專利名稱：用于顱腦血流成像和微泡加強(qiáng)血塊溶解的超聲系統(tǒng)的制作方法
200780029828.8 用于顱腦血流成像和微泡加強(qiáng)血塊溶解的超聲系統(tǒng)
本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)診斷超聲系統(tǒng)，具體而言涉及對腦卒中受害者進(jìn)行成 像和治療的超聲系統(tǒng)。
缺血性腦卒中是醫(yī)學(xué)中己知最能使人衰弱的一種功能障礙。到腦部的 血流的阻滯能迅速導(dǎo)致癱瘓或死亡。已經(jīng)報(bào)道試圖通過溶栓藥物治療(例
如用組織型纖溶酶原激活劑(tPA)進(jìn)行處理)實(shí)現(xiàn)再通可以在大量病例中 引起癥狀性腦出血。對這一致殘的病痛的診療進(jìn)展是繼續(xù)醫(yī)學(xué)研究的主旨。
己經(jīng)研發(fā)出用于監(jiān)測和診斷腦卒中的經(jīng)顱多普勒超聲。 一種由美國華 盛頓州西雅圖市(Seattle, Washington, USA)的Spencer Technologies制造的 頭套設(shè)備擁有兩個抵靠在顱骨側(cè)面的換能器，每個耳前顳骨上一個。所述 換能器發(fā)射超聲波穿過顳骨，并對返回的回波信號進(jìn)行多普勒處理并以可 聽頻率再現(xiàn)相移信息。當(dāng)臨床醫(yī)生注意傾聽特定動脈血流速度的特征聲音 時，可聽多普勒識別顱骨內(nèi)是否存在血流。該技術(shù)還可用相移信息的頻譜 多普勒顯示進(jìn)行放大，從而提供有關(guān)顱骨內(nèi)流速的信息。然而，由于沒有 與頭骨內(nèi)的解剖結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息，因此臨床醫(yī)生必須試圖基于這一有限信 息做出診斷。這一診斷方法還非常依賴于技術(shù)，需要由訓(xùn)練有素個人執(zhí)行。
最近，位于德克薩斯州休斯敦(Houston, Texas)的the University of Texas Medical School的Dr. Andrei Alexandrov發(fā)現(xiàn)在tPA治療期間應(yīng)用超聲提高 了 tPA對腦卒中的療效。Dr. Alexandrov觀察到超聲波的微振動對血塊的表 面起作用，從而打開tPA之后與其結(jié)合并進(jìn)行滲透的更大表面。Dr. Alexandrov現(xiàn)在正領(lǐng)導(dǎo)一個研究小組調(diào)查給tPA增加超聲造影劑微泡或單 獨(dú)使用微泡和超聲溶解血塊所增加的功效。還可以預(yù)見到的是，將微泡靶 向于血塊中諸如纖維蛋白的成分并與該血塊粘合，從而提高治療濃度和療 效。靶向的納米顆粒是這一過程的另一種可能。因而很多人認(rèn)為超聲與溶 栓藥物、微泡、或者兩者一起可以顯著改善腦卒中的治療。
6根據(jù)本發(fā)明的原理，描述了一種診斷超聲系統(tǒng)和方法，其能夠使醫(yī)生 經(jīng)顱觀察腦脈管系統(tǒng)中可能存在血塊的區(qū)域?？梢圆捎枚S或三維成像。 對所述脈管系統(tǒng)的成像優(yōu)選通過施予微泡進(jìn)行增強(qiáng)。如果所述脈管系統(tǒng)的 血流狀況指示存在部分或完全阻塞，則將聚焦或筆形波束指引到阻滯的位 置，從而通過微泡的振動和/或破裂來分解所述血塊。在一些實(shí)例中破裂的 微泡還可以釋放被包封的溶栓藥物。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過超聲成 像可以監(jiān)測顱腦脈管系統(tǒng)進(jìn)而得到指示阻塞復(fù)發(fā)的變化，以及根據(jù)所述狀 況而警告進(jìn)行醫(yī)療救助。
在附圖中


圖1以方框圖形式示出了根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建的超聲診斷成像系統(tǒng)； 圖2a和2b示出了適于用在經(jīng)顱成像換能器頭套中的安全頭盔襯里； 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的原理對顱腦脈管系統(tǒng)進(jìn)行超聲成像并溶解血 塊的過程；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的三維經(jīng)顱成像；
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的二維經(jīng)顱成像；
圖6a-6d示出了根據(jù)本發(fā)明原理進(jìn)行的顱腦阻塞治療；
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明對顱腦阻塞進(jìn)行超聲監(jiān)測的過程。
首先參照圖1，以方框圖形式示出了根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)建的超聲系統(tǒng)。 提供兩個換能器陣列10a和10b用于發(fā)射超聲波并接收回波信息。在該示 例中所示陣列是能夠提供3D圖像信息的二維換能器元件陣列，但是本發(fā)明 的實(shí)現(xiàn)同樣可以使用生成2D (平面)圖像的二維換能器元件陣列。該換能 器陣列耦合到控制所述陣列元件發(fā)射和接收信號的微型波束形成器12a和 12b。微型波束形成器還能夠?qū)θ缑绹鴮＠?，997，479(Savord等人)、6,013,02
(Savord)和6,623，42 (Powers等人)中所描述的成組或"成片"的換能 器元件所接收的信號進(jìn)行至少部分波束形成。通過時間交錯信號由多路復(fù) 用器14使信號往復(fù)于微型波束形成器。所述多路復(fù)用器耦合到發(fā)射/接收
(T/R)開關(guān)16，所述T/R開關(guān)16在發(fā)射和接收之間進(jìn)行切換并且保護(hù)主 波束形成器20避免高能量發(fā)射信號。通過耦合到T/R開關(guān)的發(fā)射控制器18對在微型波束形成器12a和12b的控制下由換能器陣列10a和10b發(fā)射 的超聲波束進(jìn)行指引，所述發(fā)射控制器18從用戶界面或控制面板38的用 戶操作中接收輸入。
將由微型波束形成器12a、 12b產(chǎn)生的部分波束形成信號耦合到主波束 形成器20，在所述主波束形成器20中將來自各個元件面片(patch)的部 分波束形成信號合并成整個波束形成信號。例如，主波束形成器20可以具 有128個通道，每個通道從具有12個換能器元件的面片接收部分波束形成 信號。照這樣，由超過1500個換能器元件的二維陣列所接收的信號能有效 地促成單個波束形成信號。
將所述波束形成信號耦合到基波/諧波信號分離器22。所述分離器22 用于分離線性信號和非線性信號，從而能夠識別從微泡返回的強(qiáng)非線性回 波信號。所述分離器22能以多種方式進(jìn)行操作，例如通過對基波頻帶和諧 波頻帶中的接收信號進(jìn)行帶通濾波，或者通過稱之為脈沖反向諧波分離的 過程進(jìn)行操作。在國際專利公布WO 2005/074805 (Bruce等人)中示出并 描述了合適的基波/諧波信號分離器。經(jīng)分離的信號被耦合到信號處理器 24，在所述信號處理器24中所述信號經(jīng)受額外增強(qiáng)，例如斑點(diǎn)去除、信號 復(fù)合和噪聲消除。
經(jīng)處理的信號被耦合到B模式處理器26和多普勒處理器28。 B模式 處理器26采用幅度檢測對身體內(nèi)的結(jié)構(gòu)(例如肌肉、組織和血細(xì)胞)進(jìn)行 成像。身體結(jié)構(gòu)的B模式圖像可以形成諧波模式或基波模式。身體內(nèi)組織 和微泡均返回這兩種類型的信號，而在大多數(shù)應(yīng)用中微泡的諧波返回能夠 使微泡在圖像中得到清晰地分割。多普勒處理器處理來自組織和血流的在 時間上有區(qū)別的信號，用以檢測包括微泡在內(nèi)的圖像場中物質(zhì)的運(yùn)動。由 這些處理器產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)信號和運(yùn)動信號被耦合到掃描轉(zhuǎn)換器32和體繪制器 34，所述掃描轉(zhuǎn)換器32和體繪制器34產(chǎn)生組織結(jié)構(gòu)、血流或這兩個特征 的組合圖像的圖像數(shù)據(jù)。掃描轉(zhuǎn)換器將具有極坐標(biāo)的回波信號轉(zhuǎn)換成期望 圖像格式的圖像信號，例如笛卡爾坐標(biāo)的扇形圖像。如美國專利6,530,885 (Entrekin等人)中所描述的，體繪制器34將3D數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換成從給定參 考點(diǎn)看去的投影3D圖像。正如本文所描述的那樣，當(dāng)所述進(jìn)行繪制的參考 點(diǎn)變化時，3D圖像可出現(xiàn)稱之為運(yùn)動視差(kinetic parallax)的旋轉(zhuǎn)。這一圖像操縱由用戶按照用戶界面38和體繪制器34之間顯示控制線的指示進(jìn) 行控制。同樣描述了不同像平面的平面圖像所表示的3D體積， 一種稱之為 多平面重組的技術(shù)。如美國專利6,723,050 (Dow等人)所描述的，體繪制 器34能夠?qū)χ苯亲鴺?biāo)或極坐標(biāo)中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。將2D或3D圖像 從掃描轉(zhuǎn)換器和體繪制器中耦合到圖像處理器30中，為在圖像顯示器40 上顯示而進(jìn)一步增強(qiáng)、緩沖和臨時保存。
圖形處理器36還被耦合到圖像處理器30，所述圖像處理器生成與超聲 圖像一同顯示的圖形覆蓋。這些圖形覆蓋可以含有諸如患者姓名、圖像曰 期和時間、成像參數(shù)等的標(biāo)準(zhǔn)識別信息，并且還能產(chǎn)生由用戶按如下所述 那樣導(dǎo)向波束矢量的圖像覆蓋。為此，圖形處理器接收來自用戶界面38的 镩入。用戶界面還被耦合到發(fā)射控制器18以控制從換能器陣列10a和10b 中生成超聲信號，因此控制所述換能器陣列生成圖像并施加治療。響應(yīng)用 戶調(diào)節(jié)而控制的發(fā)射參數(shù)包括控制所發(fā)射波峰值強(qiáng)度的MI (機(jī)械指數(shù))， 它涉及超聲的空化效應(yīng)、為圖像定位而對所發(fā)射的波束進(jìn)行導(dǎo)向和/或治療 波束的定位(導(dǎo)向)，后面還將對此進(jìn)行討論。
換能器陣列10a和10b從頭部的相對兩側(cè)將超聲波發(fā)射到患者的顱腦 中，當(dāng)然也可以或替代地采用其他位置，例如頭部的前端或頭顱后方枕下 聲窗。大多數(shù)患者頭部的兩側(cè)有利地在頭部每一側(cè)耳朵周圍和上方的顳骨 處提供用于經(jīng)顱超聲的適當(dāng)聲窗。為了通過這些聲窗發(fā)射和接收回波，所 述換能器陣列必須在這些位置上處于良好的聲學(xué)接觸，這可通過用頭套將 戶萬述換能器陣列保持抵靠在頭部上而實(shí)現(xiàn)。例如，圖2a示出了常規(guī)安全頭 盔200，其通過如圖2b的視圖中所示的頭盔襯里202可調(diào)節(jié)地保持在穿戴 者的頭部上。所述頭盔襯里牢固地包繞穿戴者的頭圍。在頭盔襯里內(nèi)如由 圓環(huán)的位置204、 206所指示的每一側(cè)上定位的換能器陣列將被牢固地抵靠 在穿戴者顳骨的皮膚上，從而能夠使頭盔襯里202用作經(jīng)顱超聲頭套。通 過可調(diào)節(jié)旋鈕208將頭盔襯里頭套可調(diào)節(jié)地固定在適當(dāng)位置。枕骨換能器 將被定位在可調(diào)節(jié)旋鈕208的位置處或其下方。所述頭套具有一個或多個 穿過頭頂用于調(diào)節(jié)頭套垂直位置的條帶210。這些條帶和頭套的其他可調(diào)節(jié) 構(gòu)件可以是有彈性的或者可通過諸如扣環(huán)或Vdcro⑧的其他工具進(jìn)行調(diào)節(jié)。 當(dāng)?shù)玫角‘?dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)時，所述頭套將聲學(xué)換能器陣列以聲學(xué)接觸的方式牢固地保持在患者的顳部上。通過在換能器和皮膚之間施加聲學(xué)耦合凝膠來幫 助進(jìn)行聲學(xué)耦合。
圖3的流程圖示出了根據(jù)本發(fā)明使用剛剛描述的超聲系統(tǒng)和經(jīng)顱超聲 頭套的過程。在步驟60中，使患者穿戴所述頭套，并使換能器陣列聲學(xué)接 觸患者的皮膚。啟動所述系統(tǒng)以便在顱腦內(nèi)部進(jìn)行成像，并且在步驟62中， 對所述頭套進(jìn)行調(diào)節(jié)直到能在一個或(當(dāng)雙工顯示時)兩個換能器陣列的 超聲圖像中看到顱腦內(nèi)部的血流。此時優(yōu)選使用系統(tǒng)的彩色血流成像模式 以生成顱腦內(nèi)部血流的二維或三維圖像。如果在彩色血流中能夠看到顱腦 血流，則可以期望按需要處理該過程的其他步驟。當(dāng)在超聲圖像中看到血 流時，在步驟64中緊固所述頭套以保證換能器陣列在其成像位置上。圖4 示出了該點(diǎn)上用于3D成像的情況。在該圖示中，換能器陣列10a、 10b保 持抵靠在顱骨100的兩側(cè)，并對顱腦內(nèi)部的3D圖像場102、 104進(jìn)行成像。 在多平面或體繪制3D投影中，用戶將在超聲系統(tǒng)的顯示器上看到一個或兩 個3D圖像場102、 104。用戶可以操縱運(yùn)動視差控制以便從不同的取向觀 察體繪制3D圖像。如美國專利5,720,291 (Schwartz)中所描述的那樣，用 戶可以調(diào)節(jié)3D圖像的組織成分和血流成分的相對不透明度,從而使腦組織 內(nèi)部的脈管結(jié)構(gòu)更好地可視化，或者可完全關(guān)閉顯示器的B模式(組織) 部分，而僅使3D圖像場102、 104內(nèi)的脈管結(jié)構(gòu)的血流可視化。
當(dāng)正在成功地對顱腦進(jìn)行成像時，在步驟66中將微泡造影劑注入到患 者的血液中。在短時間內(nèi)血液中的微泡將被泵送通過頸動脈并進(jìn)入顱腦脈 管系統(tǒng)而出現(xiàn)在圖像中。醫(yī)生用戶現(xiàn)在能夠開始對阻塞腦中血管的血塊進(jìn) 《亍診斷檢索，從而查找脈管系統(tǒng)中由于局部阻塞而終止或僅被從微泡返回 fe回波微弱照亮的分支。當(dāng)存在來自兩個換能器陣列的雙顯示時，醫(yī)生還 能夠比較兩個顯示區(qū)域的相對對稱性，從而査找不對稱的征象。如果醫(yī)生 在當(dāng)前通過圖像場102、 104觀察的脈管系統(tǒng)中沒有發(fā)現(xiàn)阻塞征象，則醫(yī)生 可按步驟68中所指示的那樣將圖像場導(dǎo)向到所述解剖結(jié)構(gòu)的其他區(qū)域。通 過物理地調(diào)節(jié)換能器陣列的位置以將其的圖像場瞄準(zhǔn)通過腦部的不同解剖 結(jié)構(gòu)，從而可以機(jī)械地完成對圖像場的導(dǎo)向。優(yōu)選地，醫(yī)生能夠利用用戶 界面上的控制，來調(diào)節(jié)對來自換能器陣列的波束進(jìn)行的導(dǎo)向。通過調(diào)節(jié)該 控制(到發(fā)射控制器18的波束導(dǎo)向控制線)，醫(yī)生能夠電子地導(dǎo)向顱骨內(nèi)
10部四周的圖像場，而不妨礙陣列抵靠在患者頭部的聲學(xué)耦合。
在圖像場102、 104的每個位置上，醫(yī)生能夠在顯示器上的實(shí)時圖像中 查找血流的梗阻，或者可以如步驟70所指示的那樣捕獲(抓取)顱腦脈管 系統(tǒng)的圖像或圖。當(dāng)采集并靜態(tài)保持脈管圖時，所述圖像可以進(jìn)行增強(qiáng)處 理(例如，復(fù)合、信號平均)從而提高分辨率或比例尺，并能在屏幕上進(jìn) 行操縱及在血管阻塞的精細(xì)檢索中以不同的點(diǎn)和不同的視角進(jìn)行仔細(xì)檢 查。以這種方式醫(yī)生能夠按步驟72所指示的那樣對狹窄進(jìn)行診斷。如果醫(yī) 生檢查脈管圖并且沒有發(fā)現(xiàn)血流路徑中有梗阻的跡象，則醫(yī)生可以將圖像 場導(dǎo)向到顱腦的另一區(qū)域，并檢查另一圖像場的脈管圖。醫(yī)生可以使用脈 管圖的多普勒數(shù)據(jù)或超聲系統(tǒng)的頻譜多普勒功能對顱腦脈管系統(tǒng)中特定點(diǎn) 進(jìn)行血流速度測量，然后使用超聲系統(tǒng)的報(bào)告生成能力對所述測量進(jìn)行記 錄并準(zhǔn)備其診斷的報(bào)告。
圖6a-6c示出了脈管圖的示例。圖6a示出了血管的脈管網(wǎng)300。如美 國專利5,474,073 (Schwartz等人)中所述的那樣，當(dāng)僅執(zhí)行血流成像并且 在沒有任何周圍的B模式組織結(jié)構(gòu)下顯示血流圖像時，如圖6a所示的那樣 只示出脈管系統(tǒng)的血流而沒有任何遮蔽的周圍結(jié)構(gòu)。脈管網(wǎng)300可以以二 維、三維及通過多種多普勒技術(shù)(例如彩色血流(速度)多普勒或者功率 (強(qiáng)度)多普勒)進(jìn)行顯示。在不存在狹窄時，血流網(wǎng)將呈現(xiàn)出是連續(xù)的， 并且速度和強(qiáng)度與血管大小成比例。但是如果脈管網(wǎng)的分支302有梗阻， 則血流將呈現(xiàn)出不同，例如更高的速度和/或強(qiáng)度，并且如果完全梗阻，則 如圖6c所示的那樣在多普勒血流圖中將完全消失。通過辨認(rèn)諸如這些的特 征，醫(yī)生可以對狹窄做出診斷，然后如圖6d所示的那樣，將治療波束IIO 引導(dǎo)到懷疑有血管梗阻的位置上。
如果醫(yī)生發(fā)現(xiàn)狹窄，則通過使狹窄部位上的微泡攪動或破碎施加治療 以努力溶解血塊。醫(yī)生啟動"治療"模式，并且在圖像場102、 104中呈現(xiàn) 圖形110、 112，從而描繪治療超聲波束的矢量路徑。治療超聲波束由用戶 界面38上的控制進(jìn)行操縱，直到矢量圖形IIO、 112聚焦到阻滯部位上， 如步驟74所示。治療波束可以是緊聚焦的會聚波束，或者是稱之為筆形波 束的具有相對長焦距的波束。治療波束所產(chǎn)生的能量可以超過診斷超聲所 允許的超聲水平，在這種情形中血塊部位上的微泡將劇烈地破碎。導(dǎo)致微
ii泡破裂的能量將強(qiáng)烈地?cái)噭友獕K，從而趨向于使血塊破碎，并使其溶解在 血液中。然而在一些情況中，以診斷功率水平對微泡的聲照射足夠溶解血 塊。在單次事件中，微泡可以進(jìn)行振動和振蕩而不是進(jìn)行破碎，并且在微
泡溶解之前來自這種延長振蕩的能量足以使血塊破碎，如步驟76所示。
一種對微泡進(jìn)行聲照射特別有效的方法被稱為"閃爍"發(fā)射。在閃爍 發(fā)射中，暫停聲照射以使血液流動能夠?qū)⒋罅康奈⑴葸f送到阻滯部位。在 該暫停末，發(fā)射一串快速的高M(jìn)I脈沖以快速并有力地使微泡破裂，這會在 阻滯部位處釋放能量。來自破裂微泡的氣體溶解到血液中。開始另一暫停 期從而能夠集結(jié)新補(bǔ)給的微泡并使過程繼續(xù)。參見美國專利5,560,364
(Porter)和5,685,310 (Porter)。利用隨著微泡的聚集可以在低MI水平下 執(zhí)行成像，從而能夠使醫(yī)生從視覺上監(jiān)測微泡的集結(jié)并判斷施予高M(jìn)I閃爍 的最佳時間的這一發(fā)現(xiàn)來改進(jìn)所述閃爍技術(shù)。參見美國專利6,171,246
(Averkiou等人)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，己經(jīng)發(fā)現(xiàn)低占空比的閃爍將在診斷超聲的能 量限制內(nèi)產(chǎn)生快速微泡破壞。這樣無需將患者暴露在可能造成損害的治療 性照射水平中。在該技術(shù)中，在診斷超聲的MI (瞬間壓力)限制內(nèi)遞送閃 爍脈沖。超聲的另一能量限制參數(shù)是空間峰值時間平均(SPTA)，它是對 隨時間遞送的平均能量的測量，并與溫度升高有關(guān)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一串(診斷 限制內(nèi)的)高M(jìn)I脈沖將使耙向微泡在100-300毫秒內(nèi)破碎并溶解在血液中。 這樣，持續(xù)的聲照射是沒有效果的，因?yàn)槭聦?shí)上在這一時期之后沒有微泡 剩下。在本發(fā)明的技術(shù)中，高M(jìn)I脈沖期具有50X或更少的占空比。例如， 高M(jìn)I脈沖可以遞送200ms,之后在接下來的800msec內(nèi)抑制高M(jìn)I脈沖。 這樣高M(jìn)I脈沖遞送期的占空比僅為20%。多余的高M(jìn)I脈沖被抑止，并且 一秒間隔上遞送的時間平均能量在SPTA參數(shù)的時間平均限制之內(nèi)。此外， 只要高M(jìn)I發(fā)射停止，就能夠?qū)⑿碌奈⑴莼剌數(shù)窖獕K部位處。而且，在占空 t匕的高M(jìn)I部分期間可以采用更長的脈沖長度，這已經(jīng)被認(rèn)為對微泡的碎裂 非常有效。
患者遭受的腦卒中類型可能是出血性腦卒中或缺血性腦卒中。出血性 卒中(其可以例如由破裂的動脈瘤所造成)導(dǎo)致血流出血管外，并且將不 會通過微泡和超聲進(jìn)行治療得到改善。此外，出血病證常常由于tPA的應(yīng)用而變得更糟。由諸如血塊的狹窄所造成的缺血性腦卒中是本發(fā)明實(shí)施例 計(jì)劃進(jìn)行治療的腦卒中類型。因此理想的是最初能夠確定腦卒中病證是出 血性的還是缺血性的?？梢酝瓿蛇@一判斷的一種方法是通過査找脈管系統(tǒng) 外的血池，其表示出血病證。由于血液不是超聲波的強(qiáng)反射體，因此在標(biāo) 準(zhǔn)超聲圖像中血池將呈現(xiàn)為黑色。血池還可展現(xiàn)出比含有血管的血流更低 的流速(多普勒速度)。在注入造影劑之后，將造影劑灌注到周圍組織的微 脈管系統(tǒng)中可以在超聲圖像中產(chǎn)生關(guān)于暗黑血池更亮對比的輕微暈圈效 應(yīng)。正是這些特征能夠用來識別腦卒中是起源于出血性的還是缺血性的。
在圖4的描繪中，看見每個圖像場102、 104延伸到幾乎跨過顱腦的一 半，這是圖像場大小與期望穿過聲窗處骨頭的聲學(xué)穿透及衰減之間的平衡。 對于一些患者而言，低衰減效應(yīng)能夠使圖像場延伸到完全跨過顱腦，從而 能夠使醫(yī)生對顱腦對側(cè)上的顱骨附近的脈管結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢査。通過交替地對 兩個換能器陣列的圖像場進(jìn)行檢査，可以有效地檢查跨過整個顱腦的脈管 系統(tǒng)。有可能采集覆蓋顱腦相同的中央?yún)^(qū)域但從頭部相對兩側(cè)進(jìn)行成像的 延伸圖像場。可以將這些圖像相互關(guān)聯(lián)并組合在一起，從而形成可以揭示 腦附加特征的融合圖像。治療波束還可以從頭部的兩側(cè)發(fā)射，從而能夠從 血塊的兩側(cè)使血塊破碎。并不局限于反射式超聲成像，通過從一個換能器 陣列發(fā)射超聲并在其他換能器陣列處接收剩余的未吸收超聲能量，可以執(zhí) 行透射成像，其可以揭示腦組織的其他特征。
圖5示出了本發(fā)明的二維成像示例。在該示例中，換能器陣列122是 執(zhí)行2D成像的一維陣列。該陣列被配置成如美國專利5,226,422中所述的 圓形相控陣列換能器。該換能器陣列(像本文所描述的其他陣列一樣)用 透鏡124進(jìn)行覆蓋，所述透鏡使患者與換能器陣列電絕緣并且在一維陣列 的情形下還可以提供在高程(平面外)維度中的聚焦。換能器陣列122用 聲阻尼材料126進(jìn)行支撐，所述聲阻尼材料衰減從陣列后面發(fā)出的聲波從 而防止它們反射回?fù)Q能器元件中。在該換能器組套后面是旋轉(zhuǎn)所述陣列的 圖像平面140的設(shè)備130。設(shè)備130還可以是由醫(yī)生抓握以便手動將圓形陣 ^換能器在其旋轉(zhuǎn)換能器底托(未示出)中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的單個旋鈕或調(diào)整片。 ^備130還可以是如美國專利5,181,514 (Solomon等人)中所討論的通過 導(dǎo)體132通電以便機(jī)械地旋轉(zhuǎn)所述換能器的電機(jī)。按箭頭144所指示的那
13樣旋轉(zhuǎn)一維陣列換能器122將使其圖像平面140圍繞其中心軸樞轉(zhuǎn)，從而 能夠?yàn)槌浞謾z査換能器陣列前的脈管系統(tǒng)而重新定位圖像平面。如在'514 患者中所討論的，在所述陣列至少180。的旋轉(zhuǎn)期間所采集的平面將占據(jù)換 能器陣列前的圓錐體，其可以被繪制到該體積區(qū)域的3D圖像中。該體積區(qū) 域外的其他平面可以通過重新定位、相對于顱骨100在其頭套中搖擺或傾 斜所述換能器陣列而進(jìn)行成像。如果在被成像平面的圖像中發(fā)現(xiàn)狹窄，則 醫(yī)生可以導(dǎo)向治療波束矢量圖形142以便使所述波束瞄準(zhǔn)該狹窄，并施加 治療脈沖以使該狹窄位置上的微泡碎裂。
在腦卒中的情形中通常痛苦不在單次發(fā)作中表現(xiàn)出來，而是當(dāng)心臟、 肺部或血管中的血塊或梗阻逐漸破碎、從而隨時間將小血塊相繼釋放到顱 腦脈管系統(tǒng)地在重復(fù)發(fā)作中表現(xiàn)出來。這樣，遭受初始腦卒中事件后依然 活著的患者在不遠(yuǎn)的將來可能會處于其他事件的風(fēng)險。因此，理想的是在 出現(xiàn)初始腦卒中事件之后監(jiān)測這些患者一段時間，以便在復(fù)發(fā)時可以立即 進(jìn)行治療。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明的實(shí)施例可以用于監(jiān)測腦卒中 受害者的復(fù)發(fā)事件?？梢詫Q能器陣列10a、 10b、微型波束形成器12a、 12b以及多路復(fù)用器14有效地作為頭套的一部分封裝在倒裝芯片結(jié)構(gòu)中。 這些部件可以由電池供電并且多路復(fù)用器的輸出被連接到r.f發(fā)射器。如圖 4所示的那樣對固定圖像場102、 104進(jìn)行連續(xù)成像；在該實(shí)施例中不一定 能夠?qū)蚧蛑囟ㄎ凰鰣D像場。如美國專利6，113，547 (Catallo等人)中所 描述的那樣，將微型波束形成器12a、 12b生成的圖像數(shù)據(jù)無線發(fā)射到基本 單元。在該基站中，如果需要可以執(zhí)行附加的波束形成以及圖1系統(tǒng)的圖 像處理和顯示功能。如果患者是固定不動的，則無線連接并非是必須的， 也可以采用與所述基站的有線連接。當(dāng)所述頭套由對該設(shè)備具有最少經(jīng)驗(yàn) 的個體進(jìn)行應(yīng)用時，所述無線連接同樣是有用的。例如，第一急救者可能 不能確保所述頭套被正確應(yīng)用并且正在采集關(guān)于患者脈管系統(tǒng)滿意的圖像 數(shù)據(jù)集。在這種情形下，可以將所述圖像發(fā)射到基站、醫(yī)院或者其中有經(jīng) 驗(yàn)的人員能夠?qū)崟r觀看所述圖像并告訴該第一急救者如何將所述頭套成功 應(yīng)用在患者身上的其他地方。
在本實(shí)例中，圖像顯示器對于監(jiān)測應(yīng)用而言并非是必須的。當(dāng)在基站 ，成脈管系統(tǒng)的連續(xù)圖像時，將它們存儲在圖像存儲器52中，并比較時間上不同的圖像以便通過運(yùn)行血流變化檢測器50來檢測脈管系統(tǒng)的血流變 化。血流變化檢測器運(yùn)行以比較時間上不同的圖像的相同性質(zhì)，類似于如 美國專利6,442,289 (Olsson等人)中描述的那樣用于通過圖像處理識別運(yùn) 動的圖像數(shù)據(jù)校正技術(shù)。只要連續(xù)的圖像和分隔開更大時間間隔的圖像在 其流動特征中表現(xiàn)為基本相同，例如在脈管系統(tǒng)的特定段的流動特征中沒 有局部變化，并且脈管系統(tǒng)中沒有任何段已經(jīng)停止返回指示血流持續(xù)的多 普勒信號，則血流變化檢測器50將在沒有變化的情況下繼續(xù)其對脈管系統(tǒng) 進(jìn)行監(jiān)測。例如，所述脈管系統(tǒng)在長時間內(nèi)可以表現(xiàn)為圖6a的脈管網(wǎng)300， 而突然可能檢測不到一段的血流，如圖6c中通過缺失的血管302所示出的 那樣。如果血流變化檢測器50檢測到血流變化(例如上面所示的其中一種)， 則啟動報(bào)警器，例如位于護(hù)士站的聲響報(bào)警器42。然后可以立即為患者提 供醫(yī)療救助。另外，醫(yī)務(wù)人員可以對在檢測到血流變化時圖像存儲器中存 儲的圖像進(jìn)行檢查，以準(zhǔn)確辨明檢測到的梗阻出現(xiàn)在脈管系統(tǒng)中的什么位 置。然后將治療明確地引導(dǎo)到梗阻部位，而無需對一系列脈管圖進(jìn)行仔細(xì) 地檢査。
由于這是監(jiān)測應(yīng)用，因此不必以實(shí)時成像所必須的高速率進(jìn)行圖像采 集。例如可以每秒或以更大的圖像采集間隔來采集新的圖像。較低的采集 速率有助于在使用r.f.鏈路的行走(ambulatory)實(shí)現(xiàn)中節(jié)約電池功率。較 低的成像速率還允許同一系統(tǒng)以時間交錯的方式處理來自多名患者的圖 像，這對于需要監(jiān)測多名患者的護(hù)士站而言是非常有用的。
在長期監(jiān)測或?qū)π凶呋颊叩谋O(jiān)測期間，頭套有可能相對于患者的頭部 #生移動，從而造成來自已經(jīng)移動的換能器10a、 10b的連續(xù)圖像之間存在 i異。這種移動同樣造成被監(jiān)測的特定解剖區(qū)域移動到換能器陣列10a或 10b的圖像場之外。雖然可以將血流變化檢測器50設(shè)計(jì)成不受這種全局變 化的影響而只查找血流中的局部變化，但理想的是能夠警告醫(yī)務(wù)人員重新 調(diào)節(jié)頭套或重新采集圖像場中的靶向解剖結(jié)構(gòu)。這在圖1的實(shí)施例中是借 助于圖像場控制器54來完成的，所述圖像場控制器對時間上不同的圖像執(zhí) 行圖像分析，以檢測圖像數(shù)據(jù)的全局對準(zhǔn)變化。如果頭套在連續(xù)圖像之間 未發(fā)生移動，貝lj (例如)每個換能器陣列的連續(xù)圖像將是相同的，并且各 圖像的圖像數(shù)據(jù)將展現(xiàn)出高度的相關(guān)性。例如，在美國專利5,556,674(Weng)、 6,572,549 (Jong等人)或6,589,176 (Jago等人)中用于測量圖 像對準(zhǔn)的圖像分析技術(shù)和其他技術(shù)可以用于執(zhí)行圖像比較。頭套的移動將 導(dǎo)致相關(guān)性的全局變化，這會警告醫(yī)務(wù)人員調(diào)節(jié)頭套。相關(guān)性的局部變化 可能是本應(yīng)由血流變化檢測器50檢測的局部血流變化，或者可以使用局部 去相關(guān)來警告醫(yī)務(wù)人員核查患者狀況。另一可能性是將全局相關(guān)矢量用作 圖像相對于圖像發(fā)生運(yùn)動的指示。然后，如以前面提到的美國專利6，589，176
中討論的圖像穩(wěn)定方式那樣，發(fā)射控制器18使用所述運(yùn)動變化來調(diào)節(jié)對圖 像場102、 104、 140的波束的導(dǎo)向，從而將所述解剖結(jié)構(gòu)重新定位在新采 集的圖像場中的相同位置。這將能夠使系統(tǒng)最初監(jiān)測的解剖結(jié)構(gòu)不管頭套 定位中是否有小的變化而保持在視野和圖像數(shù)據(jù)集中。如果靶向解剖結(jié)構(gòu) 移出波束導(dǎo)向重新采集的范圍，則為醫(yī)務(wù)人員發(fā)出警告以重新定位頭套。 類似地，可以使用這種在存在運(yùn)動時重新導(dǎo)向校正來保持治療筆形波束 110、 112穩(wěn)定地指向正被處理的靶向血塊。
圖7的流程圖示出了本發(fā)明監(jiān)測實(shí)現(xiàn)的典型順序。在步驟60中將具有 陣列換能器的頭套戴在患者上，并在步驟62中初始顯示和回顧各圖像直到 對頭套進(jìn)行調(diào)節(jié)使得在各圖像中可以觀察到血流為止。在步驟64中，當(dāng)確 定正在采集顱腦血流的圖像時，不再需要圖像顯示器并將頭套緊固在患者 頭上的適當(dāng)位置。在步驟80中，從陣列的圖像場中定期采集圖像數(shù)據(jù)并將 其發(fā)射到監(jiān)測單元。在步驟82中，于監(jiān)測單元處，可以按照需要對圖像數(shù) 據(jù)作進(jìn)一步處理，然后在步驟84中，將新的圖像與一個或多個先前采集的 圖像進(jìn)行比較。如果圖像的流動特征沒有變化，則繼續(xù)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的定 期發(fā)射、接收和比較。但是如果新的圖像不同于預(yù)定的流動特征，則在步 驟86中檢測血流變化，并在88中發(fā)出警告以引起醫(yī)護(hù)注意。 、雖然監(jiān)測實(shí)現(xiàn)可以用2D (平面)成像來執(zhí)行，但是優(yōu)選地使用3D成 像，以便可以監(jiān)測更大的體積區(qū)域。監(jiān)測可以只用一個換能器陣列來執(zhí)行， 但是更大數(shù)量的陣列同樣提供對更大顱腦區(qū)域的監(jiān)測。
1權(quán)利要求
1、一種對顱腦脈管阻塞進(jìn)行處理的腦卒中治療系統(tǒng)，包括換能器陣列頭套，其保持超聲換能器陣列與對象的頭部聲學(xué)接觸；耦合到所述超聲換能器陣列的圖像處理器，其生成所述對象的顱腦中的血流的圖像；以及耦合到所述圖像處理器的圖像顯示器，其生成顱腦脈管系統(tǒng)的圖像。
2、 如權(quán)利要求l所述的腦卒中治療系統(tǒng)，其中，所述圖像處理器包括多普勒處理器，其中，所述多普勒處理器生成速度多普勒圖像或功率多普勒圖像中的至少之一。
3、 如權(quán)利要求l所述的腦卒中治療系統(tǒng)，其中，所述超聲換能器陣列還可在治療模式下用于將治療波束指引到所述對象顱腦中的阻塞部位，其中，所述治療波束包括能夠使所述阻塞部位處的微泡碎裂的超聲波束。
4、 如權(quán)利要求1所述的腦卒中治療系統(tǒng)，其中，所述換能器陣列頭套保持第一超聲換能器陣列與所述頭部的一側(cè)聲學(xué)接觸；以及還包括通過所述頭套保持與所述頭部的另一側(cè)聲學(xué)接觸的第二換能器陣列。
5、 一種對顱腦脈管阻塞進(jìn)行處理的腦卒中治療系統(tǒng)，包括換能器陣列頭套，其保持超聲換能器陣列與對象的頭部聲學(xué)接觸；耦合到所述超聲換能器陣列的圖像處理器，其生成所述對象的顱腦中的血流的圖像；耦合到所述圖像處理器的圖像顯示器，其生成顱腦脈管系統(tǒng)的圖像；耦合到所述換能器陣列的發(fā)射器，其用于使所述超聲換能器陣列發(fā)射治療波束，其中，通過公共的超聲換能器陣列來完成所述治療波束的成像和遞送。
6、 如權(quán)利要求5所述的腦卒中治療系統(tǒng)，其中，所述治療波束的成像和遞送均在給對象的診斷超聲能量遞送限制內(nèi)完成。
7、 如權(quán)利要求5所述的腦卒中治療系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射器用于向所述換能器陣列施加脈沖寬度調(diào)制信號或占空比調(diào)制信號中的至少一個。
8、如權(quán)利要求5所述的腦卒中治療系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射器還用于使所述超聲換能器陣列發(fā)射用于多普勒成像或B模式成像中的至少一個的波束。
9、 如權(quán)利要求8所述的腦卒中治療系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射器還用于在展現(xiàn)出所述顱腦中給定橫向尺寸的圖像場上發(fā)射用于成像的波束，其中，所述治療波束展現(xiàn)出小于所述給定橫向尺寸的橫向尺寸。
10、 如權(quán)利要求8所述的腦卒中治療系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射器還用于布占據(jù)所述顱骨內(nèi)給定空間區(qū)域的圖像場上發(fā)射圖像波束，其中，在所述給定空間區(qū)域的一部分上發(fā)射所述治療波束。
11、 如權(quán)利要求10所述的腦卒中治療系統(tǒng)，其中，所述超聲換能器陣列包括二維換能器元件陣列，其中，所述給定空間區(qū)域是體積區(qū)域。
12、 如權(quán)利要求ll所述的腦卒中治療系統(tǒng)，其中，使所述二維陣列保持與所述頭部的一側(cè)聲學(xué)接觸；還包括通過所述頭套保持與所述頭部的另一側(cè)聲學(xué)接觸的第二二維陣
13、 如權(quán)利要求12所述的腦卒中治療系統(tǒng)，其中，第一二維陣列在所述頭部的左側(cè)和所述顱骨的中央之間的顱腦距離的大部分上掃描成像波束；以及其中，所述第二二維陣列在所述頭部的右側(cè)和所述顱骨的中央之間的顱腦距離的大部分上掃描成像波束。
14、 一種對腦卒中進(jìn)行處理的方法，包括給對象的頭部施加含有第一和第二換能器陣列的頭套，并且所述換能器陣列與所述頭部的相對兩側(cè)聲學(xué)接觸；根據(jù)從至少一個所述換能器陣列接收的信號生成顱腦血流的超聲圖像；保證所述頭套保持所述換能器陣列與所述頭部聲學(xué)接觸；向所述對象的血液中灌注微泡；以及生成含有微泡的顱腦血流的超聲圖像。
15、 如權(quán)利要求14所述的方法，還包括在所述顱腦血流超聲圖像中檢測狹窄；以及從至少一個所述換能器陣列將治療超聲波束指引到所述狹窄附近的微泡。
16、 如權(quán)利要求15所述的方法，其中，對治療波束的指引還包括將筆形波束導(dǎo)向到所述狹窄附近的微泡。
17、 如權(quán)利要求15所述的方法，其中，對治療波束的指引還包括使所述狹窄附近的微泡振動。
18、 如權(quán)利要求15所述的方法，其中，對治療波束的指引還包括使所述狹窄附近的微泡破裂。
19、 如權(quán)利要求15所述的方法，其中，對治療波束的指引還包括以診斷超聲限制內(nèi)的能量水平向所述狹窄附近的微泡發(fā)射治療超聲波束。
20、如權(quán)利要求14所述的方法，其中，施加還包括施加含有第一和第二二維換能器陣列的頭套，其中，生成超聲圖像還包括生成三維超聲圖像。
全文摘要
描述了一種超聲診斷成像系統(tǒng)，其利用一個或多個貼附于患者頭部的換能器陣列(10a，10b)對腦卒中受害者進(jìn)行診斷和處理。所述換能器頭套(200)，優(yōu)選地借助于微泡造影劑的幫助下，生成顱腦內(nèi)血管系統(tǒng)(300)的二維或三維圖像。由該系統(tǒng)生成可以對血塊征象進(jìn)行診斷的血管血流圖。如果檢測到血塊，則發(fā)射治療波束同時給予所述造影劑以便通過微泡的碎裂而使血塊破碎。所述頭套還可以用在監(jiān)測應(yīng)用中，以便對腦卒中受害者體內(nèi)血塊的復(fù)發(fā)進(jìn)行檢測。
文檔編號A61B8/08GK101500651SQ200780029828
公開日2009年8月5日 申請日期2007年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月11日
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