TWI651109B - 治療型超音波裝置及其用途 - Google Patents

Abstract

本發明係揭示一種治療型超音波裝置，其係由至少一可組裝之弧形超 音波換能器所組成，該可組裝之弧形超音波換能器係包含一突出部、一凹部及複數個壓電振動部，該突出部及該凹部係分別位於該可組裝之弧形超音波換能器之兩端，且該些壓電振動部係位於該可組裝之弧形超音波換能器之內側弧面；透過不同數量之該可組裝之弧形超音波換能器搭配使用，或於相互組接後獲得一環形超音波裝置，即可因應各種不同組織相應之軀體大小及之焦區需求，而廣泛應用在各種不同適應症之治療上。

Description

治療型超音波裝置及其用途

本發明係關於一種超音波裝置，尤其特指一種可於各種不同目標組織產生不同焦距之高強度聚焦超音波(High Intensity Focused Ultrasound；HIFU)或低強度聚焦超音波(Low Intensity Focused Ultrasound；LOFU)，而得以破壞細胞或刺激細胞之治療型超音波裝置。

聚焦超音波(Focused Ultrasound)係指透過超音波換能器(ultrasonic transducer)之幾何凹形或調變電子相位將超音波光束(ultrasound beams)集中在一小範圍以匯聚形成一焦區(focal zone)，並由輸入功率來決定超音波換能器所形成之聚焦超音波為高強度聚焦超音波(High Intensity Focused Ultrasound；HIFU)或低強度聚焦超音波(Low Intensity Focused Ultrasound；LOFU)；一般來說，高強度聚焦超音波可於目標組織上產生高溫或機械效應，低強度聚焦超音波則可於目標組織產生中微溫或壓力，以達到破壞組織或刺激組織的效果，為了考量其安全性，以聚焦超音波進行治療時，通常是將超音波搭配磁振造影技術(Magnetic Resonance Imaging；MRI)或超音波造影技術(Ultrasound Imaging)以實現即時成像來輔助治療的進行。

利用高強度聚焦超音波或低強度聚焦超音波進行體內組織治療 是一種非侵入性的治療方法，其具有無切口、可局部治療、低副作用、無需麻醉、無需住院及恢復期短等優點，因此在臨床治療上廣為使用，更由於其治療過程不受腫瘤大小及形狀的限制，近十年來全球相關研究單位已針對各式癌症陸續提出以高強度聚焦超音波為基礎之治療方式，美國食品藥物管理局(Food and Drug Administration；FDA)已於2004、2012、2015及2016核准四種超音波治療系統，其所治療之疾病分別為子宮肌瘤(uterine fibroids)、骨癌疼痛(pain induced by bone cancer)、攝護腺癌(prostate cancers)及原發性顫抖症(essential tremor)；目前，仍有許多研究單位針對腦瘤、阿茲海默症、中風、腦創傷、乳房腫瘤、肝腫瘤、胰臟癌及高血壓等適應症持續不斷開發、精進之中。

以高強度聚焦超音波或低強度聚焦超音波作為治療超音波之系統中，其超音波換能器(ultrasonic transducer)是最關鍵的元件，其係電信號與超音波之間的轉換器，並可依據工作原理及使用材料區分為壓電換能器、靜電換能器(亦稱電容換能器)、磁致換能器、電磁聲換能器及機械換能器等；依據現有技術於臨床的使用經驗，在治療過程中仍存在著一些有待改善的問題；其中，由於不同組織在人體內受到的屏蔽不相同，例如：位於胸腔的器官受到胸骨屏蔽或腦組織受到頭骨的屏蔽等，且不同組織距離體表的距離亦不相同，以至於對各種不同組織施用高強度聚焦超音波或低強度聚焦超音波時，超音波束處理焦區及超音波束強度亦應隨之有所不同，此外，如果想對不同組織施予不同的治療原理，例如：破壞細胞或刺激細胞，則更增加考量因子的複雜性；於此，如以球型碗狀(spherical-bowl)的超音波換能器對各種不同組織進行高強度聚焦超音波治療，則可能因皮膚上的聲窗口(acoustic window)狹窄，以及聲窗路徑(acoustic path)垂直於非目標組織，因而導致皮膚或非目標組織燒傷；此外，由於 以碗狀超音波換能器所形成的單一超聲波，係於標的組織上誘發公釐單位(mm scale)之焦區，以致於當其用以治療公分單位(cm scale)之組織時需耗費較長的時間，而若為了各種不同組織設計不同幾何尺寸的超音波換能器，則又有增加操作繁雜及設備成本的問題。

根據上述現有技術中有持改善的問題，本發明遂提出一種治療型超音波裝置，其可廣泛應用於身體內各種不同組織的疾病治療及保健預防，除了可降低製造及開發超音波換能器之成本外，同時亦可降低非目標組織於治療過程中燒傷的風險並提高治療效率。

基於上述之目的，本發明於一方面係提出一種治療型超音波裝置，其係包含至少一個可組裝之弧形超音波換能器；一突出部，係分別設置於該可組裝之弧形超音波換能器之一端；一凹部，係分別相對於該突出部設置於該可組裝之弧形超音波換能器之另一端；以及複數個壓電振動部，係位於該可組裝之弧形超音波換能器之內側弧面。

於本發明之一實施例中，該可組裝之弧形超音波換能器係組裝為一環形超音波裝置或一圓柱形超音波裝置。

於本發明之一實施例中，該突出部係組接於該凹部以組裝為該環形超音波裝置或該圓柱形超音波裝置。

於本發明之一實施例中，該可組裝之弧形超音波換能器係相位陣列(phased array)超音波換能器。

於本發明之一實施例中，該些壓電振動部更分別包含一壓電感測件。

於本發明之一實施例中，該弧形超音波換能器之幾何參數係曲率半徑R介於5至25公分、直徑D介於10至40公分及高度H介於1至3公分。

此外，本發明亦針對前述之治療型超音波裝置提出一種該治療型超音波裝置用於對組織產生熱效應或/及機械作用之用途。

於本發明之一實施例中，該環形超音波裝置、該圓柱狀形超音波裝置或該弧形超音波換能器係於組織微環境中誘發空穴效應(cavitation)以對組織產生機械作用。

於本發明之一實施例中，對組織產生高溫熱效應係導致凝固性細胞壞死(coagulative necrosis)或細胞死亡。

於本發明之一實施例中，對組織產生微溫熱效應或/及壓力作用係導致細胞活化、細胞分化或細胞再生。

於本發明之一實施例中，當治療型超音波裝置用於乳房組織或腦組織時，該環形超音波裝置係由四個該弧形超音波換能器所組裝而成。

10‧‧‧弧形超音波換能器

12‧‧‧突出部

14‧‧‧凹部

16‧‧‧壓電振動部

圖1係本發明之第一實施例之弧形超音波換能器示意圖。

圖2A-2B係本發明之一實施例之消融測試材料示意圖。

圖3A-3F係本發明之一實施例之模擬強度輪廓示意圖。

圖4係本發明之一實施例之HIFU功率、組織仿體初始溫度及操作時間與形成 組織仿體破壞之相關性。

圖5係本發明之一實施例之活體外消融試驗結果圖。

圖6A-6B係本發明之一實施例之活體外消融試驗結果圖。

圖7係本發明之第二實施例之弧形超音波換能器示意圖。

圖8係本發明之第三實施例之環形超音波裝置示意圖。

圖9係本發明之第四實施例之環形超音波裝置示意圖。

透過幾何原理或電子式操控將超音波束聚焦，以於特定目標組織上形成焦區(focal zone)，稱之為聚焦超音波(focused ultrasound)；現有技術中，利用聚焦超音波進行超音波治療的系統，存在一些有待改善的技術問題，其一，當標的組織鄰近於皮膚時，由於皮膚的聲窗口(acoustic window)較為狹窄，以致於使用習知球形碗狀超音波換能器(spherical-bowl focused ultrasound transducer)進行治療時，往往造成聚焦超音波於皮膚上形成高能量密度而導致皮膚灼傷；其二，由習知球形碗狀超音波換能器所發射之超音波，其傳導方向係垂直於位於標的組織後方之非標的組織，因而使得超音波施用於非標的組織上；其三，習知球形碗狀超音波換能器僅能形成小範圍焦區，其僅能以「點」的形式來進行小範圍治療，因此當其用於治療面積較大的標的組織時，需耗費較長的治療時間；再者，如欲針對各種不同組織個別設計超音波裝置，除了將提高臨床操作的繁複性之外，亦不符合成本效益；有鑑於此，本發明提出了一種治療型超音波裝置，其係由一個或多個單一幾何規格弧形超音波換能器組裝而成，以因 應各種不同組織相對應之軀體大小，亦可針對不同部位的組織相對於體表的距離差異性來調整超音波束焦區落點，達到以一種幾何規格之弧形超音波換能器即可符合各種組織需求的目的，同時本發明之治療型超音波裝置所產生之聚焦超音波，其聲窗路徑係平行於非標的組織，更可達到降低非標的組織燒傷之功效；此外，本發明更將前述之治療型超音波裝置用於對組織產生熱效應或/及機械作用之用途上，而得以廣泛應用在各種適應症之治療；以下，將針對本發明之裝置及其用途進行說明。

請參閱圖1，其係本發明之第一實施例之弧形超音波換能器示意圖；如圖所示，弧形超音波換能器10係包含突出部12、凹部14及壓電振動部16，其中，該突出部12及該凹部14係分別設置於該弧形超音波換能器10之兩端，亦即，如該突出部12設置於該弧形超音波換能器10之一端，則該凹部14係相對於該突出部12設置於該弧形超音波換能器10之另一端，此外，該些壓電振動部16係設置於該弧形超音波換能器10之內側弧面。

承上述，該弧形超音波換能器10之幾何參數係分別為曲率半徑 R 介於5至25公分、孔徑 D 介於10至40公分及高度H介於1至3公分。

此外，該突出部12係用以組接於該凹部14，進一步而言，位於一第一弧形超音波換能器10上之該突出部12或該凹部14可與一第二弧形超音波換能器10上之該凹部14或該突出部12相互組接，因而形成一環形超音波裝置或一圓柱形超音波裝置；由於該弧形超音波換能器10係對稱弧形結構，因此，不會因該突出部12及該凹部14於該弧形超音波換能器10兩端設置的相對位置而產生該弧形超音波換能器10使用方向性的差異，再者，該突出部12及該凹部14之數 量可視該弧形超音波換能器10之尺寸來決定，而不應受到限制。

由於不同組織係位於人體中不同的位置，相對而言，遮蔽不同組織之軀體大小(例如頭顱、四肢、上軀幹或下軀幹)及生物結構(例如頭骨、胸骨或脂肪組織)亦有所差異，軀體大小、生物結構及組織位置則又影響欲實施治療之超音波換能器所需要的尺寸及施用的角度，舉例來說，如目標組織位於上軀幹(例如肝臟或乳房)，其相較於其他目標組織，例如位於頭顱內的腦組織，所需要的超音波換能器尺寸亦相對較小，而同樣位在上軀幹的肝臟或乳房，超音波換能器施用於兩組織之角度亦有所不同；據此，本實施例係可依據不同軀體大小的需求，相應選擇不同數量之弧形超音波換能器10，於一較佳實施例中，可選擇一個或兩個弧形超音波換能器10，並在不組接的情況下搭配使用，於另一較佳實施例中，亦可選擇兩個或四個弧形超音波換能器10，並透過該些弧形超音波換能器10兩端之該突出部12與該凹部14相互組接，以獲得符合各種尺寸軀體之該環形超音波裝置或該圓柱形超音波裝置，而得以將該環形超音波裝置或該圓柱形超音波裝置環設於目標組織之外圍，如此，即可排除習知技術無法以單一幾何規格之超音波換能器因應各種不同組織之限制，除能降低設備及開發成本，亦可減少臨床醫療的繁複性。

再者，由於環形超音波裝置及兩個未組接之弧形超音波換能器10之聲窗口(acoustic window)空間足夠，致使超音波束之能量得以分散在被環繞之軀體周圍，因此可以避免超音波束於前場累積能量而產生過熱現象，不易造成皮膚或正常組織的燒傷；於某些特定實施例中，由於本實施例之環形超音波裝置或弧形超音波換能器10所發射之超音波束與骨組織互為平行方向時，更可避 免習知因聚焦超音波束垂直於骨組織導致照射後直接傷及骨組織，或因聚焦超音波照射骨組織後產生的反射而傷及皮膚以及其他非目標組織。

另一方面，該些壓電振動部16(piezoelectric part)係由壓電材料所製備而成，所謂壓電材料，係指能將機械能與電能相互轉換之電介質材料，如此，該些壓電振動部16即可於接收電訊號或超音波束時產生壓電效應，而得以作為電訊號及超音波束之間的轉換器；於本發明之一實施例中，該些壓電振動部16可分別被獨立地驅動，當與操作頻率相同之電訊號輸入至該些壓電振動部16時，該些壓電振動部16即可對應產生相同頻率的超音波束，於一較佳實施例中，該些壓電振動部16的操作頻率係介於0.2百萬赫茲(MHz)至4.0百萬赫茲(MHz)，驅動該些壓電振動部16的電訊號模式可以是連續式(continuous)、突發式(burst)或脈衝式(pulse)。

此外，該些壓電振動部16更可分別包含一壓電感測件(圖未示)(piezoelectric sensor)，當每一該些壓電振動部16發射的超音波束傳遞至聲阻抗(acoustic impedance)不同的兩組織界面時將產生回波訊號，並由原發射超音波束之該些壓電振動部16上的該壓電感測件所偵測，接著，藉由計算該些壓電振動部16受驅動而發射出超音波束直至由目標組織產生回波訊號之間的時間差，來調整每一該些壓電振動部16的驅動相位(phase)，進一步而言，透過調控驅動相位可使超音波束匯聚而形成焦區(focal zone)，並且可電子式移動焦區以於治療過程中執行動態聚焦(dynamic focusing)與焦區導航(focal steering)，進而持續於目標組織之不同位置形成超音波束焦區，再者，由於該些壓電振動部係排列於該弧形超音波換能器10之內側弧面，因此，透過調控驅動相位亦可分別產生單一超 音波束焦區或多個超音波束焦區，進而分別處理小區域組織(mm-scale)或大區域(cm-scale)組織；如此，對於各種不同的目標組織，即可透過前述之發射超音波束與偵測回波訊號之時間差來調整該些壓電振動部16之驅動相位參數，以確保超音波束得以持續並準確地聚焦在目標組織上，以排除習知因超音波束焦區落點偏差而產生非目標組織燒傷的現象，更可一次產生多個超音波束焦區，提升治療效率。

又，當超音波束之焦區落在目標組織時，將於組織周圍微環境(microenvironment)中形成微泡(microbubble)，並在微泡與超音波束交互作用下產生空穴效應(cavitation)，當微氣泡在超音波正負壓作用下破裂，則產生破壞組織的慣性空化(Inertial cavitation)，若是在穩定的超音波壓力下，氣泡周期性膨脹縮小而不破裂，則產生對刺激細胞的穩定空穴(Stable cavitation)。

另外，聚焦超音波束對目標組織產生熱效應係引發組織缺血或蛋白質變異(protein denaturation)，造成無法輸送氧氣及其他營養物質至組織或直接造成細胞凝固性壞死(coagulative necrosis)，亦可稱之為熱消融(Thermal ablation)；由聚焦超音波束引起的熱效應又可分為高溫加熱或微溫加熱，於本發明之一實施例中，高溫加熱之溫度範圍係介於55℃至85℃，加熱時間則係介於5至10秒，較佳者，係可對目標組織以60℃處理6秒，以達到破壞細胞的功效，而微溫加熱之溫度範圍係介於40℃至50℃，加熱時間則係介於10至30分鐘，較佳者，係可對目標組織以43℃處理30分鐘，同樣可以達到破壞細胞的功效；據此，係可將高強度聚焦超音波應用於消除良性囊腫或惡性腫瘤上。

另一方面，以微溫加熱搭配短時間處理目標組織，則可對目標組 織產生刺激細胞之功效，較佳者，係可對目標組織以40℃處理5分鐘以達成刺激並活化細胞之目的，據此，則可將低強度聚焦超音波應用在再生醫學、疾病預防或組織保健上；而穩定空穴的機械作用則能夠對目標組織產生機械擾動(mechanical agitation)，進而改變細胞之間物理特性，從而促使藥物遞送至目標組織。

最後，脈衝式聚焦超音波可以產生局部的力或壓力於目標組織或細胞上，該作用力或壓力不會產生組織細胞的熱效應，而單純作為組織或細胞的刺激源。

本發明之其他特色及優點將於下列實施範例中被進一步舉例與說明，而該實施範例僅作為輔助說明，並非用於限制本發明之範圍。

材料與方法

製備弧形超音波換能器

本發明之一實施例之壓電元件係選用PZT4陶瓷片(Ceramic Transducer Design,Taiwan)所製成，該陶瓷片用於高電力裝置時具備高去極化電壓(depoling voltage)及低介電損耗(dielectric losses)的特性；16個曲率半徑為10公分的壓電芯片係利用環氧樹脂(epoxy)膠合到直徑為20公分的弧形丙烯酸樹脂外殼上，且壓電芯片與丙烯酸樹脂外殼之間的縫隙以環氧樹脂以防水，換能器中係使用30-AWG同軸電纜(D1370115BT,Wellshow Technology,Taiwan)進行電性連接，且所使用的材料均為非鐵類材料，使本發明之弧形超音波換能器得以相容於磁振造影系統(magnetic resonance imaging,MRI)。

參數量測

壓電元件之阻抗值係利用電阻分析儀(Impedance Analyzers 6500B,Wayne Kerr Electronics,UK)量測，匹配電路(matching circuits)則是以Smith Chart軟體設計(Smith V3.10,Bern University of Applied Sciences,Switzerland)，以符合阻抗位相接近0°，且阻抗振幅於頻率為1.0MHz時接近50歐姆(Ω)之需求；弧形超音波換能器之電聲轉換效率(electroacoustic conversion efficiency)是利用輻射力平衡(radiation force balance；RFB-2000,Onda,USA)來量測；弧形超音波換能器與磁振造影系統的相容性則是利用1.5T MRI系統(Symphony,Siemens,Germany)來確認。

弧形換能器之幾何特性

弧形換能器是由數個尺寸相同的壓電元件所組合而成，且壓電元件之數量係與焦平面(focal plane)之強度特微(intensity pattern)相關，式(一)係衍生自Cain and Umemura等人之研究(Cain,C.A.et al,1986.34(5)：p.542-551)，其係用以表示N個壓電元件上的相位分佈φ _i 和焦點強度特徵之間的關係； 其中，m及i係分別代表焦點強度特徵之模式數量(0≦m≦N/2)以及壓電元件的數量(i=0,1,2,…,N-1)，由式(一)可以推導出，如欲產生m種模式數量，則需要設置至少2m個壓電元件。

在透過式(一)得知壓電元件之相位後，可進一步透過式(二)及式(三)得知在一介質中的超音波強度特徵；式(二)係衍生自Schmerr，L.W.等人之研究(Schmerr，L.W.，1998，New York：Plenum Press。xiii，559 p)，其係基於平面波和橫向波這兩個假設下，來計算感興趣區域的聲壓(acoustic pressure)； 其中，p(x,y,z)係表示於位點(x,y,z)之聲壓，r _m’n’ 則代表著位點(x,y,z)與聲源位點m’n’之間的距離，且聲源位點m’n’係包含換能器上之△S _m'n' 區域，ρ係波傳播介質的密度，f則為換能器的操作頻率，u _m'n' 是在點源m'n'處的表面振動速度之振幅，k為波數，且超音波換能器是在數值計算中由對應數值之壓電元件所建構而成。

其中，I係代表於位點(x,y,z)時之聲強度(acoustic intensity)(W/cm²)，而c則代表於該介質時之聲速度(m/s)。

弧形超音波換能器或之環形超音波裝置操作

於本發明之實施例中，均是以功率放大器(power amplifier)(Phased array generator 500-013,Advanced Surgical System,MA,USA)來驅動弧形超音波換能器以進行消融測試。

消融測試

於本發明之實施例中，在進行弧形超音波換能器之消融測試時，係取用尺寸近乎為4*4*4(cm)之豬肌肉，將其周圍包覆豬皮下脂肪(如圖2A所示)並置於25℃除氣水中來進行測試；豬肌肉樣本係放置於由弧形換能器所組接成的環形換能器中央，並設定三種高強度聚焦超音波(HIFU)參數，產生高強度聚焦超音波之電力強度係介於370至516瓦，且操作時間係介於3至5秒；另一方面，於皮膚燒灼測試中，係於尺寸約為5*5*4(cm)之豬肌肉上設定三個特定的位點以 進行消融，並以脂肪圍繞該豬肌肉樣本，該三個特定位點與脂肪內側邊緣的距離分別為1、5及10毫米(如圖2B所示箭頭所示)，消融位點係以手動移動以對準環形換能器的中心，本實施例之消融測試皆以模式0進行，且於消融後，將肌肉組織橫向切片以觀察消融後之組織破壞情形。

可於組織上造成組織破壞之高強度聚焦超音波劑量閾值，是透過調整電力強度以及操作時間而取得，此外，在消融過程中係以MRI動態影像記錄，並利用影像分析軟體Image J(1.50i,National Institute of Health,US)來評估消融區域。

環形換能器之模擬強度場域

於本實施例中，基於前述式(一)可以得知，由16個壓電元件所組成的弧形換能器具備9組相位，因而可以產生對應之9種強度特徵模式，圖3A-3F係由弧形換能器所組接成之環形超音波裝置所產生模式0及模式8之模擬強度輪廓，其餘則未以圖示意，未圖示之模式1至3之焦區(focal zone)不是實心的橢圓形，且未圖示之模式4至7之焦區係與模式8相似但無規律排序，其中，-6分貝(-6dB)峰值強度區域被定義為焦區。

接續如圖3C所示，於模式0中，每一個壓電元件之相位為0，且形成於環形換能器中央之焦區係直徑0.7毫米(mm)且長度為12.5mm之實心橢圓形；又如圖3B所示，於模式8中，該16個壓電元件之相位係分別為0、180°、0、180°、0、180°、0、180°、0、180°、0、180°、0、180°、0、180°，並產生多個焦點且分佈於6個環帶上，所述之16個焦區係對稱地分佈於每一個環帶上，其中，第1個環帶之內徑係12.9mm，且第4個環帶之外 徑係12.9mm，此外，第5個環帶之內徑係13.6mm，且第6個環帶之外徑係15.2mm；再如圖3D所示，每一個焦區皆形似實心橢圓形，從第1個至第6個環帶上的焦區尺寸係依序為1.0mm*12.5mm(直徑*長度)、0.5mm*7.7mm(直徑*長度)、0.3mm*5.6mm(直徑*長度)、0.3mm*5.1mm(直徑*長度)、0.4mm*6.1mm(直徑*長度)及0.3mm*4.6mm，環帶之中央即該環形換能器之中央位置；圖3E及3F則分別說明了在模式0及模式8之中，位於xy平面中央之整體強度場域，在中央焦區以外的區域不會形成其他聚焦區。

以環形超音波裝置產生高強度聚焦超音波以破壞組織

圖4係說明在高強度聚焦超音波為模式0之下，組織仿體初始溫度及操作時間與產生組織仿體破壞性之相關性；如圖所示，當仿體初始溫度為25℃時，可形成組織仿體壞死(lesion)之功率及時間為400瓦/24.0秒、448瓦/7.8秒及480瓦/5.3秒，而以256瓦或320瓦處理60秒則無法形成組織仿體壞死，此外，當組織仿體初始溫度增加為30℃時，可形成組織仿體壞死(lesion)之功率及時間為320瓦/24.8秒、400瓦/6.5秒及448瓦/4.0秒，而以256瓦處理60秒則同樣無法形成組織仿體壞死，接續將組織仿體初始溫度增加到35℃，此時高強度聚焦超音波所需之劑量明顯低於前述兩個劑量，分別於256瓦/6.7秒、320瓦/3.5秒及420瓦/1.8秒之下即可形成組織仿體壞死。

以環形換能器產生高強度聚焦超音波以進行活體外(ex vivo)消融試驗

圖5係說明以環形換能器所產生之高強度聚焦超音波，得以於活體外達到組織消融而不造成皮膚燒傷的效果；如圖所示，於圖2B中所示之測試材料，係將豬肌肉以豬皮下脂肪圍繞，而在環形換能器產生高強度聚焦超音波並傳導至測試樣本後，高強度聚焦超音波的焦區熱點與脂肪距離5mm或10mm之測試位點可以產生消融現象且未燒及皮下脂肪。此實例條件為高強度聚焦超音波之劑量為510瓦/10秒。

另一方面，圖6A-6B係以另一試驗再次說明本發明之環形換能器得以達到組織消融的效果；如圖所示，圖6A係豬肌肉橫向切片之照片，圖6B為豬肌肉橫向切片之MRI影像，其中，圖6A係豬肌肉樣本以不同劑量分別於9個位點處理高強度聚焦超音波，圖6B則為相同切片樣本之MRI影像，如圖所示，可觀察到其中7個位點發生組織消融現象，且高強度聚焦超音波之劑量係以430瓦分別處理8、10、12、14、16、18及20秒。

實施例二、用於鄰近胸大肌組織之治療型超音波裝置

請搭配參閱圖7，當本發明之治療型超音波裝置欲作用位於胸大肌附近之目標組織時，係選用兩個弧形超音波換能器，如圖所示，R係代表每個弧形超音波換能器相對於胸大肌之焦區之間的距離，該兩弧型超音波換能器可相對於胸大肌之焦區對稱設置或不對稱設置，亦即 R ₁ =R ₂ 或 R ₁ ≠R ₂ ，並可以利用定位機構的轉動、位移與相位調控的方式將兩個弧型超音波換能器之焦區對準於目標組織。

實施例三、用於乳房組織之治療型超音波裝置

請搭配參閱圖8，當本發明之治療型超音波裝置欲作用於乳房組織時，係選用四個弧形超音波換能器10，並經由突出部12及凹部14相互組接以組合成一環形超音波裝置，如圖所示，該環形超音波裝置中的每一弧形超音波 換能器相對於目標組織之焦區之間的距離均相等，亦即 R ₁ =R ₂ =R ₃ =R ₄ ，接著再經由定位機構將超音波焦區移至目標組織。

其中，該環形超音波裝置的設計讓聲波照射路徑分散於乳房周圍，所以位於入射前場的正常組織只會吸收到低強度的超音波束，不會導致皮膚或其他正常組織之燒傷；此外，環形結構可與胸骨平行排列，讓聲波路徑與胸骨幾乎平行，因而大幅降低聲波傳至胸骨後，因聲波反射而燒傷正常組織或直接燒傷胸骨的風險，以提高聚焦超音波治療之安全性；再者，環形排列的壓電振動部16搭配上電子式動態聚焦超音波束，使得本發明之治療型超音波裝置除了可以用於公釐單位(mm-scale)的組織之外，也可以在單次擊發下施用於公分單位(cm-scale)的組織，有效縮短治療時間。

實施例四、用於中樞神經之治療型超音波裝置

請參閱圖9，當本發明之治療型超音波裝置欲作用於大腦時，由於大腦被頭顱所保護，顱骨會吸收及反射大量的超音波束，此外，顱骨組織性質不均勻也會導致超音波束難以聚焦；於此，於本實施例中係選用四個弧形超音波換能器組接成一環形超音波裝置，如圖所示，組成該環形超音波裝置之每一弧形超音波換能器相對於目標組織之焦區之間的距離均相等，亦即 R ₁ =R ₂ =R ₃ =R ₄ ，可讓頭部被該環形超音波裝置所環繞；如此，超音波束之照射與傳遞路徑可分散於頭顱周圍，因而降低超音波束照射在頭顱上單位面積的能量，進而降低皮膚、頭骨或其他正常組織的燒傷風險。

綜合上述，本發明所提供之治療型超音波裝置，係利用裝置之幾何結構及裝置之超音波束調控方式，以解決習知技術之問題及限制；其中，於 幾何結構的部分，係可因應所欲處理的組織類型選擇一個或多個該弧形超音波換能器10，該弧形超音波換能器10可於未組裝的情況下相互搭配使用，亦可透過該弧形超音波換能器10兩端之該突出部12及該凹部14相互組接為該環形超音波裝置或該圓柱形超音波裝置，如此即可對應不同軀體部位組裝合適尺寸之該環形超音波裝置或該圓柱形超音波裝置，進而能夠環繞於軀體周圍，解決現有技術中，超音波換能器無法因應各種不同組織而彈性變化結構之限制，此外，以環繞的方式提供超音波束於目標組織上，可使超音波束之能量分散在軀體周圍，以避免超音波束入射前場累積過多能量而造成非目標組織燒傷，且弧形超音波換能器及環形超音波裝置所產生之超音波束係平行於骨頭組織，如此亦可排除習知技術因超音波束垂直於骨頭組織而容易造成骨頭燒傷，或因超音波束自骨頭反射而造成皮膚燒傷；又其中，於裝置之超音波束調控方式的部分，係結合該壓電振動部16及該壓電感測件，以達成於治療過程中執行超音波束動態聚焦，而得以持續且準確地於目標組織形成超音波焦區，亦可避免非目標組織燒傷的問題；據此，本發明所提供之治療型超音波裝置確實解決現行超音波治療於臨床執行上之技術困境及限制。

Claims (16)

1. 一種治療型超音波裝置，其係包含：至少一個可組裝之弧形超音波換能器，該可組裝之弧形超音波換能器之內側弧面係設置複數個壓電振動部；一突出部，係分別設置於該可組裝之弧形超音波換能器之一端；以及一凹部，係分別相對於該突出部設置於該可組裝之弧形超音波換能器之另一端。
2. 如申請專利範圍第1項所述之超音波裝置，其中該可組裝之弧形超音波換能器係組裝為一環形超音波裝置或一圓柱形超音波裝置。
3. 如申請專利範圍第2項所述之超音波裝置，其中該突出部係組接於該凹部以組裝為該環形超音波裝置或該圓柱形超音波裝置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之超音波裝置，其中該可組裝之弧形超音波換能器係相位陣列(phased array)超音波換能器。
5. 如申請專利範圍第1項所述之超音波裝置，其中該些壓電振動部更分別包含一壓電感測件。
6. 如申請專利範圍第1項所述之超音波裝置，其中該弧形超音波換能器之幾何參數係曲率半徑R介於5至25公分、直徑D介於10至40公分及高度H介於1至3公分。
7. 一種用於對組織產生熱效應或/及機械作用之治療型超音波裝置，其係如申請專利範圍第1項所述之治療型超音波裝置。
8. 如申請專利範圍第7項所述之超音波裝置，其中該可組裝之弧形超音波換能 器係組裝為一環形超音波裝置或一圓柱狀形超音波裝置。
9. 如申請專利範圍第8項所述之超音波裝置，其中該突出部係組接於該凹部以組裝為該環形超音波裝置或該圓柱形超音波裝置。
10. 如申請專利範圍第7項所述之超音波裝置，其中該可組裝之弧形超音波換能器係相位陣列(phased array)超音波換能器。
11. 如申請專利範圍第7項所述之超音波裝置，其中該些壓電振動部更分別包含一壓電感測件。
12. 如申請專利範圍第7項所述之超音波裝置，其中該弧形超音波換能器之幾何參數係曲率半徑R介於5至25公分、直徑D介於10至40公分及高度H介於1至3公分。
13. 如申請專利範圍第8項所述之超音波裝置，其中該環形超音波裝置、該圓柱狀形超音波裝置或該弧形超音波換能器係於組織微環境中誘發空穴效應(cavitation)以對組織產生破壞或刺激作用。
14. 如申請專利範圍第13項所述之超音波裝置，其中對組織產生熱效應係導致凝固性細胞壞死(coagulative necrosis)或細胞死亡。
15. 如申請專利範圍第13項所述之超音波裝置，其中對組織產生微溫熱效應或/及單純力作用係導致細胞活化、細胞分化或細胞再生。
16. 如申請專利範圍第8項所述之超音波裝置，其中當治療型超音波裝置用於乳房組織或腦組織時，該環形超音波裝置係由四個該弧形超音波換能器所組裝而成。