、治疗精确度高、安全可靠等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于医疗器械技术领域，具体说是一种焦域可变的球面聚焦超声换能器，主要适用于高强度聚焦超声肿瘤治疗系统。
背景技术
随着医疗水平的不断发展，高强度聚焦超声已成为继手术、放疗、化疗之后的一种全新的治疗肿瘤“绿色疗法”。高强度聚焦超声肿瘤治疗系统，其治疗原理主要是利用聚焦于生物组织中的高强度超声产生的热效应使焦域处的组织瞬间凝固性坏死，焦域以外组织无显著损伤。这种局部治疗肿瘤的新技术又称为热“切除”。超声换能器系统作为该类设备的核心功能输出单元，一般由一个超声换能器和一套超声发射控制单元组成，换能器搭载的（B超）探头，对治疗过程进行实时引导监控。
该类设备的治疗过程是由计算机系统控制运动机构带动换能器焦域的移动，扫描覆盖整个肿瘤组织，从而达到完整切除肿瘤的目的。治疗时间与肿瘤体积以及焦域的大小有密切关系。为了提高治疗效率，片面地增大焦域的体积，则会导致无法精细控制肿瘤组织边缘区域的治疗。显然，在治疗边缘处，焦域小一些，而在肿瘤组织内部焦域大一些，是平衡治疗效率和治疗精细程度后较为理想的治疗策略。
现有的高聚焦换能器主要分为单片自聚焦换能器和阵列式聚焦换能器。对于单片自聚焦换能器，其结构虽然简单，但换能器的加工精度要求极高，受限于加工工艺（主要是打磨过程），成品率极低。且对于成品的单片自聚焦超声换能器，一旦几何尺寸固定其焦点位置与焦域大小均已固定，不能实现灵活调节。对于阵列式聚焦换能器，其可采用各振片独立工作或多个振片串并联组合工作的模式，形成大功率的换能器。可通过控制相应的振片单元实现变换焦域的目的，目前这种换能器主要有以下几种。
如授权公告号为CN 2693356Y的实用新型专利公开了“一种阵列式超声换能器”，它包括：换能片、半球面托架、水压传感器、B超换能器、圆柱体和密封圈。换能器片的排列方式按60°分为6个区均匀对称地排列，粘接在半球面托架的内侧，形成聚焦超声换能器；圆柱体上开有三个孔，中心孔镶嵌B超换能器，一个侧孔镶嵌水压传感器，另一个侧孔为排水孔，用于连接排水管，固定螺套将圆柱体固定在半球面托架的中心孔中。该超声换能器可实现入射方向和焦域形状调整，通过不同的驱动单元进行单独控制，能够组合B超换能器和水道实现图像引导和水位控制。但是，该结构的焦域变换主要以60°扇形面为控制单元，虽然由此可形成不同形态的焦域，但由于所形成焦域形状不规则，在治疗过程中难以精确控制有效的治疗范围，导致无法实现最理想的治疗效果。
而公开号为CN1647829A的发明专利申请公开了“一种焦域可变的超声换能器”，由一个大孔径刚性球冠体和若干个按规则、等间距方阵结构分布的球面超声换能器阵元组成，整个球冠体上按规则、等间距方阵结构离散地分布有若干个圆形小孔，每个小孔用来镶嵌一个阵元。该换能器将超声振片分成矩阵式排列的四个象限，并且要求每个超声振片以镶嵌的方式嵌入刚性球冠体，通过驱动相应阵元的开闭，改变独立振片自聚焦焦域的排列组合方式进而形成一个焦域阵列来改变整个换能器焦域的形状。该换能器采用间隔设置的自聚焦振片，各振片采用单独的驱动电路，不但使生产过程更加繁琐，而且不利于后期维护。为实现其焦域可变的目的，必须使各振片的焦域阵列式排布，相邻振片焦域的间距较大，无法控制各振片自聚焦焦域过渡区间的输出功率，导致整体治疗效果不均，实用性差。需要说明的是，该换能器仅限用于肿瘤热疗设备，而非真正意义上的消融治疗。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种焦域可变的球面聚焦超声换能器，从根本上解决了现有用于肿瘤消融治疗的超声换能器焦域无法根据实际需要快速变换、治疗精确度低、热效果不均匀、治疗应用范围窄等问题。其结构设计巧妙，具有操作方便、焦域可控、治疗精确度高、安全可靠等优点。
本实用新型所采用的技术方案是：该焦域可变的球面聚焦超声换能器包括球面托架、压电振片单元、固定在球面托架底部的探头，球面托架内沿探头周向均布有若干安装孔，压电振片单元通过安装孔固定在球面托架内，球面托架底部设有装配孔，装配孔内设有用于固定探头的固定座，其特征在于：由球面托架底部至顶部设有三圈以上的压电振片单元，每圈压电振片单元中的两个以上构成一个换能单元，每个换能单元与一个功率驱动单元相连。
优选的，将每圈压电振片单元作为一个换能单元。
作为进一步优选的，方便精确定位焦域的位置，所述固定座内以探头为中心对称分布有偶数个辅助定位装置。作为优选的，所述辅助定位装置可选用激光管。
若仅采用对称设置的双激光管，治疗过程中视线易被遮挡，同时考虑制造成本，将所述辅助定位装置优选为四个。
对于以上任一技术方案中，所述压电振片单元包括底座、固定在底座内的压电振片，底座内设有凸台，压电振片限位固定在凸台上，底座底部设有导向柱。
更进一步的，为方便压电振片的安装，底座端部采用弹性材质制成，所述底座顶部设有豁口。
本实用新型具有的优点及积极的技术效果是：换能器内采用密封圈、密封垫结构，不但可使相应部位得到有效地固定，而且避免了漏水。探头周围对称分布若干辅助定位装置，可起到标识焦域，确定初始治疗坐标的目的。球面托架内每圈的两个以上的压电振片单元构成一个换能单元，每个换能单元与一个功率驱动单元相连。可通过控制各功率驱动单元实现不同直径范围内分布的超声阵元的超声发射，达到调整焦域的目的。综上所述，本实用新型通过多个超声振片发出的高强度超声声束聚焦于球面托架中心处，形成超声聚焦焦域，而在焦域范围以外能量较小，对组织无损伤。可依据治疗肿瘤的不同区域来选择换能器中不同直径范围内分布的超声阵元，并施加电激励信号，实现焦域大小的灵活调整。在保证治疗精细程度的情况下，极大地提高了治疗效率。采用多阵元聚焦形式，用于高强度聚焦超声治疗系统，其声场输出特性满足YY0592-2005行业标准要求。
附图说明
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。
图1为本实用新型的外观结构示意图；
图2 为本实用新型仅设置一圈压电振片单元的换能器的俯视结构示意图；
图3为图1沿A-A线的剖视结构示意图；
图4为压电振片单元分解结构示意图；
图5为本实用新型换能器工作状态的俯视结构示意图；
图6为本实用新型的控制电路原理框图。
图中序号说明：1换能器、2控制器、3球面托架、4压电振片单元、5透明窗、6探头、7密封圈I、8密封圈II、9激光管、10固定座、11密封垫、12螺钉、13压电振片、14底座、15凸台、16导向柱。
具体实施方式
以下结合图1~6详细说明本实用新型的具体内容。该焦域可变的球面聚焦超声换能器1包括球面托架3、压电振片单元4、固定在球面托架底部的探头6（如B超探头），球面托架3内沿探头周向均布有若干安装孔，压电振片单元4通过安装孔固定在球面托架3内。每个压电振片单元4包括底座14、固定在底座14内的压电振片13，底座14内设有凸台15，压电振片13限位在凸台15上，并通过底座具有弹性的末端将压电振片13固定，为使加工方便，底座14的顶部还设有豁口，豁口还可用于限位压电振片13的导线。底座14底部设有导向柱16，压电振片单元4通过导向柱16插入相应的安装孔内定位。球面托架3底部设有装配孔，固定座10位于装配孔内，通过螺钉12固定在球面托架3底部。其中探头通过密封垫11（材质可选用硅橡胶）限位在固定座10内，固定座10与球面托架3之间设有密封圈II 8，固定座10上以探头为中心对称设置四个安装孔，在安装孔内安装辅助定位装置。辅助定位装置可选用激光管9，激光管9顶端设有透明窗5(可选用透明有机或无机玻璃板)，底端通过密封圈（可选用硅橡胶密封圈）密封。各激光管9均向中轴倾斜，激光的指示点刚好与超声的焦域中心重合，因此可起到标识焦域，确定初始治疗坐标的目的。由球面托架3底部至顶部设有七圈压电振片单元4，每圈压电振片单元4（如图2所示，第一（最内）圈为7*2个、第二圈为7*3个、……第七圈为7*8个）构成一个换能单元，每个换能单元与一个功率驱动单元相连，驱动功率单元设置在控制器2内。仅启用第一圈换能单元时，此时的椭原形的焦域面积最大，随着第二至第七圈的换能单元启动，焦域的椭球体积逐渐缩小。因此，可通过人为控制各功率驱动单元的启闭实现焦域的逐级自由变换，达到调整焦域大小的目的。
需要说明的是，本实用新型所涉及的功率驱动单元主要根据系统生成的治疗方案确定超声电压发射的大小。通过可变电压输出模块对其输出电压值的大小进行调整，然后经由逆变电路产生适合压电振片工作的正弦波。该电路结构已被本领域所广泛采用，不再详细阐述。
Claims (7)
1.一种焦域可变的球面聚焦超声换能器，包括球面托架、压电振片单元、固定在球面托架底部的探头，球面托架内沿探头周向均布有若干安装孔，压电振片单元通过安装孔固定在球面托架内，球面托架底部设有装配孔，装配孔内设有用于固定探头的固定座，其特征在于：由球面托架底部至顶部设有三圈以上的压电振片单元，每圈压电振片单元中的两个以上构成一个换能单元，每个换能单元与一个功率驱动单元相连。
2.根据权利要求1所述的焦域可变的球面聚焦超声换能器，其特征在于：所述每圈压电振片单元构成一个换能单元。
3.根据权利要求1所述的焦域可变的球面聚焦超声换能器，其特征在于：所述固定座内以探头为中心对称分布有偶数个辅助定位装置。
4.根据权利要求3所述的焦域可变的球面聚焦超声换能器，其特征在于：所述辅助定位装置为激光管。
5. 根据权利要求2或3或4所述的焦域可变的球面聚焦超声换能器，其特征在于：所述辅助定位装置为四个。
6. 根据权利要求1至4任一项所述的焦域可变的球面聚焦超声换能器，其特征在于：所述压电振片单元包括底座、固定在底座内的压电振片，底座内设有凸台，压电振片限位固定在凸台上，底座底部设有导向柱。
7.根据权利要求6所述的焦域可变的球面聚焦超声换能器，其特征在于：所述底座顶部设有豁口。
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