專利名稱：擬隨機(jī)分布超聲波換能器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生并聚焦超聲波能分布的換能器陣列。
背景技術(shù)：
近來(lái)，人們對(duì)于開(kāi)發(fā)用于外科(例如組織切除)或短期高強(qiáng)度發(fā)熱的最小侵入治療超聲波技術(shù)非常重視，這是由于這些方法與傳統(tǒng)的方法相比，在減小發(fā)病率、增強(qiáng)病人可承受能力以及縮短忍受痛苦的時(shí)間方面具有潛在的優(yōu)點(diǎn)。
在用超聲波進(jìn)行切除術(shù)的領(lǐng)域中，記述了很多工作，其中已經(jīng)涉及了使用單個(gè)或幾個(gè)帶有球形曲面的陶瓷壓電換能器(transducers)。各示例描述于Br J Radiology，第68卷，第1296-1303頁(yè)的C R Hill等人的“綜述文章高強(qiáng)度聚焦的超聲波--用于癌癥治療的可行方法”；IEEE Trans.Ultras.Ferroelec.Freq.Ctrl.，第43卷，第1023-1031頁(yè)的I H Rivens等人的“聚焦的超聲波外科換能器的設(shè)計(jì)”；Eur.Urol.，第23卷(增刊1)，第39-43頁(yè)的S Madersbacher等人的“用高強(qiáng)度超聲波在良性前列腺增生內(nèi)進(jìn)行組織切除”；以及1993年的Eur.Urol.，第23卷(增刊1)，第44-47頁(yè)中A Gelet等人的“針對(duì)人體前列腺肥大的高強(qiáng)度聚焦的超聲波試驗(yàn)”。
然而，利用單個(gè)聚焦的換能器的顯著缺點(diǎn)在于其固定的聚焦長(zhǎng)度。由于超聲波焦點(diǎn)的體積通常小于要被切除的組織的體積，所以用來(lái)機(jī)械移動(dòng)換能器的裝置必須合并。由于利用單個(gè)聚焦的換能器在每小時(shí)切除2cm3的組織，故中等組織體積(如8cm3)的治療可能會(huì)需要多段時(shí)間，總共4個(gè)小時(shí)。因此，雖然對(duì)于試驗(yàn)研究及初步臨床測(cè)試是足夠的，但單個(gè)換能器的機(jī)械掃描導(dǎo)致嚴(yán)重的實(shí)際應(yīng)用上的限制，阻礙了該技術(shù)成為常規(guī)臨床措施。
通過(guò)使用定相陣列(phased arrays)來(lái)減弱這種問(wèn)題是可行的，在該定相陣列中，多個(gè)換能器元件(transducer elements)安裝在基片表面上，并共同產(chǎn)生聚焦的超聲波束。這種陣列通常描述于IEEE Trans.微波原理技術(shù)，第MTT-34卷，第542-551頁(yè)，C A Cain等人的“用于超聲波發(fā)熱的同心環(huán)和扇形渦旋定相陣列施加器”；IEEE Trans.Biomed.Eng.，第38卷，第634-643頁(yè)，E S Ebbini等人的“用于深度局部發(fā)熱的球形截面超聲波定相陣列施加器”；IEEE Trans.Ultrason.Ferroelec.Freq.Contr.，第39卷，第32-38頁(yè)，S Umemura等人的“標(biāo)準(zhǔn)扇形渦旋定相陣列施加器的聲音改進(jìn)”；1996年的IEEE Trans.Ultras.Ferroelec.Freq.Ctrl.，第43卷，第1111-1121頁(yè)，S A Goss等人的“用于聚焦外科的偶然隨機(jī)超聲波定相陣列”；Med.Phys.，第23卷，第767-776頁(yè)，E B Hutchinson等人的“用于腔內(nèi)前列腺熱療法的非周期超聲波定相陣列的設(shè)計(jì)及優(yōu)化”；IEEE Trans.Ultras.Ferroelec.Freq.Ctrl.，第43卷，第1032-1042頁(yè)，E B Hutchinson等人的“用于非侵入性前列腺外科的腔內(nèi)超聲波定相陣列”；IEEE Trans.Ultras.Ferroelec.Freq.Ctrl.，第43卷，第1085-1097頁(yè)，H Wan等人的“超聲波外科利用定相陣列系統(tǒng)策略的比較”；IEEE Trans.Ultras.Ferroelec.Freq.Ctrl.，第43卷，第1043-1053頁(yè)，K Hynynen等人的“利用MRI監(jiān)控非侵入外科所用的超聲波定相陣列的可行性”；IEEE Trans.Ultras.Ferroelec.Freq.Ctrl.，第44卷，第1010-1017頁(yè)，L R Gavrilov等人的“減少與用于經(jīng)直腸的溫?zé)岑煼ǖ某暡ň€性定相陣列有關(guān)的格柵葉片的方法”。
這種定相陣列具有電子控制的動(dòng)態(tài)聚焦的能力，以及在治療過(guò)程中不用移動(dòng)陣列就可精確改變并控制焦點(diǎn)的范圍和位置的能力。定相陣列的使用提供了這樣的裝置它不僅能快速掃描超聲波焦點(diǎn)、而且具有多個(gè)同時(shí)存在的焦點(diǎn)的合成場(chǎng)。人們期望利用它們能縮短完成切除治療所花費(fèi)的時(shí)間。上述幾個(gè)參考文獻(xiàn)提出了定相陣列的使用，其中，各元件設(shè)置在球殼上，因此將電子聚焦和幾何聚焦結(jié)合起來(lái)。
公知的定相陣列的一個(gè)顯著缺點(diǎn)為存在有不想要的格柵葉片(gratinglobes)，以及存在有其它不期望的次級(jí)強(qiáng)度最大值，后者能夠潛在地導(dǎo)致接受外科治療的病人在有過(guò)多能量匯聚在聚焦區(qū)域外部的地方受到傷害。另一個(gè)缺點(diǎn)是，尤其對(duì)于體外的平面陣列的缺點(diǎn)是，其復(fù)雜性及潛在地較高成本。
對(duì)于所有迄今所述的治療陣列來(lái)說(shuō)，共同之處是要求減少格柵葉片，并且已經(jīng)研究了幾種技術(shù)，其中包括變跡法、寬帶技術(shù)以及子元件(subsets ofelements)的使用。已經(jīng)研究了在線性定相陣列中不同尺寸的元件隨機(jī)分布的應(yīng)用。與非周期性分布的元件陣列有關(guān)的格柵葉片水平比那些與具有周期性中心距分布的元件陣列有關(guān)的格柵葉片水平小約30％-45％。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種超聲波換能器陣列，其顯著改善了精確控制超聲波能的聚焦范圍和位置的能力。
本發(fā)明的另一目的是提供一種超聲波換能器陣列，其顯著改善了在使用期間不移動(dòng)陣列而改變超聲波能的聚焦范圍和位置的能力。
根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種遍布于基片表面的超聲波換能器元件的陣列，用于在預(yù)定聚焦體積上聚焦超聲波能，這些元件在基片表面上以擬隨機(jī)分布方法分布，這些元件的總輻射面積占總陣列面積約40％-70％。
優(yōu)選的是，超聲波各元件的工作頻率和各元件的平均直徑的關(guān)系如下式d＝A×c/f其中，d—各元件的平均直徑；c—在要用超聲波能輻射的媒介中的音速，在1400到1600ms-1范圍內(nèi)；f—超聲波能的頻率；A—約0.5到5范圍內(nèi)的值。
優(yōu)選的是，換能器陣列的基片表面為彎曲殼體，其中換能器元件適于自殼體的凹陷表面輻射，并且該陣列具有大于或等于0.7R的平均直徑D，其中，R是殼體的曲率半徑，且其中R值處于70到200mm范圍內(nèi)。
優(yōu)選的是，頻率f在0.5到3MHz的范圍內(nèi)，而更優(yōu)選的是在于0.5到2MHz或1到2MHz的范圍內(nèi)。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供了一種利用超聲波換能器元件的定相陣列對(duì)體內(nèi)組織進(jìn)行局部超聲波加熱的方法，該陣列分布于基片表面上以將超聲波能聚焦到預(yù)定的聚焦體上，該方法包括以下步驟以擬隨機(jī)分布方法將各元件分布于基片表面上，且各元件的總輻射面積占總陣列面積的40％至70％；根據(jù)下式，確定超聲波各元件工作頻率以及各元件的平均直徑d＝A×c/f其中，d—各元件的平均直徑；c—在要用超聲波能輻射的組織媒介中的音速；f—超聲波能的頻率；A—在約0.5到5范圍內(nèi)的值。


本發(fā)明的實(shí)施例將參照附圖通過(guò)示例的形式加以描述，其中圖1a和1b示意性地說(shuō)明了計(jì)算方法，其中圖1a是單個(gè)換能器元件的場(chǎng)(field)，而圖1b是一列換能器元件的場(chǎng)；圖2a、2b和2c是陣列的示意圖，其中各平面圓形元件以擬隨機(jī)方式分布在球殼上；圖3a、3b和3c是陣列的示意圖，其中各圓形元件以規(guī)則圖形分布在球殼上，其中圖3a包括以六邊形分布的255個(gè)元件；圖3b包括以正方形分布的256個(gè)元件；圖3c包括以正方形分布的1024個(gè)元件；圖4示出了超聲波場(chǎng)強(qiáng)分布的幾個(gè)示例和用于估算場(chǎng)強(qiáng)分布等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，其中圖4a是在(0，-10，100mm)位置聚焦的超聲波場(chǎng)強(qiáng)分布；圖4b是在(0，0，130mm)位置聚焦的超聲波場(chǎng)強(qiáng)分布；圖4c是在(0，0，135mm)位置聚焦的超聲波場(chǎng)強(qiáng)分布；圖4d是在(0，-20，80mm)位置聚焦的超聲波場(chǎng)強(qiáng)分布；圖5示出了關(guān)于256個(gè)直徑為5mm元件的隨機(jī)陣列的場(chǎng)強(qiáng)分布的計(jì)算結(jié)果和等級(jí)評(píng)估的記錄表，其中圖5a是在1MHz頻率下聚焦的；圖5b是在1.5MHz頻率下聚焦的；圖5c是在2MHz頻率下聚焦的；圖6示出了場(chǎng)強(qiáng)分布等級(jí)的評(píng)估記錄表，其中圖6a中隨機(jī)陣列是由從圖2a的陣列中隨機(jī)選取的128個(gè)元件構(gòu)成的；圖6b中的陣列是由128個(gè)直徑為7mm隨機(jī)分布的圓形元件構(gòu)成的；以及圖6c中的陣列是由64個(gè)直徑為10mm的隨機(jī)分布的圓形元件構(gòu)成的；圖7示出了規(guī)則陣列的場(chǎng)強(qiáng)分布等級(jí)的評(píng)估記錄表，圖7a是以六邊形分布在球殼上的255個(gè)元件的場(chǎng)強(qiáng)分布等級(jí)的評(píng)估記錄表，其中各元件直徑為5mm；圖7b是以正方形分布在殼體上的256個(gè)元件的場(chǎng)強(qiáng)分布等級(jí)的評(píng)估記錄表，其中各元件直徑為5mm；以及圖7c是以正方形分布在殼體上的1024個(gè)元件的場(chǎng)強(qiáng)分布等級(jí)的評(píng)估記錄表，其中各自元件直徑為3mm；圖8是對(duì)于規(guī)則正方形的1024個(gè)直徑為3mm元件的陣列的強(qiáng)度分布圖。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，描述了超聲波定相陣列的特別優(yōu)選的結(jié)構(gòu)。該陣列安置在基片表面上，該基片例如可以構(gòu)成將描述的球面的一部分。這種優(yōu)化的定相陣列在理論上適用于體外切除術(shù)或短期高強(qiáng)度發(fā)熱。
同樣也描述了計(jì)算方法，該方法包括三個(gè)主要步驟，即(i)關(guān)于單個(gè)平面圓形元件的復(fù)壓力(the complex pressure)分布的計(jì)算；(ii)關(guān)于一列安裝在球殼上的圓形元件的總復(fù)壓力分布的計(jì)算；以及(iii)關(guān)于整個(gè)陣列的復(fù)壓力和歸一化強(qiáng)度分布的計(jì)算并對(duì)其分析。
與單個(gè)平面圓形元件相關(guān)的復(fù)壓力分布可以利用矩形放射器方法斷定，諸如在IEEE Trans.Ultrason.Ferroelec.Freq.Ctrl.，第36卷，第242-248頁(yè)，K Ocheltree等人的“用于矩形源的聲場(chǎng)計(jì)算”中所描述的。
參照?qǐng)D1a和1b，邊長(zhǎng)0.25mm的正方形元件超聲波輻射器元件10用于沿各圓形元件的輻射表面運(yùn)行。在所有給出的示例中，假設(shè)超聲波通過(guò)密度為1000kg.m-3的均勻媒介傳播，其音速為1500ms-1。然而，更一般地是，超聲波優(yōu)選經(jīng)由適當(dāng)?shù)穆曬詈厦浇?，諸如水，而聚焦在人體組織內(nèi)，其中音速c對(duì)于兩種媒介均在1400-1600ms-1范圍內(nèi)。組織內(nèi)的振幅衰減系數(shù)取作11.5Npm-1MHz-1，例如在1990年的倫敦學(xué)術(shù)出版物中F Duck的“組織的物理特性”中所述的。
如圖所示，計(jì)算中，用1、1.5和2MHz三個(gè)頻率，并且元件直徑為3、5、7和10mm。參照?qǐng)D1，假設(shè)各圓形元件10徑向?qū)ΨQ，其立體聲場(chǎng)(acoustic field)可以通過(guò)計(jì)算復(fù)壓力來(lái)斷定，該復(fù)壓力是距元件10的軸向距離z和偏離軸的距離r的函數(shù)。這些計(jì)算是分別對(duì)于在范圍4-18cm和0-6cm內(nèi)的z和r以0.2mm的空間增量進(jìn)行的，該增量被認(rèn)為提供了充分的空間分布特性。
在示例中，元件10所在的球殼的曲率半徑為120mm。安裝在殼體12上的一列平面圓形元件10的總復(fù)壓力分布是這樣計(jì)算出來(lái)的，即，將所關(guān)注處13的立體體積中各點(diǎn)處的各元件的復(fù)壓力分布相加，如圖1b所示。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了復(fù)壓力是每單個(gè)元件的軸向和徑向距離的函數(shù)，該單個(gè)元件的中心由角坐標(biāo)φ和確定(由在元件坐標(biāo)系的x和y軸上的投影形成在垂直和水平平面內(nèi)對(duì)著曲率中心的角確定)，這兩個(gè)值從轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱體14投影到與直角坐標(biāo)系對(duì)齊的0.2mm間距的立體矩形網(wǎng)格11上的點(diǎn)上。如圖1a所示，對(duì)從z＝40mm到z＝180mm軸向延伸的體積進(jìn)行計(jì)算，以及如圖1a所示，對(duì)在其余兩個(gè)正交方向上從0到±60mm的體積，即對(duì)r＝60進(jìn)行計(jì)算。
將陣列聚焦到單獨(dú)一點(diǎn)上所需的各元件的相位分布(phase distributions)由各元件的中心和聚焦位置之間的路徑確定。
各網(wǎng)格點(diǎn)的強(qiáng)度通過(guò)復(fù)壓力與其復(fù)數(shù)共軛值的乘積來(lái)得到，并使分布相對(duì)由所關(guān)注體積內(nèi)獲得的總最大值歸一化。
壓力和場(chǎng)強(qiáng)分布的計(jì)算可以利用合理編程的計(jì)算機(jī)進(jìn)行，且數(shù)據(jù)可以利用例如在Indigo2TM工作站(來(lái)自Silicon Graphics)上運(yùn)行的AVS(來(lái)自Advanced Visual System Inc.Waltham，MA)和在PC上運(yùn)行的Axum4.1(來(lái)自MathSoft，Inc.)來(lái)分析。從而可以定性分析立體強(qiáng)度分布，并可以在選定的平面內(nèi)繪制等值線用于數(shù)據(jù)的定性分析。
在此作為示例示出的平面強(qiáng)度分布代表y-z平面內(nèi)的數(shù)據(jù)。該平面含有不與曲率中心重合時(shí)的超聲波焦點(diǎn)，其在格柵葉片水平方面是“最壞的情況”。用在x-z平面內(nèi)的焦點(diǎn)進(jìn)行的計(jì)算定性地給出了類似結(jié)果，故不需在此描述。
關(guān)于數(shù)個(gè)參數(shù)的陣列性能上的影響，如元件數(shù)量(64、128、256和1024)，元件直徑(3、5、7和10mm)、超聲波頻率(1、1.5、2MHz)以及元件間距，已經(jīng)被人們研究以確定最佳的陣列構(gòu)型。已經(jīng)作出了如下計(jì)算對(duì)陣列24、25、26的計(jì)算，其中各元件20分別擬隨機(jī)分布在殼體21、22、23上(圖2)；以及對(duì)于陣列34、35、36的計(jì)算，其中各元件20分別以六邊形和正方形分布在殼體31、32、33上(圖3)。陣列的基本尺寸也在圖中示出。盡管各元件的位置示意性地表示在圖中，但應(yīng)注意的是各元件只以一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示，雖然每一個(gè)元件的尺寸并非如此。
在圖2所示的示例中，球殼21上的各元件20a的構(gòu)型由256個(gè)平面圓形元件構(gòu)成，各元件直徑為5mm。各元件20大致占據(jù)了基片表面的全部陣列區(qū)域28，如由虛線所圍起來(lái)的區(qū)域。
各元件以擬隨機(jī)方式分布。優(yōu)選的是，對(duì)完全地隨機(jī)分布進(jìn)行修正，以使各元件中心之間的最小間距為5.5mm，即，各元件邊緣具有0.5mm的最小間距?？紤]將三個(gè)驅(qū)動(dòng)頻率用于該陣列，這三個(gè)驅(qū)動(dòng)頻率為1、1.5和2MHz。(雖然已經(jīng)研究了幾種在殼體上的各元件的擬隨機(jī)分布，但是對(duì)于具有相同構(gòu)型的陣列來(lái)說(shuō)，結(jié)果的差異可以忽略)。
1至2MHz范圍內(nèi)的頻率對(duì)于用于治療目的的超聲波陣列是優(yōu)選的，它是為避免與低頻相關(guān)的空穴作用(cavitation effects)和與高頻相關(guān)的高衰減之間的折衷方案。然而，在0.5MHz到3MHz范圍內(nèi)的頻率一般也表現(xiàn)出有效的作用。
各元件20的隨機(jī)分布的應(yīng)用對(duì)避免由在超聲波能分布中出現(xiàn)的陣列周期性造成的不想要的假象是理想的。出于實(shí)際應(yīng)用的原因，各元件擬隨機(jī)分布的選擇優(yōu)選要避免各元件之間的間距太近，間距太近會(huì)造成構(gòu)型上的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用這種擬隨機(jī)分布對(duì)隨機(jī)陣列具有的優(yōu)點(diǎn)產(chǎn)生的影響最小，尤其對(duì)于例如在已經(jīng)采用的各元件間最小間距在0.5和1mm之間的情況。
還已經(jīng)對(duì)128個(gè)各直徑為7mm的圓形元件20b的隨機(jī)分布陣列(圖2b)、以及64個(gè)各直徑為10mm的元件20c的隨機(jī)分布陣列(圖2c)作出了計(jì)算。在上述兩種情況下，頻率均為1.5MHz，各元件最小中心距分別為8和11mm。在圖2中示出的所有陣列具有大約50cm2的活性面積(active area)(換能器各元件的總面積)，因此，在理論上能夠提供大約相同的聲功率。
圖3a示出陣列34的示意圖，其由成六邊形的處于球殼31上的255個(gè)各直徑為5mm的元件30a構(gòu)成，其中各元件之間最小中心距為6.5mm。圖3b示出陣列35，其由成正方形的處于球殼32上的256個(gè)元件30b構(gòu)成，各元件直徑同圖3a中的元件，其中各元件之間中心距為6mm。在上述兩種情況下，所用的頻率為1.5MHz，活性面積約為50cm2。圖3c示出了陣列36，其由成正方形分布在殼體33上的1024個(gè)各直徑為3mm的元件30c構(gòu)成。在該情況下，中心距為4mm，活性面積約為72cm2，所用的頻率為1.5MHz。
選取四種示例性的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估對(duì)于各種陣列所計(jì)算出的歸一化強(qiáng)度分布“等級(jí)”。首先，當(dāng)強(qiáng)度I≥0.1Imax只在聚焦區(qū)域發(fā)生而在所研究的平面其余部分內(nèi)不存在時(shí)，認(rèn)為該強(qiáng)度分布是“A級(jí)”。換句話說(shuō)，在聚焦區(qū)域外，強(qiáng)度分布下降到峰值強(qiáng)度的10％或更小。
選擇以下標(biāo)準(zhǔn)作為較差性能的量度。在所考慮平面內(nèi)的確定的區(qū)域外，有少于10個(gè)確定區(qū)域中的強(qiáng)度在0.1≤I≤0.15Imax的范圍內(nèi)，則認(rèn)為該強(qiáng)度分布是“B級(jí)”。在所考慮平面內(nèi)的確定的區(qū)域外，有多于10個(gè)確定區(qū)域中的強(qiáng)度在0.1≤I≤0.15Imax的范圍內(nèi)，則認(rèn)為該強(qiáng)度分布是“C級(jí)”。最后，有至少一個(gè)確定的區(qū)域中的強(qiáng)度I≥0.2Imax，則認(rèn)為該較差的強(qiáng)度分布等級(jí)是“D級(jí)”。
為了治療可靠地進(jìn)行，據(jù)信格柵葉片內(nèi)的強(qiáng)度水平應(yīng)該比主葉片內(nèi)的強(qiáng)度水平至少小8-10dB。因此，對(duì)于臨床應(yīng)用來(lái)說(shuō)，認(rèn)為A級(jí)強(qiáng)度分布是優(yōu)選的。從病人安全的角度來(lái)看，D級(jí)的強(qiáng)度分布對(duì)于臨床應(yīng)用是不能接受的。臨床有用性和其它方面之間的界限對(duì)于分布特征為B級(jí)或C級(jí)并不明顯。
現(xiàn)在說(shuō)明用于上述設(shè)計(jì)參數(shù)的強(qiáng)度分布的示例。
圖4示出了對(duì)于圖2a中以1.5MHz頻率驅(qū)動(dòng)的隨機(jī)陣列的強(qiáng)度分布示例。圖4a對(duì)應(yīng)于“A”級(jí)等級(jí)強(qiáng)度分布，圖4b對(duì)應(yīng)于“B”級(jí)等級(jí)強(qiáng)度分布，圖4c對(duì)應(yīng)于“C”級(jí)等級(jí)強(qiáng)度分布，圖4d對(duì)應(yīng)于“D”級(jí)等級(jí)強(qiáng)度分布。在各種情況中，符號(hào)“×”表示殼體的曲率中心的位置。圖4a中焦點(diǎn)處于(0，-10，100mm)；圖4b中焦點(diǎn)處于(0，0，130mm)；圖4c中焦點(diǎn)處于(0，0，135mm)；圖4d中焦點(diǎn)處于(0，-20，80mm)。
各曲線示出了強(qiáng)度分布等級(jí)與所指向的焦點(diǎn)位置的相關(guān)性。在聚焦區(qū)域之內(nèi)繪出九條等值線(按10％Imax遞增的10-90％Imax，)。在平面聚焦區(qū)域外的其余部分內(nèi)的強(qiáng)度分布特征用按5％Imax遞增的10-20％Imax的等值線評(píng)估，在有些情況下，用按2％Imax遞增的10-20％Imax的等值線評(píng)估。
以1、1.5和2MHz頻率驅(qū)動(dòng)的陣列的強(qiáng)度分布的特征在圖5中示出。圖5a示出了以1MHz驅(qū)動(dòng)的256個(gè)直徑為5mm元件的強(qiáng)度分布；圖5b示出了以1.5MHz驅(qū)動(dòng)的256個(gè)直徑為5mm元件的強(qiáng)度分布；圖5c示出了以2MHz驅(qū)動(dòng)的256個(gè)直徑為5mm元件的強(qiáng)度分布。等級(jí)評(píng)定為“A”級(jí)(實(shí)心圓●)；“B”級(jí)(空心圓○)；“C”級(jí)(叉×)；“D”級(jí)(帶叉的圓)。
圖5及圖6和7示出了在正Y-向位移的數(shù)據(jù)。在具有足夠多元件數(shù)量的隨機(jī)陣列的情況下，對(duì)在負(fù)Y-向偏移的焦點(diǎn)所進(jìn)行的計(jì)算定性地產(chǎn)生了類似的結(jié)果。
圖6a說(shuō)明了在5mm直徑元件的隨機(jī)陣列中間距增大的結(jié)果，其中示出的強(qiáng)度分布特征是對(duì)應(yīng)于256個(gè)隨機(jī)分布元件的一半(即，128個(gè)元件陣列)被隨機(jī)關(guān)閉的情況。驅(qū)動(dòng)頻率為1.5MHz。
圖6b中示出了對(duì)以1.5MHz頻率驅(qū)動(dòng)的128個(gè)7mm直徑圓形元件陣列(圖2b所示)的隨機(jī)陣列的強(qiáng)度分布的評(píng)估。圖6c說(shuō)明了對(duì)圖2c所示的以1.5MHz頻率驅(qū)動(dòng)的64個(gè)10mm直徑的圓形元件的隨機(jī)陣列的強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)。附圖標(biāo)記和用于圖5的一樣。
圖7示出了對(duì)圖3a、3b、3c所示的各元件的規(guī)則空間分布陣列的強(qiáng)度分布的評(píng)估。因此，圖7a示出了在殼體上以六邊形分布的255個(gè)5mm直徑的元件陣列；圖7b示出了在殼體上以正方形分布的256個(gè)5mm直徑的元件陣列；而圖7c示出了在殼體上以正方形分布的1024個(gè)3mm直徑的元件陣列。在所有這些情況下，驅(qū)動(dòng)頻率均為1.5MHz。附圖標(biāo)記和用于圖5的一樣。
圖8示出了對(duì)在偏離軸110mm到10mm范圍內(nèi)聚焦的1024個(gè)元件陣列(圖3c)的強(qiáng)度分布。各元件之間中心距為4mm，驅(qū)動(dòng)頻率為1.5MHz。焦點(diǎn)處于(0，-10，110mm)。叉符號(hào)“×”對(duì)應(yīng)于殼體的曲率中心。
可以看到存在有較大的高格柵葉片，它對(duì)于由規(guī)則陣列所計(jì)算的強(qiáng)度分布是普遍的。對(duì)于在1MHz下驅(qū)動(dòng)的相同陣列定性地獲得類似的結(jié)果。然而，在軸向范圍z＞120mm的情況下，聚焦平面上的格柵葉片處于強(qiáng)度分布計(jì)算區(qū)域的橫向邊緣外側(cè)。
表1示出了當(dāng)焦點(diǎn)處于球殼的曲率中心(0，0，120mm)時(shí)對(duì)所考慮的每個(gè)陣列所計(jì)算的歸一化的最大強(qiáng)度。歸一化是相對(duì)于根據(jù)在1.5MHz下256個(gè)5mm直徑的元件以正方形隨機(jī)分布在殼體上所計(jì)算的最大強(qiáng)度的情況進(jìn)行的。
表1是若干隨機(jī)和規(guī)則陣列的計(jì)算區(qū)域內(nèi)的最大聲壓Pmax的相對(duì)值。所示出的結(jié)果表示在曲率中心(0，0，120mm)聚焦。
隨機(jī) 規(guī)則256個(gè)256個(gè)256個(gè)128個(gè)128個(gè)64個(gè)255個(gè) 256個(gè) 1024個(gè)元件 元件 元件 元件 元件 元件元件 元件 元件直徑 直徑 直徑 直徑 直徑 直徑直徑 直徑 直徑5mm 5mm 5mm 5mm 7mm 10mm5mm5mm3mm1MHz 1.5MHz 2MHz 1.5MHz 1.5MHz 1.5MHz 1.5MHz 1.5MHz 1.5MHz六邊形 正方形 正方形1.29 10.6850.5 1.04 1.1 0.97 0.98 1.75優(yōu)選地，一種“理想的”超聲波療法定相陣列系統(tǒng)應(yīng)該具有控制焦點(diǎn)沿著并偏離中心軸幾個(gè)厘米的能力，同時(shí)具有至少300-400W的聲功率，以便切除處于深度組織內(nèi)的有實(shí)際應(yīng)用可行尺寸(如，10cm3)的一部分組織。也期望保持傳送進(jìn)格柵葉片的能量和不想要的次級(jí)最大值(“熱點(diǎn)”)于可接受的低水平(如，比焦點(diǎn)處的低-10dB)。
這種陣列的實(shí)際實(shí)現(xiàn)涉及到若干不利因素。為了增大焦點(diǎn)在其上可以控制而且組織部分在其上可被治療的距離，需要減小各元件的尺寸以使它們方向性較弱。為了消除在規(guī)則陣列中的格柵葉片，各元件之間的中心距應(yīng)小于波長(zhǎng)的一半。另一方面，為了滿足所需的能量控制能力，陣列的最小活性區(qū)域應(yīng)該約50cm2或更大，對(duì)應(yīng)于元件的6-8W/cm2的強(qiáng)度。
強(qiáng)度分布的等級(jí)已經(jīng)通過(guò)考慮在含有焦點(diǎn)的平面內(nèi)及在110mm(長(zhǎng)度)×60mm(橫向)區(qū)域內(nèi)的數(shù)值來(lái)評(píng)估。由256個(gè)平面圓形元件構(gòu)成的陣列可以控制焦點(diǎn)偏離中心達(dá)到±20mm并沿中心軸至少50mm，并且仍得到良好等級(jí)評(píng)定(如上所定義的A級(jí))，并且偏離中心達(dá)到±22mm并沿中心軸至少55mm，則得到B級(jí)(見(jiàn)圖5a)，其中，該陣列中各元件直徑為5mm，以擬隨機(jī)方式分布并以在此描述的1MHz驅(qū)動(dòng)。
當(dāng)該陣列以1.5MHz驅(qū)動(dòng)時(shí)，與A級(jí)和B級(jí)相適應(yīng)的在其上焦點(diǎn)可被控制的距離分別偏離中心±10mm和±15mm，沿中心軸45和50mm(圖5b)。值得注意的是，在此用于評(píng)估強(qiáng)度分布的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)比簡(jiǎn)單利用聚焦平面格柵葉片中的最大強(qiáng)度和焦點(diǎn)處的最大強(qiáng)度之比更嚴(yán)格。
按強(qiáng)度分布等級(jí)評(píng)估的陣列性能既取決于焦點(diǎn)距曲率中心的距離又取決于衰減。在此處所示的示例中，衰減系數(shù)從1dB/cm(1MHz處)變化到2dB/cm(2MHz處)。圖5示出了當(dāng)焦點(diǎn)被控制超出殼體的曲率中心時(shí)，強(qiáng)度分布的等級(jí)急劇減小。也可以看出，具有A級(jí)等級(jí)的偏離中心的焦點(diǎn)的最大控制是在靠近曲率中心約1-2cm范圍內(nèi)(圖5)。
被治療的體積從1MHz頻率下的45cm3到1.5MHz頻率下的12.5cm3變化(圖5a、5b)。對(duì)于2MHz，該“有用的”體積相應(yīng)地減小到11cm3(圖5c)。與這個(gè)陣列相關(guān)的區(qū)域內(nèi)的最大聲壓Pmax隨著頻率增加而減小，說(shuō)明了衰減的影響(表1)。
在示例中，對(duì)于由256個(gè)各直徑為5毫米的元件構(gòu)成的陣列來(lái)說(shuō)，各元件總面積(活性面積)與殼體面積的比值約為51％。陣列性能的顯著退化發(fā)生在陣列的間距增加了兩倍的時(shí)候，即，128個(gè)元件的陣列(圖6a)。在該情況下，不僅有用的治療體變得更小，而且還有朝向陣列的轉(zhuǎn)換，這是由于焦點(diǎn)能夠處于的與A級(jí)強(qiáng)度分布等級(jí)相容的最大范圍是105mm。此外，與該陣列有關(guān)的Pmax值與由256個(gè)元件構(gòu)成的隨機(jī)陣列的Pmax相比，約減少二分之一(表1)。
將隨機(jī)分布的元件數(shù)量從256個(gè)減少到128個(gè)再減少到64個(gè)，而同時(shí)增大各元件的直徑(分別從5mm到7mm再到10mm)，以保持恒定活性面積，也會(huì)導(dǎo)致陣列性能的逐步惡化(圖6b和6c)。如表1中所見(jiàn)，Pmax的值大約與具有恒定活性面積的這些陣列相同。
強(qiáng)度分布各等級(jí)在如下情況中的差別不大128個(gè)各直徑為5mm的元件的陣列、以及128個(gè)各直徑為7mm的元件的陣列、以及那些在相同頻率下具有較強(qiáng)方向性的陣列(圖6a和6b)。然而，這兩個(gè)陣列間距上的二倍差異反映在所獲得的Pmax值上。
在1.5MHz下驅(qū)動(dòng)的由255個(gè)直徑為5mm的元件以六邊形或正方形分布構(gòu)成的陣列和由256個(gè)直徑為5mm的元件以六邊形或正方形分布構(gòu)成的陣列(圖7a和7b)的性能顯著次于在1.5MHz下256個(gè)直徑為5mm元件的隨機(jī)分布陣列(圖5b)。在規(guī)則陣列的情況下，可能只控制焦點(diǎn)沿中心軸30-35mm，并與B級(jí)強(qiáng)度分布相適應(yīng)，而即使偏離中心軸很小的約3-5mm的位移也會(huì)導(dǎo)致等級(jí)上的顯著惡化。如此所評(píng)估的，在六邊形和正方形排列的陣列之間的性能幾乎不存在差異(圖7a和7b)。
與現(xiàn)有技術(shù)中描述的稀疏隨機(jī)陣列(sparse random arrays)相比，所公開(kāi)的陣列的性能具有很大改善。例如，現(xiàn)有技術(shù)示例中已經(jīng)示出了在殼體的幾何中心聚焦、在0.13Imax的聚焦平面內(nèi)的格柵葉片中產(chǎn)生強(qiáng)度的理論陣列。當(dāng)該陣列聚焦在偏離其中心軸5mm處，則該水平增大到0.6Imax。在試驗(yàn)測(cè)量中，這些水平可以分別高至0.38Imax和0.9Imax。對(duì)于在殼體上隨機(jī)定位的元件，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)示出了在無(wú)控制的0.04Imax的聚焦平面內(nèi)及在控制±5mm的0.16Imax的聚焦平面內(nèi)格柵葉片中的強(qiáng)度的理論期望水平。
由1024個(gè)各直徑為3mm的元件構(gòu)成并且以正方形分布的陣列(圖3c)在元件數(shù)量和直徑方面與Wan等人所述的陣列一樣。這個(gè)在1.5MHz下驅(qū)動(dòng)的規(guī)則陣列性能(圖7c)比圖5b中的256個(gè)直徑為5mm的元件的隨機(jī)陣列性能差，但與圖6b中的128個(gè)直徑為7mm的元件的隨機(jī)陣列性能類似，圖6中的陣列表示在元件數(shù)量上有可能減少8倍。
隨機(jī)分布元件的陣列強(qiáng)度分布的特征與規(guī)則分布元件的陣列強(qiáng)度分布的特征存在顯著的不同，在于，前者的分布中沒(méi)有格柵葉片，而且在聚焦區(qū)域外只有次級(jí)強(qiáng)度最大值(圖4)。在規(guī)則陣列的情況下，可以看到對(duì)應(yīng)于聚焦平面內(nèi)格柵葉片的較高強(qiáng)度，而對(duì)于焦點(diǎn)偏離中心軸小位移的情況，一般不存在次級(jí)強(qiáng)度最大值(圖8)。
從而，與采用規(guī)則的六邊形或正方形排列的情況相比，元件在球殼上的隨機(jī)分布導(dǎo)致陣列性能的明顯改善。作為示例，如下隨機(jī)陣列具有用于溫?zé)岑煼ǖ妮^好性能，即在1-2MHz下驅(qū)動(dòng)、并設(shè)置在曲率半徑120mm的球殼上、使各元件最大中心距為100mm的由256個(gè)直徑為5mm元件構(gòu)成的隨機(jī)陣列。
這種隨機(jī)陣列也具有與規(guī)則陣列類似的性能，而在所用的元件數(shù)量上能夠多倍減少(在給出的實(shí)施例中可以達(dá)到8倍)。同樣，帶有這些參數(shù)明確組合的隨機(jī)陣列的應(yīng)用與規(guī)則陣列相比，具有相同元件數(shù)量的性能等級(jí)顯著改善。
總之，在超聲波換能器陣列10性能上的顯著改善是通過(guò)提供陣列元件20的隨機(jī)或擬隨機(jī)分布、并通過(guò)利用如下的元件疏密程度或分散程度而獲得的，在所述的疏密程度或分散程度中，超聲波元件的總輻射面積占由元件所占據(jù)的基片表面的總陣列面積28的40至70％。
優(yōu)選的是，基片包括彎曲殼體21，其中元件20從殼體的凹面輻射超聲波。同樣優(yōu)選的是，殼體表面的曲率半徑在70到200mm的范圍內(nèi)?？傟嚵忻娣e28的直徑優(yōu)選等于或大于0.7×R，其中R是殼體的曲率半徑。元件的數(shù)量由換能器的面積、元件的分散程度以及面積確定。
可以使用平展基片，而不用彎曲殼體，雖然在彎曲殼體情況下，聚焦體積一般將變得較大而控制性一般會(huì)減弱。
用在該陣列中的元件20的數(shù)量根據(jù)總陣列面積28、元件20的稀疏程度以及所選定的每一個(gè)元件尺寸來(lái)確定。
優(yōu)選的是，該陣列還通過(guò)確保超聲波頻率f以及元件20的直徑d限制成d＝A×c/f來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化，其中，A在范圍0.5到5之內(nèi)，而c是在要被輻射的媒介中的音速。在使用非圓形元件時(shí)，術(shù)語(yǔ)“直徑”d被用于表示元件的近似平均直徑，而在一個(gè)陣列中使用不同元件類型或尺寸時(shí)，意味著在所有元件上取平均的元件平均直徑。
在優(yōu)選實(shí)施例中，換能器元件20的數(shù)量在64和1024的范圍內(nèi)，而平均元件直徑在3到10mm范圍內(nèi)。
從而可以獲得“A”級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的聚焦區(qū)域，并且在其上焦點(diǎn)可電控制的距離范圍在縱向上為50-60mm，而在垂直于殼體中心軸的橫向上可達(dá)到±20mm(在1MHz處)，或達(dá)到±10mm(在2MHz處)。
在如上所述的超聲波換能器陣列24-26中的各元件20基于公知的原理連接到電子驅(qū)動(dòng)電路上，該驅(qū)動(dòng)電路可以控制超聲波能的振幅、能量和相位。聚焦區(qū)域的形狀和定位由各元件的相位和振幅的整體組合來(lái)確定。在所述的優(yōu)選實(shí)施例中，使用了對(duì)于各元件的八位相位方案，即，在360°范圍上各元件在相位上可編址為28分之一的精度，盡管對(duì)于優(yōu)良結(jié)構(gòu)的陣列，可以使用低至四位的相位方案，但是仍可以獲得可控制的“A”級(jí)分布。
權(quán)利要求
1.一種分布在基片表面上的超聲波換能器元件的陣列，用于將超聲波能聚焦到預(yù)定的聚焦體積上，所述元件以擬隨機(jī)分布方法分布在基片表面上，元件的總輻射面積占總陣列面積的40％至70％。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器陣列，其特征在于，還包括用于以預(yù)定的工作頻率驅(qū)動(dòng)所述換能器元件的裝置，其中工作頻率與各元件的平均直徑的關(guān)系見(jiàn)下式d＝A×c/f，其中，d—各元件的平均直徑；c—要用超聲波能輻射的媒介中的音速，處于1400到1600ms-1范圍內(nèi)；f—超聲波能的頻率；A—在約0.5到5范圍內(nèi)的值。
3.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器陣列，其特征在于，所述頻率f在0.5至3MHz范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求3所述的超聲波換能器陣列，其特征在于，所述頻率f在0.5至2MHz范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的超聲波換能器陣列，其特征在于，所述頻率f在1至2MHz范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器陣列，其特征在于，所述基片表面為彎曲的殼體。
7.如權(quán)利要求6所述的超聲波換能器陣列，其特征在于，所述換能器表面適用于自殼體的凹面輻射。
8.如權(quán)利要求7所述的超聲波換能器陣列，其特征在于，所述陣列具有大于或等于0.7R的平均直徑D，其中R是殼體的曲率半徑。
9.如權(quán)利要求6所述的超聲波換能器陣列，其特征在于，所述R的值在70到200mm范圍之間。
10.如權(quán)利要求7所述的超聲波換能器陣列，其特征在于，所述R的值約為120mm。
11.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器陣列，其特征在于，所述陣列中換能器元件之間的最小間距為0.5mm。
12.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器陣列，其特征在于，所述換能器元件各具有3至10mm的平均直徑。
13.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器陣列，其特征在于，所述元件的數(shù)量在64至1024個(gè)的范圍內(nèi)。
14.如權(quán)利要求1所述的超聲波換能器陣列，其特征在于，所述陣列為定相陣列。
15.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的超聲波換能器陣列，其特征在于，還包括用于控制陣列各元件的超聲波輸出的相位和振幅的驅(qū)動(dòng)裝置。
16.如權(quán)利要求15所述的超聲波換能器陣列，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)裝置適于以28的解析度解析陣列各元件之間的相位差。
17.如權(quán)利要求15所述的超聲波換能器陣列，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)裝置適于以24至27的解析度解析陣列各元件之間的相位差。
18.一種利用超聲波換能器元件的定相陣列在人體內(nèi)針對(duì)組織進(jìn)行局部超聲波加熱的方法，所述換能器元件分布在基片表面上以將超聲波能聚焦在預(yù)定的聚焦體積上，所述方法包括以下步驟以擬隨機(jī)分布方法在基片表面上分布所述元件，且元件的總輻射面積約占總陣列面積的40％至70％；根據(jù)下式，確定超聲波各元件的工作頻率以及各元件的平均直徑d＝A×c/f，其中，d—各元件的平均直徑；c—在要用超聲波能輻射的媒介中的音速，處于1400到1600ms-1范圍內(nèi)；f—超聲波能的頻率；A—在約0.5到.5范圍內(nèi)的值。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述頻率f在0.5至3MHz范圍內(nèi)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述頻率f在0.5至2MHz范圍內(nèi)。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述頻率f在1至2MHz范圍內(nèi)。
全文摘要
一種適于醫(yī)療使用、諸如組織切除和短期高強(qiáng)度發(fā)熱的超聲波換能器陣列(24、25、26)具有多個(gè)分布在基片表面(21、22、23)上的超聲波換能器元件(20a、20b、20c),用于將超聲波能聚焦到預(yù)定的聚焦體積上。最優(yōu)選的結(jié)果在所述元件(20a、20b、20c)以擬隨機(jī)分布方法分布在基片表面上的情況中得到,其中各元件的總輻射面積占總陣列面積的40%至70%,而超聲波元件的工作頻率與各元件的平均直徑關(guān)系如下式:d=A×c/f,其中d是各元件的平均直徑,c是在要用超聲波能輻射的媒介中的音速,在1400到1600ms
文檔編號(hào)B06B3/04GK1340184SQ0080383
公開(kāi)日2002年3月13日 申請(qǐng)日期2000年2月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月19日
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