CN105073016A - 用于测量与校正由像差介质引起的超声相位畸变的系统与方法 - Google Patents

Abstract

提供将聚焦超声有效发射穿过诸如骨骼等的介质并进行接收的系统和方法。迭代地更新聚焦超声的聚焦区域以提供通过介质的改进焦点。上述方法可以通过使用包括各自以不同频率工作的两个或更多发射阵列的换能器组件来实现。可以通过使用低频发射阵列传递聚焦超声来设置和更新初始焦点。由第一次迭代确定的相位校正可以被应用到后续高频发射阵列和接收到的信号，此过程不断地重复直到获得需要的焦点或图像分辨率。

Description

用于测量与校正由像差介质引起的超声相位畸变的系统与方法

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月4日提交的题为“用于测量与校正由像差介质引起的超声相位畸变的系统与方法”的美国临时专利申请NO.61/771,992的权益。

关于联邦资助的研究的声明

本发明是通过在国家卫生院授予的EB003268和EB009032下的政府支持而做出的。政府对本发明享有特定权利。

发明背景

本发明的领域是针对聚焦超声(FUS)的系统与方法。具体而言，本发明涉及有效地发射聚焦超声穿过像差介质(包括颅骨和其它可以使超声产生像差的组织)的系统和方法。

经颅的聚焦超声手术已被临床研究用于脑部紊乱(包括慢性痛、特发性震颤和原发性脑肿瘤等)的无创治疗。尽管这是用于脑部成像和治疗的有吸引力的治疗方法，但是经颅超声遭遇到通过颅骨的较差超声传输，颅骨衰减并发散波束。在低频下，由于颅骨的非均质和非规则特性导致的相位畸变(phaseaberration)最小；而在高频下，需要进行相位校正以在脑部实现超声聚焦。可以利用从术前计算机断层扫描获得的几何形状和骨密度信息，从声波传播通过颅骨的计算机仿真，确定用于校正的必要相位延迟。然而，即使是最简单的计算模型仍要花费数小时来计算相位延迟。

用于测量通过像差介质的相位延迟的简单、直接的方法是将超声源放置在焦点处，并且使用飞行时间测量来计算换能器元件之间的相位延迟。上述方法的无创实现已经使用颅腔内的气泡作为声学信标，其中气泡通过声滴蒸发(acousticdropletvaporization)或瞬时空化产生。在一项由Gateau等人进行的研究中，基于计算断层的相位校正被用于初始聚焦步骤，然后基于气泡签名的相位校正则被用来改善换能器阵列聚焦以及进行波束操控。Gateau等人使用的换能器阵列的频率为1MHz，在没有首先使用基于仿真的相位校正的情形下，该频率过高而不能创建空化事件。另外，接收器是发射元件的子集，在其驱动频率处原生地敏感。

在一项由Haworth等人进行的研究中提出，基于气泡的相位校正可以通过如下步骤执行：首先在低频下进行超声处理，然后使用谐波成像计算相位延迟，并且在高频下重新聚焦。然而，进行这样的相位校正的设备以及策略并没有被提及。特别地，并没有解决以下问题：在低频下的气泡运动可以在相当大的发射聚焦区内的任意位置发生，从而复合了目标定位错误。

因此，期望提供用于有效地发射聚焦超声通过介质(诸如骨骼)的系统和方法。

发明内容

本发明通过提供用于采用自适应聚焦方案有效地发射聚焦超声通过介质(诸如骨骼)的系统和方法，克服如前所述的缺陷。聚焦超声的聚焦区域被迭代地更新，以便提供穿过介质的改进焦点。这种方法可以通过使用包括各自以不同频率工作的两个或更多发射阵列的换能器组件来实现。初始焦点通过采用低频发射阵列传递聚焦超声来设定和更新。在第一次迭代中确定的相位校正被应用于后续较高频发射阵列，该过程循环直至获得期望焦点。

本发明的一个方面提供用于调节聚焦超声束的焦点的方法。包含各自具有不同的工作频率的多个发射阵列的超声换能器组件的初始聚焦区域是通过设置发射阵列的初始焦点来定义的。通过使用多个发射阵列之一，可以将超声能量传递到初始聚焦区域来激发初始聚焦区域中的造影剂。然后，通过使用超声换能器阵列，接收响应于初始聚焦区域中被激发的造影剂的信号。从接收到的信号产生图像，由该图像确定初始聚焦区域的中心。通过使用所确定的初始聚焦区域中心计算相位校正值，并将其应用到聚焦超声换能器组件以更新初始焦点，从而定义比初始聚焦区域更聚焦的更新聚焦区域。该过程迭代地重复，直到更新的聚焦区域与期望的焦点对应为止。在该过程的每一次重复期间，通过使用多个发射阵列中在比先前发射阵列更高频率下工作的不同发射阵列，将超声能量传递到更新的聚焦区域来激发更新聚焦区域中的造影剂。

本发明的另一个方面提供可以用于聚焦超声系统的换能器组件。该换能器组件包括多个集成换能器单元和与集成换能器单元通信的复用电路。每个集成换能器单元包括至少两个换能器元件，这些元件同心地嵌套以形成集成换能器单元。复用电路被配置用于将每个集成换能器单元中的换能器元件连接到发射线路和接收线路中的至少一个。

本发明的另一个方面是提供包括换能器组件和与换能器组件通信的处理器的聚焦超声系统。换能器组件包括各自由换能器元件构成的多个换能器阵列，每个换能器阵列以不同频率工作。换能器组件可包括由接收换能器元件构成的至少一个附加接收阵列。处理器被配置用于为换能器组件设定聚焦区域，并且为换能器组件中的每个发射阵列迭代地更新这个聚焦区域。在每次迭代中，处理器选择具有最低剩余工作频率的发射阵列，并引导所选择的发射阵列激发该发射阵列的初始聚焦区域，并且引导至少一个接收阵列接收来自初始聚焦区域的信号。然后，处理器从接收到的信号重建聚焦区域的图像，并从重建的图像计算相位校正值。然后，处理器将所计算的相位校正值应用到所选择的发射阵列以及具有下一最高工作频率的发射阵列。

本发明前述以及其他方面及优点将在下面的描述中给出。在描述中，将会参照，所述附图构成描述的一部分并且通过说明示出本发明的较佳实施例。但是，这种实施例不一定表示本发明的全部范围，因此依据权利要求书来说明本发明的范围。

附图说明

图1是聚焦超声系统的示例的框图；

图2A是包括嵌套发射换能器和接收换能器的集成换能器单元的示例；

图2B是集成换能器单元阵列的示例；

图2C是连接到集成换能器单元的复用电路的示例；

图2D是连接到集成换能器单元的复用电路的另一示例；

图3是包括稀疏分布式接收传感元件的换能器组件的示例；

图4是被配置用于经颅应用的聚焦超声系统的示例的框图；

图5是阐述用于自适应调节换能器组件的焦点的示例方法的步骤的流程图，其中换能器组件包括以不同频率工作的两个或多个发射阵列。

具体实施方式

提供用于使用聚焦超声(FUS)系统有效地发射聚焦超声穿过颅骨的系统和方法。特别地，提供用于自适应超声聚焦穿过颅骨的超声换能器阵列设计和方法。

参照图1，示出了用于将聚焦超声传递到对象102的示例性聚焦超声(“FUS”)系统100。FUS系统包括控制器104、超声换能器106、外壳108、和定位系统110。外壳108容纳超声换能器106，并提供与对象102的接口，从而使得超声能量可以从超声换能器106有效地传递到对象102。举例而言，可以用声波耦合介质112填充外壳108，该介质112允许超声能量比在空气中更有效地传播。示例性的声波耦合介质112包括水，例如脱气水。有利的是，超声换能器106包括信号检测器114，例如水听器。举例而言，信号检测器114可包括宽带聚偏二氟乙烯(PVDF)水听器，例如由M.A.O’Reilly和K.Hynynen在文章“用于经颅聚焦超声治疗的超声监控的PVDF接收器(APVDFReceiverforUltrasoundMonitoringofTranscranialFocusedUltrasoundTherapy)”，(IEEETransactionsonBiomedicalEngineering,2010；57(9):2286–2294)中所描述的。超声换能器106通过支架116与定位系统110耦合。定位系统110有利地是在三个维度上提供超声换能器106的精准定位的三轴定位系统，并且一般而言，还可以是在两个或更多维度或方向上提供超声换能器106的精准定位的多轴定位系统。

控制器104通常包括处理器118、信号发生器120、和射频(RF)放大器122。信号发生器120可包括函数发生器，并且被设置为提供引导超声换能器106产生超声能量的驱动信号。信号发生器120产生的驱动信号在被超声换能器106接收前被RF放大器122放大。当在磁共振引导FUS(MRgFUS)应用期间使用FUS系统100时，控制器104可以定位在磁共振成像(MRI)系统的磁室内或磁室外。

处理器118与信号发生器120通信，并引导信号发生器120产生驱动信号，该驱动信号被传递到超声换能器106。正如以下将要详细描述的，处理器118可被配置用于调节驱动信号的性质，以便根据本发明的实施例调节由换能器106产生的超声能压。

处理器118接收来自信号检测器114的声信号。正如接下来要详细描述的，由信号检测器114提供的反馈信息由处理器118用来引导超声能量的适当调节。处理器118还与定位系统110通信，并且被配置用于引导定位系统110在超声处理过程中移动超声换能器106的位置。在超声换能器106是相控阵列换能器的情况下，控制器104可以调节每个换能器单元的驱动RF信号的相位和/或振幅，来控制焦点的位置。

一般而言，超声换能器106可以被认为是包括一个或多个超声换能器元件阵列的换能器组件。每个换能器阵列可以只包括发射元件，或只包括接收元件，或是同时包括发射和接收元件。举例而言，换能器组件可以包括多个集成发射和接收阵列。例如，换能器阵列可以包括以不同频率工作的两个或更多发射阵列，以及以发射阵列的谐波或子谐波共振的一个或多个接收阵列。较佳地，换能器组件是完整的半球，以提供最好的聚焦能力。所有这些阵列既可以是满装配的，在减少数量的换能器元件为优选的情形下也可以是稀疏装配的。

在一种配置中，例如图2A和2B所示，换能器组件208由集成单元202构成，集成单元202包括发射元件204和接收元件206。发射元件204和接收元件206排列在集成单元202中使得它们同轴。例如，发射元件204可以是嵌套在环形接收元件206中的圆形换能器元件。尽管图2A和2B示出仅由两个换能器元件构成的集成单元202，但是需要注意的是，集成单元202也可以被构建成包括超过两个的嵌套换能器元件，每个换能器元件能够发射、、接收或两者皆可。集成单元202可以被排列在换能器组件208的范围上，如图2B所示。一般而言，集成单元202的频率从集成单元202的外部换能器元件向集成单元202的内部换能器元件升高，以便在较高频率下保持良好的方向性。最低的发射超声频率较佳地约为100-300kHz，在该频率处由于颅骨造成的畸变最小。

参照图2C和2D，集成单元202中的嵌套换能器元件与复用电路210中的复用器相连，在处理器的引导下，复用器能够将RF发射信号连接到能够发射超声能量的换能器元件中的任一个。相似地，复用器可以将接收器电子器件连接到能够检测声学信号的换能器元件中的任一个。还有可能将多个换能器元件同时连接到分开的发射和/或接收线路。图2C和2D示出集成换能器单元202和复用电路210之间的可能连接的两个示例配置。在图2C中，每个集成换能器单元202中的每个换能器元件都连接到将该换能器元件与发射线路和接收线路两者相连的复用器。在图2D中，每个集成换能器单元202包括通过复用电路仅与发射线路相连接的一个换能器元件以及通过复用电路210同时与发射线路和接收线路两者相连接的一个换能器元件。应该理解，在集成换能器单元202中的换能器元件与发射和接收线路之间的连接的任何适当组合都可以通过适当配置的复用电路来实现。还需要注意的是，每个集成换能器单元202都不需要以相同的方式与发射和接收线路连接。而是，一组集成换能器单元202可以通过一种配置方式与发射和接收线路相连(例如图2C所示的配置方式)；另一组换能器单元202以另一种配置方式与发射和接收线路相连(例如图2D所示的配置方式)。

参照图3，换能器组件304中的发射元件302和接收元件304也可以在整个阵列孔径上以稀疏排列方式分布。在一些高功率应用中，需要大量的发射元件，然而，需要少得多的接收元件来绘制造影剂的活动。为了减少硬件要求，可以在大量发射元件内更稀疏地填充接收元件或集成单元。从接收元件计算的相位延迟可以被应用到传播超声穿过颅骨上相同区域的周围发射元件组。

参照图4，在某些情况下，FUS系统400可被更具体地配置用于人体中的经颅超声应用。在这样的系统中，对象402接收来自换能器406的超声能量，该换能器被配置成围绕对象头部的范围。例如，换能器406可以是近似的半球换能器元件阵列。FUS系统400可以包括冷却系统，例如有主动冷却和脱气能力的密封水系统，使得对象402的颅骨和皮肤可以在治疗中保持合适的温度。

FUS系统400包括处理器418，该处理器可以与多通道放大器424以及多通道接收器426通信。多通道放大器424接收来自处理器418的驱动信号，然后引导换能器406中的换能器元件产生超声能量。多通道接收器426在超声处理过程中接收声学信号并且把这些信号中继到处理器418以供根据本发明的实施例进行处理。处理器418也可被配置用于响应于由多通道接收器426接收到的声学信号调节驱动信号。例如，可以调节驱动信号的相位和/或振幅，使得超声能量更有效地传输穿过对象402的颅骨并进入感兴趣的目标体积430。另外，可以分析声学信号以确定聚焦区域的范围是否应该被调节以及如何调节。

已经描述了实现本发明的FUS系统的总体结构，现在参照图5，示出阐述了用于改善传递聚焦超声穿过颅骨或其它骨质结构的传输效率的方法示例的步骤的流程图。以下针对经颅应用描述该示例方法。

通过使用几何聚焦并忽略颅骨贡献，最初使用低频超声将超声聚焦在脑部，如步骤502所示。由于使用低频，初始焦点相对较大。然后，患者可被施加超声造影剂，如步骤504所示。该超声造影剂可以是微泡造影剂或相变型滴造影剂，并且优选地以极低浓度施加。例如，造影剂浓度足够低至以便能够对脉管系统中的单独泡成像。

低频发射阵列随后用来激发单独泡，如步骤506所示。响应于该激发的谐波发射被接收器阵列之一接收，并且利用相位和振幅信息波束成形以产生泡的初始图像，如步骤508所示。初始的波束成形只考虑几何延迟，而不用考虑由颅骨造成的延迟。正如在判定框510中指出的，重复激发和图像重建步骤，以创建描述发射焦点处的泡活动的图像时间系列。到需要附加造影剂的程度，更多的造影剂被施加到对象。

通过检查活动的空间范围和泡响应的强度，可以从图像时间系列确定发射焦点的近似中心，如步骤512所示。利用来自该位置处的泡事件之一的辐射，可以计算发射和接收波束的相位校正，如步骤514所示。然后，这些相位校正被应用到发射元件来改善发射焦点，如步骤516所示。可以选择性地重复这样的过程来改善发射与接收的相位校正的估计，如判定框518所示。

然后，相位校正可以被应用到具有次低频率的发射阵列，通过相应的接收阵列创建图像时序系列，从而确定发射焦点的空间范围，并精细调谐发射和接收聚焦，如步骤520所示。这样的过程可以在每个发射频率处迭代，并且以增加的频率重复，从而在高频处创建尖锐的治疗焦点，如判定框522所示。

在一些实施例中，当在接收器处记录的泡签名很弱时，可以通过将期望泡响应拟合到原始数据上来提高图像质量。其中一个实现方式可以包括通过将期望泡响应的模板与每条线路上的原始数据交叉相关，找出最佳拟合。因此，在一些实施例中，本发明的系统和方法包括提供一个或多个期望泡响应模板。可以在模板拟合之前上采样在低采样频率下捕捉的数据，以便保留位置信息。

本发明提供了执行出于诊断目的的脑部高分辨率脉管绘图的能力。这可以通过扫描发射焦点通过脑部同时收集来自注入到血管中的微泡的的像差信号来实现。在这种情况下中，首先导出发射和接收信号校正，然后与时间相关地形成并跟踪泡(从而脉管系统)的三维图像。对于这样的成像，可以利用标准的短超声成像来提供时间分辨的回声位置，或是可以使用采用上述方法的长超声成像来形成图形。本发明的方法同样可以提高其他像差介质的超声成像，例如胸部、心脏、前列腺等等。例如，胸部成像可以通过如同与脑部成像和治疗应用类似的半球阵列设计来进行。

已经就一个或多个优选实施例描述了本发明，应该理解，除了那些明确阐述的以外，许多等效方案、替代方案、变型方案和修改方案也是可能的并且落在本发明的范围内。

Claims (17)

1.一种聚焦超声系统，包括：

换能器组件，包括：

由发射换能器元件构成的多个发射阵列，每个发射阵列以不同的频率工作；

由接收换能器元件构成的至少一个接收阵列；

与换能器组件通信的处理器，被配置用于：

为换能器组件设置聚焦区域；

通过以下步骤为换能器组件中的每个换能器阵列迭代地更新聚焦区域：

选择具有最低剩余工作频率的发射阵列；

引导所选择的发射阵列激发该发射阵列的初始聚焦区域；

引导至少一个接收阵列接收来自初始聚焦区域的信号；

从接收到的信号重建聚焦区域的图像；

从重建的图像计算相位校正值；

将所计算的相位校正值应用于所选择的发射阵列和具有下一最高工作频率的发射阵列。

2.如权利要求1所述的聚焦超声系统，还包括复用电路，所述复用电路与换能器组件通信并且被配置为允许在多个发射阵列与至少一个接收阵列之间切换。

3.如权利要求1所述的聚焦超声系统，其中，至少一个接收阵列稀疏地分布在多个发射阵列之间。

4.如权利要求1所述的聚焦超声系统，其中，每个发射换能器元件与接收换能器元件一一对应，并且每个发射换能器元件和接收换能器元件对形成集成换能器单元。

5.如权利要求4所述的聚焦超声系统，其中，每个集成换能器单元包括嵌套在环形发射换能器元件中的接收换能器元件。

6.如权利要求1所述的聚焦超声系统，其中，处理器作被配置用于：

将所计算的相位校正值应用到接收到的信号，以形成经相位校正的信号；以及

从经校正的信号重建图像。

7.如权利要求6所述的聚焦超声系统，其中，处理器被配置用于扫描换能器组件的聚焦区域通过感兴趣的体积，同时接收来自感兴趣的体积的信号。

8.如权利要求6所述的聚焦超声系统，其中，处理器被配置用于为换能器组件设置多个同时产生的聚焦区域，以便加快数据采集。

9.一种用于聚焦超声系统的换能器组件，所述换能器组件包括：

多个集成换能器单元，每个集成换能器单元包括至少两个换能器元件，所述换能器元件同心嵌套以形成集成换能器单元；以及

与多个集成换能器单元通信的复用电路，所述复用电路被设置用于将每个集成换能器单元中的换能器元件连接到发射线路和接收线路中的至少一个。

10.如权利要求9所述的换能器组件，复用电路被配置用于将每个集成换能器单元中的至少两个换能器元件中的一个连接到发射线路，并且将每个集成换能器单元中的至少两个换能器元件中的一个连接到接收线路。

11.如权利要求9所述的换能器组件，复用电路被配置用于将每个集成换能器中的至少两个换能器元件的每一个连接到发射线路和接收线路两者。

12.一种调节发射穿过像差介质的聚焦超声束的焦点的方法，所述方法的步骤包括：

a)通过设置发射阵列的初始焦点，定义超声换能器组件的初始聚焦区域，所述超声换能器组件包括各自具有不同工作频率的多个发射阵列；

b)通过使用多个发射阵列之一，将超声能量传递到初始聚焦区域以激发初始聚焦区域内的造影剂；

c)通过使用超声换能器阵列，接收响应于初始聚焦区域中的受激发造影剂的信号；

d)从所接收的信号，生成图像；

e)从所生成的图像，确定初始聚焦区域的中心；

f)通过使用所确定的初始聚焦区域的中心，计算相位校正值；

g)将所计算的相位校正值应用到聚焦超声换能器组件以更新初始焦点，从而定义比初始聚焦区域相比更加聚焦的更新聚焦区域；

h)重复步骤b)–g)，直到更新的聚焦区域与所要求的焦点对应；在每次重复过程中，使用多个发射阵列中以比先前发射阵列更高的频率工作的不同发射阵列，将超声能量传递到更新的聚焦区域以激发更新的聚焦区域中的造影剂。

13.如权利要求12所述的方法，进一步包括：

i)通过将在步骤f)计算的相位校正值应用到在步骤c)接收的信号，形成经相位校正的信号；以及

j)从经相位校正的信号重建图像。

14.如权利要求13所述的方法，其中，像差介质是颅骨，并且从经相位校正的信号重建的图像是描绘脉管系统的高分辨率图像。

15.如权利要求14所述的方法，其中，步骤b)包括将超声能量传递到初始聚焦区域以激发造影剂，所述造影剂的浓度足够低使得在步骤c)接收的信号是空间分离的并且每个信号对应于造影剂中的单个微泡。

16.如权利要求15所述的方法，其中，在一段时间上重复步骤b)-j)，使得描述由于血液流动引起的微泡运动的多个时间分辨图像在步骤j)中重建。

17.如权利要求16所述的方法，还包括利用在步骤j)中重建的时间分辨图像，形成动态血液流动图和灌注图中的至少一个。