Устройство для воздействия ультразвуком на внутренние участки организма человека

 

Использование: в медицинской технике, в частности в устройствах для хирургии, и может найти применение при неинвазивной хирургии в случае онкологических заболеваний внутренних органов, обладающих малой эффективностью поглощения энергии ультразвуковых колебаний, например, щитовидной железы и др. Сущность: устройство для воздействия ультразвуком на внутренние участки организма человека, содержит пьезоэлектрический фокусирующий излучатель ультразвука, выполненный в виде чаши и соединенный с генератором переменного напряжения ультразвуковой частоты, выполненным с возможностью регулирования характеристик напряжения во время возбуждения, и установленный на контейнере с контактной жидкостью, поверхность аппликации которого выполнена в виде гибкой мембраны, размещенный на поверхности объекта воздействия, при этом пьезоэлемент фиксирующего излучателя ультразвука выполнен с постоянным фокусным расстоянием при переменной толщине, причем отношение его максимальной толщины к минимальной равно 1,01-1,15, а генератор переменного напряжения ультразвуковой частоты выполнен с возможностью регулирования по частоте с отношением максимальной частоты к минимальной в диапазоне 0,01-1,15. Технический результат: расширение возможности повышения дозы ультразвуковой энергии, необходимой для необратимого преобразования (разрушения) в строго локализованных пределах онкологически пораженных участков биологической ткани со слабым эффектом ее поглощения, без повреждения прилегающей здоровой ткани, в том числе и обладающей существенно большей эффективностью поглощения энергии ультразвука. 3 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к устройствам для хирургии, и может найти применение при нейнвазивной хирургии в случае онкологических заболеваний органов, обладающих малой эффективностью поглощения энергии ультразвуковых колебаний /УЗК"/ например, щитовидной железы и др.

Известно устройство для воздействия ультразвуком на приповерхностные и внутренние участки организма человека, содержащее преобразователь электрических колебаний в ультразвуковые, представляющий собой пластину из пьезоэлектрика, и генератор переменного напряжения ультразвуковой частоты, соединенный с пластиной преобразователя /Med. Phys. 9, 1982, p. 886-897/.

Недостаток известного устройства для воздействия ультразвуком на приповерхностные и внутренние участки организма человека состоит в том, что оно не позволяет создать необходимую интенсивность УЗК в заглубленных участках организма без недопустимого воздействия на другие участки, находящиеся на пути распространения ультразвука.

Хорошо известна возможность применения фокусированного ультразвука /УЗ/ для локального неинвазивного разрушения различных биологических тканей /Гаврилов Л. Р. и др. Фокусированный ультразвук в физиологии, Л. Наука, 1980/. Фокусирование ультразвука позволяет сконцентрировать его энергию в ограничительной по размерам и положению фокальной области. Поглощение эрении УЗК может вызвать при достижении определенного уровня необратимые изменения биологической ткани только в пределах фокальной области (в том числе и при ее заглублении в организме) без травмирования окружающей ткани. Часто возможность неинвазивного воздействия фокусированным ультразвуком на участки организма, расположенные под здоровой тканью, является решающим обстоятельством, обуславливающим предпочтительность его применения.

В настоящее время получили наибольшее распространение фокусирующие излучатели ультразвука на основе вогнутых пьезоэлементов /2, 3/.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому решению является устройство для ультразвуковой обработки SU, пат. N 1829928, A61B 8/00, 1993, представленное на фиг. 1 и содержащее пьезоэлектрический фокусирующий ультразвуковой излучатель в виде чаши /1/, соединенной с генератором переменного напряжения ультразвуковой частоты /7/, выполненного с возможностью регулирования характеристик напряжения во время возбуждения, и установленный на контейнера с контактной жидкостью /2/, поверх аппликации /3/ которого выполнена в виде гибкой мембраны, размещаемой на объекте воздействия. Дополнительно в устройстве имеется приспособление для установки и фиксации излучателя относительно тела пациента.

Для получения необходимой интенсивности УЗК используется резонансное возбуждение пьезоэлемента, возникающее при приложении к нему гармонического напряжения, частота которого удовлетворяет условию: ν = C/2d_t c/2d_t где с и d_t скорость распространения УЗК в материале пьезоэлемента и его толщина, соответственно. Преобразование фронта волны на пути от поверхности пьезоэлемента к фокальной области и далее представлено на фиг. 2/2/. Размеры и положение фокальной области определяются длиной волны ультразвука в биологической ткани (λ) размером R и фокусным расстоянием F пьезоэлемента /или его углом раскрытия α_m /. Так для сферического излучателя /фиг.2/ диаметр фокальной области d_o и ее длина L_o соответственно равны /2/: При неизменной толщине и однородной структуре пьезоэлемента напряжение возбуждения вызывает равномерное распределение амплитуды колебаний по всей его рабочей поверхности, так что в любом сечении луча /фиг.2/ распределение поля симметрично относительно оси ОО и вся ткань в каждом сечении, через которое проходит ультразвук, подвергается любой момент времени примерно одинаковому воздействию. Величина дозы, необходимой для разрушения биологической ткани, определяется интенсивностью УЗК, продолжительностью воздействия и структурой биологической ткани, обуславливающей эффективность поглощения ею энергии ультразвуковых колебаний. Эта доза существенно /более чем в 10 раз/ различается для различных видов биологической ткани. Как показали проведенные исследования, ткань щитовидной железы обладает крайне низкой способностью поглощения энергии УЗК, поэтому /даже при фокусировании с большим коэффициентом усиления/ для разрушения образований в ней необходимо существенно увеличивать интенсивность ультразвука, излучаемого рабочей поверхностью пьезоэлемента, по сравнению с интенсивностями, требуемыми для разрушения других мягких биологических тканей (например, мышечных). Это может привести к недопустимому воздействию на другие, здоровые участки ткани, лежащие вне пределов фокальной области (в пред и за-фокальной областях).

Недостатком подобного устройства при использовании его для воздействия ультразвуком на внутренние участки организма человека является возможность поражения здоровых участков биологической ткани при достижении интенсивностей, необходимых для требуемого воздействия на заданные, подлежащие лечению участки.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявленного решения, выражается в расширении возможности увеличения дозы воздействия УЗК, необходимой для необратимого преобразования (разрушения) онкологически пораженных участков биологической ткани со слабым эффектом поглощения энергии УЗК в строго локализованных пределах, без повреждения прилегающей здоровой ткани, обладающей существенно большей эффективностью поглощения ультразвука. Для получения этого технического результата в устройстве для воздействия ультразвуком на внутренние участки организма человека содержится пьезоэлектрический фокусирующий излучатель ультразвука, подключенный к выводам генератора переменного напряжения ультразвуковой частоты и выполненный в виде чаши, соприкасающейся с рабочей жидкостью, находящейся в контейнере, имеющем поверхность аппликации в виде мембраны, устанавливаемой на объекте, пьезоэлемент фокусирующего излучателя выполнен с переменной толщиной при сохранении неизменного фокусного расстояния, причем максимальная толщина пьезоэлемента фокусирующего излучателя относительно к его минимальной толщине в пределах 1,01-1,15, а частота переменного напряжения, возбуждаемого генератором, изменяется за время возбуждения так, чтобы ее максимальное значение относилось к минимальному в тех же пределах.

На фиг. 3 приведен один из возможных вариантов устройства для воздействия ультразвуком на внутренние участки организма человека согласно предполагаемому изобретению. На нем обозначены: 1 пьезоэлемент; 2 контейнера с контактной жидкостью; 3 мембрана; 4 объект воздействия; 5 фокальная область; 6 приспособление для установки и фиксации излучателя относительно тела пациента; 7 генератор напряжения возбуждения переменной частоты.

Пьезоэлемент /1/ устанавливается таким образом, чтобы его вогнутая (рабочая) сторона была сориентирована в направлении требуемого излучения ультразвука. С этой стороной пьезоэлемента имеется акустический контакт с контактной жидкостью контейнера /2/, обеспечивающее передачу энергии УЗК к объекту воздействия через элемент соприкосновения с кожей человека гибкую мембрану /3/. Обратная сторона пьезоэлемента /1/ соприкасается с воздушной средой. При этом энергия УЗК передается в объект воздействия и фокусируется внутри него в фокальной области /5/. С помощью приспособления для установки и фиксации излучателя /6/ фокальная область /5/ наводится на подлежащий воздействию участок биологической ткани; пьезоэлемент соединен с выходом генератора напряжения возбуждения /7/, частота которого изменяется в указанных выше пределах. При этом на каждой частоте возбуждения образуется характерное только для нее пространственное распределение амплитуд колебаний по поверхности с их различием более чем в 2-3,2 раза, что соответствует различию в энергии, излучаемой отдельными участками пьезоэлемента, в 4-10 раз.

Следовательно в любом сечении потока энергии /фиг. 3/ за исключением фокальной области, где из-за малости ее размеров и усредняющего влияния среды изменение распределения поля практически обнаруживаться не будет, можно получить пространственное перемещение области с наибольшей интенсивностью.

Таким образом, изменяя за время посылки (время возбуждения пьезоэлемента), частоту приложенного напряжения так, чтобы для каждого его участка обеспечивалось в определенный момент времени условие резонансного возбуждения, можно при заданном уровне воздействия на биологическую ткань, находящуюся в пределах фокальной области, ослабить степень воздействия энергии УЗК на ткань, находящуюся в предфокальной и зафокальной областях. Частота колебания частоты возбуждения пьезоэлемента должна удовлетворять при этом условию: f_k > T-1 где T длительность посылки напряжения возбуждения пьезоэлемента.

Возбуждение пьезоэлемента излучателя УЗК, напряжением изменяющейся частоты позволяет в существенно больших пределах увеличивать интенсивность и менять длительность посылки, т. е. дозы УЗК, необходимые для необратимого изменения биологической ткани новообразований щитовидной железы без повреждения здоровых тканей.

Формула изобретения

Устройство для воздействия ультразвуком на внутренние участки организма человека, содержащее пьезоэлектрический фокусирующий излучатель ультразвука, выполненный в виде чаши, соединенный с генератором переменного напряжения ультразвуковой частоты, выполненным с возможностью регулирования характеристик напряжения во время возбуждения, и установленный на контейнере с контактной жидкостью, поверхность аппликации которого выполнена в виде гибкой мембраны, размещенной на поверхности объекта воздействия, отличающееся тем, что пьезоэлемент фокусирующего излучателя ультразвука выполнен с постоянным фокусным расстоянием при переменной толщине, причем отношение его максимальной толщины к минимальной равно 1,01 1,15, а генератор переменного напряжения ультразвуковой частоты выполнен с возможностью регулирования по частоте с отношением максимальной частоты к минимальной в диапазоне 1,01 1,15.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2