WO2018208189A1 - Method and device for producing high-intensity focused ultrasonic fields for non-invasive local destruction of biological tissues - Google Patents

Method and device for producing high-intensity focused ultrasonic fields for non-invasive local destruction of biological tissues Download PDF

Info

Publication number
WO2018208189A1
WO2018208189A1 PCT/RU2018/050049 RU2018050049W WO2018208189A1 WO 2018208189 A1 WO2018208189 A1 WO 2018208189A1 RU 2018050049 W RU2018050049 W RU 2018050049W WO 2018208189 A1 WO2018208189 A1 WO 2018208189A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
elements
lattice
points
intensity
shape
Prior art date
Application number
PCT/RU2018/050049
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Павел Борисович РОСНИЦКИЙ
Вера Александровна ХОХЛОВА
Леонид Рафаилович ГАВРИЛОВ
Борис Александрович ВЫСОКАНОВ
Олег Анатольевич САПОЖНИКОВ
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ)
Publication of WO2018208189A1 publication Critical patent/WO2018208189A1/en

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N7/00Ultrasound therapy
    • A61N7/02Localised ultrasound hyperthermia
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B18/04Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by heating
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N7/00Ultrasound therapy
    • A61N2007/0056Beam shaping elements
    • A61N2007/0065Concave transducers
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N7/00Ultrasound therapy
    • A61N2007/0078Ultrasound therapy with multiple treatment transducers
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N7/00Ultrasound therapy
    • A61N2007/0086Beam steering
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B2201/00Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/20Application to multi-element transducer

Definitions

  • the invention relates to the field of medicine and medical technology, and more particularly to ultrasound surgery.
  • the proposed method and device are designed for non-invasive local destruction of biological tissues using high-intensity focused ultrasound, when it is necessary to use the maximum possible power and, therefore, the maximum permissible intensity on the surface of a focusing ultrasound emitter, for example, a phased array.
  • the use of high power levels is necessary, for example, to achieve shock fronts in the focus of an ultrasonic emitter due to the effects of acoustic nonlinearity, which allows effective mechanical and thermal destruction of tissues.
  • the power of the ultrasonic emitter needs to be further increased if it is necessary to compensate for the attenuation of the field intensity at the focus, which can be caused by strong absorption during irradiation of deeply located organs, aberrations caused by tissue inhomogeneities, and also strongly absorbing and reflecting obstacles, such as bones of the skull or chest.
  • focusing systems with a very high acoustic power and, accordingly, with a very high intensity on the surface of the emitter are needed.
  • the requirements for a high level of intensity are further enhanced when acoustic obstacles, such as, for example, the bones of the skull or chest, are encountered in the pathway of HIFU to the focus, as well as when exposed to deep organs, when there is a strong absorption of ultrasound and, in addition, can become significant aberrations caused by tissue heterogeneity.
  • the intensity on the surface of an ultrasonic source necessary for the implementation of nonlinear regimes of tissue irradiation, can exceed the maximum permissible level and lead to a loss of operability of the emitter.
  • multi-element phased arrays are a set of independently controlled radiating elements located on a flat or curved surface. Between the elements are technological gaps that define the density of the surface of the grating or the percentage of its active radiating area of the total surface area of the grating.
  • Such multi-element emitters have a number of important advantages associated with the possibility of electronic control of the spatio-temporal structure of the ultrasonic field. This allows you to move the focus electronically, create multifocal configurations, compensate for aberrations arising from the propagation of ultrasound through inhomogeneous layers of tissue, and dynamically focus on a selected area of tissue that is displaced due to breathing.
  • gratings also allows for safer exposure when focusing through the ribs by turning off the elements behind the ribs [S. Bobkova, L. Gavrilov, V. Khokhlova, A. Shaw, and J. Hand. Focusing of high intensity ultrasound through the rib cage using a therapeutic random phased array. Ultrasound in Medicine & Biology, 2010, vol. 36, no. 6, pp. 888-906].
  • phased arrays that provide the maximum possible power of the ultrasonic beam.
  • the acoustic power of the grating can be increased by increasing the intensity of ultrasound on its elements. This method, however, is limited by the maximum permissible level of intensity, which in modern piezoelectric sources is about 30-40 W / cm 2 with good cooling and short operating time [D. Cathignol. High intensity piezoelectric sources for medical applications: technical aspects. In: Nonlinear Acoustics at the Beginning of the 21st Century, ed. by OV Rudenko and OA Sapozhnikov (Faculty of Physics, MSU, Moscow, 2002), vol. 1, pp. 371-378; VA Khokhlova, PV Yuldashev, PB Rosnitskiy, AD Maxwell, W.
  • the density of the filling of the surface of the lattice with elements can be increased by their ordered arrangement [Govicov L.R. High intensity focused ultrasound in medicine. M: Phasis, 2013].
  • the main disadvantage of this arrangement is the appearance in the acoustic field of the lattice during electronic focus shifting of the side diffraction maxima (lattice lobes) with a relatively high intensity level, which can lead to undesirable overheating and even destruction of tissue outside the specified exposure area.
  • the distance between the centers of its elements and, accordingly, the size of the elements themselves should be ⁇ / 2 [M. I. Skolnik, Introduction to Radar Systems.
  • is the wavelength, that is, for example, less than 0.75 mm at a frequency of 1 MHz.
  • is the wavelength, that is, for example, less than 0.75 mm at a frequency of 1 MHz.
  • the level of incident diffraction maxima in the field created by the lattice with elements having a size greater than the wavelength depends on the spatial periodicity of its structure. This periodicity (regularity) can be destroyed if you place the lattice elements on its surface in a non-periodic or random (randomized) way. It was shown that with the help of such randomized gratings, the level of side lobes can be significantly reduced and, thereby, the area of safe electronic focus movement can be expanded compared to regular gratings, without overheating of the structures outside the specified exposure area [SA Goss, LAFrizell, J. T. Kouzmanoff , JM Barich, and JM Yang, Sparse random ultrasound phased array for focal surgery.
  • Known thinned antenna array with non-periodic arrangement of elements on the plane consisting of a combination of smaller logarithmic spiral arrays and providing a relatively low level of the array petals [US Patent N ° 6,433,754 B1, publication date 08/13/2002].
  • Known thinned antenna array with non-periodic arrangement of elements on a spiral designed for ultrasound diagnostics [US Patent N ° US 6,359,367 B1, publication date 03/19/2002]. Diagnostic arrays with a relatively small number of elements are known (128, 256), based on the use of Fermat spirals of various modifications, including multi-start ones [O. Martinez-Graullera, C. J. Martin, G. Godoy, L.J. Ullate.
  • the random nature of the arrangement of elements can significantly reduce the level of side lobes in the field created by the grating [Patent GB2347043, publication date 08/23/2000; US patent 6488630, publication date 12/03/2002; China Patent CN 1340184, Publication Date 08/16/2002; Hong Kong Patent PC 1045015, Date publication September 11, 2002].
  • the degree of filling of the surface of such gratings does not exceed 60%.
  • Phased arrays are known whose surface has the shape of a spherical segment with a circular hole in the center, and elements in the form of disks with a wave size of more than 5 wavelengths are located on an Archimedean spiral outward from the central axis of the lattice [K.R. Morrison, G.W. Keilman. Single Archimedean spiral close packed phased array HIFU. 2014 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings. 2014, pp. 400-404]. The fill factor of such gratings does not exceed 60%.
  • the device is an ultrasonic phased array with an arrangement of elements in the form of a dense single-pass or multiple-helix with various shapes of elements (round, square, in the form of trapezoid).
  • This method allows to increase the degree of filling of the surface of the grating, for example, with round elements up to 70%, in the absence of technological gaps between the elements and up to 60% in the presence of such, and non-periodic arrangement of elements on the surface suppresses diffractive side lobes.
  • the closest analogue (prototype) of the invention is a phased array with radiating elements located on the surface of the array in a spiral Fermat, in which the elements are in the form of cells diagrams (mosaics) of Voronoi [M. Ries, M. De Greef, S. Bos. High intensity focused ultrasound apparatus. Patent WO 2016099279 Al. Publication date June 23, 2016. Priority date December 19, 2014; P. Ramaekers, M. Ries, ST. W. Moonen, and M. de Greef, Improved intercostal HIFU ablation using a phased array transducer based on Fermat's spiral and Voronoi tessellation: A numerical evaluation, Med. Phys., 2017, vol. 44, no.3, pp.
  • a device for focusing high-intensity ultrasound and for delivering ultrasonic energy to an object is a base on which is a set of transducers of a given shape, a driver system for controlling the transducers, a controller for supplying signals to the driver system and HIFU generation, while the location of the transducers on the basis of the device according to a predetermined law.
  • the proposed method involves the construction of a certain set of points S on a section of a flat surface and its subsequent division into cells in such a way that each cell is the set of points closest to one of the elements of the set S.
  • the plane is divided into aperiodically located cells in the form of polygons. Projecting these cells onto a spherical bowl, we obtain a multi-element spiral grid with elements in the form of polygons (Fig. 1) and a surface filling density, in the absence of technological gaps between the elements, about 85%. As can be seen from FIG. 1, the limitation of the filling density is due to the fact that the region at the periphery of the lattice is not occupied by elements.
  • the disadvantages of this method are the fundamental lack of the ability to achieve 100% filling of the lattice surface with elements and, as a consequence, the inability to provide the maximum possible lattice power at a given aperture and intensity on the surface of the elements.
  • Voronoi’s mosaic on the plane does not provide equal cell areas, and the subsequent projection of elements onto the spherical shell of the lattice changes them and leads to even greater differences in the areas of the lattice elements.
  • the inequality in the area of individual elements creates difficulties in the electrical matching of power amplifiers with different elements, and also worsens the quality of the field with electronic focus scanning.
  • the arrangement of the elements in a Fermat spiral involves the creation of a round lattice without a hole in the center, whereas in practice both round and rectangular are required gratings with holes of various shapes for the installation of a diagnostic ultrasonic sensor.
  • Modern devices for generating high-intensity focused ultrasound include several main units: a focusing emitter — a phased array, a digital unit that controls the frequency, amplitudes and phases on the array elements, a multi-channel power amplifier for supplying voltage to the array elements, an amplifier impedance matching unit power and lattice elements, computer, etc.
  • a focusing emitter a phased array
  • a digital unit that controls the frequency, amplitudes and phases on the array elements
  • a multi-channel power amplifier for supplying voltage to the array elements
  • an amplifier impedance matching unit power and lattice elements computer, etc.
  • the term "device” means a phased array.
  • the technical result of the present invention is that, for a given aperture of the lattice, the intensity on the surface of its elements and the random nature of the arrangement of the elements, the generation of an ultrasonic field with the maximum possible power required to form shock fronts in focus and increase the efficiency of tissue destruction is achieved by separation the surface of the lattice on the elements in the form of polygons of the same area with reaching the density of filling the lattice with elements up to 100% (in the absence of technology gaps between the elements).
  • the device for non-invasive local destruction of biological tissue is a phased array with a random arrangement of emitting elements in the form of polygons of the same area with an allowable deviation of up to 1% and with elements filling up to 100% of the surface of the array (in the absence of technological gaps between the elements), while each of the sides of the elements inside the lattice is adjacent to one of the sides of adjacent elements of the lattice.
  • the surface of the lattice and its boundary can have an arbitrary shape.
  • the surface of the grating may have a spherical or cylindrical shape; the boundary of the lattice may have a round or rectangular shape, or the shape of a polygon.
  • the grill may include a central hole for installing an ultrasonic sensor to visualize the area of influence; however, the hole may have an arbitrary shape, for example, rectangular or round. It should be noted that in real gratings, 100% filling with elements is impossible due to the need to separate elements with technological gaps with a width of at least 0.1 - 0.2 mm.
  • the filling density is 100%, then with a characteristic radius of the elements 3.5 mm after the introduction of a technological gap 0.5 mm wide, the filling density will be 86%.
  • the random arrangement of radiating elements provides the possibility of electronic focus movement within a certain region, the boundary of which is set by the level of intensity reduction in the created focus by 50% compared to the maximum achievable intensity. With electronic focusing within the indicated region, the intensity level of side maxima does not exceed 10% of the intensity in the main maximum.
  • the present invention also includes a method for producing a phased array template with a random arrangement of radiating elements and a density of the surface of the array with elements up to 100% (in the absence of technological gaps between the elements) by forming its computer model, which includes the following sequence of operations: selecting the shape and boundary of the surface of the array; selection of the number of elements; drawing on the resulting surface according to the uniform distribution law of a random set of a large number of points, the number of which is determined by the number of lattice elements, with at least 1000 points being set on one element. Then all the points are randomly divided into groups according to the number of lattice elements.
  • FIG. 1 Sketch of the lattice with the arrangement of elements on the surface in the form of a Fermat spiral and Voronoi diagram (mosaic) [P. Ramaekers, M. Ries, ST. W. Moonen, and M. de Greef. Improved intercostal HIFU ablation using a phased array transducer based on Fermat's spiral and Voronoi tessellation: A numerical evaluation, Med. Phys., 2017, vol. 44, no. 3, pp. 1071-1088]. It is seen that the region on the periphery of the lattice inevitably turns out to be not occupied by elements, which reduces the fill factor of the lattice.
  • FIG. 2. A sketch of an existing 256-element lattice filled with 6 mm elements in the form of a 16-entry tight spiral [VA Khokhlova, PV Yuldashev, R. V. Rosnitskiy, AD Maxwell, W. Kreider, M. R. Bailey, and O. A. Sapozhnikov. Design of HIFU transducers to generate specific nonlinear ultrasound fields. Physics Procedia, 2016, vol. 87, pp. 132-138]; b) 364-element lattice with maximum filling with elements in the form of spherical polygons.
  • both gratings are as follows: frequency 1.5 MHz, aperture 144 mm, focal length 120 mm, element area 0.385 cm 2 , diameter of the central hole for the diagnostic sensor 40 mm, minimum technological gap 0.5 mm. Only the number of elements, their shape and method of packaging differ.
  • FIG. 3 Illustration of the sequence of operations for the implementation of the maximum possible (up to 100%) filling the surface of the lattice with elements in the form of polygons with the same area.
  • Five sets of points are represented, indicated by pluses, circles, crosses, dots and rhombs, a) the initial random distribution of points of different groups; b) the beginning of the process of pairwise separation of the sets of points of different groups; c) completion of the process of separation of sets of points and the formation of cells.
  • FIG. 4 Examples of focusing gratings of various shapes and different types of central holes. Left: a lattice in the form of a segment of a spherical surface of a rectangular shape with a round central hole. Right: a lattice in the form of a segment of a spherical surface of a round shape with a rectangular central hole.
  • FIG. 6 Two-dimensional distribution of the amplitude of sound pressure in the field of the existing lattice with 256 elements placed in the form of 16-zah one dense spiral. The results are normalized to the pressure on the surface of the element, a) Distributions in the plane along the axis of the lattice; the focus is in the center of the lattice curvature; b) the focus is electronically shifted 1 cm away from the axis; c), d) the corresponding distributions in the focal plane.
  • FIG. 7 Two-dimensional distribution of the amplitude of sound pressure in the field of the proposed lattice, consisting of 364 elements in the form of spherical polygons of equal area. The results are normalized to the pressure on the surface of the element, a) Distributions in the plane along the axis of the lattice; the focus is in the center of the lattice curvature; b) the focus is electronically shifted 1 cm away from the axis; c), d) the corresponding distributions in the focal plane.
  • FIG. 8 The contours of the areas of possible focus movement of the existing lattice with a spiral arrangement of elements (dashed curves) and the proposed lattice with elements in the form of spherical polygons of equal area (solid curves). Thin lines show the boundaries of focus movement with a decrease in intensity of no more than 10% of the maximum level (marked as 0.9) and 50% (shown as 0.5). Thick lines show the boundaries of the focus movement at which the levels of emerging side maxima do not exceed 10% of the intensity value at the main maximum (marked as 0.1).
  • the main parameters of the proposed lattice with elements in the form of polygons are chosen the same. Equal are the areas of the elements of the two gratings. Only the number and shape of the elements differ, as well as the way they are packaged. If there is a technological gap between the elements equal to 0.5 mm, the filling density of the spiral lattice is 60%, the filling density of the proposed lattice is 86%. In the absence of technological gaps between the elements, the filling density of the proposed lattice is 100%. Note that the indicated value of the minimum technological gap of 0.5 mm is usually considered sufficient to ensure reliable electrical safety of high power ultrasonic phased arrays.
  • N 5
  • FIG. 3a Over the points of five different classes are shown with different icons: pluses, circles, crosses, dots and rhombs. The division of points into classes occurs randomly, in connection with which, the sets ("clouds") of points of various classes turn out to be completely mixed (Fig. 3a). Pairwise separation of the sets of points of different classes is implemented using the algorithm disclosed in [M. Balzer, T., Schlomer, T., O. Deussen. Capacity-constrained point distribution: A variant of Lloyd's method. 2009. ACM Trans, on Graphics (Proc. Of SIGGRAPH). vol. 28, no. 3, Article 86, 1-8].
  • a convex hull closures it is constructed (Fig. Sv).
  • polygons are formed, which are the elements of the lattice that absolutely densely fill its surface in the case of a large number of sampling points. Due to the fact that each cell contains the same number of M points scattered according to the uniform distribution law, the area of the cells is equal, since the fraction of points that fall into the element, up to a multiplicative constant, is a consistent unbiased estimate of its area.
  • each side of the element is parallelly transferred inside the element by half the gap.
  • the proposed method allows you to create a lattice with an arbitrary surface shape, for example, spherical and cylindrical, and an arbitrary shape of the borders, for example, round or rectangular.
  • an arbitrary surface shape for example, spherical and cylindrical
  • an arbitrary shape of the borders for example, round or rectangular.
  • the grill may include a central hole, for example, rectangular or round, for installing a sensor to control the source of exposure (Fig. 4).
  • each polygon element is divided into a set of right-angled triangles (Fig. 5 a), the acoustic field of which is calculated by the analytical method (Fig. 56), which in the far field gives results that are highly accurate with results based on the use of Rayleigh integral (Fig. 5c).
  • Figures 6 and 7 present the results of comparative calculations of two-dimensional distributions of the amplitude of sound pressure in the fields created by the two lattices under consideration: the existing lattice of 256 elements placed in the form of 16 zokes of one dense spiral, and the proposed lattice consisting of 364 elements in the form of spherical polygons of equal area .
  • the top shows the distributions in the plane along the axis of the lattice when the focus is in the center of curvature of the lattice. The distributions are shown below when the focus is electronically shifted 1 cm away from the axis.
  • Figures c) and d) show the corresponding distributions in the focal plane.
  • Fig. 8 The results (Fig. 8) are shown both in the axial plane (a) and in the focal plane. It is generally accepted that the effective focusing region is limited by the level of 0.5 decrease in intensity in the focus when it is shifted electronically. It can be seen that for this level 0.5, the difference between the contours for the existing and proposed gratings is less than 1 mm. In this case, the contours of the safe focus bias region, when focused inside which the level of side maxima does not exceed 10% of the intensity in the main maximum, are located outside the contours of the effective focusing region for both gratings. This allows us to consider the areas inside the effective focusing contours as the working areas of the dynamic focusing of the gratings. Thus, the proposed lattice with randomly located polygonal elements has the same dynamic focusing capabilities as a non-periodic spiral lattice with round elements.
  • the technological gap between the elements was equal to 0.5 mm, while the fill factor of the new lattice was 86%.
  • the grating filling factor will be 91%, and with a gap of 0.2 mm - 94%.
  • the proposed method and device can provide the maximum possible active area of the grating without deteriorating the field quality with an electronic focus shift characteristic of more sparse non-periodic gratings.

Abstract

The invention relates to the field of medicine and medical technology, more specifically to ultrasonic surgery. The method and device being proposed are intended for non-invasive local destruction of biological tissues with the aid of high-intensity focused ultrasound requiring the use of a maximum possible power and, consequently, a maximum permissible intensity on the surface of a focusing ultrasonic radiator, for example a phased array with a high density of filling with elements. The device being proposed is a phased array with a random arrangement of radiating elements in the form of polygons of identical area having a permissible deviation value of up to 1% and with a filling of at least 86% of the area of the surface of the array with elements when there are technological spaces between the elements (or 100% without such spaces). The method for manufacturing the device comprises forming a template of an array with a random arrangement of radiating elements of identical area by generating a computer model of said array with subsequent use of known methods for producing technological gaps between the elements and completion of the assembly of the device.

Description

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СОЗДАНИЯ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫХ ФОКУСИРОВАННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПОЛЕЙ для НЕИНВАЗИВНОГО ЛОКАЛЬНОГО РАЗРУШЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ METHOD AND DEVICE FOR CREATING HIGH-INTENSE FOCUSED ULTRASONIC FIELDS FOR NON-INVASIVE LOCAL DESTRUCTION OF BIOLOGICAL
ТКАНЕЙ Область техники FABRIC
Изобретение относится к области медицины и медицинской техники, а более конкретно к ультразвуковой хирургии. Предлагаемые способ и устройство предназначены для неинвазивного локального разрушения биологических тканей с помощью высокоинтенсивного фокусированного ультразвука, когда требуется применение максимально возможной мощности и, следовательно, предельно допустимой интенсивности на поверхности фокусирующего излучателя ультразвука, например, фазированной решётки. Использование высоких уровней мощности необходимо, например, для достижения в фокусе ультразвукового излучателя ударных фронтов за счет эффектов акустической нелинейности, что позволяет осуществлять эффективное механическое и тепловое разрушение тканей. Мощность ультразвукового излучателя требуется ещё более увеличивать при необходимости компенсации ослабления интенсивности поля в фокусе, причинами которого могут стать сильное поглощение при облучении глубоко расположенных органов, аберрации, вызванные неоднородностями ткани, а также сильно поглощающие и отражающие препятствия, такие как кости черепа или грудной клетки.  The invention relates to the field of medicine and medical technology, and more particularly to ultrasound surgery. The proposed method and device are designed for non-invasive local destruction of biological tissues using high-intensity focused ultrasound, when it is necessary to use the maximum possible power and, therefore, the maximum permissible intensity on the surface of a focusing ultrasound emitter, for example, a phased array. The use of high power levels is necessary, for example, to achieve shock fronts in the focus of an ultrasonic emitter due to the effects of acoustic nonlinearity, which allows effective mechanical and thermal destruction of tissues. The power of the ultrasonic emitter needs to be further increased if it is necessary to compensate for the attenuation of the field intensity at the focus, which can be caused by strong absorption during irradiation of deeply located organs, aberrations caused by tissue inhomogeneities, and also strongly absorbing and reflecting obstacles, such as bones of the skull or chest.
Уровень техники State of the art
Как известно, мощный фокусированный ультразвук (общепринятое сокращение HIFU - от словосочетания High Intensity Focused Ultrasound) используется в медицине для локального разрушения глубоко расположенных тканей организма, в частности, опухолей печени, молочной железы, костей, почек, поджелудочной железы и матки без повреждения тканей по пути прохождения ультразвукового пучка.  As you know, powerful focused ultrasound (the generally accepted HIFU abbreviation for High Intensity Focused Ultrasound) is used in medicine for local destruction of deeply located tissues of the body, in particular, tumors of the liver, breast, bones, kidneys, pancreas and uterus without damaging the tissues ultrasonic beam paths.
В последние годы были разработана весьма перспективные способы применения HIFU, основанные на использовании режима нелинейных импульсно- периодических облучений, когда в фокусе ультразвукового излучателя генерируются высокоамплитудные ударные фронты [Патент США J JS2010/0069797(A1), дата публикации 18.03.2010; Патент США N°US8,876,740(B2), дата публикации 11.04.2014]. Использование подобных режимов позволяет реализовать механическое разрушение ткани в фокальной области до фрагментов субклеточного размера практически без тепловой денатурации и побочных эффектов, связанных с перегревом тканей в ближней зоне излучателя [T.D. Khokhlova, M.S. Canney, V.A. Khokhlova, О. A. Sapozhnikov, L.A. Crum, and M.R. Bailey. Controlled tissue emulsification produced by high intensity focused ultrasound shock waves and millisecond boiling. J. Acoust. Soc. Amer., 2011, vol. 130, no. 5, pp. 3498-3510], тем самым расширяя возможности практических применений НГШ [V.A. Khokhlova, J.B. Fowlkes, W.W. Roberts, G.R. Schade, Z. Xu, T.D. Khokhlova, T.L. Hall, A D. Maxwell, Y.N. Wang, C.A. Cain. Histotripsy methods in mechanical disintegration of tissue: Towards clinical applications. Int. J. Hyperthermia, 2015 v. 31(2), pp. 145-162], а также позволяет улучшить скорость и локальность теплового воздействия ультразвука на ткани [P.V. Yuldashev, S.M. Shmeleva, S.A. Ilyin, О. A. Sapozhnikov, L.R. Gavrilov, and V.A. Khokhlova. The role of acoustic nonlinearity in tissue heating behind a rib cage using high intensity focused ultrasound phased array. Phys. Med. Biol., 2013, vol. 58, no. 8, pp. 2537-2559]. In recent years, very promising applications of HIFU have been developed, based on the use of non-linear pulsed-periodic irradiation regimes, when high-amplitude shock fronts are generated in the focus of an ultrasonic emitter [US Patent J JS2010 / 0069797 (A1), publication date March 18, 2010; US patent N ° US8,876,740 (B2), publication date 04/11/2014]. The use of such modes makes it possible to realize mechanical destruction of tissue in the focal region to subcellular fragments with virtually no thermal denaturation and side effects associated with tissue overheating in the near zone of the emitter [TD Khokhlova, MS Canney, VA Khokhlova, O. A. Sapozhnikov, LA Crum, and MR Bailey. Controlled tissue emulsification produced by high intensity focused ultrasound shock waves and millisecond boiling. J. Acoust. Soc. Amer., 2011, vol. 130, no. 5, pp. 3498-3510], thereby expanding the possibilities of practical applications of NGS [VA Khokhlova, JB Fowlkes, WW Roberts, GR Schade, Z. Xu, TD Khokhlova, TL Hall, A D. Maxwell, YN Wang, CA Cain. Histotripsy methods in mechanical disintegration of tissue: Towards clinical applications. Int. J. Hyperthermia, 2015 v. 31 (2), pp. 145-162], and also improves the speed and locality of the thermal effect of ultrasound on tissues [PV Yuldashev, SM Shmeleva, SA Ilyin, O. A. Sapozhnikov, LR Gavrilov, and VA Khokhlova. The role of acoustic nonlinearity in tissue heating behind a rib cage using high intensity focused ultrasound phased array. Phys. Med. Biol., 2013, vol. 58, no. 8, pp. 2537-2559].
Для реализации методов разрушения ткани, основанных на использовании нелинейных волн с высокоамплитудными ударными фронтами в фокусе, необходимы фокусирующие системы с очень большой акустической мощностью и, соответственно, с очень высокой интенсивностью на поверхности излучателя. Требования к высокому уровню интенсивности еще больше усиливаются, когда на пути распространения HIFU к фокусу встречаются акустические препятствия, такие как, например, кости черепа или грудной клетки, а также при облучении глубоко расположенных органов, когда возникает сильное поглощение ультразвука и, кроме того, могут стать существенными аберрации, вызванные неоднородностями ткани. Во многих практически важных случаях интенсивность на поверхности ультразвукового источника, необходимая для реализации нелинейных режимов облучения ткани, может превысить предельно допустимый уровень и привести к потере работоспособности излучателя.  To implement tissue destruction methods based on the use of nonlinear waves with high-amplitude shock fronts in focus, focusing systems with a very high acoustic power and, accordingly, with a very high intensity on the surface of the emitter are needed. The requirements for a high level of intensity are further enhanced when acoustic obstacles, such as, for example, the bones of the skull or chest, are encountered in the pathway of HIFU to the focus, as well as when exposed to deep organs, when there is a strong absorption of ultrasound and, in addition, can become significant aberrations caused by tissue heterogeneity. In many practically important cases, the intensity on the surface of an ultrasonic source, necessary for the implementation of nonlinear regimes of tissue irradiation, can exceed the maximum permissible level and lead to a loss of operability of the emitter.
В лабораторных и клинических системах HIFU все более распространенным становится использование в качестве излучателя многоэлементных фазированных решеток. Они представляют собой набор независимо управляемых излучающих элементов, расположенных на участке плоской или искривлённой поверхности. Между элементами оставляются технологические промежутки, определяющие плотность заполнения поверхности решётки или процент ее активной излучающей площади от полной площади поверхности решетки. Такие многоэлементные излучатели имеют ряд важных преимуществ, связанных с возможностью электронного управления пространственно-временной структурой ультразвукового поля. Это позволяет перемещать фокус электронным образом, создавать многофокусные конфигурации, компенсировать аберрации, возникающие при распространении ультразвука через неоднородные слои ткани, осуществлять динамическую фокусировку на выбранный участок ткани, смещающийся из-за дыхания. Использование решеток также позволяет обеспечить более безопасное облучение при фокусировке через ребра путем выключения элементов, находящихся за ребрами [S. Bobkova, L. Gavrilov, V. Khokhlova, A. Shaw, and J. Hand. Focusing of high intensity ultrasound through the rib cage using a therapeutic random phased array. Ultrasound in Medicine & Biology, 2010, vol. 36, no. 6, pp. 888-906]. Таким образом, чрезвычайно важной задачей в настоящее время является разработка фазированных решеток, обеспечивающих максимально возможную мощность ультразвукового пучка. In laboratory and clinical HIFU systems, the use of multi-element phased arrays as an emitter is becoming more common. They are a set of independently controlled radiating elements located on a flat or curved surface. Between the elements are technological gaps that define the density of the surface of the grating or the percentage of its active radiating area of the total surface area of the grating. Such multi-element emitters have a number of important advantages associated with the possibility of electronic control of the spatio-temporal structure of the ultrasonic field. This allows you to move the focus electronically, create multifocal configurations, compensate for aberrations arising from the propagation of ultrasound through inhomogeneous layers of tissue, and dynamically focus on a selected area of tissue that is displaced due to breathing. The use of gratings also allows for safer exposure when focusing through the ribs by turning off the elements behind the ribs [S. Bobkova, L. Gavrilov, V. Khokhlova, A. Shaw, and J. Hand. Focusing of high intensity ultrasound through the rib cage using a therapeutic random phased array. Ultrasound in Medicine & Biology, 2010, vol. 36, no. 6, pp. 888-906]. Thus, an extremely important task at present is the development of phased arrays that provide the maximum possible power of the ultrasonic beam.
Акустическая мощность решётки может быть увеличена путём повышения интенсивности ультразвука на её элементах. Этот способ, однако, ограничивается предельно допустимым уровнем интенсивности, который в современных пьезоэлектрических источниках составляет около 30-40 Вт/см2 при условии хорошего охлаждения и короткого времени работы [D. Cathignol. High intensity piezoelectric sources for medical applications: technical aspects. In: Nonlinear Acoustics at the Beginning of the 21st Century, ed. by O.V. Rudenko and O.A. Sapozhnikov (Faculty of Physics, MSU, Moscow, 2002), vol. 1, pp. 371-378; V. A. Khokhlova, P. V. Yuldashev, P. B. Rosnitskiy, A. D. Maxwell, W. Kreider, M. R. Bailey, and O. A. Sapozhnikov. Design of HIFU transducers to generate specific nonlinear ultrasound fields. Physics Procedia, 2016, vol. 87, pp. 132-138]. Превышение указанного значения может привести к выходу из строя фокусирующего устройства. Другим способом увеличения мощности может являться увеличение размера решётки и увеличение количества ее элементов при сохранении плотности заполнения. Большой размер источника, однако, приводит к необходимости увеличения фокусного расстояния излучателя или его угловой апертуры, что усложняет конструкцию устройства, затрудняет акустическое согласование с объектом и визуализацию области воздействия. Поэтому едва ли не единственным резервом для повышения мощности решетки становится плотное расположение элементов на её поверхности. The acoustic power of the grating can be increased by increasing the intensity of ultrasound on its elements. This method, however, is limited by the maximum permissible level of intensity, which in modern piezoelectric sources is about 30-40 W / cm 2 with good cooling and short operating time [D. Cathignol. High intensity piezoelectric sources for medical applications: technical aspects. In: Nonlinear Acoustics at the Beginning of the 21st Century, ed. by OV Rudenko and OA Sapozhnikov (Faculty of Physics, MSU, Moscow, 2002), vol. 1, pp. 371-378; VA Khokhlova, PV Yuldashev, PB Rosnitskiy, AD Maxwell, W. Kreider, MR Bailey, and OA Sapozhnikov. Design of HIFU transducers to generate specific nonlinear ultrasound fields. Physics Procedia, 2016, vol. 87, pp. 132-138]. Exceeding the specified value may result in malfunction of the focusing device. Another way to increase power can be to increase the size of the grating and increase the number of its elements while maintaining the filling density. The large size of the source, however, leads to the need to increase the focal length of the emitter or its angular aperture, which complicates the design of the device, complicates acoustic matching with the object and visualization of the affected area. Therefore, almost the only reserve for increasing the power of the lattice is the dense arrangement of elements on its surface.
Плотность заполнения поверхности решетки элементами можно увеличить путем их упорядоченного расположения [Гаврилов Л.Р. Фокусированный ультразвук высокой интенсивности в медицине. М: Фазис, 2013]. Основным недостатком такого расположения является появление в акустическом поле решётки при электронном перемещении фокуса побочных дифракционных максимумов (лепестков решетки) с относительно высоким уровнем интенсивности, что может привести к нежелательному перегреву и даже к разрушению ткани вне заданной области воздействия. Известно, что для того, чтобы исключить появление лепестков решетки, расстояние между центрами её элементов и, соответственно, размер самих элементов должно быть < λ/2 [М. I. Skolnik, Introduction to Radar Systems. New York, NY: McGraw- Hill, 1962], где λ - длина волны, то есть, например, менее 0.75 мм при частоте 1 МГц. В случае таких мелких элементов для создания фазированной решетки с достаточно большой апертурой и высокой акустической мощностью, необходимой для применения в указанных выше областях ультразвуковой хирургии, необходимо использовать нереально большое число элементов и электронных каналов, исчисляемое тысячами и десятками тысяч. Кроме того, при этом увеличивается суммарная пассивная площадь промежутков между элементами (технологических зазоров, необходимых для исключения электрического и механического взаимодействия между соседними элементами) и, тем самым, уменьшается активная площадь решетки.  The density of the filling of the surface of the lattice with elements can be increased by their ordered arrangement [Gavrilov L.R. High intensity focused ultrasound in medicine. M: Phasis, 2013]. The main disadvantage of this arrangement is the appearance in the acoustic field of the lattice during electronic focus shifting of the side diffraction maxima (lattice lobes) with a relatively high intensity level, which can lead to undesirable overheating and even destruction of tissue outside the specified exposure area. It is known that in order to exclude the appearance of the petals of the lattice, the distance between the centers of its elements and, accordingly, the size of the elements themselves should be <λ / 2 [M. I. Skolnik, Introduction to Radar Systems. New York, NY: McGraw-Hill, 1962], where λ is the wavelength, that is, for example, less than 0.75 mm at a frequency of 1 MHz. In the case of such small elements, to create a phased array with a sufficiently large aperture and high acoustic power required for use in the above areas of ultrasound surgery, it is necessary to use an unrealistically large number of elements and electronic channels, estimated in the thousands and tens of thousands. In addition, this increases the total passive area of the gaps between the elements (technological gaps necessary to eliminate electrical and mechanical interaction between adjacent elements) and, thereby, reduces the active area of the grating.
Уровень побочных дифракционных максимумов в поле, создаваемом решеткой с элементами, имеющими размер больше длины волны, зависит от пространственной периодичности её структуры. Эта периодичность (регулярность) может быть разрушена, если расположить элементы решётки на её поверхности непериодическим или случайным (рандомизированным) образом. Было показано, что с помощью таких рандомизированных решёток можно заметно уменьшить уровень боковых лепестков и, тем самым, расширить область безопасного электронного перемещения фокуса по сравнению с регулярными решётками, без перегрева структур вне заданной области воздействия [S. A. Goss, L. A.Frizell, J. Т. Kouzmanoff, J. M. Barich, and J. M. Yang, Sparse random ultrasound phased array for focal surgery. ГЕЕЕ Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Control., 1996, vol. 43, no. 6, pp. 1111-1121; L. R. Gavrilov and J. W. Hand, A theoretical assessment of the relative performance of spherical phased arrays for ultrasound surgery, ΓΕΕΕ Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Control., 2000, vol. 47, no. 1, pp. 125-139]. Известные способы пространственной рандомизации расположения элементов на поверхности решетки приводят к относительно невысокой, не более 60%, плотности заполнения ее поверхности. The level of incident diffraction maxima in the field created by the lattice with elements having a size greater than the wavelength depends on the spatial periodicity of its structure. This periodicity (regularity) can be destroyed if you place the lattice elements on its surface in a non-periodic or random (randomized) way. It was shown that with the help of such randomized gratings, the level of side lobes can be significantly reduced and, thereby, the area of safe electronic focus movement can be expanded compared to regular gratings, without overheating of the structures outside the specified exposure area [SA Goss, LAFrizell, J. T. Kouzmanoff , JM Barich, and JM Yang, Sparse random ultrasound phased array for focal surgery. GEEEE Trans. Ultrason Ferroelect. Freq. Control., 1996, vol. 43, no. 6, pp. 1111-1121; LR Gavrilov and JW Hand, A theoretical assessment of the relative performance of spherical phased arrays for ultrasound surgery, ΓΕΕΕ Trans. Ultrason Ferroelect. Freq. Control., 2000, vol. 47, no. 1, pp. 125-139]. Known methods of spatial randomization of the arrangement of elements on the surface of the lattice lead to a relatively low, not more than 60%, filling density of its surface.
Таким образом, для реализации указанных выше применений HIFU необходимо создание решёток с непериодическим (например, случайным) расположением элементов и с максимально возможным коэффициентом заполнения, чтобы обеспечить максимально возможную акустическую мощность при минимальной интенсивности вторичных максимумов вне участка воздействия, а также обеспечить необходимые параметры динамического фокусирования.  Thus, to implement the above HIFU applications, it is necessary to create gratings with a non-periodic (for example, random) arrangement of elements and with the highest possible fill factor in order to provide the maximum possible acoustic power at the minimum intensity of the secondary maxima outside the exposure area, as well as to provide the necessary parameters of dynamic focusing .
Известна прореженная антенная решетка с непериодическим расположением элементов на плоскости, состоящая из совокупности логарифмических спиральных решеток меньшего размера и обеспечивающая относительно низкий уровень лепестков решётки [Патент США N° 6,433,754 В1, дата публикации 13.08.2002]. Известна прореженная антенная решетка с непериодическим расположением элементов на спирали, предназначенная для ультразвуковой диагностики [Патент США N° US 6,359,367 В1, дата публикации 19.03.2002]. Известны диагностические решётки с относительно небольшим числом элементов (128, 256), основанные на использовании спиралей Ферма различных модификаций, в том числе и многозаходных [О. Martinez-Graullera, С. J. Martin, G. Godoy, L.J. Ullate. 2D array design based on Fermat spiral for ultrasound imaging. Ultrasonics, 2010, vol. 50, pp. 280- 289]. Все указанные решетки предназначаются для целей визуализации, поэтому состоят из элементов малого волнового размера (меньше длины волны), расположенных на относительно большом расстоянии друг от друга и имеют невысокую плотность заполнения (не более 10%).  Known thinned antenna array with non-periodic arrangement of elements on the plane, consisting of a combination of smaller logarithmic spiral arrays and providing a relatively low level of the array petals [US Patent N ° 6,433,754 B1, publication date 08/13/2002]. Known thinned antenna array with non-periodic arrangement of elements on a spiral, designed for ultrasound diagnostics [US Patent N ° US 6,359,367 B1, publication date 03/19/2002]. Diagnostic arrays with a relatively small number of elements are known (128, 256), based on the use of Fermat spirals of various modifications, including multi-start ones [O. Martinez-Graullera, C. J. Martin, G. Godoy, L.J. Ullate. 2D array design based on Fermat spiral for ultrasound imaging. Ultrasonics, 2010, vol. 50, pp. 280-289]. All of these lattices are intended for visualization purposes, therefore, they consist of elements of a small wave size (less than the wavelength) located at a relatively large distance from each other and have a low filling density (not more than 10%).
Известна конструкция ультразвуковой фазированной решетки, предназначенная для целей ультразвуковой хирургии и основанная на случайном расположении элементов достаточно большого волнового размера (как максимум, 5 длин волн) на поверхности в виде сферического сегмента. Случайный характер расположения элементов позволяет существенно снизить уровень боковых лепестков в создаваемом решёткой поле [Патент GB2347043, дата публикации 23.08.2000; US patent 6488630, дата публикации 03.12.2002; Патент Китая CN 1340184, дата публикации 16.08.2002; Патент Гонконга ПК 1045015, дата публикации 11.09.2002]. Степень заполнения поверхности подобных решеток (в присутствии технологических зазоров между элементами) не превышает 60%. A known design of an ultrasonic phased array, intended for ultrasound surgery and based on a random arrangement of elements of a sufficiently large wave size (at most 5 wavelengths) on the surface in the form of a spherical segment. The random nature of the arrangement of elements can significantly reduce the level of side lobes in the field created by the grating [Patent GB2347043, publication date 08/23/2000; US patent 6488630, publication date 12/03/2002; China Patent CN 1340184, Publication Date 08/16/2002; Hong Kong Patent PC 1045015, Date publication September 11, 2002]. The degree of filling of the surface of such gratings (in the presence of technological gaps between the elements) does not exceed 60%.
Известны решетки с плотной упаковкой элементов, основанные на использовании прямоугольных элементов, плотно примыкающих друг к другу, а также элементов, имеющих форму ромбов и расположенных в виде мозаики Пенроуза [B.I. Raju, C.S. Hall, and R. Seip. Ultrasound therapy transducers with space- filling non-periodic arrays. ГЕЕЕ Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Contr., 2011, vol. 58, no. 5, pp. 944-954]. Максимальный коэффициент заполнения, достигаемый с помощью этих решёток, составляет, соответственно, 70 и 71% (при отсутствии в конструкции решетки технологических зазоров между элементами).  Known lattices with dense packing of elements based on the use of rectangular elements that are closely adjacent to each other, as well as elements having the shape of rhombuses and arranged in the form of a Penrose mosaic [B.I. Raju, C.S. Hall, and R. Seip. Ultrasound therapy transducers with space- filling non-periodic arrays. GEEEE Trans. Ultrason Ferroelectr. Freq. Contr., 2011, vol. 58, no. 5, pp. 944-954]. The maximum fill factor achieved with these gratings is 70% and 71%, respectively (in the absence of technological gaps between the elements in the grating design).
Известны фазированные решётки, поверхность которых имеет форму сферического сегмента с круглым отверстием в центре, а элементы в виде дисков с волновым размером более 5 длин волн расположены на архимедовой спирали наружу от центральной оси решётки [К.Р. Morrison, G.W. Keilman. Single Archimedean spiral close packed phased array HIFU. 2014 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings. 2014, pp. 400-404]. Коэффициент заполнения таких решёток не превышает 60%.  Phased arrays are known whose surface has the shape of a spherical segment with a circular hole in the center, and elements in the form of disks with a wave size of more than 5 wavelengths are located on an Archimedean spiral outward from the central axis of the lattice [K.R. Morrison, G.W. Keilman. Single Archimedean spiral close packed phased array HIFU. 2014 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings. 2014, pp. 400-404]. The fill factor of such gratings does not exceed 60%.
Известны способ и устройство для неинвазивного локального разрушения биологической ткани [Патент РФ N°2589649, дата подачи заявки 19.03.2015, дата публикации 10.07.2016]. По своей технической сущности устройство представляет собой ультразвуковую фазированную решётку с расположением элементов в виде плотной однозаходной или многозаходной спирали с различной формой элементов (круглой, квадратной, в виде трапеций). Такой способ позволяет повысить степень заполнения поверхности решетки, например, круглыми элементами до 70%, при отсутствии технологических зазоров между элементами и до 60% в присутствии таковых, а непериодическое расположение элементов на поверхности обеспечивает подавление дифракционных боковых лепестков.  A known method and device for non-invasive local destruction of biological tissue [RF Patent N ° 2589649, filing date 03/19/2015, publication date 07/10/2016]. In its technical essence, the device is an ultrasonic phased array with an arrangement of elements in the form of a dense single-pass or multiple-helix with various shapes of elements (round, square, in the form of trapezoid). This method allows to increase the degree of filling of the surface of the grating, for example, with round elements up to 70%, in the absence of technological gaps between the elements and up to 60% in the presence of such, and non-periodic arrangement of elements on the surface suppresses diffractive side lobes.
Недостатком всех описанных выше конструкций решёток с непериодическим расположением элементов является относительно низкая степень заполнения и принципиальная невозможность достижения 100%-ного заполнения элементами поверхности решётки.  The disadvantage of all the above-described lattice designs with non-periodic arrangement of elements is the relatively low degree of filling and the fundamental impossibility of achieving 100% filling with elements of the surface of the lattice.
Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является фазированная решетка с расположенными на поверхности решётки излучающими элементами по спирали Ферма, при котором элементы имеют форму ячеек диаграммы (мозаики) Вороного [М. Ries, М. De Greef, С. Bos. High intensity focused ultrasound apparatus. Патент WO 2016099279 Al . Дата публикации 23 июня 2016. Дата приоритета 19 декабря 2014; P. Ramaekers, М. Ries, СТ. W. Moonen, and М. de Greef, Improved intercostal HIFU ablation using a phased array transducer based on Fermat's spiral and Voronoi tessellation: A numerical evaluation, Med. Phys., 2017, vol. 44, no.3, pp. 1071-1088]. Устройство для фокусировки ультразвука высокой интенсивности и для доставки ультразвуковой энергии к объекту представляет собой основание, на котором располагается набор преобразователей заданной формы, систему драйверов для управления преобразователями, контроллер для подачи сигналов на систему драйверов и генерации HIFU, при этом расположение преобразователей на основании устройства определяется по заранее заданному закону. Предложенный способ подразумевает построение некоторого множества точек S на участке плоской поверхности и последующего его разбиения на ячейки таким образом, что каждая ячейка является множеством точек, наиболее близких к одному из элементов множества S. В случае применения такого разбиения к множеству S точек, расположенных на спирали Ферма, плоскость оказывается поделенной на апериодично расположенные ячейки в форме многоугольников. Проецируя данные ячейки на сферическую чашу, получаем многоэлементную спиральную решетку с элементами в форме многоугольников (Фиг. 1) и плотностью заполнения поверхности, при отсутствии технологических зазоров между элементами, около 85%. Как видно из фиг. 1, ограничение плотности заполнения связано с тем, что область на периферии решетки оказывается не занятой элементами. Недостатками данного способа являются принципиальное отсутствие возможности достижения 100%-ного заполнения элементами поверхности решётки и, как следствие, невозможность обеспечения максимально возможной мощности решётки при заданных апертуре и интенсивности на поверхности элементов. Кроме того, мозаика Вороного на плоскости не обеспечивает равенство площадей ячеек, а последующее проецирование элементов на сферическую оболочку решётки изменяет их и приводит к еще большим отличиям в площадях элементов решетки. Неравенство площадей отдельных элементов создаёт трудности при электрическом согласовании усилителей мощности с разными элементами, а также ухудшает качество поля при электронном сканировании фокуса. Наконец, расположение элементов по спирали Ферма предполагает создание круглой решетки без отверстия в центре, тогда как на практике требуются как круглые, так и прямоугольные решетки с отверстиями различной формы для установки диагностического ультразвукового датчика. The closest analogue (prototype) of the invention is a phased array with radiating elements located on the surface of the array in a spiral Fermat, in which the elements are in the form of cells diagrams (mosaics) of Voronoi [M. Ries, M. De Greef, S. Bos. High intensity focused ultrasound apparatus. Patent WO 2016099279 Al. Publication date June 23, 2016. Priority date December 19, 2014; P. Ramaekers, M. Ries, ST. W. Moonen, and M. de Greef, Improved intercostal HIFU ablation using a phased array transducer based on Fermat's spiral and Voronoi tessellation: A numerical evaluation, Med. Phys., 2017, vol. 44, no.3, pp. 1071-1088]. A device for focusing high-intensity ultrasound and for delivering ultrasonic energy to an object is a base on which is a set of transducers of a given shape, a driver system for controlling the transducers, a controller for supplying signals to the driver system and HIFU generation, while the location of the transducers on the basis of the device according to a predetermined law. The proposed method involves the construction of a certain set of points S on a section of a flat surface and its subsequent division into cells in such a way that each cell is the set of points closest to one of the elements of the set S. If such a partition is applied to the set S of points located on a spiral The farm, the plane is divided into aperiodically located cells in the form of polygons. Projecting these cells onto a spherical bowl, we obtain a multi-element spiral grid with elements in the form of polygons (Fig. 1) and a surface filling density, in the absence of technological gaps between the elements, about 85%. As can be seen from FIG. 1, the limitation of the filling density is due to the fact that the region at the periphery of the lattice is not occupied by elements. The disadvantages of this method are the fundamental lack of the ability to achieve 100% filling of the lattice surface with elements and, as a consequence, the inability to provide the maximum possible lattice power at a given aperture and intensity on the surface of the elements. In addition, Voronoi’s mosaic on the plane does not provide equal cell areas, and the subsequent projection of elements onto the spherical shell of the lattice changes them and leads to even greater differences in the areas of the lattice elements. The inequality in the area of individual elements creates difficulties in the electrical matching of power amplifiers with different elements, and also worsens the quality of the field with electronic focus scanning. Finally, the arrangement of the elements in a Fermat spiral involves the creation of a round lattice without a hole in the center, whereas in practice both round and rectangular are required gratings with holes of various shapes for the installation of a diagnostic ultrasonic sensor.
Раскрытие изобретения Disclosure of invention
Современные устройства для генерации фокусированного ультразвука высокой интенсивности, как правило, включают несколько основных блоков: фокусирующий излучатель - фазированную решётку, цифровой блок, управляющий частотой, амплитудами и фазами на элементах решётки, многоканальный усилитель мощности для подачи напряжения на элементы решётки, блок согласования импедансов усилителей мощности и элементов решетки, компьютер и т.д. В данной заявке под понятием «устройство» подразумевается фазированная решётка.  Modern devices for generating high-intensity focused ultrasound, as a rule, include several main units: a focusing emitter — a phased array, a digital unit that controls the frequency, amplitudes and phases on the array elements, a multi-channel power amplifier for supplying voltage to the array elements, an amplifier impedance matching unit power and lattice elements, computer, etc. In this application, the term "device" means a phased array.
Технический результат настоящего изобретения состоит в том, что, при заданных апертуре решётки, интенсивности на поверхности ее элементов и случайном характере расположения элементов, генерацию ультразвукового поля с максимально возможной мощностью, требуемой для образования ударных фронтов в фокусе и повышения эффективности разрушения тканей, обеспечивают путем разделения поверхности решетки на элементы в виде многоугольников одинаковой площади с достижением плотности заполнения решетки элементами до 100% (при отсутствии технологических зазоров между элементами).  The technical result of the present invention is that, for a given aperture of the lattice, the intensity on the surface of its elements and the random nature of the arrangement of the elements, the generation of an ultrasonic field with the maximum possible power required to form shock fronts in focus and increase the efficiency of tissue destruction is achieved by separation the surface of the lattice on the elements in the form of polygons of the same area with reaching the density of filling the lattice with elements up to 100% (in the absence of technology gaps between the elements).
Технический результат достигается за счет того, что устройство для неинвазивного локального разрушения биологической ткани представляет собой фазированную решётку со случайным расположением излучающих элементов в виде многоугольников одинаковой площади с допустимой величиной отклонения до 1% и с заполнением элементами до 100% площади поверхности решетки (при отсутствии технологических зазоров между элементами), при этом каждая из сторон элементов внутри решетки является смежной с одной из сторон соседних элементов решетки.  The technical result is achieved due to the fact that the device for non-invasive local destruction of biological tissue is a phased array with a random arrangement of emitting elements in the form of polygons of the same area with an allowable deviation of up to 1% and with elements filling up to 100% of the surface of the array (in the absence of technological gaps between the elements), while each of the sides of the elements inside the lattice is adjacent to one of the sides of adjacent elements of the lattice.
Отличительными особенностями данного устройства являются следующие. Поверхность решетки и ее граница могут иметь произвольную форму. В частности, поверхность решетки может иметь сферическую или цилиндрическую форму; граница решетки может иметь круглую или прямоугольную форму, или форму многоугольника. Решётка может включать центральное отверстие для установки ультразвукового датчика для визуализации области воздействия; при этом отверстие может иметь произвольную форму, например, прямоугольную или круглую . Следует отметить, что в реальных решетках 100%-ное заполнение элементами невозможно ввиду необходимости разделения элементов технологическими зазорами шириной не менее 0.1 - 0.2 мм. Так, например, если в предлагаемой фазированной решетке в отсутствии зазоров между элементами плотность заполнения составляет 100%, то при характерном радиусе элементов 3.5 мм после введения технологического зазора шириной 0.5 мм плотность заполнения будет составлять 86%. Distinctive features of this device are the following. The surface of the lattice and its boundary can have an arbitrary shape. In particular, the surface of the grating may have a spherical or cylindrical shape; the boundary of the lattice may have a round or rectangular shape, or the shape of a polygon. The grill may include a central hole for installing an ultrasonic sensor to visualize the area of influence; however, the hole may have an arbitrary shape, for example, rectangular or round. It should be noted that in real gratings, 100% filling with elements is impossible due to the need to separate elements with technological gaps with a width of at least 0.1 - 0.2 mm. So, for example, if in the proposed phased array in the absence of gaps between the elements, the filling density is 100%, then with a characteristic radius of the elements 3.5 mm after the introduction of a technological gap 0.5 mm wide, the filling density will be 86%.
Случайное расположение излучающих элементов обеспечивает возможность электронного перемещения фокуса в пределах некоторой области, граница которой задаётся уровнем снижения интенсивности в создаваемом фокусе на 50% по сравнению с максимальной достижимой интенсивностью. При электронной фокусировке в пределах указанной области уровень интенсивности побочных максимумов не превышает 10% от интенсивности в основном максимуме.  The random arrangement of radiating elements provides the possibility of electronic focus movement within a certain region, the boundary of which is set by the level of intensity reduction in the created focus by 50% compared to the maximum achievable intensity. With electronic focusing within the indicated region, the intensity level of side maxima does not exceed 10% of the intensity in the main maximum.
Предлагаемое изобретение включает также способ получения шаблона фазированной решётки со случайным расположением излучающих элементов и плотностью заполнения поверхности решетки элементами до 100% (при отсутствии технологических зазоров между элементами) посредством формирования ее компьютерной модели, включающий следующую последовательность операций: выбор формы и границы поверхности решетки; выбор количества элементов; нанесение на полученную поверхность согласно равномерному закону распределения случайного набора большого числа точек, количество которых определяется количеством элементов решетки, при этом на один элемент задают не менее 1000 точек. Затем все точки случайным образом делят на группы по числу элементов решетки. Далее последовательно перебирают все возможные пары групп, между которыми производят попарный обмен точками с целью формирования непересекающихся областей (ячеек). Процесс попарного разделения групп продолжают до тех пор, пока все группы не будут разделены между собой с образованием непересекающихся ячеек. Затем для каждой ячейки строят минимальную по площади выпуклую оболочку, охватывающую все точки ячейки, образующую элемент решетки многоугольной формы и обеспечивающую получение элементов с одинаковой площадью. Для формирования технологического зазора между смежными сторонами элементов каждую сторону элемента параллельно переносят внутрь элемента на половину величины зазора. Краткое описание чертежей The present invention also includes a method for producing a phased array template with a random arrangement of radiating elements and a density of the surface of the array with elements up to 100% (in the absence of technological gaps between the elements) by forming its computer model, which includes the following sequence of operations: selecting the shape and boundary of the surface of the array; selection of the number of elements; drawing on the resulting surface according to the uniform distribution law of a random set of a large number of points, the number of which is determined by the number of lattice elements, with at least 1000 points being set on one element. Then all the points are randomly divided into groups according to the number of lattice elements. Next, all possible pairs of groups are sequentially sorted out, between which a pair exchange of points is carried out in order to form disjoint areas (cells). The process of pairwise separation of groups is continued until all groups are divided among themselves with the formation of disjoint cells. Then, for each cell, a convex hull with a minimum area is built, covering all points of the cell, forming a polygonal lattice element and providing elements with the same area. To form a technological gap between adjacent sides of the elements, each side of the element is parallelly transferred inside the element by half the size of the gap. Brief Description of the Drawings
Предлагаемые способ и устройство поясняются чертежами.  The proposed method and device are illustrated by drawings.
Фиг. 1. Эскиз решетки с расположением элементов на поверхности в виде спирали Ферма и диаграммы (мозаики) Вороного [P. Ramaekers, М. Ries, СТ. W. Moonen, and М. de Greef. Improved intercostal HIFU ablation using a phased array transducer based on Fermat's spiral and Voronoi tessellation: A numerical evaluation, Med. Phys., 2017, vol. 44, no. 3, pp. 1071-1088]. Видно, что область на периферии решетки неизбежно оказывается не занятой элементами, что уменьшает коэффициент заполнения решетки.  FIG. 1. Sketch of the lattice with the arrangement of elements on the surface in the form of a Fermat spiral and Voronoi diagram (mosaic) [P. Ramaekers, M. Ries, ST. W. Moonen, and M. de Greef. Improved intercostal HIFU ablation using a phased array transducer based on Fermat's spiral and Voronoi tessellation: A numerical evaluation, Med. Phys., 2017, vol. 44, no. 3, pp. 1071-1088]. It is seen that the region on the periphery of the lattice inevitably turns out to be not occupied by elements, which reduces the fill factor of the lattice.
Фиг. 2. а) Эскиз существующей 256-элементной решетки, заполненной 6 мм- элементами в виде 16-заходной плотной спирали [V. A. Khokhlova, P. V. Yuldashev, Р. В. Rosnitskiy, A. D. Maxwell, W. Kreider, М. R. Bailey, and О. A. Sapozhnikov. Design of HIFU transducers to generate specific nonlinear ultrasound fields. Physics Procedia, 2016, vol. 87, pp. 132-138]; б) 364-элементная решетка с максимальным заполнением элементами в виде сферических многоугольников. Параметры обеих решеток таковы: частота 1.5 МГц, апертура 144 мм, фокусное расстояние 120 мм, площадь элемента 0.385 см2, диаметр центрального отверстия для диагностического датчика 40 мм, минимальный технологический зазор 0.5 мм. Различаются лишь число элементов, их форма и способ упаковки. FIG. 2. a) A sketch of an existing 256-element lattice filled with 6 mm elements in the form of a 16-entry tight spiral [VA Khokhlova, PV Yuldashev, R. V. Rosnitskiy, AD Maxwell, W. Kreider, M. R. Bailey, and O. A. Sapozhnikov. Design of HIFU transducers to generate specific nonlinear ultrasound fields. Physics Procedia, 2016, vol. 87, pp. 132-138]; b) 364-element lattice with maximum filling with elements in the form of spherical polygons. The parameters of both gratings are as follows: frequency 1.5 MHz, aperture 144 mm, focal length 120 mm, element area 0.385 cm 2 , diameter of the central hole for the diagnostic sensor 40 mm, minimum technological gap 0.5 mm. Only the number of elements, their shape and method of packaging differ.
Фиг. 3. Иллюстрация последовательности операций для осуществления максимально возможного (до 100%) заполнения поверхности решетки элементами в виде многоугольников с одинаковой площадью. Представлены пять совокупностей точек, обозначенных плюсами, кружками, крестиками, точками и ромбами, а) исходное случайное распределение точек разных групп; б) начало процесса попарного разделения совокупностей точек разных групп; в) завершение процесса разделения совокупностей точек и формирование ячеек.  FIG. 3. Illustration of the sequence of operations for the implementation of the maximum possible (up to 100%) filling the surface of the lattice with elements in the form of polygons with the same area. Five sets of points are represented, indicated by pluses, circles, crosses, dots and rhombs, a) the initial random distribution of points of different groups; b) the beginning of the process of pairwise separation of the sets of points of different groups; c) completion of the process of separation of sets of points and the formation of cells.
Фиг. 4. Примеры фокусирующих решеток различной формы и различным видом центрального отверстия. Слева: решётка в виде сегмента сферической поверхности прямоугольной формы с круглым центральным отверстием. Справа: решётка в виде сегмента сферической поверхности круглой формы с прямоугольным центральным отверстием.  FIG. 4. Examples of focusing gratings of various shapes and different types of central holes. Left: a lattice in the form of a segment of a spherical surface of a rectangular shape with a round central hole. Right: a lattice in the form of a segment of a spherical surface of a round shape with a rectangular central hole.
Фиг. 5. Пояснение аналитического метода расчёта дальнего поля многоугольного элемента решётки, а) Разбиение многоугольника на ряд прямоугольных треугольников. б) Схема аналитического расчета поля прямоугольного треугольника в точке с координатами (х, у, z). в) Сравнение распределений звукового давления вдоль оси элемента в виде прямоугольного треугольника. Сплошной линией показаны результаты численного расчета поля с помощью интеграла Рэлея, штриховой линией - результаты аналитического расчёта в приближении дальнего поля. Параметры элемента: стороны прямоугольного треугольника а = 4 мм, b = 3 мм; частота 1 МГц. FIG. 5. Explanation of the analytical method for calculating the far field of a polygonal element of the lattice, a) The partition of the polygon into a series of right-angled triangles. b) Scheme of analytical calculation of the field right triangle at a point with coordinates (x, y, z). c) Comparison of the sound pressure distributions along the axis of the element in the form of a right triangle. The solid line shows the results of numerical calculation of the field using the Rayleigh integral, the dashed line shows the results of analytical calculation in the far field approximation. Element parameters: sides of a right triangle a = 4 mm, b = 3 mm; frequency of 1 MHz.
Фиг. 6. Двумерные распределения амплитуды звукового давления в поле существующей решетки с 256 элементами, размещенными в виде 16-зах одной плотной спирали. Результаты нормированы на значение давления на поверхности элемента, а) Распределения в плоскости вдоль оси решетки; фокус находится в центре кривизны решётки; б) фокус сдвинут электронным образом на расстояние 1 см в сторону от оси; в), г) соответствующие распределения в фокальной плоскости.  FIG. 6. Two-dimensional distribution of the amplitude of sound pressure in the field of the existing lattice with 256 elements placed in the form of 16-zah one dense spiral. The results are normalized to the pressure on the surface of the element, a) Distributions in the plane along the axis of the lattice; the focus is in the center of the lattice curvature; b) the focus is electronically shifted 1 cm away from the axis; c), d) the corresponding distributions in the focal plane.
Фиг. 7. Двумерные распределения амплитуды звукового давления в поле предложенной решетки, состоящей из 364 элементов в виде сферических многоугольников равной площади. Результаты нормированы на значение давления на поверхности элемента, а) Распределения в плоскости вдоль оси решетки; фокус находится в центре кривизны решётки; б) фокус сдвинут электронным образом на расстояние 1 см в сторону от оси; в), г) соответствующие распределения в фокальной плоскости.  FIG. 7. Two-dimensional distribution of the amplitude of sound pressure in the field of the proposed lattice, consisting of 364 elements in the form of spherical polygons of equal area. The results are normalized to the pressure on the surface of the element, a) Distributions in the plane along the axis of the lattice; the focus is in the center of the lattice curvature; b) the focus is electronically shifted 1 cm away from the axis; c), d) the corresponding distributions in the focal plane.
Фиг. 8. Контуры областей возможного перемещения фокуса существующей решётки со спиральным расположением элементов (штриховые кривые) и предлагаемой решетки с элементами в виде сферических многоугольников равной площади (сплошные кривые). Тонкими линиями показаны границы перемещения фокуса с падением интенсивности не более чем на 10% от максимального уровня (отмечены как 0.9) и на 50% (показаны как 0.5). Толстыми линиями показаны границы перемещения фокуса, при котором уровни возникающих побочных максимумов не превышают 10% от значения интенсивности в основном максимуме (отмечены как 0.1).  FIG. 8. The contours of the areas of possible focus movement of the existing lattice with a spiral arrangement of elements (dashed curves) and the proposed lattice with elements in the form of spherical polygons of equal area (solid curves). Thin lines show the boundaries of focus movement with a decrease in intensity of no more than 10% of the maximum level (marked as 0.9) and 50% (shown as 0.5). Thick lines show the boundaries of the focus movement at which the levels of emerging side maxima do not exceed 10% of the intensity value at the main maximum (marked as 0.1).
Осуществление изобретения The implementation of the invention
Ниже в качестве примера, подтверждающего работоспособность предлагаемого способа и устройства для его осуществления, представлены результаты компьютерного моделирования решётки со 100%-ной плотностью заполнения ее поверхности элементами в виде многоугольников (при отсутствии технологических зазоров между смежными сторонами соседних элементов), созданной предлагаемым способом. Проведено сравнение качества распределений интенсивности в поле известной решётки (Фиг. 2а) с плотной спиральной упаковкой элементов на поверхности с известной минимальной величиной зазора между элементами [V. A. Khokhlova, P. V. Yuldashev, Р. В. Rosnitskiy, A. D. Maxwell, W. Kreider, М. R. Bailey, and О. A. Sapozhnikov. Design of HIFU transducers to generate specific nonlinear ultrasound fields. Physics Procedia, 2016, v.87, pp. 132-138] и разработанной решетки с введенным технологическим зазором между элементами той же величины (красные линии на Фиг. 26). Below, as an example, confirming the operability of the proposed method and device for its implementation, the results of computer simulation of a lattice with a 100% density of filling its surface with elements in the form of polygons (in the absence of technological gaps between adjacent sides of adjacent elements) created by the proposed method. The quality of the intensity distributions in the field of the known lattice (Fig. 2a) with dense spiral packing of elements on the surface with a known minimum gap between the elements [VA Khokhlova, PV Yuldashev, R.V. Rosnitskiy, AD Maxwell, W. Kreider, M. R. Bailey, and O. A. Sapozhnikov. Design of HIFU transducers to generate specific nonlinear ultrasound fields. Physics Procedia, 2016, v. 87, pp. 132-138] and the developed lattice with the introduced technological gap between elements of the same size (red lines in Fig. 26).
Параметры решётки с плотной спиральной упаковкой элементов на поверхности (Фиг. 2а) были таковы:  The lattice parameters with dense spiral packing of elements on the surface (Fig. 2a) were as follows:
Частота 1.5 МГц  1.5 MHz frequency
Число элементов 256  Number of Elements 256
Диаметр элементов 7 мм  Diameter of elements 7 mm
Площадь элемента 38.5 мм2 Element area 38.5 mm 2
Величина минимального  Value of the minimum
зазора между элементами 0.5 мм  clearance between elements 0.5 mm
Число заходов плотной спирали 16  The number of visits tight spiral 16
Диаметр решётки 144 мм  Grating diameter 144 mm
Радиус кривизны поверхности: 120 мм  Surface Curvature Radius: 120 mm
Диаметр центрального отверстия 40 мм  Diameter of the central hole 40 mm
Основные параметры предложенной решетки с элементами в виде многоугольников выбраны такими же. Одинаковыми являются площади элементов двух решеток. Отличаются лишь число и форма элементов, а также способ их упаковки. При наличии технологического зазора между элементами равного 0.5 мм плотность заполнения спиральной решетки составляет 60%, плотность заполнения предложенной решетки - 86%. В отсутствии технологических зазоров между элементами плотность заполнения предложенной решетки составляет 100%. Отметим, что указанное значение минимального технологического зазора 0.5 мм обычно считается достаточным для обеспечения надёжной электробезопасности ультразвуковых фазированных решёток высокой мощности.  The main parameters of the proposed lattice with elements in the form of polygons are chosen the same. Equal are the areas of the elements of the two gratings. Only the number and shape of the elements differ, as well as the way they are packaged. If there is a technological gap between the elements equal to 0.5 mm, the filling density of the spiral lattice is 60%, the filling density of the proposed lattice is 86%. In the absence of technological gaps between the elements, the filling density of the proposed lattice is 100%. Note that the indicated value of the minimum technological gap of 0.5 mm is usually considered sufficient to ensure reliable electrical safety of high power ultrasonic phased arrays.
Ниже представлено описание последовательности операций для осуществления максимально возможного (до 100%) заполнения поверхности решетки элементами в виде многоугольников с одинаковой площадью и случайным расположением элементов на поверхности решётки (Фиг. 3). Сначала сплошная поверхность сферической оболочки решетки заменяется набором большого числа точек, которые набрасываются на нее случайным образом согласно равномерному закону распределения. Набрасывание каждой точки происходит следующим образом: ее координаты х, у и z генерируются как стандартные нормальные случайные величины, а затем полученный радиус-вектор (х, у, z) нормируется таким образом, чтобы его конец лежал на поверхности сферы, содержащей в себе сферическую оболочку решетки. В случае, если точка не попадает на поверхность внутри границ решетки - она отбрасывается и набрасывается следующая. Набрасывание точек происходит до тех пор, пока на поверхность решетки не будет набросано достаточного количества точек [Muller, М. Е. A note on a method for generating points uniformly on N-dimensional spheres. Comm. Assoc. Comput. Mach. 2, 19-20, Apr. 1959]. С использованием данного алгоритма была сформирована пятиэлементная решетка в форме сферического сегмента с круглым отверстием в центре. Все точки дискретизации были разделены на N классов (по числу элементов), каждый из которых содержал М точек (Фиг. За). В рассматриваемом случае N = 5, М = 128, общее количество точек N-M = 640. На Фиг. За точки пяти разных классов показаны различными значками: плюсами, кружками, крестиками, точками и ромбами. Деление точек на классы происходит случайным образом, в связи с чем, совокупности («облака») точек различных классов оказываются полностью перемешанными (Фиг. За). Попарное разделение совокупностей точек разных классов реализовано с помощью алгоритма, раскрытого в работе [М. Balzer, Т. Schlomer Т., О. Deussen. Capacity-constrained point distribution: A variant of Lloyd's method. 2009. ACM Trans, on Graphics (Proc. of SIGGRAPH). vol. 28, no. 3, Article 86, 1-8]. Его суть состоит в том, чтобы провести итерационный процесс попарного разделения совокупностей точек, принадлежащих разным классам. На каждой итерации рассматриваются все возможные пары точек различных классов. Для каждой пары точек, согласно математическому правилу, описанному в работе Balzer et al. принимается решение об обмене точек между классами (например, точка ai, принадлежащая первому классу присваивается второму классу, a bj, принадлежащая второму - первому). Данное правило реализует процесс попарного пространственного разделения совокупностей точек. После первой итерации точки выглядят гораздо менее перемешанными (Фиг. 36), однако следы перемешивания все еще наблюдаются. Поэтому итерации продолжаются до достижения полного разделения совокупностей точек (Фиг. Зв). Важно отметить, что после разделения каждая из N = 5 совокупностей точек содержит одинаковое количество М = 128 точек, поскольку обмен точек между их совокупностями всегда происходит попарно. Наконец, для перехода от дискретного представления совокупностей точек к представлению в виде многоугольников, для каждой из совокупностей точек строится замыкающая её выпуклая оболочка (Фиг. Зв). Очевидно, что в результате этого образуются многоугольники, которые и являются элементами решетки, абсолютно плотно заполняющими её поверхность в случае большого числа точек дискретизации. В связи с тем, что каждая ячейка содержит в себе одинаковое количество М точек, разбросанных согласно равномерному закону распределения, то площади ячеек равны, поскольку доля точек, попавших в элемент, с точностью до мультипликативной константы есть состоятельная несмещенная оценка его площади. Below is a description of the sequence of operations for the implementation of the maximum possible (up to 100%) filling the surface of the lattice with elements in the form of polygons with the same area and random the location of the elements on the surface of the lattice (Fig. 3). First, the continuous surface of the spherical shell of the lattice is replaced by a set of a large number of points that are randomly thrown at it according to the uniform distribution law. Each point is poured as follows: its x, y, and z coordinates are generated as standard normal random variables, and then the resulting radius vector (x, y, z) is normalized so that its end lies on the surface of a sphere containing a spherical shell of the lattice. If the point does not fall on the surface inside the boundaries of the lattice, it is discarded and the next one is thrown. Dots are drawn until a sufficient number of dots are scattered on the surface of the grating [Muller, M. E. A note on a method for generating points uniformly on N-dimensional spheres. Comm. Assoc. Comput. Mach. 2, 19-20, Apr. 1959]. Using this algorithm, a five-element lattice was formed in the form of a spherical segment with a round hole in the center. All sampling points were divided into N classes (according to the number of elements), each of which contained M points (Fig. 3a). In the case under consideration, N = 5, M = 128, the total number of points NM = 640. In FIG. Over the points of five different classes are shown with different icons: pluses, circles, crosses, dots and rhombs. The division of points into classes occurs randomly, in connection with which, the sets ("clouds") of points of various classes turn out to be completely mixed (Fig. 3a). Pairwise separation of the sets of points of different classes is implemented using the algorithm disclosed in [M. Balzer, T., Schlomer, T., O. Deussen. Capacity-constrained point distribution: A variant of Lloyd's method. 2009. ACM Trans, on Graphics (Proc. Of SIGGRAPH). vol. 28, no. 3, Article 86, 1-8]. Its essence is to conduct an iterative process of pairwise separation of sets of points belonging to different classes. At each iteration, all possible pairs of points of various classes are considered. For each pair of points, according to the mathematical rule described by Balzer et al. a decision is made on the exchange of points between classes (for example, the point ai belonging to the first class is assigned to the second class, a bj belonging to the second - the first). This rule implements the process of pairwise spatial separation of sets of points. After the first iteration, the points look much less mixed (Fig. 36), however traces of mixing are still observed. Therefore, iterations continue until full separation of sets of points (Fig. Sv). It is important to note that after separation, each of the N = 5 sets of points contains the same number M = 128 points, since the exchange of points between their sets always occurs in pairs. Finally, for the transition from a discrete representation of sets of points to a representation in the form of polygons, for each of the sets of points, a convex hull closures it is constructed (Fig. Sv). Obviously, as a result of this, polygons are formed, which are the elements of the lattice that absolutely densely fill its surface in the case of a large number of sampling points. Due to the fact that each cell contains the same number of M points scattered according to the uniform distribution law, the area of the cells is equal, since the fraction of points that fall into the element, up to a multiplicative constant, is a consistent unbiased estimate of its area.
Аналогичным образом производится 100%-ное заполнение поверхности решетки с более реальным, т.е. со значительно более высоким числом элементов. Так, при указанном выше значении апертуры решётки (144 мм) вместо 256 элементов, расположенных на многозаходной спирали, поместилось 364 элемента в виде многоугольников с одинаковой площадью (см. Фиг. 26). При этом на каждый элемент приходится М = 10240 точек. Заметим, что при разбиении поверхности на ячейки на процесс рассасывания точек влияет большое число параметров: N = 364 совокупностей точек, каждая из которых состоит из М = 10240 точек, перемешенных случайным образом. В связи с этим, окончательное расположение ячеек (элементов решетки) является нерегулярным и апериодическим, что обеспечивает хорошие возможности динамической фокусировки.  Similarly, a 100% filling of the surface of the lattice with a more real one, i.e. with a significantly higher number of elements. So, with the above-mentioned lattice aperture (144 mm) instead of 256 elements located on a multi-helix, 364 elements in the form of polygons with the same area fit (see Fig. 26). In this case, M = 10240 points fall on each element. Note that when dividing the surface into cells, a large number of parameters affect the process of resorption of points: N = 364 sets of points, each of which consists of M = 10240 points randomly mixed. In this regard, the final arrangement of cells (lattice elements) is irregular and aperiodic, which provides good dynamic focusing capabilities.
Для формирования технологического промежутка между смежными сторонами элементов каждую сторону элемента параллельно переносят внутрь элемента на половину величины зазора.  To form a technological gap between adjacent sides of the elements, each side of the element is parallelly transferred inside the element by half the gap.
Предложенный способ позволяет создавать решетки с произвольной формой поверхности, например, сферической и цилиндрической, и произвольной формой границ, например, круглой или прямоугольной. При изменении формы поверхности со сферической на цилиндрическую необходимо учитывать изменение метрики, то есть функции, определяющей расстояние между парой точек дискретизации на поверхности решетки. Решётка может включать центральное отверстие, например, прямоугольной или круглой формы, для установки датчика для контроля очага воздействия (Фиг. 4). The proposed method allows you to create a lattice with an arbitrary surface shape, for example, spherical and cylindrical, and an arbitrary shape of the borders, for example, round or rectangular. When changing the shape of the surface from spherical to cylindrical, it is necessary to take into account the change in the metric, that is, the function that determines the distance between a pair of sampling points on the surface of the lattice. The grill may include a central hole, for example, rectangular or round, for installing a sensor to control the source of exposure (Fig. 4).
Расчет суммарного акустического поля, создаваемого решеткой с заполнением многоугольниками равной площади, может производиться, например, с помощью интеграла Рэлея [Н.Т. O'Neil. Theory of focusing radiators. J. Acoust. Soc. Am. 1949, vol. 21, no 5, pp. 516-526] либо более быстрым аналитическим способом, проиллюстрированным на Фиг. 5. При таком подходе каждый элемент- многоугольник разбивается на совокупность прямоугольных треугольников (Фиг. 5 а), акустическое поле которых вычисляется аналитическим методом (Фиг. 56), который в дальнем поле дает результаты, с высокой точностью согласующиеся с результатами, основанными на использовании интеграла Рэлея (Фиг. 5в). Указанный метод расчета поля многоэлементного ультразвукового излучателя путём суммирования аналитических решений для дальнего поля каждого элемента был предложен ранее в работе [С. А. Ильин, П.В. Юлдашев, В. А. Хохлова, Л.Р. Гаврилов, П.Б. Росницкий, О. А. Сапожников. Применение аналитического метода для оценки качества акустических полей при электронном перемещении фокуса многоэлементных терапевтических решеток. Акуст. журн., 2015, т. 61, N° 1, с. 57- 64]. На Фиг. 6 и 7 представлены результаты сравнительных расчетов двумерных распределений амплитуды звукового давления в полях, создаваемых двумя рассматриваемыми решетками: существующей решетки из 256 элементов, размещенных в виде 16-зах одной плотной спирали, и предложенной решетки, состоящей из 364 элементов в виде сферических многоугольников равной площади. В обоих случаях сверху представлены распределения в плоскости вдоль оси решетки, когда фокус находится в центре кривизны решётки. Снизу приведены распределения, когда фокус сдвинут электронным образом на расстояние 1 см в сторону от оси. На рисунках в) и г) представлены соответствующие распределения в фокальной плоскости.  The calculation of the total acoustic field created by a lattice filled with polygons of equal area can be performed, for example, using the Rayleigh integral [N.T. O'Neil. Theory of focusing radiators. J. Acoust. Soc. Am. 1949, vol. 21, no 5, pp. 516-526] or the faster analytical method illustrated in FIG. 5. With this approach, each polygon element is divided into a set of right-angled triangles (Fig. 5 a), the acoustic field of which is calculated by the analytical method (Fig. 56), which in the far field gives results that are highly accurate with results based on the use of Rayleigh integral (Fig. 5c). The specified method for calculating the field of a multi-element ultrasonic emitter by summing the analytical solutions for the far field of each element was proposed earlier in [S. A. Ilyin, P.V. Yuldashev, V.A. Khokhlova, L.R. Gavrilov, P.B. Rosnitsky, O. A. Sapozhnikov. The use of the analytical method to assess the quality of acoustic fields during electronic focus shifting of multielement therapeutic gratings. Acoustics Zh., 2015, t. 61, N ° 1, p. 57-64]. In FIG. Figures 6 and 7 present the results of comparative calculations of two-dimensional distributions of the amplitude of sound pressure in the fields created by the two lattices under consideration: the existing lattice of 256 elements placed in the form of 16 zokes of one dense spiral, and the proposed lattice consisting of 364 elements in the form of spherical polygons of equal area . In both cases, the top shows the distributions in the plane along the axis of the lattice when the focus is in the center of curvature of the lattice. The distributions are shown below when the focus is electronically shifted 1 cm away from the axis. Figures c) and d) show the corresponding distributions in the focal plane.
Расчеты показывают, что ультразвуковое давление в фокусе предложенной решетки, состоящей из 364 элементов в виде сферических многоугольников равной площади, в 1.4 раза превышает давление в фокусе существующей спиральной решетки, что соответствует отношению плотностей заполнения данных решеток. Соответствующий выигрыш по интенсивности составляет 2.1 раза, что чрезвычайно важно для реализации режимов применения HIFU с максимально возможной мощностью ультразвука при заданной апертуре излучателя и предельно допустимой интенсивностью на его поверхности. Calculations show that the ultrasonic pressure at the focus of the proposed lattice, consisting of 364 elements in the form of spherical polygons of equal area, is 1.4 times higher than the pressure at the focus of the existing spiral lattice, which corresponds to the ratio of the filling densities of these lattices. The corresponding gain in intensity is 2.1 times, which is extremely important for the implementation of HIFU application modes with the maximum possible ultrasonic power at a given aperture of the emitter and the maximum permissible intensity on its surface.
Сравнение качества акустических полей обеих решёток выполнялось по методу, изложенному в работе [С. А. Ильин, П.В. Юлдашев, В. А. Хохлова, Л.Р. Гаврилов, П.Б. Росницкий, О. А. Сапожников. Применение аналитического метода для оценки качества акустических полей при электронном перемещении фокуса многоэлементных терапевтических решеток. Акуст. журн., 2015, т. 61, N° 1, с. 57- 64]. Этот метод позволяет оценить способность решетки осуществлять динамическое фокусирование, т.е. определять расстояние, на которое можно переместить фокус электронным образом с заданным уменьшением интенсивности (например, до уровня 0.9, 0.7, 0.5 и т.д. от максимального уровня интенсивности без перемещения фокуса) без формирования побочных максимумов с интенсивностью, превышающей 10% интенсивности в основном максимуме.  The comparison of the quality of the acoustic fields of both gratings was carried out according to the method described in [S. A. Ilyin, P.V. Yuldashev, V.A. Khokhlova, L.R. Gavrilov, P.B. Rosnitsky, O. A. Sapozhnikov. The use of the analytical method to assess the quality of acoustic fields during electronic focus shifting of multielement therapeutic gratings. Acoustics Zh., 2015, t. 61, N ° 1, p. 57-64]. This method allows you to evaluate the ability of the lattice to perform dynamic focusing, i.e. determine the distance by which you can move the focus electronically with a given decrease in intensity (for example, to the level of 0.9, 0.7, 0.5, etc. from the maximum intensity level without moving the focus) without generating side maxima with an intensity exceeding 10% of the intensity mainly maximum.
Результаты (Фиг. 8) приведены как в аксиальной плоскости (а), так и в фокальной плоскости. Обычно принято считать, что область эффективной фокусировки ограничена уровнем 0.5 уменьшения интенсивности в фокусе при его смещении электронным образом. Видно, что для этого уровня 0.5 отличие контуров для существующей и предлагаемой решеток составляет меньше 1 мм. При этом контуры области безопасного смещения фокуса, при фокусировке внутрь которой уровень побочных максимумов не превышает 10% от интенсивности в основном максимуме, расположены вне контуров области эффективной фокусировки для обеих решеток. Это позволяет рассматривать области внутри контуров эффективной фокусировки как рабочие области динамической фокусировки решеток. Таким образом, предлагаемая решетка со случайно расположенными многоугольными элементами имеет такие же возможности динамической фокусировки, как и непериодическая спиральная решетка с круглыми элементами.  The results (Fig. 8) are shown both in the axial plane (a) and in the focal plane. It is generally accepted that the effective focusing region is limited by the level of 0.5 decrease in intensity in the focus when it is shifted electronically. It can be seen that for this level 0.5, the difference between the contours for the existing and proposed gratings is less than 1 mm. In this case, the contours of the safe focus bias region, when focused inside which the level of side maxima does not exceed 10% of the intensity in the main maximum, are located outside the contours of the effective focusing region for both gratings. This allows us to consider the areas inside the effective focusing contours as the working areas of the dynamic focusing of the gratings. Thus, the proposed lattice with randomly located polygonal elements has the same dynamic focusing capabilities as a non-periodic spiral lattice with round elements.
В рассмотренном примере величина технологического зазора между элементами была равна 0.5 мм, при этом коэффициент заполнения новой решетки составил 86%. Расчеты показывают, что при той же характерной площади элементов, 38.5 мм2, и величине технологического зазора между ними 0.3 мм коэффициент заполнения решетки составит 91%, а при величине зазора 0.2 мм - 94%. Эти величины хорошо согласуются с приближенной аналитической оценкой максимально возможного коэффициента заполнения решетки 1— h · ^π/ S , где h - это величина зазора, a S - площадь элемента. Изготовление устройства по полученному шаблону фазированной решёткиIn the considered example, the technological gap between the elements was equal to 0.5 mm, while the fill factor of the new lattice was 86%. Calculations show that with the same characteristic area of the elements, 38.5 mm 2 , and a technological gap between them of 0.3 mm, the grating filling factor will be 91%, and with a gap of 0.2 mm - 94%. These values are in good agreement with an approximate analytical estimate of the maximum possible lattice fill factor 1 - h · ^ π / S, where h is the gap and S is the element area. Production of the device according to the phased array pattern obtained
(компьютерной модели) со случайным расположением излучающих элементов может быть реализовано с использованием известных из уровня техники методов [А. Khokhlova, P.V. Yuldashev, P.B. Rosnitskiy, A.D. Maxwell, W. Kreider, M.R. Bailey, and O. A. Sapozhnikov. Design of HIFU transducers to generate specific nonlinear ultrasound fields. Physics Procedia, 2016, vol. 87, pp. 132-138; Голанд В.И., Кушкулей Л.М. Сильно фокусирующие многоэлементные терапевтические излучатели для неинвазивной ультразвуковой абляции жировой ткани. Акуст. журн. 2009. Т. 55. N° 4-5. С. 481-495; Hand J.W., Shaw A, Sadhoo N, Rajagopal S, Dickinson R.J., Gavrilov L.R. A random phased array device for delivery of high intensity focused ultrasound. Phys. Med. Biol. 2009. vol. 54. pp. 5675-5693; K.P. Morrison, G.W. Keilman. Single Archimedean spiral close packed phased array HIFU. 2014 ГЕЕЕ R7S Proceedings. 2014, pp. 400-404], основанных, например, на применении лазерной абляции проводящего покрытия для создания зазоров между элементами [US5855049, дата публикации 05.01.1999]. (computer model) with a random arrangement of radiating elements can be implemented using methods known from the prior art [A. Khokhlova, P.V. Yuldashev, P.B. Rosnitskiy, A.D. Maxwell, W. Kreider, M.R. Bailey, and O. A. Sapozhnikov. Design of HIFU transducers to generate specific nonlinear ultrasound fields. Physics Procedia, 2016, vol. 87, pp. 132-138; Goland V.I., Kushkuley L.M. Strongly focusing multi-element therapeutic emitters for non-invasive ultrasonic adipose tissue ablation. Acoustics journal 2009.V. 55. N ° 4-5. S. 481-495; Hand J.W., Shaw A, Sadhoo N, Rajagopal S, Dickinson R.J., Gavrilov L.R. A random phased array device for delivery of high intensity focused ultrasound. Phys. Med. Biol. 2009. vol. 54. pp. 5675-5693; K.P. Morrison, G.W. Keilman. Single Archimedean spiral close packed phased array HIFU. 2014 GEEEE R7S Proceedings. 2014, pp. 400-404], based, for example, on the use of laser ablation of a conductive coating to create gaps between the elements [US5855049, publication date 01/05/1999].
В любом случае, при заданной общей площади решетки и заданной величине минимального зазора между ее элементами предлагаемые способ и устройство позволяют обеспечить максимально возможную активную площадь решетки без ухудшения качества поля при электронном смещении фокуса, характерного для более разреженных непериодических решеток.  In any case, for a given total area of the grating and a given value of the minimum gap between its elements, the proposed method and device can provide the maximum possible active area of the grating without deteriorating the field quality with an electronic focus shift characteristic of more sparse non-periodic gratings.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Устройство создания высокоинтенсивных фокусированных ультразвуковых полей для неинвазивного локального разрушения биологической ткани, представляющее собой фазированную решётку со случайным расположением излучающих элементов в виде многоугольников, площади которых отличаются до 1% при наличии или отсутствии технологических промежутков между элементами, где каждая из сторон элементов внутри решетки является смежной с одной из сторон соседних элементов. 1. A device for creating high-intensity focused ultrasonic fields for non-invasive local destruction of biological tissue, which is a phased array with a random arrangement of emitting elements in the form of polygons, the areas of which differ up to 1% in the presence or absence of technological gaps between the elements, where each of the sides of the elements inside the lattice is adjacent to one of the sides of adjacent elements.
2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что излучающие элементы расположены с обеспечением возможности перемещения фокуса электронным образом до уровня снижения интенсивности в фокусе на 50% по сравнению с максимальной достижимой интенсивностью без формирования побочных максимумов с интенсивностью, превышающей 10% интенсивности в основном максимуме.  2. The device according to claim 1, characterized in that the radiating elements are arranged so that the focus can be moved electronically to a level of intensity reduction in focus by 50% compared to the maximum achievable intensity without generating side maxima with an intensity exceeding 10% of the intensity mainly maximum.
3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что технологические промежутки между элементами составляют не более 0.5 мм.  3. The device according to claim 1, characterized in that the technological gaps between the elements are not more than 0.5 mm.
4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что поверхность решетки и ее граница имеют произвольную форму.  4. The device according to claim 1, characterized in that the surface of the lattice and its boundary are arbitrary in shape.
5. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что поверхность решетки имеет сферическую или цилиндрическую форму.  5. The device according to claim 1, characterized in that the surface of the lattice has a spherical or cylindrical shape.
6. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что граница решетки имеет круглую форму, или прямоугольную форму, или форму многоугольника.  6. The device according to claim 1, characterized in that the boundary of the lattice has a circular shape, or a rectangular shape, or a polygon shape.
7. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что решётка включает центральное отверстие для установки датчика для контроля очага воздействия.  7. The device according to p. 1, characterized in that the grill includes a Central hole for installing a sensor to control the source of exposure.
8. Устройство по п. 7, характеризующееся тем, что центральное отверстие имеет прямоугольную, круглую или овальную форму.  8. The device according to p. 7, characterized in that the Central hole has a rectangular, round or oval shape.
9. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что в отсутствие технологических промежутков между элементами, заполнение элементами поверхности решетки составляет до 100% ее площади.  9. The device according to p. 1, characterized in that in the absence of technological gaps between the elements, filling the surface of the lattice with the elements is up to 100% of its area.
10. Способ изготовления устройства по 1, включающий получение шаблона фазированной решётки со случайным расположением излучающих элементов посредством формирования ее компьютерной модели с последующим изготовлением устройства по полученному шаблону, при этом для получения шаблона осуществляют: - выбор формы поверхности и формы границы решетки, а также количества ее излучающих элементов, 10. A method of manufacturing a device according to claim 1, comprising obtaining a phased array pattern with a random arrangement of radiating elements by forming its computer model, followed by manufacturing the device according to the pattern obtained, in order to obtain a pattern: - the choice of the surface shape and the shape of the boundary of the lattice, as well as the number of its radiating elements,
- нанесение на полученную поверхность согласно равномерному закону распределения случайного набора точек, количество которых определяют исходя из количества элементов решетки, при этом на один элемент задают не менее 1000 точек, все точки случайным образом делят на группы по числу элементов решетки, - drawing on the resulting surface according to the uniform distribution law of a random set of points, the number of which is determined based on the number of lattice elements, at least 1000 points are set on one element, all points are randomly divided into groups according to the number of lattice elements,
- выбирают пару групп, в которых производят попарную замену точек с формированием непересекающихся областей, с последующим перебором оставшихся пар групп, - choose a pair of groups in which the pairwise replacement of points with the formation of disjoint areas, followed by enumerating the remaining pairs of groups,
- процесс попарного разделения групп продолжают до тех пор, пока все группы не будут разделены между собой с образованием непересекающихся ячеек, - the process of pairwise separation of groups is continued until all groups are divided among themselves with the formation of disjoint cells,
- для каждой ячейки строят минимальную по площади выпуклую оболочку, охватывающую все точки ячейки и образующую элемент решетки многоугольной формы, с получением активных элементов одинаковой площади, при этом каждая из сторон элементов внутри решетки является смежной с одной из сторон соседних элементов. - for each cell, a minimum convex hull is constructed, covering all points of the cell and forming a polygonal lattice element, with active elements of the same area being obtained, each side of the elements inside the lattice adjacent to one of the sides of adjacent elements.
11. Способ по п.10, характеризующийся тем, что осуществляют формирование технологических зазоров между смежными сторонами элементов, при этом каждую сторону элемента параллельно переносят внутрь элемента на половину величины технологического зазора.  11. The method according to claim 10, characterized in that the formation of technological gaps between adjacent sides of the elements is carried out, while each side of the element is simultaneously transferred inside the element by half the size of the technological gap.
PCT/RU2018/050049 2017-05-11 2018-05-10 Method and device for producing high-intensity focused ultrasonic fields for non-invasive local destruction of biological tissues WO2018208189A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017116435A RU2662902C1 (en) 2017-05-11 2017-05-11 Method and device for creation of high-intensity focused ultrasound fields for noninvasive local destruction of biological tissue
RU2017116435 2017-05-11

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018208189A1 true WO2018208189A1 (en) 2018-11-15

Family

ID=62976115

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2018/050049 WO2018208189A1 (en) 2017-05-11 2018-05-10 Method and device for producing high-intensity focused ultrasonic fields for non-invasive local destruction of biological tissues

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2662902C1 (en)
WO (1) WO2018208189A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113712631A (en) * 2021-09-02 2021-11-30 南京广慈医疗科技有限公司 Preparation method of randomly distributed three-dimensional phased array probe

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008015521A2 (en) * 2006-08-01 2008-02-07 Insightec, Ltd Ultrasound transducer array with non-uniform elements
US20110251527A1 (en) * 2008-03-13 2011-10-13 Ultrashape Ltd. Operation of patterned ultrasonic transducers
WO2016099279A1 (en) * 2014-12-19 2016-06-23 Umc Utrecht Holding B.V. High intensity focused ultrasound apparatus
RU2589649C1 (en) * 2015-03-19 2016-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method and device for non-invasive local destruction of biological tissue

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5855049A (en) * 1996-10-28 1999-01-05 Microsound Systems, Inc. Method of producing an ultrasound transducer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008015521A2 (en) * 2006-08-01 2008-02-07 Insightec, Ltd Ultrasound transducer array with non-uniform elements
US20110251527A1 (en) * 2008-03-13 2011-10-13 Ultrashape Ltd. Operation of patterned ultrasonic transducers
WO2016099279A1 (en) * 2014-12-19 2016-06-23 Umc Utrecht Holding B.V. High intensity focused ultrasound apparatus
RU2589649C1 (en) * 2015-03-19 2016-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method and device for non-invasive local destruction of biological tissue

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MICHAEL BALZER ET AL: "Capacity-constrained point distributions", ACM TRANSACTIONS ON GRAPHICS (TOG), ACM, US, vol. 28, no. 3, 27 July 2009 (2009-07-27), pages 1 - 8, XP058145404, ISSN: 0730-0301, DOI: 10.1145/1531326.1531392 *
PAVEL B. ROSNITSKIY ET AL: "Method for Designing Multielement Fully Populated Random Phased Arrays for Ultrasound Surgery Applications", IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS AND FREQUENCY CONTROL, vol. 65, no. 4, 1 April 2018 (2018-04-01), US, pages 630 - 637, XP055507077, ISSN: 0885-3010, DOI: 10.1109/TUFFC.2018.2800160 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113712631A (en) * 2021-09-02 2021-11-30 南京广慈医疗科技有限公司 Preparation method of randomly distributed three-dimensional phased array probe

Also Published As

Publication number Publication date
RU2662902C1 (en) 2018-07-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2468840C2 (en) Symmetrical and preferentially deflectable random meshes for ultrasonic therapy
US9199100B2 (en) Ultrasound transducer for medical use
EP3086844B1 (en) Device for treatment of a tissue
Rosnitskiy et al. Design of HIFU transducers for generating specified nonlinear ultrasound fields
US6135971A (en) Apparatus for deposition of ultrasound energy in body tissue
NL2014025B1 (en) High intensity focused ultrasound apparatus.
Rosnitskiy et al. Method for designing multielement fully populated random phased arrays for ultrasound surgery applications
CA2849106C (en) System and method for control and monitoring of conformal thermal therapy
Gavrilov The possibility of generating focal regions of complex configurations in application to the problems of stimulation of human receptor structures by focused ultrasound
US20060184072A1 (en) Ultrasonic medical treatment device with variable focal zone
Liu et al. Feasibility of transrib focused ultrasound thermal ablation for liver tumors using a spherically curved 2D array: A numerical study
Ramaekers et al. Evaluation of a novel therapeutic focused ultrasound transducer based on Fermat’s spiral
Ellens et al. A novel, flat, electronically-steered phased array transducer for tissue ablation: preliminary results
JP2021510104A (en) Multi-frequency ultrasonic transducer
Xu et al. A spine-specific phased array for transvertebral ultrasound therapy: Design and simulation
JP7438511B2 (en) Method of manufacturing lens and ultrasonic device including lens
RU2662902C1 (en) Method and device for creation of high-intensity focused ultrasound fields for noninvasive local destruction of biological tissue
Rosnitskiy et al. Designing fully populated phased arrays for noninvasive ultrasound surgery with controlled degree of irregularity in the arrangement of elements
Filonenko et al. Heating of biological tissues by two-dimensional phased arrays with random and regular element distributions
Zubair et al. Simulation of a modified multielement random phased array for image guidance and therapy
Chauhan et al. A multiple focused probe approach for high intensity focused ultrasound based surgery
RU2589649C1 (en) Method and device for non-invasive local destruction of biological tissue
CN112214926A (en) Annular ultrasonic transducer with ultrasonic structure surface acoustic lens and optimization design method
Shim et al. A sparse-element phased array system based on sequentially multiple focusing for the treatment of large tumors
Gavrilov Evolution of high-intensity focusing systems for different applications in medicine

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18743105

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18743105

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1