專利名稱：用于腫瘤超聲輻射微泡劑的低頻聚焦超聲發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于腫瘤超聲輻射微泡劑的低頻聚焦超聲發(fā)生裝置，應(yīng)用于臨床腫瘤新生血管的栓塞的物理治療，屬于無(wú)創(chuàng)腫瘤治療的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
癌癥已成為威脅人類生命健康的第一大病癥。目前，治療癌癥的基本方法有手術(shù)，放療、化療和免疫療法，但這些治療手段往往不能滿足患者的治療要求，且放療、化療易產(chǎn)生副作用。如何安全有效的治療人體深部的惡性腫瘤，有效地抑制腫瘤生長(zhǎng)成為人類與癌魔抗?fàn)幍募怃J問(wèn)題。
近年來(lái)，微泡試劑在超聲影像診斷中的應(yīng)用研究十分活躍。但利用微泡試劑等加強(qiáng)超聲生物效應(yīng)以用于治療的研究，目前國(guó)內(nèi)外均處于起步階段。
由于體內(nèi)空化核的含量極少，故在利用超聲空化效應(yīng)治療時(shí)，需額外輸入微泡劑以增加空化核的含量。
當(dāng)前用于腫瘤的超聲治療多基于高頻功率超聲的熱效應(yīng)，其大多采用高頻超聲聚焦在腫瘤局部產(chǎn)生熱量毀損瘤體組織。這種方法所需的超聲功率高，產(chǎn)生的空化效應(yīng)難于控制，可能對(duì)人體正常組織和器官產(chǎn)生不必要的損傷，不能用于腫瘤血管的栓塞治療。
關(guān)于超聲空化的研究指出當(dāng)液體中存在空化核，且空化核內(nèi)含有蒸汽，則該液體的強(qiáng)度由下式計(jì)算pt=-pP+233(2σR0)3p0-pP+2σR0---(1)]]>式中，pP為蒸汽壓；R0為空化核的初始半徑；σ是表面張力；p0是液體的靜壓強(qiáng)。
由式(1)可見(jiàn)，空化核半徑R0愈大則該處的液體強(qiáng)度愈弱，反之，空化核半徑R0愈小，液體強(qiáng)度也就愈強(qiáng)。含有空化核的地方就是液體強(qiáng)度比較弱的地方，也就是空化開始的地方。
使液體產(chǎn)生空化的最小壓強(qiáng)即為液體的空化閾值。若液體的靜壓力為p0，聲波交變聲壓幅值為pm，則液體中壓強(qiáng)的變化為p0±pm。當(dāng)pm＞p0時(shí)，則p0-pm形成負(fù)壓，這時(shí)空化核在負(fù)壓作用下膨脹，當(dāng)p0-pm＞p*時(shí)，形成空化。對(duì)于含有半徑為R0的空化核的液體，超聲空化的空化閾值pc為pc＝p0+pt(2)將式(1)帶入式(2)，則空化閾值為pc=p0-pP+233(2σR0)3p0-pP+2σR0---(3)]]>由此可見(jiàn)，超聲空化閾值隨不同液體而不同；同一液體，隨溫度壓力狀態(tài)、含氣量以及空化核半徑的大小和分布的不同而不同。水的空化閾值pc隨含氣量(相對(duì)飽和含氣量)的減少單調(diào)上升。靜壓加大，含氣減少，空化核也減少，因此空化閾值升高。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)液體中含氣量大時(shí)，靜壓對(duì)空化閾值影響較大，而含氣量小時(shí)影響較??；空化閾值和液體粘滯性有關(guān)，粘滯性大的液體空化閾值略高；空化閾值和聲波作用的時(shí)間也有關(guān)系，聲波作用的時(shí)間長(zhǎng)，空化閾值下降，未除氣的水表現(xiàn)得格外明顯。空化閾值也與聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，空化閾值越高。此外，超聲空化還受到聲場(chǎng)中的氣泡動(dòng)態(tài)過(guò)程、聲波的頻率及空化泡發(fā)育或閉合等的影響。
文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)表明，在數(shù)十kHz超聲工作頻率上產(chǎn)生空化效應(yīng)所需的超聲聲壓或聲強(qiáng)，僅是高頻超聲(數(shù)百kHz～數(shù)MHz)的數(shù)十分之一至數(shù)萬(wàn)分之一。同時(shí)，液體中的氣體含量也是影響超聲空化發(fā)生的重要因素。文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)表明(如圖1所示)，在數(shù)十kHz超聲工作頻率上的含氣水(即有微泡存在時(shí))產(chǎn)生空化效應(yīng)所需的超聲功率(聲強(qiáng))約為10-1W/cm2數(shù)量級(jí)上；據(jù)此，我們?cè)谙嚓P(guān)試驗(yàn)研究中，分別選擇超聲輸出功率為0.5W、1.0W、1.5W進(jìn)行超聲聯(lián)合微泡劑進(jìn)行超聲生物效應(yīng)(安全性)試驗(yàn)。研究結(jié)果表明超聲聯(lián)合微泡劑對(duì)組織作用，當(dāng)超聲功率較高時(shí)(1.5W)動(dòng)物血ALT出現(xiàn)升高，較低的超聲輸出功率(1W)時(shí)肝腎功能未出現(xiàn)異常改變，將超聲輸出功率降低至0.5W時(shí)，肝腎功能未出現(xiàn)異常改變，肝、腎、心內(nèi)膜、腦、皮膚、及皮下組織等均未見(jiàn)明顯損傷。血?dú)夥治龅挠^察也表明，同等劑量的微泡劑注射后在10分鐘和60分鐘內(nèi)，未引起血?dú)庵蠧O2分壓的明顯改變。
而在超聲聯(lián)合微泡劑對(duì)荷瘤動(dòng)物的試驗(yàn)研究中，當(dāng)超聲輸出功率為0.5W時(shí)(作用時(shí)間30s)，瘤體及外周即可見(jiàn)血管栓塞和腫瘤壞死，而正常組織中未見(jiàn)損傷和血管栓塞。
關(guān)于空化核(即氣核或微泡)在超聲作用下產(chǎn)生的壓強(qiáng)(聲強(qiáng))，文獻(xiàn)指出氣泡閉合時(shí)在表面外距氣泡中心為r處產(chǎn)生的壓強(qiáng)P(r)為p(r)=p0+R[Z′Q3r-4r-1+ZQr-1+PO(Z-4)]-R43r4[PO(Z-1)-QZ′-Zr-1]---(4)]]>顯然，氣泡壓縮到最小半徑時(shí)產(chǎn)生的壓強(qiáng)最大。根據(jù)式(5)可繪出如圖2所示的曲線，它表示氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生的激波強(qiáng)度。顯然，氣泡原來(lái)半徑愈大，閉合半徑愈小(即Z愈大)，產(chǎn)生的激波幅值就愈大。實(shí)際上，氣泡的最大值Rm決定于聲壓振幅值Pm和聲波頻率。Pm愈大，Rm也愈大，因此產(chǎn)生的激波更強(qiáng)。因?yàn)槌曨l率低時(shí)，作用周期就長(zhǎng)，氣泡就能膨脹到相當(dāng)之大，然后才閉合。
因此，采用低頻聚焦超聲輻射微泡劑，可在較低的功率(聲強(qiáng))下產(chǎn)生腫瘤血管的栓塞，阻斷腫瘤的血供或營(yíng)養(yǎng)通道，達(dá)到控制腫瘤的發(fā)展和治療的目的，對(duì)人體正常組織和器官不產(chǎn)生不必要的無(wú)損傷。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種用于腫瘤超聲輻射微泡劑的低頻聚焦超聲發(fā)生裝置，該裝置能達(dá)到控制腫瘤的發(fā)展和治療的目的，對(duì)人體正常組織和器官不產(chǎn)生不必要的損傷。
技術(shù)方案本發(fā)明的用于腫瘤超聲輻射微泡劑的低頻聚焦超聲發(fā)生裝置，包括手柄、超聲輸出頭、半橢球反射體、水囊；在手柄的前端設(shè)有半橢球反射體，超聲輸出頭的后半部分位于手柄中，超聲輸出頭的前半部分位于半橢球反射體中，在手柄前部的超聲輸出頭的側(cè)面設(shè)有注水、排氣接頭，該注水、排氣接頭的內(nèi)端與半橢球反射體內(nèi)部相連通，在半橢球反射體前端的開口處設(shè)有水囊。
所述的超聲輸出頭的前端面位于半橢球反射體的焦點(diǎn)處。
所述的水囊由固定夾固定在半橢球反射體前端的開口處。
本發(fā)明利用低頻聚焦超聲發(fā)生裝置輸出低頻聚焦超聲，在B超或其他醫(yī)用圖像系統(tǒng)的引導(dǎo)下，經(jīng)皮輻射腫瘤局部由人體外周靜脈注入的微泡劑，作用于腫瘤新生血管形成栓塞，阻斷腫瘤的血供或營(yíng)養(yǎng)通道，達(dá)到控制腫瘤的發(fā)展和治療的目的。根據(jù)聲學(xué)原理，由式(5)x2a2+y2b2=c2---(5)]]>確定的橢球體的一個(gè)焦點(diǎn)(F1)處發(fā)射超聲時(shí)，會(huì)在另一焦點(diǎn)(F2)處產(chǎn)生匯聚，當(dāng)用半橢球體于腫瘤患者的體外發(fā)射超聲時(shí)，即可在患者體內(nèi)的瘤體處獲得相應(yīng)的超聲功率(聲強(qiáng))，誘導(dǎo)由人體外周靜脈注入的微泡劑產(chǎn)生空化效應(yīng)，毀損和栓塞腫瘤新生血管，阻斷腫瘤的血供或營(yíng)養(yǎng)通道，達(dá)到控制腫瘤的發(fā)展和治療的目的，對(duì)人體正常組織和器官不產(chǎn)生不必要的損傷。
有益效果近年來(lái)，微泡試劑在超聲影像診斷中的應(yīng)用研究十分活躍。但利用微泡試劑等加強(qiáng)超聲生物效應(yīng)以用于治療的研究，目前國(guó)內(nèi)外均處于起步階段。
由于體內(nèi)空化核的含量極少，故在利用超聲空化效應(yīng)治療時(shí)，需額外輸入微泡劑以增加空化核的含量。
當(dāng)前用于腫瘤的超聲治療多基于高頻功率超聲的熱效應(yīng)，其大多采用高頻超聲聚焦在腫瘤局部產(chǎn)生熱量毀損瘤體組織。這種方法所需的超聲功率高，產(chǎn)生的空化效應(yīng)難于控制，可能對(duì)人體正常組織和器官產(chǎn)生不必要的損傷，不能用于腫瘤血管的栓塞治療。
研究表明，在組織中含有微泡試劑時(shí)，低劑量超聲即可產(chǎn)生過(guò)去高功率單純超聲才能誘導(dǎo)的聲孔效應(yīng)，目前已應(yīng)用于加強(qiáng)血栓的消融。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用的微泡試劑，最初用于超聲診斷，它可隨血流到達(dá)組織器官，提高局部組織的空化核含量。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中僅用低功率的超聲輻射，即可使微泡產(chǎn)生空化，破碎微血管管壁和部分周圍組織，激活內(nèi)源或外源性凝血，誘發(fā)大面積毛細(xì)血管血栓形成，阻斷作用區(qū)域的直接血液供給途徑；而沒(méi)有微泡試劑的區(qū)域，少有血栓形成.實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，單純超聲輻射作用引起的血管栓塞率較低，僅有34.15％的血管發(fā)生了不同程度的栓塞；超聲+微泡試劑作用時(shí)，血管栓塞率顯著提高，達(dá)到89.11％。
但是在我們過(guò)去的研究中采用的非聚焦的低頻低功率超聲輻射，作用的有效范圍較難以控制，治療的靶向型不強(qiáng)；采用聚焦的低頻低功率超聲輻射裝置，可有效地提高治療的靶向性，增加治療的效率，控制不良反應(yīng)的發(fā)生。


圖1是空化的閾值聲強(qiáng)隨超聲頻率的變化曲線圖。
圖2是氣泡閉合時(shí)在其附近產(chǎn)生的激波壓力幅值曲線圖。
圖3是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中有彈簧1，手柄2，電纜線3，插頭4，超聲輸出頭5，注水、排氣接頭6，半橢球反射體7，固定夾8，固定螺絲9，水囊10。
具體實(shí)施例方式
采用聚焦的低頻低功率超聲輻射裝置的超聲腫瘤治療系統(tǒng)A、將微泡試劑按照治療要求配制并輸送至待治療的區(qū)域；B、為超聲換能器提供驅(qū)動(dòng)的能量；C、傳導(dǎo)連動(dòng)裝置；D、用于腫瘤定位及治療監(jiān)控；E、將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槌曊駝?dòng)；F、聯(lián)接超聲換能器與超聲治療頭；G、低頻聚焦超聲治療裝置(執(zhí)行治療的終端裝置)；等部分組成。
其中，低頻聚焦超聲治療裝置由圖3中所示的彈簧1、手柄2、電纜3、插頭4、超聲輸出頭5、注水、排氣接頭6、半橢球反射體7、水囊固定夾8、緊固螺栓9和水囊10組成。
超聲輸出頭5用于將電功率轉(zhuǎn)化為超聲功率輸出，其前端面(超聲輻射面)置于半橢球反射體7中的焦點(diǎn)F1處，手柄2的前部與半橢球反射體7交接處側(cè)面設(shè)有注水、排氣接頭6，其內(nèi)端與半橢球反射體7內(nèi)部相連通，在半橢球反射體7前端的開口處設(shè)有水囊10，由水囊固定夾8和緊固螺栓9將水囊10與半橢球反射體7相互聯(lián)結(jié)，共同組成低頻聚焦超聲治療裝置。
在治療時(shí)，先由注水、排氣接頭6向低頻聚焦超聲治療裝置內(nèi)注滿去氣水，并將空氣排出；由超聲輸出頭5在半橢球反射體7中的焦點(diǎn)F1處將電功率轉(zhuǎn)化為超聲功率輻射輸出，經(jīng)半橢球反射體7的反射聚焦將超聲匯聚于如圖4示意的位于體內(nèi)的另一焦點(diǎn)F2處，產(chǎn)生超聲生物效應(yīng)，達(dá)到治療腫瘤的目的。
權(quán)利要求
1.一種用于腫瘤超聲輻射微泡劑的低頻聚焦超聲發(fā)生裝置，其特征在于該裝置包括手柄(2)、超聲輸出頭(5)、半橢球反射體(7)、水囊(10)；在手柄(2)的前端設(shè)有半橢球反射體(7)，超聲輸出頭(5)的后半部分位于手柄(2)中，超聲輸出頭(5)的前半部分位于半橢球反射體(7)中，在手柄(2)前部的超聲輸出頭(5)的側(cè)面設(shè)有注水、排氣接頭(6)，該注水、排氣接頭(6)的內(nèi)端與半橢球反射體(7)內(nèi)部相連通，在半橢球反射體(7)前端的開口處設(shè)有水囊(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于腫瘤超聲輻射微泡劑的低頻聚焦超聲發(fā)生裝置，其特征在于所述的超聲輸出頭(5)的前端面位于半橢球反射體(7)的焦點(diǎn)處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于腫瘤超聲輻射微泡劑的低頻聚焦超聲發(fā)生裝置，其特征在于所述的水囊(10)由固定夾(8)固定在半橢球反射體(7)前端的開口處。
全文摘要
用于腫瘤超聲輻射微泡劑的低頻聚焦超聲發(fā)生裝置涉及一種用于腫瘤超聲輻射微泡劑的低頻聚焦超聲發(fā)生裝置，應(yīng)用于臨床腫瘤新生血管的栓塞的物理治療，該裝置包括手柄(2)、超聲輸出頭(5)、半橢球反射體(7)、水囊(10)；在手柄(2)的前端設(shè)有半橢球反射體(7)，超聲輸出頭(5)的后半部分位于手柄(2)中，超聲輸出頭(5)的前半部分位于半橢球反射體(7)中，在手柄(2)前部的超聲輸出頭(5)的側(cè)面設(shè)有注水、排氣接頭(6)，該注水、排氣接頭(6)的內(nèi)端與半橢球反射體(7)內(nèi)部相連通，在半橢球反射體(7)前端的開口處設(shè)有水囊(10)。所述的超聲輸出頭(5)的前端面位于半橢球反射體(7)的焦點(diǎn)處。
文檔編號(hào)A61B18/00GK1803225SQ200510122608
公開日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2005年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月29日
發(fā)明者吳巍 申請(qǐng)人:東南大學(xué)