專利名稱：超高功率體外超聲高溫治療裝置及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)1990年7月23日申請(qǐng)的法國(guó)專利90 09717(公布號(hào)No.2 664 819)《超高速體外高溫治療裝置》中說明的裝置的改進(jìn)。
為了誘發(fā)生物體靶子的局部發(fā)熱，上述專利的裝置使用一束以頻率、持續(xù)時(shí)間和功率均預(yù)定的波列形式發(fā)射的聚焦的彈性波，而其基本特征在于，決定波束在焦斑中的球形聚集的參數(shù)和功率是作為靶子深度的函數(shù)而確定的，因此，每個(gè)波列的持續(xù)時(shí)間至多等于在表示其溫度作為時(shí)間函數(shù)而升高的曲線的準(zhǔn)直線部分期間允許顯著地(最好是全部)破壞靶子的持續(xù)時(shí)間。
在上述專利說明的實(shí)施例中提到，使用的峰值電功率位于10KW和數(shù)百瓦之間，這取決于靶子的深度;靶子的破壞是在接近58℃在0.5至3秒的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的;當(dāng)破壞靶子需要幾個(gè)波列時(shí)，接續(xù)地加到同一靶子上的波列必須由1.5至3秒范圍的時(shí)間間隔隔開。
申請(qǐng)人隨后的工作使得有可能發(fā)現(xiàn)，對(duì)于處理相當(dāng)深的靶子，有利的條件是使用至少達(dá)約20KW的電功率、減少到百分之幾秒至十分之幾秒的波列，以及靶子溫度可以升高到100℃。其次有利的是，隔開接續(xù)地加到同一靶子上的波列的時(shí)間間隔為10倍于該波列持續(xù)時(shí)間的量級(jí)。
本工作還使得有可能精確地規(guī)定一種方法，用以確定作為靶子深度函數(shù)的裝置最佳操作條件的特征參數(shù)。
按照本發(fā)明，這樣一種方法的特征是下列接續(xù)操作1)以通過計(jì)算建立的數(shù)值表為基礎(chǔ)，從與超聲在生物體組織中的傳播有關(guān)的數(shù)據(jù)中選擇工作頻率，對(duì)于預(yù)定的峰值聲頻功率(例如等于1KW)，對(duì)于裝置(假定與皮膚接觸)的換能器焦距的不同數(shù)值，數(shù)值表提供波束在焦斑中的球形聚焦因子K＝Ka×Kg的數(shù)值，Ka是超聲在換能器發(fā)射表面和焦點(diǎn)之間的超聲傳播路徑上的衰減因子，而Kg是等于上述發(fā)射表面和焦斑的相應(yīng)直徑之比的幾何聚焦因子，上述選擇是通過采用對(duì)應(yīng)于最接近靶子深度的焦距值的表中數(shù)值和通過采用K因子最大的頻率來作出的。
2)對(duì)于焦斑直徑的給定值與給定特性和深度的靶子，通過實(shí)驗(yàn)采用表示靶子溫度升高的曲線，并通過選擇至多等于或最好顯著小于由該曲線的拐點(diǎn)限定的時(shí)間的超聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間，來確定最大的超聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間。
3)一方面從由上述預(yù)定功率的數(shù)值表給定的溫度升高速度，另一方面從由指示作為治療溫度函數(shù)的破壞活性細(xì)胞所需時(shí)間的醫(yī)學(xué)資料所提供的圖線，來確定最小的發(fā)射功率，上述確定是假定在溫度升高曲線的準(zhǔn)線性部分中工作并且加熱速度正比于功率而作出的。
本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將從下述說明中更清楚地顯示出來。
在附圖中

圖1a和1b舉例說明對(duì)于給定的換能器特性參數(shù)的指示作為頻頻F的函數(shù)的球形聚焦因子K和溫度升高速率dT/sec的數(shù)值表;
圖2示出了表示作為治療時(shí)間函數(shù)的生物體組織溫度升高的曲線;
圖3是舉例說明作為加熱溫度函數(shù)的生物體組織的破壞時(shí)間的圖線。
在對(duì)應(yīng)于焦距為10Cm的圖1a的表中，對(duì)具有給定直徑的球形杯形狀的換能器和同時(shí)給定的焦斑直徑，已經(jīng)確立了K值，從K值通過由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開始計(jì)算衰減因子Ka而知道Kg的值，按照衰減因子Ka，在除了骨頭或含空氣的組織以外的生物體組織內(nèi)，超聲的衰減大約為每cm每MHz 1dB，此處的Cm所指的距離為組織內(nèi)的傳播路徑。
對(duì)于給定焦斑的體積，通過假定組織內(nèi)由于吸收而引起的能量損失相應(yīng)為發(fā)射功率的1%，其他損失(發(fā)射功率的9%)是由細(xì)胞表面上的多重反射引起的，從而計(jì)算出了加熱速率。這樣，人們已經(jīng)能夠計(jì)算被吸收而轉(zhuǎn)化為熱量的能量和用于加熱組織的能量。
實(shí)際上，資料中指示的由于吸收引起的損失通常為發(fā)射功率的2-3%。因此這樣計(jì)算的加熱速度可能低于人們實(shí)際獲得的加熱速度，為了保險(xiǎn)起見，我們選取了1%的數(shù)值。
對(duì)于不同數(shù)值的焦距，例如1.5Cm(圖1b)，計(jì)算了相似的表。
這些表使得裝置制造廠家能夠?qū)o定的功率數(shù)值確定最佳的工作頻率，也就是對(duì)應(yīng)于焦斑水平的最大球形能量聚集(從而對(duì)應(yīng)于向靶子外的盡可能小的熱擴(kuò)散)并對(duì)應(yīng)于最快速加熱的工作頻率。圖1a中的表表明，對(duì)于10cm的焦距，最佳頻率為1MHz，而圖1b中的表表明，對(duì)于1.5cm的焦距，最佳頻率為6MHz。
應(yīng)當(dāng)注意到，上述選擇最佳工作頻率的方法是以這樣一種假定為基礎(chǔ)的，即在上述計(jì)算中沒有考慮的由血液循環(huán)產(chǎn)生的熱擴(kuò)散和冷卻的參數(shù)小到可以忽略。
事實(shí)上，這些現(xiàn)象當(dāng)熱源很小時(shí)可能具有非常重要的影響，具有上述直徑的焦斑就屬于熱源很小的情況。
但是，只要如圖2所示的由實(shí)驗(yàn)確定的表示靶子溫度升高的曲線保持線性或準(zhǔn)線性，這就意味著被靶子吸收的幾乎全部能量都被用于加熱靶子，因此，上述損失相對(duì)于提供的熱量來說小到可以忽略，使得表中指示的加熱速率的數(shù)值是有效的。
在圖2中，兩條曲線Ⅰ和Ⅱ?qū)?yīng)于不同的發(fā)射功率?？梢钥闯?，對(duì)應(yīng)于拐點(diǎn)的超聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間的值t0仍然相同，但對(duì)應(yīng)于不同溫度，分別為T01和T02。
兩條曲線在等于約5t0的相同時(shí)間后，達(dá)到一個(gè)平頂;平頂對(duì)曲線Ⅰ對(duì)應(yīng)于約3T01的溫度，對(duì)曲線Ⅱ?qū)?yīng)于約2.6T02。
申請(qǐng)人對(duì)不同數(shù)值的工作頻率已經(jīng)建立了這樣的曲線，而焦斑的直徑對(duì)應(yīng)于由數(shù)值表確定的最佳值，它是靶子深度的函數(shù)。這樣就知道了t0的相應(yīng)值。
通過限定自己使用低于t0的超聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間，生產(chǎn)廠家將肯定使圍繞靶子的組織由于熱擴(kuò)散而受到的損傷限制到最小程度。
這還導(dǎo)致為了破壞靶子所必需的熱能的供給將顯著地減少(雖然外加的瞬時(shí)功率要大于使用更長(zhǎng)的超聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間的情況，這將在下面解釋)。
從圖3的圖線出發(fā)，對(duì)于給定值的超聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間，有可能確定破壞細(xì)胞所需的功率，現(xiàn)在將參考一個(gè)例子來說明這一點(diǎn)。
作為例子，為了制造一種預(yù)定用于處理深度為7至10cm(從皮膚算起的距離)的靶子，對(duì)最大深度確定了最佳頻率，因此，參考了適合應(yīng)用的圖1中的表，具有一種球形杯狀換能器的1KW發(fā)射聲波功率，換能器具有10cm的焦距、60°的孔徑角和進(jìn)入病人身體的10cm直徑?？梢砸姷?，對(duì)于1MHz的頻率F球形聚集因子K是最大的，加熱速率為33.97℃/sec。
在這一頻率，對(duì)于所考慮的60°孔徑角，焦斑的直徑大約為1.5mm。那么，圖2的對(duì)應(yīng)于這一直徑和這一頻率的那種類型的曲線表明，對(duì)應(yīng)于拐點(diǎn)的時(shí)間t0(準(zhǔn)線性溫度升高)等于約0.5秒。當(dāng)相應(yīng)的溫度在更加短得多的時(shí)間內(nèi)達(dá)到時(shí)(為保險(xiǎn)起見，這一時(shí)間定為t0的半值，即0.25秒)，組織將只在0.5秒內(nèi)受到破壞。
參考圖3的圖線，可以看到，對(duì)于70℃的溫度，生物體組織在0.25秒內(nèi)受到破壞，這對(duì)應(yīng)于在0.25秒內(nèi)溫度升高約35℃，即加熱速率為140℃/sec。因?yàn)閳D1的表表示對(duì)于1KW的聲波發(fā)射功率來說加熱速率為約34℃/sec，人們將選擇約4KW的聲波功率，可以觀察到，在表示靶子溫度升高的曲線的準(zhǔn)線性范圍內(nèi)，加熱速率大體上正比于功率。
換能器的額定功率是已知的，考慮到發(fā)射損失，避免熱擴(kuò)散所需的最小電功率將能近似地確定，例如為大約20KW。
使用更高的功率以使破壞靶子的超聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間更短，可能是有利的。功率越高，在傳播期間F頻率會(huì)產(chǎn)生越加豐富的諧波。經(jīng)驗(yàn)表明，這在減少皮膚燒傷的風(fēng)險(xiǎn)方面是有效的。
為了避免組成治療換能器的基本的壓電換能器上的功率密度太大，杯狀換能器制造成具有例如300mm的直徑，并且對(duì)于60°的孔徑角來說，具有300mm的焦距。
焦距的這種選擇是孔徑角和入射表面之間的一種折衷，孔徑角需要盡可能大，以便將能量集中在焦點(diǎn)上，而入射表面要盡可能小，以避免治療波束在其傳播路徑上遇到障礙物(骨頭，空氣囊)。
在實(shí)踐中，如果不能調(diào)節(jié)裝置的焦距，治療頭將相對(duì)于皮膚作為靶子深度的函數(shù)位移一個(gè)可變的距離，使得它的焦點(diǎn)與靶子相符合。
這樣一種結(jié)果也可以用一個(gè)固定頭來達(dá)到，其聚焦可以通過電子裝置、透鏡或任何其他方法來調(diào)節(jié)。
因?yàn)槌曉谒械乃p可以忽略不計(jì)，上述數(shù)值表是有效的。
裝置可以這樣安排，使得它發(fā)射的波列的持續(xù)時(shí)間可以在例如0.01至1sec之間調(diào)節(jié)，這使得醫(yī)生可以對(duì)每個(gè)靶子選擇最佳的治療持續(xù)時(shí)間，上述持續(xù)時(shí)間例如取自一個(gè)圖表，該圖表提供作為靶子深度的函數(shù)的上述持續(xù)時(shí)間。
上述例子中敘述的裝置事實(shí)上可以不存在熱擴(kuò)散地破壞位置離皮膚小于10Cm的所有靶子。
但是，對(duì)于非常近的靶子最好制造一種不同的裝置。這種裝置例如采用6MHz的工作頻率(圖1b)和約1KW的功率。
權(quán)利要求
1.一種體外高溫治療裝置，為了誘發(fā)生物體靶子的局部發(fā)熱，這種裝置使用一個(gè)以頻率、持續(xù)時(shí)間和功率均預(yù)定的波列形式發(fā)射的聚焦的彈性波束，其特征在于，決定波束在焦斑中的球形聚集的參數(shù)和功率，是通過下列接續(xù)操作作為靶子深度的函數(shù)而確定的-以通過計(jì)算建立的數(shù)值表為基礎(chǔ)，從與超聲在生物體組織中的傳播有關(guān)的數(shù)據(jù)中選擇操作頻率，對(duì)于預(yù)定的峰值聲頻功率(例如等于1KW)，對(duì)于裝置(假定與皮膚接觸)的換能器焦距的不同數(shù)值，數(shù)值表給出波束在焦斑中的球形聚集因子K=Ka×Kg的數(shù)值，Ka是超聲在換能器發(fā)射表面和焦點(diǎn)之間的超聲傳播路徑上的衰減因子，而Kg是等于上述發(fā)射表面和焦斑的相應(yīng)直徑之比的幾何聚集因子，上述選擇是通過采用對(duì)應(yīng)于最接近靶子深度的焦距值的表中數(shù)值和通過采用K因子最大的頻率來作出的；-對(duì)于焦斑直徑的給定值與給定特性和深度的靶子，通過實(shí)驗(yàn)采用表示靶子溫度升高的曲線，并通過選擇至多等于或最好顯著小于由該曲線的拐點(diǎn)限定的時(shí)間的超聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間，來確定最大的超聲持續(xù)時(shí)間；-一方面從由上述預(yù)定功率的數(shù)值表給定的溫度升高速率，另一方面從由指示作為治療溫度函數(shù)的破壞活性細(xì)胞所需時(shí)間的醫(yī)學(xué)資料所提供的圖線，來確定最小的發(fā)射功率，上述確定是假定在溫度升高曲線的準(zhǔn)線性部分中工作并且加熱速率正比于功率而作出的。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該裝置在大約1MHz的頻率使用大約20KW的峰值電功率。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，波列的持續(xù)時(shí)間是可以在0.01至1秒之間調(diào)節(jié)的。
4.如權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于，聚焦的聲波是由一個(gè)球形杯發(fā)射的，該球形杯具有300mm的直徑、300mm的焦距、直徑為1.5mm的焦斑和60°的孔徑角。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，超聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間選定為一個(gè)值，此值大體上為由上述拐點(diǎn)確定的持續(xù)時(shí)間的一半。
6.如權(quán)利要求1或5所述的裝置，其特征在于，在同一靶子上施加的接續(xù)波列的時(shí)間間隔10倍于每個(gè)波列的持續(xù)時(shí)間。
全文摘要
一種體外高溫治療裝置，為了誘發(fā)生物體靶子的局部發(fā)熱，這種裝置使用一束由持續(xù)時(shí)間非常短的波列發(fā)射的聚焦的超高功率彈性波。這個(gè)持續(xù)時(shí)間至多等于在表示作為時(shí)間函數(shù)的溫度升高曲線的準(zhǔn)直線部分范圍內(nèi)能夠破壞靶子的持續(xù)時(shí)間。
文檔編號(hào)A61N7/02GK1076128SQ93100168
公開日1993年9月15日 申請(qǐng)日期1993年1月6日 優(yōu)先權(quán)日1992年1月7日
發(fā)明者多瑞·杰克斯 申請(qǐng)人:艾達(dá)普國(guó)際公司