專利名稱：一種超聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲換能器領(lǐng)域，特別是一種多焦點超聲換能器。
背景技術(shù)：
在磁共振(MR)監(jiān)控的高強度聚焦超聲(HIFU)治療過程中，利用磁共振成像(MRI) 設(shè)備可以對HIFU設(shè)備加熱區(qū)域進(jìn)行溫度測量及解剖圖監(jiān)控。通過超聲換能器(治療頭) 的機械三維運動能夠使得超聲換能器的焦點覆蓋一定體積的治療區(qū)域。由于磁共振成像設(shè) 備的孔徑通常比較狹小，使得超聲換能器的運動范圍變得非常有限。對于治療體積較大的 腫瘤，很難僅僅通過超聲換能器的運動來對整個治療體積進(jìn)行加熱治療，這使得對體積較 大的腫瘤進(jìn)行治療變得比較復(fù)雜和困難?？梢杂萌缦聨追N方法來解決上述問題。其中，一種方法是使用相控陣列式超聲換 能器。由于相控陣列式超聲換能器的焦點位置可以在一定的范圍內(nèi)移動，從而可以在一定 程度上增加了超聲換能器的治療范圍。但是，為了保證超聲換能器焦點的形態(tài)合適，只能在 非常有限的范圍內(nèi)改變焦距。換言之，該方法對治療范圍的增加非常有限。另一種方法是使用聲透鏡技術(shù)產(chǎn)生多個超聲聚焦點，從而由多個超聲聚焦點形成 稍大的可加熱區(qū)域。然而，在聲透鏡產(chǎn)生的多個超聲焦點中，每個超聲焦點的超聲輸出不能 獨立控制。而實際中為了治療腫瘤，并同時避免對正常組織的加熱，需要獨立控制每個焦點 的功率輸出，以及獨立控制每個焦點的打開/關(guān)閉。再一種方法是將病人重新擺位，進(jìn)行多次治療。例如，通過增加墊子來改變超聲換 能器與腫瘤的位置，從而增加治療范圍。由于這種方法需要重新對病人進(jìn)行擺位，增加了治 療的時間和治療的復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提出了一種多焦點的超聲換能器，用以增加超聲治療的范圍。本發(fā)明提供了一種超聲換能器，包括至少兩組換能器單元，每組換能器單元中的 換能器單元具有相同的焦點位置，并且各組換能器單元的焦點位置不相同。優(yōu)選地，各組換能器單元具有一個獨立的功率驅(qū)動單元。在任一方向上最遠(yuǎn)的兩個焦點之間的距離小于等于所述超聲換能器在該方向上 的運動范圍。各組換能器單元組的焦點位于同一條直線上。進(jìn)一步，各組換能器單元的焦點位于所述超聲換能器的軸線上。相鄰換能器單元的銜接處呈連續(xù)布置?；蛘撸噜彄Q能器單元的銜接處呈跳躍布置。在一種實施方式中，所述換能器單元沿超聲換能器的徑向劃分。進(jìn)一步，在該實施方式中，各組換能器單元在超聲換能器的圓周切向上間隔布置。在另一種實施方式中，所述換能器單元同軸布置。
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進(jìn)一步，在該實施方式中，各組超聲換能器間隔布置。在再一種實施方式中，所述換能器單元任意布置。進(jìn)一步，在該實施方式中，所述換能器單元具有任意的形狀。從上述方案中可以看出，由于本發(fā)明超聲換能器的換能器單元分為多個組，每組 換能器單元具有相同的焦點位置，而各組的焦點位置不相同，這些焦點分布在較大的空間 范圍內(nèi)，那么在磁共振成像設(shè)備狹小有限的空間內(nèi)，能夠增加超聲治療的范圍。多組換能器 單元可以同時輸出功率對不同的位置進(jìn)行治療，提高治療的效率，減少治療時間。由于本發(fā) 明的超聲換能器能夠?qū)^大空間范圍進(jìn)行加熱，所以能夠簡化大腫瘤治療方案，病人一次 擺位即可完成整個腫瘤的治療。本發(fā)明不限于用在磁共振監(jiān)控的HIFU設(shè)備上，對于其它機 械空間狹小的HIFU設(shè)備同樣適用。另外，本發(fā)明的超聲換能器不僅可以用于桶形的超導(dǎo)磁體，而且還適用于其他類 型的磁體設(shè)計，如C形的永磁體設(shè)計。并且，本發(fā)明不局限于圓形超聲換能器設(shè)計，可以應(yīng) 用于任意形狀的超聲換能器設(shè)計。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的一種超聲換能器中換能器單元的布置示意圖，其中，該超聲 換能器包括兩組換能器單元E1和E2，E1由Dll、D21、D31、D41組成，E2由D12、D22、D32、 D42組成。圖2為根據(jù)本發(fā)明的另一種超聲換能器中換能器單元的布置示意圖，其中，該超 聲換能器包括兩組換能器單元E1和E2，E1由D11、D21組成，E2由D12、D22組成。圖3為根據(jù)本發(fā)明的再一種超聲換能器中換能器單元的布置示意圖，其中，該超 聲換能器包括三組換能器單元E1、E2和E3，E1由D1、D3、D7組成，E2由D2、D5、D8組成，E3 由D4、D6組成。圖4為相鄰換能器單元銜接處具有跳躍的示意圖。圖5和圖6為在坐標(biāo)系X0Y中的兩個相鄰換能器單元D1和D2，其中，在圖5中D1 位于中心，在圖6中D1和D2均不在中心。圖7為顯示了多個功率驅(qū)動單元的示意圖。圖8為具有兩組換能器單元的超聲波換能器的加熱區(qū)域的示意圖，其中，110表示 磁體腔，120表示病人身體，130表示待被加熱的腫瘤，140表示水，150表示處于最上端位置 的超聲波換能器，150’表示處于最下端位置的超聲波換能器。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，以下舉實施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳 細(xì)說明。傳統(tǒng)的單焦點超聲換能器的幾何形狀為凹球面，球心為超聲換能器的幾何焦點， 球的曲率半徑為焦距。本發(fā)明所提出的超聲換能器并不局限于凹球面的形狀，可以為任意 形狀。但是，為了易于描述本發(fā)明的技術(shù)方案，在下面的描述中主要以凹球面形狀為例。本發(fā)明實施例將超聲換能器分成n (n > 2)組換能器單元，每組換能器單元都是凹 球面設(shè)計，并且同一組換能器單元具有相同的焦點位置，但是不同組換能器單元具有不同
4的焦點位置。不妨將換能器單元的組記為El，E2，. . .，En，優(yōu)選地，各組換能器單元的焦點 位于同一條直線上，例如都位于超聲換能器的軸線上，這樣會便于設(shè)計和使用，但是各組的 焦點不是必須在一條直線上。每組換能器單元具有一個獨立的功率驅(qū)動單元，可以保證每 組換能器單元功率單獨輸出。通過機械裝置的驅(qū)動，超聲換能器可以沿超聲換能器的軸向運動，設(shè)d為超聲換 能器軸向運動范圍，對于單焦點的超聲換能器，其治療范圍在軸向為d。而對于本發(fā)明所提 出的超聲換能器設(shè)計方案，要求焦點相鄰的任意兩組換能器單元的焦點位置之間的間距小 于等于d。這樣可以保證治療區(qū)域的連續(xù)性，避免存在不可治療的間隙。那么本發(fā)明的超聲 換能器的治療范圍在軸向為d+AL，其中，d為超聲換能器軸向運動范圍，AL為在軸向上 距離最遠(yuǎn)的兩個焦點的間距。舉例來說，對于超聲換能器中換能器單元組的結(jié)構(gòu)，可以有下面幾種方式。方式1 超聲換能器中的換能器單元沿超聲換能器的徑向劃分。沿超聲換能器的徑向劃分有mXn個換能器單元(其中m彡1，n彡2)，不妨以順 時針方向按順序?qū)⑦@些換能器單元記為Dll，D12，. . .，Din, D21，D22，. . .，D2n，. . .，Dml， Dm2,…，Dmn。將這mXn個換能器單元分組成上文所述的n組，例如分組方法如下組E1 包括 Dll，D21，D31， ，Dml ；組E2 包括 D12, D22, D32, ，Dm2 ；......組 En 包括 Din, D2n, D3n, . . . , Dmn。圖1顯示了采用方式1的一個包括兩組換能器單元的具體例子。如圖1所示，超 聲換能器沿徑向劃分為兩組換能器單元E1和E2，E1包括換能器單元Dll、D21、D31、D41， E2包括換能器單元D12、D22、D 32、D42。每組換能器單元具有單獨的功率驅(qū)動單元，例如 E1具有功率驅(qū)動單元PD1 (圖中未顯示)，E2具有功率驅(qū)動單元PD2 (圖中未顯示)。如前 所述，E1的焦點F1的位置與E1的焦點F2的位置不同。方式2 換能器單元同軸布置。沿超聲換能器的軸向同軸劃分為mXn個換能器單元(m彡l,n彡2)，不妨由中心 向夕卜按順序記為 Dll, D12, . . .，Din, D21, D22, . . .，D2n, . . .，Dml, Dm2, . . .，Dmn。將這mXn個換能器單元分組成上文所述的n組，例如分組方法如下組E1 包括 Dll，D21，D31， ，Dml ；組E2 包括 D12, D22, D32, ，Dm2 ；......組 En 包括 Din, D2n, D3n, . . . , Dmn。圖2顯示了采用方式2的一個包括兩組換能器單元的具體例子。如圖2所示，同 軸劃分為兩組換能器單元E1和E2，E1包括換能器單元Dll、D21，E2包括換能器單元D12、 D22。每組換能器單元具有單獨的功率驅(qū)動單元，例如E1具有功率驅(qū)動單元PD1 (圖中未顯 示)，E2具有功率驅(qū)動單元PD2 (圖中未顯示)。如前所述，E1的焦點F1的位置與E1的焦 點F2的位置不同。方式3 換能器單元任意布置。
將超聲換能器按照設(shè)計需要劃分為m個換能器單元(m ^ 2)D1，D2，. . .，Dm，每個 換能器單元的形狀可以根據(jù)實際的需求和設(shè)計的需要設(shè)計為定為任意的形狀，然后組合成 上文所述的n組換能器單元。圖3顯示了采用方式3的一個包括三組換能器單元的具體例子。如圖3所示，按 照設(shè)計需求劃分為三組換能器單元6132工3，其中￡1包括換能器單元01、03、07工2包括 換能器單元D2、D5、D8，E3包括換能器單元D4、D6。每組換能器單元具有單獨的功率驅(qū)動 單元，例如E1具有功率驅(qū)動單元PD1 (圖中未顯示)，E2具有功率驅(qū)動單元PD2 (圖中未顯 示)，E3具有功率驅(qū)動單元PD3(圖中未顯示)。如前所述，E1的焦點F1的位置、E1的焦點 F2的位置、以及E3的焦點F3的位置各不不同。由于各組換能器單元的焦點位置不同，要求各組換能器單元的曲率半徑不同，可 能會使得相鄰各組換能器單元銜接處出現(xiàn)跳躍。如圖4所示，舉例說明一種同軸劃分超聲換能器銜接處具有跳躍的結(jié)構(gòu)。在圖4 中，兩組換能器單元分別具有焦距R1、R2。處于中心的換能器單元抬起，有助于減少整個超 聲換能器體積，充分利用焦距范圍。另外，本發(fā)明進(jìn)一步提出一種方案，可以避免在同軸劃分的超聲換能器設(shè)計中出 現(xiàn)銜接跳躍。如上述同軸劃分方案所描述的mXn組換能器單元，如圖5和圖6所示，過超聲換 能器軸線做一切面，并建立坐標(biāo)系統(tǒng)X0Y，軸線與換能器的交點為坐標(biāo)原點0，換能器的徑 向為X軸，軸向為Y軸，所有組的焦點都在Y軸上。在mXn個換能器單元當(dāng)中，對任意兩 個相鄰換能器單元距離中心0由近至遠(yuǎn)記為D1、D2，它們焦點的位置分別為(0，F(xiàn)1)和(0， F2)。它們的曲率半徑可以通過下面方法得到設(shè)A、B、C三點的坐標(biāo)分別為(\^)、(、^)、0^7。)，如果區(qū)域01處于中心(如 圖5所示)，那么D1的曲率半徑隊為F1，D2的曲率半徑R2為滅2 = ^xl+(F2-yb)2 ；如果D1
和D2都不在中心(如圖6所示)，那么D1的曲率半徑隊為代二人2+U ,D2的曲
率半徑 R2 為 = ^x2b+{F2-yhf。在較佳情況下，如圖7所示，每組換能器單元分別由獨立的功率驅(qū)動單元PD1， PD2，...，PDn支持。各個功率驅(qū)動單元的輸出功率大小和輸出頻率是相互獨立的，可以獨 立的進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于比較大的腫瘤或治療區(qū)域，現(xiàn)有的單焦點超聲換能器不能將其覆蓋。對于本 發(fā)明提出的多焦點超聲換能器，每組換能器單元具有不同的焦點位置，即具有不同的治療 范圍。那么，在治療過程中，首先將治療區(qū)域按照各組換能器單元的治療范圍進(jìn)行劃分；然 后，利用各自的功率驅(qū)動單元，對焦點處于治療區(qū)域的那組或那些組換能器單元輸出超聲 功率，而焦點處于治療區(qū)域之外的那組或那些組換能器單元關(guān)閉。圖8所示的是兩組換能器單元(兩個焦點)的治療示意圖。在保持超聲換能器 機械運動裝置不變的情況下，治療的范圍由長焦距的治療范圍和短焦距的治療范圍組合而 成。如果僅使用單組焦點，長焦距換能器單元的治療范圍和短焦距換能器單元的治療范圍 均不能覆蓋較大的腫瘤，而根據(jù)本發(fā)明將兩組焦距的治療范圍聯(lián)合就可以覆蓋整個腫瘤。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種超聲換能器，包括至少兩組換能器單元，每組換能器單元中的換能器單元具有相同的焦點位置，并且各組換能器單元的焦點位置不相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其特征在于，各組換能器單元具有一個獨立的 功率驅(qū)動單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其特征在于，在任一方向上最遠(yuǎn)的兩個焦點之 間的距離小于等于所述超聲換能器在該方向上的運動范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其特征在于，各組換能器單元組的焦點位于同 一條直線上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲換能器，其特征在于，各組換能器單元的焦點位于所述 超聲換能器的軸線上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其特征在于，相鄰換能器單元的銜接處呈連續(xù)布置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其特征在于，相鄰換能器單元的銜接處呈跳躍布置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的超聲換能器，其特征在于，所述換能器單元沿超 聲換能器的徑向劃分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲換能器，其特征在于，各組換能器單元在超聲換能器的 圓周切向上間隔布置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的超聲換能器，其特征在于，所述換能器單元同軸 布置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超聲換能器，其特征在于，各組超聲換能器間隔布置。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的超聲換能器，其特征在于，所述換能器單元任意布置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的超聲換能器，其特征在于，所述換能器單元具有任意的形狀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超聲換能器，包括至少兩組換能器單元，每組換能器單元中的換能器單元具有相同的焦點位置，并且各組換能器單元的焦點位置不相同。由于本發(fā)明的各組超聲換能器單元的焦點分布在較大的空間范圍內(nèi)，那么在磁共振成像設(shè)備狹小有限的空間內(nèi)，能夠增加超聲治療的范圍。
文檔編號A61N7/00GK101810913SQ20091000444
公開日2010年8月25日 申請日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者倪成, 周曉東, 弗洛里安·斯坦邁耶 申請人:西門子公司