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CN104027131A - 导引穿刺用的超音波探头 - Google Patents

导引穿刺用的超音波探头 Download PDF

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CN104027131A
CN104027131A CN201310213656.7A CN201310213656A CN104027131A CN 104027131 A CN104027131 A CN 104027131A CN 201310213656 A CN201310213656 A CN 201310213656A CN 104027131 A CN104027131 A CN 104027131A
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puncture needle
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张寅�
陈景欣
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Abstract

本发明公开了一种导引穿刺用的超音波探头系在该探头结构中心处设有一信道，并且该信道直径为穿刺针的外径，当穿刺针经此中心通道进行穿刺时，不管是穿刺前或穿刺中，通道周围的压电换能器都可实时接收组织的超音波回波讯号，通过回波讯号的强弱来辨识出骨组织与非骨组织，用以导引穿刺针来避开骨组织。

Description

导引穿刺用的超音波探头
技术领域
本发明涉及一种利用压电换能器的操作频率、曲率半径与孔径来决定侦测范围区域的超音波探头。
背景技术
目前穿刺手术广泛应用于临床，例如麻醉(anesthesia)、止痛(analgesia)、切片检查(biopsy)、抽吸(aspiration)等等。对于穿刺部位(site)处于骨组织附近的状况，医师经常凭借其专业训练与临床经验将穿刺针避开骨组织，然而，此种肉眼看不到穿刺过程的方法(blind process)会造成穿刺针扎伤骨组织的案例。
近年来，使用超音波影像导引穿刺针的技术开始应用于临床。早期，医生通过两手操作穿刺针，需再请另一助手操作超音波探头，以撷取所要的组织影像，整个穿刺过程医师操作不便以及耗时。随后发展为医生单手拿着超音波探头，另一只手(惯用手)进行穿刺，然而，一旦非惯用手对超音波探头控制不佳或是疲劳造成探头移动，则会导致影像必须重新寻找及穿刺针滞留于体内过久的问题，甚至于造成穿刺针刺到骨组织，致使病患疼痛。因此，虽然有超音波影像导引，但是医师仍需要高难度的操作技术，即可能造成穿刺手术失败。
另外，目前用于导引穿刺手术的市售超音波系统有GE LOGIQ e、Philips HD11XE、SonoSite MicroMaxx、Zonare Medical Systems z.one ultra等等，然而，这些系统中的超音波探头并未与穿刺针整合，而是各自独立操作的组件，依然存在医师操作不便、耗时与穿刺手术失败等问题。再者，单纯针对穿刺针避开骨组织的应用，市售的超音波影像系统明显是杀鸡用牛刀，成本相对提高。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种超音波探头。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种超音波探头，至少包括：一超音波探头，其中心处设有一空心通道；一穿刺针，穿插到超音波探头的空心信道内；至少两个压电换能器，环绕着空心通道来排列；并且利用各个压电换能器的焦区宽度与操作频率来决定该超音波探头的侦测范围区域。
本发明的超音波探头其特点在于探头结构与穿刺针作整合，进而达成医师方便操作超音波探头侦测骨组织且同步导引穿刺针的目的。侦测骨组织原理乃使用超音波A模式(A-mode方式，通过骨组织与其他组织之间回波讯号强度明显的差异达到辨识效果。
本发明的优势之一乃结合穿刺针的超音波探头设计。探头的几何中心因应穿刺针之外径而设计一个适当的通道，以利穿刺针进出。探头的外型设计为手持式且重量轻，易于医师掌控。
本发明的另一个优势为A-mode超音波探头操作相对简易，而且探头产生与接收超音波的换能器与后端系统相对低成本。
本发明另一个优势则是超音波探头包含至少两种不同焦长(focal length)、孔径(aperture diameter)与操作频率(operation frequency)的压电换能器(piezoelectrical transducers)，依据穿刺部位邻近骨组织的结构与分布，可以设计出最佳的焦长与频率。
本发明另一个优势是超音波探头利用具备生物兼容、耐高低温、耐酸碱腐蚀、高绝缘的材料进行真空镀膜封装，所以探头在经过手术用器械的标准灭菌处理后，其工作特性不受影响，且在穿刺手术完成后可与穿刺针一同抛弃。
其中本发明的技术特征与实施例，将配合图示在如下的实施方式中详细说明，让本发明所属技术领域中具有通常知识者，能了解其内容，并可据以实施。
附图说明
图1A为本发明探头中心的YZ平面剖面图。
图1B为本发明探头中心的XZ平面剖面图。
图1C为本发明探头中心的XY平面剖面图。
图2A为本发明压电换能器结构一的X’Y’平面剖面图。
图2B为本发明压电换能器结构一的Y’Z’平面剖面图。
图3A为本发明构造二探头中心的XZ或YZ平面剖面图。
图3B为本发明构造二探头中心的XY平面剖面图。
图3C为本发明压电换能器结构二的XZ或YZ平面剖面图。
图4A为本发明穿刺前的作用原理示意图。
图4B为本发明穿刺前的回波讯号示意图。
图5A为本发明穿刺中的作用原理示意图。
图5B为本发明穿刺中的回波讯号示意图。
【主要组件符号说明】
1超音波探头 2空心通道 3压电换能器 31、31’压电换能器一
311’焦区一 32、32’压电换能器二 321’焦区二 33压电换能器三
34压电换能器四 4穿刺针 5皮肤
具体实施方式
本发明的超音波探头有两种压电换能器构造与相对应的操作原理，将分别说明如下。
本发明的超音波探头1的探头中心为一贯穿探头的圆截面直线空心信道(circular straight hollow tunnel)2，如图1A及图1B所示，此空心通道2的直径大小D依据穿刺针的直径而设计。并且该超音波探头1内包括至少两个压电换能器(transducer)。本案的实施例，以四个压电换能器来做为说明，请同时参阅图1C所示。每个压电换能器均为圆形碗状(spherical bowl)构造，并且所有的压电换能器均环绕着空心信道2来排列，该排列方式为每个压电换能器的曲率中心均位在超音波探头1的O-Z中心在线，例如图1A及图1B所示的曲率半径为r1-r4的压电换能器一31、压电换能器二32、压电换能器三33及压电换能器四34。如此的排列设计可以确保每个压电换能器都能够撷取到在穿刺针前进的路径上最强的组织回波讯号。并且可以设计压电换能器的曲率半径与孔径(aperture diameter)来让超音波探头1能侦测出由浅而深的A-mode讯号，如图1A及图1B所示的压电换能器一31、压电换能器二32、压电换能器三33及压电换能器四34的曲率半径为r1<r2<r3<r4，因此该超音波探头1能侦测的深度范围为C1-C4。
请参阅图2A及图2B，以进一步说明本发明压电换能器3的设计。本发明的超音波探头1在O-Z深度方向的侦测范围，主要由各个压电换能器3的焦区宽度(width of the focal zone)所决定。压电换能器3的孔径为2ai，曲率半径为ri，则此压电换能器3的焦距與直徑的比值:f数(f-number)定义为ri/2ai。该压电换能器3的焦区宽度与f-number成正比关系，因此通过f-number来调整焦区宽度。然而，在增加焦区宽度同时，压电换能器3的侧向分辨率(lateralresolution)亦会被降低，可以通过操作频率与焦区长度(focal depth)成反比的关系来提高侧向分辨率。因此，本发明的超音波探头1可以经由设计数个不同的压电换能器3来调整深度方向的侦测范围，以符合不同的临床应用需求。
另一种压电换能器的构造如图3A及图3B所示，超音波探头1的探头中心仍是一贯穿探头的圆截面直线空心信道2，此空心通道2的直径大小D仍依据穿刺针的直径而设计。并且该超音波探头1内包含至少两个压电换能器(transducer)3。本案的实施例，以两个压电换能器3来做为说明。两个压电换能器3均为弯曲环形状(curved ring)构造，并且其曲率中心C1及C2均位于超音波探头1的O-Z中心线上，例如图3A所示的曲率半径为r1及r2的压电换能器一31’及压电换能器二32’。如此的排列设计可以确保每个压电换能器3都能够撷取到在穿刺针4前进的路径上最强的组织回波讯号。并且可以设计压电换能器3的操作频率、曲率半径与孔径来让超音波探头1能侦测出由浅而深的A-mode讯号。此构造的超音波探头能侦测的深度范围则由每个压电换能器3的焦区长度所决定，而且侧向分辨率由焦区宽度所决定。如图3C所示的焦区一311’及焦区二321’乃由压电换能器一31’及压电换能器二32’所产生，焦区一311’的长度与焦区二321’的长度分别为d1与d2，因此该超音波探头1能侦测的深度范围为d1+d2。
本发明的作用原理，请参阅图4A及图4B所示。在穿刺针4未插入皮肤5之前，医师可操作本发明的超音波探头1沿着Y或X方向移动，如图4A所示。通过组织回波讯号的强弱来辨识骨组织。当浅层骨组织与超音波探头1中心点距离dOA落在压电换能器一31或压电换能器二32可侦测的范围内时，最大组织回波讯号与超音波探头1在Y或X方向上位置的关系，会如图4B所示，Vp1与Vp2分别表示压电换能器一31与压电换能器二32侦测到最大的回波电压(peak amplitude of echo signal)。
另外，由图4B所示，当本发明的超音波探头1其O-Z中心线经过骨组织A时，回波讯号电压值相对高，此时医师可将超音波探头1往Y或X方向移动。当回波讯号电压降至相对低时，医师可继续同方向移动直到回波讯号电压变高，如此，医师可以获悉低回波讯号的范围进而辨识出在Y或X方向上非骨组织(non-bon)的区域。一旦确认非骨组织的区域，医师便开始进针。
当穿刺针4进入人体后，位于较深层的骨组织便由压电换能器三33或压电换能器四34来侦测其回波讯号，而进针的深度dON可由穿刺针4上的刻度来计算，医师可以通过dON值来确认当下该看压电换能器三33或压电换能器四34的回波讯号。当穿刺针4遇到如图5A所示的状况时，压电换能器三33或压电换能器四34侦测到最大的回波电压Vp3与Vp4会呈现相对高值。如图5B所示，当θX或θY为0度时，Vp3与Vp4相对高。此时，医师可将超音波探头1就Y轴或X轴进行旋转，当旋转角度θX或θY落在某一范围时，也就是超音波探头1的O-Z中心线未经过骨组织A与骨组织B时，Vp3与Vp4会呈现相对低值。此时医师可以继续进针以完成手术。以此类推，本发明可以设计不同的压电换能器来因应不同深度的穿刺手术，以辅助医师在进行穿刺手术时降低穿刺针4刺伤骨组织的事件发生。
本发明的换能器构造如图3A及图3B所示的作用原理与上述原理相似，皆可通过不同压电换能器的焦区大小来侦测距离皮肤深浅的骨组织。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种超音波探头，其特征在于包括：
一超音波探头，其中心处设有一空心通道；
一穿刺针，穿插到超音波探头的空心信道内；
至少两个压电换能器，环绕着空心通道来排列；
并且利用各个压电换能器的焦区大小与操作频率来决定超音波探头的侦测范围区域。
2.根据权利要求1所述的超音波探头，其特征在于，所述空心信道的直径大小依据穿刺针的直径而设计。
3.根据权利要求1所述的超音波探头，其特征在于，所述压电换能器的形状为圆形碗状或弯曲环状。
4.根据权利要求1所述的超音波探头，其特征在于，所述压电换能器的排列方式为各个压电换能器的曲率中心均位于超音波探头的中心线上。
5.根据权利要求3所述的超音波探头，其特征在于，圆形碗状压电换能器的侦测深度范围由焦区宽度所决定，而弯曲环状压电换能器的侦测深度范围由焦区长度所决定。
6.根据权利要求5所述的超音波探头，其特征在于，所述焦区宽度利用压电换能器焦距与直径的比值f数与操作频率来调整，该f数定义为ri/2ai，ri为压电换能器的曲率半径，2ai为压电换能器的孔径。
7.根据权利要求5所述的超音波探头，其特征在于，所述焦区长度利用f数与操作频率来调整。
8.根据权利要求3所述的超音波探头，其特征在于，圆形碗状压电换能器或弯曲环状压电换能器皆可通过提高操作频率来提升侧向分辨率。
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