專利名稱：一種新型超聲波透熱方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲波透熱治療方法及根據(jù)該方法設(shè)計(jì)的超聲波透熱治療裝置。
大量實(shí)驗(yàn)研究及臨床治療證明，升溫治癌方法(即熱療)是治療癌癥的一種有效手段。由于人體組織對超聲波能量有比較大的吸收本領(lǐng)，因此，使用超聲波在人體中傳播，可使組織溫度升高。根據(jù)該原理發(fā)展的超聲波透熱治療技術(shù)目前已成為局部升溫治癌領(lǐng)域的一項(xiàng)成功應(yīng)用。
普通升溫治癌方法必須使癌變組織升溫至43±1℃以上，且加熱時(shí)間一般在30min以上。由于采用體外超聲波透熱治療深部腫瘤時(shí)，超聲波首先經(jīng)過人體表層組織，皮膚及皮下脂肪因散熱能力較弱而升溫較快，而腫瘤周圍的正常組織耐熱極限一般也不超過45℃，因此，如果不采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施，將有可能出現(xiàn)皮膚灼痛、脂肪硬結(jié)、正常組織過熱壞死等不良后果。由此聚焦超聲技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為該領(lǐng)域的一個重要的發(fā)展方向。
對超聲束采用聚焦措施有兩個好處其一是焦區(qū)范圍內(nèi)超聲能量密度高，人體組織吸收熱量多，溫升快；其二是由于超聲波束從不同方向入射，導(dǎo)致能量分散，因此穿過人體表淺層時(shí)不會使表淺部組織溫升過高。目前比較常用的聚焦方式為多元布陣靜態(tài)聚焦，即采用多個平面超聲波壓電振子分布于同一個球面上，超聲波束從不同角度會聚于球心。如美國Stanford大學(xué)與惠普公司共同研制的聚焦加熱系統(tǒng)，將6個超聲振元沿同一緯度間隔均勻地固定于一個半球面上，該系統(tǒng)可對人體內(nèi)6～12cm深部的病灶組織進(jìn)行熱療。
為進(jìn)一步抑制皮膚及皮下脂肪升溫較快的現(xiàn)象，許多聚焦超聲波透熱裝置設(shè)有循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，即在聲頭與治療部位之間加有一個水囊，內(nèi)部注滿循環(huán)除氣冷卻水。水的作用有二一是作為傳聲媒質(zhì)將各超聲振元發(fā)射的超聲波耦合到人體；二是冷卻振子與人體表淺層，以抑止溫升。如專利號為US5485839的美國專利“Method and Apparatus forUltrasonic Wave Medical Treatment Using Computed Tomography”就設(shè)汁有上述循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。
采用多元布陣聚焦超聲技術(shù)雖然可以分散能量，降低人體表淺組織和病灶周圍正常組織單位體積的熱吸收量，但由于治療時(shí)間較長，現(xiàn)有的靜態(tài)聚焦方式使得每條超聲束經(jīng)過的人體正常組織處于長時(shí)間連續(xù)加熱狀態(tài)，因此，即使附加有循環(huán)水冷卻系統(tǒng)也不足以確保這些正常組織不受損傷。
本發(fā)明的目的是進(jìn)一步減小超聲波在人體表淺層的能量分布密度，大幅度降低人體表淺組織和腫瘤周圍正常組織單位體積的熱吸收量。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下方法一種超聲波透熱方法，采用多陣元聚焦方式，將多個壓電振子(3)固定于同一個球冠體(2)，所有壓電振子(3)產(chǎn)生的超聲波束聚焦于球冠體(2)的球心；上述壓電振子(3)均按不同的經(jīng)度和不同的緯度分布于所述球冠體(2)的表面，并在驅(qū)動機(jī)構(gòu)(5)的驅(qū)動下繞所述球冠體(2)的旋轉(zhuǎn)對稱軸轉(zhuǎn)動。
根據(jù)上述方法，本發(fā)明提供如下裝置一種根據(jù)上述方法設(shè)計(jì)的超聲波透熱裝置，它主要由機(jī)殼(1)、球冠體(2)、壓電振子(3)、水囊(4)、超聲波發(fā)生器(14)和電源(16)等組成。壓電振子(3)固定于球冠體(2)上，所有壓電振子(3)產(chǎn)生的超聲波束聚焦于球冠體(2)的球心；每個壓電振子(3)在球冠體(2)的表面上具有不同的經(jīng)度和不同的緯度；該裝置還有用于驅(qū)動球冠體(2)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電機(jī)(5)，用于支撐球冠體(2)的軸承(6)，以及用于連接球冠體(2)與電機(jī)(5)的傳動機(jī)構(gòu)；軸承(6)固定于機(jī)殼(1)上。
采用上述超聲波透熱裝置后，一方面通過精確定位，可使病灶區(qū)與超聲波束聚焦區(qū)重合，由于焦區(qū)能量密度較高，因此病灶組織溫升較快，并能保持較高的治療溫度；另一方面，由于每個壓電振子在球冠面上具有不同的經(jīng)度和不同的緯度，因此每個壓電振子發(fā)出的超聲波束在旋轉(zhuǎn)掃描后形成的輻射錐面互不重合(即所謂非共面)，使得超聲波能量在人體表淺層的分布進(jìn)一步分散，而且從局部來看，超聲波束掃描覆蓋的人體組織只受到間斷性的瞬間照射，由此極大程度地降低了人體表淺組織和腫瘤周圍正常組織單位時(shí)間內(nèi)單位體積的熱吸收量，加上循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的散熱作用，使得這些組織的溫度在治療過程中不會超過耐熱極限值，從而可以避免出現(xiàn)皮膚灼痛、脂肪硬結(jié)、正常組織過熱壞死等不良后果。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1是實(shí)施例一、二中壓電振子在球冠面上的分布示意圖；圖2是實(shí)施例一、二中超聲波束旋轉(zhuǎn)聚焦的示意圖；圖3是實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。
實(shí)施例一、二均按照本發(fā)明提出的方法，6個壓電振子3均按不同的經(jīng)度和不同的緯度分布于球冠體2的表面，如圖1所示，經(jīng)度間隔為60°，具體經(jīng)度值依次為0°、60°、120°、180°、240°、360°；緯度間隔為10°，具體緯度值依次為20°、30°、40°、50°、60°、70°。上述壓電振子3產(chǎn)生的6條超聲波束在繞球冠體2的旋轉(zhuǎn)對稱軸轉(zhuǎn)動的同時(shí)，會聚于球冠體2的球心，如圖2所示。
實(shí)施例一該裝置主要由機(jī)殼1、球冠體2、壓電振子3、水囊4、超聲波發(fā)生器14和電源16等組成，機(jī)殼1套在球冠體2之外，水囊4由富有彈性的乳膠薄膜封閉機(jī)殼1后注入除氣水而成；水囊4有一個進(jìn)水口17和一個出水口18，它們與循環(huán)水冷卻系統(tǒng)連接；6個壓電振子3固定于球冠體2上，每個壓電振子3在球冠體2的表面上的經(jīng)度和緯度坐標(biāo)如上所述，上述壓電振子3產(chǎn)生的6條超聲波束聚焦于球冠體2的球心；該裝置還有用于驅(qū)動球冠體2做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電機(jī)5，用于支撐球冠體2的軸承6，以及用于連接球冠體2與電機(jī)5的傳動機(jī)構(gòu)；軸承6固定于機(jī)殼1上。
上述傳動機(jī)構(gòu)為兩個嚙合輪7、8，一只7固定在球冠體2的支撐軸9上，另一只8固定在電機(jī)軸10上；支撐軸9內(nèi)固定有一個導(dǎo)管12，導(dǎo)管12有一段延伸至機(jī)殼1外；導(dǎo)管12延伸段的外表面固定有6個電極環(huán)13，每個壓電振子3的引線11穿過導(dǎo)管12分別與相應(yīng)的電極環(huán)13連接，每個電極環(huán)13再分別與超聲波發(fā)生器14的輸出極以電刷15連接；超聲波發(fā)生器14通過導(dǎo)線與電源16連接。
實(shí)施例二該裝置主要由機(jī)殼1、球冠體2、壓電振子3、水囊4、超聲波發(fā)生器14和電源16等組成，機(jī)殼1套在球冠體2之外，水囊4由富有彈性的乳膠薄膜封閉機(jī)殼1后注入除氣水而成；水囊4有一個進(jìn)水口17和一個出水口18，它們與循環(huán)水冷卻系統(tǒng)連接；6個壓電振子3固定于球冠體2上，每個壓電振子3在球冠體2的表面上的經(jīng)度和緯度坐標(biāo)與實(shí)施例一相同，上述壓電振子3產(chǎn)生的6條超聲波束聚焦于球冠體2的球心；該裝置還有用于驅(qū)動球冠體2做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電機(jī)5，用于支撐球冠體2的軸承6，以及用于連接球冠體2與電機(jī)5的傳動機(jī)構(gòu)；軸承6固定于機(jī)殼1上。
上述傳動機(jī)構(gòu)為兩個嚙合輪7、8，一只7固定在球冠體2的支撐軸9上，另一只8固定在電機(jī)軸10上；支撐軸9內(nèi)固定有一個導(dǎo)管12，導(dǎo)管12有一段延伸至機(jī)殼1外；每個壓電振子3的引線11穿過導(dǎo)管12分別與超聲波發(fā)生器14的相應(yīng)輸出極連接；超聲波發(fā)生器14通過導(dǎo)線與電源16連接。
電機(jī)5按一定的轉(zhuǎn)動圈數(shù)正、反向來回轉(zhuǎn)動，使得球冠體2及壓電振子3按180°弧正、反方向來回轉(zhuǎn)動。
事實(shí)上實(shí)施例一也可采用這種通過控制電機(jī)5的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動圈數(shù)，使球冠體2及壓電振子3按一定的弧度正、反方向來回轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)方式。
權(quán)利要求
1.一種超聲波透熱方法，采用多陣元聚焦方式，將多個壓電振子(3)固定于同一個球冠體(2)的表面，所有壓電振子(3)產(chǎn)生的超聲波束聚焦于球冠體(2)的球心，其特征在于所述壓電振子(3)均按不同的經(jīng)度和不同的緯度分布于所述球冠面(2)，并在驅(qū)動機(jī)構(gòu)(5)的驅(qū)動下繞所述球冠的旋轉(zhuǎn)對稱軸轉(zhuǎn)動。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述方法設(shè)計(jì)的超聲波透熱裝置，它主要由機(jī)殼(1)、球冠體(2)、壓電振子(3)、水囊(4)、超聲波發(fā)生器(14)和電源(16)等組成，壓電振子(3)固定于球冠體(2)上，所有壓電振子(3)產(chǎn)生的超聲波束聚焦于球冠體(2)的球心，其特征在于每個壓電振子(3)在球冠面上具有不同的經(jīng)度和不同的緯度；該裝置還有用于驅(qū)動球冠體(2)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電機(jī)(5)，用于支撐球冠體(2)的軸承(6)，以及用于連接球冠體(2)與電機(jī)(5)的傳動機(jī)構(gòu)；軸承(6)固定于機(jī)殼(1)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波透熱裝置，其特征在于所述傳動機(jī)構(gòu)為兩個嚙合輪(7)、(8)，一只(7)固定在球冠體(2)的支撐軸(9)上，另一只(8)固定在電機(jī)軸(10)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波透熱裝置，其特征在于導(dǎo)管(12)固定于支撐軸(9)內(nèi)，并有一段延伸至機(jī)殼(1)外；導(dǎo)管(12)延伸段的外表面固定有多個電極環(huán)(13)，每個壓電振子(3)的引線(11)穿入導(dǎo)管(12)分別與相應(yīng)的電極環(huán)(13)連接，每個電極環(huán)(13)分別與超聲波發(fā)生器(14)的輸出極以電刷(15)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的超聲波透熱裝置，其特征在于電機(jī)(5)按一定的轉(zhuǎn)動圈數(shù)正、反向來回旋轉(zhuǎn)，使得球冠體(2)及壓電振子(3)按相應(yīng)的弧度和相應(yīng)的正、反方向來回旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種采用多陣元非共面旋轉(zhuǎn)聚焦方式的超聲波透熱方法及根據(jù)該方法設(shè)計(jì)的裝置。它利用按不同的經(jīng)度和不同的緯度分布在同一個球冠面上的多個壓電振子,通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)使其繞球冠的旋轉(zhuǎn)對稱軸轉(zhuǎn)動,所有的超聲波束聚焦于球心處,每條聲束旋轉(zhuǎn)后掃描形成的輻射錐面互不重合,在透熱治療過程中極大地減少了人體皮膚與正常組織單位體積的熱吸收量,避免因過熱造成表皮灼傷、組織變性等傷害。
文檔編號A61N7/02GK1190027SQ9810492
公開日1998年8月12日 申請日期1998年1月11日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月11日
發(fā)明者祁任麗 申請人:祁任麗