用于控制对身体组织的超声能量传送的系统和方法
【专利说明】用于控制对身体组织的超声能量传送的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请是2012年11月6日提交的标题为“Systems and Methods forControlling Delivery of Ultrasonic Energy to a Bodily Tissue，，的序列号为13/669，942的美国专利申请(其全部内容通过引用合并于此)的继续申请并且要求其优先权。
技术领域
[0003]此处描述的实施例通常涉及与超声消融装置结合使用的系统和方法，并且更具体地涉及控制通过传输构件(例如，导管、探头等等)对身体组织的超声能量的传送的系统和方法。
【背景技术】
[0004]已知的超声能量传输系统用于许多不同的医疗应用中(诸如，医学成像中)，以破坏梗阻(obstruct1n)和/或消融身体组织。在用于组织消融的已知超声能量传输系统中，超声能量从超声能量源通过换能器角(horn)然后通过传输构件(诸如导线)传递到远侧头部。超声能量以周期波传播通过传输构件，由此使远侧头部振动。这种振动能量可以用于消融或者以其它方式破坏身体组织(例如，血管梗阻、肾结石等等)。为了有效地到达各种用于治疗血管内闭塞(occlus1n)的部位或者尿路内的区域，这种超声传输构件常由薄的柔性材料构造，并且具有大约65cm或者更长的长度。
[0005]已知的超声能量传输系统包括发生器、换能器组件和探头(或者传输构件)。发生器配置为生成、控制、放大和/或传递期望频率的交变电子信号(例如，电压信号)至换能器组件。换能器组件通常地包括一个或者多个压电晶体，该压电晶体在由高频电子信号激励时以高频扩张和收缩。这些高频振动被超声角放大成超声能量，该超声能量被传输至探头(或者传输构件)。超声能量被传输到探头的远端以消融和/或以其它方式破坏身体组织。
[0006]由于已知探头常穿过曲折的解剖结构到达治疗的部位，因此传输构件常构造成弹性和/或柔性的，但还具有足够的强度以向远侧尖端传输超声能量(例如，以消融血管或者尿路梗阻)。为了找到强度与柔性之间的平衡，一些已知传输构件是渐尖的，使得远端部分的直径减小，由此提供具有更大柔性的传输构件。例如，一些已知传输构件在近端处的直径大于在远端处的直径。另外，一些已知传输构件可以包括焊接至减小的直径部分并且邻近要治疗的组织安置的远侧尖端或者“头部”。
[0007]为了最大化至目标身体组织的能量传输，已知系统常配置为产生具有与能量传送组件(即，换能器和/或探头组件)的自然频率匹配的频率的超声能量。当以自然频率操作(即，在谐振条件下)时，传播通过传输构件的超声能量波(或者信号)的幅度处于其最大值。可以认为传输构件具有沿着其长度传播的超声能量的驻波。更具体地，驻波沿着传输构件的长度产生一系列节点(最小位移区域)和反节点(最大位移区域)。因此，当在谐振条件下操作时，反节点处的位移和/或振动处于针对给定功率水平的最大值。反节点中的每一个可以在与传输构件接触的流体中产生气穴(cavitat1n)以引起相邻组织的破坏。
[0008]一些已知系统包括用以调谐电子信号(从发生器发送至换能器)的频率以与能量传送组件的自然频率更紧密地匹配的算法。例如，在一些已知系统中，可以通过监控到换能器组件的电流输入(或者电子信号输入)以及改变到换能器组件的功率输入以将到换能器组件的电流输入维持在恒定水平来控制超声能量的幅度和/或频率。这种已知算法可以用于考虑由于部件间变化引起的传输构件的自然频率变化以及使用能量传送组件的情况的变化等等。
[0009]然而，连续地以超声传输构件的自然频率操作已知超声传输构件会降低传输构件的可靠性。更具体地，单频下的操作在传输构件中产生基本上恒定的驻波。如类似地陈述，当以恒定频率操作时，传输构件内的振动反节点的位置基本上保持恒定。因此，对这种区域连续施加高应力增加了机械故障的可能性。另外，在恒定频率下(甚至在谐振下)的操作可能不会有效地消融目标身体组织。
[0010]因此，存在对控制对身体组织的超声能量传送的改进的系统和方法的需要。
【发明内容】
[0011]本文描述了传输用于超声消融系统使用的超声能量的系统和方法。在一些实施例中，设备包括发生器，该发生器包括可操作地耦合至功率模块的控制模块。功率模块配置为产生要由超声能量传送组件接收的电子信号。超声能量传送组件由自然频率表征，以及电子信号由频率表征。控制模块配置为向功率模块发送控制信号以在至少部分地由自然频率限定的范围内随机地改变电子信号的频率。
【附图说明】
[0012]图1是根据实施例用于向身体组织传送超声能量的系统的图示。
[0013]图2是图1的系统中显示的超声换能器组件的截面视图。
[0014]图3是图1中显示的传输构件的一部分的示意图示，其限定了纵轴A-
[0015]图4是描绘图1和图3中显示的传输构件围绕纵轴A1的偏转的图。
[0016]图5是当根据实施例操作时沿着图1和图3中显示的传输构件的一部分的纵轴A1的反节点的位置变化的曲线图。
[0017]图6是根据实施例用于向身体组织传送超声能量的系统的示意图示。
[0018]图7是显示当根据实施例操作时通过图6中显示的传输构件输送的超声能量的频率变化的曲线图。
[0019]图8是根据实施例的超声能量传送系统的发生器的示意图示。
[0020]图9是根据实施例以硬件形式实现的反馈模块的框图。
[0021]图10是根据实施例的超声能量传送系统500的框图。
[0022]图11是根据实施例的反馈/噪声检测模块的框图。
[0023]图12是图示根据实施例生成控制信号以改变超声能量传输系统内的电子信号的频率的方法的流程图。
[0024]图13是图示根据实施例接收第一反馈信号和第二反馈信号并且部分地基于反馈信号发送控制信号以改变电子信号的频率的方法的流程图。
[0025]图14是图示根据实施例响应于接收部分地基于随机值的控制信号，发送由频率表征的电子信号的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0026]本文描述了用于传输供超声消融系统使用的超声能量的系统和方法。在一些实施例中，设备包括发生器，该发生器包括可操作地耦合至功率模块的控制模块。功率模块配置为产生要由超声能量传送组件接收的电子信号。超声能量传送组件由自然频率表征，以及电子信号由频率表征。控制模块配置为向功率模块发送控制信号以在至少部分地由自然频率限定的范围内随机地改变电子信号的频率。
[0027]在一些实施例中，设备包括发生器，该发生器包括控制模块和操作性地耦合至控制模块的反馈模块。发生器可操作地耦合至功率模块，该功率模块配置为产生要由超声能量传送组件接收的电子信号，该超声能量传送组件由自然频率表征。电子信号由频率表征。反馈模块配置为产生反馈信号和噪声信号。反馈信号与由功率模块产生的电子信号的标称分量相关联，以及噪声信号至少部分地基于由功率模块产生的电子信号的噪声分量。控制模块配置为基于反馈信号确定自然频率。控制模块还配置为向功率模块发送至少部分地基于噪声信号的控制信号以在至少部分地由自然频率限定的范围内改变电子信号的频率。
[0028]在一些实施例中，方法包括发送要由超声能量传送组件接收的电子信号，该超声能量传送组件由自然频率表征。电子信号由频率表征。方法还包括产生控制信号以在至少部分地由自然频率限定的范围内随机地改变电子信号的频率。响应于控制信号改变电子信号的频率。
[0029]在一些实施例中，方法包括接收第一反馈信号，该第一反馈信号与输送至超声能量传送组件的电子信号的标称分量相关联。超声能量传送组件由自然频率表征。方法包括至少部分地基于第一反馈信号确定超声能量传送组件的自然频率。接收与电子信号的噪声分量相关联的第二反馈信号。方法还包括至少部分地基于第二反馈信号产生控制信号并且发送控制信号以改变电子信号的频率。
[0030]在一些实施例中，系统包括传输构件、超声换能器和发生器。传输构件配置为向目标组织输送超声能量信号。超声换能器配置为接收电子信号并且响应于电子信号产生超声能量信号。超声换能器配置为向传输构件输送超声能量信号。发生器配置为产生电子信号。发生器、超声换能器和/或传输构件共同地配置以使得当通过传输构件输送超声能量信号时，沿着传输构件的纵轴随机地改变产生的传输构件的振动反节点。
[0031]在一些实施例中，方法包括发送要由超声能量传送组件接收的电子信号，该超声能量传送组件由自然频率表征。电子信号由频率表征。从控制模块接收至少部分地基于随机值的控制信号。响应于接收控制信号，在至少部分地由自然频率限定的范围内改变电子信号的频率。
[0032]如在本说明书中使用的，术语“近”和“远”分别指的是靠近和远离用户的方向，该用户将把装置放置成与患者接触。因此，例如首先触摸患者身体的装置的端部将是远端，而装置的相对端(例如，由用户操纵的装置的端部)将是装置的近端。
[0033]如此处使用的，术语“大约”和“近似”通常意味着加或者减所述值的10%。例如，大约0.5将包括0.45和0.55，大约10将包括9至11，大约1000将包括900至1100。
[0034]如此处使用的，术语“目标组织”指的是超声能量消融技术所应用至的患者的内部或者外部组织或者患者内的内部或者外部组织。例如，目标组织可以是癌细胞、肿瘤细胞、病变、血管闭塞、血栓、结石、子宫纤维瘤、骨转移瘤、子宫内膜异位或者任何其它身体组织。此外，所提出的目标组织示例并不是合适的目标组织的穷举列表。因此，此处描述的超声能量系统不限于前述组织的治疗并且可以用在任何合适的身体组织上。另外，“目标组织”还可以包括身体内或者与身体相关联的人造物质，例如，身体内的支架、人造管的一部分、紧固件等等。因此，例如，可以在支架或者人造旁路移植物上或者在支架或者人造旁路移植物内使用此处描述的超声能量系统。
[0035]此处描述的实施例涉及超声能量消融系统和用于使用这种系统控制超声能量传送的方法。在这种系统中，传输构件能够可操作地耦合至超声能量源以向目标身体组织传送超声能量。例如，图1是根据实施例的超声能量消融系统100的图示。超声能量消融系统100(此处也称为“超声系统”或者仅仅称为“系统”)包括超声发生器180、脚踏开关170和超声能量传送组件105 (其包括超声换能器组件150和探头组件110)。如此处详细描述的，超声发生器180(或者“发生器”)配置为生成、控制、放大和/或传递电子信号ES(例如，电压或者电流)至换能器组件150。超声发生器180可以是此处描述的发生器中的任何一个，并且可以根据此处描述的方法中的任何一个进行操作。
[0036]如图1所示，脚踏开关170通过脚踏开关线缆171与超声发生器180电通信。脚踏开关170包括一组踏板172 (例如，如图所示的两个踏板)，所述踏板操作性地控制提供给超声换能器组件150的超声电能量ES的传送。例如，如此处进一步详细描述的，在一些实施例中，用户(例如，医生、技术人员等等)可以接合和/或压下踏板172中的一个或者多个以控制提供给超声换能器组件150的超声电能量ES，使得探头组件110进而向身体组织传送期望的超声能量US。