高效超聲聚焦制造技術

可以通過組合靶組織的知識和/或具有焦點測量的聚焦布置改善超聲聚焦。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術大體上涉及用于超聲聚焦的系統和方法。特別地，各實施例涉及聚焦超聲換能器元件的定相陣列的高效方法，其使用基于模型的計算和焦點品質的測量來調節換能器元件的相對相位。
技術介紹
聚焦超聲(即，具有大于大約20千赫的頻率的聲波)可以用于成像或治療患者身體 內部組織。例如，超聲波可以用于消融腫瘤，不需要患者經歷有創手術。為此，壓電陶瓷換能器置于患者的外部，但是緊靠待消融的組織(“靶”)。換能器將電驅動信號轉換成機械振動，導致發射聲波(該過程在下文中被稱為“聲處理”)。換能器可以成形為使得波在焦點區域中會聚。備選地或附加地，換能器可以由多個單獨驅動的換能器元件形成，所述換能器元件的相位(和可選地，幅度)均可以彼此獨立地進行控制，并且因此，可以被設置成導致焦點區域中的單獨的聲波的結構干涉。這樣的“定相陣列”換能器便于通過調節換能器之間的相對相位將焦點區域轉向到不同位置，并且通常換能器元件的數量越大，提供的焦點品質和分辨率越高。磁共振成像(MRI)可以用于可視化焦點和靶以便引導超聲束。換能器元件為了聚焦在靶位處而需要被驅動到的相對相位取決于換能器表面和靶的相對位置和取向，以及它們之間的一個或多個組織(即，“靶組織”)的尺寸和聲學材料性質(例如聲速)。因此，在已知幾何關系和聲學材料性質的情況下，可以計算相對相位(和可選地，幅度)，例如在美國專利第6，612，988號(于2000年12月15日提交)，第6，770，031號(于2002年8月26日提交)，和第7，344，509號(于2004年4月9日提交)，以及美國專利申請第12/425,698號(于2009年4月17日提交)中所述。然而實際上，這些參數的知識往往非常不完整也非常不精確以致于不能單獨基于相對相位的計算進行高品質聚焦。例如，當超聲聚焦到腦中以治療腫瘤時，聲路徑中的顱骨可能導致不容易確定的像差。在這樣的情況下，在治療之前典型地進行自動聚焦程序，其中迭代地，在靶或附近生成超聲焦點，測量焦點的品質(例如使用熱成像或聲輻射力成像(ARFI))，并且使用實驗反饋來調節換能器元件的相位以獲得足夠的焦點品質。該程序中的聲處理的數量典型地是單獨控制的換能器元件的數量的至少三倍，并且可能需要更多的聲處理以克服測量噪聲。自動聚焦程序可能因此耗費相當多的時間，這可能使它對于患者不切實際，或者至少不方便。此外，在自動聚焦聲處理期間，超聲能量不可避免地沉積到靶上和靶周圍的組織中，對健康組織可能造成損害。盡管可以通過利用只需要低的聲強度的成像技術(例如ARFI)最小化治療前的聲處理的影響，但是通常期望限制治療前的聲處理的數量。因此，需要聚焦換能器元件的定相陣列的更高效方式以產生高品質超聲焦點。
技術實現思路
本專利技術在各實施例中通過基于下列的組合調節換能器元件的定相陣列的相位(可選地，和幅度)提供用于聚焦超聲的系統和方法(i)關于換能器表面和靶之間的相對位置和/或取向、靶組織的尺寸和/或聲學材料性質和/或從這些參數導出的任何量的先驗知識(在下文中被統稱為“聲處理模型”)，和(ii)關于焦點品質的實驗反饋。使用焦點測量來調節換能器元件相比于純計算方法可以改善焦點品質，同時利用基于聲處理模型的計算可以減小聲處理的數量(并且因此減少獲得指定焦點品質所需的時間和·能量)。在一些實施例中，換能器元件被分組成子陣列，并且為了實驗相位調節，每個子陣列作為單元件被處理。這樣的分組減小可單獨控制的元件的數量，并且因此減少優化時間和能量。盡管一般而言更少的元件導致更低的分辨率和因此更低的焦點品質，但是通過基于聲處理模型的“智能分組”可以避免或最小化該不利影響(例如基于來自子陣列的超聲在靶組織界面(即，靶組織的外表面或靶組織的多個層之間的界面)上的入射角)。智能分組涉及在可能需要更精細調節的區域中保持陣列分辨率(即，每個單位面積的可單獨控制的元件的數量)高。在一些實施例中，形成靶組織的模型，并且在一個或多個可變模型參數中俘獲該模型中的不確定性(例如關于某些幾何或材料參數的值的不確定性)。然后在期望包括未知真實參數值的范圍上離散地變化模型參數，并且對于參數值的每個離散集合，為指定的聚焦靶計算換能器元件的相位(和幅度)，相應地驅動換能器，并且測量最后產生的焦點品質。產生最佳焦點的參數值的集合被采用，并且隨后可以用于為靶的治療聲處理計算換能器元件相對相位。通常，相比于沒有先驗知識的自動聚焦所需的數量的較少聲處理將足以找到導致可接受的焦點品質的模型參數值的近似。在第一方面中，根據各實施例，一種將超聲換能器元件的定相陣列聚焦到靶組織中的方法包括基于聲處理模型將換能器元件分組成子陣列，并且確定每個子陣列內的換能器元件的相對相位。此外，所述方法包括在相應的相對相位驅動所述子陣列的換能器元件以生成子焦點，確定所述子焦點是否結構干涉，并且如果不是，則調節所述換能器元件的相位以導致所述子焦點的結構干涉。所述聲處理模型可以包括指示所述定相陣列和所述靶組織之間的相對布置的幾何參數；靶焦點位置；和/或所述靶組織的一個或多個材料參數和/或幾何參數，其可以通過使用例如MRI或計算機斷層攝影的測量獲得。分組可以基于從所述換能器元件發射的超聲在靶組織界面上的入射角。可以基于所述聲處理模型計算，和/或可以通過驅動子陣列的換能器元件從而生成子焦點、測量所述子焦點的品質并且調節相對相位以改善所述子焦點的品質而用實驗確定子陣列內的換能器元件的相對相位。確定所述子焦點是否結構干涉可以包括確定所述子焦點是否同相和/或它們是否同定位。如果所述子焦點不同相，則可以通過將相等幅度的相移施加到每個子陣列內的換能器元件并且將施加到相應子陣列的相移選擇成使所述子焦點同相而調節所述換能器元件的相位。如果所述子焦點不同定位，則調節所述換能器元件的相位可以包括在每個子陣列的換能器元件上施加相位梯度，從而同定位所述子焦點。在一些實施例中，確定所述子焦點是否結構干涉包括例如通過使用磁共振聲輻射力成像(MR-ARFI)測量與全焦點(global focus)關聯的組織位移而測量由所述子焦點形成的全焦點的品質。在第二方面中，各實施例提供一種使用包括一個或多個模型參數(例如聲速)的靶組織的模型將超聲的定相陣列聚焦到靶組織中的方法。所述方法對于所述(一個或多個)模型參數的多個值的集合的每一個，包括以下步驟(至少部分地)基于所述模型和所述靶組織中的靶焦點位置計算所述換能器元件的相對相位，在所述計算出的相對相位驅動所述換能器元件，從而在所述靶焦點位置處生成超聲焦點，以及測量所述焦點的品質(例如通過使用ARFI測量與所述焦點關聯的組織位移)。在所述多個值的集合中，選擇與最高焦點品質關聯的集合。然后可以在相對相位下驅動所述換能器元件，所述相對相位是基于所述模型、所述選定模型參數值的集合和所述靶焦點的位置計算的。所述方法還包括例如通過測量所述靶組織的材料性質和/或幾何特性(例如使用MRI或計算機斷層攝影)獲得所述靶組織的模型的步驟。在一些實施例中，所述模型包括多個模型參數，并且所述值的集合的每一個包括所述模型參數的每一個的值。在其它實施例中，所述模型包括單模型參數，并且所述值的集合的每一個包括所述單模型參數的值。 在第三方面中，各實施例涉及一種使用聲處理模型將超聲聚焦到靶組織本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：S·維塔克，Y·赫茨伯格，
申請(專利權)人：因賽泰克有限公司，
類型：
國別省市：