專利名稱：醫(yī)用體外超聲治療機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用聲學(xué)中的一種超聲醫(yī)療裝置，多少年來(lái)，人們一直為治療癌癥而進(jìn)行頑強(qiáng)的努力。腫瘤熱療是人們通過(guò)科學(xué)探索和實(shí)踐總結(jié)出的一種行之有效的治療腫瘤的辦法之一，超聲波腫瘤熱療是腫瘤熱療的主要措施，超聲波是一種傳遞能量的波動(dòng)，在不同介質(zhì)中，超聲波可將能量傳送到一定的距離。因此，利用超聲波能量的傳遞，將能量集中于體內(nèi)的病灶上，產(chǎn)生足夠的熱，抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)和病灶的進(jìn)一步惡化，從而達(dá)到治療腫瘤和消除病灶的目的。湖南腫瘤醫(yī)院李鼎九、胡自省大夫編譯的“腫瘤熱療”一書中指出超聲加熱可以達(dá)到深層，用幾個(gè)超聲幅射加聚焦可以在一定溫度，一定區(qū)域內(nèi)較滿意地加熱。近十幾年來(lái)，高強(qiáng)度聚焦超聲波技術(shù)的提出和實(shí)現(xiàn)，有力地推動(dòng)了超聲腫瘤熱療的發(fā)展，成為超聲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程方面應(yīng)用的重要領(lǐng)域。
1983年，亥雅奇(Hayashi)和1940年的貝克Beck先后報(bào)告“超聲波可使動(dòng)物腫瘤生長(zhǎng)延遲、并偶可使腫瘤消退，溫度增高是腫瘤消退的原因”等現(xiàn)象以來(lái)，生物學(xué)家，物理學(xué)家及工程技術(shù)專家對(duì)此進(jìn)行了大量地工作，從超聲在人體組織上的傳播特性到人體細(xì)胞、各臟器組織對(duì)超聲波的反應(yīng)等方面進(jìn)行了廣泛的研究，我國(guó)在七十年代開始從事這方面的研究，取得了很多重要的成果，上海交通大學(xué)是這方面開展工作較早的單位之一。
盡管如此，人們未能提出一整套用于臨床的實(shí)用性治療機(jī)，以便使這一技術(shù)更廣泛地應(yīng)用和作進(jìn)一步地實(shí)踐型研究。
本發(fā)明的目的在于提出一種主要由B超定位裝置、超聲波發(fā)生、發(fā)射裝置、高強(qiáng)度超聲波聚焦換能器及聲波傳送介質(zhì)體和自動(dòng)跟蹤三維運(yùn)動(dòng)裝置所組成的醫(yī)用體外超聲治療機(jī)，它在治療過(guò)程中不需手術(shù)，無(wú)痛苦，而且操作簡(jiǎn)單、安全、無(wú)副作用，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)所存在的問(wèn)題。
超聲的生物效應(yīng)，早已為人們所關(guān)注，超聲的生物效應(yīng)用于聲強(qiáng)、頻率及生物組織本身的性質(zhì)有很大關(guān)系。按作用機(jī)理，它可分為熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、聲流效應(yīng)和空化效應(yīng)。而本發(fā)明主要是利用生物組織對(duì)能量的吸收特性，射入組織的超聲能量將會(huì)變成熱能，并使其溫度升高，即生物加熱效應(yīng)，以達(dá)到腫瘤所必須的溫度，一般為42℃至44℃。本發(fā)明采用同相位聚焦聲波的辦法，使能量高強(qiáng)度地集中于焦點(diǎn)，作用于病變區(qū)，而非病變區(qū)損壞較小，達(dá)到理想的熱療效果。為此，本發(fā)明所采用的方案主要在于它由B超定位裝置、超聲波發(fā)生、發(fā)射裝置、高強(qiáng)度超聲波聚焦換能器及聲波傳送介質(zhì)體和自動(dòng)跟蹤三維運(yùn)動(dòng)裝置所組成。所說(shuō)的B超定位裝置，是采用已有的市售產(chǎn)品；所說(shuō)的超聲波發(fā)生、發(fā)射裝置是包含有信號(hào)源、功率放大電路和控制電路、而信號(hào)源是保證同相位超聲波信號(hào)發(fā)生，其頻率在1MHz至2MHz之間?？刂齐娐肪哂锌刂贫ㄎ?、定時(shí)、能量調(diào)節(jié)的作用。并直接由計(jì)算機(jī)控制。功率放大器可以周期地產(chǎn)生功率發(fā)射，發(fā)射周期可由計(jì)算機(jī)任意設(shè)定，采用二套高頻功率放大器，連續(xù)發(fā)射方式；所說(shuō)的高強(qiáng)度聚焦換能器，是由200個(gè)20×20mm2的換能單元組成，換能單元采用并聯(lián)或串接方式有序地排列在內(nèi)球面的表面，形成內(nèi)球面的發(fā)射單元陣列；也可以采用將換能單元分成若干組，每一組單元并聯(lián)于內(nèi)球面的條狀配重體上，再將若干配重體均勻固定在一個(gè)圓形支架上形成的球面形狀，球心即為換能陣列的焦點(diǎn)；所說(shuō)的超聲波傳播介質(zhì)體，則是由透聲膠囊及蒸留水所組成；所說(shuō)的三維運(yùn)動(dòng)裝置，它是一種由計(jì)算機(jī)控制伺服電機(jī)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)。它可以自動(dòng)地沿X，Y，Z的三個(gè)方向移動(dòng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于它治療效果明顯，不需手術(shù)、體外治療、無(wú)痛苦；治療時(shí)間短；安全、方便，無(wú)副作用；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、性能可靠。本發(fā)明由于用高強(qiáng)聚焦換能器、B超定位、微機(jī)控制的自動(dòng)掃描等一系列高新技術(shù)，使本發(fā)明具有極高的使用價(jià)值。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的高強(qiáng)度聚焦超聲波換能器示意圖。
圖3為本發(fā)明的信號(hào)源電路圖。
圖4為本發(fā)明的控制信號(hào)源電路圖。
圖5為本發(fā)明的功率放大電路圖。
圖6為本發(fā)明系統(tǒng)的原理框圖。
圖7為本發(fā)明的高頻大功率退耦電路圖。
現(xiàn)在結(jié)合上述各附圖來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例，本發(fā)明主要由B超定位裝置1、超聲波發(fā)生、發(fā)射裝置9、高強(qiáng)度超聲波聚焦換能器3、聲波傳送介質(zhì)體11，以及自動(dòng)跟蹤三維運(yùn)動(dòng)裝置8所組成，如圖1所示。其中1.B超定位裝置1，它是診斷體內(nèi)腫瘤及病灶的有效手段、將B超探頭置于B超探頭支架17上，將高強(qiáng)度聚焦換能器焦點(diǎn)5相對(duì)鎖定在B超的掃描面內(nèi)，B超搜索體內(nèi)腫瘤的過(guò)程也就是移動(dòng)換能器3的焦點(diǎn)，將焦點(diǎn)落實(shí)在B超定位的腫瘤或病灶上，這就完成了定位的過(guò)程。
2.超聲波發(fā)生、發(fā)射裝置9它是由信號(hào)源、控制電路、前置放大電路、高頻功率放大器及功率調(diào)節(jié)器等部分所組成。如圖3至圖7所示，其所有參數(shù)和功能由計(jì)算機(jī)設(shè)定和控制。
A、信號(hào)源如圖3所示，它是由晶振和任意比例的分頻器，整形輸出所組成。具有頻率穩(wěn)定、可調(diào)和前后沿陡直的脈沖信號(hào)。
B、控制電路，如圖4、圖5所示本部分通接口電路直接與計(jì)算機(jī)相連接。對(duì)發(fā)射周期、頻率、功率、定時(shí)等控制。
C、前置放大與功率放大器，如圖5所示，前置放大器采用單管放大、射隨器輸出，其驅(qū)動(dòng)輸出采用中功率場(chǎng)效應(yīng)管，以變壓器藕合的方式與功率放大器相連接。其中U5至U10是采用器件25C2500。本前置放大器簡(jiǎn)單可靠具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，適合做大功率放大器的驅(qū)動(dòng)。
上述電路的工作原理在于40MHz晶體振蕩器產(chǎn)生的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)任意分頻的8位計(jì)數(shù)器，產(chǎn)生所需要信號(hào)頻率，計(jì)數(shù)器由2片4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器所組成。分頻值由手動(dòng)撥碼開關(guān)控制，方波信號(hào)經(jīng)過(guò)反相器整形和0C門驅(qū)動(dòng)送至功率放大器的前級(jí)輸入端。
功率放大器的前級(jí)輸入采用調(diào)整高速光耦隔離，以減小相互間的干擾。功率放大器為單電源推挽方式。上下兩管分別工作，上管導(dǎo)通時(shí)，下管截止交替工作。經(jīng)過(guò)光耦的方波信號(hào)經(jīng)過(guò)反相器送至上、下兩管功率管的驅(qū)動(dòng)級(jí)輸入，驅(qū)動(dòng)級(jí)由三個(gè)高速小功率三極管一只中功率場(chǎng)效應(yīng)管組成，三個(gè)三極管的第一級(jí)為集電極輸出，二、三級(jí)為射極跟隨器輸出，以提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，中功率場(chǎng)效應(yīng)管工作在開關(guān)狀態(tài)，采用變壓器耦合，將前后級(jí)隔離開同時(shí)為大功率管提供足夠電壓和電流驅(qū)動(dòng)。大功率場(chǎng)效管也工們?cè)陂_關(guān)狀態(tài)，當(dāng)上管導(dǎo)通時(shí)，電源電壓全部大負(fù)載(換能器)上。向負(fù)載充電，當(dāng)上管關(guān)，下管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載(換能器)通過(guò)下管放電，這樣在負(fù)載(換能器)上形成與信號(hào)同頻率的電壓波形，負(fù)載(換能器)將此能量轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)射出去。
功率放大器采用大功率場(chǎng)效應(yīng)管推挽輸出，其輸出與換能器直接藕合，本功率放大器由6路放大器組成，其特點(diǎn)為頻率1-2MHz(可任意設(shè)定)功率輸出1000-2000瓦(可連續(xù)調(diào)節(jié))與負(fù)載直接藕合，采用了最佳的匹配技術(shù)，以獲較高的效率，具有很高抗干擾能力。
本功率放大器從整體設(shè)計(jì)上采用小信號(hào)隔離技術(shù)和大功率供電系統(tǒng)退藕技術(shù)，如圖7所示，本退藕采用了共模退藕技術(shù)，不僅對(duì)電源對(duì)地線均能抑制其干擾。為了抑制強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)干擾，對(duì)信號(hào)源采用了隔離技術(shù)，以提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。
3.高強(qiáng)度聚焦換能器3高強(qiáng)度聚焦換能器是由200個(gè)20×20mm2的換能單元組18組成，換能單元16采用并聯(lián)或串聯(lián)方式有序的排列在內(nèi)球面的表面，形成內(nèi)球面發(fā)射的換能單元陣列。內(nèi)球面的球心既為換能單元陣列的焦點(diǎn)5，如圖2所示。換能單元16的額定功率為8瓦，因此在單元發(fā)射的超聲能量小，在其傳播距離內(nèi)不會(huì)損壞人體組織，減少體內(nèi)副作用產(chǎn)生。只有所有換能器單元16的能量集中于焦點(diǎn)5，焦點(diǎn)5的能量將是8×200＝1600瓦的電功率。成為足夠消滅癌細(xì)胞的能量。為保證足夠大的電功率聚焦；我們采用單信號(hào)源，保證在相同介質(zhì)內(nèi)，換能單元16能相位相同地把能量傳送到焦點(diǎn)，產(chǎn)生單元能量疊加效果。從而達(dá)到高強(qiáng)度聚焦的效果。換能的陣列組成有兩種方法一種是換能單元16直接裝在內(nèi)球面體表面，形成一個(gè)整體聚焦換能器3。此種換能器聚焦焦點(diǎn)不可調(diào)，根據(jù)換能單元16粘度的工藝水平而定；另一種是將換能單元16分成若干組，每一組單元并聯(lián)于內(nèi)球面的條狀配重體15上，再將若干配重體15均勻固定在一個(gè)圓形支架14上形成的球面形狀，裝配上蓋18則構(gòu)在換能器3，球心既為換能陣列的焦點(diǎn)5。此種聚焦焦點(diǎn)5可調(diào)，可達(dá)理想焦點(diǎn)要求，但工藝麻煩。
換能單元16壓電陶瓷，PZ8換能陣列的球面半徑320mm換能陣列弦長(zhǎng)550mm換能陣列焦點(diǎn)尺寸2×2×10mm34.超聲波傳播介質(zhì)體11，由透聲膠囊及蒸餾水組成以減少聲波傳送中的能量衰減及聲波的空間折射。水囊介于換能器及人體之間達(dá)到超聲波能量損失最小的效果。
5.自動(dòng)搜尋三維運(yùn)動(dòng)裝置8“B”超定位裝置1為聚焦換能器焦點(diǎn)5相對(duì)鎖定，移動(dòng)換能器3本身既為移動(dòng)“B”超掃描面。三維運(yùn)動(dòng)裝置8由微計(jì)算機(jī)2控制步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力機(jī)構(gòu)。計(jì)算機(jī)將三維方向計(jì)算結(jié)果，通知伺服電機(jī)通過(guò)絲杠推動(dòng)換能器3作三維運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)腫瘤及病灶的掃描、搜索工作。及時(shí)、準(zhǔn)確將焦點(diǎn)定位于腫瘤處。同時(shí)，治療過(guò)程中，由于超聲作用面小于腫瘤病灶面，三維運(yùn)動(dòng)有效移動(dòng)焦點(diǎn)5位置全面地殺死癌細(xì)胞及病變。三維運(yùn)動(dòng)中有效移動(dòng)范圍X＝100mmY＝100mmZ＝100mm精度誤差±0.5mm。
6.微型計(jì)算機(jī)本發(fā)明設(shè)有一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，它主要是完成本發(fā)明的所有控制功能各數(shù)據(jù)輸入、自動(dòng)處理各種數(shù)據(jù)輸出及顯示。
7.流水外圍設(shè)備包括治療床(7)，水囊更換及電流控制臺(tái)等。上述系統(tǒng)的關(guān)系見圖1。
設(shè)備使用過(guò)程將患者6以適當(dāng)位置按放于治療床7上，將腹部(或其它治療范圍)置于治療床7水囊區(qū)內(nèi)。開啟“B”超診斷系統(tǒng)，移動(dòng)三維自動(dòng)定位裝置8，掃描，搜尋腹腔內(nèi)腫瘤及病灶。
當(dāng)發(fā)現(xiàn)腫瘤后，將“B”超掃描面的焦點(diǎn)5標(biāo)記(屏幕器+字顯示)移動(dòng)到腫瘤位置上。
開啟超聲波發(fā)生以及功率發(fā)射機(jī)，在周期控制的作用下，向病灶連續(xù)發(fā)射超聲波。每二十分鐘為一療程。
根據(jù)病灶組織不同，調(diào)節(jié)“功率發(fā)射檔”，以調(diào)節(jié)發(fā)射功率以達(dá)到最佳效果。
本發(fā)明主要利用生物組織對(duì)能量的吸收特性，射入組織的超聲能量將會(huì)變成熱能，并使其溫度升高，既生物的熱效應(yīng)，以達(dá)到腫瘤熱療所必需的溫度，一般為42℃-44℃。本發(fā)明采用同相位聚焦聲波的辦法，使能量高強(qiáng)度地集中于聚點(diǎn)，作用于病變區(qū)內(nèi)，而非病變區(qū)損壞較小，達(dá)到理想的熱療效果。
利用同樣的裝置，改變發(fā)射頻率及功率，可產(chǎn)生超聲碎石的效果。因此本發(fā)明也可適用于醫(yī)用體外超聲碎石機(jī)的有關(guān)證據(jù)和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種醫(yī)用體外超聲治療機(jī)，其特征在于它包含有B超腫瘤定位裝置、超聲波發(fā)生、發(fā)射裝置、高強(qiáng)度超聲波聚焦換能器、聲波傳播介質(zhì)體和自動(dòng)跟蹤三維運(yùn)動(dòng)裝置，所說(shuō)的超聲波發(fā)生、發(fā)射裝置是包含有信號(hào)源、功率放大電路和控制電路、而信號(hào)源是保證同相位超聲波信號(hào)發(fā)生，其頻率在1MHz至2MHz之間；控制電路具有控制定位、定時(shí)、能量調(diào)節(jié)的作用，并直接由計(jì)算機(jī)控制；功率放大器可以周期地產(chǎn)生功率發(fā)射，發(fā)射周期可根據(jù)需要由計(jì)算機(jī)設(shè)定，采用二套高頻功率放大器，連續(xù)發(fā)射方式；所說(shuō)的高強(qiáng)度聚焦換能器，是由換能器單元組成，換能器單元采用并聯(lián)或串接方式有序地排列在內(nèi)球面的表面，形成內(nèi)球面的發(fā)射單元陣列；也可以采用將換能單元分成若干組，每一組單元并聯(lián)于內(nèi)球面的條狀配重體上，再將若干配重體均勻固定在一個(gè)圓形支架上形成的球面形狀；所說(shuō)的超聲波傳播介質(zhì)體，則是由透聲膠囊及蒸留水所組成；所說(shuō)的三維運(yùn)動(dòng)裝置，它是一種由計(jì)算機(jī)控制伺服電機(jī)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，它可以自動(dòng)地沿X，Y，Z的三個(gè)方向移動(dòng)把焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)病灶處。
2.按權(quán)利要求1所說(shuō)的醫(yī)用體外超聲治療機(jī)，其特征在于所說(shuō)的超聲波發(fā)生、發(fā)射裝置，它包括有信號(hào)源、控制電路、高頻率放大器和功率調(diào)節(jié)器。
3.按權(quán)利要求1所說(shuō)的醫(yī)用體外超聲治療機(jī)，其特征在于所說(shuō)的高強(qiáng)度聚焦換能器，它是由200個(gè)20×20mm2的換能單元并聯(lián)或串聯(lián)方式排列在內(nèi)球面的表面，每一換能單元的額度功率為8瓦；換能單元還可以分成若干組，每一組單元并聯(lián)于內(nèi)球面的條狀配重體上，再將若干配重體均勻固定在一圓形支架上形成內(nèi)球面形狀。
4.按權(quán)利要求1所說(shuō)的醫(yī)用體外超聲治療機(jī)，其特征在于所說(shuō)的超聲波傳播介質(zhì)體，它是由透聲膠及蒸餾水組成。
5.按權(quán)利要求1所說(shuō)的醫(yī)用體外超聲治療機(jī)，其特征在于所說(shuō)的三維運(yùn)動(dòng)裝置，在計(jì)算機(jī)控制下，它可以自動(dòng)地沿x.y.z的方向把焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)病灶處。
全文摘要
本發(fā)明涉及應(yīng)用超聲技術(shù)中的超聲治療裝置,它主要由B超腫瘤定位裝置、超聲波發(fā)生、發(fā)射裝置、高強(qiáng)度超聲波聚焦換能器及聲波傳播介質(zhì)體和自動(dòng)搜索三維運(yùn)動(dòng)裝置所組成,它以人體組織熱效應(yīng)達(dá)到治療腫瘤及病變腫塊的效果,或者利用人體組織的機(jī)械效應(yīng)粉碎體內(nèi)結(jié)石,它不僅操作簡(jiǎn)單、性能可靠,而且治療效果明顯、安全、無(wú)副作用,因此具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
文檔編號(hào)A61N7/00GK1185982SQ96114078
公開日1998年7月1日 申請(qǐng)日期1996年12月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月27日
發(fā)明者侯朝煥, 郭應(yīng)祿, 呂鳳玲, 王德濱, 朱北元, 閆欣元, 楊樹元, 萬(wàn)志文 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所