CN102281918A - 空化活动的绘制和表征 - Google Patents

Abstract

一种用于定位对象中的气泡的设备包括：被布置为作为无源检测器而操作的多个压力波检测器，以响应于接收到在包含至少一个气泡的源处产生的压力波而产生输出信号；以及处理部件，被布置为从所述检测器接收信号并根据所述信号来确定所述源的位置。

Description

空化活动的绘制和表征

技术领域

本发明涉及对充当以任何频率或频率集合来辐射压力/密度振荡(perturbation)的声源的气泡的定位、绘制和表征。本发明在治疗性超声治疗的监视中得到特别应用，但是本发明也可以使用于例如超声诊断系统和光声成像中。

背景技术

对于癌症治疗使用高强度聚焦超声(HIFU)相较于其他历史更久的治疗手法来说具有几个主要优点：它便宜、无创伤并且具有最小的副作用。然而，缺乏可靠的实时监视系统阻碍了HIFU的广泛接受。

在某个压力阈值之上，通过组织传播的高幅声波可以自发成核(nucleate)并激励小的、微米尺寸的气泡，即已知为声空化(acoustic cavitation)的现象。空化气泡在与HIFU激励频率不同的频率范围上重新发射部分入射超声，这由于两个原因而有用。首先，具有比原始HIFU源更高的频率内容的发射将更容易被周围组织所吸收，这意味着空化可以大大改进热沉积(Coussios CC，Farny CH，Haar GT，Roy RA.“Role of acoustic cavitation in the delivery andmonitoring of cancer treatment by high-intensity focused ultrasound(HIFU)”，International Journal of Hyperthermia vol.23，pp 105-120，2007)。其次，与该改进的加热相关联的宽带声发射可以充当治疗的指示符。

先前已以两种方式之一来监视HIFU照射期间的空化。一个选择是使用高频宽带探头(transducer)来充当无源空化检测器(PCD)，所述无源空化检测器(PCD)记录来自空化气泡的声发射(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具有固定的焦点，从而仅提供关于固定区域的信息。应当注意，当前在临床实践中还未采用空化监视系统。可替换地，B超图像中的强回声(hyperechogenic)区域可以使得能够使用飞行时间信息来检测和定位气泡活动(bubble activity)(S.Vaezy，et al.，“Real-time visualization of high-intensity focused ultrasound treatment usingultrasound imaging”，Ultrasound Med.Biol.，vol.27，pp.33-42，2001)。然而，只有在关断HIFU时才能拍摄B超图像，以避免来自治疗性超声信号的干扰，并因而，该B超图像将使得仅能够检测在HIFU激励已经停止之后存在的空腔(cavity)。因此，B超监视不如PCD监视灵敏，并且之前已被示出为在检测作为过度治疗的指示的沸腾气泡、而不是在检测作为改进热沉积的指示的惯性空化气泡(B.A.Rabkin，V.Zderic，S.Vaezy，“Hyperecho in ultrasoundimages of HIFU therapy：involvement of cavitation，”Ultrasound Med.Biol.，vol.31，pp.947-956，2005)。

发明内容

本发明提供了用于定位对象中的气泡的设备。该设备可以包括被布置为作为无源检测器而操作的多个压力波检测器，所述压力波检测器可以是声音检测器。所述检测器可以被布置为响应于在源处产生的、可以处于声音的形式中的压力波的接收来产生输出信号。所述源可以包括至少一个气泡。该设备还可以包括处理部件，被布置为从所述检测器接收信号并根据所述信号来确定所述源的位置。

可以横跨包括药物投放系统的治疗性、诊断和其他超声应用的广泛领域来使用本发明。这些应用中的一些应用是高强度聚焦超声(HIFU)。在其他应用中，例如在药物投放的环境下，使用具有处于用于诊断超声和HIFU的幅度之间的幅度的压力波。本发明事实上可以利用处于包括可听声音和次声(infra-sound)的超声范围之外的声音频率的压力波来使用。例如，在治疗性超声治疗期间产生的沸腾气泡可以产生可听声音，这可以被检测到并用于定位和绘制空化。

该设备还可以包括被布置为产生处于产生器频率的超声的超声产生器。所述检测器可以被布置为检测处于与所述产生器频率不同的至少一个检测频率的超声。所述至少一个检测频率可以包括检测频率的范围，所述产生器频率在该范围之外。例如，所述检测器可以检测到的频率的范围可以由被布置为对所述检测器信号进行滤波的一个或多个滤波器来确定。可替换地或额外地，该范围可以由检测器自身的特性来确定。

所述检测器可以被布置为当所述产生器激活时检测超声。所述处理部件可以被布置为确定所述源的位置，该位置是当所述产生器激活时所述源的位置。

所述产生器可以是治疗性超声产生器。该设备可以包括被布置为产生处于与所述产生器频率不同的诊断频率的超声的诊断超声产生器。该设备可以包括被布置为检测处于诊断频率的超声的有源超声检测器。所述诊断产生器可以是也充当有源超声检测器的探头，或者其可以是单独的产生器。所述处理部件可以被布置为从所述有源超声检测器接收信号。

所述无源超声检测器中的至少一个无源超声检测器可以被布置为可替换地作为有源超声检测器而操作。所述无源超声检测器可以包括检测器的阵列，其中每一个检测器可以可替换地作为有源超声检测器而操作。这允许该设备在例如有源模式和无源模式的不同模式之间进行切换，并使用来自两个模式的数据来定位或表征空化。如下面将更加详细描述的，因为确定检测器是充当有源还是无源检测器的内容至少部分是对来自传感器的信号执行的处理的类型，所以这种操作是可能的。因此，所述处理部件可以被布置为对所述检测器信号执行两个或更多不同的处理算法或方法，这允许所述处理部件并因此允许所述检测器在需要时以有源或无源模式来操作。

所述源可以包括单个气泡。所述处理部件可以被布置为确定所述气泡的位置。所述处理部件可以被布置为根据在所述检测器处超声信号的到达时间来确定所述气泡的位置。

所述源可以包括多个气泡，并且所述处理部件可以被布置为所述处理信号以产生所述源的图。例如，可以通过使用以下形式的关系、根据检测器信号确定多个位置中的每一个位置处的强度来产生所述图：

$I=\frac{1}{T}{\∫}_0^T[{\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{H}_i\left(\mathrm{\τ}\right)\right)}^2-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{H}_i{\left(\mathrm{\τ}\right)}^2]\mathrm{d\τ}$

其中，τ表示用于积分多个信号H_i(t)的哑(dummy)积分变量，所述多个信号H_i(t)表示由每一个超声检测器从(多个)源接收的反向传播信号，并且T表示任意积分时间间隔。

所述处理部件可以被布置为开启所述超声产生器并测量所述检测器检测到所述超声的时间。所述处理部件因而可以确定所述源的位置。

事实上，本发明还提供了用于定位包括至少一个气泡的超声源的设备，该设备包括：超声探头和无源超声检测器；以及控制部件，所述控制部件被布置为开启所述超声探头并测量所述无源超声检测器检测到超声的时间，从而确定所述源的位置。所述探头可以是治疗性探头，并且可以在患者的治疗期间，例如按照90％或95％的占空比来被重复地开启和关断。

所述处理部件可以被布置为分析所述信号的至少两个不同频率分量，以确定所述源的特征。一个频率分量可以是宽带分量。一个频率分量可以包括产生器频率的至少一个谐波或次谐波，并且优选地是包括多个谐波或次谐波频率。可以通过滤除处于产生器频率和产生器频率的谐波处的检测器信号的分量、并且可选地也可以滤除处于产生器的次谐波处的检测器信号的分量来获得所述宽带分量。

所述处理部件可以被布置为滤除处于产生器频率的谐波处的检测器信号的分量从而产生滤波信号，并且根据所述滤波信号来确定所述源的位置。

本发明还提供一种定位对象中的气泡的方法，该方法包括：在多个无源超声检测器的每一个处接收在源产生的超声信号，所述源包括至少一个气泡；响应于所述超声的接收而从所述每一个检测器产生输出信号；以及处理所述信号以确定所述源的位置。

其中，超声是指压力波，其可以处于声音的形式中，并且在合适时也可以使用其他频率。

为了利用先前两个方式的优点，本发明的一些实施例提供了一种系统，该系统可以有效地充当PCD的阵列，所述PCD可以被电聚焦以便提供空间分辨率。在一些实施例中，该系统可以定位单个气泡活动，并且在一些实施例中，该系统可以提供对扩展的空化区域或几个分散的空化区域的绘制。

现在，将参照附图、仅以示例的方式来描述本发明的优选实施例。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的超声系统的示意图；

图2是根据本发明的另一实施例的超声系统的示意图；

图3是示出从单个气泡源接收的、来自形成了图2的系统的一部分的一个超声检测器的典型信号的图形；

图4是示出作为在图2的系统的检测器阵列中的位置的函数的、超声信号的到达估计时滞的图形；

图5是对图4的数据的拟合曲线；

图6是作为与图2的系统的检测器阵列的距离的函数的、来自单个气泡的超声的强度的绘图；

图7是由图2的系统生成的空化的二维绘图；

图8是由图2的系统生成的两个分散的空化区域的二维绘图；

图9a和图9b是示出在图2的系统中在HIFU照射期间获得的时间轨迹的宽带分量的图形；

图10是示出在HIFU照射期间来自图2的系统中的一个检测器的信号的方差的宽带和谐波分量的图形；以及

图11a至图11d是示出使用由一个元件接收的信号的、图2的系统中的无源和有源空化检测的一组图形。

图12和图13中的每一个对于相应照射时间示出惯性空化、组织沸腾和组织破坏的图像。

具体实施方式

参照图1，根据本发明的第一实施例的诊断超声系统100包括振动检测器的阵列，在这种情况下，该振动检测器是被布置为检测声音的压力波检测器，具体而言该振动检测器是超声检测器102，其每一个被布置为产生取决于其检测的压力波的幅度和频率的输出信号，在这种情况下，所述压力波是在超声频率的范围内检测到的。所述检测器是非聚焦的(non-focus)，其每一个被布置为检测来自宽角度范围的超声信号。由处理系统104来接收每一个检测器输出信号，该处理系统104被布置为处理所接收的信号并根据它们来确定超声源的位置。在本实施例中，能够被检测到的超声频率的范围是5-10MHz，但是将领会的是，该范围可以取决于系统而变化。本实施例中的系统被布置为与治疗性超声系统结合使用，该治疗性超声系统以500kHz的频率范围进行工作。这意味着，当正产生治疗性超声时，该系统100可以被用来监视由该治疗性超声导致的空化。对由该系统接收的信号的分析可以与图2的实施例相同，并且将参照该图2来更详细地进行说明。

参照图2，在本发明的第二实施例中，超声系统200包括治疗性超声探头201，该治疗性超声探头201具有位于探头201的中心中的孔(aperture)203内的超声检测器202的阵列。每一个检测器202包括可以被操作来产生超声信号并还检测超声信号的换能器。因此，所述检测器202可以使用在其中它们产生并检测超声信号的有源模式中，或者可以使用在其中它们仅检测超声信号的无源模式中。该阵列是按照如图2中所示的将被称作x方向的方向来延伸的线性阵列。与x方向垂直的、沿探头的轴的方向将被称作z方向。该阵列的成像平面因此是x-z平面。与x和z两个方向均垂直的方向将被称作y方向。

控制单元204被布置为控制由每一个换能器元件202进行的超声信号的产生，并经由前置放大器和滤波器块206从每一个换能器元件202接收检测器信号。控制单元204还被布置为控制探头201，以通过使用来自振荡器208的信号控制超声的频率，来控制由探头201产生的超声的功率和频率。将领会的是，在按功能进行描述时，控制单元可以包括单个处理器、或者两个或更多个处理器，其用于执行系统中例如控制和分析功能的不同功能。控制单元连接到显示屏幕210，在该显示屏幕210上可以以合适的格式来显示源自检测器信号的数据。在该情况下，治疗性探头201的焦点在病灶区域214中，其中它将产生最大强度的超声。

虽然可以使用在声音(包括超声、次声和可听声音)的振动频率范围上操作的各种组件和系统来实现图2的布置，但是在该实施例中，连同2008研究包(2008Research Package)一起使用z.one系统(Zonare Medical Systems，CA)，由于这允许来自64个检测器元件202的同时5MHz波段IQ数据获取，所述5MHz波段IQ数据可以被重新调制到RF。当在无源模式中使用阵列时，切断脉冲传送以使得该阵列仅用于接收。在一些模式中，在有源模式中使用换能器元件202中的一组而在无源模式中使用另一组，以使得可以同时使用有源和无源检测。为了使得系统可应用于临床，使用改良的HIFU探头201(Sonic Concepts，Woodinville WA)，其具有用于线性检测器阵列202的中心孔203(Zonare L10-5，5-10MHz，38mm孔径)。为这些科研仪器选择可能最接近该阵列的频带的4.6-9.6MHz的IQ波段。该设置(setup)可以被容易地转移到HIFU操作单元，因为无需为该阵列腾出额外空间、且HIFU探头和阵列之间的方位是固定的。

为了评估系统定位和绘制空化的能力，使用几个HIFU操作机制(regime)和仿组织凝胶(tissue mimicking gel)。这里将描述它们中的两个。首先，准备3％的均匀含水琼脂凝胶(homogeneous 3％aqueous agar gel)。水被去离子化(deionize)且混合物在-50kPa处被脱气(degas)30分钟。在调试时，凝胶以其1.1MPa负峰压力在焦点处被1.06MHz HIFU(Sonic Concepts H-102BSN-22)照射，从而将创建单个空化源。

其次，为了得到空化的两个已知区域，制作类似的凝胶，但是该凝胶具有并行蔓延且彼此距离20mm的两个1.6mm通道。安置所述通道以使得它们穿过线性阵列的成像平面，其形成两个1.6mm直径的圆，并且这些圆沿着HIFU探头201(500kHz，Sonic Concepts H-107B SN-10)的轴，其处于HIFU焦点之前10mm以及之后10mm。使得0.5％的滑石溶液流过两个通道，该滑石溶液比琼脂更易空化。选择500kHz的探头，因为压力在10mm的距离上并不显著下降，因此当以0.6MPa负峰焦点压力来驱动探头时，没有超过琼脂的空化阈值(在500kHz处为1.1MPa)，而超过了滑石溶液的阈值(在500kHz处为0.2MPa)。

现在，将描述支持本发明的两个实施例的操作的理论。包括脉冲回波成像的有源检测需要：超声产生器，被布置为典型地以脉冲来产生超声；和“有源”检测器，检测来自空化区域的反射或重新发射的超声；以及处理系统，在确定所检测的空化的位置时使用超声的产生和超声的检测之间的时间间隔。相反，在无源定位和绘制中，没有关于从源到接收器的传播时间的直接信息。代替地，来自一对接收器的信号的互相关性可以提供到达时间差(DTOA)(即，来自源的信号在各接收器处的到达时间之差)的估计。这使得能够估计各接收器和源之间的距离之差。通过使用一组互相关性对，可以进行单个源定位和扩展源绘制。根据此将领会的是，单个检测器可以取决于对传感器信号执行的处理而以有源和无源检测来操作。无源定位和成像的进一步解释如下。

单个气泡定位

取聚焦在y＝0平面中且位于x轴上的检测器元件的线性阵列，其中接收器位于x₁，x₂，...x_N处。关于空化定位的感兴趣区域在该阵列的前面：y＝0，x₁＜x＜x_N，z＞0。假设在位置(x_s，z_s)处存在单个空化源。那么，相对于源与x₀处的参考元件之间距离的、从源到x处的元件的传播距离是：

[z_s ²+(x-x_s ²)]^1/2[z_s ²+(x₀-x_s ²)]^1/2。...(1)

在假设具有速度c的声音的线性传播的情况下，我们使用菲涅耳(Fresnel)近似来导出相对于到x₀处的参考元件的到达时间的、从源到x处的元件的到达时间：

1/c.(αx²+βx+γ)，...(2)

其中，α＝1/(2z_s)；

β＝x_s/z_s；...(3)

γ＝(x₀ ²-2x₀x_s)/(2z_s)。

以上表达式引出用于定位单个源的简单而有效的算法，其包括下述步骤：

1.使用互相关性来计算各个位置x处的各元件与参考元件x₀之间的到达时间差。

2.对到达时间差进行抛物线拟合(使用最小平方误差线性拟合)，提取抛物线系数α、α、γ。

3.根据α、α、使用等式(3)来计算源位置(x_s，z_s)。

扩展空化区域绘制

当存在空化的扩展区域时，空化的空间图是必要的。在本发明的该实施例中采用的方式是无源波束形成中的一种，即在无源地震成像中使用的时间照射声学(Time Exposure Acoustics，TEA)(S.J.Norton，B.J.Carr，A.J.Witten，“Passive imaging of underground acoustic sources，”J.Acoust.Soc.Am.，vo1.119，pp.2840-2847，2006)。该算法的总结如下。假设我们有一个具有零时间平均的源场s(x，z，t)，其使得压力场p(x，z，t)根据线性波等式来传播：

${\▿}^{2}p-\frac{1}{c^2}\frac{{\∂}^{2}p}{\∂t^2}=-8(x,z,t),...\left(4\right)$

为了估计位置(x_s，z_s)处的源强度I(s平方的时间平均)，关于阵列的每个元件i的RF压力信号p_i(t)被反向传播，并且得到下面的时间和总体矩(ensemble moment)的组合：

$I=\frac{1}{T}{\∫}_0^T[{\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{H}_i\left(\mathrm{\τ}\right)\right)}^2-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{H}_i{\left(\mathrm{\τ}\right)}^2]\mathrm{d\τ},...\left(5\right)$

其中，H_i(τ)是后向传播的信号

H_i(τ)＝d_i.p_i(t+d_i/c+τ)，...(6)

其中，τ是哑积分变量，而T是任意积分时间间隔，且d_i是从点(x_s，z_s)到阵列元件i的传播距离：

d_i＝[z_s ²+(x-x_s ²)]^1/2。...(7)

使用恒等式

${\left(\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{a}_i\right)}^2-\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{a}_i^2=2\underset{i<j}{\mathrm{\&Sigma;}}{a}_i{a}_j,...\left(8\right)$

并改变求和及积分的次序，可以重新排列强度图I，以给出

$I=\underset{i<j}{\mathrm{\&Sigma;}}\left[\frac{2}{T}{\&Integral;}_0^T{H}_i\left(\mathrm{\&tau;}\right)H_j\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}\right]....\left(9\right)$

等式(9)示出强度图同样对应于后向传播信号H_i(τ)的所有互相关性对的总和——然而，根据(5)的强度计算在计算上更为有效。还应当注意，除了补偿球面扩散和传播时间之外，H_i(τ)还可以被滤波以将接收器响应去卷积、将信号白化(whiten)以便给出更加锐利的互相关性、或应用断层滤波器来补偿取决于频率的模糊。然而，在上面描述的例子中，对信号进行滤波没有对所述图造成显著改变，这是因为该信号如上所述是带限的。

图3示出当均匀琼脂人体模型(phantom)在其空化阈值处被声穿透(insonify)时、根据来自检测器元件202中的一个检测器元件的IQ数据(4.6-9.6MHz)重构的RF轨迹。可以在64个检测器元件的每一个检测器元件上清楚地看到与1.06MHz周期的每隔三个时间段对应的周期性空化信号，根据其可以推断出存在单个源。求来自参考元件的信号与来自64个检测器元件的每一个检测器元件的信号的互相关性提供了到达每一个检测器元件的来自该源的信号中的延迟的指示，并且展示出如图4所示的检测器元件阵列上的曲线延迟轮廓(profile)，可以对该轮廓进行抛物线拟合，如图5所示。该轮廓可用于通过使用如上所述的等式(3)来确定源的位置。在该示例中，源被定位在距该阵列73.7mm且沿阵列-2.1mm处。这与使用B超来将1.06MHzHIFU焦点测量为与该线性阵列相关吻合。

为了调研可以利用无源阵列而获得的空间分辨率，对单个气泡源的情况应用用于扩展空化区域绘制的算法。注意到，因为横向分辨率显著好于轴向分辨率，所以图6示出使用时间照射声学(TEA)(即，上面的等式(9))的单个气泡数据的强度图的轴向截面图、连同该图的仿真。

该仿真将单个气泡RF记录取作源，将该源放置于通过抛物线定位算法估计的位置(即，(-2.1，73.7)mm)处，并且向阵列元件传播信号。然后，根据该数据、使用TEA来产生源强度图。实线示出根据实际单个气泡记录生成的图，而虚线图示出仿真图。注意到，因为轴向分辨率与轴向距离平方成反比(这里未证明)，所以可以通过将该阵列放置得更靠近琼脂人体模型来产生被更高辨析的图。然而，这样的设置将不再可应用于临床。

用于扩展空化区域绘制的算法也可以应用于在HIFU照射期间的扩展空化区域。在图7中示出了结果得到的强度图，其中可以看到，所绘制的空化区域与HIFU探头所产生的压力幅度超过空化阈值(连续黑线)的区域非常好地对应。

最后，在均匀两通道人体模型中，在滑石溶液中成功地造成空化，从而在成像平面上创建了两个分散的空化区域。在图8中示出使用(9)生成的该空化区域的无源图，其中用虚圆圈来指示所述通道与图像平面交叉的位置，并且该空化可以被看作是通道的区域中更浅的地区。

因此，本实施例提供了一种能够成功定位单个空化源的系统。更重要的是，该设置允许在开启HIFU信号的同时来绘制空间上分布的空化。这提供了一种HIFU治疗监视的新颖方法，其相较于当前使用的B型强回声成像来说提供了几个优点。

将领会的是，图1的系统可以以与图2的系统相同的无源模式而操作，并且可以检测由例如单独的治疗性探头导致的空化或其他手段导致的空化。

在通过HIFU进行的无创伤癌症治疗的环境下，中等HIFU照射条件下发生惯性空化可能是非常有益的，因为其可以导致极大改进的热沉积速率。相反，发生稳定的空化(且具体地，发生更大的、热引起的气泡)可能是有害的，因为其可能导致不对称的(或“蝌蚪形”的)病变形成、过度治疗和不希望的预聚焦(prefocal)损伤。因此，能够表征HIFU照射期间的气泡活动并如上所述对其定位是有益的。

所有类型的气泡活动以远离主HIFU激励频率的频率来重新辐射部分入射HIFU场，这使得可以经由对在HIFU照射期间无源获取的噪声发射的谱分析来检测空化并描述空化的特征。具体而言，惯性空化的发起(onset)与宽带噪声的突然增加相关联，而稳定振动的更大空腔将导致主HIFU激励频率的谐波、次谐波和超谐波(此后统称为“谐波”)处的增加的发射。此外，某些类型的气泡活动引起目标介质的局部特性阻抗(characteristic impedance)的改变，这导致了已知为B型图像中“强回声”的、有源产生的入射诊断脉冲的散射和反射的有详尽记录的增加(Rabkin，B.A.，et al.，Biological andphysical mechanisms of HIFU-induced hyperecho in ultrasound images.Ultrasound in Medicine & Biology，2006.32(11)：p.1721-1729)。

因此，以用于组合无源和有源空化检测方案的一种操作模式来布置图2的系统，从而提供空化活动的实时检测、分类和定位。

在该模式中，使用函数发生器(Agilent 33220A)和55dB固定增益功率放大器(Electronics and Innovation A300)、以95％的占空比来驱动HIFU探头201。为了测试该模式，使用包含溶解的牛血清白蛋白的基于聚丙烯酰胺的仿组织材料作为目标(Lafon，C，et al.，Gel phantom for use in high-intensityfocused ultrasound dosimetry.Ultrasound in Medicine and Biology，2005.31(10)：p.1383-1389)。为了使得能够在HIFU照射期间进行同轴空化检测，高频、单个元件诊断探头(Panametrics V319)被放在HIFU探头的中央开口内部并定位，以使得其焦点与治疗探头的焦点重叠。使用脉冲器接收器(JSR UltrasonicsDPR300)、以脉冲回声模式来驱动诊断探头，该脉冲器接收器确保在HIFU激励的5％的关断时间期间所传送的脉冲入射到HIFU焦点区域上。将领会的是，95％的占空比使得治疗性HIFU探头能够在大多数时间中都是激活的，而5％的关断时间允许无源空腔检测并还允许“伪有源”空腔检测，其中可以使用治疗性探头201被开启的已知时间来对于无源检测器确定飞行时间。可以确定开启时间与在每个检测器处空化的第一次无源检测之间的延迟，并且将该延迟用于确定空化事件的位置。将领会的是，图2的系统的一个或多个换能器元件202可以被用在无源模式中以便以同样的方式来操作。

贯穿HIFU照射的始终，每50ms对由轴向空化检测器接收的信号的400微秒的时间轨迹进行记录，最初200微秒与HIFU关断时间相符，而最后200微秒与HIFU开启时间相符。这使得可以利用单个轨迹来得到有源和无源检测方案两者的益处。有源方案使得能够通过跟踪所传送的脉冲的大反射的位置来定位气泡云。无源方案还提供关于最靠近HIFU探头的前端的气泡云的位置的信息，其可以通过跟踪从开启HIFU探头的已知时间开始计时的、无源接收的信号的前沿的飞行时间来识别。然而，更重要的是，无源方案也使得能够通过使用下述谱分析技术来对正检测的空化活动的类型进行分类。

为了在存在惯性空化和存在稳定空化之间进行区分，快速傅立叶变换(FFT)或类似的谱分析算法被应用于每个无源接收的信号，其使得能够通过数字滤波来分离其谐波和宽带噪声分量。这通过应用囊括HIFU激励频率的所有倍数和因数的带宽0.18MHz的带通滤波器来实现：对该信号进行逆FFT提供了“谐波”时间轨迹，该“谐波”时间轨迹仅捕获由于稳定空化和(在较小程度上)通过人体模型的非线性传播(在没有气泡的情况下，后者在仿组织材料中被发现为并不显著)而导致的活动。在为了去除激励频率的谐波而对原始信号应用0.18MHz陷波滤波器之后剩余的信号纯粹是宽带噪声的表示。类似地，其逆FFT因此提供了单独捕获惯性空化活动的“宽带”时间轨迹。

在实验之前，确定组织人体模型中的惯性空化阈值并发现其处于1.5Mpa负峰焦点压力的区域内。在随后的照射中使用的所有压力被选择为恰当地处于在该值之上。

结论

无源定位方案

在图9a和图9b中图示出使用无源检测方案的惯性空化活动的定位的原理，其示出以下时间轨迹，所述时间轨迹与在以被选择为大于空化阈值的、两个不同负峰压力幅度进行的组织人体模型的1.1MHz HIFU照射期间无源接收的信号的宽带分量对应。

具有一组圆形峰的覆盖的实线表示在水中使用水听器(hydrophone)测量的HIFU探头的轴向压力轮廓，而最左面的虚垂直线指示最靠近HIFU探头的人体模型边缘的位置。通过使用声音通过人体模型的速度来将x轴转换为相对轴向距离，并且方形标记指示最早发生的惯性空化活动。在接近空化阈值的更低的负峰焦点压力幅度(1.92MPa)处，看到惯性空化活动在最大HIFU压力的位置处发起。然而，在更高的压力幅度(2.86MPa)处，看到惯性空化在HIFU焦点之前大约10mm处发起。

基于无源检测的空化活动的分类

在HIFU照射期间连续监视无源接收的噪声发射的变化提供了对于气泡活动的演变的良好指示。在计算该变化之前应用上述数字滤波技术使得可以描述HIFU照射期间不同类型的空化活动的特征。这在图10中图示出，该图10示出了原始、未滤波的无源接收的信号关于时间的宽带和谐波分量。在该高负峰压力幅度(8.3MPa)处，虽然与惯性空化活动相关联的宽带噪声发射立即发生，但是它迅速衰减。这最可能是由于人体模型中的热沉积，该热沉积导致了抑制气泡崩溃的蒸汽压力的增大。相反，贯穿照射的始终，存在稳定的空化活动，但是它在4秒后剧烈增加。这大概是由于因人体模型的加热而造成的沸腾气泡的形成，其导致无源接收的信号的谐波分量的急剧增加。

组合无源-有源空化检测

最后，在图11a至图11d中图示出组合有源和无源定位技术的益处。图11a和图11b二者都示出以3.5MPa负峰焦点压力进行的30秒HIFU照射(在t＝2s处开始)期间的无源接收的信号的变化，图11c和图11d示出HIFU照射过程中两个不同的时刻处的对应的有源轨迹，其分别由图11a和图11b中的无源轨迹上的箭头所指示。在t＝2.80s处，清晰地呈现出可无源检测的发射，但是在有源轨迹上不存在可检测的信号。在t＝5.05s处，可无源检测的发射显著高于t＝2.80s处，但是现在存在在来自与HIFU焦点相符的区域的在有源轨迹上可见的大反射。因此，有源方案看起来在检测和定位趋向于在HIFU照射的稍后阶段中发生的稳定空化活动时更为有效，而无源方案提供对于惯性空化活动的更可靠的指示符。因此，组合的有源和无源系统可以表征所检测的空化、以及对其进行定位。

为了论证使用本发明的实施例的无源成像的有效性，参考图12，上面的图像是指示惯性空化活动的累积的无源宽带图，中间的图像是指示组织沸腾的累积的无源谐波图，而下面的图像是组织中的组织学破坏的图像，全部图像都是以1.1MHz的治疗性超声频率和从左开始以4kW cm^-2的强度对牛肝脏组织进行的2秒烧蚀(ablative)照射。x轴上的“0”指示治疗性超声波束的预测焦点位置。可以看到，宽带发射的无源绘制成功地预测了结果得到的热损伤的尺寸和位置。空的谐波图确认出在该照射期间没有沸腾气泡。

参照图13，示出了关于10秒照射的类似图像。可以看到，无源绘制技术成功描述了热损伤朝向HIFU探头的移动。热损伤内可见的“蚀斑(pitting)”也与沸腾气泡的存在吻合，已通过谐波绘制来成功地预测了该沸腾气泡。将领会的是，图2的系统可以以多个不同模式来操作，以仅无源模式来提供单个气泡位置或空化区域的绘制，以及以组合的无源和有源模式来在再定位或绘制空化的同时对其进行表征。重要的是，在治疗性超声治疗期间在发生空化时，图2的系统可以定位或绘制空化、并因此可以提供空化的图像或分析空化。

在另一实施例中，取代可以用作有源或无源元件的检测器元件的单个阵列，在其他实施例中，存在有源元件的阵列和无源元件的阵列。这提供了同样范围的操作模式。

在另一实施例中，可以使用类似于图2的系统的系统来控制药物投放或药物活动。已经示出声振动可以大大改进各种药物的吸收和效力，并且这样的应用中的气泡的定位、绘制和表征是诸如图2系统之类的系统的重要应用。

Claims (38)

1.一种用于定位对象中的气泡的设备，该设备包括：被布置为作为无源检测器而操作的多个压力波检测器，以响应于接收到在包含至少一个气泡的源处产生的压力波而产生输出信号；以及处理部件，被布置为从所述检测器接收信号并根据所述信号来确定所述源的位置。

2.根据权利要求1所述的设备，还包括被布置为产生处于产生器频率的压力波的压力波产生器，其中，所述检测器被布置为检测处于与所述产生器频率不同的至少一个检测频率的压力波。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述至少一个检测频率包括检测频率的范围，所述产生器频率在该范围之外。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的设备，其中，所述检测器被布置为当所述产生器激活时检测压力波，且所述处理部件被布置为确定所述源的位置，该位置是当所述产生器激活时所述源的位置。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的设备，其中，所述产生器是治疗性声音产生器，并且所述设备包括被布置为产生处于与所述产生器频率不同的诊断频率的压力波的诊断压力波产生器。

6.根据权利要求5所述的设备，包括：被布置为检测处于诊断频率的压力波的有源压力波检测器。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述诊断产生器是也充当有源压力波检测器的探头。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的设备，其中，所述处理部件被布置为从所述有源压力波检测器接收信号。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的设备，其中，所述无源压力波检测器中的至少一个无源压力波检测器被布置为替换地作为有源压力波检测器而操作。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述无源压力波检测器包括检测器的阵列，其中每一个检测器能够替换地作为有源压力波检测器而操作。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述源包括单个气泡，并且所述处理部件被布置为确定所述气泡的位置。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述处理部件被布置为根据在所述检测器处压力波信号的到达时间来确定所述气泡的位置。

13.根据权利要求1至10中的任一项所述的设备，其中，所述源包括多个气泡，并且所述处理部件被布置为处理所述信号以产生所述源的图。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述处理部件被布置为通过使用以下形式的关系、根据检测器信号确定多个位置中的每一个位置处的强度来产生所述图：

$I=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T[{\left(\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{H}_i\left(\mathrm{\&tau;}\right)\right)}^2-\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{H}_i{\left(\mathrm{\&tau;}\right)}^2]\mathrm{d\&tau;}$

其中，τ表示用于积分多个信号H_i(t)的哑积分变量，所述多个信号H_i(t)表示由每一个压力波检测器从一个或多个源接收的反向传播信号，并且T表示任意积分时间间隔。

15.根据权利要求2所述的设备，其中，所述处理部件被布置为开启所述压力波产生器并测量所述检测器检测到压力波的时间，从而确定所述源的位置。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述处理部件被布置为分析所述信号的至少两个不同频率分量，以确定所述源的特征。

17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述频率分量中的一个频率分量是宽带分量。

18.根据权利要求16或权利要求17所述的设备，其中，所述频率分量中的一个频率分量包括产生器频率的至少一个谐波。

19.根据权利要求2所述的设备，其中，所述处理部件被布置为滤除处于产生器频率的谐波处的检测器信号的分量从而产生滤波信号，并且根据所述滤波信号来确定所述源的位置。

20.一种用于定位对象中的气泡的方法，该方法包括：在多个无源压力波检测器的每一个处接收在包含至少一个气泡的源处产生的压力波；响应于接收到所述压力波而从每一个检测器产生输出信号；以及处理所述信号以确定所述源的位置。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括：产生处于产生器频率的压力波，其中，检测处于与所述产生器频率不同的至少一个检测频率的压力波。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述至少一个检测频率包括检测频率的范围，所述产生器频率在该范围之外。

23.根据权利要求21或权利要求22所述的方法，其中，当所述产生器激活时检测压力波，且所确定的所述源的位置是当所述产生器激活时所述源的位置。

24.根据权利要求21至23中的任一项所述的方法，其中，所述产生器是治疗性压力波产生器，并且所述方法包括产生处于与所述产生器频率不同的诊断频率的振动。

25.根据权利要求24所述的方法，包括：检测处于诊断频率的压力波。

26.根据权利要求24所述的方法，其中，由一个探头来产生和检测处于诊断频率的压力波。

27.根据权利要求所述的方法，其中，在有源模式和无源模式之间切换所述探头。

28.根据权利要求20至27中的任一项所述的方法，其中，所述源包括单个气泡。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，根据在所述检测器处检测到压力波的时间来确定所述气泡的位置。

30.根据权利要求20至27中的任一项所述的方法，其中，所述源包括多个气泡，并且所述方法包括处理信号以产生所述源的图。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，通过使用以下形式的关系、根据检测器信号确定多个位置中的每一个位置处的强度来产生所述图：

$I=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T[{\left(\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{H}_i\left(\mathrm{\&tau;}\right)\right)}^2-\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{H}_i{\left(\mathrm{\&tau;}\right)}^2]\mathrm{d\&tau;}$

其中，τ表示用于积分多个信号H_i(t)的哑积分变量，所述多个信号H_i(t)表示由每一个声音检测器从一个或多个源接收的反向传播信号，并且T表示任意积分时间间隔。

32.根据权利要求21所述的方法，包括：开启所述压力波产生器并测量所述检测器检测到压力波的时间；以及根据所述时间来确定所述源的位置。

33.根据权利要求20至32中的任一项所述的方法，包括：分析所述信号的至少两个不同频率分量，以确定所述源的特征。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述频率分量中的一个频率分量是宽带分量。

35.根据权利要求33或权利要求34所述的方法，其中，所述频率分量中的一个频率分量包括产生器频率的至少一个谐波。

36.根据权利要求20至35中的任一项所述的方法，包括：滤除处于产生器频率的谐波处的检测器信号的分量从而产生滤波信号；并且根据所述滤波信号来确定所述源的位置。

37.一种用于定位包括至少一个气泡的压力波源的设备，该设备包括：超声探头和无源压力波检测器；以及控制部件，所述控制部件被布置为开启所述压力波探头并测量所述无源检测器检测到声音的时间，从而确定所述源的位置。

38.一种定位包括至少一个气泡的压力波源的方法，该方法包括：激活压力波探头；利用检测器来检测处于与探头的频率不同的频率的压力波；以及测量检测到所述压力波的时间，并据此来确定所述源的位置。

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