專利名稱：超高速體外超聲高溫治療裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超高速體外超聲高溫治療裝置。
利用聚焦的超聲波束引起生物組織的特定部位升溫而達(dá)到摧毀腫瘤的目的是人們所知的，特別是在1984年3月遞交的法國專利No.84 06877中，介紹了一種有關(guān)利用超聲裝置檢查并發(fā)現(xiàn)腫瘤位置的裝置并提供了一種在特定部位超聲高溫治療的裝置。
在上面提及的專利中描述的裝置中，所述的波束是以波列的形式發(fā)射的，具有很高的頻率(例如0.5-5MHz，較低的頻率用于摧毀體內(nèi)的較深層的結(jié)構(gòu))并具有一個相對低的峰值功率(大約10到100瓦，較高的功率用于催毀較深層的結(jié)構(gòu))。
這些波列是被時間間隔分離開的，在此期間內(nèi)，可進(jìn)行實時(通常是B型)超聲掃描，重新調(diào)整焦點使其相對接近目標(biāo)(它受到由于呼吸引起的生物組織的自然運動的影響)或檢查在治療區(qū)域組織所受到的破壞。
根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的深度，隨著功率的大小及使用的頻率，目標(biāo)的溫度增加到大約45℃，在原則上，這個溫度足以催毀惡性細(xì)胞。以前人們一直認(rèn)為目標(biāo)區(qū)域的溫度的過分增加由于熱擴(kuò)散的緣故會造成周圍區(qū)域的嚴(yán)重?fù)p傷。
結(jié)果，治療時間是相對較長的，可能幾十分鐘甚至幾個小時。
本發(fā)明是基于以下發(fā)現(xiàn)，即，根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的深度及吸收的能力將波的峰值功率增加10倍到100倍，通過引起超高速溫升，可以實現(xiàn)顯著降低熱擴(kuò)散的影響并在以一秒的級別的時間內(nèi)催毀目標(biāo)區(qū)域。
本發(fā)明包括一種上面提到的治療裝置，該裝置能夠使聚焦的超聲波列射束以0.5-10MHz的頻率及10KW到幾百瓦的峰值功率發(fā)射，參數(shù)的選取使治療束都集中到焦點上，功率的確定原則是不管所處的組織的深度及性質(zhì)要使治療時間的級別保證在顯示作為時間函數(shù)的溫度增加的曲線的線性部分內(nèi)極大程度地最好是全部地摧毀目標(biāo)。
所述裝置的發(fā)射頻率及發(fā)射面的直徑以及焦點的直徑系根據(jù)目標(biāo)的性質(zhì)及深度有利地確定，使得射束得到最大的集聚，然后根據(jù)頻率的給定值及選擇的直徑確定功率，使得目標(biāo)在58℃左右的溫度，0.5到3秒鐘時間內(nèi)被催毀。
由申請人完成的實驗顯示了需要實現(xiàn)一種用于以很高的峰值功率準(zhǔn)連續(xù)發(fā)射的裝置，使本裝置的構(gòu)成能夠減小健康細(xì)胞的損害同時提高摧毀目標(biāo)的有效性，特別是對目標(biāo)細(xì)胞的額外的機(jī)械性破壞作用的結(jié)果，因此，提供了一種新型的定位式超聲高溫治療技術(shù)，“超高速高溫治療”的名詞在以后的描述中是名付其實的。
超高速高溫治療的另一個優(yōu)點是它在治療當(dāng)中提供了目標(biāo)變化的顯著增強(qiáng)的回聲探測檢查。
根據(jù)本發(fā)明另一個特征，這種檢查是在治療波束間歇期間以給定的速率以A型或B型回聲圖進(jìn)行的，以使有時間對回聲圖或圖象進(jìn)行可檢測的改變(很可能是超高速高溫治療中的十分之幾秒)并不被虛假的改變所掩蓋，這種虛假的改變是由波列的移動引起的(現(xiàn)有高溫治療技術(shù)的情況)。
本發(fā)明還涉及特殊的A型或B型回聲探測技術(shù)，它能對目標(biāo)產(chǎn)生的變化提供超高速檢測以便在目標(biāo)一旦被催毀后即停止治療。
本發(fā)明的其它特征及優(yōu)點從下面的描述中將變得更為清楚，首先描述的是超高速檢測技術(shù)，接下來描述超高速高溫治療裝置的構(gòu)成。


圖1是超高速高溫治療裝置及提供的在治療當(dāng)中用于超高速檢測目標(biāo)變化的裝置的方框圖;
圖2是所述的檢測裝置運行的定時圖;以及圖3顯示了表示生物組織的溫度以時間為函數(shù)增加的曲線。
圖1是一種已知類型的回聲探測裝置的框圖;包括一個實時探頭1，其中包含一個壓電元件12，由電機(jī)13通過以點劃線表示的傳動系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。
例如，該探頭可以是法國專利(No.8010718，申請日7月29日1980年)描述的那種，名稱為“機(jī)械式扇型掃描回聲探測頭”。
壓電元件12由一個脈沖發(fā)生器2激勵，而電機(jī)是由一個鋸齒掃描信號發(fā)生器(產(chǎn)生圖2所示的波形)來控制的，對要治療的部位的一個扇區(qū)進(jìn)行掃描，此掃描通過治療波束發(fā)射器的焦點。
從生物組織反射的脈沖由輸出端接于一個模/數(shù)變換器5的接收器4放大。
一個電子開關(guān)6將變換器5的輸出連接到兩個存儲器61和62中的一個或另一個。每次掃描時發(fā)生開關(guān)轉(zhuǎn)換，為此目的，開關(guān)6被連接到鋸齒波發(fā)生器3的適當(dāng)?shù)妮敵龆恕?br> 在每個存儲器中，寫操作的尋址是根據(jù)由探頭發(fā)射的波束的角位置以一種已知的方法實現(xiàn)的，并從每次發(fā)射開始時計時，使在每次掃描中能將治療區(qū)的完整圖象寫入兩個存儲器當(dāng)中的一個之中。
存儲的內(nèi)容仍然是以一種已知的方式讀出，結(jié)果信號通過開關(guān)71被送到數(shù)字減法器，該開關(guān)在每次掃描時改變其輸入端E1及E2和其輸出端S1及S2之間的連接(為此目的已與發(fā)生器3的適當(dāng)?shù)妮敵龆诉B接)。
如不加轉(zhuǎn)換，計算限定兩個圖象的相繼的點的系列的數(shù)字的差的減法器將從原來的圖象中減去當(dāng)今的圖象然后再從當(dāng)今的圖象減去原來的圖象，如此等等，使用轉(zhuǎn)換目的在于在每次掃描中總是從當(dāng)今的圖象減去原來的圖象。
減法器7的輸出端連接到數(shù)/模變換器72，由變換器72提供一個用于改變顯示裝置8中的陰極射線管的亮度的電壓。
輸出端S2連接到第二個數(shù)/模變換器73。電位器74提供一個代表圖象差的變換器72的輸出電壓及代表最新存儲的圖象的變換器73的輸出電壓的可變的混合電壓。
于是，操作者既可以觀察治療區(qū)的常規(guī)的圖象，對有關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始診斷，也可以觀察圖象差，使他能觀察到在治療中組織的變化如何。
由于治療中使用了高峰值功率，在治療波束發(fā)射時難以形成圖象，從有關(guān)組織反射的能量足以使回聲探測頭“炫暈”。這種效應(yīng)在發(fā)射結(jié)束后可持續(xù)一到幾微秒。因此，對發(fā)射的波列以一定間隔分開是必要的(圖2中波形B)該時間間隔要略長于回聲探測掃描的時間，例如可以是 1/20 S并使后者與發(fā)射同步。
很顯然而且必要，由于呼吸引起的生物組織的自然運動，圖象必須以足夠高速度形成，以避免在兩個相繼的圖象中產(chǎn)生過量的差別而掩蓋在治療中結(jié)構(gòu)的變化所造成的差別效果。例如，發(fā)射時間可以選擇至少每0.5S得到一幀圖象。這意味著治療射束的峰值功率足以顯著摧毀目標(biāo)的細(xì)胞并且發(fā)生的時間只需十分之幾秒。
圖2顯示在(C)的時間間隔中，存儲器61被寫入，在(D)的時間間隔中，存儲器62被寫入，在(E)的間隔中存儲器61被讀出，在(F)的間隔中存儲器62被讀出，在(G)和(H)顯示了輸出端S1和S2的結(jié)果狀態(tài)。存儲器中的圖象的序數(shù)被示出，表明原來的圖象總是從當(dāng)今的圖象中減去的。
再看圖1，功率發(fā)射器(transducer)T以一個圓形的杯狀表示，在上面放有壓電元件，并由治療波束發(fā)射器10提供能量。發(fā)射頭最好采用法國專利No.8406877中描述的那種，而探測頭1盡管在圖中顯示的是分離的，但在實際當(dāng)中可以與杯狀的發(fā)射器結(jié)合，如同前邊提到專利一樣，將其放在杯中心并沿其軸線定向。
圖1還示出了目前描述的發(fā)明的實施例中未使用的部分，而且僅在將要描述的實施例中使用。
這些部件為一個可變比率頻分器9，一個與門11，一個存儲器12，一個顯示裝置13及一個開關(guān)14。
當(dāng)開關(guān)14在位置a時，頻分器9與鋸齒波發(fā)生器3連接，并當(dāng)探測頭的軸線穿過治療波束發(fā)射器(杯T構(gòu)成的一部分的球面的中心)的焦點時，提供一個同步信號。然后，頻分器的頻分比率被設(shè)定為例如在1到5之間。
因此，為每N次掃描，提供一個短的信號加于功率發(fā)射器10使其在大約1ms的時間內(nèi)不工作。
所述的短信號加于與門11并啟動1/1000S并將數(shù)字信號從變換器5傳遞給存儲器12。
存儲器12需要時間獲得代表掃描線的信息，其所需時間僅為0.2ms的級別(與獲得一個完整的圖象需要0.2S到0.02S相比)。
因此，在本實施例中，在治療波束脈沖時，治療波束將以1ms為間隔，并且每1/20S發(fā)生一次，結(jié)果與未加間隔的治療束相比，平均功率只有輕微的降低(例如2%)。
按此方式“在空中”每1到5次掃描得到的掃描線通過焦點，本發(fā)明利用A型超聲掃描，并且只要在單一方向收集信息就足夠了。通過將探測頭沿穿過目標(biāo)的特定方向固定也可達(dá)到等同的效果。
存儲在存儲器12中的回聲信號以50Hz的速率讀出，并在裝置13的屏幕中連續(xù)顯示出。
這種讀出頻率在視覺上是舒適的。
由操作者的眼睛在治療中對收集到的信息進(jìn)行等效的數(shù)字減法的速率必需使人眼能感覺到超聲掃描在幅度上的變化。
應(yīng)當(dāng)理解，利用B型超聲探頭獲得A型回聲圖的優(yōu)點是使用同一探頭在對目標(biāo)治療前進(jìn)行B型超聲掃描(這里，“目標(biāo)”一詞指與焦點大小完全一致的腫瘤的一部分，并且對腫瘤的徹底治療需要連續(xù)地將治療束聚集在構(gòu)成腫瘤的目標(biāo)區(qū)上)，以實現(xiàn)如同前邊提到的法國專利No.8406877中描述的那樣的目標(biāo)區(qū)的定位。在對目標(biāo)的治療期間甚至可以利用同一探頭進(jìn)行B型超聲掃描再次定位，利用在治療波束中插入一個足夠的時間間隔以獲得圖象(1/20S)。
下面參照圖3解釋超高速高溫治療裝置的其它特征。
該圖示出，對于一個小的熱源(該例中為一個小直徑的焦點)，實驗測定的由于超聲波束作用而使治療區(qū)的溫度T的增加對兩個不同的功率水平，是使用時間的函數(shù)(曲線Ⅰ和Ⅱ)。
可以看到，對兩條曲線來說，在大約相同的時間內(nèi)溫度的上升是線性的，只是對應(yīng)于不同的溫度，分別為T01和T02。在經(jīng)過相等的時間5×t0后，曲線達(dá)到頂點即斜率降至最低。頂點的溫度對第一條曲線大約為3×T01，對第二條曲線大約2.6×T02。
應(yīng)當(dāng)注意，t0與所加的功率是無關(guān)的，并與焦點的直徑成正比。在實驗中產(chǎn)生的圖3所示的曲線中，t0＝0.5S。
在本發(fā)明的最佳實施例中，其裝置被設(shè)計為在最多不超過t0的時間內(nèi)將惡性細(xì)胞完全破壞。
發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)上述作法可將對目標(biāo)周圍區(qū)域的損害降至最小。
此實驗結(jié)果可用這樣的事實解釋，在曲線的線性部分，與輸入的熱量相比，由于擴(kuò)散而產(chǎn)生的損失是可忽略的。此外，熱量損失與目標(biāo)及其周圍組織的溫度梯度成比例，并迅速增加直至等于輸入的熱量(在曲線頂部的溫度)。當(dāng)熱量的輸入結(jié)束后，目標(biāo)的溫度在這些實驗中在3到6×t0的級別的時間后即以指數(shù)下降到基本上不再有破壞作用的溫度值。這個時間(此例中為1.5～3S的級別)基本上限定了二個相繼的治療波的波列的最佳間隔，使得所有的波列都將擴(kuò)散損失降至最小。
在圖2中，波列周期略為少于0.5S，選定該值是因為它對應(yīng)于t0，相繼的波列只以0.05S間隔開，并加到腫瘤的不同目標(biāo)上，一個單獨的波列足以使對每個目標(biāo)在加前與加后的反射狀態(tài)進(jìn)行比較。
已知摧毀腫瘤細(xì)胞所需的時間t與它們所經(jīng)受的溫度T從后者的一個閥值Ti例如為43℃開始是成比例的。對于T＝58℃，t值為0.5S的級別，因此該裝置定為在目標(biāo)處產(chǎn)生的溫度為58℃。在43℃以上溫度每增加一度，所需時間T基本上折半，所以在溫度從50°增加到60℃之間分為例如1000等分。
為了使目標(biāo)溫度在0.5S內(nèi)比正常上升20℃，表示溫度上升率為40℃/S，應(yīng)用了下列參數(shù)首先，由目標(biāo)的深度確定焦距。本裝置提供了五種焦距值，即4～15Cm(用于摧毀較深層的腫瘤)，3～4Cm(用于中間深度的腫瘤及1～1.5Cm(如治療眼部)。
對于每種焦距，工作頻率的確定原則是使在焦點處的超聲能量最為集中。
經(jīng)驗證明，當(dāng)?shù)谝粋€條件滿足后，對于一個給定的發(fā)射功率，當(dāng)在焦點處的能量密度為最大時，損害周圍細(xì)胞的危險被降至最低。
關(guān)于這一點可能的解釋為，焦點處的能量集中度為Kg/Ka，其中Ka是衰減因數(shù)，其增加與頻率成正比(經(jīng)驗證明所述的衰減是以每厘米的距離及每MHz衰減1℃的等級)而Kg等于(D0/d0)2，其中D0及d0分別是發(fā)射面及焦點的直徑。
幾何集中度參數(shù)Kg代表在能量源及焦點處的強(qiáng)度比不涉及任何波束在距離上的衰減，因此，參數(shù)Ka須為最小以避免在經(jīng)過的組織中的能量損失，這部分只占組織吸收的能量的很小的百分比，并且只是這部分是變成熱量。
集中程度，在焦點處的剩余能量及在目標(biāo)處溫溫度增加的速率經(jīng)發(fā)明人的計算，為焦距，波束進(jìn)入組織的入口直徑，及針對波束的恒定的孔角與1W的發(fā)射功率的頻率〔三者〕的函數(shù)。
計算顯示剩余的能量與頻率成反比，但是最大的剩余能量并不反映最大的集中程度，因此，也不反映最快的溫度增加。
這可以用這樣的事實解釋，即頻率對Ka及溫度增加率的影響與對Kg的影響的方式相反。
例如，發(fā)射功率為1KW，各自的焦距分別為10到12Cm，而各自的組織入口直徑為10到12Cm，最佳頻率按此情況確定為1MHz，產(chǎn)生的溫度增加率分別為33.97℃/S及21.43℃/S。于是在理論上功率應(yīng)分別等于1.2及1.9KW，以取得溫度增率40℃/S，為保險起見，使用一個明顯高于這些值(例如10KW)的功率，使直到治療束的每個脈沖結(jié)束，才達(dá)到58℃的溫度。
對于焦距為3到5Cm而各自的入口直徑為3及5Cm，其它是相同的，各自的最佳頻率將為3MHz及1.5MHz，而各自的溫度增加率將為384.89℃/S和135.91℃/S。理論上所需的熱功率為大體上少于1KW。但為了保險起見，可使用2～5KW的功率。
對于焦距為1.5Cm，最佳頻率的6MHz，而溫度增加為1539.57℃，在實際當(dāng)中，需要的功率為幾百瓦的級別。
一般來說，在超高速高溫治療中使用的峰值功率，特別治療較深的腫瘤，在構(gòu)成裝置中需要特別的條件。具體地說，有必要利用壓電陶瓷材料，這樣材料具有承受高的峰值功率及迅速冷卻的能力。也可能需要強(qiáng)制制冷裝置。也可能需要使用額外的電源向電子發(fā)生器提供電源。
注意所限定的最佳功率值不要被極為顯著的超過，以避免損傷周圍的組織的危險。已經(jīng)指出，當(dāng)治療區(qū)內(nèi)所加的功率結(jié)束的時刻由于積聚在焦點區(qū)域內(nèi)的熱擴(kuò)散造成溫升保持足夠高以相對快的速度摧毀惡性細(xì)胞，治療區(qū)的直徑的增加與在焦點區(qū)域溫度增加的平方根成比例，反過來也與功率成比例。
最后還應(yīng)注意，在指出的功率上超聲波束在傳播過程中逐漸變化到顯著的程度，其結(jié)果是出現(xiàn)比原來波束更高的頻率成分。
這些高頻成分更能被組織強(qiáng)烈地吸收，因此產(chǎn)生更大的熱效應(yīng)。
頻率及功率的選擇能使波束通過組織外層時，所生損害很少而在焦點處產(chǎn)生熱效應(yīng)。
波束另外還產(chǎn)生一種機(jī)械效應(yīng)補(bǔ)充其熱效應(yīng)以增加治療效率。
權(quán)利要求
1.一種體外超高速超聲高溫治療裝置，能以0.5～10MHz之間頻率及具有10KW到幾百瓦之間功率發(fā)射聚焦的超聲波列射束，限定整個治療波束在焦點外的集中程度的參數(shù)及功率的確定原則為，不管組織的深度及性質(zhì)，治療時間的級別要能夠顯著催毀最好徹底催毀目標(biāo)并是在顯示溫度以時間為函數(shù)增加的曲線的線性部分期間進(jìn)行的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述裝置的發(fā)射面的直徑及發(fā)射頻率和焦點的直徑是根據(jù)目標(biāo)的深度及性質(zhì)確定的以使治療波束被最大程度地集中然后根據(jù)選定的頻率及直徑確定功率使得目標(biāo)在溫為58℃左右在0.5～3S的時間內(nèi)被催毀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中加到同一目標(biāo)的相繼的波列以1.5S～3S的時間等級間隔開。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，對于焦距為10Cm和12Cm及最佳頻率為1MHz，使用的功率在10KW的級別，對于焦距為3Cm和5Cm及最佳頻率分別為3MHz和1.5MHz，發(fā)射功率為2～5KW，對于焦距為1.5Cm而最佳頻率為6MHz，發(fā)射功率則為幾百瓦的級別。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，包括用于回聲探測檢查在治療中對目標(biāo)破壞情況的裝置，所述的裝置對目標(biāo)進(jìn)行B型回聲探測，并可至少對在一個治療波列的前后取得的兩個相繼的圖象進(jìn)行比較。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，包括可用于以數(shù)字信息的形式存儲相繼的圖象并對所存儲的圖象點對點相減形成圖象差的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，包括用將存儲的圖象疊加到圖象之差的圖象的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，包括利用一個B型回聲探測頭當(dāng)檢查波束經(jīng)過一個預(yù)定的方向并在治療波束極短的間隔內(nèi)捕捉回聲用于檢查在治療期間目標(biāo)的破壞程度的A型回聲探測裝置。
全文摘要
一種體外超高速超聲高溫治療裝置，能使聚焦的超聲波列發(fā)射具有0.5～10MHz的頻率及10KW到幾百瓦的峰值功率，限定治療波束在焦點外的集中程度的參數(shù)及功率的確定是，不管組織的性質(zhì)及深度，使治療時間的級別必需能顯著最好徹底摧毀目標(biāo)，并且是在顯示溫度作為時間的函數(shù)增加的曲線的線性部分進(jìn)行的。
文檔編號A61B17/00GK1058539SQ91105010
公開日1992年2月12日 申請日期1991年7月23日 優(yōu)先權(quán)日1990年7月23日
發(fā)明者多利·雅克 申請人:艾達(dá)普國際公司