使用聚焦交叉超声波进行组织处理的治疗探头

摘要

本发明涉及一种包括用于将超声波聚焦于第一聚焦区域(Z

说明书

技术领域

本发明涉及包括由多个超声换能器元件形成的超声探头并适于发射高 强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound，HIFU)的设备或装置的技术领 域。

本发明的主题尤其有利地可应用于使用聚焦超声波的治疗处理领域。

背景技术

众所周知，聚焦超声波疗法可能造成由热效应和声空化活动(acoustic  cavitation activity)的组合引起的组织中的生物损伤(biological lesion)。这些组 织损伤的形状直接源自所使用的超声探头的发射表面的形状。

例如，传统球面HIFU超声换能器的自然几何聚焦是周期性的，但由于 几何像差(geometric aberration)的原因，聚焦区域具有椭圆的形状。同样，圆 环形(toroid-shaped)HIFU换能器导致得到环(ring)形或冠(crown)形的聚焦区 域。

无论超声换能器的形状如何，都应考虑到超声换能器的聚焦越准，聚焦 区域的空间分辨率和生物损伤情况就将越好。这使得能够保护与处于聚焦区 域中的组织相邻的组织，从而使得损伤体积（lesion volume）减小，且因此 使得处理时间更长。

为了减少处理时间，应增大由施加每个超声脉冲所引起的生物损伤的体 积。为此，可考虑不同的解决方案。例如，可设置以通过减小超声换能器的 开口来增大聚焦体积。然而，在这种情况下，也减小了超声波路径上的声压 梯度，并且换能器与聚焦区域之间的中间组织区域也随之被暴露于更大的加 热中。

另一解决方案包括通过减小工作频率来增大聚焦体积。然而，超声波频 率的减小还导致被吸收能量的减小，因此导致了组织中的热沉积(heat  deposition)。

还可考虑增大超声换能器所发射的声功率。然而，处于聚焦区域与换能 器之间的组织区域也随之暴露于更强的声功率，这会导致目标区域之外的损 伤。

专利US5873845提出另一种解决方案，包括在超声换能器前面放置耐 高温透镜以使聚焦区域变宽。虽然该方案简单且廉价，但其提供的性能有限， 而且所述透镜还吸收了所发射的部分声能。

专利EP0214782描述了另一种解决方案，涉及一种配备有透镜的超声换 能器，所述透镜使得能够从具有球面几何形状的换能器得到环状的聚焦。这 一特殊构造使得能够将聚焦区域变宽到环形的尺寸，但其也导致由于换能器 焦平面(focal plane)之外超声束的交叉而引起处于换能器中心轴上出现重叠 区域。该文献提供一种用于减小压区（pressure field）和所述重叠区域的系 统以便消除二次损伤的风险。

文献XP55009820描述了一种包括这样的发射回转表面的治疗探头，该 发射回转表面由凹形曲线段（其曲率中心位置远离对称轴）绕着对称轴旋转 而成。这一发射表面在侧投影面(profile plane)上具有相对于所述对称轴呈对 称的两个凹形曲线段，其中每个凹形曲线段的声轴都通过该凹形曲线段的曲 率中心和中部(middle)。

这样的换能器一方面使得能够得到由焦平面所界定的用于聚焦超声波 的环形，另一方面能够得到超声束交叉的区域。从该文献清楚可见地，与二 次压峰值对应的超声束的交叉区域位于焦平面的后方。

文献US2009/230823描述了一种包括换能器的治疗探头，该换能器具有 球形发射表面，其包括一连串能够被独立寻求（sought out independently）的 超声发射器。这些换能器组被取向为以共同焦点为目标。就这些换能器共焦 而言，这些声换能器的轴都聚焦于单个点上。

发明内容

本发明的目的在于通过提出一种适于得到相对较高体积的生物损伤同 时保护并不需要使用超声波处理的邻近生物区域的新型治疗探头来解决各 种现有技术解决方案的缺陷。

为了达到这一目的，所述用于使用聚焦超声波进行组织处理的治疗探头 包括由多个超声源形成的换能器，所述多个超声源分布在发射表面上以将超 声波聚焦于焦平面上所确立的第一聚焦区域中，所述发射表面在侧投影面内 具有两个凹形曲线段，所述两个凹形曲线段具有有限长度且相对于对称面或 相对于对称轴呈对称，每个凹形曲线段具有的声轴都通过该凹形曲线段的曲 率中心和中部，所述发射表面是通过使其中一个所述凹形曲线段绕所述对称 轴旋转来创建的或者是通过使所述两个曲线段都沿着与包含该曲线段的所 述侧投影面垂直的方向平移来创建的。

根据本发明：

-在所述侧投影面内，所述两个凹形曲线段沿循不重合且彼此相交的第 一圆和第二圆的弧部，所述两个凹形曲线段中的一个沿循所述第一圆的弧部 且该弧部处于所述第二圆内，而所述两个凹形曲线段中的另一个沿循所述第 二圆的弧部且该弧部处于所述第一圆内，

-每个曲线段具有声轴，该声轴与所述对称轴或所述对称面相交于所述 第一聚焦区域和所述发射表面之间，且所述声轴由介于1到50mm之间的间 隔距离而在所述第一聚焦区域处彼此隔开，使得所述发射表面的声束交叉以 创建出位于且处于所述第一聚焦区域和所述发射表面之间并与所述焦平面 隔开的第二聚焦区域，

-所述发射表面包括内缘，该内缘在所述对称轴或对称面两侧分别延伸 的对称部分由介于10到120mm之间的内间距彼此隔开，使得所述第二聚焦 区域的位置远离所述发射表面。

进一步，根据本发明的治疗探头可进一步具有以下一个和/或另一个附加 特征的组合：

-所述发射表面包括外缘，该外缘在所述对称轴或对称面两侧分别延伸 的对称部分由介于30到300mm之间的外间距彼此隔开，

-所述内缘在所述发射表面中界定出用于装设超声成像探头的容纳空间 （housing），

-每个凹形曲线段为凹形圆弧段，

-所述发射表面源自通过将其中一个所述凹形曲线段绕所述对称轴旋转 而创建的圆环形几何形状，从而使所述第一聚焦区域具有冠形，

-所述发射表面被相对于所述对称轴呈对称地截断，

-所述发射表面源自通过将两个所述曲线段沿着与包含该曲线段的所述 侧投影面垂直的方向平移经过有限长度而创建的圆柱形几何形状，从而使所 述第一聚焦区域具有双线性形状（dual linear shape）。

本发明还涉及一种用于通过发射聚焦超声波进行组织处理的治疗设备， 包括治疗探头，其超声源被属于控制电路部件的信号发生器所传送的信号激 活，以便将超声波聚焦于第一聚焦区域中，并得到位于且处于第一聚焦区域 和发射表面之间的第二聚焦区域。

附图说明

通过以下参照说明书附图提供的说明将显现各种其他特征，说明书附图 以非限制性示例的方式显示本发明主题的实施例。

图1为根据本发明的治疗探头的框图。

图2为根据本发明的圆环治疗探头的透视图。

图2A为根据图2所示本发明的圆环治疗探头的正视截面图。

图3为截断圆环形（truncated toroid）治疗探头的透视图。

图4为由两个圆柱部分组成的治疗探头的透视图。

图5为图4所示治疗探头的正视截面图。

具体实施方式

由图1更具体可见，本发明的主题涉及一种作为治疗设备I的部件的治 疗探头1，所述治疗设备I在一般意义上适用于使用高强度聚焦超声（HIFU） 来处理活体组织。治疗探头1具体包括换能器2，其包括一个或多个超声源 3，例如为压电元件。这些超声源3借助同轴电缆5经由放大级6连接至控 制电路7，该控制电路7传送信号以激活超声源3。由于控制电路7的生产 属于本领域技术人员的技术常识部分，因此不再对其具体进行描述。因而该 控制电路7通常包括借由放大级6连接至超声源的控制信号发生器。

换能器2具有用于发射聚焦超声波于第一焦平面Z₁的表面8，该第一焦 平面Z₁的几何形状取决于超声换能器的发射表面的形状。

在图1至图3所示的示例中，第一聚焦区域Z₁呈确立于焦平面Pf中的 环形或冠形，而在图4所示的示例中，第一聚焦区域Z₁具有确立于焦平面 Pf中的双线性形状。

在图1至图3所示的示例实施例中，超声换能器2的发射表面8为由有 限长度l且曲率中心C处于焦平面Pf中的凹形曲线段s₁绕着对称轴S旋转 所生成的回转面。曲率中心C处于相对于对称轴S而与所述曲线段s₁相对的 一侧。因而，通过曲率中心C和凹形曲线段s₁中部的声轴或聚焦轴a在焦平 面pf与发射表面8之间与对称轴S相交。所述发射表面8的几何形状可被视 为源自分割的圆环（intersected toroid）几何形状。

由图2和图2A清楚可见地，该发射表面8在侧投影面Pp中具有相对于 对称轴S呈对称的两个凹形曲线段s₁。因而，发射表面8的每个凹形线段s₁将超声波聚焦于第一聚焦区域Z₁的一点处，该点相对于发射表面8处于对称 轴S的另一边。因此，处于图2中右侧的曲线段s₁将超声波聚焦于第一聚焦 区域Z₁的左侧，反之亦然。

由图2和图2A所显现的，该发射表面8在侧投影面Pp中包括两个凹形 曲线段s₁，其分别沿循（follow）具有中心C的第一圆E₁的弧部和具有不同 于第一圆E₁中心的另一中心C的第二圆E₂的弧部。第一圆E₁和第二圆E₂并不重合，但彼此相交。两个凹形曲线段s₁中的一个（在图2和图2A中处 于左侧）沿循第一圆E₁的弧部，且第一圆E₁的该弧部处于第二圆E₂内。类 似地，两个凹形线段s₁中的另一个（在图2和图2A中处于右侧）沿循第二 圆E₂的弧部，且第二圆E₂的该弧部处于第一圆E₁内。

前述说明显示第一聚焦区域Z₁因而具有有着间隔直径De的环形。根据 一个有利特征，两个对称曲线段s₁的声轴a通过介于1到50mm之间的间隔 距离De而在焦平面Pf处彼此隔开。

应当注意在这些条件下，对于发射表面8的相对于对称轴S呈对称的两 个部分，对应的声轴a与对称轴S相交于处于第一聚焦区域Z₁和发射表面8 之间的交叉部I中的共同点处。因而，发射表面8的声束(beam)交叉以形成 位于且处于第一聚焦区域Z₁和发射表面8之间的第二聚焦区域Z₂。与超声 束的重叠区域对应的第二聚焦区域Z₂具有两个特征尺寸，即直径和长度h （图2）。

根据图1中更具体示出的另一特征，发射表面8具有以对称轴S为中心 的切口或开口10。发射表面8因而具有由此界定切口10的内缘8₁。内缘8₁ 相对于对称轴S呈对称的部分由介于10到120mm之间的内间距D_i而彼此隔 开。换言之，相对于对称轴S呈对称的两个曲线段的内缘8₁的部分由内间距 D_i而彼此隔开，使其能够改变直径并且还能够通过改变其长度h来使第 二聚焦区域Z₂的位置远离发射表面8。

如从图2清楚所示，第二聚焦区域Z₂位于焦平面Pf下方，由此使得能 够将声能带回到换能器的焦平面Pf与其发射表面8之间。与超声波的重叠区 域对应的第二聚焦区域Z₂被有利地用来造成大的生物损伤。

该技术与常规手段相反，常规手段推荐将声能沉积得远离换能器，且尤 其要超出焦平面Pf，以便最佳地保护处于焦平面Pf和换能器2之间的中间 生物构造。然而，本发明的关注在于使用处于焦平面Pf下方的声束重叠区域 作为处理区域，并消除焦平面以外超声束的交叉，这种交叉会导致不可控的 二次损伤，且该二次损伤会具有相对于待处理组织的几何形状毫不相干的非 常尖锐的几何形状。本发明使得能够控制由组合第一聚焦区域Z₁和第二聚焦 区域Z₂而产生的损伤的几何形状。

还可通过隔开内缘8₁相对部分的内间距D_i来调整第二聚焦区域Z₂的尺 寸和h。在这方面，应当注意内缘8₁有利地界定出用于装设超声成像探头 的容纳空间。外间距D_S使得能够使第二聚焦区域Z₂的位置离开焦平面P_f。 换言之，第二聚焦区域Z₂并不接触焦平面P_f。根据一个可选的实施例，第二 聚焦区域Z₂和第一聚焦区域Z₁彼此区分，即，它们是分离的。

尤其还可通过从界定发射表面8外周的外缘8₂在相对于对称轴S呈对称 的部分之间所取的外间距D_S来控制第二聚焦区域Z₂的尺寸。有利地，外缘 8₂在对称轴两侧分别延伸的对称部分通过介于30到300mm之间的外间距 D_S而彼此隔开。

根据图1和图2中所示的一个可选有益实施例，每个凹形曲线段s₁为凹 形圆弧段。在图1和图2所示的示例中，发射表面8为完整的回转面，其例 如包括一连串相对于彼此且相对于对称轴S同中心地装设的超声换能器元件 3。当然，如图3所示，可考虑将发射表面8相对于对称轴S对称地截断， 从而使该换能器限制于长度例如介于5到250mm之间的一部分分割圆环。 根据该示例实施例，换能器2具有一连串相对于彼此且相对于对称轴S同中 心地装设的超声换能器元件3，从而它们每个都呈现环形段或冠形段的形状。

图4和图5示出发射表面8的另一可选实施例，其中所述发射表面8是 通过将两个对称曲线段s₁沿垂直于侧投影面Pp（其包含所述两个曲线段s₁） 的方向X平移来创建的。该平移在X方向上经过适于发射表面8所需大小 的有限长度而完成。根据该可选实施例，发射表面8具有伪圆柱形、管状、 或由两个圆柱部组成的形状，而在图1和图2所示的示例中，发射表面8属 于回转形。然而，通过比较图2和图5所示，图4和图5中所示的发射表面 8在侧投影上的几何形状特性与图1和图2中所描绘的相同。

每个曲线段s₁具有凹形形状以及有限长度。两个曲线段s₁相对于与侧投 影面Pp垂直的对称面A₁呈对称。因而每个曲线段s₁的声轴a与对称面A₁相交于第一聚焦区域Z₁和发射表面8之间。发射表面8的每个曲线段s₁将 超声波聚焦于第一聚焦区域Z₁的一点处，该点相对于发射表面8位于对称面 A₁的另一边。因此，考虑到平面类型的对称性，第一聚焦区域Z₁具有双线 性形状。实际上，发射表面8的每个部分都在对称面A₁另一边沿着平行于 方向X在焦平面Pf上延伸的线段聚焦。

根据上述特性，两个对称曲线段s1的声轴a由内间距De在第一聚焦区 域Z₁处隔开。同样，根据该可选例，第二聚焦区域Z₂被创建得位于且处于 第一聚焦区域Z₁和发射表面8之间。第二聚焦区域Z₂的特性与相对于图1 和图2所描述的相同。

在前述说明中，发射表面8被显示为本质属于换能器2的部件。当然， 清楚的是，发射表面8可由换能器形成，但也可由反射镜(reflector)、声透镜、 或其他器件的表面形成。