CN103222910A - 用于形成超声换能器阵列的多个焦点的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于形成超声换能器阵列的多个焦点的方法和装置。相应地，在高强度聚焦超声（HIFU）设备的操作中通过在移除光栅瓣时同时形成多个聚焦点，可以防止在使用HIFU设备进行治疗期间对病灶周围器官的损伤。

Description

用于形成超声换能器阵列的多个焦点的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年1月31日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2012-0009739的权益，该韩国专利申请的公开内容通过引用方式全部并入本文。

技术领域

本公开内容涉及形成高强度聚焦超声（HIFU）设备的聚焦点，并且更具体地，涉及一种用于形成超声换能器阵列的多个焦点的装置和方法。

背景技术

本公开内容涉及使用超声波的治疗设备，并且更具体地，涉及使用高强度聚焦超声（HIFU）波的治疗设备。

随着医疗科学的发展，已经逐步地研发了扩展的根治手术、保功能手术和微创手术来对肿瘤进行局部治疗。然而，最近的革命性技术进步进一步研发出了无创伤手术，从而引入了各种手术方法。

超声波是具有足够的方向性以穿透人体的机械能。通过HIFU波的照射而引起的在肿瘤内的能量积累，超声波主要具有两个效应——高热效应和机械效应。

第一种效应，即高热效应，是这样一种效应：当聚焦在一部分上的高强度超声波部分地转换成热能时，使得温度立即升高到超过70°C，从而导致组织和血管的凝固性坏死。此时，由于温度迅速并立即升高，所以并没有发生对周围组织的热扩散。

第二种效应，即由超声波引起的机械效应，是由空穴引起的组织破坏现象。当人体暴露于高强度超声波时，根据声波负压(negative pressure)，细胞中的液体由于低气压而变化成气态，使得在细胞中产生微泡。当这些微泡足够大以引起共振现象时，这些微泡突然爆裂，从而产生具有破坏组织的高压的冲击波。

这两个效应几乎是同时发生的，并且对于裸眼而言，被治疗部分的变化是由于超声波照射而在一个或两个星期之后出现凝固性坏死，从而被治疗部分明显不同于其周围正常部分，并且被治疗部分与正常部分之间的边界部分感觉较硬。

然而，当对肿瘤进行治疗时，对正常组织的损伤应当被尽可能地最小化。此外，对于有效的肿瘤治疗而言，治疗时间应当被最小化。因而，HIFU设备的条件是：1）通过辐射超声波进行治疗所花费的时间应当被最小化；2）应当形成超声波的焦点区域；以及3）除了焦点区域以外，超声波不应当被放大。

发明内容

提供了用于在操作高强度聚焦超声（HIFU）设备时在移除光栅瓣的同时形成多个焦点的装置和方法。

提供了用于计算换能器元件输出的方法，所述输出用于在移除光栅瓣的同时形成多个焦点。

提供了存储有用于执行所述方法的计算机可读程序的计算机可读记录介质。

额外的方面将在随后的描述中部分地给出，并且根据该描述将部分地清楚，或者可以通过实施给出的实施例来了解。

根据本发明的一个方面，一种形成用于超声治疗的聚焦点的方法包括：从被辐射用于治疗的超声波的区域中的焦点位置当中选择至少一个候选焦点位置；当所述用于治疗的超声波的聚焦点在所选的候选焦点位置处形成时，确定在除了所选的候选焦点位置以外的位置处是否出现负压增加的现象；以及基于确定结果，确定治疗计划，所述治疗计划指示与不出现所述现象的候选焦点位置的集合有关的信息。

根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读记录介质，其存储有用于执行形成用于超声治疗的聚焦点的方法的计算机可读程序。

根据本发明的另一方面，一种用于形成用于超声治疗的聚焦点的装置包括：候选焦点确定器，用于从被辐射用于治疗的超声波的区域中的焦点位置当中选择至少一个候选焦点位置；焦点形成确定器，用于在所述用于治疗的超声波的聚焦点在所选的候选焦点位置处形成时，确定在除了所选的候选焦点位置之外的位置处是否出现负压增加的现象；以及最优焦点确定器，用于基于所述确定的结果，确定治疗计划，所述治疗计划指示与没有出现所述现象的候选焦点位置的集合有关的信息。

附图说明

结合附图，根据以下对实施例的描述，这些和/或其它方面将变得清楚，并更加易于理解，在附图中：

图1是根据本发明实施例的用于形成多个焦点的装置的方框图；

图2是高强度聚焦超声（HIFU）设备的换能器阵列以及在治疗区域中存在的多个焦点的示意图；

图3A示出了根据本发明实施例的在治疗区域中存在的多个聚焦点，其中，所述多个聚焦点是由用户输入的；

图3B示出了之前由最优焦点确定器确定的最优焦点集合；

图3C示出了通过从图3A中的多个聚焦点中排除属于最优焦点集合的聚焦点而剩余的聚焦点；

图4示出了以行排列的候选点，用以在候选焦点确定器中从候选点当中选择或重新选择预定数量的聚焦点；

图5示出了在候选焦点确定器中从候选点当中随机选择的5个候选点，其被表示成染色体；

图6示出了在候选焦点确定器中从现有染色体的组合生成新染色体的方法；

图7示出了治疗区域和非治疗区域；

图8是根据本发明实施例的焦点形成确定器的方框图；

图9示出了在3维矩形坐标系中换能器元件的位置向量γ_n以及任意聚焦点的位置向量γ_m。

图10是示出了根据本发明实施例的形成用于超声波治疗的聚焦点的方法的流程图。

具体实施方式

现在将详细参考实施例，在附图中示出了这些实施例中的例子，在附图中，相似的参考数字在全文中表示相同的元件。在此，本实施例可以具有不同的形式，并且不应当被解释成限于本文给出的描述。

相应地，下面通过参考附图来描述这些实施例仅仅是为了解释本描述的方面。诸如在元件列表之后出现的“……中的至少一个”之类的表达是对整个元件列表进行修饰，而不是修饰列表中的个别元件。

图1是根据本发明实施例的用于形成多个焦点的装置的方框图。参考图1，该装置包括关注点确定器101、候选焦点确定器102、焦点形成确定器103、最优焦点确定器104、存储器106、接口107、照射确定器108以及最优焦点存储单元109。

当用户输入与存在于治疗区域中的多个聚焦点有关的信息时，关注点确定器101从这些聚焦点当中确定关注点，并将所述关注点输出给候选焦点确定器102。由用户输入的与多个聚焦点有关的信息指示与治疗区域中的多个聚焦点的位置以及聚焦点数量有关的信息，其中在所述治疗区域中，高强度聚焦超声（HIFU）设备通过形成超声波的聚焦点来对病变进行治疗。关注点指示在存在于治疗区域中的多个聚焦点当中的针对其执行根据本发明实施例的计算的点。

图2是HIFU设备的换能器阵列201以及存在于治疗区域202中的多个焦点区域的示意图。HIFU设备的换能器阵列201可以具有如图2中所示的天线形状，这是因为当换能器阵列201具有天线形状时容易将换能器阵列201的输出聚集在预定区域上。HIFU设备的换能器阵列201将超声信号聚焦在治疗区域202上。HIFU设备通过向换能器元件提供电信号来生成振动，所述振动生成超声波。HIFU设备将所生成的超声波聚焦在治疗区域202上。在这种情况中，HIFU设备在治疗区域202中可以确定预定数量的聚焦点，并且可以通过将超声波同时聚焦在预定数量的聚焦点上来生成热。

图3A示出了根据本发明实施例由用户输入的存在于治疗区域中的多个聚焦点。图3A中所示的多个聚焦点存在于长度为16mm、宽度为16mm的治疗区域中，并且每个聚焦点由*来指示。聚焦点的数量被设定为25。

当用户输入与存在于治疗区域中的多个聚焦点有关的信息时，关注点确定器101立即向候选焦点确定器102输出所述多个聚焦点。即，将图3A中所示的全部聚焦点都输出到候选焦点确定器102。

装置可以确定通过超声波的一次照射在没有出现光栅瓣的情况下能够形成的焦点集合的最大数量。现在将详细描述在该装置中确定焦点集合的最大数量的过程。首先，该装置确定在形成单个聚焦点时是否出现光栅瓣。

光栅瓣是指在除了焦点位置以外的位置处放大超声波的现象。更详细地，超声换能器阵列具有下述结构：以恒定的间隙周期性地重复多个换能器元件。当每两个被周期性重复的换能器元件之间的间隙大于λ/2（λ是超声波的波长）时，在这些换能器元件所生成的信号之间可能出现干扰，并且在除了期望的焦点区域之外的区域中出现放大的现象表示光栅瓣。在这种情况中，放大程度可以类似于焦点位置处的放大程度。在HIFU设备中，光栅瓣是一种不好的现象，这是因为HIFU设备通过在病变位置处形成超声信号的聚焦点来生成热，从而治愈病变。然而，当出现光栅瓣时，由于光栅瓣，可能在除了病变位置之外的不同器官的位置处放大超声信号。当在所述不同器官的区域中放大超声信号时，人体器官的除了病变以外的细胞可能由于该被放大的超声信号所生成的热而受到损伤。因而，在HIFU设备中，光栅瓣是一种不好的现象，相应地可以移除光栅瓣。

为了防止光栅瓣，在确定在形成单个聚焦点时是否出现了光栅瓣之后，如果确定没有出现光栅瓣，则该装置可以搜索没有出现光栅瓣的焦点集合，同时重复地将聚焦点的数量增加1。假定在装置通过超声波的一次照射来针对用户所输入的全部聚焦点形成聚焦点时没有出现光栅瓣，该装置可以确定针对全部聚焦点照射一次超声波。

如果在该装置针对全部聚焦点照射一次超声波时出现了光栅瓣，那么该装置可以连续地执行多次超声波照射。在这种情况下，为了发现装置在每次照射超声波时形成的聚焦点，该装置可以确定在照射一次超声波时没有出现光栅瓣的焦点集合，同时重复地将聚焦点的数量增加1。

通过重复该确定过程来确定若干焦点集合。当该装置连续地向通过重复过程所确定的最大数量的焦点集合照射超声波时，该装置可以为图3A中所示的全部焦点位置形成超声波的聚焦点。然而，由于在该装置确定焦点集合时该装置必然在一次操作中确定一个焦点集合，所以该装置通过对相同操作重复若干次的过程来确定若干焦点集合，从而确定被连续照射超声波的焦点集合。

关注点确定器101从通过排除在重复操作中确定的焦点集合中所包括的聚焦点而剩余的聚焦点确定焦点集合。因而，当关注点确定器101持续地确定关注点时，关注点确定器101确定以下聚焦点以作为关注点：所述聚焦点是通过从图3A中所示的多个聚焦点中排除属于最优焦点集合的聚焦点而剩余的，其中所述最优焦点集合存储在最优焦点存储单元109中。最优焦点集合指示能够使得聚焦点的数量最大同时不出现光栅瓣的聚焦点集合。最优焦点确定器104从关注点确定器101所确定的关注点当中确定最优聚焦点集合。可以从通过排除所确定的聚焦点而剩余的聚焦点当中确定另一最优聚焦点集合。因而，关注点确定器101确定除了所确定的最优聚焦点集合以外的聚焦点，以作为关注点。

图3B示出了最优焦点确定器104之前确定的最优焦点集合。第一组和第二组是最优焦点确定器104之前确定的最优焦点集合。关注点确定器101确定通过从图3A中所示的多个聚焦点当中排除属于最优焦点确定器104之前确定的最优焦点集合的聚焦点而剩余的聚焦点，以作为关注点，并向候选焦点确定器102输出所确定的点的位置和坐标信息。如图3B中所示的，由于第一组和第二组是最优焦点集合，所以关注点确定器101从关注点中排除了属于第一组的聚焦点以及属于第二组的聚焦点，并且只将剩余的聚焦点确定为关注点。图3C示出了通过从图3A中的多个聚焦点排除属于最优焦点集合的聚焦点而剩余的聚焦点。关注点确定器101将图3C中所示的聚焦点确定为关注点。

候选焦点确定器102从关注点确定器101所确定的关注点当中选择与从最优焦点确定器104输入的聚焦点数量一样多的聚焦点。如果没有从最优焦点确定器104输入聚焦点数量，那么候选焦点确定器102选择与缺省的聚焦点数量相对应的点。在这种情况下，在最优焦点确定器104中设定的缺省的点数量可以是2。因而，当没有从最优焦点确定器104输入聚焦点数量时，候选焦点确定器102从关注点当中选择两个聚焦点，并向焦点形成确定器103输出这两个所选的聚焦点。如果从最优焦点确定器104输入了聚焦点数量，那么候选焦点确定器102从关注点当中选择与输入的聚焦点数量相对应的聚焦点，并向焦点形成确定器103输出所选的聚焦点。例如，如果从最优焦点确定器104输入4以作为聚焦点数量，那么候选焦点确定器102从关注点当中选择四个聚焦点，并向焦点形成确定器103输出四个所选的聚焦点。下面将参考图4来详细地描述从关注点当中选择聚焦点的方法。

这样，候选焦点确定器102所选择的聚焦点被输出到焦点形成确定器103，并且焦点形成确定器103计算候选焦点确定器102所选择的聚焦点是否属于新的最优焦点集合。如果从最优焦点确定器104输入重新选择聚焦点的请求，那么候选焦点确定器102对聚焦点进行重新选择，并将重新选择的聚焦点输出到焦点形成确定器103。最优焦点确定器104请求重新选择的原因如下。焦点形成确定器103确定在没有出现光栅瓣的同时候选焦点确定器102所选择的聚焦点是否聚焦（in focus）。如果焦点形成确定器103确定在没有出现光栅瓣的同时候选焦点确定器102所选择的聚焦点是聚焦的，那么最优焦点确定器104请求候选焦点确定器102将聚焦点数量增加1。即，这样做以计算是否创建具有其它聚焦点数量的最优焦点集合。如果焦点形成确定器103确定在没有出现光栅瓣的同时候选焦点确定器102所选择的聚焦点不能聚焦，那么最优焦点确定器104请求候选焦点确定器102重新选择其它聚焦点。即，由于所选的焦点集合不是最优焦点集合，所以最优焦点确定器104请求候选焦点确定器102从关注点当中选择另一焦点集合。

当最优焦点确定器104请求重新选择时，候选焦点确定器102所重新选择的聚焦点数量可以与候选焦点确定器102在重新选择请求之前所选择的聚焦点数量相同。例如，如果候选焦点确定器102已经选择了3个聚焦点，并且焦点形成确定器103已经计算出了这3个聚焦点的最优负压并得出了出现光栅瓣的结果，那么候选焦点确定器102响应于重新选择请求而新选择3个聚焦点，并将这3个选择的聚焦点输出到焦点形成确定器103。

当候选焦点确定器102从最优焦点确定器104接收到聚焦点数量以及重新选择请求时，候选焦点确定器102从关注点确定器101所确定的关注点当中重新选择与接收到的聚焦点数量相对应的聚焦点，并将重新选择的聚焦点输出到焦点形成确定器103。即，如果焦点形成确定器103得出在没有出现光栅瓣的同时候选焦点确定器102所选择的焦点集合是聚焦的结果，那么最优焦点确定器104请求候选焦点确定器102重新选择与被增加1的聚焦点数量相对应的聚焦点。虽然焦点形成确定器103已经计算出没有出现光栅瓣的焦点集合，但是最优焦点确定器104仍然请求候选焦点确定器102重新选择焦点位置的原因在于，期望在一个超声波传输过程中最大数量的聚焦点同时是聚焦的。即，如果在最优焦点确定器104已经确定了聚焦点数量为3时，焦点形成确定器103已经计算出了没有出现光栅瓣的焦点集合，那么计算4个聚焦点是否是同时聚焦的。因而，如果已经计算出了具有3个聚焦点的最优焦点集合，那么焦点形成确定器103请求最优焦点确定器104将聚焦点数量增加1，并且最优焦点确定器104将聚焦点数量从3增加到4，并将增加的聚焦点数量和重新选择请求同时输出到候选焦点确定器102。

图4示出了以行排列的关注点，用以在候选焦点确定器102中从关注点当中选择或重新选择预定数量的聚焦点。根据本发明实施例的在候选焦点确定器102中选择聚焦点的过程使用遗传算法。遗传算法是一种模仿自然演进的启发式搜索过程。例如，代替在候选焦点确定器102中从关注点当中选择聚焦点的过程中总是随机地选择聚焦点，候选焦点确定器102在前10次随机地选择聚焦点，从10个焦点集合当中挑选出比其它焦点集合具有更好的结果的5个焦点集合，并通过对这5个挑选出的焦点集合进行组合来选择聚焦点。即，由于使得极好的焦点集合交叉与自然演进类似，所以这被称为遗传算法。图4示出了在候选焦点确定器102中以行排列的关注点，以将遗传算法应用于此，并且这样的以行排列的关注点集合被称为染色体(chromosome)。图4中的左上部分上的*标记表示图3C中所示的关注点集合。当候选焦点确定器102以行来排列关注点集合时，中间被排除的聚焦点也从该排列中被排除。因而，如果候选焦点确定器102基于图3C的情况生成染色体，那么染色体具有19个元素。染色体中的数字表示选择或不选择。例如，如图4中所示的，在由1和0组成的染色体中，1表示候选焦点确定器102已经选择了相应的聚焦点，而0表示候选焦点确定器102尚未选择相应的聚焦点。因而，由于在图4中所示的染色体中1的数量为5，所以这表示候选焦点确定器102已经从19个关注点当中选择了5个聚焦点。

图5示出了在候选焦点确定器102中随机地从关注点当中选择的5个关注点，它们被表示成染色体。每个染色体表示候选焦点确定器102已经从19个关注点当中选择了5个聚焦点。例如，当候选焦点确定器102以这种方式生成10个染色体时，可以挑选具有极好性能的5个染色体。在这种情况中，极好性能可以表示在5个挑选出的染色体中的每个染色体中的5个聚焦点聚焦时光栅瓣的数量较少或者光栅瓣的强度较低。可替换地，极好性能可以表示通过考虑光栅瓣的数量和强度而性能是极好的。当挑出具有极好性能的5个染色体时，候选焦点确定器102通过使用这5个染色体来创建新的集合。在这种情况中，5个挑选出来的具有极好性能的染色体被称为母染色体。

图6示出了通过在候选焦点确定器102中对现有染色体进行组合生成新染色体的方法。第一染色体和第二染色体是现有染色体，并且第三染色体和第四染色体是通过在候选焦点确定器102中对第一染色体和第二染色体进行组合而新生成的染色体。第一染色体和第二染色体是候选焦点确定器102从图5中排列的染色体当中计算出来的作为极好染色体的染色体。如图6中所示的，当候选焦点确定器102对第一染色体和第二染色体进行组合时，通过交换第一染色体和第二染色体中的一些元素来生成第三染色体和第四染色体。在这种情况中，第一染色体中被交换的元素的数量与第二染色体中被交换的元素的数量相同。被交换的元素的数量可以由候选焦点确定器102预先确定，或者可以是1到染色体中的元素的总数中的一个。更详细地，除了第一染色体和第二染色体中的每个染色体中的一个元素以外，可以从一个元素到所有元素执行交换。以相同的方式，候选焦点确定器102通过对母染色体进行组合而生成新染色体，并且新生成的染色体被称为子染色体。然而，在这种情况中，候选焦点确定器102通过交换母染色体的一些元素而生成的子染色体中的所选聚焦点的数量可以与该母染色体中的所选聚焦点的数量不同。由于所选聚焦点是由1表示的，所以改变1或0的数量的情况是改变所选聚焦点的数量的情况。候选焦点确定器102从所有生成的子染色体当中，移除所选聚焦点的数量与母染色体的所选焦点的数量不同的子染色体。即，候选焦点确定器102通过使用遗传算法而不是随机选择从关注点当中选择与预定数量相对应的聚焦点。当通过使用遗传算法来执行选择时，对极好的染色体进行新的组合，所以与随机选择相比，可以得到更高效的结果。候选焦点确定器102可以通过重复上面描述的过程而无限地生成新染色体，并且将新生成的染色体输出给焦点形成确定器103。

焦点形成确定器103确定在候选焦点确定器102所选择的聚焦点聚焦时是否出现了光栅瓣。焦点形成确定器103将确定结果输出给最优焦点确定器104。

图7示出了治疗区域702和非治疗区域703。治疗区域702可以是存在病变的区域，并且非治疗区域703可以是病变周围的器官区域。在治疗区域702中，可以形成多个聚焦点701，如图3A中所示的。HIFU设备应该将超声信号聚集到治疗区域702，而没有在非治疗区域703中放大任何超声信号。如上面所描述的，在非治疗区域703中放大超声信号的现象表示光栅瓣。

例如，当候选焦点确定器102选择了属于图3B中的第一组的聚焦点时，焦点形成确定器103计算一个解（solution），通过该解，所选聚焦点的位置处的负压为1，同时非治疗区域703中的一些位置处的负压为0，并且确定在通过使用该方案形成聚焦点时在整个非治疗区域703中是否出现了光栅瓣。现在将在下文描述在焦点形成确定器103中确定是否出现了光栅瓣的方法。

图8是根据本发明实施例的焦点形成确定器103的方框图。参考图8，图1中所示的焦点形成确定器103包括元件输出计算器105和负压生成确定器110。元件输出计算器105计算每个换能器元件的输出，通过该输出，候选焦点确定器102所选择的候选聚焦点是聚焦的，并且同时非焦点区域中的一些区域的负压为0。现在将参考图9来描述元件输出计算器105计算输出的过程，其中通过该输出，所选的候选聚焦点是聚焦的，并且同时非焦点区域中的一些区域的负压为0。图9示出了在3维（3D）矩形坐标系上换能器元件801的位置向量r_n以及任意聚焦点802的位置向量r_m。由于换能器元件的数量为多个，并且换能器元件的位置在3D空间中彼此不同，所以为了计算任意聚焦点位置处的负压，可以定义每个换能器元件的位置向量r_n。如图9中所示的，可以任意地设定3D矩形坐标系。可以定义开始点为所设定的3D矩形坐标系的原点并且结束点为第n个换能器元件的位置的向量是r_n，并且可以将向量r_n用作第n个换能器元件的位置向量。同样地，可以定义开始点为所设定的3D矩形坐标系的原点并且结束点为第m个聚焦点的位置的向量是r_m，并且可以将向量r_m用作第m个聚焦点的位置向量。

方程1是元件输出计算器105计算负压的基本表达式，并且方程1中的积分部分称为Rayleigh-Sommerfeld积分。

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_n\frac{\mathrm{j\ρck}}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{s_n}\frac{e^{-\mathrm{jk}|r_m-r_n|}}{|r_m-r_n|}d{S}_n=p\left(r_m\right)---\left(1\right)$

方程1是用于计算第m个聚焦点处的负压p(r_m)的表达式。

在方程1中，j表示复数

u_n表示来自换能器元件的作为复数的信号的幅度和相位（|u_n|∠θ_n），ρ表示空气密度，k表示波的数量，c表示声速，N表示换能器元件的数量，M表示关注点的数量，r_m表示图9中所示的第m个聚焦点的位置向量，r_n表示图9中所示的第n个换能器元件的位置向量，并且S_n表示换能器元件的表面积。在方程1中以∑的形式来表示Rayleigh-Sommerfeld积分的原因在于：由于换能器元件的数量是N，所以只有在对从所有换能器元件生成的负压进行求和时，才能得到实际在向量r_m的位置处生成的负压。

此外，除了第m个聚焦点处的负压以外，为了以矩阵的形式计算与多个聚焦点相对应的负压p(γ₁)、p(γ₂)、…，可以定义H_(m，n)，如方程2。

$H_{(m,n)}=\frac{\mathrm{j\ρck}}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{S_n}\frac{e^{-\mathrm{jk}|r_m-r_n|}}{|r_m-r_n|}d{S}_n---\left(2\right)$

当如方程2定义H(m,n)时，可以只使用一个矩阵形式的表达式来表示M个聚焦点处的负压，如方程3。

$\left[\begin{array}{ccccc}{H}_{\left(\mathrm{1,1}\right)}& H_{\left(\mathrm{1,2}\right)}& H_{\left(\mathrm{1,3}\right)}& ...& H_{(1,n)}\\ H_{\left(\mathrm{2,1}\right)}& H_{\left(\mathrm{2,2}\right)}& H_{\left(\mathrm{2,3}\right)}& ...& H_{(2,n)}\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ H_{(m,1)}& H_{(m,2)}& H_{(m,3)}& ...& H_{(m,n)}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ u_2\\ .\\ .\\ .\\ u_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}p\left(r_1\right)\\ p\left(r_2\right)\\ .\\ .\\ .\\ p\left(r_M\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

在方程3中，u₁、u₂、…以及p(γ₁)、p(γ₂)与方程1中的相同。

当在下面定义方程4、5和6时，将方程3表示成方程7。

$\left[\begin{array}{ccccc}{H}_{\left(\mathrm{1,1}\right)}& H_{\left(\mathrm{1,2}\right)}& H_{\left(\mathrm{1,3}\right)}& ...& H_{(1,n)}\\ H_{\left(\mathrm{2,1}\right)}& H_{\left(\mathrm{2,2}\right)}& H_{\left(\mathrm{2,3}\right)}& ...& H_{(2,n)}\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ H_{(m,1)}& H_{(m,2)}& H_{(m,3)}& ...& H_{(m,n)}\end{array}\right]=H---\left(4\right)$

$\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ u_2\\ .\\ .\\ .\\ u_N\end{array}\right]=u---\left(5\right)$

$\left[\begin{array}{c}p\left(r_1\right)\\ p\left(r_2\right)\\ .\\ .\\ .\\ p\left(r_M\right)\end{array}\right]=p---\left(6\right)$

Hu＝p    （7）

方程7是与方程3相同的表达式，并且仅仅是通过定义方程4、5和6中的具体矩阵来简单表示的。即，p将焦点位置r_l到r_m处的负压表示成(M×1)的矩阵，如方程（6）中所表示的，并且在图3A的情况中，M=25。此外，H表示方程4中定义的(M×N)的矩阵，其表示方程2的排列，并且u表示(N×1)的矩阵，其表示应用到N个换能器的信号的幅度和相位。

元件输出计算器105将候选焦点确定器102在焦点区域702中选择的聚焦点的负压设定为1，将候选焦点确定器102在焦点区域702中未选择的聚焦点的负压设定为0，并得到满足方程7的u值。u值的数量可以是多个，而不是单个，这是因为，当要确定的位置数的数量为N（其是换能器元件的数量）并且由方程7生成的联立方程的数量为M时，如果N>M，则要确定的未知数的数量大于联立方程的数量。因而，焦点形成确定器103从满足方程7的多个解当中搜索满足不出现光栅瓣这一条件的解。当使用线性代数时，可以将方程7表示成方程8。

u＝H⁺p+(1-H⁺H)w             （8）

在方程8中，w表示任意向量，并且上标‘+’表示伪逆矩阵。

虽然由于向量w是任意向量，所以可以将任意值指定给向量w，但是计算在图7的非治疗区域703中不出现光栅瓣的值。即，计算满足非治疗区域703中的负压为0这一条件的向量w。然而，由于在非治疗区域703中存在无限的点，所以难以用方程来表示整个非治疗区域703中的负压为零的条件。因而，创建一方程，使得在非治疗区域703中随机选择的预定数量的点的负压为零（0）或者使得由于脆弱而要被保护免受热的部分的负压为零（0），并且计算满足所创建的方程的向量w。现在将描述使得受保护区域中的负压为0的例子。当受保护区域中的位置的数量为C时，使用如方程9的矩阵来表示受保护区域中的负压，并且这些位置处的所有负压值为0的条件就是没有出现光栅瓣的条件。

$\left[\begin{array}{c}p\left(r_1^{\′}\right)\\ p\left(r_2^{\′}\right)\\ .\\ .\\ .\\ p\left(r_C^{\′}\right)\end{array}\right]=p^{\′}\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ .\\ .\\ .\\ 0\end{array}\right]---\left(9\right)$

在方程9中，上标’附着于p，以标识受保护区域中的负压。如方程10，可以将受保护区域中的矩阵H(m,n)表示成B，以将其与焦点区域区分开。在方程10中，H中的上标‘”表示矩阵H(m,n)在受保护区域中。

$\left[\begin{array}{ccccc}{H}_{\left(\mathrm{1,1}\right)}^{\′}& H_{\left(\mathrm{1,2}\right)}^{\′}& H_{\left(\mathrm{1,3}\right)}^{\′}& ...& H_{(1,n)}^{\′}\\ H_{\left(\mathrm{2,1}\right)}^{\′}& H_{\left(\mathrm{2,2}\right)}^{\′}& H_{\left(\mathrm{2,3}\right)}^{\′}& ...& H_{(2,n)}^{\′}\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ H_{(C,1)}^{\′}& H_{(C,2)}^{\′}& H_{(C,3)}^{\′}& ...& H_{(C,n)}^{\′}\end{array}\right]=B---\left(10\right)$

可以使用方程9和10来获得方程11。

Bu＝0                        （11）

方程11示出了受保护区域中的所有负压都为0的条件。当元件输出计算器105计算出满足方程7和10两者的u值时，可以根据方程7将超声波聚焦在期望聚焦点上，并且可以根据方程11移除受保护区域中的负压。当元件输出计算器105将u值代入到方程11中以计算方程11的解时，可以获得方程12。

Bu＝B×(H⁺p+(1-H⁺H)w)＝0            （12）

通过线性代数，按照方程13获得方程12中的解w。方程13中的w值指示受保护区域中的负压为0的条件，即，在受保护区域中没有出现光栅瓣的条件。

w＝(B(1-H⁺H))⁺(-BH⁺p)            （13）

当计算出向量w的值时，元件输出计算器105将向量w的值代入到方程8中，以计算作为换能器元件的输出值的u值，并将所计算出的u值与输入候选聚焦点相对应地存储在存储器106中。由于所计算出的u值满足方程7和11两者，所以所计算出的u值是换能器元件的输出值，所述输出值满足候选聚焦点是聚焦的并且同时受保护区域中的负压为0。将换能器的所计算出的输出u输出给负压生成确定器110。

负压生成确定器110确定在将元件输出计算器105所计算出的换能器元件的输出u应用到换能器元件时，在整个非焦点区域中是否出现了光栅瓣。元件输出计算器105已经在受保护区域中的负压为0以使得在非焦点区域（尤其是在受保护区域）中不出现光栅瓣的条件下计算出了u。因而，当使用元件输出计算器105所计算出的输出u时，在受保护区域中没有出现光栅瓣。然而，由于除了受保护区域之外，可能在整个非焦点区域中出现光栅瓣，所以负压生成确定器110确定在整个非焦点区域中是否出现光栅瓣。此外，甚至在即使出现光栅瓣但是光栅瓣的负压较低的情况中，或者在对人体无害的区域中出现光栅瓣的情况中，负压生成确定器110也可以确定没有出现光栅瓣。负压生成确定器110确定是否出现光栅瓣，并将确定结果输出给最优焦点确定器104。

当最优焦点确定器104从负压生成确定器110接收到出现了光栅瓣的确定结果时，最优焦点确定器104向候选焦点确定器102输出与之前相同的聚焦点数量，并请求候选焦点确定器102重新选择与该数量相对应的聚焦点。焦点形成确定器103基于是否出现光栅瓣再次计算被候选焦点确定器102重新选择的焦点集合。即使候选焦点确定器102重复地重新选择聚焦点多于预定的次数，如果持续地出现光栅瓣，那么最优焦点确定器104也停止请求候选焦点确定器102重新选择聚焦点。即，最优焦点确定器104确定在使用现有的聚焦点数量的情况下持续地出现光栅瓣，并停止请求重新选择聚焦点。例如，即使最优焦点确定器104已经持续地请求候选焦点确定器102选择7个聚焦点，如果在50次以内仍然出现光栅瓣，那么最优焦点确定器104确定使用7个聚焦点不能移除光栅瓣的出现，从而不再请求候选焦点确定器102重新选择其它7个聚焦点。

当最优焦点确定器104停止请求候选焦点确定器102重新选择聚焦点时，最优焦点确定器104确定存储在存储器106中的最新焦点集合是最优焦点集合。在存储器106中，对没有出现光栅瓣的焦点集合进行存储，以作为这样的焦点集合：在该焦点集合中，选择了与比某一聚焦点数量少1的聚焦点数量相对应的聚焦点，其中，在使用所述某一聚焦点数量的情况下已经放弃了重新选择请求，并对与所存储的焦点集合相对应的换能器元件的输出u进行存储。即，例如，在最优焦点确定器104确定在使用7个聚焦点的情况下不能消除光栅瓣的出现，那么最优焦点确定器104确定由6个聚焦点组成的焦点集合（其存储在存储器106中）是最优焦点集合。这种焦点集合是没有出现光栅瓣的焦点集合。这样，将由最优焦点确定器104确定的最优焦点集合作为最优焦点集合与u值一起存储在最优焦点存储单元109中。

当最优焦点确定器104从焦点形成确定器103接收到没有出现光栅瓣的确定结果以及当前的聚焦点数量时，最优焦点确定器104向候选焦点确定器102输出比当前的聚焦点数量大1的聚焦点数量，并请求候选焦点确定器102选择与所输出的数量相对应的聚焦点。即，当前焦点集合表示能够聚焦同时没有出现光栅瓣的焦点集合。然而，为了确定是否即使进一步增加聚焦点数量也不出现光栅瓣，最优焦点确定器104请求候选焦点确定器102选择更多的聚焦点。

如上面所描述的，关注点确定器101在确定关注点时排除从焦点形成确定器103接收到的最优焦点集合。如果在关注点确定器101从存在于治疗区域702中的多个聚焦点701（其是从用户接收到的）排除最优焦点集合时不存在其它的聚焦点，那么操作结束。

存储器106对由焦点形成确定器103所计算出的焦点集合当中的没有出现光栅瓣的焦点集合进行存储，并对与所存储的焦点集合相对应的u值进行存储，其是由元件输出计算器105计算出来的。

最优焦点存储单元109对最优焦点确定器104所确定的作为最优焦点集合的焦点集合以及与该焦点集合相对应的u值进行存储。

接口107允许用户将与聚焦点有关的信息输入到关注点确定器101，或者输出存储在最优焦点存储单元109中的最优焦点集合以及与最优焦点集合相对应的u值。

照射确定器108确定用于向最优焦点确定器104所确定的作为最优聚焦点的聚焦点照射超声波的顺序或时间。最优焦点确定器104所确定的作为最优聚焦点的聚焦点集合的数量可以是多个。因而，当对多个聚焦点集合进行照射时，照射确定器108确定用于向多个聚焦点集合照射超声波的顺序或时间。

图10的流程图示出了根据本发明实施例的形成用于超声治疗的聚焦点的方法。参考图10，在操作901中，将候选焦点确定器102要确定的聚焦点的数量设定为1。在操作902中，关注点确定器101选择通过从治疗区域中的多个聚焦点当中排除从最优焦点确定器104接收到的作为最优焦点集合的聚焦点而剩余的聚焦点，来作为关注点，其中治疗区域中的所述多个聚焦点是由用户输入的。在操作903中，候选焦点确定器102从关注点当中选择n个候选聚焦点。在操作904中，焦点形成确定器103计算候选焦点确定器102所选择的n个候选焦点的最优负压，并且如果出现光栅瓣的话，则操作进行到操作906，并且如果没有出现光栅瓣的话，则操作进行到操作905。在没有出现光栅瓣的操作905中，最优焦点确定器104对候选焦点确定器102要确定的聚焦点的数量n增加1，并且操作进行到操作903以重复上述过程。在出现光栅瓣的操作906中，最优焦点确定器104确定当前次数是否超过了预定的重复次数。如果当前次数超过了预定的重复次数，则操作进行到操作907，并且如果当前次数没有超过预定的重复次数，则操作进行到操作903以重复上述过程。在操作907中，关注点确定器101确定是否存在其它关注点。如果不存在其它关注点，则操作结束，并且如果存在其它关注点，则操作进行到操作902以重复上述过程。

如上面描述的，根据本发明的以上实施例中的一个或多个，通过在HIFU设备的操作中移除光栅瓣时同时地形成多个聚焦点，可以减少HIFU设备的治疗时间，并且可以防止在治疗期间对病变周围组织的损伤。此外，可以计算用于在移除光栅瓣时同时形成若干聚焦点的换能器元件的输出。

可以将本发明的实施例写成计算机程序，并且可以用通用数字计算机来实现这些实施例，所述通用数字计算机使用计算机可读记录介质执行所述程序。此外，可以以各种方式将本发明的实施例中所使用的数据结构记录在计算机可读记录介质中。计算机可读记录介质的例子包括存储介质，例如磁存储介质（ROM、软盘、硬盘等）以及光记录介质（例如，CD-ROM或DVD）。

虽然已经参考本发明的示例性实施例具体地示出并描述了本发明，但是本领域普通技术人员将会理解，可以在其中进行形式和细节上的各种改变，而不会脱离本发明的由所附权利要求定义的精神和范围。这些示例性实施例仅应当以描述的意义进行考虑，而不是为了限制的目的。因而，本发明的范围并不是由本公开内容的具体实施方式限定的，而是由所附权利要求限定的，并且该范围内的所有差别都将被解释成包括在本公开内容中。

Claims (20)

1.一种形成用于超声治疗的聚焦点的方法，所述方法包括：

从被照射用于治疗的超声波的区域中的焦点位置当中选择至少一个候选焦点位置；

当所述用于治疗的超声波的聚焦点形成在所选择的候选焦点位置处时，确定在除了所选择的候选焦点位置以外的位置处是否出现负压增加的现象；以及

基于所述确定的结果，确定治疗计划，所述治疗计划指示与没有出现所述现象的候选焦点位置集合有关的信息。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述选择包括：当确定出现所述现象时，改变所述候选焦点位置，并重新选择经改变的候选焦点位置。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述选择包括：当确定没有出现所述现象时，改变所述候选焦点位置以及候选焦点位置的数量，并重新选择经改变的候选焦点位置。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：确定从以下各项组成的组中选择的至少一个：用于对所确定的候选焦点位置集合照射超声波的顺序和时间。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述确定包括：计算所述换能器元件的输出，其中，通过所述输出，所述候选焦点位置的负压具有第一值，并且治疗区域外的位置的负压具有第二值；以及确定是否出现所述治疗区域外的位置的负压增加的现象。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述输出中的每一个基于应用于所述换能器元件中的每一个的电信号的幅度和相位中的一个。

7.如权利要求5所述的方法，其中，所述确定包括：

获得使得所述候选焦点位置的负压具有所述第一值的换能器元件的多个输出集合；以及

从换能器元件的所述多个输出集合当中，选择使得所述治疗区域外的位置的负压具有第二值的输出集合。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述负压增加的现象指示光栅瓣。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述选择包括：通过使用遗传算法来选择所述候选焦点位置。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述选择包括：不再选择包括在所述治疗计划中的焦点位置。

11.一种形成用于超声治疗的聚焦点的方法，所述方法包括：

计算使得被照射用于治疗的超声波的焦点位置的负压具有第一值的换能器元件输出；以及

从所计算出的换能器元件输出当中，选择使得除了所述焦点位置以外的预定区域中的负压具有第二值的换能器元件输出。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第二值小于所述第一值。

13.一种用于形成用于超声治疗的聚焦点的装置，所述装置包括：

候选焦点确定器，用于从被照射用于治疗的超声波的区域中的焦点位置当中选择至少一个候选焦点位置；

焦点形成确定器，用于当所述用于治疗的超声波的聚焦点形成在所选择的候选焦点位置时，确定是否在除了所选择的候选焦点位置以外的位置处出现负压增加的现象；以及

最优焦点确定器，用于基于所述确定的结果确定治疗计划，所述治疗计划指示没有出现所述现象的候选焦点位置集合。

14.如权利要求13所述的装置，其中，当所述焦点形成确定器确定出现所述现象时，所述最优焦点确定器请求所述候选焦点确定器进行重新选择，并且

当接收到重新选择请求时，所述候选焦点确定器改变所述候选焦点位置，并重新选择经改变的候选焦点位置。

15.如权利要求13所述的装置，其中，当所述焦点形成确定器确定没有出现所述现象时，所述最优焦点确定器请求所述候选焦点确定器进行重新选择，并且

当接收到重新选择请求时，所述候选焦点确定器改变所述候选焦点位置以及候选焦点位置的数量，并重新选择经改变的候选焦点位置。

16.如权利要求13所述的装置，还包括：照射确定器，用于确定从以下各项组成的组中选择的至少一个：用于对所确定的候选焦点位置集合照射用于治疗的超声波的顺序和时间。

17.如权利要求13所述的装置，其中，所述焦点形成确定器基于使得所述候选焦点位置具有第一负压并且治疗区域外的位置具有第二负压的换能器元件输出来确定是否出现所述现象。

18.如权利要求17所述的装置，其中，所述输出中的每一个输出基于应用到所述换能器元件中的每一个换能器元件的电信号的幅度和相位中的一个。

19.如权利要求13所述的装置，其中，所述负压增加的现象指示光栅瓣。

20.一种计算机可读记录介质，其存储用于执行如权利要求1所述的方法的计算机可读程序。

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