专利名称：相控高强度聚焦超声换能器和磁共振乳腺线圈融合的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种乳腺肿瘤治疗装置，尤其涉及一种相控型高强度聚焦超声 (PHIFU)换能器和磁共振(MRI)乳腺线圈融合的乳腺肿瘤治疗装置，属于医疗器械技术领 域。
背景技术：
高强度聚焦超声(HighIntensity Focused Ultrasound-HIFU)是目前正在兴起 的治疗实体肿瘤的一种新型有效方法。HIFU的原理是利用超声波的穿透性、聚焦性，将高强 度超声聚焦至人体肿瘤组织，在超声的机械效应、热效应以及空化效应下，使焦点区域在短 时间内聚集很高热量，致使蛋白质变性坏死，从而杀死肿瘤细胞。目前利用HIFU消融肿瘤 在临床上已较广泛应用于前列腺、子宫、肝脏、乳腺等器官的良、恶性肿瘤。相控型高强度聚焦超声(PhasedHigh Intensity Focused Ultrasound-PHIFU) 利用相控雷达阵列原理，通过调节各个阵元的幅度和相位，实现超声在三维空间的聚焦和 扫描，从而在不需要机械移动换能器的前提下，实现超声焦点的三维移动。相对单阵元换能 器的HIFU，PHIFU主要优势在于1、提高了焦点位移精度、节省了机械移动时间，2、在和磁 共振(Magnetic Resonance Imaging-MRI)融合中，因为PHIFU换能器不需要机械移动，就 可以实现焦点在三维空间里扫描，克服了单阵元换能器需要依靠步进电机控制焦点移动的 缺陷，从而大大减少了步进电机对MRI成像的干扰。MRI和PHIFU的融合，MRI至少在以下三个方面有重大优势1、MRI能够清晰的定 位肿瘤，为PHIFU治疗提供实时精确的引导。2、MRI利用特定的对温度敏感的序列，能够准 确的测量治疗靶区的温度，可以实时的监控靶区的治疗情况，从而实现在PHIFU治疗过程 中实时准确的反馈控制热量的加载，既可完全消融肿瘤组织，又可以不过度消融周围正常 组织，实现真正意义上的适形加热，保证治疗的安全性和有效性。3、MRI术后疗效评估也更 准确。因此MRI和PHIFU融合治疗乳腺肿瘤的方案在临床上有重大的应用前景。实现MRI 和 PHIFU 的融合是一大难题。Hynynen 等人在”MR Imaging-guided Focused Ultrasound Surgery of Fibroadenomas in the Breast :A Feasibility Studying” (Radiology, April 2001，Vol，219，176-185.)文章中提出 了将超声换能器连同 三维移动的机械装置、水囊都放置在MRI成像的床体上，超声换能器从下往上治疗。这种融 合系统要求改造原来MRI成像设备的床体，将HIFU换能器放置于MRI的床体里面，同时该 三维移动装置是用超声马达做成，实现起来有一定难度。所以这种做法需对MRI床体做较 大改动，操作起来较困难。中国专利CN1903390A，将超声换能器放在一个支撑体上，治疗过程中将该支撑体 推入成像MRI的空隙里，通过移动支撑杆来移动换能器。这种方法容易在MRI成像过程中 引入电磁干扰。另一中国专利CN101164637A虽然解决了部分的MRI电磁干扰问题，但没有 根本解决问题，因为这里的电机马达不是用无磁性材料做成。同时由于MRI成像设备孔径 大小有限，在不改变MRI现有床体结构前提下，支撑体的移动空间有限，限制了 HIFU治疗。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种相控高强度聚焦超声换能器和 磁共振乳腺线圈融合的装置，在不改造MRI的床体前提下，将PHIFU换能器和MRI的乳腺线 圈有机融合，在有限的空间里实现换能器的固定和超声波的传播，实现PHIFU扫描消融肿瘤。为实现上述目的，本发明基于现有磁共振MRI乳腺线圈的机械结构，设计了将 PHIFU换能器及其附属装置固定于乳腺线圈侧边的方案，巧妙利用乳腺线圈的内部空间固 定PHIFU换能器及其附属装置，在有限的空间里实现实现超声波的发射和传播。采用无磁 性的压电陶瓷材料、无磁性的屏蔽线包裹换能器的驱动信号线等方法，避免在MRI成像中 引入电磁干扰。本发明在现有磁共振乳腺线圈的机械结构基础上，利用磁共振乳腺线圈的内部空 间放置相控型高强度聚焦超声换能器，构成相控型高强度聚焦超声和磁共振融合的乳腺肿 瘤治疗装置。装置的具体结构为在所述磁共振乳腺线圈的四个支柱构成的内部空间中安置底板，底板上设置两个 固定罩分别卡在对应的磁共振乳腺线圈容纳乳腺的两个圆孔里。底板一侧安装的侧板置于 两条导轨内，相控型高强度聚焦超声换能器通过调节螺丝安装在侧板的中央，并通过沿调 节螺丝的轴线转动调整倾斜角度，通过侧板沿导轨在底板上的移动来调整前后位置和左右 转动位置。相控型高强度聚焦超声换能器与近侧的一个固定罩之间通过伸缩囊相连通。固 定罩及伸缩囊内部充满去气水。相控型高强度聚焦超声换能器的驱动信号线从换能器背面 引出，连接到远端的与相控信号发生器相连的功放系统。本发明中，PHIFU换能器的侧板与底板之间通过导轨相连，实现了 PHIFU换能器在 轴向上一定范围内前后移动和在水平径向上一定范围内转动。PHIFU换能器和侧板之间用 两根调节螺丝固定，使得PHIFU换能器可以在垂直径向上一定范围内转动。本发明采用的PHIFU换能器包含有多个压电陶瓷片，该材料无磁性，对MRI成像不 产生影响。每个压电陶瓷片为一个独立的超声阵元。相控型高强度聚焦超声换能器的驱动 信号线驱全部用绝缘的无磁性材料包裹，为无磁性的屏蔽线。连接到远端(磁共振室外) 的与相控信号发生器相连的功放系统。整个装置没有任何铁磁性材料，不引入任何干扰源， 所以对MRI的成像基本没有干扰。本发明中，在所述磁共振乳腺线圈的支柱构成的内部空间中安置的底板上设置的 固定罩一般为两个，分别与磁共振乳腺线圈容纳乳腺的两个圆孔对应，也可以是一个，根据 需要将固定罩放置在形状对称的乳腺线圈的其中任意一侧圆孔里面。固定罩与换能器之间 通过伸缩囊相连通。治疗过程中乳腺放置在固定罩里，固定罩通过伸缩囊和PHIFU换能器连接起来。 固定罩、伸缩囊和PHIFU换能器之间充满去气水。PHIFU超声能量通过伸缩囊内的去气水耦 合至放置在固定罩里的人体乳腺组织。本发明提供的乳腺肿瘤治疗装置，巧妙利用现有MRI乳腺线圈的有限空间放置 PHIFU换能器，两者互不干扰，协同作用，解决了两者融合过程中电磁兼容的难题，实现了 MRI和PHIFU的有机融合，具有的优势是明显的。由于采用电机移动换能器很难避免在MRI
4成像中引入干扰，除非采用特殊的材料如超声马达驱动换能器移动，所以在治疗过程中不 需机械移动的相控聚焦超声(PHIFU)在这里凸显巨大作用。PHIFU通过调节每个阵元的激 励信号电压和相位，使得焦点在三维空间里移动以覆盖靶区。本发明为达到PHIFU工作过 程中的精确图像定位引导和无损测温提供了有效的解决方案
图1为本发明装置的结构示意图。图1中，1为MRI磁共振乳腺线圈，2为乳腺线圈的支柱，3为乳腺线圈容纳乳房的 圆孔，4为底板，5为侧板，6为伸缩囊，7为固定罩，8为导轨，9为调节螺丝，10为PHIFU相控 型高强度聚焦超声换能器。图2为本发明中安装PHIFU换能器的侧板、伸缩囊、固定罩及底板的结构关联示意 图。图2中，4为底板，5为侧板，6为伸缩囊，7为固定罩，8为导轨，9为调节螺丝，10为 PHIFU相控型高强度聚焦超声换能器。图3为本发明中PHIFU换能器的结构示意图。图3中，5为侧板，10为PHIFU相控型高强度聚焦超声换能器。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。图1为本发明的相控型高强度聚焦超声和磁共振融合的乳腺肿瘤治疗装置结构 示意图。在不改变现有诊断MRI设备结构的前提下，本发明利用MRI乳腺线圈的内部空间 放置PHIFU换能器。如图1所示，在磁共振乳腺线圈1的支柱2构成的内部空间中安置底 板4，底板4上设置固定罩7，卡在对应的磁共振乳腺线圈1容纳乳腺的圆孔3里。底板4 一侧安装侧板5，侧板5置于两条导轨8内，相控型高强度聚焦超声换能器10通过调节螺 丝9安装在侧板5的中央，并可通过沿调节螺丝9的轴线转动调整倾斜角度，通过侧板5沿 导轨8在底板4上的移动来调整前后位置和左右转动位置。相控型高强度聚焦超声换能器 10与固定罩7之间通过伸缩囊6相连通，固定罩7及伸缩囊6内部充满去气水。相控型高 强度聚焦超声换能器10的驱动信号线从换能器背面引出，连接到远端的与相控信号发生 器相连的功放系统。图2更为清晰的给出了本发明中安装PHIFU换能器的侧板、伸缩囊、固定罩及底板 的结构关联。如图2所示，底板4上设置固定罩7，与磁共振乳腺线圈容纳乳腺的圆孔对应。 底板4 一侧安装侧板5，侧板5可沿导轨8移动，相控型高强度聚焦超声换能器10通过调节 螺丝9安装在侧板5的中央，可通过调节螺丝9调整其转动角度，通过侧板5沿导轨8在底 板4上的移动来调整前后位置和左右转动位置。相控型高强度聚焦超声换能器10与固定 罩7之间通过伸缩囊6相连通。本发明中PHIFU换能器的结构如图3所示，相控型高强度聚焦超声换能器10安装 在侧板5上，换能器的球冠上紧密排布许多无磁压电陶瓷片，每个压电陶瓷片为一个独立 的超声阵元。PHIFU换能器驱动信号线在PHIFU换能器10背面引出来，连接到远端的与相控信号发生器相连的功放系统。整套驱动信号线为无磁性的屏蔽线，即全部用无磁性的非金属 绝缘层包裹，以消除MRI成像的电磁干扰。本发明采用相控原理，通过调节每个超声阵元激励信号的相位和幅度实现焦点在 三维空间的聚焦和扫描，也可以生成多种焦点模式。由于不需要机械移动换能器就可以实 现焦点的在一定范围内的三维空间里移动，避免了由于电机移动给MRI造成的干扰，这是 PHIFU和MRI融合的一个重要优势。在本发明的实施例中，为实现较大的扫描范围和较高的声能量输出，相控型高强 度聚焦超声换能器10的球冠曲率半径为130mm，口径为100mm，球冠上紧密排布了 65个 无磁压电陶瓷片。每个压电陶瓷片为一个独立的超声阵元，每个阵元频率1.36MHz、直径 IOmm0采用这种紧密排布的球面阵方法，一方面为提高声场增益，另一方面为在有限空间增 大阵元辐射面积，实现最大的焦点扫描空间和焦点最大能量，为PHIFU治疗肿瘤带来诸多 便利。本发明中，所述的固定罩可以为两个，适应性更强，使用比较方便实用，也可以只 采用一个，根据需要放在形状对称的乳腺线圈的其中任意一侧圆孔里面，治疗过程中乳腺 放置在该固定罩里，该固定罩里充满去气水。本发明中，连接PHIFU换能器和固定罩的伸缩囊有一定伸缩能力，其内部充满去 气水，超声波通过去气水耦合到固定罩里的乳腺组织。本发明应用于乳腺肿瘤的治疗。在治疗过程中，乳腺放置在固定罩7里面，固定罩 7、伸缩囊6、PHIFU换能器5之间都充满去气水，超声波通过水耦合到人体乳腺组织，进而可 消融肿瘤，实现对乳腺肿瘤的治疗。由于安装了 PHIFU换能器的侧板5可通过导轨8在底板4上移动，同时由于伸缩囊 6具有一定伸缩性，所以实现了 PHIFU换能器10在轴线方向上一定范围内前后移动和沿水 平径向上一定范围内转动。PHIFU换能器10通过调节螺丝9固定在侧板5上，使得PHIFU 换能器10可以在垂直径向上一定范围内转动。这样的调节可以使得治疗更为灵活、有效。本发明提出了一种相控型高强度聚焦超声和磁共振融合的乳腺肿瘤治疗装置， 充分利用了乳腺线圈的空间结构，设计了适当大小的PHIFU换能器和固定的机械装置，实 现了两者的有机融合，解决了一直以来MRI和HIFU融合过程中的电磁兼容等难题，为达到 PHIFU工作过程中的MRI精确图像实时定位引导和无损测温提供了有效的解决方案。
权利要求
一种相控高强度聚焦超声换能器和磁共振乳腺线圈融合的装置，包括磁共振乳腺线圈(1)，其特征在于在所述磁共振乳腺线圈(1)的支柱(2)构成的内部空间中安置底板(4)，底板(4)上设置固定罩(7)卡在对应的磁共振乳腺线圈(1)容纳乳腺的圆孔(3)里；底板(4)一侧安装的侧板(5)置于两条导轨(8)内，相控型高强度聚焦超声换能器(10)通过调节螺丝(9)安装在侧板(5)的中央，并通过沿调节螺丝(9)的轴线转动调整倾斜角度，通过侧板(5)沿导轨(8)在底板(4)上的移动来调整前后位置和左右转动位置；相控型高强度聚焦超声换能器(10)与固定罩(7)之间通过伸缩囊(6)相连通；固定罩(7)及伸缩囊(6)内部充满去气水；相控型高强度聚焦超声换能器(10)的驱动信号线从换能器背面引出，连接到远端的与相控信号发生器相连的功放系统。
2.根据权利要求1的相控高强度聚焦超声换能器和磁共振乳腺线圈融合的装置，其特 征在于所述相控型高强度聚焦超声换能器(10)的球冠曲率半径为130mm，口径为100mm，球 冠上紧密排布65个直径为IOmm的无磁压电陶瓷片，每个压电陶瓷片为一个独立的超声阵兀。
3.根据权利要求1的相控高强度聚焦超声换能器和磁共振乳腺线圈融合的装置，其特 征在于所述相控型高强度聚焦超声换能器(10)的驱动信号线为无磁性的屏蔽线。
4.根据权利要求1的相控高强度聚焦超声换能器和磁共振乳腺线圈融合的装置，其特 征在于所述固定罩(7)为一个，根据需要放在形状对称的乳腺线圈(1)的其中任意一侧圆 孔⑶里面。
5.根据权利要求1的相控高强度聚焦超声换能器和磁共振乳腺线圈融合的装置，其特 征在于所述固定罩(7)为两个，分别卡在对应的磁共振乳腺线圈(1)容纳乳腺的圆孔(3)里。
全文摘要
本发明涉及一种相控高强度聚焦超声换能器和磁共振乳腺线圈融合的装置，基于现有磁共振MRI乳腺线圈的机械结构，设计了将PHIFU换能器及其附属装置固定于乳腺线圈侧边的方案，在乳腺线圈有限的内部空间里实现了PHIFU换能器的固定，并实现超声波的发射和传播。采用无磁性的压电陶瓷材料、无磁性的屏蔽线包裹换能器的驱动信号线等方法，避免在MRI成像中引入电磁干扰。本发明实现了MRI线圈和PHIFU换能器的有机融合，解决了两者融合过程中电磁兼容的难题，为达到PHIFU工作过程中的精确图像实时定位引导和无损测温提供了有效的解决方案。
文档编号A61B18/04GK101947129SQ201010503068
公开日2011年1月19日 申请日期2010年10月12日 优先权日2010年10月12日
发明者孙非, 沈国峰, 潘钢, 陈亚珠 申请人:上海交通大学