[发明专利]高效超声聚焦

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年4月28日提交的序列号为12/769，059的美国专利申请的优先权和权益，上述申请的完整公开内容通过引用在此被合并于本文中。

技术领域

本发明大体上涉及用于超声聚焦的系统和方法。特别地，各实施例涉及聚焦超声换能器元件的定相阵列的高效方法，其使用基于模型的计算和焦点品质的测量来调节换能器元件的相对相位。

背景技术

聚焦超声（即，具有大于大约20千赫的频率的声波）可以用于成像或治疗患者身体内部组织。例如，超声波可以用于消融肿瘤，不需要患者经历有创手术。为此，压电陶瓷换能器置于患者的外部，但是紧靠待消融的组织（“靶”）。换能器将电驱动信号转换成机械振动，导致发射声波（该过程在下文中被称为“声处理”）。换能器可以成形为使得波在焦点区域中会聚。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，所述换能器元件的相位（和可选地，幅度）均可以彼此独立地进行控制，并且因此，可以被设置成导致焦点区域中的单独的声波的结构干涉。这样的“定相阵列”换能器便于通过调节换能器之间的相对相位将焦点区域转向到不同位置，并且通常换能器元件的数量越大，提供的焦点品质和分辨率越高。磁共振成像（MRI）可以用于可视化焦点和靶以便引导超声束。

换能器元件为了聚焦在靶位处而需要被驱动到的相对相位取决于换能器表面和靶的相对位置和取向，以及它们之间的一个或多个组织（即，“靶组织”）的尺寸和声学材料性质（例如声速）。因此，在已知几何关系和声学材料性质的情况下，可以计算相对相位（和可选地，幅度），例如在美国专利第6，612，988号（于2000年12月15日提交），第6，770，031号（于2002年8月26日提交），和第7,344,509号（于2004年4月9日提交），以及美国专利申请第12/425，698号（于2009年4月17日提交）中所述。然而实际上，这些参数的知识往往非常不完整也非常不精确以致于不能单独基于相对相位的计算进行高品质聚焦。例如，当超声聚焦到脑中以治疗肿瘤时，声路径中的颅骨可能导致不容易确定的像差。在这样的情况下，在治疗之前典型地进行自动聚焦程序，其中迭代地，在靶或附近生成超声焦点，测量焦点的品质（例如使用热成像或声辐射力成像（ARFI）），并且使用实验反馈来调节换能器元件的相位以获得足够的焦点品质。

该程序中的声处理的数量典型地是单独控制的换能器元件的数量的至少三倍，并且可能需要更多的声处理以克服测量噪声。自动聚焦程序可能因此耗费相当多的时间，这可能使它对于患者不切实际，或者至少不方便。此外，在自动聚焦声处理期间，超声能量不可避免地沉积到靶上和靶周围的组织中，对健康组织可能造成损害。尽管可以通过利用只需要低的声强度的成像技术（例如ARFI）最小化治疗前的声处理的影响，但是通常期望限制治疗前的声处理的数量。因此，需要聚焦换能器元件的定相阵列的更高效方式以产生高品质超声焦点。

发明内容

本发明在各实施例中通过基于下列的组合调节换能器元件的定相阵列的相位（可选地，和幅度）提供用于聚焦超声的系统和方法：（i）关于换能器表面和靶之间的相对位置和/或取向、靶组织的尺寸和/或声学材料性质和/或从这些参数导出的任何量的先验知识（在下文中被统称为“声处理模型”），和（ii）关于焦点品质的实验反馈。使用焦点测量来调节换能器元件相比于纯计算方法可以改善焦点品质，同时利用基于声处理模型的计算可以减小声处理的数量（并且因此减少获得指定焦点品质所需的时间和能量）。

在一些实施例中，换能器元件被分组成子阵列，并且为了实验相位调节，每个子阵列作为单元件被处理。这样的分组减小可单独控制的元件的数量，并且因此减少优化时间和能量。尽管一般而言更少的元件导致更低的分辨率和因此更低的焦点品质，但是通过基于声处理模型的“智能分组”可以避免或最小化该不利影响（例如基于来自子阵列的超声在靶组织界面（即，靶组织的外表面或靶组织的多个层之间的界面）上的入射角）。智能分组涉及在可能需要更精细调节的区域中保持阵列分辨率（即，每个单位面积的可单独控制的元件的数量）高。