空化活动的绘制和表征的制作方法

xiaoxiao2020-6-23  269

专利名称:空化活动的绘制和表征的制作方法
技术领域
本发明涉及对充当以任何频率或频率集合来辐射压力/密度振荡 (perturbation)的声源的气泡的定位、绘制和表征。本发明在治疗性超声治疗的监视中得到特别应用,但是本发明也可以使用于例如超声诊断系统和光声成像中。
背景技术
对于癌症治疗使用高强度聚焦超声(HIFU)相较于其他历史更久的治疗手法来说具有几个主要优点它便宜、无创伤并且具有最小的副作用。然而,缺乏可靠的实时监视系统阻碍了 HIFU的广泛接受。在某个压力阈值之上,通过组织传播的高幅声波可以自发成核(nucleate)并激励小的、微米尺寸的气泡,即已知为声空化(acoustic cavitation)的现象。空化气泡在与HIFU激励频率不同的频率范围上重新发射部分入射超声,这由于两个原因而有用。首先,具有比原始HIFU源更高的频率内容的发射将更容易被周围组织所吸收,这意味着空化可以大大改进热沉积(Coussios CC, Farny CH, Haar GT, Roy RA. "Role of acoustic cavitation in the delivery and monitoring of cancer treatment by high-intensity focused ultrasound(HIFU),,,International Journal of Hyperthermia vol. 23, pp 105-120,2007)。其次,与该改进的加热相关联的宽带声发射可以充当治疗的指示符。先前已以两种方式之一来监视HIFU照射期间的空化。一个选择是使用高频宽带探头(transducer)来充当无源空化检测器(P⑶),所述无源空化检测器(P⑶)记录来自 ^itHM^iPRM (C. H. Farny, R.G.Holt, R. A. Roy, "Monitoring the development of HIFU-induced cavitation activity,”AIP Conf. Proc.,vol. 829,pp. 348-352,2006)。然而,PCD具有固定的焦点,从而仅提供关于固定区域的信息。应当注意,当前在临床实践中还未采用空化监视系统。可替换地,B超图像中的强回声(hyperechogenic)区域可以使得能够使用飞行时间信息来检测和定位气泡活动(bubble activity) (S. Vaezy, et al., “Real-time visualization of high-intensity focused ultrasound treatment using ultrasound imaging”,Ultrasound Med. Biol.,vol. 27,pp. 33—42,2001)。然而,只有在关断HIFU时才能拍摄B超图像,以避免来自治疗性超声信号的干扰,并因而,该B超图像将使得仅能够检测在HIFU激励已经停止之后存在的空腔(cavity)。因此,B超监视不如 PCD监视灵敏,并且之前已被示出为在检测作为过度治疗的指示的沸腾气泡、而不是在检测作为改进热沉积的指示的惯性空化气泡(B. A. Rabkin,V. Zderic,S. Vaezy, "Hyperecho in ultrasound images of HIFU therapy involvement of cavitation,,,Ultrasound Med. Biol.,vol. 31,pp.947-956,2005)。

发明内容
本发明提供了用于定位对象中的气泡的设备。该设备可以包括被布置为作为无源检测器而操作的多个压力波检测器,所述压力波检测器可以是声音检测器。所述检测器可以被布置为响应于在源处产生的、可以处于声音的形式中的压力波的接收来产生输出信号。所述源可以包括至少一个气泡。该设备还可以包括处理部件,被布置为从所述检测器接收信号并根据所述信号来确定所述源的位置。可以横跨包括药物投放系统的治疗性、诊断和其他超声应用的广泛领域来使用本发明。这些应用中的一些应用是高强度聚焦超声(HIFU)。在其他应用中,例如在药物投放的环境下,使用具有处于用于诊断超声和HIFU的幅度之间的幅度的压力波。本发明事实上可以利用处于包括可听声音和次声(infra-sound)的超声范围之外的声音频率的压力波来使用。例如,在治疗性超声治疗期间产生的沸腾气泡可以产生可听声音,这可以被检测到并用于定位和绘制空化。该设备还可以包括被布置为产生处于产生器频率的超声的超声产生器。所述检测器可以被布置为检测处于与所述产生器频率不同的至少一个检测频率的超声。所述至少一个检测频率可以包括检测频率的范围,所述产生器频率在该范围之外。例如,所述检测器可以检测到的频率的范围可以由被布置为对所述检测器信号进行滤波的一个或多个滤波器来确定。可替换地或额外地,该范围可以由检测器自身的特性来确定。所述检测器可以被布置为当所述产生器激活时检测超声。所述处理部件可以被布置为确定所述源的位置,该位置是当所述产生器激活时所述源的位置。所述产生器可以是治疗性超声产生器。该设备可以包括被布置为产生处于与所述产生器频率不同的诊断频率的超声的诊断超声产生器。该设备可以包括被布置为检测处于诊断频率的超声的有源超声检测器。所述诊断产生器可以是也充当有源超声检测器的探头,或者其可以是单独的产生器。所述处理部件可以被布置为从所述有源超声检测器接收信号。所述无源超声检测器中的至少一个无源超声检测器可以被布置为可替换地作为有源超声检测器而操作。所述无源超声检测器可以包括检测器的阵列,其中每一个检测器可以可替换地作为有源超声检测器而操作。这允许该设备在例如有源模式和无源模式的不同模式之间进行切换,并使用来自两个模式的数据来定位或表征空化。如下面将更加详细描述的,因为确定检测器是充当有源还是无源检测器的内容至少部分是对来自传感器的信号执行的处理的类型,所以这种操作是可能的。因此,所述处理部件可以被布置为对所述检测器信号执行两个或更多不同的处理算法或方法,这允许所述处理部件并因此允许所述检测器在需要时以有源或无源模式来操作。所述源可以包括单个气泡。所述处理部件可以被布置为确定所述气泡的位置。所述处理部件可以被布置为根据在所述检测器处超声信号的到达时间来确定所述气泡的位置。所述源可以包括多个气泡,并且所述处理部件可以被布置为所述处理信号以产生所述源的图。例如,可以通过使用以下形式的关系、根据检测器信号确定多个位置中的每一个位置处的强度来产生所述图
权利要求
1.一种用于定位对象中的气泡的设备,该设备包括被布置为作为无源检测器而操作的多个压力波检测器,以响应于接收到在包含至少一个气泡的源处产生的压力波而产生输出信号;以及处理部件,被布置为从所述检测器接收信号并根据所述信号来确定所述源的位置。
2.根据权利要求1所述的设备,还包括被布置为产生处于产生器频率的压力波的压力波产生器,其中,所述检测器被布置为检测处于与所述产生器频率不同的至少一个检测频率的压力波。
3.根据权利要求2所述的设备,其中,所述至少一个检测频率包括检测频率的范围,所述产生器频率在该范围之外。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的设备,其中,所述检测器被布置为当所述产生器激活时检测压力波,且所述处理部件被布置为确定所述源的位置,该位置是当所述产生器激活时所述源的位置。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的设备,其中,所述产生器是治疗性声音产生器,并且所述设备包括被布置为产生处于与所述产生器频率不同的诊断频率的压力波的诊断压力波产生器。
6.根据权利要求5所述的设备,包括被布置为检测处于诊断频率的压力波的有源压力波检测器。
7.根据权利要求6所述的设备,其中,所述诊断产生器是也充当有源压力波检测器的探头。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的设备,其中,所述处理部件被布置为从所述有源压力波检测器接收信号。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的设备,其中,所述无源压力波检测器中的至少一个无源压力波检测器被布置为替换地作为有源压力波检测器而操作。
10.根据权利要求9所述的设备,其中,所述无源压力波检测器包括检测器的阵列,其中每一个检测器能够替换地作为有源压力波检测器而操作。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的设备,其中,所述源包括单个气泡,并且所述处理部件被布置为确定所述气泡的位置。
12.根据权利要求11所述的设备,其中,所述处理部件被布置为根据在所述检测器处压力波信号的到达时间来确定所述气泡的位置。
13.根据权利要求1至10中的任一项所述的设备,其中,所述源包括多个气泡,并且所述处理部件被布置为处理所述信号以产生所述源的图。
14.根据权利要求13所述的设备,其中,所述处理部件被布置为通过使用以下形式的关系、根据检测器信号确定多个位置中的每一个位置处的强度来产生所述图其中,τ表示用于积分多个信号Hi (t)的哑积分变量,所述多个信号Hi (t)表示由每一个压力波检测器从一个或多个源接收的反向传播信号,并且T表示任意积分时间间隔。
15.根据权利要求2所述的设备,其中,所述处理部件被布置为开启所述压力波产生器并测量所述检测器检测到压力波的时间,从而确定所述源的位置。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的设备,其中,所述处理部件被布置为分析所述信号的至少两个不同频率分量,以确定所述源的特征。
17.根据权利要求16所述的设备,其中,所述频率分量中的一个频率分量是宽带分量。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的设备,其中,所述频率分量中的一个频率分量包括产生器频率的至少一个谐波。
19.根据权利要求2所述的设备,其中,所述处理部件被布置为滤除处于产生器频率的谐波处的检测器信号的分量从而产生滤波信号,并且根据所述滤波信号来确定所述源的位置。
20.一种用于定位对象中的气泡的方法,该方法包括在多个无源压力波检测器的每一个处接收在包含至少一个气泡的源处产生的压力波;响应于接收到所述压力波而从每一个检测器产生输出信号;以及处理所述信号以确定所述源的位置。
21.根据权利要求20所述的方法,还包括产生处于产生器频率的压力波,其中,检测处于与所述产生器频率不同的至少一个检测频率的压力波。
22.根据权利要求21所述的方法,其中,所述至少一个检测频率包括检测频率的范围, 所述产生器频率在该范围之外。
23.根据权利要求21或权利要求22所述的方法,其中,当所述产生器激活时检测压力波,且所确定的所述源的位置是当所述产生器激活时所述源的位置。
24.根据权利要求21至23中的任一项所述的方法,其中,所述产生器是治疗性压力波产生器,并且所述方法包括产生处于与所述产生器频率不同的诊断频率的振动。
25.根据权利要求M所述的方法,包括检测处于诊断频率的压力波。
26.根据权利要求M所述的方法,其中,由一个探头来产生和检测处于诊断频率的压力波。
27.根据权利要求所述的方法,其中,在有源模式和无源模式之间切换所述探头。
28.根据权利要求20至27中的任一项所述的方法,其中,所述源包括单个气泡。
29.根据权利要求观所述的方法,其中,根据在所述检测器处检测到压力波的时间来确定所述气泡的位置。
30.根据权利要求20至27中的任一项所述的方法,其中,所述源包括多个气泡,并且所述方法包括处理信号以产生所述源的图。
31.根据权利要求30所述的方法,其中,通过使用以下形式的关系、根据检测器信号确定多个位置中的每一个位置处的强度来产生所述图
32.根据权利要求21所述的方法,包括开启所述压力波产生器并测量所述检测器检测到压力波的时间;以及根据所述时间来确定所述源的位置。
33.根据权利要求20至32中的任一项所述的方法,包括分析所述信号的至少两个不同频率分量,以确定所述源的特征。
34.根据权利要求33所述的方法,其中,所述频率分量中的一个频率分量是宽带分量。
35.根据权利要求33或权利要求34所述的方法,其中,所述频率分量中的一个频率分量包括产生器频率的至少一个谐波。
36.根据权利要求20至35中的任一项所述的方法,包括滤除处于产生器频率的谐波处的检测器信号的分量从而产生滤波信号;并且根据所述滤波信号来确定所述源的位置。
37.一种用于定位包括至少一个气泡的压力波源的设备,该设备包括超声探头和无源压力波检测器;以及控制部件,所述控制部件被布置为开启所述压力波探头并测量所述无源检测器检测到声音的时间,从而确定所述源的位置。
38.一种定位包括至少一个气泡的压力波源的方法,该方法包括激活压力波探头;利用检测器来检测处于与探头的频率不同的频率的压力波;以及测量检测到所述压力波的时间,并据此来确定所述源的位置。
全文摘要
一种用于定位对象中的气泡的设备包括被布置为作为无源检测器而操作的多个压力波检测器,以响应于接收到在包含至少一个气泡的源处产生的压力波而产生输出信号;以及处理部件,被布置为从所述检测器接收信号并根据所述信号来确定所述源的位置。
文档编号A61N7/02GK102281918SQ200980153786
公开日2011年12月14日 申请日期2009年11月4日 优先权日2008年11月5日
发明者康斯坦丁.C.库西奥斯, 玛尼施.阿罗拉, 米克洛斯.吉昂吉, 罗纳德.A.罗伊 申请人:艾西斯创新有限公司

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