專利名稱：一種壓電聚焦式超聲波碎石裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及醫療超聲技術領域，具體涉及一種壓電聚焦式超聲波碎石裝置
背景技術：
在臨床治療人體結石方面傳統的方法是采用手術治療。自上世紀80年代以來，體外震波碎石儀被發明并在臨床中得到了廣泛應用。體外沖擊波碎石的發生裝置有液電式、電磁式、壓電式、激光式、爆炸式等，其機理是產生脈沖沖擊波，該沖擊波在傳播過程中通過會聚形成直徑為Icm左右的超聲波束，峰值聲壓可高達50 lOOMPa，對處于聚焦區域中的結石會產生強烈的沖擊作用力，將結石粉碎；同時，在沖擊波的作用下，水介質會產生強烈的空化，也會增強對結石的粉碎效果。但是，利用體外沖擊波碎石儀進行治療時，由于產生的脈沖沖擊波初始能量較大，在介質中傳播時會對人體的軟組織器官等產生損傷副作用，另外，體外沖擊波碎石儀產生的脈沖波頻譜中含有很豐富的低頻聲波，在聲波傳播過程中不能得到有效匯聚，損失了到達治療區域的聲波能量，降低了對結石的粉碎效率。傳統對于腫瘤的治療多是采用保守的藥物治療、化療和手術治療等。隨著高強度聚焦超聲(High Intensity Focus Ultrasound)技術的發展,該技術在腫瘤無創治療方面在國內外得到了廣泛的應用。其治療機理是將探頭發射出的平均聲強較低的超聲波聚焦到直徑為I 5mm左右的聲波波束中，形成一個平均聲強1000W/cm2以上的焦域，對腫瘤進行0. I 5秒的輻照，使得被輻照處的腫瘤組織溫度上升到70°C以上，破壞腫瘤組織，達到治療的目的。公開專利CN1215616A即是這類治療系統。高強度聚焦超聲對腫瘤的切除和治療主要利用的是聚焦超聲的熱效應，同時治療的過程中也會伴隨著空化效應和機械振蕩等效應。高強度聚焦超聲對腫瘤的治療一般采用間斷式連續聲波，為了使腫瘤組織處達到足夠高的溫度，需要延長輻照的時間，提高超聲劑量，積累的熱效應同樣會使得聲波通過路徑上的組織收到灼傷。
發明內容本實用新型的目的在于克服上述存在的不足，而提供一種采用高強度聚焦式超聲探頭作為碎石超聲波源，同時，為避免碎石過程中熱效應的產生，采用具有一定占空比的正弦波填充脈沖信號，不會使得治療區域產生明顯的溫升；通過將超聲波能量聚焦到焦點處產生空化作用，將結石粉碎的壓電聚焦式超聲波碎石裝置。本實用新型的目的是通過如下技術方案來完成的，它包括信號發生器、高頻功率放大器、阻抗匹配網絡、B超裝置、XYZ三維運動機構、控制計算機，所述的控制計算機通過通訊接口與信號發生器相連，該信號發生器所產生的正弦波填充脈沖信號通過高頻功率放大器放大進入于阻抗匹配網絡內，且該高頻功率放大器通過阻抗匹配網絡驅動壓電聚焦式超聲探頭；所述的B超裝置通過提供信息方式與控制計算機相連，XYZ三維運動機構內的三個步進電機分別連接于所述的控制計算機內的步進電機控制接口內，該XYZ三維運動機構通過控制方式與結石仿真模型相連。[0007]作為優選，所述的B超裝置由B超顯示機與B超探頭連接組成，B超顯示機通過提供信息方式與控制計算機相連，B超探頭用于對結石進行掃描定位，所檢測的信息通過B超顯示機顯示。作為優選，所述的信號發生器所產生的正弦波填充脈沖信號為填充信號與脈沖信號，所述的填充信號為至少一個頻率的組合信號，信號頻率范圍500kHz 2MHz之間；所述的脈沖信號為周期性信號，具有一定的占空比，以減小超聲波的熱效應。作為優選，所述的壓電聚焦式超聲探頭采用壓電材料或壓電復合材料作為有源元件，并采用多個陣元排布在球冠型結構的內面，通過這種結構的排布使得多個陣元的能 量在空間某點形成聚焦；壓電聚焦式超聲探頭的工作頻率在500kHz 2MHz,所形成焦點的_3dB焦斑直徑約I 4mm, -6dB的焦長一般在10 20mm。本實用新型的有益效果為(1)本實用新型的碎石機理不同于傳統的沖擊波碎石，采用壓電聚焦式超聲探頭將初始能量級較低的超聲波聚集于空間一點處，形成高能量區域，具有能量轉換效率高的優點，同時避免了傳統沖擊波碎石儀在碎石過程中對人體軟組織可能存在的潛在的損傷，具有副作用小的特點；(2)本實用新型的碎石機理不同于傳統的沖擊波碎石，傳統的沖擊波碎石是利用很高的電壓(一般是數千伏乃至上萬伏的高壓)瞬間放電，產生刺耳的噪聲，對治療過程中病人的生理和心理會帶來負面的影響；本實用新型采用的正弦波填充脈沖信號，具有所需電壓低(一般在數百伏的量級)，在碎石過程中比較安靜，可潛在地舒緩病人的心理壓力；(3)本實用新型的碎石機理是基于空化效應對結石的磨蝕作用，聚焦超聲波治療腫瘤過程中主要是利用熱效應，與治療腫瘤所采用的信號不同，本實用新型裝置采用具有一定占空比的正弦波填充脈沖信號，在碎石過程中不會產生明顯的溫升，因此，不會對軟組織和皮膚等產生潛在的灼傷；(4)本實用新型所采用碎石裝置在碎石效率上與傳統沖擊波碎石機可以比擬，但是在最終碎石顆粒的尺寸上，傳統沖擊波碎石儀最終是將結石粉碎成不規則的具有一定物理尺寸的塊狀物或者顆粒，不易排出；本實用新型最中將結石磨蝕成粉末狀微粒，利于人體自然排出；(5)本實用新型裝置在碎石過程中具有安全、高效、可操作性強等特點。

圖I是本實用新型的結構示意圖；圖2是現有沖擊波碎石儀的信號波形圖；圖3是本實用新型的所采用的信號波形圖。附圖中的標號分別為I、信號發生器，2、高頻功率放大器，3、阻抗匹配網絡，4、B超裝置，5、XYZ三維運動機構，6、控制計算機，7、壓電聚焦式超聲探頭，
8、步進電機控制接口，9、結石仿真模型，41、B超顯示機，42、B超探頭。
具體實施方式
下面將結合附圖對本實用新型做詳細的介紹圖I所示，本實用新型包括信號發生器I、高頻功率放大器2、阻抗匹配網絡3、壓電聚焦式超聲探頭7、B超裝置4、XYZ三維運動機構5、控制計算機6。所述的控制計算機6通過通訊接口控制信號發生器I產生所需的正弦波填充脈沖信號，輸入到高頻功率放大器2進行放大輸出，用以驅動壓電聚焦式超聲探頭7向介質中輻射超聲波。B超裝置4對結石進行掃描定位，將結石的位置信息提供給控制計算機6，控制計算機6發出控制指令，控制相應的步進電機驅動運動機構在X、Y、Z三個運動方向產生精確的位移，將結石對準壓電聚焦式超聲探頭7的聲學焦點，通過高強度聲波的作用，在結石表面產生空化，從而將結石進行磨蝕粉碎。所述的信號發生器1，可采用商業化的信號發生器或者振蕩電路實現，信號頻率可根據壓電聚焦式超聲探頭7的工作頻率進行設定，具有頻率穩定可調等特點，并可通過計算機接口對其進行編程控制其信號頻率、脈沖長度和脈沖周期等參數。 所述的高頻功率放大器2，可采用商業化的功率放大器或者根據設計要求訂制，具有功率輸出可調的特點。其作用是在壓電聚焦式超聲探頭7的工作頻率上提供大功率的驅動能力，滿足壓電聚焦式超聲探頭7實際的工作需求。所述的阻抗匹配網絡3，其作用是在有效的工作頻段上完成阻抗調節，使得高頻功率放大器2的輸出阻抗與壓電聚焦式超聲探頭7的電阻抗進行匹配，提高高頻功率放大器2的功率輸出效率，增加高頻功率放大器2的有功功率。阻抗匹配網絡3可作為單獨的部件或者與高頻功率放大器2集成在一起。所述的壓電聚焦式超聲探頭7，采用壓電材料或者壓電復合材料作為有源元件，其實現形式為，采用球冠式壓電陶瓷或者復合材料元件直接實現超聲波的能量聚焦，或者采用多個陣元排布在球冠型結構的內面(陣元也可以本身具有各自的焦點)，通過這種結構的排布使得多個陣元的能量在空間某點形成聚焦。壓電聚焦式超聲探頭的工作頻率在500kHz 2MHz，所形成焦點的_3dB焦斑直徑約I 4mm，-6dB的焦長一般在10 20mm。所述的B超裝置4，采用商業成熟產品，由B超顯示機41與B超探頭42連接組成，其作用是對結石的位置進行定位，將結石位置信息提供給控制計算機6，并在超聲波碎石過程中，提供實時的聲學影像監控。所述的XYZ三維運動機構5，是由步進電機驅動的X、Y、Z三維運動機構5，每個電機可由可控計算機6經RS232串口進行單獨控制，其各個方向的步進分辨率不低于O. 1_。所述的控制計算機6，采用商業化成熟產品，能夠滿足本裝置的需求，具有本裝置工作所必需的設備接口。其作用是，控制信號發生器I產生壓電聚焦式超聲探頭7工作所需的信號形式，控制XYZ三維運動機構5使得結石能夠準確與壓電聚焦式超聲探頭7的聲學焦點對準。本實用的工作原理為根據壓電聚焦式超聲探頭7的工作頻率，控制計算機I控制信號源產生具有一定占空比的正弦填充脈沖波，正弦波的頻率與壓電聚焦式超聲探頭7的工作頻率相同，填充波的波數一般在數十至數百個，脈沖重復周期須大于信號作用的時間。信號經過高頻功率放大器2進行放大輸出，經過阻抗匹配網絡3后加載到壓電聚焦式超聲探頭7，驅動其向介質中輻射聲波，聲波在壓電聚焦式超聲探頭7的聲學焦點上匯聚?？刂朴嬎銠CI通過步進電機控制接口可分別控制XYZ三個步進電機，將結石仿真模型9移動到壓電聚焦式超聲探頭7的焦點附近，利用B超機對回波圖像進行觀察將結石仿真模型9準確定位到壓電聚焦式超聲探頭7的聲學焦點上。定位完成后，增加信號源的信號幅度和高頻功率放大器2的輸出增益，使得在壓電聚焦式超聲探頭7的焦點處產生空化，可由B超回波圖像上觀察到，持續作用一段時間，可以看到空化在結石仿真模型9表面產生明顯的磨蝕，磨蝕過程中產生很細微的結石粉末，可形成直徑約3 4_的蝕坑。除上述實施例外，凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本實用新型要求的保護范 圍。
權利要求1.一種壓電聚焦式超聲波碎石裝置，包括信號發生器(I)、高頻功率放大器(2)、阻抗匹配網絡(3)、B超裝置(4)、XYZ三維運動機構(5)、控制計算機(6)，其特征在于所述的控制計算機(6)通過通訊接口與信號發生器(I)相連，該信號發生器(I)所產生的正弦波填充脈沖信號通過高頻功率放大器(2)放大進入于阻抗匹配網絡(3)內，且該高頻功率放大器(2)通過阻抗匹配網絡(3)驅動壓電聚焦式超聲探頭(7);所述的B超裝置(4)通過提供信息方式與控制計算機(6)相連，XYZ三維運動機構(5)內的三個步進電機分別連接于所述的控制計算機(6)內的步進電機控制接口(8)內，該XYZ三維運動機構(5)通過控制方式與結石仿真模型(9)相連。
2.根據權利要求I所述的壓電聚焦式超聲波碎石裝置，其特征在于所述的B超裝置(4)由B超顯示機(41)與B超探頭(42)連接組成，B超顯示機(41)通過提供信息方式與控制計算機(6)相連，B超探頭(42)用于對結石進行掃描定位，所檢測的信息通過B超顯示機(41)顯示。
3.根據權利要求I所述的壓電聚焦式超聲波碎石裝置，其特征在于所述的信號發生器(I)所產生的正弦波填充脈沖信號為填充信號與脈沖信號，所述的填充信號為至少一個頻率的組合信號，信號頻率范圍500kHz 2MHz之間；所述的脈沖信號為周期性信號，具有一定的占空比。
4.根據權利要求I所述的壓電聚焦式超聲波碎石裝置，其特征在于所述的壓電聚焦式超聲探頭(7)采用壓電材料或壓電復合材料作為有源元件，并采用多個陣元排布在球冠型結構的內面，通過這種結構的排布使得多個陣元的能量在空間某點形成聚焦；壓電聚焦式超聲探頭的工作頻率在500kHz 2MHz，所形成焦點的_3dB焦斑直徑I 4mm，-6dB的焦長一般在10 20_。
專利摘要本實用新型涉及一種壓電聚焦式超聲波碎石裝置，包括信號發生器、高頻功率放大器、阻抗匹配網絡、B超裝置、XYZ三維運動機構、控制計算機，所述的控制計算機通過通訊接口與信號發生器相連，該信號發生器所產生的正弦波填充脈沖信號通過高頻功率放大器放大進入于阻抗匹配網絡內，且該高頻功率放大器通過阻抗匹配網絡驅動壓電聚焦式超聲探頭；所述的B超裝置通過提供信息方式與控制計算機相連，XYZ三維運動機構內的三個步進電機分別連接于所述的控制計算機內的步進電機控制接口內，該XYZ三維運動機構通過控制方式與結石仿真模型相連；本實用新型裝置在碎石過程中具有安全、高效、可操作性強等特點。
文檔編號A61B17/225GK202355446SQ20112045222
公開日2012年8月1日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者徐平, 朱學文, 王世全, 王月兵, 費騰 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所