TWI592141B - 超音波探頭結構 - Google Patents

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Description

超音波探頭結構
本發明係為一種利用壓電換能器的操作頻率、曲率半徑與孔徑來決定偵測範圍區域的超音波探頭結構。
目前穿刺手術廣泛應用於臨床，例如麻醉(anesthesia)、止痛(analgesia)、切片檢查(biopsy)、抽吸(aspiration)等等。對於穿刺部位(site)處於骨組織附近的狀況，醫師經常憑藉其專業訓練與臨床經驗將穿刺針避開骨組織，然而，此種肉眼看不到穿刺過程的方法(blind process)會造成穿刺針扎傷骨組織的案例。
近年來，使用超音波影像導引穿刺針之技術開始應用於臨床。早期，醫生藉由兩手操作穿刺針，需再請另一助手操作超音波探頭，以擷取所要的組織影像，整個穿刺過程醫師操作不便以及耗時。隨後發展為醫生單手拿著超音波探頭，另一隻手(慣用手)進行穿刺，然而，一旦非慣用手對超音波探頭控制不佳或是疲勞造成探頭移動，則會導致影像必須重新尋找及穿刺針滯留於體內過久之問題，甚至於造成穿刺針刺到骨組織，致使病患疼痛。因此，雖然有超音波影像導引，但是醫師仍需要高難度的操作技術，即可能造成穿刺手術失敗。
另外，目前用於導引穿刺手術之市售超音波系統有GE LOGIQ e、Philips HD11 XE、SonoSite MicroMaxx、Zonare Medical Systems z.one ultra等等，然而，這些系統中的超音波探頭並未與穿刺針整合，而是各自獨立操作的元件，依然存在醫師操作不便、耗時與穿刺手術失敗等問題。再者，單純針對穿刺針避開骨組織之應用，市售之超音波影像系統明顯是殺雞用牛刀，成本相對提高。
因此，本發明之目的在於解決上述之問題。本發明之超音波探頭其特點在於探頭結構與穿刺針作整合，進而達成醫師方便操作超音波探頭偵測骨組織且同步導引穿刺針之目的。偵測骨組織原理乃使用超音波A-mode方式，藉由骨組織與其他組織之間回波訊號強度明顯的差異達到辨識效果。
本發明的優勢之一乃結合穿刺針之超音波探頭設計。探頭的幾何中心因應穿刺針之外徑而設計一個適當的通道，以利穿刺針進出。探頭的外型設計為手持式且重量輕，易於醫師掌控。
本發明的另一個優勢為A-mode超音波探頭操作相對簡易，而且探頭產生與接收超音波之換能器與後端系統相對低成本。
本發明另一個優勢則是超音波探頭包含至少兩種不同焦長(focal length)、孔徑(aperture diameter)與操作頻率(operation frequency)之壓電換能器(piezoelectrical transducers)，依據穿刺部位鄰近骨組織的結構與分佈，可以設計出最佳的焦長與頻率。
本發明另一個優勢是超音波探頭利用具備生物相容、耐高低溫、耐酸鹼腐蝕、高絕緣之材料進行真空鍍膜封裝，所以探頭在經過手術用器械之標準滅菌處理後，其工作特性不受影響，且在穿刺手術完成後可與穿刺針一同拋棄。
為達到上述的優勢，本發明所運用的超音波探頭結構，至少包括：一超音波探頭，其中心處設有一空心通道；一穿刺針，係穿插到超音波探頭的空心通道內；多個壓電換能器，係環繞著空心通道來排列；並且利用各個壓電換能器的焦區寬度與操作頻率來決定該超音波探頭的偵測範圍區域。
其中本發明之技術特徵與實施例，將配合圖示在如下的實施方式中詳細說明，讓本發明所屬技術領域中具有通常知識者，能瞭解其內容，並可據以實施。
本發明的超音波探頭有兩種壓電換能器構造與相對應的操作原理，將分別說明如下。
本發明的超音波探頭1的探頭中心係為一貫穿探頭之圓截面直線空心通道(circular straight hollow tunnel)2，如圖一A及圖一B所示，此空心通道2的直徑大小D係依據穿刺針的直徑而設計。並且該超音波探頭1內包含多個壓電換能器(transducer)。本案之實施例，係以四個壓電換能器來做為說明，請同時參閱圖一C所示。每個壓電換能器均為圓形碗狀(spherical bowl)構造，並且所有的壓電換能器均環繞著空心通道2來排列，該排列方式為每個壓電換能器的曲率中心均位在超音波探頭1的O-Z中心線上，例如圖一A及圖一B所示的曲率半徑為r1-r4的壓電換能器一31、壓電換能器二32、壓電換能器三33及壓電換能器四34。如此的排列設計可以確保每個壓電換能器都能夠擷取到在穿刺針前進之路徑上最強的組織回波訊號。並且可以設計壓電換能器的曲率半徑與孔徑(aperture diameter)來讓超音波探頭1能偵測出由淺而深的A-mode訊號，如圖一A及圖一B所示的壓電換能器一31、壓電換能器二32、壓電換能器三33及壓電換能器四34之曲率半徑係為r1<r2<r3<r4，因此該超音波探頭1能偵測的深度範圍為C1-C4。
請參閱圖二A及圖二B，以進一步說明本發明壓電換能器3之設計。本發明之超音波探頭1在O-Z深度方向的偵測範圍，主要係由各個壓電換能器3的焦區寬度(width of the focal zone)所決定。壓電換能器3的孔徑為2ai，曲率半徑為ri，則此壓電換能器3之f數(f-number)定義為ri/2ai。該壓電換能器3的焦區寬度與f-number成正比關係，因此藉由f-number來調整焦區寬度。然而，在增加焦區寬度同時，壓電換能器3的側向解析度(lateral resolution)亦會被降低，可以藉由操作頻率與焦區長度(focal depth)成反比之 關係來提高側向解析度。因此，本發明之超音波探頭1可以經由設計數個不同之壓電換能器3來調整深度方向的偵測範圍，以符合不同的臨床應用需求。
另一種壓電換能器之構造如圖三A及圖三B所示，超音波探頭1的探頭中心仍是一貫穿探頭之圓截面直線空心通道2，此空心通道2的直徑大小D仍依據穿刺針的直徑而設計。並且該超音波探頭1內包含多個壓電換能器(transducer)3。本案之實施例，係以兩個壓電換能器3來做為說明。兩個壓電換能器3均為彎曲環形狀(curved ring)構造，並且其曲率中心C1及C2均位在超音波探頭1的O-Z中心線上，例如圖三A所示的曲率半徑為r1及r2的壓電換能器一31’及壓電換能器二32’。如此的排列設計可以確保每個壓電換能器3都能夠擷取到在穿刺針4前進之路徑上最強的組織回波訊號。並且可以設計壓電換能器3的操作頻率、曲率半徑與孔徑來讓超音波探頭1能偵測出由淺而深的A-mode訊號。此構造之超音波探頭能偵測的深度範圍則由每個壓電換能器3之焦區長度所決定，而且側向解析度由焦區寬度所決定。如圖三C所示的焦區一311’及焦區二321’乃由壓電換能器一31’及壓電換能器二32’所產生，焦區一311’的長度與焦區二321’的長度分別為d1與d2，因此該超音波探頭1能偵測的深度範圍為d1+d2。
本發明的作用原理，請參閱圖四A及圖四B所示。在穿刺針4未插入皮膚5之前，醫師可操作本發明之超音波探頭1沿著Y或X方向移動，如圖四A所示。藉由組織回波訊號之強弱來辨識骨組織。當淺層骨組織與超音波探頭1中心點距離dOA落在壓電換能器一31或壓電換能器二32可偵測的範圍內時，最大組織回波訊號與超音波探頭1在Y或X方向上位置之關係，會如圖四B所示，Vp1與Vp2分別表示壓電換能器一31與壓電換能器二32偵 測到最大之回波電壓(peak amplitude of echo signal)。
另外，由圖四B所示，當本發明之超音波探頭1其O-Z中心線經過骨組織A時，回波訊號電壓值相對高，此時醫師可將超音波探頭1往Y或X方向移動。當回波訊號電壓降至相對低時，醫師可繼續同方向移動直到回波訊號電壓變高，如此，醫師可以獲悉低回波訊號的範圍進而辨識出在Y或X方向上非骨組織(non-bon)的區域。一旦確認非骨組織的區域，醫師便開始進針。
當穿刺針4進入人體後，位於較深層的骨組織便由壓電換能器三33或壓電換能器四34來偵測其回波訊號，而進針的深度dON可由穿刺針4上的刻度來計算，醫師可以藉由dON值來確認當下該看壓電換能器三33或壓電換能器四34的回波訊號。當穿刺針4遇到如圖五A所示之狀況時，壓電換能器三33或壓電換能器四34偵測到最大之回波電壓Vp3與Vp4會呈現相對高值。如圖五B所示，當θX或θY為0度時，Vp3與Vp4相對高。此時，醫師可將超音波探頭1就Y軸或X軸進行旋轉，當旋轉角度θX或θY落在某一範圍時，也就是超音波探頭1的O-Z中心線未經過骨組織A與骨組織B時，Vp3與Vp4會呈現相對低值。此時醫師可以繼續進針以完成手術。以此類推，本發明可以設計不同之壓電換能器來因應不同深度之穿刺手術，以輔助醫師在進行穿刺手術時降低穿刺針4刺傷骨組織的事件發生。
本發明的換能器構造如圖三A及圖三B所示的作用原理與上述原理相似，皆可藉由不同壓電換能器之焦區大小來偵測距離皮膚深淺的骨組織。
本發明前述之實施例並非用以限定本發明，任何熟習相關技術者，在不脫離本發明之精神和範圍內所為之更動與潤飾，均屬於本發明之專利保護範圍。
1‧‧‧超音波探頭
2‧‧‧空心通道
3‧‧‧壓電換能器
31、31’‧‧‧壓電換能器一
311’‧‧‧焦區一
32、32’‧‧‧壓電換能器二
321’‧‧‧焦區二
33‧‧‧壓電換能器三
34‧‧‧壓電換能器四
4‧‧‧穿刺針
5‧‧‧皮膚
圖一A為本發明之構造一探頭中心之YZ平面剖面圖。
圖一B為本發明之構造一探頭中心之XZ平面剖面圖。
圖一C為本發明之構造一探頭中心之XY平面剖面圖。
圖二A為本發明之壓電換能器結構一的X’Y’平面剖面圖。
圖二B為本發明之壓電換能器結構一的Y’Z’平面剖面圖。
圖三A為本發明之構造二探頭中心之XZ或YZ平面剖面圖。
圖三B為本發明之構造二探頭中心之XY平面剖面圖。
圖三C為本發明之壓電換能器結構二之XZ或YZ平面剖面圖。
圖四A為本發明穿刺前的作用原理示意圖。
圖四B為本發明穿刺前的回波訊號示意圖。
圖五A為本發明穿刺中的作用原理示意圖。
圖五B為本發明穿刺中的回波訊號示意圖。
1‧‧‧超音波探頭
2‧‧‧空心通道
31‧‧‧壓電換能器一
32‧‧‧壓電換能器二
33‧‧‧壓電換能器三
34‧‧‧壓電換能器四

Claims (6)

  1. 一種超音波探頭結構，至少包括：一超音波探頭，其中心處設有一空心通道，該空心通道位在超音波探頭的中心線上並允許一穿刺針穿插到該空心通道內；多個壓電換能器，包括至少兩種不同焦長、孔徑與操作頻率之壓電換能器，該些壓電換能器係環繞著空心通道來排列而可環繞該穿刺針，該些壓電換能器的形狀為倒圓形碗狀或倒彎曲環狀，該些壓電換能器至少有兩個不同的曲率半徑(ri)且該些壓電換能器的排列方式係為各個壓電換能器之曲率中心均位在超音波探頭的該空心通道的中心線上；並且利用各個壓電換能器的焦區大小與操作頻率來決定超音波探頭的偵測範圍區域。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之超音波探頭結構，其中該空心通道的直徑大小係依據穿刺針的直徑而設計。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之超音波探頭結構，其中該壓電換能器的形狀為倒圓形碗狀之偵測深度範圍由一焦區寬度所決定，而該壓電換能器的形狀為倒彎曲環狀之偵測深度範圍由一焦區長度所決定。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之超音波探頭結構，其中該焦區寬度係利用f數與操作頻率來調整，該f數定義為ri/2ai，ri為壓電換能器的曲率半徑，2ai為壓電換能器的孔徑。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之超音波探頭結構，其中該焦區長度係利用f數與操作頻率來調整。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之超音波探頭結構，其中該壓電換能器的形狀為倒圓形碗狀或壓電換能器的形狀為倒彎曲環狀皆可藉由提高操作頻率來提升側向解析度。
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