聚焦超声适形加热系统 【技术领域】
本发明涉及一种超声加热系统，尤其涉及一种聚焦超声适形加热系统，属于生物医学工程技术领域。
背景技术
聚焦超声适形加热系统可以根据靶组织的大小和形状，设定热场形态，通过电子调控方式形成所需形状(圆、环、任意的不规则形状)、大小的焦域，并提供加热靶组织所需的超声能量，保证靶组织具有均匀的热剂量分布。系统不但可以以靶向加热的方式对肿瘤患者实施热疗，大大减轻现有的超声肿瘤热疗系统因只是单纯的辐射加热而造成的不良反应，显著地增强疗效。尤为重要的是这一适形加热系统与可控释放药物相结合，能保证只在需要治疗的指定区域内释放药物，使药物达到最大的疗效而毒副作用最小，因此聚焦超声适形加热系统具有广阔的应用前景。现有的超声肿瘤热疗系统，例如美国联合医药集团LABTHERMICS公司生产的SONOTHERM 1000型超声治癌系统，采用的是平面式超声换能器，其声波沿垂直方向辐射，能量分散，因而，其在人体内部组织上形成的声强不但不可能高于在体表处的声强，而且因辐射路径上组织的吸收而明显降低，越深入体内两者相差越大，这一方面使有效的热疗深度不深，另一方面为使患者感到疼痛，灼伤体表皮肤，甚至于浅部组织。聚焦超声适形加热系统由于可将超声能量汇聚在其焦域内，在同等热疗区域、同样的声强条件下，它可大大降低辐射功率，使得在体表皮肤和辐射路径上的组织中的声强也随之大大减小，从而避免了现有的超声肿瘤热疗系统产生的问题。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利授权公告号为CN1058905C的发明专利《高强度聚焦超声肿瘤扫描治疗系统》、中国专利授权公告号为CN1169588C的发明专利《体外高能聚焦超声波治疗机》，虽然都是应用聚焦超声地治疗系统，但它们都通过一定的聚焦方式在靶组织内形成一个声强极高、范围甚小的固定焦域，不具有适形性。因此，它不适合应用于治疗范围大、温热(靶组织温度长时间保持在43℃左右)、安全的肿瘤热疗，更不适合应用于与可控释放药物相结合，实现只在需要治疗的指定区域内释放药物，即靶向治疗，使药物达到最大的疗效。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种聚焦超声适形加热系统，它可以根据靶组织的大小和形状，设定热场形态，通过电子调控方式形成所需形状(圆、环、任意的不规则形状)、大小的焦域，并提供加热靶组织所需的超声能量，保证靶组织具有均匀的热剂量分布。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括多路可控高频功率源、焦域可控的超声换能器阵列、立体组合运动装置、介质水水囊、介质水处理装置、多路测温装置和计算机智能系统(含人机对话外设、监控软件和治疗计划)。计算机智能系统通过连接电缆分别与多路可控高频功率源、立体组合运动装置、介质水处理装置、多路测温装置相连。焦域可控的超声换能器阵列固定在立体组合运动装置上，它的电信号输入端与多路可控高频功率源相连，其超声输出端则与介质水水囊相通。介质水水囊在进行治疗时紧贴于人体上，其中的介质水借进、出水管与介质水处理装置相通。多路测温装置的测温针插入在人体组织中，其信号输出端借连接电缆与计算机智能系统相连。
所述计算机智能系统安放在一个独立的操纵台上，由主控计算机、人机对话外设、多个监控插卡以及监控软件和治疗计划等构成。主控计算机的主板总线槽口上插有多个监控插卡，它的存储器内装有监控软件和治疗计划等智能化软件。人机对话外设安放在操纵台上并通过连接电缆与主控计算机相连。主控计算机中的多个监控插卡分别与多路可控高频功率源、立体组合运动装置、介质水处理装置、多路测温装置相连。计算机智能系统在治疗计划和监控软件指引下，实时采集多路可控高频功率源、立体组合运动装置、介质水处理装置、多路测温装置的运行和状态数据，经其处理、分析、判定后，发出相应的指令，令多路可控高频功率源、立体组合运动装置、介质水处理装置等各部件正确、协调地工作，同时把靶组织温度、焦域形状、位置、激励电压等重要参数以数据、图形等形式显示在屏幕上。
所述多路可控高频功率源包括N个独立运行，但结构组成、工作原理完全相同的可控高频功率源。每个可控高频功率源对应于焦域可控的超声换能器阵列中的一个阵元，它们在计算机智能系统的监控下，激励阵元发出超声波。可控高频功率源由主振荡器、分路器、调制器、功率放大器和馈电电源等电路构成，其中主振荡器产生频率为F的高频振荡信号，该高频振荡信号经分路器分路后输出至各路调制器的输入端，调制器按计算机智能系统发出的脉冲宽度调制(PWM)信号对主振信号进行幅度调制，形成不同工作比的间隙振荡信号输出至功率放大器，经功率放大后的信号即为超声换能器的激励信号，通过传输电缆送至对应的超声换能器阵元。所有可控高频功率源输出的激励信号的频率相同，但其幅度、工作比可以各不相同。功率放大器的馈电电源分多级步进。脉冲宽度调制的信号占空比可在0～100％之间任选。调制器和馈电电源的工作全都由主控计算机控制。
所述立体组合运动装置不仅能实现包括焦域可控的超声换能器阵列和介质水水囊在内的治疗头的多维定位，使其超声输出面对准人体靶组织并紧贴在其上方的体表皮肤上，而且能使其中的换能器阵列轴向往复运动，以满足轴向加热区域的要求。
所述焦域可控的超声换能器阵列采用了球面、规则、等间距方阵结构，由一个大孔径刚性球冠体和若干个按规则、等间距方阵结构分布的球面超声换能器单元，即阵元组成。大孔径刚性球冠体的球冠曲率半径为R，球冠的孔径为D。所有阵元按规则、等间距方阵结构离散地分布在球冠体上。阵元采用圆形、曲面形式。阵元镶嵌入刚性球冠体时，阵元的中轴线应与球冠半径吻合，且其与球冠中轴线的夹角为θ，不同位置的阵元的θ角各不相同。各个阵元均有独立的电激励信号馈线，分别连接至信号激励系统。各个阵元的电激励信号都是独立可控的，调节电激励信号的幅度也就调节了阵元辐射的超声功率。位于球冠体上方的连接头将焦域可控的超声换能器阵列连同介质水水囊固定在立体组合运动装置上。
所述介质水水囊安装在焦域可控的超声换能器阵列下方，进水管流入去气、去杂质的低温介质水，其在水囊中进行热交换后，由出水管返回，进、出水管均与介质水处理装置相通。
所述介质水处理装置包括致冷器，水泵、进、出水管、水箱、过滤器、去气器、电源和控制电路等。水泵、进、出水管、水箱、和介质水水囊构成水循环徊路。介质水处理装置用来完成介质水的去气、去杂质和降温。
所述多路测温装置包括多个靶组织温度测量探针、监控点温度测量探针、体表温度测量探针和介质水温度测量探针以及模拟多路开关、热电偶信号放大器和仪用放大器等电路。各温度测量探针均采用T型热电偶作为温度传感器。各温度测量探针分别接入至模拟多路开关。模拟多路开关在计算机智能系统控制下将各温度传感信号逐一送至热电偶信号放大器，经其放大、去噪、补偿后再加至仪用放大器进行再次放大，最后经由连接电缆送到主控计算机的监控插卡内。
本发明结构新颖，适形加热性能良好，不但适用于治疗范围大、温热、安全的肿瘤热疗，更适合应用于与可控释放药物相结合，实现只在需要治疗的指定区域内释放药物，使药物达到最大的疗效而毒副作用最小，是一种新颖、有效的恶性肿瘤治疗手段，具有广阔的应用前景和市场潜力。
【附图说明】
图1为本发明的系统组成框图。
图1中，1为多路可控高频功率源，2为焦域可控的超声换能器阵列，3为介质水水囊，4为立体组合运动装置，5为介质水处理装置，6为多路测温装置，7为主控计算机
图2为本发明的多路可控高频功率源组成框图。
图2中，8为主振荡器，9为分路器，10为调制器，11为功率放大器，12为馈电电源。
图3为本发明的焦域可控的超声换能器阵列结构示意图。
图3中，13为大孔径刚性球冠体，14为阵元。
图4为本发明的多路测温装置的组成框图。
图4中，15为靶组织温度测量探针，16为监控点温度测量探针，17为体表温度测量探针，18为介质水温度测量探针，19为模拟多路开关，20为热电偶信号放大器，21为仪用放大器。
【具体实施方式】
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
如图1所示，本发明包括多路可控高频功率源1、焦域可控的超声换能器阵列2、立体组合运动装置4、介质水水囊3、介质水处理装置5、多路测温装置6和含人机对话外设、监控软件和治疗计划的计算机智能系统7。计算机智能系统7通过连接电缆分别与多路可控高频功率源1、立体组合运动装置4、介质水处理装置5、多路测温装置6相连。焦域可控的超声换能器阵列2固定在立体组合运动装置4上，它的电信号输入端与多路可控高频功率源1相连，其超声输出端则与介质水水囊3相通。介质水水囊3在进行治疗时紧贴于人体上，其中的介质水借进、出水管与介质水处理装置5相通。多路测温装置6的测温针插入在人体组织中，其信号输出端借连接电缆与计算机智能系统7相连。
所述计算机智能系统7安放在一个独立的操纵台上，由主控计算机、人机对话外设、多个监控插卡以及监控软件和治疗计划等构成。主控计算机的主板总线槽口上插有多个监控插卡，它的存储器内装有监控软件和治疗计划等智能化软件。人机对话外设安放在操纵台上并通过连接电缆与主控计算机相连。主控计算机中的多个监控插卡分别与多路可控高频功率源1、立体组合运动装置4、介质水处理装置5、多路测温装置6相连。计算机智能系统在治疗计划和监控软件指引下，实时采集多路可控高频功率源1、立体组合运动装置4、介质水处理装置5、多路测温装置6的运行和状态数据，经其处理、分析、判定后，发出相应的指令，令多路可控高频功率源1、立体组合运动装置4、介质水处理装置5等各部件正确、协调地工作，同时把靶组织温度、焦域形状、位置、激励电压等重要参数以数据、图形等形式显示在屏幕上。
计算机智能系统7的主控计算机采用工控机，操作系统为WindowsXP。监控软件、治疗计划等智能化软件的编程语言为C++。计算机智能系统7完成工作阵元选择；工作频率选择；馈电电源电压的步进调节，进而实现输出超声功率粗调；发送控制数据流给多通道PWM发生电路，以实现对各工作阵元输出超声功率的精细控制；各通道所测得的温度值的计算；加温控制的计算(PID)；各种图形、数据显示；病历挡案的管理等诸多功能。
所述多路可控高频功率源1的组成框图如图2所示，包括N个，在实施例中为76个，独立运行，但结构组成、工作原理完全相同的可控高频功率源。每个可控高频功率源对应于焦域可控的超声换能器阵列2中的一个阵元，它们在计算机智能系统7的监控下，激励阵元发出超声波。可控高频功率源由主振荡器8、分路器9、调制器10、功率放大器11和馈电电源12等电路构成，其中主振荡器8产生频率为F，在实施例中为500KHz的高频振荡信号，该高频振荡信号经分路器9分路后输出至各路调制器10的输入端，调制器10按计算机智能系统7发出的脉冲宽度调制(PWM)信号对主振信号进行幅度调制，形成不同工作比的间隙振荡信号输出至功率放大器11，经功率放大后的信号即为超声换能器的激励信号，通过传输电缆送至对应的超声换能器阵元。所有可控高频功率源输出的激励信号的频率相同，但其幅度、工作比可以各不相同。功率放大器11的馈电电源12分级步进，在实施例中为4级步进。脉冲宽度调制的信号占空比可在0～100％之间任选。调制器10和馈电电源12的工作全都由主控计算机控制。
所述立体组合运动装置4不仅能实现包括焦域可控的超声换能器阵列2和介质水水囊3在内的治疗头的多维定位，使其超声输出面对准人体靶组织并紧贴在其上方的体表皮肤上，而且能使其中的换能器阵列轴向往复运动，以满足轴向加热区域的要求。
所述焦域可控的超声换能器阵列2的结构示意图如图3所示。它采用了球面、规则、等间距方阵结构，由一个大孔径刚性球冠体13和若干个，在实施例中为76个，按规则、等间距方阵结构分布的球面超声换能器单元——阵元14组成。大孔径刚性球冠体13的球冠曲率半径为R，球冠的孔径为D。所有阵元14按规则、等间距方阵结构离散地分布在球冠体13上。阵元14采用圆形、曲面形式。阵元14镶嵌入刚性球冠体13时，阵元14的中轴线应与球冠半径吻合，且其与球冠中轴线的夹角为θ，不同位置的阵元14的θ角各不相同。各个阵元14均有独立的电激励信号馈线，分别连接至信号激励系统。各个阵元14的电激励信号都是独立可控的，调节电激励信号的幅度也就调节了阵元辐射的超声功率。位于球冠体13上方的连接头将焦域可控的超声换能器阵列2连同介质水水囊3固定在立体组合运动装置4上。
所述介质水水囊3安装在焦域可控的超声换能器阵列2下方，进水管流入去气、去杂质的低温介质水，其在水囊中进行热交换后，由出水管返回，进、出水管均与介质水处理装置5相通。
所述介质水处理装置5包括致冷器，水泵、进、出水管、水箱、过滤器、去气器、电源和控制电路等。水泵、进、出水管、水箱、和介质水水囊3构成水循环徊路。介质水处理装置5用来完成介质水的去气、去杂质和降温。
所述多路测温装置6包括多个，在实施例中为8个，靶组织温度测量探针15、监控点温度测量探针16、体表温度测量探针17和介质水温度测量探针18以及模拟多路开关19、热电偶信号放大器20和仪用放大器21等电路。靶组织温度测量探针15、监控点温度测量探针16、体表温度测量探针17和介质水温度测量探针18均采用T型热电偶作为温度传感器。靶组织温度测量探针15、监控点温度测量探针16、体表温度测量探针17和介质水温度测量探针18分别接入至模拟多路开关19。模拟多路开关19在计算机智能系统7控制下将各温度传感信号逐一送至热电偶信号放大器20，经其放大、去噪、补偿后再加至仪用放大器21进行再次放大，最后经由连接电缆送到主控计算机的监控插卡内。