CN1260217A - 肿瘤超声治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种肿瘤超声治疗装置,它由计算机控制柜、主机电气柜、治疗台、B超探测换能器构成,治疗浴缸固定在治疗台的滑板上,横向运动机架装在治疗台的横向滑槽中,B超探测换能器固定在换能器运动杆上,可调聚焦治疗头用连接法兰和固紧螺钉固定在治疗头运动杆上,装置固定板固定在铝罩壳上,可调装置固定在装置固定板孔内,单元治疗头装在可调装置内,调节钢球用压紧垫和压紧螺母嵌装在可调装置壳体腔内,单元治疗头通过高频电缆与主机电气柜中换能器驱动板相连接。检测肿瘤定位准确,安全有效,操作简便,适用于治疗肿瘤及其它增生性病变。

Description

肿瘤超声治疗装置

本发明涉及一种大功率多元环状聚焦超声治疗肿瘤的装置。

目前，对于肿瘤的治疗，都主张采取综合治疗。肿瘤的综合治疗方法有手术治疗、放射治疗、化学药物治疗和辅助治疗。手术治疗是现代治疗肿瘤的重要手段，也是首选方案。随着科技的进步，手术技巧和手术方法不断完美，许多过去无法开展的手术现在都能较好地进行，手术既切除了肿瘤又切除了肿瘤好发部位，这无疑可延长病人的存活时间。但手术无法根除各种致癌因素，也无法将肿瘤细胞完全清除，手术虽切除了好发部位，可远处转移的可能几乎存在于每个肿瘤病人。由于手术的创伤大，许多肿瘤病人的体质无法接受手术创伤的打击。同时，手术切除受病人病情、体质、是否远处转移的影响外，还受手术条件、环境、医生的治疗水平等诸多因素的影响，因此，大量病人在就医时就已失去了手术切除的机会，手术能彻底根治性切除的只是整个肿瘤患病人群中非常少的一部分病人。并且，对于手术后肿瘤复发或肿瘤已有远处广泛转移的病人，手术治疗方法更是无能为力。

放射治疗是恶性肿瘤综合性治疗措施之一。但放射治疗只是局限于对某些放射线敏感的肿瘤。由于射线对人体正常组织损伤大，病人的体质是否能耐受放射治疗影响非常大，并且，病人接受射线治疗的剂量有限，不可能长期接受放射治疗，因此，放射治疗在临床上治疗肿瘤受到很大限制。

化学药物也是恶性肿瘤综合性治疗措施之一，由于药物进入机体后在全身分布，这种治疗方法虽然能破坏某些肿瘤细胞，但影响更大的是正常组织细胞，尤其是机体正常的免疫功能受损最为严重，化疗对人体的造血系统损害非常明显，限制了化疗药物在临床上的广泛应用。

辅助治疗主要是采取增强病人机体抵抗力的方法，在肿瘤的治疗中只起辅助作用。

近30年来，世界各国学者对高热治疗肿瘤领域进行了大量的基础和临床研究，高热杀癌细胞的效应得到了大量实验资料的证实，高热作为一种高效的肿瘤治疗方法正引起医学界的关注。国际上都对分子热生物学、细胞热生物学、血管热生物学、热剂量测定方法、临床应用等高热治疗肿瘤的方法进行了广泛深入的探讨。

从60年代开始，有不少学者进行了高热对癌细胞杀伤作用的系统研究：1962年Crile研究发现，高热治疗小鼠肢体S₁₈₀肉瘤，42℃下120min可使肉瘤破坏50％以上。1963年有学者报告，对种植于鼠腿的黑色素瘤，局部加热至44℃，30-40min，有明显的治疗效果。1972年Dickson研究发现，癌细胞热损伤时，对RNA合成作用影响最敏感，热作用后较早出现蛋白和DMA合成抑制。1973年Palzer研究发现，热杀伤Hela细胞有明显的相位性，加热42℃，60-120min，对后S期和早G₂期细胞杀伤作用最大。1976后Overgaard通过对小白鼠乳腺癌的组织化学观察发现，热杀伤肿瘤细胞的原发变化在溶酶体。同年，Leveen报告采用局部透热治疗，发现实质性肿瘤内的血流量仅为邻近正常组织血流量的1％-15％。由于肿瘤的血流量低，透热后肿瘤散热困难，产生热积聚，使肿瘤区温度高于邻近正常组织温度8-10℃。正是这一温度差使局部热治疗既得杀灭肿瘤细胞，又不会损伤正常组织细胞，提供了一种安全有效的治疗手段。

由于局部透热高热治疗无需手术，病人没有伤口，有手术禁忌症的患者同样可以接受局部高热治疗，许多手术无法切除的肿瘤或同时伴有远处转移的肿瘤同样可以接受局部高热治疗；局部透热治疗无放射损伤，亦无化学药物的影响，不会对机体产生明显的全身性损害，机体的免疫功能也不会受到损伤，因此，局部透热高热治疗适用范围广，肿瘤患者可以接受多次多部位的治疗。因此局部高热方法已显现出明显的治疗优势，具有广阔的临床应用前景。

超声波是指频率大于20kHz的声波。自上世纪末到本世纪初，在物理学上发现了压电效应及反压电效应之后，人们解决了利用电子技术产生超声波的方法，从而迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。半个多世纪以来，超声波已在科学技术、社会生产与生活等各个领域中获得十分广泛的应用。

超声波是一种能量形式，当其强度超过一定值时，可以通过与传播超声波的介质发生作用，去影响、改变以至破坏后者的状态、性质及结构。大量试验已证实，超声波在生物媒体吸收转变为热能而使生物体的温度升高。人体组织对超声能量有比较大的吸收本领。因此当超声波在人体组织传播时，其能量不断地被组织吸收而变成热量，其结果是组织的自身温度升高。有资料表明，当组织温度升高超过45℃且维持一定时间后，组织就会产生不可逆变性坏死作用。经检索未发现一种肿瘤超声治疗装置被公开使用。

本发明的目的是针对上述现有技术存在的缺陷提供一种可以比较精确检测肿瘤部位、安全有效、便于操作、以满足临床上对肿瘤及其它增生性疾病治疗的一种肿瘤超声治疗装置。

本发明的肿瘤超声治疗装置，包括由多元环状矩阵排列的聚焦超声发生系统、检测系统、计算机成像及智能控制系统、机械定位系统及辅助设备所组成。

超声发生系统由三十七单元的功率超声发生器从不同的角度呈矩阵状排列所组成。每个超声发生单元由高频功率发生器和超声换能器两大部分组成。其中高频功率发生器包括电源电路、高压电路、振荡电路、输出电路等几个部分。高频功率发生器提供的高频电能激发换能器，产生频率为0.8兆赫兹的超声波。肿瘤超声治疗装置是由多层环状矩阵排列的聚焦超声发生系统、B型超声显像仪、计算机及计算机图像分析和智能控制程序、步进电机及传动系统组成的机械定位系统和患者检查和治疗用工作台等所组成。是超声波换能器固定在1/4圆球形空心金属件上，球形金属件壁厚为7-9mm，球心点距球形金属件的内壁距离为180-200mm，超声发生器分别按第一层1个单元、第二层6个单元、第三层12个单元、第四层18个单元的方式，共三十七个单元超声发生器均匀地固定在1/4圆球形金属件的壁上，每个单元的超声发射面都朝向球心排列，三十七个阵元超声发生器发射的超声波都在球心点上会聚，形成聚焦超声波。每个圆孔的直径与超声换能器的直径一致。用防锈螺丝将超声换能器固定在半圆弧形金属件的圆孔上，使超声换能器的超声发射面朝向半圆弧金属件的里面。三十七个单元的超声发生器发生的超声同时会聚在球形金属件形成的“球心”点上形成聚焦的超声波，这种排列方式可以使各个单元发射的超声束从不同的角度产生一种聚焦超声波，焦域范围内的超声能量密度高，超过1KW/cm²。组织吸收了如此高能的超声波后。转变的热量大，温升快，焦域区在超声发射后的10秒左右可产生高于70℃的高温和空化效应，这些效应可以引起蛋白质变性和细胞结构的改变，从而使肿瘤细胞坏死。超声波非聚焦区由于超声能量分散，接收的超声波辐照能量有限，对周围组织不会引起过高的升温效应，因而对超声波非聚焦区域的组织不会产生损害。

1/4圆球状金属件的顶部与螺纹杆紧密连接。螺纹螺杆借同步皮带轮与步进电机相连，步进电机的运动信号依靠步进电机驱动单元提供。步进电机驱动单元借电缆线与计算机的相关部分连接在一起，步进电机、同步皮带轮、螺纹螺杆和1/4圆球形金属件有机地与一金属臂的一端连接在一起，金属臂的另一端与治疗床的可移动滑槽相连。治疗床下分别连接有两套步进电机、同步皮带轮和螺纹螺杆。两根螺纹螺杆呈高、低垂直交叉固定在金属臂上，控制金属臂与治疗床产生两个方向上的相对运动。这样，金属臂一端连接的聚焦超声治疗头依靠步进电机的动作使治疗头相对于治疗床产生上、下运动。金属臂的另一端依靠治疗床下的两套步进电机分别产生沿治疗床长轴方向上的平行运动和沿长轴方向上的垂直运动。从而实现超声治疗头在三维空间上的移动。

待治疗的肿瘤患者带上辅助呼吸装置(不在本治疗系统描述之内)后，平卧于治疗浴缸13中，由计算机控制台1控制向浴缸13中加入脱气温水12，加水过程中由计算机1接受浴缸13中预埋的温度传感器45和液位传感器44控制浴缸13中的脱气水12的水温，浴缸13中有冷水和热水两个电控阀门和液面高度，当加水到预设的高度后停止加水，计算机控制换能器驱动步进电机17→换能器运动杆16→B超探测换能器15降至预设的探测高度，并进行扫描探测，每隔1mm扫描一次，B超探测换能器15每次扫描的图像信息经电缆传输给计算机控制柜1，计算机控制柜1中含有超声显像系统，在计算机控制柜1中图像信息→超声显像系统→视频图像采集卡转变成数字信号，再经计算机图像处理系统进行存储、分析计算、三维成像同时计算出病变区域的空间相对三维坐标位置、大小及形状确定病变“质心点”的空间相对位置。计算机控制柜1将患者的病变信息与可调聚焦治疗头的焦点进行分析计算，求出病变部位的相对位置。分别控制纵向步进电机4、横向步进电机8及可调聚焦治疗头驱动步进电机20使聚焦治疗头发出的超声波焦点与患者的病变部位重合在一起，定位完成后，由计算机启动超声发生系统，按预设的能量开始治疗，治疗结束后由计算机控制柜1控制上述三个纵向步进电机4、横向步进电机8、可调聚焦治疗头驱动步进电机20复位并关闭治疗系统，结束治疗。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和效果：检测肿瘤定位准确、安全有效，操作简便，适用于治疗肿瘤及其它增生性病变。

图1是肿瘤超声治疗装置结构示意图。

图2是图1所示可调聚焦治疗头示意图。

图3是图1所示单元治疗头可调装置示意图。

图4是图1中计算机控制柜与主机电气柜结构示意图。

下面根据附图对本发明作进一步详细描述：

根据图1、图2、图3、图4可知，计算机控制柜1与主机电器柜2以串行通讯电缆56连接，其中计算机主机35的串口与下位单片机40的串口相连接。整机的电源由AC220V提供，由计算机控制柜2上电源总开关39控制。计算机控制柜1内的计算机主机35与显示器34、操作键盘36相连，计算机主机35与视频采集卡37相连，B超显像仪38与视频采集卡37、B超换能器15相连。主机电气柜2内上的下位单片机40与模数转换器41、42、液位电讯号比较器43、电磁阀驱动电路47、步进电机驱动模块51、52、53、54、I/O扩展口55相连，模数转换器41与水听器44相连，模数转换器42与温度传感器45相连，液位电讯号比较器43与液位传感器46相连，电磁阀驱动电路47与冷水电磁阀48、热水电磁阀49、排水电磁阀50相连，步进电机驱动模块51与纵向步进电机4相连，步进电机驱动模块52与横向步进电机8相连，步进电机驱动模块53与B超探测换能器驱动步进电机17相连，步进电机驱动模块54与可调聚焦治疗头驱动步进电机20相连，换能器驱动板57与I/O扩展口55、可调聚焦治疗头21相连。计算机控制柜1通过串行通讯电缆56与主机电气柜2相连接，使计算机主机35能与下位单片机40进行信息交换。B超探测换能器15通过专用电缆与B超显像仪38相连接，使得B超探测换能器15扫查的B超声像图信息能被B超显像仪38采集显示。可调聚焦治疗头21中的单元治疗头27通过高频电缆28与换能器驱动板57相连接(每治疗头对应一块驱动板)，换能器发射功率超声波所需要的电能由驱动板提供。纵向步进电机4、横向步进电机8、B超探测换能器驱动步进电机17、可调聚焦治疗头驱动步进电机20用步进电机专用电缆分别与步进电机驱动模块51、52、53、54相连接，使得各步进电机的运转受下位单片机40的控制。主机电气柜2的电源通过计算机控制柜1(接入市电Ac220V)，使得主机电气柜2的电源受总电源开关39的控制。治疗浴缸13固定在治疗台3的滑板上，内可容脱气水12，纵向步进电机4上的同步皮带轮5通过同步皮带6带动纵向运动丝杆7转动而带动丝杆上的纵向运动镙母11作纵向运动，从而带动治疗台3上的滑板及治疗浴缸13作纵向运动。横向运动机架14安装在治疗台3的横向滑槽中，由固定在横向运动机架14上的横向运动步进电机8和同步皮带轮组9与横向运动丝杆10带动其作横向运动。B超探测换能器15固定在换能器运动杆16上，由B超探测换能器驱动步进电机17通过同步皮带轮组9带动其上下移动。可调聚焦治疗头21用连接法兰23和固紧镙钉22在治疗头运动杆18上，由换能器驱动步进电机17通过同步皮带轮组9带动其上下移动，上述两套机构都安装在横向运动机架14的顶部横梁上。连接法兰23固定在铝罩壳24上，法兰23上的固紧镙钉22用于固定治疗头运动杆18用。装置固定板26安装固定在铝罩壳24上，可调装置25固定在装置固定板26的安装孔内。单元治疗头27安装在可调装置25内。调节钢球33用压紧垫31和压紧镙母30嵌装在可调装置25壳体腔内，可用压紧镙母30调节其滑动松紧度。调节钢球33中有一治疗头柄29的穿装孔，单元治疗头27的治疗头柄29穿装其中，用定位镙钉32锁紧。单元治疗头27通过高频电缆28与主机电气柜2中换能器驱动板57相连接。

本装置开机有初始化自检程序，开机后由计算机主机35向下位单片机40发出自检指令，下位单片机40指令扩展口分别开启换能器驱动板57使可调聚焦治疗头21上每个单元治疗头27分别工作，由水听器44接受到超声波变成电讯号经模数转换器41变成数字记号到下位单片机40中经串行通讯电缆56到计算机主机35以检测介面在显示器34显示报告每个单元治疗头27的工作状态。本装置的加水由计算机主机35自动闭环控制，通过治疗浴缸13中的温度传感器45接受水温讯号，经模数转换器42变成数字讯号通过下位单片机40的I/O口到下位单片机40通过串行通讯电缆56到计算机主机35，计算机主机35在串口接受到温度记号与医生通过操作键盘36预置的水温比较后，发出指令通过串行通讯电缆56到下位单片机40下位单片机40通过电磁阀驱动电路47控制冷水电磁阀48和热水电磁阀49的动作，分别控制冷热水的进水量达到控制混合水温的目的。治疗浴缸13中置有液位传感器46，当治疗浴缸13内的水位达到一定的高度时，液位传感器46将液位电讯号比较器43、下位单片机40在I/O口上读得信息后通过串行通讯电缆56到计算机主机35，计算机主机35下达关水阀指令到下位单片机40并执行使冷水电磁阀48和热水电磁阀49关闭，完成加水程序。治疗装置在加水完成后，进入病灶探测程序，计算机主机35向下位单片机40下达指令，下位单片机40通过步进电机驱动模块54使B超探测换能器驱动步进电机17运动，下降到预定高度，开始扫描探测。B超探测换能器15扫查一幅B超切面图像后，B超显像仪38将其传入视频采集卡37存入计算机主机35，计算机主机35下达扫查下一个切面的指令，下位单片机40通过串行电缆56收到指令，通过串行电缆56驱动纵向步进电机4运动，治疗浴缸13整体纵向移动1cm进行下个切面的图像扫查存储，到扫描到医生预设的体积后停止扫描，计算机主机35将存储的多个切面进行三维成像，在显示器34显示，由医生确定病变区域和治疗范围，由计算机主机35计算出治疗质点的空间相对位置，并下达指令将可调聚焦治疗头21的焦域与治疗质点相重合，即在下位单片机40的控制下分别驱动纵向步进电机4、横向步进电机8、可调聚焦治疗头步进电机20运动而实现。在可调聚焦治疗头步进电机20电源驱动下，纵向步进电机4转动同步皮带轮5同步皮带6，使纵向运动丝杆7作正反向转动，从而带动纵向运动缧母11作纵向运动。纵向运动镙母11固定在横向运动机架14上，从而使B超探测换能器15、可调聚焦治疗头21作纵向运动。同样通过横向步进电机8同步皮带轮组9可使上述机构作横向运动。通过B超探测换能器驱动步进电机17带动换能器运动杆16使B超探测换能器15上下运动。医生可根据病人病情设计治疗方案，设定超声辐射剂量，即计算机主机35下达治疗指令下位单片机40通过扩展口控制换能器驱动板57而控制可调聚焦治疗头21上单元超声发射换能器发射的个数和发射时间而实现。可调聚焦治疗头21在圆形固定板26上成圆中心分布，根据临床要求可装几个到几百个。在组装时，为良好聚焦、改变焦点深度及形状，每个单元治疗头均设计为球形可调装置25，可调装置25工作原理为单元治疗头柄29穿在调节钢球33中用定位镙钉32固定。单元治疗头27调节到位后用压紧垫31压紧镙母30固紧。再将装置固定板固定在铝罩壳24中，通过联接法兰盘19与治疗头运动光杆18用固定镙钉22固定，组成可调聚焦治疗头。

当治疗结束后，计算机主机35下达结束复位指令，下位单片机40控制纵向步进电机4、横向步向电机8、治疗头驱动步进电机20、B超探测换能器驱动步进电机17，分别运动到起始位置，并启动排水阀排水。

Claims (5)

1、一种肿瘤超声治疗装置，它由计算机控制柜(1)、主机电气柜(2)、治疗台(3)构成，其特征是治疗浴缸(13)固定在治疗台(3)的滑板上，横向运动机架(14)装在治疗台(3)的横向滑槽中，B超探测换能器(15)固定在换能器运动杆(16)上，可调聚焦治疗头(21)用连接法兰(23)和固紧镙钉(22)固定在治疗头运动杆(18)上，装置固定板(26)固定在铝罩壳(24)上，可调装置(25)固定在装置固定板(26)孔内，单元治疗头(27)装在可调装置(25)内，调节钢球(33)用压紧垫(31)和压紧镙母(30)嵌装在可调装置(25)壳体腔内，单元治疗头(27)通过高频电缆(28)与主机电气柜(2)中换能器驱动板(57)相连接。

2、根据权利要求1所述的一种肿瘤超声治疗装置，其特征是计算机控制柜(1)与主机电器柜(2)以串行通讯电缆(56)将计算机主机(35)的串口与下位单片机(40)的串口相连接。

3、根据权利要求1所述的一种肿瘤超声治疗装置，其特征是计算机控制柜(1)内的计算机主机(35)与显示器(34)、操作键盘(36)相连，计算机主机(35)与视频采集卡(37)相连，B超显像仪(38)与视频采集卡(37)、B超探测换能器(15)相连。

4、根据权利要求1所述的一种肿瘤超声治疗装置，其特征是主机电气柜(2)内上的下位单片机(40)与模数转换器(41)、(42)、比较器(43)、电磁阀驱动电路(47)、步进电机驱动模块(51)、(52)、(53)、(54)、I/O扩展口(55)相连。

5、根据权利要求4所述的一种肿瘤超声治疗装置，其特征是模数转换器(41)与水听器(44)相连，模数转换器(42)与温度传感器(45)相连，比较器(43)与液位传感器(46)相连，电磁阀驱动电路(47)与冷水电磁阀(48)、热水电磁阀(49)、排水电磁阀(50)相连，步进电机驱动模块(51)与纵向步进电机(4)相连，步进电机驱动模块(52)与B超探测换能器驱动步进电机(17)相连，步进电机驱动模块(54)与可调聚焦治疗头驱动步进电机(20)相连。

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