УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВОЛНОВОД
ULTRASONIC WAVEGUIDE

Область техники
Данное изобретение относится к области ультразвуковых устройств и, более конкретно, к ультразвуковым волноводам.
Уровень техники
US 5,443,068 раскрывает механизм позиционирования для системы магниторезонансной (МР) хирургии, который устанавливает фокусную точку ультразвукового преобразователя для избирательного разрушения ткани в области в теле пациента. Ультразвуковой преобразователь располагается снаружи пациента и ультразвуковые волны, испускаемые преобразователем, распространяются сквозь кожу пациента внутрь его тела. Из-за поглощения ультразвуковой волны на ее пути через ткани пациента, преобразователь должен обеспечивать большую мощность, чем на самом деле требуется в фокусной точке в теле пациента.
Сущность изобретения
В терапевтических устройствах, сочетающих ультразвуковую и МР технологии, желательно использовать сфокусированные ультразвуковые волны высокой интенсивности (HIFU), сфокусированные в особым образом выбранной точке в теле пациента. Более того, в терапии, диагностике и визуализации существуют также дополнительные способы применения ультразвуковой технологии, которые требуют обеспечения траектории для ультразвуковых волн внутрь тела пациента в МР среде. Поскольку все вышеупомянутые способы применения не требуют обязательно ультразвуковых волн высокой интенсивности, они могут осуществляться при использовании более низких мощностей. Таким образом, необходимо предусмотреть наведение ультразвуковых волн на конкретную точку в теле пациента.
Преимуществом было бы предоставить ультразвуковой волновод, который можно использовать внутри тела пациента в МР среде. Также было бы желательно иметь ультразвуковой волновод, который был бы гибким и поддающимся сгибанию.
1
2
Для лучшего исследования одного или более из этих вопросов, в первом аспекте данного изобретения предусматривается ультразвуковой волновод, содержащий, по меньшей мере, одну электропроводящую секцию с первым акустическим импедансом Z и, по меньшей мере, одну электроизолирующую секцию со вторым акустическим импедансом Z, при этом электропроводящая секция имеет акустическую связь с электроизолирующей секцией для обеспечения трансмиссии акустической волны через электропроводящую секцию и далее через электроизолирующую секцию, и при этом множество электропроводящих секций и электроизолирующих секций компонуются попеременно.
Здесь импеданс Z твердого тела, или, более точно, импеданс акустического поля в массивном материале, задается путем произведения его плотности ρ и его скорости звука v, то есть Z=ρv.
Такая конструкция может обеспечить длинный ультразвуковой волновод, превосходящий критическую длину одиночной электропроводящей секции волновода без чрезмерного термального нагрева.
МР технология использует электромагнитные волны высокой частоты для того, чтобы определить ориентацию спинов молекул в магнитном поле. Ультразвуковые волноводы изготавливаются из металлических проводов, которые связываются с ультразвуковым преобразователем для обеспечения ультразвукового волновода вдоль продольной оси провода. Однако, в высокочастотном электромагнитном поле МР среды электропроводящие материалы определенного расширения испытывают термальное нагревание благодаря электромагнитному взаимодействию металлической части с высокочастотным электромагнитным полем, то есть благодаря резонансным эффектам и вихревым токам. Нагревание металлической части внутри тела пациента, однако, может вызвать тяжелые повреждения.
Ограничение электропроводящей части или секции ультразвукового волновода, по меньшей мере, по одному из размеров посредством электроизолирующей части или секции снижает взаимосвязь высокочастотного электромагнитного поля с электропроводящим волноводом. Поскольку ультразвуковой волновод образуется с помощью провода, чей размер вдоль его продольной оси намного больше, чем его диаметр или толщина в направлении, перпендикулярном его продольной оси, является желательным ограничивать длину проводящего провода или секции волновода по его продольной оси. Электропроводная секция имеет акустическую связь с электроизолирующей секцией для обеспечения трансмиссии акустической волны через электропроводящую секцию и далее через электроизолирующую секцию.
1
2
Желательно, в одном варианте осуществления данного изобретения, чтобы не было потерь на отражение в энергии или мощности в интерфейсе между электроизолирующей секцией и электропроводящей секцией. Переданная фракция ультразвуковой энергии в интерфейсе под перпендикулярным распространением относительно упомянутого интерфейса дается как , где Zи Z являются значениями импеданса электроизолирующей секции и электропроводящей секции, соответственно. Идеальная трансмиссия ультразвуковой волны через интерфейс между электропроводящей секцией и электроизолирующей секцией достигается, как только полностью согласуются импедансы двух секций, так чтобы
1
2
то есть импедансы Zи Z электропроводящей секции и электроизолирующей секции, соответственно, равны. Если условие согласования импедансов выполняется, то внутреннего отражения акустической волны не происходит в интерфейсе между электропроводящей секцией и электроизолирующей секцией.
Согласно дальнейшему варианту осуществления данного изобретения, несовпадение импедансов, приводящее к отражению 10% ультразвуковой энергии, вводимой в волновод, является приемлемым. Однако, отражение менее чем 4% было бы желательно.
Al
fs
In
gl
Pb
sa
Совпадение импедансов, подходящее для практических приложений, может быть достигнуто путем использования алюминия (Z=13400) и плавленого кварца (Z=13100) для электропроводящей секции и электроизолирующей секции, соответственно. В альтернативных вариантах осуществления сочетания индия (Z=16206) и стекла (Z=15702.5) или свинца (Z=24600) и сапфира (Z=25480) могут использоваться для электропроводящей секции и для электроизолирующей секции, соответственно.
В дальнейшем варианте осуществления данного изобретения, длина упомянутой проводящей секции равна целому числу длин ультразвуковых волн, для которых предназначен волновод, плюс четверть от упомянутой длины волны. Таким образом, можно избежать многократных отражений и границ между электропроводящей секцией и электроизолирующей секцией посредством ослабляющей интерференции между отраженными и переданными волнами.
Идеально, чтобы для снижения нагревания электропроводящей секции указанная электропроводящая секция имела длину 20 см или менее. В конкретном варианте осуществления, электропроводящая секция имеет длину 15 см. Эта длина лучше для исследования проблемы электромагнитной взаимосвязи случайной электромагнитной волны высокой частоты с ультразвуковым волноводом.
В дальнейшем варианте осуществления, электроизолирующая секция имеет длину в диапазоне от 0,05 мм до 10 мм и, в другом варианте осуществления, электроизолирующая секция имеет длину 1 мм. Это может увеличивать гибкость ультразвукового волновода, обеспечиваемую тем, что длина проводящего материала не нарушается негибкой электроизолирующей секцией.
Желательно, чтобы был вариант осуществления настоящего изобретения, в котором электропроводящая секция и электроизолирующая секция запрессованы относительно друг друга. Таким образом, обеспечивается хорошая передача ультразвуковой волны вдоль волновода через интерфейсы между различными секциями.
В варианте осуществления данного изобретения, ультразвуковой волновод может быть использован в медицинском инструменте. Желательно применять волновод в различных типах медицинских инструментов, которые могут быть сконструированы для терапии, диагностики и визуализации. Эти медицинские инструменты включают в себя, но не ограничиваются этим, катетеры, ультразвуковые устройства для термодеструкции или иссечения тканей, ультразвуковые устройства визуализации или ультразвуковые эндоскопы.
Было бы желательно иметь ультразвуковой волновод, применяемый в ультразвуковом устройстве для иссечения мерцательной аритмии, где электропроводящая ткань сердца разрушается или иссекается посредством ультразвука для того, чтобы восстановить нормальный синусный ритм сердца пациента. В описанной операции ультразвуковой волновод направлялся бы с использованием способов МР визуализации для того, чтобы найти правильную точку для деструктивного воздействия ультразвуковой волны.
Касательно ультразвуковой визуализации, было бы желательно применять ультразвуковой волновод в ультразвуковом устройстве визуализации, который может быть использован для визуализации нервно-сосудистых структур под управлением МР, таких как аневризмы.
Эти и другие аспекты данного изобретения станут ясны из вариантов осуществления, описанных ниже, и разъяснены со ссылкой на них.
Краткое описание вариантов осуществления
Фиг.1 схематично показывает вид с местным разрезом ультразвукового волновода, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 показывает схематический вид ультразвуковой системы, использующей ультразвуковой волновод, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Детальное описание вариантов осуществления
На Фиг.1 схематично показан вид с местным разрезом ультразвукового волновода, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Показанный элемент волновода включает в себя две проводящие секции 1, 2, выполненные из алюминия. Тогда как электропроводящая секция 1 имеет длину 19 см, электропроводящая секция 2 имеет длину 15 см. Между проводящими секциями 1, 2 волновода включены электроизолирующие секции 3. Электроизолирующие секции изготовлены из пластины плавленого кварца толщиной 1 мм.
Al
fs
Поскольку алюминий (Z=13400) и плавленый кварц (Z=13100) почти идеально совпадают по импедансу, практически никогда не возникает никакого отражения в интерфейсах между различными секциями 1, 2, 3 ультразвукового волновода.
Как обозначено жирными точками, Фиг.1 примерно показывает вид с местным разрезом. Настоящий волновод содержит более двух электропроводящих и электроизолирующих секций. Поскольку электроизолирующие секции 3 имеют довольно небольшую длину, характеристики всего волновода в отношении сгибания и гибкости определяются, в основном, свойствами электропроводящих алюминиевых секций 1, 2.
На Фиг.2 схематически показана ультразвуковая система, использующая вариант осуществления ультразвукового волновода, согласно настоящему изобретению. Ультразвуковая волна вводится в волновод из ультразвукового преобразователя 4', а на другом конце волновода ультразвуковая волна вводится в ультразвуковой приемник 5', в данном случае, в ультразвуковой наконечник для терапевтических целей. Волновод между преобразователем 4' и приемником 5' содержит электропроводящие секции 1', изготовленные из индия, и альтернативно электроизолирующие секции 3', изготовленные из стекла.
Длина электроизолирующих секций 3' выбрана равной 1 мм для того, чтобы обеспечить толщину, которой можно управлять без неблагоприятного воздействия на гибкость волновода, что обеспечивается электроизолирующими индиевыми секциями 1'. Различные секции волновода 1', 3' обеспечивают периодическую структуру. Длина электропроводящих секций 1' выбирается такой, чтобы она соответствовала целому числу длин ультразвуковых волн, испускаемых преобразователем 4', плюс четверть такой длины волны.
Наряду с тем, что данное изобретение проиллюстрировано и детально описано с помощью чертежей и вышеизложенного описания, такие иллюстрация и описание должны считаться объяснительными или примерными и не ограничивающими; данное изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления.
Другие разновидности раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и реализованы на практике теми, кто является специалистами в данной области техники, из изучения чертежей, раскрытия предмета изобретения и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения, слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а единственное число существительных не исключает множественного числа. Тот простой факт, что определенные меры перечисляются в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих мер не может быть использовано наилучшим образом. Любые обозначения ссылок в формуле изобретения не следует истолковывать как ограничивающие масштаб изобретения.