CN1058905C - 高强度聚焦超声肿瘤扫描治疗系统 - Google Patents

Abstract

一种高强度聚焦超声肿瘤扫描治疗系统，由组合探头、功率源、B超机、多维数控运动装置，真空脱气水装置、治疗床及计算机部分组成。由B超探头和发生治疗聚焦超声治疗探头组合成的组合探头，其超声发射端安安装在多维运动装置上，该运动装置在计算机控制下进行体外扫描运动。从而使治疗探头产生的高声强的焦域(空间点)在体内进行扫描运动，由于在高声强作用下，该焦域处组织瞬时产生大于70℃的高温和受到剧烈的空化机械作用，产生变性坏死。这样就可以通过体外的扫描运动达到治疗体内肿瘤的目的。

Description

高强度聚焦超声肿瘤扫描治疗系统

本发明涉及一种超声波治疗装置，尤其涉及一种高强度聚焦超声HIFU(high intensity focused ultrasound)，肿瘤扫描治疗系统，是利用HIFU焦域处的高能量声强对肿瘤组织进行扫描治疗的装置。

超声波是一种可以透入人体方向性很好的机械能量。人们很早就开始将超声波用于疾病的治疗和诊断，于是产生了超声理疗设备和A超机、B超机等。它们都有一个共同的特点，即目标组织内声强很低，通常平均声强在3w/cm²以下。近二十年来，超声诊断学取得了辉煌的成绩，超声治疗也逐渐步入高速发展期，其中超声温热治疗与高强度超声治疗尤为显著。

经过医学研究，发现癌细胞比正常细胞耐热性差，在42.5℃-45℃之间，30分内癌细胞产生死亡，而正常细胞损伤轻，且可逆转。利用这一特点，再加上超声波的温热效应，就产生了超声波温热治疗装置。

经检索，发明专利申请CN91105010.8、″超高速体外超声高温治疗装置″就属这类装置，该装置的治疗特点是针对目标的某个点如中心进行声强反复治疗，通过在该点上产生的热的扩散，摧毁目标即肿瘤细胞组织。然而，这类装置治疗效果收效甚微的原因在于：1.活性的癌细胞主要分布在癌块的边缘，而恰恰在边缘获得的温升较低；2.癌块组织本身是非规则形，而热扩散形状难以控制，并且有一定的温度梯度，深部组织的无创测温技术，特别是要测定热扩散体积内的升温和温度梯度是一个世界性难题；3.要想使非规则形的癌块受到完整性辐照，就不可避免损伤较大量的正常组织；4.采用B型回声控测头在治疗波束极短的间隔内捕捉回声，检查治疗期间目标的毁坏程度的A型回声图像，为此，采用了专门的图像存储电路和采样比较电路，由于只存储相继的两辐A型超声图像，很难直接观测治疗的疗效，同时，也使装置复杂化；5.治疗头不能相对目标进行扫描移动，治疗的范围受到限制，不能治疗点状弥散状和树枝状、条状及其它不规则形的及所处位置比较特殊的病灶。

另一专利申请CN93100813.1，公开了一种″瞄准人体组织目标以便进行治疗的方法和装置″，它重点叙述了一种瞄准人体组织目标的方法，使用了一个实时音响测距记录器探头和治疗波束发生器控头，用一个可见的参考记号来确定两个波束中一个参考点的理论位置，通过在座标系统中相对焦点F和参考记号R作预定的位移，及通过使音响测距记录图像可见的参考记号重合，接着位移所述的治疗发生器直到所述的第一和第二参考记号重合而使治疗波束一焦点F和所述的目标重合。该装置只能用于定位治疗前列腺。对于人体的其它部位无应用的意义。

欧共体专利EP0734742A2″Ultrasound therapeutic apparatus″(超声治疗设备)叙述了一种超声波治疗设备的特性：治疗超声波发生源在一级基频的作用下有谐振的特性，驱动器将驱动治疗超声波发生器，用第一次基频中的驱动信号工作。驱力器用第二次基频中的驱动信号驱动超声控头获取体内的超声波图像。接受治疗超声波发生器所产生的一级超声波的反射波和由超声控头发生的第二超声波的反射波，发明人力求让治疗超声和显像超声更完美的结合，在文献中列出了十四种模式。

近几年来，人们为了避开温热疗法带来的缺点，对高强度聚焦超声(HIFU)治疗肿瘤进行了大量研究。所谓高强度聚焦超声(HIFU)治疗即是将探头发射出的平均声强较低(通常是几w/m²)的超声波聚焦或者汇聚到一个空间点，形成一个平均声强1000w/m²以上的焦域，使该焦域瞬时(0.1-5s)产生强烈的温升(＞70℃)，空化或机械振荡作用，从而破坏该焦域处的组织，达到治疗目的。

恶性肿瘤组织有明显三个特征：1.由于它是一种幼稚细胞组织，对超声波比正常组织敏感。2.它在人体内形态有三和方式：第一是点状弥散分布；第二是巨块状；第三是树枝状分布。3.瘤细胞恶性程度边界比心部更高。

再考虑到在治疗肿瘤组织的同时，尽量减小对正常组织的伤害。因此HIFU治疗肿瘤技术的难点在于：1.必须形成一个超声波的高能点(焦域)，并且该焦域的长短轴之比要小。2.被治疗的病灶可视，可以方便地确定肿瘤的位置和形态。3.对非规则肿瘤可以进行扫描治疗，并且有尽可能多的扫描方式供医务人员选择。4.可以同时监视治疗效果。如果采用B超监视，必须避免强超声反射对B超图像的干扰。5.介质必须采用接近人体组织声阻抗特征的专用液体，并且还要求声衰减小，不干涉聚焦声场。

根据HIFU治疗肿瘤的技术难点，本发明的目的在于提供一种高强度聚焦超声肿瘤扫描治疗系统，通过聚焦把超声波在体内形成一个高能量的空间点—即焦域(该焦域能量达到1000w/m²以上，可以瞬时产生＞70℃的温度)，并把焦域伸入人体中的肿瘤组织内进行扫描运动，保证焦域轨迹充分覆盖肿瘤组织，达到治疗肿瘤的目的。

为实现上述目的，本发明采用了这样的技术方案，即一种高强度聚焦超声肿瘤扫描治疗系统是由组合探头、高强功率源、B超机、多维数控运动装置，真空脱气水装置、治疗床及计算机操作系统组成。其中，由发生治疗超声波的治疗探头及B超机的显像探头的构成的组合探头安装在三维直角座标和一维或二维转动座标构成的运动装置上，组合探头的上端通过开式水囊联接在治疗床的中心孔洞上，治疗床的中部有一个安装水囊2大孔，水囊2的下端连接在组合探头3的头部；组合探头3又安装在三维直角座标和二维转动座标的运动系统4上，组合探头3和高频电功率源6相连，组合探头中心轴线上安装有B超探头和B超机相连，组合探头中心轴线上安装有B超探头和B超机相连，运动系统4和数控扫描系统相连，水囊2和真空脱水装置5相接，计算机操作系统9分别与高频电功率源6、B超机7、数控扫描系统8及真空脱气水装置相连接。

探头的B超探头安装在治疗探头中心部位，并且通过调节保证治疗探头产生的空间点的″焦域″落在B超探头的显像平面内，组合探头的超声波发射面位于治疗部位的下方，通过开放式水囊与皮肤耦合，此耦合是采用声阻抗接近人体软组织，声衰减少的真空脱气水作介质。

所述运动装置的步进电机通过滚珠丝杆驱动导轨座在滚珠导轨上运动，其运动的实际位置由位置传感器将位置信号采取，实现运动系统闭环控制，多维运动装置由若干个单维运动装置迭加组合而成。

所述的高频功率源是由信号源，信号调制器、放大器、匹配器、三相电源，手动控制、计算机接口及显示器组成。其中信号调制器分别接三相电源、信号源，计算机接口和放大器，信号源分别接三相电源、放大器、显示器、手动控制；放大器又接三相电源，匹配器、匹配器输出0.2-0.3MHz高频连续或脉冲电源，信号源输出低压小电流的高频正弦波信号，通过信号调制电路调整成连续性或10-1000Hz的载波信号。

所述的真空脱气水装置是一种真空脱气循环水装置是由真空泵、循环水泵、水箱、水温调节器组合探头水囊，及控制电路组成；其中水箱分别与真空泵、水温调节器、循环水泵及组合探头水囊连接；控制电路分别与循环水泵，水温调节器，真空泵连接；组合探头、水囊又分别连循环水泵，此装置对水进行真空脱气处理后作超声耦合介质。

多维数控扫描系统在信息处理系统的控制下驱动步进机构，带动组合探头进行二维或三维的扫描运动，从而使组合探头的焦域(空间点)在体内的目标组织中进行二维或三维的扫描治疗或检测。

这种治疗方法有如下的优点：1.治疗中不手术，病人的痛苦小，2.由于HIFU扫描切除的肿块仍在体内，医学研究已经表明，经治疗的癌块组织保留在体内还能促使人体免疫功能的提高，最后这种经治疗的肿瘤被人体吸收和纤维化。

上述系统装置中，利用B超探头的扇扫平面寻找肿瘤组织，并由医务人员确定治疗范围。治疗探头的焦域通过安装定位在B超扇扫平面上一个已经被计算机所记忆的位置。计算机在医疗人员掌握下，指挥数控扫描系统带动治疗控头进行扫描运动，并同时指挥功率源进行开关及调整功率大小。由于焦域的位置相对于治疗探头是一个固定的焦域，治疗探头运动将带动治疗探头所形成的焦域作平行运动，所以探头在体外的扫描运动就能保证焦域在体内的扫描运动。

为了保证以上技术方案的实施，采用以下具体的技术手段，并通过附图进一步说明。

本发明有如下的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为术发明的组合探头结构示意图；

图3为本发明的功能框图；

图4为超声高频电源框图；

图5为真空脱气循环小装置框图；

图6a、图6b为计算机操作系统流程图。

HIFU治疗肿瘤系统结构如图1所示。治疗床1的中部有一个安装水囊2的大孔，水囊2的下端连接在组合探头3的头部，组合探头3又安装在三维直角座标和二维转动座标的运动系统4上。组合探头3中治疗超声的电功率是由高频电功率源6产生的正弦波电源所驱动，组合探头中心轴线上安装有B超探头，它的工作是由B超机7所驱动。在B超的超声图像中可以很方便的确定焦域的位置。运动系统4的运动受到多维数控扫描系统8的控制和驱动。水囊2中充满声阻抗十分接近人体组织的真空脱气水，水囊中的真空脱气水是由真空脱气水装置5提供并循环使用真空脱气水。6、7、8、5相互的配合工作以及扫描治疗轨迹都由计算机9所控制和确定。

组合探头结构如图2所示，B超机的显像探头10被安装在治疗探头的轴心线上，保证治疗探头的焦域(空间点)落在B超的扫描平面内。由于治疗探头所形成的焦域具有100w/cm²至10000w/cm²以上的声强，使焦域处的肿瘤组织产生很高的温度(＞70℃)，这样高的温度一方面使组织产生变性坏死，另一方面该处的高声阻增加，于是在B超图像上产生强回声光团。这样就可以监视治疗点的空间位置以及通过灰阶变化客观地反映治疗程度。

治疗探头的后端装配有压电陶瓷14，压电陶瓷产生超声波的驱动电源由电缆16提供。整个组合探头安装在屏蔽外壳13内，屏蔽外壳13前端装配有水囊座12及水囊2。在探头芯15上面有一超声波透镜1在探头芯15中间有一B超探头10。

上述组合探头从下向上安装。这种安装方式由于从人俯着的下方治疗，可以减小呼吸引起的体位运动。另外人体皮肤和脱气和脱气水直接接触，可以减小高强超声通过皮肤介面时造成的反射损伤。经过动物实验，证明这种安装方式是一种可行的方案。

组合探头的技术参数如下：

1.焦距：40-280mm

2.治疗超声工作频率：0.2-3.5MHz

3.焦域形态：椭球形

  短径：1.1-5mm

  长径：3.5-12mm

4.焦域中心最大声强：1000w/cm²以上

5.聚焦角：30°-120°

HIFU治疗肿瘤系统功能框图如图3所示。功率源输送出高频电源使治疗探头发射出高强聚焦超声，形成高强度焦域，达到损伤该处肿瘤的目的。多维扫描系统带动组合探头进行扫描运动，使焦域产生扫描轨迹损伤肿瘤。在治疗过程中肿瘤位置形态以及治疗的灰度变化都是通过组合探头中的B超探头来监视，并在B超机屏幕上观察。整个过程都是由医务人员在计算机上设置的程序下控制，并被计算机监视。由于组合探头的扫描运动导致水位变化，并且治疗探头也需要冷却，所以计算机还自动控制循环水装置。

实现上述系统的关键在于组合探头。用此探头在组织内的损伤可以隔着皮肤击打损伤点。

功率发生器提供治疗超声高频电源的装置，其原理如图4所示。该功率源由信号源提供低压的0.2-3.5MHz高频正弦波信号，经过信号调制器调制成10-1000Hz的低频载波信号或连续波，调制后的信号被送到放大器进行复制放大送出。由于治疗探头和功率源之间的阻抗有较大的差别，不同的探头又有不同的阻抗，所以在放大器和探头之间增加一个匹配电路，以保证它们之间的最佳匹配。

B超仪是提供组合探头显像监视功能，是采用的现有的市售B超机，使用的都是现有B超仪的主要功能，这里不再叙述。

运动系统采用步进电机驱动滚珠丝杆在滚珠导轨上运动，这种方式具有精度高，噪音低等优点，并且采用光栅测距闭环控制，可以减少步进电机造成的失步影响。

真空脱气循环水系统是由真空脱气水箱、真空泵、循环水泵、水温调节装置及控制部分组成，如图5所示。

如图6所示。

计算机图像处理及数控系统的主要功能有：

1.B超声图像对组织进行断层扫描，通过计算机进行三维重建处理。

2.由医务人员根据肿瘤的形态选择治疗方案及参数。

3.根据医务人员确认的治疗边界控制扫描系统进行扫描治疗。

4.根据治疗前后目标点的灰度差异进行灰度运算，判断治疗程度。

5.根据治疗深度的变化调整超声辐照强度进行能量补偿。

用HIFU肿瘤扫描治疗系统对肿瘤进行治疗有以下几种治疗模式：

1.定点损伤治疗。如图6所示的治疗，这种治疗主要运用于肿瘤组织小于1cm³以及弥散型的肿瘤小块。

其特征在于：运动机构寻找病灶位置后，在不运动的情况下治疗。在B超的一个断层平面内，可以进行一个点或多个点的单独治疗。

2.连续点损伤组合治疗。这种治疗主要运用于肿瘤组织大于1cm³的整块肿瘤组织的治疗。

其特征在于：运动机构寻找病灶位置后，在间断运动中治疗。由单点损伤组合成一个损伤体，两个损伤点之间重合1/10-1/2，保证被治疗的肿瘤组织充分的覆盖，并且每个断层扫描面也有适当的重叠，以保证整块肿瘤组织被充分损伤。

3.连续损伤治疗。采用一次较长的辐照时间(如30s)，在辐照中座标系统进行二维或三维的移动，使焦域在体内连续进行″切割″。这种治疗方案特别适合于长条形的肿瘤组织治疗。

其特征在于：运动机构寻找到病灶位置后，在连续运动中治疗。其总的辐照时间固定，运动速度固定，肿瘤组织各点均受到等量超声辐照。

4.上述的三种治疗模式还可以进行组合使用。

为了保证以上专利构思的实施。采用以下技术手段：

1.采用尽可以高的变能比，即焦域处的平均声强和探头表面的平均声强之比。如图1所示，在不考虑声衰域情况下，Ia＝(D/d)²ID尽量高，而提高变能比的关键在于频率参数选择以及探头的制作工艺。

2.在保证变能比的基础上，采用尽可能小的声衰减过程。目前人们已知的声衰减系数量最小的就是真空脱气水  根据我们的研究，选用了真空脱气水作为耦合介质，是最可行的方案，根据不同的治疗需要，频率选用0.2-3.5MHz都是可以的。

3.采用B超机作为显像装置。由于B超技术是成熟的技术，B超探头可以方便地安装在治疗探头心部。并且治疗头焦域可以方便地安装在B超扇扫平面内，其结构如图2所示。通过试验，这种方式可以方便地确定治疗探头焦域在扇扫平面中的位置，并可以让计算机记忆下这一位置，然后进行扫描运动。

4.采用四座标数探扫描，一座标系转动装置。其原因在于：由于肿瘤组织是立体组织，至少要三维座标运动才能完整地进行扫描治疗。在人体中有些组织，比如肝组织就只需要三维直角座标扫描就行了。另有一些组织，比如乳腺组织，最好就是两维直角座标加上一维转动座标进行扫描。另外，通常乳腺肿瘤生长在乳房的底部，因此治疗中最好有一个手动转动座标，使组合探头倾斜一个角度，通常这个角度为垂直方向倾斜0-60°。

5.在整个扫描治疗过程中，由于以下原因必须使用计算机自动控制。①肿瘤组织的非规则性，必须采用非规则的扫描路途。②在治疗过程，随着治疗深度的变化，为了保证深浅的肿瘤都受同剂量的超声辐照，必须根据深度的变化自动进行能量补偿。③由于治疗前后的B超屏幕上明显的灰度差，因此对治疗前后的灰度进行运算可以提供客观的治疗效果。④另外对治疗的自监测也是十分必要的。

6.为了克服HIFU对B超图像的干扰，采用间断工作法。在计算机控制下，功率源、B超机、数控扫描装置都采用间断工作。B超经过前期采样后，计算机进行图象记忆，并指挥数控扫描装置进行运动。当到下一位置时，计算机对B超图像进行后期采样并且记忆后，才指挥功率源开机工作。这样就完成了一个周期。计算机利用第二周期的前期采样图象和第一周期的后期采样图像进行灰度运算，就可以通过灰度变化判断治疗效果。

利用B超探头的扇扫平面寻找肿瘤组织，并由医务人员确定治疗范围。治疗探头的焦域通过安装定位在B超扇扫平面上一个已经被计算机所记忆的位置。计算机在医疗人员掌握下，指挥数控扫描系统带动治疗探头进行扫描运动，并同时指挥功率源进行开关及调整功率大小。由于焦域的位置相对于治疗探头是一个固定的焦距，治疗探头运动。将带动治疗探头所形成的焦域作平行运动，所以探头在体外的扫描运动就能保证焦域在体内的扫描运动。

Claims (10)

1.一种高强度聚焦超声肿瘤扫描治疗系统是由组合探头，高频电功率源，B超机，多维数控运动装置，其空脱气水装置，治疗床及计算机操作系统组成，其特征在于：由发生治疗超声波的治疗探头和B超机的显像探头构成的组合探头，安装在三维直角座标和一维或二维转动座标构成的运动装置上，组合探头的上端通过开式水囊联接在治疗床的中心大孔洞上，组合探头的上端通过开式水囊联接在治疗床的中心大孔洞上，治疗床(1)的中部有一个安装水囊(2)的大孔，水囊(2)的下端连接在组合探头(3)的头部；组合探头(3)又安装在三维直角座标和二维转动座标的运动系统(4)上，组合探头(3)和高频电动率源(6)相连，组合探头中心轴线上安装有B超探头和B超机相连，运动系统(4)和数控扫描系统相连，水囊(2)和真空脱气水装置(5)相接，计算机操作系统(9)分别与高频电功率源(6)，B超机(7)，数控扫描系统(8)，真空脱气水装置连接。

2.根据权利要求1所述的治疗系统，其特征在于：组合探头的B超探头安装在治疗探头中心部位，并且通过调节保证治疗探头产生的空间点的焦域落在B超探头的显像平面内。

3.根据权利要求1所述的治疗系统，其特征在于：组合探头的超声波发射面位于治疗部位的下方，通过开放式水囊与皮肤耦合，此耦合是采用声阻抗接近人体软组织，声衰减小的真空脱气水作介质。

4.根据权利要求1所述的治疗系统，其特征在于：运动装置的步进电动机通过滚珠丝杆驱动导轨座在滚珠导轨上运动，其运动的实际位置由位置传感器将位置信号采取、实现运动系统闭环控制，多维运动装置是由若干个单维运动装置迭加组合而成。

5.根据权利要求1所述的治疗系统，其特征在于：所述的高频电功率源是由信号源，信号调制器、放大器，匹配器、三相电源、手动控制、计算机接口及显示器组成其中信号调制器分别接三相电源、信号源、计算机接口和放大器，信号源分别接三相电源、放大器、显示器、手动控制；放大器又分别接三相电源。匹配器、匹配器输出0.2-3.5MHz高频连续或脉冲电源，信号源输出低压小电流的高频正弦波信号，通过信号调制电路调整成连续波或10-1000Hz的载波信号。

6.根据权利要求1所述的治疗系统，其特征在于：所述的真空脱气水装置是一种真空脱气循环水装置；它是由真空泵、循环水泵、水箱、水温调节器组合探头水囊，及控制电路组成，其中水箱分别与真空泵、水温调节器、循环水泵及组合探头水囊连接，控制电路分别与循环水泵，水温调节器，真空泵连接；组合探头、水囊又分别连循环水泵，此装置对水进行真空脱气处理后作超声耦合介质。

7.根据权利要求1所述的治疗系统，其特征在于：所述组合探头形成的焦域具有100w/cm²至1000w/cm²声强，组合探头的技术参数为焦距40-280mm，治疗超声工作频率0.2-3.5MHz，焦域形态：椭球形，短径1.1-5mm，长径3.5-12mm，焦域中心最大声域：1000w/cm²以上，瞬时产生的温度＞70℃，聚焦角30°-120°。

8.根据权利要求7所述的治疗系统，其特征在于所述焦域处的平均声强和探头表面的平均声强之比在不考虑声衰域情况下Ia＝(D/d)²ID尽量高。

9.根据权利要求1所述的治疗系统，其特征在于采用四座标数控扫描，一座标系转动装置，在计算机控制下，功率源，B超机，数控扫描装置都采用间断工作。

10.根据权利要求1所述的治疗系统，其特征在于所述的组合探头的整体安装在屏蔽外壳(13)内，屏蔽外壳(13)前端装配有水囊座(12)及水囊(2)，在探头芯(15)上面有一超声波透镜(11)，在探头芯(15)中间有一B超探头(10)，治疗探头的后端装配有压电陶瓷(14)，压电陶瓷产生超声波的驱动电源由电缆(16)提供。

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