专利名称：可变焦体高能聚焦超声肿瘤治疗系统的制作方法
技术领域：
本发明与利用高能聚焦超声在焦体内产生效应来杀死肿瘤组织的治疗装置有关。
背景技术：
超声波是一种机械波，利用超声振动能量可以改变物质结构、状态、功能等性质。超声波治疗是将超声能量作用于人体，利用它的机械、热能和空化效应，对人体组织作用，引起机体的生理效应，达到治疗疾病的目的。
高能聚焦超声无创伤治疗肿瘤相对于现行肿瘤治疗的一般手段如手术治疗、放化疗，具有无可比拟的优点。病人没有伤口，没有对人体的放射性损伤和化学药物影响，不会对人体产生全身性损害，也不会对人体的免疫系统产生损害。因此，高能聚焦超声治疗肿瘤将越来越受到人们的重视。
高能聚焦超声肿瘤治疗的质量好坏主要取决于超声聚焦治疗器的性能。现在的高能聚焦超声治疗装置超声束的聚焦一般采用几何透镜、物理透镜、或者将换能器直接做成凹面阵实现聚焦。这些声束聚焦的方向、焦距、频率都是固定的，而超声治疗中常需要根据病情调整焦点的各项参数和焦点大小、位置、频率等，高能聚焦超声治疗肿瘤还应满足一些技术要求；肿瘤位置的定位和治疗的实时监控跟踪，超声焦体的运行控制，超声辐射剂量的控制等。
发明的内容本发明的目的提供一种结构紧凑，运用灵活，安全可靠，治疗定位准确，治疗效果好，超声焦体的运动和各项参数可调控的可变焦体高能聚焦超声肿瘤治疗系统。
本发明是这样实现的
本发明可变焦体高能聚焦超声肿瘤治疗系统，聚焦支座(1)上有若干超声发生单元(2)，每个超声发生单元(2)有压电晶片与功率电源(8)连接，聚焦支座(1)与机械手(3)连接，机械手(3)输入与输出分别通过驱动器(6)、传感器(7)与I/O接口(9)连接，I/O接口与计算机(17)连接，聚焦支座(1)与介质储运仓(18)连接，功率电源(8)与I/O接口(9)连接。
聚焦支座(1)为抛物面壳体，超声发生单元(2)在壳体上构成若干同心园，每个单元(2)底部为压电晶片，顶部为抛物面，并朝向支座抛物面的焦点。
聚焦支座(1)安装在平台(16)中心部位，平台周边与柔性伸缩波纹管(15)的一端密封连接，波纹管的另一端与介质储运仓(18)中心孔周边密封连接，平台(16)与五坐标机械手(3)连接。平台(16)上固有电机及传动装置(31)，平台(16)上的两个传感器(7)与I/O接口(9)连接。
有对中机构(14)位于平台(16)上方，对中机构的旋转伸缩臂上固定有B超探头，B超机(5)与I/O接口(9)连接。
有患病呼吸传感器(10)用吸盘吸附在患者患处，其输出信号经信号调理电路(4)与I/O接口(9)连接。
功率电源(8)包括大功率开关电源(19)，其输出经动态频率多路开关(20)与超声电源(21)连接，电源(21)的输出通过主频切换电子开关(22)与压电陶瓷晶片(24)连接，开关电源(19)通过调压输出电路(25)与I/O接口连接，多路开关(20)，超声电源(21)，电子开关(22)分别通过光电耦合器(26，27，28)与I/O接口连接，电子开关(22)通过DSP电路(29)与I/O接口连接。
有自适应模块(23)分别与超声电源(21)，电子开关(22)和压电陶瓷晶片(24)连接。
本发明结构紧凑，运用灵活，治疗定位准确。可根据肿瘤在体内的定位和在计算机内的图像三维重构数据，由计算机治疗专家系统给出最佳的高能聚焦超声焦体的形状，能量和频率大小，由这些参数确定需要工作的超声发生单元，计算机控制这些单元工作，以最接近肿瘤形状的焦体进行工作，这样可以减少聚焦治疗器的移动，提高治疗效率，同时根据肿瘤实际情况，调整焦体的能量和频率，以最佳的入射能量和入射频率，达到高效灵活的治疗效果。
本发明可由运动对中机构保证B超探头检测与定位。可通过机械手灵活操纵，保证高能超声有最佳入射角度，可通过呼吸测控系统，跟踪由呼吸造成的患位移动，实时控制机械手，使治疗定位好。
图1本发明的框图。
图2为功率电源框图。
图3为聚焦支座结构图。
图4为超声发生单元结构图。
图5为系统治疗流程图。
具体实施例方式高能超声聚焦治疗器是整个治疗系统的关键，本发明的聚焦治疗器基层聚焦支座1为抛物面壳体，壳体上有二十四个带台阶的通孔，这二十四个通孔在聚焦支座上分为内、中、外三圈，每圈圆周上均匀分布八个通孔，每圈通孔对应的支座抛物面曲率不同，通孔轴线与通孔所在位置的支座抛物面法线一致。二十四个超声发生单元2外形与通孔形状尺寸一致，分别配合嵌入通孔内，形成同心圆环形换能器阵列。每个超声发生单元底部粘合压电陶瓷晶片，每一圈的压电晶片固有频率不同，中圈八个超声发生单元压电晶体采用一种频率，内圈八个超声发生单元分别采用两种不同频率，外圈八个超声发生单元也采用两种不同频率，即聚焦治疗器上二十四个超声发生单元压电晶体有五种不同频率，每个压电晶片有导线接入各自对应的超声波功率电源8。超声发生单元2顶部也是抛物面，并朝向支座抛物面的焦点。每个超声发生单元底部的压电晶片受激励产生超声波，超声波束通过超声发生单元实体到达超声发生单元顶部，由顶部的抛物面折射聚焦。这样每个超声发生单元对发出的超声波束就已进行了一次聚焦，形成了小的不同频率的焦点。调整各超声发生单元轴线与基层聚焦支座法线的夹角，可使超声发生单元聚焦的超声波再由基层聚焦支座第二次聚焦成多种形状多频率的焦体。中圈八个超声发生单元中的任意组合工作模式在基层支座聚焦抛物面的对称轴线上聚焦成一定形状的焦体，作为主要的治疗聚焦能量体；内、外圈超声发生单元可以调整为在中间焦体上下范围排列各自发生单元聚焦的焦点。这样聚焦治疗器可以根据肿瘤形状位置，由计算机控制组合出最佳的治疗焦体形状和能量频率大小。聚焦治疗器中每个超声发生单元都有对应的功率电源，因此计算机可以控制每个超声发生单元的工作状态，这样二十四个超声发生单元中任意几个压电晶片同时工作，可以组合出多种焦体形状、能量、频率不同的工作模式。
单相220V交流电与大功率开关电源连接，为聚焦治疗头提供电源，计算机系统中的专家系统与知识库经决策输出至调压接口25，调压接口25与大功率开关电源19连接并为其提供控制输入，大功率开关电源输出与动态频率开关20连接并为其提供自检输入。计算机系统17中的专家系统与知识库经决策输出连接主频切换电子开关22，主频切换电子开关22与压电陶瓷晶片24连接，计算机控制系统根据不同肿瘤位置和形状确定所需声强的最佳剂量，焦体形状和频率，来控制动态频率多路开关20的动态频率、占空参量等参数。动态频率多路开关20输出至超声电源21，超声电源21是相应压电换能器阵列24的系统电源，其输出经主频切换电子开关接至每一对应换能器。主频切换光耦器的切换或开关由计算机根据病情控制。这样就可以实现各个超声发生单元的不同组合工作模式，根据治疗的实际需要，由计算机控制，灵活调整焦体声强、频率、形状，焦距等参数。
聚焦治疗器安装在一圆形平台中心部位，在远离圆形中心部位安装运动对中机构14，运动对中机构14的旋伸臂上固定B超探头，在圆台16的另一面固定驱动电机6及两个定位传感器7，这样构成一个治疗运动对中集成平台。当需要B超机5工作时，运动对中机构的驱动器6，接收计算机命令(或手动指令)，带动B超探头准确定位到聚焦治疗器中心前部，以保证B超探头显示面图像有确定的坐标位置；当聚焦治疗器需工作时，B超探头按程序控制命令(或手动指令)，由运动对中机构带动到远离聚焦治疗器波阵面的确定位置，以保证聚焦治疗器具有很好的聚焦性能。
集成平台16由五坐标诊治机械手3举握，五坐标自由度包括X、Y、Z三个轴移动和两个绕X、Y轴转动，机械手的每一个自由度由交流伺服电机或步进电机6驱动，采用位置闭环控制或开环控制。这样保证机械手的运动定位精度和操纵灵活，以满足B超图像采集后的三维重构，高能超声最佳入射角度的要求。
集成平台16的圆形周边与柔性伸缩波纹管15的一端密封固连，柔性波纹管的另一端与固定在治疗床上的容器18底部的中心孔的周边密封固连，从而组成介质储运仓。储运仓中由负压除气水作为超声耦合介质，耦合介质包围患者皮肤，以保证诊治过程中B超探头或聚焦治疗器优良的声阻抗耦合特性。
呼吸测控系统是将呼吸运动传感器10用吸盘吸附在患者患处，感应呼吸带来的位移，传感器经信号调理4，输入计算机接口系统9，计算机17根据这些实时采集的患位呼吸运动数据，实时控制机械手3，跟踪由于呼吸造成的患位的移动。
下面将进一步说明本发明的操作过程患者俯卧在治疗床上，患位基体位于治疗床中心孔，患者身上吸附呼吸运动传感器10，检测患者呼吸运动，数据接入计算机接口系统9。患者患位下方是介质储运仓18，进水电磁阀打开，储运仓注入负压除气水，液位传感器检测储运仓水位，到规定水位时由计算机控制进水电磁阀关闭。液位传感器实时监测储运仓水位变化，当水位降低超过规定水位，计算机控制电磁阀打开补充出气水。运动对中机构14将B超探头旋转至聚焦治疗器中心位置，通过医生在计算机上操纵机械手，控制B探头以最佳位置检查患位，并采集B超图像存储至计算机。计算机对检查完的B超图像进行处理，重新标定，重构出肿瘤的三维形状，确定出肿瘤空间位置。肿瘤表状位置确定后，B超探头旋转，离开聚焦治疗器中心位置。计算机根据肿瘤采集的信息，由治疗专家系统或在主治医生指导下，确定诊治机械手运动轨迹，高能超声焦体形状、能量、频率等参数。首先实施试治方案1)选择最佳试治区域点位，实施点位的位置运动或超声聚焦剂量的试治；2)通过B超探头对试治区域灰度检测，得到运动控制误差和剂量偏差，计算确定偏差补偿最，制定新的试治点位，再试治方案实施，直至最佳。再实施治疗方案1)根据试治定位方案，确认各层面运动和超声聚焦剂量已达最佳。2)实施连续轨迹治疗方案。治疗过程中，计算机实时处理采集的呼吸运动传感器信号，确定诊治机械手的跟踪呼吸运动的补偿量，使体内焦体跟踪患位随呼吸移动。
权利要求
1.可变焦体高能聚焦超声肿瘤治疗系统，其特征在于聚焦支座(1)上有若干超声发生单元(2)，每个超声发生单元(2)有压电晶片与功率电源(8)连接，聚焦支座(1)与机械手(3)连接，机械手(3)输入与输出分别通过驱动器(6)、传感器(7)与I/O接口(9)连接，I/O接口与计算机(17)连接，聚焦支座(1)与介质储运仓(18)连接，功率电源(8)与I/O接口(9)连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于聚焦支座(1)为抛物面壳体，超声发生单元(2)在壳体上构成若干同心园，每个单元(2)底部为压电晶片，顶部为抛物面，并朝向支座抛物面的焦点。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于聚焦支座(1)安装在平台(16)中心部位，平台周边与柔性伸缩波纹管(15)的一端密封连接，波纹管的另一端与介质储运仓(18)中心孔周边密封连接，平台(16)与五坐标机械手(3)连接，平台(16)上固有电机及传动装置(31)，平台(16)上的两个传感器(7)与I/O接口(9)连接。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于有对中机构(14)位于平台(16)上方，对中机构的旋转伸缩臂上固定有B超探头，B超机(5)与I/O接口(9)连接。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于有患者呼吸传感器(10)用吸盘吸附在患者患处，其输出信号经信号调理电路(4)与I/O接口(9)连接。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于功率电源(8)包括大功率开关电源(19)，其输出经动态频率多路开关(20)与超声电源(21)连接，电源(21)的输出通过主频切换电子开关(22)与压电陶瓷晶片(24)连接，开关电源(19)通过调压输出电路(25)与I/O接口连接，多路开关(20)，超声电源(21)，电子开关(22)分别通过光电耦合器(26，27，28)与I/O接口连接，电子开关(22)通过DSP电路(29)与I/O接口连接。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于有自适应模块(23)分别与超声电源(21)，电子开关(22)和压电陶瓷晶片(24)连接。
全文摘要
本发明为可变焦体高能聚焦超声肿瘤治疗系统。聚焦支座(1)上有若干超声发生单元(2)，每个超声发生单元(2)有压电晶片与功率电源(8)连接，聚焦支座(1)与机械手(3)连接，机械手(3)通过驱动器(6)与I/O接口(9)连接，I/O接口与计算机(17)连接，聚焦支座(1)与介质储运仓(18)连接，功率电源(8)与I/O接口(9)连接。可根据肿瘤实际情况，调整焦体能量和频率，以最佳的入射角度，达到优良的治疗效果。
文档编号A61N7/00GK1463772SQ02133319
公开日2003年12月31日 申请日期2002年6月21日 优先权日2002年6月21日
发明者黄大贵, 张列平, 葛森, 李辉, 武好明, 吴献钢, 寇化瑜, 张军, 崔庆林 申请人:电子科技大学