用于测量与校正由像差介质引起的超声相位畸变的系统与方法
【专利说明】用于测量与校正由像差介质引起的超声相位畸变的系统与方法
相关专利申请的交叉引用
[0001]本申请要求于2013年3月4日提交的题为“用于测量与校正由像差介质引起的超声相位畸变的系统与方法”的美国临时专利申请N0.61/771，992的权益。
关于联邦资助的研究的声明
[0002]本发明是通过在国家卫生院授予的EB003268和EB009032下的政府支持而做出的。政府对本发明享有特定权利。
发明背景
[0003]本发明的领域是针对聚焦超声(FUS)的系统与方法。具体而言，本发明涉及有效地发射聚焦超声穿过像差介质(包括颅骨和其它可以使超声产生像差的组织)的系统和方法。
[0004]经颅的聚焦超声手术已被临床研究用于脑部紊乱(包括慢性痛、特发性震颤和原发性脑肿瘤等)的无创治疗。尽管这是用于脑部成像和治疗的有吸引力的治疗方法，但是经颅超声遭遇到通过颅骨的较差超声传输，颅骨衰减并发散波束。在低频下，由于颅骨的非均质和非规则特性导致的相位畸变(phase aberrat1n)最小；而在高频下，需要进行相位校正以在脑部实现超声聚焦。可以利用从术前计算机断层扫描获得的几何形状和骨密度信息，从声波传播通过颅骨的计算机仿真，确定用于校正的必要相位延迟。然而，即使是最简单的计算模型仍要花费数小时来计算相位延迟。
[0005]用于测量通过像差介质的相位延迟的简单、直接的方法是将超声源放置在焦点处，并且使用飞行时间测量来计算换能器元件之间的相位延迟。上述方法的无创实现已经使用烦腔内的气泡作为声学信标，其中气泡通过声滴蒸发(acoustic dropletvaporizat1n)或瞬时空化产生。在一项由Gateau等人进行的研究中，基于计算断层的相位校正被用于初始聚焦步骤，然后基于气泡签名的相位校正则被用来改善换能器阵列聚焦以及进行波束操控。Gateau等人使用的换能器阵列的频率为1MHz，在没有首先使用基于仿真的相位校正的情形下，该频率过高而不能创建空化事件。另外，接收器是发射元件的子集，在其驱动频率处原生地敏感。
[0006]在一项由Haworth等人进行的研究中提出，基于气泡的相位校正可以通过如下步骤执行:首先在低频下进行超声处理，然后使用谐波成像计算相位延迟，并且在高频下重新聚焦。然而，进行这样的相位校正的设备以及策略并没有被提及。特别地，并没有解决以下问题:在低频下的气泡运动可以在相当大的发射聚焦区内的任意位置发生，从而复合了目标定位错误。
[0007]因此，期望提供用于有效地发射聚焦超声通过介质(诸如骨骼)的系统和方法。
【发明内容】
[0008]本发明通过提供用于采用自适应聚焦方案有效地发射聚焦超声通过介质(诸如骨骼)的系统和方法，克服如前所述的缺陷。聚焦超声的聚焦区域被迭代地更新，以便提供穿过介质的改进焦点。这种方法可以通过使用包括各自以不同频率工作的两个或更多发射阵列的换能器组件来实现。初始焦点通过采用低频发射阵列传递聚焦超声来设定和更新。在第一次迭代中确定的相位校正被应用于后续较高频发射阵列，该过程循环直至获得期望焦点。
[0009]本发明的一个方面提供用于调节聚焦超声束的焦点的方法。包含各自具有不同的工作频率的多个发射阵列的超声换能器组件的初始聚焦区域是通过设置发射阵列的初始焦点来定义的。通过使用多个发射阵列之一，可以将超声能量传递到初始聚焦区域来激发初始聚焦区域中的造影剂。然后，通过使用超声换能器阵列，接收响应于初始聚焦区域中被激发的造影剂的信号。从接收到的信号产生图像，由该图像确定初始聚焦区域的中心。通过使用所确定的初始聚焦区域中心计算相位校正值，并将其应用到聚焦超声换能器组件以更新初始焦点，从而定义比初始聚焦区域更聚焦的更新聚焦区域。该过程迭代地重复，直到更新的聚焦区域与期望的焦点对应为止。在该过程的每一次重复期间，通过使用多个发射阵列中在比先前发射阵列更高频率下工作的不同发射阵列，将超声能量传递到更新的聚焦区域来激发更新聚焦区域中的造影剂。
[0010]本发明的另一个方面提供可以用于聚焦超声系统的换能器组件。该换能器组件包括多个集成换能器单元和与集成换能器单元通信的复用电路。每个集成换能器单元包括至少两个换能器元件，这些元件同心地嵌套以形成集成换能器单元。复用电路被配置用于将每个集成换能器单元中的换能器元件连接到发射线路和接收线路中的至少一个。
[0011]本发明的另一个方面是提供包括换能器组件和与换能器组件通信的处理器的聚焦超声系统。换能器组件包括各自由换能器元件构成的多个换能器阵列，每个换能器阵列以不同频率工作。换能器组件可包括由接收换能器元件构成的至少一个附加接收阵列。处理器被配置用于为换能器组件设定聚焦区域，并且为换能器组件中的每个发射阵列迭代地更新这个聚焦区域。在每次迭代中，处理器选择具有最低剩余工作频率的发射阵列，并引导所选择的发射阵列激发该发射阵列的初始聚焦区域，并且引导至少一个接收阵列接收来自初始聚焦区域的信号。然后，处理器从接收到的信号重建聚焦区域的图像，并从重建的图像计算相位校正值。然后，处理器将所计算的相位校正值应用到所选择的发射阵列以及具有下一最高工作频率的发射阵列。
[0012]本发明前述以及其他方面及优点将在下面的描述中给出。在描述中，将会参照，所述附图构成描述的一部分并且通过说明示出本发明的较佳实施例。但是，这种实施例不一定表示本发明的全部范围，因此依据权利要求书来说明本发明的范围。
【附图说明】
[0013]图1是聚焦超声系统的示例的框图；
[0014]图2A是包括嵌套发射换能器和接收换能器的集成换能器单元的示例；
[0015]图2B是集成换能器单元阵列的示例；
[0016]图2C是连接到集成换能器单元的复用电路的示例；
[0017]图2D是连接到集成换能器单元的复用电路的另一示例；
[0018]图3是包括稀疏分布式接收传感元件的换能器组件的示例；
[0019]图4是被配置用于经颅应用的聚焦超声系统的示例的框图；
[0020]图5是阐述用于自适应调节换能器组件的焦点的示例方法的步骤的流程图，其中换能器组件包括以不同频率工作的两个或多个发射阵列。
【具体实施方式】
[0021]提供用于使用聚焦超声(FUS)系统有效地发射聚焦超声穿过颅骨的系统和方法。特别地，提供用于自适应超声聚焦穿过颅骨的超声换能器阵列设计和方法。
[0022]参照图1，示出了用于将聚焦超声传递到对象102的示例性聚焦超声(“FUS”)系统100。FUS系统包括控制器104、超声换能器106、外壳108、和定位系统110。外壳108容纳超声换能器106，并提供与对象102的接口，从而使得超声能量可以从超声换能器106有效地传递到对象102。举例而言，可以用声波耦合介质112填充外壳108，该介质112允许超声能量比在空气中更有效地传播。示例性的声波耦合介质112包括水，例如脱气水。有利的是，超声换能器106包括信号检测器114，例如水听器。举例而言，信号检测器114可包括宽带聚偏二氟乙烯(PVDF)水听器，例如由Μ.A.0’ Rei 11y和K.Hynynen在文章