一种用于甲状腺治疗的超声换能器及治疗头的制作方法

1.本发明属于超声治疗技术领域，具体涉及一种用于甲状腺治疗的超声换能器及治疗头。


背景技术：

2.超声治疗是使用超声波进行病变组织治疗的一种方法，用于执行治疗的超声治疗头分为聚焦声能的超声换能器和探测种瘤的形状、部位，引导精准治疗的超声探头两部分。超声换能器中的压电陶瓷晶片中央开设用于放置超声探头的孔洞，超声探头就设于该孔洞中。压电陶瓷晶片通过机械振动产生超声波，并将超声波由其球冠形的发射结构定向聚焦在一起，使晶片表面初始发射的0-5w/cm2的弱声能在焦点处聚焦形成焦域，焦域即为高强度的声能在此聚焦产生生物学效应、从而形成组织坏充的空间区域，焦域中的声强度一般可以达到5000w/cm2以上。聚焦产生的高能量区穿透表皮组织，在病变组织处构成高温高压的治疗环境，从而对病变组织进行破坏，实现非侵入式治疗的目的。
3.焦点处高能量区的声强与压电陶瓷晶片的发射面积密切相关，越大发射面积的压电陶瓷晶片，在相同声功率下能获得的焦点声强越大。但大面积的压电陶瓷晶片所产生的焦域也较大，同时还会使得超声换能器及治疗头的整体体积和体表接触面积增大。
4.现有的大多数治疗头应用于甲状腺治疗领域时，甲状腺组织体积的特性对治疗的安全性、准确性均产生了一定影响。为保障治疗效果需要较大面积的压电陶瓷晶片来提供达到治疗标准的声强，而较大面积的压电陶瓷晶片所产生的声波焦域同时也偏大。目前现有的治疗头中压电陶瓷晶片直径一般为15cm-25cm，所产生的焦域一般为3x3x8mm
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3x3x10mm。在甲状腺组织体积较小的现实情况下，此种大尺寸焦域难以将全部能量作用于需要进行治疗的病变组织处。在焦域范围内，聚焦于病变组织之外的声能极可能对正常人体组织造成副损伤。另外，使用较大尺寸的治疗头进行甲状腺治疗时，颈部较小地可移动空间也使得治疗头难以灵活且精准地调整治疗位置。
5.为解决上述问题，泰拉克利昂公司设计了一种特别用于甲状腺治疗的治疗头，在公开号为cn102405077b的发明专利中可以知悉：该治疗头的直径选用60mm，以适用于甲状腺组织及颈部空间较小的特性。同时，由于超声探头是设置于压电陶瓷晶片的开孔中，开孔会削减压电陶瓷晶片可用的发射面积，为了满足治疗所需的足够声强，该治疗头尽量缩减了开孔大小，使用了恰好能容置矩形超声探头的矩形开孔。但矩形开孔在压电陶瓷镜片球冠面上的不对称性影响了焦域的形态、尺寸和声场的分布，所产生的焦域尺寸较大，达到了3x3x7mm，在甲状腺治疗时仍然存在造成副损伤的风险。
6.另外，矩形开孔仅能恰好容置超声探头，将超声探头的角度锁死，使其无法旋转。在甲状腺治疗时，患者时常会不自觉地进行吞咽动作，使甲状腺的位置变更，需要超声探头始终准确定位甲状腺组织的位置。无法旋转的超声探头难以满足这种情况下的定位灵活性和精准度要求。而且现有超声探头一般是前后等宽甚至前宽后窄的结构，在颈部受限的空间范围内难以移动，以至于不能灵活跟踪甲状腺组织。


技术实现要素：

7.基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种用于甲状腺治疗的超声换能器及治疗头。
8.为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种用于甲状腺治疗的超声换能器，包括壳体和安装于壳体的压电陶瓷晶片，壳体包括柱部和换能部，换能部的直径由第一端至第二端逐渐增大，第一端与柱部的一端连接，第二端安装压电陶瓷晶片；压电陶瓷晶片呈球冠形，球冠向柱部凹陷；压电陶瓷晶片在其与柱部中轴线的交点处开设圆形探头孔。
9.作为优选方案，压电陶瓷晶片的直径为5-7cm。
10.作为进一步优选的方案，压电陶瓷晶片的圆形探头孔直径为压电陶瓷晶片直径的45%
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55%。
11.作为进一步优选的方案，压电陶瓷晶片的直径为6cm，圆形探头孔的直径为2.7-3.3cm，焦域尺寸小于1mm
×
1mm
×
3.5mm。
12.作为优选方案，压电陶瓷晶片的工作频率为3-3.5mhz。
13.另一方面，本发明还提供一种用于甲状腺治疗的超声治疗头，包括超声探头和如上述任一项的超声换能器；超声探头为凸阵探头，长度与圆形探头孔的直径相同；超声探头容置于压电陶瓷晶片的圆形探头孔中，能够以柱部的中轴线为旋转轴旋转，并能够沿柱部的中轴线方向位移。
14.另一方面，本发明还提供一种用于甲状腺治疗的超声治疗仪，使用如上述的超声治疗头。
15.本发明与现有技术相比，有益效果是：本发明的超声换能器及治疗头，使用特定尺寸的压电陶瓷晶片和探头开孔，在满足聚焦处声强的前提下缩小了焦域尺寸，尽量避免对正常组织产生副损伤；还使超声探头能够在探头孔中旋转伸缩，以便于对甲状腺组织的定位；本发明的超声换能器及治疗头尺寸较小，晶片后方尺寸缩小，便于在颈部的狭小空间中运动。
附图说明
16.图1是本发明实施例的超声治疗头的结构示意图；图2是本发明实施例的7cm超声换能器的焦域测量图；图3是本发明实施例的6cm超声换能器的焦域测量图；图4是本发明实施例的5cm超声换能器的焦域测量图。
具体实施方式
17.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来
讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
18.实施例：本实施例提供一种用于甲状腺治疗的超声换能器，其结构示意图如图1所示：该超声换能器包括壳体和安装于壳体上的压电陶瓷晶片2，其中，壳体包括柱部11和设于柱部11下端的换能部12，柱部11与换能部12一体成型，换能部12的外轮廓以柱部11的柱面底端为起点向外延伸，构成一半径逐渐增大的外扩型开口。换能部12背向柱部11的端面挖空，其中嵌入压电陶瓷晶片2。
19.压电陶瓷晶片2以球冠面形状弯曲，球冠面的球心背离柱部11，使压电陶瓷晶片2向柱部11所在的方向凹陷。
20.压电陶瓷晶片2的球冠面中央开设有供超声探头伸出的圆形探头孔，该中央位置亦是压电陶瓷晶片2与柱部11中轴线的交点。
21.在上述结构的超声换能器的基础上，本实施例还提供如图1所示的一种超声治疗头，包括了上述超声换能器和设于圆形探头孔中的超声探头3，超声探头采用矩形的凸阵探头，与柱部11安装于同一中轴线上，能够在圆形探头孔中绕中轴线自由转动，还能够沿中轴线内外伸缩移动。
22.进一步的，上述结构的超声换能器使用特定的尺寸参数构建。在设计本发明的超声换能器前，发明人曾考察了目前国内市面上已有的超声换能器及治疗头，发现其尺寸均处于15-25cm的范围，而该尺寸的超声治疗头难以在甲状腺治疗时应用。
23.甲状腺位于颈部前方的甲状软骨下、气管两旁，在对甲状腺病变进行超声治疗时，需要患者以仰姿平躺，并伸展颈部以暴露出甲状腺外部的表皮区域。然后将超声治疗头抵于该表皮区域，将超声治疗头的焦域定位于病变组织处，然后启动治疗头，在病变组织处生成聚焦后的超声波，对病变组织进行加热。
24.整个超声治疗过程一般持续数十分钟，并在治疗过程中时刻监测病变组织形态、位置及状态，并移动焦域使其跟踪病变组织，并使治疗遍及整个病变组织。焦域移动需要通过转动、扭动或移动超声治疗头实现，由于颈部空间两侧分别为患者下巴及胸部，实际颈部外的可移动空间较为狭窄。若治疗头的尺寸为15-25cm，则其已经占用了颈部外的绝大部分可移动空间，在此基础上，在治疗时若想自由移动超声治疗头以改变焦域位置则会较为困难，而移动若受限则会影响焦域的定位精准度，进而势必影响实际的治疗效果。
25.同时，在聚焦角相同的情况下，较大尺寸的压电陶瓷晶片所产生的焦域尺寸也偏大，在现有的治疗头尺寸均为15-25cm的基础上，申请人研究发现其焦域尺寸均处于3x3x8mm
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3x3x10mm的范围区间，而甲状腺病变组织的与毗邻的脆弱器官（皮肤、神经等）间隔仅为数毫米，甚至紧贴，最长也不超过2cm。将上述焦域尺寸的治疗头应用于甲状腺病变组织时，难以避免地会使部分焦域处于病变组织外，从而将高强度的声能传导至病变组织外侧的正常组织上，使正常组织加温遭受副损伤。
26.另外，大尺寸治疗头更适用于深部肿瘤的治疗，在甲状腺治疗领域，由于甲状腺距离体表的距离较小，将大尺寸治疗头应用于浅表治疗效果较差。
27.出于以上考虑，发明人抛弃了现有大尺寸晶片的设计方案，尽量选择了小尺寸的晶片以提高治疗过程中移动治疗头的便利性、缩小焦域尺寸、减小声能作用深度。
28.经检索后，发明人发现目前存在一种晶片尺寸较小的超声治疗头，即为泰拉克利昂公司的超声治疗头，但该超声治疗头由于尺寸较小，总发射面积不足。且在总发射面积不足的基础上，中央又有为了容置超声探头而挖空的孔洞进一步减少晶片发射面积。
29.为了在晶片尺寸较小的情况下尽量多保留晶片发射面积，泰拉克利昂公司选择了将超声探头的挖孔设置为与探头尺寸相匹配的矩形孔，挖孔边缘与超声探头的边缘相吻合，仅供恰好容纳超声探头。从而勉强以足够的晶片发射面积保障了能量输出，但由于矩形孔在圆平面不对称，可能影响了焦域的形态、尺寸和声场分布，最终生成的焦域尺寸为3x3x7mm，该焦域尺寸偏长，在应用于甲状腺病变组织的治疗时仍有一定对周围正常组织造成副损伤的风险。
30.为了避免矩形孔对焦域形态的影响，发明人决定将本发明的探头孔设置为圆形。但圆形探头孔占用面积较大，因此为了解决这一问题，发明人认为应该从超声探头的尺寸着手，经调查后，发明人发现虽然现有的超声探头均采用线阵探头，且尺寸均大于5cm。5cm的尺寸不能满足要求，但若不采用线阵探头，而改用凸阵探头，则可以找到3cm长径的浅表观测超声探头，采用凸阵探头后不仅尺寸有所缩减，可以观测的范围也与常规的5cm线阵探头一致，这恰好符合本设计的需求。
31.在一系列计算及筛选之后，发明人初步选定了三种超声换能器的尺寸，分别为5cm、6cm、7cm，中央孔均选择上述找到的3cm凸阵探头，从而得到环形晶面发射带宽分别为1cm 、1.5cm、2cm的超声换能器。
32.在初步选定尺寸后，发明人分别对三种尺寸所产生的焦域进行了测量，其中，7cm和6cm的超声换能器其焦域分布图分别如图2、3所示，可以获得良好的声场分布，焦域形态规则、尺寸符合要求。而5cm的超声换能器其焦域分布图如图4所示，焦域形态欠规则，声场分布不均匀，可能会导致副损伤。
33.最终，发明人考虑了甲状腺治疗的颈部空间难题后，在7cm和6cm的超声换能器中选择了6cm的超声换能器进行进一步设计，最终将其参数设定为直径6cm、焦距4.5cm、f常数（焦距与晶片直径之比）固定为0.767、工作频率增加到3-3.5mhz、最大声功率适当增加到150w以提供足够的焦点声强，中央圆孔直径3cm。经过上述设计的超声换能器其焦点处声强大于25000w/cm2，焦域尺寸大约1x1x3.5mm，在甲状腺治疗时即能提供足够的焦点处声强，又有足够狭小的焦域避免造成副损伤。
34.上述超声换能器配合3cm的凸阵探头，所构成的超声治疗头能在满足焦点声强和焦域的条件下实现超声探头可旋转、伸缩，以扩大超声探查的范围和及提高探查灵活性及精度。
35.另外，上述超声治疗头正如图1所示，其柱部半径较压电陶瓷晶片的半径更小，收窄的柱部更利于治疗头在患者颈部的运动。
36.另一方面，本发明还提供一种超声治疗仪，使用上述超声治疗头，在治疗甲状腺组织的病变时，焦域更小且定位更准，达成的整体治疗效果更佳。
37.应当说明的是，上述实施例仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。