專利名稱：加熱深部腫瘤病灶的大焦域相控聚焦超聲系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加熱用超聲系統(tǒng)，尤其涉及一種加熱深部腫瘤病灶的大焦域相控聚焦超聲系統(tǒng)，屬于生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
以溫度為鑰匙開關(guān)的納米顆粒熱敏脂質(zhì)體作為一種藥物載體，可以攜帶藥物進(jìn)入人體靶組織。當(dāng)人體靶組織被定向適形加熱到40～45℃之間時(shí)，脂質(zhì)體殼體被打開，其裝載的藥物定點(diǎn)釋放。這一技術(shù)不但增加了藥物的局部濃度，提高了對(duì)靶組織腫瘤細(xì)胞的殺傷力，而且避免了全身給藥對(duì)人體帶來的傷害，極大地降低了毒副作用。這種加熱不但能起到在靶組織內(nèi)打開藥物載體的作用，而且會(huì)增加血管的通透性，提高病灶區(qū)域的脂質(zhì)體濃度，尤為重要的是把靶組織加熱到40～45℃之間，本身就是一種有效的腫瘤治療方法，即所謂熱療，兩者協(xié)同，增敏互補(bǔ)，共同完成對(duì)腫瘤的抑制、損傷和殺滅，療效尤為明顯。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)檢索，發(fā)現(xiàn)美國(guó)聯(lián)合醫(yī)工集團(tuán)Labthermics科技公司(UnitedMedical Industrial Group Labthermics Technologies Inc.)生產(chǎn)的SONOTHERM1000型超聲治癌系統(tǒng)(The SONOTHERM 1000 Ultrasound Therapy System)。該公司在有關(guān)技術(shù)資料中自述，SONOTHERM 1000型超聲治癌系統(tǒng)最多可有16個(gè)獨(dú)立可控的陣元，能根據(jù)治療區(qū)域大小和形狀來選擇工作陣元以設(shè)定熱場(chǎng)形態(tài)，他們的輻射功率也可改變，從而保證治療區(qū)具有均勻熱劑量分布。其有效深度可達(dá)8cm，最大治療區(qū)域可達(dá)15cm×15cm。該技術(shù)存在明顯不足系統(tǒng)采用平面式超聲換能器，其聲波沿垂直方向輻射，能量分散，同時(shí)因輻射路徑上組織的吸收而使其在人體內(nèi)部組織上形成的聲強(qiáng)明顯降低，越深入體內(nèi)聲強(qiáng)越低，為保證足夠的有效加熱深度，超聲換能器必須有足夠高的輻射功率，這將會(huì)使患者感到疼痛，灼傷體表皮膚，甚至于淺部組織；僅靠16個(gè)陣元排列組合形成不同的形狀，適形性差；超聲能量在向體內(nèi)靶組織輻射時(shí)，只有衰減沒有增強(qiáng)，因此有效加熱深度較短，難以滿足治療要求。
相控聚焦超聲加熱系統(tǒng)由于可將超聲能量匯聚在其焦域內(nèi)，在同等熱療區(qū)域、同樣的聲強(qiáng)條件下，它可大大降低超聲換能器的輻射功率，使得在體表皮膚和輻射路徑上的組織中的聲強(qiáng)也隨之大大減小，從而避免了現(xiàn)有的超聲腫瘤熱療系統(tǒng)產(chǎn)生的問題。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利公開號(hào)為CN1596432，2005.03.16公開，國(guó)際公布為WO2002/045073英2002.6.6，由以色列公司申請(qǐng)的發(fā)明專利《用于控制相控陣聚焦超聲系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法》。該專利自述“一種控制相控陣聚焦超聲換能器的單個(gè)驅(qū)動(dòng)正弦波的相位和振幅的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法采用數(shù)控元件將3個(gè)或更多個(gè)正弦基波的振幅標(biāo)度為分量正弦矢量。該分量正弦矢量經(jīng)線性合成生成選定相位和振幅的相應(yīng)正弦波。使用數(shù)控控制元件可將換能器聚焦區(qū)域的不同距離、形狀和方向(“特性”)進(jìn)行數(shù)控切換。……以有序的多套數(shù)控信號(hào)的形式實(shí)現(xiàn)換能器聚焦區(qū)域特性的順序變化，該控制信號(hào)從中央控制器傳送到各自的控制通道以產(chǎn)生單個(gè)的正弦波?？梢园凑兆鳛閱我粺釀┝康囊徊糠值臅r(shí)域函數(shù)改變數(shù)控信號(hào)”。該技術(shù)存在明顯不足該系統(tǒng)只能形成一個(gè)有限的“聚焦區(qū)”，不具有適形性，對(duì)于具有一定形狀和大小的腫瘤組織必須逐點(diǎn)地依次聚焦和輻射，形成系列“超聲波治療”才能完整地覆蓋整個(gè)病灶組織。因此，它不適合應(yīng)用于治療范圍大、溫?zé)?靶組織溫度長(zhǎng)時(shí)間保持在43℃左右)、安全的腫瘤熱療，也不適合應(yīng)用于熱敏脂質(zhì)體的定向打開及載體熱敏藥物的熱協(xié)同治療。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種加熱深部腫瘤病灶的大焦域相控聚焦超聲系統(tǒng)，可以根據(jù)靶組織的大小和形狀來設(shè)定熱場(chǎng)形態(tài)，并通過調(diào)控大焦域相控陣聚焦超聲換能器中各個(gè)陣元的激勵(lì)相位和幅度，產(chǎn)生多種模式的多焦點(diǎn)聲場(chǎng)分布，進(jìn)而形成所需形狀、大小的焦域，并提供加熱靶組織所需的超聲能量，實(shí)現(xiàn)人體深部區(qū)域的定向適形加熱。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括由N路相控信號(hào)形成子系統(tǒng)和N路可控功率放大器組成的大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置、大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭、介質(zhì)水水囊、立體組合運(yùn)動(dòng)裝置、循環(huán)介質(zhì)水處理裝置、多路溫度檢測(cè)裝置及計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)分別與大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置、立體組合運(yùn)動(dòng)裝置、循環(huán)介質(zhì)水處理裝置及多路溫度檢測(cè)裝置相連，大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭固定在立體組合運(yùn)動(dòng)裝置上，治療頭的電信號(hào)輸入端與大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置相連，治療頭的超聲輸出端連到介質(zhì)水水囊，介質(zhì)水水囊中的介質(zhì)水通過進(jìn)、出水管與循環(huán)介質(zhì)水處理裝置相通，多路溫度檢測(cè)裝置的測(cè)溫針插入在人體靶組織中，其信號(hào)輸出端通過連接電纜與計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)相連。
所述計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)包含人機(jī)對(duì)話外設(shè)及計(jì)算機(jī)輔助治療計(jì)劃軟件包，計(jì)算機(jī)輔助治療計(jì)劃根據(jù)靶組織的大小、形狀和據(jù)此設(shè)定的熱場(chǎng)形態(tài)制定，計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)輔助治療計(jì)劃指引下，實(shí)時(shí)采集大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置、立體組合運(yùn)動(dòng)裝置、循環(huán)介質(zhì)水處理裝置、多路溫度檢測(cè)裝置的運(yùn)行和狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析處理后，向各個(gè)裝置發(fā)出相應(yīng)的工作指令，使之正確、協(xié)調(diào)地工作，保證靶組織具有均勻的熱劑量分布，形成人體內(nèi)局部的立體溫升區(qū)域，實(shí)現(xiàn)人體深部區(qū)域的定向適形加熱。
所述大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置由N路相控信號(hào)形成子系統(tǒng)和N路可控功率放大器兩大部分構(gòu)成。它根據(jù)計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)的指令向大焦域相控陣聚焦超聲換能器的各個(gè)陣元分別輸出正弦波激勵(lì)信號(hào)。
所述N路相控信號(hào)形成子系統(tǒng)包括時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、mΔΦ相移信號(hào)形成電路、N路M選1數(shù)字開關(guān)、程序存儲(chǔ)器、含I/O通信卡的波控計(jì)算機(jī)及波控軟件包，時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖并輸出至相移信號(hào)形成電路，相移信號(hào)形成電路在波控計(jì)算機(jī)控制下形成的方波信號(hào)同時(shí)送至N路M選1數(shù)字開關(guān)，數(shù)字開關(guān)在波控計(jì)算機(jī)控制下在各個(gè)通路上分別輸出指定的方波激勵(lì)信號(hào)。
所述N路可控功率放大器包括N個(gè)結(jié)構(gòu)相同、獨(dú)立運(yùn)行的可控功率放大器，每路可控功率放大器都由調(diào)制器、串聯(lián)諧振功率放大器和饋電電源構(gòu)成，調(diào)制器的輸入端連接N路相控信號(hào)形成子系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的M選1數(shù)字開關(guān)，接受指定的方波激勵(lì)信號(hào)，調(diào)制器的工作同時(shí)受波控計(jì)算機(jī)控制，按其發(fā)出的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)對(duì)方波激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，形成不同工作比的間隙振蕩信號(hào)，并輸出至串聯(lián)諧振功率放大器，串聯(lián)諧振功率放大器的輸出對(duì)應(yīng)地激勵(lì)大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭中的一個(gè)陣元。
所述大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭包括大焦域相控陣聚焦超聲換能器和超聲定位裝置中的檢測(cè)探頭，大焦域相控陣聚焦超聲換能器由一個(gè)大孔徑剛性球冠體和若干個(gè)離散分布的超聲換能器陣元組成，球冠體的中央開有圓孔用于安裝檢測(cè)探頭，所有陣元離散地分布在以球冠體中心為原點(diǎn)的若干層同心環(huán)上，各環(huán)層之間的角間距相等，每一層同心環(huán)的起始陣元位置隨機(jī)而定，其余陣元?jiǎng)t相繼按等角間距均勻地分布在同心環(huán)上，各個(gè)陣元均有獨(dú)立的電激勵(lì)信號(hào)饋線，分別連接至相控信號(hào)激勵(lì)系統(tǒng)。
所述立體組合運(yùn)動(dòng)裝置對(duì)大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭(連同介質(zhì)水水囊)進(jìn)行多維定位，使其超聲輸出面對(duì)準(zhǔn)人體靶組織并緊貼在其上方的體表皮膚上，并能使其中的換能器陣列軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以滿足軸向加熱區(qū)域的要求。
所述介質(zhì)水水囊安裝在大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭的下方，去氣、去雜質(zhì)的低溫介質(zhì)水從進(jìn)水管流入，在水囊中進(jìn)行熱交換后，從出水管返回，進(jìn)、出水管均與循環(huán)介質(zhì)水處理裝置相通。
所述循環(huán)介質(zhì)水處理裝置包括致冷器，水泵、進(jìn)出水管、水箱、過濾器、去氣器、電源和控制電路等。水泵、進(jìn)出水管、水箱、和介質(zhì)水水囊構(gòu)成水循環(huán)回路。循環(huán)介質(zhì)水處理裝置用來完成介質(zhì)水的去氣、去雜質(zhì)和降溫以及循環(huán)驅(qū)動(dòng)。
所述多路溫度檢測(cè)裝置包括多個(gè)溫度測(cè)量探針和模擬多路開關(guān)、熱電偶信號(hào)放大器、儀用放大器等電路。各溫度測(cè)量探針均采用T型熱電偶作為溫度傳感器。各溫度測(cè)量探針分別接入至模擬多路開關(guān)。模擬多路開關(guān)在計(jì)算機(jī)智能系統(tǒng)控制下將各溫度傳感信號(hào)逐一送至熱電偶信號(hào)放大器，經(jīng)其放大、去噪、補(bǔ)償后再加至儀用放大器進(jìn)行再次放大，最后經(jīng)由連接電纜送到計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)的監(jiān)控插卡內(nèi)。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)新穎，能根據(jù)靶組織的大小和形狀來設(shè)定熱場(chǎng)形態(tài)，并通過調(diào)控大焦域相控陣聚焦超聲換能器中各個(gè)陣元的激勵(lì)相位和幅度，產(chǎn)生多種模式的多焦點(diǎn)聲場(chǎng)分布，進(jìn)而形成相應(yīng)的焦域，保證靶組織具有均勻的熱劑量分布，形成局部的立體溫升區(qū)域，實(shí)現(xiàn)人體深部靶組織的定向適形加熱。系統(tǒng)不但能對(duì)位于人體深部、范圍大的腫瘤實(shí)施定向適形的熱療，尤為重要的是，它為熱敏脂質(zhì)體的定向打開及載體熱敏藥物的熱協(xié)同治療技術(shù)提供了有效的手段，讓熱療和局部化療共同完成對(duì)腫瘤的抑制、損傷和殺滅。因此加熱深部腫瘤病灶的大焦域相控聚焦超聲系統(tǒng)是一種新穎、有效的惡性腫瘤治療手段，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成框圖。
圖2為本發(fā)明的大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置組成框圖。
圖3為本發(fā)明的大焦域相控陣聚焦超聲換能器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3中，25為大孔徑剛性球冠體，26為陣元，27為圓孔。
圖4為本發(fā)明的多路溫度檢測(cè)裝置的組成框圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。實(shí)施例中采用的參數(shù)不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限定。
本發(fā)明的系統(tǒng)組成如圖1所示，包括由N路相控信號(hào)形成子系統(tǒng)和N路可控功率放大器共同組成的大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置、大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭，介質(zhì)水水囊，超聲定位裝置，立體組合運(yùn)動(dòng)裝置、循環(huán)介質(zhì)水處理裝置、多路溫度檢測(cè)裝置和計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)(含人機(jī)對(duì)話外設(shè)和計(jì)算機(jī)輔助治療計(jì)劃軟件包)。計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)通過連接電纜分別與大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置、立體組合運(yùn)動(dòng)裝置、循環(huán)介質(zhì)水處理裝置、多路溫度檢測(cè)裝置相連。大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭固定在立體組合運(yùn)動(dòng)裝置上，它的電信號(hào)輸入端與大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置通過連接電纜相連，其超聲輸出端則與介質(zhì)水水囊相通。介質(zhì)水水囊的上端固定在大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭上，下端在進(jìn)行治療時(shí)則緊貼于人體上(其間可加入超聲偶合劑)，其中的介質(zhì)水通過進(jìn)、出水管與循環(huán)介質(zhì)水處理裝置相通。多路溫度檢測(cè)裝置的測(cè)溫針插入在人體靶組織中，其信號(hào)輸出端通過連接電纜與計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)相連。
所述計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)安放在一個(gè)獨(dú)立的操縱臺(tái)上，由主控計(jì)算機(jī)、人機(jī)對(duì)話外設(shè)、多個(gè)數(shù)字I/O卡和監(jiān)控插卡以及計(jì)算機(jī)輔助治療計(jì)劃軟件包等構(gòu)成。主控計(jì)算機(jī)的主板總線槽口上插有多個(gè)數(shù)字I/O卡和監(jiān)控插卡，它的存儲(chǔ)器內(nèi)裝有計(jì)算機(jī)輔助治療計(jì)劃軟件包等智能化軟件。人機(jī)對(duì)話外設(shè)安放在操縱臺(tái)上并通過連接電纜與主控計(jì)算機(jī)相連。主控計(jì)算機(jī)中的多個(gè)數(shù)字I/O卡和監(jiān)控插卡分別通過連接電纜與大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置、立體組合運(yùn)動(dòng)裝置、介質(zhì)水處理裝置、多路溫度檢測(cè)裝置相連。引導(dǎo)計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)正確運(yùn)行的計(jì)算機(jī)輔助治療計(jì)劃是根據(jù)靶組織的大小、形狀和據(jù)此設(shè)定的熱場(chǎng)形態(tài)制定的，它確定了大焦域相控陣聚焦超聲換能器中各個(gè)陣元的激勵(lì)相位和幅度，從而產(chǎn)生多種模式的多焦點(diǎn)聲場(chǎng)分布，進(jìn)而形成所需形狀(圓、環(huán)等規(guī)則形狀以及任意的不規(guī)則形狀)、大小的焦域，并提供加熱靶組織所需的超聲能量。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)輔助治療計(jì)劃指引下，實(shí)時(shí)采集大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置、立體組合運(yùn)動(dòng)裝置、循環(huán)介質(zhì)水處理裝置、多路溫度檢測(cè)裝置的運(yùn)行和狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)其處理、分析、判定后，發(fā)出相應(yīng)的指令，令大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置、立體組合運(yùn)動(dòng)裝置、循環(huán)介質(zhì)水處理裝置、多路溫度檢測(cè)裝置等各部件正確、協(xié)調(diào)地工作，保證靶組織具有均勻的熱劑量分布，形成人體內(nèi)局部的立體溫升區(qū)域(高于體溫4～8℃)，實(shí)現(xiàn)人體深部區(qū)域的定向適形加熱。同時(shí)把靶組織溫度、焦域位置、形狀和大焦域相控陣聚焦超聲換能器中各個(gè)陣元的激勵(lì)相位和幅度等重要參數(shù)以數(shù)據(jù)、圖形等形式顯示在屏幕上。
本發(fā)明所述的大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，由N路相控信號(hào)形成子系統(tǒng)和N路可控功率放大器2兩大部分構(gòu)成，在實(shí)施例中N為89。它根據(jù)計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)的指令向大焦域相控陣聚焦超聲換能器的各個(gè)陣元分別輸出頻率為f、相位φn為mΔΦ、幅度un在umin～umax之間、工作比Δn在0～100％之間的正弦波激勵(lì)信號(hào)。
N路相控信號(hào)形成子系統(tǒng)包括時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、mΔΦ(m＝0～M)相移信號(hào)形成電路(在實(shí)施例中M為M＝28＝256)、N路M選1數(shù)字開關(guān)、程序存儲(chǔ)器、波控計(jì)算機(jī)及I/O通信卡、波控軟件包。時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為fc的時(shí)鐘脈沖，在實(shí)施例中fc為256MHz，并輸出至相移信號(hào)形成電路。相移信號(hào)形成電路在波控計(jì)算機(jī)控制下用p-bit計(jì)數(shù)器將時(shí)鐘脈沖分頻，在實(shí)施例中為8-bit計(jì)數(shù)器，即p＝8，同時(shí)通過閾值比較形成頻率為f、相位為mΔΦ的M個(gè)方波信號(hào)，其中，f＝fc/M，m＝(0，1，……，M)，M＝2p，，ΔΦ＝360°/M，在實(shí)施例中f為1MHz，ΔΦ為1.40625°，所有這些方波信號(hào)被同時(shí)送至N路M選1數(shù)字開關(guān)15的各自的信號(hào)輸入端。波控計(jì)算機(jī)17給出的地址碼A6A5A4A3A2A1A0通過p-M譯碼器決定了選通哪一路M選1數(shù)字開關(guān)，波控計(jì)算機(jī)給出的數(shù)字碼D7D6D5D4D3D2D1D0決定了該路M選1數(shù)字開關(guān)輸出的方波激勵(lì)信號(hào)的相位mΔΦ。例如，當(dāng)A6A5A4A3A2A1A0＝0000001，D7D6D5D4D3D2D1D0＝00000011時(shí)，第二路M選1數(shù)字開關(guān)輸出方波激勵(lì)信號(hào)，其相位為3ΔΦ。依此類推，第n(n＝0，1，2，……，N)路M選1數(shù)字開關(guān)輸出的方波激勵(lì)信號(hào)的相位為mΔΦ。
在實(shí)施例中，mΔΦ(m＝0～M)相移信號(hào)形成電路和N路M選1數(shù)字開關(guān)完全由FPGA來實(shí)現(xiàn)，集成設(shè)計(jì)到FPGA內(nèi)部，從而不但使得其復(fù)雜性大大降低，而且還能有效地提高其可靠性，降低開發(fā)成本。波控計(jì)算機(jī)及I/O通信卡、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)PROM和波控軟件包構(gòu)成一個(gè)完整的專用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它接受計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)指令，并據(jù)其發(fā)出相應(yīng)的各種控制命令到mΔΦ相移信號(hào)形成電路1和N路M選1數(shù)字開關(guān)，保證在n#通路上輸出頻率為f、相位為mΔΦ的指定的方波激勵(lì)信號(hào)。
N路可控功率放大器包括N個(gè)獨(dú)立運(yùn)行，但結(jié)構(gòu)組成、工作原理完全相同的可控功率放大器，每路可控功率放大器對(duì)應(yīng)地激勵(lì)大焦域相控陣聚焦超聲換能器中的一個(gè)陣元，激勵(lì)該陣元發(fā)出指定頻率、指定相位和指定幅度的超聲波。每路可控功率放大器都由調(diào)制器、串聯(lián)諧振功率放大器和饋電電源等電路構(gòu)成。第n路可控功率放大器中的調(diào)制器的輸入端接向N路相控信號(hào)形成子系統(tǒng)中的M選1數(shù)字開關(guān)的第n路，接受指定的方波激勵(lì)信號(hào)。調(diào)制器的工作同時(shí)受波控計(jì)算機(jī)控制，按其發(fā)出的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)對(duì)方波激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，形成不同工作比的間隙振蕩信號(hào)，并輸出至串聯(lián)諧振功率放大器。饋電電源在波控計(jì)算機(jī)的控制下形成電壓值為Un的直流饋電，并加至串聯(lián)諧振功率放大器，直接決定串聯(lián)諧振功率放大器輸出的正弦波激勵(lì)信號(hào)的電壓幅度。串聯(lián)諧振功率放大器應(yīng)用調(diào)諧放大電路程式，使用VMOS場(chǎng)效應(yīng)管作功率放大器件，工作在臨界C類狀態(tài)。其良好的選頻特性可將方波激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成同頻、同相的正弦波輸出信號(hào)，而其諧振特性可使輸出的正弦波信號(hào)的幅度大大高于其饋電電壓，此外，電路中的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)還能使放大器的輸出阻抗與被激勵(lì)陣元的輸入阻抗相匹配，從而得到最高的傳輸效率。串聯(lián)諧振功率放大器還把其輸出信號(hào)的電壓和電流幅度值反饋至波控計(jì)算機(jī)。第n路可控功率放大器輸出到大焦域相控陣聚焦超聲換能器中對(duì)應(yīng)的第n個(gè)陣元的激勵(lì)信號(hào)將是頻率為f的正弦波，電壓幅度un在umin～umax之間，直接取決于第n路饋電電源的電壓值Un；工作比Δn在0～100％之間，取決于波控計(jì)算機(jī)發(fā)出的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)。
所述大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭包括大焦域相控陣聚焦超聲換能器和超聲定位裝置即B型超聲診斷儀中的檢測(cè)探頭。大焦域相控陣聚焦超聲換能器結(jié)構(gòu)如圖3所示，由一個(gè)大孔徑剛性球冠體25和若干個(gè)離散分布的平面超聲換能器陣元26組成。球冠體中央開有一個(gè)直徑為Φ的圓孔27，用于安裝檢測(cè)探頭，檢測(cè)探頭通過特制的專用電纜與超聲定位裝置相連。所有陣元26離散地分布在以球冠體25中心為原點(diǎn)的若干層同心環(huán)上，各環(huán)層之間的角間距相等，每一層同心環(huán)的起始陣元位置隨機(jī)而定，其余陣元?jiǎng)t相繼按等角間距均勻地分布在同心環(huán)上，各個(gè)陣元26均有獨(dú)立的電激勵(lì)信號(hào)饋線，分別連接至相控信號(hào)激勵(lì)系統(tǒng)。在實(shí)施例中，大孔徑剛性球冠體25的球冠曲率半徑R＝20cm，球冠孔徑D＝21.5cm，圓孔27的直徑Φ＝4cm。
陣元26分布的同心環(huán)陣結(jié)構(gòu)分為k層，在實(shí)施例中為4層。第一層有陣元S1個(gè)，在實(shí)施例中為12個(gè)，各陣元中心和球冠體中心Ro的連線與Z軸的夾角為θ1，在實(shí)施例中θ1＝10.04°。第一層起始陣元(編號(hào)為11)的中心和球冠中心Do的連線與x軸的夾角為α11(隨機(jī)生成)，在實(shí)施例中α11＝0°，其余陣元按等角間距均勻地分布在同心環(huán)上。第二層有陣元S2個(gè)，在實(shí)施例中為19個(gè)，各陣元中心和球冠體中心Ro的連線與Z軸的夾角為θ2，在實(shí)施例中θ2＝15.45°，第二層起始陣元(編號(hào)為21)的中心和球冠中心Do的連線與x軸的夾角為α21(隨機(jī)生成)，在實(shí)施例中α21＝3.5°，其余陣元按等角間距均勻地分布在同心環(huán)上。……，其余各層依此類推。
本發(fā)明中的陣元26采用圓形、平面形式。在實(shí)施例中陣元的直徑d＝1.6cm，厚度為0.2cm。陣元由PZT-8壓電陶瓷制成，其外表面膠合有匹配層。
所述立體組合運(yùn)動(dòng)裝置對(duì)大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭(連同介質(zhì)水水囊)進(jìn)行多維定位，使其超聲輸出面對(duì)準(zhǔn)人體靶組織并緊貼在其上方的體表皮膚上，并能使其中的換能器陣列軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以滿足軸向加熱區(qū)域的要求。
所述介質(zhì)水水囊安裝在大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭的下方，去氣、去雜質(zhì)的低溫介質(zhì)水從進(jìn)水管流入，在水囊中進(jìn)行熱交換后，從出水管返回，進(jìn)、出水管均與循環(huán)介質(zhì)水處理裝置相通。
所述循環(huán)介質(zhì)水處理裝置包括致冷器，水泵、進(jìn)出水管、水箱、過濾器、去氣器、電源和控制電路等。水泵、進(jìn)出水管、水箱、和介質(zhì)水水囊構(gòu)成水循環(huán)回路。循環(huán)介質(zhì)水處理裝置用來完成介質(zhì)水的去氣、去雜質(zhì)和降溫以及循環(huán)驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明所述的多路溫度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括多個(gè)溫度測(cè)量探針和模擬多路開關(guān)、熱電偶信號(hào)放大器、儀用放大器等電路。各溫度測(cè)量探針均采用T型熱電偶作為溫度傳感器。各溫度測(cè)量探針分別接入至模擬多路開關(guān)。模擬多路開關(guān)在計(jì)算機(jī)智能系統(tǒng)控制下將各溫度傳感信號(hào)逐一送至熱電偶信號(hào)放大器，經(jīng)其放大、去噪、補(bǔ)償后再加至儀用放大器進(jìn)行再次放大，最后經(jīng)由連接電纜送到計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)的監(jiān)控插卡內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種加熱深部腫瘤病灶的大焦域相控聚焦超聲系統(tǒng)，其特征在于包括由N路相控信號(hào)形成子系統(tǒng)和N路可控功率放大器組成的大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置、大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭、介質(zhì)水水囊、立體組合運(yùn)動(dòng)裝置、循環(huán)介質(zhì)水處理裝置、多路溫度檢測(cè)裝置及計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)分別與大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置、立體組合運(yùn)動(dòng)裝置、循環(huán)介質(zhì)水處理裝置及多路溫度檢測(cè)裝置相連，大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭固定在立體組合運(yùn)動(dòng)裝置上，治療頭的電信號(hào)輸入端與大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置相連，治療頭的超聲輸出端連到介質(zhì)水水囊，介質(zhì)水水囊中的介質(zhì)水通過進(jìn)、出水管與循環(huán)介質(zhì)水處理裝置相通，多路溫度檢測(cè)裝置的測(cè)溫針插入在人體靶組織中，其信號(hào)輸出端通過連接電纜與計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)相連；所述計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)包含人機(jī)對(duì)話外設(shè)及計(jì)算機(jī)輔助治療計(jì)劃軟件包，計(jì)算機(jī)輔助治療計(jì)劃根據(jù)靶組織的大小、形狀和據(jù)此設(shè)定的熱場(chǎng)形態(tài)制定，計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)輔助治療計(jì)劃指引下，實(shí)時(shí)采集大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置、立體組合運(yùn)動(dòng)裝置、循環(huán)介質(zhì)水處理裝置、多路溫度檢測(cè)裝置的運(yùn)行和狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析處理后，向各個(gè)裝置發(fā)出相應(yīng)的工作指令；其中，N為自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的加熱深部腫瘤病灶的大焦域相控聚焦超聲系統(tǒng)，其特征在于所述N路相控信號(hào)形成子系統(tǒng)包括時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、mΔΦ相移信號(hào)形成電路、N路M選1數(shù)字開關(guān)、程序存儲(chǔ)器、含I/O通信卡的波控計(jì)算機(jī)及波控軟件包，時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖并輸出至相移信號(hào)形成電路，相移信號(hào)形成電路在波控計(jì)算機(jī)控制下形成的方波信號(hào)同時(shí)送至N路M選1數(shù)字開關(guān)，數(shù)字開關(guān)在波控計(jì)算機(jī)控制下在各個(gè)通路上分別輸出指定的方波激勵(lì)信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的加熱深部腫瘤病灶的大焦域相控聚焦超聲系統(tǒng)，其特征在于所述N路可控功率放大器包括N個(gè)結(jié)構(gòu)相同、獨(dú)立運(yùn)行的可控功率放大器，每路可控功率放大器都由調(diào)制器、串聯(lián)諧振功率放大器和饋電電源構(gòu)成，調(diào)制器的輸入端連接N路相控信號(hào)形成子系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的M選1數(shù)字開關(guān)，接受指定的方波激勵(lì)信號(hào)，調(diào)制器的工作同時(shí)受波控計(jì)算機(jī)控制，按其發(fā)出的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)對(duì)方波激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，形成不同工作比的間隙振蕩信號(hào)，并輸出至串聯(lián)諧振功率放大器，串聯(lián)諧振功率放大器的輸出對(duì)應(yīng)地激勵(lì)大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭中的一個(gè)陣元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的加熱深部腫瘤病灶的大焦域相控聚焦超聲系統(tǒng)，其特征在于所述大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭包括大焦域相控陣聚焦超聲換能器和超聲定位裝置中的檢測(cè)探頭，大焦域相控陣聚焦超聲換能器由一個(gè)大孔徑剛性球冠體(25)和若干個(gè)離散分布的超聲換能器陣元(26)組成，球冠體(25)的中央開有圓孔(27)用于安裝檢測(cè)探頭，所有陣元(26)離散地分布在以球冠體(25)中心為原點(diǎn)的若干層同心環(huán)上，各環(huán)層之間的角間距相等，每一層同心環(huán)的起始陣元位置隨機(jī)而定，其余陣元?jiǎng)t相繼按等角間距均勻地分布在同心環(huán)上，各個(gè)陣元(26)均有獨(dú)立的電激勵(lì)信號(hào)饋線，分別連接至相控信號(hào)激勵(lì)系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的加熱深部腫瘤病灶的大焦域相控聚焦超聲系統(tǒng)，其特征在于所述陣元(26)采用圓形、平面形式，由壓電陶瓷制成，其外表面膠合有匹配層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種加熱深部腫瘤病灶的大焦域相控聚焦超聲系統(tǒng)，包括由N路相控信號(hào)形成子系統(tǒng)和N路可控功率放大器組成的大焦域相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置、大焦域相控陣聚焦超聲換能器組合治療頭、介質(zhì)水水囊、立體組合運(yùn)動(dòng)裝置、循環(huán)介質(zhì)水處理裝置、多路溫度檢測(cè)裝置及含人機(jī)對(duì)話外設(shè)及計(jì)算機(jī)輔助治療計(jì)劃軟件包的計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)智能子系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)輔助治療計(jì)劃指引下，實(shí)時(shí)采集各裝置的運(yùn)行和狀態(tài)數(shù)據(jù)，分析處理后發(fā)出相應(yīng)的工作指令，通過調(diào)控大焦域相控陣聚焦超聲換能器中各個(gè)陣元的激勵(lì)相位和幅度，可產(chǎn)生多種模式的多焦點(diǎn)聲場(chǎng)分布，形成所需形狀、大小的焦域，提供加熱靶組織所需的超聲能量，實(shí)現(xiàn)人體深部區(qū)域的定向適形加熱。
文檔編號(hào)A61N7/00GK1775329SQ200510111028
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月1日
發(fā)明者陳亞珠, 白景峰, 馮學(xué)蘇, 沈國(guó)峰, 張昭, 章晨曦 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)