CN109219415B - 用于诊断和治疗经颅程序的患者特定耳机 - Google Patents

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Abstract

提供了用于使用患者特定经颅耳机执行诊断或治疗经颅程序的系统、方法及装置。患者特定耳机可包括患者特定框架，其根据体积图像数据制造，以符合患者头部的一部分的解剖学曲率。患者特定框架配置为在预选位置和取向上支撑多个换能器，其可以在空间上配准到体积图像数据。该空间配准可用于控制换能器的至少一部分以将能量聚焦在预先选择的组织区域。

Description

用于诊断和治疗经颅程序的患者特定耳机
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年2月23日提交的名称为“用于诊断和治疗经颅程序的患者特定耳机”的美国临时申请第62/298873号的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本公开涉及经颅诊断和治疗程序。
背景技术
通过完整的头骨将聚焦超声应用于大脑具有很长的历史，导致了当今的临床实施。自从1980年首次成功使用单个换能器经颅成功消融动物脑组织以来，到目前为止，磁共振(MR)引导聚焦超声的多中心临床试验用于使用由超过一千个元素组成的半球形相控阵治疗特发性震颤，新的相控阵设计已被概念化，以克服以前的挑战，比如头骨畸变校正、驻波减少、颅骨加热和双频血脑屏障破坏。
发明内容
提供了用于使用患者特定经颅耳机执行诊断或治疗经颅程序的系统、方法及装置。患者特定耳机可包括患者特定框架，其根据体积图像数据制造，以符合患者头部的一部分的解剖学曲率。患者特定框架配置为在预选位置和取向上支撑多个换能器，其可以在空间上配准(register)到体积图像数据。该空间配准可用于控制换能器的至少一部分以将能量聚焦在预先选择的组织区域。
因此，在第一方面，提供了一种用于执行诊断或治疗经颅程序的系统，该系统包括：
患者特定经颅耳机，包括：
患者特定框架，其配置为符合患者头部的一部分的解剖学曲率，所述患者特定框架是基于与患者相关的体积图像数据制造的；
由所述患者特定框架支撑的多个换能器，其中，所述多个换能器支撑在相对于所述患者特定框架的预选位置和取向上；和
控制和处理硬件，其可操作地连接到所述多个换能器，其中，所述控制和处理硬件配置为：
获得换能器配准数据，其在空间上将所述多个换能器的预选位置和取向与体积图像数据配准；以及
控制所述多个换能器的至少一部分以将能量聚焦在预先选择的组织区域。
在另一方面，提供了一种制造用于诊断或治疗程序的经颅耳机的方法，该方法包括：
从患者头部的体积图像数据获得表面数据；
表征患者头部的一部分的解剖学曲率；
采用表面数据生成患者特定框架的数字模型，使得患者特定框架符合患者头部的一部分的解剖学曲率；
修改数字模型，使得患者特定框架包括多个换能器附接接口，用于在相对于患者头部的预选位置和取向上接收和支撑多个换能器；
根据数字模型制造患者特定框架；
将多个换能器固定到换能器附接接口；以及
产生换能器配准数据，其表征多个换能器相对于体积图像数据的位置和取向。
在另一方面，提供了一种用于执行诊断或治疗经颅程序的套件，该套件包括：
患者特定经颅耳机，包括：
患者特定框架，其配置为符合患者头部的一部分的解剖学曲率，所述患者特定框架是基于与患者相关的体积图像数据制造的；
由所述患者特定框架支撑的多个换能器，其中，所述多个换能器支撑在相对于所述患者特定框架的预选位置和取向上；和
换能器配准数据，其在空间上将所述多个换能器的预选位置和取向与体积图像数据配准。
通过参考以下详细描述和附图，可以实现对本公开的功能和有利方面的进一步理解。
附图说明
现在将参考附图仅通过示例的方式描述实施例，其中：
图1示出了用于执行经颅诊断和/或治疗程序的示例性患者特定耳机的横截面图示。
图2是示出制造患者特定耳机的示例方法的流程图。
图3示出了用于执行经颅诊断和/或治疗程序的系统。
图4示出了患者特定耳机的示例性实施方式，其包括多个超声模块，每个模块支撑相控阵超声换能器的子阵列。
图5A示出了示例性超声换能器模块的照片。
图5B示出了示例性患者特定耳机的照片，示出了多个超声模块，每个模块支撑相控阵超声换能器的子阵列。
图5C示出了示例性患者特定耳机的照片，示出了通过柔性电缆连接到外部驱动电路的多个超声模块。
具体实施方式
将参考下面讨论的细节描述本公开的各种实施例和方面。以下描述和附图是对本公开的说明，而不应被解释为限制本公开。
描述了许多具体细节以提供对本公开的各种实施例的透彻理解。然而，在某些情况下，没有描述众所周知的或常规的细节以便提供对本公开的实施例的简明讨论。如本文所用，术语“包括”应被解释为包含性的和开放式的，而不是排他性的。具体地，当在说明书和权利要求书中使用时，术语“包括”及其变体意味着包括指定的特征、步骤或部件。这些术语不应被解释为排除其他特征、步骤或部件的存在。
如本文所用，术语“示例性”意味着“用作示例、实例或说明”，并且不应被解释为比本文公开的其他配置更优选或更具优势。
如本文所用，术语“约”和“近似”旨在涵盖可能存在于值范围的上限和下限中的变化，比如属性、参数和尺寸的变化。除非另有说明，否则术语“约”和“近似”表示±25％或更少。
应当理解，除非另有说明，否则任何指定的范围或组都是作为单独引用范围或组的每个成员的简写方式，以及包含在其中的每个可能的子范围或子组，并且类似地，关于其中的任何子范围或子组。除非另有说明，否则本公开涉及并明确地包含子范围或子组的每个特定成员以及组合。
如本文所用，术语“大约”当与数量或参数结合使用时是指跨越所述数量或参数的大约十分之一到十倍的范围。
除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语旨在具有与本领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。除非另有说明，例如通过上下文，如本文所用，以下术语旨在具有以下含义：
如本文所用，短语“术前”是指在医疗程序之前发生或执行的动作、过程、方法、事件或步骤。如本文所定义的术前不限于外科手术，并且可以指其他类型的医疗程序，比如诊断和治疗程序。
如本文所用，短语“术中”是指在医疗程序的至少一部分期间发生或执行的动作、过程、方法、事件或步骤。如本文所定义的术中不限于外科手术，并且可以指其他类型的医疗程序，比如诊断和治疗程序。
现在参考图1，示出了用于执行经颅诊断或治疗程序的患者特定耳机100，其佩戴在患者的头部50上。患者特定耳机100包括支撑多个换能器120的患者特定框架(支撑结构)110，其符合患者头部的至少一部分的解剖学轮廓。患者特定框架110(在图1中以横截面示出)机械地支撑处于预选位置和取向的换能器120。换能器120可用于传输和/或接收能量，用于脑诊断或治疗目的或用于颅骨表面的定位。
患者特定框架110包括用于接收和支撑换能器120的多个附接接口。在图1所示的示例性实施例中，附接接口设置为换能器120放置在其中的孔(凹部)。换能器120可以根据各种不同的装置固定到患者特定框架110，比如但不限于采用附接机构(例如通过延伸到患者特定框架110中的紧固件，可选地延伸到预先形成的孔中)或粘合剂比如胶水。在图1所示的示例性实施方式中，换能器120通过导线或通过柔性印刷电路板140与电子设备远程连接。换能器120可以可拆卸地附接到患者特定框架110。
如图1所示，患者特定耳机还可包括邻近患者特定框架的内表面设置的耦合层130。耦合层130的外表面接触换能器120的远端表面，并且耦合层的内表面接触患者的头部50，从而促进患者特定框架中的换能器与患者头部之间的能量耦合。包括耦合层130以及耦合层的组成和/或几何形状可取决于换能器120的类型。例如，如果换能器120是超声换能器，则耦合层130可以是有助于传播声波并减少界面反射的声学耦合层。在一示例性实施方式中，耦合层130包括弹性膜，其保持在换能器表面和弹性膜之间的液体层，从而实现与皮肤的耦合。
虽然图1示出了其中换能器是超声换能器的示例性实施例，应当理解，换能器可以是能够发射或接收能量的任何换能器。不同类型的换能器的非限制性示例包括配置成发射和/或接收超声能量的超声换能器、磁共振线圈(射频线圈)和光学换能器，比如激光器、发光二极管以及耦合到源和/或检测器的光纤。换能器不需要都是相同的类型，并且可以选择换能器的第一部分以发射和/或检测第一类型的能量(例如超声波)，并且可以选择换能器的另一部分以发射和/或或检测第二类型的能量(例如光学或电磁波)。
在一示例性实施方式中，换能器的第一子集可以是超声换能器，并且换能器的第二子集可以是光换能器(例如与源和/或检测器光学通信的光纤)，使得患者特定耳机能够进行光声成像。
在另一示例性实施方式中，换能器的第一子集可以是超声换能器，并且换能器的第二子集可以是MRI线圈，使得该系统适合于在使用MR成像时执行同时超声和MR成像或声波处理。
在另一示例性实施方式中，换能器的第一子集可以是MRI线圈，并且换能器的第二子集可以是正电子发射检测器(PET)，使得该系统适合于执行MR和PET成像。
在另一示例性实施方式中，换能器的第一子集可以是MRI线圈，并且其中换能器的第二子集可以是正电子发射检测器(PET)，并且换能器的第三子集可以是超声换能器，使得所述系统适用于在提供超声治疗或成像的同时执行MR和PET成像。
在一些示例性实施例中，换能器的至少一部分可以是用于形成相控阵列的换能器元件(即换能器可以是相控阵换能器)。这种相控阵换能器可以在空间上布置在患者特定耳机上，以提供全相控阵列或稀疏相控阵列。
在一些示例性实施例中，相控阵换能器可被提供为多个子阵列，其中每个子阵列被机械地支撑为单独的换能器模块，使得每个换能器模块通过相应的附接接口被机械地支撑在患者特定框架110上。例如，参考图1，每个换能器120可以是容纳换能器子阵列的换能器模块，使得在空间上分布在患者特定耳机100上的子阵列分别形成不同的相控阵列，或者共同形成复合相控阵列。换能器模块及其相应的附接接口可以具有独特的形状(即它们可以分别被键入)，使得给定的换能器模块唯一地与其相应的附接接口配合。如果相控阵列由容纳相应子阵列的一组换能器模块形成，则换能器模块可以在空间上分布在患者特定框架上，以减少或最小化栅瓣的形成。
如上所述，患者特定框架符合患者头部的至少一部分的解剖学轮廓。可以基于患者头部的体积图像数据来制造这种适形框架。图2示出了用于基于与患者相关的体积图像数据来制造患者特定框架的示例性方法。在步骤200和210中，获得并处理患者头部的体积图像数据，以提供表征患者头部的一部分的解剖学曲率(例如皮肤或骨表面)的表面数据。例如，可以通过使用成像模态执行成像来获得体积数据，所述成像模态例如但不限于磁共振(MR)成像和计算机断层摄影(CT)成像。可以基于先前执行的成像过程来获得体积图像数据。
可以处理和分割体积图像数据以获得表征患者颅骨的一部分的表面的表面数据。例如，可以使用成像处理软件比如MimicsTM软件平台(Materialise，Belgium)来执行这种表面分割。这种软件使得能够创建患者头部的一部分的表面的3D模型(表面数据)。可以使用已知技术创建模型，例如使用阈值处理、区域增长和手动编辑的步骤。可以执行自动阈值处理以实现头骨的骨表面的第一近似，然后手动编辑以获得精细模型。例如使用建模软件平台比如PHANTOMTM桌面触觉设备的触觉建模可用于进一步细化模型。在美国专利第8086336号中公开了图像处理和体积图像数据分割的附加示例性方法。
随后，如步骤220所示，表面数据用于产生患者特定框架的数字模型。例如，可以采用合适的软件平台(例如软件包SurfacerTM)来基于表面数据点的点云生成模型。如步骤230所示，然后修改或细化(例如更新)模型以包括多个换能器附接接口，用于在相对于患者头部的预选位置和取向上接收和支撑多个换能器，并用于支撑换能器使得能量经颅耦合。
可以选择换能器附接接口的位置和取向，例如以形成换能器的一个或多个相控阵列。在其中子阵列由容纳相应子阵列的一组换能器模块形成的实施例中，换能器模块可以在空间上分布在患者特定框架上，以减少或最小化栅瓣的形成。
数字模型可以进一步细化以包括一个或多个附加特征，例如但不限于用于附接一个或多个基准标记的附接接口、允许当佩戴患者特定框架时外科手术进入患者头部的选定区域的孔、用于识别参考方向的标记、以及一个或多个定位特征比如外部手柄。
然后采用更新为包括换能器附接接口的数字模型来制造患者特定框架，如步骤240所示。例如，可以使用3D打印从模型制造患者特定框架。在另一示例中，该模型可用于生产适于形成患者特定框架的模具，并且随后可以使用该模具来制造患者特定框架。
在制造了患者特定框架之后，将换能器(或换能器组件或模块)固定(附接、粘附等)到患者特定框架的相应换能器附接接口，如步骤250所示。
为了使用患者特定耳机来基于术前体积图像数据执行诊断或治疗程序，可以在换能器的位置和取向与体积图像数据之间建立关系(即使得两者都可以表示在共同的参考框架内)。因此，在步骤260中，换能器的已知位置和取向(如数字模型中所规定的)相对于体积图像数据在空间上配准，从而产生表征换能器相对于体积图像数据的位置和取向的换能器配准数据。例如，这种换能器配准数据可以包括换能器的空间坐标以及在体积数据的参考系中识别它们各自取向的矢量。在另一示例性实施方式中，换能器配准数据可以包括坐标变换，用于将换能器的位置和取向从第一参考帧变换到体积图像数据的参考帧。换能器配准数据使得能够确定换能器相对于体积图像数据的位置和取向，使得能够例如确定合适的波束成形参数以脉冲换能器的一个或多个相控阵列(例如子阵列)以在患者头部内的特定位置或区域聚焦能量束。
在一些示例性实施例中，换能器的子集可以配置为朝向患者的颅骨发射能量束并且检测从颅骨反射的能量，以便于对于换能器子集中的每个换能器检测患者颅骨相对于患者特定框架的局部空间偏移。然后可以采用检测到的空间偏移来校正换能器相对于患者解剖结构(例如颅骨和/或一个或多个感兴趣的内部组织区域)的空间配准，或者基于检测到的信号执行校正，例如如美国专利第6612988号中所公开。例如，换能器的子集可以是超声换能器或者例如可操作地连接到光学相干断层摄影系统的光纤。
在另一实施例中，耳机与头部和大脑之间的配准可以通过将耳机放置在受试者头部上进行成像(例如MRI、CT、thomosynthesis或X射线)来实现，从而允许从耳机中的成像可见基准标记确定换能器位置。
图3提供了示出用于执行诊断或治疗经颅程序的系统的示例性实施方式的框图。控制和处理硬件300可选地经由换能器驱动器电子器件/电路380而可操作地连接到患者特定经颅耳机100。
控制和处理硬件300包括一个或多个处理器310(例如CPU/微处理器)、总线305、存储器315，其可以包括随机存取存储器(RAM)和/或只读存储器(ROM)、数据采集接口320、显示器325、外部储存器330、一个或多个通信接口335、电源340以及一个或多个输入/输出设备和/或接口345(例如扬声器、用户输入设备比如键盘、小键盘、鼠标、位置跟踪触控笔、位置跟踪探针、脚踏开关和/或用于捕获语音命令的麦克风)。
体积图像数据370和换能器配准数据375可以存储在外部数据库中或存储在控制和处理硬件300的存储器315或储存器330中。
跟踪系统365可以可选地用于通过检测附接到患者特定耳机100的一个或多个基准标记160来跟踪患者的位置和取向，并且可选地一个或多个医疗器械或装置也具有附接于此的基准标记。例如，可以通过采用两个跟踪相机的立体图像跟踪系统来检测从基准标记发射的无源或有源信号。换能器驱动电子器件/电路380可以包括例如但不限于Tx/Rx开关，发射和/或接收波束形成器。
控制和处理硬件300可以用包括可执行指令的程序、子程序、应用程序或模块350编程，当由一个或多个处理器310执行时，使系统执行本公开中描述的一种或多种方法。这些指令可以存储在例如存储器315和/或其他储存器中。
在所示的示例性实施例中，换能器控制模块355包括用于控制患者特定经颅耳机100的换能器的可执行指令，以基于换能器位置和取向与根据换能器配准数据375的体积图像数据的配准将能量传递到目标位置或感兴趣区域。例如，患者特定耳机100可以支撑多个相控阵换能器，并且换能器控制模块355可以控制应用的波束成形(在发送和/或接收时)以基于相控阵换能器相对于体积图像数据的已知位置和取向将一个或多个聚焦能量束传递到感兴趣区域。感兴趣区域可以由用户在术中指定(例如通过由控制和处理硬件300控制的用户界面)或根据预先建立的手术计划。
配准模块360可以可选地用于将体积图像数据370配准到与跟踪系统365相关的术中参考帧。可选的指导用户界面模块362包括用于显示用户界面的可执行指令，该用户界面示出用于图像引导的程序的空间配准的体积图像。配准模块360还可以在术中接收基于患者特定框架和患者头部之间检测到的空间偏移的空间校正信息(如上所述，其可以由距离感测换能器的子集提供)并且使用该空间校正信息以动态调整(例如校正)换能器和体积图像数据之间的配准。
尽管图3中仅示出了每个部件中的一个，任何数量的每个部件可以包括在控制和处理硬件300中。例如，计算机通常包含许多不同的数据存储介质。此外，尽管总线305描绘为所有部件之间的单个连接，但应当理解的是，总线305可以表示链接两个或更多个部件的一个或多个电路、设备或通信信道。例如，在个人计算机中，总线305通常包括或是主板。控制和处理硬件300可以包括比所示更多或更少的部件。
控制和处理硬件300可以实现为通过一个或多个通信信道或接口耦合到处理器310的一个或多个物理设备。例如，控制和处理硬件300可以使用专用集成电路(ASIC)来实现。可替代地，控制和处理硬件300可以实现为硬件和软件的组合，其中软件从存储器或通过网络连接加载到处理器中。
本公开的一些方面可以至少部分地以软件实现，当在计算系统上执行时，该软件将计算系统变换为能够执行本文公开的方法的专用计算系统。也就是说，该技术可以在计算机系统或其他数据处理系统中响应于其处理器(例如微处理器)执行，执行包含在存储器中的指令序列，比如ROM、易失性RAM、非易失性存储器、高速缓存、磁盘和光盘或远程存储设备。此外，指令可以以编译和链接版本的形式通过数据网络下载到计算设备中。可替代地，执行上述过程的逻辑可以在附加的计算机和/或机器可读介质中实现，比如作为大规模集成电路(LSI)的分立硬件部件、专用集成电路(ASIC)或固件比如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和现场可编程门阵列(FPGA)。
计算机可读介质可用于存储软件和数据，当由数据处理系统执行时，使系统执行各种方法。可执行软件和数据可以存储在各种位置，包括例如ROM、易失性RAM、非易失性存储器和/或高速缓存。该软件和/或数据的一部分可以存储在这些存储设备中的任何一个中。通常，机器可读介质包括提供(即存储和/或传输)可由机器(例如计算机、网络设备、个人数字助理、制造工具、具有一组一个或多个处理器的任何设备等)访问的形式的信息的任何机制。
计算机可读介质的示例包括但不限于可记录和不可记录类型的介质，比如易失性和非易失性存储器设备、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存设备、软盘和其他可移动磁盘、磁盘存储介质、光学存储介质(例如光盘(CD)、数字通用盘(DVD)等)等等。指令可以体现在数字和模拟通信链路中，用于电、光、声或其他形式的传播信号，比如载波、红外信号、数字信号等。如本文所用，短语“计算机可读材料”和“计算机可读存储介质”是指除了暂时传播信号本身之外的所有计算机可读介质。
患者特定耳机及相关的换能器配准数据可用于各种经颅程序，包括但不限于神经调节、神经刺激、神经成像、神经监测、聚焦超声经颅消融、温和加热(体温过高)，用于诊断或治疗目的的神经调节、神经刺激、大脑的机械激发，气泡、液滴、固体颗粒、细胞、纳米颗粒、量子点或电子电路或装置的操纵、控制、激发或感测，大脑植入物、装置、电子电路或传感器的聚焦超声经颅激发或感测以及经颅程序，其包括使用聚焦超声波破坏和打开血脑屏障，用于输送治疗或诊断剂、细胞、颗粒、液滴、气泡、电子设备、发射器、传感器或用于诊断目的的其他异物。
应当理解，尽管本公开包括与要佩戴在患者头部上的患者特定耳机有关的许多示例性实施例，但是本文公开的系统、设备和方法可以适于提供用于对身体其他部位或部分执行诊断或治疗程序的患者专用设备。可以根据其他身体区域或身体部分的体积图像数据来制造患者特定框架。例如，可以基于患者膝盖的体积图像数据来制造患者特定框架，使得患者特定框架符合患者膝盖的轮廓，用于使用由患者特定框架支撑的换能器来执行对膝盖的诊断或治疗程序。类似地，可以基于患者脊柱的体积图像数据制造患者特定框架，使得患者特定框架符合患者脊柱的轮廓，用于使用由患者特定框架支撑的换能器来执行对脊柱的诊断或治疗程序。
示例
提供以下示例以使本领域技术人员能够理解和实践本公开的实施例。它们不应被视为对本公开范围的限制，而仅仅是其说明性和代表性。
现在参照图4，示出了示例性患者特定耳机400，其中患者特定框架410(子阵列保持器)支撑多个聚焦超声相控阵换能器。该示例系统可以用于例如人或大型动物的神经调节实验或治疗。
如图4所示，超声波束420由多个换能器子阵列模块430产生，其中每个换能器子阵列模块在一个示例性实施方式中包括一组64个换能器元件，它们在半波长的中心到中心距离处间隔开，使完整的电子束转向成为可能。例如，在500kHz的超声频率下，前述示例性实施方式的模块尺寸将约为8.5mm×8.5mm，但是将与频率成反比。可以通过限制转向范围、接受一些栅瓣或者通过使阵列表面弯曲成使得它且仅将阵列聚焦引导到有限体积的组织来使用更大的中心到中心间距。每个模块可以通过柔性电路连接到64通道RF驱动板。这种子阵列模块的示例的照片如图5A所示。图5B和5C示出了在患者特定框架上组装和支撑的多个子模块的图像。
在一示例性实施方式中，前述模块可被提供为子模块440，其形成连接到刚性基座的子阵列模块430，该刚性基座将支撑模块并将其保持就位。每个子阵列模块430还可以容纳一个或多个(例如四个)PVDF宽带接收器450，以检测来自颅骨表面的反射和来自脑组织的散射。可以基于计算机模拟，基于每个患者选择这些模块的位置和数量，使得它们都形成稀疏(例如最佳)阵列，其中模块之间的距离具有合适的(例如最大的)可变性以防止栅瓣形成。
如上所述，计算机模拟采用受试者头部的体积图像数据(例如MRI或CT扫描)来获得患者头部表面的模型，并且执行换能器模块相对于患者解剖学结构的空间分布的计算。该信息可以与3D打印机一起使用以形成紧密贴合在受试者头部上的塑料支撑(框架)，例如具有用于插入子阵列的安装孔的定制头盔。子阵列可以具有独特的形状，因此它们仅装配在由计算机计划确定的位置。
在本示例性实施方式中，高频发射-接收元件也集成在子阵列组件(例如128个高频元件)中，其可用于确定颅骨与阵列的距离。如上所述，这样的距离可用于改善先前获得的体积成像数据到阵列坐标的配准，并且可以避免对额外的术中成像的需要。这些高频元件可以连续使用以跟踪任何头部运动，因此不需要侵入式针固定，如现有装置的情况。
如上面参考图1所述，可以提供弹性膜，其在模块表面和膜之间固定液体层，从而在佩戴患者特定耳机时促进与皮肤的耦合。
预期根据本示例中描述的设计制造的耳机可能能够驱动256个子阵列，从而产生超过16000个单独元件和64个模块的阵列，但是如果可以实现足够的聚焦则可能需要更少的元件。可用于传播超声波的人类颅骨盖的最大面积预计约在450和700cm2之间变化；因此，完整的阵列可能没有完全填充，并且可能替代地是稀疏的，其仍然保持高聚焦质量和增加功率要求的成本。预期这种稀疏阵列实施方式将与所有应用兼容，这些应用通常在曝光期间需要低功率(例如比如打开血脑屏障和神经调节)。
已经通过示例示出了上述具体实施例，并且应该理解，这些实施例可以容许各种修改和替代形式。应进一步理解，权利要求不旨在限于所公开的特定形式，而是覆盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。

Claims (51)

1.一种用于执行诊断或治疗经颅程序的系统，该系统包括：
患者特定经颅耳机，包括：
患者特定框架，其具有配合患者的头部的一部分的解剖学曲率的内表面，从而使得所述患者特定框架是针对患者的头部的形状定制的，所述患者特定框架是基于与患者相关的体积图像数据制造的；
由所述患者特定框架支撑的多个换能器，其中，所述多个换能器受到支撑，从而当患者在佩戴所述患者特定框架时，所述多个换能器停靠在相对于所述患者的头部的预选位置和取向上；和
控制和处理硬件，其可操作地连接到所述多个换能器，其中，所述控制和处理硬件配置为：
获得换能器配准数据，其在空间上将所述多个换能器的预选位置和取向与患者相关的体积图像数据配准；以及
控制所述多个换能器的至少一部分以将能量聚焦在预先选择的组织区域。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个换能器的至少一部分是相控阵换能器。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述相控阵换能器的至少一部分是超声换能器。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述相控阵换能器形成稀疏阵列。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述相控阵换能器的至少一部分是磁共振线圈。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个换能器的第一部分是超声换能器，并且其中，所述多个换能器的第二部分是光学换能器，使得所述系统适于执行光声检测。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个换能器的第一部分是超声换能器，并且其中，所述多个换能器的第二部分是MRI线圈，使得所述系统适于执行同时超声和MR成像或声波处理同时使用MR成像。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个换能器的第一部分是MRI线圈，并且其中，所述多个换能器的第二部分是正电子发射检测器(PET)，使得所述系统适于执行MR和PET成像。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个换能器的第一部分是MRI线圈，并且其中，所述多个换能器的第二部分是正电子发射检测器(PET)，并且所述多个换能器的第三部分是超声换能器，使得所述系统适于在递送超声治疗或成像的同时执行MR和PET成像。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，所述控制和处理硬件还配置为：
控制所述多个换能器的子集，以针对所述换能器子集的每个换能器测量患者的颅骨相对于所述患者特定框架的空间偏移；以及
采用所述空间偏移来校正所述多个换能器相对于预先选择的组织区域的空间配准。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述多个换能器的所述子集的至少一部分是超声换能器。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述多个换能器的所述子集的至少一部分是可操作地连接到光学相干断层摄影系统的光纤。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，其中，所述患者特定框架包括塑料支撑，其符合患者头部的一部分的解剖学曲率。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述塑料支撑包括形成在其中的附接接口，用于接收和固定所述多个换能器。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，每个附接接口配置为接收和支撑包括换能器子阵列的换能器模块。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，每个附接接口和每个换能器模块具有独特的形状，使得给定的换能器模块与其相应的附接接口唯一地配合。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，每个子阵列包括用于形成相控阵列的换能器元件。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，每个子阵列包括适于产生聚焦超声波束的多个超声换能器元件。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，选择所述附接接口的预选位置和取向以减少栅瓣。
20.根据权利要求17所述的系统，其中，每个换能器模块还包括至少一个成像换能器，其配置成接收来自患者颅骨的反射。
21.根据权利要求14所述的系统，其中，所述附接接口包括多个凹部，用于接收所述多个换能器。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的系统，其中，所述患者特定经颅耳机还包括耦合层，其中，所述耦合层邻近所述患者特定框架的内表面设置，使得当佩戴所述患者特定经颅耳机时，所述耦合层的外表面接触所述多个换能器的远端表面，并且所述耦合层的内表面接触患者的头部，从而促进所述患者特定框架与患者头部之间的能量耦合。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的系统，其中，所述患者特定框架还包括附接到其上的一个或多个基准标记，并且其中，所述系统还包括：
跟踪系统，其配置为检测来自所述基准标记的信号，并确定所述患者特定框架在术中参考系内的空间位置和取向；以及
导航系统，其配置为采用所述患者特定框架的所述空间位置和取向来生成和显示导航图像。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的系统，其中，所述换能器是可移除的。
25.一种制造用于诊断或治疗程序的经颅耳机的方法，该方法包括：
从患者头部的体积图像数据获得表面数据；
表征患者头部的一部分的解剖学曲率；
采用表面数据生成患者特定框架的数字模型，使得患者特定框架具有配合患者的头部的一部分的解剖学曲率的内表面，从而使得所述患者特定框架是针对患者的头部的形状定制的；
修改数字模型，使得患者特定框架包括多个换能器附接接口，用于在相对于患者头部的预选位置和取向上接收和支撑多个换能器；
根据数字模型制造患者特定框架；
将多个换能器固定到换能器附接接口；以及
产生换能器配准数据，其表征多个换能器相对于体积图像数据的位置和取向。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，制造患者特定框架包括3D打印患者特定框架。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，制造患者特定框架包括制造模具并使用所述模具来制造患者特定框架。
28.根据权利要求25所述的方法，其中，所述换能器的至少一部分是相控阵超声换能器，并且其中，选择与相控阵超声换能器相关的换能器附接接口的预选位置和取向以减少栅瓣。
29.一种用于执行诊断或治疗经颅程序的套件，该套件包括：
患者特定经颅耳机，包括：
患者特定框架，其具有配合患者的头部的一部分的解剖学曲率的内表面，从而使得所述患者特定框架是针对患者的头部的形状定制的，所述患者特定框架是基于与患者相关的体积图像数据制造的；
由所述患者特定框架支撑的多个换能器，其中，所述多个换能器受到支撑，从而当患者在佩戴所述患者特定框架时，所述多个换能器停靠在相对于所述患者的头部的预选位置和取向上；和
换能器配准数据，其在空间上将所述多个换能器的预选位置和取向与患者相关的体积图像数据配准。
30.根据权利要求29所述的套件，其中，所述多个换能器的至少一部分是相控阵换能器。
31.根据权利要求30所述的套件，其中，所述相控阵换能器的至少一部分是超声换能器。
32.根据权利要求31所述的套件，其中，所述相控阵换能器形成稀疏阵列。
33.根据权利要求30所述的套件，其中，所述相控阵换能器的至少一部分是磁共振线圈。
34.根据权利要求29所述的套件，其中，所述多个换能器的第一部分是超声换能器，并且其中，所述多个换能器的第二部分是光学换能器。
35.根据权利要求29所述的套件，其中，所述多个换能器的第一部分是超声换能器，并且其中，所述多个换能器的第二部分是MRI线圈，使得所述患者特定经颅耳机适于执行同时超声和MR成像或声波处理同时使用MR成像。
36.根据权利要求29所述的套件，其中，所述多个换能器的第一部分是MRI线圈，并且其中，所述多个换能器的第二部分是正电子发射检测器(PET)，使得所述患者特定经颅耳机适于执行MR和PET成像。
37.根据权利要求29所述的套件，其中，所述多个换能器的第一部分是MRI线圈，并且其中，所述多个换能器的第二部分是正电子发射检测器(PET)，并且所述多个换能器的第三部分是超声换能器，使得所述患者特定经颅耳机适于在递送超声治疗或成像的同时执行MR和PET成像。
38.根据权利要求29至37中任一项所述的套件，其中，所述多个换能器的子集配置为针对所述换能器子集的每个换能器测量患者的颅骨相对于所述患者特定框架的空间偏移。
39.根据权利要求38所述的套件，其中，所述多个换能器的所述子集的至少一部分是超声换能器。
40.根据权利要求38所述的套件，其中，所述多个换能器的所述子集的至少一部分是可操作地连接到光学相干断层摄影系统的光纤。
41.根据权利要求29至40中任一项所述的套件，其中，所述患者特定框架包括塑料支撑，其符合患者头部的一部分的解剖学曲率。
42.根据权利要求41所述的套件，其中，所述塑料支撑包括形成在其中的附接接口，用于接收和固定所述多个换能器。
43.根据权利要求42所述的套件，其中，每个附接接口配置为接收和支撑包括换能器子阵列的换能器模块。
44.根据权利要求43所述的套件，其中，每个附接接口和每个换能器模块具有独特的形状，使得给定的换能器模块与其相应的附接接口唯一地配合。
45.根据权利要求43所述的套件，其中，每个子阵列包括用于形成相控阵列的换能器元件。
46.根据权利要求43所述的套件，其中，每个子阵列包括适于产生聚焦超声波束的多个超声换能器元件。
47.根据权利要求46所述的套件，其中，选择所述附接接口的预选位置和取向以减少栅瓣。
48.根据权利要求46所述的套件，其中，每个换能器模块还包括至少一个成像换能器，其配置成接收来自患者颅骨的反射。
49.根据权利要求42所述的套件，其中，所述附接接口包括多个凹部，用于接收所述多个换能器。
50.根据权利要求29至49中任一项所述的套件，其中，所述患者特定框架还包括附接到其上的一个或多个基准标记。
51.根据权利要求29至50中任一项所述的套件，其中，所述换能器是可移除的。
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