[发明专利]用于控制穿过非均匀组织传播的超声能量并冷却该非均匀组织的系统和方法

说明书

相关申请

本申请要求2009年1月13日提交的申请序列号为12/352,932的共同待决的美国临时专利申请的优先权和权益，其全部公开内容通过引用被合并至此。

技术领域

本发明的领域总的涉及热能处理系统，尤其涉及用于控制穿过非均匀组织(诸如颅骨)传播的声能的强度以及冷却该非均匀组织的系统和方法。

背景技术

高强度聚焦声波(诸如频率大于20千赫的超声或声波)可被用于治疗患者体内的组织区域。例如，超声波可用于涉及肿瘤消融的应用中，由此无须引入介入性手术、靶向给药、控制血脑障壁、凝块溶解以及其他外科方法。

聚焦超声系统一般包括压电换能器，该压电换能器由电信号驱动以产生超声能量。在这样的系统中，换能器能够在几何上这样成形和定位：由换能器阵列发出的超声能量共同地在对应于目标组织区域的“焦点区域”形成聚焦束。此处使用的术语“束”、“能量束”或“声能束”一般指由聚焦超声系统的各个发射元件发出的波的总和。

当使用聚焦超声“能量束”来热处理身体的特定区域(例如消融肿瘤)时，该能量束必须精确地聚焦到目标位置，以避免损伤目标区域周围的健康组织。为此，换能器被连续地聚焦并激励在多个互相接近的焦点区域。例如，可使用一系列“超声波破碎(sonication)”以导致所需尺寸和形状的组织结构坏死。

图1和图2示出了一种已知的可被用于这些目的的超声系统100。所示出的系统100包括：成像器110，用于确定患者160的颅骨162的特征；n个换能器元件122的相控阵列120，其形式可以为球形帽(如图2所示)；控制器140，可操作地耦合到成像器110；信号调节器130，可操作地耦合到控制器140；以及频率发生器或能量源150，诸如射频(RF)发生器，可操作地耦合到信号调节器130。

换能器元件122为压电换能器元件，例如压电陶瓷片。信号调节器130包括相位调节元件132_{1_n}(总的为132)和相关联的放大器134_{1_n}(总的为134)。频率发生器150将RF信号作为输入提供给信号调节器130。RF发生器150和信号调节器130被构成为在相同的频率下驱动换能器阵列120的各个换能器元件122，但是相位不同。使用这样的控制来将超声能量穿过患者的颅骨162传送并将能量聚焦到大脑164内部的选定目标区域。优选地，在换能器阵列120的内表面和患者颅骨162的外部之间引入可传导声波的液体或凝胶体202，以阻止任何可能降低所施加能量的效率的声学反射空气隙。

在所示的系统100中，基于RF发生器150的输出的n个输入信号被提供给信号调节器130。n对放大器132₁-132_n和相关的移相器134₁-134_n被耦合以接收n个输入信号中的每一个信号。每个放大器132-移相器134对代表调节器130的一个信号通道。移相器134被构成为通过由各自的移相系数134对来自RF发生器的传入信号改变或调节而向放大器132提供n个独立的输出信号。放大器132的输出驱动换能器元件122，且由换能器元件122发出的总的能量124形成聚焦的超声能量束，该能量束穿过颅骨162且聚焦到达到164内部的目标区域210。在序列号为6,612,988和6,666,833的美国专利中描述了已知系统100和球形帽换能器的其他方面，通过引用将上述专利的内容合并于此，如同对全文进行描述一样。

尽管图1和图2中所示的聚焦超声系统和球形帽换能器已经在过去被有效的使用，但是其能够被改进，尤其是在涉及非均匀组织(例如颅骨)的处理过程中的改进。大致如图3所示，典型的人类颅骨162包括多层组织层，该多层组织层包括外层301、骨髓层302以及内层或皮质层303，该皮质层的形状高度不规则。当皮质层303暴露于超声能量时，皮质层303的不规则可导致颅骨162的特定部分会受到过度加热的影响。另外，试图将能量聚焦到焦点区域210会导致颅骨162的特定部分被过度加热，从而损伤邻近的健康组织。因此，“非均匀”意味着不同的组织类型、形状和/或构造，从而对超声能量的反应不同。

已知的超声治疗系统可操作为将超声束聚焦到所需焦点区域210，其目的为精确地消融目标组织。尽管这能够避免目标区域212周围的组织的消融，但是颅骨162会再次吸收大部分能量并变得过热，从而导致邻近组织的损伤。换句话说，只不过是一种类型的伤害换成了另外一种。

发明内容