CN102348481A - 用于控制穿过非均匀组织传播的超声能量并冷却该非均匀组织的系统和方法 - Google Patents

用于控制穿过非均匀组织传播的超声能量并冷却该非均匀组织的系统和方法 Download PDF

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Abstract

基于非均匀组织区域(例如，颅骨区域)的解剖学特征和预定的阈值来控制超声换能器阵列的换能器元件的发射强度。

Description

用于控制穿过非均匀组织传播的超声能量并冷却该非均匀组织的系统和方法
相关申请
本申请要求2009年1月13日提交的申请序列号为12/352,932的共同待决的美国临时专利申请的优先权和权益，其全部公开内容通过引用被合并至此。
技术领域
本发明的领域总的涉及热能处理系统，尤其涉及用于控制穿过非均匀组织(诸如颅骨)传播的声能的强度以及冷却该非均匀组织的系统和方法。
背景技术
高强度聚焦声波(诸如频率大于20千赫的超声或声波)可被用于治疗患者体内的组织区域。例如，超声波可用于涉及肿瘤消融的应用中，由此无须引入介入性手术、靶向给药、控制血脑障壁、凝块溶解以及其他外科方法。
聚焦超声系统一般包括压电换能器，该压电换能器由电信号驱动以产生超声能量。在这样的系统中，换能器能够在几何上这样成形和定位：由换能器阵列发出的超声能量共同地在对应于目标组织区域的“焦点区域”形成聚焦束。此处使用的术语“束”、“能量束”或“声能束”一般指由聚焦超声系统的各个发射元件发出的波的总和。
当使用聚焦超声“能量束”来热处理身体的特定区域(例如消融肿瘤)时，该能量束必须精确地聚焦到目标位置，以避免损伤目标区域周围的健康组织。为此，换能器被连续地聚焦并激励在多个互相接近的焦点区域。例如，可使用一系列“超声波破碎(sonication)”以导致所需尺寸和形状的组织结构坏死。
图1和图2示出了一种已知的可被用于这些目的的超声系统100。所示出的系统100包括：成像器110，用于确定患者160的颅骨162的特征；n个换能器元件122的相控阵列120，其形式可以为球形帽(如图2所示)；控制器140，可操作地耦合到成像器110；信号调节器130，可操作地耦合到控制器140；以及频率发生器或能量源150，诸如射频(RF)发生器，可操作地耦合到信号调节器130。
换能器元件122为压电换能器元件，例如压电陶瓷片。信号调节器130包括相位调节元件1321_n(总的为132)和相关联的放大器1341_n(总的为134)。频率发生器150将RF信号作为输入提供给信号调节器130。RF发生器150和信号调节器130被构成为在相同的频率下驱动换能器阵列120的各个换能器元件122，但是相位不同。使用这样的控制来将超声能量穿过患者的颅骨162传送并将能量聚焦到大脑164内部的选定目标区域。优选地，在换能器阵列120的内表面和患者颅骨162的外部之间引入可传导声波的液体或凝胶体202，以阻止任何可能降低所施加能量的效率的声学反射空气隙。
在所示的系统100中，基于RF发生器150的输出的n个输入信号被提供给信号调节器130。n对放大器1321-132n和相关的移相器1341-134n被耦合以接收n个输入信号中的每一个信号。每个放大器132-移相器134对代表调节器130的一个信号通道。移相器134被构成为通过由各自的移相系数134对来自RF发生器的传入信号改变或调节而向放大器132提供n个独立的输出信号。放大器132的输出驱动换能器元件122，且由换能器元件122发出的总的能量124形成聚焦的超声能量束，该能量束穿过颅骨162且聚焦到达到164内部的目标区域210。在序列号为6,612,988和6,666,833的美国专利中描述了已知系统100和球形帽换能器的其他方面，通过引用将上述专利的内容合并于此，如同对全文进行描述一样。
尽管图1和图2中所示的聚焦超声系统和球形帽换能器已经在过去被有效的使用，但是其能够被改进，尤其是在涉及非均匀组织(例如颅骨)的处理过程中的改进。大致如图3所示，典型的人类颅骨162包括多层组织层，该多层组织层包括外层301、骨髓层302以及内层或皮质层303，该皮质层的形状高度不规则。当皮质层303暴露于超声能量时，皮质层303的不规则可导致颅骨162的特定部分会受到过度加热的影响。另外，试图将能量聚焦到焦点区域210会导致颅骨162的特定部分被过度加热，从而损伤邻近的健康组织。因此，“非均匀”意味着不同的组织类型、形状和/或构造，从而对超声能量的反应不同。
已知的超声治疗系统可操作为将超声束聚焦到所需焦点区域210，其目的为精确地消融目标组织。尽管这能够避免目标区域212周围的组织的消融，但是颅骨162会再次吸收大部分能量并变得过热，从而导致邻近组织的损伤。换句话说，只不过是一种类型的伤害换成了另外一种。
发明内容
本发明的实施例是指将聚焦超声波以不会伤害目标区域之外的健康组织的方式应用到非均匀组织。
第一方面，提供一种用于控制具有多个换能器元件的换能器阵列的强度的方法，每个换能器元件首先与相应的组织区域相关联，该方法包括确定当换能器阵列向目标区域传送聚焦超声波时将被穿过的非均匀组织区域(例如颅骨)的解剖学特征。基于相应的非均匀组织区域的解剖学特征以及与该区域相关联的预定的能量阈值(例如最高温度)确定每个换能器元件在目标区域的优选的超声能量强度。然后在各自相应的优选强度下驱动各个换能器元件，凭此导引超声能量穿过非均匀组织。结果，由换能器阵列发出的被导引的超声能量在换能器阵列上是非均匀的，且在满足预定阈值的同时被最大化。
在本发明的某些实施例中，该解剖学特征可包括非均匀组织的厚度、非均匀组织的密度、由换能器元件发出的射线进入非均匀组织的入射点和/或由换能器元件发出的射线离开非均匀组织的出射点。另外，所发出的超声能量的强度还受到非均匀组织的温度上升的影响。在本发明的各个实施例中，由各个换能器元件发出的超声能量的强度在约0瓦特至约10瓦特之间。由各个换能器元件发出的超声能量的最小强度和最大强度之差在约0.0瓦特至约10瓦特之内变化。
在一些例子中，(利用例如核磁共振测温法)测量非均匀组织的实际温度并与最高温度相比较，如果所测温度超过最大值，则冷却非均匀组织。在一些例子中，可停止超声换能器。
冷却过程可包括使冷却液体在位于超声换能器和非均匀组织之间的界面中循环、测量冷却液体的温度、将所测温度与最高温度相比较。可产生表示比较结果的输出信号并显示给操作者。
另一方面，提供一种用于控制由具有多个换能器元件的换能器阵列发出的超声能量的强度的方法，该方法包括确定非均匀组织(例如颅骨)区域的解剖学特征、对每个换能器元件模拟相应的非均匀组织区域被基于解剖学特征的强度的超声能量加热的效果、以及基于该模拟和预定的阈值(例如最高温度)确定每个换能器元件的超声能量的最大强度。
在一些实施例中，可基于该模拟生成强度分布图，该强度分布图包括每个换能器元件的超声能量强度值，从而使换能器阵列发出的超声能量被最大化且在换能器阵列上是非均匀的，同时满足预定的阈值。可基于该强度值驱动该换能器元件，从而引导一束超声能量穿过非均匀组织区域(例如到达非均匀组织之外的目标区域)。
在一些例子中，(利用例如核磁共振测温法)测量非均匀组织的实际温度并与最高温度相比较，如果所测温度超过最大值，则冷却该非均匀组织。在一些例子中，可停止超声换能器。
冷却过程可包括使冷却液体在位于超声换能器和非均匀组织之间的界面中循环、测量冷却液体的温度、以及将所测温度与最高温度相比较。可产生表示比较结果的输出信号并显示给操作者。
在各个实施例中，由各个换能器元件发出的超声能量的强度在约0.0瓦特至约10瓦特之间。
另一方面，提供一种控制具有多个换能器元件的换能器阵列的强度的系统，该系统包括成像系统、控制器和驱动电路。成像系统被构成为确定非均匀组织区域(例如颅骨)的解剖学特征，同时控制器被构成为基于所确定的解剖学特征和与该组织区域相关联的预定阈值(例如最高温度)来确定可允许的由每个换能器元件发送到(以及穿过)相应的非均匀组织区域中的最大超声能量强度。驱动电路驱动换能器元件发出穿过该非均匀组织的所确定的最大强度的超声能量。
在各个实施例中，计算机断层扫描(CT)成像系统可被用于确定该非均匀组织的解剖学特征，且核磁共振成像(MRI)系统可被用于与CT成像系统相结合来相对于非均匀组织区域定位换能器元件。在特定例子中，在换能器元件被驱动的同时，MRI系统确定非均匀组织的实际温度，且控制器还被构成为当所测得的实际温度超过最高温度时生成输出信号指示。在一些实施例中，各个换能器元件可独立的控制，从而使得每个非均匀组织区域的温度不会超过该区域的最高温度。
该系统还包括液体界面，其与换能器为一体，且耦合到控制器，以使得该液体界面位于非均匀组织区域周围并便于使冷却液体在非均匀组织周围周期性地或连续地循环。在一些例子中，温度传感器可位于界面内以能够测量冷却液并将所测得的温度通信给控制器。
另一方面，提供一种控制包括多个换能器元件的换能器阵列的强度的系统，该系统包括成像系统、控制器和驱动电路。成像系统被构成为确定非均匀组织区域的解剖学特征，且控制器被构成为对每个换能器元件至少部分地基于所确定的解剖学特征模拟相应的非均匀组织区域被加热的效果。控制器还基于该模拟和预定阈值(例如最高允许温度)来确定可允许的由每个换能器元件发出的最大超声能量强度。驱动电路使换能器元件发出所确定的最大强度的超声能量。
在一些实施例中，控制器可基于该模拟生成每个换能器的超声能量强度值的强度分布图。该系统还可包括MRI系统，该MRI系统测量非均匀组织的温度，基于该温度，如果超过最高温度，使控制器生成指示超过最高温度的输出信号。在一些例子中，各个换能器元件可独立的配置，从而确保每个组织区域的温度不会超过最高温度。
该系统还可包括液体界面，其与换能器为一体，且耦合到控制器，以使得该液体界面位于非均匀组织区域周围并便于使冷却液体在非均匀组织周围周期性地或连续地循环。在一些例子中，温度传感器可位于界面内以能够测量冷却液并将所测得的温度通信给控制器。
在另一方面中，提供一种在向颅骨组织传送超声能量过程中冷却颅骨组织的方法，包括将患者的头部放置到超声换能器中，使得与超声换能器为一体的液体界面位于患者颅骨组织周围，并位于超声换能器的内表面和颅骨组织之间。换能器元件以这样的方式被驱动：使一束超声能量穿过颅骨组织，凭此加热颅骨组织，冷却液在液体界面内(周期性地或连续地)循环以冷却颅骨。在一些例子中，在传送超声能量之前开始循环该液体。
可(利用例如界面内的温度传感器)监控在界面内循环的液体的温度和/或压力，可产生指示该液体是否超过最高温度的输出信号。该信号可被显示给使用者，从而允许使用者中断超声能量向颅骨的传送。
本发明的另一方面，用于在施加超声能量穿过颅骨组织期间冷却患者颅骨组织的系统，包括具有多个换能器元件的超声换能器和液体界面。换能器可放置在颅骨组织周围并发出穿过颅骨组织的超声能量。液体界面与超声换能器为一体，且放置在超声换能器和颅骨组织之间，并便于冷却液在颅骨组织周围的连续循环。
附图说明
现在参考附图，其中相似的数字在所有的图上被用来表示相似的部件，其中：
图1为已知超声治疗系统的一个例子的示意图；
图2为可与图1所示的超声治疗系统一起使用的已知的球形帽换能器的示意图；
图3大致示出了人类颅骨的组织层；
图4为示出了根据本发明一个实施例的在涉及对非均匀组织治疗期间控制由换能器阵列元件发出的能量强度的方法的流程图；
图5为根据本发明一个实施例的在治疗大脑组织期间控制由换能器阵列元件发出的能量强度的方法的流程图，同时颅骨组织的温度可保持低于最高或阈值温度；
图6示出了用在实施例中以确定颅骨区域的几何分布的射线分析图；
图7为示出了根据一个实施例的确定与热模拟有关的强度和生成强度分布图的方法的流程图；
图8为示出了根据一个实施例的执行热模拟的结果的一个示例的曲线图；
图9示出根据一个实施例的所生成的强度分布图的一个例子；
图10为示出了根据一个实施例的冷却非均匀组织的方法的流程图；
图11为示出了根据另一个实施例的冷却非均匀组织的方法的流程图，其中手动或通过控制器执行冷却调节；
图12示出了根据一个实施例构成的冷却界面，其与超声换能器为一体，并提供连续的冷却液体流；以及
图13示意性示出了根据一个实施例构成的冷却系统，其可与图12中所示的冷却界面一起使用。
具体实施方式
本发明的实施例有益地控制并优化了由换能器阵列发出的能量，从而有效地将能量聚焦到焦点区域，同时将非均匀组织(诸如颅骨)的温度维持在可接受和安全的范围。特别地，本发明的实施例能够精确地将能量束聚焦到目标区域以避免损伤目标区域周围的健康组织，同时降低或防止颅骨的加热，因此也阻止或降低对邻近颅骨的组织的损伤。通过控制由各个换能器元件发出的能量的强度从而可满足颅骨温度的标准或阈值，可实现这些显著的优点。所期望的总体能量能够在焦点处被最大化，同时目标区域以外的温度阈值或标准在元件接元件的基础上在局部是令人满意的，和/或在整体上令人满意。可使用与换能器一体的冷却系统来监测颅骨组织的温度并在必要时冷却颅骨组织。该冷却系统可被用于在治疗过程中颅骨被加热到颅骨温度超过所需或阈值温度或其他安全标准的程度的情况下冷却颅骨。参考图4至图13描述本发明的实施例的另一些方面。
见图4，根据一个实施例的用于控制换能器阵列120的强度的方法400包括使用图1所示的成像器110确定非均匀组织区域的解剖学特征(步骤405)。在步骤410中，基于从成像器110接收到的信息控制各个换能器元件122的强度，另外，如果需要的话，控制各个换能器元件122的强度也可基于特定的预定阈值或标准，诸如最大允许强度或其它安全标准。这样一来，可逐个元件地确定并控制由各个换能器元件122发出的能量强度124。在步骤415中，换能器元件122以各自所确定的强度被驱动，从而导致在换能器阵列120和非均与组织上形成非均匀的强度分布。
在一些实施例中，驱动换能器元件122以在各自所确定的强度下产生超声能量124，同时确保一起被传输的超声能量的总量满足预定的阈值。特别地，可选择由换能器阵列120发出的能量124的总量，或通过局部最大化穿过不同颅骨162区域的声能124而使得该总量最大化，且在整个换能器阵列120上逐个元件地及整体地同时满足预定的阈值。由此，总的超声能量124被最大化，并被聚焦到目标区域210，且具有非均匀的温度轮廓或分布，该轮廓或分布同时满足局部(例如，相对于单个元件或由单个信号驱动的一小组元件)和整体阈值或标准。
根据一个实施例，该预定的阈值为组织的最高温度，该非均匀组织为颅骨162。颅骨162可被限定为多个区域，每个区域可关联或对应特定的换能器元件122或元件组。特别地见图5，用于控制换能器阵列120发出的能量124的强度的方法500包括使用成像器110确定颅骨162的多个区域的解剖学特征(步骤505)。
在多个实施例(例如，方法400的步骤405和/或方法500的步骤505)中，成像系统110包括计算机断层扫描(CT)成像和/或核磁共振成像(MRI)元件。可利用CT成像例如获取颅骨162的解剖学特征，诸如颅骨厚度、局部骨密度和/或包括相对于颅骨162表面区域的法线的方向的或几何的特征。可利用MRI成像来相对于颅骨162定位多个换能器元件122和/或用于治疗计划的目的。可使用多模态配准或其他类似的技术合并对于给定颅骨162的CT和MRI数据。
图6示出了将换能器元件122相对于颅骨162和目标区域210布置后，穿过代表颅骨区域602的CT生成的空间的体素的单一射线600。在一些实施例中，一组x射线600被投影穿过代表多个颅骨区域602的一组CT空间。可确定沿射线600并穿过每个空间或颅骨区域602的像素值604，且像素值604可排列为形成对于每一颅骨区域602的CT强度分布。像素值可代表，例如x射线在颅骨区域602中的吸收度(一般由“Hounsfield数”或“CT数”来计量)。在一些实施例中，这样的信息可被用于将x射线吸收系数与超声吸收系数相关联。沿每一射线600的骨头或颅骨组织的CT强度是已知的，可基于CT强度分布确定颅骨区域602的各种几何特征以及穿过其的相应射线600。这样的几何特征的例子包括射线600的进入颅骨区域602的入射点、射线600从颅骨区域602射出的出射点、不同颅骨组织层301-303的厚度、和/或以CT单位计量的CT区域602的平均局部密度。然后射线分析期间获得的数据可被用于构建颅骨162的内部和外部表面，从而形成颅骨的局部几何特征分布图。
再次参考图5，在步骤510，可基于之前已经确定的解剖学特征(步骤505)和颅骨或颅骨区域的最大温度或阈值温度来确定或控制由每个换能器元件122发出的超声能量124的强度。根据一个实施例，并进一步参考图7，步骤510还包括热-声模拟。在这样的例子中，热-声模拟可包括分析穿过颅骨区域602的声学路径(步骤705)，进行热模拟以评估不同的颅骨区域602如何吸收不同量的能量以及如何具有不同的热分布(步骤710)，确定每个换能器元件122应发出的最佳能量强度(步骤715)，以及产生对应于换能器元件122的强度分布图(步骤720)。所得的强度分布图包括由各个单独的换能器元件122发出的能量的最优化强度值，其共同地使传送到目标区域210的能量最优化，同时如上所述满足一个或多个温度阈值或安全标准。
根据一个实施例，可逐个元件地执行步骤705和710，以评估不同的颅骨组织区域602在超声能量124穿过颅骨160时将如何被加热。为此，可利用局部颅骨组织的几何结构(如上述讨论的，且在步骤505中确定的)和穿过颅骨600的声波的速度来分析穿过颅骨区域602的射线600的声学路径，并预测最终颅骨区域602将如何被加热(基于之前确定的解剖学特征)。在一些例子中，可利用使CT强度相关于声波速度的经验模型来确定穿过颅骨区域602的声波的速度，或根据其他已知的技术来确定。然后可求解每一颅骨区域620的热力方程或模型，或应用该热力方程或模型来预测给定颅骨区域602将如何被由相应的换能器元件122或换能器元件122的组发出的超声能量124加热。
例如，可利用斯涅尔定律分析射线600和颅骨160表面之间的入射角度，从而估计出由某一换能器元件122发出的声学射线600的路径，该射线600穿过颅骨区域602并指向大脑164中的目标区域210。利用声学路径分析还能够估计出从颅骨160表面反射的能量以及颅骨区域602内部的能量衰减和吸收。可对于每一颅骨区域602重复该分析，从而获得多个颅骨区域602的估计出的能量反射、吸收和衰减的完整图像。
再一次参考图7，声学路径信息(在步骤705得到)被用于模拟一个独立的颅骨区域(由之前执行的声学路径分析特征化)如何随时间变化而在沿穿过颅骨区域602的射线600的每一点或像素604上被加热。然后该信息可被用于评估能够影响颅骨区域602的加热的从颅骨600反射的能量的量以及被颅骨吸收的能量的量。
为此，基于颅骨162外侧301(该颅骨外侧301由10℃-20℃的水冷却)与远离处于体温的表面的组织之间的温度梯度，热模拟采用稳态温度分布。然后可使用热表达式或模型来迭代求解每一颅骨区域的热效应。一个合适的可被用于该目的的热模型的例子是线性热力方程，该方程可用合适的边界条件来数值求解。对于特定颅骨区域602的热模拟的结果可表示为热模拟曲线图800(图8)，该曲线图中x轴绘制的为颅骨组织深度(mm)，模拟温度沿y轴上升。可对每一换能器元件122(或换能器元件组)和相应的颅骨区域602进行热模拟分析，从而得到颅骨162上的整体热模拟，并在暴露于超声能量时得到对每一颅骨区域602的热量上升的预测。
再次参考图7，并进一步参考图9，基于颅骨区域602的特征和温度模拟(步骤720)来确定由每一换能器元件122发出的超声能量124的最优或最大强度。根据一个实施例，可分析每一颅骨区域602以确定能够吸收的超声能量124的最大强度，从而使得所期望的颅骨区域602的温度增长低于阈值或可接受的最大温度。在示出的实施例中，确定的或最大的强度值总地表示为强度分布图900的形式。分布图900中的每一片段900n表示换能器阵列120中的一个换能器元件122，该换能器阵列的形式可为图2和图9中表示的球形帽的形式。
如图9所示，换能器阵列200上的强度值可随着元件而变化，因此一般为非均匀的。例如，区域901的热灵敏度比区域902和903更高，区域903的热灵敏度最低。可向特定的换能器元件122分配不同的强度等级，以避免对颅骨过度加热。例如，强度分布图900示出，对应于分布图片段901的换能器元件122将发出较低等级的能量124，因为对应的颅骨区域602的热灵敏度最高。相反地，可向其他区域602施加较高强度的超声能量124，例如，对应于分布图区域903的颅骨区域，因为这些区域对超声能量产生的热较为不敏感。应该理解的是，所提供的标识的区域901-903是为了说明的目的，根据相应的颅骨区域602的解剖结构，区域(包括相邻区域)之间的强度等级的改变可为逐步的或急剧的。另外，应该理解的是，图9示出了强度分布图900的一个例子，强度分布图900可根据不同的颅骨结构而改变。
在示出的例子中，与区域901相关联的换能器元件122被控制为发出约为0.07至约0.10瓦特的超声能量124，与区域902相关联的换能器元件122被控制为发出约为0.10瓦特至约0.17瓦特的超声能量124，与区域903相关联的换能器元件122被控制为发出约为0.17瓦特至约0.20瓦特的超声能量124。因此，功率等级在从约0.07瓦特的最小值到约0.2瓦特的最大值的范围内，最小和最大功率等级之间的差值约为0.13瓦特。在另一例子中，每个换能器元件的该差值可从零到10瓦特。
选择超声能量124的强度，使其符合颅骨162上的非均匀组织结构，并形成优化的、非均匀强度分布，通过对单个换能器元件122发出的局部能量最大值的累积，使得能够对目标区域210施加可能的最大等级的超声能量，同时符合安全标准，例如不同区域的颅骨162的温度，该安全标准取决于这种颅骨区域下方的特征。
通过使整体能量最大化并维持在可接受的能量阈值内，实际上到达聚焦区域210以治疗病变区、肿瘤或凝块的超声能量124也被最大化。以这种方式，通过生成聚焦束，该技术和系统便于施加有效的治疗，同时能够避免对目标区域21周围的组织的损伤。在能量被导向颅骨内侧的例子中，当由多个元件122发出的总能量124被聚焦时，颅骨组织的温度被局部地(基于对组织非均匀性的分析)以及整体地(基于各个元件122的总和)控制为满足颅骨温度阈值和安全标准。
因此，本发明的实施例采取新颖的方式工作。例如，在一般的系统中，调整由换能器元件122发出的超声能量124的强度以改善在目标区域210上的聚焦。如果颅骨区域吸收了大量的能量而导致衰减，这种系统会构成为施加更高强度的超声能量以补偿衰减，从而维持或改善聚焦。这些已知的控制机构在提供有效的聚焦的同时会导致对已经过热的颅骨区域602的进一步加热，从而导致邻近组织的更大的损伤。相反地，本发明的实施例局部地控制换能器元件122，使得他们向这些所选的颅骨区域602施加较低强度等级的超声能量124，同时达到足够的聚焦，因此使安全的优先级高于聚焦，以保护重要的或热敏感的颅骨区域602。
本发明的其他实施例包括监测并控制由超声能量124加热的颅骨区域602的温度，其中如上文所述该超声能量124由换能器元件122发出。尽管下文所述的监测和控制技术可相互独立的管理能量发射，但是这两种技术也可以相互结合使用。
参见图10，在超声治疗期间监测并控制颅骨162的温度(步骤1005)的方法1000包括监测一个或多个颅骨区域602的表面实际温度(或者，在一些例子中监测整个颅骨162)(步骤1010)。步骤1005例如可与根据强度分布图900驱动换能器元件122同步执行。在一个实施例中，使用核磁共振测温法监测颅骨温度。然后将颅骨162的实际温度与预定的最大或可接受温度相比较(步骤1015)。根据一个实施例，在超声治疗期间，颅骨162的最高温度约为107°F，或42℃。如果实际温度低于该阈值，治疗可根据强度分布图900继续进行。但是，如果实际温度超过阈值温度，颅骨162可被冷却至安全温度(步骤1020)。另外，实际温度的读取可被用于例如在建立在图9中所描述的强度分布图中校准所施加能量和最终组织温度之间的关系。
参见图11，根据另一实施例，当施加到颅骨的冷却液体的温度达到或超过安全阈值时，可通过产生输出信号来进行颅骨冷却(步骤1105)。该输出信号可为视觉和/或听觉指示器，其通过扬声器、显示器或其他设备被提供给操作者(步骤1110)。响应于输出信号，操作者可手动降低超声能量124的强度(步骤1115)，这例如通过降低整个换能器阵列120的强度(以及由此由每一换能器元件发出的能量124)来完成，和/或通过只降低对应于热敏感或重要的颅骨区域620的那些换能器元件的强度来完成，因此只影响这些区域的温度。根据另一实施例，操作者可手动地停止换能器阵列120(步骤1120)，以完全停止超声波破碎。在另一实施例中，产生的输出信号被提供给控制器(步骤1125)，例如处理器、计算机或其他控制元件，然后当冷却液体的温度达到或超过阈值时，该控制器可自动降低超声能量124的强度。这种降低可包括所有换能器元件发出的能量的降低，从而确保到达热敏感或重要的颅骨区域602的能量124的强度的降低，和/或自动停止全部换能器阵列120以停止超声波破碎。
可通过使用与超声换能器阵列120一体的冷却元件来及实现颅骨冷却。该冷却元件可被手动或自动地控制。参考图12和图13，该一体的冷却元件1200可包括液体界面1202，其与超声换能器阵列120一体或接附到该超声换能器阵列，并位于换能器阵列120和患者的颅骨162之间。该界面1202优选为由弯曲且柔性的材料制成，以便于在颅骨周围定位并在必要时调整为提供紧密的接触。冷却液体1220在内部连续循环，或通过液体入口1212流过界面1210，通过液体出口1214流出界面1210，或根据需要再循环。通过连续循环冷却液体1220使其通过界面1202，颅骨(或其他组织)在施加超声的过程中可被保持在上限温度之下。
根据一个实施例，基于颅骨162的温度来控制冷却界面1210，可通过外部的传感器或装置来确定颅骨的温度，例如上述的核磁共振测温法。根据另一实施例，从界面1210中测量冷却液体的温度而不是颅骨的温度，例如利用位于界面1210内部并位于液体1220的流动路径中的内部温度传感器1230测量，使得液体1220流过温度传感器1230或在温度传感器1230附近流动。可监测冷却液体1220的温度以确定是否达到预示颅骨温度过高的预定阈值或最大液体1220温度。然后可根据这些温度上升而采取合适的操作，包括提供额外的冷却液体1220、降低冷却液体1220的温度和/或提高冷却液体1220的流动速率。
图13示出了冷却系统1300的一个例子，该冷却系统可被用于使得冷却液体1220循环或流过如图12所示的一体的冷却元件或界面1210。示出的系统1300包括箱1310，该箱具有向循环泵1314提供冷却液体1220的液体源1312。控制器1316控制泵1314使得液体1220循环穿过冷却单元1317，被冷却的液体1220被在1318中脱气并通过与换能器阵列120和治疗平台1330有接口的合适的管道1320以及连接器1322，被提供到一体的冷却元件1210的入口1212。提供一个或多个传感器1340(患者颅骨上的外部传感器或位于冷却界面1210内的内部传感器)以监测、确定或评估颅骨162的温度。温度数据可被无线地或通过远程控制单元1342(或其他可操作地连接到控制器1316或与控制器1316通信的合适的装置)传送到控制器1316，控制器1316可对换能器阵列120的输出在必要时进行合适的调整以实现或保持目标颅骨的温度。
尽管已经示出并描述了特定的实施例，应该理解的是，上述描述并不旨在限定实施例的范围，因为可做出各种改变和修改而不背离权利要求的范围。应该理解的是，基于元件接元件或局域化的基础控制换能器发出的能量强度的实施例可与其他实施例独立的使用，或与其他实施例相结合地使用。另外，尽管本发明中描述的实施例涉及使超声能量穿过颅骨组织，实施例还可被应用于涉及其他非均匀型组织的其他治疗。此外，尽管基于元件接元件的基础通过控制能量强度可容易地实现实施例的优点，但是实施例还可以其他可达到类似结果的方式被构成。例如，实施例可被构成为控制多对超声元件或多个超声元件的其他组发出的能量强度。另外，尽管特定的附图示出了强度分布图的可用于一个特定的颅骨的一个例子，应该理解的是，取决于例如目标颅骨的结构，分布、强度等级和强度差是变化的。因此，实施例旨在覆盖变化、修改以及落入权利要求范围内的等同方案。

Claims (22)

1.一种控制包括多个换能器元件的换能器阵列中的强度的方法，该方法包括：
确定要使用聚焦超声穿过的非均匀组织区域的解剖学特征，每个换能器元件主要与相应的组织区域相关联；
确定每个换能器元件在目标区域的优选的超声能量强度，该强度基于相应的非均匀组织区域的解剖学特征以及与该组织区域相关联的预定的能量阈值；以及
在各自的优选强度下驱动换能器元件，凭此导引超声能量穿过非均匀组织到达焦点，由换能器阵列发出的被导引的超声能量在换能器阵列上是非均匀的，且在满足预定阈值的同时被最大化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该解剖学特征包括该非均匀组织的厚度、该非均匀组织的密度、密度分布、由该换能器元件发出的射线进入该非均匀组织的入射点、或由该换能器元件发出的射线离开该非均匀组织的出射点中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中该预定的阈值为最高温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中由该多个换能器元件发出的超声能量的强度还至少部分地基于该非均匀组织区域的温度的上升。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在驱动该换能器阵列期间确定该非均匀组织的实际温度；
将该实际温度与该最高温度相比较；以及
如果该实际温度高于该最高温度，冷却该非均匀组织。
6.根据权利要求1所述的方法，其中通过核磁共振测温法确定该实际温度，且还包括如果实际温度高于该最高温度则停止超声换能器。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在与该超声换能器一体且位于该超声换能器和该非均匀组织之间的液体界面中循环冷却液体；
测量该冷却液体的温度；
将所测得的温度与最高冷却液体温度相比较；以及
产生表示比较结果的输出信号。
8.根据权利要求1所述的方法，其中该非均匀组织包括颅骨组织。
9.根据权利要求1所述的方法，其中该输出信号被显示给该换能器阵列的操作者。
10.根据权利要求1所述的方法，其中该冷却液体在该界面中循环。
11.根据权利要求1所述的方法，其中由单个换能器元件发出的超声能量的强度在约0.0瓦特至约10瓦特之间。
12.根据权利要求1所述的方法，其中由单个换能器元件发出的超声能量的最小强度和最大强度之差在约0.0瓦特至约10瓦特之内变化。
13.一种控制具有多个换能器元件的换能器阵列的强度的系统，该系统包括：
成像系统，被构造为确定非均匀组织区域的解剖学特征；
控制器，可操作地耦合到成像系统，用于基于所确定的解剖学特征和与该组织区域相关联的预定阈值来确定可允许的由每个换能器元件向相应的非均匀组织区域发出的超声能量的最大强度；以及
驱动电路，用于驱动换能器元件发出穿过该非均匀组织的所确定的最大强度的超声能量。
14.根据权利要求1所述的系统，还包括计算机断层扫描成像系统，用于确定该非均匀组织区域的解剖学特征。
15.根据权利要求1所述的系统，还包括与计算机断层扫描成像系统相关联的核磁共振成像系统，用于相对于该非均匀组织区域定位该多个换能器元件。
16.根据权利要求1所述的系统，其中预定的阈值为非均匀组织区域的最高温度。
17.根据权利要求1所述的系统，其中该非均匀组织包括颅骨组织。
18.根据权利要求1所述的系统，其中核磁共振成像系统被构造为在驱动该多个换能器元件期间确定该非均匀组织的实际温度，该控制器被构造为当该非均匀组织的该实际温度超过该最高温度时生成输出指示。
19.根据权利要求1所述的系统，其中单个换能器元件可独立地控制，从而使得每个非均匀组织区域的温度不会超过该最高温度。
20.根据权利要求1所述的系统，还包括液体界面，其与超声换能器一体，且可操作地耦合到控制器，其中该液体界面可定位于非均匀组织区域周围并构造为便于使冷却液体在非均匀组织周围循环。
21.根据权利要求1所述的系统，还包括温度传感器，其位于液体界面内并与控制器相通信，该温度传感器被构造为测量在液体界面中循环的冷却液体的温度。
22.根据权利要求1所述的系统，其中该液体在该界面中以连续的方式循环。
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