ФОРМИРОВАТЕЛЬ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН ЛИТОТРИПТОРА Российский патент 1998 года по МПК A61B17/225 

Устройство относится к электронно-медицинской технике и может быть использовано в медицине для дистанционного дробления камней организма, термоточечной обработки внутренних органов, а также для обработки сверхтвердых материалов в технике.

Известны литотрипторы, выпускаемые, например, французской фирмой "ЭДАП-01", содержат 800 пьезокерамических пластин, излучающих в фокусе сферического рефлектора плоские акустические волны через жидкую среду гидроударный импульс с быстродействием t = 300 нс. При наличии рефлектора диаметром около 1 м размеры фокусной перетяжки (перекрытия сходящейся и расходящейся волны) невелики, что дает возможность избежать болевого синдрома в момент сеанса и отказаться от применения анестетиков. Кроме того, малые размеры фокусного "зерна" позволяют применять тот тип литотриптора для термического точечного воздействия на новообразования организма.

Однако для более точного и эффективного точечного воздействия на доброкачественные и злокачественные опухоли организма необходимо воздействовать на них более высокими частотами, т.е. высокобыстродействующими гидроударными импульсами, что позволит уменьшить размеры фокусного "зерна", т.е. получить возможность при медленном сканировании по, например, опухоли эффективнее разрушать ее, не затрагивая орган. Кроме того, при наличии большого количества пьезоэлементов с возможной регулировкой времени срабатывания каждой или нескольких групп - получить разные формы акустических "зерен" в фокусе, т.е. воздействовать на камень как острой формы "зерном", так и затупленной в любой последовательности заданной программой, а это увеличивает эффективность дробления (ввиду уменьшения размеров фронта гидроударной волны).

Прототипом изобретения может служить ультразвуковое устройство для дробления камней ударной волной (FP, заявка N 0391378, A 61 B 17/22, 1990), в котором имеется рефлектор с укрепленными по его излучающему периметру пьезоэлементами, погруженными в жидкость, подключенными через элемент обработки сигнала к управляющему электронному блоку, включающему ЭВМ и акустический датчик. Концентраторы пьезоэлементов и акустический датчик направлены в фокус рефлектора.

Основными недостатками является ограниченное быстродействие известного устройства и невозможность управлять формой акустического зерна в фокусе, что, в свою очередь, ухудшает процесс дробления камней организма и термообработки опухолей или новообразований органов.

Цель изобретения - создание устройства без перечисленных недостатков, а именно улучшение процесса дробления камней организма и термообработки органов гидроударными волнами.

Указанная цель достигается тем, что в формирователе акустических волн литотриптора, содержащем рефлектор, по излучающему периметру которого расположены пьезоэлементы, погруженные в жидкость и подключенные к управляющему электронному блоку задатчика импульсов, включающему ЭВМ и соединенный с ним акустический датчик, при этом концентраторы пьезоэлементов и акустический датчик направлены в фокус рефлектора, каждый пьезоэлемент выполнен пьезокерамическим, в виде плоской металлизированной пьезокерамической пластины с вытравленными в металлическом покрытии проводниками возбудителя и концентратора с глубиной и топологией вытравленного рисунка, соответствующей излучающей частоте не ниже 4 МГц, кроме того, он снабжен регулируемой дискретной линией задержки с дешифратором, подключенным к ЭВМ с возможностью изменить время задержки питающего импульса каждого пьезоэлемента.

Кроме того, в формирователе форма рисунка, вытравленного в металлизации пьезоэлемента поверхностных акустических волн, выполнена в виде параллельных линий встречностержневых или встречно-радиальных, образованных вытравленными в металлизации самими же проводниками возбудителя и имеет форму параллельных полос, направленных их излучающей кромкой в фокус рефлектора. Частота цикла ЭВМ срабатывающих одновременно всех или групп пьезокерамических элементов должна быть умножена на максимальное количество логических элементов, на которых получают единичную величину задержки одиночного (т.е. время срабатывания одного элемента, например, повторителя единицы "1" - К155ЛН1), с учетом частоты пьезокерамики поверхностных акустических волн (ПАВ) - f = 4 МГц.

Пьезоэлементы могут быть также через регулируемые дискретные линии задержки связаны с импульсным генератором.

На фиг. 1,а изображена блок-схема формирователя акустических волн литотриптора;
на фиг. 1,б,в,г изображены варианты выполнения отдельного пьезокерамического излучателя;
на фиг. 2,а, б - электронная схема регулируемой линии задержки.

Формирователь (фиг. 1,а) содержит пьезокерамический излучатель (пьезоэлемент) 1 поверхностных акустических волн (ПАВ). Излучатель 1 (фиг. 1,б) имеет волновод 3 и, например, параболический концентратор 2, направленный в фокус F, также возможна встречно-радиальная конструкция (фиг. 1,г). Возбудители 4 и 5, так же как и концентратор 3, вытравлены в металлическом покрытии излучателя 1. Кроме того, излучатель 1 (фиг. 1,в, г) может иметь проводники возбудителя 4 и 5, являющиеся также и источники излучения (без концентрации гидроударной волны поверхности излучателя 1). Позиция 6 (фиг. 1) корпус рефлектора.

Каждый пьезоэлемент 1 подключен через управляемую линию задержки 7 и согласующий блок-дешифратор 8 к ЭВМ 10, посредством датчика акустических волн 9, направленного в фокус F. Между пьезокерамическими элементами 1 предусмотрен тефлоновый сепаратор 11. Позиция 12 - резиновая мембрана, закрывающая жидкостную среду рефлектора 6. Один из вариантов электронной схемы регулируемой линии задержки показан на фиг. 2,а, где 13 - микросхема (например) инвертора, каждый дискретный элемент которой имеет, например, собственное время задержки 5 нс. Последний элемент нагружен пьезокерамическим элементом ПАВ-1. Дискретные элементы включены последовательно. На вход каждого подключен выход демультиплексора 14, например 155ИД3. Вход демультиплексора 14 управляется от многорежимного буферного регистра 15 (например, К589ИР 12, согласующего блока МБР-15), управляемого от выходного порта ЭВМ 10. Информация при этом получается от акустического датчика 9 или звуковизорного устройства (УЗИ). Кроме того, пьезокерамический излучатель 1 ПАВ может запитываться посредством согласующего усилителя 16 импульсного трансформатора 17 (фиг. 2,б).

В простейшем варианте, фиг. 3, излучатели 1 ПАВ запитаны от импульсного генератора 18 через согласующие усилители 19 и импульсные трансформаторы 17. Причем излучатели 1 выполнены по схеме, фиг. 1,в, что позволяет получить самый дешевый вариант устройства с быстродействием, превышающий известные устройства в несколько раз, соответственно, с уменьшением "зерна" фокусного пятна.

Работает формирователь следующим образом.

После включения питания электроимпульсы начинают подаваться одновременно на все пьезокерамические элементы 1 поверхностных акустических волн (ПАВ). Излучение гидроударного импульса производится тонким торцевым слоем металлизированного покрытия с определенной вытравленной формой концентратора 3, волновода 2 или без волновода и возбудителя 4 и 5. Возбудитель представляет собой вытравленные в металлизации пьезоэлемента 1 две встречно-стержневых формы (иногда более) проводника, запитанных импульсом A на выводах. В момент подачи импульса A на проводники 4 и 5 поверхность пьезокристалла деформируется, создавая поверхностную акустическую волну (ПАВ). Диапазон частот этих волн гиперзвуковой.

Пьезокерамические элементы (излучатели) 1 ПАВ укреплены по периметру рефлектора 6 - с сепаратором (тефлоновой пленкой) 11 между ними. Количество излучателей выбирают максимальным, исходя из соизмерений рефлектора 6, излучателя 1 и сепаратора 11. В простейшем случае пьезокерамический излучатель изготовлен по схеме фиг. 1,в. В этом излучателе вытравленные в металлизации проводники 4 и 5 являются одновременно и излучающими элементами, формирующими гидроударную волну. Рефлектор 6 наполнен веретенным маслом (возможно применение и другого сорта масла с низкой вязкостью). Датчик 9 акустических импульсов укреплен в центре рефлектора и подключен на входные порты ЭВМ 10. В ЭВМ 10 импульс, поступающий из фокуса F, анализируется по амплитуде и длительности. После анализа импульса, поступающего от фокуса F, начинается подготовка срабатывания одновременно всех пьезокерамических элементов 1. Сформированный импульсный сигнал с соответствующими импульсными сигналами синхронизации поступает с выходных портов ЭВМ 10 (имеется в виду персональных ЭВМ большого быстродействия типа РС-486) на согласующие дешифраторные блоки 8 (многоканальные импульсные усилители с многоступенчатыми дешифраторами из логических серий). Импульсный сигнал с выхода каждого многоступенчатого дешифратора 8 поступает на каждую регулируемую линию задержки 7. Выходом линии задержки 7 является нагрузка - пьезокерамический излучатель 1 ПАВ (по исполнению фиг. 1,а, 1,б или 1,г). С выходов дешифраторов 8 (фиг. 2) импульсы поступают на вход многорежимного буферного регистра 15 (МВР, например, типа К 589 ИР 12). С выхода этого регистра сигнал поступает на дешифратор 14 (например, демультиплексора типа К 155 ИДЗ), а дальше на входы инвертора 13 (например, К 155ЛН1). Для получения задержки на требуемое время включается соответствующий вывод демультиплексора, который подключает в цепи задержки любой из входов инвертора. Импульс задерживается на величину задержки одного дискретного элемента 13. Например, максимальная задержка импульса, бегущего к излучателю 1, будет при подаче импульса на вход В элемента 13. Максимальное время задержки на один излучатель 1 будет складываться из времени задержки каждого инвертора 13 (их в одном корпусе может быть 8, 16, 32 шт. и т.д.) и максимальных задержек дискретных элементов, включенных между ЭВМ 10 и излучателем 1.

Для получения различной формы "зерна" акустического гидроудара (остроконечной, затупленной или их чередования) в момент процесса дробления камней или обработки биоткани адресным (программным) способом задается форма гидроудара. В упрощенном варианте обработки биообъекта гидроударной волной все пьезокерамические излучатели 1 ПАВ срабатывают одновременно, а это позволяет повысить частоту (уменьшить постоянную) времени импульса до 5 МГц и выше. Подача импульсов может происходить с частотами обработки до 10000 Гц (срабатывание всех пьезоэлементов на один фокус).

Кроме того, предусмотрено питание пьезокерамических излучателей 1 ПАВ посредством импульсных трансформаторов 17. При помощи трансформаторов укорачивается длительность импульсов, что улучшает согласование при сохранении импульсной мощности. В настоящее время монтируется устройство с пьезокерамикой ПАВ варианту 1,в.

Формирователь акустических волн литотриптора предназначен для дистанционного дробления камней в организме, может быть использован в медицинских литотрипторах. По излучающему периметру рефлектора установлены погруженные в жидкость и подключенные к управляющему электронному блоку задатчика импульсов пьезоэлементы. Акустический датчик блока задатчика импульсов и концентраторы пьезоэлементов направлены в фокус рефлектора. Каждый пьезоэлемент выполнен в виде плоской металлизированной пьезокерамической пластины. В ее металлическом покрытии вытравливают проводники возбуждения и концентратора. Глубина и топология вытравленного рисунка соответствует излучающей частоте не ниже 4• 10⁶ Гц. Регулируемая дискретная линия задержки с дешифратором, подключенным к ЭВМ, изменяет время задержки питающего импульса каждого пьезоэлемента и позволяет управлять формой акустического "зерна" в фокусе устройства. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Формирователь акустических волн литотриптора, содержащий рефлектор, по излучающему периметру которого расположены пьезоэлементы, погруженные в жидкость и подключенные к управляющему электронному блоку задатчика импульсов, включающему ЭВМ и соединенный с ним акустический датчик, при этом концентраторы пьезоэлементов и акустический датчик направлены в фокус рефлектора, отличающийся тем, что каждый пьезоэлемент выполнен пьезоэлектрическим в виде плоской металлизированной пьезокерамической пластины с вытравленными в металлическом покрытии проводниками возбудителя и концентратора с глубиной и топологией вытравленного рисунка, соответствующей излучающей частоте не ниже 4 МГц, и снабжен регулируемой дискретной линией задержки с дешифратором, подключенным к ЭВМ с возможностью изменять время задержки питающего импульса каждого пьезоэлемента. 2. Формирователь по п. 1, отличающийся тем, что вытравленный рисунок проводников возбудителя и концентратора выполнен в виде параллельных полос, встречно-стержневых или встречно-радиальных, при этом их излучающая кромка направлена в фокус рефлектора. 3. Формирователь по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлементы через регулирующие дискретные линии задержки связаны с импульсным генератором.