專利名稱：實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置和方法，特別是涉及高強(qiáng)度聚焦超聲治療系統(tǒng)中超聲波發(fā)生器的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置和方法。
背景技術(shù)：
醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的耐熱性比正常細(xì)胞要差，在42.5℃以上的溫度環(huán)境下，30分鐘內(nèi)腫瘤細(xì)胞死亡，而正常細(xì)胞損傷較輕且可逆轉(zhuǎn)。高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)就是根據(jù)腫瘤細(xì)胞的這一特點(diǎn)，以超聲波為能量源，利用其穿透性和可聚焦性，將探頭發(fā)射出的平均聲強(qiáng)較低的超聲波通過介質(zhì)耦合，經(jīng)過皮膚進(jìn)入人體腫瘤組織，聚焦或者匯聚到一個(gè)空間點(diǎn)，形成一個(gè)平均聲強(qiáng)在1000W/m2以上的焦域(焦域大小Φ3×8mm)，使該焦域瞬時(shí)(0.1秒到5秒)產(chǎn)生強(qiáng)烈的溫度升高(高于70℃)，加上其空化作用(即強(qiáng)超聲在液體中產(chǎn)生類似霧狀的氣泡，其形成和消失可以產(chǎn)生極高的溫度和壓力，從而使組織受到嚴(yán)重破壞)和機(jī)械振動(dòng)作用，破壞焦域處的組織。通過對(duì)腫瘤進(jìn)行如此由點(diǎn)到線、由線到面、由面到體逐點(diǎn)掃描的固化治療，從而使整個(gè)腫瘤組織固化，實(shí)現(xiàn)治療的目的。
在高強(qiáng)度聚焦超聲治療系統(tǒng)對(duì)腫瘤進(jìn)行治療的過程中，醫(yī)生一般可以通過B超實(shí)時(shí)地監(jiān)控病人病灶部位的變化，判斷治療的效果。但是目前沒有對(duì)超聲波發(fā)生器進(jìn)行有效監(jiān)視的手段，因而醫(yī)生難以判斷超聲波發(fā)生器是否在穩(wěn)定工作。因此，在臨床治療過程中，迫切地需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超聲波發(fā)生器的工作狀態(tài)，以判斷設(shè)備的穩(wěn)定性和有效性的裝置和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述問題，提供一種對(duì)高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)超聲波發(fā)生器的實(shí)時(shí)能量監(jiān)測(cè)裝置和方法。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置，用于在高強(qiáng)度聚焦超聲治療過程中實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)超聲波發(fā)生器的工作狀態(tài)。該實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置包括以下部分振動(dòng)傳感器，安裝在超聲波發(fā)生器上或安裝在該超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波的聲場(chǎng)內(nèi)，用于檢測(cè)超聲波的振動(dòng)壓力，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并輸出；信號(hào)放大電路，與振動(dòng)傳感器連接，用于放大并輸出上述振動(dòng)傳感器輸出的電信號(hào)；以及信號(hào)采集電路，與信號(hào)放大電路連接，用于從上述信號(hào)放大電路輸出的電信號(hào)中檢測(cè)出表示超聲波頻率和振幅的頻率和電壓值，并輸出給計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的頻率和振幅來判斷超聲波發(fā)生器的工作狀態(tài)。
本發(fā)明所述振動(dòng)傳感器是壓電轉(zhuǎn)換元件、光測(cè)轉(zhuǎn)換元件、電容轉(zhuǎn)換元件或電感轉(zhuǎn)換元件中的一種。
此外，本發(fā)明的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)方法，用于在高強(qiáng)度聚焦超聲治療過程中實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)超聲波發(fā)生器的工作狀態(tài)。該實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置包括以下步驟振動(dòng)轉(zhuǎn)換步驟，檢測(cè)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波的振動(dòng)壓力，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并輸出；信號(hào)放大步驟，將上述電信號(hào)放大并輸出；以及信號(hào)采集步驟，從上述放大的電信號(hào)中檢測(cè)出表示超聲波頻率和振幅的頻率值和電壓值，并輸出給計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的頻率和振幅來判斷超聲波發(fā)生器的工作狀態(tài)。
由于所采集的幅值和頻率反映了超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波的幅值和頻率值的變化，所以它能客觀的實(shí)時(shí)檢測(cè)超聲波發(fā)生裝置的超聲波的穩(wěn)定性和有效性。


圖1是本發(fā)明的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意框圖。
圖2是本發(fā)明的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置在超聲波發(fā)生器上安裝位置的示意圖。
圖3是信號(hào)采集電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照?qǐng)D1至圖3，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。圖1是本發(fā)明的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置1的結(jié)構(gòu)示意框圖，其中包括振動(dòng)傳感器11、與振動(dòng)傳感器11連接的信號(hào)放大電路12以及與信號(hào)放大電路12連接的信號(hào)采集電路13。圖2是本發(fā)明的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置1在超聲波發(fā)生器2上安裝位置的示意圖，其中僅示出了振動(dòng)傳感器11，圖2中的21是超聲波發(fā)生器2的壓電晶片21，用于產(chǎn)生超聲波，22是聚焦透鏡，它設(shè)置在壓電晶片21的上表面，用于將壓電晶片21產(chǎn)生的超聲波匯聚在病灶處，23是B超探頭，用于定位腫瘤和進(jìn)行療效評(píng)價(jià)，24是用于固定振動(dòng)傳感器11的裝置，例如彈簧片。圖3是信號(hào)采集電路13的結(jié)構(gòu)示意圖。
在高強(qiáng)度聚焦超聲治療過程中，超聲波發(fā)生器2的壓電晶片21振動(dòng)而產(chǎn)生的超聲波通過聚焦透鏡22聚焦，在病灶處產(chǎn)生具有高密度超聲能量的焦點(diǎn)，使病灶處組織溫度瞬時(shí)升高，從而殺死病灶細(xì)胞(例如癌細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞等)。
壓電晶片21的振動(dòng)將帶動(dòng)聚焦透鏡22和聲場(chǎng)中的傳播介質(zhì)振動(dòng)，并傳導(dǎo)到振動(dòng)傳感器11。振動(dòng)傳感器11是能夠感應(yīng)超聲波的壓力，并能夠?qū)⒃搲毫D(zhuǎn)換為電信號(hào)的壓電部件，它可以使用公知的材料。在本發(fā)明中優(yōu)選使用PVDF(聚偏氟乙烯樹脂)壓電膜，這是由于PVDF壓電膜具有良好的壓電效應(yīng)，與傳統(tǒng)的壓電材料相比具有頻響寬、動(dòng)態(tài)范圍大、壓電轉(zhuǎn)換靈敏度高、機(jī)械強(qiáng)度高、聲阻抗易匹配等特點(diǎn)。但本發(fā)明的振動(dòng)傳感器11不限于PVDF壓電膜，只要是能夠感應(yīng)超聲波的壓電轉(zhuǎn)換元件、光測(cè)轉(zhuǎn)換元件、電容轉(zhuǎn)換元件或電感轉(zhuǎn)換元件，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的材料即可，例如可以使用公知的壓電單晶、壓電陶瓷、氧化鋅壓電薄膜等。
振動(dòng)傳感器11利用其壓電效應(yīng)將超聲的機(jī)械波轉(zhuǎn)換成與超聲波振幅對(duì)應(yīng)、頻率相同的正弦電信號(hào)。為了提高振動(dòng)傳感器11的帶負(fù)載能力，在振動(dòng)傳感器11上連接信號(hào)放大電路12。信號(hào)放大電路12優(yōu)選采用具有很高輸入阻抗的場(chǎng)效應(yīng)管來對(duì)信號(hào)進(jìn)行射極跟隨放大，這樣放大后的信號(hào)振幅基本保持不變，電流卻可以放大近100倍，這樣放大后的電信號(hào)大幅度地提高了帶負(fù)載的能力，從而使后級(jí)的數(shù)據(jù)采集電路13能正常工作。
然后，放大后的信號(hào)輸入信號(hào)采集電路13。如圖3所示，信號(hào)被分為兩路。一路通過整流電路134對(duì)該正弦信號(hào)進(jìn)行整流濾波，從而產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電壓值，然后通過AD轉(zhuǎn)換器135將該電壓值采集出來，使該電壓值對(duì)應(yīng)一數(shù)字量。由于輸入信號(hào)的幅值對(duì)應(yīng)整流后的電壓值，所以AD轉(zhuǎn)換器135輸出的數(shù)字量就對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)的幅值。AD轉(zhuǎn)換器135將表示輸入信號(hào)幅值的數(shù)字量輸出到單片機(jī)133中。
另一方面，從信號(hào)放大電路12輸出的正弦信號(hào)的另一路被加載到正弦波方波轉(zhuǎn)換電路131，通過正弦波方波轉(zhuǎn)換電路131把正弦信號(hào)變?yōu)橥l的方波信號(hào)，方便隨后的數(shù)字信號(hào)處理。由于超聲波頻率一般較高，普通的單片機(jī)計(jì)數(shù)器不能采集出該信號(hào)，所以變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)后，先要通過分頻電路132(例如四分頻電路等)對(duì)其進(jìn)行降頻處理，再輸入單片機(jī)133采集出其頻率。
如上所述，信號(hào)采集電路13從振動(dòng)傳感器11產(chǎn)生的電信號(hào)中分離出表示超聲波頻率和振幅的數(shù)據(jù)，單片機(jī)133從分頻電路132和AD轉(zhuǎn)換器135分別讀出這兩個(gè)數(shù)據(jù)，并將這兩個(gè)數(shù)據(jù)輸出給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)被輸入的頻率值，可以判斷超聲輸出的穩(wěn)定性，而根據(jù)幅度值，可以判斷超聲輸出的能量強(qiáng)弱，從而計(jì)算機(jī)通過實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)這兩個(gè)數(shù)據(jù)，就能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)超聲能量。當(dāng)計(jì)算機(jī)判斷出現(xiàn)異常時(shí)，可以控制超聲能量輸出裝置或提醒操作人員采取措施，從而能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)控制超聲能量的目的。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，振動(dòng)傳感器安裝在超聲波發(fā)生器上，但本發(fā)明不限于此，只要振動(dòng)傳感器能夠接收到超聲波即可，例如可以安裝在超聲波發(fā)生器發(fā)生的聲場(chǎng)內(nèi)。
綜上所述，本發(fā)明可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波強(qiáng)度、頻率的變化，從而為操作人員判斷設(shè)備的穩(wěn)定性和有效性提高判斷依據(jù)。另外，本發(fā)明的監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低。
以上所述僅為本發(fā)明具體實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或變形，均應(yīng)包含在所述的專利申請(qǐng)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置，用于在高強(qiáng)度聚焦超聲治療過程中實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)超聲波發(fā)生器的工作狀態(tài)，其特征在于，該實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置包括以下部分振動(dòng)傳感器，安裝在超聲波發(fā)生器上或安裝在該超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波的聲場(chǎng)內(nèi)，用于檢測(cè)該超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波的振動(dòng)壓力，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并輸出；信號(hào)放大電路，與振動(dòng)傳感器連接，用于放大并輸出上述振動(dòng)傳感器輸出的電信號(hào)；以及信號(hào)采集電路，與信號(hào)放大電路連接，用于從上述信號(hào)放大電路輸出的電信號(hào)中檢測(cè)出超聲波的頻率值和振幅值，并輸出給計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的頻率值和振幅值來判斷超聲波發(fā)生器的工作狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，上述信號(hào)采集電路包括以下部分電壓檢測(cè)單元，接收上述信號(hào)放大電路輸出的電信號(hào)，檢測(cè)其電壓值；頻率檢測(cè)單元，接收來自于上述信號(hào)放大電路的電信號(hào)，檢測(cè)其頻率值；以及讀取單元，分別與上述電壓檢測(cè)單元和上述頻率檢測(cè)單元連接，從上述電壓檢測(cè)單元讀取其檢測(cè)出的電壓值，從上述頻率檢測(cè)單元讀取其檢測(cè)出的頻率值，然后將上述電壓值和頻率值輸出給計(jì)算機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，上述振動(dòng)傳感器將超聲波的振動(dòng)壓力轉(zhuǎn)換為正弦電信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，上述電壓檢測(cè)單元包括整流電路，接收來自于上述信號(hào)放大電路的正弦電信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行整流濾波，從而輸出與該正弦電信號(hào)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定模擬電壓值；以及AD轉(zhuǎn)換器，與上述整流電路連接，將整流電路輸出的上述電壓值轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，上述頻率檢測(cè)單元包括正弦波方波轉(zhuǎn)換電路，接收來自于上述信號(hào)放大電路的正弦電信號(hào)，將該正弦電信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻的方波信號(hào)；以及分頻電路，與上述正弦波方波轉(zhuǎn)換電路連接，接收上述正弦波方波轉(zhuǎn)換電路輸出的方波信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行降頻后輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，上述讀取單元為單片機(jī)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任意一項(xiàng)所述的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，上述振動(dòng)傳感器是壓電轉(zhuǎn)換元件、光測(cè)轉(zhuǎn)換元件、電容轉(zhuǎn)換元件或電感轉(zhuǎn)換元件中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，上述振動(dòng)傳感器為PVDF壓電膜。
9.一種實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)方法，用于在高強(qiáng)度聚焦超聲治療過程中實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)超聲波發(fā)生器的工作狀態(tài)，其特征在于，該實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)方法包括以下步驟振動(dòng)轉(zhuǎn)換步驟，檢測(cè)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波的振動(dòng)壓力，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并輸出；信號(hào)放大步驟，將上述電信號(hào)放大并輸出；以及信號(hào)采集步驟，從上述放大的電信號(hào)中檢測(cè)出表示超聲波頻率和振幅的頻率和電壓值，并輸出給計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的頻率和振幅來判斷超聲波發(fā)生器的工作狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，上述信號(hào)采集步驟還包括以下步驟電壓檢測(cè)步驟，接收上述信號(hào)放大步驟中輸出的電信號(hào)，檢測(cè)其電壓值；頻率檢測(cè)步驟，接收上述信號(hào)放大步驟中輸出的電信號(hào)，檢測(cè)其頻率值；以及讀取步驟，分別讀取在上述電壓檢測(cè)步驟中檢測(cè)出的電壓值和在上述頻率檢測(cè)步驟中檢測(cè)出的頻率值，然后將上述電壓值和頻率值輸出給計(jì)算機(jī)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，在上述振動(dòng)轉(zhuǎn)換步驟中將超聲波的振動(dòng)壓力轉(zhuǎn)換為正弦電信號(hào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，上述電壓檢測(cè)步驟還包括整流步驟，接收上述振動(dòng)轉(zhuǎn)換步驟中輸出的正弦電信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行整流濾波，從而輸出與該正弦電信號(hào)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定模擬電壓值；以及AD轉(zhuǎn)換步驟，將上述整流步驟中輸出的上述模擬電壓值轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，上述頻率檢測(cè)步驟還包括正弦波方波轉(zhuǎn)換步驟，接收上述信號(hào)放大步驟中輸出的正弦電信號(hào)，將該正弦電信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻的方波信號(hào)；以及分頻步驟，接收上述正弦波方波轉(zhuǎn)換步驟中輸出的方波信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行降頻后輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供一種實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置和方法，用于在高強(qiáng)度聚焦超聲治療過程中實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)超聲波發(fā)生器的工作狀態(tài)。該實(shí)時(shí)超聲能量監(jiān)測(cè)裝置包括振動(dòng)傳感器，安裝在超聲波發(fā)生器上或超聲傳播聲場(chǎng)內(nèi)，用于檢測(cè)超聲波的振動(dòng)壓力，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并輸出；信號(hào)放大電路，與振動(dòng)傳感器連接，用于放大并輸出上述振動(dòng)傳感器輸出的電信號(hào)；以及信號(hào)采集電路，與信號(hào)放大電路連接，用于從上述信號(hào)放大電路輸出的電信號(hào)中檢測(cè)出表示超聲波頻率和振幅的頻率和電壓值，并輸出給計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的頻率和振幅來判斷超聲波發(fā)生器的工作狀態(tài)。本發(fā)明可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波強(qiáng)度、頻率的變化，從而為操作人員判斷設(shè)備的穩(wěn)定性和有效性提高判斷依據(jù)。
文檔編號(hào)A61B8/00GK1804562SQ20051000034
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2005年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月10日
發(fā)明者木木, 燕思源, 朱俊宏, 齊家俊 申請(qǐng)人:重慶微海軟件開發(fā)有限公司