RU2139745C1

RU2139745C1 - Device for exposure of internal sections of man's organism to ultrasound

Info

Publication number: RU2139745C1
Application number: RU98112216A
Authority: RU
Inventors: А.А. Догадов; И.И. Конопацкая; А.В. Гладилин
Original assignee: Догадов Альберт Алексеевич; Конопацкая Ирина Ивановна; Гладилин Алексей Викторович
Priority date: 1998-06-23
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 1999-10-20

Abstract

FIELD: medical, engineering, namely noninvasive surgery. SUBSTANCE: device has piezoelectric focusing ultrasonic radiator made in form of bowl and connected to power amplifier, input of which is supplied with voltage from output of modulator connected to generator. The latter is manufactured for adjustment of voltage characteristics during excitation. It is positioned on container filled with contact liquid. Application surface is shaped as flexible membrane arranged on surface of object to be exposed. Piezoelement of focusing ultrasonic radiator has thickness and curvature radius which vary depending on angle. Maximum relation of curvature radius to minimum one equals 2. Relation of maximum width of piezoelement to minimum one is equal to 1.01-1.2. Provision is also made for control device and intensity programming device. Control device is connected to generator and modulator, and intensity programming device is connected between control device and modulator. Frequency of alternating- current excitation voltage produced by generator varies in range of 1.01-1.2, and level of voltage exciting the radiator changes during operation providing for required distribution of energy in process of exposure. Device allows accurate displacement of exposure area in direction of energy radiation due to change in position of stationary radiator focal area and preset variation of intensity with change of excitation voltage frequency. EFFECT: improved design. 1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение используется в медицинской технике, в частности, для неинвазивной хирургии, например, в случае онкологических заболеваний внутренних органов и др. The invention is used in medical technology, in particular for non-invasive surgery, for example, in the case of cancer of the internal organs, etc.

Известно устройство для воздействия ультразвуком на приповерхностные и внутренние участки организма человека, содержащее преобразователь электрических сигналов в ультразвуковые, представляющее собой пластину из пьезоэлектрика и генератор переменного напряжения ультразвуковой частоты, соединенный с пластиной преобразователя /1/. A device for exposure to ultrasound on the surface and internal parts of the human body, containing a transducer of electrical signals to ultrasound, which is a plate of a piezoelectric and an alternating voltage generator of ultrasonic frequency connected to the transducer plate / 1 /.

Недостаток этого устройства для воздействия ультразвуком на приповерхностные и внутренние участки организма человека состоит в том, что оно не позволяет создать необходимую интенсивность ультразвуковых колебаний (УЗК) в заглубленных участках организма без недопустимого воздействия на другие участки, находящиеся на пути распространения ультразвука. The disadvantage of this device for exposure to ultrasound on the surface and internal parts of the human body is that it does not allow you to create the necessary intensity of ultrasonic vibrations (ultrasound) in the buried parts of the body without undue influence on other areas that are on the path of ultrasound propagation.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому решению является устройство для воздействия ультразвуком на внутренние участки организма человека /2/. Устройство содержит пьезоэлектрический фокусирующий излучатель ультразвука, выполненный в виде чаши и соединенный с генератором переменного напряжения ультразвуковой частоты, выполненным с возможностью регулирования характеристик напряжения во время возбуждения, и установленный на контейнере с контактной жидкостью, поверхность аппликации которого выполнена в виде гибкой мембраны, размещенной на поверхности объекта воздействия, при этом пьезоэлемент фокусирующего излучателя ультразвука выполнен с постоянным фокусным расстоянием при переменной толщине, причем отношение его максимальной толщины к минимальной равно 1,01-1,15, а генератор переменного напряжения ультразвуковой частоты выполнен с возможностью регулирования по частоте с отношением максимальной частоты к минимальной в диапазоне 1,01-1,15. The closest in its technical essence to the claimed solution is a device for exposure to ultrasound on the internal parts of the human body / 2 /. The device comprises a piezoelectric focusing ultrasound emitter made in the form of a bowl and connected to an ultrasonic frequency alternating voltage generator, configured to control voltage characteristics during excitation, and mounted on a container with contact liquid, the application surface of which is made in the form of a flexible membrane placed on the surface the object of influence, while the piezoelectric element of the focusing ultrasound emitter is made with a constant focal length with variable thickness, and the ratio of its maximum thickness to a minimum equal to 1.01-1.15, and the ultrasonic frequency generator AC voltage is adapted to regulate the frequency with the ratio of the maximum frequency to the minimum in the range 1.01-1.15.

Недостатком подобного устройства при использовании его для воздействия ультразвуком на внутренние участки организма человека является необходимость перемещения излучателя, если требуется изменение глубины воздействия или если протяженность области воздействия больше длины фокальной области. The disadvantage of such a device when used for exposure to ultrasound on the internal parts of the human body is the need to move the emitter if a change in the depth of exposure is required or if the length of the exposure area is greater than the length of the focal area.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявленного решения, выражается в возможности точного перемещения области воздействия в направлении излучения энергии за счет изменения положения фокальной области неподвижного излучателя и заданного изменения интенсивности, при изменении частоты возбуждающего напряжения. The technical result that can be obtained by implementing the claimed solution is expressed in the ability to accurately move the impact area in the direction of energy emission by changing the position of the focal region of the stationary emitter and a given change in intensity when the frequency of the exciting voltage is changed.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в устройстве для воздействия ультразвуком на внутренние участки организма человека содержится пьезоэлектрический фокусирующий излучатель ультразвука, подключенный к выходу усилителя мощности, вход которого соединен с выходом модулятора, подключенного к генератору, выполненному с возможностью регулирования характеристик напряжения во время возбуждения, при этом генератор и модулятор соединены с устройством управления, а устройство программирования интенсивности включено между устройством управления и модулятором, выполненным в виде чаши, соприкасающейся с контактной жидкостью, находящейся в контейнере, имеющем поверхность аппликации в виде мембраны, устанавливаемой на поверхности аппликации в виде мембраны, устанавливаемой на поверхности объекта воздействия, пьезоэлемент фокусирующего излучателя выполнен с изменяющимися в зависимости от угла раскрыва толщиной и радиусом кривизны, причем максимальное отношение радиуса кривизны пьезоэлемента к минимальному равно 2, отношение его максимальной толщины к минимальной равно 1,01-1,2, при этом частота переменного напряжения, возбуждаемого генератором, выполненным с возможностью регулирования характеристик напряжения во время возбуждения, изменяется в пределах отношения максимальной частоты к минимальной в диапазоне 1,01-1,2. The essence of the invention lies in the fact that the device for exposure to ultrasound on the internal parts of the human body contains a piezoelectric focusing ultrasound emitter connected to the output of a power amplifier, the input of which is connected to the output of a modulator connected to a generator configured to control voltage characteristics during excitation while the generator and the modulator are connected to the control device, and the intensity programming device is turned on m Between the control device and the modulator, made in the form of a bowl in contact with the contact fluid located in the container having the surface of the application in the form of a membrane mounted on the surface of the application in the form of a membrane installed on the surface of the target, the piezoelectric element of the focusing emitter is made depending on aperture angle of thickness and radius of curvature, the maximum ratio of the radius of curvature of the piezoelectric element to the minimum equal to 2, the ratio of its maximum thickness to the minimum is 1.01-1.2, while the frequency of the alternating voltage excited by the generator, configured to control the voltage characteristics during excitation, varies within the ratio of the maximum frequency to the minimum in the range 1.01-1.2.

Изобретение иллюстрируется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 приведен общий вид устройства для воздействия ультразвуком. На фиг. 2 представлено распределение звукового поля для сферического излучателя. На фиг. 3 - пьезопластина излучателя. Figure 1 shows a General view of the device for exposure to ultrasound. In FIG. 2 shows the sound field distribution for a spherical emitter. In FIG. 3 - piezoelectric plate of the emitter.

Устройство содержит 1 - пьезоэлемент (фиг.1), 2 - контейнер с контактной жидкостью, 3 - мембрана, 4 - объект воздействия, 5 - фокальная область, 6 - приспособление для установки и фиксации излучателя относительно тела пациента, 7 - усилитель мощности, 8 - модулятор, 9 - генератор, выполненный с возможностью регулирования характеристик напряжения, 10 - устройство управления (вместо него может быть использован компьютер), 11 - устройство программирования интенсивности. The device contains 1 - a piezoelectric element (Fig. 1), 2 - a container with contact liquid, 3 - a membrane, 4 - an object of influence, 5 - a focal region, 6 - a device for installing and fixing the emitter relative to the patient's body, 7 - power amplifier, 8 - a modulator, 9 - a generator configured to control voltage characteristics, 10 - a control device (a computer can be used instead), 11 - an intensity programming device.

Пьезоэлемент 1 устанавливается таким образом, чтобы его вогнутая (рабочая) сторона была сориентирована в направлении требуемого излучения ультразвука. С этой стороной пьезоэлемента имеется акустический контакт с жидкостью контейнера 2, обеспечивающий передачу энергий УЗК к объекту воздействия через элемент соприкосновения с кожей человека - гибкую мембрану 3. Обратная сторона пьезоэлемента 1 соприкасается с воздушной средой. При этом энергия УЗК передается в объект воздействия и фокусируется внутри него в фокальной области 5. С помощью приспособления для установки и фиксации излучателя 6 фокальная область 5 наводится на подлежащий воздействию участок биологической ткани. Напряжение возбуждения от генератора 9, выполненного с возможностью регулирования характеристик напряжения, поступает на модулятор 8 и далее через усилитель мощности 7 на пьезоэлемент 1. Рабочие режимы возбуждения пьезоэлемента: начальная частота напряжения воздействия, пределы изменения частоты, время воздействия (для непрерывного режима возбуждения), количество, длительность, скважность импульсов (для импульсного режима воздействия), задаются с помощью устройства управления 10, частотная зависимость интенсивности задается с помощью устройства программирования интенсивности 11. Для получения необходимой интенсивности УЗК используется резонансное возбуждение пьезоэлемента, возникающее при приложении к нему гармонического напряжения, частота которого удовлетворяет условию
ν = c/2d_t, (1)
где c и d_t - скорость распространения УЗК в материале пьезопластины и ее толщина соответственно.The piezoelectric element 1 is installed so that its concave (working) side is oriented in the direction of the required ultrasound radiation. With this side of the piezoelectric element there is acoustic contact with the liquid of the container 2, which ensures the transfer of the ultrasound energy to the target through the contact element with the human skin - a flexible membrane 3. The reverse side of the piezoelectric element 1 is in contact with the air. In this case, the ultrasonic ultrasonic energy is transferred to the target and focused inside it in the focal region 5. Using the device for installing and fixing the emitter 6, the focal region 5 is aimed at the biological tissue site to be affected. The excitation voltage from the generator 9, configured to control the voltage characteristics, is supplied to the modulator 8 and then through the power amplifier 7 to the piezoelectric element 1. Operating modes of the excitation of the piezoelectric element: the initial frequency of the voltage exposure, the limits of the frequency variation, the exposure time (for continuous excitation mode), the number, duration, duty cycle of pulses (for a pulse exposure mode) are set using the control device 10, the frequency dependence of the intensity is set using programming systems of intensity 11. To obtain the necessary intensity of ultrasonic testing, the resonant excitation of the piezoelectric element is used, which occurs when a harmonic voltage is applied to it, the frequency of which satisfies the condition
ν = c / 2d _t , (1)
where c and d _t are the ultrasonic propagation velocity in the piezoelectric plate material and its thickness, respectively.

Размеры и положение фокальной области сферического фокусирующего излучателя определяются длиной волны ультразвука в биологической ткани (λ), радиусом R и фокусным расстоянием F пьезоэлемента (или его углом раскрыва α_m). Так, для сферического излучателя (фиг. 2) диаметр фокальной области d_o, ее длина L_o и положение геометрического центра Z фокальной области вдоль оси излучателя равны соответственно [3]
d_o= 1,22•λ•F•R^-1; (2)

Пьезоэлемент (фиг. 3) выполнен с изменяющимися в зависимости от угла раскрыва толщиной и радиусом кривизны, причем максимальное отношение радиуса кривизны пьезоэлемента к минимальному равно 2, отношение его максимальной толщины к минимальной равно 1,01-1,2. При возбуждении излучателя на различных частотах (в пределах отношения максимальной частоты к минимальной 1,01-1,2) будут резонировать согласно (1) части пластины с толщиной, соответствующей частоте возбуждения, имеющие разные радиусы кривизны и углы раскрыва и формирующие согласно формулам (2)-(4) фокальные области, имеющие разные размеры и местоположение вдоль его оси. Таким образом, при изменении частоты достигается изменение местоположения фокальной области по оси излучателя. Изменяя выходную мощность прибора и соответственно интенсивность озвучивания, для каждой частоты получаем возможность согласовывать интенсивность с местоположением области облучения, что необходимо при работе с неоднородной по структуре биологической тканью.The dimensions and position of the focal region of the spherical focusing emitter are determined by the wavelength of ultrasound in the biological tissue (λ), radius R and focal length F of the piezoelectric element (or its opening angle α _m ). So, for a spherical emitter (Fig. 2), the diameter of the focal region d _o , its length L _o and the position of the geometric center Z of the focal region along the axis of the emitter are equal [3]
d _o = 1.22 • λ • F • R ^-1 ; (2)

The piezoelectric element (Fig. 3) is made with varying thickness and radius of curvature depending on the aperture angle, and the maximum ratio of the radius of curvature of the piezoelectric element to the minimum is 2, the ratio of its maximum thickness to the minimum is 1.01-1.2. When the emitter is excited at different frequencies (within the ratio of the maximum frequency to the minimum 1.01-1.2), according to (1), parts of the plate with a thickness corresponding to the excitation frequency will have resonating, having different radii of curvature and aperture angles and forming according to formulas (2 ) - (4) focal regions having different sizes and locations along its axis. Thus, when the frequency changes, a change in the location of the focal region along the axis of the emitter is achieved. By changing the output power of the device and, accordingly, the intensity of scoring, for each frequency we get the opportunity to coordinate the intensity with the location of the irradiation region, which is necessary when working with a heterogeneous structure of biological tissue.

Источники информации
1. Munro P. et all. The Development of Improved Ultrasound Heaters Suitable for Superficial Iissue Heating. - Med. Phys. 9, 1982, p. 886-897.Sources of information
1. Munro P. et all. The Development of Improved Ultrasound Heaters Suitable for Superficial Iissue Heating. - Med. Phys. 9, 1982, p. 886-897.

2. RU 2086178 C1, 10.08.97. 2. RU 2086178 C1, 08/10/97.

3. Розенберг Л.Д. Фокусирующие излучатели ультразвука. В кн.:, Физика и техника мощного ультразвука. - М.: Наука, 1967, с.149-206. 3. Rosenberg L.D. Focusing ultrasound emitters. In the book: Physics and technology of powerful ultrasound. - M .: Nauka, 1967, p.149-206.

Claims

A device for influencing ultrasound on the internal parts of the human body, containing a piezoelectric focusing ultrasound transducer made in the form of a bowl and connected to a power amplifier, the input of which is connected to the output of a modulator connected to a generator configured to control voltage characteristics during excitation, while the emitter ultrasound is placed on a container with contact liquid, the application surface of which is made in the form of a flexible membrane placed on the surface of the object of influence, and its piezoelectric element is made with varying thickness and radius of curvature depending on the aperture angle, characterized in that the maximum ratio of the radius of curvature of the piezoelectric element to the minimum is 2, the ratio of its maximum thickness to the minimum is 1.01 - 1.2, the frequency AC excitation voltage varies within the ratio of the maximum frequency to the minimum in the range of 1.01 - 1.2, while the generator and modulator are connected to the control device, and the intensity programming device included between the control device and the modulator.