CN110177599B - 加热靶区域的系统 - Google Patents

Abstract

用于基本均匀地加热靶区域的各种方法包括在超声波超声处理过程期间识别靶区域和/或靶区域的周围区域中的一个或多个热点的一个或多个位置；至少部分地基于所识别的热点的位置来计算至少一个换能器元件的输出参数的时间变化；以及操作所述至少一个换能器元件以实现输出参数的时间变化，从而最小化热点。

Description

加热靶区域的系统

技术领域

本发明的领域一般涉及热能治疗系统，更具体地说，涉及克服通过非均匀组织(例如颅骨)传播的声场中的不均匀性的系统和方法。

背景技术

治疗癌症患者通常涉及将热能施加到组织或组织界面。例如，肿瘤控制-即减小肿瘤的大小和/或生长速率-可以通过局部加热，从而凝固或消融肿瘤组织来实现。热量也可用于减轻肿瘤区域附近的疼痛。特别地，骨痛缓解通常通过将邻近肿瘤的骨表面的温度升高到消融该区域中的神经的水平来实现。

通常采用的热治疗方法是将超声(即，频率大于约20kHz的声波)聚焦到待治疗的(“靶”)组织中。聚焦超声方法可以利用例如压电陶瓷换能器，其置于患者体外但紧邻靶标。换能器将电子驱动信号转换成机械振动，产生声波的发射(下文称为“超声处理(sonication)”的过程)。换能器可以成形为使得波会聚在聚焦区域中。可选地或另外地，换能器可以由多个单独驱动的换能器元件限定，其相位(和可选地，幅度)可以各自彼此独立地控制，并且因此可以设置为使得产生聚焦区域中的各个声波的相长干涉。这种“相控阵”换能器有助于通过调节换能器之间的相对相位将聚焦区域引导到不同的位置。磁共振成像(MRI)可用于使焦点和靶可视化，以便引导超声波束并潜在地改善超声聚焦。

当利用超声波向组织施加热能时，重要的是均匀地加热靶区域，即，在聚焦区域中产生均匀的温度分布。否则，不均匀温度分布的局部“热点”会导致计划外靶的加热，并且在超声处理的目标(例如，表面区域的疼痛缓解或肿瘤消融)完成之前，导致显著的、有时难以忍受的疼痛，治疗可能需要突然停止。然而，均匀加热通常难以实现。例如，换能器阵列相对于靶的放置的生理限制可能需要波束控制，这反过来可能会使超声波传播方向完全不是垂直于组织界面、更高阶的波束模式或细长的焦点，所有的这些都会对波束的均匀性产生不利影响。

另外，位于换能器阵列和靶区域之间的中介组织的不均匀性可能使超声波束失真并在除预期聚焦区域之外的位置处产生一个或多个热点。如上所述，这些热点可能导致不希望的加热、患者疼痛和/或可能导致非靶组织坏死；即使在靶组织内，热点也可能由于例如在靶区域外引起组织坏死而成为问题。因为每个换能器由有限数量的元件组成，所以用于改变元件之间的相位的离散相位变化也可以有助于产生次级热点。

因此，需要能够在不显著降低靶区域处的超声强度的情况下减少靶区域和非靶区域中的不期望的热点的系统和方法。

发明内容

本发明的实施例最小化靶区域和/或非靶区域处的不期望的局部热点，通过首先识别其位置并基于所识别的位置调整换能器阵列的参数以最小化热点。(术语“热点”在本文中用于表示超声能量的集中区域，在其中超声能量将出现热点的组织的温度升高到临床上不可接受的水平。)可以使用模拟超声场畸变的物理模型来预测不期望的热点的位置，所述畸变由于例如穿过不均匀中介组织的波束、换能器几何形状和/或声场设计(例如，用于重新聚焦目的)而产生。或者，可以使用温度敏感装置(例如，磁共振成像(MRI)装置)测量热点位置。在一个实施例中，表征靶和/或周围组织的材料特征的组织模型用于识别靠近热点的预期位置的一个或多个区域，并且比热点的预期位置处的组织具有更低的热敏感性和/或耐受更高的热能。然后，物理模型可以反向计算与至少一个换能器元件相关联的所需频率，以在所识别的低热敏和/或高热能容忍区域产生热点。响应于物理模型(和一些实施例中的组织模型)，换能器元件的控制器可以基于计算的频率调节换能器元件的频率。在各种实施例中，换能器元件的控制器确定换能器频率的动态变化模式，使得热点位置在其预期位置与所识别的低热敏和/或高热能容忍区域之间移位，以避免任何组织损伤。或者，换能器元件的控制器可随机改变换能器元件的频率。随着发射波的频率变化，热点的位置可能变化；这将来自预测的热点位置的超声能量分散到几个其它位置，从而使得到的温度分布均匀，同时在靶处保持足够高的温度。

可选地或另外地，物理模型可以调整其它换能器参数的值以控制热点。例如，基于热点的预期位置，物理模型可以通过改变与至少一些换能器元件相关联的强度(幅度)来模拟对热点中的最大强度与靶内聚焦区域中的最大强度的强度比的影响。基于模拟的影响，可以调节一些换能器元件的波强度以降低强度比，从而降低不期望的热点处的温度，同时使靶处的温度最大化。

还可以通过选择性地激活和禁用至少一些换能器元件来实现对热点的补偿。例如，换能器阵列可以分成多个子区域；激活不同的子区域可以在靶区域处产生共同的聚焦区域，所述靶区域在聚焦区域内部和/或外部的各个位置处具有不期望的热点。在一些实施例中，换能器元件的每个子区域被选择性地激活和禁用，以便改变热点的位置。这再次产生了从相对较少数量的热点位置到较大数量的热点位置的能量分散，从而改善了所得温度分布的均匀性。

在其它实施例中，波束成形用于通过控制发射的超声波的干涉图案来补偿热点。例如，调整与每个换能器元件相关联的时间延迟(或者可选地描述为相位)可以产生各种干涉图案；每个干涉图案在不同的位置处可以具有分别对应于热点的波放大。因此，动态地改变与换能器元件的至少其中一些相关联的时间延迟(或相位)也可以在空间上分布这些热点，从而暂时减少热点，以便改善温度分布的均匀性。

因此，在一个方面，本发明涉及使用具有多个换能器元件的超声换能器加热靶区域的方法。在各种实施例中，所述方法包括在超声波超声处理过程期间识别靶区域和/或靶区域周围的区域中具有高于预定义可接受水平的时间平均能量密度的一个或多个热点的一个或多个位置；至少部分地基于所识别的热点的位置，计算一个或多个换能器元件的将降低热点的时间平均能量密度到预定的可接受水平的输出参数(例如，频率、幅度、相位和/或时间延迟)的时间变化；以及操作换能器元件以达到输出参数的时间变化。在一个实施方式中，时间变化在靶区域中产生基本均匀的温度分布。

所述方法还可以包括获取靶区域和/或周围区域的成像数据(例如，ARFI数据)。可以基于所获取的成像数据来确定靶区域和/或周围区域中的温度分布。另外，可以基于温度分布来识别热点的位置。在各种实施例中，基于所获取的成像数据确定靶区域和/或周围区域中的声场分布。另外，可以基于声场分布来识别热点的位置。在一些实施例中，基于所获取的成像数据，使用预测模型生成靶区域和周围区域中的预测温度分布；可以基于预测的温度分布来识别热点的位置。

可以至少部分地基于预测模型来识别热点的位置。时间变化可以是连续的，或者可以包括超声波超声处理过程期间的离散步骤。

在另一方面，本发明涉及一种使用具有多个换能器元件的超声换能器加热靶区域的方法。在各种实施例中，所述方法包括将超声换能器分成多个子区域，每个子区域具有多个换能器元件；在超声波超声处理过程期间识别靶区域和/或靶区域周围的区域中能量密度高于预定可接受水平的一个或多个热点的一个或多个位置；至少部分地基于所识别的热点的位置，计算每个子区域的将降低热点的能量密度到预定的可接受水平的激活和禁用模式；并且至少部分地基于激活和禁用模式来操作换能器元件的每个子区域。在一个实施方式中，激活和禁用模式在靶区域中产生基本均匀的温度分布。

所述方法还可以包括获取靶区域和/或周围区域的成像数据(例如，ARFI数据)。可以基于所获取的成像数据来确定靶区域和/或周围区域中的温度分布。另外，可以基于温度分布来识别热点的位置。在各种实施例中，基于所获取的成像数据确定靶区域和/或周围区域中的声场分布。另外，可以基于声场分布来识别热点的位置。在一些实施例中，基于所获取的成像数据，使用预测模型生成靶区域和周围区域中的预测温度分布；可以基于预测的温度分布来识别热点的位置。另外，可以至少部分地基于预测模型来识别热点的位置。

本发明的另一方面涉及一种用于加热靶区域的系统。在各种实施例中，所述系统包括具有多个换能器元件和一控制器的超声换能器，所述控制器配置为：(a)在超声波超声处理过程期间识别靶区域和/或靶区域周围的区域中具有高于预定的可接受水平的时间平均能量密度的一个或多个热点的一个或多个位置；(b)至少部分地基于所识别的热点的位置，计算一个或多个换能器元件的将降低热点的时间平均能量密度到预定的可接受水平的输出参数的时间变化；以及操作换能器元件以达到输出参数的时间变化。在一个实施方式中，时间变化在靶区域中产生基本均匀的温度分布。

所述系统还可以包括连接到所述控制器的成像器(例如，ARFI设备)，用于获取靶区域和/或周围区域的成像数据。所述控制器还可以配置为基于成像数据确定靶区域和/或周围区域中的温度分布，并基于温度分布识别热点的位置。在各种实施例中，所述控制器还配置为基于成像数据确定靶区域和/或周围区域中的声场分布，并基于声场分布识别热点的位置。在一些实施例中，所述控制器还配置为基于成像数据和物理模型在靶区域和周围区域中生成预测的温度分布，并基于所述预测的温度分布识别热点的位置。

另外，所述控制器还可以配置为至少部分地基于预测模型来识别热点的位置。在一些实施例中，所述输出参数包括驱动换能器元件的信号的频率、幅度、相位和/或时间延迟。在一个实施例中，所述控制器还配置为基于时间变化连续地改变输出参数。在另一个实施例中，所述控制器还配置为基于时间变化以离散步骤改变换能器元件的输出参数。

在又另一方面，本发明涉及一种用于加热靶区域的系统。在各种实施例中，所述系统包括具有多个换能器元件和一控制器的超声换能器，所述控制器配置为：(a)将超声换能器分成多个子区域，每个子区域具有多个换能器元件；(b)在超声波超声处理过程期间识别靶区域和/或靶区域周围的区域中能量密度高于预定可接受水平的一个或多个热点的一个或多个位置；(c)至少部分地基于所识别的热点的位置，计算每个子区域的将降低热点的能量密度到预定的可接受水平的激活和禁用模式；并且(d)至少部分地基于激活和禁用模式来操作换能器元件的每个子区域。在一个实施方式中，激活和禁用模式在靶区域中产生基本均匀的温度分布。

所述系统还可以包括连接到所述控制器的成像器(例如，ARFI设备)，用于获取靶区域和/或周围区域的成像数据。所述控制器还可以配置为基于成像数据确定靶区域和/或周围区域中的温度分布，并基于温度分布识别热点的位置。在各种实施例中，所述控制器还配置为基于成像数据确定靶区域和/或周围区域中的声场分布，并基于声场分布识别热点的位置。在一些实施例中，所述控制器还配置为基于成像数据和物理模型在靶区域和周围区域中生成预测的温度分布，并基于所述预测的温度分布识别热点的位置。另外，所述控制器还可以配置为至少部分地基于预测模型来识别热点的位置。

如本文所用，术语“基本上”是指±10％，在一些实施例中，±5％。说明书中提及的“一个示例”、“示例”、“一个实施例”或“一实施例”表示与描述该实例有关的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实例中。因此，本说明书中在各个地方出现的短语“在一个示例中”、“在示例中”、“一个实施例”或“实施例”不一定都指代相同的示例。此外，特定特征、结构、程序、步骤或特性可以以任何合适的方式组合在本技术的一个或多个示例中。本文提供的标题仅是为了方便，并不旨在限制或解释所要求保护的技术的范围或含义。

附图说明

在附图中，相同的附图标记在不同视图中通常指代相同的部分。而且，附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在以下描述中，参考以下附图描述本发明的各种实施例，其中：

图1示出了根据各种实施例的聚焦超声系统；

图2示意性地描绘了根据各种实施例的示例性MRI系统；

图3A示意性地示出了根据各种实施例的在聚焦和/或非聚焦区域中产生的热点；

图3B示意性地示出了根据各种实施例的用于预测热点位置的物理模型；

图4A-4E描绘了根据各种实施例的调整超声系统的操作以补偿热点的各种方法；

图5为示出根据各种实施例的用于在聚焦超声过程期间最小化靶组织和周围组织中的热点的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了用于通过颅骨将超声聚焦到患者大脑上的示例性超声治疗系统100。然而，本领域普通技术人员将理解，本文描述的超声系统100可以应用于人体的任何部分。在各种实施例中，系统100包括换能器元件104的相控阵列102、驱动相控阵列102的波束形成器106、与波束形成器106通信的控制器108，以及向波束形成器106提供输入电子信号的频率发生器110。在各种实施例中，所述系统还包括成像器112，例如磁共振成像(MRI)设备、计算机断层摄影(CT)设备、正电子发射断层摄影(PET)设备、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)设备或超声波扫描设备，用于确定患者116的颅骨114的解剖学特征。

阵列102可以具有适合于将其放置在颅骨114的表面上或除颅骨之外的身体部分上的弯曲(例如，球形或抛物线形)形状，或者可以包括一个或多个平面或其它形状的部分。其尺寸可根据应用在毫米和数十厘米之间变化。阵列102的换能器元件104可以是压电陶瓷元件，并且可以安装在任何适于阻尼元件104之间的机械连接的材料中。也可以使用压电复合材料，或通常任何能够将电能转换成声能的材料。为了确保向换能器元件104传递最大的功率，元件104可以配置为在电力方面与输入阻抗匹配。

换能器阵列102连接到波束形成器106，波束形成器106驱动各个换能器元件104，使得它们在靶区域117处共同产生聚焦的超声波束或场。对于n个换能器元件，波束形成器106可以包含n个驱动器电路，每个电路包括放大器118和相位延迟电路120或者由放大器118和相位延迟电路120组成；驱动电路驱动换能器元件104中的一个。波束形成器106从频率发生器110接收射频(RF)输入信号，通常在0.1MHz至5.0MHz的范围内。对于波束形成器106的n个放大器118和延迟电路120，输入信号可以分成n个通道。在一些实施例中，频率发生器110与波束形成器106集成在一起。射频发生器110和波束形成器106配置为以相同的频率但以不同的相位和/或不同的幅度驱动换能器阵列102的各个换能器元件104。

所述波束形成器106施加的放大或衰减因子α₁-α_n和相移a₁-a_n用于通过患者的颅骨114发送和聚焦超声波能量到患者大脑的选定区域，并考虑颅骨114和软脑组织中引起的波失真。使用控制器108计算放大因子和相移，控制器108可以通过软件、硬件、固件、硬接线或其任何组合来提供计算功能。例如，控制器108可以利用以常规方式用软件编程的通用或专用数字数据处理器，且无需过多的实验，以便确定获得所需焦点或任何其它所需空间场模式所需的相移和放大因子。在某些实施例中，计算是基于关于颅骨114的特征(例如，结构、厚度、密度等)的详细信息以及它们对声能传播的已知影响。这样的信息可以从成像器112获得，如以下进一步所述。图像采集可以是三维的，或者，成像器112可以提供一组适合于重建颅骨114的三维图像的二维图像，从中可以推断出厚度和密度。传统的图像处理功能可以在成像器112中、在控制器108中或在单独的设备中实施。

可以在本发明的范围内以各种方式对系统100进行修改。例如，对于诊断应用，系统还可以包括检测器设备122，其测量发射或反射的超声波，并且可以将其接收的信号提供给控制器108以进行进一步处理。反射和传输信号还可以用作波束形成器106的相位和幅度调整的反馈。系统100可以包含定位器，用于相对于患者的颅骨114布置换能器元件104的阵列102。为了将超声治疗应用于除脑之外的身体部位，换能器阵列102可采用不同的(例如，圆柱形、扁平等)形状。在一些实施例中，换能器元件104可移动地且可旋转地安装，提供可利用的机械自由度以改善聚焦特性。这种可移动的换能器可以通过传统致动器进行调节，传统致动器可以由控制器108的部件或单独的机械控制器驱动。

在各种实施例中，成像器112为MRI设备。参照图2，MRI设备200可包括圆柱形电磁体204，其在电磁体204的孔206内产生必需的静磁场。在医疗过程期间，患者位于可移动支撑托架208上的孔206内。患者体内的感兴趣区域210(例如，患者的头部)可以定位在成像区域212内，其中电磁体204产生基本上均匀的场。一组圆柱形磁场梯度线圈213也可以设置在孔206内并围绕患者。梯度线圈213在预定时间和三个相互正交的方向上产生预定幅度的磁场梯度。利用场梯度，不同的空间位置可以与不同的进动频率相关联，从而给MR图像提供其空间分辨率。围绕成像区域212的RF发射器线圈214将RF脉冲发射到成像区域212中，并接收从感兴趣区域210发射的MR响应信号。(或者，可以使用单独的MR发射器和接收器线圈。)

MRI设备200通常包括MRI控制器216，其控制脉冲序列，即磁场梯度和RF激励脉冲和响应检测周期的相对定时和强度。MRI控制器216可以与换能器控制器108组合成集成系统控制设施。

使用图像处理系统将MR响应信号放大、调节并数字化为原始数据，并通过本领域普通技术人员已知的方法进一步转换成图像数据阵列。图像处理系统可以是MRI控制器216的一部分，或者可以是与MRI控制器216和/或换能器控制器108通信的单独设备(例如，包含图像处理软件的通用计算机)。因为响应信号是与组织和温度有关的，所以它有助于识别图像中的治疗靶区域117，以及从图像计算温度图。此外，可以使用例如热MRI或基于MR的声辐射力成像来实时监测由超声应用产生的声场。因此，使用MRI数据，可以驱动超声换能器102，以便在监测靶组织和周围组织的温度和/或声场强度的同时将超声聚焦到治疗区域117中(或附近)。

参照图3A，在聚焦超声过程期间，激活换能器元件104以发射波，所述波在对应于靶组织区域304(或在其内)的聚焦区域302处共同会聚成一焦点。聚焦区域302中的能量密度(强度)可以是均匀的，也可以不是均匀的。例如，可能出现一个或多个“热点”306；聚焦区域302中的热点306会引起过热和患者的显著疼痛。另外，由于组织不均匀性，在聚焦区域302之外的位置处可能存在热点306。例如，热点306可以出现在“近场”中，即换能器阵列102和聚焦区域302之间的区域308，以及“远场”中，即聚焦区域302之外的区域310。这些热点可能导致近场和/或远场中非靶向组织的不希望的坏死。

为了最小化聚焦和/或非聚焦区域中的不期望的热点306，在各种实施例中，成像器112(诸如MRI设备200)监测靶组织和周围组织中的温度分布和/或声场强度分布；基于所监测的信息，能够识别热点的位置。在一个实施方式中，基于所识别的热点位置，可以调整换能器参数(诸如换能器元件104的频率、幅度和/或相位以及超声处理时间)，如下面进一步描述的，以最小化热点306，从而在聚焦区域和/或非聚焦区域中实现基本均匀的温度分布。如本文所用，预定体积中的“基本均匀的”或“均匀的”温度分布意味着预定均匀体积内的点之间的最大温差小于设定体积中的平均温度的20％，优选地小于10％，更优选地小于5％。

参照图3B，在各种实施例中，预测物理模型330用于在激活换能器之前预测热点的位置。预测模型可以在控制器108中或在系统100内或与系统100通信的另一计算实体(包括合适的处理器和存储器)中实施，并且可以利用使用成像器112获取的信息。例如，MRI设备200可以在形成热点之前在聚焦超声过程的前几次超声处理期间监测近场中的温度和/或声场强度分布。基于该信息，物理模型330可以预测近场中的热点的预期位置以及将预测扩展到聚焦区域和/或远场。在一个实施例中，物理模型330利用至少一个描述组织中的温度变化和/或加热过程的微分(或积分)方程，考虑到例如通过热传导或血液灌注的热传递、代谢热产生和/或吸收施加到组织的能量-例如，众所周知的Pennes生物热传递方程。可以在数字上(或者，在某些情况下，分析地)直接解决由适当的初始和/或边界条件(例如，治疗开始时的已知温度曲线，或感兴趣区域的边界处的固定温度)补充的微分方程，以模拟感兴趣区域中的温度变化和加热过程，从而根据时间和/或空间(或在一个或多个选定的时间和空间的离散点)预测温度。模型参数的不确定性，例如组织和血流参数以及不同组织中的声速，通常会导致预测不准确。在一些实施例中，通过基于温度预测与在连续超声处理中测量的温度分布的比较来调整模型参数来减少这些不确定性，例如，使用估计理论或回归来最小化差异。

物理模型330不一定需要在生物物理学上模拟组织中的温度变化和/或加热过程。而是，在一些实施例中，物理模型330利用具有可调系数的分析温度曲线(例如，多项式或其它函数的组合)。在从成像器112获取近场中的测量温度和/或声场强度分布后，调整模型系数以使曲线与测量拟合，即，使测量温度和预测温度之间的误差最小。

应当强调的是，在聚焦超声过程期间获取关于温度和/或声场强度分布的信息可能不是预测热点位置所必需的。在各种实施例中，物理模型330基于存储的关于换能器元件104的几何形状及其相对于靶区域304的位置和取向以及将从元件104传输的超声波的幅度、频率和相位的信息来预测聚焦和非聚焦区域中的温度分布。另外，物理模型330可以考虑由例如电阻抗与假定/测量值的偏差或换能器元件104在制造、使用和修理和/或由于元件104受热而变形期间从其预期位置移动或移位而导致的换能器输出误差(在335处示出)。例如，在美国专利No.7,535,794中提供了确定换能器输出误差的方法，其内容通过引用并入本文。

此外，物理模型330可以利用参数，例如沿着波束路径的材料特性(例如，以所采用频率或声速的组织的能量吸收)。可以使用如上所述的成像器112和/或其它合适的设备来收集材料特性。例如，如果靶周围和由超声波穿过的组织是患者的颅骨，CT成像可用于提取颅骨的解剖学特征(例如颅骨厚度、颅骨层、局部骨密度和/或方向或几何特征，包括相对于表面区域或近似曲率的法线)。例如，在美国专利公开No.2010/0179425中描述了创建颅骨区域216的局部几何模型或映射的方法，其全部公开内容通过引用并入本文。此外，可以使用可在颅骨的微观结构水平量化的指标来表征颅骨的结构不均匀性；所述指标基于在使用成像器112获取的图像中测量的颅骨密度来确定。在美国专利公开No.2016/0184026中描述了合适的方法，其全部公开内容通过引用并入本文。

物理模型330可以分析通过各种颅骨区域的声学路径，执行热模拟以估计不同颅骨区域如何反射和/或吸收不同量的能量并且具有不同的加热曲线，并且预测聚焦区域的位置、聚焦区域和非聚焦区域的温度分布以及热点306的位置。

在识别出热点306的预期位置之后(通过物理模型330的测量和/或预测)，可以利用各种方法来补偿或最小化热点。例如，表征靶和/或周围组织的材料特征的组织模型340可以用于识别在预期的热点位置附近具有较低热敏感性和/或在预期的热点位置附近相对于其它组织能够容忍较高热能的一个或多个区域。组织模型340可以采用对应于表示靶和周围组织的体素的三维细胞表的形式；细胞的值表示与热点管理相关的组织特征，例如耐热性。通过成像器112以断层摄影获得体素，并且可以通过常规组织分析软件自动确定每个体素表示的组织类型。使用所确定的组织类型和组织参数(例如，通过组织类型的耐热性)的查找表，填充组织模型340的细胞。关于识别各种组织的热敏感性和/或热能耐受性的组织模型的创建的进一步细节可以在美国专利公开No.2012/0029396中获得，其全部公开内容通过引用并入本文。

在各种实施例中，通过使用与换能器阵列102集成的冷却系统(例如，热交换器)342主动冷却组织来实现对热的更高的组织耐受性。集成的冷却系统342可以包括与热交换器(或源)接触的可接近组织界面(通常是可从身体外部接近的皮肤或腔)，优选地位于待冷却(或加热)的组织附近。热交换器可以例如采用与其要冷却的表面一致的球囊的形式，或者采用浸入与身体表面接触的水中的固定形状。例如，可以通过冷却剂通过热交换器的流速或通过冷却剂的温度来控制冷却速率。冷却系统还可以由固体导热部件提供，例如与皮肤接触放置且其温度可以电子控制的双金属板或条带。冷却元件342可以手动或自动控制。

一旦在组织模型340中识别出耐受相对高温的组织区域，物理模型可以反向计算与至少一个换能器元件相关联的所需频率，使得热点将出现在这些组织内。该反向计算是可能的，因为可以通过改变第一超声波的频率来改变第一超声波与其它超声波的干涉图案；并且改变干涉图案会改变热点出现的位置。例如，参照图4A，当从换能器元件104发射的超声波具有相同的频率f_o,时，基于如上所述的测量和/或模型预测，可以预期热点的位置出现在位置402-408处。通过将换能器元件410的频率从f_o调整到f₁，可以预期热点出现在不同的位置412-418处；类似地，改变换能器元件420的频率可以使热点移动到其它位置422-428。热点位置的移动可以减少在特定点(热点)处吸收的能量。因此，在各种实施例中，物理模型330基于识别的重新分布位置412-418、422-428反向计算与换能器元件410、420相关联的动态变化的频率，所述重新分布位置可具有较低的热敏感度和/或可耐受高热量，因此，能够引起热点的移动，从而减少在特定热点处的累积能量(因此温度升高)。因此，该方法通过在几个热点上平均能量或将热点引导到具有低热敏感性和/或高热能耐受性的区域来最小化靶区域和/或非靶区域处的组织损伤。

如所指出的，换能器控制器108可以实现物理模型330和/或组织模型340，或者可以替代地响应于物理模型并且根据需要解决组织模型。在任何情况下，换能器控制器108不仅可以计算在位置412-418、422-428处产生热点的超声频率(或多个频率)，而且还可以随时间动态地改变该频率(或多个频率)。以这种方式，换能器控制器108使热点的位置在预期位置之间来回移动。这代表另一个适应靶组织内和周围组织的特征的控制因素，确保热点不会在任何一个位置持续一段时间而将导致对任何组织临床上的不利影响。因此，特定热点处的累积能量(和所产生的温度升高)减小，这是因为在预定时间间隔内热点可能在不同位置之间跳跃。

或者，换能器控制器108可随机改变换能器元件的频率。这可能导致热点出现在各个位置-即，从位置402-408到位置412-418，然后到位置422-428。在该实施例中，重新分布的热点位置412-418、422-428中的组织不一定具有比预期热点位置402-408处的组织更低的热敏感性和/或耐受更高的热能，但是它们优选地相互之间不同且与测量/预测的热点位置402-408不同。超声频率的时间调整可以将超声能量从相对较少数量的热点位置402-408分散到更大数量的热点位置402-408、412-418和422-428。该方法可以通过在多个点之间分散能量来减少特定热点处的能量积累。与换能器元件相关的频率可以离散地或连续地变化。另外，它们可以在聚焦超声过程的超声处理期间周期性地变化。

聚焦区302的位置可能由于改变发射波的频率而改变。在一些实施例中，提供给换能器元件104的驱动信号的相位和/或幅度与频率同时调节，以便将焦点保持在靶组织区域304。再一次，相位和/或幅度的调整可以使用物理模型来确定。

附加地或替代地，物理模型330可以调整(或引起调整)与换能器元件104相关联的其它参数值以考虑热点。例如，参照图4B，物理模型330可以基于在至少一些换能器元件104的输出强度中的模拟变化模拟对在热点430中的最大强度I₁与在聚焦区302的最大强度I₂的比率的影响。基于模拟的影响，可以调节一些换能器元件104的波强度和/或波相位，以便降低计算的强度比，从而减小由热点引起的温度不均匀性的影响。例如，物理模型330可以探索由在维持焦点处的最小强度的需要约束的换能器强度的可能变化的空间。使用单纯型算法或其它传统的线性编程技术，这种约束使得模拟在计算上易于处理，并保证将找到或不可能找到解决方案。

在其它实施例中，参照图4C，物理模型330估计在穿过周围组织后由每个换能器元件104贡献的聚焦区302处的声能。附加地或替代地，可以使用例如声辐射力脉冲(ARFI)成像来测量来自元件104的能量贡献。如果来自聚焦区域处的换能器元件440的贡献低于阈值，则将是由于由围绕靶304的横穿组织从元件440发射的能量的过度反射和/或吸收；该反射和/或吸收能量可能导致热点442。因此，在一个实施方式中，可以减小从在聚焦区域302处的能量贡献低于阈值的换能器元件104发射的波的强度，以降低产生中间热点的可能性。

在各种实施例中，波束成形用于减少或消除热点，或动态地使热点移位，使得平均能量保持低于临床可接受的最大值(相对于波束路径中的组织的耐热性，如上所述)；特别地，波束成形用于控制发射的超声波的干涉图案。例如，可以调整与一些换能器元件相关联的时间延迟以生成时变干涉图案。再一次，因为每个干涉图案可以在不同位置处具有波放大(例如，足够大以能够作为热点)，所以动态地改变与至少一些换能器元件相关联的时间延迟可以将不期望的热点的能量重新分布到各个位置。例如，参照图4D，当从两个换能器元件发射的超声波450、452在它们之间具有时间延迟d₁时，热点的位置可以出现在位置454、456处。通过将时间延迟从d₁调整到d₂，热点的位置出现在不同的位置458、460。因此，将热点分布到各个位置可以使得到的温度分布均匀。

还可以通过选择性地激活和禁用至少一些换能器元件来实现对热点的补偿。参照图4E，在各种实施例中，换能器阵列102被分成多个子区域470-478；每个子区域包括换能器元件104的一维或二维阵列(即，行或矩阵)。子区域470-478可以是可单独控制的，即，它们每个都能够以与其它子区域470-478的幅度、频率和/或相位无关的幅度、频率和/或相位发射超声波。在一个实施例中，一次一个地选择性地激活和禁用子区域470-478，以将超声波发送到靶区域；每个子区域可以如物理模型所确定的分配彼此不同的幅度、频率和/或相位。如图4E所示，子区域470的激活可以产生在靶区域304处的聚焦区域302和在位置482、484处的不期望的热点；而另一个子区域474的激活可以产生在相同的聚焦区域302处的聚焦波束，但是在不同于位置482、484的位置486、488处具有不期望的热点。因此，不同子区域的激活可以产生在靶区域304处的共同的聚焦区域302，但是在周围组织中的不同位置482-488处具有不期望的热点。因此，通过选择性地激活和禁用换能器元件104的不同子区域470-478，热点可以分布在各个位置之间，使得它们不会在任何一个位置持续一段时间而将导致在非靶组织上的临床上的不利影响。这种能量分散改善了所得温度分布的均匀性，并防止了由热点引起的组织损伤。

图5为示出根据各种实施例的用于在聚焦超声过程期间最小化靶组织和周围组织中的热点的方法的流程图500。在第一步骤502中，在超声过程期间识别热点的位置。例如，可以使用成像器识别和定位热点位置。或者，成像器可以在前几次超声处理期间测量近场中的温度和/或声场强度分布；；基于测量的温度和/或声场强度分布，物理模型可以预测近场、聚焦区和/或远场中的热点的位置。在一些实施例中，成像器用于识别靶(和/或换能器元件)的位置；不需要测量温度和/或声场强度分布。物理模型可以基于换能器元件的几何形状及其相对于靶区域的位置和取向，超声波的幅度、频率和相位，和/或靶和周围组织的材料特性来预测热点位置。在第二步骤504中，基于热点的测量和/或预测位置，物理模型可以确定用于改变与换能器元件相关联的一个或多个参数值(例如，频率、幅度和/或时间延迟)的时间模式以补偿热点。在第三步骤中，基于确定的时间模式调整换能器元件的参数值(步骤506)。在一些实施例中，物理模型确定用于激活和禁用换能器元件的每个子区域的时间模式，用于基于识别的热点位置补偿热点(步骤508)。然后基于确定的时间模式激活和禁用换能器元件(步骤510)。因此，本发明提供了有效地最小化在聚焦和非聚焦区域中产生的热点的各种方法；这有利地允许靶区域被均匀加热，同时避免周围的健康组织损伤。

通常，用于最小化靶和/或周围组织中的热点的功能，包括分析使用成像器获取的靶和周围组织的成像数据、基于成像数据确定靶和/或周围组织中的温度和/或声场强度分布、识别位于靶和/或周围组织中的热点、获取靶和/或周围组织的材料特性(使用预测物理模型、成像器和/或超声波传输的测量和/或来自颅骨的反射)、预测靶和周围组织中的热点的位置、计算时间变化的模式或调整换能器参数值(例如，频率、幅度、时间延迟等)和/或激活和禁用换能器阵列的子区域，如上所述，无论是集成在成像器的控制器和/或超声系统内，或由单独的外部控制器或其它计算实体提供，可以构造在以硬件、软件或两者的组合实现的一个或多个模块中。对于其中功能作为一个或多个软件程序提供的实施例，所述程序可以用许多高级语言中的任何一种来编写，例如FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、BASIC、各种脚本语言和/或HTML。另外，软件可以用指向驻留在靶计算机(例如，控制器)上的微处理器的汇编语言来实现；例如，如果软件配置为在IBM PC或PC克隆上运行，则可以用Intel80x86汇编语言实现。所述软件可以实施在制品上，包括但不限于软盘、闪存盘、硬盘、光盘、磁带、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM。使用硬件电路的实施例可以使用例如一个或多个FPGA、CPLD或ASIC处理器来实施。

另外，这里使用的术语“控制器”广泛地包括用于执行如上所述的任何功能的所有必要的硬件组件和/或软件模块；所述控制器可以包括多个硬件组件和/或软件模块，并且功能可以在不同的组件和/或模块之间传播。

以上描述了本发明的某些实施例。然而，明确指出，本发明不限于这些实施例；相反，对本文明确描述的内容的添加和修改也包括在本发明的范围内。

Claims (12)

1.一种加热靶区域(117)的系统(100)，所述系统包括：

包括多个换能器元件(104)的超声换能器；和

控制器(108)，其中：

(I)所述控制器(108)配置为：

(a)在超声波超声处理过程中识别靶区域或靶区域周围区域中的至少一个中的至少一个热点(306)的第一位置，该热点具有高于预定可接受水平的时间平均能量密度；

(b)至少部分地基于所识别的热点的位置，计算至少一个换能器元件的输出参数的时间变化，所述换能器元件将会在所述靶区域处产生共同的聚焦区域，在周围区域中的不同位置处具有所述至少一个热点，从而将第一位置的时间平均能量密度减小到预定义的可接受的水平；和

(c)操作所述至少一个换能器元件以实现输出参数的时间变化，其中所述输出参数为超声频率，且其中，所述时间变化为所述至少一个换能器元件的超声频率的动态变化模式，使得热点位置在其预期位置与所识别的低热敏和/或高热能容忍区域之间移位；

或，

(II)所述控制器(108)配置为：

(a)将超声换能器分成多个子区域，每个子区域包括多个换能器元件；

(b)在超声波超声处理过程期间识别靶区域或靶区域的周围区域中的至少一个中的至少一个热点的位置，所述热点具有高于预定可接受水平的能量密度；

(c)至少部分地基于所识别的热点位置，计算将热点的能量密度降低到预定的可接受水平的每个子区域的激活和禁用模式，激活不同的子区域在靶区域处产生共同的聚焦区域；以及

(d)至少部分地基于激活和禁用模式来操作换能器元件的每个子区域，使得热点位置在其预期位置与所识别的低热敏和/或高热能容忍区域之间移位。

2.根据权利要求1所述的系统(100)，其中所述时间变化在靶区域(117)中产生基本均匀的温度分布。

3.根据权利要求1或2所述的系统(100)，还包括连接到所述控制器(108)的成像器(112)，用于获取所述靶区域(117)和周围区域的成像数据，其中，所述控制器还配置为基于成像数据确定所述靶区域和周围区域的温度分布并基于温度分布识别至少一个热点(306)的位置。

4.根据权利要求1或2所述的系统(100)，还包括连接到所述控制器(108)的成像器(112)，用于获取所述靶区域(117)或周围区域的至少一个的成像数据，其中所述控制器还配置为基于所述成像数据确定其中的声场分布，基于声场分布识别至少一个热点(306)的位置。

5.根据权利要求3所述的系统(100)，其中所述成像器为ARFI设备。

6.根据权利要求4所述的系统(100)，其中所述成像器为ARFI设备。

7.根据权利要求1或2所述的系统(100)，还包括连接到控制器(108)的成像器(112)，用于获取周围区域的成像数据，其中，所述控制器还配置为基于成像数据和物理模型生成在靶区域(117)和周围区域中的预测的温度分布，并基于预测的温度分布识别至少一个热点(306)的位置。

8.根据权利要求1或2所述的系统(100)，其中，所述控制器(108)还配置为至少部分地基于预测模型来识别所述至少一个热点(306)的位置。

9.根据权利要求1或2所述的系统(100)，其中所述输出参数还包括驱动所述至少一个换能器元件的信号的幅度、相位或时间延迟中的至少一个。

10.根据权利要求1或2所述的系统(100)，其中，所述控制器(108)还配置为基于时间变化连续地改变输出参数。

11.根据权利要求1或2所述的系统(100)，其中，所述控制器(108)还配置为基于时间变化以离散步骤改变至少一个换能器元件(104)的输出参数。

12.根据权利要求1所述的系统(100)，其中，所述激活和禁用模式在所述靶区域中产生基本均匀的温度分布。

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