CN100380440C - 声波装置 - Google Patents

Abstract

一种冲击波振子，包括至少一对力发生器，配置成一阵列，连同一或多个膜片设置在传播介质之中，各发电器可发挥效用以生成基本上垂直于各膜片的力量，以设在传播介质中生成冲击波。在本发明一项实施例中，一电气器件可设置在冲击波振子支座的外廓上，外廓具有非圆柱形和非平直形状，而电气器件按面积设计在外廓上用于从外廓向外发射冲击波。

Description

声波装置

技术领域

本发明一般地涉及冲击波振子(shockwave transducer)，而具体地涉及用于生成高幅度暂态声脉冲或冲击波脉冲的医疗用途的振子。

背景技术

声波(或冲击波，此二词随处可互换使用)的生成的聚焦，用于诸如结石碎化或矫形治疗等医疗目的，是通过多种方法实现的。每种方法都包含声波生成和相关的聚焦装置。先前技术可以按照声波生成和相关的聚焦予以分类：点源和椭球面反射器、平面源和声透镜、柱面源和抛物面反射器，以及不带另外聚焦的球面源。先前技术一般把电能转换为声波，诸如通常通过电容器放电生成电或磁场的强烈脉冲，而后把电磁场转换为声能。

点源一般是电液压装置。各间隔狭小的电极的端头之间电能的快速放送，在传播液体中可造成球面波序列。各电极相对于椭球面反射器配置，后者具有两个聚焦点。电能在第一焦点处放送，而声波聚焦到第二焦点上。

平面源一般是电磁装置。薄圆膜片由于在一平面线圈处被振击或推斥开来而施加压力于传播液体。电能的快速放送到线圈里去和磁场中相关的迅速变化会在膜片中诱发电流，将它转变为带有的极性相反于线圈极性的磁铁。由于膜片紧密接触传播液体，膜片被持续推斥可生成声波。

这样一种电磁振子的实例说明其转让给德国Richard Wolf GmbH的、Riedlinger的美国专利4821245之中。Riedlinger说明了一种电磁振子，包括各对导线。每对的一条导线由一具有很高声阻抗的托架托住而不移动，而此对的另一导体则相对于第一导线是可移位的。如果两条导线为相反方向的电流所通过，它们会彼此排斥。相反，如果每对的各导线为相同方向的电流所通过，它们则会彼此吸引。

取决于预先选定的、通过其各电磁场相互影响的第一和第二面导线的方向，振子可以生成正或负的声脉冲。正脉冲可以比如用以破裂诸如无机石块这样的结石。负脉冲可以用以生成用于破坏诸如癌，这样的生物组织。这些冲击波脉冲是在振子工作在发送模式下时产生的，其中振子以“声雷达”类型模式查找诸如结石这样的目的物。振子也可以同时用作发送器和接收器，诸如用于沿着同一声径查找和粉碎结石。

在Riedlinger的专利中，重要的是，对于每对导线来说，一条导线保持静止不动。

在柱面源中，采用类似于平面源的电磁方法。一线圈安装在圆柱形面支座上，而一圆柱面膜片，沿径向被推压或推斥，引起向外传播的柱面波。一抛物面反射器使声波聚焦到系统圆柱面轴线上的一点上。

球面波是在球面膜片被向内推斥到传播液体里去而由压电振子阵列或由电磁方法予以生成的。不需要任何进一步的聚焦。

每种先前技术的声波生成和聚焦装置都具有局限性。声波发生器会以每秒一或两次冲击的速率生成冲击，而体外冲击波疗法(ESWT)一般每次治疗要求数千次冲击。电液压方法苦于非均匀放送、疼痛和高噪音水平等缺点。电磁平面方法苦于高成本和制作线圈和透镜组件的复杂性等缺点。平面源的声透镜是易碎的，并对大孔阑来说是无效力的。除了制作电磁柱面源的复杂性以外，抛物面反射器不是效率很高的，因为声源处在接近它的反射波的路径上。压电阵列造价昂贵，并难以获得高水平、分布良好的密集度。此阵列要求相对较大的孔阑，这就妨碍了聚焦面积X射线成像的达成。

发明内容

本发明追求提供经过改进的冲击波振子。

在一项实施例中，冲击波振子包括一或多对力发生器，以基本上平面阵列配置得夹置在一对设置在传播介质之中的一对对置的膜片之间，各力发生器发挥效用以生成基本上垂直于各膜片的力量，以便在传播介质中生成相反两方向的冲击波。在一项实施例中，冲击波振子包括：至少一对导电导线，此至少一对包括一第一导线和一第二导线，以电磁方向彼此联接并基本上彼此平行地设置，其中第一和第二导线二者都可自由地彼此移开；一电源，用于提供电流脉冲给第一和第二导线，此电源可以操作以任由选择地在相反方向上提供脉冲给第一和第二导线以在它们之间生成推斥力；以有一冲击波器件，联接于至少一对导线，一当在第一与第二导线生成力量，就发挥效用以生成冲击波。

在另一项实施例中，声波可以由面积振子予以生成，诸如截圆维形面积振子。比如，一线圈可以排斥或振动一圆锥形膜片以产生声波。在另一项实施例中，一导电表面电极可以安装在圆锥形振子的外廓上。一多孔绝缘体可以至少部分地覆盖表面电极，并可以夹置在表面电极与一返回电极之间。多股电流可以流经多孔绝缘件的各排孔眼，这样造成状为从各排孔眼发出的球面波的各超声能量点源。

声波也可以借助于对合地安装在圆锥形振子的底座的力发生器而予以生成。此力发生器可以发送具有两个矢量分量的力量，一个矢量分量基本上沿着圆锥形振子的外廓，而另一个矢量分量基本上从圆锥形振子的外廓垂直向外。垂直于外廓的力分量可以生成从圆锥形振子的外廓发出的圆锥形声波。

其他各实施例在此也予以说明。

附图说明

本发明从以下结合附图所作的详细说明中会得到比较全面的认识和理解，附图中：

图1是一种声波装置的简化图示，此装置是按照本发明一项实施例予以设计和运作的；

图2是一种面积振子的简化剖面图示，此振子符合本发明一项实施例，带有一线圈和膜片装置，可用以用生成声波；

图3A是一种面积振子的简化剖面图示，此振子符合本发明一项实施例，带有各线圈分段，可用以生成声波；

图3B是图3A振子各线圈分段的简化图示；

图3C是一种先前技术的线圈的简化图示；

图4是一种面积振子的简化剖面图示，此振子符合本发明一项实施例，可用以凭借电磁力生成声波；

图5是另一种面积振子的简化分解图示，此振子符合本发明另一项优选实施例，其中多股电流流径安放在介于一表面电极与一返回电极之间的一多孔绝缘件的成排孔眼，可用以生成声波；

图6是一种冲击波振子的简化剖面图示，是按照本发明另一项实施例予以设计和运作的；

图7是各导线(比如各线圈)的简化图示，符合本发明一项实施例，可用以制作图6的冲击波振子；

图8是各导线(比如各线圈)的简化图示，符合本发明另一项实施例，可用以制作图6的冲击波振子；

图9是多条导线(比如各线圈)的简化剖面图示，符合本发明又一项实施例，可用以制作图6的冲击波振子；以及

图10是一种冲击波振子的简化剖面图示，是按照本发明又一项实施例予以设计和运作的。

具体实施方式

现在参照图1，此图图示声波装置10，是按照本发明一项实施例予以设计和运用的。

在图示的实施例中，声波装置10包括声波振子12，加工成形得如同一圆锥，最为可取地如同一截圆锥，具有对称轴线14。至少是局部抛物面形的反射器16相对于振子12配置得以致可聚焦自振子12发出的声波。不过，要指出的是，本发明不限于圆锥形状的声波装置，而是也可以以其他形状予以实现，诸如，但不限于，圆筒形状的声波装置。

反射器16的内部容积可以填以传播液体26，而振子12的敞开端部48可以用膜片27覆盖，以便密封圆锥形振子12而不让传播液体26进入其中。反射器16的端面可以用另一膜片28覆盖。声波装置10可以安放得贴靠或靠近所要处理的标的30由振子12生成的声波可以经由传播液体和通过膜片传向位于标的30之内的聚焦点20。声波可以以多种方式产生，一如此后参照图2-5所述。

现在参照图2，此图图示一种面积振子，符合本发明一项实施例，可以用以生成声波。此面积振子包括电气器件32，诸如线圈，安装在振子12的截圆锥形支座34上。膜片36加工成形得吻合于支座34的圆锥形外部轮廓，并设置在电气器件32上。线圈适配得可从截圆形的支座34处向外移动(比如推斥或振动)膜片36，一般是在箭头38方向上，以便在从振子12外廓处向外的方向上传播声波40。一如此前所述，声波40反射离开反射器16并通过膜片28(图1)向聚焦点20传播。

现在再次参照图1。本发明中生成声波的另一途径是借助于以对合方式安装于圆锥形振子12底座的一种力发生器42。力发生器42可以借助于机械联接器44联接于振子12。力发生器42适配得可基本上沿着轴线14传递力量，此力量被传递给振子12的外廓，从而产生声波40。具体地说，此力量具有两个矢量分量，一个矢量分量fa基本上沿着圆锥形振子12的外廓，而另一个矢量分量fc基本上从振子12的外廓处垂直向外。分力fc生成从振子12外廓向外发出的圆锥形声波40，一如图12中所见。力fa的方向(朝向或背离圆锥顶尖)决定了声波的极性(扩展或缩拢)。波的强度正比于锥角的正弦。

力发生器42可以是用于生产力脉冲的任何适当装置，诸如，但不限于，比方往复锤击装置；“飘动”质量加速度，适配得可使质量撞击在振子12上；爆炸物；水下放电装置；电磁驱动器；压电驱动器；气压驱动器或液压驱动器。

振子12最好是空心的，以致成像装置46，诸如轴向超声探头，可以诸如经由振子12的敞开截头端部48为聚焦面积造像。

现在参照图3A和3B，二者图示一种面积振子(area transducer)，符合本发明的一项实施例，具有一或多个线圈分段，可以用以生成声波。各线圈分数50绕在声波振子的非圆柱形的和非平的支座(non-cylindrical andnon-flat)52上。支座52图示为具有截圆锥形状，但也可以具有非圆柱形的和非平的其他一些形状。圆锥形支座52最好是由导电材料，诸如导电金属制成。各线圈分段50可以由金属丝制成，诸如，但不限于，具有0.2mm直径的金属丝。流经各线圈分段50的电流可在圆锥形支座52中诱发出感应电流，可基本上在箭头54方向生成电磁力，从圆锥形支座52向外推斥各线圈分段50，以致在从圆锥形支座52外廓处向下的方向上传播声波56。一如此前类似地所述，声波56从反射器16反射出来并通过膜片28向聚焦点20传播(图1)。

在先前技术中，一如图3C之中所示，很长的连续线圈58绕在线圈支座(先前技术中圆筒形的)上。这就需要采用一般量级为20000伏特的高压以生成电磁推斥力来把线圈绕组从振子底座推开以生成声波。相反，按照本发明一项实施例，各线圈分段50长度小得多，但不限于，各长度带有只是2000伏特的电压降。各分段50可以在电气上彼此串联。这是显著胜过先前技术的一项优点，因为本发明的各线圈分段50可使通过采用适当的低压电源和变压器(未画出)能够获得同样的大电流。

现在参照图4，此图图示一种面积振子，符合本发明一项实施例，可以用以借助电磁推斥力来生成声波。此实施例也可以采用如图3A和3B实施例之中的各线圈分段50。不过，在图4的实施例中，磁场是由一围绕圆锥形振子设置的磁铁形成的。比如，一对磁铁60和62可以安放在截圆锥形支座64的两端处，由磁轭66连接起来，以致构成圆锥形磁铁68。磁铁68最好是由具有高透磁性的材料制成，诸如，但不限于，钐钴。另外，磁场可以采用各线圈(未画出)形成。圆锥形支座64最好是由诸如导电金属这样的导电材料制成。按照电磁定律，推斥力f按照以下公式由磁铁68的磁场B和各线圈分段50的电流i予以生成：

f＝iLB，其中L是线圈的长度，或各线圈分段的总长。

一如先前类似地所述，力f从圆锥形支座64向外推斥各线圈分段50，以致在从圆锥形支座64外廓向外的方向上传播声波。一如此前类似地所述，声波从反射器16反射出来并通过膜片28向聚焦点20传播(图1)。

一如在背景状况之中所述，点源除外，所有用于生成声波的其他先前技术中的方法都色含在振子与传播液体之间界面附近的电能向平面、柱面或球面声波的面积变换。与先前技术相反，本发明说明一种用于生成从任意形状表面发出的超声波的装置，现在参照图5予以说明。

现在参照图5，此图图示另一种面积振子，符合本发明另一项优选实施例，可以用以生成声波。在此实施例中，导电表面电极70安装在振子12的外部轮廓上。多孔绝缘件72至少部分地覆盖表面电极70。返回电极74设置在多孔绝缘件72的对置于表面电极70的一侧上。多股电流，一当电场建立在表面电极70与返回电极74之间-比如通过施加高压于表面电极70和使返回电极74接地，可以流经多孔绝缘件72的多排或各个孔眼。每一电流，倘若电流密度和持续时间足够，则造成一个状为从各自孔眼发出的球面波的超声能量点源。多个个别的球面波，倘若多孔分布在密度和均匀性方面均为适当，则形成一种其波前基本上平行于表面电极70的表面的声波。

现在参照图6和7，二者图示一种冲击波振子110，是按照本发明另一项实施例予以设计和运作的。

振子110可以包括一或多对导电导线。每一对可以包括第一导线112和第二导线114，电气上彼此联接并基本上彼此平行设置。比如，在图7的图示实施例中，第一和第二导线112和114包括围绕线圈支座116的各金属丝线圈。第一和第二导线112和114都可自由地彼此移开。第一和第二导线112和114可以彼此隔开，最好是由某种介电材料117隔开(比如空气或特氟隆)。

可以设置电源118(图7)，向第一和第二导线112和114供给电流脉冲。一如图7中箭头120和122所指，电源118可以任由选择地在相反方向上向第一和第二导线112和114供给电流。换句话说，第一导线112中电流在箭头120方向上流动，而在第二导线114中电流在由箭头122所指的相反方向上流动。指向相反方向的两股电流可在第一与第二导线112与114之间生成推斥力。第一和第二导线112和114也可以自由彼此相向地移动，而电源118可以方向相反地向第一和第二导线供给脉冲以在二者之间生成吸引力。

冲击波器件124(图6)，诸如但不限于接触各导线的一膜片或各导线埋置其中的一基底，可以联接于第一和第二导线112和114。冲击波器件124可以一当在第一与第二导线112与114之间生成排斥或吸引力就生成冲击波126。波束成形装置(beam shaping device)128可以相对于振子110配置得以便将从振子110发出的冲击波126聚焦于聚焦点130。

比如，波束成形装置可以包括一反射器，由围绕对称轴线134对称配置的各抛物面形状的部分132制成，而线圈支座116可以沿着轴线134设置。第一与第二导线112与114之间的推斥或吸引力可以引起向外传播的声波126。各抛物面部分132可以将声波126聚焦于聚焦点130，后者可取地位于对称轴线134上，正如从抛物面的定义中所熟知的那样。在抛物面上，任何投射在抛物面上的平行于抛物面对称轴线的射线都被反射到聚焦点。因此，各抛物面形状的部分132可以配置得以致声波平行于每一抛物面形状的部分132的对称轴线而传播(不应混淆于对称轴线134)，并因而被反射到聚焦点130，一如图6之中所示。

波束成形装置的内部容积可以填以传播液体(未画出)，而波束成形装置的敞开端部可以用膜片予以覆盖(未画出)。如此构成的声波装置可以安放得顶靠或靠近需要处理的标的(未画出)。由振子110生成的声波126可以通过传播液体和膜片向位于标的之内的聚焦点130传播。

冲击波器件124的移位的和可以以此方式生成的正或负压力脉冲的速度和幅度可以取决于馈进的电流脉冲的性质和取决于整个系统的机械构造和惯性。可以设置控制器136，用于控制电源118的操作(比如脉冲的定时和大小)，以及系统的任何其他的操作或功能。造像探头138(比如超声、X射线、荧光镜，等)可以以对合方式安装于振子110(在任何方便的地点处)，用于产生标的面积的图像。

现在参照图8，此图图示导线112和114另外的形状。比如导线112和114可以不加限制地以倾斜、弯曲、回环或曲折形式布置在平面或空间路径之中。比如，第一和第二导线112和114绕成螺卷并经由桥接段140在一端处接合在一起，以致形成一双股系统。电流可以馈给各导线，以致形成双股系统。电流可以馈给各导线，以致在第一导线112中电流流动在箭头124方向上，而在第二导线114中流动在箭头144所指的相反方向上。指向相反方向的两股电流在第一与第二导线112与114之间生成推斥力。一如此前所述，电路可以通过使两条导线112和114由同向电流通过起来而予以修改，以致如果需要，也可生成负脉冲。

现在参照图9，此图图示按照本发明又一实施例设计的多条导线150。相邻各导线150可以最好是借助某种介电材料152(比如空气或特氟隆)使之彼此间隔开来。外部各导线可以通过以金属丝154围裹各内部导线而予以形成。在这种配置中，脉冲以相反方向通向相邻的每一对导线。(另外，它们可以以相同方向通向)。比如，图示实施例最右面外部导线中的电流在图9方向上中向下流动，而在相邻(次右)导线中电流向上流动。在相邻(次左)导线中电流向下流动，而在相邻(外左)导线中电流向上流动。造成的效果放大了最外面各导线之间的推斥力。因而，图9的实施例可以用作声放大器以增强所生成的冲击波的大小。

一般，图6-9的各实施例可以用作双向冲击波振子，其各冲击波可以通过各抛物面形状部分132聚焦到位于聚焦点130处的标的。这样一种装置可以用在各种场合，诸如，但不限于医学碎石术和高强度聚焦超声装置(HIFU)。所生成的能量可以不带限制地包括比如电磁波能量或超声能量。

现在参照图10，此图图示一种冲击波振子210，是按照本发明另一项实施例予以设计和运作的。

振子210可以包括一或多对力发生器212，类似于图1的力发生器42，它可以包括用于生成生脉冲的任何适当的装置，诸如，但不限于，比如电磁驱动器(比如类似于图6-9各实施例的线圈)、压电驱动器、气压或液压驱动器，或它们的任何组合。各力发生器212可以在一对对置的膜片214之间排成阵列。比如，各力发生器212可以在各膜片214之间排成基本上平直的阵列以生成基本上垂直于各膜片214的力，以便在诸如但不限于传播液体26的传播介质中生成相反方向的冲击波。另外，各力发生器212可以排列在弯曲表面的外廓上，诸如但不限于圆筒或圆锥上。各力发生器212可以连续地排列在外廓上或作各离散分段排列在外廓上，而阵列用膜片214覆盖。各力发生器212发挥效用以生成基本上垂直于各膜片214的力量，从而在诸如但不限于传播液体26的传播介质中生成指向外面的冲击波216。振子210因而表现为一种双向或多向冲击波振子，其冲击波216可以通过各抛物面形状部分132聚焦到位于聚焦点130处的标的，一如此前针对各先前实施例所述。此振子也可用以生成其他波形，诸如电磁波能(比如光能或微波能)。

这样一种双向或多向冲击波振子可以用在一种带有适当的波束成形装置的波生成装置之中。一种适当的波束成形装置说明在美国专利申请10/160073之中，其披露内容在此纳入作为参考。在美国专利申请10/160073之中，波束成形装置是由围绕旋转轴线曲使一线旋转而成的，此曲线相对于振子被配置在曲线的平面之内，以便将从振子朝向波束成形装置发出的波聚焦到居于平面之内的聚焦点，曲线在平面上具有对称轴线，其中旋转轴线基本上不共线于对称轴线。

本技术领域中的熟练人员将会理解，本发明不受此前已经具体予以图示和说明的内容的限制。本发明的范畴只由以下各项权利要求予以确定。

Claims (1)

1.一种声波装置，包括：声波振子，该声波振子具有非圆柱形和非平的由导电材料制成的支座，其中所述支座具有截头圆锥形状；多个线圈分段，所述线圈分段围绕所述支座缠绕并且串联地电性连接，其中，通过所述线圈分段的电流在所述截头圆锥支座中诱发感应电流，所述感应电流产生将所述线圈分段从所述支座向外推斥的电磁力；以及膜片，该膜片的形状与所述截头圆锥支座和所述多个线圈分段的外部轮廓相吻合，其中，所述多个线圈分段适于从所述截头圆锥支座向外移动所述膜片。

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