CN107073291B - 用于超声热疗和成像的超声片块 - Google Patents

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Abstract

一种用于感兴趣区域的超声治疗(消融或热疗)的超声系统，包括：片块，其包括被布置在支撑物上的超声换能器(优选地CMUT)的二维阵列，其中，多个换能器适于在可变的频率范围内操作；换能器控制器单元，其被用于激活所述阵列中的所述多个换能器的至少两个组以用于所述超声信号的发送，其中，所述至少两组中的每一个：被布置在样式中；并且在与其他组的频率不同的频率处操作。

Description

用于超声热疗和成像的超声片块
技术领域
本发明涉及一种包括片块的感兴趣区域的超声热疗或消融治疗的超声系统，该片块包括被布置在支撑物上的超声换能器(CMUT)的二维阵列。本发明还涉及一种超声治疗的方法。
背景技术
根据国家癌症研究所(NCI)，据信热量可以通过损坏单元或对其剥夺其需要以生活的物质帮助缩小肿瘤并且使肿瘤单元更易受辅助治疗(诸如辐射或化疗)影响。存在可以通过其递送热量的许多技术。最常见的一些涉及超声、射频、微波的使用、加热液体的注入或热量的直接应用(诸如通过坐在热房间中或将患者包裹在热毯中)。热疗处置深度和体积取决于能源的物理特性和使用的设备的类型。欧洲热疗肿瘤协会(ESHO)的成员将针对温和的区域热疗的广泛指导定义为温和的热疗中的总体质量保证(QA)程序的一部分(Langendijk等人，1998年)。根据该指导，每个热疗处置系统应当能够针对至少60分钟将靶体积中的温度维持在40℃与43℃之间。在大约40-45℃的温度处，不可逆的单元损坏仅在延长暴露(从30分钟到60分钟)之后发生。在高于60℃的温度处，达到不可逆的损坏所需的时间指数地减小。生命酶的钝化作用是伤害的初始特征。高于60℃，快速的蛋白质变性发生，其紧接地是单元毒性的并且导致凝固性坏死。
超声治疗可以用作热疗技术以及消融治疗以通过凝固杀死组织。RF消融技术广泛地被用于肿瘤消融，但是该技术总是要求RF消融探头的插入，而超声治疗能量(引起温度增加)可以从一距离处递送。然而，针对局部表面热疗治疗(诸如微波、射频或加热垫)的外部热疗系统在应用选择性和受控的组织加热中被限制。规划的靶体积和/或深度可以不利用当前设备到达或者在不影响周围的健康组织的情况下不能维持靶体积中的温度。需要不同的超声强度(W/cm2)以达到温和热疗(在大约40-43℃的温度处)或者热消融(在高于52-60℃的温度处)。包括印刷电路板的柔性条带和安装在其上的压电换能器(PZT)的阵列的超声换能器片块从US2012/0277639A1已知。从现有技术文档已知的超声片块是针对超声真皮治疗应用研发的薄的柔性片块。片块的PZT是要么“单层压电片”要么“双层压电片”结构的双频率换能器，其被制造为在两个频率之一中操作：50kHz或3MHz。
从US2012/0277639 A1已知的片块的缺点在于，片块中的双频率PZT换能器与低频率超声部件的波长相比较是小的。现有技术认识到，由于发散的波束概况，因此基于PZT的换能器的尺寸限制超声波传播的深度。作为解决该问题的尝试，建议将换能器聚类在簇中，其尺寸是可与超声波波长的尺寸比较的。然而，该解决方案创建针对超声波的复杂的深度传播概况，其中，传播到身体超声波中的幅度不均匀地改变。
由于基于压电的超声换能器的窄带频率范围，因而这样的片块的另一缺点是其对仅两个操作频率的限制。
在热疗和消融治疗中，其中，使用高强度超声，处置期间的组织中的确切的温度分布是非常重要的。
发明内容
本发明的目标是提供一种超声系统，其实现处置期间的所述组织中的更准确的温度分布。
根据本发明，通过一种用于对感兴趣区域进行超声治疗的超声系统达到该目的，所述超声系统包括：片块，其包括被布置在支撑物上的电容性微机械超声换能器(CMUT)的二维阵列，其中，多个换能器适于操作在可变的频率范围内；换能器控制器单元，其被用于激活所述阵列中的多个换能器的至少两个组，以用于将所述超声信号发送到所述感兴趣区域中，其中，所述至少两个组中的每个被布置在样式中；并且操作在与其他组的频率不同的频率处，其中，每个组的频率随着所述组与所述感兴趣区域之间的平均距离而减小。
根据本发明，提供换能器控制器单元允许对在其处可以操作所述阵列中的所述换能器的所述频率进行连续改变。所述换能器控制器单元可以同时或者以预定义顺序激活操作在不同的频率处的换能器。所述身体中的超声波的衰减长度随着增加的频率而减小，因此，激活不同的样式的组中的换能器并且随着从所述组到所述感兴趣区域的增加的平均距离减小所激活的组的频率给定对所发送的超声波的所述穿透深度的控制。可以在半导体处理步骤的单个流中制造包括被耦合到所述换能器的集成电路的所述电容性微机械超声换能器。这允许产生适于热疗或消融处置的紧凑超声片块。所述CMUT的另一优点是在其中可以操作所述单个换能器的宽带频率范围。
在本发明的实施例中，换能器组的所述样式形成同心形状，其中，具有最内部的样式的组适于操作在作为所激活的组的最大频率的第一频率处，并且具有最外部的样式的组适于操作在小于所述第一频率的第二频率处，所述第二频率是所激活的组的最小频率。
在所述同心圆中的操作不同的频率处的所述组的样式的形成提供利用高强度超声的所述感兴趣区域的更均匀的暴露的机会。形成同心形状样式的所激活的组的频率的逐渐降低允许补偿频率相关声波衰减。最内部的样式可以由被激活为具有与所述感兴趣区域的最靠近平均距离并且操作在选定的频率范围中的最大频率处的所述组形成。所述最外部的样式可以由被激活为具有与所述感兴趣区域的最远平均距离并且操作在选定的频率范围中的最小频率处的所述组形成。由于具有增加的波频率的所述身体中的超声波的衰减长度中的减小，因此该实施例提供被发送到所述感兴趣区域的声波强度中的经改进的均匀性。另外，该实施例还改进所述超声波束的聚焦。
在本发明的另一实施例中，所述可变的频率范围从500kHz扩展直到10MHz。
所述低频率范围(kHz)可以被用在大的区的热疗处置中，而较高的频率范围被用于靶向定位区域。
在本发明的另一实施例中，组的操作频率随着所述组与所述感兴趣区域之间的所述平均距离的增加而减小。
该实施例提供所述感兴趣区域的均匀暴露的额外改进，其中，执行对声学波长相关衰减的校正。所述感兴趣区域被定位在具有其自身的发散系数的组织中。在大多数组织中，传播的声波的衰减长度随着增加的频率而减小。因此，为了确保将超声波递送到所述感兴趣区域，阵列中的每个组的操作的频率随着所述组与所述感兴趣区域之间的平均距离的增加而减小。
在又一实施例中，所述换能器控制器单元被用于激活发送具有与其他组的信号强度不同的强度的超声信号的所述换能器的所述至少两组中的至少一个。
改变所述阵列中的选定的组的强度给定对针对所述感兴趣区域的所递送的超声的额外控制，因此，这允许具有感兴趣区域中的可控制的温度概况。
在另外的实施例中，由所述组同时地发送的所述超声信号具有以下范围之一中的可变强度：4W/cm2到10W/cm2、4W/cm2到50W/cm2、100mW/cm2到4W/cm2和100m W/cm2到52W/cm2。
该强度范围覆盖超声治疗应用区：从要求低强度的热疗到要求更高的强度处置的消融。
在本发明的又一实施例中，所述系统还包括：跟踪单元，其适于将所述片块配准到所述感兴趣区域的经配准的医学图像中；以及样式处理器，其适于处理所述经配准的医学图像并且被耦合到所述换能器控制器单元，其中，所述样式处理器还适于基于经配准的医学图像中的感兴趣区域的位置和尺度，来定义所述阵列中的每个组的所述样式。
该实施例描述患者的靶向治疗，其中，操作在相同频率处的每个组的样式可以基于从由公共医学成像系统(诸如MRI、X射线或超声)之一所获得的医学图像所提取的所述感兴趣区域的实际尺度和位置而被预定义。所述跟踪单元将所述片块的位置配准到所述区域的医学图像中并且提供经配准的医学图像。每个组的样式由所述样式处理器确定，其处理所述经配准的图像并且由所述感兴趣区域被定位在其处的深度、其尺度和尺寸来定义。
在本发明的又一实施例中，由相同组同时地发送的所述超声信号的强度由所述组与所述感兴趣区域之间的平均距离预定义。
所述换能器控制器单元允许通过依赖于该组与所述感兴趣区域之间的所述平均距离的相同组改变所发送的信号的强度。这是将增加的温度重新分布在所述感兴趣区域中并且降低被定位超过所述感兴趣区域的所述组织的高强度暴露的可能性。
在本发明的另一实施例中，所述片块还包括集成电路，所述集成电路被耦合到所述CMUT并且适于提供所述超声信号的至少部分波束形成。
作为超声换能器的CMUT应用的优点是组合这两个功能的可能性：使用超声的超声处置和成像能力。所述半导体处理允许CMUT的制造连同到一个工作流程中的所述CMUT集成电路的耦合。所述集成电路还可以适于执行所述超声信号的至少部分聚焦和/或波束形成，其还可以使用在经处置的所述感兴趣区域的超声图像的重建中。
本发明的这些和其他方面将根据下文中所描述的实施例而显而易见，并且将参考下文中所描述的实施例得以阐述。
附图说明
在附图中：
图1a图示了根据本发明的原理操作的用于感兴趣区域的超声治疗的超声系统；
图1b图示了包括被布置在支撑物上的超声换能器的二维阵列的片块；
图2图示了由DC偏置电压所控制并且由射频驱动信号所驱动的CMUT单元；
图3a-3d图示了本发明的实施方式中所应用的塌陷模式CMUT操作的原理；
图4图示了塌陷模式CMUT换能器随着变化的DC偏置电压的频率响应；
图5图示了包括在两个不同的频率处操作的换能器的两个同心组的CMUT阵列的超声片块；
图6图示了根据本发明的另一实施例的超声系统的框图；
图7a-c图示了由具有可变强度的超声信号引起的横向和深度方向上的建模的组织温度概况；
图8a-c图示了由具有可变频率的超声信号引起的横向和深度方向上的建模的组织温度概况；
图9a图示了应用到感兴趣区域中的胸部的身体符合片块；并且
图9b-c图示了由通过对应地在相对较低和较高的频率处操作的换能器的两个组同时地发送的高强度超声信号引起的胸部中的建模的温度概况。
具体实施方式
图1a示意性并且示范性地示出了用于感兴趣区域12的超声治疗处置的超声系统。超声系统包括：片块14，其包括被布置在支撑物9上的超声换能器8的二维(2D)阵列。阵列中的超声换能器中的每一个适于在可以使用在HIFU处置中的可变超声频率的范围内操作。可以经由换能器控制器18在不同样式的组中激活2D阵列中的换能器。包括相同组的换能器的操作频率在组内保持相同并且与其他组的操作频率不同。在多数组织中，在超声热疗处置期间暴露时，超声波的衰减系数随着增加超声波的频率增加。因此，到针对具有相对较高的频率的超声波的感兴趣区域中的传播深度与具有相对较低的频率的波的深度相比较是更低的。本发明提供片块14和换能器控制器18，其可以同时地激活不同的频率处的换能器8，因此利用超声处置同时地寻址不同的深度处的感兴趣区域。
图1b更详细地图示了根据本发明的片块14的实施例。2D换能器阵列包括被布置在支撑物9的前面的超声换能器8。可以由电容性微机械换能器(CMUT)表示超声换能器。如下文所描述的，CMUT提供利用单个换能器发送宽频率范围内的超声波的排他性可能性。换能器的发送表面可以与覆盖有跟随有透声粘附材料6的任选的额外层的声学窗7。声学窗材料是提供从换能器到感兴趣区域中的声学能的高效耦合和传播的类型的。以下声学窗7材料可以适于基于CMUT的阵列：聚丁二烯、聚醚嵌段酰胺(PEBAX)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)。将片块14固定在身体上的指定位置的粘附材料的任选层可以由支撑物9(未示出)的后侧的条带替换。对于这两种情况而言，可以注意在换能器与身体之间不存在气腔。在超声治疗/诊断大部分时间中，超声凝胶层被应用在换能器与身体之间。对于该实施例而言，条带可以贯穿片块被应用或粘附层可以被沉积在片块的边缘处，使得其不干扰发送的声学能。此外，片块可以被耦合到冷却回路25，其适于使冷却液围绕超声阵列循环。冷却回路可以向以下两者提供冷却：超声换能器和/或与其电子电路相关联；和与片块接触的身体表面。在本实施例中，冷却回路示意性地示出以定位在CMUT阵列与感兴趣区域之间(即，在任选的粘附材料6的顶部)。CMUT阵列可以经由电气互连10被耦合到换能器控制器18，换能器控制器18可以被实施在与换能器的发送表面侧相反的支撑物9内。支撑物9可以由柔性和/或可伸缩的材料制成。备选地，可以使用例如柔性到刚性技术(B.Mimoun、V.Henneken、R.Dekker的"Flex-to-Rigid(F2R):a Novel Ultra-Flexible Technology for Smart Invasive MedicalInstruments",Mat.Res.Soc.Symp.Proc.,San Francisco,USA,2010)在单个半导体过程流中制造CMUT阵列和支撑物9。在图1a的实施例中，互连10被捆绑在将换能器阵列耦合到换能器控制器18的线缆11中。在该实施例中，控制器18被图示为分离的单元。本领域的技术人员还应当理解，换能器控制器18还可以完全地集成到被嵌入在片块14的支撑物9中的专用电路中。片块可以包括用在例如电磁跟踪中以便跟踪相对于感兴趣区域12的片块14的位置的跟踪标记5。
图2示出了具有悬置在硅衬底112上的带有其之间的间隙118的薄膜或隔膜114的CMUT单元。在该范例中，顶电极120被定位在隔膜114上并且随着膈膜移动，并且底电极被定位在衬底112的上表面上的单元的底板(floor)上。可以考虑电极120设计的其他实现，诸如电极120可以被嵌入在薄膜114中或者其可以被沉积在薄膜114上作为额外层。在该范例中，底电极122圆形地被配置并且被嵌入在衬底层112中。另外，薄膜层114相对于衬底层112的顶部面固定并且被配置并被定尺度从而定义薄膜层114与衬底层112之间的球形或圆柱形腔118。
底电极122通常对具有额外层(未示出)的其腔面对的表面绝缘。优选的绝缘层是氧化物-氮化物-氧化物(ONO)介电层或所谓的高k介电层，其形成在衬底电极122上面和薄膜电极120下面。所公开的部件可以由CMOS兼容材料(例如，Al、Ti、氮化物(例如，氮化硅)、氧化物(各种等级)、四乙基原硅酸盐(TEOS)、多晶硅等)制造。在CMOS制造中，例如，氧化物和氮化物层可以由化学气相沉积或原子层沉积形成并且金属化(电极)层由飞溅过程放下。适合的CMOS过程是LPCVD和PECVD，后者具有小于400℃的相对低的操作温度。用于产生所公开的腔118的示范性技术涉及在添加薄膜层114的顶部面之前定义薄膜层114的初始部分中的腔。可以在美国专利6328697(Fraser)中找到其他制造细节。在图2中所描绘的示范性实施例中，圆柱形腔118的直径比圆形地配置的电极板122的直径更大。尽管不要求这样的符合，但是电极120可以具有与圆形地配置的电极板122相同的外直径。因此，在本发明的示范性实施方式中，薄膜电极120相对于薄膜层114的顶部面被固定从而与下面的电极板122对齐。CMUT的电极提供设备的电容板并且间隙118是电容器的板之间的电介质。当膈膜振动时，板之间的电介质间隙的改变的尺度提供改变的电容，所述改变的电容被感测为CMUT对接收的声学回波的响应。通过利用DC偏置电路将DC偏置电压104应用到电极来控制电极之间的间距。对于声波发送而言，电极120、122由信号生成器102(S Gen)驱动，所述信号生成器的交流信号使得隔膜振动并且发送声学信号。DC偏置电压可以与具有调制声学信号的发送中的载体的交流信号的载波类似。
换能器控制器18包括信号生成器102和DC偏置电压，其提供使阵列中的CMUT的操作频率变化的可能性。换能器控制器单元18，经由信号生成器102，还可以允许使交流信号的频率、幅度和脉冲形状(正弦，例如)变化。可以通过CMUT驱动方案调节发送的声学信号的强度。例如，换能器控制器可以利用连续的正弦波交流信号驱动CMUT单元。备选地，换能器控制器利用针对指定数量的周期的给定波形(被称为爆发)来驱动CMUT。换能器控制器单元18可以利用内部计时器控制在爆发之间过去的时间量。与连续的正弦波形驱动相比较，爆发模式允许增加发送的声波的强度。
根据本发明的原理，阵列的CMUT单元可以被操作在以下模式之一中：常规模式和塌陷模式。
在操作的常规模式期间，被应用到电极120和122的DC偏置电压104保持低于阈值。该阈值可以依赖于CMUT单元的确切设计并且被定义这样的DC偏置电压：低于其，薄膜通过振动期间的VanderWaals力未卡(接触)到单元底板。因此，当偏置被设置低于阈值时，薄膜在CMUT单元的操作期间在单元板上面自由地振动。
与下文定义的塌陷模式相比较，操作的常规模式可以被表征为具有更低的频率的超声波的模式。在常规模式中，CMUT单元的中心频率与单元直径反比例地缩放。
在塌陷模式期间，DC偏置电压在大于阈值的值处操作。根据本发明，CMUT单元由DC偏置电压设置到预塌陷状态，其中，薄膜114与腔118的底板接触，如在图3a中所示。这通过将DC偏置电压应用到底电极122和(由图3中的附图标记所指示的)薄膜电极完成。在所图示的塌陷模式实施方式中，薄膜电极130被形成为环电极。其他实施方式可以将连续的盘形电极用作薄膜电极，其有利地在薄膜的中心以及外围地提供针对塌陷的下拉力。当薄膜114被偏置到其塌陷状态(如在图3a和图3b中所示)时，薄膜的中心区与腔118的底板接触。这样一来，薄膜114的中心在CMUT的操作期间不移动。相反，其是移动的薄膜114的外围区，其在腔118的剩余的开放空体上方并且在环电极下方。通过将薄膜电极130形成为环，设备的电容的上板的电荷被定位在CMUT的区上方，其在CMUT操作为换能器时呈现运动和电容振动。因此，改进CMUT换能器的耦合系数。
如已经指示的，薄膜114可以通过应用高于阈值的DC偏置电压被带到与腔118的底板的中心接触的其塌陷状态中。该阈值是单元直径、薄膜与腔底板之间的间隙和薄膜材料和厚度的函数。当电压增加时，利用电容计监测CMUT单元的电容。电容中的突然改变指示薄膜已经塌陷到腔的底板。薄膜可以向下偏置直到其仅接触如在图3a中所指示的腔的底板或者还可以如在图3b中所示向下偏置以增加超过最小接触的塌陷的塌陷(诸如塌陷到单元底板的薄膜的区增加)。
根据本发明的原理，塌陷模式CMUT的频率响应通过调节在塌陷之后应用到CMUT电极的DC偏置电压104而变化。作为结果，当更高的DC偏置被应用到电极时，CMUT单元的谐振频率增加。在图3a-3d中图示了该现象后面的原理。图3a和图3c的截面视图通过薄膜114的外支撑物与其中薄膜开始接触每个图示中的腔118的底板的点之间的距离D1和D2一维地图示了这一点。可以看到，在相对低的偏置电压被应用在塌陷之后时，距离D1是图3a中的相对长的距离，并且在较高的偏置电压被应用时，图3c中的距离D2是短得多的距离。这些距离可以与由端部保持并且然后被拨动的长和短弹簧类似。长的放松的弹簧在被拨动时将比更低的更紧的弹簧在低得多的频率处振动。类似地，图3a中的CMUT单元的谐振频率将比经历较高的DC下拉偏置电压的图3c中的CMUT单元的谐振频率更低。
现象还可以从图3a和图3b的二维图示意识到，因为其实际上是CMUT薄膜的有效操作区的函数。当薄膜114仅接触CMUT单元的底板时，如在图3a中所示，单元膜114的非接触(自由振动)部分的有效振动区A1是大的，如在图3b中所示。中心17中的小孔表示薄膜的中心接触区域。大面积薄膜将以相对低的频率振动。该区17是薄膜114的区，其塌陷到CMUT单元的底板。但是当薄膜通过较高的偏置电压被拉到较深的塌陷中时，如在图3c中，较大的中央接触区17'导致较少的自由振动区A2，如在图3d中所示。该较小的区A2将在比较大的A1区更高的频率处振动。因此，当DC偏置电压减小时，塌陷的CMUT单元的频率响应减小，并且当DC偏置电压增加时，塌陷的CMUT单元的频率响应增加。
图4图示了塌陷的CMUT的DC偏置电压的振动的变化可以如何优化针对操作的特定期望频率的换能器。附图图示了针对具有在塌陷模式中操作的90伏特的DC偏置的CMUT换能器的频率响应曲线54'，其具有7MHz周围的标称中心频率。当换能器单元利用7MHz处的信号操作时，应看到，当其正在换能器的通带的中心中操作时，7MHz周围的信号的响应曲线呈现好的灵敏度。改变电压偏置使操作频率的通带偏移，这优化给定CMUT单元的频率响应。如在图4中所图示的，70伏特的DC偏置可以被用于低频带操作(在4MHz周围)，90伏特可以被用于中频带操作(在7MHz周围)，并且120伏特被用于该范例中的高频带(在9MHz周围)操作，期望的通带52'、54'和56'在每个情况中在偏移的谐振换能器通带的中心中。
图5图示了片块，其中，换能器控制器单元18通过将分离的DC偏置电压和交流信号值应用到每个组激活换能器的两个组：G1和G2。在本实施例中，换能器的组形成阵列中的同心样式。应当理解，可以激活超过两个组。形成同心形状样式的激活的组的频率的逐渐降低允许补偿频率相关声波衰减。最内部的样式可以由组(在该范例中，第一组G1)形成，所述组被激活以具有与感兴趣区域的最近的(最短的)平均距离并且在选定的频率范围中的最大频率处操作。选定的范围(在阵列的可变频率范围内)可以经由用户控制面板38由用户输入。最外部的样式可以由组(在该范例中，第二组G2)形成，所述组被激活以具有与感兴趣区域的最远的(最大的)平均距离并且在选定的频率范围中的最小频率处操作。由于针对增加的波频率的身体中的超声波的衰减长度中的减小，因此该实施例提供被发送到感兴趣区域的声波强度中的经改进的均匀性。这允许将超声信号发送到感兴趣区域中，其具有不同的频率并且彼此空间地分离。另外，换能器控制器单元18可以控制在一个组内的样式中激活的CMUT换能器的量或强度，这给定对发送的HIFU信号的强度的额外控制。还应当注意，发送的超声波的声学功率(强度等于每区分布的功率)还可以由应用到单元的DC偏置电压控制。激活的换能器的组的量可以取决于感兴趣区域的配置(形状、尺度等)。
图7和图8图示了组的频率和强度变化对感兴趣区域中的温度深度概况(距换能器的距离)的效应。利用来自CD-Adapco的STAR-CCM+来模拟概况。模型包括Pennes样公式(对于生物热传递而言)，即，热源是由于传播的超声波的吸收，热“泄漏”是由于血液灌注(在组织上均匀获取的)，并且软组织通过其热力学性质(诸如密度、热导率、热容量)来描述。对于该特定情况，使用以下假定：感兴趣区域包括软组织，片块包括关于具有120微米的直径的CMUT单元的4×5mm的阵列。在所有模拟中，软组织通过具有针对全部组织体积的相同性质的简化模型描述。声学性质关于1.5-1.65MRayls的范围中的声阻抗和范围0(无损介质)-0.5dB/cm/MHz中的吸收在时间中保持恒定。热模型基于一般化生物热方程，其中，组织的导热率被获取0.4-0.5W/mK并且热容量2500-3500j/kg/K。血液灌注术语在有效热源(泄漏)的基础上被包括，这对应于0-0.5mL/g/min的灌注速率。
图7a中的概况64对应于该情况，其中，所有CMUT在4MHz的相同频率处操作，由阵列超声信号发送的强度是8W/cm2。可以看出，温度概况64中的主要最大值在55摄氏度处并且被定位在远离换能器的20mm的平均距离处。到6.5W/cm2的超声信号的强度下降引起具有大约49摄氏度的温度最大值并且在相同平均距离处的温度概况65。由于信号的频率仍然是相同的，因而不存在针对HIFU信号的温度深度穿透的显而易见的改变。
图7b图示了两个维度上的概况64的温度分布。水平轴对应于以毫米为单位的距换能器的距离，其中，整个概况64从零扩展到50mm，并且垂直轴对应于片块14的最大的维度，其中，指示具有箭头的5mm的标度。
利用不同的对比和从36直到54,4摄氏度的改变指示温度(温度标度根据附图在右边)，其中，温度概况中的最大值被定位在20mm的平均距离处。图7c图示了相同维度上的概况65的温度分布。如可以看到的，温度分布围绕垂直于片块表面的轴是相当对称的，并且概况最大值被定位在超声处置的相同频率的相同区域中。较低的超声强度的应用降低温度的诱导的增加，使得概况最大值处的最大温度达到49.2摄氏度。
图8a图示了与在先前的范例中相同的组织的模拟温度概况，其中，超声信号的频率是变化的。概况65'表示具有9MHz频率和8W/cm2强度的超声信号到感兴趣区域中的穿透。如可以看到的，主要温度最大值在60摄氏度处并且被定位在距换能器阵列7mm的平均距离处。将超声信号的频率向下下降到4MHz(将强度保持在相同水平处)增加其穿透深度(如从概况64'可见)并且引起在大约20mm的平均距离处的54摄氏度周围的最大温度。
图8b图示了两个维度上的概况65’的温度分布。水平轴对应于以毫米为单位的距换能器的距离，其中，整个概况65’从零扩展到50mm，并且垂直轴对应于片块14的最大的维度，其中，指示具有箭头的5mm的标度。
利用不同的对比(温度标度根据附图在右边)和从36直到60摄氏度的改变指示温度，其中，温度概况中的最大值被定位在7mm的平均距离处。图7c图示了相同维度上的概况64’的温度分布。如可以看到的，对于这两个频率的温度分布围绕垂直于片块表面的轴是相当对称的。在较低的频率情况下，概况最大值被定位更远离大约20mm距离处的换能器。温度中的诱导的增加还随着频率改变，其中，最大概况温度到达54摄氏度。因此，利用超声的频率变化，可以调节处置的穿透距离和温度两者。
图9示出了具有在尺寸(尺度)方面的3乘3毫米的超声处置片块14与具有120微米的直径的CMUT单元的胸部肿瘤200的热疗处置的本发明的特定实施方式。在该范例中，片块具有被布置在柔性支撑物上的CMUT阵列，该类型的柔性CMUT阵列可以使用已知的柔性到刚性半导体技术制造。优选地，片块14还包括粘附层材料6或条带，其提供片块与胸部形状的完全符合性，如在图9a中所示。换能器控制器18激活CMUT的两个组，其中，第一组G1具有比肿瘤与第二组G2之间的平均距离更短的与肿瘤的平均距离。这两个组同时地发送两个不同的频率处的信号，其中，第一组的频率比第二组的频率更高：第一组的频率I是5MHz，并且第二组的频率II是10MHz。片块被假定在20摄氏度处(其实际上可以通过将片块14耦合到冷却回路25来实现)，并且超声信号的强度是15W/cm2。图9b示出了通过利用由第二组发送的超声信号的加热引起的温度分布的3D模拟，并且图9c示出了通过利用由第一组发送的超声信号的加热引起的温度分布的3D模拟。由这两组发送的超声信号的组合效应是对应于定位在感兴趣区域中的肿瘤的尺度的增加的温度的定位区。
图6图示了根据本发明的另一实施例的超声系统的框图。该实施例提供患者特异性超声或消融处置，其可以针对每个特定情况(肿瘤)调谐。跟踪标记5向跟踪单元44供应片块的位置的数据，所述跟踪标记被定位在片块14上。跟踪单元44适于将关于感兴趣区域的片块的位置配准到感兴趣区域的3D医学图像中。此外，由跟踪单元所提供的感兴趣区域的配准的3D图像在样式处理器71处被处理。样式处理器识别肿瘤的尺度和其在不同的角度下到片块上的投影(从阵列换能器到肿瘤的平均距离)。基于该经处理的信息，样式处理器计算组的量、其样式、在其处2D阵列将被激活的频率和强度。该信息被供应到换能器控制器18，所述换能器控制器激活阵列中的预定义组。
跟踪单元44可以从用户控制面板38接收输入，诸如其中定位肿瘤的图像的解剖结构中的点。图形处理器36被耦合到控制面板38的输入部并且可以生成以用于与医学图像一起显示的图形交叠。这些图形交叠可以包含标准标识信息，诸如患者名字、图像的日期和时间、成像参数等。出于这些目的，图形处理器从控制面板38接收输入，诸如键入的患者名字。用户接口还可以被耦合到换能器控制器18(未示出)以控制处置流程并且提供在需要的情况下中止处置的能力。由图形处理器36所生成的图形交叠通过图像处理器30与片块中的组的定义的样式和配准的医学图像组合。图像处理器将组合的图像和患者的特定信息输出到显示器40上。图像处理器还可以将与给定热疗处置有关的所有数据存储或上载到云服务器。
3D医学图像可以是在处置之前所获得的图像或者由已知医学成像技术(诸如X射线、MRI和超声)所采集的实时图像。MRI或超声诊断技术还可以提供感兴趣区域的温度的实时测量结果。在实时引导式超声治疗的情况下，用户可以实时监测感兴趣区域中的温度分布，并且样式处理器可以执行针对经由换能器控制器18激活的组和其特性(样式、频率、强度)的实时处理更新。温度监测提供经改进的治疗控制。
本发明的超声治疗的超声系统还可以包括专用电路，所述专用电路适于执行可以通过生成任意形状的声学波束样式改进针对感兴趣区域的递送的热剂量(递送到感兴趣区域的声学能的量)的声学波束聚焦。电路还可以执行所发送和所接收的超声信号的部分或者完全波束形成的功能。与标准超声图像处理单元组合，这样的超声系统可以被用于这两者应用：热疗处置和超声成像。
尽管如4W/cm2到10W/cm2的优选的超声强度范围可以由期望的处置流程(诸如消融或热疗)确定，但是片块14中的聚焦单元的应用可以将针对处置的所需的超声强度向下降低到100mW/cm2。因此，由片块同时地发送的超声信号的强度范围可以从100mW/cm2到4W/cm2和100mW/cm2到52W/cm2变化。
通过研究附图、说明书和随附的权利要求书，本领域的技术人员在实践请求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或者步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。
单个单元或设备可以履行权利要求中记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
计算机程序可以存储/分布在诸如连同其他硬件或者作为其一部分提供的光学存储介质或固态介质的适合的介质上，而且可以以其他形式分布，诸如经由因特网或其他有线或无线电信系统分布。
权利要求中的附图标记不得被解释为对范围的限制。

Claims (13)

1.一种用于对感兴趣区域(12)进行超声治疗的超声系统，包括：
-片块(14)，其包括被布置在支撑物(9)上的多个电容性微机械超声换能器(CMUT)(8)的二维阵列，其中，当在塌陷模式中操作时，来自多个换能器的每个CMUT适于在可变的频率范围中操作，
-换能器控制器(18)，其被用于通过激活所述阵列中的所述多个换能器的至少两个组来在所述塌陷模式中操作所述阵列，以用于将超声信号发送到所述感兴趣区域中，其中，所述至少两组中的每个被布置在样式中并且在与其他组的频率不同的频率处操作，
其中，每个组的所述频率随着所述组与所述感兴趣区域之间的平均距离的增加而减小；
-跟踪单元(44)，其适于将所述片块配准到由成像设备获得的所述感兴趣区域的医学图像中，其中，所述成像设备不同于所述片块；以及
-样式处理器(71)，其适于处理所述医学图像，并且所述样式处理器被耦合到所述换能器控制器，其中，所述样式处理器还适于基于所述医学图像中的所述感兴趣区域的位置和尺度来定义所述阵列中的每个组的所述样式。
2.根据权利要求1所述的超声系统，其中，换能器控制器适于激活被布置在第一样式中并且被布置为在第一频率处操作的所述换能器的第一组；以及被布置在第二样式中并且被布置为在小于所述第一频率的第二频率处操作的所述换能器的第二组。
3.根据权利要求1所述的超声系统，其中，换能器组的所述样式形成同心形状，其中，具有最内部的样式的组适于在作为所激活的组的最大频率的第一频率处操作，并且具有最外部的样式的组适于在小于所述第一频率的第二频率处，所述第二频率是所激活的组的最小频率操作。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的超声系统，其中，所述可变的频率范围从500kHz扩展直到10MHz。
5.根据权利要求1所述的超声系统，其中，所述换能器控制器被用于激活发送具有与其他组的信号强度不同的强度的所述超声信号的所述换能器的所述至少两个组中的至少一个。
6.根据权利要求5所述的超声系统，其中，由所述组同时地发送的所述超声信号具有在以下范围中的一个中的可变强度：4W/cm2到10W/cm2、4W/cm2到50W/cm2、100mW/cm2到4W/cm2和100m W/cm2到52W/cm2。
7.根据权利要求1所述的超声系统，其中，所述片块还包括顺从于患者的身体的粘附层材料(6)，并且所述支撑物包括柔性材料。
8.根据权利要求5所述的超声系统，其中，由相同组发送的所述超声信号的所述强度由所述组与所述感兴趣区域之间的平均距离预定义。
9.根据权利要求1所述的超声系统，其中，所述片块还包括集成电路，所述集成电路被耦合到所述CMUT并且适于提供所述超声信号的至少部分波束形成。
10.一种控制片块的装置，所述片块包括被布置在支撑物上的多个电容性微机械超声换能器(CMUT)的二维阵列，其中，当在塌陷模式中操作时，来自多个换能器中的每个适于在可变的频率范围内操作，所述装置包括：
-用于通过激活所述阵列中的所述多个换能器的至少两个组来在所述塌陷模式中操作所述阵列以用于将超声信号发送到感兴趣区域中的单元，其中，所述至少两个组中的每个被布置在样式中，并且在与其他组的频率不同的频率处操作，其中，每个组的所述频率随着所述组与所述感兴趣区域之间的平均距离的增加而减小；
-用于跟踪以将所述片块配准到由成像设备获得的所述感兴趣区域的医学图像中的单元，其中，所述成像设备不同于所述片块；以及
-用于处理所述医学图像并且基于所述医学图像中的所述感兴趣区域的位置和尺度来定义所述阵列中的每个组的所述样式的单元。
11.根据权利要求10所述的装置，还包括用于改变所述至少两个组中的至少一个组的操作频率的单元。
12.根据权利要求10所述的装置，还包括用于基于所述感兴趣区域的位置和尺度来定义由相同组发送的所述超声信号的所述样式和强度的单元。
13.根据权利要求10所述的装置，其中，用于在所述塌陷模式中操作所述阵列的单元基于所述组与所述感兴趣区域之间的平均距离来定义每个组的操作频率。
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