[发明专利]具有优化的空化监控的聚焦超声系统

说明书

使用具有多个换能器元件的超声换能器在靶区域处产生超声聚焦并从靶区域接收信号的各种方法包括：获取靶区域和位于换能器元件与靶区域之间的波束路径上的一个或多个路径区域的多个图像；基于获取的图像确定与靶区域相关联的一个或多个组织特征；至少部分地基于确定的组织特征来确定与每个换能器元件相关联的多个特征参数；至少部分地基于特征参数，操作换能器元件中的至少第一换能器元件以共同将超声束发射到靶区域，从而在其上产生具有期望特性的聚焦；以及至少部分地基于特征参数，操作换能器元件中的至少第二换能器元件以从靶区域接收声信号，并响应于此，调整换能器元件中的至少第一换能器元件的操作从而改善靶区域处的聚焦。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年6月6日提交的美国临时专利申请号62/681,282的优先权和权益，并将其全部内容通过引用并入本申请。

技术领域

本发明总体上涉及聚焦超声系统，并且更具体地，涉及操作聚焦超声系统以产生高质量聚焦区并实现优化的空化监控。

背景技术

聚焦超声(即，频率大于约20千赫兹的声波)可用于对患者体内身体组织进行成像或治疗性处理。例如，超声波可用于涉及切除肿瘤的应用中，从而消除了对侵入式手术、靶向给药、血脑屏障控制、凝块溶解和其他外科手术的需要。在超声程序期间，压电陶瓷换能器放置在患者外部，但紧邻待切除或成像的组织(即，靶)。换能器将电子驱动信号转换成机械振动，从而产生声波的发射。换能器可以设置几何形状并与其他这样的换能器一起定位，使得它们发射的超声能量共同在对应于靶组织区域(或在靶组织区域内)的“聚焦区”处形成聚焦波束。可选地或另外地，单个换能器可以由多个单独驱动的换能器元件形成，换能器元件的相位和幅度可以各自独立地控制。这种“相控阵”换能器有利于通过调节换能器之间的相对相位将聚焦区域控制至不同的位置；聚焦体积可以通过控制与元件相关联的幅度和相位来成形。如本文所用，术语“元件”表示阵列中的单个换能器或单个换能器的可独立驱动的部分。磁共振成像(MRI)可用于使患者和靶可视化，并从而引导超声束。

当声能穿过组织时，它可以通过多个过程与组织相互作用，包括传播、散射、吸收、反射和折射。到达靶区域的声能的强度和靶区域处的聚焦区的大小通常决定治疗的治疗效果，即在聚焦区附近破坏的组织的体积。声强度和聚焦区的大小取决于系统参数，例如换能器元件特征、声能的频率和聚焦深度(从换能器到聚焦区的距离)，以及与患者有关的参数，例如组织不均匀性。

例如，聚焦区的大小与超声相控阵的f数的平方正相关，即，聚焦区的面积越小对应于换能器元件的f数越小。因为f数定义为聚焦深度与换能器元件的孔宽度之比，所以在固定焦距下，较大的超声发射区域产生较小的聚焦区域。因为小的聚焦区对应于高的声强，所以可能希望激活尽可能多的离散换能器元件以便使f数最小。

另一方面，激活换能器元件以测量来自靶区域的信号也可能是有益的，以用于自动聚焦和/或监视由施加的声能引起的对靶的影响。这可以利用小的气泡(或“微泡”)来实现。在聚焦超声治疗或超声成像期间，在靶组织的液体部分中可能会产生微泡，例如，由于由传播的超声波产生的负压引起的应力和/或由于加热液体的破裂及其气体/蒸汽的积聚。从微泡反射的超声信号可用于在靶区域处形成聚焦。另外，取决于来自声场的所施加的应力的幅度，微泡可能塌陷(该机制被称为“惯性空化”)并且在靶和/或其周围组织中引起各种热效应和/或机械效应。例如，在低声压下，可以诱发微泡的稳定(流式)空化，以增强超声聚焦区域处的能量吸收。稳定空化可以使聚焦区域内的组织比不存在微泡时更快和更有效地加热。然而，在高声压下，可能诱发微泡的不稳定(或惯性)空化，并且这可能导致不希望的生物效应，例如出血、细胞死亡和超出靶的大范围组织损伤。因此，监测靶处和靶区域外的微泡活动是重要的，以便获得所需的治疗性生物效应而不损坏非靶组织。