聚焦超声系统和方法涉及同时确定与换能器阵列相关联的多个超声参数(例如，施加的声功率、频率、相位、位置、激活模式、波束形状、波形等)以在目标区域(例如，导致足够的温度升高以发生组织坏死)和非目标区域(例如，具有临床上不明显的温度升高以避免对非目标组织造成损害)处均生成最佳治疗效果。计算模型可以模拟这些超声参数对目标和/或非目标区域的治疗效果(例如，温度、峰值强度、焦点形状、热点位置等)。基于模拟结果，计算模型可以同时确定多个超声参数的最优值——即，虽然对于单独考虑的每个单独参数不一定是最优的，但是在目标和非目标区域处生成最佳整体治疗效果(例如，目标处的最大能量吸收和最高强度(或能量密度)以及非目标区域处的最小能量沉积)。及非目标区域处的最小能量沉积)。及非目标区域处的最小能量沉积)。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于超声程序的多参数优化
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2020年11月18日提交的美国临时专利申请No.63/115,267的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本文。
[0003]本专利技术总体涉及聚焦超声程序，并且更具体地涉及用于此类程序的多参数优化的系统和方法。
技术介绍
[0004]聚焦超声(即，频率大于约100千赫兹的声波)可用于成像或治疗性处理患者体内的体内组织。例如，超声波可用于涉及肿瘤消融、靶向药物输送、血脑屏障(BBB)破坏、凝块溶解和其他外科程序的应用。超声程序的非侵入性属性对于消融或破坏被健康组织或器官包围或邻近的目标组织(例如，患病组织或BBB)特别有吸引力，因为超声能的作用可以被限制在明确定义的目标区域。由于利用相对较短的波长(例如，在1兆赫兹(1MHz)下，横截面小至1.5毫米(mm))，超声能可以作为波束聚焦到横截面仅为几毫米的区域。此外，由于声能通常能很好地穿透软组织，因此介入解剖结构通常不会对定义期望的聚焦区造成障碍。因此，超声能可以聚焦在小目标处以消融患病组织同时最小化对周围健康组织的损害。
[0005]为了将超声能聚焦在期望的目标处，可以将驱动信号发送到具有多个分布式换能器元件的声学换能器，使得在聚焦区发生相长干涉。在目标处，可以输送足够的声强度加热组织直到坏死发生，即直到组织被破坏。优选地，沿聚焦区外的声能通过的声学路径(“通过区”)的非目标组织暴露于低强度声束，因此即使有的话也只会被微不足道地加热，从而使对聚焦区外的组织的损害最小化。<br/>[0006]通常，超声能是根据治疗计划输送的，通常基于目标的预定义模型和患者的解剖结构。在治疗期间，使用例如磁共振成像(MRI)设备监测目标处的治疗效果(例如，温度)。如果测量的温度低于坏死所需的目标温度，则增加从换能器发射的超声波的功率。影响温度的另一个参数是超声波传输频率。因此，另一种增加目标处的温度的方法是通过调整换能器阵列的传输频率(参见例如美国专利公开No.2019/0009109)。当系统以长暴模式(例如，具有大量循环或连续波)操作时，不同换能器元件之间相移的校正可以允许来自所有换能器元件的信号积极地会聚在目标处。
[0007]因此，这些方法中的每一种都可以确定单个换能器参数(例如，振幅、相位或频率)的最佳值，以减少测量的温度与计划(即，期望)的目标温度之间的任何偏差，从而优化一个或多个治疗效果(例如，目标区域处的温度)。但是需要考虑在超声程序中发生的其他治疗效果。例如，应尽量减少通过区中不期望的热点，以避免对健康组织造成损害。被选择用于优化一种治疗效果(例如，目标处的温度)的换能器参数值对于另一种效果(例如，通过区中的热点)可能不是最佳的。此外，当治疗继续进行时，由于通过区和目标区域中的组织性质可能在治疗期间动态变化(例如，由于声能的应用)，因此基于超声处理之前的组织性质确
定的超声参数可能无法提供最佳临床结果。
[0008]因此，需要一种方法来同时评估由与换能器阵列相关联的多个超声参数生成的多个治疗效果并动态调节这些参数的值以便优化超声程序期间的整体治疗功效。
技术实现思路
[0009]本专利技术的各种实施例提供了聚焦超声方法，这些方法涉及同时在目标区域处(例如，导致足够的温度升高以发生组织坏死)和非目标区域处(例如，具有临床上不明显的温度升高以避免对非目标组织造成损伤)确定与换能器阵列相关联的用于生成最佳治疗效果的多个超声参数(例如，应用的声功率、频率、相位、位置、激活模式、波束形状、波形等)，以及实施此类方法的系统。在一个实施例中，实施计算模型以模拟这些超声参数对目标和/或非目标区域的治疗效果(例如，温度、峰值强度、焦点形状、热点位置等)。计算模型可以使用例如传统的有限元分析来以各种波束功率、频率、形状、激活模式等模拟超声波束与位于通过区中的患者目标组织和/或介入组织的相互作用。此外，模拟可以基于通过成像设备(例如，计算机断层扫描、超短回波时间(TE)、MRI等)获取的详细组织模型；该模型通常包括多个组织类型或层(例如，用于超声聚焦到颅骨、皮质骨层、骨髓和软脑组织)并表征它们各自的解剖和/或材料性质。基于模拟结果，计算模型可以同时确定多个超声参数的最优值——即，虽然对于单独考虑的每个单独参数不一定是最优的，但是在目标区域和非目标区域处产生最优整体治疗效果(例如，目标处的最大能量吸收和最高强度(或能量密度)以及非目标区域处的最小能量沉积)的值。
[0010]在治疗期间，换能器根据通过计算确定的参数值进行操作。此外，同时实时监测目标区域和非目标区域的至少一些治疗效果。在一个实施例中，实施参数优化方法以将测量的治疗效果与计算模型预测的治疗效果进行比较，然后同时调整至少一些超声参数以改善测量的治疗效果。例如，参数优化方法可以定义表示测量的治疗效果与预测效果的偏差的成本函数，并更新两个或更多个超声参数的值，直到成本函数被最小化。然后可以基于更新的参数值来操作换能器。在各种实施例中，治疗效果被连续监测并作为反馈提供以用于在整个超声程序中调节超声参数的值；随着治疗的进行，这可以保持最佳的整体临床效果。
[0011]如本文所用，术语“最佳”、“最优化”、“最大”、“最大化”等通常涉及对例如根据现有技术进行的优化治疗的基本性改进(例如，超过10％、超过20％或超过30％)，但不一定意味着达到理论上可能的最佳超声参数值或治疗效果。相反，优化超声参数值涉及协调相互竞争的治疗优先级，以及确定和选择在所用技术和方法的限制内实际可识别的最佳总体参数值。本专利技术认识到多个治疗效果会受到多个超声参数的极大影响，并且通过在程序期间同时和连续地更新超声参数值可以显著改善临床结果。
[0012]此外，由于声波与组织之间的相互作用是非线性的，因此可以以非线性方式(通过例如测量误差和改变超声参数值)对相互作用进行补偿。此外，术语“不明显的临床温度升高”是指没有被临床医生认为是显著的不期望的温度升高，例如组织开始受损或其他临床副作用，无论是暂时的还是永久的。
[0013]因此，在第一方面，本专利技术涉及一种用于将超声能输送到目标区域的系统。在各种实施例中，该系统包括超声换能器，该超声换能器包括多个换能器元件，用于在目标区域处生成声能的聚焦区；至少一个测量系统，用于测量目标区域和/或非目标区域处的多个治疗
效果；以及控制器，被配置为(a)通过计算确定与至少一些换能器元件相关联的超声参数的值并且预测在目标区域和/或非目标区域处的治疗效果；(b)至少部分地基于确定的超声参数的值来操作超声换能器；(c)使测量系统测量目标区域和/或非目标区域处的至少一些治疗效果；(d)将测量的治疗效果与预测的治疗效果进行比较；(e)基于比较，通过计算更新至少一些超声参数的值；以及(f)至少部分地基于更新的超声参数的值来操作超声换能器。
[0014]在一些实施例中，测量系统包括磁共振成像装置、超声检查装置、正电子发射断层扫描装置、单光子发射计算机断层扫描装置或计算机断层扫描装置中的至少一个。控制器可以进一步本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于将超声能输送到目标区域的系统，所述系统包括：超声换能器，包括多个换能器元件，用于在目标区域处生成声能的聚焦区；至少一个测量系统，用于测量所述目标区域和/或非目标区域处的多个治疗效果；以及控制器，被配置为：(a)通过计算确定与至少一些换能器元件相关联的超声参数的值并预测所述目标区域和/或所述非目标区域处的治疗效果；(b)至少部分地基于确定的超声参数的值来操作所述超声换能器；(c)使所述至少一个测量系统测量所述目标区域和/或所述非目标区域处的至少一些治疗效果；(d)将测量的治疗效果与预测的治疗效果进行比较；(e)基于比较，通过计算更新至少一些超声参数的值；和(f)至少部分地基于更新的超声参数的值来操作所述超声换能器。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个测量系统包括磁共振成像装置、超声检查装置、正电子发射断层扫描装置、单光子发射计算机断层扫描装置或计算机断层扫描装置中的至少一个。3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制器还被配置为计算所述测量的治疗效果与所述预测的治疗效果的偏差，并基于所述偏差定义成本函数。4.根据权利要求3所述的系统，所述控制器还被配置为同时并迭代地更新至少一些超声参数的值直到所述成本函数的值被最小化或低于预定阈值。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还被配置为重复步骤(c)
‑
(f)。6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述超声参数包括功率、频率、相位、位置和激活模式。7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述治疗效果包括所述目标区域和/或所述非目标区域处的温度、所述目标区域处的峰值声强、焦点形状、所述目标区域和/或所述非目标区域处的热点位置或组织灌注率中的至少一个。8.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和/或所述非目标区域的图像的成像系统。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分析获取的图像以确定所述目标区域和/或所述非目标区...
【专利技术属性】
技术研发人员：舒科，
申请(专利权)人：医视特有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。