專利名稱：一種用于優(yōu)化經(jīng)過(guò)引入像差的元件的波的聚焦的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
概括地說(shuō)，本發(fā)明涉及波在介質(zhì)內(nèi)的聚焦的領(lǐng)域。具體地說(shuō)，本發(fā)明 涉及需要聚焦通過(guò)高度非均勻介質(zhì)的波的成像過(guò)程。
背景技術(shù)：
這類成像的應(yīng)用很多且各式各樣。具體地說(shuō)，它們包括水下聲學(xué)、電 信學(xué)、地球物理學(xué)、材料的無(wú)損試驗(yàn)、醫(yī)學(xué)等等。例如，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中， 特別在聚焦超聲波的情形中，聚焦的波用于成像和治療。
在這些應(yīng)用的每一個(gè)中都存在由非均勻介質(zhì)引入像差的問(wèn)題。
事實(shí)上，只要波傳播高強(qiáng)度，或者只要波僅經(jīng)過(guò)確定區(qū)是很重要的， 則像差就是非常不利的，甚至由于不可能實(shí)現(xiàn)精確的聚焦而在特定應(yīng)用中 拒絕使用聚焦波。例如，在治療領(lǐng)域中，為了不加寬聚焦波的作用區(qū)，特 定的應(yīng)用實(shí)際上需要非常精確的聚焦。
目前，能夠達(dá)到在該應(yīng)用中需要的精度，但是要以高的執(zhí)行復(fù)雜度為 代價(jià)，并且在治療的情形下以創(chuàng)傷治療為代價(jià)。
事實(shí)上，在腦治療的范疇中，為了能精確聚焦高強(qiáng)度超聲波，在文件
FR 2843874中所述的第一種解決方案是利用患者大腦的成像結(jié)果，該成像 結(jié)果通過(guò)在治療之前執(zhí)行斷層掃描(計(jì)算機(jī)斷層掃描或CT掃描)而獲得的。 然后，使用顱骨結(jié)構(gòu)的三維信息仿真像差，并在治療期間修正發(fā)出的信號(hào)。 這些數(shù)字仿真一般需要較長(zhǎng)時(shí)間，這與實(shí)時(shí)工作形成矛盾。
然后，必須在磁共振成像應(yīng)用中對(duì)患者進(jìn)行重新歸位(reposition),從 而允許實(shí)時(shí)治療的監(jiān)控， 一般通過(guò)升高溫度成像。
然后，必須關(guān)于參考基礎(chǔ)對(duì)患者進(jìn)行重新歸位，該參考基礎(chǔ)與在CT掃 描期間使用的相同，以便使結(jié)構(gòu)能夠相同地定位。這包含通常比較復(fù)雜的 重新歸位過(guò)程。特別地，會(huì)使用擰緊到患者頭部的立體定向結(jié)構(gòu)。
第二種解決方案是基于波的暫時(shí)返回(temporal return)。它包括將發(fā)射超聲波的微型超聲探針植入活組織檢査期間使用的外科工具上。在去除組 織期間，探針在腫瘤附近發(fā)射超聲波，在探針從顱骨退出時(shí)，這些超聲波 由超聲換能器的網(wǎng)絡(luò)捕獲并記錄。
如果活組織檢査表示需要治療，則記錄的信號(hào)臨時(shí)返回。在它們重發(fā) 射期間，返回的信號(hào)自動(dòng)聚焦在其中執(zhí)行活組織檢査的區(qū)中，即在腫瘤區(qū) 上。然而，這必須關(guān)于換能器的網(wǎng)絡(luò)對(duì)患者精確重新歸位，并且這又是非 常難的操作。
然后，在實(shí)際上，為了執(zhí)行治療，該波束在初始聚焦點(diǎn)附近逐點(diǎn)電子 移動(dòng)以治療整個(gè)瘤。
最后的解決方案是創(chuàng)傷性的，因此，該方案具有創(chuàng)傷性方案固有的所 有缺點(diǎn)。
因此，目前只要引入像差的元件位于波的路徑中，則在醫(yī)學(xué)范疇中使 用聚焦波，特別是使用聚焦的高強(qiáng)度超聲波就是無(wú)利的。然而，超聲波具 有一些主要的優(yōu)點(diǎn)，其中一種能力就是復(fù)發(fā)或再現(xiàn)情況下任何時(shí)間都能起 作用，另一種能力就是對(duì)孩子起作用，對(duì)孩子來(lái)說(shuō)治療選擇比成人更受限。
還應(yīng)該注意的是，使用高強(qiáng)度超聲波是免受輻射的操作，且僅受局部 升溫的影響。
因此，使超聲波的使用領(lǐng)域擴(kuò)充(更通常的是使無(wú)輻射波的使用領(lǐng)域 擴(kuò)充)的所有方法都備受關(guān)注。特別地，消除像差影響的那些方法在上述 方法中引人注目。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的是即使存在像差元件也能實(shí)現(xiàn)波的精確聚焦， 同時(shí)還能避免現(xiàn)有的兩種解決方案體現(xiàn)出的缺點(diǎn)，即兩個(gè)成像過(guò)程之間具 有誤差風(fēng)險(xiǎn)的重新復(fù)位的復(fù)雜性，以及在活組織檢查引導(dǎo)的情形下，過(guò)程 的創(chuàng)傷性特征。
為此，本發(fā)明提出了 一種用于優(yōu)化波在介質(zhì)的關(guān)注區(qū)內(nèi)的聚焦的方法，
其中該波由具有N個(gè)源的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)引起初始不定相移^ (1Sn^N)的引入 像差的元件發(fā)射到介質(zhì)，該方法使用所發(fā)射波的M-l個(gè)連續(xù)修正，每次修 正引起微擾，測(cè)量M個(gè)微擾，這些測(cè)量用于推導(dǎo)最優(yōu)聚焦特性，該方法包括以下步驟
a )經(jīng)由具有N個(gè)源的網(wǎng)絡(luò)發(fā)射波^ (其中j表示復(fù)數(shù)，其中j^-l)， 該波4，,"表現(xiàn)出空間相分布A和振幅分布4 (1Sn^N)，并傳播到介質(zhì)中 的關(guān)注區(qū)；
b) 由網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)源同時(shí)發(fā)射的波的空間相位分布""和/或振幅分布4 (lSn^N)的M-1 (M>1)修正，每次修正對(duì)應(yīng)于在網(wǎng)絡(luò)中這多個(gè)源的相位
和/或振幅的同時(shí)修正，且每次修正造成步驟a)的發(fā)射；
c) 在所述相位a"和/或振幅分布A的每次修正m (lSn^M)時(shí)，測(cè)量 在所述關(guān)注區(qū)[6]中由所述波引起的至少一個(gè)微擾乙(lSmSM);
d) 從微擾測(cè)量^中推導(dǎo)出使關(guān)注區(qū)中引起的微擾最大化的最優(yōu)發(fā)射相
位分布《 和/或振幅分布4 。
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該方法計(jì)劃利用由聚焦波在理論聚焦區(qū)中引起的至少一個(gè)微擾的測(cè)量 來(lái)調(diào)整聚焦，從而優(yōu)化在生成聚焦波的所有換能器中或者至少大部分換能 器中的相移。該微擾通過(guò)發(fā)射器的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程地產(chǎn)生于關(guān)注區(qū)中。
術(shù)語(yǔ)"微擾"指由波和與能量密度有關(guān)的介質(zhì)之間的相互作用而產(chǎn)生 的介質(zhì)的特定物理參數(shù)的可逆或不可逆修正，或者指在關(guān)注區(qū)中由波傳送 的平均能量或者在關(guān)注區(qū)內(nèi)能量密度的可逆或不可逆修正。
微擾的該限制性定義的重要結(jié)果是微擾的振幅僅關(guān)聯(lián)到波的振幅，或 者僅關(guān)聯(lián)到關(guān)注區(qū)內(nèi)波的能量，而在任何時(shí)刻都不關(guān)聯(lián)到其相位。例如， 微擾能是由介質(zhì)對(duì)波的吸收而產(chǎn)生的局部升溫，通過(guò)波施加的輻射力或者 甚至氣泡的出現(xiàn)、由關(guān)注區(qū)反擴(kuò)散的能量、關(guān)注區(qū)中聲學(xué)的密度、超聲波、 電磁或光學(xué)能量產(chǎn)生的介質(zhì)的移動(dòng)或局部變形。
由于微擾由網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)個(gè)源同時(shí)在介質(zhì)內(nèi)引起，而不是由單一源相繼 在介質(zhì)內(nèi)引起，所以有可能實(shí)施微擾的測(cè)量。這確保了發(fā)射到介質(zhì)內(nèi)的能 力足以引起能被測(cè)量系統(tǒng)鑒別的微擾，并且確保了在多個(gè)源上同時(shí)實(shí)現(xiàn)的 修正產(chǎn)生能彼此區(qū)別的微擾。在相位和/或振幅分布的相繼修正之后，利用 網(wǎng)中的數(shù)個(gè)源，從每次實(shí)現(xiàn)的連續(xù)發(fā)射中得出最優(yōu)聚焦。
術(shù)語(yǔ)"關(guān)注區(qū)"指組織中需要聚焦波從而在該處空間地獲得最大能量 的波的區(qū)域。典型地，通過(guò)波聚焦，可在關(guān)注區(qū)獲得能量峰值，其中將關(guān)
9注區(qū)限定成在超聲場(chǎng)中數(shù)百nm深度和橫向尺寸的范圍。更一般地，對(duì)于使 用波的指定過(guò)程，關(guān)注區(qū)具有接近所用波長(zhǎng)的尺寸。
本發(fā)明特別用于腦部治療的范疇，其中必需非常精確地定位組織壞死 區(qū)(典型地是腫瘤)，而不能超出該區(qū)之外，以便不會(huì)引起對(duì)健康組織的損 傷。因此，本發(fā)明尤其涉及由高強(qiáng)度聚焦的超聲波束進(jìn)行的治療。
在該上下文中，借助本發(fā)明，使用用于修正聚焦的單一換能器網(wǎng)，能 在治療之前實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦的修正，從而用于治療、確切地說(shuō)是成像。
此外，由于其既不與環(huán)鉆術(shù)干涉也不與外科器械干涉，所以本發(fā)明提 供迄今沒(méi)有獲得的操作品質(zhì)和便利。
特別地，本發(fā)明提出對(duì)大腦損傷的簡(jiǎn)單無(wú)損傷治療。由于這些治療在 花銷和風(fēng)險(xiǎn)方面是有利地，所以本發(fā)明滿足了近外科干涉領(lǐng)域中當(dāng)前的社 會(huì)經(jīng)濟(jì)要求。
根據(jù)另外的有利特性，根據(jù)本發(fā)明的方法還包括步驟C')在相位C^
和/或振幅A分布的每次修正m (lSrn^M)時(shí)，測(cè)量在所述關(guān)注區(qū)[6]之外 的一點(diǎn)的至少一個(gè)微擾/^;以及步驟d)隨后，進(jìn)行推導(dǎo)步驟，根據(jù)微擾 測(cè)量4和微擾測(cè)量/^，推導(dǎo)使關(guān)注區(qū)[6]中引起的微擾4最大化并使關(guān)注區(qū) 之外的微擾或多個(gè)微擾/^最小化的最優(yōu)發(fā)射相位分布""和/或振幅分布
"'c 印/
該額外的有利特性使得甚至更集中的能量傳送到介質(zhì)中的關(guān)注區(qū)而不 會(huì)傳送到關(guān)注區(qū)之外。因此，該特性使得可以控制微擾的范圍，其理想地 是限定在關(guān)注區(qū)。
更一般地，在每次修正，在介質(zhì)中的數(shù)個(gè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)微擾的數(shù)個(gè)測(cè)量。 根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式，通過(guò)施加到至少多個(gè)源的相位的逐次迭
代來(lái)修正空間相位分布""(Bn^N)，其中選為產(chǎn)生最大微擾的迭代作為最 優(yōu)相位分布^ 。
根據(jù)該特性，執(zhí)行經(jīng)驗(yàn)性迭代，在該迭代期間，從這些測(cè)試的相位分 布中選出即將施加到多個(gè)測(cè)試源的最優(yōu)相位分布。在每個(gè)迭代時(shí)在聚焦區(qū)中引起的微擾強(qiáng)度的測(cè)量以及對(duì)導(dǎo)致最大微擾的多個(gè)源的相位分布的選擇 使我們選出多個(gè)源的最優(yōu)相位分布或振幅分布。
根據(jù)一個(gè)有利特性，由于相位分布利用" =l;《^分解成k個(gè)向量&
(KkSK)的基，其中《是實(shí)數(shù)，每個(gè)特定向量^描述由N個(gè)源發(fā)射的相 位，通過(guò)對(duì)每個(gè)向量^進(jìn)行《值的&修正，對(duì)所有N個(gè)源實(shí)現(xiàn)所述相位修
正"(lSn^N)，從而，M等于i&。
該特性用于選擇和/或同時(shí)衡量所有的源，從而組成多個(gè)源。該方法具 有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一，根據(jù)本發(fā)明的方法，使用從像差的空間變異對(duì)向量進(jìn) 行限定，從而實(shí)現(xiàn)直接考慮這些變異的特征的相位修正。第二，通過(guò)利用 所有的發(fā)射器發(fā)射，我們避免實(shí)現(xiàn)不明顯影響所測(cè)微擾強(qiáng)度的振幅的相位 修正。因此，該方法能使我們顯著降低該方法的修正迭代的次數(shù)。對(duì)于每 個(gè)向量^進(jìn)行《次的迭代用于確定《，該《產(chǎn)生向量^的最優(yōu)相位分布。 與隨后的向量^,有關(guān)的迭代《+,的修訂用于向網(wǎng)絡(luò)中所有源上的最優(yōu)焦點(diǎn) 收斂。
有利地，在基K的K， (K'<K)向量子空間中實(shí)現(xiàn)相位分布 的修正，
其中",lx。則M等于f;&。
該特性用于從描述空間頻率的縮減空間的一組向量中選擇特定量的空 間頻率。這用于減少優(yōu)化相位分布所需的時(shí)間。
在一個(gè)有利地實(shí)施中，根據(jù)空間的K個(gè)周期函數(shù)確定向量^，每個(gè)系 數(shù)^由與源n的位置相關(guān)的函數(shù)k (1^kSK)的值確定。
周期函數(shù)(其可以是正弦函數(shù))用于簡(jiǎn)單地描述空間頻率的特定空間。 根據(jù)另一有利的實(shí)施特性，通過(guò)對(duì)至少多個(gè)源進(jìn)行連續(xù)修正來(lái)修正空
間振幅分布4 (Kr^N)，選擇產(chǎn)生最大微擾的迭代作為最優(yōu)振幅分布^ 。
該附加特性用于在優(yōu)化相位之外增加對(duì)振幅的優(yōu)化，該振幅是空間頻
率的函數(shù)。、交替地或同時(shí)實(shí)現(xiàn)振 幅分布的修正。
根據(jù)第二實(shí)施方式，振幅4>的修正和相位" 的修正是限定為矩陣形式 (1^)SP以及1^^N)的P個(gè)向量7/p的組合，其中4^" =^>,^ ，
其中每個(gè)值Cp是復(fù)數(shù)。
根據(jù)該特性，相位分布和/或振幅分布的每次修正對(duì)應(yīng)于對(duì)復(fù)數(shù)cp的值 的改變。由于對(duì)通過(guò)向量/^指定的數(shù)個(gè)源共同地進(jìn)行該修正，所以該特性 用于產(chǎn)生可檢測(cè)的微擾。
根據(jù)該特性，借助微擾測(cè)量來(lái)確定最優(yōu)相位分布，其中該微擾測(cè)量用 作關(guān)聯(lián)微擾的相位和能量的理論方程中的行列式。
該矩陣可以是正交矩陣，諸如阿達(dá)瑪矩陣。
根據(jù)有利的特性，在相應(yīng)于基的至少兩個(gè)向量/^和A (1SPSP)的和
關(guān)于每個(gè)源(n)的和為& + ^,的發(fā)射期間，通過(guò)相位值\的&22修 正，實(shí)施相位分布和/或振幅分布的M次修正，其中一個(gè)向量移相Xr，則M
等于i及，，相位分布和振幅分布通過(guò)由所發(fā)射向量的每個(gè)和獲得的微擾測(cè)
量乙和矩陣Z/p"的反轉(zhuǎn)確定。
借助理論方程，使用該特性，包括施加相移到兩個(gè)向量中的其中之一 以獲得由兩個(gè)不同發(fā)射向量/^和&之間的像差元件引起的相位和振幅偏
移S,Zp的值，通過(guò)進(jìn)行微擾的數(shù)個(gè)測(cè)量實(shí)現(xiàn)，微擾由數(shù)個(gè)值x的和 + 的連續(xù)發(fā)射造成。
通過(guò)反轉(zhuǎn)矩陣/^并使用對(duì)每個(gè)向量7/p獲得的A.eA而獲得相移CPn的
分布的推導(dǎo)
然后，通過(guò)反轉(zhuǎn)相位,"=e-^直接獲得發(fā)射在每個(gè)源上的最優(yōu)相位分
布o(jì)在本發(fā)明的有利應(yīng)用中，聚焦介質(zhì)是生物學(xué)介質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明，在所述介質(zhì)中引起并測(cè)量的微擾乙選自局部移動(dòng)、局 部速度、應(yīng)力、在所述介質(zhì)中的局部溫度變化。
根據(jù)波的本性和介質(zhì)的本性，將授予這些類型的微擾中的其中之一權(quán) 限。例如，在超聲波的情形中，該方法可利用允許由于超聲輻射力而在介 質(zhì)中產(chǎn)生力的波的強(qiáng)度實(shí)施，但是該波強(qiáng)度使其不對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生損傷，否則 將與治療期間的情形沖突。
根據(jù)本發(fā)明的另一特殊特性，借助成像過(guò)程實(shí)現(xiàn)所引起的微擾/m的強(qiáng)
X使用成像過(guò)程監(jiān)控微擾的強(qiáng)度能使我們直接且可靠地監(jiān)控與介質(zhì)的成 像結(jié)構(gòu)有關(guān)的焦點(diǎn)位置。在治療的情形下，這還可用于同時(shí)察看損傷，然 后，如果需要，則實(shí)時(shí)監(jiān)控治療效果。這還消除了在成像階段與治療階段 之間移動(dòng)患者的需要。自然地，該特性還允許直接定位將要治療的區(qū)域， 而不需要根據(jù)相應(yīng)于現(xiàn)有成像步驟的根據(jù)參考基礎(chǔ)對(duì)患者重新歸位。
例如，在超聲波束引起的微米移動(dòng)之后進(jìn)行磁共振成像。以該方式， 通過(guò)利用單一成像過(guò)程進(jìn)行治療的引導(dǎo)和監(jiān)控，有可能更靈活且更快速實(shí) 施腦腫瘤的治療方案。
該成像過(guò)程能選自磁共振成像過(guò)程、超聲成像過(guò)程、斷層X(jué)-射線成 像過(guò)程以及光學(xué)成像過(guò)程。
磁共振成像過(guò)程尤其適用于監(jiān)控有機(jī)組織中的變化，除了該成像用于 實(shí)施本發(fā)明的事實(shí)之外，由于具有改善了波聚焦的較高精確度，其優(yōu)選地 選擇用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用，其中其允許連續(xù)地和/或同時(shí)地監(jiān)控治療效果，或者其 允許同時(shí)對(duì)想要檢査的關(guān)注區(qū)進(jìn)行成像。
因而，本發(fā)明以相當(dāng)新穎的方式實(shí)施，從而在介質(zhì)中聚焦超聲波，該 介質(zhì)還通過(guò)磁共振成像被成像。這兩個(gè)過(guò)程的主要優(yōu)點(diǎn)是完全兼容且適于 同時(shí)使用。
有利地，通過(guò)關(guān)注區(qū)自身成像實(shí)現(xiàn)在關(guān)注區(qū)中引起的微擾乙的測(cè)量。 在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施中，在所述介質(zhì)中引起并測(cè)量的微擾4是由超聲、 聲音或電磁輻射力引起。
該微擾不僅可作為移動(dòng)測(cè)量而且還可作為熱量測(cè)量。特別地，根據(jù)介
13質(zhì)的本性選擇測(cè)量類型。
本發(fā)明還覆蓋一種發(fā)射系統(tǒng)，其包括a)N個(gè)源組成的網(wǎng)絡(luò)，該N個(gè)源] 用于將呈現(xiàn)空間相位《 和振幅分布4 (lSi^N)的聚焦的波^,"發(fā)射到介 質(zhì)中的關(guān)注區(qū)，所述系統(tǒng)使用根據(jù)本發(fā)明的用于優(yōu)化介質(zhì)中的聚焦的方法， 當(dāng)所述聚焦波經(jīng)過(guò)引起初始不定相移的引入像差的元件發(fā)出時(shí)該方法是有 益的，為此，所述系統(tǒng)包括在介質(zhì)中聚焦波的發(fā)射期間，進(jìn)行以下步驟的 模塊
b) 對(duì)由網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)源同時(shí)發(fā)射的波的所述空間相位分布^和/或振幅 分布4 (Ki^N)進(jìn)行M次修正，每次修正對(duì)應(yīng)于對(duì)網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)源的相位 和/或振幅的同時(shí)修正；
c) 在相位^和/或振幅4分布的每次修正(m)時(shí)，測(cè)量在所述關(guān)注區(qū) 中由所述波引起的微擾4 (1^n^M);
d) 從微擾測(cè)量中推導(dǎo)出使關(guān)注區(qū)中引起的微擾/ffl最大化的最優(yōu)發(fā)射
相位分布《 和/或振幅分布A 。
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根據(jù)本發(fā)明的有利的特性，源是超聲發(fā)射器。
根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序的指令來(lái)確定該方法的不同步驟。 因此，本發(fā)明還包括關(guān)于數(shù)據(jù)介質(zhì)的計(jì)算機(jī)程序，該程序適于在用于
發(fā)射聚焦波的系統(tǒng)中執(zhí)行，其中該程序包括適于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的
步驟的指令。
該程序可使用任何編程語(yǔ)言，可以是源代碼、目標(biāo)代碼或源代碼與目 標(biāo)代碼之間的中間代碼的形式，諸如平行匯編形式或者是所需要的任何其 它形式。
本發(fā)明還包括可以由根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)讀取的數(shù)據(jù)介質(zhì)，該數(shù)據(jù)介質(zhì) 包括上述的計(jì)算機(jī)程序指令。
數(shù)據(jù)介質(zhì)可以是能存儲(chǔ)程序的任何實(shí)體或器件，例如，該載體可包括 存儲(chǔ)裝置諸如ROM，諸如CDROM或微型電子電路ROM，或甚至是用于
磁讀取的任何其它裝置，諸如，例如磁盤(pán)(軟盤(pán))或硬盤(pán)或存儲(chǔ)卡。
其次，數(shù)據(jù)介質(zhì)可以是可傳輸介質(zhì)諸如電信號(hào)或光信號(hào)，其能經(jīng)由電 纜或光纜通過(guò)無(wú)線電通信或者任何其它手段路由。特別地，根據(jù)本發(fā)明的程序可以經(jīng)由因特網(wǎng)類型的網(wǎng)絡(luò)下載。
作為另一種選擇，數(shù)據(jù)介質(zhì)可以是結(jié)合程序的集成電路，電路適于執(zhí) 行或用于執(zhí)行討論的方法。


本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從參照附圖的以下描述中顯現(xiàn)，附圖示出 了實(shí)施方式實(shí)例而不包括任何限定特性。在附圖中 圖1描述了有利地用于執(zhí)行本發(fā)明的超聲探針； 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)化聚焦的方案；
圖3示出了由于經(jīng)過(guò)引入像差的元件而造成的像差的針對(duì)性空間變化 的頻域；
圖4是使用根據(jù)本發(fā)明的聚焦優(yōu)化方法糾正像差的實(shí)例，該像差通過(guò) 經(jīng)過(guò)引入像差的元件而造成。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了有利地用于執(zhí)行本發(fā)明的超聲探針1。在該附圖中示出的超 聲探針1特別用于優(yōu)化大腦中超聲波的聚焦。
事實(shí)上，本發(fā)明特別在該范疇中有用，原因在于顱骨不可避免地在聚 焦波束內(nèi)的引起相位像差。這些像差妨礙了聚焦區(qū)的精確定位，這是需要 高度精確的醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的特殊問(wèn)題。
然而，顱骨相對(duì)于超聲是透明的。因此，有機(jī)會(huì)進(jìn)行改良方案，以修 正由于經(jīng)過(guò)顱骨而引起的像差，從而盡管有像差也能使用超聲波，從而能 成像或治療大腦區(qū)。
因而，超聲探針1包括形成球體的一部分的底盤(pán)2，該球體的曲率半徑 根據(jù)提出的應(yīng)用進(jìn)行選擇。在所選的實(shí)例中，例如，為了大腦的成像和治 療，曲率半徑是120mm。底盤(pán)2包括指定數(shù)量N的壓電式換能器3。
因而，在一個(gè)實(shí)際的實(shí)施方式中，N=512個(gè)壓電式換能器3安裝在底 盤(pán)2上。它們組成很多波源。為了便于表示，在圖1中僅示出了少數(shù)個(gè)換 能器，這僅僅是示意性地。每個(gè)單獨(dú)的換能器元件3用于以連續(xù)和/或間斷 方式發(fā)射超聲波。在一個(gè)實(shí)施方式實(shí)例中，每個(gè)單獨(dú)的元件3具有8mm的直徑，并連續(xù)發(fā)射中心頻率為lMHz的正弦波。
通常，當(dāng)探針發(fā)射超聲波束時(shí)，單獨(dú)地計(jì)算由探針的每個(gè)換能器元件 發(fā)射的波的相位，從而在稱為介質(zhì)的聚焦區(qū)的區(qū)域中實(shí)現(xiàn)聚焦。
然而，初始計(jì)算以執(zhí)行聚焦的相位不能計(jì)算由其中聚焦波的不均勻介 質(zhì)引起的像差。這些像差實(shí)際上是未知的。本發(fā)明用于消弱或甚至消除這 些像差的影響。
圖2示出了超聲探針1的使用，如在圖1中所示，用于在介質(zhì)4內(nèi)成 像或治療，在該情形下，包括于顱骨中的大腦是引入像差6的元素。從換 能器3到顱骨5和大腦4的波的傳輸受到具有適當(dāng)阻抗的介質(zhì)7影響。
由虛線示出的期望聚焦確定聚焦區(qū)6。當(dāng)不存在相位修正時(shí)，我們注意 到聚焦退化，如通過(guò)圖2中的點(diǎn)線所表示的。該退化是由引入像差的元件5 的存在引起，該引入像差的元件5由位于探針1發(fā)射的超聲波束的路徑中 的顱骨組成。
在聚焦區(qū)6處，在傳播經(jīng)過(guò)顱骨之后，第n個(gè)換能器元件3對(duì)聚焦區(qū)6 中實(shí)現(xiàn)的總聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)(p)可表示為
其中，^是由引入像差介質(zhì)5引起的相移，爪是發(fā)射振幅，(Xn表示相
位分布中相應(yīng)于換能器元件n的相位，D"是由經(jīng)過(guò)顱骨5時(shí)的吸收現(xiàn)象以 及由衍射降低振幅而引起的衰減因素，/是發(fā)射的波的頻率，尺w是波矢，凡 是發(fā)射系統(tǒng)的曲率半徑。
因此，總聲場(chǎng)通過(guò)以下等式計(jì)算-
戶(O = y.2<V艮'& 2^ 2)^伊"？" 該總聲場(chǎng)在介質(zhì)4中產(chǎn)生微擾/。
在本發(fā)明中，在聚焦區(qū)6處，借助介質(zhì)4中進(jìn)行的測(cè)量來(lái)監(jiān)控微擾強(qiáng) 度/。使用成像設(shè)備8 (例如磁共振成像或甚至是回波描記術(shù))，有利地實(shí)現(xiàn) 微擾強(qiáng)度I的測(cè)量。
然而，這些成像過(guò)程不允許直接和遠(yuǎn)程測(cè)量由超聲場(chǎng)引起的額外壓力。另一方面，在超聲波的情形下，能直接評(píng)估局部超聲能量。
該超聲能量與通過(guò)超聲場(chǎng)引起的額外壓力的平方成比例。然而，注意
到接入本地超聲能量不允許直接接入相位信息，因此不允許直接接入所引
起的相移。另外，使用這些成像過(guò)程，有可能僅通過(guò)振幅的測(cè)量進(jìn)行優(yōu)化。 在一個(gè)有利的實(shí)施方式中，局部超聲能量足以引起組織內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，但
是不會(huì)導(dǎo)致任何損傷。然后，通過(guò)對(duì)位于聚焦區(qū)中的組織進(jìn)行成像來(lái)測(cè)量
由將超聲波場(chǎng)施加到聚焦區(qū)而導(dǎo)致的該運(yùn)動(dòng)。
該測(cè)量對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是熟知的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可
參考題目為"Visco~elastic shear properties of in vivo breast lesions measured by MR elastography"， Sinkus R, Tanter M， Xydeas (T)等，MAGNETIC RESONANCE IMAGING 23 (2) : 159—165 Sp. Iss. SI， 2005年2月的資料， 來(lái)查看在磁共振成像情形中的特性。
特別地，當(dāng)超聲成像過(guò)程用于測(cè)量微擾時(shí)，可使用用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)的所 有己知技術(shù)，包括多普勒測(cè)量、信號(hào)組間相關(guān)技術(shù)、在傅里葉場(chǎng)中相位變 化的測(cè)量等。
當(dāng)磁共振成像過(guò)程用于監(jiān)控微擾/時(shí)，在焦點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)之后使用磁共振 成像序列，磁共振成像序列對(duì)運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間的變化敏感。這些磁共振成像序 列用于獲取在1和10毫秒之間的極短時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)采樣。
例如，能采用與在擴(kuò)散MRI中公知的那些序列的相似序列。特別地， 在修正的MRI擴(kuò)散序列期間，利用在施加磁場(chǎng)梯度的時(shí)間內(nèi)所測(cè)得運(yùn)動(dòng)的 時(shí)間綜合，能建立由超聲換能器產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)的二維圖。在該圖的每個(gè)體素 中，運(yùn)動(dòng)相應(yīng)于在施加力期間該體素短時(shí)間運(yùn)動(dòng)的綜合。
通過(guò)觀察運(yùn)動(dòng)，推導(dǎo)出在聚焦區(qū)中引起的超聲輻射力。然后力密度通 過(guò)表達(dá)式f 二2a/e"c表示，其中/是聲強(qiáng)，a是介質(zhì)的超聲吸收系數(shù)，c是
組織中聲音的傳播速度，ez是傳播方向矢量。
假設(shè)波在焦點(diǎn)處局部平坦，則聚焦區(qū)中的聲強(qiáng)通過(guò)
,且丄
z是介質(zhì)的聲學(xué)阻抗,
e '
表示，其中〈P2〉是上述聲學(xué)能量的時(shí)間平均值，在以下描述的實(shí)施方式實(shí)例中，選擇表示微擾的度量作為聲學(xué)能量/。 根據(jù)本發(fā)明的方法，本發(fā)明利用所測(cè)微擾4振幅中的波動(dòng)，諸如當(dāng)對(duì)
超聲探針1的每一個(gè)換能器元件3上的相位延遲修改m次時(shí)在聚焦區(qū)6中 的聲強(qiáng)。
還選擇聚焦的波，使得它們引起介質(zhì)內(nèi)的溫度上升。在該情形中，利 用其他特定序列，特別地是通過(guò)磁共振成像，能實(shí)現(xiàn)通過(guò)溫度上升進(jìn)行的 微擾測(cè)量。
實(shí)際上，本發(fā)明提出修正一組換能器上的相移，同時(shí)還測(cè)量在關(guān)注區(qū) 中引起的微擾4，從而從聚焦點(diǎn)確定最優(yōu)的相位分布。
有利地，還實(shí)現(xiàn)在關(guān)注區(qū)6之外引起的微擾4的一個(gè)或多個(gè)額外測(cè)量。 當(dāng)使用磁共振成像設(shè)備時(shí)，這特別容易，原因在于該成像允許人們?cè)谙鄬?duì) 擴(kuò)展的區(qū)上觀察現(xiàn)象。
以下示出了兩個(gè)實(shí)施方式。這兩個(gè)實(shí)施方式都利用與目的相關(guān)的原理 和相位分布的已知修正，從而使用在介質(zhì)中造成的微擾的測(cè)量來(lái)確定最優(yōu) 相位分布。
第一實(shí)施方式使用相位分布內(nèi)相位的迭代修正。然后，通過(guò)借助描述N 個(gè)源的網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)n (1《n《N)所發(fā)射的波的相位的空間矢量，有利地描 述相位分布。然后，元件n的相位由(例如)" =|;《^表述，其中4是 實(shí)數(shù)。
優(yōu)選地，選擇相應(yīng)于在由引入像差的元件引起的像差的變異內(nèi)最常觀 察到的空間頻率作為基。
然而，對(duì)于目標(biāo)醫(yī)學(xué)應(yīng)用，由生物學(xué)結(jié)構(gòu)引起的相位像差在空間中相 對(duì)緩慢地變化。尤其人體顱骨就是這種情形。因此，通過(guò)修改與少數(shù)空間 頻率相應(yīng)的少數(shù)向量相關(guān)的值，能獲得相移的最優(yōu)方案。因此，通過(guò)僅修 正與其中一個(gè)向量相關(guān)的值，該原理允許我們修改數(shù)個(gè)換能器中的相位， 或者甚至所有的換能器中的相位。
例如，通過(guò)基于空間頻率FX、 FY進(jìn)行離散余弦變換(DCT)，實(shí)現(xiàn)對(duì) 通常由顱骨引起的像差的空間變異的分解。該分解在圖3中示出。在該圖 中，能看到在頻率空間(EF)中由最普通空間頻率占據(jù)的頻率空間(FO) 位于低頻區(qū)中。
18因而，然后，通過(guò)考慮像差引起的頻率特征，有利地確定新的基向量， 該新的基向量不同于對(duì)每個(gè)換能器逐個(gè)指定的標(biāo)準(zhǔn)基，從而選擇分別沿?fù)Q
能器3的網(wǎng)絡(luò)的X和Y軸的每對(duì)非零空間頻率(FX， FY)，構(gòu)造相應(yīng)的空 間向量。
在一個(gè)實(shí)施方式實(shí)例中，向量以以下方式構(gòu)成
cos(^，).cos(A，)' cos(尸、；cc2). cos(尸、w )
Vk= COS(i^7CV3).COS(尸4，3)
cos(尸、 ).cos(尸、* )
其中&和4是整數(shù)，用于描述一組空間頻率，(Xn， Yn)是第n個(gè)換 能器在二維坐標(biāo)系(例如，描述2與10之間所有的整數(shù))中探針上的第n 個(gè)換能器的位置。它們也可用于在描述獨(dú)特頻率FX和FY的兩個(gè)或其它維 度中來(lái)描述相同的空間頻率FX=FY。
然后，基于這些正弦向量，對(duì)相位分布進(jìn)行M次修正，其中該數(shù)M可 小于換能器的數(shù)量(N)。
由于源(n)的相位寫(xiě)成《 =|>^ ，其中《是實(shí)數(shù)，因此，相位分布
的優(yōu)化包括確定一組值《，每個(gè)值《與向量^相關(guān)。為此，(例如)通過(guò)將 值K增加S倍，例如，O.l弧度的增量，我們相繼向這些向量中的每一個(gè)施
加數(shù)個(gè)值^。在每次修正中，實(shí)現(xiàn)對(duì)所造成的微擾的測(cè)量。
數(shù)量S可以與所有的向量K相同，或者可以取決于與^有關(guān)的向量。
于是將其表示為&。
一旦對(duì)于一矢量，已經(jīng)確定了導(dǎo)致最大微擾的《值，則根據(jù)修正規(guī)律, 通過(guò)向前述的矢量施加最優(yōu)值等，實(shí)現(xiàn)對(duì)其它矢量的相同操作。
對(duì)有成對(duì)空間頻率(FX， FY)構(gòu)成的所有或部分矢量實(shí)施該操作。因 而，實(shí)現(xiàn)M-堂&修正。如果增量(S)的量對(duì)所有的向量^相同，則修正
"1的總量是M:S.K。
對(duì)于每次修正m，實(shí)現(xiàn)微擾4的至少一個(gè)測(cè)量。然后，選擇c4值，該 4值與觀察到最大微擾4的修正(m)相對(duì)應(yīng)。
在該實(shí)施方式中，因而，通過(guò)優(yōu)化這些向量^中每一個(gè)的相位分布， 我們相繼優(yōu)化了在像差的所有空間頻率上的聚焦，其中每個(gè)向量描述了在 空間頻率的空間中的特定頻率對(duì)(FX， FY)。
然后，使用關(guān)于每個(gè)向量的每個(gè)最優(yōu)分布，我們?cè)谟嘘P(guān)的所有空間頻 率上得到最優(yōu)空間分布A 。
事實(shí)上，關(guān)于每個(gè)向量^的優(yōu)化結(jié)束時(shí)，最優(yōu)相位分布的修正是與造 成最大微擾的值《有關(guān)的向量之和。通過(guò)結(jié)合所有向量的優(yōu)化效果，在每
個(gè)換能器表現(xiàn)為下列相位<formula>formula see original document page 20</formula>時(shí)獲得最大微擾，其中4是最優(yōu)值。
然后，修正由像差元件引起的部分像差。如果需要，可以重復(fù)所有的迭代， 從而改善優(yōu)化。
此外，當(dāng)在關(guān)注區(qū)6的之外實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)微擾測(cè)量^J寸，這些測(cè)量 可用于選擇最優(yōu)相位分布，除了關(guān)注區(qū)6中的最大微擾4之外，該最優(yōu)相 位分布允許在關(guān)注區(qū)6之外的最小微擾/^。特別地，該最小微擾是用于改 善優(yōu)化效果的二次迭代的對(duì)象。
另外，就顱骨5還引起振幅像差來(lái)說(shuō)，除了上述相位分布的優(yōu)化之外， 還能利用振幅的修正來(lái)進(jìn)行二階修正。
在相位分布的第一優(yōu)化之后，有利地實(shí)現(xiàn)該修正。在該情形下，在振 幅的優(yōu)化之后，能有利地實(shí)現(xiàn)相位分布的第二優(yōu)化。
實(shí)施該二階修正的實(shí)例包括在連續(xù)步驟中通常在O.l和1之間改變振幅
系數(shù)A ，該系數(shù)施加到由相位分布構(gòu)造的每個(gè)波，相位分布由每個(gè)矢量^描 述，每個(gè)向量^表述為<formula>formula see original document page 20</formula>其中4是每個(gè)源的默認(rèn)振幅。
以相位變化的類似方式實(shí)現(xiàn)具有S'個(gè)不同系數(shù)A、的數(shù)個(gè)發(fā)射，從而對(duì)量/或者下一個(gè)量進(jìn)行最大化，以便優(yōu)化焦點(diǎn)處的強(qiáng)度與源發(fā)射的
強(qiáng)度之間的比率。例如，只要對(duì)所有的向量實(shí)現(xiàn)了 s，增量，則在數(shù)量上實(shí)
現(xiàn)了附加數(shù)量M=S'，K的修正。
另外，通過(guò)相繼測(cè)試數(shù)個(gè)相位分布和數(shù)個(gè)振幅因數(shù)，對(duì)于描述像差的 空間頻率的空間的每個(gè)向量，有可能在聚焦區(qū)中實(shí)現(xiàn)對(duì)微擾的優(yōu)化，在適 當(dāng)情況下，在聚焦區(qū)之外的最小微擾展現(xiàn)出優(yōu)化的聚焦，而不管由顱骨5 引起的相位像差。
使用向量描述由像差元素致使像差的空間頻率的空間，使我們能對(duì)所 有的換能器同時(shí)進(jìn)行相位修正，因此，能使我們給介質(zhì)提供足夠的能量， 從而微擾的微小增量是可測(cè)量的。
事實(shí)上，由超聲輻射力引起的組織移動(dòng)通常非常小，大約在10到100pm
之間。因而，主要限制在于能夠由成像過(guò)程測(cè)量的最小移動(dòng)。該最小移動(dòng) 通常是大約lpm。因此，在測(cè)量的敏感度之下，供應(yīng)到介質(zhì)的能量和造成 的微擾應(yīng)該是足可辨別的。
通過(guò)對(duì)所有源使用相位修正，從而，本發(fā)明允許我們向介質(zhì)傳送充足 的能量，不僅用于產(chǎn)生可檢測(cè)的微擾，而且使得能區(qū)別與不同的相移組合 相關(guān)的能量差，從而允許優(yōu)化。
所選的成像過(guò)程和實(shí)施器件確定需要用于執(zhí)行相應(yīng)于相位分布的一個(gè) 迭代的測(cè)量的時(shí)間。例如，根據(jù)超聲技術(shù)，該時(shí)間大約是lms，利用磁共 振成像技術(shù)，如果我們限制自身在單個(gè)3D素體中測(cè)量，則該時(shí)間大約是 10ms。因而，使用MRI技術(shù)，我們獲得IO分鐘的最長(zhǎng)總時(shí)間，迭代的總 數(shù)量將被限制到60000。
上述第一實(shí)施方式具有在每個(gè)方向X和Y使用少量空間頻率、大約是 IO個(gè)的優(yōu)點(diǎn)，因而允許快速迭代收斂至非常接近最優(yōu)修正的方案。大約1000 至2000次迭代就足夠了 。使用傳統(tǒng)的成像過(guò)程，這相應(yīng)于大約3分鐘的優(yōu) 化時(shí)間，這在臨床上非常令人滿意。
在迭代的每個(gè)步驟中，不是逐個(gè)換能器的，而是根據(jù)全部元素或至少 大量元素修正相位，允許造成在焦點(diǎn)處可與聲強(qiáng)區(qū)別的修正，因而允許更少地依賴聚焦區(qū)中超聲能量的測(cè)量敏感度。
隨后，提出了一種仿真方法，該方法受到由圖4a中的相位像差的空間 分布表示的像差的理論引起方影響。該處理在大約4000個(gè)步驟中收斂，其 中對(duì)于每個(gè)特征向量K，在每個(gè)方向和S=30相移測(cè)量10個(gè)空間頻率(因 此，K=100=10*10)。在圖4b中，關(guān)于最優(yōu)能量標(biāo)準(zhǔn)化的聲學(xué)能量的振幅I 標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為指定每個(gè)向量的數(shù)量k的函數(shù)，其中最優(yōu)能量利用理想修正獲得。
這里，對(duì)于所有的空間向量，連續(xù)執(zhí)行兩次優(yōu)化。因此，在此我們執(zhí) 行M=S'K次修正。能看出在焦點(diǎn)處的聲學(xué)能量的振幅I蹄在處理期間顯著 增加。因而，根據(jù)本發(fā)明的該方法允許收斂到理想焦點(diǎn)。
最終實(shí)現(xiàn)的修正規(guī)律表示在圖4c中。非常接近為仿真引入并呈現(xiàn)在圖 4a中的理論像差規(guī)律。
根據(jù)第一實(shí)施方式，本發(fā)明是試驗(yàn)方法，根據(jù)該方法我們優(yōu)化了在介 質(zhì)中產(chǎn)生的聲學(xué)能量，從而找出相位分布，這將使我們減少像差對(duì)波聚焦 的影響。
在本發(fā)明的第二實(shí)施方式中，微擾測(cè)量的直接轉(zhuǎn)換用于確定最優(yōu)相位 分布。
事實(shí)上，根據(jù)這兩個(gè)換能器發(fā)射的波的干涉產(chǎn)生的微擾強(qiáng)度的多個(gè)測(cè) 量，在理論上有可能評(píng)估這兩個(gè)換能器之間的最優(yōu)相移。事實(shí)上，兩個(gè)波 束在振幅上疊加產(chǎn)生的強(qiáng)度由兩個(gè)換能器之間的相對(duì)相位差的余弦進(jìn)行調(diào) 制。
因而，當(dāng)兩個(gè)單色射束^(0-"e—和&(0 = &'—^在一點(diǎn)處干涉時(shí)，所產(chǎn) 生的強(qiáng)度為
因此，有可能通過(guò)調(diào)制強(qiáng)度確定相位cp。如果我們將附加的相移x加到
信號(hào)&，則我們得到由余弦調(diào)制的強(qiáng)度，其表示為X的函數(shù)
=」+ 5cos(p + X)
根據(jù)I (X)的至少三個(gè)測(cè)量，在每個(gè)測(cè)量中修正x，因此，理論上有可能計(jì)算A、 B和cp。
因此，以x的獨(dú)特增量至少兩次修正關(guān)于每個(gè)換能器的所發(fā)射波的相位。
其中一種計(jì)算該相移的方法是對(duì)于R相位修正A實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度R的測(cè)量(R 〉1)，然后將線性方程的體系直接轉(zhuǎn)化成三個(gè)未知量，即A、 Bcos (cp)和 Bsin (cp):
j + S.cos(p)cos(x,)- ^8.sin(^7)sin(;c,)
特別地，如果對(duì)于/ 6c,)的每次測(cè)量我們還實(shí)現(xiàn)/ 6c, 的測(cè)量，
則
》os(jc,)=》in(^) = 0
我們能測(cè)量?jī)蓚€(gè)總和-
w = cos(xj = Z[^cos(jcr)+ 5cos(^>)cos2(xr) — 5sin(p)sin(xr)cos(xr)]
m = sin(xr) = Z 5cos(p)cos(x,)sin0,) — 5sin(p)sin2(x,)]
"=Bcos(p)Zcos2(xr) —5sin(p)Zsin(;cr)cos(xr) m = 5cos(p)^]sin(JCr)cos(Xr) — 5sin(p)Zsin2(Xf)
這兩個(gè)方程的線性系統(tǒng)包括兩個(gè)未知量，即Bcos(^)和&in^)。通過(guò)簡(jiǎn) 單地求解該系統(tǒng)，我們能獲得關(guān)于相位cp的信息，相位cp是通過(guò)兩個(gè)換能 器之間的引入像差的元件引起的相移。
N個(gè)實(shí)際換能器的基是標(biāo)準(zhǔn)基。本發(fā)明的目的是評(píng)估在該標(biāo)準(zhǔn)基中換 能器的相移和振幅
r =
然而，由于每個(gè)換能器的低振幅，所以難以測(cè)量由兩個(gè)換能器產(chǎn)生的 調(diào)制強(qiáng)度。因此，本發(fā)明包括實(shí)現(xiàn)基的變化，這將允許多個(gè)換能器同時(shí)工 作?？梢允褂枚喾N基， 一種是阿達(dá)瑪基-墨l 111<formula>formula see original document page 24</formula>
使// = & —"^ ""w)作為基變化矩陣。因此，該基的由每個(gè)向量A 發(fā)射的振幅和相位能表述為描述通過(guò)每個(gè)向量7/p發(fā)出的振幅和相位的復(fù)向
并因此/^=^ 7>^^，其中A和A是應(yīng)用到由向量^指定的向量 的每組換能器的振幅和相位的值。
因此，//p^/^-zviy^
如果我們采用基向量/^作為參考(相位=0且振幅=1)，則對(duì)于每個(gè)向 量^ (KpSP)， A是由像差元素與向量&相比對(duì)向量A引起的相移。
在該情形中，對(duì)于A的R值，通過(guò)在N個(gè)源的網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)發(fā)射向量和 (/^|+/^.,0的強(qiáng)度模擬方法，通過(guò)對(duì)引起微擾^fc)至少測(cè)量?jī)蓚€(gè)(因此， R>2)的，優(yōu)選地是測(cè)量三個(gè)(R=3)截然不同的值&的引起微擾4fc)， 能評(píng)估每個(gè)向量/^的5/A。然后，獲得與每個(gè)向量i/p的參考向量/^,相關(guān)
的在介質(zhì)中實(shí)際觀察到的振幅和相位。
然后，通過(guò)對(duì)每個(gè)向量實(shí)施^的R修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)P個(gè)向量Z/p中每一個(gè) 的B/^評(píng)估。在此，我們認(rèn)為對(duì)于所有的向量來(lái)說(shuō)R都類似。
然而，這個(gè)修正次數(shù)(R)是向量Z/p的函數(shù)，因此表示為&。因此，
總共實(shí)現(xiàn)相位和/或振幅分布的M:f;&次修正。當(dāng)對(duì)于所有的向量i^來(lái)說(shuō)及p二i 時(shí)，則]V^P.R。
然后，為了分別獲得由像差器對(duì)N個(gè)源中的每一個(gè)引起的相位和振幅， 必須返回到標(biāo)準(zhǔn)基。為此，其足以反轉(zhuǎn)矩陣//。在矩陣不能反轉(zhuǎn)的情況下， 則僅使用通過(guò)分解成奇異值而獲得的虛反轉(zhuǎn)矩陣，我們就得到由像差器對(duì)N 個(gè)源中的每一個(gè)引起的相位和振幅-
然后，通過(guò)反轉(zhuǎn)相移Z '=e-^，獲得N個(gè)源中每一個(gè)的發(fā)射的最 優(yōu)相位" 。
印,
在此，還有可能使用在關(guān)注區(qū)6之外實(shí)現(xiàn)的微擾測(cè)量/^ 。在該情形下， 我們?cè)O(shè)法使該微擾/^最小化。
在使用微擾/^反轉(zhuǎn)矩陣之后，獲得由像差元素引起的像差，且可使用 這些像差以應(yīng)用相位分布，這用于優(yōu)化關(guān)注區(qū)6中微擾4的強(qiáng)度，并用于 對(duì)關(guān)注區(qū)6之外的微擾/^進(jìn)行最小化。
選擇基F，使得測(cè)量噪音由于反轉(zhuǎn)矩陣/^而稍微擴(kuò)大。例如，接下來(lái) 選擇矩陣//，該矩陣H的具有最大分量的特征向量是相應(yīng)于多個(gè)源的網(wǎng)絡(luò) 的高強(qiáng)度發(fā)射的特征向量。
最后，可以看到使用本發(fā)明的原理可以有各種實(shí)施方式。具體地說(shuō)， 對(duì)于引入像差的元件的像差，可使用描述特殊空間頻率的多種向量基。
權(quán)利要求
1、一種用于優(yōu)化波在介質(zhì)[4]中的關(guān)注區(qū)[6]中聚焦的方法，其中所述波由N個(gè)源[3]組成的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)引入像差的元件[5]發(fā)射到所述介質(zhì)[4]，所述引入像差的元件[5]引入初始的不定相移 id="icf0001" file="A2008800058240002C1.tif" wi="3" he="3" top= "49" left = "103" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>(1≤n≤N)，該方法使用所發(fā)射波的M-1個(gè)連續(xù)修正，每次修正引起微擾，測(cè)量M個(gè)微擾，這些測(cè)量用于推導(dǎo)出最優(yōu)聚焦特性，所述方法包括以下步驟a)經(jīng)由N個(gè)源[3]組成的網(wǎng)絡(luò)發(fā)射波 id="icf0002" file="A2008800058240002C2.tif" wi="11" he="4" top= "72" left = "110" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>(其中j2＝-1)，波 id="icf0003" file="A2008800058240002C3.tif" wi="11" he="4" top= "72" left = "165" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>表現(xiàn)出空間相位αn和振幅An(1≤n≤N)分布，并且該波傳播到所述介質(zhì)[4]中的關(guān)注區(qū)[6]；b)對(duì)由所述網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)源[3]同時(shí)發(fā)射波的所述空間相位αn和/或振幅分布An(1≤n≤N)進(jìn)行M-1(M＞1)次修正，每次修正對(duì)應(yīng)于對(duì)所述網(wǎng)絡(luò)的該多個(gè)源[3]的相位和/或振幅的同時(shí)修正，且每次修正都引起步驟a)的發(fā)射；c)在所述相位αn和/或振幅分布An的每次修正m(1≤m≤M)時(shí)，測(cè)量在所述關(guān)注區(qū)[6]中由所述波引起的至少一個(gè)微擾Im(1≤m≤M)；d)從所述微擾測(cè)量Im中推導(dǎo)出使在所述關(guān)注區(qū)[6]中引起的微擾Im最大化的最優(yōu)發(fā)射相位分布 id="icf0004" file="A2008800058240002C4.tif" wi="7" he="4" top= "157" left = "71" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>和/或振幅分布 id="icf0005" file="A2008800058240002C5.tif" wi="9" he="5" top= "156" left = "111" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于包括步驟c')在所述相位 a 和/或振幅A分布的每次修正m (1SmSM)時(shí)，測(cè)量在所述關(guān)注區(qū)[6]之 外的一點(diǎn)處的至少一個(gè)微擾4j隨后，進(jìn)行推導(dǎo)步驟d)，根據(jù)微擾測(cè)量乙 和微擾測(cè)量/^，推導(dǎo)出使在所述關(guān)注區(qū)[6]中引起的所述微擾4最大化并使 所述關(guān)注區(qū)之外的微擾或多個(gè)微擾/^最小化的最優(yōu)發(fā)射相位分布" ,和/ 或振幅分布A 。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過(guò)施加到至少多個(gè)源 [3]的相位的逐次迭代來(lái)修正所述空間相位分布^ (1Si^N)，其中將最優(yōu)相 位分布 —選擇為生成最大微擾的迭代。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，以《 =|]《4將所述相位分布A分解成K個(gè)向量^ (15k^K)的基，其中《是實(shí)數(shù)，每個(gè)特定 向量^描述由所述N個(gè)源[3]發(fā)射的相位，通過(guò)對(duì)用于每個(gè)向量^的《值的&次修正，在所有N個(gè)源上實(shí)現(xiàn)所述相位修正《" ( KnSN)，則，M等于力& 。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在基^的由K' (K'<K) 個(gè)向量構(gòu)成的子空間中實(shí)現(xiàn)相位分布A的修正，其中 =￡《4，則M等
6、 根據(jù)權(quán)利要求4和5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述 空間的K個(gè)周期函數(shù)定義所述向量^ ，每個(gè)系數(shù)^由與第n個(gè)源的位置相 關(guān)的函數(shù)k (1^kSK)的值確定。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)對(duì)至 少多個(gè)源[3]進(jìn)行連續(xù)修正來(lái)修正空間振幅分布^ (1Sn^N), 將最優(yōu)振幅 分布4選擇為產(chǎn)生最大微擾的迭代。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，與相位分布的修正相繼、交替或同時(shí)地實(shí)現(xiàn)所述振幅分布的修正。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述振幅4的修正和所 述相位""的修正是以矩陣形式//， ( lSp^P及1Si^N)定義的P個(gè)向量Z^的組合，其中4.^=^>,^ ，其中每個(gè)值是復(fù)數(shù)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述矩陣/^ 是正交的。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述矩陣/^ 是阿達(dá) 瑪矩陣。
12、 根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在每個(gè) 源(n)的和為7^ + /^.^的發(fā)射期間，通過(guò)相位值的&22次修正，實(shí)現(xiàn) 所述相位分布和/或振幅分布的M次修正，其中和///)| +/^ .^相應(yīng)于所述基 的至少兩個(gè)向量/^和/^ (lSp^P)的和，其中一個(gè)向量相移了相位Xr，則M等于^>,，所述最優(yōu)相位分布和振幅分布通過(guò)對(duì)為所發(fā)射向量的每個(gè)和所獲得的微擾4的測(cè)量和矩陣/^的反轉(zhuǎn)確定。
13、 一種根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聚焦優(yōu)化的方法，其特征 在于，所發(fā)射的波是聲波、超聲波、電磁波或光波。
14、 一種根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聚焦優(yōu)化的方法，其特征 在于，所述聚焦介質(zhì)[4]是生物介質(zhì)。
15、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聚焦優(yōu)化的方法，其特征在于，在所述介質(zhì)中引起并測(cè)量的所述微擾4選自局部移動(dòng)、局部速度、應(yīng)力、 在所述介質(zhì)中局部引起的溫度變化、光強(qiáng)。
16、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聚焦優(yōu)化的方法，其特征在于，借助成像設(shè)備[8]實(shí)現(xiàn)所引起的所述微擾4的測(cè)量。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的優(yōu)化聚焦的方法，其特征在于，所述成像 設(shè)備[8]選自磁共振成像設(shè)備、超聲波成像設(shè)備和斷層X(jué)-射線成像設(shè)備以 及光學(xué)成像設(shè)備。
18、 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的聚焦優(yōu)化的方法，其特征在于，通 過(guò)所述關(guān)注區(qū)[6]自身的成像實(shí)現(xiàn)在所述關(guān)注區(qū)[6]中引起的所述微擾乙的測(cè)
19、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聚焦優(yōu)化的方法，其特征在于， 在所述介質(zhì)中引起并測(cè)量的所述微擾4是由超聲波、聲音或電磁輻射力引 起的。
20、 一種發(fā)射器系統(tǒng)[l]，其包括由N個(gè)源[3]組成的網(wǎng)絡(luò)，將所述N個(gè) 源[3]設(shè)計(jì)成將呈現(xiàn)出空間相位^和振幅分布4 (1Sn^N)的聚焦波々,"發(fā) 射到介質(zhì)[4]中的關(guān)注區(qū)[6]，所述系統(tǒng)[l]使用根據(jù)權(quán)利要求1至19中任一 項(xiàng)所述的用于優(yōu)化介質(zhì)[4]中的聚焦的方法，當(dāng)穿過(guò)引入初始的不定相移的 引入像差的元件[5]發(fā)射所述聚焦波時(shí)該方法是有益的，為此，所述系統(tǒng)[l] 包括在所述介質(zhì)[4]中聚焦波的發(fā)射期間，進(jìn)行以下步驟的模塊b) 對(duì)由所述網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)源[3]同時(shí)發(fā)射的波的空間相位分布《 和/或 振幅分布4 (1Sn^N)進(jìn)行M-1次修正，每次修正對(duì)應(yīng)于對(duì)所述網(wǎng)絡(luò)的該 多個(gè)源[3]的相位和/或振幅的同時(shí)修正，并引起所述介質(zhì)中的聚焦波的發(fā) 射；c) 在所述相位""和/或振幅4分布的每次修正(m)時(shí)，測(cè)量在所述關(guān) 注區(qū)[6]中由所述波引起的微擾/ (l^i^M);d)從所述微擾測(cè)量4中推導(dǎo)出使在所述關(guān)注區(qū)[6]中引起的所述微擾/^ 最大化的最優(yōu)發(fā)射相位分布《 和/或振幅分布4 。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述源[3]是超聲波發(fā)射器。
22、 一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其包括當(dāng)所述程序由計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)用于執(zhí) 行根據(jù)權(quán)利要求1至19中任一項(xiàng)所述的優(yōu)化方法的步驟的指令。
23、 一種能夠由計(jì)算機(jī)讀取的記錄介質(zhì)，在該介質(zhì)上記錄計(jì)算機(jī)程序， 所述計(jì)算機(jī)程序包括用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至19中任一項(xiàng)所述的優(yōu)化方 法的步驟的指令。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于優(yōu)化波在介質(zhì)[4]的關(guān)注區(qū)[6]中的聚焦的方法，其中該波由多個(gè)源[3]組成的網(wǎng)經(jīng)過(guò)引入像差的元件[5]發(fā)射到介質(zhì)[4]，該引入像差的元件[5]引起初始的不定相移。根據(jù)本發(fā)明的方法提出使用所發(fā)射波的M-1個(gè)連續(xù)修正，每次修正引起微擾。根據(jù)本發(fā)明，在相位和/或振幅分布的每次修正時(shí)，測(cè)量關(guān)注區(qū)[6]中的M個(gè)微擾，這些測(cè)量用于推導(dǎo)出用于最大化在關(guān)注區(qū)[6]中引起的微擾的最優(yōu)聚焦特性。
文檔編號(hào)A61N7/02GK101631591SQ200880005824
公開(kāi)日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2008年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月21日
發(fā)明者G·蒙塔爾多, J-F·奧布里, M·佩爾諾, M·坦特爾, M·芬克, R·辛庫(kù)斯 申請(qǐng)人:超聲成像公司;國(guó)立科學(xué)研究中心