專利名稱：空化活動的繪制和表征的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對充當(dāng)以任何頻率或頻率集合來輻射壓力/密度振蕩 (perturbation)的聲源的氣泡的定位、繪制和表征。本發(fā)明在治療性超聲治療的監(jiān)視中得到特別應(yīng)用，但是本發(fā)明也可以使用于例如超聲診斷系統(tǒng)和光聲成像中。
背景技術(shù)：
對于癌癥治療使用高強度聚焦超聲(HIFU)相較于其他歷史更久的治療手法來說具有幾個主要優(yōu)點它便宜、無創(chuàng)傷并且具有最小的副作用。然而，缺乏可靠的實時監(jiān)視系統(tǒng)阻礙了 HIFU的廣泛接受。在某個壓力閾值之上，通過組織傳播的高幅聲波可以自發(fā)成核(nucleate)并激勵小的、微米尺寸的氣泡，即已知為聲空化(acoustic cavitation)的現(xiàn)象?？栈瘹馀菰谂cHIFU激勵頻率不同的頻率范圍上重新發(fā)射部分入射超聲，這由于兩個原因而有用。首先，具有比原始HIFU源更高的頻率內(nèi)容的發(fā)射將更容易被周圍組織所吸收，這意味著空化可以大大改進熱沉積(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，與該改進的加熱相關(guān)聯(lián)的寬帶聲發(fā)射可以充當(dāng)治療的指示符。先前已以兩種方式之一來監(jiān)視HIFU照射期間的空化。一個選擇是使用高頻寬帶探頭(transducer)來充當(dāng)無源空化檢測器(P⑶)，所述無源空化檢測器(P⑶)記錄來自 ^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具有固定的焦點，從而僅提供關(guān)于固定區(qū)域的信息。應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)前在臨床實踐中還未采用空化監(jiān)視系統(tǒng)?？商鎿Q地，B超圖像中的強回聲(hyperechogenic)區(qū)域可以使得能夠使用飛行時間信息來檢測和定位氣泡活動(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，只有在關(guān)斷HIFU時才能拍攝B超圖像，以避免來自治療性超聲信號的干擾，并因而，該B超圖像將使得僅能夠檢測在HIFU激勵已經(jīng)停止之后存在的空腔(cavity)。因此，B超監(jiān)視不如 PCD監(jiān)視靈敏，并且之前已被示出為在檢測作為過度治療的指示的沸騰氣泡、而不是在檢測作為改進熱沉積的指示的慣性空化氣泡(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)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了用于定位對象中的氣泡的設(shè)備。該設(shè)備可以包括被布置為作為無源檢測器而操作的多個壓力波檢測器，所述壓力波檢測器可以是聲音檢測器。所述檢測器可以被布置為響應(yīng)于在源處產(chǎn)生的、可以處于聲音的形式中的壓力波的接收來產(chǎn)生輸出信號。所述源可以包括至少一個氣泡。該設(shè)備還可以包括處理部件，被布置為從所述檢測器接收信號并根據(jù)所述信號來確定所述源的位置?？梢詸M跨包括藥物投放系統(tǒng)的治療性、診斷和其他超聲應(yīng)用的廣泛領(lǐng)域來使用本發(fā)明。這些應(yīng)用中的一些應(yīng)用是高強度聚焦超聲(HIFU)。在其他應(yīng)用中，例如在藥物投放的環(huán)境下，使用具有處于用于診斷超聲和HIFU的幅度之間的幅度的壓力波。本發(fā)明事實上可以利用處于包括可聽聲音和次聲(infra-sound)的超聲范圍之外的聲音頻率的壓力波來使用。例如，在治療性超聲治療期間產(chǎn)生的沸騰氣泡可以產(chǎn)生可聽聲音，這可以被檢測到并用于定位和繪制空化。該設(shè)備還可以包括被布置為產(chǎn)生處于產(chǎn)生器頻率的超聲的超聲產(chǎn)生器。所述檢測器可以被布置為檢測處于與所述產(chǎn)生器頻率不同的至少一個檢測頻率的超聲。所述至少一個檢測頻率可以包括檢測頻率的范圍，所述產(chǎn)生器頻率在該范圍之外。例如，所述檢測器可以檢測到的頻率的范圍可以由被布置為對所述檢測器信號進行濾波的一個或多個濾波器來確定?？商鎿Q地或額外地，該范圍可以由檢測器自身的特性來確定。所述檢測器可以被布置為當(dāng)所述產(chǎn)生器激活時檢測超聲。所述處理部件可以被布置為確定所述源的位置，該位置是當(dāng)所述產(chǎn)生器激活時所述源的位置。所述產(chǎn)生器可以是治療性超聲產(chǎn)生器。該設(shè)備可以包括被布置為產(chǎn)生處于與所述產(chǎn)生器頻率不同的診斷頻率的超聲的診斷超聲產(chǎn)生器。該設(shè)備可以包括被布置為檢測處于診斷頻率的超聲的有源超聲檢測器。所述診斷產(chǎn)生器可以是也充當(dāng)有源超聲檢測器的探頭，或者其可以是單獨的產(chǎn)生器。所述處理部件可以被布置為從所述有源超聲檢測器接收信號。所述無源超聲檢測器中的至少一個無源超聲檢測器可以被布置為可替換地作為有源超聲檢測器而操作。所述無源超聲檢測器可以包括檢測器的陣列，其中每一個檢測器可以可替換地作為有源超聲檢測器而操作。這允許該設(shè)備在例如有源模式和無源模式的不同模式之間進行切換，并使用來自兩個模式的數(shù)據(jù)來定位或表征空化。如下面將更加詳細(xì)描述的，因為確定檢測器是充當(dāng)有源還是無源檢測器的內(nèi)容至少部分是對來自傳感器的信號執(zhí)行的處理的類型，所以這種操作是可能的。因此，所述處理部件可以被布置為對所述檢測器信號執(zhí)行兩個或更多不同的處理算法或方法，這允許所述處理部件并因此允許所述檢測器在需要時以有源或無源模式來操作。所述源可以包括單個氣泡。所述處理部件可以被布置為確定所述氣泡的位置。所述處理部件可以被布置為根據(jù)在所述檢測器處超聲信號的到達時間來確定所述氣泡的位置。所述源可以包括多個氣泡，并且所述處理部件可以被布置為所述處理信號以產(chǎn)生所述源的圖。例如，可以通過使用以下形式的關(guān)系、根據(jù)檢測器信號確定多個位置中的每一個位置處的強度來產(chǎn)生所述圖
權(quán)利要求
1.一種用于定位對象中的氣泡的設(shè)備，該設(shè)備包括被布置為作為無源檢測器而操作的多個壓力波檢測器，以響應(yīng)于接收到在包含至少一個氣泡的源處產(chǎn)生的壓力波而產(chǎn)生輸出信號；以及處理部件，被布置為從所述檢測器接收信號并根據(jù)所述信號來確定所述源的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括被布置為產(chǎn)生處于產(chǎn)生器頻率的壓力波的壓力波產(chǎn)生器，其中，所述檢測器被布置為檢測處于與所述產(chǎn)生器頻率不同的至少一個檢測頻率的壓力波。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述至少一個檢測頻率包括檢測頻率的范圍，所述產(chǎn)生器頻率在該范圍之外。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述檢測器被布置為當(dāng)所述產(chǎn)生器激活時檢測壓力波，且所述處理部件被布置為確定所述源的位置，該位置是當(dāng)所述產(chǎn)生器激活時所述源的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中的任一項所述的設(shè)備，其中，所述產(chǎn)生器是治療性聲音產(chǎn)生器，并且所述設(shè)備包括被布置為產(chǎn)生處于與所述產(chǎn)生器頻率不同的診斷頻率的壓力波的診斷壓力波產(chǎn)生器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，包括被布置為檢測處于診斷頻率的壓力波的有源壓力波檢測器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述診斷產(chǎn)生器是也充當(dāng)有源壓力波檢測器的探頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述處理部件被布置為從所述有源壓力波檢測器接收信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述無源壓力波檢測器中的至少一個無源壓力波檢測器被布置為替換地作為有源壓力波檢測器而操作。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中，所述無源壓力波檢測器包括檢測器的陣列，其中每一個檢測器能夠替換地作為有源壓力波檢測器而操作。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，其中，所述源包括單個氣泡，并且所述處理部件被布置為確定所述氣泡的位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，所述處理部件被布置為根據(jù)在所述檢測器處壓力波信號的到達時間來確定所述氣泡的位置。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項所述的設(shè)備，其中，所述源包括多個氣泡，并且所述處理部件被布置為處理所述信號以產(chǎn)生所述源的圖。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，所述處理部件被布置為通過使用以下形式的關(guān)系、根據(jù)檢測器信號確定多個位置中的每一個位置處的強度來產(chǎn)生所述圖其中，τ表示用于積分多個信號Hi (t)的啞積分變量，所述多個信號Hi (t)表示由每一個壓力波檢測器從一個或多個源接收的反向傳播信號，并且T表示任意積分時間間隔。
15.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述處理部件被布置為開啟所述壓力波產(chǎn)生器并測量所述檢測器檢測到壓力波的時間，從而確定所述源的位置。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備，其中，所述處理部件被布置為分析所述信號的至少兩個不同頻率分量，以確定所述源的特征。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中，所述頻率分量中的一個頻率分量是寬帶分量。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述頻率分量中的一個頻率分量包括產(chǎn)生器頻率的至少一個諧波。
19.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述處理部件被布置為濾除處于產(chǎn)生器頻率的諧波處的檢測器信號的分量從而產(chǎn)生濾波信號，并且根據(jù)所述濾波信號來確定所述源的位置。
20.一種用于定位對象中的氣泡的方法，該方法包括在多個無源壓力波檢測器的每一個處接收在包含至少一個氣泡的源處產(chǎn)生的壓力波；響應(yīng)于接收到所述壓力波而從每一個檢測器產(chǎn)生輸出信號；以及處理所述信號以確定所述源的位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括產(chǎn)生處于產(chǎn)生器頻率的壓力波，其中，檢測處于與所述產(chǎn)生器頻率不同的至少一個檢測頻率的壓力波。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述至少一個檢測頻率包括檢測頻率的范圍， 所述產(chǎn)生器頻率在該范圍之外。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或權(quán)利要求22所述的方法，其中，當(dāng)所述產(chǎn)生器激活時檢測壓力波，且所確定的所述源的位置是當(dāng)所述產(chǎn)生器激活時所述源的位置。
24.根據(jù)權(quán)利要求21至23中的任一項所述的方法，其中，所述產(chǎn)生器是治療性壓力波產(chǎn)生器，并且所述方法包括產(chǎn)生處于與所述產(chǎn)生器頻率不同的診斷頻率的振動。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，包括檢測處于診斷頻率的壓力波。
26.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，其中，由一個探頭來產(chǎn)生和檢測處于診斷頻率的壓力波。
27.根據(jù)權(quán)利要求所述的方法，其中，在有源模式和無源模式之間切換所述探頭。
28.根據(jù)權(quán)利要求20至27中的任一項所述的方法，其中，所述源包括單個氣泡。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其中，根據(jù)在所述檢測器處檢測到壓力波的時間來確定所述氣泡的位置。
30.根據(jù)權(quán)利要求20至27中的任一項所述的方法，其中，所述源包括多個氣泡，并且所述方法包括處理信號以產(chǎn)生所述源的圖。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，通過使用以下形式的關(guān)系、根據(jù)檢測器信號確定多個位置中的每一個位置處的強度來產(chǎn)生所述圖
32.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，包括開啟所述壓力波產(chǎn)生器并測量所述檢測器檢測到壓力波的時間；以及根據(jù)所述時間來確定所述源的位置。
33.根據(jù)權(quán)利要求20至32中的任一項所述的方法，包括分析所述信號的至少兩個不同頻率分量，以確定所述源的特征。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中，所述頻率分量中的一個頻率分量是寬帶分量。
35.根據(jù)權(quán)利要求33或權(quán)利要求34所述的方法，其中，所述頻率分量中的一個頻率分量包括產(chǎn)生器頻率的至少一個諧波。
36.根據(jù)權(quán)利要求20至35中的任一項所述的方法，包括濾除處于產(chǎn)生器頻率的諧波處的檢測器信號的分量從而產(chǎn)生濾波信號；并且根據(jù)所述濾波信號來確定所述源的位置。
37.一種用于定位包括至少一個氣泡的壓力波源的設(shè)備，該設(shè)備包括超聲探頭和無源壓力波檢測器；以及控制部件，所述控制部件被布置為開啟所述壓力波探頭并測量所述無源檢測器檢測到聲音的時間，從而確定所述源的位置。
38.一種定位包括至少一個氣泡的壓力波源的方法，該方法包括激活壓力波探頭；利用檢測器來檢測處于與探頭的頻率不同的頻率的壓力波；以及測量檢測到所述壓力波的時間，并據(jù)此來確定所述源的位置。
全文摘要
一種用于定位對象中的氣泡的設(shè)備包括被布置為作為無源檢測器而操作的多個壓力波檢測器，以響應(yīng)于接收到在包含至少一個氣泡的源處產(chǎn)生的壓力波而產(chǎn)生輸出信號；以及處理部件，被布置為從所述檢測器接收信號并根據(jù)所述信號來確定所述源的位置。
文檔編號A61N7/02GK102281918SQ200980153786
公開日2011年12月14日 申請日期2009年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月5日
發(fā)明者康斯坦丁.C.庫西奧斯, 瑪尼施.阿羅拉, 米克洛斯.吉昂吉, 羅納德.A.羅伊 申請人:艾西斯創(chuàng)新有限公司