Симметричные и предпочтительно отклоняемые случайные решетки для ультразвуковой терапии - RU2468840C2
Код документа: RU2468840C2
Чертежи
Описание
Это изобретение относится к ультразвуковым преобразователям с фазированной решеткой для терапевтических применений, например абляции тканей, доставки лекарств, доставки генов, гипертермии и растворения тромбов.
Ультразвук имеет много терапевтических применений, например абляцию тканей, доставку лекарств, гипертермию и растворение тромбов. Одноэлементные терапевтические преобразователи имеют ограничение фиксированной фокусной длины и нуждаются в механическом переносе для лечения разных участков тела. Для отклонения терапевтического пучка в разные положения в теле обычно применяются преобразователи с электронной фазированной решеткой. Из уровня техники известно, что электронно-отклоняемые решетки могут приводить к созданию побочных лепестков, которые приводят к нежелательному энергетическому воздействию, когда расстояние между элементами недостаточно мало.
Случайные и квазислучайные решетки были ранее показаны для применения в ультразвуковой терапии. E. Hutchinson и др., Aperiodic ultrasound phased array, патентная заявка PCT № WO 97/17018; J.F. Hand и др., Arrays of quasi-randomly distributed ultrasound transducers, патентная заявка PCT № WO 00/49598. В таких решетках распределение элементов рандомизировано. Квазислучайные решетки используют рандомизированные элементы, положение, форма и размер которых заключены в определенные границы, заданные пользователем. Такая рандомизация обуславливает нужную потерю регулярности, приводящую к снижению энергетического воздействия в побочных лепестках.
Проектирование оптимальной случайной решетки требует решения большого количества неизвестных параметров. Положение, форма и размер элементов, образующих решетку, в общем случае, являются случайными значениями, заключенными в определенных границах. Оптимальная решетка выбирается на основании минимизации функции стоимости, которая обычно определяется как наихудшее (наибольшее) отношение интенсивностей каждого побочного лепестка к главному лепестку, когда пучок отклоняется в фокус, в каждом из большого количества положений.
Неэффективность способов оптимизации, основанных на градиентном поиске, связана с наличием большого количества локальных минимумов. Адаптивные алгоритмы поиска, например генетические алгоритмы, трудно реализовать напрямую ввиду того, что задача сопряжена со значительными ограничениями (элементы не должны перекрываться). В попытке поставить задачу адаптивного поиска в безограничительном режиме, нужно ограничивать пространство решений классом задач, где множество решений можно выбирать в безограничительном режиме. Таким образом, на практике, при конструировании случайной решетки производится ограниченный исчерпывающий поиск. E.B. Hutchinson, и др., Design & optimization of an aperiodic ultrasound phased array for intracavity prostate thermal therapies, 23(5) MED. PHYS. 767-76 (1996). Один способ, используемый в технике, состоит в том, что размеры элементов ограничиваются двумя или тремя значениями размера. Id. По причине ограниченного поиска часто выбирается не вполне оптимальное множество.
Технический результат настоящего изобретения состоит в обеспечении симметричной решетки с упрощенной конструкцией.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения предусматривает фазированную ультразвуковую решетку для устройства генерации ультразвука, причем решетка включает в себя совокупность ультразвуковых элементов, так что ультразвуковые элементы решетки располагаются симметрично относительно точки или разделительной линии в решетке в отношении размеров, форм элементов и положений элементов, в которой, по меньшей мере, один элемент из совокупности элементов имеет размер и/или форму, который(ая) отличается от размера и/или формы остальных из совокупности элементов, и/или, по меньшей мере, одно расстояние между элементами отличается от остальных расстояний. В сходном варианте осуществления, размеры и/или формы ультразвуковых элементов выбраны случайно.
В другом сходном варианте осуществления, положения ультразвуковых элементов выбраны случайно. В другом сходном варианте осуществления, совокупность дистанций между положениями центров масс соседних ультразвуковых элементов является апериодической. В другом сходном варианте осуществления, ультразвуковые элементы решетки располагаются симметрично относительно поворота.
Также предусмотрено устройство для генерации ультразвука, включающее в себя любую из фазированных ультразвуковых решеток согласно любому из вышеописанных вариантов осуществления.
Другой предпочтительный здесь вариант осуществления изобретения предусматривает предпочтительно отклоняемую фазированную ультразвуковую решетку, имеющую совокупность ультразвуковых элементов, так что большинство более крупных элементов ультразвуковой решетки располагается в первой части решетки, и большинство более мелких ультразвуковых элементов располагается во второй части решетки, и так что первая часть находится ближе к предпочтительному направлению отклонения, чем вторая часть, причем решетка обеспечивает увеличение усиления за счет фокусировки и ослабление побочных лепестков по сравнению с традиционной решеткой, имеющей ультразвуковые элементы, расположенные независимо от размера ультразвукового элемента и предпочтительного направления отклонения. В сходном варианте осуществления, по меньшей мере, один элемент из совокупности элементов имеет размер и/или форму, который(ая) отличается от размера и/или формы остальных из совокупности элементов, и/или, по меньшей мере, одно расстояние между элементами отличается от расстояния остальных элементов. В другом сходном варианте осуществления, размеры и/или формы ультразвуковых элементов выбраны случайно до размещения элементов. В другом варианте осуществления, положения совокупности ультразвуковых элементов в, по меньшей мере, одной части выбраны случайно. В другом сходном варианте осуществления, совокупность ультразвуковых элементов в каждой части размещены случайно.
В другом сходном варианте осуществления, размеры ультразвуковых элементов выбраны случайно из двух распределений размеров элементов: первого распределения размеров ультразвуковых элементов и второго распределения размеров ультразвуковых элементов, так что средний размер в первом распределении больше, чем во втором распределении. В еще одном сходном варианте осуществления, элементы первой части выбраны случайно из первого распределения и элементы второй части выбраны случайно из второго распределения. В другом сходном варианте осуществления, каждая из первой части и второй части составляет примерно половину площади решетки. В другом сходном варианте осуществления, каждая из первой части и второй части составляет половину площади решетки.
В другом сходном варианте осуществления, совокупность расстояний между положениями центров масс соседних ультразвуковых элементов является апериодической. В еще одном сходном варианте осуществления, положения элементов выбраны случайным образом. В сходном варианте осуществления, решетка в любом из вышеописанных вариантов осуществления является одномерной, двухмерной или трехмерной. В другом сходном варианте осуществления, ультразвуковые элементы в любом из вышеописанных вариантов осуществления дополнительно содержат материал, выбранный из группы, состоящей из цирконат-титаната свинца (PZT), полимерного пьезоэлектрического материала и пьезокомпозитного материала. В другом сходном варианте осуществления, ультразвуковые элементы располагаются на искривленной поверхности. Например, искривленная поверхность является сферической оболочкой.
Другой предпочтительный здесь вариант осуществления изобретения предусматривает способ построения фазированной ультразвуковой решетки, способ включает в себя этапы, на которых выбирают ультразвуковые элементы случайного размера и размещают ультразвуковые элементы симметрично в решетке.
Другой предпочтительный здесь вариант осуществления изобретения предусматривает способ построения фазированной ультразвуковой решетки, способ включает в себя этапы, на которых выбирают ультразвуковые элементы случайного размера и размещают ультразвуковые элементы, причем более крупные ультразвуковые элементы располагают в первой части решетки, и более мелкие ультразвуковые элементы располагают во второй части решетки, так что первая часть находится ближе к предпочтительному направлению отклонения, чем вторая часть. В сходном варианте осуществления, способ дополнительно включает в себя этап, на котором оптимизируют расположение ультразвуковых элементов для отклонения в дополнительном направлении, причем оптимизация поддерживает усиление за счет фокусировки и минимизирует побочные лепестки.
На фиг.1 показан пример одномерной полностью случайной решетки и симметричной (полуслучайной) решетки, каждая из которых имеет всего 32 элемента.
На фиг.2 показана напряженность поля (диаграмма направленности пучка) в произвольных единицах как функция расстояния по оси абсцисс от центра решетки (x=0) для одномерной полностью случайной решетки, сфокусированной в плоскости, отстоящей на 80 мм от апертуры. Наблюдаемая производительность решетки (напряженность поля) обычно отличается в зависимости от того, отклонен ли пучок вправо или влево. В этом примере, решетка действует хуже при фокусировке в точке на расстоянии 20 мм от центра по сравнению с расстоянием в 20 мм, например, влево от центра. Интенсивность побочного лепестка как доля интенсивности главного лепестка указана в тексте над лепестками.
На фиг.3 показана напряженность поля от симметричной (полуслучайной) одномерной решетки с апертурой 48 мм и 32 элементами. Распределение поля симметрично в том смысле, что один и тот же уровень побочного лепестка наблюдается при отклонении в правую сторону или в левую сторону.
На фиг.4 показано сравнение интенсивности побочного лепестка (высота) как долю интенсивности главного лепестка (высоты) для полностью случайных решеток и симметричных (полу)случайных, одномерных решеток для 250 испытаний. Каждая точка представляет функцию стоимости для одного конкретного испытания. Меньшие значения указывают повышенную производительность. Данные указывают, что наилучшая полуслучайная решетка обеспечивает лучшую (т.е. более низкую) функцию стоимости, чем наилучшая полностью случайная решетка.
На фиг.5 показана напряженность поля от оптимальной полностью случайной решетки на основании данных, полученных из 10000 испытаний.
На фиг.6 показана напряженность поля от оптимальной симметричной (полуслучайной) одномерной решетки на основании данных, полученных из 10000 испытаний.
На фиг.7 показано сравнение полностью случайных и симметричных (полуслучайных) одномерных решеток для всех 10000 испытаний. Каждая точка представляет функцию стоимости для одного конкретного испытания. Меньшие значения указывают повышенную производительность. Данные показывают, что наилучшая симметричная (полуслучайная) решетка обеспечивает лучшую функцию стоимости, чем наилучшая полностью случайная решетка. Даже после 10000 испытаний, данные, полученные с использованием симметричной (полуслучайной) конструкции, обеспечивают более высокую производительность, чем с использованием полностью случайной конструкции.
На фиг.8 показана функция стоимости для оптимальных полностью случайных и симметричных (полуслучайных) решеток как функция положения фокуса. При увеличении дистанций отклонения от оси, возникают более крупные побочные лепестки. Оптимальная симметричная (полуслучайная) решетка демонстрирует более высокую производительность, чем оптимальная полностью случайная решетка (после 10000 испытаний). Для сравнения также показана функция стоимости для неслучайной решетки, которая демонстрирует худшую (более высокую) функцию стоимости, чем полностью случайная решетка и симметричная (полуслучайная) решетка.
На фиг.9 показан пример двухмерной полностью случайной решетки в круглой апертуре.
На фиг.10 показан пример симметричной двухмерной случайной решетки в круглой апертуре. 90-градусный сектор решетки наполняется элементами случайного размера и положения. Затем этот сектор разворачивается на 90, 180 и 270 градусов и воспроизводится для генерации решетки, симметричной относительно поворота (по радиусу).
На фиг.11 показаны данные, полученные из сравнения функций стоимости полностью случайной решетки и симметричной случайной решетки (симметрия по 90 градусов). Каждая точка представляет значение функции стоимости, полученное для одного испытания (более низкое значение указывает более высокую производительность). Полученные данные указывают, что наилучшая симметричная случайная решетка обеспечивает более высокую производительность, чем наилучшая полностью случайная решетка.
На фиг.12 показана зависимость напряженности поля в произвольных единицах по оси ординат, от ширины элемента при внеосевой фокусировке для трех одномерных линейных решеток (неслучайных) с апертурой 36 мм с центром в x=0. Размер апертуры (произведение ширины элемента и количества элементов) остается постоянным для всех трех случаев. Длина волны была равна 1,5 мм, и побочные лепестки не наблюдались в первых двух случаях (значения ширины = 0,3 и 0,6 мм). Побочный лепесток наблюдался при ширине 1,2 мм. Даже в отсутствие побочных лепестков, оказалось, что меньшие значения ширины элементов приводят к повышению интенсивности сигнала (0,3 мм против 0,6 мм). Не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией или механизмом действия, эта корреляция объясняется тем, что направленность меньшего элемента лучше, чем для большого элемента. Когда ширина увеличивается до 1,2 мм, интенсивность сигнала в фокусе дополнительно спадает вследствие увеличения размера и появления побочного лепестка. Таким образом, эти данные указывают, что элементы меньшей ширины дают лучшие результаты, чем элементы большей ширины.
На фиг.13 показана одномерная случайная линейная решетка и одномерная сортированная линейная случайная решетка. Верхняя панель демонстрирует случайную решетку с размерами элементов в диапазоне от 0,9 мм до 1,5 мм. Нижняя решетка использует тот же набор элементов, что и верхняя решетка, однако элементы отсортированы так, чтобы размеры элементов увеличивались в порядке возрастания слева (отрицательное направление x) направо (положительное направление x). Таким образом, когда координата x увеличивается от начала отсчета, размер элемента также возрастает (не обязательно как линейная функция x).
На фиг.14 показана зависимость напряженности поля от перераспределения случайных элементов в одномерных случайных решетках, показанных на фиг.13. Наилучшее отклонение вправо (положительные x) и уменьшенные побочные лепестки можно видеть для сортированной решетки, в особенности, когда пучок фокусируется в x=20 мм на плоскости (z = 30 мм).
На фиг.15 показаны случайные решетки, имеющие два разных распределения для размеров элементов: одно распределение, равномерно распределенное по интервалу от 0,7 мм до 1,3 мм (18 элементов), и другое от 1,2 мм до 1,8 мм (12 элементов). Размер полной апертуры такой же, как на фиг.13 (36 мм). Показаны две конфигурации, являющиеся зеркальными отражениями друг друга, одна, в которой более крупные элементы распределены влево (верхняя панель), и другая, в которой более крупные элементы распределены вправо (нижняя панель).
На фиг.16 показана напряженность поля от преобразователей случайной решетки, имеющей два разных распределения для размеров элементов, которые показаны на фиг.15. Функция, идентифицированная как "[Большой; маленький], показывает данные из верхней панели, показанной на фиг.15, в которой более крупные элементы распределены влево, и функция, идентифицированная как "[Маленький; большой], показывает данные из нижней панели на фиг.15, в которой более крупные элементы распределены вправо. Решетка была настроена на фокусировку в 20 мм от оси на дистанции 30 мм от решетки (т.е. x=20, z=30 мм). Данные показывают, что наилучшее отклонение (вправо) достигается для решетки, указанной как [Маленький; большой].
На фиг.17 показана двухмерная случайная решетка (вверху) и сортированная версия этой решетки (внизу). Сортировка производилась в каждой строке для размещения более мелких элементов слева. (Небольшие вариации в размерах элементов не видны при разрешении на графике.)
На фиг.18 показана напряженность поля для двухмерных полуслучайных решеток, показанных на фиг.17. Для сравнения также показана диаграмма пучка от неслучайной решетки. Как и в предыдущем результате, полученные здесь данные показывают, что сортированная случайная решетка дает более высокую производительность.
Ультразвуковые элементы могут быть выполнены из цирконат-титаната свинца (PZT), полимерного пьезоэлектрического материала или пьезокомпозитного материала.
Полностью случайная одномерная решетка, в общем случае, демонстрирует асимметричное поведение, когда пучок возбуждается в одну или другую сторону решетки, например, побочные лепестки могут быть малыми при отклонении влево, но большими при отклонении вправо. Это явление имеет место, когда средний размер элементов больше на левой стороне, чем на правой стороне. Подобная ситуация имеет место в случае двухмерной решетки.
Для описания этого изобретения, предположим, что решетка ультразвуковых элементов лежит в плоскости x-y при z=0, причем ее ось выровнена с осью z. Решетка возбуждается для фокусировки в разных точках, которые все лежат в той же плоскости x-y на некоторой дистанции от решетки, например в разных точках, лежащих на круге в плоскости x-y. По существу, решетка возбуждается для фокусировки в разных направлениях ["на круге" относится только к 2D, а не к 1D решеткам].
По сравнению с поведением решетки в разных направлениях, уровень побочного лепестка будет мал в определенных направлениях, но не в других. Поэтому, пока очень большое количество случаев не будет испытано в исчерпывающем поиске, использование полностью случайной решетки приводит к тому, что побочные лепестки имеют низкий уровень при отклонении в одном направлении, но высокий уровень при отклонении в других направлениях.
Широкий диапазон терапевтических применений ультразвука обуславливает необходимость в решетках с разными свойствами. Например, в то время как в эндоректальном преобразователе для лечения рака простаты желательно "прямое отклонение", обратное отклонение не имеет значения, поскольку преобразователь можно слегка отклонить для достижения других областей. Даже в ситуациях, когда предпочтительное отклонение не имеет особого значения, стоимость конструкции решетки все же имеет значение. Соответственно, задачей этого изобретения является обеспечение решетки, в которой конструкция решетки проще, чем в современных моделях, и решетка не страдает асимметричным поведением в ходе отклонения от одного направления к другому. Другой задачей этого изобретения является обеспечение решетки, которая демонстрирует улучшенные фокусировку и терапию, когда пучок отклоняют в одну сторону решетки.
В одном варианте осуществления этого изобретения, усовершенствование по сравнению со случайной решетки достигается за счет принудительного ограничения по симметрии. Например, в одномерной решетке, вместо построения полной апертуры со 128 элементами случайного размера/распределения, около половины апертуры строится с использованием 64 элементов, и другая половина выполняется путем зеркального отражения первой половины. В случае двухмерных решеток, только угловая (секторная) часть решетки строится с использованием случайных элементов, и остальные секторы в решетке заполняются теми же элементами путем разворота положений всех элементов в первом секторе на соответствующие углы. Настоящее изобретение также включает в себя преобразователь, который имеет искривленную поверхность, расположенную в трех измерениях с глубиной.
В этой заявке выражение "полностью случайная решетка" относится к решеткам, не имеющим ограничений по симметрии. Выражения "полуслучайная решетка" и "симметричная случайная решетка" относятся к одномерным и двухмерным случайным решеткам, соответственно, которые имеют, по меньшей мере, одну степень симметрии.
Преимущество состоит в том, что при задании ограничения по симметрии, конструкция решетки упрощается, и решетка не страдает асимметричным поведением от одного направления к другому. В одномерном случае, только половину элементов необходимо оптимально выбирать, а другая половина выбирается симметрично. В двухмерном случае, когда нужна симметрия относительно осей x и y, нужно строить только четверть решетки, а остальные три четверти выбираются симметрично относительно разворота. Это значительно упрощает проектирование оптимальной случайной решетки.
В некоторых вариантах осуществления, решетка имеет симметрию относительно разворота. Например, решетка делится на несколько частей, например одинаковых частей. Например, круглая геометрия делится на несколько секторов, причем каждый сектор содержит апериодические и/или случайные элементы; однако, все секторы транспонируемы, например, разворот одного сектора относительно центра решетки создает видимость другого сектора. Иллюстративный вариант осуществления включает в себя круглую двухмерную решетку с четвертной симметрией. В других вариантах осуществления, осуществляется симметрия 1/N, где N является целым числом, большим или равным двум.
Помимо конструктивных преимуществ, другие преимущества симметричной случайной решетки проявляются на стадии калибровки и тестирования. Для случайной решетки необходимо производить согласование импедансов для каждого элемента. Такая процедура требует больших материальных и временных затрат, особенно, когда она повторяется для каждой возможной рабочей частоты. При введении симметрии необходимо тестировать только конструируемую часть решетки. Например, для двухмерной решетки, где конструируется только четверть решетки, необходимо тестировать и калибровать только четверть решетки. Кроме того, если для сохранения параметров возбуждения для разных фокальных областей используются заранее составленные поисковые таблицы, необходимо калибровать только четверть фокальных областей.
Одна проблема, которая может возникать при уменьшении количества элементов конструкции за счет симметрии, состоит в том, что степень случайности снижается. Однако это не существенно, что следует из нижеследующего рассмотрения и полученных здесь результатов. Для двухмерной решетки, при условии, что элементы имеют круглую форму, существует три неизвестных: координаты x и y центра элементов и радиус элемента. Даже при квантовании этих трех величин на пять уровней, количество возможных комбинаций для исчерпывающего поиска 128 элементов будет равно 1089 (для простоты не принимаем во внимание ограничение на отсутствие перекрывания). Однако, при необходимости конструировать только 32 элемента (четверть от 128), количество возможных комбинаций равно 1022, т.е. все еще достаточно велико. Введение симметрии в решетки обеспечивает адекватные конструкции и, как следует из данных, приведенных в примерах, обеспечивает решетки, которые работают лучше, чем полностью случайные решетки. Кроме того, есть признаки того, что характеристики наилучшей полностью случайной решетки в какой-то степени приближаются к характеристикам симметричной решетки.
В обеспеченных здесь системах важной особенностью является ограничение по симметрии в случайной решетке. Например, в одномерном случае, вместо построения одномерной решетки со 128 элементами, случайным образом заполняющими полную апертуру, строится лишь около половины апертуры с 64 элементами. Для заполнения другой половины используется зеркальное отражение элементов. В двухмерном случае с круглой апертурой, только секторная часть (например, угол в 90 градусов) решетки строится с использованием случайных решеток. Другие секторы заполняются с использованием того же набора элементов путем разворота их положений на соответствующие углы (90, 180 и 270 градусов) относительно центра решетки.
Нижняя панель на фиг.1 демонстрирует такой вариант осуществления одномерной полуслучайной решетки. Для оценки и сравнения этой полуслучайной решетки с полностью случайной решеткой, производили моделирование в FIELD II. (Field II - это пакет программ для моделирования полей ультразвукового преобразователя и формирования ультразвукового изображения с использованием линейной акустики.) Одномерные случайные решетки моделировались с размером апертуры 48 мм. Полное количество элементов для двух случаев составляло 32. Размеры элементов были случайно распределены от 1,25 мм до 1,75 мм, причем средний размер составлял 1,5 мм (для простоты, зазор при моделировании не использовали). Рабочая частота составляла 1,5 МГц. Для полностью случайного случая, полная апертура 48 мм была заполнена 32 элементами. Для случая симметричной (полуслучайной) решетки, половина размера решетки 24 мм, была заполнена 16 элементами и затем зеркально отражена для получения другой половины.
На фиг.2 показана диаграмма направленности пучка из одной реализации полностью случайной одномерной решетки для двух фокусов, находящихся по любую сторону от решетки в плоскости, отстоящей на 80 мм от решетки. Побочный лепесток, когда фокус находился в +20 мм, составлял 28% интенсивности главного лепестка. Наблюдалась более высокая производительность, когда пучок был сфокусирован в другую сторону, при этом побочный лепесток составлял лишь 12% от главного лепестка. Поскольку, в общем случае, не существует предпочтительного отклонения в одну сторону, функция стоимости для этой реализации составляет 28%.
На фиг.3 показана диаграмма направленности пучка, полученная из одной реализации полуслучайной решетки. Диаграмма направленности пучка одинакова независимо от того, находится ли фокус в точке +20 или -20 мм, при этом функция стоимости равна 21%. Следует указать, что прямое сравнение результатов фиг.2 и 3 невозможно, поскольку они относятся к одному конкретному испытанию случайных решеток. Согласно уровню техники, для выбора оптимальной решетки было произведено 250 испытаний. E.B. Hutchinson, и др., Design & optimization of an aperiodic ultrasound phased array for intracavity prostate thermal therapies, 23(5) MED. PHYS. 767-76 (1996). Соответственно, на фиг.4 показаны функции стоимости для 250 испытаний, причем на графике каждой реализации соответствует одна точка. Наилучшая симметричная (полуслучайная) решетка продемонстрировала более высокую производительность, чем наилучшая полностью случайная решетка.
Для дальнейшего сравнения полностью случайной и полуслучайной одномерной решетки провели всего 10000 испытаний. На фиг.5 показана напряженность поля от наилучшей (оптимальной) полностью случайной решетки. Интенсивность побочного лепестка оказалась значительно сниженной по сравнению с показанной на фиг.2. Диаграммы направленности пучка при расположении фокусов в точках +20 и -20 мм оказались достаточно симметричными. На фиг.6 показана напряженность поля для оптимальной полуслучайной решетки. Диаграммы направленности пучка (напряженность поля) для двух фокусов оказались симметричными и продемонстрировали еще меньшие побочные лепестки по сравнению с оптимальной полностью случайной решеткой. На фиг.7 показаны графики функции стоимости для двух решеток для 10000 испытаний, которые также подтверждают лучшее поведение симметричной (полуслучайной) решетки по сравнению с полностью случайной решеткой.
Дополнительное сравнение оптимальных полностью и полуслучайных (симметричных) решеток (выбранных после 10000 испытаний) производили для определения эффекта изменения положений фокусов в более чем двух точках. На фиг.8 показаны диаграммы направленности пучков, полученные для переменного фокуса в диапазоне от -30 мм до 30 мм. Можно видеть, что оптимальная полуслучайная решетка обеспечивает более низкую функцию стоимости по сравнению с оптимальной полностью случайной решеткой. Полностью случайная решетка формирует неприемлемо высокие побочные лепестки при фокусировке в точках -30 мм и 30 мм, по сравнению с неслучайной с постоянной шириной элемента 1,5 мм.
Теперь опишем другой вариант осуществления двухмерных случайных решеток. Решетка содержит круглую апертуру 40 мм, заполненную 120 элементами. Элементы в этом варианте осуществления имеют круглую форму со случайными радиусами, равномерно распределенными от 1 до 2 мм. Рабочая частота равна 1,5 МГц. На фиг.9 показана одна реализация полностью случайной двухмерной решетки. На фиг.10 показана одна реализация двухмерной симметричной случайной решетки с 90-градусной симметрией. Для этой решетки 30 элементов были случайно выбраны для заполнения одного квадранта, после чего другие квадранты были заполнены путем размещения тех же элементов с разворотом квадранта на 90, 180 и 270 градусов.
Для сравнения функций стоимости для полностью случайной и симметричной случайной решеток диаграмма направленности пучка модели была построена в FIELD II для 8 положений фокуса (по одному, а не одновременно несколько фокусов). 8 фокальных пятен располагались по кругу и лежали в плоскости, отстоящей на 80 мм от решетки. Эти 8 фокальных точек отстояли друг от друга на 45 градусов по кругу радиусом 20 мм. Зафиксировали наихудшее отношение побочного лепестка к главному лепестку. Ввиду ограничений по времени вычислений было проведено 250 испытаний вместо 10000 для одномерного случая. Однако предполагается, что статистическая значимость была достигнута.
На фиг.11 показана функция стоимости, полученная для этих 250 испытаний для каждой из полностью случайной и симметричной двухмерной случайной решеток. Оказалось, что даже при таком большом количестве испытаний симметричная случайная решетка обеспечивает повышенную производительность. Поэтому, несмотря на то что степень случайности снижается для симметричной решетки, производительность фактически оказывается выше, чем при полной случайности.
Согласно принципам настоящего изобретения, другой вариант осуществления предусматривает апертуру двухмерной случайной решетки, которая имеет некруглую форму, например прямоугольную, треугольную, пятиугольную, n-угольную, эллиптическую, трапецеидальную, ромбовидную или квадратную.
В других вариантах осуществления, угол сектора для симметрии не ограничивается 90 градусами и может находиться, например, в диапазоне от 0 до 180 градусов. Углы от 20 до 180 градусов обеспечивают большее разнообразие диапазонов направленности ультразвуковых элементов для симметричного воспроизведения.
Вышеописанные варианты осуществления можно использовать в любом приложении, где сфокусированный ультразвуковой пучок используется для термической абляции ткани. Типичные примеры включают в себя лечение поражений головного мозга, фибромы матки, абляцию опухоли печени, абляцию опухоли молочной железы и пр. Варианты осуществления также включают в себя способы использования ультразвука для растворения тромбов, например, у пациентов с глубоким венозным тромбозом (DVT).
Вышеописанные варианты осуществления также можно использовать в применениях, где необходимы термически индуцированные биоэффекты, например лечение локализованных генов, доставка лекарства и доставка белка.
Хотя случайные решетки предназначены для терапевтических целей, очевидно, что вышеописанные варианты осуществления можно применять также к решеткам ультразвукового формирования изображения.
В другом варианте осуществления изобретения, элементы располагаются так, что более крупные элементы находятся ближе к предпочтительному направлению отклонения, и более мелкие элементы располагаются на другой (дальней) стороне решетки, обеспечивая улучшенную фокусировку и терапию, когда пучок отклоняется в одну сторону решетки.
Более мелкие элементы имеют преимущество по сравнению с более крупными элементами в нескольких отношениях: они имеют относительно более изотропную диаграмму направленности пучка по сравнению с крупными элементами, генерируя ультразвуковые пучки, которые легче отклонять от более мелких элементов вне оси, особенно вблизи решетки. Кроме того, побочные лепестки ниже, когда используются более мелкие элементы. Снижение побочных лепестков ведет к повышению энергетического воздействия в главном лепестке, и этот признак особенно полезен при внеосевом отклонении пучка.
Пример простой неслучайной решетки иллюстрирует вышеописанный вариант осуществления. Три одномерные линейные решетки с постоянными размерами элементов (неслучайные решетки) были смоделированы с использованием программы FIELD II. Размер полной апертуры был одинаковым во всех трех случаях, а именно 36 мм. Значения ширины элементов для трех случаев составляли 0,3 мм, 0,6 мм и 1,2 мм, соответственно, и количества элементов составляли 120, 60 и 30 соответственно. Частота была задана равной 1,0 МГц, что соответствует длине волны 1,5 мм. Для простоты, зазор при моделировании не использовали, и поэтому расстояние между элементами определяется значениями ширины элементов. Побочные лепестки не наблюдались в первых двух случаях.
На фиг.12 показана напряженность поля, наблюдаемая от трех решеток, когда пучок был настроен на фокусировку в 20 мм от оси в плоскости, отстоящей на 30 мм от апертуры. Данные показывают, что интенсивность сигнала в фокусе постепенно снижается с увеличением размера элемента. Даже в отсутствие побочных лепестков, меньшие значения ширины элементов приводят к повышению интенсивности сигнала (0,3 мм против 0,6 мм). Причина в том, что направленность более мелких элементов лучше. Когда ширина увеличивается до 1,2 мм, интенсивность сигнала в фокусе дополнительно спадает вследствие увеличения размера и появления побочного лепестка. Таким образом, предпочтительно иметь более мелкие элементы.
Вышеописанные случайные решетки минимизируют побочные лепестки, даже когда расстояние между элементами больше, чем λ/2, где λ - акустическая длина волны (E. Hutchinson и др., Aperiodic ultrasound phased array, патентная заявка PCT № WO 97/17018; J.F. Hand и др., Arrays of quasi-randomly distributed ultrasound transducers, патентная заявка PCT № WO 00/49598). Однако они имеют тенденцию к снижению возможности отклонения при внеосевом отклонении пучка, что рассматривается здесь в связи с использованием более крупных элементов. Для иллюстрации этого рассмотрим другой пример. На фиг.13 показаны две конфигурации случайной решетки с одним и тем же набором элементов случайного размера. Размеры элементов были выбраны из однородного распределения от 0,9 мм до 1,5 мм (квантованного с точностью 0,05 мм). Количество элементов равно 30 и размер полной апертуры такой же, как в предыдущем примере (36 мм). Решетка в нижней панели фиг.13 использует тот же набор элементов, что в верхней панели, и элементы в нижней панели были дополнительно отсортированы для размещения элементов в порядке возрастания размеров слева направо. Средний размер элемента для обеих решеток равен 1,2 мм.
На фиг.14 показаны диаграммы направленности пучков от двух решеток, когда фокусировка была задана на 20 мм вправо в плоскости, отстоящей на 30 мм от апертуры. Обе случайные решетки демонстрируют улучшение по сравнению с решетки с фиксированным размером элемента 1,2 мм (черная кривая на фиг.12 - если вам действительно нужны цветные графики, сообщите нам; в противном случае разные графики будут выглядеть похоже при печати в градации серого). Однако сортированная случайная решетка демонстрирует еще большее улучшение по сравнению с несортированной решеткой, использующей тот же набор элементов. Улучшение обусловлено размещением более крупных элементов, которые имеют сравнительно более низкую направленность элемента, ближе к фокальному пятну. Более мелкие элементы, которые имеют более высокую направленность, располагались дальше от фокального пятна. Сортированная случайная решетка продемонстрировала снижение побочного лепестка. Таким образом, выяснилось, что такая сортированная решетка имеет более высокую возможность отклонения в одну сторону решетки. Отклонение на другой стороне решетки, хотя и сравнительно менее эффективное вследствие более мелких элементов, можно скомпенсировать для внутренних преобразователей, например эндоректального зонда, т.е. обычно имеется возможность успешного отклонения в тело, и фокусировка в другую сторону можно затем легко осуществлять, просто слегка отводя преобразователь.
Вариант осуществления предусматривает использование расположения случайных элементов, в которой более крупные элементы располагаются ближе к предпочтительному направлению отклонения, и более мелкие элементы располагаются на другой стороне, дальше от предпочтительного направления. Согласно фиг.14, усиление за счет фокусировки повышается, и побочные лепестки снижаются для этой решетки по сравнению с наблюдаемыми для случайной решетки, имеющей, однако, такой же набор размеров элементов.
Оптимизация была произведена в сходных вариантах осуществления для выбора наилучшего распределения элементов, раскрытого в патентах. E. Hutchinson и др., Aperiodic ultrasound phased array, патентная заявка PCT № WO 97/17018; J.F. Hand и др., Arrays of quasi-randomly distributed ultrasound transducers, патентная заявка PCT № WO 00/49598. Однако следует заметить, что наилучшая конфигурация, описанная в этих патентах, не имеет возможности предпочтительного отклонения, которая обеспечивается способами настоящего изобретения. Соответственно, они будут работать хуже по сравнению с предложенной решеткой, когда необходимо предпочтительное отклонение.
На фиг.13, нижняя панель демонстрирует вариант осуществления предпочтительно отклоняемой решетки, в котором сначала выбирается одномерная случайная решетка, после чего элементы сортируются в порядке возрастания размера. Диаграммы направленности пучка определяются с помощью моделей или экспериментов для набора фокальных пятен в одном направлении решетки. Схема оптимизации реализована с разными испытаниями сортированных случайных решеток для выбора наилучшей конфигурации, т.е. решетки, которая имеет наивысшую производительность, которая определяется усилением за счет фокусировки и/или уровнями побочных лепестков. Дополнительно, производится оптимизация, которая включает в себя хорошее отклонение на указанный угол в обратном направлении.
На фиг.15 показан еще один пример варианта осуществления одномерных линейных решеток. Здесь решетка построена из двух распределений размеров элементов: одно распределение имеет больший средний размер, и другое имеет меньший средний размер. Предпочтительно, количество элементов в обоих наборах выбирается так, чтобы каждый набор заполнял половину решетки. Элементы большего распределения заполняют сторону решетки, которая используется для получения лучшего или предпочтительного отклонения.
На фиг.16 показаны данные, полученные из диаграмм направленности пучка, обеспечиваемых случайными решетками, показанными на фиг.15, в которых фокусировка была произведена в правую сторону. Можно видеть, что при расположении, в котором элементы из распределения большего размера размещают в правой половине решетки, наблюдается значительное улучшение отклоняемости по сравнению с расположением, где более мелкие элементы размещают в правой половине. Стратегии оптимизации можно дополнительно применять для выбора среди распределений, которые имеют наивысшую производительность в отношении усиления за счет фокусировки и/или уровней побочных лепестков.
Специалистам в данной области техники очевидно, что если обратное отклонение предпочтительно необходимо, то вышеописанные варианты осуществления можно применять путем смены положений более крупных и более мелких элементов.
Дополнительный вариант осуществления предусматривает двухмерную решетку, которая требует усовершенствованного или улучшенной отклоняемости в одном направлении, например, когда целевая ткань располагается по одну сторону от акустического окна, например, при подреберном доступе к сердцу. Для иллюстрации двухмерного применения была смоделирована полуслучайная двухмерная решетка с 256 элементами (16×16) (фиг.17). Апертура представляла квадрат размером 36 мм × 36 мм, и размеры элементов в направлении x были выбраны из однородного случайного распределения от 1,75 мм до 2,75 мм (квантованного с шагом 0,05 мм). Для простоты размеры элементов в направлении y были выбраны постоянными и равными 2,25 мм. Разные случайные распределения были выбраны для каждой из 16 строк, и, таким образом, двухмерная решетка представляла собой набор одномерных случайных решеток. Поскольку зазор был задан равным нулю, расстояние между элементами определялось значениями ширины элементов. На фиг.18 показана диаграмма направленности пучка на частоте 1 МГц (λ=1,5 мм), причем фокус был задан в точке в 25 мм вправо от оси на расстоянии 80 мм от апертуры, как для исходной решетки, так и для сортированной решетки. Также для сравнения показана диаграмма направленности пучка от неслучайной решетки с постоянными размерами элементов 2,25 мм. Эти данные показывают, как и в вышеописанных вариантах осуществления, что сортированная случайная решетка дает более высокие результаты.
Вышеописанный вариант осуществления также можно распространить на одномерные или двухмерные решетки, в которых элементы располагаются на искривленной поверхности, например сферической оболочке.
Вышеописанный вариант осуществления можно использовать в любом приложении, для которого сфокусированный ультразвуковой пучок используется для термической абляции ткани, и преобразователь нужно продвигать в тело. Обычно он применяется во внутриполостных преобразователях, например, используемых для лечения простаты, преобразователях на основе катетера, которые могут не иметь возможности выходить за пределы анатомической области по причине блокады или опасности отрыва тромба, преобразователях для лапароскопической терапии, и преобразователях для лечения фибромы матки. Применения на основе катетера включают в себя растворение тромбов и электрофизиологические (EP) применения для коррекции аномального электрического возбуждения клеток сердца.
Объем представленных здесь вариантов осуществления также охватывает трансгорловые или трансбрюшные применения, например применения, в которых объем лечения располагается со значительным асимметричным сдвигом относительно акустического окна. Эти применения включают в себя доступ к сердцу из подреберья или из конкретного межреберного промежутка, или трансбрюшной доступ к печени или другим органам в обход кишок или мочевого пузыря. Изобретение также можно использовать в применениях, для которых необходимы термически индуцированные биоэффекты например лечение локализованных генов, доставка лекарства, доставка белка и т.д.
В общем случае, случайно выбранные размеры и положения элементов генерируются любыми стандартными средствами генерации случайных чисел. Эти средства включают в себя генераторы случайных чисел, таблицы случайных чисел, случайные распределения и квазислучайные распределения.
Вышеописанные варианты осуществления, в общем случае, применимы к различным размерам ультразвуковых элементов. Они включают в себя, но без ограничения, элементы с размерами в диапазоне от около 0,1 мм до около 100 мм.
Также очевидно, что другие и дополнительные формы изобретения, и варианты осуществления, отличные от конкретных и иллюстративных вариантов осуществления, описанных выше, можно предложить, не выходя за рамки сущности и объема прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов, и поэтому предполагается, что объем этого изобретения охватывает эти эквиваленты и что описание и формула изобретения призваны быть иллюстративными и не должны рассматриваться в порядке дополнительного ограничения.
Реферат
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к ультразвуковым преобразователям для терапевтических применений. Полуслучайная фазированная ультразвуковая решетка содержит непрерывный ряд из по меньшей мере 32 ультразвуковых элементов, расположенных как одномерный ряд или как двухмерная группа. Ультразвуковые элементы решетки расположены симметрично в отношении размеров элементов и/или положений элементов, причем половина решетки заполнена элементами со случайно распределенными размерами и зеркально отражена для получения другой половины. Использование изобретения позволяет упростить конструкцию решетки. 7 з.п. ф-лы, 18 ил.
