基于回波的聚焦校正制造技术

用于使超声换能器聚焦的各种方法包括：引入位于至少一个目标区域附近的至少一个瞬态声反射器；针对至少一个目标区域生成多个超声处理；测量来自至少一个瞬态声反射器的超声处理中的每一个的反射信号；选择所测量的反射信号；以及至少部分地基于所选择的反射信号，调整与换能器元件中的至少一个相关联的参数值，以改善在目标区域处的超声焦点。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于回波的聚焦校正相关申请本申请要求于2018年12月18日提交的美国临时专利申请第62/781,258号的权益和优先权，其全部公开内容以引用方式并入本文中。
本专利技术通常涉及用于超声聚焦的系统和方法，并且更具体地，涉及使用超声回波进行聚焦。
技术介绍
聚焦超声(即，频率大于约20kHz的声波)可以用于对患者体内组织成像或进行治疗。例如，超声波可以用于涉及肿瘤消融的应用，从而消除对侵入性手术、靶向药物递送、血脑屏障控制、凝块溶解和其他外科手术的需要。在肿瘤消融期间，压电陶瓷换能器被放置在患者体外，但靠近要消融的组织(即，目标)。换能器将电子驱动信号转换为机械振动，从而发射声波。换能器可以与其他这样的换能器一起在几何形状上成形并定位，使得它们发射的超声能量在与目标组织区域相对应(或在目标组织区域内)的“焦点区”处共同形成聚焦波束。备选地或附加地，单个换能器可以由多个单独驱动的换能器元件形成，这些换能器元件各自的相位可以被独立控制。这种“相控阵”换能器利于通过调整换能器之间的相对相位将聚焦区转向不同的位置。如本文所使用，术语“元件”是指阵列中的单个换能器或单个换能器的可独立驱动的部分。磁共振成像(MRI)可以用于可视化患者和目标，从而引导超声波束。超声手术的无创性质对于脑肿瘤的治疗特别有吸引力。然而，人类颅骨一直是超声治疗临床实现的障碍。经颅超声手术的障碍包括强衰减和由颅骨形状、密度和声速的不规则引起的失真，这有助于破坏焦点和/或降低在空间上记录接收到的诊断信息的能力。为了克服与人类颅骨相关联的困难，一种常规方法测量由超声波束穿过颅骨的行进导致的相移，并且随后调整超声参数以解释至少部分由颅骨引起的像差(aberration)。例如，微创方法使用设计成用于将导管插入大脑的接收探针来测量由颅骨引起的幅度和相位失真。然而，导管插入仍然需要手术，这可能是痛苦的，并可能产生感染的风险。另一种完全无创的方法使用X射线计算机断层扫描(CT)图像，而不是接收探针，来预测由颅骨引起的波失真。然而，在实践中，单独计算相对相位可能不够精确，无法实现高质量聚焦。例如，当超声聚焦到大脑中以治疗肿瘤时，声学路径中的颅骨可能导致不易确定的像差。在这类情况下，治疗之前通常进行聚焦过程，其中在目标处或靠近目标生成超声焦点，测量聚焦的质量(例如，使用热成像或声辐射力成像(ARFI))，并且实验反馈用于调整换能器元件的相位以获得充分的聚焦质量。然而，前述聚焦过程可能需要大量时间，这可能使其不切实际或者至少对患者不方便。此外，在手术期间，超声能量不可避免地会沉积到目标周围的组织中，从而可能损害健康组织。虽然通过采用仅需要低声强度(例如，ARFI)的成像技术可以最小化治疗前超声处理的影响，但通常需要在治疗前限制超声处理数。估计由颅骨引起的波像差的另一种方法涉及在聚焦区中使用声反射器(例如，小团微泡)。通过将超声波发射到微泡并接收来自微泡的反射，可以确定与反射的超声波相关联的幅度和/或相位；基于此，可以调整换能器参数(例如，相移和/或幅度)以补偿至少部分由颅骨引起的像差。虽然这种方法可以有效地改善目标处的聚焦特性，但与来自其他反射器(诸如颅骨)的反射信号相比，来自声反射器的接收信号相对较弱。因此，精确提取和分析来自声反射器的相对较弱的反射可能具有挑战性，从而限制了该方法的适用性。因此，需要更精确和可靠的方式来在目标处产生高质量的超声焦点。
技术实现思路
本专利技术提供了用于利用一个或多个瞬态反射器(例如，一个或多个微泡)将超声波束通过非均匀介质聚焦到目标区域的系统和方法。在各种实施例中，瞬态声反射器被引入患者体内并到达目标区域附近。在一个实施例中，识别靠近目标区域(例如，距离小于5mm)或在目标区域处的多个超声处理位置；并且瞬态反射器被引入到识别的超声处理位置中的每一个附近(例如，距离小于5mm)。随后，超声换能器被激活以在识别的超声处理位置的每一个处顺序生成焦点，并且从与超声处理位置中的每一个相关联的瞬态反射器反射的信号可以由换能器元件和/或一个或多个声信号检测器测量。可选地，可以实施初始信号处理程序以从瞬态反射器(与诸如颅骨之类的背景反射器相对)选择所测量的反射信号。初始信号处理过程可以基于来自两次连续测量的反射信号的比较。例如，当两个连续测量的反射信号之间存在相对显著的变化时，这两个连续测量的反射信号可能来自瞬态反射器(因为瞬态反射器通常在两次测量之间的时间段期间演变/消散)。相反，在两次测量之间的时间段期间来自背景反射器的反射信号相对不变。如本文所使用，术语“瞬态反射器”是指在超声处理期间随时间消散或演变的声反射器，而术语“背景反射器”是指在超声处理期间不会显著消散或演变的声反射器。在各种实施例中，实施信号选择方法以基于反射信号之间的一致性来选择来自单个反射器的反射信号。在一个实施例中，定义了一致性函数，并且仅当一致性函数的值最大化或超过预定阈值时才认为反射信号具有充分的一致性。此后，可以用计算方式对其反射被确定为具有充分一致性的所有(或至少一些)瞬态声反射器进行移位以在单个位置重合，并且可以确定与重合位置处的移位的反射信号和/或未移位的反射信号相关联的幅度和/或相位。基于此，与测量反射信号的换能器元件相关联的幅度和/或相位可以被计算为与重合位置处的移位的反射信号和/或未移位的反射信号相关联的幅度和/或相位的平均值或加权平均值。与换能器元件相关联的幅度和/或相位反映了从元件到目标区域的不均匀组织的像差和传输。该过程可以在逐个元件的基础上执行，以便确定超声换能器的所有(或至少一些)元件的参数值(例如，幅度和/或相位)。随后，可以基于所确定的对应幅度和/或相位来激活超声换能器元件，从而在目标处生成具有最佳聚焦特性的焦点。此外，在一些实施例中，可以迭代地重复该过程以实现更好的聚焦，并且当聚焦质量不再改善或改变时停止。此外，可以可选地将瞬态声反射器的重合位置与使用一种或多种其他方法(例如，CT图像和/或物理模型)估计的超声处理位置进行比较。如果检测到差异，则可以用计算方式对重合位置进行移位以与使用其他方法估计的超声处理位置重合；并且可以相应地更新换能器元件的参数值。再次，随后可以基于对应的更新的参数值来激活换能器元件以在目标区域处生成具有最佳聚焦特性的超声焦点。如本文所使用，术语“聚焦”是指将声波束成形为在目标中具有期望的波束形状。在各种实施例中，期望的形状可以是被限制成目标形状的紧点、线点或共形点。因此，在第一方面，本专利技术涉及一种用于使超声换能器聚焦的系统。在各种实施例中，该系统包括：超声换能器，包括用于向至少一个目标区域提供超声处理的多个换能器元件；以及控制器，被配置成：(a)使换能器针对至少一个目标区域生成多个超声处理；(b)测量来自位于至少一个目标区域附近的至少一个瞬态声反射器的超声处理中的每一个的反射信号；(c)选择所测量的反射信号，以及(d)至少部分地基于所选择的反射信号，调整与换能器元件中的至少一个相关联的参数值，以改善在目标区域处的超声焦点。在一些实施例中，控制器还被配置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于使超声换能器聚焦的系统，所述系统包括：/n超声换能器，包括用于向至少一个目标区域提供超声处理的多个换能器元件；以及/n控制器，被配置成：/n(a)使所述换能器针对所述至少一个目标区域生成多个超声处理；/n(b)测量来自位于所述至少一个目标区域附近的至少一个瞬态声反射器的所述超声处理中的每一个的反射信号；/n(c)选择所测量的反射信号；以及/n(d)至少部分地基于所选择的反射信号，调整与所述换能器元件中的至少一个相关联的参数值，以改善在所述目标区域处的超声焦点。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181218 US 62/781,2581.一种用于使超声换能器聚焦的系统，所述系统包括：
超声换能器，包括用于向至少一个目标区域提供超声处理的多个换能器元件；以及
控制器，被配置成：
(a)使所述换能器针对所述至少一个目标区域生成多个超声处理；
(b)测量来自位于所述至少一个目标区域附近的至少一个瞬态声反射器的所述超声处理中的每一个的反射信号；
(c)选择所测量的反射信号；以及
(d)至少部分地基于所选择的反射信号，调整与所述换能器元件中的至少一个相关联的参数值，以改善在所述目标区域处的超声焦点。


2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置成在调整与所述换能器元件中的至少一个相关联的至少一个参数值之后重复(a)-(d)。


3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置成从两次连续测量中选择反射信号，并且比较所选择的反射信号。


4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述比较与通过从与第一组连续测量相关联的第一反射信号中减去与所述第一组连续测量相关联的第一背景信号而生成的第一处理信号相对应。


5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器还被配置成：
通过从与第二组连续测量相关联的第二反射信号中减去与所述第二组连续测量相关联的第二背景信号来生成第二处理信号；以及
至少部分地基于所述第一处理信号与所述第二处理信号的幅度比来选择所述反射信号。


6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器还被配置成在确定所述比超过预定阈值时选择减后得到的第一处理信号。


7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述控制器还被配置成：确定与所述第一处理信号相关联的幅度、行进时间或相位中的至少一个，并且至少部分地基于所确定的幅度和/或相位和/或行进时间来调整与所述换能器元件中的所述至少一个相关联的所述参数值。


8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置成：
选择所测量的反射信号中的每一个的至少一部分；以及
比较来自两次连续测量的所述反射信号的所选择的部分。


9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制器还被配置成至少部分地基于所述换能器元件中的所述至少一个与所述至少一个目标区域之间的距离来选择所述至少一部分。


10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制器还被配置成：
确定与每个反射信号的所选择的部分相关联的幅度或相位中的至少一个；以及
确定与所述两次连续测量中的所述反射信号的所选择的部分相关联的所述幅度和/或相位之间的差异。


11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述控制器还被配置成：
确定与所述反射信号相关联的噪声水平；以及
至少部分地基于所述噪声水平和与所述反射信号的所选择的部分相关联的差异来选择所述反射信号。


12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制器还被配置成：在确定与所述反射信号的所选择的部分相关联的所述幅度和/或相位的所述差异超过所述噪声水平的两倍之后，至少部分地基于所述差异来调整与所述换能器元件中的所述至少一个相关联的所述参数值。


13.根据权利要求1所述的系统，其中，对所测量的信号进行预处理。


14.根据权利要求13所述的系统，其中，使用滤波器或IQ解调中的至少一个对信号进行预处理。


15.根据权利要求1所述的系统，其中，多个瞬态声反射器中的每一个位于多个目标区域之一附近，所述控制器还被配置成：
针对所述瞬态声反射器中的每一个顺序地生成所述多个超声处理，并且测量来自所述瞬态声反射器中的每一个的所述反射信号；以及
选择来自所述多个瞬态声反射器的与所述多个超声处理相关联的所述反射信号。


16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述控制器还被配置成：
确定所述反射信号之间的一致性；
将具有充分一致性的所述反射信号与所述目标区域相关联；以及
在确定具有充分一致性的所述反射信号来自比预定阈值低的多个目标区域时，重复(a)-(c)。


17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置成基于所述反射信号之间的一致性来选择所述反射信号。


18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述控制器还被配置成使用一致性函数确定两个反射信号之间的所述一致性。


19.根据权利要求18所述的系统，其中，仅当所述一致性函数的值最大化或超过预定阈值时才确定所述两个反射信号是一致的。


20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述一致性函数满足以下等式中的至少一个：






其中W表示加权因子；＝2，f表示与所述两个反射信号相关联的频率；c是所述目标区域中的平均声速；是第i瞬态反射器的几何位置；ti是第i瞬态反射器的行进时间；和表示与所述两个反射信号相关联的相位，并且和是元件相关变量，分别表示测量所述两个反射信号的所述换能器元件之一与同所述两个反射信号相关联的所述瞬态声反射器之间的距离。


21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述控制器还被配置成搜索或中的至少一个以使所述一致性函数最大化。


22.根据权利要求17所述的系统，其中，所述控制器还被配置成至少部分地基于以下项来确定来自所述瞬态声反射器中的两个瞬态声反射器的所述反射信号中的两个反射信号之间的所述一致性：(i)与所述反射信号中的所述两个反射信号相关联的行进时间或接收相位中的至少一个和(ii)与所述瞬态声反射器中的所述两个瞬态声反射器相关联的位置。


23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述控制器还被配置成：
用计算方式移位所述两个瞬态声反射器中的第一个的位置以与所述两个瞬态声反射器中的第二个的位置重合；
用计算方式确定与来自所述两个瞬态声反射器中的所述第一个的移位的位置的所述反射信号相关联的更新的行进时间或更新的接收相位中的至少一个；以及
至少部分地基于(i)所述更新的行进时间或所述更新的接收相位和(ii)与所述两个瞬态声反射器中的所述第二个相关联的所述反射信号的行进时间或接收相位，来确定与所述所述换能器元件中的所述至少一个相关联的所述参数值。


24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述控制器还被配置成：至少部分地基于(i)所述更新的行进时间或所述更新的接收相位和(ii)与所述两个瞬态声反射器中的所述第二个相关联的所述反射信号的所述行进时间或所述接收相位的平均值来确定与所述换能器元件中的所述至少一个相关联的所述参数值。


25.根据权利要求23所述的系统，其中，所述控制器还被配置成：基于(i)对应反射信号的幅度或(ii)所述对应反射信号与其他反射信号的一致性中的至少一个，向(i)所述更新的行进时间或所述更新的接收相位和(ii)所述行进时间或所述接收相位中的每一个分配加权因子，至少部分地基于(i)所述更新的行进时间或所述更新的接收相位和(ii)与所述两个瞬态声反射器中的所述第二个相关联的所述反射信号的所述行进时间或所述接收相位的加权平均值来确定与所述换能器元件中的所述至少一个相关联的所述参数值。


26.根据权利要求17所述的系统，其中，所述控制器还被配置成使用一致性函数确定多于两个反射信号之间的所述一致性。


27.根据权利要求26所述的系统，其中，由至少两个不同的换能器元件测量所述多于两个反射信号。


28.根据权利要求18所述的系统，其中，所述反射信号中的至少一个源自至少两个瞬态反射器。


29.根据权利要求1所述的系统，还包括用于获取所述至少一个目标区域和/或围绕所述目标区域的非目标区域的多个图像的成像设备，所述控制器还被配置成：
至少部分地基于所获取的图像和物理模型来估计所述至少一个目标区域的位置；以及
用计算方式更新与所述换能器元件中的所述至少一个相关联的所述参数值，以在所估计的目标区域处生成所述超声焦点。


30.根据权利要求1所述的系统，还包括用于将所述至少一个瞬态声反射器引入所述目标的施用设备。


31.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置成使所述换能器生成用于产生...

【专利技术属性】
技术研发人员：奥列格·普鲁斯，约阿夫·莱维，
申请(专利权)人：医视特有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列;IL