CN101528307B - 用于超声治疗的对称和择优导引随机阵列 - Google Patents

Abstract

一种用于超声生成装置的相控超声阵列。在一个实施例中，所述阵列包括相对于元件尺寸、形状和/或元件位置关于阵列中的点或分界线对称布置的多个超声元件。在另一实施例中，将所述超声阵列中的大多数较大元件布置到所述阵列的第一部分上，并且将大多数较小超声元件布置在所述阵列的第二部分上。所述第一部分比所述第二部分更加接近优选导引方向。另一方法包括选择具有随机尺寸的超声元件，并将所述超声元件对称地布置到所述阵列上。一种额外的方法包括选择具有随机尺寸的超声元件，并对所述超声元件加以布置，其中，将较大的超声元件布置到所述阵列的第一部分上，将较小的超声元件布置到所述阵列的第二部分上。

Description

用于超声治疗的对称和择优导引随机阵列

技术领域

本发明的技术领域是用于诸如组织消融、药物输送、基因转移、热疗和血块溶解的治疗应用的超声相控阵列换能器。

背景技术

超声具有很多治疗应用，例如，组织消融、药物输送、热疗和血块溶解。单元件治疗换能器具有焦距固定以及需要通过机械平移来治疗身体的不同部位的限制。为了将治疗波束导引到身体中的不同位置，通常采用电子相控阵列换能器。本领域公知，电子导引阵列可能引起栅瓣的生成，当元件间隔不够细小时，所述栅瓣将导致不希望出现的能量沉积。

以前曾经出现了用于超声治疗应用的随机和伪随机阵列。E.Hutchinson等，“Aperiodic ultrasound phased array”，PCT专利申请序列号WO 97/17018；J.F.Hand等，“Arrays of quasi-randomly distributed ultrasound transducers”，PCT专利申请序列号WO 00/49598。在这样的阵列中，元件的分布是随机化的。伪随机阵列利用了位置、形状和尺寸处于用户定义的某些界限内的随机化元件。这样的随机化将引起所希望的规律性的损失，从而实现降低栅瓣中的能量沉积的作用。

最佳的随机阵列设计需要解决大量的未知参数。构成阵列的元件的位置、形状和尺寸通常是经受某些界限的随机值。基于代价函数的最小值选择最佳阵列，通常认为所述最小值是在对所述波束进行导引，从而使之在很多位置中的每者上聚焦时每一栅瓣与主瓣的强度的最差(最高)比率。

基于梯度搜索的优化方法的失败与存在大量的局部最小值相关。由于所述问题的受到高度制约的特性(元件一定不能重叠)，难以通过简捷的方式实现诸如遗传(genetic)算法的自适应搜索算法。在尝试以无约束方式提出自适应搜索问题时，可以将解空间局限到一类能够通过无约束方式选择解集的问题。因而，在实践当中，在设计随机阵列时将实施受限制的穷举搜索。E.B.Hutchinson等，“Design&optimization of an aperiodic ultrasoundphased array for intracavity prostate thermal therapies”，23(5)Med.Phys.767-76(1996)。现有技术中采用的一种方法是使元件尺寸只限于两个或三个尺寸值。(同上)由于所述受限制的搜索的原因，往往选择亚最佳的集合。

发明内容

相应地，文中给出的本发明的特征实施例是一种用于超声生成装置的相控超声阵列，所述阵列包括多个超声元件，从而相对于元件尺寸、形状和元件位置关于所述阵列中的点或分界线对称布置所述阵列的超声元件，其中，所述多个元件中的至少一个元件具有与所述多个元件中的其余元件的尺寸和/或形状不同的尺寸和/或形状，和/或至少一个元件间间隔不同于其余间隔。在相关实施例中，随机选择超声元件的尺寸和/或形状。在另一相关实施例中，随机选择超声元件的位置。在另一相关实施例中，相邻超声元件的质心的位置之间的多个距离是非周期的。在另一个相关实施例中，按照旋转对称的方式布置阵列的超声元件。

文中还提供了一种用于生成超声的装置，其包括根据任何上述实施例所述的任何相控超声阵列。

文中给出的本发明的另一特征实施例是一种择优导引相控超声阵列，其具有多个超声元件，从而将所述超声阵列中的大多数较大元件布置到所述阵列的第一部分上，并且将大多数较小超声元件布置到所述阵列的第二部分上，并且使得所述第一部分比所述第二部分更加接近优选导引方向，与在不考虑超声元件尺寸和优选导引方向的情况下布置具有超声元件的常规阵列相比，所述阵列得到了更大的聚焦增益和降低的栅瓣。在相关实施例中，所述多个元件中的至少一个元件具有不同于所述多个元件中的其余元件的尺寸和/或形状的尺寸和/或形状，和/或至少一个元件间间隔不同于其余元件的间隔。在另一相关实施例中，在布置元件之前随机选择超声元件的尺寸和/或形状。在另一实施例中，随机选择至少一个部分内的多个超声元件的位置。在另一相关实施例中，随机选择每一部分内的多个超声元件。

在另一相关实施例中，从两种元件尺寸分布中随机选择所述超声元件的尺寸：第一超声元件尺寸分布和第二超声元件尺寸分布，使得第一分布中的平均尺寸大于第二分布中的平均尺寸。在另一相关实施例中，从所述第一分布中随机选择所述第一部分的元件，并且从所述第二分布中随机选择所述第二部分的元件。在另一相关实施例中，所述第一部分和所述第二部分中的每者构成了所述阵列的面积的大约一半。在另一相关实施例中，所述第一部分和所述第二部分中的每者构成了所述阵列的面积的一半。

在另一相关实施例中，相邻超声元件的质心的位置之间的多个距离是非周期的。在又一相关实施例中，按照随机的方式选择元件的位置。在相关实施例中，上述实施例的任何一者中的阵列是一维、二维或三维的。在另一相关实施例中，任何上述实施例中的超声元件还包括选自由下述材料构成的组的材料：锆钛酸铅(PZT)、高分子压电材料和压电复合材料。在另一相关实施例中，将超声元件布置在曲面上。例如，所述曲面为球壳。

文中给出的本发明的另一特征实施例是一种相控超声阵列的制作方法，所述方法包括：选择具有随机尺寸的超声元件，并且在所述阵列上对称布置所述超声元件。

文中给出的本发明的另一特征实施例是一种相控超声阵列的制作方法，所述方法包括：选择具有随机尺寸的超声元件，并对所述超声元件进行布置，其中，将较大的超声元件布置在所述阵列的第一部分上，将较小的超声元件布置在所述阵列的第二部分上，使所述第一部分比所述第二部分更加接近优选导引方向。在相关实施例中，所述方法还包括为了沿额外方向进行导引而优化超声元件的布置，其中，所述优化是保持聚焦增益和使栅瓣降至最低。

附图说明

图1示出了一维完全随机阵列和对称(半随机)阵列的例子，每一阵列总共具有32个元件；

图2针对在距孔径80mm的平面上聚焦的一维完全随机阵列以任意单位示出了作为横坐标与阵列的中心(x＝0)的距离的函数的场强(波束图案)，所观察到的阵列性能(场强)通常根据所述波束被导引到右或左而不同，在这一例子中，与(例如)从中心向左20mm的情况相比，当在偏离中心20mm的点上聚焦时，所述阵列的性能更差，在各个瓣的上方通过文本示出了作为主瓣强度的一部分的栅瓣强度；

图3示出了来自具有48mm的孔径和32个元件的对称(半随机)一维阵列的场强。由于在向右导引或者向左导引时观察到了相同水平的栅瓣，因而场分布是对称的；

图4针对250次试验示出了针对完全随机阵列和对称(半)随机一维阵列，作为主瓣强度(高度)的一部分的栅瓣强度(高度)的比较，每一个点都表示一个具体的试验的代价函数，值越小表示性能越好，所述数据表明，最佳的半随机阵列所得到的代价函数优于(低于)最佳的完全随机阵列；

图5基于从10000次试验获得的数据示出了来自最佳的完全随机阵列的场强；

图6基于从10000次试验获得的数据示出了来自最佳对称(半随机)一维阵列的场强；

图7针对所有10000次试验示出了完全随机一维阵列和对称(半随机)一维阵列的比较，每一个点都表示一个具体的试验的代价函数，值越小表示性能越好，所述数据表明，最佳的对称(半随机)阵列所得到的代价函数优于最佳的完全随机阵列，即使在10000次试验之后，采用对称(半随机)设计获得的数据所得到的性能仍然优于采用完全随机设计所得到的性能；

图8作为焦点位置的函数示出了最佳的完全随机和对称(半随机)阵列的代价函数，距离轴的导引距离越大，所产生的栅瓣就越大。最佳的对称(半随机)阵列比最佳的完全随机阵列表现出了更好的性能(在10000次试验之后)，为了进行比较，还示出了非随机阵列的代价函数，经观察，该非随机阵列表现出了比完全随机阵列或对称(半随机)阵列更差(更高)的代价函数；

图9示出了处于圆孔径内的二维完全随机阵列的例子；

图10示出了处于圆孔径内的对称二维随机阵列的例子，在所述阵列的90度扇区内填充了具有随机的尺寸和位置的元件，之后，使这一扇区旋转90、180和270度，并加以复制，以生成旋转(径向)对称的阵列；

图11示出了通过完全随机阵列和对称随机阵列(90度对称)的代价函数的比较获得的数据，每一个点是一次试验获得的代价函数值(值越低表示性能越好)，所获得的数据表明，最佳的对称随机阵列所得到的性能优于最佳的完全随机阵列；

图12针对三个一维线性阵列(非随机)示出了在离轴聚焦的情况下元件宽度在纵坐标上以任意单位表示的对于场强的影响，其中，所述阵列具有以x＝0为中心的36mm的孔径，对于所有所述三种情况，使孔径尺寸(元件宽度和元件数量的乘积)保持相同，波长为1.5mm，并且对于前两种情况(宽度＝0.3和0.6mm)，未观察到栅瓣，在1.2mm的宽度上观察到了栅瓣，即使在不存在栅瓣时，也观察到更小的元件宽度能够得到更好的信号强度(0.3mm对比0.6mm)。在不受任何具体理论和作用机制的限制的情况下，存在这一相关性的原因在于，较小的元件的方向性优于大的元件，在宽度提高到1.2mm时，由于尺寸的提高和栅瓣的出现使得焦点处的信号强度进一步降低。因而，这些数据表明，较小的元件宽度而不是较大的元件宽度将得到更好的结果；

图13示出了一维随机线性阵列和一维排序线性随机阵列，顶板(toppanel)示出了所具有的元件尺寸处于0.9mm到1.5mm之间的范围内的随机阵列，底部阵列采用了与顶部阵列中相同的一组元件，但是，对所述元件进行了排序，使之具有从左(负x方向)到右(正x方向)按递增顺序增大的元件尺寸，因而，随着x坐标从原点开始增大，元件尺寸也增大(未必作为x的函数线性增大)；

图14示出了图13所示的一维随机阵列中的随机元件的重新分布对场强的影响，对于所述排序阵列，发现向右(正x)导引更好，而且观察到了降低的栅瓣，尤其是在将波束聚焦到x＝20mm的平面(z＝30mm)上时；

图15示出了具有两种不同的元件尺寸分布的随机阵列：一种分布是在0.7mm到1.3mm的间隔上均匀分布(18个元件)，另一种是在1.2mm到1.8mm的间隔上均匀分布(12个元件)，总的孔径尺寸与图13中相同(36mm)，图中示出了两种互为镜像的配置，在一种配置中，使较大的元件向左(顶板)分布，在另一种配置中，使较大的元件向右(底板)分布；

图16示出了来自具有图15所示的两种不同的元件尺寸分布的随机阵列换能器的场强，被表示为“[大；小]”的函数示出了来自图15所示的顶板的数据，其中，使较大的元件向左分布，被表示为“[小；大]”的函数示出了来自图15所示的底板的数据，其中，使较大的元件向右分布，将所述阵列设置为在离轴20mm距离阵列30mm的位置处聚焦(即，x＝20，z＝30mm)，所述数据表明，被表示为[小；大]的阵列实现了更好的导引(向右)；

图17示出了二维随机阵列(顶部)和这一阵列的排序版本(底部)，在每一行内完成排序，从而使较小的元件向左放置(在该图的分辨率下元件尺寸的小变化不明显)；

图18示出了图17所示的二维半随机阵列的场强，为了比较，还示出了来自非随机阵列的波束曲线图，与在前述结果中一样，这里观察到的数据表明排序随机阵列得到了更好的性能。

具体实施方式

超声元件可以由锆钛酸铅(PZT)、高分子压电材料或压电复合材料构成。

在将波束射向阵列的一侧或另一侧时，完全随机一维阵列通常将导致不对称的性态，例如，在导引至左时栅瓣可能小，但是导引至右时，栅瓣可能大。当元件尺寸的平均值在左侧比在右侧大时将产生这种现象。就二维阵列而言，存在类似的情况。

为了描述本发明，引入了这样一条规约，即，超声元件阵列处于z＝0的x-y平面内，使其轴与z轴对准。所述阵列被激发(fired)为在不同的点上聚焦，所有的点都处于同一x-y平面上，该平面与所述阵列相距某一距离，例如，所述的不同的点位于所述x-y平面中的圆形上。实质上，是将所述阵列激发为沿不同的方向聚焦。[“位于圆形上”只适合2D阵列，而不适合1D阵列]

在针对不同方向比较阵列性态的情况下，对于某些方向将具有小的栅瓣水平，而对于其他方向则不然。因而，除非在穷举搜索中尝试了非常多的情况，否则采用完全随机阵列倾向于产生这样的结果，即，在导引至一个方向时栅瓣低，而在导引至其他方向时栅瓣大。

宽范围的治疗性超声应用提出了对具有各种特性的阵列的需求。例如，在用于前列腺肿瘤治疗的直肠内换能器中希望“前向导引”时，后向导引并不重要，因为能够使换能器稍微后退，以抵达其他区域。即使在择优导引不是十分重要的情况下，阵列的设计成本也是一个总是存在的问题。相应地，本发明的目的在于提供一种具有比当前可得的模式更为简单的阵列设计的阵列，而且在从一个方向导引至另一个方向时，所述阵列不会遭受到不对称的性态的影响。本发明的另一目的在于提供这样一种阵列，即，在将波束导引至所述阵列的一侧时，所述阵列将展现出改善的聚焦和治疗。

在本发明的一个实施例中，通过实施对称限制获得了相对于随机阵列的改进。例如，在一维阵列中，并不是采用128个具有随机尺寸/分布的元件设计整个孔径，而是采用64个元件设计所述孔径的一半左右，并将另一半实现成所述第一半的镜像。就二维阵列而言，仅采用随机元件设计所述阵列的角形(扇区)部分，并通过使所述第一扇区内的所有元件的位置旋转适当的角度而采用相同的元件填充所述阵列中的其余扇区。本发明还包括具有布置在具有深度的三维空间内的曲面的换能器。

在这一应用中，词语“完全随机阵列”是指没有对称性约束的阵列。词语“半随机阵列”和“对称随机阵列”分别是指具有至少一个对称度的一维和二维随机阵列。

有利地，在实施了对称约束时，将使得阵列的设计更加简单，并且所述阵列也不会受到从一个方向到另一个方向的不对称性态的影响。对于一维情况而言，只需最佳地选择一半数量的元件，并通过对称性选择另一半。对于二维情况而言，在希望沿x和y轴具有对称性时，只需设计所述阵列的四分之一，并通过旋转对称选择另外四分之三。这极大简化了最佳随机阵列的设计。

在一些实施例中，所述阵列具有旋转对称性。例如，将所述阵列划分为几个部分，例如，等同的部分。例如，将圆形几何形状划分成几个扇区，每一扇区含有非周期的和/或随机的元件；但是，所有的扇区都是可换位的，例如，使一个扇区围绕所述阵列的中心旋转将出现另一个扇区。一个示范性实施例包括具有四分之一对称性的圆形二维阵列。在其它实施例中，产生了1/N对称性，其中，N表示大于等于2的整数。

除了设计优势之外，在校准和测试阶段，所述对称随机阵列也存在优势。对于随机阵列而言，必须对每一元件实施阻抗匹配。如果针对每一可能的工作频率重复执行这样的过程，那么这样的过程既昂贵又耗时。在实施对称性时，只需测试所述阵列的经过设计的部分。例如，对于仅设计了阵列的四分之一的二维阵列而言，只需对所述阵列的四分之一进行测试和校准。而且，如果采用了先验查询表格来存储针对不同聚焦区域的激励参数，那么只需对聚焦区域的四分之一进行校准。

在通过对称性降低所设计的元件的数量方面可能产生的一个问题是降低了随机性的丰度。但是，如下面的考虑和这里获得的结果所示，情况并不是这样的。对于假定采取了圆形元件的二维阵列而言，存在三个未知因素：元件的中心的x和y坐标以及元件的半径。即使通过将这三个量量化为五个等级，那么对128个元件的穷举搜索的可能的组合数量仍将为10⁸⁹个(为了简单起见忽略了非重叠约束)。但是，在仅设计32个元件(128的四分之一)的情况下，可能的组合的数量为10²²，仍然十分丰富。通过向阵列中引入对称性将得到充分的设计，而且，如在本文的例子中所观察到的数据所示，发现向阵列中引入对称性能够得到比完全随机阵列性能更好的阵列。此外，一些证据表明，最佳的完全随机阵列将倾向于在某种程度上集中在对称阵列上。

在文中提供的系统当中，一个重要的特征是随机阵列中的对称性约束。例如，就一维情况而言，并非采用128个随机填充到整个孔径内的元件设计一维阵列，而是仅采用64个元件设计所述孔径的一半。采用所述元件的镜像填充另一半。在具有圆形孔径的二维情况下，仅采用随机阵列设计所述阵列的扇区部分(例如，90度角)。通过使用同一组元件围绕所述阵列的中心使它们的位置旋转适当的角度(90、180和270度)而填充其它扇区。

图1的底板示出了这样的一维半随机阵列的实施例。为了评估和比较这一半随机阵列和完全随机阵列，通过FIELD II进行了仿真。(FIELD II是一组采用线性声学技术对超声换能器场和超声成像进行仿真的程序。)采用48mm的孔径尺寸模拟一维随机阵列。对于所述两种情况而言，元件的总数为32。所述元件尺寸从1.25mm到1.75mm随机分布，并且具有1.5mm的平均尺寸(为简单起见在仿真中未采用截口)。工作频率为1.5MHz。对于完全随机情况而言，采用32个元件填充整个的48mm的孔径。对于对称(半随机)阵列情况而言，采用16个元件填充尺寸为24mm的一半的阵列尺寸，之后取其镜像，以获得另一半。

图2示出了来自完全随机一维阵列的一种实现的针对两个焦点的波束图案，所述两个焦点处于阵列的任意一侧，而且位于距所述阵列80mm的平面上。当焦点处于+20mm处时，栅瓣是主瓣强度的28％。在使波束聚焦到另一侧时，观察到了更高的性能，这时栅瓣仅为主瓣的12％。由于一般而言，不存在择优的单侧导引，因而针对这种实现的代价函数为28％。

图3示出了由半随机阵列的一种实现观察到的波束图案。不管焦点处于+20还是-20mm上，所述波束图案都是相同的，其代价函数为21％。应当指出，图2和图3中的结果的直接比较是不可能的，因为这些结果是随机阵列的一次具体试验得到的。在现有技术中，已经针对最佳阵列选择实施了250次试验。E.B.Hutchinson等，“Design&optimization of an aperiodicultrasound phased array for intracavity prostate thermal therapies”，23(5)Med.Phys.767-76(1996)。相应地，图4示出了250次试验的代价函数，针对每次实现将其代价函数绘制成一个点。经观察发现最佳的对称(半随机)阵列比最佳的完全随机阵列具有更好的性能。

为了进一步比较完全随机和半随机一维阵列，总共实施了10000次试验。图5示出了来自最佳的(最优的)完全随机阵列的场强。与图2中相比，观察到其栅瓣强度降低了很多。当焦点处于+20和-20mm处时，波束图案看起来有些对称。图6示出了最佳半随机阵列的场强。经观察，针对所述两个焦点的波束图案(场强)是对称的，而且与最佳的完全随机阵列相比表现出了甚至更小的栅瓣。图7针对10000次试验示出了所述两个阵列的代价函数曲线图，其同样印证了对称(半随机)阵列相比于完全随机阵列具有更好的性态。

通过对最佳的完全和半随机(对称)阵列(在10000次试验之后选择的)执行进一步的比较确定了将焦点位置改变到两个以上的点上所产生的影响。图8示出了在使焦点在从-30mm到30mm的范围内变化的情况下获得的波束曲线图。可以看出，与最佳的完全随机阵列相比，最佳的半随机阵列得到了较低的代价函数。为了在-30mm和30mm上聚焦，完全随机阵列产生了令人无法接受的高栅瓣，这与具有1.5mm的恒定宽度的非随机阵列相当。

现在将说明二维随机阵列的另一实施例。所述阵列含有采用120个元件填充的40mm的圆形孔径。在这一实施例中，元件的形状为圆形，其随机半径均匀分布在1和2mm之间。工作频率为1.5MHz。图9示出了完全随机二维阵列的一种实现。图10示出了具有90度对称性的二维对称随机阵列的一种实现。对于这一阵列而言，随机选择30个元件与四分之一相符合，之后使所述四分之一旋转90、180和270度，从而通过放置同样的元件来填充其他的各个四分之一。

为了比较完全随机和对称随机阵列的代价函数，针对8个聚焦位置(一个接一个地；而不是同时针对多个焦点)通过FIELD II完成了波束绘图仿真。所述8个焦斑位于一个圆上，而且处于距所述阵列80mm的平面中。这8个焦点在具有20mm的半径的圆上相隔45度。报告栅瓣与主瓣之间的最差比率。由于计算时间约束的原因，对于一维情况执行了250次试验而不是10000次试验。但是，确信已经获得了统计显著性。

图11针对完全随机和对称二维随机阵列中的每者示出了通过这250次试验观察到的代价函数。经观察，即使对于这么多次的试验而言，对称随机阵列仍然得到了更高的性能。因而，即使对于对称阵列而言，降低了随机度，但是其性能实际上仍然高于具有完全的随机性的阵列。

根据本发明的原理，另一个实施例是形状上非圆形的二维随机阵列孔径，例如，其可以是矩形、三角形、五边形、n边形、椭圆形、梯形、长菱形或方形。

在其他实施例中，用于实现对称性的扇区角度不限于90度，例如，其可以处于0到180度的范围内。20和180度之间的角度能够实现用于对称复制的更为丰富的超声元件图案。

可以在采用经聚焦的超声使组织热消融的任何应用中采用上述实施例。典型的例子包括对脑部损伤、子宫肌瘤、肝脏肿瘤消融、乳房肿瘤消融等的治疗。所述实施例还包括采用超声进行血块溶解的方法，例如，适用于那些中风或者深静脉血栓形成(DVT)患者。

还可以将上述实施例用于那些需要热诱导生物效应的应用，例如，局部基因治疗、药物输送、以及蛋白质输送。

尽管所述随机阵列是针对治疗目的设计的，但是可以设想也可以将上述实施例应用到超声成像阵列当中。

在本发明的另一实施例中，将所述元件布置为，使较大的元件更加接近优选的导引方向，并且使较小的元件位于所述阵列的另一侧(远端)，从而在将波束导引至阵列的一侧时得到更好的聚焦和治疗。

与较大的元件相比，较小的元件在几个方面存在优势：与大元件相比，它们相对更具各向同性的波束图案，从而生成更易于从较小的元件离轴导引的超声波束，尤其是在接近阵列的情况下。此外，在采用较小的元件时，栅瓣较低。栅瓣的缩小将使得主瓣中的能量沉积提高，这是一个在对波束离轴导引时尤为有用的特征。

通过简单的非随机阵列的例子对上述实施例进行举例说明。采用FIELD II程序对三个具有恒定元件尺寸的一维线性阵列(非随机阵列)进行仿真。对于所有三种情况而言，总孔径尺寸是相同的，均为36mm。所述三种情况的元件宽度分别为0.3mm、0.6mm和1.2mm，元件数量分别为120、60和30。将频率设为1.0MHz，其对应于1.5mm的波长。为简单起见，在仿真中没有采用截口，因此，元件之间的间隔由元件的宽度决定。对于前两种情况未观察到栅瓣。

图12示出了在将波束设置为离轴20mm在距所述孔径30mm的平面上聚焦时从所述三个阵列观察到的场强。所述数据表明，焦点上的信号强度随着元件尺寸的增加而逐渐降低。即使在不存在栅瓣时，较小的元件宽度也能够得到较好的信号强度(0.3mm对比0.6mm)。这是因为较小的元件的方向性较好。在宽度增加到1.2mm时，由于尺寸的增加和栅瓣的出现使得焦点处的信号强度进一步降低。因而，优选具有较小的元件。

即使在元件间隔大于λ/2时，先前描述的随机阵列也能够使栅瓣降至最低，其中，λ是声学波长(E.Hutchinson等，“Aperiodic ultrasound phasedarray”，PCT专利申请序列号WO 97/17018；J.F.Hand等，“Arrays ofquasi-randomly distributed ultrasound transducers”，PCT专利申请序列号WO00/49598)。但是，在对波束离轴导引时，它们倾向于具有较差的导引能力，这里认为其与较大元件的使用相关。为了对此举例说明，提供了另一个例子。图13示出了两个具有同一组具有随机尺寸的元件的随机阵列配置。从0.9mm和1.5mm之间的均匀分布(量化至最近的0.05mm)选择所述元件尺寸。元件的数量为30，并且总的孔径尺寸与前面例子中相同(36mm)。图13的底板中的阵列采用了与顶板中相同的一组阵列，并对底板中的元件进一步排序，从而使所述元件从左至右按尺寸的升序放置。两种阵列的平均元件尺寸为1.2mm。

图14示出了在将聚焦设置为向右20mm并且处于距孔径30mm的平面上时来自两个阵列的波束图案。与具有1.2mm的固定元件尺寸的阵列相比，两种随机阵列都表现出了改进(图12中的黑色曲线-如果您确实需要彩色曲线图，请告知；否则在按照灰度级打印时，不同的曲线图看起来都类似)。但是，与采用同一组元件的未经排序的阵列相比，经过排序的随机阵列表现出了甚至更大的改进。通过使元件方向性相对较差的较大元件设置到更加接近焦斑的位置上促进了所述改进。将具有较好的方向性的较小元件放置到离焦斑较远的位置上。观察到经排序的随机阵列具有降低的栅瓣。由此，发现这样的经排序的阵列具有更加优越的向阵列的一侧导引的能力。尽管由于较小的元件在阵列的另一侧上的导引相对较差，但是对于诸如直肠内探头的内部换能器而言，仍然能够使其得到补偿，即，通常有可能实现向身体内的成功导引，并且接下来能够简单地通过使所述换能器稍微回退而容易地完成向另一侧聚焦。

一个实施例提供了对随机元件的布置的利用，其中，较大的元件位于更加接近优选导引方向的位置，并且较小的元件位于离优选方向较远的另一侧。如图14所示，与针对具有同一组元件尺寸的随机阵列观察到的那些相比，对于该阵列提高了聚焦增益，并且降低了栅瓣。

已经在相关的实施例中执行了优化，以选择如下述专利中公开的元件的最佳分布。E.Hutchinson等，“Aperiodic ultrasound phased array”，PCT专利申请序列号WO 97/17018；J.F.Hand等，“Arrays of quasi-randomlydistributed ultrasound transducers”，PCT专利申请序列号WO 00/49598。但是，应当注意，这些专利中描述的最佳配置缺乏本文中的方法所提供的优选导引能力。相应地，在需要择优导引时，这些阵列的性能也比这里所提出的阵列差。

在图13中，底板示出了择优导引的阵列的实施例，其中，首先选择一维随机阵列，之后按照尺寸递增顺序对所述元件排序。通过针对一组沿阵列的一个方向的焦斑实施的仿真或实验确定所述波束图案。采用经排序的随机阵列的不同试验实施优化方案以选择最佳配置，即，具有由聚焦增益和/或栅瓣水平决定的最佳性能的阵列。此外，所实施的优化包括沿后向方向的直到某一特定角度的良好导引。

图15示出了一维线性阵列的实施例的另一个例子。这里，所述阵列由两种元件尺寸分布构成：一种分布具有较大的平均尺寸，并且另一种具有较小的平均尺寸。优选地，选择两个组中的元件数量，从而使每一组填充所述阵列的一半。较大的分布元件填充所述阵列的用于获得优越的或者优选的导引的一侧。

图16示出了由采用图15所示的随机阵列得到的波束图案获得的数据，其中，执行了向右侧的聚焦。可以看出，在采用将来自较大的尺寸分布的元件放置在阵列的右半部分的布置的情况下，发现与将较小的元件放置在右半部分的布置相比导引得到了显著改善。可以进一步利用优化策略来在聚焦增益和/或栅瓣水平方面在具有最佳性能的分布当中进行选择。

对于本领域技术人员而言，显然可以认识到，如果优选需要后向导引，那么可以通过切换较大和较小元件的位置而应用上述实施例。

一个额外的实施例是一种二维阵列，其要求沿一个方向具有改善的或者优越的导引，例如，当靶组织位于声学窗口的一侧时会出现这种情况，例如，所述靶组织可以是肋骨下通往心脏的通道。为了对所述二维应用举例说明，对一种具有256个元件(16×16)的半随机二维阵列进行了仿真(图17)。所述孔径尺寸为36mm×36mm的方形，并且沿x方向的元件尺寸选自1.75mm和2.75mm之间的均匀随机分布(以0.05mm为步长进行了量化)。为简单起见，沿y轴的元件尺寸具有等于2.25mm的恒定尺寸。对于16行中的每一行选择不同的随机分布，因而对于其选择了包括一组一维随机阵列的所述二维阵列。由于截口被设置为零，因而元件间隔由元件宽度决定。图18针对初始阵列和经排序的阵列示出了处于1MHz(λ＝1.5mm)的波束图案，其中，将焦点设置为向右离轴25mm，并且与孔径相距80mm的距离。而且为了比较还示出了来自具有2.25mm的恒定元件尺寸的非随机阵列的波束曲线图。这些数据表明，与在上述实施例中一样，经排序的随机阵列得到了更加优越的结果。

而且，还可以将上述实施例扩展至一维阵列或者各元件位于诸如球壳的曲面上的二维阵列。

可以在任何采用经聚焦的超声进行组织热消融并且必须使换能器前进到身体内的应用当中采用上述实施例。典型的应用在诸如用于前列腺治疗的腔内换能器、由于堵塞或者因干扰血块而导致的危险方面的原因不能前进到解剖学部位之外的基于导管的换能器、腹腔镜治疗换能器、以及用于子宫肌瘤治疗的换能器当中。基于导管的应用包括血块溶解和用于校正心脏细胞的异常电发射(firing)的电生理学(EP)应用。

经胸廓或者经腹部的应用也处于文中的实施例的范围内，例如，治疗体积所处的位置总是不对称地偏离声学窗口的应用。这些应用包括从肋骨下或者特定的肋间隔通往心脏的通道，或者是经腹部通往肝脏或其他器官以避开肠和膀胱的通道。还可以将本发明用于那些需要热诱导生物效应的应用，例如，局部基因治疗、药物输送、蛋白质输送等。

一般而言，通过任何标准的生成随机数量的值的设备生成随机选择的元件尺寸和位置。这些设备包括随机数发生器、随机数表格、随机分布和准随机分布。

上述实施例一般适用于各种种类(varieties)和尺寸的超声元件。其包括但不限于尺寸在大约0.1mm到大约100mm的范围内的元件。

此外，显然，可以在不背离所附权利要求及其等同要件的情况下设计出本发明的其他和更多的形式，以及上述的具体的示范性实施例之外的实施例，因此本发明的范围旨在包含这些等同要件，而且说明书和权利要求意在起到举例说明的作用，不应将其解释为进一步的限制。

Claims (10)

1.一种用于超声生成装置的相控超声阵列，其特征在于，所述阵列包括被以1/N对称性划分成N个部分的对称约束的多个随机选择的超声元件，其中，N表示大于等于2的整数，并且，所述多个随机选择的超声元件的数目至少为32个，其中，相对于元件尺寸、形状和元件位置关于所述阵列中的点或分界线对称布置所述阵列的每个部分的随机选择的超声元件，其中，每个部分的所述随机选择的超声元件包括具有与相应部分中的所述多个元件中的其余元件不同的尺寸和/或形状的所述多个元件中的至少一个元件，和/或不同于所述相应部分中的其余元件间间隔的至少一个元件间间隔。

2.根据权利要求1所述的相控超声阵列，其中，随机选择所述超声元件的尺寸和/或形状。

3.根据权利要求1所述的相控超声阵列，其中，随机选择所述超声元件的位置。

4.根据权利要求1所述的相控超声阵列，其中，相邻超声元件的质心的位置之间的多个距离是非周期的。

5.根据权利要求1所述的相控超声阵列，其中，所述阵列是一维、二维或三维的。

6.根据权利要求1所述的相控超声阵列，其中，所述超声元件还包括选自由下述材料构成的组的材料：锆钛酸铅(PZT)、高分子压电材料和压电复合材料。

7.根据权利要求1所述的相控超声阵列，其中，将所述超声元件布置在曲面上。

8.根据权利要求7所述的相控超声阵列，其中，所述曲面为球壳。

9.包括根据权利要求1所述的相控超声阵列的用于生成超声的装置。

10.一种相控超声阵列的制作方法，所述方法包括：

选择至少32个具有随机尺寸的超声元件；以及

将所述随机尺寸的超声元件对称地布置在所述阵列上，其中，对称地布置包括以1/N对称性将所述阵列划分成N个部分的随机尺寸的超声元件，其中，N表示大于等于2的整数。

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