專利名稱：利用相控陣聚焦超聲系統(tǒng)增加壞死體積的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及利用聚焦超聲進(jìn)行非侵入性外科操作的系統(tǒng)和方法，尤其涉及利用一種聚焦超聲換能器陣列增加壞死體積的系統(tǒng)和方法。
與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)高強(qiáng)度聚焦聲波，比如超聲波(頻率高于約20千赫的聲波)，可用于治療病人位于體內(nèi)組織區(qū)域的病變。例如，超聲波可用于切除腫瘤，從而免于進(jìn)行侵入性的外科手術(shù)。為提供足夠的能量來(lái)切除組織或使其壞死，采用了壓電換能器。這種換能器是置于病人體外但盡量靠近要切除的組織部位，并由電信號(hào)驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生超聲能量。該換能器按一定的幾何形狀塑形和定位，因此超聲能量被聚焦于一個(gè)與病人體內(nèi)靶組織部位相對(duì)應(yīng)的“聚焦區(qū)”，加熱靶組織部位直到使其壞死。換能器可對(duì)位于相近部位的多個(gè)病灶進(jìn)行依次的聚焦和激活。這種系列超聲波治療法用于導(dǎo)致一種完整組織結(jié)構(gòu)的凝結(jié)壞死，例如一個(gè)有一定大小和形狀的腫瘤。
一種球冠換能器陣列，比如在授權(quán)Umemura等的美國(guó)專利第4,865,042號(hào)中所披露的，已建議用于此種用途。這種球冠換能器陣列包括許多置于一個(gè)曲面上的同心環(huán)，該曲面具有一個(gè)限定部分球體的曲率半徑。這些同心環(huán)通常具有相等的表面積，并且可以沿圓周被分成許多成曲形的換能器元件或區(qū)段，來(lái)產(chǎn)生扇形-旋渦陣列。這些換能器元件同時(shí)被無(wú)線電頻率(RF)電信號(hào)所驅(qū)動(dòng)，這些電信號(hào)是其相位和振幅上偏移的單頻信號(hào)。特別是，可以控制相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位和振幅，從而將發(fā)射的超聲能量聚焦于所需要的聚焦區(qū)，并向靶組織部位提供所需的能量水平。
為增大壞死區(qū)域的尺寸，可增加相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的振幅，從而向聚焦區(qū)提供更多的超聲能量。這通常增加了位于聚焦區(qū)的因超聲波治療而壞死的組織區(qū)域的大小，繼而可減少在一完整組織結(jié)構(gòu)中(如，一個(gè)腫瘤)需要進(jìn)行的超聲波治療的次數(shù)。然而，伴隨振幅的增加也增加了穿過(guò)聚焦區(qū)兩側(cè)組織的能量。所導(dǎo)致的副反應(yīng)有病人的疼痛、加熱、和/或靶區(qū)域之外的組織壞死，尤其是在“鄰近區(qū)域”，即在換能器和聚焦區(qū)之間的區(qū)域。
作為一種可供選擇的方法，為增加每次超聲波治療的壞死組織體積，已有建議使用一種球冠換能器陣列，該換能器陣列沿圓周被分為多個(gè)“區(qū)段”，如在授權(quán)Umemura等的美國(guó)專利第4,865,042號(hào)中所披露的?？煽刂泼總€(gè)區(qū)段的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位以使聚焦區(qū)具有要求的大小和形狀。例如，假如每個(gè)區(qū)段為具有同樣相位(“模式0”)的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)所驅(qū)動(dòng)，超聲能量則可以基本上聚焦于一個(gè)相對(duì)狹窄的聚焦區(qū)，這類似于前面所述的同心環(huán)換能器陣列。
另一種選擇是，這些區(qū)段可為彼此間具有預(yù)定相態(tài)關(guān)系(稱作“異相位”或“模式n”)的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)所驅(qū)動(dòng)。這導(dǎo)致通常為環(huán)形的聚焦區(qū)，產(chǎn)生一個(gè)更寬的聚焦，這引起在橫切聚焦區(qū)的焦面內(nèi)更大組織區(qū)域的壞死。然而，為在該較大的聚焦區(qū)內(nèi)達(dá)到適當(dāng)?shù)膲乃溃枰黾涌偟某暡ㄖ委熌芰?增加超聲波治療功率和/或持續(xù)時(shí)間)，這也同樣可增加靶組織區(qū)域之外的組織所獲得的熱量，因?yàn)楦嗟哪芰繒?huì)流經(jīng)聚焦區(qū)兩側(cè)的漏斗狀區(qū)域。這可能在超聲波治療之間需要額外的冷卻時(shí)間，以避免熱量的積累，尤其是在鄰近區(qū)域的組織內(nèi)。
為增加在與焦面基本垂直的方向上的壞死體積，已建議采用一種名為“變跡法”的方法。變跡法是在一個(gè)超聲波治療過(guò)程中僅激活同心環(huán)陣列中一組內(nèi)層環(huán)，即在整個(gè)超聲波治療過(guò)程中關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)外層環(huán)。這有效地提高了換能器陣列的“f數(shù)”(f數(shù)是曲率半徑與換能器陣列的“孔徑”尺寸或直徑的比值)，產(chǎn)生了一個(gè)更窄的漏斗區(qū)(位于換能器和聚焦區(qū)之間超聲能量穿越的部分)。當(dāng)利用變跡法把相同的總能量聚焦于聚焦區(qū)時(shí)，可產(chǎn)生更大的壞死體積。然而，這個(gè)更窄的漏斗區(qū)也可增加聚焦區(qū)兩側(cè)組織受到過(guò)分加熱的危險(xiǎn)，尤其在鄰近區(qū)域。
因此，有必要提供利用超聲能量治療一個(gè)組織區(qū)域的系統(tǒng)和方法，這些系統(tǒng)和方法既能擴(kuò)大壞死體積，又不會(huì)顯著地增加在聚焦區(qū)之外加熱的危險(xiǎn)。
發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明涉及利用聚焦超聲進(jìn)行治療性操作的系統(tǒng)和方法，這些系統(tǒng)和方法可擴(kuò)大壞死體積，而不會(huì)顯著增加聚焦區(qū)之外的組織被加熱的程度。
在一個(gè)優(yōu)選具體實(shí)施例中，一種聚焦超聲系統(tǒng)包括一個(gè)由多個(gè)換能器元件構(gòu)成的換能器陣列。驅(qū)動(dòng)電路與換能器元件耦合，該驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置為向每個(gè)換能器元件提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。提供一個(gè)控制器，來(lái)交替地將超聲能量由多組換能器元件傳向接受治療的病人。優(yōu)選地，該控制器與驅(qū)動(dòng)電路耦合，并且該控制器設(shè)置為控制驅(qū)動(dòng)電路從而交替地向各組換能器元件提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
控制器也可設(shè)置為控制傳向換能器元件的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位構(gòu)成，來(lái)獲得一個(gè)由換能器元件產(chǎn)生的具有預(yù)定大小和形狀的聚焦區(qū)，和/或使每組的換能器元件基本上聚焦于一個(gè)要求的聚焦位置。該控制器可包括一個(gè)選擇器，用于交替地將多組換能器元件中的一組與驅(qū)動(dòng)電路耦合，借此驅(qū)動(dòng)電路可向所耦合的一組換能器元件提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，和/或該控制器可包括一個(gè)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電控的微處理器。
在一個(gè)示范性的具體實(shí)施例中，換能器陣列可為一個(gè)包括多組同心環(huán)狀換能器元件或環(huán)的同心環(huán)陣列。每個(gè)同心環(huán)可沿圓周被分成多個(gè)成曲形的元件或“區(qū)段”。此外，可提供其它形狀、陣列、或幾何形狀的換能器元件并可劃分為組。
在一個(gè)超聲波治療過(guò)程中，每組換能器元件可選擇性地被一套相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)一段預(yù)定時(shí)間，同時(shí)使每組換能器元件所產(chǎn)生的超聲能量基本上連續(xù)地聚焦于一個(gè)所需要的聚焦區(qū)。因此，聚焦區(qū)處導(dǎo)致壞死的組織區(qū)域的體積可顯著增加，而聚焦區(qū)之外的區(qū)域接受的能量被分散于不同的漏斗區(qū)，因而使其被加熱和/或壞死的危險(xiǎn)得以顯著降低。
本發(fā)明的其它目的和特征通過(guò)下文結(jié)合附圖的描述而更為明了。
圖2A是

圖1中的聚焦超聲系統(tǒng)的換能器陣列的第一個(gè)優(yōu)選具體實(shí)施例的俯視圖。
圖2B是圖1中的聚焦超聲系統(tǒng)的換能器陣列的第二個(gè)優(yōu)選具體實(shí)施例的俯視圖。
圖3A-3E示意說(shuō)明球冠狀換能器陣列的可選擇具體實(shí)施例所傳遞的超聲能量的有關(guān)的漏斗形狀。
圖4是病人躺在一個(gè)其中含有超聲換能器陣列的注滿水的工作臺(tái)上的示意側(cè)視圖。
優(yōu)選具體實(shí)施例的詳細(xì)描述現(xiàn)在來(lái)看附圖，圖1和圖2A圖示了根據(jù)本發(fā)明的利用聚焦超聲進(jìn)行治療性操作的系統(tǒng)10的一種示范性的具體實(shí)施例。系統(tǒng)10通常包括一個(gè)換能器12、一個(gè)向換能器12提供電驅(qū)動(dòng)信號(hào)15的驅(qū)動(dòng)電路14、以及一個(gè)對(duì)由驅(qū)動(dòng)電路14提供的驅(qū)動(dòng)信號(hào)15進(jìn)行控制的控制器16。優(yōu)選地，換能器12是一個(gè)用壓電材料構(gòu)成的相控陣超聲換能器，其構(gòu)成為本領(lǐng)域技術(shù)人士所了解。換能器12包括“n”個(gè)獨(dú)立的換能器元件22(n是大于1的整數(shù)，表示換能器元件22的總數(shù))，換能器元件22以常規(guī)方式與驅(qū)動(dòng)電路14耦合。
在圖1和圖2A所示的典型具體實(shí)施例中，換能器12具有一種凹狀或碗狀的形狀，優(yōu)選的是一種“球冠”形狀，即有一個(gè)基本恒定的曲率半徑18，因而換能器12具有限定部分球體的內(nèi)表面20。此外，換能器其它可選的形狀有基本扁平、長(zhǎng)形、或其它所需要的總體形狀(圖中未示出)。
如圖2A所示，換能器元件22可以是具有同心環(huán)22-1至22-n的形狀，例如，通過(guò)壓電殼將同心環(huán)進(jìn)行分割(圖中未示出)。優(yōu)選地，環(huán)22-1至22-n具有大體相同的表面積，這樣，從最內(nèi)層22-1至最外層22-n環(huán)的寬度逐漸變窄。此外，環(huán)22-1至22-n可具有大體相同的寬度，或者采用其它環(huán)構(gòu)型(圖中未示出)。環(huán)22-1至22-n之間的任何間隔(圖中未示出)可用硅橡膠等物質(zhì)填充，從而將環(huán)22-1至22-n互相隔離。
在一個(gè)優(yōu)選具體實(shí)施例中，換能器12的外徑約為8至12cm，曲彎半徑18約為8至16cm，以及包括約10至30個(gè)環(huán)22-1至22-n。更多的關(guān)于適用于本發(fā)明的同心環(huán)相控陣換能器的構(gòu)造的信息可參見(jiàn)，例如，C.Cain和S.Umemura，“Concentric-Ring andSector-Vortex Phased-Array Applicators for Ultrasound Hyperthermia”，IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，vol.MTT-34，no.5，pages 542-551(May 1986)，其披露的內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。
在其它可選的具體實(shí)施例中，換能器元件22可具有其它形狀、陣列、或幾何形狀。例如，圖2B表示同心環(huán)換能器陣列12’的一個(gè)可選具體實(shí)施例，該換能器陣列沿圓周被分成曲形的元件或“區(qū)段”23。換能器12’的每個(gè)環(huán)22’-1至22’-n可沿圓周分成區(qū)段23(圖2B中23-1a至23-1h表示最內(nèi)層環(huán)22-1的分隔元件)。例如，如前所述，可對(duì)換能器進(jìn)行徑向切割，或從換能器12’的背面除去區(qū)段23之間薄的徑向電極(圖中未示出)。這種換能器的詳細(xì)說(shuō)明可參見(jiàn)文獻(xiàn)，例如，T.Fjield和K.Hynynen，“The CombinedConcentric-Ring and Sector-Vortex Phased Array for MRI GuidedUltrasound Surgery”，IEEE Transactions on Ultrasonics，F(xiàn)erroelectricsand Frequency Control，vol.44，no.5，pages 1157-1167(Sept.1997)，其披露的內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。
在另一個(gè)可優(yōu)具體實(shí)施例中，球冠狀或其它形狀的換能器可分成具有其它形狀或陣列(圖中未示出)的多個(gè)換能器元件，例如棋盤(pán)狀圖案、六角點(diǎn)陣、或甚至是換能器元件的基本上隨機(jī)的排列。作為另一種選擇，可提供換能器元件的線性陣列(圖中未示出)。這些換能器元件可具有基本上同樣的大小或表面積，或可具有不同的大小。因此，這些獨(dú)立的換能器元件可彼此之間相對(duì)具有任何一種所需要的獨(dú)有的幾何形狀或形狀、和/或任何所需要的總體形式。
回到圖1，控制器16與驅(qū)動(dòng)電路14耦合，以控制由驅(qū)動(dòng)電路14產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)15的多個(gè)方面。例如，首先控制器16可控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)15的振幅，從而控制由換能器12傳遞的超聲能量的強(qiáng)度。此外，控制器16可控制每個(gè)換能器元件22之間的相位。例如，通過(guò)變化圖2A中所示的同心環(huán)22-1至22-n之間的相位，換能器12產(chǎn)生的超聲能量聚集產(chǎn)生的聚焦區(qū)26的位置或“焦距”(即從換能器12到聚焦區(qū)26的距離)可沿z軸進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖1所示。此外，對(duì)示于圖2B中的具體實(shí)施例來(lái)說(shuō)，控制器16可在區(qū)段23之間變化相位、或改變換能器12’的“模式”，來(lái)控制由超聲能量形成的聚焦區(qū)的大小和形狀，如為本領(lǐng)域技術(shù)人士所了解的。該控制器16可包括一個(gè)信息處理器，例如一個(gè)微型電子計(jì)算機(jī)(圖中未示出)，其與驅(qū)動(dòng)電路14耦合以控制其操作的這些方面。更多的關(guān)于相控陣換能器的相移的信息可參見(jiàn)前文提到的Cain的文章，以及授權(quán)Umemura等的美國(guó)專利第4,865,042號(hào)，其披露的內(nèi)容也結(jié)合于此作為參考。
優(yōu)選地，控制器16還可有效地將換能器12劃分為多組換能器元件22。例如，在一個(gè)超聲波治療過(guò)程中，控制器16可控制驅(qū)動(dòng)電路14來(lái)可交替或順序地激活各組，即只選擇性地驅(qū)動(dòng)每個(gè)相應(yīng)的組中所包括的那些特定的換能器元件22。此外，如下面要進(jìn)一步描述的那樣，控制器可控制一種機(jī)械遮擋裝置(未示出)來(lái)交替地或順序地把正在接受治療的病人暴露于由特定的換能器元件22(包括在相應(yīng)的組中)產(chǎn)生的超聲能量。這樣，控制器實(shí)際上每次激活的換能器元件22的數(shù)目少于總數(shù)，但在一次超聲波治療中可交替地、順序地、和/或選擇性地激活個(gè)別的組，詳見(jiàn)下文的描述。
每個(gè)組包括“m”個(gè)換能器元件(“m”是整數(shù)，大于1但小于換能器元件的總數(shù)“n”)。這些組可預(yù)先劃分，如固定的某相同一組的換能器元件總是與相同的對(duì)應(yīng)組相聯(lián)系。另外，控制器16也可采用任何所希望的方法定義組，例如，可在一次超聲波治療前或過(guò)程中隨機(jī)劃分換能器元件的組。
例如，控制器16可以將換能器22劃分成含有同樣換能器元件22數(shù)量的組，或者劃分為總表面積相同的組。優(yōu)選地，換能器元件22都具有同樣的表面積，因此每組可含有同樣數(shù)量的換能器元件同時(shí)具有同樣的總表面積。這可以確保在一個(gè)超聲波治療過(guò)程中，釋放的超聲能量基本保持恒定。在一個(gè)具體實(shí)施例中，控制器16可把換能器12分為“p”組(“p”是大于1的整數(shù))，每組包括“n/p”個(gè)換能器元件，和/或控制器16可將換能器12分為“p”組，每組具有的總表面積“a”是“A/p”(“A”是整個(gè)換能器12的總表面積)。
因?yàn)槊拷M的表面積“a”小于“A”，各組的f數(shù)“fm”與整個(gè)換能器12的f數(shù)“fn”相比較高。一個(gè)換能器的f數(shù)是換能器的焦距同換能器“孔徑”的比值(“孔徑”是直徑或其它與表面積的平方根成正比的有效截面尺寸)。因此，當(dāng)換能器的表面積被減小，從而孔徑的大小被減小時(shí)，例如，當(dāng)少于總換能器元件數(shù)目的元件被同時(shí)激活時(shí)，對(duì)于一個(gè)給定焦距來(lái)說(shuō)，f數(shù)事實(shí)上就會(huì)顯著增加。
例如，就圖2A中的典型系統(tǒng)10而論，控制器16可將換能器12劃分為兩組，內(nèi)層的一組25a包括同心環(huán)22-1至22-(n/2)，外層的一組25b包括同心環(huán)22-(n/2+1)至22-n。組25a和25b可具有相同數(shù)目的環(huán)(“n/2”)和/或可具有基本上相同的總表面積(“a＝A/2”)。此外，同心環(huán)組的數(shù)目還可以是3組或更多組(“p”＝3，4，5，等)(未示出)，每組包括多個(gè)同心環(huán)。在每個(gè)相應(yīng)組中的環(huán)可相互靠近放置，雖然可選擇地，對(duì)每個(gè)相應(yīng)組可選擇任何“n/p”環(huán)。
控制器16控制驅(qū)動(dòng)電路14來(lái)交替地向內(nèi)層和外層的組25a、25b提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)15，同時(shí)將相應(yīng)換能器元件22產(chǎn)生的超聲能量聚集于一個(gè)聚焦區(qū)26(見(jiàn)圖1)?？刂破?6可包括一個(gè)信息處理器來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電路14，并且/或者可以包括一個(gè)選擇器或其它可交替地將25a和25b中的一組與驅(qū)動(dòng)電路14耦合的開(kāi)關(guān)裝置。
在一個(gè)可持續(xù)約5秒或以上、優(yōu)選約10秒或以上的超聲波治療過(guò)程中，控制器16可交替地和/或順序地激活環(huán)22的內(nèi)層和外層組25a、25b，較好地不超過(guò)約一秒，優(yōu)選約0.2至0.5秒。同時(shí)，控制器16可控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)15的相位(一個(gè)循環(huán)持續(xù)的波信號(hào)，或更廣泛地被稱作“延遲”)和/或振幅，以將換能器12產(chǎn)生的超聲能量的聚焦區(qū)保持在病人體內(nèi)的某個(gè)靶組織區(qū)域。這樣，控制器16可控制驅(qū)動(dòng)電路14來(lái)提供多套交替的驅(qū)動(dòng)信號(hào)15，每套信號(hào)激活不同組的環(huán)。
由于環(huán)22的每個(gè)組25被分別激活，因而環(huán)22的每個(gè)組25都表現(xiàn)出顯著較高的f數(shù)，如前所述。這樣，與所有環(huán)22同時(shí)激發(fā)相比，從環(huán)22中每個(gè)組25發(fā)出的超聲能量穿過(guò)相對(duì)較窄的漏斗狀區(qū)域，從而形成相對(duì)較長(zhǎng)的聚焦區(qū)。另外，因?yàn)榄h(huán)22的內(nèi)環(huán)組25a和外環(huán)組25b具有不同的幾何構(gòu)型，相應(yīng)較窄的漏斗狀區(qū)域穿越的組織區(qū)域也不同(可參見(jiàn)圖3D)。這使在聚焦區(qū)兩側(cè)組織中產(chǎn)生的熱量在相應(yīng)的漏斗區(qū)得到更廣泛的分布，進(jìn)而可以顯著地減少不希望的加熱和/或縮短在超聲波治療過(guò)程之間所需要的冷卻時(shí)間。
另外，在一個(gè)超聲波治療過(guò)程中，控制器16可規(guī)定每組換能器元件，并且可以所需要的順序或方式激活這些規(guī)定的組。例如，控制器16可隨機(jī)分配少于整個(gè)換能器中所有換能器元件22總數(shù)的任何數(shù)目的換能器元件作為一個(gè)特定的組，然后激活該組并同時(shí)規(guī)定下一組。這樣，一個(gè)超聲波治療過(guò)程可被分成多個(gè)順序脈沖，這些脈沖是由這些相應(yīng)組在其被規(guī)定和激活時(shí)所產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)10所產(chǎn)生的聚焦區(qū)A可見(jiàn)圖3A至3E，它們比較了類似尺寸的以不同模式操作的同心環(huán)換能器陣列的漏斗區(qū)形狀。圖中所示的漏斗區(qū)形狀只是示意說(shuō)明漏斗區(qū)“B”(被加熱但并未壞死的組織區(qū)域)和聚焦區(qū)“A”(相應(yīng)于需要被壞死的區(qū)域)，并不能反映出換能器陣列產(chǎn)生的實(shí)際漏斗區(qū)形狀。圖3A和圖3B分別表示整個(gè)換能器陣列被同時(shí)激活和采用變跡法激活所產(chǎn)生的漏斗區(qū)形狀，而圖3C表示當(dāng)陣列被劃分為區(qū)段并以模式n的形式驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的漏斗區(qū)形狀。圖3D和圖3E表示根據(jù)本發(fā)明操作的同心環(huán)陣列分別以模式0和模式n產(chǎn)生的漏斗區(qū)形狀。正如可以看到的，與圖3A和圖3C相比，圖3D和圖3E中的聚焦區(qū)A顯著較長(zhǎng)，而被加熱但不至壞死的漏斗區(qū)B的寬度則具有類似的寬分布。雖然圖3B的變跡陣列可具有相對(duì)較長(zhǎng)的聚焦區(qū)A，但產(chǎn)生的漏斗區(qū)B顯著比圖3D所示的漏斗區(qū)B更窄，與根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)相比，這增加了聚焦區(qū)兩側(cè)組織被非預(yù)期加熱的危險(xiǎn)。
眾所周知，換能器聚焦區(qū)的長(zhǎng)度L(即圖3A至3E中所示的區(qū)域B之間的區(qū)域A的長(zhǎng)度)是與換能器元件傳遞的超聲能量的波長(zhǎng)□和f數(shù)的平方成正比。長(zhǎng)度的計(jì)算公式為L(zhǎng)＝k*□*fn2，其中“k”是一個(gè)常數(shù)，“fn”是換能器的f數(shù)。常數(shù)“k”決定于換能器陣列的物理構(gòu)型，前面所描述的典型的同心環(huán)換能器陣列的“k”約為6.5。因而，在所用超聲能量的波長(zhǎng)固定的情況下，唯一可改變長(zhǎng)度“L”的參數(shù)就是f數(shù)。
在只有部分換能器元件(例如，“m”個(gè)換能器元件)同時(shí)激活的情況下，f數(shù)“fm”有效增加，因而顯著增加了聚焦區(qū)的長(zhǎng)度L。例如，f數(shù)只增加10％便可使聚焦區(qū)的長(zhǎng)度增加20％以上，這只需簡(jiǎn)單地去激活換能器上的10％(按表面積計(jì)算)的換能器元件即可。通過(guò)一次只激活一半換能器，例如通過(guò)前面所述的將同心環(huán)陣列劃分為內(nèi)層和外層組，則不必增加換能器的總能量輸出就能使聚焦區(qū)的長(zhǎng)度增加為四倍(by a factor of four)。
運(yùn)用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)10來(lái)治療病人，例如切除一個(gè)良性或惡性腫瘤，示于圖4中。換能器12(如前所述的任一種陣列)可安裝于一個(gè)充滿液體的箱體中，例如工作臺(tái)30。工作臺(tái)30包括一個(gè)充滿脫氣水或類似的聲學(xué)傳導(dǎo)液體的腔室32。優(yōu)選地，換能器12同一個(gè)定位系統(tǒng)34相連接，該定位系統(tǒng)可在腔室32中移動(dòng)換能器12，從而機(jī)械方式調(diào)節(jié)換能器12的聚焦區(qū)36。例如，定位系統(tǒng)34可配置為能在三種相互垂直的任一方向上在腔室32中移動(dòng)換能器12，例如，水平前后、水平左右、和垂直方向。授權(quán)Cline等的美國(guó)專利第5,247,935號(hào)和授權(quán)Ettinger等的美國(guó)專利第5,275,165號(hào)披露了典型的可采用的定位系統(tǒng)，其披露的內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。此外，定位系統(tǒng)34可簡(jiǎn)單地使換能器12圍繞腔室45內(nèi)的一個(gè)固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，即來(lái)改變換能器12的角度并進(jìn)而改變聚焦區(qū)36相對(duì)于一個(gè)水平面(圖中未示出)的角度。在這種可選擇的結(jié)構(gòu)中，聚焦區(qū)的焦距可用電控方式進(jìn)行控制，如前所述，控制是通過(guò)改變提供給換能器12的驅(qū)動(dòng)信號(hào)15的相位和/或振幅來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在其它可選結(jié)構(gòu)中，定位系統(tǒng)34可以將換能器12在垂直于傳播方向(圖中未示出)的水平面上移動(dòng)，可采用電控方式控制焦距，或可以使用其它機(jī)械和電子定位的結(jié)合方式，這將為本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解。
工作臺(tái)30的頂部包括一個(gè)基本可透過(guò)超聲的柔軟膜38，例如一種聚酯薄膜、聚氯乙烯(PVC)、或其它塑料薄膜。另外，沿工作臺(tái)的頂部通常鋪有一個(gè)裝滿液體的袋子(未示出)，其形狀易隨躺在工作臺(tái)上的病人身體的輪廓而改變。在另外一種可選結(jié)構(gòu)中，換能器10可裝在一個(gè)充滿液體的置于一個(gè)可移動(dòng)支臂上(圖中未示出)的袋子中，該袋子可以放置在與病人相接觸的位置，如在美國(guó)專利第5,526,814號(hào)中所披露的，其披露的內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。
另外，系統(tǒng)10可包括一個(gè)成像裝置(圖中未示出)，用于在治療病人的過(guò)程中對(duì)該系統(tǒng)的使用進(jìn)行監(jiān)視。例如，系統(tǒng)10可置于一個(gè)核磁共振成像裝置(MRI)中，如在授權(quán)Cline等的美國(guó)專利第5,247,935、5,291,890、5,368,031、5,368,032、5,443,068號(hào)和授權(quán)Hardy等的美國(guó)專利第5,307,812、5,323,779、5,327,884號(hào)中所披露的核磁共振成像裝置，其披露的內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。
再看圖4，在使用過(guò)程中，一個(gè)病人40可位于工作臺(tái)30之上，用水、超聲傳導(dǎo)性凝膠、和類似物涂布在病人30和袋子或膜38之間，因而將病人30與換能器12進(jìn)行聲學(xué)上的耦合。換能器12可聚焦于某種組織結(jié)構(gòu)42中的一個(gè)靶組織區(qū)域，例如可能是一個(gè)惡性或良性腫瘤?？赏ㄟ^(guò)交替把多套驅(qū)動(dòng)信號(hào)15供給換能器元件22的相應(yīng)的多個(gè)組25來(lái)激活換能器12，同時(shí)將產(chǎn)生的超聲能量聚焦于靶組織區(qū)域42。換能器12可激活足夠長(zhǎng)的時(shí)間以使靶組織區(qū)域42足以壞死，例如，大約10秒或更長(zhǎng)。
換能器12可以停止激活足夠的時(shí)間，用來(lái)消散病人的組織所吸收的熱量，例如，大約60秒或更長(zhǎng)。然后，換能器12可聚焦于另外一個(gè)靶組織區(qū)域(圖中未示出)，比方說(shuō)鄰近靶組織區(qū)域42，重復(fù)該程序直到整個(gè)靶組織結(jié)構(gòu)都被燒融。
另一個(gè)具體實(shí)施例中，一個(gè)遮擋裝置(shutter)(圖中未示出)可置于換能器12和病人40之間，例如，安裝在工作臺(tái)30中的換能器12的上方。該遮擋裝置可包括多個(gè)機(jī)械遮門(mén)，這些機(jī)械遮門(mén)可用控制器(圖4中未標(biāo)出)進(jìn)行控制從而選擇性地打開(kāi)和關(guān)閉。每個(gè)遮門(mén)可與換能器12上的一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的換能器元件相對(duì)應(yīng)，這樣當(dāng)相應(yīng)遮門(mén)打開(kāi)時(shí)，來(lái)自相應(yīng)換能器元件的超聲能量就可自由地發(fā)射至病人。當(dāng)相應(yīng)的遮門(mén)關(guān)閉時(shí)，來(lái)自相應(yīng)換能器元件的超聲能量則被阻斷或偏離出去，不會(huì)發(fā)射到病人身上。
優(yōu)選地，這種遮擋裝置中的遮門(mén)排列具有與換能器陣列的換能器元件不同的配置。每個(gè)遮門(mén)可覆蓋多個(gè)換能器元件或僅覆蓋一個(gè)單獨(dú)換能器元件的一部分。例如，該遮擋裝置可包括一些遮門(mén)，這些遮門(mén)的每一個(gè)交替阻礙每個(gè)換能器元件的一半。于是，可控制這些遮門(mén)以交替覆蓋相應(yīng)換能器元件的每一半，從而可使f數(shù)和聚焦區(qū)長(zhǎng)度倍增。因而，一個(gè)遮擋裝置可覆蓋到一個(gè)換能器陣列上，以有效增加給定換能器配置的換能器元件的數(shù)量。非必選地，一個(gè)透鏡裝置可用來(lái)替代遮擋裝置，例如在共同未決美國(guó)申請(qǐng)09/557,185中所披露的聲透鏡，其披露的內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。因而，一個(gè)機(jī)械裝置也可用來(lái)交替地激活多組換能器元件，而不是用控制器通過(guò)電控方式控制激活。
在另外一種可選構(gòu)造中，可提供一個(gè)單一元件的換能器(圖中未示出)并且可以用一個(gè)遮擋裝置(同樣圖中未示出)，以使在一次超聲波治療過(guò)程中的任何給定時(shí)刻，用機(jī)械方法使病人的暴露面積小于換能器的總表面積，由此可有效增加在超聲波治療過(guò)程中換能器的f數(shù)。例如，該遮擋裝置可以簡(jiǎn)單地是一個(gè)直徑與換能器的截面相同的圓盤(pán)，并帶有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口，例如，穿透圓盤(pán)的圓形(pie-shaped)開(kāi)口(圖中未示出)。該圓盤(pán)可旋轉(zhuǎn)地裝配于換能器上方，因而，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)，只有與開(kāi)口對(duì)準(zhǔn)的換能器的表面積可暴露于病人。開(kāi)口的大小可以是固定的，或非必選地，開(kāi)口的大小可以是變化的，因而在一個(gè)超聲波治療過(guò)程中，暴露的表面積“a”也可以是變化的。
因?yàn)樵谝粋€(gè)超聲波治療過(guò)程中的任何一個(gè)時(shí)刻，只有一部分換能器的表面積被暴露，因而有效增加了f數(shù)，并進(jìn)而顯著增加了聚焦區(qū)長(zhǎng)度。例如，如果提供一個(gè)開(kāi)口(或多個(gè)開(kāi)口)并且其截面積“a”等于換能器表面積“A”的四分之一，換能器的有效f數(shù)則可加倍，而聚焦區(qū)的長(zhǎng)度則可變?yōu)樗谋丁?br> 在另一個(gè)可選結(jié)構(gòu)中，一個(gè)遮擋裝置或有多個(gè)開(kāi)關(guān)的透鏡可與一個(gè)單一元件的換能器(圖中未示出)結(jié)合使用。一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)可選擇性地打開(kāi)，以將病人暴露于換能器的可供選擇的表面積“a”。在一個(gè)超聲波治療的過(guò)程中，可供選擇的表面積“a”可以是彼此基本相同(例如，提供大小相似的遮門(mén)并且一次打開(kāi)一個(gè))，或表面積“a”的大小和形狀可以變化(例如，通過(guò)打開(kāi)多個(gè)遮門(mén)或在遮擋裝置中使用大小不同的開(kāi)關(guān))。
通過(guò)適當(dāng)?shù)乜刂普趽跹b置，在一次超聲波治療過(guò)程中，來(lái)自換能器可選的表面積“a”的超聲能量可通過(guò)不同的路徑抵達(dá)靶組織區(qū)域。這樣，由于超聲能量到達(dá)聚焦區(qū)的路徑不同，不希望的加熱(尤其在鄰近區(qū)域)可通過(guò)不同的組織區(qū)域進(jìn)行分散，因此最大程度上減少了病人的不適和/或聚焦區(qū)之外的組織損傷。
本發(fā)明可進(jìn)行多種修改并采用其它可選形式，其特定實(shí)施例已在此處用圖例表示并進(jìn)行了詳細(xì)描述。然而，應(yīng)該明了的是，本發(fā)明并不局限于所披露的特殊形式或方法，與之相反，本發(fā)明可涵蓋所附權(quán)利要求書(shū)范圍內(nèi)的所有修改、等效結(jié)構(gòu)和可替代的選擇。
權(quán)利要求
1.一種利用聚焦超聲對(duì)病人體內(nèi)的靶組織區(qū)域進(jìn)行治療性操作的系統(tǒng)，包括一個(gè)包括“n”個(gè)換能器元件的換能器陣列；與所述換能器元件耦合的驅(qū)動(dòng)電路，所述驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置成向每個(gè)所述換能器元件提供成組相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；以及一個(gè)與所述驅(qū)動(dòng)電路耦合的控制器，所述控制器設(shè)置成向正在接受治療的病人交替地提供來(lái)自所述成組換能器元件的超聲能量，每組換能器元件包括“m”個(gè)換能器元件，其中“m”小于“n”。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器設(shè)置為控制所述驅(qū)動(dòng)電路向每組換能器元件交替提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述控制器包括一個(gè)選擇器用于將所述成組換能器元件中的一組選擇性地與所述驅(qū)動(dòng)電路耦合，由此所述驅(qū)動(dòng)電路可向所述耦合的換能器組提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器進(jìn)一步設(shè)置為將所述換能器陣列劃分成“p”組換能器元件，“p”大于1，每組換能器元件包括“n/p”個(gè)換能器元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器進(jìn)一步設(shè)置為將所述換能器陣列劃分成“p”組換能器元件，“p”大于1，每組換能器元件具有總表面積“a”，其中“a”等于“A/p”，“A”是整個(gè)換能器陣列的孔面積，因此每組的f數(shù)顯著大于所述整個(gè)換能器陣列的f數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述換能器元件包括多個(gè)同心環(huán)，而其中所述多組換能器元件包括第一和第二組所述同心環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)所述同心環(huán)沿圓周被分成多個(gè)成曲形的元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述控制器進(jìn)一步設(shè)置為通過(guò)控制至少傳向所述成曲形元件的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延遲和振幅中的一種，使得所述換能器元件產(chǎn)生的聚焦區(qū)具有預(yù)定的大小和形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器進(jìn)一步設(shè)置為控制至少所述相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延遲和振幅中的一種，來(lái)使多組中每組的所述換能器元件基本聚焦于一個(gè)所需要的聚焦區(qū)。
10.一種利用聚焦超聲對(duì)病人體內(nèi)的靶組織區(qū)域進(jìn)行治療性操作的方法，包括提供一個(gè)包括多組換能器元件的換能器陣列；以及在一個(gè)超聲波治療過(guò)程中，交替地用一組相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)每一組換能器元件一段預(yù)定時(shí)間，同時(shí)使所述每組換能器元件產(chǎn)生的超聲能量基本連續(xù)地聚焦于一個(gè)所需要的聚焦區(qū)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中通過(guò)控制所述相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延遲和振幅中的至少一種，使所述換能器元件的所述超聲能量聚焦于所述所需要的聚焦區(qū)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述每組換能器元件被交替驅(qū)動(dòng)的預(yù)定持續(xù)時(shí)間不超過(guò)約1秒。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述超聲波治療過(guò)程的持續(xù)時(shí)間至少約5秒。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述交替地驅(qū)動(dòng)每組換能器元件的步驟包括交替地將每組換能器元件與提供所述相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路相耦合。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述各組換能器元件的總表面積彼此基本相同，因而由每組換能器元件產(chǎn)生的所述超聲能量也彼此基本相同。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述換能器陣列包括“n”個(gè)換能器元件，并且其中所述方法進(jìn)一步包括在每組被交替驅(qū)動(dòng)之前，選擇“m”個(gè)換能器元件以包括在每組中，其中“m”小于“n”。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括在每組被交替地驅(qū)動(dòng)之前，隨機(jī)將多個(gè)所述換能器元件選定給各成組換能器元件。
18.一種利用聚焦超聲對(duì)病人體內(nèi)的靶組織區(qū)域進(jìn)行治療性操作的方法，包括提供一個(gè)包括第一組換能器元件和第二組換能器元件的換能器陣列；用一套相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述第一組換能器元件，同時(shí)將由所述第一組換能器元件產(chǎn)生的超聲能量基本聚焦于一個(gè)所需要的聚焦區(qū)；以及在終止對(duì)所述第一組換能器元件的驅(qū)動(dòng)后，用一套相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述第二組換能器元件，同時(shí)將由所述第二組換能器元件產(chǎn)生的超聲能量基本聚焦于所述所需要的聚焦區(qū)。
19.一個(gè)利用聚焦超聲對(duì)病人體內(nèi)的靶組織區(qū)域進(jìn)行治療性操作的系統(tǒng)，包括一個(gè)具有表面積“A”和一個(gè)f數(shù)的換能器，所述換能器設(shè)置為向一個(gè)聚焦區(qū)發(fā)射超聲能量；與所述換能器耦合的驅(qū)動(dòng)電路，所述驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置為向所述換能器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來(lái)驅(qū)動(dòng)所述換能器發(fā)射超聲能量；以及一個(gè)位于所述換能器和所述聚焦區(qū)之間的遮擋裝置，所述遮擋裝置設(shè)置成將所述聚焦區(qū)暴露于所述換能器的交替的表面積“a”，其中“a”小于“A”。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述換能器包括“n”個(gè)換能器元件。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)與所述驅(qū)動(dòng)電路耦合的控制器，所述控制器設(shè)置為控制所述驅(qū)動(dòng)電路來(lái)交替地向成組換能器元件提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，每組換能器元件包括“m”個(gè)換能器元件，其中“m”小于“n”。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述遮擋裝置包括多個(gè)遮門(mén)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)控制器，來(lái)選擇性地開(kāi)啟所述多個(gè)遮門(mén)的一個(gè)或多個(gè)，以將所述聚焦區(qū)暴露于所述換能器的交替的表面積“a”。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述遮擋裝置包括一個(gè)有截面積“a”的開(kāi)口，并且其中所述遮擋裝置可以移動(dòng)從而將所述聚焦區(qū)通過(guò)所述開(kāi)口暴露于所述換能器的交替的表面積。
25.一種利用聚焦超聲對(duì)病人體內(nèi)的靶組織區(qū)域進(jìn)行治療性操作的方法，包括提供設(shè)置為可發(fā)射超聲能量的具有表面積“A”的換能器；在超聲波治療過(guò)程中，用驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述換能器一段預(yù)定的時(shí)間，同時(shí)將由所述換能器產(chǎn)生的超聲能量基本聚焦于所述靶組織區(qū)域；以及在超聲波治療過(guò)程中，將來(lái)自所述換能器的表面積“a”的超聲能量交替地引導(dǎo)向所述靶組織區(qū)域，其中“a”小于“A”。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述換能器包括“n”個(gè)換能器元件，并且其中所述引導(dǎo)超聲能量的步驟包括用所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替地驅(qū)動(dòng)“m”個(gè)換能器元件，其中“m”小于“n”。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中一個(gè)遮擋裝置是置于所述換能器和所述病人之間，并且其中所述交替引導(dǎo)超聲能量的步驟包括控制所述遮擋裝置以將所述病人通過(guò)所述遮擋裝置暴露于所述換能器的表面積“a”。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述控制所述遮擋裝置的步驟包括選擇性打開(kāi)所述遮擋裝置上的一個(gè)或多個(gè)遮門(mén)，以將所述病人暴露于與打開(kāi)的遮門(mén)對(duì)準(zhǔn)的所述換能器的表面積“a”。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述遮擋裝置包括一個(gè)或多個(gè)穿透的具有總截面積“a”的開(kāi)口，并且其中所述控制所述遮擋裝置的步驟包括移動(dòng)所述一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口，以將所述病人暴露于和所述一個(gè)或所述多個(gè)開(kāi)口對(duì)準(zhǔn)的表面積“a”。
30.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述表面積“a”在所述超聲波治療過(guò)程中是周期性變化的。
全文摘要
一種利用具有一種換能器陣列的聚焦超聲進(jìn)行治療操作的系統(tǒng)，該陣列包括多個(gè)換能器元件、與換能器元件耦合的驅(qū)動(dòng)電路、以及與驅(qū)動(dòng)電路耦合的一個(gè)控制器。該控制器控制驅(qū)動(dòng)電路向成套換能器元件交替提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在一個(gè)超聲波治療過(guò)程中，每組換能器元件被相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替驅(qū)動(dòng)一段預(yù)定的時(shí)間，同時(shí)使每組換能器元件產(chǎn)生的超聲能量基本上連續(xù)地聚焦于一個(gè)所需要的聚焦區(qū)。該控制器還控制相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位構(gòu)成，以提供一個(gè)具有預(yù)定大小、形狀、和/或位置的聚焦區(qū)，從而使位于聚焦區(qū)的靶組織區(qū)域壞死。
文檔編號(hào)A61B17/22GK1444491SQ01813606
公開(kāi)日2003年9月24日 申請(qǐng)日期2001年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月21日
發(fā)明者舒克·韋特克, 多夫·馬奧爾 申請(qǐng)人:特克斯索尼克斯公司