利用超聲波定位治療點(diǎn)的體外震波碎石儀及其定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于醫(yī)療超聲檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種利用超聲波定位治療點(diǎn)的體外震波 碎石儀及其定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 體外震波碎石儀為粉碎體內(nèi)結(jié)石的醫(yī)療設(shè)備，該設(shè)備在體外產(chǎn)生沖擊波，并傳播 進(jìn)行人體內(nèi)部。沖擊波在傳播過(guò)程中，能量將不斷匯聚并最終聚集在直徑為lcm左右的焦 斑中，形成正峰值聲壓大于50MPa、負(fù)峰值聲壓大于2MPa的沖擊波。當(dāng)遇到位于焦斑中的結(jié) 石時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的作用力。在沖擊波的反復(fù)作用下，結(jié)石會(huì)最終粉碎，并被排出體外。
[0003] 為了保證體外震波碎石儀臨床使用的有效性和安全性，必須使結(jié)石能處于體外震 波碎石儀的焦斑中，方能保障沖擊波能有效地作用在結(jié)石上，因此，對(duì)體外震波碎石儀的治 療點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)和定位十分重要。目前，體外震波碎石儀的定位是通過(guò)B超和X光機(jī)實(shí)現(xiàn)的， 將B超設(shè)備和體外震波碎石儀組合在一起，通過(guò)B超圖像來(lái)判斷結(jié)石是否處于體外震波碎 石儀的焦斑中，在臨床治療時(shí)，再通過(guò)觀察X光片來(lái)判斷治療的效果。由于B超機(jī)和體外震 波碎石儀為二套分離的設(shè)備，因此，安裝B超機(jī)使其能準(zhǔn)確判定體外震波碎石儀的治療點(diǎn) 十分困難，特別是實(shí)際使用時(shí)，由于結(jié)石的位置不同，病人將采取不同的體位來(lái)進(jìn)行治療， 醫(yī)生必須對(duì)B超探頭的位置進(jìn)行調(diào)整，從而會(huì)導(dǎo)致設(shè)備定位準(zhǔn)確性的下降，影響臨床使用 的有效性和安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用超聲波定位治療點(diǎn)的體外震 波碎石儀及其定位方法，通過(guò)使用四個(gè)超聲接收換能器同時(shí)測(cè)量來(lái)自結(jié)石的沖擊波回波信 號(hào)，并使用信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理和分析，通過(guò)測(cè)量回波信號(hào)到達(dá)四個(gè)換能器 的傳播時(shí)間，計(jì)算出結(jié)石所在位置，以及與體外震波碎石儀焦域的吻合長(zhǎng)度，為調(diào)整體外震 波碎石儀的位置提供依據(jù)。
[0005] 本發(fā)明裝置包括震波發(fā)生源、電纜引線、超聲波換能器、換能器電纜線、水密膠囊、 水介質(zhì)和治療頭；所述治療頭的外殼上位于震波發(fā)生源一側(cè)加工有錐形安裝臺(tái)面，安裝臺(tái) 面等距加工四個(gè)安裝孔各自固定一個(gè)超聲波換能器，四個(gè)超聲波換能器的聲軸均經(jīng)過(guò)治療 頭的焦點(diǎn)；四個(gè)超聲波換能器均接有換能器電纜線，四根換能器電纜線均伸出治療頭的外 殼外；所述電纜引線的一端與震波發(fā)生源連接，另一端伸出治療頭的外殼外；所述的水密 膠囊套置在外殼上，且水密膠囊與外殼之間充有水介質(zhì)。
[0006] 所述的外殼采用不銹鋼材料。
[0007] 所述超聲波換能器的有源材料采用直徑為12mm、厚度為0· 2mm的壓電陶瓷圓片， 能接收100~10MHz頻段的超聲波信號(hào)并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓波形輸出；所述超聲波換能器 的外殼為圓柱型，超聲波換能器的聲軸與治療頭外殼上的錐形安裝臺(tái)面垂直設(shè)置。
[0008] 所述的換能器電纜線為雙芯屏蔽水密電纜，二根芯線分別連接超聲波換能器的有 源材料正、負(fù)電極，屏蔽線與超聲波換能器的外殼連接；電纜線一端與超聲波換能器連接， 另一端伸出治療頭的外殼外。
[0009] 本發(fā)明進(jìn)行結(jié)石定位的方法，具體步驟如下：
[0010] 步驟一、四根換能器電纜線伸出外殼外的一端均與信號(hào)采集儀連接，電纜引線伸 出外殼外的一端與驅(qū)動(dòng)功率源連接；驅(qū)動(dòng)功率源發(fā)出驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)作為信號(hào)采集儀的觸發(fā) 信號(hào)；信號(hào)采集儀的輸出信號(hào)傳給信號(hào)分析儀的輸入端。
[0011] 步驟二、粗調(diào)體外震波碎石儀的位置，使得結(jié)石靠近體外震波碎石儀的焦域；開(kāi)啟 信號(hào)采集儀和信號(hào)分析儀；通過(guò)驅(qū)動(dòng)功率源設(shè)置體外震波碎石儀發(fā)射沖擊波的強(qiáng)度和工作 頻率。
[0012] 步驟三、細(xì)調(diào)體外震波碎石儀的角度和位置來(lái)定位結(jié)石。以震波發(fā)生源中心位置 作為直角坐標(biāo)系xyz的原點(diǎn)，四個(gè)超聲波換能器在直角坐標(biāo)系中位置分別為Pi(a，0,0)， P2 (0, a，0)，P3 (_a，0,0)，P4(0, -a，0)，震波發(fā)生源的沖擊波沿z軸傳播，并在焦點(diǎn)h (0,0, z。） 處聚焦；其中，a、z。均不等于0。
[0013] (1)如果結(jié)石位于沖擊波的焦點(diǎn)上，當(dāng)沖擊波從震波發(fā)生源發(fā)出，經(jīng)結(jié)石反射后被 四個(gè)超聲波換能器接收所產(chǎn)生的時(shí)間延遲相同，用t。表示：
[0015] 其中，c為沖擊波在水介質(zhì)中的傳播速度。
[0016] (2)如果結(jié)石偏離焦點(diǎn)但仍位于焦平面的S(Xl，yi，z。）點(diǎn)上，此時(shí)：
[0017] xx= r cos θ
[0018] y!= r sin θ
[0019] 其中，r為S點(diǎn)到ζ軸的距離，θ為S點(diǎn)和χ軸之間的夾角。
[0020] 沖擊波從震波發(fā)生源發(fā)出后作用到結(jié)石的時(shí)間為：
[0022] 而散射回波到達(dá)四個(gè)超聲波換能器的時(shí)間分別為：
[0027] 四個(gè)超聲波換能器接收到散射回波的總延遲時(shí)間分別為：
[0028] Tj= t'〇+t1；
[0029] T2= t' 0+t2
[0030] T3= t' 0+t3
[0031] T4= t'〇+t4
[0032] (3)由于t'。是相同的，當(dāng)S點(diǎn)位于第一象限中，即0〈θ〈90°時(shí)：T'TWTy 當(dāng)S點(diǎn)位于第二象限中，即90° <θ〈180°時(shí)：T4;當(dāng)S點(diǎn)位于第三象限中， 即 180° <θ〈270。時(shí) 當(dāng)S點(diǎn)位于第四象限中，SP270。<θ〈360。時(shí)：1\ <Τ3;Τ2〉Τ4。
[0033] 因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)四個(gè)超聲波換能器接收到散射回波的總延遲時(shí)間來(lái)判斷結(jié)石所處 的位置，進(jìn)而調(diào)整體外震波碎石儀的角度和位置。
[0034] 所述步驟二中，體外震波碎石儀發(fā)射的沖擊波初始時(shí)選擇低功率的脈沖方式和低 工作頻率。
[0035] 所述的信號(hào)采集儀對(duì)超聲波換能器的輸出信號(hào)進(jìn)行采集、記錄所輸出的超聲波信 號(hào)波形；信號(hào)采集儀的采樣頻率為20MHz，垂直量化精度為16bit;信號(hào)采集儀具有四個(gè)以 上的輸入通道，能對(duì)四個(gè)超聲波換能器的輸入信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采集；信號(hào)采集儀具有外接信 號(hào)觸發(fā)輸入通道，在外部信號(hào)觸發(fā)下進(jìn)行波形的同步采集和記錄工作。
[0036] 所述的信號(hào)分析儀對(duì)信號(hào)采集儀所記錄的多通道脈沖回波信號(hào)進(jìn)行分析，測(cè)量出 四個(gè)超聲波換能器所接收到回波信號(hào)的傳播時(shí)間。
[0037] 本發(fā)明的有益效果是：
[0038] (1)使用體外震波碎石儀在結(jié)石上所產(chǎn)生的回波為探測(cè)信號(hào)，能實(shí)時(shí)反映沖擊波 對(duì)結(jié)石的作用狀況，并準(zhǔn)確確定結(jié)石所在的位置。
[0039] (2)體外震波碎石儀波源和超聲波探測(cè)換能器同軸安裝，保證了沖擊波和回波在 相同的路徑上傳播，提高了超聲波探測(cè)的準(zhǔn)確性。
[0040] (3)通過(guò)同步采集換能器的回波信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算出結(jié)石所在的位置以及與體外震 波碎石儀焦域的吻合情況，保證了臨床治療的有效性和安全性。
[0041] (4)本發(fā)明克服了使用B超設(shè)備進(jìn)行結(jié)石定位所固有的缺點(diǎn)，以體外震波碎石儀 所產(chǎn)生的沖擊波在結(jié)石上的回波為探測(cè)信號(hào)，并將接收超聲換能器與體外震波碎石儀的波 源同軸安裝，通過(guò)對(duì)該回波信號(hào)進(jìn)行接收、并使用信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理和分 析，確定出結(jié)石所在的位置以及與體外震波碎石儀治療點(diǎn)的偏離情況，從而為調(diào)整體外震 波碎石儀位置提供依據(jù)，保證該類設(shè)備在臨床使用中獲得更加可靠和有效的治療效果。
【附圖說(shuō)明】
[0042] 圖1為本發(fā)明裝置的裝配示意圖；
[0043] 圖2為本發(fā)明與外部?jī)x表設(shè)備構(gòu)成回波定位系統(tǒng)的連接示意圖；
[0044] 圖3為本發(fā)明中超聲波換能器接收到的結(jié)石反射的沖擊波回波信號(hào)示意圖；
[0045] 圖4為本發(fā)明利用沖擊波回波定位的工作原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0047] 如圖1所示，利用超聲波定位治療點(diǎn)的體外震波碎石儀，包括震波發(fā)生源1、電纜 引線2、超聲波換能器4、換能器電纜線5、水密膠囊6、水介質(zhì)8和治療頭9 ;治療頭9的外 殼3上位于震波發(fā)生源1 一側(cè)加工有錐形安裝臺(tái)面，安裝臺(tái)面等距加工四個(gè)安裝孔各自固 定一個(gè)超聲波換能器4,保證四個(gè)超聲波換能器的聲軸均經(jīng)過(guò)治療頭9的焦點(diǎn)7 ;四個(gè)超聲 波換能器4均接有換能器電纜線5,四根換能器電纜線5均伸出治療頭9的外殼3外；電纜 引線2的一端與震波發(fā)生源1連接，另一端伸出治療頭9的外殼3外；水密膠囊6套置在外 殼3上，且水密膠囊6與外殼3之間充有水介質(zhì)8 (除氣水），使人體組織與水密膠囊6充分 接觸，保證沖擊波能有效傳播到人體內(nèi)部。
[0048] 該利用超聲波定位治療點(diǎn)的體外震波碎石儀，工作原理如下：
[0049] 1.如圖2所示，體外震波碎石儀與外部?jī)x表設(shè)備構(gòu)成回波定位系統(tǒng)。四根換能器 電纜線5伸出外殼3外的一端均與信號(hào)采集儀13連接，電纜引線2伸出外殼3外的一端與 驅(qū)動(dòng)功率源10連接；驅(qū)動(dòng)功率源10與信號(hào)采集儀13通過(guò)觸發(fā)電纜線11連接，驅(qū)動(dòng)功率 源10發(fā)出驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)作為信號(hào)采集儀的觸發(fā)信號(hào)；信號(hào)采集儀的輸出信號(hào)傳給信號(hào)分 析儀12的輸入端。
[0050] 2、初始化調(diào)試。調(diào)節(jié)體外震波碎石儀的位置，以使結(jié)石能處于體外震波碎石儀的 焦域附近；開(kāi)啟信號(hào)采集儀和信號(hào)分析儀，并使它們處于正常的工作狀態(tài)。通過(guò)驅(qū)動(dòng)功率源 10設(shè)置體外震波碎石儀發(fā)射沖擊波強(qiáng)度的大小和工作頻率，初始工作時(shí)，為了保證治療的 安全性，選擇低功率的脈沖方式和低工作頻率。
[0051] 3、調(diào)節(jié)體外震波碎石儀的角度和位置定位結(jié)石。通過(guò)信號(hào)采集儀同時(shí)獲得四個(gè)超 聲波換能器所接收到的結(jié)石回波信號(hào)，并通過(guò)信號(hào)分析儀測(cè)量各超聲波換能器接收到的回 波信號(hào)的時(shí)間延遲量。沖擊波具有陡峭的脈沖前沿，由結(jié)石反射的回波信號(hào)的典型波形如 圖3所示。以驅(qū)動(dòng)功率源10的驅(qū)動(dòng)電