RU2540457C2 - Изогнутый высокоинтенсивный фокусированный ультразвуковой (hifu) преобразователь, образованный плиточными сегментами - Google Patents

Abstract

Использование: для контролируемого нагревания тканей тела с помощью высокоинтенсивного фокусированного ультразвука. Сущность изобретения заключается в том, что изогнутый высокоинтенсивный фокусированный ультразвуковой (HIFU) преобразователь содержит множество изогнутых композитных керамических пьезоэлектрических плиток, имеющих противоположные выпуклые и вогнутые поверхности, причем каждая плитка имеет электроды на поверхностях, электрически связанные с композитным керамическим пьезоэлектрическим материалом, и множество областей акустической передачи, находящихся на каждой плитке и возбуждаемых посредством электродов на выпуклой поверхности, причем области передачи и электроды акустически отделены от окружающих областей надрезами в композитном керамическом пьезоэлектрическом материале, при этом множество плиток подогнаны друг к другу, чтобы образовывать, по существу, непрерывную изогнутую композитную пьезоэлектрическую поверхность, которая передает HIFU акустическую энергию. Технический результат: обеспечение возможности создания изогнутого высокоинтенсивного фокусированного ультразвукового (HIFU) преобразователя из малого числа композитных керамических пьезоэлектрических плиток. 14 з.п. ф-лы, 16 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к медицинским диагностическим ультразвуковым системам, в частности к ультразвуковым преобразователям, используемым для управляемого нагревания тканей тела посредством высокоинтенсивного фокусированного ультразвука (HIFU).

Лечебные воздействия создаваемой ультразвуком повышенной температурой используются для широкого диапазона терапевтических целей. При HIFU воздействии ультразвуковая энергия фокусируется на небольшом участке внутри тела так, чтобы нагревать ткани до температуры, достаточной для создания требуемого терапевтического эффекта. Этот метод аналогичен литотрипсии, где сфокусированная энергия достаточно велика для разрушения почечных камней, но со значительно меньшей энергией, которая подается в течение длительного времени, а не коротким импульсом. HIFU техника может использоваться для избирательного разрушения нежелательной ткани внутри тела. Например, опухоли или другие патологические ткани могут быть разрушены посредством применения фокусированной ультразвуковой энергии так, чтобы нагреть клетки до температуры, достаточной для уничтожения ткани, составляющей, как правило, от приблизительно 60°С до приблизительно 80°С, без разрушения соседних нормальных тканей. Другие воздействия с повышенной температурой включают в себя избирательное нагревание тканей так, чтобы избирательно активировать лекарственное средство или способствовать некоторому другому физиологическому изменению на выбранном участке тела пациента.

HIFU-преобразователи часто выполнены в виде сферических или параболических тарелок с радиусом кривизны, который обеспечивает преобразователю геометрическую точку фокуса. См., например, HIFU-преобразователь, описанный в публикации международной патентной заявки под номером WO 98/52465 (Acker и др.). Преобразователь, описанный в этой публикации, образован множеством секций преобразователя, прикрепленных к каркасу с требуемой кривизной. Когда отдельные секции или элементы преобразователя в этих секциях можно возбуждать по отдельности сигналами возбуждения разных фаз и амплитуд, весь преобразователь может управляться по направлению и фокусироваться как фазированная антенная решетка, чтобы поворачивать точку фокуса энергии относительно номинального геометрического фокуса.

Чтобы обеспечить большую энергию, подаваемую преобразователем, необходимо значительное количество секций преобразователя. Преобразователь, который предложен в публикации Acker и др. имеет примерно 15 см в диаметре и имеет множество секций преобразователя, размещенных вокруг его тарелкообразного каркаса. Каждая из секций преобразователя должна быть связана с сигнальными проводниками, и каждая должна работать надлежащим образом, чтобы реализовать желательную фокусировку для нагревания. Это требует значительных усилий на изготовление и проектирование и требует трудоемкого контроля качества и тестирования, чтобы подтвердить, что каждая секция полностью работоспособна. Соответственно, было бы желательно разработать конструкцию преобразователя, которую можно сформировать из меньшего количества компонентов преобразователя, необходимых для сборки. Каждый компонент должен обеспечивать возможность простого изготовления, тестирования и сборки. В предпочтительном варианте элементы преобразователя должны быть высокоэффективными в преобразовании электрической энергии возбуждения в фокусированную акустическую энергию. Применительно к упомянутому известному преобразователю следует отметить, что Acker и др. предложили конструкции преобразователя, выполненные, например, из пьезоэлектрической пленки поливинилиденфоторида (PVDF). Хотя пленка PVDF является гибкой и ей преимущественно можно придать форму изогнутого HIFU-преобразователя, этот материал обычно демонстрирует плохой коэффициент связи и низкую диэлектрическую постоянную. В результате коэффициент преобразования материала для передачи ультразвука может составлять лишь 20% или менее. Энергия возбуждения, которая не преобразуется в акустическую энергию, будет вырабатываться в виде тепла, вызывая нагревание пьезоэлектрической пленки и подложки, к которой она крепится. Было бы также желательно уменьшить такое нагревание в HIFU-преобразователе.

В соответствии с принципами данного изобретения описан сферический HIFU-преобразователь, который образован из малого числа композитных керамических пьезоэлектрических плиток. Плитки являются изогнутыми в двух измерениях, так что они подгоняются друг к другу, чтобы образовывать требуемую сферическую передающую поверхность с требуемым геометрическим фокусом. Каждую плитку можно изготавливать и тестировать по отдельности перед сборкой, гарантируя, что весь преобразователь после сборки будет функционировать в полном соответствии с предписаниями. Во время передачи такие композитные керамические пьезоэлектрические плитки могут продемонстрировать коэффициент преобразования энергии в 80-85%.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 - вид в перспективе согласующего слоя сферического преобразователя, выполненного отдельно для HIFU-преобразователя согласно данному изобретению.

Фиг. 2а - вид с торца листа керамического пьезоэлектрического материала, в котором были сделаны разрезы с целью формирования решетки композитного преобразователя для HIFU-преобразователя согласно данному изобретению.

Фиг. 2b - решетка композитного преобразователя с немагнитным переходным соединением, выполненная в соответствии с принципами данного изобретения.

Фиг. 3 - решетка композитного преобразователя с излучающими элементами и немагнитными переходными соединениями, выполненная в соответствии с принципами данного изобретения.

Фиг. 4 - композитная пьезоэлектрическая плитка до придания ей сферической формы для HIFU-преобразователя согласно данному изобретению.

Фиг. 5 - поперечное сечение размещения композитных пьезоэлектрических плиток на согласующем слое для HIFU-преобразователя согласно данному изобретению.

Фиг. 6 - вид в перспективе задней стороны девятиплиточного HIFU-преобразователя согласно данному изобретению.

Фиг. 7a и 7b - передняя и задняя поверхности изогнутой печатной платы с выступающими гибкими контактами для HIFU-преобразователя согласно данному изобретению.

Фиг. 8 - вид в перспективе задней стороны девятиплиточного HIFU-преобразователя согласно данному изобретению с прикрепленным несущим каркасом для печатных плат согласно фиг. 7a и 7b.

Фиг. 9 - подробное изображение соединения выступающих гибких контактов печатной платы с областями преобразователя в HIFU-преобразователе согласно данному изобретению.

Фиг. 10 - частное поперечное сечение и вид в перспективе HIFU-преобразователя согласно данному изобретению с периферийным каркасом и задней воздуховодной крышкой.

Фиг. 11 - вид сверху задней воздуховодной крышки согласно фиг. 10.

Фиг. 12 - поперечное сечение HIFU-преобразователя согласно фиг. 10.

Фиг. 12а - вид в увеличенном масштабе периферической части HIFU-преобразователя согласно фиг. 12.

Фиг. 13 - вид в перспективе HIFU-преобразователя согласно данному изобретению, когда он вмонтирован в стол для пациентов.

Создание HIFU-преобразователя согласно данному изобретению можно начать с изготовления сферического или тарелкообразного согласующего слоя. Согласующий(е) слой(и) преобразователя обеспечивает(ют), по меньшей мере, частичное согласование акустических свойств пьезоэлектрического преобразователя с акустическими свойствами тела пациента или среды между преобразователем и пациентом. Согласуемые свойства могут включать в себя акустический импеданс, скорость звука и плотность материала. Согласующий слой в традиционной конструкции ультразвукового преобразователя обычно сформирован на слоистой структуре преобразователя и сформирован поверх опорных электродов на излучающей поверхности пьезоэлектрического материала. Для HIFU-преобразователя, описываемого в этом изобретении, сферический согласующий слой сформирован сам по себе, отдельно от остальной части преобразователя. Существуют несколько способов формирования сферического согласующего слоя, включая отливку, формование, термоформование или механическую обработку. Сферический согласующий слой HIFU-преобразователя, описываемого здесь, выполнен из нагруженной эпоксидной смолы, которая нагружена частицами, придающими согласующему слою требуемые для него акустические свойства, как известно в данной области техники. Эти частицы предпочтительно являются немагнитными. При отливке или формовании сферического согласующего слоя наполненную смолу заливают в вогнутое приспособление требуемой сферической формы. Это вогнутое приспособление закрывают выпуклым приспособлением, заставляя жидкую эпоксидную смолу заполнять сферическое пространство между двумя приспособлениями. Эпоксидную смолу отверждают и извлекают из приспособлений, а затем подвергают ее периферическую часть механической обработке, придавая ей окончательную форму. В процессе термоформования формируют планарный лист требуемой толщины из нагруженной смолы, а затем частично отверждают. Потом этот лист размещают поверх нагретого выпуклого или вогнутого приспособления требуемой кривизны, которое разогревает упомянутый лист, так что он становится гибким и соответствующим кривизне приспособления. Когда лист достигает своей требуемой сферической формы, его отверждают и подвергают отделочной обработке. В процессе механической обработки отливают или формуют диск из нагруженной эпоксидной смолы и отверждают его. Затем диск подвергают механической обработке на одной стороне для формирования выпуклой поверхности. Потом диск размещают на вогнутом приспособлении и подвергают другую сторону диска механической обработке для формирования вогнутой стороны сферического согласующего слоя. В конструктивном варианте осуществления законченный сферический согласующий слой, получаемый в результате любого из этих процессов, имеет толщину 0,5 мм, диаметр 140 мм и сферический радиус 140 мм, т.е. размеры и форму готового HIFU-преобразователя. Фиг. 1 иллюстрирует такой сферический согласующий слой 10. Вогнутая поверхность 12 представляет собой излучающую поверхность готового преобразователя, которая обращена к объекту воздействия, и выпуклую поверхность 14, являющуюся металлизированной, чтобы получить возвратный электрод для избыточного сигнала, и покрытую затем композитными пьезоэлектрическими плитками. Таким образом, жесткий согласующий слой обеспечивает форму требуемой кривизны для сборки слоя пьезоэлектрических плиток. Поскольку согласующий слой 10 перед плитками представляет собой непрерывно сформированную поверхность, он обеспечивает требуемую электрическую и внешнюю изоляцию остальной части HIFU-преобразователя от объекта исследования и окружающей среды перед HIFU-преобразователем.

Построение решетки композитного пьезоэлектрического преобразователя начинается с листа 30 керамического пьезоэлектрического материала, как показано на фиг. 2a и 2b. В создаваемом преобразователе лист 30 имеет толщину (Т) 1,2 мм. Сначала сверлят некоторое количество отверстий сквозь лист 30 в тех местах, где желательно иметь электрические соединения от задней стороны к передней стороне (излучающей стороне) преобразователя. Затем эти отверстия заполняют эпоксидной смолой с серебряным наполнителем, чтобы сформировать переходные соединения 32 через лист. Серебряный наполнитель обеспечивает электрическую проводимость и является немагнитным для работы в магнитном поле системы магнитно-резонансной томографии (МРТ). В качестве проводящего наполнителя можно использовать и другой немагнитный проводящий материал. Серебросодержащую эпоксидную смолу отверждают. Потом лист частично надрезают по толщине параллельными надрезами в одном направлении, как показано на изображении края листа 30 на фиг. 2а. Затем лист частично надрезают параллельными надрезами в перпендикулярном направлении, оставляя множество выступающих кверху пьезоэлектрических столбиков 18 и переходных соединений 32. Потом нанесенные надрезы заполняют непроводящей эпоксидной смолой и отверждают ее. Затем верхнюю и нижнюю поверхности листа обрабатывают до глубин, обозначенных пунктирными линиями 34 на фиг. 2а. Это приведет к готовому листу решетки пьезоэлектрических столбиков 18 и проводящих переходных соединений 32 в эпоксидной смоле 36, как показано на фиг. 2b. Готовый лист содержит матрицу 1:3 пьезоэлектрических столбиков, каждый из которых имеет собственный доминантный режим вибрации в своем продольном направлении по толщине листа и передает ультразвук главным образом по направлению к передней (обращенной к объекту воздействия) стороне преобразователя. Доминантный режим вибрации композитного материала уменьшает нежелательную поперечную передачу через решетку в другие активные области решетки.

Плоский композитный пьезоэлектрический лист подвергают механической обработке с приданием трапециевидной формы, как показано формой периферической части композитной пьезоэлектрической плитки 40 на фиг. 4. В создаваемом HIFU-преобразователе плитки имеют трапециевидную форму согласно фиг. 4, чтобы обеспечить возможность наличия круглой сферической центральной плитки, описываемой ниже. В альтернативном варианте, каждой плитке можно механической обработкой придать форму сектора, так что плитки будут покрывать согласующий слой, а центральная плитка окажется ненужной. Плитки также могут принимать другие геометрические формы, обеспечивающие покрытие сферической поверхности, включая - но не в ограничительном смысле - пятиугольники в сочетании с шестиугольниками, и эти формы можно продемонстрировать на примере панелей футбольного мяча. Затем плоской трапециевидной плитке согласно фиг. 4 придают ее требуемую сферическую кривизну. Поскольку композитный преобразователь сформирован из матрицы, выполненной в эпоксидной смоле, плитку можно нагревать, чтобы размягчить эпоксидную смолу, так что плитка будет соответствовать требуемой кривизне. Это можно сделать посредством размещения плитки 40 на нагретой вогнутой или выпуклой поверхности, а затем обжимая плитку в соответствии с выпуклой и вогнутой формой. Поддерживая требуемую кривизну плитки, приспособление охлаждают, а эпоксидной смоле дают полностью затвердеть. Результатом является композитная пьезоэлектрическая плитка сферической формы для сферического HIFU-преобразователя.

После придания плитке изогнутости верхнюю и нижнюю поверхности 38 металлизируют, напыляя проводящий материал на поверхности листа, как показано для листа 30 на фиг. 3. Проводящий материал предпочтительно является немагнитным, таким как золото либо сплав титана и золота. Металлизированные поверхности электрически соединены проводящими переходные соединениями 32, обеспечивая электрическое соединение от задней поверхности композитного листа к передней. Активные (передающие и принимающие) области композитного пьезоэлектрического листа затем изолируют посредством сверления алмазным сверлом, лазерной сверления или ультразвуковой механической обработки вокруг требуемых областей с задней (выпуклой) поверхности плитки. Несколько таких ограниченных активных областей 44 показаны на фиг. 3 и 4. Надрезы 42, которые ограничивают активные области, проходят через металлизацию поверхности листа, электрически изолируя упомянутые области, и предпочтительно простираются на половину толщины через композитный лист, акустически изолируя активную область от окружающих областей листа и других активных областей. В альтернативном варианте, активные области можно электрически и акустически изолировать после скрепления плиток с согласующим слоем.

В создаваемой плитке активные области 44 не расположены симметрично в рядах или столбцах или окружностях либо других правильных конфигурациях, а расположены неравномерно или произвольно, как показано на фиг. 4. Произвольная конфигурация не допускает сколько-нибудь существенного аддитивного сочетания боковых лепестков акустических диаграмм направленности активных областей, которые могли бы снизить эффективную энергию, подаваемую HIFU-преобразователем.

Затем восемь сферических трапециевидных плиток 40 плотно скрепляют рядом друг с другом вокруг выпуклой поверхности 14 согласующего слоя 10, которая тем самым обеспечивает форму для сборки плиток. Если сферические плитки 40 имеют форму секторов, как описано выше, то эти плитки будут полностью покрывать выпуклую сторону согласующего слоя 10. Если сферические плитки являются трапециевидными, как показано на фиг. 4, они будут покрывать выпуклую сторону согласующего слоя, за исключением центра согласующего слоя. Это круглое сферическое пространство можно оставить незаполненным. В альтернативном варианте, его можно покрывать круглым сферическим проводником, например алюминием, для охлаждения. Возвращающаяся акустическая энергия будет стремиться сфокусироваться в центре HIFU-преобразователя за счет его сферической геометрической формы. Размещение проводника тепла здесь может способствовать охлаждению HIFU-преобразователя. В альтернативном варианте, это пространство можно заполнить круглой сферической композитной пьезоэлектрической плиткой 48. Например, круглому листу согласно фиг. 3 со своими собственными активными областями можно придать сферическую форму и разместить здесь, обеспечивая сплошное композитное пьезоэлектрическое покрытие согласующего слоя 10, как показано посредством вида поперечного сечения трапециевидной и круглой плиток на согласующем слое 10 на фиг. 5. В создаваемом преобразователе этой конструкции, предусматривающей сплошное покрытие, девять плиток могут обеспечить HIFU-преобразователь с 265-ю активными областями, из которых 256 предназначены для передачи, а 9 - для приема.

На фиг. 3 видно, что переходные соединения 32 расположены так, что соединяют металлизированную область вокруг активных областей на задней поверхности с металлизированной областью на передней (обращенной к объекту воздействия) стороне плитки. В создаваемом HIFU-преобразователе металлизированная область вокруг активных областей 44 электрически связана с опорным потенциалом. Переходные соединения 32 подключают этот опорный потенциал к металлизированной поверхности на другой стороне плитки - эта сторона не видна на фиг. 3. Таким образом, переходные соединения используются для подачи опорного потенциала на обращенную к объекту воздействия сторону композитных пьезоэлектрических плиток, а также к металлизации на обращенной к объекту воздействия стороне активных областей 44. Поскольку обращенные к объекту воздействия стороны плиток 40 скреплены с согласующим слоем 10 и поэтому недоступны для электрических соединений, упомянутые переходные соединения обеспечивают необходимое электрическое соединение с передней стороной плитки через лист пьезоэлектрического материала.

Далее отметим, что к задней стороне собранных плиток - посредством соединения, посадки защелкиванием или крепежных деталей - крепится пластмассовый несущий каркас 50, как показано на фиг. 6. В создаваемом преобразователе каждая из девяти плиток 40, 48 доступна между ребрами несущего каркаса. Несущий каркас используется для монтажа восьми трапециевидных и одной круглой печатных плат 52 с промежутками над задними поверхностями композитных пьезоэлектрических плиток 40. Фиг. 7a и 7b иллюстрируют переднюю и заднюю (54) поверхности трапециевидных печатных плат 52. На задней поверхности 54 находятся соединения 56 печатных плат от разъема 57, которые подсоединены посредством металлизированных сквозных отверстий 59 через плату в активных областях HIFU-преобразователя. На передней поверхности печатных плат находятся гибкие металлические контакты 60, которые проходят в пространстве между печатной платой и ее плиткой и электрически соединяют печатные соединения с активными областями 44 и переходными соединениями 32 противолежащей пьезоэлектрической плитки 40. На одном краю печатной платы 52, который расположен на периферическом краю HIFU-преобразователя, находятся охлаждающие пазы 58.

Печатная плата 52 скреплена с несущим каркасом 50 над каждой плиткой, такой как плитка 40, показанная на фиг. 6. Когда печатную плату собирают, таким образом, она выглядит так, как показано посредством печатной платы 52 на фиг. 8. Перед этой сборкой выступающие концы гибких металлических контактов 60 покрывают проводящей эпоксидной смолой. Когда печатная плата собрана на каркасе, концы контактов 60 будут контактировать с металлизированными областями противолежащей плитки и окажутся связанными электрическим соединением с металлизированными областями, когда проводящая эпоксидная смола затвердеет. Таким образом, контакты 60 обеспечивают электрическую связь между печатными платами и активными областями, а также областями опорного потенциала пьезоэлектрических плиток.

Хотя печатные платы можно изготавливать как обычные планарные печатные платы, печатные платы 52 согласно фиг. 7a и 7b предпочтительно имеют сферическую кривизну, согласующуюся со сферической кривизной противолежащих композитных пьезоэлектрических плиток 40, посредством которой они соединены с контактами 60. Печатные платы могут быть искривлены только на стороне, обращенной к плитке, как показано на фиг. 7a, или с обеих сторон. Печатные платы можно формировать в виде изогнутых плат несколькими способами. Один способ начинают с получения толстого планарного листа стекловидного эпоксидного материала платы и механически обрабатывают, например шлифуют, поверхность платы до получения требуемой кривизны. Другим способом является использование термоформования для нагревания материала платы и размягчения эпоксидной смолы с последующим приданием кривизны путем прижатия листа к приспособлению, имеющему требуемую кривизну. Печатные платы могут иметь двухстороннее покрытие и токоведущие дорожки, полученные методами фотолитографии или химического травления, на верхней и нижней поверхностях, взаимосвязанных металлизированными сквозными отверстиями, выполненными в платах. Печатные платы также могут быть многослойными платами, имеющими три или более слоев токоведущих дорожек на поверхностях и в пределах слоев платы для более сложных конфигураций схем повышенной плотности. Жесткие платы 52 также выполнены с возможностью надежного монтажа других электрических компонентов, таких как разъем 57.

Гибкие металлические контакты 60 могут быть выполнены в виде пружин, таких как листовые пружины или винтовые пружины. Пружины дают многочисленные выгоды. Во-первых, они обеспечивают электрическое соединение от печатных плат, позволяющее выдавать сигналы возбуждения и опорный потенциал в пьезоэлектрические области HIFU-преобразователя. Когда используют плоскую - планарную - печатную плату напротив композитной пьезоэлектрической плитки сферической формы, гибкость контактов 60 позволит контактам проходить неодинаковое расстояние 62 между платой 52 и пьезоэлектрической плиткой, оставаясь относительно несжатыми, когда проходимое расстояние больше, и относительно более сжатыми, когда это расстояние меньше. Во-вторых, пружины позволяют оставлять между пьезоэлектрическими плитками пространство 62, которое используется для охлаждения пьезоэлектрических плиток. В-третьих, пружины обеспечивают гибкие электрические соединения, которые позволяют изменять промежутки между печатными платами и плитками посредством нагревания и охлаждения HIFU-преобразователя. В-четвертых, поскольку металлические контакты проводят тепло и проходят в проточном канале для воздуха между пьезоэлектрическим материалом и печатной платой, они будут отводить от пьезоэлектрического материала тепло, которое будет рассеиваться по мере протекания воздуха мимо контактов в упомянутом канале. Эти выгоды можно увидеть на представленном в увеличенном масштабе вида этих соединений на фиг. 9. На этом чертеже показаны контакты 60, выполненные в виде пружинных клемм, которые проходят в охлаждающем пространстве 62 между печатной платой 52 и плиткой 40. Видно, что центральный контакт 60 обеспечивает электрическое соединение с активной областью 44 плитки 40. Эта активная область 44 преобразователя изолирована от окружающей области плитки надрезами 42, идущими через поверхностную металлизацию в композитную пьезоэлектрическую плитку 40. С любой стороны от центрального контакта 60 имеются контакты 60а в виде пружинных клемм, которые соединены с металлизацией над переходными соединениями 32. Таким образом, эти электрические соединения подключают переднюю металлизированную поверхность плитки, которая скреплена с согласующим слоем 10 и потому недоступна для непосредственного электрического соединения, к требуемому электрическому потенциалу, такому как опорный потенциал.

Фиг. 10 иллюстрирует дополнительную компоновку HIFU-преобразователя согласно данному изобретению, в которой согласующий слой 10, композитные пьезоэлектрические плитки 40, несущий каркас 50 и печатные платы 52 установлены в круглый сферический каркас 80, который накрыт задней пластиной 70. Таким образом, задняя пластина 70 ограждает канал 76 для воздуха между задними поверхностями печатных плат 52 и упомянутой пластиной. Задняя пластина включает в себя два отверстия 72 и 74 для воздуха, одно из которых обеспечивает доступ в охлаждающее пространство 62' между центральной печатной платой 52' и центральной пьезоэлектрической плиткой через отверстие в плате 52', а другое - доступ в канал 76 для воздуха между платами 52 и пластиной 70. Задняя пластина 70 показана на виде сверху на фиг. 11. В примере согласно фиг. 10 пластина 70 контактирует с круглым центральным ребром несущего каркаса 50, отделяя охлаждающее пространство 62' от периферийного канала 76 для воздуха. Воздух для охлаждения нагнетается в одно из этих отверстий и выходит из другого, охлаждая композитные пьезоэлектрические плитки 40. Видно, что в отличие от обычной слоевой структуры преобразователя композитные пьезоэлектрические плитки не имеют материала подложки, скрепленного с их задними (неизлучающими) поверхностями. Вместо этого под ними находится охлаждающее пространство 62. Это означает, что нет прикрепленного материала подложки, который нагревается пьезоэлектрическим композитом во время использования. Вместо этого задняя поверхность композиционного пьезоэлектрического материала охлаждается потоком воздуха в охлаждающем пространстве 62 между композитным пьезоэлектрическим материалом и печатными платами 52. Когда воздух нагнетают в отверстие 74, воздух будет течь, например, через центральное охлаждающее пространство 62', через отверстия 64 в несущем каркасе (см. фиг. 8), через охлаждающие пространства 62 между трапециевидными плитками 40 и трапециевидными печатными платами 52, через периферийные пазы 58 печатных плат в канал 76 для воздуха и будет вытекать через отверстие 72. Таким образом, во время использования HIFU-преобразователя возможно непрерывное непосредственное охлаждение задних поверхностей композитных пьезоэлектрических плиток воздухом.

На фиг. 12 представлен вид поперечного сечения через центр HIFU-преобразователя согласно фиг. 10, который дополнительно иллюстрирует элементы системы воздушного охлаждения сборки. На фиг. 12а представлен вид в увеличенном масштабе периферической части сборки, иллюстрирующий пьезоэлектрическую плитку 40, несущий каркас 50 и печатную плату 52, упирающиеся в периферический каркас 80 и накрытые задней пластиной 70.

Фиг. 13 иллюстрирует HIFU-преобразователь согласно данному изобретению, применяемый на столе 28 для пациентов ультразвуковой HIFU-системы 20. На фиг. 13 представлен вид сверху стола для пациентов. Стол 28 для пациентов имеет первый резервуар 24, заполненный подходящей передающей жидкостью, например водой. Из соображений ясности изображения прозрачная мембрана, уплотняющая верх первого резервуара 24, не показана. HIFU-преобразователь 22 размещен в первом резервуаре 24 и выполнен с возможностью излучения энергии высокоинтенсивного фокусированного ультразвука по направлению к пациенту (объекту воздействия), уложенному на спину на столе 28. Вода, находящаяся в резервуаре 24, обеспечивает среду акустической связи между HIFU-преобразователем 22 и пациентом, а также обеспечивает охлаждение передней части HIFU-преобразователя. Чтобы завершить подвод энергии ультразвука, излучаемой из первого резервуара, к объекту воздействия, над первым резервуаром 24 расположен второй резервуар 27, содержащий среду с малым коэффициентом отражения. Для второго резервуара предпочтительно используется подходящая гелевая подушка. Второй резервуар 27 содержит контактную поверхность 27a, на которую укладывают пациента, подлежащего лечебному воздействию. Аппарат 20 дополнительно содержит проем 26, расположенный так, что он гарантирует возможность контроля, например визуального контроля, контактной поверхности 27a между вторым резервуаром 27 и пациентом. Проем 26 предпочтительно выполнен как, по существу, прозрачное окно, через которое медицинский персонал непосредственно или с помощью зеркала либо надлежащим образом расположенной съемочной камеры может контролировать наличие пузырьков между контактной поверхностью 27a и пациентом. В случае когда обнаруживается пузырек воздуха, положение пациента изменяют до тех пор, пока пузырьки воздуха не исчезнут. После этого пациента подходящим образом фиксируют, и можно осуществлять лечебное воздействие. Дополнительное описание HIFU-системы 20 согласно фиг. 3 можно найти в международной публикации заявки на патент под номером WO 2008/102293 (Bruggers).

Claims (15)

1. Изогнутый высокоинтенсивный фокусированный ультразвуковой (HIFU) преобразователь, содержащий:
множество изогнутых композитных керамических пьезоэлектрических плиток, имеющих противоположные выпуклые и вогнутые поверхности,
причем каждая плитка имеет электроды на поверхностях, электрически связанные с композитным керамическим пьезоэлектрическим материалом, и
множество областей акустической передачи, находящихся на каждой плитке и возбуждаемых посредством электродов на выпуклой поверхности, причем области передачи и электроды акустически отделены от окружающих областей надрезами в композитном керамическом пьезоэлектрическом материале,
при этом множество плиток подогнаны друг к другу, чтобы образовывать, по существу, непрерывную изогнутую композитную пьезоэлектрическую поверхность, которая передает HIFU акустическую энергию.

2. Изогнутый HIFU-преобразователь по п.1, в котором композитные керамические пьезоэлектрические плитки содержат слой керамических пьезоэлектрических столбиков, заключенных в эпоксидной смоле и образующих композитную матрицу 1:3.

3. Изогнутый HIFU-преобразователь по п.2, в котором каждая область акустической передачи дополнительно содержит множество керамических пьезоэлектрических столбиков композитной матрицы.

4. Изогнутый HIFU-преобразователь по п.1, в котором каждая из пьезоэлектрических плиток дополнительно демонстрирует частично сферическую форму с трапециевидной периферической частью.

5. Изогнутый HIFU-преобразователь по п.1, в котором области акустической передачи акустически разделены периферическими надрезами, проходящими через пьезоэлектрический материал, по меньшей мере, на половину толщины.

6. Изогнутый HIFU-преобразователь по п.1, дополнительно содержащий, по меньшей мере, одну область акустического приема, находящуюся на каждой плитке и возбуждаемую посредством электрода на выпуклой поверхности.

7. Изогнутый HIFU-преобразователь по п.1, в котором области передачи на плитке окружены электродной областью, которая связана с опорным потенциалом.

8. Изогнутый HIFU-преобразователь по п.7, в котором электрод на вогнутой поверхности дополнительно содержит металлизированный слой, связанный с опорным потенциалом.

9. Изогнутый HIFU-преобразователь по п.8, в котором электрод на вогнутой поверхности связан с электродной областью опорного потенциала на выпуклой поверхности посредством проводящего переходного соединения, проходящего через композитную керамическую пьезоэлектрическую плитку.

10. Изогнутый HIFU-преобразователь по п.1, в котором вогнутая поверхность дополнительно содержит акустическую излучающую поверхность, обращенную к объекту воздействия.

11. Изогнутый HIFU-преобразователь по п.1, в котором множество плиток подогнаны друг к другу и скреплены с изогнутым согласующим слоем, имеющим выпуклую кривизну, согласующуюся с вогнутой кривизной поверхности композитной пьезоэлектрической поверхности.

12. Изогнутый HIFU-преобразователь по п.1, в котором каждая из пьезоэлектрических плиток дополнительно демонстрирует частично сферическую форму с периферической частью в форме сектора.

13. Изогнутый HIFU-преобразователь по п.1, в котором каждая из пьезоэлектрических плиток дополнительно демонстрирует частично сферическую форму с трапециевидной периферической частью, определяющей центральную область в центре преобразователя, когда плитки подогнаны друг к другу,
при этом в центральной области находится сферическая плитка в форме диска.

14. Изогнутый HIFU-преобразователь по п.1, в котором каждая из пьезоэлектрических плиток дополнительно демонстрирует частично сферическую форму с трапециевидной периферической частью, определяющей центральную область в центре преобразователя, когда плитки подогнаны друг к другу,
при этом в центральной области находится охлаждающий элемент.

15. Изогнутый HIFU-преобразователь по п.1, в котором композитные керамические пьезоэлектрические плитки содержат слой керамических пьезоэлектрических столбиков, заключенных в эпоксидной смоле и образующих композитную матрицу 1:3, при этом и пьезоэлектрические композитные столбики 1:3, и надрезы в композитном керамическом пьезоэлектрическом материале, окружающие области акустической передачи, действуют для уменьшения поперечной акустической передачи через пьезоэлектрический материал.

Images