模块化超声波设备与方法与流程

本发明涉及超声波系统，并且具体地，涉及用于成像、诊断、以及治疗的医疗超声波系统。具体地，其应用于其中由于例如椎间盘(ivd)、肺或脊柱附近的解剖目标、以及脑区域存在骨骼或空气而使得声学访问困难或复杂的领域中的聚焦超声波(fus)和高强度聚焦超声波(hifu)治疗、以及常规的诊断超声波成像。

背景技术：

针对实体瘤和子宫肌瘤(terhaar,g.andcoussios,c-c.(2007)."highintensityfocussedultrasound:physicalprinciplesanddevices",int.j.hyperthermia23(2),89-104)、血栓溶解(desaintvictor,m.,crake,c,coussios,c.-c,&stride,e.(2014).properties,characteristicsandapplicationsofmicrobubblesforsonothrombolysis.expertopinionondrugdelivery(o),1-23.)、针对肿瘤学应用的给药(mo,s.,coussios,c-c,seymour,l.,&carlisle,r.(2012).ultrasound-enhanceddrugdeliveryforcancer.expertopinionondrugdelivery,9(12),1525-1538.)、与透过血脑屏障(hynynen,k.,mcdannold,n,vykhodtseva,n,&jolesz,f.a.(2001).noninvasivemrimaging-guidedfocalopeningoftheblood-brainbarrierinrabbits1.radiology,220(3),640-646)的治疗、以及针对神经错乱(elias,w.j.,huss,d.,voss,t.,loomba,j.,khaled,m.,zadicario,e.,...monteith,s.j.(2013).apilotstudyoffocusedultrasoundthalamotomyforessentialtremor.newenglandjournalofmedicine,369(7),640-648.)的治疗，已经开发了聚焦超声波(fus)和高强度聚焦超声波(hifu)。

慢性下腰痛是全世界上最为流行的肌骨骼情形中的一种，且84％的成年人在其一生中的某些时段患有下腰痛。无论由卫生保健消费直接引起或由损失的生产力间接引起，慢性下腰痛是导致残疾的主要因素并且使社会承担巨额的负担。下腰痛的一个主要来源是椎间盘(ivd)并且退化的ivd与下腰痛之间存在强烈的关联性。传统上，在保守治疗中失败的患者需要侵入性的外科手术，例如，脊柱融合术和椎间盘切除。因为具有与其相关联的相对高复杂性并且结果效力相对变化，所以这些手术不是很理想。对于保留运动的早期椎间盘退化，微创手术是局部椎间盘置换术(pdr)。在pdr中，退化椎间盘的胶状盘心(被称为髓核(np))被植入物置换，然而，移除原退化材料的当前方法在椎间盘的壁中留有开口，通过这个开口，能够逐出植入性材料。

在许多治疗性超声波应用中，在秒级时段的超声处理之后，由于超声波聚焦处的温度快速上升，形成热烧蚀损害。间质超声波装置对下腰痛的治疗适用热治疗的相同原理(nau,w.h.,c.j.diederich,r.shu,a.kinsey,e.bass,j.lotz,s.hu,j.simko,w.ferrierandj.sutton(2007)."intradiscalthermaltherapyusinginterstitialultrasound:aninvivoinvestigationinovinecervicalspine."spine32(5):503-511)。间质热治疗的目的是将超声波用于内向生成的疼痛神经纤维的热坏死或用于环形胶原质的凝结和重构(nau,diederichetal.2007)。mr指导的hifu系统适合于i阶段研究中的热治疗关节突关节骨关节炎疼痛(weeks,e.m.,m.w.piattandw.gedroyc(2012)."mri-guidedfocusedultrasound(mrgfus)totreatfacetjointosteoarthritislowbackpain—caseseriesofaninnovativenewtechnique."europeanradiology22(12):2822-2835.)。

对于需要机械性中断的退化材料的移除，热基治疗可能不理想。通过被称为组织摧毁术(wo2008/143998al)或新型组织摧毁术(us8876740b2)的过程，使用具有高振幅但平均功率低的短超声波脉冲，能够导致空化现象强烈，这将机械性地中断器官组织。wo2012/131383描述了如何使用退化材料的空化介导分次减少器官组织，以使得其能够被移除和使用细计量注射针置换。这提供了一种基于超声波的方法，需要椎间盘的壁上的孔非常小，并且提供了一种pdr设备，同时使得逐出风险最小化。然而，wo2012/131383没有教导如何将超声波传递至椎间盘。

在ivd中采用超声波的一个障碍在于治疗部位位于复杂的解剖的深处，且射束路径上存在骨骼结构和多个器官组织层。这是指超声波传播严重失真并且由此产生的紧密聚焦射束具有挑战性。经颅和经肋超声波传递中出现了类似的问题(fink,m.,g.montaldoandm.tanter(2003)."time-reversalacousticsinbiomedicalengineering."annualreviewofbiomedicalengineering5(1):465-497.nk,andaubry,j.-f.,m.pernot,f.marquet,m.tanterandm.fink(2008)."transcostalhigh-intensity-focusedultrasound:exvivoadaptivefocusingfeasibilitystudy."physicsinmedicineandbiology53(11):2937.)。

对于包括多个超声波变换器的超声波阵列，已经证明在这些环境中基于互易定理的时间反转技术在创建良好的聚焦方面是有效的(fink,m.(1992)."timereversalofultrasonicfields.i.basicprinciples."ultrasonics,ferroelectrics,andfrequencycontrol,ieeetransactionson39(5):555-566.和fink,montaldoetal.2003、以及aubry,pernotetal.2008)。时间反转需要一个目标来聚焦，该目标可以以下多种方式确定，包括使用：基于水诊器的测量(thomas,j.-l.andm.fink(1996)."ultrasonicbeamfocusingthroughtissueinhomogeneitieswithatimereversalmirror:applicationtotransskulltherapy."ultrasonics,ferroelectrics,andfrequencycontrol,ieeetransactionson43(6):1122-1129,andpernot,m.,j.-f.aubry,m.tanter,a.-l.boch,f.marquet,m.kujas,d.seilheanandm.fink(2007)."invivotranscranialbrainsurgerywithanultrasonictimereversalmirror."journalofneurosurgery106(6):1061-1066.)、基于ct扫描的数字模拟(aubry,pernotetal.2008))、以及使用空化泡用法说明(gateau,j.,l.marsac,m.pernot,j.-f.aubry,m.tanterandm.fink(2010)."transcranialultrasonictherapybasedontimereversalofacousticallyinducedcavitationbubblesignature."biomedicalengineering,ieeetransactionson57(1):134-144.)。。

wo2012/131383描述了一种用于ivd的治疗和成像的方法和设备。应认识到，出于与这些影响治疗的非常相似的原因，难以使不可访问的部位成像。

us8545405描述了在治疗性超声波治疗中使用时间反转声学。

技术实现要素：

本发明提供一种压力波系统，包括多个模块和连接设备，每个模块包括多个压力波变换器元件，连接设备可操作为将多个不同配置的每个配置中的模块连接在一起，从而模块能够形成具有多个不同形状的传输器阵列，每个形状与一个配置相关联。

每个模块上的传输元件可以被布置成曲面阵列。曲面阵列彼此可以具有相同的形状。每个曲面阵列可以具有在至少一个方向上沿着其长度(或宽度)不变的曲率半径。连接设备可以被布置成使得任意两个模块能够在该方向上例如端对端或边对边地连接在一起，使得两个曲面阵列具有共同的曲率中心。例如，每个曲面阵列可以是局部球形，并且连接设备可以被布置成使得，在每个配置中，全部模块的变换器元件一起形成单个局部球形阵列。

每个模块整体可以是具有两个边和两端的矩形形状。连接设备可以被布置成使得两个模块能够边对边或端对端或边对边和端对端地连接在一起。

每个变换器元件可以操作为传输压力波。系统还可以包括控制设备，控制设备被布置成控制全部模块上的变换器元件。控制设备可以包括通用计算机运行专用软件或专用控制单元。控制设备可以被布置成存储指示模块的当前配置的配置数据。控制设备可以被布置成使用配置数据控制传输元件，由此协调来自变换器元件的传输。控制设备可以被布置成识别目标焦点并且协调变换器元件，以将被传输的压力波聚焦在目标焦点处。控制设备可以被布置成改变来自传输元件的传输的相对时刻，由此移动被传输的压力波的焦点。

可替代地或此外，每个变换器元件可以被布置成响应于收到压力波通过生成输出信号而检测压力波。系统可以包括被布置成处理输出信号的处理设备。其中，系统包括上述所述控制设备，其还可以用作处理设备。处理设备可以被布置成根据输出信号生成图像。处理设备可以被布置成存储指示模块的当前配置的配置数据，并且基于配置数据处理输出信号，以生成图像。

系统可以包括例如被支撑在针上的又一压力波变换器。又一压力波变换器可以被布置成在目标位置处插入患者中。控制设备可以被布置成分析在各个压力波变换器与又一超声波变换器的阵列之间传输的超声波信号的时刻。基于时刻，控制设备可以被布置成控制变换器阵列以传输在目标位置处聚焦的超声波，或如果其是成像系统，可以被布置成处理来自变换器阵列的输出信号，例如，调整补偿目标位置与阵列中的各个变换器元件之间的所测量的传输时间时所使用的成像算法。

又一压力波变换器可以被布置成传输压力波。控制设备可以被布置成分析压力波到达各个变换器阵列处的时间。控制设备可以被布置成使得达到时间反转，以确定各个变换器阵列的传输时间并且控制传输器阵列使用传输时间进行传输。

可替代地或此外，又一压力波变换器可以被布置成生成指示所接收的压力波信号的输出信号。控制设备可以被布置成控制阵列中的变换器按顺序传输压力波并且分析输出信号，以确定将被传输的压力波聚焦在目标位置处所需的传输信号的相对时刻。

针可以是中空针，被布置成将物质传递至目标位置或从目标位置提取物质。实际上，其可以是被布置成完成两种操作的共轴针。

本发明还提供一种传递压力波的方法，包括识别目标位置；识别将压力波传输至目标位置的声学窗口；提供可配置成多个不同配置的模块化变换器阵列；识别与声学窗口的形状最佳匹配的一个配置；在配置中的一个配置中配置变换器阵列；并且使用变换器阵列将超声波传输至目标位置。

识别声学窗口的步骤可以包括，使包括目标位置的成像体积成像。其还可以包括：分析图像，例如，以锁定成像体积内的物理特征。其还可以包括：例如，使用射线跟踪识别从目标位置最佳地传播压力波或压力波最佳的传播至目标位置的优选方向。

可替代地，识别声学窗口的步骤可以包括：将压力波变换器放置在目标位置处；在多个方向上将压力波传输至压力波变换器或从压力波变换器传输压力波；检测并且分析被传输的压力波，以识别从目标位置最佳地传播压力波或压力波最佳地传播至目标位置的优选方向。

本发明还提供包括多个变换器模块和连接设备的可配置超声波系统，每个模块可以包括多个超声波变换器元件，并且连接设备可操作为将模块一起连接在多个不同配置的每个配置中，因此，模块能够形成具有多个不同形状的变换器阵列，每个形状与一个配置相关联。系统还可以包括被布置成接收与目标位置有关的数据的处理设备。处理设备可以被布置成例如从数据中识别将超声波传输至目标位置的声学窗口。处理设备可以被布置成选择与声学窗口的形状最佳匹配的一个配置。数据可以是图像数据。

处理设备可以被布置成例如根据数据生成目标位置的3d模型。其可以被布置成根据3d模型确定声学窗口的形状和位置。

系统可以包括被布置成放置在目标位置处的又一变换器。数据可以是来自传感器的传感器输出数据，传感器检测被传输至又一变换器的压力波或从又一变换器传输的压力波。

如现在仅参考附图通过实施例描述的，本发明中的方法或系统还可以包括优选实施方式中的任意组合中的任意一个或多个特征。

附图说明

图1是示出ivd的结构的人体脊柱的一部分的部分剖面图；

图2是根据本发明的实施方式的用于移除和置换ivdnp的系统的示图；

图3是形成图2中的系统的一部分的可植入超声波变换器的示意图；

图4a、图4b、以及图4c是图2中处于不同配置的系统的模块化变换器阵列的正视图；

图5a和图5b是示出图2中的变换器阵列的结构的分解立体图；

图6a、图6b、图6c、以及图6d是图5a中的变换器阵列的一个模块的侧视图、立体图、后视图、以及正视图；

图7a、图7b、图7c、以及图7d是能够结合图4至图6中的变换器模块使用的可替代可重构支撑结构的纵截面、后视图、横截面、以及立体图；

图7e是图7a中处于互锁状态的支撑结构的两部分的立体图；

图8是构成根据本发明的实施方式的方法的一部分、根据临床ct或mri图像生成患者的脊柱的声学3d模型的方法的表示；

图9a、图9b、以及图9c是不同bmi的患者的声学模型的水平平面图像；

图10示出了3d模型及3d模拟中使用的该模型的一部分；

图11是构成根据本发明的实施方式的变换器最优化过程的一部分的互易模拟时所使用的射线跟踪的表示；

图12示出了从图11中的互易模拟获得的所选择的声学窗口；

图13示出了用于治疗脊柱或使脊柱成像的可配置变换器阵列的定位；

图14示出了图13中通过胸腔治疗肝脏或使肝脏成像的可配置变换器阵列的可替代定位；

图15示出了图13中用于使患者的脑颅骨成像或治疗患者的脑颅骨的可配置变换器阵列的可能定位；

图16a至图16h示出了使用不同的变换器阵列配置在两个不同的患者的ivd区域中产生的声学压力的绘图；并且

图17a和图17b示出了聚焦在所产生的压力上的最优化效果。

具体实施方式

参考图1，脊柱由多个椎骨10组成并且每对相邻的椎骨之间是ivd12，当脊柱弯曲时，ivd12为椎骨提供缓冲和支撑。ivd包括在其外围的纤维环14，且np16位于中心。纤维环是多纤维组织并且为np16提供支撑和保护壳。ivd在ivd的顶表面和底表面上进一步包括附图中未示出的软骨终板，软骨终板进一步包含np并且提供与椎骨接触的ivd的上表面和下表面。在本发明的一些实施方式中，提供这样一种系统和方法，即，使np16受声波作用，以使np机械地碎裂，而不严重影响周围的纤维环14，因此，能够以对纤维环14最小的损坏程度移除np材料。在其他实施方式中，可以简单地使用系统来加热或融化椎间盘的各部分，目的是实现缓解疼痛或去神经支配。在其他实施方式中，可以使用系统通过胸腔实现肾脏、肝脏、或胰腺的切除术、组织摧毁术、或碎石术。

参考图2，根据本发明的系统可以包括至少一个超声波变换器阵列，例如，均被布置成朝向目标区域106传输超声波的第一超声波变换器阵列102和第二超声波变换器阵列104，诸如治疗性hifu阵列。变换器阵列102、104中的每个具有相应的焦点区域108、110，通常横截面近似圆形，但是，沿着变换器的轴线延长。变换器阵列102、104可以被布置成使得两个焦点区域的中心与焦斑112一致。如下面更为详细地描述的，变换器阵列102、104中的每个可以是模块化构造，因此，其能够被配置成优化治疗性超声波在焦斑112处的聚焦。

例如，被动空化检测器(pcd)114可以设置在变换器102中的一个变换器的中心处并且布置成与变换器共轴，并且可以布置成检测通过被引入目标区域106的对象中的空化而产生的超声波辐射。这可以是具有单一变换器的简单检测器，单一变换器被布置成检测指示空化的频率的超声波。然而，如wo2010/052494中描述的，其可以包括变换器阵列并且用于空化的实时映射。超声波成像阵列116，例如，zonarel10-5检测器阵列或其他类似的线性或曲线诊断探针，可以设置在例如其他变换器阵列104的中心处并且可以被布置成与变换器阵列104共轴。成像装置116可以被布置成提供椎间盘及周围生理结构的b模式超声波图像并且映射hifu曝光期间目标区域106内的对象中的空化。在本发明的一些实施方式中，pcd114和成像阵列116中的一个或两个可以省去或设置在其他地方。

控制器120可以是具有处理器和存储器的计算机形式并且被布置成运行专用的软件、并且可以具有包括诸如触摸屏121的用户输入的用户界面、被布置成控制变换器阵列102、104的操作并且接收来自pcd114和成像装置116的输出信号(如果存在)。控制器的关键特征在于其必须能够独立寻址并且控制可配置阵列、和pcd变换器、以及成像阵列中的各个元件(如果存在)。由此，控制器120通常将包括能够同时传输或接收若干射频(rf)线路的多通道数字转换器(通常，至少64、128、256、或512个通道)，诸如，能够延长传输选项并且互连至外部1000w电源的一种或若干256通道verasonicsvantage系统。本领域操作人员应当认识到合适的计算机系统并且应具有对计算机系统进行编程以执行本文中描述的各种功能的能力，并且因此将不再详细描述编程的细节。通常，控制器将进一步能够独立地控制被传输或接收至系统内的所有治疗性和诊断性阵列元件的各个信号的振幅与相位。为了实现此目标，控制器可以整合或从外部连接至多通道任意波形生成器122与多通道放大器组126。通常，变换器阵列102、104中的每个可以具有与其相关联的匹配电路130、132，匹配电路130、132被设计成实现自放大器至变换器元件的良好功率传输。控制器120可以被布置成将触发信号传输至多通道任意波形生成器122中的全部通道或每个通道，多通道任意波形生成器122各自被布置成针对阵列中的各个变换器元件生成控制信号，控制信号的形式与其相对时刻确定通过相应变换器阵列产生的超声波脉冲的形状。控制信号可以是功率放大器组126的输入，功率放大器组126对信号进行放大并且经由匹配电路130、132将放大信号输入至各个变换器阵列102、104的各个元件。能够协调至各个变换器元件的控制信号，以调整通过阵列产生的超声波脉冲。这能够在变换器阵列102、104自身保持静止时使得焦斑112移动，以将其放置在所需位置。控制器120还可以被布置成例如经由滤波器134和前置放大器136接收pcd114的输出(如果存在)并且接收来自成像装置116的输出(如果存在)。

设备还可以包括具有针152的注射器150，注射器150用于将材料注射到目标区域106内的对象中。材料可以是被布置成通过来自变换器阵列102、104的超声波激活或释放的治疗性物质，或其可以包含被布置成降低空化阈压力以促进目标区域106中的空化的空化核。针152还可以用于从目标区域中提取材料，例如，当其受声波作用使得其更易于提取时，提取ivd中的材料。例如，针152可以更进一步用于将材料注射到目标区域中，以形成置换np。

参考图3，可以在单独的针156上设置又一超声波变换器154。变换器可以被布置成插入到目标区域106中。针156可以连接至把手158，使得临床医生能够将针156操纵至适当位置。变换器154可以连接至电源，电源可以位于把手158中、或位于变换器的远处并且通过导线160连接至变换器。把手158可以具有开关162，开关162可操作为将变换器154连接至电源，以激活变换器154传输压力波或被连续供电。可替代地，其可以连接至控制器120并且受控制器120控制。在可替代的布置中，可以将变换器154整合到注射针152中，使得单个针能够执行针152、156的全部功能。传输器154能够生成大约1mpa的表面压并且理想上以与变换器阵列102、104的频率相匹配的频率(例如，可以为大约500khz)进行传输。变换器可以被布置成操作为接收器或检测器，在这种情况下，变换器可以连接至控制器120，使得控制器120能够接收并且处理其响应收到压力波而产生的检测器信号。

参考图4a至图4c，变换器阵列102、104中的每个可以被模块化并且可以包括各自形成为单独变换器元件200的多个子阵列或模块。在各个情况下，阵列102、104可以包括连接器或固定器，因此，阵列102、104能够被一起组装成多个不同的配置，每个配置提供不同形状的阵列。变换器元件200中的每个可以是具有两个长边202和两个短边或两端204的矩形。连接器或固定器可以被布置成使得变换器元件200中的每个能够沿着一个边连接至另一个，因此，变换器元件200并排或沿着一端定位，因此，变换器元件200端对端定位。例如，如图4a至图4c中所示，如果存在四个元件200，则将产生多个可能的配置。如图4a中所示，在一个配置中，所有元件可以并排布置成一行。在一个配置中，可以并排布置三个元件200，且一个元件200与三个元件中的另一个端对端地布置，例如，图4b中所示的中心处的一个元件，或端部的一个元件，以形成l形状的阵列。在一个配置中，四个元件200被布置成两两矩形配置。当然，其他配置是可能的。阵列可以由不同数目的元件构成。

变换器元件206在各个元件200上的安装可以被布置成使得变换器元件形成凹的局部球形阵列，即，全部位于共同(假想的)球形表面上的相应点处。元件200之间的连接可以被布置成使得在所有可能的配置中，全部元件200中的变换器元件一起形成单个局部球形阵列。这简化了各个元件200和完整组装阵列中的变换器元件的控制。更重要地，其具有完整组装的阵列102、104中的元件200彼此能够完全互换的优点。然而，能够使用其他形状的变换器阵列。在该布置的变形中，各个元件200可以具有在一个方向上不变的第一曲率半径和在另一方向上不变的第二曲率半径，且所有元件200具有相同的形状。这也提供了元件200之间的互换性。

如图5a和图5b中显而易见，变换器元件200中的每个可以包括具有正面210的整体矩形支撑框或外壳208，整体矩形支撑框或外壳208在纵向方向和横向方向上凹入地弯曲。元件分别在纵向方向和横向方向上的长度和宽度的曲率半径是不变的。纵向方向与横向方向上的曲率半径彼此可以相等，因此，正面210是局部球形。可替代地，纵向方向与横向方向上的曲率半径彼此可以不同。例如，在纵向方向或横向方向上的曲率半径可以无穷大，因此，变换器阵列是局部圆柱形而非局部球形。当将变换器元件206安装在正面210上时，变换器阵列与正面210具有相同的曲率。实际上，应当认识到，在仍支撑所描述的各个曲面配置中的变换器阵列的同时，可以改变框或外壳208的实际形状。支撑框的背面212可以是大致平坦的。连接器区域214可以设置在背面212的一部分上，以为变换器元件提供电连接。元件200可以通过一组支撑件216连接在一起，支撑件216可以是杆或支架形式，并且可以具有用于容纳螺纹紧固件220的洞218，螺纹紧固件220还被布置成与支撑框208的背面212中的螺纹洞222啮合。支撑件216中的每个被布置成跨两个相邻的变换器元件200并且固定至两个相邻的变换器元件200，以将两个相邻的变换器元件200彼此刚性地连接。

支撑框208的端面224和侧面226彼此可以不平行并且可以辐射至局部球形正面210或变换器阵列。这确保，当变换器元件202中的任意两个(所有变换器元件具有相同的形状)相对彼此定位时，由其产生的组合变换器阵列形成大致连续的凹面阵列，即，可以是局部球形、或局部圆柱形、或在具有不同的曲率半径的元件200的纵向方向和横向方向上弯曲。应当认识到，不需要通过端面224和侧面226的形状确定每对相邻的支撑框200的相对位置。相反，可以在元件的端部和侧面上设置专用的定位面，定位面能够针对彼此定位，以提供所需的定位。实际上，当被组装成阵列时，仅通过将其保持在一起的支撑件216，而非元件200自身的形状，可以确定元件200的相对位置。

支撑件216形成具有至少一个子集216a和至少一个子集216b的集合，至少一个子集216a被布置成并排连接两个变换器元件200，并且至少一个子集216b可以是相同的子集或不同的子集、被布置成端对端地连接两个变换器元件200。这允许变换器元件200一起连接成如图5a和图5b中所示的不同配置，以产生不同形状的变换器阵列，例如，图4a至图4c中所示的配置。

参考图6a至图6d，位于各个变换器元件200的背面上的连接器区域214可以具有一组端口230，每个端口230可以被布置成连接至线缆连接器232。每个端口230可以具有一组连接，每一个连接至元件200中的每个单个变换器元件206。这能够提供各个单个变换器元件206与控制器120之间的连接，因此，能够协调变换器元件206，以产生具有可移动焦斑的超声波脉冲。例如，可以存在三个连接器232，每个连接器为三分之一的变换器元件206提供单个连接。与线缆连接器232附接的线缆234足够长和灵活，以适应各个变换器元件200的各个不同配置。

为了控制变换器阵列102、104将超声波脉冲聚焦在正确的位置中，控制系统需要考虑所有变换器元件206的相对位置。如常规的阵列，固定各个变换器元件200的相对位置。因此，能够在合适的坐标系(例如，极坐标系)中定义其相对位置，并且使用其相对位置通过协同的方式进行控制。然而，对于考虑了阵列102、104的可重构性质的控制器120，需要将元件200的配置以及由此所有变换器元件206的相对位置输入至控制器中。例如，每个阵列中可以存在元件200的有限数目的可能配置，并且在计算机120上运行的软件可以被布置成要求输入指示正在使用这些配置中的哪些配置。如下面更为详细地描述的，经由触摸屏121可以手动提供输入，或通过阵列最优化过程可以生成输入。一旦该信息为计算机120可用，例如，在球形坐标系内定义元件200的相对位置，则在每个阵列102、104中限定了所有变换器元件206的相对位置，例如，在单个球形坐标系内进行定义，并且因此，能够根据需要控制每个阵列产生可调整的超声波脉冲。应当认识到，尽管实际上将所有的变换器元件定位在共同的球形表面上使得其控制简单化，然而，所有的变换器元件能够具有不同的形状和/或位置并且仍协同提供所熟知和定义的这些形状和位置。

参考图7a至图7e，而非图5a和图5b中将变换器元件固定在一起的支撑件，变换器元件可以被支撑并且保持在相应的安装元件300上。每个安装元件整体可以是矩形形状，并且可以与背面的一个变换器元件200为相同的长度和宽度。每个安装元件可以具有正面302，正面302大致是平坦的并且被布置成与一个变换器元件200的背面啮合。固定机构可以被设置成将每个变换器元件200固定至一个安装元件，例如，与变换器元件的背面上的螺纹洞22对准的安装元件300上的螺杆洞304。安装元件300可以具有相互啮合的固定设备，相互啮合的固定设备能够使得安装元件300彼此固定成多个不同的配置。例如，其各自可以具有从其侧面310和端面312突出的一系列固定凸耳306。凹部308可以定位成邻近于各个凸耳306，凹部308与各个凸耳306为相同的尺寸，因此，位于一个元件300上的一个凸耳306能够配合到位于另一元件300上的一个凹部308中。凸耳106与凹部308可以被布置成使得，对于位于安装元件300的一个纵向侧上的每个凸耳306，在相对侧上存在与其相对的凹部308，并且对于位于安装元件300的一个端上的每个凸耳306，在相对端上存在与其相对的凹部308。这就是指，所有的安装元件300能够相同，并且每个安装元件能够与另一个端对端或并排固定。当每个安装元件具有安装在其正面302上的变换器模块200时，这就是指变换器模块200能够以任意组合和配置端对端或边对边地连接在一起。

当被组装在一起时，各个安装元件的侧面310和端面312相对于正面302的角将确定每对相邻的安装元件的相对方位。当将一个模块200安装在每个安装元件的正面上时，各个安装元件的侧面310与端面312相对于其支撑的模块的正面210的角将确定模块200在组装阵列中的相对位置。因此，安装元件的侧面310可以在模块200的横向方向上与变换器阵列的曲率半径对准，并且安装元件的端面312可以在模块200的纵向方向上与变换器阵列的曲率半径对准。

应认识到，不需要将安装元件300设置成与变换器模块200分离并且能够将凸耳306和凹部308整合到模块200中。

在使用时，系统可以执行各种不同的功能。一种功能使用患者的成像生成待治疗区域的声学3d模型，包括当使用阵列时位于变换器阵列与目标区域之间的患者的所有周围区域。通常，将使用诸如x射线ct扫描或mri扫描的单独的成像系统完成成像。参考图8，为了论证该功能，首先，使用kub-ct扫描仪800(0.625mm的膜厚度和0.625mm的像素大小)获得匿名患者的图像数据集。扫描仪覆盖从椎骨体l1至骨盆的解剖结构。将dicom(医学数字影像和通讯)图像数据集输入至matlab(r2014a,美国mathworks公司)中并且分割成不同类别的组织或材料，在这种情况下，使用hounsfield单位的阈，分割成空气801、软组织802、脂肪803、以及骨骼804。使用阈方法将椎骨体上的松质骨分类成软组织，然而，因为其被分割成骨骼的皮质层包围，所以使用matlabimfill命令将像素转换成骨骼。在一些情况下，皮质骨太薄，以至于不能完全封闭松质体，并且在这些情况下，对区域进行手动校正。就声学传播的观点而言，因为大多数软组织具有相似的声学性质(脂肪例外)，所以将软组织分割成脂肪并且其他软组织被视为可接受的近似。当然，应当认识到，能够根据目标区域的部位和可用的处理功率通过不同的方式对组织进行分类。在分割之后，将所处理的ct图像堆叠，以形成被加载至声学模拟软件封装中的3d模型805。

参考图9a、图9b、以及图9c，为了调查患病部位的大小的效果，对三名患者的ct扫描进行分割，以产生所示出的声学图。其被称之为模型i(小)、模型ii(中)、以及模型iii(大)，并且分别具有789mm、929mm、及1129mm的周长、以及290mm、320mm、及380mm的侧宽。因为每个腰椎间盘存在退化的可能性，所以通过模拟工具对来自椎骨体l1至l5的四个椎间盘进行模型化。由于ivd的hounsfield单元与周围的软组织非常类似，所以不可能从ct图像中自动分割ivd。代替地，假设两个连续的椎骨之间的软组织是ivd；将椎骨的轮廓叠加在软组织上，由此，分割软组织中的ivd边界。

使用pzflex(威德林格工程师事务所)模拟超声波传播。pzflex采用有限的元素方法和明确的时域算法来局部解决连续性、要素、以及状态等式的线性形式(而非将其组合成波等式)。使用具有8个节点的六面体元素对模型进行有规律地网格化。选择每个波长15个元素的栅格间距来平衡精确的准确度与计算负担。对于不同的患者和ivd，尽管模拟的计算域的大小可变，然而，平均尺寸为100*370*175mm³的模型中包括全部整个目标ivd和粘附的椎骨体。参考图10，由于pc存储有限，在示出平面的上方和下放的区域中，模型中仅包括患者的后部。因为前部中填充有空气的肠腔将抑制超声波传播，所以这种简化不会影响结果。在matlab中，对所有的模拟结果进行了预处理和形象化。

参考图11，为了确定最佳的变换器阵列位置，在模拟模型中，将产生净500khz正弦波形的点源定位在ivd的中心处，并且计算和记录患者体外的球形曲面上的所有点在模拟时间段内的压力波形。为此，将包括密度和弹性的性质分配至组织或材料的各个类别，并且将位置射线模拟成从同一点源投射至皮肤的表面的直线，出于简便，不考虑折射。图11中示出了到达皮肤表面的射线。在整个模拟时段内计算包括这些射线中的每条射线的相位和振幅的完整波形。从该模拟中，能够识别其中将压力波最佳地传输至目标位置或从目标位置最佳地传输压力波的优选方向。计算声学窗口的位置与形状，即，接收来自点源的最大声学功率的曲面的面积。在这种情况下，通过叠化如图12中所示的超声波传播与射线跟踪模型的输出，识别两个适当的声学窗口，两个声学窗口分别在患者的两个腰窝上。给定能够定位在曲面上的任意地方的变换器阵列的假设大小和形状，计算变换器阵列最佳地覆盖声学窗口的最佳位置。假设变换器阵列是矩形配置，在图12中示出变换器阵列的最佳位置。这与图13中所示的两个变换器阵列的最优化位置对应。能够遵循相似的过程识别通过图14中示出的胸腔或通过图15中所示的头骨传输声音的最佳声学窗口和阵列配置。

在模拟时，通过每个声学窗口生成由192个矩形元素构成的超声波阵列，每个矩形元素的尺度为5mm×3mm，192个矩形元素紧密地布置成3行，一行64个。在模拟时，通过利用点源使位于元素位置处的记录波形时间反转而获得各个元素的传输信号。

在模拟时，通过限定不同形状的变换器阵列并且优化各个变换器阵列的位置来覆盖声学窗口而研究不同的变换器配置的效果。然后，再次通过点源使所记录的‘接收’波形反转而计算各个变换器元件在各种情况下的传输信号，并且计算ivd位置处的合成声学信号。图16a至图16d中示出了关于低bmi患者的这种模拟的结果，并且图16e至图16h中示出了关于高bmi患者的这种模拟的结果。关于可配置阵列的固定输入功率，对于低bmi患者，在图16b所示的配置中实现了焦点处的最大压力，而对于高的bmi患者，在图16c的可替代配置中实现了最大压力。

在使用时，在生成被上传至计算机系统120中的一系列图像的程序之前，可以对患者进行扫描，并且如上所述，计算机系统120可以被布置成生成患者的3d图像，并且然后，计算变换器阵列的最佳配置和位置。关于此计算，在使用各个模拟射线在其达到球形曲面时的点处的振幅的同时，不需要相位信息。对于任意的模块化变换器阵列，仅存在有限数目的配置(可以存储在计算机系统的存储器中)，并且系统可以被布置成搜索各个配置的所有可能位置，以识别最佳组合。然后，可以将阵列102、104组装成最佳配置，放置在相对于患者的最佳位置中，并且使用连接器232连接至计算机系统120。操作人员可以将阵列102、104的配置输入至计算机系统。可替代地，每个阵列配置可能仅存在变换器模块的一种操作组合，在这种情况下，计算机系统能够在控制变换器时假设变换器阵列的各个部分的相对位置。

在优化变换器阵列102、104的形状与位置的可替代方法中，可以将传输器154插入至目标位置中并且控制传输器154传输超声波信号。因此，可以使用处于静止位置、或围绕患者连续移动、或在多个选择位置与配置之间移动的可配置阵列自身或具有较低分辨率的较大阵列检测位于其中预期最佳声学窗口所在的区域内的患者周围区域的超声波。根据来自检测器阵列的输出信号能够确定阵列的最佳位置与配置。

一旦确定阵列102、104的最佳配置及其相对于患者的最佳位置并且设置了变换器阵列102、104，则需要将阵列聚焦在目标区域中。为此，可以使用被配置成最佳配置并且相对于患者定位在最佳位置处的变换器阵列102、104、及超声波源154完成时间反转计算。可以将超声波源154插入到患者中，例如，插入到其脊柱中，直至其处于目标位置，例如，np中。例如，使用诸如荧光镜或内窥镜成像的手术指导能够实现此操作。然后，可以激活超声波源154，并且通过记录该周期内来自各个变换器元件的输出信号，记录测试周期内被接收在各个变换器阵列102、104的各个变换器元件206中的声学信号。从超声波源154传输超声波信号与传输信号到达阵列102、104中的各个变换器元件206之间的时间表示各个变换器元件206与超声波源154之间的传输时间。通常，由于传输时间完全不同，在各个变换器元件中接收的超声波信号及由此通过各个变换器元件生成的输出信号彼此不同相，且基于不同的传输时间，其间存在相位偏移。然后，可以使所记录的变换器输出信号反转，以生成各个变换器元件206的控制信号，根据变换器元件206生成的超声波信号具有相位偏移(即，所接收超声波的信号的反相)，所接收的超声波彼此同相到达超声波源154的位置，并且因此，将所传输的超声波最佳地聚焦在超声波源154所在的点处。使用所计算的控制信号可以激活变换器阵列102、104，以将超声波聚焦在目标位置处。在传输器154仍处于适当位置时，能够非常快速地完成此操作。因此，如果将传输器整合到图2的系统的注射器针152中，则能够使用最佳聚焦作为np治疗或置换的一部分。

一旦确定控制变换器元件206生成聚焦在初始目标位置的超声波的最佳聚焦控制信号的相对相位偏移，则能够通过修改控制信号至不同变换器元件的相对时刻而移动超声波的焦点，以修改这些相位偏移。对于完成此操作的控制器120，其可以将各个变换器元件与目标位置之间的传输时间、以及各个模块200上的所有变换器元件206的相对位置存储在存储器中。其可以被布置成从该信息中重新计算接近于初始目标位置的不同目标位置的传输时间。基于组织类型，仅仅使用变换器元件与新的目标位置之间的距离的变化就可以计算这些传输时间，并且因此，不同位置之间的传输速度将不发生明显的变化。然而，如从3d模型确定的，计算还可以考虑各个变换器元件与新的目标位置之间的组织类型。然后，根据这些传输时间，能够生成将超声波聚集在不同的目标位置时所需的传输信号。这允许焦点到处移动，例如，移动至np的不同碎裂部分。无论计算各个新的目标位置的新传输时间的详细程度如何，传输器154可以移至一个或多个其他位置并且进一步传输信号，并且使用这些信号到达变换器元件206时的时间生成新位置的新的传输时间。实际上，使用的传输器154的位置越多，需要关于这些位置之间的插值的计算的准确度越低。

在可替代的布置中，针上的传输器154可以被接收器替换、被布置成响应收到超声波信号而生成输出信号。接收器可以连接至控制器，因此，控制器能够接收并且记录来自接收器的输出信号。然后，控制器可以被布置成依次并且及时激活各个变换器阵列206并且响应性地记录来自针装接收器的输出信号。一旦激活各个变换器阵列，则能够计算各个变换器阵列与接收器之间的传输时间，并且使用传输时间计算控制信号至各个变换器阵列的所需时间，这将导致来自所有变换器阵列的超声波同相到达针装接收器的位置，即，将传输的超声波聚焦在该点上。

现将描述关于损坏np的置换的完整程序的实施例作为本发明的应用的实施例。首先，将注射器150填充有包含空化核的材料。这些材料可以是由聚合物材料制成的纳米颗粒形式，诸如，聚烯丙基二甲基氯化铵(pdadmac)，具有例如附着至其表面以粗化表面的二氧化硅，或其可以是聚合纳米杯形式。然而，能够使用其他类型的超声波感测颗粒或填充气体的超声波造影剂或其他造影剂。可以将注射器的针152插入至np16中，并且通过注射器150的针152将空化核注射至np16中。在手术指导下能够完成该注射步骤(通常在荧光镜或内窥镜成像中完成，但不一定)。使用最低限度地微创技术也可以完成注射步骤，但不一定。可以尽可能地控制注射，以使得空化核被限制于np并且不扩散至ivd的环面。

然后，在使用这些最优化信号的受声波作用过程中，针152可以被放在适当的位置并且激活传输器154，以计算各个变换器元件206的最佳传输信号。因此，随后可以使用针152提取碎裂的np组织。

然后，在受声波作用期间，定位并且控制治疗性变换器102、104，以使得其压力焦距108、110在待治疗的椎间盘的np16内的点112处一致。在治疗期间，通过改变传输信号至各个变换器元件206的相对时刻可以移动焦点，以使得其位于np内的不同点处。在使用治疗性变换器装置104内包含的超声波成像阵列116的治疗过程中，可以使np的合成空化现象及碎裂作用实时成像，但是，使用诸如荧光镜成像和/或基于计算机的患者挂号技术(可能不一定构成治疗性装置的一部分，但与其相关)的其他指导和对准设备能够实现此操作。

该治疗方案与热烧蚀截然不同，其通常使用在短脉冲中传递的高压振幅，且占空比比热治疗低许多。该治疗的目标是明确最小化对周围组织的热效应。利用三至五十个循环的短脉冲、0.1％至5％的低占空比、以及高至20mpa峰值稀薄焦点压力(prfp)或80mpa峰值正焦点压力(ppfp)的高压对受声波的作用进行脉冲调制。在一些情况下，prfr可以是5mpa至80mpa范围内的任意值，但通常小于50mpa。

在受声波作用期间，由于np组织碎裂，使用装置内包含的声学传感器对np进行监测，以监测治疗的位置、进度、以及范围，并且具体地，碎裂。在该实施方式中，这些包括单元件被动空化检测器114和多元件被动空化检测器116。然而，例如，wo2010/052494中描述的，其能够包括b模式成像变换器和被动成像检测器阵列。

一旦np组织的大部分发生碎裂，则提取碎裂的组织。使用初始插入人造核中所使用的针152或出于特殊目的插入的另一针能够执行对机械碎裂的组织的这种提取。

在一些情况下，仅一个受声波作用和一个提取步骤足以。然而，在其他情况下，在第一提取步骤之后，可以执行其他的受声波作用和提取步骤。在一些情况下，如果重复执行受声波作用步骤，则针对每次受声波作用注射其他的空化核，尽管在一些情况下这可能没必要。

能够使用b模式或其他成像技术检查碎裂与提取是否完成。一旦提取足够量的损坏np，则将合适的生物相容聚合物插入到已在np16内创建的空间中。该聚合物能够是多种合适的聚合物中的一种，例如，蛋白质水凝胶或固化聚氨基甲酸酯，这些聚合物的定义特性在于其能够以液态形式注射并且一旦处于适当位置则在原位经历杂交，以形成模拟健康np的性质的水凝胶。

如上所述，例如，在治疗过程中，可以使用wo2010/052494中描述的被动声学映射来监测声学感应空化现象。如果所成像(及被治疗)的区域是不可访问的，诸如胸腔内，则上述获得目标区域的超声波的问题同样适用于从成像区域接收足够的超声波，以生成有用的图像。因此，上述模块化变换器阵列还可以或可替代地用于成像。尽管这在各种成像方法中是有用的，然而，当需要检测通过空化现象(不可访问的位置处自身发生的)产生的超声波(或更一般地，压力波)时，被动声学映射是较好的示例。例如，参考图2，可以将被动空化检测器114整合到模块化变换器阵列中作为一个或多个模块200或实际上作为一个模块200的一部分。因为超声波或其他压力波的衰减是基于频率的，并且pcd114通常以明显高于hifu变换器操作的频率的频率进行检测，所以可以对两个不同的频率或频率范围中的每个频率执行上述所述参考图11的建模。然后，控制器120可以使用所产生的数据确定所有模块的最佳配置和位置。例如，考虑阵列中的不同部分的不同检测频率，可以选择最佳配置与位置，以最大化阵列中的‘接收功率’。可替代地，在最优化过程中，可以给予变换器阵列的pcd部分、或阵列的hifu部分较高的权重。

如同仅传输的布置，一旦模块化组合的pdc/hifu阵列位于相对于主体的最佳位置，则可以使用传输器154在待成像的目标点处生成超声波信号，并且使用该信号达到pcd114的各个变换器元件处的时间确定目标点与各个变换器元件之间的传输时间。一旦确定这些时间，则能够使用这些时间修改成像算法，成像算法通常使用成像阵列中的各个变换器中的信号的时移识别在成像区域或体积内的各个点处生成的信号。例如，在wo2010/052494的被动声学映射方法中，考虑传播速度不同，可以调整各个阵列元件与目标位置之间的传播距离。一旦针对一个目标位置或成像点做出这种调整，则能够对所有的成像点使用相同的调整，前提是成像区较小(通常是这种情况)。

参考图18，尽管主要针对np的治疗或脊柱的其他部位展开了本发明，然而，将超声波传递至大脑的某些部位或头骨的其他部位面临类似的挑战，并且能够使用图2中的系统治疗大脑。在将治疗性超声波传输至大脑的优化配置与位置的实施例中，图18示出了一个变换器阵列102。如同脊柱应用，可以使用阵列进行成像以及治疗、或代替治疗。为了将药物传递至神经系统，这可治疗性地用于实现脑血管屏障的可逆打开，或为了实现在出血性或缺血性中风现象过程中的血流的成像得到改善，可以诊断性地实现脑血管屏障的可逆打开，而这些能够通过经颅超声溶栓得到治疗。