高强度聚焦超声换能器的优化制造技术

当规划磁共振（MR）引导的高强度聚焦超声（HIFU）治疗时，根据描述感兴趣区域（ROI）（146）的尺寸、形状和位置以及HIFU换能器元件和所述ROI（146）之间的任何阻碍物（144）的3D?MR数据来优化HIFU换能器元件参数。调整换能器元件的相位和振幅以最大化至所述ROI（146）的HIFU辐射传送同时最小化至所述阻碍物（144）的传送。附加地或者可选地，在所述阻碍物（144）位于所述ROI（146）和给定换能器元件之间的情况下，选择性地使换能器元件失效。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高强度聚焦超声换能器的优化本申请在磁共振(MR)引导的高强度聚焦(HIFU)消融程序和系统中是尤其有用的。然而，将意识到，所描述的(一项或多项)技术也可在其他类型的治疗规划系统、其他图像引导治疗系统和/或其他医学应用中得到应用。肝癌是最普遍的肿瘤类型之一，并且是尤其难以做手术的，因为其倾向于大出血。因此消融程序对于其治疗已成为常规手段，包括使用射频(RF)或者激光探头的热消融、冷冻消融等等。高强度聚集超声(HIFU)的使用已经逐渐变得更加流行。一个原因在于MR成像可以在该程序期间用于监测组织温度，使其风险更小。对于肝脏消融而言有两个主要问题肝脏具有大量的血流，并且其随着患者的呼吸而移动。另一问题在于肝脏位于肋骨之后，这阻碍了 HIFU的传输。 一般而言，与MR引导的HIFU程序相关联的一个问题在于很难将所施加的热分布在正确的地方一方面R0I，例如肿瘤，需要被消融。另一方面，从换能器来看，在肿瘤之前的区域(近场)，或者其之后的区域(远场)需要被保留。在肝脏的情况下，由于肝脏被血流高效冷却，增大了对超声功率的要求，并且同时肋骨限制了对ROI的可达性的事实，加重了这一问题。肋骨问题是双重的首先，波束碰撞肋骨的部分不能到达R0I，并且其次，肋骨对于超声辐射是敏感的，因为它们高效地吸收该辐射并且因此很容易过热。传统的规划程序主要设计用于声处理可以直接到达而不需在肋骨之间传送波束的器官，例如子宫。换能器的焦斑被操纵至ROI。在最复杂的系统中，使用机械的(使用电机)和电子的(使用相控换能器元件阵列)操纵。目前，最新的治疗规划是使用规划软件工具，其用于使用来自患者的MRI图像来描述期望的换能器位置和治疗单元。该软件将声学路径在MRI图像的上部可视化以便展示任何关键器官是否位于波束路径中或者在安全界限之内。将声束简单建模为从换能器到焦斑进入远场的几何圆锥形。在治疗期间，使用低能量声处理来检测并手动校正与目标焦点的空间偏差，并且使用热监测作为对热力加热控制的反馈。用于解决波传播的一般数值方法如文献中所描述。在医学超声领域中，最著名的方法是基于时域的方法、有限元方法和瑞利积分的各种派生。在常规的治疗和治疗规划技术中，假设声学路径穿过水(例如，水体模)。然而，沿着穿过人类受试者或者患者的声学路径上具有有着不同声学特性的各种材料和组织。特别地，皮下脂肪作为声畸变源是公知的。在界面处的折射使得声学焦点从目标位置移动，并且由于不同声学路径长度导致的相位偏差降低了点的锐度。这些问题传统地是使用试错法手动校正以及热反馈来处理。可以通过适当地建模声学路径来减轻这些问题。常规治疗计划使用几何圆锥形来生成，从而使超声波覆盖全部的相关体积。然而，显著致畸的对象(即，阻碍物)，例如骨，通常位于声学路径上。骨增大了反射和波衍射，使得焦点形状畸变，并且给患者和超声换能器两者造成潜在的损害。 对于采用精确数值方法例如有限元方法或者瑞利积分的模拟技术，问题的几何结构被典型地描述为离散的网格，包括诸如三角形的有限几何基元。基元的尺寸是波长的分数。声建模问题的共同特点在于所考虑的结构在声波长方面是较大的，导致相应的大的网格。细节根据所采用的特定数值方法而变化，但是对于所有的这些方法共同的是小基元彼此的相互作用。对于大的网格，这导致模拟时间过长从而该技术在交互方式中不可能是经济有效的。例如，一种使用这种技术的流行方式是使用工作日来规划和准备该模拟任务，并且在晚上或者周末期间执行实际计算。在现有技术中需要一种系统和方法，其便于HIFU换能器元件特性的自动优化，以利用患者的肋间空间作为消融路径等等，因而克服以上所提及的缺点。根据一个方面，一种便于磁共振(MR)引导的高强度聚焦超声(HIFU)消融规划的治疗规划工具，包括处理器，所述处理器执行用于优化HIFU换能器元件发射的计算机可执行指令，所述指令包括评估换能器数据，所述换能器数据包括换能器元件的位置、几何结构和声学参数信息。所述指令还包括评估包括ROI数据和阻碍物数据的3D MR数据，所述ROI 数据描述将被消融的感兴趣区域(ROI)的尺寸、形状和位置，所述阻碍物数据描述在一个或多个HIFU换能器元件和所述ROI之间的阻碍物的尺寸、形状和位置。此外，所述指令包括执行优化器，所述优化器在最小化至所述阻碍物和周围组织的HIFU波形传送的同时最大化至所述ROI的HIFU波形传送。所述规划工具还包括存储器，其存储所述计算机可执行指令，所述换能器数据、MR数据和多个经优化的HIFU参数。根据另一方面，一种磁共振(MR)引导的高强度聚焦超声(HIFU)消融规划的方法，包括评估包括换能器元件的位置、几何结构和声学参数信息的换能器数据，以及评估包括ROI数据和阻碍物数据的3D MR数据，所述ROI数据描述将被消融的感兴趣区域(R0I)的尺寸、形状和位置，所述阻碍物数据描述在一个或多个HIFU换能器元件和所述ROI之间的阻碍物的尺寸、形状和位置。所述方法还包括执行优化器，所述优化器在最小化至所述阻碍物和周围组织的HIFU波形传送的同时最大化至所述ROI的HIFU波形传送。根据另一方面，一种执行用于MR引导的高强度聚焦超声(HIFU)消融程序的当场(in situ)声处理模拟的方法，包括生成患者特异性声学路径模型，经由用户接口向用户呈现所述声学路径模型，以及接收用户输入，所述用户输入是关于对一个或多个HIFU换能器元件的位置以及所述一个或多个HIFU换能器元件的发射相位和振幅中的至少一个的调整。所述方法还包括使用所述声学路径模型和所述用户输入来模拟感兴趣区域(ROI)的HIFU声处理。一个优点在于减少健康组织的HIFU暴露。另一优点在于最大化ROI中的HIFU暴露。另一优点在于使用声学模拟来建模焦点形状并且监视杂散场。另一优点在于避免敏感组织过度加热的能力。当阅读和理解了以下详细描述时，本领域普通技术人员将意识到该主题专利技术的更进一步的优点。附图仅出于图示各种方面的目的，并且不被解释为用于限制。图I图示了规划工具，其便于优化换能器元件的相位、振幅、位置等等，并且在超声治疗规划期间执行快速当场声学模拟；图2图示了处理流程，其用于优化与给定的HIFU换能器的位置和几何结构和声学参数对应并同时考虑消融ROI的尺寸和位置以及肋骨定位的发射参数(例如，振幅和相位)；图3图示了用于基于空间脉冲响应技术的优化程序的处理流程；图4图示了邻近患者皮肤定位的HIFU换能器阵列的例子，其中多条肋骨阻碍了超声波至将被消融的ROI的发射；图5图示的例子为针对超声波形或者射线的叠加振幅和相位的结果，从而随着HIFU阵列发射超声波穿过患者皮肤并经过肋骨，可以同时消融ROI的多个区域，最小化总治疗时间；图6图示了用于在利用肋间空间的MR引导的组织消融程序例如肝脏消融期间优化HIFU换能器定位的方法；图7图示了用于优化HIFU换能器的定位的方法；图8图示了针对阵列的给定位置的HIFU阵列、肋骨以及ROI的概念性布置； 图9图示了根据在本文中描述的一个或多个方面的执行随机声学模拟的方法；附图说明图10图示了根据在本文中描述的一个或多个方面的用平面近似来执行声学模拟的方法；图11图示了根据在本文中描述的一个或多个方面的用于估计所有换能器元件的子组的贡献的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.12.28 US 61/290,2681.一种便于磁共振(MR)引导的高强度聚焦超声(HIFU)消融规划的治疗规划工具(10),包括 处理器，其执行用于优化HIFU换能器元件发射的计算机可执行指令，所述指令包括 评估换能器数据(22)，所述换能器数据包括换能器元件的位置、几何结构和声学参数信息； 评估包括ROI数据(24)和阻碍物数据(26)的3D MR数据，所述ROI数据描述将被消融的感兴趣区域(ROI) (146)的尺寸、形状和位置，所述阻碍物数据描述在一个或多个HIFU换能器元件和所述ROI (146)之间的阻碍物(144)的尺寸、形状和位置； 执行优化器(32，36)，所述优化器在最小化至所述阻碍物(144)和周围组织的HIFU波形传送的同时最大化至所述ROI (146)的HIFU波形传送；以及 存储器(14)，其存储所述计算机可执行指令、所述换能器数据、MR数据和多个经优化的HIFU参数。2.如权利要求I所述的规划工具，其中，所述优化器是相位和振幅优化器(32)，所述相位和振幅优化器优化从HIFU设备(18)中的多个换能器元件中的每个发射的波形的相位和振幅。3.如权利要求2所述的规划工具，所述指令还包括 对来自多个探头元件在所述ROI (146)和所述阻碍物(144)上的空间脉冲响应执行傅里叶变换； 生成描述所述ROI (146)中的声学压力和所述阻碍物(144)处的声学压力的比值的目标函数；以及 生成描述针对每个换能器元件的相位和振幅设置的初始方案。4.如权利要求3所述的规划工具，其中，当所述相位和振幅优化器(32)被所述处理器(12)执行时，所述相位和振幅优化器(32)根据经傅里叶变换的脉冲响应、所述目标函数和所述初始方案来优化针对每个换能器元件的相位和振幅设置。5.如权利要求I所述的规划工具，其中，所述优化器是位置优化器(36)，所述位置优化器根据所述换能器数据(22)、所述ROI数据(24)和所述阻碍物数据(26)来使所述HIFU设备(18)中的一个或多个换能器元件失效。6.如权利要求5所述的规划工具，其中，所述位置优化器包括由所述处理器执行的计算机可执行指令，所述指令包括 接收所述ROI数据(24)、阻碍物数据(26)以及包括换能器几何结构和声学参数的换能器数据(22); 识别就位以消融所述ROI (146)的至少一部分的所有换能器元件； 使具有穿过所述阻碍物(144)到达所述ROI (146)的瞄准线的换能器元件失效；计算由每个换能器元件积聚在所述ROI (146)中的超声能量的焦点和热积聚； 计算所述换能器元件的ROI覆盖范围；以及 输出一系列换能器兀件的位置和失效的换能器兀件的列表。7.如权利要求6所述的规划工具，所述指令还包括给多个有效换能器元件中的每个分配独有的HIFU暴露时间和能量。8.如前述权利要求中任一项所述的规划工具，其中，所述ROI(146)包括肝脏组织并且所述阻碍物(144)是肋骨。9.如前述权利要求中任一项所述的规划工具，还包括磁共振(MR)扫描器(20)，所述磁共振扫描器生成所述ROI数据(24)和所述阻碍物数据(26)。10.一种磁共振(MR)引导的高强度聚焦超声(HIFU)消融规划的方法，包括 评估包括换能器元件的位置、几何结构和声学参数信息的换能器数据(22); 评估包括ROI数据(24)和阻碍物数据(26)的3D MR数据，所述ROI数据描述将被消融的感兴趣区域(ROI) (146)的尺寸、形状和位置，所述阻碍物数据描述在一个或多个HIFU换能器元件和所述ROI (146)之间的阻碍物(144)的尺寸、形状和位置；以及 执行优化器(32，36)，其在最小化至所述阻碍物(144)和周围组织的HIFU波形传送的同时最大化至所述ROI (146)的HIFU波形传送。11.如权利要求10所述的方法，还包括 优化从HIFU设备(18)中的多个换能器元件中的每个发射的波形的相位和振幅。12.如权利要求11所述的方法，还包括 对来自多个探头元件在所述ROI (146)和所述阻碍物(144)上的空间脉冲响应执行傅里叶变换； 生成描述所述ROI (146)中的声学压力和所述阻碍物(144)处的声学压力的比值的目标函数；以及 生成描述针对每个换能器元件的相位和振幅设置的初始方案；以及根据经傅里叶...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·G·勒杜列斯库，G·J·恩霍尔姆，R·Q·埃尔坎普，I·A·J·科斯凯拉，S·D·索卡，E·T·韦海莱，M·O·科勒，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
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