使用交叉点开关矩阵的超声聚焦的制作方法
本发明的领域总体涉及超声系统，且更特别地涉及用于使用交叉点开关矩阵来便于超声聚焦的系统和方法。
背景技术
聚焦超声(即具有大于大约20千赫兹的频率的声波)可用于使内部身体组织成像，或在高强度下产生热消融能量以治疗组织例如肿瘤或阻断脉管以输送药物。作为例证，图1是用于产生聚焦声能量射束102并将聚焦声能量射束102输送到患者106体内的目标组织104的示例性聚焦超声系统100的简化示意图。系统100使用超声换能器108，其按几何图形成形并相对于患者106物理地定位，以便将超声能量射束102聚焦在位于目标组织104内的三维聚焦区处。系统可以用各种方式塑造超声能量，产生例如点聚焦、线聚焦、环形聚焦或同时多个焦点。换能器108可以是实质上刚性的、半刚性的或实质上柔性的，并可由各种材料例如陶瓷、塑料、聚合物、金属和合金制成。换能器108可被制造为单个单元，或可选地从多个部件组装。虽然所示换能器108具有“球形盖”形状，各种其它几何形状和配置也可用于输送聚焦声射束，包括其它非平面以及平面(或线性)配置。换能器的尺寸可根据应用在毫米和数十厘米之间改变。
换能器108可包括在一维、二维或三维阵列中或以其它有规律的方式或以不协调的方式布置的大量换能器元件110。这些元件110将电子驱动信号转换成机械运动，且由此转换成声波。它们可由例如压电陶瓷或压电复合材料制成，并可安装在硅树脂橡胶或适合于使在元件110之间的机械耦合减弱的另一材料中。换能器元件110经由电子驱动信号通道112连接到控制模块114，其驱动单独的换能器元件110，使得它们共同产生聚焦超声射束。更特别地，控制模块114可包括射束形成器116，其在通道112中设置驱动信号的相对振幅和相位。在包含n个换能器元件的常规聚焦超声系统中，射束形成器116一般包含n个放大器118和n个相位控制电路120，每对驱动换能器系统110之一。射束形成器116接收一般在从0.1mhz到5mhz的范围内的来自频率发生器122的射频(rf)输入信号。输入信号可以为射束形成器116的n个放大器和相位电路118、120分成n个通道。因此，在一般常规系统中，射频发生器122和射束形成器116配置成在同一频率处但在不同相位和不同振幅处驱动换能器108的单独元件110，使得换能器元件110共同形成“相控阵”。
从换能器元件110传输的声波形成声能量射束102。一般地，换能器元件被驱动，使得波聚集在目标组织104中的聚焦区处。在聚焦区内，射束102的波能量(至少部分地)由组织吸收，从而产生热并将组织的温度升高到细胞被改变本性和/消融的程度。为了有效地治疗目标组织，声能量射束102必须精确地聚焦到目标位置以避免对围绕目标区域的健康组织的损坏。当声能量射束102穿过介入组织时，射束散射、吸收、反射和/或折射可由于组织不均匀性而出现；这可导致射束像差，其可使聚集变形并减小强度，因而影响治疗效率。因此，希望调节与换能器元件相关的驱动信号的参数(例如相移和/或振幅)以便补偿声像差并从而提高在目标区域处的聚焦特性。
声射束102可被引导以聚焦在多个不同的聚焦区处。调节驱动信号以便将声能聚焦在各种期望位置处是被称为射束102的“电子转向”的过程。在控制器124中计算由射束形成器116强加并用于使射束转向的放大(或衰减因子)α和相移
然而为了独立地调节驱动信号的相位和/或振幅，可能需要复杂的电路，因为每个通道112可能需要专用放大器118和相位控制电路120(例如当存在n个通道112时，可能需要n个放大器118和n个相位控制电路120)。此外，当换能器元件110的数量增加时，独立地驱动具有各种相移和各种振幅的元件的能力由于复杂度和成本原因而伴随地变得较不实际。
因此，需要适应在换能器阵列中的大量换能器元件而没有使用与换能器元件相关的单独放大器和相位控制电路的负担，但也没有牺牲在特定的临床应用中所需的射束聚焦和转向能力。
技术实现要素：
本发明的实施方式提供超声系统，其允许在换能器阵列中的元件单独地或以分组方式被操作而没有对额外的支持电路的需要。在各种实施方式中，超声系统包括用于为换能器电路产生驱动信号的射束形成器和用于将各种相移给予驱动信号的多个相位控制电路。每个相位控制电路可以产生不同于彼此的相移，且所产生的相移可覆盖0到2π的范围。在一些实施方式中，每个换能器元件(或每组换能器元件，如果元件被分组)与可经由交叉点开关矩阵连接到相位控制电路之一的驱动通道相关。交叉点开关矩阵包括多个开关；每个开关可将驱动通道耦合到相位控制电路。
在超声过程期间，在超声系统中的控制器可确定相移(其可被离散化)，其使换能器元件(或换能器元件的组)共同产生在目标区处的聚焦超声射束。控制器或射束形成器可操作交叉点开关矩阵以将换能器元件(或换能器元件的组)耦合到具有所确定的离散相移的相位控制电路；这激活换能器元件(或换能器元件的组)以从而传输具有所确定的相移的声射束。为了实现治疗目标(例如目标平均强度级、目标平均能量级和/或在目标区处的目标温度水平)，在多个实施方式中，实现脉宽调制(pwm)以便于在交叉点矩阵中的开关的操作，从而调节元件的激活时间的持续时间(即占空比)。占空比积极地关联到被输送到目标区的能量级，较高的占空比相应于较大的能量，因为电源在大部分时间期间是接通的。因此，pwm允许声射束的能量级有效地被调节而不改变驱动信号的振幅；这有利地减小系统复杂度和费用。
换能器元件(或换能器元件的组)的占空比可基于目标组织的机械时间常数和/或热时间常数(在下文中共同地，“时间常数”)来改变。在一个实施方式中，为了确保目标组织响应不被换能器元件的去激活明显影响(即在驱动信号的“断开时间”期间)，驱动信号的断开时间小于目标组织的时间常数。
如上所述，当声射束穿过位于换能器和目标区之间的组织时，射束像差可能由于介入组织的不均匀性而出现。这可减小在目标区处的强度级，从而影响治疗效率。为了补偿这个影响，在一个实施方式中，换能器元件(或换能器元件的组)的占空比基于它们的在目标区处检测到的射束能量级而被调节(在目标区处的检测到的太低的能量级需要增加占空比作为减轻步骤之一)。
从介入组织产生的射束像差也可使在目标区处的聚焦剖面变形和/或产生在目标或非目标区处的不均匀的温度分布，包括热点。(术语“热点”在本文用于暗示超声能的集中区，超声能将它出现于的组织的温度升高到在临床上不可接受的水平)。在一个实施方式中，换能器元件(或换能器元件的组)以轮询方式顺序地操作。这样，具有变形的声射束的元件(或元件的组)在一个时间间隔期间被去激活，且因射束像差产生的不利影响可减小。
在一些实施方式中，成像器(例如mri装置)和/或声空化检测器用于监测在目标和/或非目标区中的治疗参数(例如温度或空化的水平；所监控的参数然后作为反馈被提供用于调节换能器元件的操作，以便达到如由该监测反映/测量的治疗目标)。同样地，换能器元件的操作可通过调节其占空比来被调节。
因此，在一个方面中，本发明涉及用于将超声能输送到目标的系统。目标可选地是不在人类或动物身体中的非解剖目标(例如凝胶坯料或适合于测试或校准该方法的其它材料)或内部解剖目标。在多种实施方式中，系统包括：超声换能器，其具有共同地作为相控阵可操作的多个换能器元件；多个驱动器电路，每个驱动器电路连接到一个或多个换能器元件；多个相位电路；可选择地耦合驱动器电路与相位电路的开关矩阵(例如交叉点开关矩阵)；以及控制器，其配置成(i)接收待施加到目标的目标平均强度级、待施加到目标的能量级和/或在目标中的温度水平作为输入，(ii)识别多组换能器元件，所述组中的每个相应于用于作为相控阵越过介于在目标和超声换能器之间的材料(例如组织)将超声能聚焦和/或成形在目标处的多个换能器元件，以及(iii)顺序地操作换能器元件组以施加并维持在目标处的目标平均能量级。在一个实现中，控制器根据脉冲宽度调制模式来操作每个换能器组，该脉冲宽度调制模式具有被选择来根据目标材料(例如组织)的所估计的时间常数来达到在目标处的目标平均强度级、能量级和/或温度水平的占空比。
在整个本申请中，各实施方式是针对“组织”而公开的。应理解，对“组织”的特定提及也包括对“材料”的一般公开。因此，教导与“组织”有关的操作的在本文的任何公开也可更一般地适用于材料且更特别地适用于凝胶，例如在坯料中使用的那些凝胶。
目标平均强度级可以是空间或时间平均强度级。驱动器电路可以在数量上比相位电路更多，且控制器可选择性地将每个相位电路连接到多个驱动器电路。此外，相位电路可输送具有离散数量的固定相移的信号，且控制器可进一步配置成将固定相移之一施加到换能器元件之一或换能器元件组之一。在一个实施方式中，控制器进一步配置成基于超声能的成形和/或目标的位置来调节固定相移。
在各种实施方式中，系统包括用于监测目标的温度的磁共振(mr)单元，且控制器配置成响应于所监测的温度而调节占空比。此外，控制器可进一步配置成响应性地操作开关矩阵以使每组的换能器元件中的选定换能器元件通电或接地，以便减小在通过mr监测而检测到的超声射束路径区和/或目标中的至少一个中的温度不均匀性。在一些实施方式中，mr单元进一步配置成监测焦点的位置和剖面，且控制器配置成响应性地操作开关矩阵以使每组的换能器元件中的选定换能器元件通电或接地，以便减小焦点的剖面变形。
系统还可包括用于检测在焦点处的空化的空化检测器；控制器配置成响应性地操作开关矩阵以使每组的换能器元件中的选定换能器元件通电或接地，以便在存在被检测的空化时减小或增加在焦点处的峰值压力。在一些实施方式中，空化检测器耦合到控制器，且控制器进一步配置成(i)响应性地操作开关矩阵以使每组的换能器元件中的选定换能器元件通电或接地，以及(ii)促进驱动多组换能器元件的信号的脉冲宽度调制以便实现在预定范围内的空化效应。在一个实现中，在两组或更多组换能器元件之间共享一个或多个换能器元件。此外，控制器可进一步配置成同时操作多于一组换能器元件。
在多个实施方式中，开关矩阵配置成将驱动器电路耦合到相位电路、电接地和/或具有固定电压的电压源。此外，控制器可进一步配置成操作换能器元件组中的每个以在目标处产生点聚焦、线聚焦、环形聚焦或多个焦点。控制器可进一步配置成操作换能器元件以在目标处产生焦点。此外，控制器可配置成以轮询(round-robin)方式顺序地操作换能器元件组。
在另一方面中，本发明涉及用于利用超声换能器来将超声能输送到目标(可选地，不在人类或动物身体中的非解剖目标(例如凝胶坯料或适合于测试或校准该方法的其它材料)或内部解剖目标)的方法，超声换能器具有共同地作为相控阵可操作的多个换能器元件；多个驱动器电路，每个驱动器电路连接到一个或多个换能器元件；多个相位电路；以及可选择地耦合驱动器电路与相位电路的开关矩阵(例如交叉点开关矩阵)。在各种实现中，该方法包括接收待施加到目标的目标平均强度级、待施加到目标的能量级和/或在目标中的温度水平作为输入；识别多组换能器元件，所述组中的每个相应于用于作为相控阵越过介于在目标和超声换能器之间的材料(例如组织)将超声能聚焦和/或成形在目标处的多个换能器元件；以及顺序地操作换能器元件组以施加并维持在目标处的目标平均能量级。在一个实现中，控制器根据脉冲宽度调制模式来操作每个换能器组，脉冲宽度调制模式具有被选择来根据目标材料(例如组织)的时间常数来达到在目标处的目标平均强度级、能量级和/或温度水平的占空比。
该方法还可包括监测目标的温度以及响应于所监测的温度而调节占空比。在一个实施方式中，该方法包括监测在超声射束路径区和/或目标中的至少一个中的温度不均匀性以及响应性地操作开关矩阵以使每组的换能器元件中的选定换能器元件通电或接地，以便减小温度不均匀性。该方法还包括监测焦点的位置和剖面，以及响应性地操作开关矩阵以使每组的换能器元件中的选定换能器元件通电或接地，以便减小焦点的剖面变形。
此外，相位电路可输送具有离散数量的固定相移的信号；该方法还包括将固定相移之一施加到换能器元件之一或换能器元件组之一。在一个实施方式中，该方法包括基于超声能的成形和/或目标的位置来调节施加到换能器元件之一或换能器元件组之一的固定相移。驱动器电路可以在数量上比相位电路更多；该方法还可包括选择性地将每个相位电路连接到多个驱动器电路。
该方法还可包括检测在焦点处的空化并响应性地操作开关矩阵以使每组的换能器元件中的选定换能器元件通电或接地，以便在存在被检测的空化时减小或增加在焦点处的峰值压力。在一些实施方式中，该方法包括检测在焦点处的空化；响应性地操作开关矩阵以使每组的换能器元件中的选定换能器元件通电或接地；以及促进驱动多组换能器元件的信号的脉冲宽度调制以便实现在预定范围内的空化效应。在一个实现中，该方法包括同时操作多于一组换能器元件。
在多个实施方式中，该方法还包括操作换能器元件组中的每个，用于在目标处产生点聚焦、线聚焦、环形聚焦或多个焦点。此外，该方法可包括以轮询方式顺序地操作换能器元件组。目标平均强度级可以是空间或时间平均强度级。
如在本文使用的，术语“实质上”意指±10％，且在一些实施方式中是±5％。此外，术语“元件”意指在阵列中的单独换能器或单个换能器的独立可驱动的部分，以及术语“射束”、“能量射束”或“声能量射束”通常指由聚焦超声系统的各种发射元件发射的波的和。在整个这个说明书中对“一个例子”、“例子”、“一个实施方式”或“实施方式”的提及意指关于例子描述的特定特征、结构或特性被包括在当前技术的至少一个例子中。因此，短语“在一个例子中”、“在例子中”、“一个实施方式”或“实施方式”在整个这个说明书中的各种地方中的出现并不一定都指同一例子。此外，在本技术的一个或多个例子中可组合特定的特征、结构、例程、步骤或特性。在本文提供的标题仅为了方便，且并不意欲限制或解释所主张的技术的范围或含义。
附图说明
在附图中，相似的参考符号在全部不同的视图中通常指相同的部分。此外，附图不一定按比例，相反通常强调说明本发明的原理。在下面的描述中，参考下面的附图描述本发明的各种实施方式，其中：
图1示出在现有技术中所述的聚焦超声系统；
图2示意性描绘根据各种实施方式的示例性聚焦超声系统；
图3示出根据各种实施方式的用于将换能器元件耦合到射束形成器的交叉点开关矩阵；
图4a-c示出根据各种实施方式的驱动换能器元件的示例性驱动信号；
图5描绘根据各种实施方式的换能器阵列配置；
图6示意性描绘根据各种实施方式的组织对换能器元件的去激活的响应；
图7a和7b描绘根据各种实施方式的由多组换能器元件产生的多个聚焦区；
图8示意性示出根据各种实施方式的在聚焦和/或非聚焦区中产生的热点；
图9示意性示出根据各种实施方式的在聚焦区中产生的微气泡。
具体实施方式
根据本发明的各种实施方式的相控阵超声换能器一般包括大量(例如数百和多达数千)单独的换能器元件，其线性尺寸通常不大于在操作期间产生的声波的波长。使用小换能器元件导致在三维中的声射束的增加的可操纵性，即在大体积上的焦深和横向焦点位置的转向。例如，在不大于波长的一半的换能器元件尺寸的情况下，在每个方向上的转向角(即相对于可被实现的换能器表面的法线的最大角度)是±π/2，这便于覆盖完整的半球。在某些实施方式中，换能器元件具有一致的尺寸和形状，并均匀地被分布(例如以平铺方式)以便形成各向同性阵列。在其它实施方式中，换能器元件具有各种尺寸和/或形状，并可以用任何适当的方式布置，取决于临床应用和/或换能器元件所被接近地放置的患者身体的形状和位置。
如在图1中描绘的，在常规超声系统中，换能器阵列108的每个元件110与一个电子驱动信号通道112相关；在控制设施114中的射束形成器116设置在通道112中的驱动信号的相对振幅和相位，以便驱动具有相应设置的单独换能器元件110，从而共同产生聚焦超声射束。然而，控制在单个通道中的驱动信号的振幅和相位需要在通道级处的电子电路的额外层；这增加涉及负担和成本。为了保持复杂度和成本低，在本发明的各种实施方式中，驱动信号的相对相位由射束形成器116调节，而驱动信号的振幅在超声过程期间固定在一个或多个期望值处，如下面进一步所述的。此外，控制器124设置并调节元件110的驱动信号的相对占空比；这有效地控制由驱动信号产生的声射束的能量级。例如，与30％的占空比相比，80％的占空比将更大数量的热能输送到目标区。因此，本发明的各种实施方式通过改变换能器元件的占空比来有效地调节声射束的强度级或能量级。这消除了应用单独放大器118和相应支持电路以用于调节换能器驱动信号的振幅的需要。
在各种实施方式中，通过将元件110可采用的相移限制到多个离散值来简化与射束形成器116相关的电路。例如，可以有相移的可用的八个值——
此外，换能器元件可被分组，且在每组内的元件可以用电线连在一起，以便接收来自单个通道112的驱动信号。作为结果，通道的数量可明显小于换能器元件的数量。每组可包括换能器元件108的一维或二维阵列(即行或矩阵)；不同的组可以或可以不共享一个或多个换能器元件108。在每组内的元件110可形成换能器表面的单个连续区域，或包括多个非连续表面部分。在各种实施方式中，换能器元件110的组是单独可控制的，即，它们每个能够发射具有独立于其它组的频率和/或相位的频率和/或相位的超声波。这样的超声聚焦系统的示例性实现在图2中概念地示出。在所描绘的系统200中，每组换能器元件110经由驱动信号通道112连接到相位控制电路120。因为驱动信号通道112的数量小于换能器元件110的数量，射束形成器202的复杂度减小了(与在常规系统中的射束形成器的复杂度比较，其中每个元件的相位是单独可控制的)。
在各种实施方式中，两组或更多组204、206的驱动通道112共享公共放大器204以进一步减小系统复杂度；在组204、204中的换能器元件以相同的振幅被驱动。在一个实施方式中，超声系统200只包括一个放大器；因此，所有组的换能器元件以相同振幅的信号被驱动。换能器元件的组204、206、208可选择性地被激活和去激活，一次一个或多个，以将超声波传输到目标区，如下面进一步所述的；可在超声操作期间调节与组204、206、208相关的驱动信号的频率、相位和/或占空比以在目标区104实现治疗目标。
从换能器元件100(或换能器元件的组)发射的声射束可在在目标区104处产生聚焦区之前横穿位于换能器阵列108和目标区104之间的介入组织。介入组织的不均匀性可减小在聚焦区处的声能的强度，使聚焦剖面变形，并可能甚至移动聚焦区的位置。特别地，因为声速在不同类型的组织中不同，作为沿着具有不同组织类型的不同路径朝着聚焦区的声能量级的射束的部分，它们可经历不同的声速，这可移动从相应的换能器元件传输的声能的相对相位。这个相移可降低在聚焦区处的声能的相长干涉，这可减小治疗的有效性，或可甚至以不可预测的方式移动聚焦区。
组织不均匀性也可引起在具有不同声速的组织区的边界处的声能的折射。折射可减少相长干涉和因而在聚焦区处的声能的强度，特别是当声能穿过骨头时。因此，不均匀的组织结构可产生射束吸收、像差和折射，这可使聚焦变形并减小强度，因而影响治疗效率。
可通过调节每个换能器元件(或每组换能器元件)的相移来解释由不均匀的介入组织引起的声像差。参考图3，在各种实施方式中，在射束形成器202和换能器元件110之间串联地实现交叉点开关矩阵302。交叉点开关矩阵302包括连接到射束形成器202的相位控制电路的多个相位控制线304和可选择性地使驱动通道112与相位控制线304耦合和去耦的多个电子开关306。开关306可以是例如机械开关和/或电气开关(例如晶体管)。每个开关306在激活时将相位控制线304电气地耦合到与一组(或多组)换能器元件110相关的驱动通道112。射束形成器202可将不同的相移给予在不同相位控制线304中的驱动信号。例如，射束形成器202可产生具有分别在相位控制线304a-304d中的相移
在一些实施方式中，驱动通道112在数量上比相位控制线304大。因此，在超声程序期间，至少一些换能器元件不耦合到相位控制线304；这些元件110可经由驱动通道112来接地或耦合到具有固定电压的电压源。使用较小数量的相位控制线304可有利地减小电路复杂度和费用。但这伴随有代价，减小了精确地控制在目标区处的聚焦特性的能力；离散相位或延迟值的数量越低，在相位控制线之间的相差就越大。这又限制了射束形成器精确地控制从换能器元件发射的每个声射束的相移的能力。因此，提高聚焦特性的能力被限制。
在超声操作之前或期间，成像器308可用于确定关于目标(目标可以是组织)的信息，例如目标的位置、在目标处的材料的特性、目标组织的位置和目标组织和/或围绕目标的组织的解剖特性。成像器308可包括磁共振成像(mri)设备、计算机断层摄影(ct)设备、正电子发射断层摄影(pet)设备、单光子发射计算机断层摄影(spect)设备或超声波扫描设备。基于由成像器308获取的信息，控制器124可确定一些或所有元件110的相移(或对于每组换能器元件110)，其当被应用时使所发射的超声射束共同形成在目标区104处的建设性聚焦区。所确定的相移然后传递到射束形成器202，且基于其，射束形成器202经由开关306将具有所确定的相移的相位控制线304选择性地耦合到相应的换能器元件110(或换能器元件的组)。例如，图3中的换能器元件的组310a-310d可分别以
在多个实施方式中，为了有效地治疗在目标区104中的组织，在治疗之前或期间基于使用成像器308获取的目标组织的解剖特性来确定治疗计划，包括例如与目标区104相关的目标平均强度级、目标平均能量级和/或目标温度水平。然而，如上面所解释的，位于换能器阵列108和目标区104之间的介入组织的不均匀性可使声射束变形，从而降低到达聚焦区的声能的强度和/或创建在射束路径上或在目标区处的不希望有的热点。因此调节换能器元件110的操作参数(例如占空比)以补偿从射束变形产生的影响以便实现治疗计划是合乎需要的。在一个实施方式中，通过使用脉冲宽度调制(pwm)调节它的驱动信号的占空比来控制从每个单独的换能器元件(或每组换能器元件)发射的声射束的能量。因为可通过激活和去激活在交叉点矩阵302中的开关306来简单地操纵驱动信号的占空比，这个实施方式有利地允许控制器124有效地控制声射束地能量级，同时避免实现复杂的振幅控制电路。
图4a示出根据本发明的各种实施方式的驱动换能器元件(或一组换能器元件)的示例性驱动信号402。元件的激活时间的持续时间td与有规律的间隔(即时间段)t之比提供可确定传输到目标区的声能的驱动信号402的占空比—低占空比相应于低能量，因为电源在大部分时间期间断开。占空比一般以百分百表示，100％是完全接通以及0％是完全断开。因此，通过改变驱动信号402的占空比，从每个单独的换能器元件(或每组换能器元件)发射的声射束的能量可有效地被调节以提供在治疗计划中定义的预期级别。图4b和4c分别描绘驱动信号的占空比可如何使用pwm来增加到75％或减小到25％。
在超声操作期间，各个组的换能器元件110可以用轮询方式顺序地被激活以施加并维持在目标区处的目标平均能量级。例如参考图5，换能器元件可被分组成组1-5；组1-5可经由交叉点矩阵302的开关306顺序地被激活和去激活，用于将期望数量的声能输送到目标区。在一些实施方式中，控制器124基于到达目标区的相应的所发射的声能和在治疗计划中阐述的目标平均能量级来调节与每组换能器元件相关的驱动脉冲的占空比。通常，较高的目标平均能量级相应于较高的占空比，以及衰减程度越大(即，到达目标区的所传输的能量越低)，所需的占空比就越高。例如，如果目标平均能量级是et且从第1组元件产生并到达目标区104的能量是e1，第1组元件的占空比可由et/e1的比确定(或与该比成比例)。可类似地确定其它组的占空比。因此，当换能器元件的组以它们的所确定的相应占空比被顺序地激活时，它们中的每个在目标区处实质上产生相同的平均能量级et；这确保目标平均级别在整个超声程序期间被维持。正确的初始占空比可在数学上被计算，如刚刚描述的，或通过使用温度计测量各种占空比的温度影响凭经验来确定(或改进)而没有过度的实验。
在一个实施方式中，多于一组换能器元件实质上同时被激活以将声射束输送到目标区104。当声射束的能量级被介入组织明显衰减时，这个实施方式可能是优选的。在这种情况下，来自一组元件的在目标区处的能量级可能太小而不能甚至以完全的占空比(即，100％)产生目标平均能量级。因此，同时激活多于一组换能器元件使得在目标区处的合计的能量级可达到期望目标平均级别是合乎需要的。
在各种实施方式中，基于目标组织的时间常数来确定与这种换能器元件相关的驱动信号的占空比。这是因为虽然目标组织可对所施加的声脉冲机械地和用热的方法做出响应，这样的组织响应一般对所施加的射束能量不是即时的。例如，在驱动信号的“断开时间”期间(即，当换能器元件被去激活时)，组织可逐渐松弛，如在图6中描绘的。机械时间常数tm和热时间常数tth表示松弛行为。因此，为了确保组织响应不被换能器元件的去激活明显影响，驱动信号和/或在两个驱动信号之间的断开时间优选地小于目标组织的(共同的)时间常数。通常，断开时间可以是tm和tth的几分之一以充分确保组织响应在两个声脉冲之间不被明显影响。在一些实施方式中，断开时间比tm和tth小至少一个数量级。
通常，组织的机械和热响应高度取决于组织的类型。因此在一个实施方式中，在治疗之前凭经验获取各种组织类型的时间常数；这个信息作为查找表存储在数据库中并可在确定用于驱动换能器元件的信号的占空比时被取回。在另一实施方式中，在治疗期间获取各种组织类型的时间常数。例如，换能器阵列可首先将声脉冲输送到目标区104，且基于使用成像器308监测的组织响应，可确定与目标组织相关的机械和热时间常数。
然而，目标组织的机械和热响应可以是非线性的，从累积热能产生。因此在各种实施方式中，成像器308在治疗期间实时地监测组织响应，并提供所监测的信息作为对控制器的反馈。如果机械和/或热时间常数在治疗期间明显改变，则控制器124可将驱动信号的占空比响应性地调节到换能器元件(或换能器元件的组)以确保元件的激活和去激活不导致对目标组织的在临床上明显的影响。
在一个实现中，基于所监测的组织响应时间常数，控制器可计算换能器元件110的最大断开时间(其确定占空比)，同时仍然实现期望治疗结果。这种方法可增加换能器寿命(通过减小它的操作时间)，同时仍然实现期望治疗计划。
在各种实施方式中，成像器308(例如mri装置)在超声程序期间同时监测目标的温度。这在mr引导的热治疗(例如mrgfus治疗)期间是特别有用的，其中治疗区域的温度应连续地被监测，以便评估治疗的过程并校正在热传导和能量吸收中的局部差异以证实目标组织被治疗并避免对围绕治疗区域的组织的损坏。使用mr成像对温度的监测(例如测量和/或映射)通常被称为mr温度测量或mr热成像。
在mr温度测量可采用的各种方法当中，质子共振频率(prf)移位方法常常是由于它的关于温度变化的优良线性度、与组织类型的接近独立性和具有高空间和时间分辨率的温度图获取而选择的方法。prf移位方法基于在水分子中的质子的mr共振频率随着温度(随着比例常数，其有利地在组织类型之间是相对恒定的)而线性地改变的现象。因为随温度的频率变化很小，对于本体水仅仅–0.01ppm/℃和在组织中大约–0.0096到–0.013ppm/℃，一般用相位敏感成像方法来检测prf移位，其中执行成像两次：首先在温度变化之前获取基线prf相位图像并接着在温度变化期间或之后获取第二相位图像，即治疗图像，从而捕获与温度的变化成比例的小相位变化。可接着通过在逐像素基础上确定在基线图像和治疗图像之间的相差并基于prf温度相关性将相差转换成温度差同时考虑成像参数例如磁场的强度和(例如梯度回波的)回波时间(te)来从(重构的，即真实空间)图像计算温度变化的图。
如果在基线图像的获取的时间在所成像的区域中的温度分布是已知的，则可将温度差图添加到那个基线温度，以便得到相应于治疗图像的绝对温度分布。在一些实施方式中，基线温度简单地是在整个成像区中的均匀体温。更复杂的基线温度分布在一些实施方式中在治疗之前由在各种位置上的直接温度测量结合内插和/或外插基于数学拟合(例如平滑、多项式拟合)来确定。
在各种实施方式中，所监测的温度被提供到控制器124，其作为响应而调节换能器元件(或换能器元件的组)的占空比，使得在治疗计划中阐述的期望温度水平可被达到。例如当在目标区中的所监测的温度低于在治疗计划中阐述的目标温度水平，控制器124可增加驱动换能器元件的信号的占空比，以便增加传输到目标区的总能量；这从而增加温度。替代地，与所有元件(或元件的所有组)相关的驱动信号的振幅可实质上同时增加以增加传输到目标区的能量。类似地，如果在目标区中的所监测的温度高于目标温度水平，则控制器124k可减小占空比和/或振幅以防止过热。占空比和/或振幅的调节可迭代地被执行，直到所监测的温度水平实质上匹配目标温度水平为止。
如上所述顺序地激活换能器元件的组也可有利地避免对围绕目标区的组织的损坏。参考图7a，在一些实施方式中，每组换能器元件产生在目标区处的聚焦区。理想地，每个所产生的聚焦区精确地匹配目标区的区域。但实际上，声射束可能由于介入组织的不均匀性而变形；作为结果，一个或多个聚焦区可变形并在目标区的边界之外延伸到它的周围组织。例如，如在图7a中描绘的，第1和2组换能器元件可分别产生聚焦区1和2。虽然整个聚焦区2在目标区的边界内，聚焦区1的一部分702覆盖围绕目标的组织。如果仅通过激活第1组换能器元件来执行将能量聚焦在目标区处的企图，则过多的热可被输送到在区702中的周围组织并引起对其的损坏。然而当第1和2组换能器元件如上所述根据它们的所确定的占空比顺序地被激活和去激活，被输送到区702的热能可能是不太高的，并避免对其的损坏。在各种实施方式中，使用成像器308来在超声过程期间监测周围组织的温度。如果温度高于安全阈值且可因此引起损坏，则控制器124可完全去激活第1组换能器元件或至少减小第1组换能器元件的占空比。
此外，成像器308可进一步配置成监测由整个换能器阵列产生的焦点的位置和/或剖面。基于所监测的数据，控制器124可操作交叉点开关矩阵302以调节换能器元件的组的占空比，以便将聚焦区引导到期望目标位置和/或减少聚焦区的剖面变形。例如，参考图7b，第1组换能器元件可产生包括区a和b的聚焦区1，以及第2组换能器元件可产生包括区a和c的聚焦区2。因此，由在第1和2组中的元件产生的“有效”聚焦区包括区a、b和c。因为区a是聚焦区1和2的重叠，区a可具有与区b和c相比更高的能量级。假设在区b处的聚焦区1从射束变形产生并因此是不需要的，当检测到这个聚焦变形时，控制器124可减小第1组换能器元件的占空比，以便减小变形。响应于这个调节，控制器124可以可选地增加第2组换能器元件的占空比以补偿特别在区a中减小的能量。因此，这种方法允许换能器阵列的聚焦区有效地“被成形”，以便最小化(或至少减小)从由介入组织引起的射束变形产生的不希望有的影响。
在一些实施方式中，介入组织的不均匀性可产生在除了预期聚焦区以外的位置处的不均匀的温度分布的一个或多个热点。这样的热点可导致不希望有的加热、患者的疼痛和/或可能非目标组织的坏疽；甚至在目标组织内，通过例如引起在目标区外部的组织坏疽，热点也可能是成问题的。此外，在每个换能器由有限数量的元件构成的情况下，如果在如上所述的离散阶段步骤中执行定相位，这也可有助于次级热点的创建。图8描绘示例性情况，其中第1组换能器元件的激活产生在目标区处的聚焦区800以及在射束路径上的不希望有的热点802和在聚焦区内的不希望有的热点804，而第2组换能器元件的激活产生在同一聚焦区800处的聚焦射束但没有不希望有的热点。在各种实施方式中，成像器308配置成监测热点的产生和位置。当不希望有的热点被检测到时，成像器308将它们的位置传递到控制器124。作为响应，控制器减小产生热点的这组换能器元件的所有元件的占空比和/或振幅。因此，热点的影响可减小，因为它们不在足够数量的时间期间持久以引起对目标或介入组织的在临床上不利的影响。这种方法可因此有效地提高在目标区中的因而产生的温度分布的均匀性以及防止由于热点而引起的对周围组织的损坏。
然而，减小换能器元件的占空比伴随有也减小在目标区处的热能的代价，并从而危害治疗效果。为了避免这个问题，在一些实施方式中，在占空比减小到预定阈值(例如被定义为产生聚焦峰值强度的占空比的百分比)之后，产生热点的换能器元件组的振幅可增加以补偿在目标区处的热能的减少。
参考图9，在聚焦超声程序期间，小气泡(或“微气泡”)902可在被包含在目标组织中的液体中产生——例如由于从由传播的声波产生的负压产生的应力和/或从当加热的液体破裂时——并被填充有其它/蒸汽。在稳定的空化中，微气泡是蒸气，而它们的体积保持恒定，或在一些情况下随着声压稀释和压缩在几个周期内膨胀和收缩；这样的行动可导致偏转力和在附近区域中的组织的膨胀和收缩。在惯性空化中，微气泡可膨胀到几倍，大于它们的平衡半径，并随后由于周围组织的惯性而塌陷。在这两种情况下，目标组织的随之发生的分裂可帮助其消融。
然而，不受控制的微气泡空化可导致对目标组织和在目标组织周围的不希望有的损坏。因此，存在可促进目标组织的消融同时最小化从空化产生的不希望有的影响的空化数量(或空化剂量)的优选范围。为了确保空化程度在优选范围内，在各种实施方式中，实现耦合到控制器的空化检测器904，其用于在超声程序期间检测在聚焦区906处和/或在聚焦区外部的空化。空化检测器904测量来自微气泡902的所透射和/或反射的声波，并随后将它接收的信号提供到控制器124，用于确定出现在聚焦区906中的空化的数量。基于所确定的空化数量，控制器可响应性地操作交叉点开关矩阵302以激活或去激活一个或多个换能器元件组和/或调节其占空比，使得在聚焦区中的空化程度在优选范围内。例如，如果所测量的空化数量高于优选范围并可引起对目标组织或它的周围组织的不希望有的损坏，则控制器124可去激活一组或多组换能器元件和/或减小组的占空比以减小在聚焦区处的峰值压力；作为结果，空化数量可减小。然而如果比所测量的更大数量的空化是需要的，以便帮助组织消融，则控制器124可激活一组或多组换能器元件和/或增加组的占空比；因此，较大的峰值压力在聚焦区处产生以引起更多的微气泡空化。
在各种实施方式中，换能器阵列的一部分充当空化检测器。例如，控制器124可分配一组或多组换能器元件以测量从微气泡902透射或反射的声信号。再次，所测量的信号传输到控制器124，用于确定在聚焦区906中的空化的数量，且可调节换能器元件的操作以创建期望空化数量。这个实施方式有利地减轻对实现单独的空化检测器的需要。
因此，本发明的实施方式提供允许控制器124操作用于使用期望聚焦特性产生在目标位置处的聚焦区的换能器元件的方法。这通过实现在换能器元件和射束形成器之间的交叉点开关矩阵来实现。通过选择性地激活和去激活与一个或多个换能器元件(或换能器元件的组)相关的开关和/或调节其占空比，可实现治疗计划(例如目标平均强度级、目标平均能量级和/或目标温度水平)。因为可使用pwm来简单地操纵开关，这个实现不需要过大的系统复杂度和成本。此外，成像器(例如mri装置)和/或空化检测器可用于监测在目标和/或非目标区中的治疗参数(温度或空化数量)；所监测的参数可接着作为反馈被提供给控制器，用于调节换能器元件的操作，以便实现治疗计划。
通常，可在硬件、软件或两者的组合中实现的一个或多个模块中构造如上所述用于执行在交叉点矩阵中的开关的激活和去激活、调节换能器元件的占空比、测量在目标和非目标区中的温度和/或监测在聚焦区中的空化数量的功能，不管是否集成在成像器的控制器和/或超声系统内或由单独的外部控制器提供。对于功能作为一个或多个软件程序被提供的实施方式，可以用多种高级语言中的任一种例如fortran、pascal、java、c、c++、c#、basic、各种脚本语言和/或html来写程序。此外，可以用指向存在于目标计算机(例如控制器)上的汇编语言来实现软件；例如，可以用intel80x86汇编语言来实现软件，如果它配置成在ibmpc或仅pc上运行。软件可体现在制造物品——包括但不限于软盘、跳转驱动器、硬盘、光盘、磁带、prom、、eeprom、现场可编程门阵列或cd-rom——上。可使用例如一个或多个fpga、cpld或asic处理器来实现使用硬件电路的实施方式。
此外，在本文使用的术语“控制器”广泛地包括用于执行如上所述的任何功能的所有必要的硬件部件和/或软件模块；控制器可包括多个硬件部件和/或软件模块，且功能可在不同的部件和/或模块当中扩展。
上面描述了本发明的某些实施方式。然而，明确地注意到，本发明不限于那些实施方式；更确切地，对在本文明确描述的内容的添加和修改也被包括在本发明的范围内。
当前公开的发明可进一步包括根据下面列举的条款中的任一个的实施方式：
1.一种用于将超声能输送到内部解剖目标的系统，所述系统包括：
超声换能器，其具有共同地作为相控阵可操作的多个换能器元件；
多个驱动器电路，每个所述驱动器电路连接到至少一个所述换能器元件；
多个相位电路；
开关矩阵，其可选择地耦合所述驱动器电路与所述相位电路；以及
控制器，其配置成(i)接收待施加到所述目标的目标平均强度级、待施加到所述目标的能量级和/或在所述目标中的温度水平中的至少一个作为输入，(ii)识别多组所述换能器元件，所述组中的每个相应于用于作为相控阵越过介于在所述目标和所述超声换能器之间的组织将超声能聚焦和/或成形在所述目标处的多个所述换能器元件，以及(iii)顺序地操作所述换能器元件组以施加并维持在所述目标处的所述目标平均能量级，
其中所述控制器根据脉冲宽度调制模式来操作每个所述换能器组，所述脉冲宽度调制模式具有被选择来根据所述目标组织的所估计的时间常数来达到在所述目标处的所述目标平均强度级、能量级和/或温度水平的占空比。
2.条款1的系统，其中所述相位电路输送具有离散数量的固定相移的信号，且所述控制器进一步配置成将所述固定相移之一施加到所述换能器元件之一或所述换能器元件组之一。
3.条款1或2的系统，其中所述控制器进一步配置成基于所述超声能的成形或所述目标的位置中的一个来调节所述固定相移。
4.任一前述条款的系统，还包括用于监测所述目标的温度的磁共振
(mr)单元，其中所述控制器配置成响应于所监测的温度而调节所述占空比。
5.条款4的系统，其中所述控制器进一步配置成响应性地操作所述开关矩阵以使每组的所述换能器元件中的选定换能器元件通电或接地，以便减小在通过所述mr监测而检测到的超声射束路径区或所述目标中的至少一个中的温度不均匀性。
6.条款4或5的系统，其中所述mr单元进一步配置成监测所述焦点的位置和剖面，所述控制器配置成响应性地操作所述开关矩阵以使每组的所述换能器元件中的选定换能器元件通电或接地，以便减小所述焦点的剖面变形。
7.任一前述条款的系统，其中所述驱动器电路在数量上比所述相位电路更多，所述控制器选择性地将每个所述相位电路连接到多个所述驱动器电路。
8.任一前述条款的系统，其中所述开关矩阵是交叉点开关矩阵。
9.任一前述条款的系统，还包括用于检测在所述焦点处的空化的空化检测器，所述控制器配置成响应性地操作所述开关矩阵以使每组的所述换能器元件中的选定换能器元件通电或接地，以便在存在被检测的空化时减小在所述焦点处的峰值压力。
10.条款9的系统，其中所述空化检测器耦合到所述控制器，且所述控制器进一步配置成(i)响应性地操作所述开关矩阵以使每组的所述换能器元件中的选定换能器元件通电或接地，以及(ii)促进驱动所述多组换能器元件的信号的脉冲宽度调制以便实现在预定范围内的空化效应。
11.任一前述条款的系统，其中在至少两组所述换能器元件之间共享至少一个换能器元件。
12.任一前述条款的系统，其中所述控制器进一步配置成同时操作多于一组所述换能器元件。
13.任一前述条款的系统，其中所述开关矩阵配置成将所述驱动器电路耦合到所述相位电路、电接地或具有固定电压的电压源中的至少一个。
14.任一前述条款的系统，其中所述控制器进一步配置成操作所述换能器元件组中的每个以在所述目标处产生点聚焦、线聚焦或环形聚焦。
15.任一前述条款的系统，其中所述控制器进一步配置成操作所述换能器元件以在所述目标处产生多个焦点。
16.任一前述条款的系统，其中所述控制器进一步配置成以轮询方式顺序地操作所述换能器元件组。
17.任一前述条款的系统，其中所述目标平均强度级是空间平均强度级。
18.任一前述条款的系统，其中所述目标平均强度级是时间平均强度级。
19.一种用于利用超声换能器来将超声能输送到内部解剖目标的方法，所述超声换能器包括：共同地作为相控阵可操作的多个换能器元件；多个驱动器电路，每个驱动器电路连接到至少一个换能器元件；多个相位电路；以及可选择地耦合所述驱动器电路与所述相位电路的开关矩阵，所述方法包括：
接收待施加到所述目标的目标平均强度级、待施加到所述目标的能量级或在所述目标中的温度水平中的至少一个作为输入；
识别多组换能器元件，所述组中的每个相应于用于作为相控阵越过介于在所述目标和所述超声换能器之间的组织将超声能聚焦和/或成形在所述目标处的多个换能器元件；以及
顺序地操作所述换能器元件组以施加并维持在所述目标处的所述目标平均能量级，
其中所述控制器根据脉冲宽度调制模式来操作每个所述换能器组，所述脉冲宽度调制模式具有被选择来根据所述目标组织的时间常数来达到在所述目标处的所述目标平均强度级、能量级和/或温度水平的占空比。
20.条款19的方法，还包括监测所述目标的温度以及响应于所监测的温度而调节所述占空比。
21.条款19或20的方法，还包括监测在超声射束路径区和/或所述目标中的至少一个中的温度不均匀性以及响应性地操作所述开关矩阵以使每组的所述换能器元件中的选定换能器元件通电或接地，以便减小所述温度不均匀性。
22.条款19-21的方法，还包括监测所述焦点的位置和剖面，以及响应性地操作所述开关矩阵以使每组的所述换能器元件中的选定换能器元件通电或接地，以便减小所述焦点的剖面变形。
23.条款19-22的方法，其中所述驱动器电路在数量上比所述相位电路更多，所述方法还包括选择性地将每个所述相位电路连接到多个所述驱动器电路。
24.条款19-23的方法，还包括检测在所述焦点处的空化以及响应性地操作所述开关矩阵以使每组的所述换能器元件中的选定换能器元件通电或接地，以便在存在被检测的空化时减小在所述焦点处的峰值压力。
25.条款19-25的方法，还包括：
检测在所述焦点处的空化；
响应性地操作所述开关矩阵以使每组的所述换能器元件中的选定换能器元件通电或接地；以及
促进驱动所述多组换能器元件的信号的脉冲宽度调制以便实现在预定范围内的空化效应。
26.条款19-25的方法，还包括同时操作多于一组所述换能器元件。
27.条款19-26的方法，其中所述相位电路输送具有离散数量的固定相移的信号，所述方法还包括将所述固定相移之一施加到所述换能器元件之一或所述换能器元件组之一。
28.条款27的方法，还包括基于所述超声能的成形或所述目标的位置中的至少一个来调节施加到所述换能器元件之一或所述换能器组之一的所述固定相移。
29.条款19-28的方法，还包括操作所述换能器元件组中的每个以在所述目标处产生点聚焦、线聚焦或环形聚焦。
30.条款19-29的方法，还包括以轮询方式顺序地操作所述换能器元件组。
31.条款19-30的方法，还包括操作所述换能器元件以在所述目标处产生多个焦点。
32.条款19-31的方法，其中所述目标平均强度级是空间平均强度级。
33.条款19-31的方法，其中所述目标平均强度级是时间平均强度级。
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