Изобретение относится к области медицинской техники, предназначенной для неинвазивного энергетического воздействия на анатомические структуры, в широком понимании этого определения, путем применения преобразователей фокусированного ультразвука высокой интенсивности (преобразователь HIFU), а именно к способам предотвращения повреждения указанной медицинской техники.The invention relates to the field of medical equipment intended for non-invasive energy effects on anatomical structures, in the broad sense of this definition, through the use of high-intensity focused ultrasound transducers (HIFU transducer), and in particular to methods for preventing damage to said medical equipment.
Стремление к использованию неинвазивных методов лечения привело к открытию широких возможностей фокусированного ультразвука высокой интенсивности в клинической и экспериментальной медицине. Среди этих возможностей нейрохирургия при воздействии через невскрытый череп, онкология, в том числе и при воздействии на ткани через грудную клетку, гипотермия опухолей, сенсибилизация и сонодинамическая терапия опухолей, лечение опухолей простаты, остановка кровотечений, влияние на сосуды и тромбы, повышение эффективности транспорта лекарственных веществ под действием ультразвука, обратимые изменения в нервных структурах под действием ультразвука, раздражение нервных структур. Сюда же относится применение фокусированного ультразвука в таких областях как офтальмология, кардиология, хирургия фибромиомы матки, липосакция, действие на кости, позвонковые диски и т.д.The desire to use non-invasive treatment methods has led to the discovery of the wide possibilities of high-intensity focused ultrasound in clinical and experimental medicine. Among these possibilities are neurosurgery when exposed through an unopened skull, oncology, including when exposed to tissue through the chest, hypothermia of tumors, sensitization and sonodynamic therapy of tumors, treatment of prostate tumors, stopping bleeding, influencing blood vessels and blood clots, increasing the efficiency of drug transport substances under the influence of ultrasound, reversible changes in nerve structures under the influence of ultrasound, irritation of nerve structures. This also includes the use of focused ultrasound in such areas as ophthalmology, cardiology, uterine fibroid surgery, liposuction, action on bones, vertebral discs, etc.
Все перечисленные применения связаны с возможностью создания в заданных глубоких структурах организма локальных разрушений, не сопровождающихся поражением окружающих тканей. Механизм этих разрушений чаще всего связан с тепловым действием ультразвука. Если энергия ультразвука в фокальной области достаточно велика, то температура в фокусе может быстро возрасти на 20 градусов и более. Если такое повышение температуры будет поддерживаться в течение нескольких секунд, то тепловая доза может оказаться достаточной, чтобы привести к разрушению клеток и тканей. Возможны также разрушения, создаваемые с помощью кавитационного механизма воздействия, сопровождающего ультразвуковое воздействие [Гаврилов Л.Р. Фокусированный ультразвук высокой интенсивности в медицине. Москва. ФАЗИС.2013. с. 309].All of the above applications are associated with the possibility of creating local destruction in given deep structures of the body that is not accompanied by damage to surrounding tissues. The mechanism of these destructions is most often associated with the thermal effect of ultrasound. If the ultrasound energy in the focal region is high enough, the temperature at the focal point can quickly increase by 20 degrees or more. If this increase in temperature is maintained for several seconds, the thermal dose may be sufficient to cause cell and tissue destruction. Destructions created by the cavitation mechanism that accompanies ultrasonic exposure are also possible [Gavrilov L.R. High intensity focused ultrasound in medicine. Moscow. FAZIS.2013. With. 309].
Все достижения исследований в области ультразвуковых терапевтических методов в настоящее время позволили создать целый класс удобных в обращении, многофункциональных приборов. Современные ультразвуковые приборы сочетают в себе диагностические и терапевтические функции. Пьезокерамические преобразователи HIFU, применяемые в различных областях медицины, имеют различную конструкцию, форму и структуру рабочей поверхности: от простейших плоских одноэлементных преобразователей до сложных многоэлементных фазированных решеток. Ультразвуковые фазированные решетки обеспечивают электронное динамическое фокусирование, т.е. возможность изменять местоположение области воздействия без перемещения самой решетки.All the achievements of research in the field of ultrasound therapeutic methods have now made it possible to create a whole class of easy-to-use, multifunctional devices. Modern ultrasound devices combine diagnostic and therapeutic functions. Piezoceramic HIFU transducers, used in various fields of medicine, have different designs, shapes and working surface structures: from the simplest flat single-element transducers to complex multi-element phased arrays. Ultrasonic phased arrays provide electronic dynamic focusing, i.e. the ability to change the location of the impact area without moving the grid itself.
Описанные выше приборы сложны в производстве и недешевы, поэтому важной задачей является предохранение их от случайного повреждения. В частности, такое повреждение может быть нанесено излучением преобразователя HIFU, отраженным на ультразвуковой диагностический датчик.The devices described above are difficult to manufacture and expensive, so an important task is to protect them from accidental damage. In particular, such damage can be caused by radiation from the HIFU transducer reflected onto the ultrasound diagnostic probe.
Известно устройство для неинвазивного энергетического воздействия на анатомические структуры [RU 178474, опубл. 04.04.2018]. Устройство включает контейнер, заполненный контактной жидкостью и закрытый с помощью гибкой мембраны-аппликатора, внутри которого смонтированы расположенные коаксиально ультразвуковой диагностический датчик и преобразователь HIFU, при этом мембрана-аппликатор и контейнер устройства конструктивно совмещены и выполнены в виде эластичной оболочки.A device is known for non-invasive energy effects on anatomical structures [RU 178474, publ. 04/04/2018]. The device includes a container filled with a contact fluid and closed with a flexible membrane-applicator, inside which a coaxially located ultrasonic diagnostic sensor and a HIFU transducer are mounted, while the membrane-applicator and the container of the device are structurally combined and made in the form of an elastic shell.
Известен робот для термической абляции новообразований методом HIFU [RU 188743, опубл. 23.04.2019]. На конечном звене робота установлен акустический блок с корпусом в виде конической колбы, на дне которой коаксиально размещены преобразователь HIFU и ультразвуковой диагностический датчик, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль общей оси, а также вращения вокруг нее.A known robot for thermal ablation of tumors using the HIFU method [RU 188743, publ. 04/23/2019]. At the final link of the robot there is an acoustic unit with a body in the form of a conical flask, at the bottom of which a HIFU transducer and an ultrasonic diagnostic sensor are coaxially placed, installed with the possibility of reciprocating movement along a common axis, as well as rotation around it.
В качестве ближайшего аналога может быть использовано любое устройство, содержащее расположенные коаксиально ультразвуковой диагностический датчик и преобразователь HIFU, предназначенный для терапии, при этом оба должны быть размещены внутри контейнера, заполненного иммерсионной жидкостью, и закрытого при помощи мембраны, выполненной из упруго-эластичного материала. Например, устройство обеспечения акустического контакта преобразователя HIFU с объектом абляции [RU 211368, опубл. 01.06.2022]. Устройство включает емкость конусообразной формы, заполненную иммерсионной жидкостью, при этом большее основание емкости перекрыто расположенными коаксиально преобразователем HIFU и ультразвуковым диагностическим датчиком, а меньшее - мембраной, выполненной из упруго-эластичного материала.The closest analogue can be any device containing a coaxially located ultrasound diagnostic sensor and a HIFU transducer intended for therapy, both of which must be placed inside a container filled with immersion liquid and closed with a membrane made of an elastic-elastic material. For example, a device for ensuring acoustic contact of the HIFU transducer with the ablation object [RU 211368, publ. 06/01/2022]. The device includes a cone-shaped container filled with immersion liquid, wherein the larger base of the container is covered by a coaxially located HIFU transducer and an ultrasonic diagnostic sensor, and the smaller one is covered by a membrane made of an elastic-elastic material.
Для устройств, соответствующих описанной конструкции, в случае отсутствия акустического контакта прибора с объектом терапии, возможно обратное отражение ультразвуковых волн в область нахождения излучающих элементов, что может повлечь за собой выход прибора из строя.For devices corresponding to the described design, in the absence of acoustic contact between the device and the therapy object, ultrasonic waves may be reflected back into the area where the emitting elements are located, which may lead to failure of the device.
При этом, потерей акустического контакта назовем любой случай, когда не производится запланированная передача энергии от преобразователя HIFU к области терапии. К таким ситуациям относятся:At the same time, loss of acoustic contact is defined as any case when the planned transfer of energy from the HIFU transducer to the treatment area does not take place. Such situations include:
- отсутствие контактного геля или образование крупных воздушных пузырей в слое контактного геля для ультразвуковой диагностики;- absence of contact gel or formation of large air bubbles in the layer of contact gel for ultrasound diagnostics;
- неплотное прилегание мембраны к объекту;- loose fit of the membrane to the object;
- наличие костей или иных отражающих элементов на пути ультразвуковой волны;- the presence of bones or other reflective elements in the path of the ultrasonic wave;
- несанкционированный (случайный) выстрел в воздух.- unauthorized (accidental) shot in the air.
Таким образом, недостатком показанных аналогов, также, как и ближайшего аналога, является высокая вероятность повреждения ультразвукового диагностического датчика акустического блока излучением преобразователя HIFU, отраженным на датчик в условиях потери акустического контакта.Thus, the disadvantage of the shown analogues, as well as the closest analogue, is the high probability of damage to the ultrasonic diagnostic sensor of the acoustic unit by the radiation of the HIFU transducer reflected onto the sensor under conditions of loss of acoustic contact.
Технической проблемой является разработка способа предотвращения повреждения ультразвукового диагностического датчика акустического блока отраженным излучением HIFU.The technical challenge is to develop a method to prevent damage to the ultrasonic diagnostic sensor of the acoustic unit by reflected HIFU radiation.
Сущность способа предотвращения повреждения отраженным при потере акустического контакт: излучением HIFU ультразвукового диагностического датчика акустического блока, содержащего корпус, внутри которого коаксиально размещены преобразователь фокусированного ультразвука высокой интенсивности, обеспечивающий возможность электронного динамического фокусирования, выполненный в виде многоэлементной двухмерной ультразвуковой фазированной решетки с излучающей поверхностью, имеющей форму вогнутого кольцевого элемента, и ультразвуковой диагностический датчик, содержащий многоэлементную одномерную линейную решетку, корпус заполнен иммерсионной жидкостью и герметично перекрыт при помощи мембраны из акустически прозрачного упруго-эластичного материала, при этом размеры акустического блока должны удовлетворять неравенствуThe essence of the method for preventing damage reflected in the event of loss of acoustic contact: HIFU radiation from an ultrasonic diagnostic sensor of an acoustic unit containing a housing, inside of which a high-intensity focused ultrasound transducer is coaxially placed, providing the possibility of electronic dynamic focusing, made in the form of a multi-element two-dimensional ultrasonic phased array with a radiating surface having the shape of a concave ring element, and an ultrasonic diagnostic sensor containing a multi-element one-dimensional linear array, the body is filled with immersion liquid and hermetically sealed with a membrane made of an acoustically transparent elastic-elastic material, while the dimensions of the acoustic block must satisfy the inequality
Lmp>Lg+Lf, где:Lmp>Lg+Lf, where:
Lmp - расстояние от излучающей поверхности ультразвукового диагностического датчика до наружной поверхности плоской мембраны,Lmp is the distance from the emitting surface of the ultrasonic diagnostic sensor to the outer surface of the flat membrane,
Lg - расстояние от наружной поверхности мембраны до геометрического фокуса «b» преобразователя фокусированного ультразвука высокой интенсивности,Lg is the distance from the outer surface of the membrane to the geometric focus “b” of the high-intensity focused ultrasound transducer,
Lf - продольный размер фокальной области,Lf is the longitudinal size of the focal area,
заключается в том, что ограничивают возможность смещения фокуса преобразователя фокусированного ультразвука высокой интенсивности на величину Ls согласно формулеis that they limit the possibility of shifting the focus of the high-intensity focused ultrasound transducer by the value Ls according to the formula
Ls≤Lmp-Lg-Lf, где:Ls≤Lmp-Lg-Lf, where:
Ls - расстояние от геометрического фокуса «b» до текущего положения смещенного фокуса «с»,Ls is the distance from the geometric focus “b” to the current position of the shifted focus “c”,
одновременно вместе с этим определяют величину эталонного сигнала, под которым понимают сигнал одного центрального излучающего элемента ультразвукового диагностического датчика, отраженный от воздушной прослойки в зоне «а», лежащей за мембраной, образующей выпуклую криволинейную поверхность, перед активацией преобразователя фокусированного ультразвука высокой интенсивности определяют величину текущего сигнала того же излучающего элемента, отраженного от тела пациента, производят сравнение текущего отраженного сигнала с эталонным, в случае если амплитуда текущего сигнала, отраженного от мягких тканей составляет более 30% эталонного - блокируют активацию преобразователя фокусированного ультразвука высокой интенсивности,at the same time, the value of the reference signal is determined, which is understood as the signal of one central emitting element of the ultrasonic diagnostic sensor, reflected from the air gap in zone “a” lying behind the membrane forming a convex curved surface, before activating the high-intensity focused ultrasound transducer, the value of the current signal of the same radiating element reflected from the patient’s body, the current reflected signal is compared with the reference one, if the amplitude of the current signal reflected from the soft tissues is more than 30% of the reference one, activation of the high-intensity focused ultrasound transducer is blocked,
одновременно вместе с этим определяют время Tmp прохождения сигнала того же излучающего элемента, отраженного от плоской мембраны и эталонного сигнала Tmc, перед активацией преобразователя фокусированного ультразвука высокой интенсивности определяют время прохождения текущего сигнала Та, отраженного от тела пациента, в случае еслиat the same time, the transit time Tmp of the signal of the same emitting element reflected from the flat membrane and the reference signal Tmc is determined; before activating the high-intensity focused ultrasound transducer, the transit time of the current signal Ta reflected from the patient’s body is determined, if
Та>0,5(Tmp+Tmc),Ta>0.5(Tmp+Tmc),
блокируют активацию преобразователя фокусированного ультразвука высокой интенсивности.block activation of the high-intensity focused ultrasound transducer.
Таким образом, за счет одновременного использования трех приемов заявляемого способа, достигается технический результат - предотвращение повреждения ультразвукового диагностического датчика отраженным излучением HIFU в различных ситуациях потери акустического контакта.Thus, due to the simultaneous use of three techniques of the proposed method, a technical result is achieved - preventing damage to the ultrasonic diagnostic sensor by reflected HIFU radiation in various situations of loss of acoustic contact.
На чертежах, прилагаемых к описанию изобретения, дано: The drawings attached to the description of the invention show:
Фиг. 1 - Акустический блок устройства для комплексной ультразвуковой диагностики и терапии с плоской мембраной. Схематичное изображение отражения излучения HIFU в случае отсутствия акустического контакта.Fig. 1 - Acoustic unit of a device for complex ultrasound diagnostics and therapy with a flat membrane. Schematic representation of the reflection of HIFU radiation in the absence of acoustic contact.
Фиг. 2 - Акустический блок с выпуклой мембраной (а), с выпуклой мембраной, прижатой к кожным покровам пациента (б).Fig. 2 - Acoustic block with a convex membrane (a), with a convex membrane pressed to the patient’s skin (b).
Фиг. 3 - А-эхограмма при контакте прибора с воздухом с использованием различного количества излучающих элементов диагностического датчика.Fig. 3 - A-echogram when the device comes into contact with air using a different number of emitting elements of the diagnostic sensor.
Фиг. 4 - А-эхограмма при контакте прибора с воздухом или водой, с использованием единственного излучающего элемента.Fig. 4 - A-echogram when the device comes into contact with air or water, using a single emitting element.
Фиг. 5 - Модель акустического блока с выпуклой мембраной.Fig. 5 - Model of an acoustic block with a convex membrane.
Фиг. 6 - Модель акустического блока с выпуклой мембраной, прижатой к кожным покровам пациента.Fig. 6 - Model of an acoustic block with a convex membrane pressed to the patient’s skin.
Заявляемый способ аварийной блокировки силового ультразвукового воздействия служит для предотвращения повреждения акустического блока устройства для комплексной диагностики и терапии, а именно, ультразвукового диагностического датчика, излучением преобразователя HIFU, отраженным на датчик в условиях потери акустического контакта, как это было показано выше.The inventive method of emergency blocking of force ultrasonic influence serves to prevent damage to the acoustic unit of a device for complex diagnostics and therapy, namely, an ultrasonic diagnostic sensor, by radiation from the HIFU transducer reflected onto the sensor in conditions of loss of acoustic contact, as shown above.
Акустический блок (фиг. 1) содержит корпус, включающий платформу 1 и емкость 2, имеющую форму усеченного конуса, обращенного к платформе 1 большим основанием. Во внутренней полости емкости 2, со стороны большего основания конуса, коаксиально размещены преобразователь HIFU 3, предназначенный для терапии (его еще можно назвать силовым, терапевтическим излучателем), и ультразвуковой диагностический датчик 4 (диагностический излучатель), вместе - УЗ излучатели, ориентированные излучающей поверхностью в сторону от платформы 1. Со стороны меньшего основания конуса емкость 2 герметично перекрыта при помощи мембраны 5 из акустически прозрачного упруго-эластичного материала. Емкость 2 заполнена иммерсионной жидкостью 6, в качестве которой, в том числе, может быть использована дегазированная вода.The acoustic unit (Fig. 1) contains a housing, including a platform 1 and a container 2, having the shape of a truncated cone, facing the platform 1 with a large base. In the internal cavity of the container 2, on the side of the larger base of the cone, a HIFU 3 transducer intended for therapy (it can also be called a power, therapeutic emitter) and an ultrasonic diagnostic sensor 4 (diagnostic emitter) are coaxially placed, together - ultrasonic emitters oriented by the emitting surface away from platform 1. On the side of the smaller base of the cone, container 2 is hermetically sealed using a membrane 5 made of an acoustically transparent elastic-elastic material. Container 2 is filled with immersion liquid 6, which, among other things, can be used as degassed water.
При этом размеры акустического блока должны удовлетворять неравенствуIn this case, the dimensions of the acoustic block must satisfy the inequality
Lmp>Lg+Lf, где:Lmp>Lg+Lf, where:
Lmp - расстояние от излучающей поверхности ультразвукового диагностического датчика 4 до наружной поверхности плоской мембраны 5,Lmp is the distance from the emitting surface of the ultrasonic diagnostic sensor 4 to the outer surface of the flat membrane 5,
Lg - расстояние от наружной поверхности мембраны 5 до центра геометрического фокуса «b» преобразователя HIFU 3,Lg is the distance from the outer surface of the membrane 5 to the center of the geometric focus “b” of the HIFU 3 converter,
Lf - продольный размер фокальной области.Lf is the longitudinal size of the focal area.
Применение акустического блока рассматриваемой конструкции предполагает использование мембраны 5 как в плоском, так и в выпуклом виде. В качестве мембраны 5 может быть использована инцизионная пленка, обладающая высокой эластичностью. Для придания мембране 5 выпуклой формы, в емкость 2 под давлением подается иммерсионная жидкость 6, в результате чего плоская мембрана 5 становится выпуклой (фиг. 2). Выпуклая форма мембраны 5 позволяет плотно прижимать контактную поверхность к кожным покровам пациента 7 и не терять контакт при незначительных передвижениях модуля.The use of an acoustic block of the design under consideration involves the use of membrane 5 in both flat and convex form. An incisional film with high elasticity can be used as membrane 5. To give the membrane 5 a convex shape, immersion liquid 6 is supplied under pressure into the container 2, as a result of which the flat membrane 5 becomes convex (Fig. 2). The convex shape of the membrane 5 allows the contact surface to be tightly pressed to the patient's skin 7 and not to lose contact with minor movements of the module.
Преобразователь HIFU 3 (терапевтический излучатель) представляет собой многоэлементную двухмерную ультразвуковую фазированную решетку, которая, как это было отмечено выше, обеспечивает электронное динамическое фокусирование, т.е. возможность изменять местоположение области воздействия без перемещения самой решетки. Излучающая поверхность преобразователя HIFU 3 имеет форму вогнутого кольцевого элемента, с геометрическим фокусом «b», в который фокусируется излучение, когда все излучающие элементы решетки активируются синфазно. Положение геометрического фокуса «b» определяется радиусом «R» сферы, образующей излучающую поверхность преобразователя HIFU 3. Смещение точки фокусировки лучей по общей оси излучателей осуществляется с помощью контроля фаз источников ультразвуковых колебаний. На фиг.1 текущее положение смещенного фокуса обозначено буквой «с», а расстояние от «b» до «с» - Ls. Область повышения интенсивности в фокусе имеет веретенообразную форму, ее продольный размер обозначен как Lf.The HIFU 3 transducer (therapeutic emitter) is a multi-element two-dimensional ultrasonic phased array, which, as noted above, provides electronic dynamic focusing, i.e. the ability to change the location of the impact area without moving the grid itself. The radiating surface of the HIFU 3 transducer has the shape of a concave ring element, with a geometric focus “b”, into which the radiation is focused when all radiating elements of the array are activated in phase. The position of the geometric focus “b” is determined by the radius “R” of the sphere forming the radiating surface of the HIFU 3 transducer. The shift of the focusing point of the beams along the common axis of the emitters is carried out by monitoring the phases of the sources of ultrasonic vibrations. In Fig. 1, the current position of the shifted focus is indicated by the letter “c”, and the distance from “b” to “c” is Ls. The region of increased intensity at the focus has a spindle-shaped shape, its longitudinal size is designated as Lf.
Ультразвуковой диагностический датчик 4 содержит многоэлементную одномерную линейную решетку, при этом, в зависимости от задачи, может использоваться как один излучающий элемент, так и они все. В качестве ультразвукового диагностического датчика 4 могут использоваться, например, линейный электронный или фазированный секторный датчики [Осипов Л.В. Ультразвуковые диагностические приборы: Практическое руководство для пользователей. - М.: Видар, 1999, с. 44]Ultrasonic diagnostic sensor 4 contains a multi-element one-dimensional linear array, and, depending on the task, either one emitting element or all of them can be used. As an ultrasonic diagnostic sensor 4, for example, linear electronic or phased sector sensors can be used [Osipov L.V. Ultrasound diagnostic instruments: A practical guide for users. - M.: Vidar, 1999, p. 44]
При включении преобразователя HIFU 3 в условиях контакта мембраны 5 акустического блока с воздухом (зона «а», фиг. 1), вследствие значительной разницы импедансов сред, происходит обратное отражение подавляющей доли ультразвуковых лучей во внутреннюю полость емкости 2. При этом точка локализации геометрического фокуса «b» перемещается в точку «b'», находящуюся на общей оси излучателей, на расстоянии Lg от мембраны.When the HIFU 3 transducer is turned on under conditions of contact of the membrane 5 of the acoustic unit with air (zone “a”, Fig. 1), due to a significant difference in the impedances of the media, the overwhelming majority of ultrasonic rays are reflected back into the internal cavity of the container 2. In this case, the localization point of the geometric focus "b" moves to point "b'", located on the common axis of the emitters, at a distance Lg from the membrane.
Смещение фокуса в точку «с» в ситуации, когдаShifting focus to point “c” in a situation where
Lmp=Lg+Ls,Lmp=Lg+Ls,
приводит к отражению точки локализации максимума интенсивности прямо на диагностический датчик (точка «c'» на фиг. 1). В условиях отсутствия акустического контакта, это может привести к повреждению диагностического датчика 4.leads to reflection of the localization point of the maximum intensity directly onto the diagnostic sensor (point “c'” in Fig. 1). In the absence of acoustic contact, this may damage the diagnostic sensor 4.
Для предотвращения данной ситуации предлагается использовать первый прием заявляемого способа, а именно, ограничить возможность смещения фокуса преобразователя HIFU на величину Ls согласно формулеTo prevent this situation, it is proposed to use the first technique of the proposed method, namely, to limit the possibility of shifting the focus of the HIFU transducer by the value Ls according to the formula
Ls≤Lmp-Lg-LfLs≤Lmp-Lg-Lf
Предотвратить повреждение диагностического датчика 4 можно, используя второй прием заявляемого способа, а именно, контролируя амплитуду отраженного сигнала одного центрального излучающего элемента ультразвукового диагностического датчика 4 непосредственно перед HIFU воздействием.Damage to the diagnostic sensor 4 can be prevented using the second method of the proposed method, namely, by controlling the amplitude of the reflected signal of one central emitting element of the ultrasonic diagnostic sensor 4 immediately before the HIFU treatment.
Заявляемый способ заключается в том, что предварительно, перед проведением терапевтического воздействия, определяют величину эталонного сигнала, под которым понимают сигнал одного центрального излучающего элемента ультразвукового диагностического датчика 4, отраженный от воздушной прослойки в зоне «а», лежащей за чистой, сухой мембраной 5, образующей выпуклую криволинейную поверхность. Непосредственно перед активацией преобразователя HIFU 3 определяют величину текущего сигнала того же излучающего элемента, отраженного от тела пациента 7, производят сравнение текущего отраженного сигнала с эталонным, в случае если амплитуда текущего сигнала, отраженного от мягких тканей составляет более 30% эталонного - блокируют активацию преобразователя HIFU.The inventive method consists in preliminarily, before carrying out the therapeutic effect, determining the value of the reference signal, which is understood as the signal of one central emitting element of the ultrasonic diagnostic sensor 4, reflected from the air gap in zone “a” lying behind the clean, dry membrane 5, forming a convex curved surface. Immediately before activating the HIFU transducer 3, the magnitude of the current signal of the same radiating element reflected from the patient’s body 7 is determined, the current reflected signal is compared with the reference one, if the amplitude of the current signal reflected from the soft tissues is more than 30% of the reference one, the activation of the HIFU transducer is blocked .
Порог блокировки преобразователя HIFU в 30% был определен после обобщения экспериментальных данных и теоретических расчетов, приведенных в научно-технической литературе. Как показано в работе [Николаева М.Н. Разработка программно-аппаратного модуля контроля акустического контакта устройства с объектом абляции при терапевтическом HIFU-воздействии: выпускная квалификационная работа бакалавра: 16.03.01 - Техническая физика; 16.03.01_10 - Физическая и биомедицинская электроника СПБ., 2022. 43 с], чтобы различить между собой отраженные сигналы от состояний наличия и отсутствия акустического контакта, необходимо и достаточно сравнить между собой максимальные значения их амплитуд. Коэффициент отражения от контакта мембраны 5 с воздухом близок к 100%, в то время как от контакта с мягкими тканями 7 в условиях эксперимента - не превышает 15%. Исходя из произведенных теоретических расчетов (моделирование было проведено для мембраны 5, материалом для которой служит полиуретан, а толщина колеблется в пределах от 20 до 50 мкм), амплитуда сигнала, отраженного от мягких тканей 7 не должна превышать 30% от эталонного.The HIFU transducer blockage threshold of 30% was determined after summarizing experimental data and theoretical calculations reported in the scientific and technical literature. As shown in the work [Nikolaeva M.N. Development of a software and hardware module for monitoring the acoustic contact of the device with the ablation object during therapeutic HIFU exposure: bachelor's final qualifying thesis: 03/16/01 - Technical physics; 03/16/01_10 - Physical and Biomedical Electronics St. Petersburg., 2022. 43 p.], in order to distinguish among themselves the reflected signals from the states of the presence and absence of acoustic contact, it is necessary and sufficient to compare the maximum values of their amplitudes. The reflection coefficient from contact of membrane 5 with air is close to 100%, while from contact with soft tissue 7 under experimental conditions it does not exceed 15%. Based on the theoretical calculations made (the simulation was carried out for membrane 5, the material for which is polyurethane, and the thickness ranges from 20 to 50 microns), the amplitude of the signal reflected from soft tissues 7 should not exceed 30% of the reference one.
Использование одного центрального излучающего элемента ультразвукового диагностического датчика 4 вместо всей матрицы было выбрано в результате экспериментов, показавших, что для минимизации фонового шума, вносимого элементами конструкции устройства, необходимо использовать модифицированный А-режим работы датчика 4, при котором уменьшается количество действующих источников колебаний. А-эхограмма (фиг. 3) представляет собой график зависимости амплитуды ультразвукового сигнала от глубины, на которой он был отражен.The use of one central emitting element of the ultrasonic diagnostic sensor 4 instead of the entire matrix was chosen as a result of experiments that showed that in order to minimize the background noise introduced by the structural elements of the device, it is necessary to use a modified A-mode of operation of the sensor 4, in which the number of active sources of oscillations is reduced. The A-echogram (Fig. 3) is a graph of the amplitude of the ultrasonic signal versus the depth at which it was reflected.
Согласно полученным данным, выбранный режим работы устройства позволяет точно различить случаи, когда за мембраной находится воздух и вода (фиг. 4). Так как акустический импеданс мягких тканей превышает соответствующее значение для воды примерно лишь на 11%, можно сделать вывод, что данный режим пригоден для контроля акустического контакта.According to the data obtained, the selected operating mode of the device makes it possible to accurately distinguish cases when there is air and water behind the membrane (Fig. 4). Since the acoustic impedance of soft tissue exceeds the corresponding value for water by only about 11%, we can conclude that this mode is suitable for monitoring acoustic contact.
Оценку амплитуды отраженного сигнала осуществляют при помощи программно-аппаратного модуля контроля акустического контакта устройства с объектом абляции. Для этого акустический блок направляют в воздух и инициируют работу одного центрального излучающего элемента диагностического датчика 4, при этом мембрана 5 должна быть чистой и сухой. Определяют величину отраженного от воздуха сигнала и сохраняют его значение. Эта величину принимают за эталон.The amplitude of the reflected signal is assessed using a hardware-software module for monitoring the acoustic contact of the device with the ablation object. To do this, the acoustic unit is directed into the air and the operation of one central radiating element of the diagnostic sensor 4 is initiated, while the membrane 5 must be clean and dry. The magnitude of the signal reflected from the air is determined and its value is stored. This value is taken as the standard.
Проводят первичный диагностический осмотр пациента: оценку геометрических размеров области поражения, определение глубины залегания области планируемого силового воздействия. Осуществляют выбор параметров для HIFU-терапии (количество выстрелов, интенсивность, время пауз между выстрелами, сдвиг точки локализации геометрического фокуса) и вносят их в программу.A primary diagnostic examination of the patient is carried out: assessment of the geometric dimensions of the affected area, determination of the depth of the area of the planned force impact. Parameters for HIFU therapy are selected (number of shots, intensity, pause time between shots, shift of the geometric focus localization point) and entered into the program.
Прижимают прибор к телу пациента 7 (фиг. 2б), непосредственно перед осуществлением запланированного терапевтического HIFU-воздействия, определяют величину текущего сигнала того же излучающего элемента, отраженного от тела пациента 7, затем производят сравнение текущего отраженного сигнала с эталонным. В случае если амплитуда текущего сигнала, отраженного от мягких тканей составляет более 30% эталонного -блокируют активацию преобразователя HIFU, иначе - производят воздействие.The device is pressed against the body of the patient 7 (Fig. 2b), immediately before the implementation of the planned therapeutic HIFU effect, the magnitude of the current signal of the same radiating element reflected from the body of the patient 7 is determined, then the current reflected signal is compared with the reference one. If the amplitude of the current signal reflected from the soft tissues is more than 30% of the reference signal, the activation of the HIFU transducer is blocked, otherwise the effect is performed.
Предотвратить повреждение диагностического датчика 4 можно, используя третий прием заявляемого способа, а именно, непосредственно перед HIFU воздействием определяя деформацию выпуклой мембраны 5 (фиг.2, 5 и 6). Степень деформации мембраны определяют, контролируя время Та, которое потребуется сигналу одного центрального излучающего элемента ультразвукового диагностического датчика 4, чтобы пройти расстояние от излучающей поверхности до тела пациента и вернуться назад.Damage to the diagnostic sensor 4 can be prevented by using the third method of the proposed method, namely, immediately before the HIFU exposure, determining the deformation of the convex membrane 5 (Figs. 2, 5 and 6). The degree of deformation of the membrane is determined by monitoring the time Ta that it takes for the signal of one central emitting element of the ultrasonic diagnostic sensor 4 to travel the distance from the emitting surface to the patient’s body and return back.
Оценку времени Та прохождения отраженного сигнала осуществляют при помощи программно-аппаратного модуля контроля акустического контакта устройства с объектом абляции. Для этого акустический блок направляют в воздух и инициируют работу одного центрального излучающего элемента диагностического датчика 4, при этом мембрана 5 должна быть плоской, чистой и сухой. Определяют время Tmp прохождения сигналом удвоенного расстояния Lmp.Аналогичным образом определяют для выпуклой мембраны время Tmc прохождения эталонным сигналом удвоенного расстояния Lmc. Сохраняют полученные значения.The transit time Ta of the reflected signal is estimated using a hardware-software module for monitoring the acoustic contact of the device with the ablation object. To do this, the acoustic unit is directed into the air and the operation of one central radiating element of the diagnostic sensor 4 is initiated, while the membrane 5 must be flat, clean and dry. The time Tmp for the signal to travel twice the distance Lmp is determined. In a similar way, the time Tmc for the reference signal to travel the double distance Lmc is determined for a convex membrane. The received values are saved.
Проводят первичный диагностический осмотр пациента: оценку геометрических размеров области поражения, определение глубины залегания области планируемого силового воздействия. Осуществляют выбор параметров для HIFU-терапии (количество выстрелов, интенсивность, время пауз между выстрелами, сдвиг точки локализации геометрического фокуса) и вносят их в программу.A primary diagnostic examination of the patient is carried out: assessment of the geometric dimensions of the affected area, determination of the depth of the area of the planned force impact. Parameters for HIFU therapy are selected (number of shots, intensity, pause time between shots, shift of the geometric focus localization point) and entered into the program.
Прижимают прибор к телу пациента 7 (фиг. 2б), непосредственно перед осуществлением запланированною терапевтического HIFU-воздействия, определяют время Та прохождения текущим сигналом удвоенного расстояния La. Во всех случаях, для определения времени используют момент, когда амплитуда отраженного сигнала впервые превысит 5% от эталонного значения.The device is pressed against the patient's body 7 (Fig. 2b), immediately before the planned therapeutic HIFU effect is carried out, the time Ta for the current signal to travel twice the distance La is determined. In all cases, the moment when the amplitude of the reflected signal first exceeds 5% of the reference value is used to determine the time.
Затем производят проверку выполнения условияThen the condition is checked
Та>0,5(Tmp+Tmc).Ta>0.5(Tmp+Tmc).
В случае если условие выполняется, блокируют активацию преобразователя HIFU, иначе - производят запланированное воздействие.If the condition is met, the activation of the HIFU converter is blocked, otherwise the planned effect is performed.
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2806736C1true RU2806736C1 (en) | 2023-11-03 |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0713102A1 (en)* | 1994-11-16 | 1996-05-22 | Advanced Technology Laboratories, Inc. | Self diagnostic ultrasonic imaging systems |
| EP0816865A2 (en)* | 1996-06-26 | 1998-01-07 | Siemens Aktiengesellschaft | Self test method for an ultrasonic time-of-flight measurement device, and device for carrying out the method |
| WO2010111233A2 (en)* | 2009-03-23 | 2010-09-30 | Medicis Technologies Corporation | Analysis of real time backscatter data for fault signal generation in a medical hifu device |
| RU211368U1 (en)* | 2021-11-08 | 2022-06-01 | Общество с ограниченной ответственностью "Медуза" | DEVICE FOR ACOUSTIC CONTACT OF THE HIFU EMITTER WITH THE OBJECT OF ABLATION |
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0713102A1 (en)* | 1994-11-16 | 1996-05-22 | Advanced Technology Laboratories, Inc. | Self diagnostic ultrasonic imaging systems |
| EP0816865A2 (en)* | 1996-06-26 | 1998-01-07 | Siemens Aktiengesellschaft | Self test method for an ultrasonic time-of-flight measurement device, and device for carrying out the method |
| WO2010111233A2 (en)* | 2009-03-23 | 2010-09-30 | Medicis Technologies Corporation | Analysis of real time backscatter data for fault signal generation in a medical hifu device |
| RU211368U1 (en)* | 2021-11-08 | 2022-06-01 | Общество с ограниченной ответственностью "Медуза" | DEVICE FOR ACOUSTIC CONTACT OF THE HIFU EMITTER WITH THE OBJECT OF ABLATION |
| Title |
|---|
| Николаева М. Н. Разработка программно-аппаратного модуля контроля акустического контакта устройства с объектом абляции при терапевтическом HIFU-воздействии: выпускная квалификационная работа бакалавра: направление 16.03. 01 "Техническая физика"; образовательная программа 16.03. 01_10 "Физическая и биомедицинская электроника". - 2022.* |
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6943768B2 (en) | Ultrasonic Transducer Array for Ultrasound Thrombosis Treatment and Monitoring | |
| US11426611B2 (en) | Ultrasound therapeutic and scanning apparatus | |
| US20230346354A1 (en) | Dual mode ultrasound transducer (dmut) system and method for controlling delivery of ultrasound therapy | |
| Hynynen et al. | Image-guided ultrasound phased arrays are a disruptive technology for non-invasive therapy | |
| EP3723854B1 (en) | Ultrasound focusing in dynamically changing media | |
| KR100990011B1 (en) | Method of Contrast Agent in Medical Ultrasound Imaging | |
| US9782608B2 (en) | High intensity focused ultrasound treatment head and system | |
| ter Haar et al. | High intensity focused ultrasound: physical principles and devices | |
| US7530356B2 (en) | Method and system for noninvasive mastopexy | |
| JP3373602B2 (en) | Ultrasound therapy equipment | |
| ES2705758T3 (en) | System for controlled heat treatment of human surface tissue | |
| US6623430B1 (en) | Method and apparatus for safety delivering medicants to a region of tissue using imaging, therapy and temperature monitoring ultrasonic system | |
| EP1591073A1 (en) | Ultrasonic probe and ultrasonic device | |
| US20120330197A1 (en) | Noninvasive treatment of blood vessels | |
| KR20070054563A (en) | Contrast-enhanced ultrasound therapy system with ultrasound imaging induction for thrombosis therapy | |
| EP3363498B1 (en) | System for secure insonification of living tissues | |
| US9987505B2 (en) | Method for modifying glomerular permeability and function with focused ultrasound | |
| US20090216128A1 (en) | Broadband Ultrasonic Probe | |
| Azhari | Ultrasound: medical imaging and beyond (an invited review) | |
| Lafond et al. | Therapeutic ultrasound transducer technology and monitoring techniques: a review with clinical examples | |
| RU2806736C1 (en) | Method of preventing damage to the acoustic unit of a device for complex diagnostics and therapy with reflected radiation of the hifu | |
| US20220134136A1 (en) | Arthritis treatment apparatus using ultrasonic wave and far-infrared ray | |
| Frenkel | Therapeutic ultrasound: Mechanisms to applications | |
| Rivens et al. | Imaged-Guided Focused Ultrasound Therapy: Physics and Clinical Applications | |
| Crum et al. | Acoustic hemostasis |