焦域可控的聚焦超声换能器 【技术领域】
本发明涉及一种超声换能器，尤其涉及一种焦域可控的聚焦超声换能器，应用于超声肿瘤热疗系统，属于生物医学工程技术领域。
背景技术
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，另一方面会使患者感到疼痛，灼伤体表皮肤，甚至于浅部组织。
自聚焦式超声换能器不仅可将在体外发射的超声能量渗透入人体组织，而且可将超声能量汇聚在其几何焦点附近，形成一个高声强的区域——焦域。焦域区内由于能量大量沉积，使位于其中的组织温度迅速升高，达到43℃的热疗温度，而焦域外的组织因仅有少量能量沉积而温升甚少，从而达到靶向破坏病变之目的。显然，在同等热疗区域、同样声强的条件下，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，从而避免了平面式超声换能器产生的问题。
经对现有技术的文献检索发现，公开号为1416923，申请(专利)号：02148797.9的中国专利《超声肿瘤治疗机换能器》，该专利自述：本发明由球冠和安装在球冠内表面地压电晶体所构成，多个压电晶体单独通以高频信号源，具有800cm#+[2]-1200cm#+[2]超大超声发射面，当超声能量进入人体时，具有80°-120°的超大入射角，可以在与其它设备相比具有同样焦域和声强的前提下，大大降低超声能量在人体皮肤和组织传输路径上的声强，而将超声波能量集中作用于病灶上，确保在使用该治疗机对患者治疗时，不需麻醉用品，不灼伤皮肤，不会使病人感到疼痛。该技术存在明显不足：其自聚焦式超声换能器都只能形成固定位置、大小恒定的焦域，且焦域过小、强度太高，不适合应用于超声肿瘤热疗系统。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种焦域可控的聚焦超声换能器，它可以通过选择不同的阵元组合得到不同大小、不同形状的焦域，调控阵元的激励电压可使其输出的超声功率相应地改变，进而控制了焦域的温度。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明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阵元组成，整个球冠体上按规则、等间距方阵结构离散地分布有若干个圆形小孔，每个小孔用来镶嵌一个阵元。
大孔径刚性球冠体的球冠曲率半径为R，它决定于阵元的曲率半径r和阵元本身的焦斑大小。其换算关系为：R＝r+C，其中：C为与阵元本身的焦斑直径及球冠曲率半径R自身有关的常数，须经反复迭代确定。
大孔径刚性球冠体的球冠孔径为D，取决于阵元数量及其口径d。其换算关系为：D＝nd+(n-1)p+2q，其中：n为阵元排列最多的行或列中的阵元数，d为阵元的直径，p为相邻阵元间的间隙，q为最外面的阵元离开球冠边缘的距离。
所述的小孔，其分布排列是：以球冠中心OD为原点，按直角坐标将球冠分为四个象限，各个象限中圆形小孔的分布都是轴对称的。在第三象限内，在X轴下方依次有……E、D、C、B、A行，在Y轴左面依次有……5、4、3、2、1列，共有……5E、4E、3E、2E、1E、5D、4D、3D、2D、1D、5C、4C、3C、2C、5B、4B、3B、5A、4A、……、若干个圆形小孔。
阵元采用圆形、曲面形式。阵元的曲率半径r取决于焦域离开其的距离，两者成正比。口径决定于要求的焦域大小，在阵元曲率半径r一定的条件下，口径越大，聚焦性能越好，其形成的焦域也就越小，反之亦然。因为形成的焦域大小还与路径组织的性质有关，难以定量计算，所以简单可行的办法是由实验确定。
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角是各不相同的。θ角对于大孔径刚性球冠体上的圆形小孔加工和阵元镶嵌是至关重要的，若误差过大为明显影响焦域性能。
本发明的焦域可控的聚焦超声换能器阵列可以根据不同的病变组织形状和大小，选择不同的阵元组合施以电激励信号，从而形成不同的焦域分布模式，即焦域形状，它不仅可以形成圆、环等规则形状，而且可以形成各种不规则形状，使之与病变组织形状和大小相匹配。各个阵元的口径、厚度均相同，由PZT-8压电陶瓷制成，其外表面胶合有匹配层。阵元分别精密地镶嵌在球冠体的小孔内，同时辅以粘合剂胶合。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。例如：仅激励阵元5E将形成Ф＝Ф1的圆状焦域；同时激励阵元4E、4F、5D、5E、5F、5G、6D、6E、6F、6G、7E，7F将形成Ф＝4Ф1的圆状焦域；若同时激励阵元4E、4F、5D、5G、6D、6G、7E、7F，则将形成外径为4Ф1，内径为2Ф1的圆环状焦域；若同时激励阵元2E、3E、8E、9E、3F、4F、5F、6F、7F、8F、4G、5G、6G、7G，则将形成一个弧状的焦域。更为有利的是，借适当地选定工作阵元，使声束避开骨骼等屏障，从而避免额外的辅助性手术。此外，还可以通过调节电激励信号的幅度来调控阵元辐射的超声功率，达到焦域内的组织，即靶组织温度保持在治疗温度上。
本发明结构紧凑，选材普通，性能优良，工作灵活，可以根据靶组织的大小和形状，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。应用其的聚焦超声加热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的不良反应，显著地增强疗效。尤为重要的是这一适形加温技术与可控释放药物相结合，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，因此本发明具有广阔的应用前景。
【附图说明】
图1为本发明的结构示意图
图2为本发明的结构A-A剖面示意图
图3为本发明的阵元示意图。
【具体实施方式】
为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图作进一步的详细描述。
如图1、2所示，本发明的焦域可控的聚焦超声换能器的结构示意，它由一个大孔径刚性球冠体1和若干个按规则、等间距方阵结构分布的球面阵元2组成，整个球冠体1上按规则、等间距方阵结构离散地分布有若干个圆形小孔，每个小孔用来镶嵌一个阵元2。
大孔径刚性球冠体1的球冠曲率半径为R，在实施例中R＝215mm，它决定于阵元的曲率半径r，在实施例中r＝160mm，和阵元本身的焦域大小，在实施例中为Ф＝5mm的圆柱状。球冠的孔径为D，在实施例中D＝240mm，取决于阵元数量，在实施例中为76个，及其口径d，在实施例中d＝20mm。整个球冠体1上按规则、等间距方阵结构离散地分布有若干个圆形小孔，在实施例中为76个，每个小孔用来镶嵌一个阵元，小孔的直径略大于阵元的直径。圆形小孔，亦即阵元的规则、等间距方阵结构的分布规律是：以球冠中心OD为原点，按直角坐标将球冠分为四个象限，各个象限中圆形小孔的分布都是轴对称的。在第三象限内，在X轴下方依次有……E、D、C、B、A行，在实施例中有E、D、C、B、A等五行，在Y轴左面依次有……5、4、3、2、1列，在实施例中有5、4、3、2、1等五列，一个象限内共有……5E、4E、3E、2E、1E、5D、4D、3D、2D、1D、5C、4C、3C、2C、5B、4B、3B、5A、4A等若干个圆形小孔，在实施例中，一个象限内共有5E、4E、3E、2E、1E、5D、4D、3D、2D、1D、5C、4C、3C、2C、5B、4B、3B、5A、4A等19个圆形小孔，正个球冠体1上共有76个圆形小孔。
阵元2采用圆形、曲面形式，如示意图图3所示。阵元2的曲率半径r，在实施例中r＝160mm，取决于焦域离开其的距离，两者成正比。口径d，在实施例中d＝20mm，决定于要求的焦域大小，在实施例中为Ф＝5mm的圆柱状，在阵元2曲率半径r一定的条件下，口径越大，聚焦性能越好，其形成的焦域也就越小，反之亦然。阵元2镶嵌入刚性球冠体1时，阵元2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角是各不相同的，在实施例中，θ5E＝4.15°，θ4D＝12.54°，θ3C＝21.21°，θ4E＝9.31°，……。θ角对于大孔径刚性球冠体上的圆形小孔加工和阵元镶嵌是至关重要的，若误差过大为明显影响焦域性能。所有阵元2的口径、厚度，在实施例中为4mm，均相同，由PZT-8压电陶瓷制成，其外表面胶合有匹配层。阵元2分别精密地镶嵌在球冠体的小孔内，同时辅以粘合剂胶合。各个阵元2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2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2辐射的超声功率。
本发明的焦域可控的聚焦超声换能器阵列可以根据不同的病变组织形状和大小，选择不同的阵元组合施以电激励信号，从而形成不同的焦域分布模式，即焦域形状，它不仅可以形成圆、环等规则形状，而且可以形成各种不规则形状，使之与病变组织形状和大小相匹配，在实施例中：若仅仅激励阵元5E，将形成Ф＝5mm的圆状焦域；若同时激励阵元4E、4F、5D、5E、5F、5G、6D、6E、6F、6G、7E，7F，将形成Ф＝20mm的圆状焦域；若同时激励阵元4E、4F、5D、5G、6D、6G、7E、7F，则将形成外径为20mm，内径为10mm的圆环状焦域；若同时激励阵元2E、3E、8E、9E、3F、4F、5F、6F、7F、8F、4G、5G、6G、7G，则将形成一个宽度为10mm的弧状焦域；若同时激励全部76个阵元，则将形成Ф＝50mm的圆状焦域。更为有利的是，借适当地选定工作阵元，能使声束避开骨骼等屏障，从而避免额外的辅助性手术。此外，还可以通过调节电激励信号的幅度来调控阵元辐射的超声功率，达到焦域内的组织，即靶组织温度保持在治疗温度上的目的。