组合阵元相控阵换能器

技术领域

本发明涉及超声成像和治疗技术领域，特别涉及一种组合阵元相控阵换能器。

背景技术

声动力疗法(SDT)具有无创、穿透力强、毒副作用相对较小的特点，被广泛应用于动脉粥样硬化性心血管病、肿瘤、自身免疫性疾病及急、慢性炎症性疾病等疾病的研究中。尽管SDT的安全性与有效性已得到证实，但单一压电晶片超声换能器的作用范围不可控，可能对靶病变周围组织产生影响；且在声动力治疗过程中缺乏有效的实时引导，无法对治疗过程有效监测以保证最佳的治疗效果。

发明内容

本发明以声动力疗法(SDT)为基础，提出了一种组合阵元相控阵换能器，可在动脉粥样硬化性心血管病、肿瘤、自身免疫性疾病及急、慢性炎症性疾病等疾病中实现超声成像引导下的精准治疗。

本发明的技术方案为利用一个二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器，要求其阵元数大于128个、中心频率为0.5-5MHz、聚焦深度为5-50mm、声场强度大于2W/cm

为实现上述目的，本发明提出了一种组合阵元相控阵换能器，应用于多焦点聚焦超声治疗和辐射力成像激励，包括二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器和成像超声换能器，所述二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器具有总面积S的矩形超声发射面，在该矩形超声发射面上设有面积S1的矩形窗口用以设置成像超声换能器，用于对图像平面成像，所述二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器用以发射聚焦超声波的有效面积为S2。应尽量减小矩形窗口的面积S1以减少二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器的阵元损失。

可选地，所述二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器的有效面积S2上的阵元呈对称分布。

可选地，所述二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器的有效面积S2上的阵元数大于128个，中心频率为0.5-5MHz，聚焦深度为5-50mm；为了获得更大的超声能量和穿透深度，其中心频率应小于3MHz。

可选地，所述二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器在焦点处提供峰值超声强度大于2W/cm

可选地，所述成像换能器为高频线性阵列成像超声换能器，为了获得较高的成像分辨率，其中心频率大于5MHz。

所述成像超声换能器的阵元间距与阵元数可根据实际应用进行调整，保证在获得更大成像范围的同时减少其体积。

可选地，所述二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器与所述高频线性阵列成像超声换能器同轴布设，确保超声成像范围可覆盖SDT治疗区域，解决治疗可视化的问题。

可选地，除超声发射面外，在二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器和成像超声换能器的声头端分别用铜箔、金属外壳和电缆线屏蔽网包裹并将二者与超声系统地极相连来屏蔽外界电磁干扰；使用独立激发控制模块和程序对二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器与成像超声换能器进行控制，使两个换能器可以独立且互不干扰的工作。

对于上述技术方案，组合阵元相控阵换能器的阵元数、阵元间距、阵元分布方案等参数与治疗过程中具体耦合剂层厚度、聚焦深度等参数不做限定，按照具体应用场景选定。较适宜的设计为：二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器的矩形超声发射面的面积S为3.62cm×3.34cm，阵元数大于128个，中心频率为1MHz，阵元间距为2.8mm，切割刀宽为0.2mm，单个阵元宽度为2.6mm，孔径为33.6mm，可在换能器超声发射面20-50mm深度范围实现0-2W/cm

实际应用上，需用水或耦合剂对治疗靶位进行有效耦合，以保证超声的有效传导。在干预过程中，可通过调整二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器的阵元激发延时以实现对连续、分支及多点散在病变的干预。其不仅在SDT领域，在聚焦超声、超声神经刺激等超声干预领域也拥有广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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示出的结构获得其他的附图。

图1(a)为组合阵元相控阵换能器的结构示意图；

图1(b)为组合阵元相控阵换能器介导的SDT干预示意图；

图2(a)为不同深度(5、10、15、20mm)下超声成像分辨率测试结果；

图2(b)为活体兔股动脉成像结果；

图3(a)为单点聚焦超声声场XY、XZ面与多点聚焦超声声场XY面声场仿真示意图；

图3(b)为单点聚焦超声声场XY、XZ面与多点聚焦超声声场XY面声场表征示意图；

图3(c)为组合阵元相控阵换能器静止情况下通过电子偏转，实现不同时间下的“扫描式”焦点。

图4为以兔股动脉粥样硬化斑块干预为例，在干预一周后进行H&E染色表征，其中图4(a)为对照组兔股动脉，图4(b)为SDT组兔股动脉；标尺：200μm。

附图标号说明：

1、二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器；2、成像超声换能器；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种组合阵元相控阵换能器，应用于多焦点聚焦超声治疗和辐射力成像激励。参照图1，该组合阵元相控阵换能器包括二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器(1)和高频线性阵列成像超声换能器(2)，二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器(1)具有总面积S的矩形超声发射面，在该矩形超声发射面中心处设有面积S1的矩形窗口用以设置高频线性阵列成像超声换能器(2)，用于对图像平面成像，所述二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器(1)用以发射聚焦超声波的有效面积为S2。所述二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器(1)与所述高频线性阵列成像超声换能器(2)同轴布设。

二维面阵相控阵聚焦治疗超声换能器(1)的矩形超声发射面的面积S为3.62cm×3.34cm，阵元数大于128个，中心频率为1MHz，阵元间距为2.8mm，切割刀宽为0.2mm，单个阵元宽度为2.6mm，孔径为33.6mm，可在换能器超声发射面20-50mm深度范围实现0-2W/cm

以兔股动脉粥样硬化斑块的诊疗为例，组合阵元相控阵换能器SDT的具体步骤如下：

(1)对兔静脉注射声敏剂，等待相应靶细胞吞噬声敏剂。

(2)对兔进行麻醉、固定，将拟治疗区域进行脱毛处理后均匀涂布超声耦合剂，利用组合阵元相控阵换能器的成像功能对靶血管进行成像，从而确定治疗靶点。

(3)找到治疗靶位后，利用组合阵元相控阵换能器的治疗功能对靶点进行精准SDT干预。

(4)SDT作用后可适时进行疗效诊断或可在一段时间后再次进行SDT干预。

参照图2，选用线仿体进行超声成像分辨率测试，结果发现在至多20mm深度处超声成像依然有较好的成像分辨率；从活体兔股动脉成像结果中，可清晰观察到血管结构，提示组合阵元相控阵换能器可完成对精准SDT的超声成像引导。

参照图3，组合阵元相控阵换能器可产生个性化相控阵聚焦声场，为连续、分支与多点散在病变提供潜在的干预能力。

参照图4，H&E染色结果显示组合阵元相控阵换能器介导的SDT可显著增大兔股动脉管腔面积、稳定兔股动脉粥样硬化斑块，提示其有效性和安全性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。