RU221191U1

RU221191U1 - Therapeutic head for thermal ablation of biological tissues using the HIFU method

Info

Publication number: RU221191U1
Application number: RU2023116501U
Authority: RU
Inventors: Ксения Андреевна Акинина; Владимир Алексеевич Дьяченко; Эрнст Иванович Деникин
Filing date: 2023-06-22
Publication date: 2023-10-25

Abstract

Полезная модель относится к области медицины, а точнее медицинской техники, использующей ультразвук в диагностических и терапевтических целях. Полезная модель найдет преимущественное применение при удалении различного рода новообразований, например, таких как рак предстательной, молочной и щитовидной желез и т.п. Сущность полезной модели состоит в том, что в терапевтической головке для термической абляции биологических тканей методом HIFU, содержащей корпус, выполненный в виде колокола, в полости которого установлен излучатель HIFU, включающий одиночные пьезокерамические преобразователи и разделяющий полость на две секции - верхнюю и нижнюю, последняя из которых заполнена специальным акустическим гелем и перекрыта упругоэластичной мембраной, излучатель выполнен в виде мембраны из упругоэластичного материала, на которой закреплены пьезокерамические преобразователи, а верхняя секция корпуса заполнена магнитной жидкостью и с внешней её стороны установлен кольцеобразный электромагнит, при этом привод перемещения мембраны излучателя представляет собой гидроцилиндр, сообщающийся с полостью верхней секции и заполненный частично магнитной жидкостью, причём мембрана, перекрывающая нижнюю секцию, выполнена в виде ёмкости, заполненной акустическим гелем, и торец корпуса, находящийся в ёмкости, выполнен с вырезами, обеспечивающими переток геля между полостью верхней секции и ёмкостью в рабочем положении. Технический результат полезной модели состоит в значительном упрощении конструкции терапевтической головки, в которой практически отсутствуют электронные и моторные приводы, а также механические системы манипулирования излучателем HIFU. Все перечисленные приводы и система заменены на обычный гидравлический привод, который дополнен средством воздействия на магнитную жидкость в виде электромагнита, а излучатель HIFU выполнен из упругоэластичного материала. 1 ил. The utility model relates to the field of medicine, or more precisely to medical technology that uses ultrasound for diagnostic and therapeutic purposes. The utility model will find primary application in the removal of various types of tumors, for example, cancer of the prostate, breast and thyroid glands, etc. The essence of the utility model is that in a therapeutic head for thermal ablation of biological tissues using the HIFU method, containing a body made in the form of a bell, in the cavity of which a HIFU emitter is installed, including single piezoceramic transducers and dividing the cavity into two sections - upper and lower, the latter of which is filled with a special acoustic gel and covered with an elastic membrane, the emitter is made in the form of a membrane made of elastic material, on which piezoceramic transducers are fixed, and the upper section of the housing is filled with magnetic fluid and a ring-shaped electromagnet is installed on its outer side, while the drive for moving the emitter membrane is a hydraulic cylinder communicating with the cavity of the upper section and partially filled with magnetic fluid, wherein the membrane covering the lower section is made in the form of a container filled with acoustic gel, and the end of the body located in the container is made with cutouts that ensure the flow of gel between the cavity of the upper section and the container in working position. The technical result of the utility model is a significant simplification of the design of the therapeutic head, in which there are practically no electronic and motor drives, as well as mechanical systems for manipulating the HIFU emitter. All of the listed drives and the system have been replaced with a conventional hydraulic drive, which is supplemented with a means of influencing the magnetic fluid in the form of an electromagnet, and the HIFU emitter is made of elastic material. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области медицины, а, точнее, медицинской техники, использующей ультразвук в диагностических и терапевтических целях. Полезная модель найдет преимущественное применение при удалении различного рода новообразований, например, таких как рак предстательной, молочной и щитовидной желез и т.п. The utility model relates to the field of medicine, or more precisely, medical technology that uses ultrasound for diagnostic and therapeutic purposes. The utility model will find primary application in the removal of various types of tumors, for example, cancer of the prostate, breast and thyroid glands, etc.

В медицинской практике среди различных источников энергии особое место занимает ультразвуковое излучение, которое может использоваться в качестве диагностического, терапевтического и контролирующего средства. Первые успешные попытки применения ультразвука в медицине были предприняты в 1940-х гг., однако систематическое использование ультразвука с целью диагностики началось лишь с середины 1960-х гг. В настоящее время около 20-25% всех клинических исследований, связанных с получением и анализом изображений внутренних органов, приходится на ультразвук. In medical practice, among various energy sources, ultrasound radiation occupies a special place, which can be used as a diagnostic, therapeutic and monitoring agent. The first successful attempts to use ultrasound in medicine were made in the 1940s, but the systematic use of ultrasound for diagnostic purposes began only in the mid-1960s. Currently, about 20-25% of all clinical studies involving the acquisition and analysis of images of internal organs involve ultrasound.

Ультразвуковые методы диагностики в течение долгого времени основывались, прежде всего, на применении эхо-импульсного принципа, т.е. на использовании сигналов, приходящих из исследуемой области среды после ее облучения волновым пакетом. Однако объем данных в принимаемых аналоговых сигналах настолько велик, что до недавнего времени удавалось использовать лишь малую часть заключенной в них информации за счет применения самых простых методов цифровой обработки сигналов. В то же время, за относительно короткий промежуток времени ультразвуковая диагностика прошла путь от одномерной эхографии, дававшей весьма небольшой объем информации, до сложного сканирования в режиме реального времени, позволяющего добиться визуализации не только органов и систем, но и их структурных элементов. Применение эффекта Доплера позволяет исследовать движущиеся структуры, в частности кровоток, при этом вид и состав получаемой информации может быть довольно сложным, как, например, в диагностических аппаратах с цветным доплеровским картированием.Ultrasound diagnostic methods have for a long time been based primarily on the use of the pulse-echo principle, i.e. on the use of signals coming from the studied region of the medium after its irradiation by a wave packet. However, the volume of data in received analog signals is so large that until recently it was possible to use only a small part of the information contained in them through the use of the simplest methods of digital signal processing. At the same time, in a relatively short period of time, ultrasound diagnostics has gone from one-dimensional echography, which provided a very small amount of information, to complex real-time scanning, which allows visualization of not only organs and systems, but also their structural elements. The use of the Doppler effect makes it possible to study moving structures, in particular blood flow, while the type and composition of the information obtained can be quite complex, as, for example, in diagnostic devices with color Doppler mapping.

Второе направление применения УЗИ в медицине связано с использованием фокусированного ультразвука. Этот подход является качественно новым для терапевтической практики. Кратко, идея фокусированного ультразвука заключается в концентрации акустических волн в фокальной области, внутри которой интенсивность акустического возмущения будет максимальной. Привлекательность этого метода заключается в том, что он позволяет получить достаточно сильное разрушающее воздействие в глубине ткани без нанесения вреда верхним слоям кожи.The second area of application of ultrasound in medicine is associated with the use of focused ultrasound. This approach is qualitatively new for therapeutic practice. Briefly, the idea of focused ultrasound is to concentrate acoustic waves in a focal region, within which the intensity of the acoustic disturbance will be maximum. The attractiveness of this method is that it allows you to get a fairly strong destructive effect deep in the tissue without harming the upper layers of the skin.

Наиболее простым способом получения фокусированного ультразвука является использование собирающих акустических линз. Для этого чаще всего используется керамический излучатель в форме фрагмента эллипсоида вращения.The simplest way to obtain focused ultrasound is to use collecting acoustic lenses. For this purpose, a ceramic emitter in the form of a fragment of an ellipsoid of rotation is most often used.

Теоретическая оценка интенсивности акустического излучения в фокальной области показывает, что интенсивность в фокальной области может несколько сот раз превосходить излучаемую интенсивность. Исходя из этого, можно выбрать такую начальную интенсивность, чтобы внешняя материя, через которую ультразвук распространяется к фокальной области, осталась неповрежденной.A theoretical estimate of the intensity of acoustic radiation in the focal region shows that the intensity in the focal region can be several hundred times higher than the emitted intensity. Based on this, it is possible to choose an initial intensity such that the external matter through which the ultrasound propagates to the focal region remains intact.

Разделяют два способа воздействия фокусированного ультразвука на ткань.There are two ways of influencing focused ultrasound on tissue.

Первый способ воздействия - механический. Используется при коротком импульсном воздействии акустическими сигналами высокой интенсивности. При этом под действием ультразвука в межклеточной жидкости происходит образование и активизация газовых пузырьков, которые приводят к возникновению акустических микропотоков и высоким сдвиговым напряжениям. Под действием этих напряжений пузырьки схлопываются и образуют большие давления, приводящие к разрыву ткани. При этом клетка разрушается и уменьшается в размерах.The first method of influence is mechanical. Used for short pulse exposure to high-intensity acoustic signals. In this case, under the influence of ultrasound, gas bubbles are formed and activated in the intercellular fluid, which lead to the emergence of acoustic microflows and high shear stresses. Under the influence of these stresses, the bubbles collapse and form high pressures, leading to tissue rupture. In this case, the cell is destroyed and reduced in size.

Другой способ воздействия - термический. Данный тип воздействия используется при длительном облучении ультразвуком с относительно низкой интенсивностью. При этом акустическая энергия поглощается крупными молекулами, что впоследствии приводит к их нагреванию. Наиболее ярко тепловой эффект проявляется в коллагенсодержащих тканях. Известно, что интенсивное термическое воздействие приводит к разрушению клеток, на этом принципе и основан термический метод разрушения тканей.Another method of exposure is thermal. This type of exposure is used for prolonged exposure to ultrasound at a relatively low intensity. In this case, acoustic energy is absorbed by large molecules, which subsequently leads to their heating. The thermal effect is most pronounced in collagen-containing tissues. It is known that intense thermal exposure leads to cell destruction; the thermal method of tissue destruction is based on this principle.

При больших интенсивностях становится возможным разрушение клеток благодаря термическому воздействию на протяжении определенных промежутков времени. Причем следует отметить, что большинство клеток злокачественных опухолей и болезнетворных организмов более чувствительны к гипотермии. Поэтому прогрев злокачественных образований может приводить к избирательному уничтожению клеток.At high intensities, cell destruction becomes possible due to thermal effects over certain periods of time. Moreover, it should be noted that most cells of malignant tumors and pathogens are more sensitive to hypothermia. Therefore, heating malignant tumors can lead to selective cell destruction.

Основной целью применения ультразвука в онкологии было нагреть ткани опухоли до температур, используемых в гипертермии (42-45°C), сохраняя при этом нормальные ткани при обычной температуре. Потенциальная опасность такого применения связана с возможностью нанести вред нормальным тканям, окружающим опухоль, или разнести по организму злокачественные клетки, провоцируя тем самым метастазирование.The main purpose of ultrasound in oncology was to heat tumor tissue to temperatures used in hyperthermia (42-45°C), while maintaining normal tissue at normal temperature. The potential danger of such use is associated with the possibility of harming normal tissues surrounding the tumor or spreading malignant cells throughout the body, thereby provoking metastasis.

Точная локализация акустического пучка должна минимизировать риск для нормальных тканей. Кроме того, нормальная мышечная ткань реагирует на повышение температуры увеличением кровотока, вызывая охлаждение ткани. Accurate localization of the acoustic beam should minimize the risk to normal tissue. In addition, normal muscle tissue responds to increased temperature by increasing blood flow, causing the tissue to cool.

Неинвазивное лечение и контроль - научная проблема, на решение которой направлено много усилий. В настоящее время ультразвуковые методы используются практически во всех областях медицинской практики и относятся к наиболее важным современным методам диагностики и лечения. Для диагностики достаточен УЗ низкой мощности, а для воздействия на ткани и сосуды необходим высокоинтенсивный фокусированный ультразвук (международно-принятая аббревиатура HIFU, high-intensity focused ultrasound). HIFU терапия - бурно развивающая технология, которая быстро охватывает новые области применения в медицине, благодаря своей высокой эффективности, отсутствию побочных эффектов и невысокой себестоимости процедуры по сравнению с лучевой терапией и химиотерапией.Non-invasive treatment and control is a scientific problem to which much effort has been directed. Currently, ultrasound methods are used in almost all areas of medical practice and are among the most important modern methods of diagnosis and treatment. Low-power ultrasound is sufficient for diagnosis, but high-intensity focused ultrasound (internationally accepted abbreviation HIFU, high-intensity focused ultrasound) is required to influence tissues and blood vessels. HIFU therapy is a rapidly developing technology that is quickly covering new areas of application in medicine, due to its high efficiency, lack of side effects and low cost of the procedure compared to radiation therapy and chemotherapy.

При неинвазивном воздействии на патологические образования фокусированным ультразвуком высокой интенсивности актуален контроль состояния биологических тканей. When non-invasively affecting pathological formations with high-intensity focused ultrasound, monitoring the condition of biological tissues is relevant.

МРТ-контроль этих параметров имеет ряд ограничений - это дороговизна аппаратуры, требование совместимости МРТ-томографа с магнитными полями, неприменимость для пациентов с кардиостимуляторами, детей, тучных и беременных больных, невозможность измерения температуры тканей в реальном времени [3].MRI monitoring of these parameters has a number of limitations - the high cost of the equipment, the requirement that the MRI tomograph is compatible with magnetic fields, inapplicability for patients with pacemakers, children, obese and pregnant patients, and the inability to measure tissue temperature in real time [3].

В последние десятилетия активно разрабатывают акустические методы и технические средства для решения этой задачи. In recent decades, acoustic methods and technical means have been actively developed to solve this problem.

Исходя из сказанного, актуальной является задача одновременного применения в одном аппаратном комплексе технологий как терапевтического, так и диагностического ультразвука. Based on the above, the task of simultaneous use of both therapeutic and diagnostic ultrasound technologies in one hardware complex is urgent.

В целом результаты значительного числа исследований по ультразвуковой гипертермии опухолей позволяют сделать следующие выводы:In general, the results of a significant number of studies on ultrasound hyperthermia of tumors allow us to draw the following conclusions:

1. Ультразвук может эффективно прогревать глубоко расположенные ткани без существенного перегрева поверхностных тканей. Противоопухолевая эффективность локальной ультразвуковой гипотермии, по данным научной литературы, скорее выше, чем при использовании других гипертермических методов.1. Ultrasound can effectively heat deep-lying tissues without significant overheating of superficial tissues. The antitumor effectiveness of local ultrasonic hypothermia, according to the scientific literature, is rather higher than when using other hyperthermic methods.

2. Ультразвук может быть сфокусирован в любом ограниченном по размерам участке мягких биологических, в том числе опухолевых тканей. С его помощью можно создавать в глубоких тканях достаточно равномерные температурные распределения в областях объемом до 100-150 см³. При этом большое значение приобретают вопросы тщательного контроля температуры в различных участках опухоли.2. Ultrasound can be focused in any limited area of soft biological tissue, including tumor tissue. With its help, it is possible to create fairly uniform temperature distributions in deep tissues in areas with a volume of up to 100-150 cm ³ . In this case, issues of careful temperature control in different areas of the tumor become of great importance.

3. Ультразвук является неионизирующим излучением. В литературе отсутствуют данные, что при его использовании в гипертермии опухолей наблюдаются серьезные побочные эффекты типа метастазирования опухолей, иммунологических нарушений, изменение митотического индекса и т.п.3. Ultrasound is non-ionizing radiation. There is no data in the literature that when used in tumor hyperthermia, serious side effects such as tumor metastasis, immunological disorders, changes in the mitotic index, etc. are observed.

4. Коэффициент поглощения ультразвука в опухолевых тканях больше, чем в нормальных. Это означает, что, при прочих равных условиях, опухолевая ткань при действии ультразвука нагревается больше, чем нормальная. Это обстоятельство оказывается существенным при воздействии на большую опухоль, когда особенно важно прогреть ее центральную часть, которая не поддается химиотерапии из-за плохого кровотока и обычно является радиоустойчивой.4. The absorption coefficient of ultrasound in tumor tissues is greater than in normal tissues. This means that, other things being equal, tumor tissue heats up more than normal tissue under the influence of ultrasound. This circumstance turns out to be significant when affecting a large tumor, when it is especially important to warm up its central part, which is not amenable to chemotherapy due to poor blood flow and is usually radioresistant.

5. Механизмы противоопухолевых эффектов ультразвука могут быть связаны не только с его чисто тепловым действием, но и с нетермическими эффектами: механическим действием, повышением проницаемости клеточных мембран, действием микропотоков и т.д.5. The mechanisms of the antitumor effects of ultrasound can be associated not only with its purely thermal effect, but also with non-thermal effects: mechanical action, increasing the permeability of cell membranes, the action of microflows, etc.

6. Совместное использование ультразвука с радиационной терапией и особенно с химиотерапией приводит к выраженному синергизму между этими видами воздействия. Повышения действия химиотерапии может быть обусловлено увеличением проницаемости клеточных мембран под действием ультразвука.6. The combined use of ultrasound with radiation therapy and especially with chemotherapy leads to a pronounced synergy between these types of effects. The increased effect of chemotherapy may be due to an increase in the permeability of cell membranes under the influence of ultrasound.

7. Ультразвуковая аппаратура для гипертермии опухолей относительно проста и недорога. Принципиально она может быть совмещена с ультразвуковой техникой для визуализации тканей организма, в частности опухолей. При этом гипертермическая процедура может проводиться с помощью одной и той же акустической системы в два этапа: поиск опухоли в контрольно-диагностическом режиме и ее нагрев в режиме активного воздействия за счет использования фокусированного ультразвука.7. Ultrasound equipment for tumor hyperthermia is relatively simple and inexpensive. In principle, it can be combined with ultrasound technology to visualize body tissues, in particular tumors. In this case, the hyperthermic procedure can be carried out using the same acoustic system in two stages: searching for a tumor in the control and diagnostic mode and heating it in the active mode using focused ultrasound.

За последние десятилетия применение фокусированного ультразвука высокой интенсивности стало одним их наиболее эффективных и быстро развивающихся направлений медицинской физики [6]. Наиболее часто для фокусирования ультразвука используются одиночные пьезокерамические преобразователи, представляющие собой по форме часть сферической оболочки. Такие излучатели относительно просты, дешевы и несложны в изготовлении, что, несомненно, следует признать их большим достоинством. Однако их недостатком является фиксированное фокусное расстояние и, как следствие, относительно невысокая гибкость использования.Over the past decades, the use of high-intensity focused ultrasound has become one of the most effective and rapidly developing areas of medical physics [6]. Most often, single piezoceramic transducers, which are shaped like part of a spherical shell, are used to focus ultrasound. Such emitters are relatively simple, cheap and easy to manufacture, which, undoubtedly, should be recognized as their great advantage. However, their disadvantage is a fixed focal length and, as a result, relatively low flexibility of use.

Заметное преимущество в этом плане имеют ультразвуковые фазированные решетки, которые обеспечивают электронное динамическое фокусирование, т.е. возможность изменять местоположение области воздействия без перемещения самой решетки, и, что, возможно, еще более важно, позволяют создавать одновременно несколько фокусов.A noticeable advantage in this regard is ultrasonic phased arrays, which provide electronic dynamic focusing, i.e. the ability to change the location of the affected area without moving the grating itself, and, perhaps more importantly, allow multiple focuses to be created simultaneously.

Важным фактором является возможность точного контроля процедуры. В настоящее время это осуществляется двумя путями: ультразвуковым мониторингом в реальном времени или с помощью МРТ. При использовании для контроля МРТ ориентация осуществляется с помощью температурного картирования, которое может быть эффективно использовано при соблюдении условия неподвижности облучаемого объекта. An important factor is the ability to accurately control the procedure. Currently this is done in two ways: real-time ultrasound monitoring or MRI. When used for MRI control, orientation is carried out using temperature mapping, which can be effectively used if the condition of immobility of the irradiated object is observed.

При ультразвуковом наведении диагностический датчик располагается внутри или рядом с терапевтическим излучателем для четкой визуализации зоны абляции. И, несмотря на то, что МРТ дает лучшую визуальную картину, ультразвук, безусловно, имеет преимущества по стоимости и доступности, меньшим временным затратам, возможности регистрации изменений в очаге в режиме реального времени. With ultrasound guidance, the diagnostic probe is positioned within or adjacent to the therapeutic emitter to clearly visualize the ablation area. And, despite the fact that MRI gives a better visual picture, ultrasound certainly has advantages in cost and availability, less time, and the ability to record changes in the lesion in real time.

Как отмечено выше, наиболее перспективным направлением в развитии медицинской ультразвуковой техники является комплексное использование диагностических и терапевтических возможностей ультразвука, сконцентрированных технически в одном приборе. В настоящее время широкое распространение в медицинской практике получило раздельное использование диагностического прибора УЗ и излучателя HIFU. Типичным отражением такого подхода является конструкция, описанная в ЕР 2638932. Однако понимание преимуществ объединения ультразвуковой диагностики и терапии в одном устройстве стимулировало творческую активность ученых и изобретателей, которая привела к появлению значительного количества оригинальных идей в рассматриваемом направлении. Идеологическая основа комплексного ультразвукового прибора может быть продемонстрирована конструкцией, описанной в патенте RU 2644932, особенностью которой, как и подавляющего числа аналогичных комплексных приборов, является соосное размещение диагностического ультразвукового датчика и излучателя HIFU в одном корпусе. Следует отметить, что практическая медицина начинает освоение первых промышленно выпускаемых образцов. Научно-технический прогресс в создании комплексного ультразвукового прибора сделал актуальным дальнейшее совершенствование ультразвуковой медицинской техники, в частности, в направлении синтеза комплексного прибора HIFU с роботизированной системой. Такое сочетание выглядит перспективным, учитывая огромные достижения такой области науки, как мехатроника, органично соединяющей механические системы, например, роботы с последними достижениями электроники, результатом чего является создание интеллектуальных машин, способных осуществлять самостоятельно даже сложные хирургические операции. В этом плане наметилась отчетливая тенденция, заключающаяся в оснащении роботов ультразвуковыми комплексными приборами, предназначенными для решения целого ряда медицинских проблем, в частности, требующих неинвазивного хирургического вмешательства.As noted above, the most promising direction in the development of medical ultrasound technology is the integrated use of diagnostic and therapeutic capabilities of ultrasound, technically concentrated in one device. Currently, the separate use of an ultrasound diagnostic device and a HIFU emitter has become widespread in medical practice. A typical reflection of this approach is the design described in EP 2638932. However, understanding the advantages of combining ultrasound diagnostics and therapy in one device stimulated the creative activity of scientists and inventors, which led to the emergence of a significant number of original ideas in this direction. The ideological basis of a complex ultrasound device can be demonstrated by the design described in patent RU 2644932, a feature of which, like the vast majority of similar complex devices, is the coaxial placement of a diagnostic ultrasound sensor and a HIFU emitter in one housing. It should be noted that practical medicine is beginning to develop the first industrially produced samples. Scientific and technological progress in the creation of a complex ultrasound device has made it urgent to further improve ultrasound medical equipment, in particular, in the direction of synthesizing a complex HIFU device with a robotic system. This combination looks promising, given the enormous achievements of such a field of science as mechatronics, which organically connects mechanical systems, for example, robots with the latest advances in electronics, resulting in the creation of intelligent machines capable of independently performing even complex surgical operations. In this regard, a clear trend has emerged in which robots are equipped with ultrasonic complex devices designed to solve a number of medical problems, in particular those requiring non-invasive surgical intervention.

Таким образом, в качестве прототипа заявляемой полезной модели выбрана конструкция медицинского робота, снабженного комплексом ультразвукового диагностического и терапевтического оборудования, описанная в патенте US 20050154431. Робот снабжен «контроллером терапии», отвечающим за планирование, координацию и выполнение медицинских процедур. Контроллер представляет собой компьютерное устройство с достаточными аппаратными и программными ресурсами для обеспечения, управления и контроля всей системы робота, а именно, контроль терапевтической головки излучателя энергии и механики робота. Под терапевтической головкой понимается корпус для размещения всех технических средств, имеющих отношение к аппликатору энергии (излучателю). Система 10 (робототехническая система) имеет сканирующую головку 500, которая включает в себя излучатель энергии (излучатель HIFU) и резервуар для жидкости. (Примечание: при описании прототипа использованы номера позиций отдельных узлов и деталей, указанные в патенте). Система 10 имеет средство для подвешивания сканирующей головки 500 в виде рычага 20. Вес механической части робота с учетом веса головки 500 позволяет вручную перемещать эту головку в пространстве или эту операцию можно осуществлять путем использования робота под контролем компьютера 400, являющегося в роботе интеллектуальным устройством. Роботизированная система 10 имеет основание 100, снабженное опорами качения. Плечи робота (звенья) соединяются между собой с помощью шарниров, сопряженных с электроприводами. Сканирующая головка 500 представляет собой корпус, внутри которого размещены излучатель энергии и другие дополнительные устройства. Терапевтическая головка выполнена в виде перевернутой чашки или колокола, имеющего камеру с отверстием в нижней части головки. Камера разделена на две секции, образуя верхнюю и нижнюю камеры, с уплотнением между ними. Верхняя из камер содержит такие электронные и моторные приводы, которые необходимы для манипуляции и управления излучателем HIFU. Нижняя камера содержит собственно излучатель HIFU, жидкость для ультразвуковой связи и датчики, определяющие правильность работы роботизированной системы. Система дегазации находится в основании 100, но имеет контур 712 для жидкости, которая проходит к нижней камере 502. Корпус излучателя шарнирно сопряжен с последним звеном робота. Терапевтическая головка 50 содержит моторные приводы 508 и 510 для перемещения излучателя HIFU внутри камеры. Приводы в виде электродвигателей соединены через редуктор с парой ходовых шатунов 520 и 528, которые, в свою очередь, перемещают пару исполнительных механизмов в виде подвижных тяг, снабженных прорезями, движущихся вдоль направляющих стержней, несущих излучатель HIFU. По мере того, как ходовые шатуны вращаются в ответ на вращение электродвигателей, исполнительные механизмы переносят излучатель по всему диапазону перемещения подвижных тяг. Робот имеет систему дегазации, предназначенную для удаления газа из раствора, который выполняет и функцию охлаждения излучателя, создавая для последнего благоприятные рабочие условия. Терапевтическая головка 500 включает в себя многочисленные датчики, расположенные снаружи нижней камеры и обеспечивающие безопасные условия работы головки. Основу чувствительной системы головки составляют сенсорные и тактильные датчики. Последние работают в сочетании с устройством измерения нагрузки, которая используется для поддержания контакта терапевтической головки с телом пациента. Устройство нагрузки является частью механизма генерирования силы руки робота достаточной, чтобы поддержать терапевтическую головку в постоянном контакте с поверхностью кожи пациента. Излучатель HIFU имеет диагностический ультразвуковой элемент, используемый для сканирования внутренних тканей пациента. Сканер центрирован для просмотра фокальной зоны излучателя HIFU и может работать в режиме циклического или непрерывного сканирования. Излучатель HIFU образован множеством отдельных излучателей, объединенных в одно устройство и работающих совместно во время лечебной процедуры. Сканирующая головка соединяется вместе с пациентом с помощью ультразвукового связующего агента, который может быть представлен специальным акустическим гелем, или жидкостью, циркулирующей внутри головки. Thus, the design of a medical robot equipped with a set of ultrasound diagnostic and therapeutic equipment, described in US patent 20050154431, was selected as a prototype of the proposed utility model. The robot is equipped with a “therapy controller” responsible for planning, coordinating and performing medical procedures. The controller is a computer device with sufficient hardware and software resources to provide, control and monitor the entire robot system, namely, control of the therapeutic head of the energy emitter and the mechanics of the robot. The therapeutic head is understood as a housing for housing all technical means related to the energy applicator (emitter). The system 10 (robotic system) has a scanning head 500, which includes an energy emitter (HIFU emitter) and a fluid reservoir. (Note: when describing the prototype, the position numbers of individual components and parts specified in the patent were used). The system 10 has a means for suspending the scanning head 500 in the form of a lever 20. The weight of the mechanical part of the robot, taking into account the weight of the head 500, allows the head to be manually moved in space, or this operation can be carried out by using the robot under the control of a computer 400, which is an intelligent device in the robot. The robotic system 10 has a base 100 provided with rolling bearings. The robot's arms (links) are connected to each other using hinges coupled to electric drives. The scanning head 500 is a housing containing an energy emitter and other additional devices. The therapeutic head is made in the form of an inverted cup or bell, which has a chamber with a hole in the lower part of the head. The chamber is divided into two sections, forming an upper and lower chamber, with a seal between them. The upper chamber contains the electronic and motor drives necessary to manipulate and control the HIFU emitter. The lower chamber contains the actual HIFU emitter, ultrasonic communication fluid and sensors that determine the correct operation of the robotic system. The degassing system is located in the base 100, but has a fluid circuit 712 that passes to the lower chamber 502. The emitter body is hinged to the last link of the robot. The therapy head 50 includes motor drives 508 and 510 for moving the HIFU emitter within the chamber. The drives in the form of electric motors are connected through a gearbox to a pair of connecting rods 520 and 528, which, in turn, move a pair of actuators in the form of movable rods equipped with slots moving along guide rods carrying the HIFU emitter. As the connecting rods rotate in response to the rotation of the electric motors, the actuators move the transmitter across the entire range of motion of the moving rods. The robot has a degassing system designed to remove gas from the solution, which also performs the function of cooling the emitter, creating favorable working conditions for the latter. The therapy head 500 includes multiple sensors located outside the lower chamber to ensure safe operating conditions for the head. The basis of the sensitive system of the head is made up of touch and tactile sensors. The latter work in combination with a load measuring device, which is used to maintain contact of the therapeutic head with the patient's body. The load device is part of the mechanism to generate enough force in the robot's arm to maintain the therapy head in constant contact with the patient's skin surface. The HIFU emitter has a diagnostic ultrasound element used to scan the patient's internal tissues. The scanner is centered to view the focal area of the HIFU emitter and can operate in cyclic or continuous scanning mode. The HIFU emitter is formed by many individual emitters combined into one device and working together during the treatment procedure. The scanning head is connected to the patient using an ultrasonic coupling agent, which can be a special acoustic gel or a liquid circulating inside the head.

Недостатком прототипа является то, что функция манипулирования излучателем HIFU, другими словами, перемещение фокуса, полностью возложена на конструкцию терапевтической головки. Для этого последняя снабжена совокупностью электронных и моторных приводов, которые посредством редуктора с парой ходовых шатунов кинематически связаны с подвижными тягами, снабженными прорезями, которые движутся вдоль направляющих стержней, несущих излучатель HIFU. При вращении двигателя моторного привода ходовые шатуны активируют исполнительный механизм, который переносит излучатель HIFU в определенное положение по всему диапазону подвижных тяг. Таким образом, манипулирование излучателем HIFU осуществляется сложным по конструкции механизмом с использованием различного рода приводов и взаимодействующих друг с другом механических узлов и деталей.The disadvantage of the prototype is that the function of manipulating the HIFU emitter, in other words, moving the focus, is entirely assigned to the design of the therapeutic head. For this purpose, the latter is equipped with a set of electronic and motor drives, which, through a gearbox with a pair of running connecting rods, are kinematically connected to movable rods equipped with slots that move along the guide rods carrying the HIFU emitter. When the motor drive motor rotates, the connecting rods activate an actuator that moves the HIFU emitter to a specific position across the entire range of moving rods. Thus, the HIFU emitter is manipulated by a mechanism of complex design using various types of drives and mechanical components and parts interacting with each other.

Таким образом, задачей полезной модели является упрощение конструкции терапевтической головки, предназначенной для термической абляции биологических тканей методом HIFU.Thus, the objective of the utility model is to simplify the design of a therapeutic head intended for thermal ablation of biological tissues using the HIFU method.

Поставленная задача решается за счет того, что в терапевтической головке для термической абляции биологических тканей методом HIFU, содержащей корпус, выполненный в виде колокола, в полости которого установлен излучатель HIFU, включающий одиночные пьезокерамические преобразователи и разделяющий полость на две секции - верхнюю и нижнюю, последняя из которых заполнена специальным акустическим гелем и перекрыта упругоэластичной мембраной, излучатель выполнен в виде мембраны из упругоэластичного материала, на которой закреплены пьезокерамические преобразователи, а верхняя секция корпуса заполнена магнитной жидкостью и с внешней её стороны установлен кольцеобразный электромагнит, при этом привод перемещения мембраны излучателя представляет собой гидроцилиндр, сообщающийся с полостью верхней секции и заполненный частично магнитной жидкостью, причём мембрана, перекрывающая нижнюю секцию, выполнена в виде ёмкости, заполненной акустическим гелем, и торец корпуса, находящийся в ёмкости, выполнен с вырезами, обеспечивающими переток геля между полостью верхней секции и ёмкостью в рабочем положении.The problem is solved due to the fact that in the therapeutic head for thermal ablation of biological tissues using the HIFU method, containing a body made in the form of a bell, in the cavity of which a HIFU emitter is installed, including single piezoceramic transducers and dividing the cavity into two sections - upper and lower, the latter of which is filled with a special acoustic gel and covered with an elastic membrane, the emitter is made in the form of a membrane made of elastic material, on which piezoceramic transducers are fixed, and the upper section of the housing is filled with magnetic fluid and a ring-shaped electromagnet is installed on its outer side, while the drive for moving the emitter membrane is a hydraulic cylinder communicating with the cavity of the upper section and partially filled with magnetic fluid, wherein the membrane covering the lower section is made in the form of a container filled with acoustic gel, and the end of the body located in the container is made with cutouts that ensure the flow of gel between the cavity of the upper section and the container in working position.

Технический результат полезной модели состоит в значительном упрощении конструкции терапевтической головки, в которой практически отсутствуют электронные и моторные привода, а также механические системы манипулирования излучателем HIFU. Все перечисленные привода и система заменены на обычный гидравлический привод, который дополнен средством воздействия на магнитную жидкость, выполненным в виде электромагнита, а излучатель HIFU выполнен из упругоэластичного материала.The technical result of the utility model is a significant simplification of the design of the therapeutic head, in which there are practically no electronic and motor drives, as well as mechanical systems for manipulating the HIFU emitter. All of the listed drives and the system have been replaced with a conventional hydraulic drive, which is supplemented with a means of influencing the magnetic fluid, made in the form of an electromagnet, and the HIFU emitter is made of elastic material.

На чертеже, прилагаемом к описанию полезной модели, представлено схематическое изображение терапевтической головки для термической абляции биологических тканей методом HIFU.The drawing attached to the description of the utility model shows a schematic representation of a therapeutic head for thermal ablation of biological tissues using the HIFU method.

Терапевтическая головка для термической абляции биологических тканей методом HIFU содержит корпус 1 в форме колокола, в полости которого установлен излучатель HIFU 2, несущий одиночные пьезокерамические преобразователи 3, и выполненный в виде дискообразной мембраны 4 из упругоэластичного материала, например, силикона, снабжённой по внешнему контуру несущим кольцом 5 с внутренней арматурой 6 для придания этому кольцу необходимого уровня жёсткости. Мембрана 4 разделяет полость корпуса 1 на две секции - верхнюю - 7 и нижнюю - 8. Корпус 1 выполнен сборным из двух частей, верхней - 9, которая содержит секцию 7, и нижней - 10, содержащей секцию 8, при этом излучатель HIFU расположен на стыке между обеими частями. Часть 10 имеет форму усечённого конуса, меньшее основание которого перекрыто мембраной, выполненной из упругоэластичного материала, например, латекса, резины и т.п., и представляющей собой ёмкость 11 (пакет, мешок), дополняющей собой объём секции 8 нижней части 10 корпуса 1 и закреплённую на горловине меньшего основания конуса. Торцовая часть 12 меньшего основания по окружности выполнена с вырезами 13, имеющими, например, треугольную форму. Секция 8 корпуса 1, как и ёмкость 11, заполнена специальным акустическим гелем, а секция 7 заполнена магнитной жидкостью, обладающей аномальным свойством под воздействием постоянного магнитного поля, заключающемся в изменении агрегатного состояния от жидкого до близкого к твёрдому (С. Такетоми, С. Тикадзуми, Магнитные жидкости, Мир, 1993 г.). В качестве привода перемещения мембраны 4 излучателя 2 использован гидравлический привод, основой которого является цилиндр 14, установленный на части 9 корпуса 1 и сообщающийся с полостью секции 7 через отверстие 15. Шток 16 поршня 17 выведен наружу, где его часть выполнена в виде зубчатой рейки, взаимодействующей с зубчатым колесом 18, смонтированным на выходном валу электродвигателя 19. Величина перемещения поршня в рабочем состоянии фиксируется, например, с помощью электромагнитного датчика, представленного катушкой 20 и наконечником 21 из ферромагнитного материала. Следует отметить, что магнитная жидкость, заполняющая секцию 7 и частично подпоршневую полость цилиндра 14, не должна содержать пузырьков воздуха. То же самое относится и к акустическому гелю, заполняющему секцию 8 и ёмкость 11. Вокруг части 9 корпуса 1 установлен кольцеобразный электромагнит 22, связанный с источником постоянного электрического тока, который является средством воздействия на магнитную жидкость с целью изменения её агрегатного состояния. Средства управления работой терапевтической головкой, в том числе автоматизация этого процесса, в настоящем описании на рассматриваются, так как не являются составляющей частью головки, влияющей на её технический результат.The therapeutic head for thermal ablation of biological tissues using the HIFU method contains a bell-shaped body 1, in the cavity of which a HIFU 2 emitter is installed, carrying single piezoceramic transducers 3, and made in the form of a disk-shaped membrane 4 made of elastic material, for example, silicone, equipped with a carrier along the outer contour ring 5 with internal reinforcement 6 to give this ring the required level of rigidity. Membrane 4 divides the cavity of housing 1 into two sections - upper - 7 and lower - 8. Housing 1 is made of two parts, upper - 9, which contains section 7, and lower - 10, containing section 8, while the HIFU emitter is located on the junction between both parts. Part 10 has the shape of a truncated cone, the smaller base of which is covered with a membrane made of elastic material, for example, latex, rubber, etc., and which is a container 11 (package, bag), complementing the volume of section 8 of the lower part 10 of body 1 and fixed to the neck of the smaller base of the cone. The end part 12 of the smaller base along the circumference is made with cutouts 13, having, for example, a triangular shape. Section 8 of housing 1, like container 11, is filled with a special acoustic gel, and section 7 is filled with magnetic fluid, which has an anomalous property under the influence of a constant magnetic field, which consists in changing the state of aggregation from liquid to close to solid (S. Taketomi, S. Chikazumi , Magnetic fluids, World, 1993). As a drive for moving the membrane 4 of the emitter 2, a hydraulic drive is used, the basis of which is a cylinder 14 installed on part 9 of the housing 1 and communicating with the cavity of section 7 through hole 15. The rod 16 of the piston 17 is brought out, where its part is made in the form of a gear rack, interacting with a gear 18 mounted on the output shaft of the electric motor 19. The amount of movement of the piston in operating condition is recorded, for example, using an electromagnetic sensor represented by a coil 20 and a tip 21 made of ferromagnetic material. It should be noted that the magnetic fluid filling section 7 and partially the sub-piston cavity of the cylinder 14 should not contain air bubbles. The same applies to the acoustic gel filling section 8 and container 11. Around part 9 of housing 1 there is a ring-shaped electromagnet 22 connected to a source of direct electric current, which is a means of influencing the magnetic fluid in order to change its state of aggregation. The means for controlling the operation of the therapeutic head, including automation of this process, are not discussed in this description, since they are not an integral part of the head that affects its technical result.

Используют терапевтическую головку следующим образом. На поверхность объекта термической абляции, представленного на чертеже позицией А, предварительно наносят слой акустического геля, на который устанавливают терапевтическую головку с выключенными излучателем HIFU 2 и электромагнитом 22, причём таким образом, что излишки акустического геля в ёмкости 11 оказываются вытесненными за пределы части 10 корпуса 1. В это время магнитная жидкость в секции 7 части 9 корпуса 1 находится в жидком состоянии, а мембрана 4 представляет собой плоский диск. Воздействием на электродвигатель 19 перемещают поршень 17 вверх, что вызывает частичное перетекание магнитной жидкости из секции 7 в пространство гидроцилиндра под поршнем 17. Действие атмосферного давления на акустический гель, наполняющий ёмкость 11, сообщающуюся через вырезы 13 с полостью секции 8, которая также заполнена гелем, вызовет перемещение мембраны 4 и придание ей сферической формы, соответствующей определённому фокусному расстоянию. Таким образом, перемещение поршня 17, вызывающее согласующиеся перетоки магнитной жидкости из секции 7 в цилиндр 14, а акустического геля из ёмкости 11 в секцию 8, способно изменять радиус кривизны, создаваемой сферической поверхностью мембраны 4, что означает возможность перемещения фокуса излучателя HIFU 2 в пределах биологического объекта А. Фиксация фокуса при его различных положениях осуществляется включением в работу электромагнита 22, магнитное поле которого, воздействуя на магнитную жидкость, переводит последнюю из текучего состояния в практически твёрдое, располагая мембрану 4 как бы на твёрдом основании без возможности какого либо колебания и перемещения. В этот момент в работу включаются пьезокерамические преобразователи, осуществляющие процесс абляции.The therapeutic head is used as follows. A layer of acoustic gel is first applied to the surface of the thermal ablation object, represented in the drawing by position A, on which a therapeutic head is installed with the HIFU 2 emitter and electromagnet 22 turned off, and in such a way that the excess acoustic gel in the container 11 is forced out of the housing part 10 1. At this time, the magnetic fluid in section 7 of part 9 of housing 1 is in a liquid state, and membrane 4 is a flat disk. By acting on the electric motor 19, the piston 17 is moved upward, which causes a partial flow of magnetic fluid from section 7 into the space of the hydraulic cylinder under the piston 17. The action of atmospheric pressure on the acoustic gel filling the container 11, which communicates through the cutouts 13 with the cavity of section 8, which is also filled with gel, will cause the membrane 4 to move and give it a spherical shape corresponding to a certain focal length. Thus, the movement of the piston 17, causing consistent flows of magnetic fluid from section 7 into cylinder 14, and acoustic gel from container 11 into section 8, can change the radius of curvature created by the spherical surface of the membrane 4, which means the focus of the HIFU 2 emitter can move within biological object A. Fixation of the focus in its various positions is carried out by turning on the electromagnet 22, the magnetic field of which, acting on the magnetic fluid, transfers the latter from a fluid state to an almost solid one, placing the membrane 4 as if on a solid base without the possibility of any vibration or movement . At this moment, piezoceramic transducers are activated, carrying out the ablation process.

Claims

Therapeutic head for thermal ablation of biological tissues using the HIFU method, containing a body made in the form of a bell, in the cavity of which a HIFU emitter is installed, including single piezoceramic transducers and dividing the cavity into two sections - upper and lower, the latter of which is filled with acoustic gel and covered with an elastic membrane , characterized in that the emitter is made in the form of a membrane made of elastic material, on which piezoceramic transducers are fixed, and the upper section of the housing is filled with magnetic fluid and a ring-shaped electromagnet is installed on its outer side, while the drive for moving the emitter membrane is a hydraulic cylinder communicating with the cavity of the upper section and partially filled with magnetic fluid, wherein the membrane covering the lower section is made in the form of a container filled with acoustic gel, and the end of the housing located in the container is made with cutouts that ensure the flow of gel between the cavity of the upper section and the container in the operating position.