超声手术中的换能器配置的优化制造技术

向目标区域输送超声能量的各种方法包括：超声换能器，具有用于在目标区域处生成声能的聚焦区的多个换能器元件，其中一个或多个换能器元件被划分成具有共同方向性的连续的多个子区域；一个或多个驱动器电路，与换能器元件连接；开关矩阵，具有用于将子区域与驱动器电路切换地连接的多个开关，子区域中的每一个与开关之一相关联；以及控制器，被配置为：(i)确定用于使聚焦区中的峰值声强度最大化的最佳超声频率；以及(ii)至少部分地基于所确定的最佳超声频率，激活开关矩阵中的一个或多个开关，以使对应的子区域向目标区域发射超声脉冲。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超声手术中的换能器配置的优化相关申请的交叉引用本申请要求2018年12月27日提交的美国专利申请第16/233,744号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
本专利技术通常涉及聚焦超声手术(procedure)，并且更具体地涉及用于优化超声换能器配置以增加目标处的能量沉积的系统和方法。
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，超声波可以用于消融肿瘤，使患者无需进行手术。为此目的，将压电陶瓷换能器放置在患者体外，但靠近要消融的组织(“目标”)。换能器将电子驱动信号转换为机械振动，从而导致声波的发射(下文中称为“超声”的过程)。换能器可以成形为使得波汇聚在聚焦区中。备选地或附加地，换能器可以由多个单独驱动的换能器元件形成，这些换能器元件的相位(和可选地，振幅)均可以彼此独立地控制，因此可以被设置为导致聚焦区中单个声波的相长干涉。这种“相控阵列”换能器有助于通过调整换能器元件之间的相对相位将聚焦区转向不同的位置。磁共振成像(MRI)可以用于使焦点和目标可视化以引导超声束。图1示出了示例性聚焦超声系统100。系统100包括具有多个超声换能器元件102的换能器阵列101，所述多个超声换能器元件以阵列形式布置在壳体104的表面处。阵列101可以包括单行换能器元件102或换能器元件102矩阵或大体上任何布置。阵列101可以具有弯曲的(例如，球形或抛物线)形状(如图所示)，或者可以包括一个或多个平面或其他形状的部分。其尺寸可以根据应用，而在几毫米到几十厘米之间变化。换能器元件102可以是压电陶瓷元件，或者由压电复合材料或能够将电能转换为声能的任何其他材料制成。为了阻尼在元件102之间的机械耦接，可以使用硅橡胶或任何其他合适的阻尼材料将元件102安装在壳体104上或使其横向地机械分离(例如，空气间隔)。换能器元件102由控制器106经由单独的驱动通道驱动。对于n个换能器元件102，控制器106可以包含n个控制电路，每个控制电路包括放大器和相位控制电路，其中每个控制电路驱动换能器元件102中的一个。控制器106可以将通常在0.1MHz到10MHz范围内的射频(RF)输入信号分成n个通道以用于n个控制电路。在常规系统中，控制器106被配置成以相同频率，但以不同相位和不同振幅驱动阵列的各个换能器元件102，使得它们在期望位置处共同产生聚焦超声束。控制器106理想地提供计算功能，其可以以软件、硬件、固件、硬连线或其任何组合来实现，以计算期望聚焦位置所需的相位和振幅；这些相位/振幅计算可以包括补偿由组织界面处的超声反射或折射或具有各种声学参数的组织中的传播引起的像差的校正，这些声学参数可以基于例如计算机断层扫描(CT)和/或MRI或受关注的解剖学区域的其他图像来确定。通常，控制器106可以包括几个可分离的装置，诸如频率发生器、包含放大器和相位控制电路的束形成器、以及执行计算并将单个换能器元件102的相位和振幅传递到束形成器的计算机(例如，通用计算机)。这样的系统很容易购得或可以无需过度实验就可实现。系统100还可以包括与控制器106通信的MRI装置108以用于执行MRI引导的聚焦超声治疗。图2中更详细地示出了示例性装置108。装置108可以包括圆柱形电磁体204，其在电磁体204的孔206内生成静磁场。在医疗手术期间，患者被放置在可移动支撑台208上的孔206内部。患者内的受关注区域210(例如，患者的头部)可以被定位在成像区域212内，其中磁场是基本上均匀的。围绕成像区域212的RF发射器线圈214将RF脉冲发射到成像区域212中，并接收从受关注区域210发射的MR响应信号。使用图像处理系统216将MR响应信号放大、调节并数字化为原始数据，并通过本领域普通技术人员已知的方法进一步转换成图像数据阵列。基于图像数据，识别治疗区域(例如，肿瘤)。然后，设置在MRI装置的孔206内并且在一些实施例中设置在成像区域212内的超声相控阵列220被驱动以将超声聚焦到治疗区域中。MRI装置108基于焦点112对经超声处理的组织的影响而有助于使焦点112可视化。例如，可以采用多种基于MRI的温度测量方法中的任一种来观察由聚焦区域中的超声吸收引起的温度升高。备选地，可以使用基于MR的声辐射力成像(ARFI)来测量焦点中的组织位移。焦点的这类测量可以用作用于驱动超声换能器阵列220以便使峰值强度最大化的反馈。聚焦超声治疗的目标通常是在目标处有效地沉积最大声能，同时使目标周围的健康组织以及沿换能器与目标之间路径的组织对超声的暴露最小化。沉积的声能通常与聚焦束的峰值强度或声功率相关，并且可能导致目标组织的加热和/或振动。例如，由组织中的点(x，y,z)处的声能产生的热量Q由下式给出：0(x，y，z)＝2α·f·I(x，y，z)，其中f表示超声波/脉冲的频率(以MHz为单位)；α表示该频率下组织的吸收系数(单位为cm-1·MHz-1)；而I(x,y,z)表示点(x,y,z)处的超声强度。然后可以使用生物传热等式计算由热量引起的点(x,y,z)处的温度升高：其中T(x,y,z)表示由热量Q引起的点(x,y,z)处的温度；T0表示热量Q沉积前的身体基线温度；表示温度T的时间导数；ρ、C和k分别表示组织的密度、热容和热导率；Wb表示血液灌注率；而Cb表示血液的比热。因此，可以通过使聚焦超声束在目标处的峰值声强度或功率最大化来优化超声手术的治疗效果(例如，温度升高)。然而，聚焦超声束的峰值强度可以取决于换能器的配置。例如，虽然可以通过增加超声发射频率来提高聚焦区的峰值强度，但存在权衡：较高比例的声能也将在到达目标区域的途中被吸收，因此永远不会到达目标区域。虽然一些常规超声治疗手术试图通过考虑这种权衡来优化超声频率，但这些方法可能不足以提高目标区域的峰值强度。这是因为基于一个参数(例如，组织吸收)调整超声频率可能导致可能影响峰值声强度的其他参数(例如聚焦束的转向角)发生变化；事实上，这些参数对峰值强度的影响可能很大。例如，改变超声频率可能导致换能器元件的方向性因素改变，进而导致峰值强度改变。因此，由于对另一参数的负面影响，试图通过基于特定参数选择超声频率来增加峰值强度可能会弄巧成拙。可能影响聚焦区中的峰值强度/功率的另一个参数涉及换能器元件的物理配置。在常规超声系统100中，阵列101中的换能器元件102通常被“平铺”以形成平坦或弯曲的表面；但是一旦制造出来，单个换能器元件102的配置(例如，形状和尺寸)就不能改变。因为声束的转向能力可以取决于换能器阵列101中的换能器元件102的尺寸和数量，并且聚焦束的峰值强度可以取决于转向角，因此元件102的固定的不可调整的配置可能限制转向能力，并且因此限制聚焦束的峰值强度。因此，需要一种方法，该方法同时考虑与聚焦超声束的峰值强度相关的多个参数，以便在目标处提供峰值强度的净提高，并且备选地或另外地能够调整单个超声换能器元件的配置。
技术实现思路
本专利技术涉及聚焦超声治疗方法以及用于实现这种方法的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于向目标区域输送超声能量的系统，所述系统包括：/n超声换能器，包括用于在所述目标区域处生成声能的聚焦区的多个换能器元件，其中所述换能器元件中的至少一个被划分成具有共同方向性的连续的多个子区域；/n至少一个驱动器电路，与所述换能器元件中的至少一个连接；/n开关矩阵，包括用于将所述多个子区域与所述驱动器电路切换地连接的多个开关，所述子区域中的每一个与所述开关之一相关联；以及/n控制器，被配置为：/n(a)确定用于使所述聚焦区中的峰值声强度最大化的最佳超声频率；以及/n(b)至少部分地基于所确定的最佳超声频率，激活所述开关矩阵中的所述开关中的至少一个，以使对应的子区域向所述目标区域发射超声脉冲。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181227 US 16/233,7441.一种用于向目标区域输送超声能量的系统，所述系统包括：
超声换能器，包括用于在所述目标区域处生成声能的聚焦区的多个换能器元件，其中所述换能器元件中的至少一个被划分成具有共同方向性的连续的多个子区域；
至少一个驱动器电路，与所述换能器元件中的至少一个连接；
开关矩阵，包括用于将所述多个子区域与所述驱动器电路切换地连接的多个开关，所述子区域中的每一个与所述开关之一相关联；以及
控制器，被配置为：
(a)确定用于使所述聚焦区中的峰值声强度最大化的最佳超声频率；以及
(b)至少部分地基于所确定的最佳超声频率，激活所述开关矩阵中的所述开关中的至少一个，以使对应的子区域向所述目标区域发射超声脉冲。


2.根据权利要求1所述的系统，还包括用于获取所述目标区域或位于所述换能器与所述目标区域之间的非目标区域的图像的成像系统。


3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述成像系统包括以下至少一项：计算机断层扫描CT设备、磁共振成像设备MRI、正电子发射断层扫描PET设备、单光子发射计算机断层扫描SPECT设备、或超声成像设备。


4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制器还被配置为至少部分地基于所获取的图像来确定所述目标区域相对于所述换能器的空间配置。


5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述空间配置包括取向或位置中的至少一个。


6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器还被配置为至少部分地基于所述目标区域相对于所述换能器的所述空间配置来计算所述聚焦区的转向角。


7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述控制器还被配置为至少部分地基于所计算的转向角来激活所述开关中的至少一个。


8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置为：
确定多个次优频率，每个次优频率都与参数相关联，其中(i)所述参数的变化导致所述聚焦区中的所述峰值声强度的变化，以及(ii)所述次优频率与由相关联的参数的变化得到的所述峰值声强度的最大值相对应；以及
至少部分地基于所述次优频率来确定所述最佳超声频率。


9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制器还被配置为向所述次优频率中的每一个分配加权因子，并且至少部分地基于所述加权因子来确定所述最佳超声频率。


10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器还被配置为基于以下至少一项来分配所述加权因子：所述目标区域的第一解剖学特性、位于所述换能器与所述目标区域之间的非目标区域的第二解剖学特性、所述聚焦区的转向角、每个参数对所述峰值声强度的最大值的贡献、或基于对经历超声治疗的患者的研究的回顾性数据。


11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第一解剖学特性或所述第二解剖学特性包括组织类型、组织性质、组织结构、组织厚度或组织密度中的至少一个。


12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制器还被配置为使用机器学习或进化方法来分配所述加权因子。


13.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制器还被配置为至少部分地基于所述次优频率中的第一次优频率来确定所述次优频率中的第二次优频率。


14.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制器还被配置为：
至少部分地基于所获取的图像来确定与所述非目标区域相关联的风险级别；以及
至少部分地基于所述风险级别来确定所述最佳超声频率。


15.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制器还被配置为：
使用物理模型至少部分地基于所获取的图像来预测所述目标区域和所述非目标区域的热图；以及
至少部分地基于所预测的热图来确定所述最佳超声频率。


16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置为：
计算所述目标区域中的微泡的共振频率；以及
至少部分地基于所述微泡的共振频率来确定所述最佳超声频率。


17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个开关中的至少一个是MEMS开关或CMOS开关。


18.一种用于向目标区域输送超声能量的系统，所述系统包括：
超声换能器，包括用于在所述目标区域处生成声能的聚焦区的多个换能器元件，其中所述换能器元件中的至少一个被划分成具有共同方向性的连续的多个子区域；
至少一个驱动器电路，与所述换能器元件中的至少一个连接；
开关矩阵，包括用于将所述多个子区域与所述驱动器电路切换地连接的多个开关，所述子区域中的每一个与所述开关之一相关联；
至少一个成像系统，用于测量所述目标区域相对于所述换能器的空间配置；以及
控制器，被配置为至少部分地基于所测量的空间配置来激活所述开关矩阵中的所述开关中的至少一个，从而使对应的子区域向所述目标区域发射超声脉冲。


19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述控制器还被配置为至少部分地基于所述空间配置来计算所述聚焦区的转向角，并且基于所述转向角来激活所述换能器元件中的至少一个。


20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述成像系统包括以下至少一项：计算机断层扫描CT设备、磁共振成像设备、正电子发射断层扫描PET设备、单光子发射计算机断层扫描SPECT设备、或超声成像设备。


21.根据权利要求18所述的系统，其中，所述空间配置包括取向或位置中的至少一个。


22.根据权利要求18所述的系统，其中，所述多个开关中的至少一个是MEMS开关或CMOS开关。


23.一种用于向目标区域输送超声能量的系统，包括：
超声换能器，包括用于在所述目标区域处生成声能的聚焦区的多个换能器元件；以及
控制器，被配置为：
(a)确定多个次优频率，每个次优频率都与参数相关联，其中(i)所述参数的变化导致所述聚焦区中的峰值声强度的变化，以及(ii)所述次优频率与由相关联的参数的变化得到的所述峰值声强度的最大值相对应；
(b)至少部分地基于所述次优频率来确定最佳超声频率，以使所述聚焦区中的与所述多个参数相关联的所述峰值声强度最大化；以及
(c)使所述换能器元件中的至少一个以所确定的最佳超声频率发射脉冲。


24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述控制器还被配置为向所述次优频率中的每一个分配加权因子，并且至少部分地基于所述加权因子来确定所述最佳超声频率。


25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述控制器还被配置为基于以下至少一项来分配所述加权因子：所述目标区域的第一解剖学特性、位于所述换能器与所述目标区域之间的非目标区域的第二解剖学特性、所述聚焦区的转向角、每个参数对所述峰值声强度的最大值的贡献、或基于对经历超声治疗的患者的研究的回顾性数据。


26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述第一解剖学特性或所述第二解剖学特性包括组织类型、组织性质、组织结构、组织厚度或组织密度中的至少一个。


27.根据权利要求24所述的系统，其中，所述控制器还被配置为使用机器学习或进化方法来分配所述加权因子。


28.根据权利要求23所述的系统，其中，所述控制器还被配置为至少部分地基于所述次优频率中的第一次优频率来确定所述次优频率中的第二次优频率。


29.根据权利要求23所述的系统，还包括成像系统，所述成像系统用于获取所述目标区域或位于所述换能器与所述目标区域之间的非目标区域的图像以用于确定所述参数中的至少一个。


30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述成像系统包括以下至少一项：计算机断层扫描CT设备、磁共振成像设备MRI、正电子发射断层扫描PET设备、单光子发射计算机断层扫描SPECT设备、或超声成像设备。


31.根据权利要求29所述的系统，其中，所述多个参数包括以下至少一个：在所述目标区域处的第一声能吸收量、在位于所述换能器与所述目标区域之间的非目标区域处的第二声能吸收量、通过所述非目标区域传播的声能衰减量、所述聚焦区的转向角、或所述聚焦区的面积。


32.根据权利要求31所述的系统，其中，所述控制器还被配置为至少部分地基于所述图像来确定所述目标区域相对于所述换能器的空间配置。


33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述空间配置包括取向或位置中的至少一个。


34.根据权利要求32所述的系统，其中，所述控制器还被配置为至少部分地基于所述目标区域相对于所述换能器的所述空间配置来计算所述转向角。


35.根据权利要求29所述的系统，其中，所述控制器还被配置为：
至少部分地基于所获取的图像来确定与所述非目标区域相关联的风险级别；以及
至少部分地基于所述风险级别来确定所述最佳超声频率。


36.根据权利要求29所述的系统，其中，所述控制器还被配置为：
使用物理模型至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：科比·沃特曼，约阿夫·莱维，沙哈·里诺特，
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