專利名稱：用于控制穿過非均勻組織傳播的超聲能量并冷卻該非均勻組織的系統和方法
技術領域：
本發明的領域總的涉及熱能處理系統，尤其涉及用于控制穿過非均勻組織(諸如顱骨)傳播的聲能的強度以及冷卻該非均勻組織的系統和方法。
背景技術：
高強度聚焦聲波(諸如頻率大于20千赫的超聲或聲波)可被用于治療患者體內的組織區域。例如，超聲波可用于涉及腫瘤消融的應用中，由此無須引入介入性手術、靶向給藥、控制血腦障壁、凝塊溶解以及其他外科方法。聚焦超聲系統一般包括壓電換能器，該壓電換能器由電信號驅動以產生超聲能量。在這樣的系統中，換能器能夠在幾何上這樣成形和定位由換能器陣列發出的超聲能量共同地在對應于目標組織區域的“焦點區域”形成聚焦束。此處使用的術語“束”、“能量束” 或“聲能束”一般指由聚焦超聲系統的各個發射元件發出的波的總和。當使用聚焦超聲“能量束”來熱處理身體的特定區域(例如消融腫瘤)時，該能量束必須精確地聚焦到目標位置，以避免損傷目標區域周圍的健康組織。為此，換能器被連續地聚焦并激勵在多個互相接近的焦點區域。例如，可使用一系列“超聲波破碎 (sonication) ”以導致所需尺寸和形狀的組織結構壞死。圖1和圖2示出了一種已知的可被用于這些目的的超聲系統100。所示出的系統 100包括成像器110，用于確定患者160的顱骨162的特征；η個換能器元件122的相控陣列120，其形式可以為球形帽(如圖2所示)；控制器140，可操作地耦合到成像器110;信號調節器130，可操作地耦合到控制器140 ；以及頻率發生器或能量源150，諸如射頻(RF)發生器，可操作地耦合到信號調節器130。換能器元件122為壓電換能器元件，例如壓電陶瓷片。信號調節器130包括相位調節元件132i η(總的為132)和相關聯的放大器131 η(總的為134)。頻率發生器150將 RF信號作為輸入提供給信號調節器130。RF發生器150和信號調節器130被構成為在相同的頻率下驅動換能器陣列120的各個換能器元件122，但是相位不同。使用這樣的控制來將超聲能量穿過患者的顱骨162傳送并將能量聚焦到大腦164內部的選定目標區域。優選地，在換能器陣列120的內表面和患者顱骨162的外部之間引入可傳導聲波的液體或凝膠體202，以阻止任何可能降低所施加能量的效率的聲學反射空氣隙。在所示的系統100中，基于RF發生器150的輸出的η個輸入信號被提供給信號調節器130。η對放大器132^13 和相關的移相器134^13^被耦合以接收η個輸入信號中的每一個信號。每個放大器132-移相器134對代表調節器130的一個信號通道。移相器134被構成為通過由各自的移相系數134對來自RF發生器的傳入信號改變或調節而向放大器132提供η個獨立的輸出信號。放大器132的輸出驅動換能器元件122，且由換能器元件 122發出的總的能量IM形成聚焦的超聲能量束，該能量束穿過顱骨162且聚焦到達到164 內部的目標區域210。在序列號為6，612，988和6，666，833的美國專利中描述了已知系統 100和球形帽換能器的其他方面，通過引用將上述專利的內容合并于此，如同對全文進行描述一樣。盡管圖1和圖2中所示的聚焦超聲系統和球形帽換能器已經在過去被有效的使用，但是其能夠被改進，尤其是在涉及非均勻組織(例如顱骨)的處理過程中的改進。大致如圖3所示，典型的人類顱骨162包括多層組織層，該多層組織層包括外層301、骨髓層302 以及內層或皮質層303，該皮質層的形狀高度不規則。當皮質層303暴露于超聲能量時，皮質層303的不規則可導致顱骨162的特定部分會受到過度加熱的影響。另外，試圖將能量聚焦到焦點區域210會導致顱骨162的特定部分被過度加熱，從而損傷鄰近的健康組織。因此，“非均勻”意味著不同的組織類型、形狀和/或構造，從而對超聲能量的反應不同。已知的超聲治療系統可操作為將超聲束聚焦到所需焦點區域210，其目的為精確地消融目標組織。盡管這能夠避免目標區域212周圍的組織的消融，但是顱骨162會再次吸收大部分能量并變得過熱，從而導致鄰近組織的損傷。換句話說，只不過是一種類型的傷害換成了另外一種。
發明內容
本發明的實施例是指將聚焦超聲波以不會傷害目標區域之外的健康組織的方式應用到非均勻組織。第一方面，提供一種用于控制具有多個換能器元件的換能器陣列的強度的方法， 每個換能器元件首先與相應的組織區域相關聯，該方法包括確定當換能器陣列向目標區域傳送聚焦超聲波時將被穿過的非均勻組織區域(例如顱骨)的解剖學特征。基于相應的非均勻組織區域的解剖學特征以及與該區域相關聯的預定的能量閾值(例如最高溫度)確定每個換能器元件在目標區域的優選的超聲能量強度。然后在各自相應的優選強度下驅動各個換能器元件，憑此導引超聲能量穿過非均勻組織。結果，由換能器陣列發出的被導引的超聲能量在換能器陣列上是非均勻的，且在滿足預定閾值的同時被最大化。在本發明的某些實施例中，該解剖學特征可包括非均勻組織的厚度、非均勻組織的密度、由換能器元件發出的射線進入非均勻組織的入射點和/或由換能器元件發出的射線離開非均勻組織的出射點。另外，所發出的超聲能量的強度還受到非均勻組織的溫度上升的影響。在本發明的各個實施例中，由各個換能器元件發出的超聲能量的強度在約0瓦特至約10瓦特之間。由各個換能器元件發出的超聲能量的最小強度和最大強度之差在約 0. 0瓦特至約10瓦特之內變化。在一些例子中，(利用例如核磁共振測溫法)測量非均勻組織的實際溫度并與最高溫度相比較，如果所測溫度超過最大值，則冷卻非均勻組織。在一些例子中，可停止超聲換能器。冷卻過程可包括使冷卻液體在位于超聲換能器和非均勻組織之間的界面中循環、 測量冷卻液體的溫度、將所測溫度與最高溫度相比較。可產生表示比較結果的輸出信號并顯示給操作者。另一方面，提供一種用于控制由具有多個換能器元件的換能器陣列發出的超聲能量的強度的方法，該方法包括確定非均勻組織(例如顱骨)區域的解剖學特征、對每個換能器元件模擬相應的非均勻組織區域被基于解剖學特征的強度的超聲能量加熱的效果、以及基于該模擬和預定的閾值(例如最高溫度)確定每個換能器元件的超聲能量的最大強度。在一些實施例中，可基于該模擬生成強度分布圖，該強度分布圖包括每個換能器元件的超聲能量強度值，從而使換能器陣列發出的超聲能量被最大化且在換能器陣列上是非均勻的，同時滿足預定的閾值。可基于該強度值驅動該換能器元件，從而引導一束超聲能量穿過非均勻組織區域(例如到達非均勻組織之外的目標區域)。在一些例子中，(利用例如核磁共振測溫法)測量非均勻組織的實際溫度并與最高溫度相比較，如果所測溫度超過最大值，則冷卻該非均勻組織。在一些例子中，可停止超聲換能器。冷卻過程可包括使冷卻液體在位于超聲換能器和非均勻組織之間的界面中循環、 測量冷卻液體的溫度、以及將所測溫度與最高溫度相比較。可產生表示比較結果的輸出信號并顯示給操作者。在各個實施例中，由各個換能器元件發出的超聲能量的強度在約0. 0瓦特至約10 瓦特之間。另一方面，提供一種控制具有多個換能器元件的換能器陣列的強度的系統，該系統包括成像系統、控制器和驅動電路。成像系統被構成為確定非均勻組織區域(例如顱骨) 的解剖學特征，同時控制器被構成為基于所確定的解剖學特征和與該組織區域相關聯的預定閾值(例如最高溫度)來確定可允許的由每個換能器元件發送到(以及穿過)相應的非均勻組織區域中的最大超聲能量強度。驅動電路驅動換能器元件發出穿過該非均勻組織的所確定的最大強度的超聲能量。在各個實施例中，計算機斷層掃描(CT)成像系統可被用于確定該非均勻組織的解剖學特征，且核磁共振成像(MRI)系統可被用于與CT成像系統相結合來相對于非均勻組織區域定位換能器元件。在特定例子中，在換能器元件被驅動的同時，MRI系統確定非均勻組織的實際溫度，且控制器還被構成為當所測得的實際溫度超過最高溫度時生成輸出信號指示。在一些實施例中，各個換能器元件可獨立的控制，從而使得每個非均勻組織區域的溫度不會超過該區域的最高溫度。該系統還包括液體界面，其與換能器為一體，且耦合到控制器，以使得該液體界面位于非均勻組織區域周圍并便于使冷卻液體在非均勻組織周圍周期性地或連續地循環。在一些例子中，溫度傳感器可位于界面內以能夠測量冷卻液并將所測得的溫度通信給控制
ο另一方面，提供一種控制包括多個換能器元件的換能器陣列的強度的系統，該系統包括成像系統、控制器和驅動電路。成像系統被構成為確定非均勻組織區域的解剖學特征，且控制器被構成為對每個換能器元件至少部分地基于所確定的解剖學特征模擬相應的非均勻組織區域被加熱的效果。控制器還基于該模擬和預定閾值(例如最高允許溫度)來確定可允許的由每個換能器元件發出的最大超聲能量強度。驅動電路使換能器元件發出所確定的最大強度的超聲能量。
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在一些實施例中，控制器可基于該模擬生成每個換能器的超聲能量強度值的強度分布圖。該系統還可包括MRI系統，該MRI系統測量非均勻組織的溫度，基于該溫度，如果超過最高溫度，使控制器生成指示超過最高溫度的輸出信號。在一些例子中，各個換能器元件可獨立的配置，從而確保每個組織區域的溫度不會超過最高溫度。該系統還可包括液體界面，其與換能器為一體，且耦合到控制器，以使得該液體界面位于非均勻組織區域周圍并便于使冷卻液體在非均勻組織周圍周期性地或連續地循環。 在一些例子中，溫度傳感器可位于界面內以能夠測量冷卻液并將所測得的溫度通信給控制器。在另一方面中，提供一種在向顱骨組織傳送超聲能量過程中冷卻顱骨組織的方法，包括將患者的頭部放置到超聲換能器中，使得與超聲換能器為一體的液體界面位于患者顱骨組織周圍，并位于超聲換能器的內表面和顱骨組織之間。換能器元件以這樣的方式被驅動使一束超聲能量穿過顱骨組織，憑此加熱顱骨組織，冷卻液在液體界面內(周期性地或連續地)循環以冷卻顱骨。在一些例子中，在傳送超聲能量之前開始循環該液體。可(利用例如界面內的溫度傳感器)監控在界面內循環的液體的溫度和/或壓力，可產生指示該液體是否超過最高溫度的輸出信號。該信號可被顯示給使用者，從而允許使用者中斷超聲能量向顱骨的傳送。本發明的另一方面，用于在施加超聲能量穿過顱骨組織期間冷卻患者顱骨組織的系統，包括具有多個換能器元件的超聲換能器和液體界面。換能器可放置在顱骨組織周圍并發出穿過顱骨組織的超聲能量。液體界面與超聲換能器為一體，且放置在超聲換能器和顱骨組織之間，并便于冷卻液在顱骨組織周圍的連續循環。
現在參考附圖，其中相似的數字在所有的圖上被用來表示相似的部件，其中圖1為已知超聲治療系統的一個例子的示意圖；圖2為可與圖1所示的超聲治療系統一起使用的已知的球形帽換能器的示意圖；圖3大致示出了人類顱骨的組織層；圖4為示出了根據本發明一個實施例的在涉及對非均勻組織治療期間控制由換能器陣列元件發出的能量強度的方法的流程圖；圖5為根據本發明一個實施例的在治療大腦組織期間控制由換能器陣列元件發出的能量強度的方法的流程圖，同時顱骨組織的溫度可保持低于最高或閾值溫度；圖6示出了用在實施例中以確定顱骨區域的幾何分布的射線分析圖；圖7為示出了根據一個實施例的確定與熱模擬有關的強度和生成強度分布圖的方法的流程圖；圖8為示出了根據一個實施例的執行熱模擬的結果的一個示例的曲線圖；圖9示出根據一個實施例的所生成的強度分布圖的一個例子；圖10為示出了根據一個實施例的冷卻非均勻組織的方法的流程圖；圖11為示出了根據另一個實施例的冷卻非均勻組織的方法的流程圖，其中手動或通過控制器執行冷卻調節；圖12示出了根據一個實施例構成的冷卻界面，其與超聲換能器為一體，并提供連續的冷卻液體流；以及圖13示意性示出了根據一個實施例構成的冷卻系統，其可與圖12中所示的冷卻
界面一起使用。
具體實施例方式本發明的實施例有益地控制并優化了由換能器陣列發出的能量，從而有效地將能量聚焦到焦點區域，同時將非均勻組織(諸如顱骨)的溫度維持在可接受和安全的范圍。特別地，本發明的實施例能夠精確地將能量束聚焦到目標區域以避免損傷目標區域周圍的健康組織，同時降低或防止顱骨的加熱，因此也阻止或降低對鄰近顱骨的組織的損傷。通過控制由各個換能器元件發出的能量的強度從而可滿足顱骨溫度的標準或閾值，可實現這些顯著的優點。所期望的總體能量能夠在焦點處被最大化，同時目標區域以外的溫度閾值或標準在元件接元件的基礎上在局部是令人滿意的，和/或在整體上令人滿意。可使用與換能器一體的冷卻系統來監測顱骨組織的溫度并在必要時冷卻顱骨組織。該冷卻系統可被用于在治療過程中顱骨被加熱到顱骨溫度超過所需或閾值溫度或其他安全標準的程度的情況下冷卻顱骨。參考圖4至圖13描述本發明的實施例的另一些方面。見圖4，根據一個實施例的用于控制換能器陣列120的強度的方法400包括使用圖1所示的成像器110確定非均勻組織區域的解剖學特征(步驟40 。在步驟410中，基于從成像器110接收到的信息控制各個換能器元件122的強度，另外，如果需要的話，控制各個換能器元件122的強度也可基于特定的預定閾值或標準，諸如最大允許強度或其它安全標準。這樣一來，可逐個元件地確定并控制由各個換能器元件122發出的能量強度124。 在步驟415中，換能器元件122以各自所確定的強度被驅動，從而導致在換能器陣列120和非均與組織上形成非均勻的強度分布。在一些實施例中，驅動換能器元件122以在各自所確定的強度下產生超聲能量 124，同時確保一起被傳輸的超聲能量的總量滿足預定的閾值。特別地，可選擇由換能器陣列120發出的能量IM的總量，或通過局部最大化穿過不同顱骨162區域的聲能IM而使得該總量最大化，且在整個換能器陣列120上逐個元件地及整體地同時滿足預定的閾值。由此，總的超聲能量1 被最大化，并被聚焦到目標區域210，且具有非均勻的溫度輪廓或分布，該輪廓或分布同時滿足局部(例如，相對于單個元件或由單個信號驅動的一小組元件) 和整體閾值或標準。根據一個實施例，該預定的閾值為組織的最高溫度，該非均勻組織為顱骨162。顱骨162可被限定為多個區域，每個區域可關聯或對應特定的換能器元件122或元件組。特別地見圖5，用于控制換能器陣列120發出的能量124的強度的方法500包括使用成像器 110確定顱骨162的多個區域的解剖學特征(步驟505)。在多個實施例(例如，方法400的步驟405和/或方法500的步驟50 中，成像系統110包括計算機斷層掃描(CT)成像和/或核磁共振成像(MRI)元件。可利用CT成像例如獲取顱骨162的解剖學特征，諸如顱骨厚度、局部骨密度和/或包括相對于顱骨162表面區域的法線的方向的或幾何的特征。可利用MRI成像來相對于顱骨162定位多個換能器元件122和/或用于治療計劃的目的。可使用多模態配準或其他類似的技術合并對于給定顱骨162的CT和MRI數據。
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圖6示出了將換能器元件122相對于顱骨162和目標區域210布置后，穿過代表顱骨區域602的CT生成的空間的體素的單一射線600。在一些實施例中，一組χ射線600 被投影穿過代表多個顱骨區域602的一組CT空間。可確定沿射線600并穿過每個空間或顱骨區域602的像素值604，且像素值604可排列為形成對于每一顱骨區域602的CT強度分布。像素值可代表，例如χ射線在顱骨區域602中的吸收度(一般由“Hoimsfield數”或 "CT數”來計量)。在一些實施例中，這樣的信息可被用于將χ射線吸收系數與超聲吸收系數相關聯。沿每一射線600的骨頭或顱骨組織的CT強度是已知的，可基于CT強度分布確定顱骨區域602的各種幾何特征以及穿過其的相應射線600。這樣的幾何特征的例子包括射線600的進入顱骨區域602的入射點、射線600從顱骨區域602射出的出射點、不同顱骨組織層301-303的厚度、和/或以CT單位計量的CT區域602的平均局部密度。然后射線分析期間獲得的數據可被用于構建顱骨162的內部和外部表面，從而形成顱骨的局部幾何特征分布圖。再次參考圖5，在步驟510，可基于之前已經確定的解剖學特征(步驟50 和顱骨或顱骨區域的最大溫度或閾值溫度來確定或控制由每個換能器元件122發出的超聲能量 124的強度。根據一個實施例，并進一步參考圖7，步驟510還包括熱-聲模擬。在這樣的例子中，熱-聲模擬可包括分析穿過顱骨區域602的聲學路徑(步驟70 ，進行熱模擬以評估不同的顱骨區域602如何吸收不同量的能量以及如何具有不同的熱分布(步驟710)， 確定每個換能器元件122應發出的最佳能量強度(步驟71 ，以及產生對應于換能器元件 122的強度分布圖(步驟720)。所得的強度分布圖包括由各個單獨的換能器元件122發出的能量的最優化強度值，其共同地使傳送到目標區域210的能量最優化，同時如上所述滿足一個或多個溫度閾值或安全標準。根據一個實施例，可逐個元件地執行步驟705和710，以評估不同的顱骨組織區域 602在超聲能量IM穿過顱骨160時將如何被加熱。為此，可利用局部顱骨組織的幾何結構(如上述討論的，且在步驟505中確定的)和穿過顱骨600的聲波的速度來分析穿過顱骨區域602的射線600的聲學路徑，并預測最終顱骨區域602將如何被加熱(基于之前確定的解剖學特征)。在一些例子中，可利用使CT強度相關于聲波速度的經驗模型來確定穿過顱骨區域602的聲波的速度，或根據其他已知的技術來確定。然后可求解每一顱骨區域 620的熱力方程或模型，或應用該熱力方程或模型來預測給定顱骨區域602將如何被由相應的換能器元件122或換能器元件122的組發出的超聲能量IM加熱。例如，可利用斯涅爾定律分析射線600和顱骨160表面之間的入射角度，從而估計出由某一換能器元件122發出的聲學射線600的路徑，該射線600穿過顱骨區域602并指向大腦164中的目標區域210。利用聲學路徑分析還能夠估計出從顱骨160表面反射的能量以及顱骨區域602內部的能量衰減和吸收。可對于每一顱骨區域602重復該分析，從而獲得多個顱骨區域602的估計出的能量反射、吸收和衰減的完整圖像。再一次參考圖7，聲學路徑信息(在步驟705得到)被用于模擬一個獨立的顱骨區域(由之前執行的聲學路徑分析特征化)如何隨時間變化而在沿穿過顱骨區域602的射線 600的每一點或像素604上被加熱。然后該信息可被用于評估能夠影響顱骨區域602的加熱的從顱骨600反射的能量的量以及被顱骨吸收的能量的量。為此，基于顱骨162外側301 (該顱骨外側301由10°C -20°C的水冷卻)與遠離處于體溫的表面的組織之間的溫度梯度，熱模擬采用穩態溫度分布。然后可使用熱表達式或模型來迭代求解每一顱骨區域的熱效應。一個合適的可被用于該目的的熱模型的例子是線性熱力方程，該方程可用合適的邊界條件來數值求解。對于特定顱骨區域602的熱模擬的結果可表示為熱模擬曲線圖800(圖8)，該曲線圖中χ軸繪制的為顱骨組織深度(mm)，模擬溫度沿y軸上升。可對每一換能器元件122(或換能器元件組)和相應的顱骨區域602進行熱模擬分析，從而得到顱骨162上的整體熱模擬，并在暴露于超聲能量時得到對每一顱骨區域602的熱量上升的預測。再次參考圖7，并進一步參考圖9，基于顱骨區域602的特征和溫度模擬(步驟 720)來確定由每一換能器元件122發出的超聲能量IM的最優或最大強度。根據一個實施例，可分析每一顱骨區域602以確定能夠吸收的超聲能量IM的最大強度，從而使得所期望的顱骨區域602的溫度增長低于閾值或可接受的最大溫度。在示出的實施例中，確定的或最大的強度值總地表示為強度分布圖900的形式。分布圖900中的每一片段900η表示換能器陣列120中的一個換能器元件122，該換能器陣列的形式可為圖2和圖9中表示的球形帽的形式。如圖9所示，換能器陣列200上的強度值可隨著元件而變化，因此一般為非均勻的。例如，區域901的熱靈敏度比區域902和903更高，區域903的熱靈敏度最低。可向特定的換能器元件122分配不同的強度等級，以避免對顱骨過度加熱。例如，強度分布圖900 示出，對應于分布圖片段901的換能器元件122將發出較低等級的能量124，因為對應的顱骨區域602的熱靈敏度最高。相反地，可向其他區域602施加較高強度的超聲能量124，例如，對應于分布圖區域903的顱骨區域，因為這些區域對超聲能量產生的熱較為不敏感。應該理解的是，所提供的標識的區域901-903是為了說明的目的，根據相應的顱骨區域602的解剖結構，區域(包括相鄰區域)之間的強度等級的改變可為逐步的或急劇的。另外，應該理解的是，圖9示出了強度分布圖900的一個例子，強度分布圖900可根據不同的顱骨結構而改變。在示出的例子中，與區域901相關聯的換能器元件122被控制為發出約為0. 07至約0. 10瓦特的超聲能量124，與區域902相關聯的換能器元件122被控制為發出約為0. 10 瓦特至約0. 17瓦特的超聲能量124，與區域903相關聯的換能器元件122被控制為發出約為0. 17瓦特至約0. 20瓦特的超聲能量124。因此，功率等級在從約0. 07瓦特的最小值到約0.2瓦特的最大值的范圍內，最小和最大功率等級之間的差值約為0. 13瓦特。在另一例子中，每個換能器元件的該差值可從零到10瓦特。選擇超聲能量124的強度，使其符合顱骨162上的非均勻組織結構，并形成優化的、非均勻強度分布，通過對單個換能器元件122發出的局部能量最大值的累積，使得能夠對目標區域210施加可能的最大等級的超聲能量，同時符合安全標準，例如不同區域的顱骨162的溫度，該安全標準取決于這種顱骨區域下方的特征。通過使整體能量最大化并維持在可接受的能量閾值內，實際上到達聚焦區域210 以治療病變區、腫瘤或凝塊的超聲能量124也被最大化。以這種方式，通過生成聚焦束，該技術和系統便于施加有效的治療，同時能夠避免對目標區域21周圍的組織的損傷。在能量被導向顱骨內側的例子中，當由多個元件122發出的總能量IM被聚焦時，顱骨組織的溫度被局部地(基于對組織非均勻性的分析)以及整體地(基于各個元件122的總和)控制為滿足顱骨溫度閾值和安全標準。因此，本發明的實施例采取新穎的方式工作。例如，在一般的系統中，調整由換能器元件122發出的超聲能量124的強度以改善在目標區域210上的聚焦。如果顱骨區域吸收了大量的能量而導致衰減，這種系統會構成為施加更高強度的超聲能量以補償衰減，從而維持或改善聚焦。這些已知的控制機構在提供有效的聚焦的同時會導致對已經過熱的顱骨區域602的進一步加熱，從而導致鄰近組織的更大的損傷。相反地，本發明的實施例局部地控制換能器元件122，使得他們向這些所選的顱骨區域602施加較低強度等級的超聲能量124，同時達到足夠的聚焦，因此使安全的優先級高于聚焦，以保護重要的或熱敏感的顱骨區域602。本發明的其他實施例包括監測并控制由超聲能量IM加熱的顱骨區域602的溫度，其中如上文所述該超聲能量124由換能器元件122發出。盡管下文所述的監測和控制技術可相互獨立的管理能量發射，但是這兩種技術也可以相互結合使用。參見圖10，在超聲治療期間監測并控制顱骨162的溫度(步驟1005)的方法1000 包括監測一個或多個顱骨區域602的表面實際溫度(或者，在一些例子中監測整個顱骨 162)(步驟1010)。步驟1005例如可與根據強度分布圖900驅動換能器元件122同步執行。 在一個實施例中，使用核磁共振測溫法監測顱骨溫度。然后將顱骨162的實際溫度與預定的最大或可接受溫度相比較(步驟101 。根據一個實施例，在超聲治療期間，顱骨162的最高溫度約為107° F，或42°C。如果實際溫度低于該閾值，治療可根據強度分布圖900繼續進行。但是，如果實際溫度超過閾值溫度，顱骨162可被冷卻至安全溫度(步驟1020)。 另外，實際溫度的讀取可被用于例如在建立在圖9中所描述的強度分布圖中校準所施加能量和最終組織溫度之間的關系。參見圖11，根據另一實施例，當施加到顱骨的冷卻液體的溫度達到或超過安全閾值時，可通過產生輸出信號來進行顱骨冷卻(步驟1105)。該輸出信號可為視覺和/或聽覺指示器，其通過揚聲器、顯示器或其他設備被提供給操作者(步驟1110)。響應于輸出信號，操作者可手動降低超聲能量124的強度(步驟1115)，這例如通過降低整個換能器陣列 120的強度(以及由此由每一換能器元件發出的能量124)來完成，和/或通過只降低對應于熱敏感或重要的顱骨區域620的那些換能器元件的強度來完成，因此只影響這些區域的溫度。根據另一實施例，操作者可手動地停止換能器陣列120(步驟1120)，以完全停止超聲波破碎。在另一實施例中，產生的輸出信號被提供給控制器(步驟1125)，例如處理器、 計算機或其他控制元件，然后當冷卻液體的溫度達到或超過閾值時，該控制器可自動降低超聲能量124的強度。這種降低可包括所有換能器元件發出的能量的降低，從而確保到達熱敏感或重要的顱骨區域602的能量124的強度的降低，和/或自動停止全部換能器陣列 120以停止超聲波破碎。可通過使用與超聲換能器陣列120 —體的冷卻元件來及實現顱骨冷卻。該冷卻元件可被手動或自動地控制。參考圖12和圖13，該一體的冷卻元件1200可包括液體界面 1202，其與超聲換能器陣列120—體或接附到該超聲換能器陣列，并位于換能器陣列120和患者的顱骨162之間。該界面1202優選為由彎曲且柔性的材料制成，以便于在顱骨周圍定位并在必要時調整為提供緊密的接觸。冷卻液體1220在內部連續循環，或通過液體入口 1212流過界面1210，通過液體出口 1214流出界面1210，或根據需要再循環。通過連續循環
11冷卻液體1220使其通過界面1202，顱骨(或其他組織)在施加超聲的過程中可被保持在上限溫度之下。根據一個實施例，基于顱骨162的溫度來控制冷卻界面1210，可通過外部的傳感器或裝置來確定顱骨的溫度，例如上述的核磁共振測溫法。根據另一實施例，從界面1210 中測量冷卻液體的溫度而不是顱骨的溫度，例如利用位于界面1210內部并位于液體1220 的流動路徑中的內部溫度傳感器1230測量，使得液體1220流過溫度傳感器1230或在溫度傳感器1230附近流動。可監測冷卻液體1220的溫度以確定是否達到預示顱骨溫度過高的預定閾值或最大液體1220溫度。然后可根據這些溫度上升而采取合適的操作，包括提供額外的冷卻液體1220、降低冷卻液體1220的溫度和/或提高冷卻液體1220的流動速率。圖13示出了冷卻系統1300的一個例子，該冷卻系統可被用于使得冷卻液體1220 循環或流過如圖12所示的一體的冷卻元件或界面1210。示出的系統1300包括箱1310，該箱具有向循環泵1314提供冷卻液體1220的液體源1312。控制器1316控制泵1314使得液體1220循環穿過冷卻單元1317，被冷卻的液體1220被在1318中脫氣并通過與換能器陣列 120和治療平臺1330有接口的合適的管道1320以及連接器1322，被提供到一體的冷卻元件1210的入口 1212。提供一個或多個傳感器1340(患者顱骨上的外部傳感器或位于冷卻界面1210內的內部傳感器)以監測、確定或評估顱骨162的溫度。溫度數據可被無線地或通過遠程控制單元1342 (或其他可操作地連接到控制器1316或與控制器1316通信的合適的裝置)傳送到控制器1316，控制器1316可對換能器陣列120的輸出在必要時進行合適的調整以實現或保持目標顱骨的溫度。盡管已經示出并描述了特定的實施例，應該理解的是，上述描述并不旨在限定實施例的范圍，因為可做出各種改變和修改而不背離權利要求的范圍。應該理解的是，基于元件接元件或局域化的基礎控制換能器發出的能量強度的實施例可與其他實施例獨立的使用，或與其他實施例相結合地使用。另外，盡管本發明中描述的實施例涉及使超聲能量穿過顱骨組織，實施例還可被應用于涉及其他非均勻型組織的其他治療。此外，盡管基于元件接元件的基礎通過控制能量強度可容易地實現實施例的優點，但是實施例還可以其他可達到類似結果的方式被構成。例如，實施例可被構成為控制多對超聲元件或多個超聲元件的其他組發出的能量強度。另外，盡管特定的附圖示出了強度分布圖的可用于一個特定的顱骨的一個例子，應該理解的是，取決于例如目標顱骨的結構，分布、強度等級和強度差是變化的。因此，實施例旨在覆蓋變化、修改以及落入權利要求范圍內的等同方案。
權利要求
1.一種控制包括多個換能器元件的換能器陣列中的強度的方法，該方法包括確定要使用聚焦超聲穿過的非均勻組織區域的解剖學特征，每個換能器元件主要與相應的組織區域相關聯；確定每個換能器元件在目標區域的優選的超聲能量強度，該強度基于相應的非均勻組織區域的解剖學特征以及與該組織區域相關聯的預定的能量閾值；以及在各自的優選強度下驅動換能器元件，憑此導引超聲能量穿過非均勻組織到達焦點， 由換能器陣列發出的被導引的超聲能量在換能器陣列上是非均勻的，且在滿足預定閾值的同時被最大化。
2.根據權利要求1所述的方法，其中該解剖學特征包括該非均勻組織的厚度、該非均勻組織的密度、密度分布、由該換能器元件發出的射線進入該非均勻組織的入射點、或由該換能器元件發出的射線離開該非均勻組織的出射點中的至少一個。
3.根據權利要求1所述的方法，其中該預定的閾值為最高溫度。
4.根據權利要求1所述的方法，其中由該多個換能器元件發出的超聲能量的強度還至少部分地基于該非均勻組織區域的溫度的上升。
5.根據權利要求1所述的方法，還包括在驅動該換能器陣列期間確定該非均勻組織的實際溫度；將該實際溫度與該最高溫度相比較；以及如果該實際溫度高于該最高溫度，冷卻該非均勻組織。
6.根據權利要求1所述的方法，其中通過核磁共振測溫法確定該實際溫度，且還包括如果實際溫度高于該最高溫度則停止超聲換能器。
7.根據權利要求1所述的方法，還包括在與該超聲換能器一體且位于該超聲換能器和該非均勻組織之間的液體界面中循環冷卻液體；測量該冷卻液體的溫度；將所測得的溫度與最高冷卻液體溫度相比較；以及產生表示比較結果的輸出信號。
8.根據權利要求1所述的方法，其中該非均勻組織包括顱骨組織。
9.根據權利要求1所述的方法，其中該輸出信號被顯示給該換能器陣列的操作者。
10.根據權利要求1所述的方法，其中該冷卻液體在該界面中循環。
11.根據權利要求1所述的方法，其中由單個換能器元件發出的超聲能量的強度在約 0. 0瓦特至約10瓦特之間。
12.根據權利要求1所述的方法，其中由單個換能器元件發出的超聲能量的最小強度和最大強度之差在約0. 0瓦特至約10瓦特之內變化。
13.—種控制具有多個換能器元件的換能器陣列的強度的系統，該系統包括 成像系統，被構造為確定非均勻組織區域的解剖學特征；控制器，可操作地耦合到成像系統，用于基于所確定的解剖學特征和與該組織區域相關聯的預定閾值來確定可允許的由每個換能器元件向相應的非均勻組織區域發出的超聲能量的最大強度；以及驅動電路，用于驅動換能器元件發出穿過該非均勻組織的所確定的最大強度的超聲能量。
14.根據權利要求1所述的系統，還包括計算機斷層掃描成像系統，用于確定該非均勻組織區域的解剖學特征。
15.根據權利要求1所述的系統，還包括與計算機斷層掃描成像系統相關聯的核磁共振成像系統，用于相對于該非均勻組織區域定位該多個換能器元件。
16.根據權利要求1所述的系統，其中預定的閾值為非均勻組織區域的最高溫度。
17.根據權利要求1所述的系統，其中該非均勻組織包括顱骨組織。
18.根據權利要求1所述的系統，其中核磁共振成像系統被構造為在驅動該多個換能器元件期間確定該非均勻組織的實際溫度，該控制器被構造為當該非均勻組織的該實際溫度超過該最高溫度時生成輸出指示。
19.根據權利要求1所述的系統，其中單個換能器元件可獨立地控制，從而使得每個非均勻組織區域的溫度不會超過該最高溫度。
20.根據權利要求1所述的系統，還包括液體界面，其與超聲換能器一體，且可操作地耦合到控制器，其中該液體界面可定位于非均勻組織區域周圍并構造為便于使冷卻液體在非均勻組織周圍循環。
21.根據權利要求1所述的系統，還包括溫度傳感器，其位于液體界面內并與控制器相通信，該溫度傳感器被構造為測量在液體界面中循環的冷卻液體的溫度。
22.根據權利要求1所述的系統，其中該液體在該界面中以連續的方式循環。
全文摘要
基于非均勻組織區域(例如，顱骨區域)的解剖學特征和預定的閾值來控制超聲換能器陣列的換能器元件的發射強度。
文檔編號A61B18/00GK102348481SQ201080011633
公開日2012年2月8日 申請日期2010年1月13日 優先權日2009年1月13日
發明者E·扎迪卡里奧 申請人:因賽泰克有限公司