專利名稱：腫瘤治療超聲聚焦刀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用超聲波對腫瘤進(jìn)行掃描和治療的腫瘤治療超聲聚焦刀。
2.背景技術(shù)近代醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞比正常細(xì)胞耐熱性差，在42.5～45度之間，30分鐘內(nèi)腫瘤細(xì)胞死亡，60℃需要約3秒殺死腫瘤細(xì)胞，而100℃只需0.1秒就可殺死腫瘤細(xì)胞。利用這一特點，采用高強(qiáng)度聚焦超聲(HighIntensity Ficused Ultrasoelnd-HIFU)技術(shù)治療腫瘤已成為國內(nèi)外發(fā)展趨勢。超聲束在人體內(nèi)聚焦，使焦點處的高強(qiáng)度超聲能量作用于人體內(nèi)靶組織(腫瘤)上，經(jīng)過高強(qiáng)度超聲(每平方厘米可達(dá)上萬瓦)短時間(0.5s～5s)輻照，在靶組織處產(chǎn)生高溫效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)。使腫瘤組織產(chǎn)生凝固性壞死，失去增殖、浸潤和轉(zhuǎn)移能力，從而達(dá)到治療腫瘤的目的?，F(xiàn)有利用HIFU技術(shù)治療腫瘤的產(chǎn)品存在一些缺點1.現(xiàn)有的產(chǎn)品焦域較大(長短軸之比較大)焦域內(nèi)的超聲最大聲強(qiáng)低于15000W/cm2，這樣治療效果差、治療時間長。2.采用B超二維診斷和二維治療方法，不能完整地判斷病灶性質(zhì)和結(jié)構(gòu)并治療。3.現(xiàn)有的產(chǎn)品均沒有實時監(jiān)視被治療區(qū)域體表的功能，容易發(fā)生燒傷和因患者體位變化造成治療部位偏差。4.現(xiàn)有的產(chǎn)品均不能快速、直觀、定性地判斷治療效果本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種焦域小、大功率聲強(qiáng)、焦域形態(tài)良好、三維立體診斷和治療、定位精確、實時監(jiān)控、工作穩(wěn)定可靠和操作方便的腫瘤治療超聲聚焦刀。
3.發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種腫瘤治療超聲聚焦刀是由組合治療頭、超聲功率源、介質(zhì)水處理裝置、B超機(jī)、治療床、主控制器和工控機(jī)組成，其特征是所述組合治療頭安裝在五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的弧形臂上；治療床的中部有用于存放介質(zhì)水的水箱，介質(zhì)水處理裝置與水箱相連，弧形臂放置在水箱內(nèi)；組合治療頭與超聲功率源相連；工控機(jī)通過主控制器分別與五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)、超聲功率源相連，B超機(jī)通過視頻采集卡連接工控機(jī)。
所述五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的五維運(yùn)動由X、Y、Z、θ、γ運(yùn)動組成X、Y、Z的運(yùn)動機(jī)構(gòu)是一樣的伺服電機(jī)通過減速器傳送到滾珠絲桿，滾珠絲桿帶動托板在導(dǎo)軌上運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)編碼器與滾珠絲桿連接，X、Y、Z三個運(yùn)動機(jī)構(gòu)疊加就構(gòu)成三維直角坐標(biāo)系運(yùn)動機(jī)構(gòu)；伺服電機(jī)通過減速器連接弧形臂上的同步帶，同步帶固定有滑塊，組合治療頭固定在滑塊上使組合治療頭沿弧形臂運(yùn)動且與Y坐標(biāo)保持在同一平面上形成，γ坐標(biāo)運(yùn)動完成二維斷面在Y坐標(biāo)平面內(nèi)的弧形運(yùn)動，弧形臂固定在X、Y、Z三個單運(yùn)動機(jī)構(gòu)疊加構(gòu)成三維運(yùn)動裝置上；氣動作動筒通過連桿帶動組合治療頭繞自身軸心轉(zhuǎn)動形成θ坐標(biāo)運(yùn)動，完成兩個相互垂直且軸對稱二維診斷面的轉(zhuǎn)換；五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的控制是由工控機(jī)通過主控制器將運(yùn)動信號傳送到前端控制器，前端控制器控制伺服運(yùn)動機(jī)構(gòu)帶動組合治療頭運(yùn)動，運(yùn)動檢測器將檢測到的位置信號反饋到前端控制器，再通過主控制器反饋到工控機(jī)，實現(xiàn)運(yùn)動的閉環(huán)控制。
所述超聲功率源是0.8MHz～1.7MHz的主振動器接12路使能開關(guān)接中放電路進(jìn)行放大，再由隔離變壓器驅(qū)動功率放大器，由功率放大器放大后的高頻電能經(jīng)阻抗匹配電路經(jīng)功率檢測送至換能器件，換能器件發(fā)射功率超聲波；12路使能開關(guān)接相序發(fā)生器，相序發(fā)生器接PC I/O接口，PC I/O接口通過可調(diào)節(jié)直流電源接功率放大器，PC I/O接口通過指示器接功率檢測電路；所述組合治療頭包括聲透鏡，聲透鏡的平面固定有8～20個壓電換能器；聲透鏡中心的孔處有凸陣式B超探頭；護(hù)套將聲透鏡和B超探頭密封，護(hù)套底部上固定有定位固定調(diào)節(jié)膠墊用于固定B超探頭。
所述弧形臂安裝有水下攝影頭。
在工控機(jī)控制下，超聲功率源、B超機(jī)、五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)是連續(xù)實時工作的。
本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要優(yōu)點組合治療頭具有精確聚焦、焦點形態(tài)良好、大功率聲強(qiáng)、多種波場形式，焦點準(zhǔn)確位于B超診斷面中垂線上，相對位置高度固定；采用凸陣式B超探頭使得B超圖像質(zhì)量不受聲透鏡的影響；安裝有水下攝像頭，可直觀的實時監(jiān)視被治療區(qū)域體表情況，有效避免發(fā)生燒傷和因患者體位變化造成治療部位偏差；利用θ坐標(biāo)的工作方式可方便地完成兩個相互垂直且軸對稱二維診斷面的轉(zhuǎn)換；采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，對治療前、后圖像進(jìn)行實時處理并繪制圖表，使得操作者能夠快速、直觀、定性地判斷治療效果。
4.


圖1是本發(fā)明實施例的原理框圖；圖2是本發(fā)明實施例的五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)中X、Y、Z的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實施例的五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)中γ的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明實施例的五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)中θ的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明實施例的組合治療頭結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明實施例的組合治療頭中聲透鏡結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明實施例的超聲功率源原理圖8是本發(fā)明實施例的操作流程框圖。
5.具體實施方式
如圖1所示一種腫瘤治療超聲聚焦刀是由組合治療頭、超聲功率源、介質(zhì)水處理裝置、B超機(jī)、治療床、主控制器和工控機(jī)組成。工控機(jī)為腫瘤治療超聲聚焦刀的控制中樞，采用奔騰3以上處理器，其I/O配置為DMC300運(yùn)動控制卡、PC-6407開關(guān)量輸出卡、PC-6405開關(guān)量輸入卡、PC-6320 A/D卡和MVPCI圖象采集卡。B超機(jī)采用CX-900C型，介質(zhì)水處理裝置采用CZ901-6型。
組合治療頭12安裝在五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的弧形臂9上；治療床的中部有用于存放介質(zhì)水的水箱，介質(zhì)水處理裝置與水箱相連，弧形臂放置在水箱內(nèi)；組合治療頭與超聲功率源相連；工控機(jī)通過主控制器分別與五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)、超聲功率源相連，B超機(jī)通過視頻采集卡連接工控機(jī)。
所述組合治療頭包括聲透鏡15，聲透鏡15的平面上通過強(qiáng)力膠粘接固定有均勻分布的8～12個壓電換能器件16；壓電換能器件的電源由超聲功率源提供；聲透鏡15中心的孔處有凸陣式B超探頭17；護(hù)套18將聲透鏡和B超探頭密封，護(hù)套18底部上固定有定位固定調(diào)節(jié)膠墊19用于固定和調(diào)節(jié)B超探頭17；8～12個壓電換能器件根據(jù)施加的高頻電能能量大小和相序，可組合產(chǎn)生多種功率超聲波場形式；采用凸陣式B超探頭，聲透鏡對B超成像質(zhì)量沒有影響，這樣在組合治療頭對腫瘤治療的同時，B超探頭可同時掃描采集腫瘤的圖象，傳送到工控機(jī)，操作者可直觀地看到治療的情況。
組合治療頭技術(shù)參數(shù)如下焦域X短軸≤2.6mm、Y短軸≤2.6mm、Z長軸≤8.0mm；最大聲強(qiáng)焦點最大橫截面最大聲強(qiáng)≥20KW/cm2；焦平面高度55mm，95mm，115mm，165mm，140mm；功率超聲波場形式連續(xù)波、脈沖波(占空比1％～99％)、旋轉(zhuǎn)波(6種形式)。
五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的五維運(yùn)動由X、Y、Z、θ、γ運(yùn)動組成X、Y、Z的運(yùn)動機(jī)構(gòu)是一樣的伺服電機(jī)1通過減速器2傳送到滾珠絲桿3，滾珠絲桿3帶動托板4在導(dǎo)軌5上運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)編碼器6與滾珠絲桿(3)連接，X、Y、Z三個運(yùn)動機(jī)構(gòu)疊加就構(gòu)成三維直角坐標(biāo)系運(yùn)動機(jī)構(gòu)；伺服電機(jī)7通過減速器8連接弧形臂9上的同步帶10，同步帶10固定有滑塊11，組合治療頭12固定在滑塊11上使組合治療頭12沿弧形臂(9)運(yùn)動且與Y坐標(biāo)保持在同一平面上形成，γ坐標(biāo)運(yùn)動完成二維斷面在Y坐標(biāo)平面內(nèi)的弧形運(yùn)動，弧形臂9固定在X、Y、Z三個單運(yùn)動機(jī)構(gòu)疊加構(gòu)成三維運(yùn)動裝置上；氣動作動筒13通過連桿14帶動組合治療頭12繞自身軸心轉(zhuǎn)動形成θ坐標(biāo)運(yùn)動，完成兩個相互垂直且軸對稱二維診斷面的轉(zhuǎn)換；這樣可方便地完成診斷和治療的三維方式，從而能夠完整地判斷病灶性質(zhì)和結(jié)構(gòu)并治療。
五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的控制是由工控機(jī)通過主控制器將運(yùn)動信號傳送到前端控制器，前端控制器控制伺服運(yùn)動機(jī)構(gòu)帶動組合治療頭運(yùn)動，運(yùn)動檢測器將檢測到的位置信號反饋到前端控制器，再通過主控制器反饋到工控機(jī)，實現(xiàn)運(yùn)動的閉環(huán)控制。
弧形臂9安裝有水下攝像頭20，這樣可直觀的實時監(jiān)視被治療區(qū)域體表情況，有效避免發(fā)生燒傷和因患者體位變化造成治療部位偏差。
如圖7所示超聲功率源是0.8MHz～1.7MHz的主振動器接12路使能開關(guān)，經(jīng)中放電路進(jìn)行放大，再由隔離變壓器驅(qū)動功率放大器，由功率放大器放大后的高頻電能經(jīng)阻抗匹配電路經(jīng)功率檢測送至換能器件，換能器件發(fā)射功率超聲波。12路使能開關(guān)接相序發(fā)生器，相序發(fā)生器接PC I/O接口，PC I/O接口通過可調(diào)節(jié)直流電源接功率放大器，PC I/O接口通過指示器接功率檢測電路。主振動器產(chǎn)生一個與換能器件匹配的工作頻率電壓，經(jīng)使能開關(guān)送至中放電路進(jìn)行放大，再由隔離變壓器驅(qū)動功率放大器，放大后的高頻電能經(jīng)阻抗匹配電路送至使換能器件發(fā)射出功率超聲波；工控機(jī)經(jīng)I/O接口自動調(diào)節(jié)直流電源的輸出電壓值，從而調(diào)節(jié)了高頻電能，也就調(diào)節(jié)了發(fā)射的超聲功率值。
在工控機(jī)控制下，超聲功率源、B超機(jī)、五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的是閉環(huán)實時工作的。
本發(fā)明采用以下診斷方式1.采用B超二維診斷平面與B超探頭旋轉(zhuǎn)90°的三維組合方式。
2.水下攝像與CT或MRI圖片進(jìn)行輔助外表定位診斷方式。
本發(fā)明采用以下治療方式1.在治療區(qū)內(nèi)可進(jìn)行單點或多點，單次或多次重復(fù)治療。
2.在治療區(qū)內(nèi)可進(jìn)行單線或多線，單次或多次重復(fù)治療。
3.在治療區(qū)內(nèi)可進(jìn)行弧線的點、線，單次或多次重復(fù)治療。
這三種方式可組合起使用，由點到線，由多線構(gòu)成面，由面構(gòu)成立體。
如圖8所示本發(fā)明的工作過程，啟動超聲功率源、介質(zhì)水處理裝置、五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)。介質(zhì)水處理裝置將介質(zhì)水處理后并加溫到25℃左右，并將介質(zhì)水向水箱內(nèi)灌注達(dá)到治療所需高度。
利用水下攝影頭和B超診斷將患者定位固定，工控機(jī)控制五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)帶動組合治療頭對患者的病灶部位進(jìn)行診斷，根據(jù)診斷結(jié)果確定治療方案和治療參數(shù)，由工控機(jī)自動進(jìn)行治療，水下攝影頭和監(jiān)護(hù)儀實時監(jiān)視患者體位和治療反應(yīng)情況，并實時采集B超圖像并對治療前、后圖像，治療位置及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行保存和回放，實時進(jìn)行治療位置的灰度比較和對已治療層面進(jìn)行治療效果的分析。治療完畢后，根據(jù)治療前、后灰階變換變化曲線和血流情況判斷治療效果，確定下一步是重復(fù)上述過程，還是結(jié)束治療。
權(quán)利要求
1.一種腫瘤治療超聲聚焦刀是由組合治療頭、超聲功率源、介質(zhì)水處理裝置、B超機(jī)、治療床、主控制器和工控機(jī)組成，其特征是組合治療頭安裝在五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的弧形臂上；治療床的中部有用于存放介質(zhì)水的水箱，介質(zhì)水處理裝置與水箱相連，弧形臂放置在水箱內(nèi)；組合治療頭與超聲功率源相連；工控機(jī)通過主控制器分別與五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)、超聲功率源相連，B超機(jī)通過視頻采集卡連接工控機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的腫瘤治療超聲聚焦刀，其特征是所述五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的五維運(yùn)動由X、Y、Z、θ、γ運(yùn)動組成，X、Y、Z的運(yùn)動機(jī)構(gòu)是一樣的伺服電機(jī)(1)通過減速器(2)傳送到滾珠絲桿(3)，滾珠絲桿(3)帶動托板(4)在導(dǎo)軌(5)上運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)編碼器(6)與滾珠絲桿(3)連接，X、Y、Z三個運(yùn)動機(jī)構(gòu)疊加就構(gòu)成三維直角坐標(biāo)系運(yùn)動機(jī)構(gòu)；伺服電機(jī)(7)通過減速器(8)連接弧形臂(9)上的同步帶(10)，同步帶(10)固定有滑塊(11)，組合治療頭(12)固定在滑塊(11)上使組合治療頭(12)沿弧形臂(9)運(yùn)動且與Y坐標(biāo)保持在同一平面上形成，γ坐標(biāo)運(yùn)動完成二維斷面在Y坐標(biāo)平面內(nèi)的弧形運(yùn)動，弧形臂(9)固定在X、Y、Z三個單運(yùn)動機(jī)構(gòu)疊加構(gòu)成三維運(yùn)動裝置上；氣動作動筒(13)通過連桿(14)帶動組合治療頭(12)繞自身軸心轉(zhuǎn)動形成θ坐標(biāo)運(yùn)動，完成兩個相互垂直且軸對稱二維診斷面的轉(zhuǎn)換；五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的控制是由工控機(jī)通過主控制器將運(yùn)動信號傳送到前端控制器，前端控制器控制伺服運(yùn)動機(jī)構(gòu)帶動組合治療頭運(yùn)動，運(yùn)動檢測器將檢測到的位置信號反饋到前端控制器，再通過主控制器反饋到工控機(jī)，實現(xiàn)運(yùn)動的閉環(huán)控制。
3.如權(quán)利要求1所述的腫瘤治療超聲聚焦刀，其特征是所述超聲功率源是0.8MHz～1.7MHz的主振動器接12路使能開關(guān)，經(jīng)中放電路進(jìn)行放大，再由隔離變壓器驅(qū)動功率放大器，由功率放大器放大后的高頻電能經(jīng)阻抗匹配電路經(jīng)功率檢測送至換能器件，換能器件發(fā)射功率超聲波；12路使能開關(guān)接相序發(fā)生器，相序發(fā)生器接PC I/O接口，PC I/O接口通過可調(diào)節(jié)直流電源接功率放大器，PC I/O接口通過指示器接功率檢測電路。
4.如權(quán)利要求1所述的腫瘤治療超聲聚焦刀，其特征是所述組合治療頭(12)包括聲透鏡(15)，聲透鏡(15)的平面固定有8～20個壓電換能器(16)；聲透鏡(15)中心的孔處有凸陣式B超探頭(17)；護(hù)套(18)將聲透鏡和B超探頭密封，護(hù)套(18)內(nèi)部上固定有定位固定調(diào)節(jié)膠墊(19)用于固定B超探頭(17)。
5.如權(quán)利要求1所述的腫瘤治療超聲聚焦刀，其特征是所述弧形臂(9)安裝有水下攝影頭(20)。
6.如權(quán)利要求1所述的腫瘤治療超聲聚焦刀，其特征是在工控機(jī)的控制下，超聲功率源、B超機(jī)、五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)是閉環(huán)實時的工作。
7.如權(quán)利要求1所述的腫瘤治療超聲聚焦刀，其特征是所述組合治療頭形成的焦域X短軸≤2.6mm、Y短軸≤2.6mm、Z長軸≤8.0mm，焦點最大橫截面最大聲強(qiáng)≥20KW/cm2，定位精度±1mm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種腫瘤治療超聲聚焦刀，涉及利用聚焦超聲波治療腫瘤的設(shè)備，腫瘤治療聚焦刀是由組合治療頭、超聲功率源、介質(zhì)水處理裝置、B超機(jī)、治療床、主控制器和工控機(jī)組成，其特征是組合治療頭安裝在五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的弧形臂上，弧形臂放置在治療床上的水箱內(nèi)；組合治療頭與超聲功率源相連；工控機(jī)通過主控制器分別與五維運(yùn)動機(jī)構(gòu)、超聲功率源相連，B超機(jī)通過視頻采集卡連接工控機(jī)。本發(fā)明具有精確聚焦、焦點形態(tài)良好、大功率聲強(qiáng)、多種波場形式，可直觀的實時監(jiān)視被治療區(qū)域體表情況，能夠快速、直觀、定性的判斷治療效果。
文檔編號A61B18/00GK1456128SQ0211372
公開日2003年11月19日 申請日期2002年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月10日
發(fā)明者劉伯濤, 陳祠松, 何躍明, 余先華, 蘇強(qiáng)華, 曾文富 申請人:綿陽索尼克電子有限責(zé)任公司