用于组织摧毁术的具有发射-接收能力的超声换能器

用于组织摧毁术的具有发射-接收能力的超声换能器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年8月27日提交的标题为“ultrasound transducer with transmit-receive capability for histotripsy”的美国临时专利申请第63/071,301号的权益，该申请通过引用以其整体并入本文。
3.政府权利
4.本发明是在由美国国立卫生研究院(national institutes of health)授予的ca211217、eb028309和ns108042以及由美国海军研究办公室(u.s.office of naval research)授予的n00014-17-1-2058和n00014-18-1-2625政府支持下完成的。政府对本发明具有一定的权利。
5.通过引用并入
6.在本说明书中提到的所有出版物和专利申请都通过引用并入本文，其通过引用并入本文的程度犹如每个单独出版物或专利申请被具体地和单独地指明通过引用并入的相同程度。
7.领域
8.本公开详细描述了被配置成产生声空化(acoustic cavitation)的新型组织摧毁系统、方法、设备和过程，用于健康、患病和/或受伤组织的微创和非侵入性处理。本文描述的组织摧毁系统和方法，也称为组织摧毁术(histotripsy)，可以包括换能器、驱动电子器件、定位机器人、成像系统、以及集成的处理计划和控制软件，以提供用于患者中的软组织的综合处理和疗法。
9.背景
10.许多医疗条件需要侵入性外科干预。侵入性手术通常涉及切口、肌肉、神经和组织创伤、出血、结疤、器官创伤、疼痛、手术期间和手术后需要麻醉剂、住院和感染风险。如果可能的话，非侵入性和微创手术通常更受青睐，以避免或减少这些问题。不幸的是，非侵入性和微创手术可能缺乏处理许多类型疾病和病症所需的精确性、有效性或安全性。需要改善的非侵入性和微创手术，优选不需要电离或热能来达到治疗效果。
11.组织摧毁术或脉冲超声空化疗法是一种技术，其中极短、强烈的声能爆发在病灶体积(focal volume)内诱导受控的空化(微泡形成)。这些微泡的剧烈膨胀和塌缩机械地使病灶体积内的细胞和组织结构均匀化。这是与热消融的凝固性坏死特征非常不同的最终结果。为了在非热的组织摧毁领域内工作，有必要以低占空比传递高振幅声脉冲形式的声能。
12.与传统的聚焦超声技术相比，组织摧毁术具有重要的优点：1)焦点处的破坏过程是机械的，而不是热的；2)空化在超声成像上显得明亮，从而确认处理的正确瞄准和定位；3)被处理的组织通常(但不总是)在超声成像上显得较暗(回声较低)，使得操作者知道已经处理了什么；以及4)组织摧毁术以受控和精确的方式产生损伤。需要强调的是，与如微波、射频和高强度聚焦超声(hifu)等热消融技术不同，组织摧毁术依赖于空化的机械作用来破坏组织。
13.附图简述
14.本发明的新颖特征在随附的权利要求中被详细地阐述。通过参考以下详细描述和附图将获得对本发明的特征和优点的较好的理解，该详细描述阐述了其中利用了本发明的原理的说明性实施方案，在附图中：
15.图1a-图1b示出了一种超声成像和治疗系统。
16.图2a-图2d示出了用于组织摧毁系统的发射-接收(transmit-receive)驱动电子器件的各种示意图。
17.图3a-图3c是用于组织摧毁系统的电流感测电子器件的实施方案。
18.图4是一种向患者提供组织摧毁治疗的方法。
19.图5示出了穿过骨骼(例如人类颅骨)的空化映射(cavitation mapping)。
20.图6是一种向患者提供组织摧毁治疗的方法。
21.图7-图10示出了通过接收的超声信号从组织摧毁治疗收集的数据，以预测处理进展和组织分离(tissue fractionation)。
22.公开概述
23.组织摧毁术通过由短的高压超声脉冲生成的密集高能气泡云产生组织分离。当使用短于2个周期的脉冲时，这些高能气泡云的生成仅取决于峰值负压力(p-)超过在介质中诱导空化的内在阈值(通常在高含水量的软组织中为26mpa-30 mpa)的位置。
24.提供了一种用于组织摧毁系统的发射-接收驱动电子器件，包括：至少一个换能器元件，该至少一个换能器元件被配置成以发射模式发射超声脉冲并以接收模式接收超声反射和/或声空化发射；电流感测电阻器，该电流感测电阻器被配置成在接收模式期间测量发射-接收驱动电子器件中的电流；电耦合到该至少一个换能器元件和该电流感测电阻器的旁路电路，其中该旁路电路被配置成在发射模式期间接通以绕开(bypass)电流感测电阻器，以及在接收模式期间断开以允许感测电阻器测量电流；电耦合到电流感测电阻器和低灵敏度电阻器的增益调整电路，该增益调整电路被配置成在高灵敏度设置中工作，在该高灵敏度设置中，电流感测电阻器接通而低灵敏度电阻器断开，并且其中该增益调整电路还被配置成在低灵敏度设置中工作，在该低灵敏度设置中，电流感测电阻器和低灵敏度电阻器接通。
25.在一些实施方案中，发射-接收驱动电子器件还包括电耦合到至少一个换能器元件的驱动变压器。
26.在一些实例中，旁路电路还包括一对旁路晶体管。在其他实施方案中，旁路电路还包括一对旁路二极管。
27.在一些实施方案中，增益调整电路还包括一对晶体管。在其它实施方案中，电流感测电阻器具有比低灵敏度电阻器更高的电阻。
28.在一个实例中，电流感测电阻器具有大约200欧姆的电阻，并且低灵敏度电阻器具有大约5欧姆的电阻。
29.还提供了一种用于组织摧毁系统的发射-接收驱动电子器件，包括：超声换能器阵列；高电压发射电子器件，该高电压发射电子器件耦合到超声换能器阵列并被配置成向该超声换能器阵列提供高达数千伏的电压以产生一个或更多个组织摧毁脉冲；第一接收电子器件，该第一接收电子器件耦合到超声换能器阵列并被配置成接收来自所发射的一个或更多个组织摧毁脉冲的输入电压信号，该第一接收电子器件被配置成将输入电压信号衰减
90％-99％；第二接收电子器件，该第二接收电子器件被配置成压缩高于1v的任何衰减的输入电压信号；以及第三接收电子器件，该第三接收电子器件被配置成对衰减的输入电压信号进行电压移位；以及模数转换器，该模数转换器被配置成从第三接收电子器件接收经电压移位的衰减的输入电压信号以进行adc转换。
30.在一些实施方案中，第一电子器件包括分压器。
31.在其它实施方案中，分压器包括电容式分压器。
32.在一个实施方案中，电容式分压器包括与超声换能器阵列的第一换能器元件并联的第一电容器和第二电容器。
33.在一个实施方案中，第二接收电子器件包括二极管-电阻器分压器。在另一实施方案中，第三接收电子器件被配置成将衰减的输入电压信号电压移位到模数转换器的适当电压范围。
34.在一些实施方案中，发射驱动电子器件包括单独的电路板，该单独的电路板被配置成装配到包括仅发射的组织摧毁驱动系统的现有组织摧毁系统。
35.在一个实例中，发射驱动电子器件被并联地添加到仅发射的组织摧毁驱动系统，并且被配置成被动地接收信号而不影响仅发射的电子器件。
36.在一些实施方案中，发射-接收驱动电子器件还被配置成同步所发射的一个或更多个组织摧毁脉冲、所接收的输入电压信号和adc转换的时钟，以在每次组织摧毁脉冲发射之后获得适当的时间窗口。
37.在一个实施方案中，发射-接收驱动电子器件还包括一个或更多个现场可编程门阵列(fpga)板，该fpga板耦合到模数转换器，并且被配置成利用单个时钟控制发射-接收驱动电子器件的发射和接收操作。在一些实例中，一个或更多个fpga包括被配置成减少所接收信号的数据负载的软件或固件。在其他实施方案中，一个或更多个fpga被配置成对来自模数转换器的输入数据进行人工下采样。在另一个实施方案中，一个或更多个fpga被配置成对所接收的信号进行过采样和平均以提高信噪比(snr)。
38.提供了一种使用发射-接收组织摧毁系统进行空化检测的方法，包括以下步骤：利用发射电子器件和组织摧毁治疗换能器阵列将高电压组织摧毁治疗脉冲发射到目标组织中，以在目标组织中产生空化；利用接收电子器件和组织摧毁治疗换能器阵列接收来自空化的低电压声空化发射信号；处理接收到的声空化发射信号，以监测处理进展。
39.在一些实例中，该方法还包括实时生成由发射脉冲产生的3d空化图(map)。
40.提供了一种使用发射-接收组织摧毁系统进行像差校正的方法，包括以下步骤：利用具有多个换能器元件的组织摧毁治疗换能器阵列将组织摧毁治疗脉冲发射到目标组织中，以在目标组织中产生空化；利用组织摧毁治疗换能器阵列接收来自空化的声空化发射信号；基于接收到的声空化发射信号计算从空化到超声换能器阵列的每个换能器元件的行进时间；以及基于计算的行进时间调整多个换能器元件中的至少一个换能器元件的发射时间延迟，使得随后的组织摧毁治疗脉冲同时到达目标组织。
41.在一些实施方案中，计算行进时间包括使用在声空化发射中编码的信息。
42.在一个实例中，该信息包括从空化膨胀产生的声空化发射的开始时间。
43.在一些实施方案中，该信息包括从空化塌缩产生的声空化发射的开始时间。
44.在一个实施方案中，该信息包括从空化塌缩开始的峰值时间。
45.提供了一种被配置成装配到现有的仅发射的组织摧毁系统的一个或更多个换能器元件上的接收-驱动电路，该电路包括：被配置成电耦合到第一换能器元件的分压器，该分压器被配置成衰减由第一换能器元件接收的电压信号；电耦合到分压器的二极管-电阻器分压器，二极管-电阻器分压器被配置成提供非线性衰减以压缩高于预定电压的信号，并且还被配置成将接收的信号ac耦合到模数转换器。
46.在一些实施方案中，分压器和二极管-电阻器分压器被配置成设置在第一电路板上，并且该第一电路板被配置成电耦合到设置在单独的第二电路板上的高电压组织摧毁驱动电子器件。
47.在另一个实施方案中，接收驱动电路和高电压组织摧毁驱动电子器件设置在单个电路板上。
48.提供了一种发射-接收组织摧毁系统，包括：换能器元件、耦合到换能器元件并被配置成将组织摧毁脉冲传递到换能器元件的发射电子器件、耦合到换能器元件的非线性压缩器接收电子器件，其中该非线性压缩器接收电子器件被配置成以第一衰减量压缩第一电压信号，并且还被配置成以第二衰减量压缩第二电压信号，其中第一电压信号高于第二电压信号，并且第一衰减量高于第二衰减量。
49.还提供了一种用于组织摧毁系统的发射-接收驱动电子器件，包括：换能器元件；电耦合到换能器元件的次级变压器线圈；邻近次级变压器线圈定位的初级变压器线圈，该初级变压器线圈被配置成经由次级变压器线圈在换能器元件中产生超声脉冲；邻近次级变压器线圈定位的第三变压器线圈，该第三变压器线圈被配置成将由换能器元件接收到的电压信号衰减预定量。
50.在一些实施方案中，第三变压器线圈被配置成将接收到的电压信号衰减90％-99％。在另一实施方案中，第三变压器线圈被缠绕的绕组大约是次级变压器线圈的1/7-1/10。
51.在一些实施方案中，第三变压器线圈被配置成在超声脉冲的发射期间饱和。
52.在另一实施方案中，第三变压器线圈耦合到具有专门选择的芯材料和大小的信号变压器，使得该信号变压器被配置成在超声脉冲的发射期间饱和。
53.提供了一种组织摧毁系统的发射-接收驱动电子器件，包括：超声换能器阵列；发射电子器件，该发射电子器件耦合到超声换能器阵列并被配置成发射一个或更多个组织摧毁脉冲以在目标组织中产生空化；被配置成接收来自空化的声空化发射的接收电子器件；发射-接收开关，该发射-接收开关被配置成在一个或更多个组织摧毁脉冲的发射期间仅使能发射电子器件，该发射-接收开关还被配置成在发射一个或更多个组织摧毁脉冲之后的预定时间仅使能接收电子器件以阻挡发射信号而不衰减所接收的信号。
54.在一个实施方案中，不同的线性增益跟随发射-接收开关，以基于接收信号的振幅放大或衰减接收信号的选定部分，从而最大化接收电子器件的接收灵敏度。
55.提供了一种组织摧毁治疗方法，包括以下步骤：利用组织摧毁治疗换能器阵列将组织摧毁治疗脉冲发射到目标组织中以在目标组织中产生空化；利用组织摧毁治疗换能器接收来自空化的声空化发射信号；检测选定的声空化发射特征以从组织信号中分离；计算与由组织摧毁治疗脉冲产生的组织损伤相关的空化参数；确定与处理进展相关的空化参数的变化；确定与处理完成相关的空化参数的变化。
56.在一个实例中，选定的声空化发射特征包括空化气泡膨胀信号的时序。
57.在另一实例中，选定的声空化发射特征包括空化气泡膨胀信号的振幅。
58.在一些实施方案中，选定的声空化发射特征包括空化气泡塌缩信号的时序。
59.在另一实施方案中，选定的声空化发射特征包括空化气泡塌缩信号的振幅。
60.在一些实施方案中，选定的声空化发射特征包括空化气泡回弹信号的时序。
61.在一个实施方案中，选定的声空化发射特征包括空化气泡回弹信号的振幅。
62.在另一实施方案中，空化参数包括空化的塌缩时间。
63.在一些实例中，塌缩时间包括空化的膨胀信号和塌缩信号之间的时间。
64.在另一实施方案中，空化参数包括空化的膨胀信号的峰值振幅。
65.在一些实施方案中，空化参数包括空化的塌缩信号的峰值振幅。
66.在另一实施方案中，空化参数包括空化的生长ace信号的振幅比。
67.在一些实施方案中，空化参数包括空化的塌缩ace信号的振幅比。
68.在另一实施方案中，空化参数包括与回弹相关联的ace信号振幅的衰减率(decay rate)。
69.在一个实例中，确定与处理进展相关的空化参数的变化还包括识别空化参数的增加的斜率。
70.在另一实例中，确定与处理完成相关的空化参数的变化还包括识别空化参数的变化的饱和度。
71.提供了一种用于在组织摧毁期间检测空化的方法，包括以下步骤：利用组织摧毁治疗换能器阵列将组织摧毁治疗脉冲发射到目标组织中以在目标组织中产生空化；利用组织摧毁治疗换能器阵列接收来自空化的声空化发射信号；检测选定的声空化发射特征以从组织信号中分离；基于选定的声空化发射特征进行处理并形成空化图；以及将空化图叠加到目标组织的图像上。
72.在一些实例中，选定的声空化发射特征包括空化气泡膨胀信号的时序。在其他实例中，选定的声空化发射特征包括空化气泡膨胀信号的振幅。在附加实例中，选定的声空化发射特征包括空化气泡塌缩信号的时序。在一个实施方案中，选定的声空化发射特征包括空化气泡塌缩信号的振幅。在一些实施方案中，选定的声空化发射特征包括空化气泡回弹信号的时序。在另一实例中，选定的声空化发射特征包括空化气泡回弹信号的振幅。
73.提供了一种用于在组织摧毁治疗期间进行像差校正的方法，包括以下步骤：利用组织摧毁治疗换能器阵列将组织摧毁治疗脉冲发射到目标组织中，以在目标组织中产生空化；利用组织摧毁治疗换能器阵列接收来自空化的声空化发射信号；分析声空化发射信号以检测在目标组织中产生的空化；测试发射时间延迟的预置以选择一组发射时间延迟，该组发射时间延迟可以使检测到的空化中的峰值信号振幅最大化；以及应用所选择的该组发射时间延迟，使得随后的组织摧毁治疗脉冲同时到达目标组织。
74.详细描述
75.本文提供了系统和方法，该系统和方法提供有效的非侵入性和微创治疗、诊断和研究过程。特别地，本文提供了优化的系统和方法，该系统和方法在各种不同区域和各种不同条件下提供瞄准的、有效的组织摧毁，而不会对介入的/非目标组织或结构造成不期望的组织损伤。
76.平衡目标区域中期望的组织破坏和避免对非目标区域的损伤提出了技术挑战。在期望时间高效的手术的情况下尤其如此。提供快速、有效的组织破坏的条件倾向于在非目标组织中引起不适当的加热。不适当的加热可以通过减少能量或减慢能量的传递来避免，这两者都与提供快速和有效的目标组织破坏的目标背道而驰。本文提供了许多技术，这些技术单独地并且共同地允许快速、有效的目标处理，而不会对非目标区域造成不期望的损伤。
77.本公开的系统、方法和设备可用于健康、患病和/或受伤组织的微创或非侵入性的声空化和处理，包括在体外、经皮、内窥镜、腹腔镜中和/或集成到启用机器人的医疗系统和手术中。如将在下面所述的，组织摧毁系统可以包括各种电气、机械和软件子系统，包括推车(cart)、治疗(therapy)、集成成像(integrated imaging)、机器人(robotics)、耦合(coupling)和软件(software)。系统还可以包括各种其他组件、辅助设备和附件，包括但不限于患者表面、桌子或床、计算机、电缆和连接器、联网设备、电源、显示器、抽屉/储存器、门、轮子、照明和照亮工具以及各种模拟和训练工具等。创建/控制/传递组织摧毁的所有系统、方法和装置被认为是本公开的一部分，包括本文所公开的新的相关发明。
78.在一个实施方案中，组织摧毁系统被配置作为移动治疗推车，其还包括具有集成控制面板的触摸屏显示器(其具有一组物理控件)、机器人臂、位于机器人远端的治疗头、患者耦合系统以及用于操作和控制系统的软件。
79.移动治疗推车架构可以包括容纳在标准机架安装框架中的内部组件，包括组织摧毁治疗发生器、高电压电源，变压器、配电、机器人控制器、计算机、路由器和调制解调器以及超声成像引擎。前系统接口面板可以包括用于连接器的输入/输出位置，包括专门用于两个超声成像探头(手持式和同轴安装在治疗换能器中的探头)、组织摧毁治疗换能器、ac电源和断路器开关、网络连接和脚踏板的那些位置。推车的后面板可以包括空气进气口，以将气流引导至位于侧面板、顶部面板和底部面板中的空气排出孔。推车的侧面板包括皮套和用于保持手持式成像探头的支撑机构。推车的基座可以由铸造基座组成，该铸造基座与安装在机架上的电子器件接口连接(interface)，并提供到侧面板和顶盖的接口。基座还包括四个凹入式脚轮，带有单个总锁定机构。治疗推车的顶盖可以包括机器人臂基座和接口、以及遵循推车主体的轮廓的环形手柄(circumferential handle)。推车可以具有内部安装特征，允许技术人员通过检修面板检修推车组件。
80.触摸屏显示器和控制面板可以包括用户输入特征，包括六个转盘形式的物理控件、空间鼠标和触摸板、指示器灯条和紧急停止件，它们一起被配置成控制成像和治疗参数以及机器人。触摸屏支撑臂被配置成允许站立位置和就座位置、以及触摸屏取向和观看角度的调整。支撑臂还可以包括系统级电源按钮以及usb和以太网连接器。
81.机器人臂可以被安装到移动治疗推车的臂基座上、具有足够高度，以允许当在手术过程中根据设置在各种驱动模式下将臂定位到患者/手术工作空间中时伸展并易于使用，并允许取下。机器人臂可以包括六个自由度和六个旋转接头(joint)，延伸距离(reach)为850mm，最大有效载荷为5kg。臂可以通过组织摧毁系统软件以及带有图形用户界面的12英寸触摸屏透照镜(polyscope)来控制。机器人可以包括力感测和工具法兰(flange)，力(x，y，z)的范围为50n，精度为3.5n，准确度为4.0n，扭矩(x，y，z)的范围为10.0nm，精度为0.2nm，准确度为0.3nm。机器人的位姿重复性为+/-0.03mm，及典型的tcp速度为1m/s
(39.4in/s)。在一个实施方案中，机器人控制箱具有多个i/o端口，包括16个数字输入、16个数字输出、2个模拟输入、2个模拟输出和4个正交数字输入以及24v/2a的i/o电源。控制箱通信包括500hz控制频率、modbus tcp、profinet、以太网/ip以及usb 2.0和3.0。
82.治疗头可以包括：选择的一组四个组织摧毁治疗换能器中的一个和超声成像系统/探头，超声成像系统/探头在治疗换能器中与编码机构和手柄同轴定位，编码机构独立于治疗换能器将所述成像探头旋转到已知位置，该手柄允许治疗头的粗略和精细定位，包括用于激活机器人的用户输入(例如，用于自由驱动定位)。在一些实例中，治疗换能器的尺寸(22cm
×
17cm至28cm
×
17cm)、焦距(12cm-18cm)、元件数量(范围为48个元件到64个元件，包括在12-16个环内)可以变化，并且都具有700khz的频率。治疗头子系统具有到机器人臂的接口，包括允许移除和/或更换治疗头的快速释放机构，以允许清洁、替换和/或选择替代治疗换能器设计(例如，具有不同数量的元件和几何结构)，并且每个治疗换能器被电子键控以用于在系统软件中的自动识别。
83.患者耦合系统可以包括六自由度、六接头的机械臂，该机械臂配置有被设计成与外科手术/介入工作台导轨接口连接的安装支架。臂的最大延伸距离可以约为850mm，平均直径为50mm。臂的远端可以被配置成与超声介质容器接口连接，该超声介质容器包括框架系统以及上护套(boot)和下护套。下护套被配置成支撑密封到患者的患者接触膜或弹性聚合物膜，两种膜都被设计成要么在框架和护套内并与患者直接接触，要么在膜/护套构造内，包含超声介质(例如，脱气水或水混合物)。在一个实例中，下护套提供分别约为46cm
×
56cm和26cm
×
20cm的顶部窗口和底部窗口，用于将治疗换能器与超声介质容器一起放置并定位在患者腹部上。上护套可以被配置成允许机器人的远端与治疗头和/或换能器接口连接，并防止水泄漏/溢出。在优选实施方案中，上护套是密封系统。在密封系统中，框架还被配置成允许超声介质容器和超声介质源(例如，储液器或射流管理系统)之间的双向流体连通，包括但不限于填充和排出，以及用于气泡管理的空气排出。
84.系统软件和工作流可以被配置成允许用户通过触摸屏显示器和物理控件来控制系统，包括但不限于超声成像参数和治疗参数。系统的图形用户界面包括基于工作流的流程，具有一般的过程步骤：1)登记/选择患者；
85.2)计划，包括用徒手成像探头对患者(和目标位置/解剖结构)成像和机器人辅助成像，机器人辅助成像利用换能器头进行最终的粗略和精细瞄准，包括用目标和边缘轮廓来描绘目标轮廓，目标和边缘轮廓本质上通常是球形和椭球形的；以及运行测试方案(例如，测试脉冲)，该测试方案包括气泡云校准步骤和体积中的一系列预定位置，以评估空化启动阈值和其他患者/目标特定参数(例如，处理深度)，这些一起影响处理计划，以考虑所述目标的位置和声学路径，以及可能需要不同水平的驱动振幅来启动和维持组织摧毁的任何相关阻塞(例如，组织界面、骨骼等)。所述参数(如作为测试方案的一部分被测量的，该测试方案包括校准和多位置测试脉冲)在系统中被配置以提供输入/反馈，用于根据需要/期望更新空间中的气泡云位置(例如，被适当地校准到目标十字准线(cross-hair))，以及确定处理体积中所有气泡云处理位置上的所需振幅/对所需振幅进行插值，以确保在整个体积上达到阈值。此外，所述参数，包括但不限于深度和驱动电压，也可以用作嵌入的可处理性矩阵或查找表的一部分，以确定是否需要附加的冷却(例如，除了被分配给处理图案(pattern)移动之间的机器人运动的时间之外的关闭时间(off-time))，以确保稳健的空化
和介入/附带的热效应被管理(例如，对于序列、图案和通路的任何已知的或计算的组合，以及目标深度/堵塞，保持在t43曲线下方)。如在系统软件中实现的，与计划的这些方面相关联的工作流和过程步骤可以是自动化的，其中机器人和控制系统被配置成自主地或半自主地浏览测试方案和位置。在计划之后，在用户接受处理计划并启动系统进行处理之后，启动过程工作流的下一阶段——3)处理阶段。遵循该命令，系统被配置成自主地传递处理，运行处理方案，直到规定的体积处理完成。与各种处理参数相邻地实时显示处理的状态(和气泡云的位置)，包括但不限于，总处理时间和剩余处理时间、驱动电压、处理轮廓(目标/边缘)和气泡云/点位置、处理图案中的当前位置(例如，片和列)、成像参数和其他附加的上下文数据(例如，可选的dicom数据、来自机器人的力扭矩数据等)。在处理之后，用户可以使用治疗头探头，并且随后使用徒手超声探头来审查和验证处理，如通过系统用户界面控制/查看的那样。如果期望附加的目标位置，用户可以计划/处理附加的目标，或者如果没有计划进一步的处理，则将机器人停靠到推车上的原位。
86.图1a总体上示出了根据本公开的组织摧毁系统100，包括治疗换能器102、成像系统104、显示和控制面板106、机器人定位臂108和推车110。该系统还可以包括超声耦合界面和耦合介质源(未示出)。
87.图1b是治疗换能器102和成像系统104的仰视图。如图所示，成像系统可以被定位在治疗换能器的中心。然而，其他实施方案可以包括位于治疗换能器内其他位置，或者甚至直接集成到治疗换能器中的成像系统。在一些实施方案中，成像系统被配置成在治疗换能器的焦点处产生实时成像。
88.组织摧毁系统可以包括各种子系统中的一个或更多个，包括：治疗子系统，其可以通过一个或更多个治疗换能器产生、施加、聚焦并传递声空化/组织摧毁；集成成像子系统(或连接)，其允许在整个手术过程中实时地可视化处理部位和组织摧毁效果；机器人定位子系统，其用于机械地和/或电子地操纵治疗换能器，还被启用以连接/支撑耦合子系统或与耦合子系统交互，以允许治疗换能器和患者之间的声学耦合；以及软件，其用于与系统和基于计算机的控制系统(和其他外部系统)以及各种其他组件、辅助设备和附件(包括一个或更多个用户界面和显示器)以及相关的引导工作流通信、控制它们和与它们接口连接，所有这些子系统都部分地或一起工作。系统还可以包括各种射流和流体管理组件，包括但不限于泵、阀和流量控件、温度和脱气控件，冲洗和抽吸功能，以及提供和存储流体。它还可能包含各种电源和保护器。
89.推车
90.基于特定的用途和过程，推车110通常可以以各种方式和形状因子来配置。在一些情况下，系统可以包括以相似或不同布置进行配置的多个推车。在一些实施方案中，推车可以被配置和布置成在放射学环境中使用，并且在一些情况下与成像(例如，ct、锥形束ct和/或mri扫描)协同使用。在其他实施方案中，它可以被布置成在手术室和无菌环境中使用，或者在启用了机器人的手术室中使用，并且单独使用，或者作为外科机器人手术的一部分使用，其中外科机器人在使用系统并传递声空化/组织摧毁之前、期间或之后执行特定任务。因此，根据基于前述实施方案的手术环境，推车可被定位成提供足够的工作空间和对患者身上各种解剖位置(例如，躯干、腹部、侧腹、头部和颈部等)的接入，以及为其他系统(例如，麻醉推车、腹腔镜塔、外科机器人、内窥镜塔等)提供工作空间。
91.推车还可以与患者表面(例如，桌子或床)一起工作，以允许患者以多个位置、角度和取向被呈现和重新定位，包括允许在手术前、手术中和手术后进行这些改变。它还可以包括与一个或更多个外部成像系统或者图像数据管理和通信系统(不限于超声、ct、荧光透视、锥形束ct、pet、pet/ct、mri、光学、超声以及一种或更多种模态的图像融合和/或图像流)接口连接和通信的能力，以支持手术和/或使用环境，包括物理/机械互操作性(例如，在锥形束ct工作空间内兼容，以用于收集组织摧毁前、期间和/或之后的成像数据)。
92.在一些实施方案中，一个或更多个推车可以被配置成一起工作。作为实例，一个推车可以包括配备有一个或更多个机器人臂的临床移动推车，启用了治疗换能器和治疗发生器/放大器等，而协同工作并在离患者一定距离处工作的配套推车可以包括集成的成像和控制台/显示器，用于控制机器人和治疗方面，类似于外科机器人和主/从配置。
93.在一些实施方案中，系统可以包括多个推车，所有推车都从属于一个主推车，该主推车被装备成进行声空化过程。在一些布置和情况下，一种推车配置可以允许在一定距离处储存特定子系统，从而减少手术室的混乱，而另一个协同推车可以基本上包括临床子系统和组件(例如，传递系统和治疗)。
94.人们可以设想推车设计的多个排列和配置，并且这些实例绝不限制本公开的范围。
95.组织摧毁术
96.组织摧毁术包括短的、高振幅的、聚焦的超声脉冲，以产生密集的、高能的“气泡云”，能够有针对性地分离和破坏组织。当指向组织界面(包括组织/流体界面)时，组织摧毁术能够产生受控的组织侵蚀，当瞄准大块组织时，组织摧毁术能够在亚细胞水平上产生界限分明的组织分离和破坏。不同于其他形式的消融，包括基于热和辐射的模态，组织摧毁术不依赖热或电离(高)能量来处理组织。更确切地，组织摧毁术使用在焦点处产生的声空化来机械地影响组织结构，并且在某些情况下使组织液化、悬浮、溶解和/或被破坏成为亚细胞成分。
97.组织摧毁术可以以多种形式应用，包括：1)内在阈值组织摧毁术：传递具有至少单个负/拉伸相(tensile phase)的脉冲，该脉冲足以引起介质内在的气泡核簇经历惯性空化，2)冲击散射组织摧毁术：通常传递持续时间为3-20个周期的脉冲。脉冲的拉伸相的振幅足以引起介质中的气泡核在脉冲的整个持续时间内在聚焦区内经历惯性空化。这些核散射入射冲击波，入射冲击波反转并建设性地干涉入射波以超过内在成核(intrinsic nucleation)的阈值，以及3)沸腾组织摧毁术(boiling histotripsy)：使用持续时间大约为1ms-20ms的脉冲。对冲击脉冲的吸收会迅速加热介质，从而降低内在核的阈值。一旦这个内在阈值与入射波的峰值负压力重合，在焦点处就会形成沸腾的气泡。
98.在焦点处产生的大压力导致声空化气泡云高于特定阈值形成，这在组织中产生局部应力和应变以及机械破坏，而没有显著的热沉积。在不产生空化的压力水平，观察到对焦点处组织的影响最小。这种空化效果仅在明显大于定义类似脉冲持续时间的水中惯性空化阈值的压力水平(大约为10mpa至30mpa的峰值负压力)的压力水平观察到。
99.组织摧毁术可以以多种方式并在不同的参数下执行。它可以通过在患者皮肤上声学耦合聚焦超声换能器并经由覆盖(和中间)组织将声脉冲经皮传输到病灶区(处理区和部位)来完全非侵入性地进行。考虑到通过组织摧毁产生的气泡云在例如b模式超声图像上可
以作为高度动态的回声区域可见，可以通过超声成像在直接可视化下进一步瞄准、计划、指导和观察它，从而允许通过其使用(和相关过程)进行连续可视化。同样，被处理和分离的组织显示回声的动态变化(通常是降低)，这可用于评估、计划、观察和监测处理。
100.通常，在组织摧毁处理中，施加具有3个或更多个声学周期的超声脉冲，并且气泡云的形成依赖于来自最初引发的、稀疏分布的气泡(或单个气泡)的正冲击波前(shock front)的压力释放散射(有时超过100mpa，p+)。这被称为“冲击散射机制”。
101.这种机制依赖于一个(或几个稀疏分布的)气泡，该气泡由换能器焦点处的脉冲的初始负半周期引发。然后由于来自这些稀疏引发的气泡的高峰值正冲击波前的压力释放反向散射，形成微气泡云。这些反向散射的高振幅稀疏波超过了内在阈值，从而产生了局部密集的气泡云。然后，接下来的每个声学周期通过来自气泡云表面的反向散射诱导进一步的空化，该气泡云表面朝着换能器生长。结果，用冲击散射机制观察到沿着声轴与超声传播方向相反地生长的细长密集气泡云。这种冲击散射过程使得气泡云的产生不仅依赖于峰值负压力，还依赖于声学周期的数目和正冲击的振幅。当峰值负半周期低于内在阈值时，如果没有由非线性传播形成的至少一个强冲击波前，就不会产生密集的气泡云。
102.当施加小于2个周期的超声脉冲时，可以最小化冲击散射，并且密集气泡云的产生取决于所施加的超声脉冲的负半周期超过介质的“内在阈值”。这被称为“内在阈值机制”。
103.对于具有高含水量的软组织，例如人体中的组织，该阈值可以在26mpa-30mpa的范围内。在一些实施方案中，使用这种内在阈值机制，损伤的空间范围可以被很好地限定并且更加可预测。当峰值负压力(p-)不显著高于该阈值时，可以产生小至换能器束宽-6db的一半的亚波长可再现损伤。
104.使用高频组织摧毁脉冲，最小的可再现损伤的尺寸变得更小，这在需要精确损伤生成的应用中是有益的。然而，高频脉冲更容易受到衰减和像差的影响，使得在更大的穿透深度(例如，身体中的消融深度)处或穿过导致高像差的介质(例如，经颅手术，或其中脉冲传输穿过骨骼的手术)时会出现有问题的处理。还可以进一步应用组织摧毁术，因为低频“泵浦”脉冲(通常《2个周期，频率在100khz和1mhz之间)可以与高频“探测”脉冲(通常《2个周期，频率大于2mhz，或范围在2mhz和10mhz之间)一起施加，其中低频脉冲和高频脉冲的峰值负压力建设性地干涉以超过目标组织或介质中的内在阈值。更能抵抗衰减和像差的低频脉冲可以提高感兴趣区域(roi)的峰值负压力p-水平，而提供更高精度的高频脉冲可以精确定位roi内的目标位置，并将峰值负压力p-提高至高于内在阈值。这种方法可以被称为“双频”、“双束组织摧毁术”或“参数组织摧毁术”。
105.作为本文公开的系统和方法的一部分，本文包括附加的系统、方法和参数，用于使用冲击散射、内在阈值以及实现频率复合和气泡操纵的各种参数来传递优化的组织摧毁，包括与操纵和定位焦点相关地控制所述组织摧毁效果，并且同时管理处理部位处或中间组织内的组织效果(例如，聚焦前(prefocal)热附带损伤)的附加装置。此外，公开了各种系统和方法，其可以包括多个参数，例如但不限于频率、工作频率、中心频率、脉冲重复频率、脉冲、突发、脉冲数量、周期、脉冲长度、脉冲振幅、脉冲周期、延迟、突发重复频率、前面参数的集合、多个集合的循环、多个和/或不同集合的循环、循环的集合，以及其各种组合或排列等，它们作为本公开的一部分被包括，包括这种公开的未来设想的实施方案。
106.使用组织摧毁术的技术挑战
107.对于使用超声疗法(例如组织摧毁术)来处理深层组织目标(例如》8cm)或穿过异质组织进行处理，存在两个技术挑战：1)超声治疗的声像差和2)实时反馈。
108.声像差是一个影响超声治疗和成像(包括组织摧毁)的问题。由于超声穿过多层异质组织进行传播，声像差会降低焦点压力，使焦点失真。焦点压力的降低会导致无效的处理或处理效率降低。例如，在组织摧毁时，目标组织部位的焦点压力被精确控制以在目标组织部位处产生空化。由于像差引起的焦点压力的降低可能阻止空化的发生。焦点的失真也会降低处理准确性。典型地，聚焦超声换能器被成形为球形表面的一个部分，使得从换能器表面的所有位置发射的声波穿过相同的距离以同时到达焦点。然而，由于穿过骨骼和异质软组织的声速变化，从超声换能器阵列的不同元件到达焦点的行进时间可能不同。因此，像差会导致焦点压力的损失和散焦，降低处理效果和准确性。
109.由于超声是一种非侵入性治疗技术，实时反馈对于实现高处理准确性和最大限度地减少任何潜在并发症至关重要。超声成像已被用于为组织摧毁提供实时反馈，因为组织摧毁产生的空化可以在超声图像上被可视化为动态的明亮区。典型地，超声成像探头被插入组织摧毁换能器的中心孔中，因此2d超声成像平面包含组织摧毁焦点。然后可以使用超声成像来引导瞄准，以将组织摧毁焦点放置到正确的目标组织上，并监控处理进展。然而，使用超声成像作为组织摧毁的唯一指导有两个主要限制。1)当超声成像探头被患者的骨骼(例如，肋骨或颅骨)阻挡时，无法获得组织摧毁焦点的超声图像。例如，组织摧毁术可用于处理患者肝脏中的肿瘤体积，该肿瘤体积部分位于胸腔后面。当机械地移动组织摧毁换能器以扫描组织摧毁焦点来覆盖肿瘤体积时，成像探头可能在治疗的特定持续时间内被肋骨阻挡，此时由于肋骨阻挡，治疗的实时成像不可用。在此持续时间内没有任何反馈，就没有办法知道是否在肿瘤的目标位置处仍然产生空化(即，是否在此持续时间内实施了处理)。2)超声成像探头只能观察包含组织摧毁焦点的2d图像平面内的组织和空化。因此，超声成像探头不能观察在图像平面之外发生的任何潜在的不想要的空化。不想要的空化可能会产生不期望的目标外损伤。
110.上述问题可以用如本文所述的新型组织摧毁超声相控阵列换能器来解决，该换能器被配置成传输超声信号以产生空化并传递组织摧毁以及被配置成接收超声信号(即，发射-接收组织摧毁阵列)。
111.例如，当超声治疗换能器包括相控阵列时，可以使用相位校正技术来校正像差以恢复减小的焦点压力。这可以通过调整从相控阵列的每个换能器元件传输时的相位/时间延迟来实现，以补偿由于声速变化而从每个阵列元件到焦点的行进时间变化。在这样做时，像差可以被校正以增加焦点压力并改善聚焦。
112.可以传递组织摧毁并接收声空化发射信号的超声相控阵列换能器还可以被配置成允许空化的检测、定位和映射。目前，典型的组织摧毁系统仅发射超声脉冲以在焦点处产生空化。发射-接收组织摧毁系统不仅可以用于传递超声脉冲以产生空化，还可以接收诸如声空化发射(ace)信号的信号。在组织摧毁期间，空化气泡的快速膨胀和快速塌缩都会产生冲击波，这些冲击波可以被声学接收器检测到。在一些实施方案中，接收到的主治疗脉冲的反射(如果大于1-2个周期长并且在空化产生事件中没有被完全转换成冲击波)或随后的低振幅治疗脉冲可以用于下面列出的各种接收应用中。通过处理从具有数百个元件和发射-接收能力的组织摧毁换能器阵列系统接收的ace信号，可以检测和定位空化，以提供实时的
3d空化图。由组织摧毁阵列接收的来自组织摧毁诱导的空化微泡的生长和/或塌缩的声发射信号可用于3d和实时地定位和监测空化，即使在超声成像探头被骨骼阻挡的情况下也是如此。3d空化映射还可以实时监控任何离焦空化，以提高安全性并识别不想要的空化。
113.在典型相控阵列系统中发现的发射-接收驱动电子器件不能直接适用于组织摧毁相控阵列换能器，因为产生高压力的组织摧毁脉冲需要极高的电压(数千伏)。如本文所述，新型驱动电子器件被配置成安全地阻挡或显著衰减到超声换能器阵列的发射信号，同时保持接收到的超声信号的高灵敏度和高动态范围。本公开提供了具有发射能力和接收能力的相控阵列组织摧毁换能器阵列的硬件和软件。本公开进一步描述了可以与发射-接收组织摧毁系统一起用于像差校正和空化映射的方法和信号处理算法。
114.发射-接收电驱动系统
115.到组织摧毁换能器的电发射信号典型地在千伏的数量级，而接收的超声信号典型地在毫伏到几十伏的范围内。因此，本文所述的发射-接收电驱动电路被设计和配置成阻挡或严重衰减数千伏量级的高振幅发射波形信号，同时具有足够的灵敏度和动态范围以接收数十伏量级的低振幅信号。
116.本文描述了实现上述功能/目的的许多驱动电路实施方案和实现。在一些实例中，驱动电路可以被装配或添加到现有的仅发射的组织摧毁系统上，以提供发射-接收能力。在其他实施方案中，驱动电路被集成到全新的发射-接收组织摧毁系统中。
117.图2a是新型接收驱动电路200的一个实施方案，该新型接收驱动电路200被配置成被装配到现有的仅发射组织摧毁系统上以实现发射-接收功能。在图示的示意图中，非线性压缩器可以衰减连接到每个组织摧毁元件的所有信号，但是对于高振幅信号具有较大的衰减，对于低振幅信号具有较小的衰减。例如，电容式分压器202，如c1和c2所示，可以首先被配置成将来自换能器元件tx1的所有输入/接收的电压信号衰减到大约1％-10％(或者将信号衰减90％-99％)。然后，二极管-电阻器分压器204,如d1、d2和c3所示，被配置成提供非线性衰减以压缩高于大约1伏的所有信号，并将信号交流(ac)耦合到模数转换器(adc)用于adc转换。adc之前的最后组件是电压电平移位器206，如r2和r3所示，该电压电平移位器将信号置于adc的适当电压范围内(例如，典型地在+/-0.5v至+/-2v之间)。如上所述，该电路被配置成被装配到现有的仅发射的组织摧毁驱动系统。例如，可以增加单独的电路板并将其连接到现有的发射电路，以增加接收功能。在一个实施方案中，接收电路被并联地增加到发射电子器件，并且被动地接收信号而不影响发射电子器件。
118.图2b是被集成到高电压组织摧毁驱动电子器件中的驱动电路200a的一个实施方案。在图2b的实施方案中，与变压器的初级线圈20串联的一组电容器(未示出)由高电压电源充电。驱动器芯片u1然后触发n沟道mosfet晶体管q1，q1通过变压器初级线圈发送高电压ac脉冲，从而以与线圈之间的匝数比成比例的电压在变压器次级线圈22中产生ac脉冲。次级线圈可以电耦合到每个换能器元件(在该图示中，换能器元件tx1)。在一个实现中，在初级线圈和次级线圈之间使用大约1：3的匝数比。因此，该接收驱动电路能够在换能器的中心频率处产生大约3kv的单周期脉冲。应当理解，可以实现其他匝数比。
119.参考图2c，示出了组织摧毁系统的接收驱动电子器件的另一个实施方案。如图所示，接收驱动电子器件可以包括耦合到换能器元件tx1的次级变压器线圈22。因为该系统的驱动器已经在每个沟道的输出处包括一个变压器，所以可以将第三线圈24添加到每个变压
器以用于接收电子器件，从而提供驱动器(例如，初级线圈20)和接收器(例如，第三线圈24)之间的完全隔离。在一个实现中，接收线圈或第三线圈可以用次级变压器线圈22的大约10分之一的绕组缠绕，从而在次级线圈和第三线圈之间提供90％的电压降低。第三级线圈或第三线圈上的绕组数可以针对特定应用进行调整，不一定是次级线圈的10分之一。该比率取决于接收信号振幅，并且可以根据期望电压进行调整。在一个实施方案中，来自图2c的接收绕组(第三线圈24)可以耦合到被设计用于小信号用途的第二变压器，该第二变压器具有特别选择的芯材料和尺寸，使得其将被配置成在发射脉冲期间饱和，以保护其后面的模数电路(adc)。然而，当接收信号时，第二小信号变压器将被配置成不饱和，从而实现接收信号的适当的增益和灵敏度。
120.图2d中示出了集成了接收能力的组织摧毁系统的接收电路的示意性设计。与图2a中的上述实施方案相比，图2d中示出的实施方案中的主要区别是变压器，该变压器在图2c的实施方案中进行描述。在图2d的实施方案中增加了vga电路，并且具有串联的两个电容器c3和c4(而不是图2a中所示电平移位器)的“平衡的”输入端包括数字化仪。
121.在另一实施方案中，发射-接收驱动电路可以包括发射-接收开关。在同一板上具有发射电路和接收电路的集成驱动-接收电路可以使用开关来分离接收信号和发射信号。例如，带有二极管的传统tr开关阻挡高电压发射信号，而不衰减接收信号。具有不同线性增益的电路可以跟随开关，根据接收信号的振幅适当地放大或衰减接收信号的选定部分，以最大化灵敏度。然而，这种设计会浪费大量的电力，体积大，且价格昂贵。
122.图3a示出了驱动-接收电路的另一个实施方案，该驱动-接收电路被配置成测量从换能器tx1流过驱动变压器t1返回的电流(而不是如上所述测量在接收期间在换能器上产生的电压)。与传统的成像换能器相比，治疗换能器阵列元件的相对大的表面积意味着换能器阵列产生相对大的电流，这使得接收期间的高灵敏度成为可能，而对于成像换能器，测量由声信号诱导的电压是仅实用的。正常的超声成像元件太小而不能产生可用的接收电流。本文所述的治疗元件的表面积是传统成像元件表面积的数百到数千倍，因此电流明显更大并且易于测量(在毫安范围而不是微安)。在所示电路中，电流可以由电路径中的感测电阻器(r1)来测量。驱动-接收电路被配置成使来自大反射或在发射脉冲期间的过量电流通过一组旁路二极管(d1和d2)。发射电流可以大到40a。当驱动-接收电路正在接收诸如超声反射信号和/或声空化发射的反射时，感测电阻器被配置成测量由这些反射在电路中诱导的电流。跨电流感测电阻器产生的电压通过巴伦(balun)(t2)和电容器c1和c2耦合到adc。这种平衡的输入配置是制造商针对afe5801数字化仪的首选电路。通过直接测量r1上相对于地的电压，该数字化仪或其他数字化仪也有可能实现单端操作。
123.图3a的驱动-接收电路可以被配置成在低增益模式和高增益模式下工作。仍然参考图3a，电路可以具有两个电流感测电阻器r1和r2，使得电路的总灵敏度可以改变一个大的量。如图所示，这可以用一对晶体管q2和q3来实现，该对晶体管q2和q3被配置成接通/断开与较大值电阻器r1(高灵敏度)并联的小值电阻器r2(低灵敏度)。利用这些晶体管可以非常快速地改变电路的电阻，以使得能够使用接收的数据突发的一部分上的低设置(例如，具有较高振幅的接收信号，例如来自骨骼的超声反射信号)和几微秒后的高设置(例如，具有较低振幅的接收信号，例如来自空化塌缩的声空化发射信号)。因为传感器是直接变化的，所以两个尺度都具有非常高的snr，这与可变增益放大器不同，在可变增益放大器中，通常
增益越高，snr越差。在一些实施方案中，附加的感测电阻器可以以相同的方式实现，以获得甚至更宽的动态范围。对于图3a中所示的电路，高增益模式被配置成测量adc中高达5ma的电流，该adc经由变压器t2耦合到电路，而低增益模式被配置成测量adc中高达200ma的电流。
124.图3b示出了替代实施方案，其中可以实现低栅极阈值mosfet晶体管q4和q5来代替旁路二极管，以使大的发射电流通过。随着晶体管的进步，现在有比任何二极管更小、更便宜、性能更高的晶体管用于这种旁路作用。与单个二极管相比，这些晶体管的导通电压更高，因此更容易利用adc的整个动态范围。
125.图3c示出了第三实施方案，其中旁路晶体管q4和q5被明确地控制作为有源发射-接收开关。晶体管栅极连接到栅极驱动信号，以强制晶体管完全接通(用于发射模式)或完全断开(用于接收模式)，例如这可能是+/-5v，具体取决于晶体管驱动要求。这种配置可以减少发射期间产生的rf噪声，而被动切换的旁路组件必须以超声频率快速接通和断开。这种设计在复杂性略有增加的情况下进行了权衡。
126.上述模拟接收信号可以被转换成数字信号，然后被收集和处理。从组织摧毁换能器阵列接收的信号可以是例如来自骨骼或软组织的反射或来自空化的声发射信号。这些信号通常在组织摧毁脉冲之后的特定时间窗口(例如，在发射治疗脉冲之后的几十到几百微秒)被接收。因此，本文描述的硬件和软件被配置成同步发射、接收以及adc转换和采样的时钟，以在包含期望接收信号的每个组织摧毁脉冲之后获得适当的时间窗口。如果同步和时间窗口被正确设置，则可以收集和处理期望的接收信号。
127.为了实现正确的同步和时间窗口化，本文描述的任何发射-接收驱动电子器件可以包括这样的实施方案，其中连接到adc的单个现场可编程门控阵列(fpga)器件可以被用于控制换能器的发射和接收操作，以及针对组织摧毁系统的沟道的某个子集或所有沟道的adc。通过向fpga提供单次时钟关闭(clock off)(将由单独子系统执行的操作的时序基于该时钟关闭)，可以保证子系统之间的同步，尤其是当多个fpga被用于控制组织摧毁换能器元件的各个子集时。然后，当对fpga编程时，可以通过适当分配各个操作的时序来实现对适当的时间窗口的设置以接收信号。在需要多个fpga的情况下，例如在换能器元件太多而无法从单个器件控制的阵列中，可以将一条时钟线散开到所有换能器元件以实现同步，并且可以使用中心“主”fpga在适当的时间窗口内触发换能器元件的操作的执行。
128.可替代地，本文所述的任何发射-接收驱动电子器件可以包括多fpga系统，该多fpga系统可以被设置成以“无头(headless)”模式运行，在“无头”模式中，不需要中心“主”fpga来发出/散开单条共享时钟线或触发单独的板操作的执行。在这种模式下，每个fpga将被设置为关闭它自己的单独时钟，并监测和更新由整个系统共享的两条公共的“程序执行状态”和一条公共的“执行操作”开漏(open-drain)硬件io线路。开漏线路的工作方式使得，如果任何单个fpga向线路施加低信号，在线路上任何位置测量的信号都将登记为低；当且仅当所有fpga都向线路施加高信号时，线路上各处测量的信号才会登记为高。两条“程序执行状态”线路将被用于fpga以发出系统范围的1)
‘
准备执行’信号和2)
‘
完成执行’信号，并且在默认情况下，每个fpga将向这些线路中的每一条施加低信号；每个fpga将向“执行操作”线路施加高信号。在运行程序时，当到达程序中新的可执行指令时，每个fpga将更新“准备执行”线路以向其施加高信号，并进入等待状态，在等待状态中，每个fpga将监测“准备执
行”线路和“执行操作”线路上的信号。一旦所有fpga都达到“准备执行”状态，在“准备执行”线路上登记的信号将变为高；系统中第一个检测到“准备执行”线路上的高状态的fpga将在“执行程序”线路上发出低信号，使得该“执行程序”线路上的所有地方都登记为低。当检测到“执行程序”线路上的低信号时，每个fpga在其自身的“执行程序”线路端子上将值设置为低，并执行其存储的命令。一旦每个fpga完成运行各自的命令，它将向“完成执行”线路和“执行程序”线路施加高信号。一旦“完成执行”线路和“执行程序”线路均被登记为高，fpga会将所有共享开漏线路值复位为默认值，加载程序中的下一条指令，并对每条指令重复该过程，直到程序完成。
129.一组完全连接的接收元件可以产生大量数据，因此提出了减少数据负载的策略，以允许实时传送和处理采集的信号，从而满足治疗期间的监测需求。这些策略可以应用于本文描述的任何发射-接收驱动电子器件。这样的策略可以包括，例如，在运行在fpga上的固件中对来自adc的输入数据进行人工下采样(例如，通过仅存储由adc生成的每隔一个数据点，或对跨多个采集周期生成的数据点进行平均)。这有效地降低了采样频率，从而减少了数据负载，但不会牺牲时间精度或动态范围，也不会导致系统噪声增加。还可以应用差分压缩方案，其中在第一时间点之后捕获的所有数据被存储为在相邻时间点捕获的值之间的差。例如，对于时间1处的值x，和时间2处的值y，可以将时间2处的值存储为y和x之间的差，d＝y-x，而不是直接存储值y，然后在处理过程中计算出y的实际值为y＝x+d。以这种方式，例如x＝64000和y＝63900的标称值，它们组合起来代表4个字节的数据，可以被存储为x＝64000和d＝-100，这组合起来代表3个字节的数据，并允许完全恢复y值。随着数据记录的长度变长，这种压缩策略导致数据减少，这种减少与存储差值所需的变量大小与存储实际值所需的变量大小的比率成比例，这通常可以将当前系统中的数据负载减少30％-50％，但在单独数据元素大小较大的系统中，可能会导致显著更大的减少。在不要求实时处理/压缩的应用中，可以通过使用类似于压缩音频文件的方法进行频域变换来进一步减少数据大小。
130.由于在组织摧毁治疗期间需要监测的一些事件将需要非常高的时间精度(例如，来自单独空化事件的信号)，而其他事件将需要很小的精度(例如，大边界(例如颅骨、肋骨、组织界面)的信号反射)，可以实现动态改变压缩比的策略以充分利用实时应用的输入数据。为此，控制数据采集的固件和软件已经被配置成使得采集期间使用的采样频率和压缩策略可以在阵列中基于每个沟道来设置，并且甚至在单独采集事件的中间也可以实时独立地更新。这允许设置阵列的不同子孔径(sub-aperture)，以在必要的采样频率和压缩设置下监测治疗的不同特征，以及允许接收系统根据需要在阵列的所有元件上被设置为最大采样频率/最小压缩设置，以监测具有潜在弱信号的短期事件，然后在需要最大监测的窗口之外被设置回较低的采样频率和较高的压缩设置。这允许完全监测这种类型的短期事件，而不需要在采集中截断(cut-off)来减少数据负载，否则截断可能在治疗期间导致主动监测区域的物理尺寸减小或监测速度的急剧降低。
131.在一些情况下，接收信号振幅可能是低的，噪声可能是高的，导致低信噪比(snr)。降低噪声和提高snr的一种方法是在存储数据之前在固件(例如fpga固件)中进行过采样和平均。这也有助于增加动态范围和减少内存需求。另一种技术是实现动态可变采样率。例如，adc可以被配置成始终以50mhz运行，但可能仅在数据记录的某些部分上需要高时间精度。在不需要如此高帧速率的信号部分，样本可以被抽取或平均，以大大降低存储需求。
132.治疗换能器元件的带宽通常很低，但是可以使用高采样率进行采样以获得良好的时序精度。接收数据应该在傅立叶域中压缩得非常好(至少压缩成10分之一，可能压缩得更多)。fpga可以被配置成在存储或发射之前在固件或软件中执行这种压缩。数据压缩是实现实时监测的关键，系统收集的接收数据量会让系统不堪重负。
133.在实时监测不是必需的应用中，或者在处理速度需要保持高于可能的速度同时在每个脉冲之后将完整的采集信号同时传送到用户计算机的应用中，系统可以被配置成仅传送部分信号和/或将采集的信号直接存储在fpga器件本身上，以便稍后传送到控制计算机。这将允许不间断地从所有传递的脉冲采集信号，而不限制处理速度。这种能力对于监测采集信号的长期变化是有用的。例如，在与被瞄准组织的消融状态相关联的ace信号特征中存在固有的可变性，这使得组织状态难以逐脉冲地跟踪，但是ace信号中的特征性变化存在于更长的处理时间尺度(例如，》20个施加的脉冲)上，这允许评估组织的消融状态。可以实时传送部分信号，以允许在每个脉冲的基础上定位和映射空化事件，同时在fpga上存储要间歇传送的较大记录长度的信号，以评估治疗目标中的消融状态。
134.在一些情况下，有可能产生远远超过治疗期间产生空化所需标称压力的两倍的焦点压力，并且在这种情况下，有可能使用少于一半的组织摧毁换能器阵列元件来产生空化。控制组织摧毁阵列的软件允许阵列的元件被容易地划分成独立可控的子孔径，有效地允许单个物理组织摧毁换能器阵列作为多个单独的组织摧毁阵列来工作。以这种方式，病灶体积内的多个位置可以使用阵列的单独子孔径同时被瞄准以进行处理，允许提高处理速度而不需要提高脉冲传送的速率。
135.像差校正技术
136.下面描述了像差校正方法和技术的实例，这些方法和技术是新的且专门针对组织摧毁疗法。
137.由发射-接收组织摧毁阵列实现的像差校正的一个实施方案利用了由通过组织摧毁诱导的空化气泡的初始快速膨胀所发射的强健冲击波的到达时间。这可以被称为声空化发射(ace)信号。这种冲击波构造从聚焦空化区域朝向组织摧毁治疗阵列成球形发散回来。传播路径中的任何像差都可以通过计算从聚焦空化部位到每个组织摧毁阵列元件的行进时间来确定。在处理了由每个元件接收的ace信号的到达时间之后，每个元件的校正时间延迟可以被应用于每个相应换能器元件的后续传输，使得由每个组织摧毁阵列元件产生的超声脉冲波将同时到达聚焦空化位置。这是通过将ace信号的飞行时间的变化应用于到每个组织摧毁阵列元件的发射脉冲信号来实现的，使得发射信号将同时到达空化部位，这校正了像差并改善了聚焦。
138.对于基于ace的像差校正，可以实现由图4中的流程图所示的专用方法和算法，其包括以下操作：在步骤402，该方法可以包括利用超声换能器阵列将组织摧毁治疗脉冲发射到目标组织中，以在目标组织中产生空化。如上所述，阵列的多个换能器元件可以各自将单独的组织摧毁脉冲发射到组织中。接下来，在操作404，该方法可以包括接收从组织摧毁诱导的空化产生的声空化发射(ace信号)。ace信号的接收可以利用例如上述系统或驱动电子器件中的任何一种。接下来，在操作406，该方法可以利用编码在这些ace信号中的信息(例如，由空化气泡膨胀产生的发射的开始时间、从空化气泡塌缩开始的峰值时间)来计算从组织摧毁阵列的每个元件到目标组织中的空化的行进时间。最后，在操作408，该方法可以包
括调整每个阵列元件的驱动电信号的时间延迟，以校正行进时间的差异，使得在后续发射中由每个元件传送的超声脉冲被配置成同时到达焦点/目标组织。该方法可用于对通路中的骨骼或异质组织进行像差校正。
139.尽管上述方法讨论了接收来自空化的快速膨胀的ace发射，但是相同的技术可以用于接收来自空化气泡塌缩的声学冲击波/信号。由每个阵列元件接收的来自空化气泡塌缩的信号可以与空化膨胀信号类似地使用，以计算用于像差校正的飞行时间，如上所述。
140.冲击波压力倾向于随着组织摧毁焦点压力的增加而线性增加。这些冲击波的飞行时间分析的一个实施方案涉及使用希尔伯特(hilbert)变换来计算这些冲击波的包络。然后可以使用互相关算法来确定重新对齐这些包络信号所需的时间偏移。这些时间偏移然后被反转，以校正组织摧毁元件之间的飞行时间变化，然后如上所述被应用于后续脉冲。分析这些信号的其他方法包括检测峰值冲击波压力或使用窗口平均滤波器和边缘检测算法来确定冲击波的到达时间。在没有像差校正的情况下，发现在亚空化阈值振幅下的焦点压力下降到49.7％，并且诱导空化所需的换能器功率增大为三倍。使用上述ace像差校正方法，可以恢复超过20％的损失压力，并且诱导空化所需的换能器功率可以减少大约31.5％。
141.在足以执行像差校正的电平处，声空化发射(ace)信号可能并不总是可检测到(例如，由于传播穿过组织/骨骼的衰减效应)和/或并不总是可与背景信号分量区分的(例如，ace信号可能与组织摧毁脉冲反射/混响同时到达阵列元件)。在这种情况下，使用空化事件作为像差校正的基础可以使用脉冲回波技术通过将组织摧毁阵列元件划分成多个子孔径来实现，其中一个子孔径将用于产生空化事件(子孔径a)，另一个子孔径将用于激发询问脉冲(子孔径b)。在这种情况下，子孔径a的所有元件将发射具有足够振幅的组织摧毁脉冲，以例如在时间＝0，在目标处产生空化事件。在稍后的某个时间，例如在时间＝100us时，当产生的空化事件的大小已经生长，元件子孔径b将发射指向该事件的脉冲。当到达由子孔径a产生的空化事件时，来自子孔径b的脉冲将被空化事件反射并朝向阵列散射回来。然后，两个子孔径的阵列元件可以用于接收从空化事件反射的信号，并且这些信号的到达时序可以用于根据[69]和[70]中描述的方法计算像差校正延迟。该技术的一个关键益处是，可以任意设置来自子孔径b的脉冲的时序，使得反射/散射信号返回阵列元件，以便在背景分量最小的信号区域中进行检测。
[0142]
在另一实施方案中，像差校正可以基于来自软组织的散射信号。
[0143]
焦点抖动方法也可用于基于接收信号的像差校正。使用来自软组织的散射或反射信号的挑战在于，来自目标组织的散射信号的振幅通常很小和/或被背景信号所掩盖，该背景信号是来自其他组织的散射信号。从阵列的所有元件(sc1n，n是元件编号)接收散射信号，其中阵列焦点在几何焦点处。然后阵列焦点可以抖动到距离几何焦点很小的距离(例如，1/2或3/2波长)，并且也从阵列(sc2n，n是元件编号)的所有元件接收散射信号。这两个信号都包含来自通路中所有异质组织的背景散射信号，而差(sc2
n-sc1n)仅仅是由于来自抖动焦点的具有相反相位的散射信号。将测试所有元件的相位或时间延迟的组合，以确定可以使差(sc2
n-sc1n)最大化的相位或时间延迟的组合。由此得到的组合然后可以用于像差校正。由于组织之间的声速差异很小，由不同元件的异质软组织路径导致的飞行时间变化预期也很小。因此，可以预先计算延迟组合的预设集以用于测试。该方法允许在不产生空化的情况下进行像差校正，并且潜在地保持足够好的snr用于处理。
[0144]
对于超声治疗，水通常被用作耦合介质，以确保超声从换能器阵列传输到患者的皮肤。水和软组织之间的声速差异可以导致焦点的实质性位置偏移(例如，几毫米)。每个阵列元件可以接收来自水-皮肤界面的反射信号，以确定从每个元件表面到水-皮肤界面的飞行时间，并使用该飞行时间确定来校正由耦合介质引起的焦点偏移。
[0145]
来自骨骼的反射信号可以具有高振幅。本文描述的方法和算法还可以包括(经由高振幅反射信号)检测被肋骨阻挡的换能器元件并断开这些换能器元件，或者降低到这些换能器元件的发射信号的振幅(振幅像差校正)以降低组织摧毁处理期间肋骨或骨骼加热的可能性。
[0146]
来自各种组织表面和层的反射信号可由每个阵列元件接收以对组织层建模。基于使用文献值的每个组织层的声速，可以计算从每个元件到阵列焦点的飞行时间，用于像差校正。该方法将仅提供粗略像差校正。
[0147]
空化定位和映射
[0148]
以上描述的由发射-接收组织摧毁换能器阵列接收的ace信号可用于定位和映射目标组织中的空化。利用每个组织摧毁换能器阵列元件的已知位置，可以使用超声成像中使用的常规波束成形方法和被动空化映射。然而，为了通过颅骨或通过深层覆盖组织对骨骼或其他像差导致物(aberrator)(例如肋骨)后面的空化进行成像，因为每个元件的路径中的声速可能不同，所以需要对现有的波束成形或被动空化映射算法进行修改，并在本文对这种修改进行了讨论，以考虑针对不同元件的到达焦点的行进时间变化。在波束成形后，可以使用迭代方法来最大化聚焦空化区域内的信号振幅，从而考虑行进时间差。
[0149]
例如，蛮力方法(brute force method)可用于针对所有组织摧毁阵列元件迭代地测试超声行进时间延迟的范围。然后，导致加在一起的ace信号的最高振幅的时间延迟组合可用于空化定位和映射。这对于实时成像来说可以足够快地实现。下面的实例示出了70hz帧速率，用于基于发射-接收组织摧毁系统和蛮力方法通过切除的人类颅骨进行空化定位，精度在1.5mm以内。应该注意的是，相同的方法也可以用于获得通路中的颅骨表面或肋骨的映射，因为来自骨骼的强反射信号可以被组织摧毁阵列接收并分离以进行处理。
[0150]
实例：经颅空化定位和映射。在这个实例中，蛮力迭代方法可以用来定位穿过人类颅骨的空化。同样的方法可以被应用以生成穿过肋骨的空化映射，以监测肋骨后面的空化。通过以下两个步骤完成空化定位和映射：1)进行信号处理以将ace信号与颅骨反射信号分离；以及2)通过将由阵列的每个元件采集的ace信号投射回场中并对这些信号的信号振幅求和来生成空化图。
[0151]
进行信号处理以将ace信号与颅骨反射信号分离可以包括三个基本步骤。首先，可以将低振幅、亚空化阈值组织摧毁脉冲传递到目标组织，并且可以使用换能器阵列元件来记录来自中间组织的脉冲反射。然后可以放大这些信号，并从在传递了高振幅组织摧毁脉冲之后生成的含ace的信号中减去这些信号，以便将ace信号与背景隔离。接下来，然后可以使用移动窗口平均来平滑信号，以减少采集信号中的噪声对定位结果的杂散影响。然后，信号的振幅可以作为定位算法的前提条件。
[0152]
空化事件的定位和映射可以由蛮力迭代方法，通过将采集的ace信号投射回场中，以生成投射信号振幅与换能器的聚焦区域的体积图来完成。计算中使用的体积图可以在以场中空化事件的预期位置为中心的体素(voxels)网格上生成。基于组织摧毁换能器元件的
已知位置以及它们与体积网格中每个体素的距离，在体素和换能器之间传播的声脉冲的来回飞行时间可以在这样的假设下计算，即，在体素和换能器之间的任何地方的声速都是恒定的并且具有已知的声速常数。然后可以将在对应时间在每个相应体素处从每个换能器测量的信号振幅求和在一起，以确定在每个体素处的信号振幅之和。为了考虑到换能器和体素之间的声速由于它们之间存在组织而不是恒定的这一事实，可以通过在时间上迭代每个体素元素处计算的来回飞行时间并在每个时间步长处重新计算信号振幅场来重复选择所采集的ace信号内的时间点的过程，在该时间点获得测量的信号振幅。在迭代计算结束时，每个体素处的信号振幅之和可以取在每个体素处计算的，整个迭代窗口内的最大值。该过程通过仅考虑最终结果考虑了组织声速和厚度对超声传播的组合效应，在这种简化情况下，最终结果是在换能器元件处产生信号到达时间的均匀调制。这大大降低了计算复杂性，并允许在定位过程中通过迭代时移操作来考虑组织的影响。然后可以通过找到体素网格内振幅大于最大检测值90％的所有点的质心来计算空化事件的位置。
[0153]
使用这种方法，可以实现穿过骨骼，例如穿过肋骨或穿过人类颅骨的3d空化定位。ace反馈定位结果精确到距所产生的空化事件质心的实际位置在≤1.5mm以内(如通过光学成像所测量的)。考虑到气泡的物理大小，在》90％的案例中，发现定位结果落在气泡所包围的体积周围《1mm的范围内。在使用所描述方法的实验期间，已经实现了以高达70hz的速率实时定位空化，但是基准测试示出了定位算法被有效地扩展，因此有可能用更强大的硬件实现更高的速率。
[0154]
参考图5的a)，示出了从发射-接收组织摧毁阵列的每个元件接收的信号，包括在亚阈值空化压力下来自颅骨的反射信号、在超阈值空化压力下的颅骨反射信号和ace信号、以及通过减去颅骨反射信号采集的后处理ace信号。图5的b)示出了通过使用蛮力迭代方法处理ace信号而产生的颅骨表面图和聚焦空化定位/图。
[0155]
在另一个实施方案中，所描述的用于映射经颅空化的方法被扩展用于目标位于非常不均匀像差导致物(即肋骨)下方的应用中，或者用于在穿过组织到达目标的途中的路径长度变化明显的应用中(例如，当换能器必须相对于组织表面倾斜对准以便聚焦在目标处时)。如上所述的相同信号处理和定位方法可以通过两个重要的附加项来应用。
[0156]
信号处理：可能需要信号处理中的附加步骤来考虑不均匀像差导致物和倾斜表面的存在。首先，阵列的每个元件被单独激发，并且组织的脉冲反射被所有阵列元件记录。给定换能器元件的已知位置和耦合介质的声速，可以使用传统的延迟和波束成形来从所采集的信号生成组织表面和底层特征(即，肋骨)的3d图。
[0157]
2)空化定位和映射：给定组织的已知表面几何结构，和/或诸如肋骨的底层特征的位置，非均匀延迟可以被施加到在用于定位空化事件的时间迭代过程期间采集的ace信号。在肋骨的情况下，基于它们的已知位置，被分配给已知要通过肋骨传播的ace信号的延迟可以相对于那些不通过肋骨传播的ace信号被分配一个固定偏移，以便最大化场中的投影信号振幅来定位空化事件。或者，给定组织相对于倾斜对准的换能器的已知表面几何结构，分配给每个元件的时间延迟可以以分级的方式设置，以考虑ace信号为了到达每个阵列元件而需要行进穿过的组织的不同路径长度。
[0158]
在另一个实施方案中，所描述的方法被扩展用于目标位于其声速可能不是众所周知的大致均匀像差导致物(即肝脏)内的应用中，特别是在穿过组织到达目标的途中的路径
长度变化明显的情况下(例如，当换能器必须相对于组织表面倾斜对准以便聚焦在目标处时)。与上述相同的信号处理和定位方法以及上述用于映射组织表面几何结构的方法可以通过以下附加项来应用。
[0159]
给定组织的已知表面结构、耦合介质的声速和所生成的ace信号的时序，空化事件的位置以及成核介质本身的声速可以通过应用描述折射的snell定律经由耦合方程组的最小化来确定。给定阵列元件相对于组织表面的已知位置，可以计算从每个元件到组织表面上每个点的飞行时间，以及脉冲相对于该点的相应轨迹。在离开组织时，根据snell定律，来自空化事件的ace信号的轨迹将由于组织和耦合介质之间的声速差异而改变。耦合介质的声速和从阵列元件到组织表面上每个点的距离是已知的，但不知道由每个阵列元件采集的ace信号的接收部分来自组织表面上的哪个点；组织的声速和被映射的空化事件的位置也是未知的。各个阵列元件处的ace信号的时序t
ace,n
将仅取决于通过耦合介质和组织传播的距离，以及耦合介质和组织各自的声速，因为t
ace,n
＝[d
cm,n
/c
cm,n
+d
t,n
/c
t,n
]，其中“d”和“c”分别对应于“行进的距离”和“介质的声速”，并且下标“cm”、“t”和“n”分别对应于“耦合介质”、“组织”和“元件编号”。其中这三个变量(d
cm,n
,d
t,n
,c
t,n
)的值是未知的，然而，d
cm,n
的值通过在组织耦合介质边界处实施snell定律而变得无关紧要，因为一旦d
t,n
和c
t,n
已知，d
cm,n
可以完全用d
t,n
和c
t,n
重新表示。然后，可以通过最小化由σt
ace,n,exp
–
t
ace,n
返回的值来求解介质的声速和所产生的空化的位置，其中t
ace,n,exp
是通过调整c
t,n
以及组织中空化气泡的位置(其通过d
t,n
来表示)的值而实验测量的ace信号的时序。
[0160]
实时处理监测
[0161]
如上所述，组织摧毁术产生空化以机械地分离目标组织。随着剂量或治疗的增加，被处理的组织变得越来越软，最终液化成无细胞碎片。结果，在处理过程中，产生的空化气泡变得更大，需要更长的时间才能塌缩，最终空化活动模拟流体中的强空化活动。空化膨胀和塌缩信号可以通过由发射-接收组织摧毁阵列接收的声空化发射(ace)信号来检测，然后ace信号可以被处理以定量监测处理进展并确定处理完成。例如，达到最大空化气泡生长的时间和气泡塌缩时间随着处理而增加，并最终在目标组织液化且处理完成时饱和。这种增加趋势可以通过经由特定算法处理ace来检测，以指示处理进展到何时，并且饱和趋势可以通过特定算法来检测，以确定处理已经完成，所有这些都是实时的。这种算法的实例可以包括在采集的波形中单独使用峰值检测来识别与气泡生长和塌缩相关联的ace信号，并测量它们之间的时序。在信号嵌入在强背景环境中的情况下，可以通过自相关来处理各个波形，以识别波形内的自相似区域(即，生长和塌缩ace信号)之间的时序。由于各个信号的背景环境彼此不相同，因此可以通过将来自每个阵列元件的所有个体自相关结果相互比较来识别ace信号，例如通过对它们进行中值滤波，这将在对应于气泡寿命的时间处示出一致的峰值。将采集的信号反向投射到场中，以随着时间的推移进行体积成像，将类似地在对应于生长和塌缩ace信号的时间，在图像形成的体积内示出投影信号振幅的峰值。
[0162]
然而，这些ace信号的声学非常复杂，可以用许多不同的方法进行分析，以获得用于处理进展监测的期望度量。因此，需要专门的算法，该算法包括以下功能。参考图6的流程图，一种组织摧毁处理进展监测方法可以包括，在步骤602，检测选定的ace特征(例如，空化气泡膨胀信号、塌缩信号和/或回弹信号的时序和振幅)以与组织信号分离，在步骤604，计算与由组织摧毁所产生的组织损伤相关的空化参数(例如，塌缩时间，即膨胀信号和塌缩信
号之间的时间、膨胀信号的峰值振幅、塌缩信号的峰值振幅、生长和塌缩ace信号的振幅比、或与回弹相关的ace信号振幅的衰减率)，在步骤606，确定与正常处理进展相关的变化(例如，选定空化参数的增加的斜率)，并且在步骤608，确定与处理完成相关的变化(例如，选定空化参数的变化的饱和度)。
[0163]
提供了空化参数塌缩时间的一个实例。该实例表明，空化塌缩时间的增加和饱和与处理进展和完成相关。组织摧毁处理期间的空化气泡云的塌缩时间(t
col
)变化是组织摧毁处理期间组织分离过程进展的指标。
[0164]
在一项实验中，500khz，112个元件的组织摧毁阵列用于在不同硬度水平的模拟组织的琼脂模型(agar phantom)以及离体牛肝样本中产生单位置损伤。接收到空化塌缩信号，并使用高速相机在透明的模拟组织的模型中对空化进行成像。t
col
的高速相机采集的测量结果光学验证了声学水听器测量结果。在模型硬度降低的情况下，以及在整个组织摧毁处理过程中，随着施加的脉冲数量的增加，都观察到了t
col
的增加。t
col
的增加趋势在整个组织摧毁处理过程中，与模拟组织的模型中产生的损伤形成进展密切相关(r2＝0.87)(图7)。参考图7，示出了t
col
(左y轴)和平均损伤强度(mli)(右y轴)与100个脉冲内的脉冲数量的关系。mli被定义为roi上的平均像素强度，在从0到1的归一化尺度上针对整个处理进行计算，以指示处理进展(0-无处理；1-处理完成)。t
col
和mli的大多数变化发生在处理的早期且同时发生。在前几个脉冲中，t
col
的变化大于mli的变化，但两个度量都很快趋于平稳，并在40个脉冲左右达到平台阈值(plateau threshold)。
[0165]
最后，t
col
在组织摧毁处理期间的增加趋势在离体牛肝中得到了验证。t
col
在整个处理过程中经历了大约50μs的总体平均增加，并且在约40至50次组织摧毁脉冲时达到该稳态值(图8a
–
图8b)。在图8a-图8b中，示出了离体牛肝(n＝4)中前100个脉冲(右，线性尺度)和1000个脉冲(左，对数尺度)的塌缩时间t
col
。在处理的前100个脉冲内观察到t
col
的大部分变化，在脉冲100和脉冲1000之间几乎没有变化。
[0166]
还研究了组织摧毁治疗期间由空化云产生的声空化发射(ace)信号作为处理期间组织完整性的潜在反馈机制。使用500khz，112个元件的相控组织摧毁阵列，通过扫描219个位置，每个位置30-1000个脉冲，在离体牛肝组织内产生大约6mm
×
6mm
×
7mm的损伤。设计并构建了一个定制的非线性电压压缩器，以允许阵列的8个元件发射组织摧毁脉冲并从损伤内的中心处理位置接收ace信号。通过测量整个处理过程中峰值压力到达时间的变化来定量分析ace信号。ace峰值压力到达时间随着处理的进展而减少，并最终饱和(图9)。参考图9，示出了使用峰值压力到达时间的量化ace。整个处理过程中峰值压力到达所显示的趋势表明，影响该度量的大多数物理变化发生在前200次脉冲中。非线性最小二乘最佳拟合线以黑色示出。最佳拟合线在80个脉冲时达到指数衰减时间常数。
[0167]
分析被处理组织的组织学，相应地，细胞计数、网织蛋白染色的iii型胶原面积和三色染色的i型胶原面积在组织摧毁处理过程中都减小了(图10)。使用皮尔逊相关系数(pcc)，使用0.05的显著性水平将ace信号与由不同数量的脉冲产生的损伤的组织学分析进行比较。组织学分析包括活细胞计数、网织蛋白染色的iii型胶原面积和三色染色的i型胶原面积。发现峰值压力到达时间的减少与网织蛋白染色的iii型胶原面积的减小具有显著的统计相关性，pcc为0.72(p＝0.043)。这表明使用ace峰值压力到达时间作为组织摧毁处理监测指标的可行性。可以对发射-接收硬件和软件进行显著改进，以提高这种检测的灵敏
度。参考图10，示出了42个以不同剂量进行了组织摧毁处理的样本的组织学分析。图10中的a示出了在成像介质中剩余的活细胞计数。在处理早期，细胞计数经历了最大程度的破坏。图10中的b示出了具有完整网织蛋白染色胶原的百分比面积，图10中的c示出了具有完整三色染色胶原的百分比面积。这两种胶原蛋白度量经历的破坏量都比剩余细胞计数慢。非线性最小二乘最佳拟合线以红色示出。当与正态分布相比时，所有最佳拟合线都表现出统计学显著性，如每个图上p值所指示的。
[0168]
本文描述的发射-接收组织摧毁相控阵列的优点可以总结如下。
[0169]
1)像差校正——发射-接收组织摧毁术可以校正由于超声通路中的声速变化引起的像差，并改善聚焦。由于需要对每个阵列元件应用校正，基于由每个元件接收的信号的校正方法提供了最准确的像差校正。先进的发射-接收组织摧毁硬件和软件以及专门的像差校正算法使得能够在处理前甚至在处理期间即时进行像差校正。
[0170]
2)空化定位和映射——由于空化是组织摧毁术产生损伤的原因，实时3d空化图可以促进瞄准和处理监测，即使通路中有肋骨或颅骨。3d空化图还允许我们检测目标处的预期空化和任何潜在的不想要的目标外空化。因此，由发射-接收组织摧毁换能器阵列提供的实时3d反馈可以克服如前所述的超声成像反馈的两个主要限制。
[0171]
3)处理监测——空化动力学与通过组织摧毁产生的组织损伤水平相关。接收到的ace信号可以被处理以实时监测处理进展并确定处理的完成。3d空化映射也可以共同配准或覆盖在处理前的mri或ct扫描上。
[0172]
4)紧凑的系统——发射-接收组织摧毁阵列系统可以是紧凑的，并且具有与仅发射的组织摧毁系统相似的尺寸，但是具有如上所述的许多附加特征。发射-接收组织摧毁阵列可以独立于和/或补充当前用于组织摧毁反馈的超声成像而使用。
[0173]
5)自动配准——通过换能器接收产生的空化图自动配准到治疗侧坐标系。然后，处理准确度仅依赖于治疗换能器和处理计划成像之间的单一配准。
[0174]
使用方法
[0175]
本文所述的发射-接收超声系统能够实现提供一般振幅像差校正以使治疗更有效的超声和/或组织摧毁治疗，并且还能够提供对焦点偏移的校正。这些方法描述如下：
[0176]
一般振幅像差校正
[0177]
提供了在超声治疗期间提供一般振幅像差校正的方法。这些方法可以包括将超声脉冲发射到单个测试脉冲位置(例如，与目标组织对准的计划处理体积的中心)，以及从单个位置接收时间延迟。接下来，接收到的时间延迟可用作整个计划处理体积(例如，计划处理体积内的所有处理图案位置)的代表性像差校正图。然后可以将像差校正应用于随后的超声处理脉冲，以提高治疗的效率。
[0178]
在一些实例中，可以使用多个离散的测试脉冲位置(例如，七点测试位置)。该方法可以包括接收每个测试位置/定位处的时间延迟，并对所接收的延迟建模以对整个计划处理体积的像差校正图进行插值。
[0179]
可替代地，该方法可以包括实时测试。例如，该方法可以包括在每个测试脉冲和处理位置使用接收到的信号进行像差校正，并在治疗期间实时更新像差校正。
[0180]
在一些实例中，测试脉冲序列可以不同于治疗脉冲(自动处理)，以在转变到治疗脉冲之前提供更小的云或更热有利的序列来评估像差/阈值。
[0181]
焦点偏移的校正
[0182]
在超声/组织摧毁治疗期间，经常会看到通常沿着“z”轴的焦点偏移，这主要是由于水(耦合介质)和组织中声速的差异。这通常可以在超声系统中通过利用成像系统(例如，超声成像)可视化气泡云来校正。如本文所述，系统的接收能力可用于映射来自水-皮肤界面的反射信号，以确定从每个元件表面到水-皮肤界面的飞行时间，并使用该飞行时间确定来校正由耦合介质引起的焦点偏移。
[0183]
为了建立和扩展这种方法，可以使用其他输入来使焦点偏移的预测更加准确。例如，焦点偏移校正可以基于单个测试脉冲(例如，在计划处理体积的中心处的脉冲)，或者基于在体积上插值的多个测试脉冲。
[0184]
由系统接收的接收数据可以与来自成像系统的成像数据配准，以提供关于空化的更多视觉反馈。附加地，接收数据和成像数据可以与治疗系统的机器人定位臂配准，使得图像/接收数据处于定位臂的六个自由度的上下文中。
[0185]
当成像系统被遮挡时(例如当聚集区在骨骼或另一种像差导致物之后时)，上述方法可用于校正焦点偏移/像差。
[0186]
当一个特征或元件在本文中被描述为“在另一特征或元件上”时，它可直接在其他特征或元件上，或也可能存在中间的特征或元件。相反，当一个特征或元件被描述为“直接在另一特征或元件上”时，没有中间的特征或元件存在。应当理解，当一个特征或元件被描述为“连接”、“附接”或“耦合”到另一特征或元件时，它可直接连接、附接或耦合到其他特征或元件，或可存在中间的特征或元件。相反，当一个特征或元件被称为“直接连接”、“直接附接”或“直接耦合”到另一特征或元件时，没有中间的特征或元件存在。虽然相对于一个实施方案进行了描述或示出，但是这样描述或示出的特征和要素可以应用于其他实施方案。本领域的技术人员还将认识到，对布置为与另一个特征“相邻”的结构或特征的引用可以具有重叠或位于相邻特征下方的部分。
[0187]
本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，并且不意图是本发明的限制。例如，除上下文明确说明之外，如本文所用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”旨在同样包括复数形式。应当进一步理解，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”当在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。如本文所用的，术语“和/或”包括一种或更多种相关联的所列项目中的任一和所有组合，并且可缩写为“/”。
[0188]
空间相关的术语，诸如“在......下(under)”、“在......下(below)”、“下部(lower)”、“在......上(over)”、“上部(upper)”等可在本文中使用，以便于描述如附图所示的一个元件或特征与另外的一个或更多个元件或特征的关系。将理解的是，空间相关的术语意图涵盖设备在使用或操作中除了附图中描绘的取向之外的不同取向。例如，如果附图中的设备被反向，被描述为“在其它元件或特征下(under)”、或“在其它元件或特征之下(beneath)”的元件然后将被取向成“在其它元件或特征上(over)”。因此，示例性术语“在......下(under)”可涵盖在......上和在...下的两种取向。该设备可以以其他方式取向(旋转90度或在其他取向处)，并且本文使用的空间相对描述词被相应地解释。类似地，除另外特别说明之外，术语“向上(upwardly)”、“向下(downwardly)”、“垂直(vertical)”、“水
平(horizontal)”等在本文中用于说明的目的。
[0189]
虽然术语“第一”和“第二”在本文中可以用于描述各种特征/要素(包括步骤)，但是这些特征/要素不应当受这些术语的限制，除非上下文另外指示。这些术语可以用于将一个特征/要素与另一个特征/要素区分开。因此，在不偏离本发明的教导的情况下，下面讨论的第一特征/要素可以被称为第二特征/要素，并且类似地，下面讨论的第二特征/要素可以被称为第一特征/要素。
[0190]
在整个本说明书和随附的权利要求书中，除非上下文另外要求，否则单词“包括(comprise)”，并且诸如“包括(comprises)和“包括(comprising)”的变型意指可以在方法和物品中共同使用各种部件(例如，组合物以及包括设备和方法的装置)。例如，术语“包括”将被理解为暗示包含任何陈述的要素或步骤，但不排除任何其他要素或步骤。
[0191]
如本文在说明书和权利要求书中所用的，包括如在示例中所用的，并且除非另有明确说明，所有数字可以被解读为如同以单词“约(about)”或“大约(approximately)”开头，即使该术语没有明确出现。当描述量级(magnitude)和/或位置时，可以使用措辞“约”或“大约”，以指示所描述的值和/或位置在值和/或位置的合理预期范围内。例如，数值可以具有作为陈述值(或值的范围)的+/-0.1％、陈述值(或值的范围)的+/-1％、陈述值(或值的范围)的+/-2％、陈述值(或值的范围)的+/-5％、陈述值(或值的范围)的+/-10％等的值。本文给出的任何数值也应当被理解为包括约或大约该值，除非上下文另外指示。例如，如果公开了值“10”，则还公开了“约10”。本文中列举的任何数值范围意图包括其中包含的所有子范围。还应当理解，如本领域技术人员所适当理解的，当公开了值时，“小于或等于”该值时、“大于或等于该值”以及值之间的可能范围同样也被公开。例如，如果公开了“x”值，则小于等于x以及“大于等于x”(例如，其中，x为数值)也被公开。还应理解，在整个申请中，数据以多种不同的格式提供，并且该数据表示端点和起始点以及用于数据点的任何组合的范围。例如，如果公开了特定数据点“10”和特定数据点“15”，则应理解，大于、大于或等于、小于、小于或等于和等于10和15以及在10到15之间被认为被公开。还应理解，还公开了在两个特定单元之间的每个单元。例如，如果公开了10和15，则也公开了11、12、13和14。
[0192]
尽管上文描述了各种例证性实施方案，但是在不偏离如由权利要求所描述的本发明的范围的情况下，可以对各种实施方案进行多个改变中的任一个。例如，在可选择的实施方案中，经常可以改变各种所描述的方法步骤被进行的顺序，并且在其他可选择的实施方案中，可以一起跳过一个或更多个方法步骤。各种设备和系统实施方案的任选特征可以被包括在某些实施方案中而不被包括在其他实施方案中。因此，前面的描述主要被提供用于示例性目的，并且不应被解释为限制如在权利要求中所阐述的本发明的范围。
[0193]
本文所包括的实例和图示通过例证而不是限制的方式示出了其中可以实践主题的特定的实施方案。如提及的，其他实施方案可以被利用并且从那里被导出，使得结构和逻辑替代和改变可以被进行而不偏离本公开内容的范围。如果实际上多于一个被公开，仅为了方便，发明主题的这样的实施方案在本文中可以单独地或共同地由术语“发明”来指代，并且不意图将本技术的范围自愿地限制到任何单个发明或发明构思。因此，尽管在本文已经例证和描述了特定实施方案，但是为实现相同目的而计算的任何布置可以替代示出的特定实施方案。本公开意图涵盖各种实施方案的任何和所有改编或变型。在阅读以上描述后，以上实施方案的组合以及本文未具体地描述的其他实施方案对于本领域技术人员将是明
显的。

技术特征：
1.一种用于组织摧毁系统的发射-接收驱动电子器件，包括：至少一个换能器元件，其被配置成以发射模式发射超声脉冲，并以接收模式接收超声反射和/或声空化发射；电流感测电阻器，其被配置成在所述接收模式期间测量所述发射-接收驱动电子器件中的电流；旁路电路，其电耦合到所述至少一个换能器元件和所述电流感测电阻器，其中所述旁路电路被配置成在所述发射模式期间接通以绕开所述电流感测电阻器，并且在所述接收模式期间断开以允许所述感测电阻器测量所述电流；以及增益调整电路，其电耦合到所述电流感测电阻器和低灵敏度电阻器，所述增益调整电路被配置成在高灵敏度设置中工作，在所述高灵敏度设置中，所述电流感测电阻器接通而所述低灵敏度电阻器断开，并且其中所述增益调整电路还被配置成在低灵敏度设置中工作，在所述低灵敏度设置中，所述电流感测电阻器和所述低灵敏度电阻器接通。2.根据权利要求1所述的发射-接收驱动电子器件，还包括：电耦合到所述至少一个换能器元件的驱动变压器。3.根据权利要求1所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述旁路电路还包括一对旁路晶体管。4.根据权利要求1所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述旁路电路还包括一对旁路二极管。5.根据权利要求1所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述增益调整电路还包括一对晶体管。6.根据权利要求1所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述电流感测电阻器具有比所述低灵敏度电阻器更高的电阻。7.根据权利要求1所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述电流感测电阻器具有大约200欧姆的电阻，并且所述低灵敏度电阻器具有大约5欧姆的电阻。8.一种用于组织摧毁系统的发射-接收驱动电子器件，包括：超声换能器阵列；高电压发射电子器件，其耦合到所述超声换能器阵列并被配置成向所述超声换能器阵列提供高达数千伏的电压以产生一个或更多个组织摧毁脉冲；第一接收电子器件，其耦合到所述超声换能器阵列并被配置成接收来自所发射的一个或更多个组织摧毁脉冲的输入电压信号，所述第一接收电子器件被配置成将所述输入电压信号衰减90％-99％；第二接收电子器件，其被配置成压缩高于1v的任何衰减的输入电压信号；第三接收电子器件，其被配置成对衰减的输入电压信号进行电压移位；以及模数转换器，其被配置成从所述第三接收电子器件接收经电压移位的衰减的输入电压信号以进行adc转换。9.根据权利要求8所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述第一电子器件包括分压器。10.根据权利要求9所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述分压器包括电容式分压器。
11.根据权利要求10所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述电容式分压器包括与所述超声换能器阵列的第一换能器元件并联的第一电容器和第二电容器。12.根据权利要求8所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述第二接收电子器件包括二极管-电阻器分压器。13.根据权利要求8所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述第三接收电子器件被配置成将所述衰减的输入电压信号电压移位到用于所述模数转换器的适当电压范围。14.根据权利要求8所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述发射-驱动电子器件包括单独的电路板，所述电路板被配置成被装配到包括仅发射的组织摧毁驱动系统的现有组织摧毁系统。15.根据权利要求14所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述发射-驱动电子器件被并联地添加到所述仅发射的组织摧毁驱动系统，并且被配置成被动地接收信号而不影响所述仅发射的电子器件。16.根据权利要求8所述的发射-接收驱动电子器件，还被配置成同步所发射的一个或更多个组织摧毁脉冲、所接收的输入电压信号和所述adc转换的时钟，以在每次组织摧毁脉冲发射之后获得适当的时间窗口。17.根据权利要求8所述的发射-接收驱动电子器件，还包括一个或更多个现场可编程门阵列(fpga)板，所述fpga板耦合到所述模数转换器，并且被配置成利用单个时钟控制所述发射-接收驱动电子器件的发射操作和接收操作。18.根据权利要求17所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述一个或更多个fpga包括被配置成减少所接收信号的数据负载的软件或固件。19.根据权利要求17所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述一个或更多个fpga被配置成对来自所述模数转换器的输入数据进行人工下采样。20.根据权利要求17所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述一个或更多个fpga被配置成对所接收的信号进行过采样和平均以提高信噪比(snr)。21.一种使用发射-接收组织摧毁系统进行空化检测的方法，包括以下步骤：利用发射电子器件和组织摧毁治疗换能器阵列将高电压组织摧毁治疗脉冲发射到目标组织中，以在所述目标组织中产生空化；利用接收电子器件和所述组织摧毁治疗换能器阵列接收来自所述空化的低电压声空化发射信号；以及处理所接收的声空化发射信号以监测处理进展。22.根据权利要求21所述的方法，还包括实时生成由所发射的脉冲产生的空化的3d图。23.一种使用发射-接收组织摧毁系统进行像差校正的方法，包括以下步骤：利用具有多个换能器元件的组织摧毁治疗换能器阵列将组织摧毁治疗脉冲发射到目标组织中，以在所述目标组织中产生空化；利用所述组织摧毁治疗换能器阵列接收来自所述空化的声空化发射信号；基于所接收的声空化发射信号计算从所述空化到所述超声换能器阵列的每个换能器元件的行进时间；以及基于所计算的行进时间调整所述多个换能器元件中的至少一个换能器元件的发射时间延迟，使得随后的组织摧毁治疗脉冲同时到达所述目标组织。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，计算所述行进时间包括使用在所述声空化发射中编码的信息。25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述信息包括从空化膨胀产生的声空化发射的开始时间。26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述信息包括从空化塌缩产生的声空化发射的开始时间。27.根据权利要求24所述的方法，其中，所述信息包括从空化塌缩开始的峰值时间。28.一种接收-驱动电路，其被配置成被装配到现有的仅发射的组织摧毁系统的一个或更多个换能器元件上，所述接收-驱动电路包括：分压器，所述分压器被配置成电耦合到第一换能器元件，所述分压器被配置成衰减由所述第一换能器元件接收的电压信号；以及电耦合到所述分压器的二极管-电阻器分压器，所述二极管-电阻器分压器被配置成提供非线性衰减以压缩高于预定电压的信号，并且还被配置成将所接收的信号ac耦合到模数转换器。29.根据权利要求28所述的接收-驱动电路，其中，所述分压器和所述二极管-电阻器分压器被配置成设置在第一电路板上，并且所述第一电路板被配置成电耦合到设置在单独的第二电路板上的高电压组织摧毁驱动电子器件。30.根据权利要求28所述的接收-驱动电路，其中，所述接收-驱动电路和高电压组织摧毁驱动电子器件设置在单个电路板上。31.一种发射-接收组织摧毁系统，包括：换能器元件；发射电子器件，所述发射电子器件耦合到所述换能器元件并且被配置成向所述换能器元件传送组织摧毁脉冲；以及耦合到所述换能器元件的非线性压缩器接收电子器件，其中所述非线性压缩器接收电子器件被配置成以第一衰减量压缩第一电压信号，并且还被配置成以第二衰减量压缩第二电压信号，其中所述第一电压信号高于所述第二电压信号，并且所述第一衰减量高于所述第二衰减量。32.一种用于组织摧毁系统的发射-接收驱动电子器件，包括：换能器元件；次级变压器线圈，其电耦合到所述换能器元件；初级变压器线圈，其被定位成邻近所述次级变压器线圈，所述初级变压器线圈被配置成经由所述次级变压器线圈在所述换能器元件中产生超声脉冲；以及第三变压器线圈，其被定位成邻近所述次级变压器线圈，所述第三变压器线圈被配置成将由所述换能器元件接收的电压信号衰减预定量。33.根据权利要求32所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述第三变压器线圈被配置成将所接收的电压信号衰减90％-99％。34.根据权利要求33所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述第三变压器线圈被缠绕的绕组是所述次级变压器线圈的约1/7-1/10。35.根据权利要求32所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述第三变压器线圈被配
置成在超声脉冲的发射期间饱和。36.根据权利要求35所述的发射-接收驱动电子器件，其中，所述第三变压器线圈耦合到信号变压器，所述信号变压器具有特定选择的芯材料和大小，使得所述信号变压器被配置成在超声脉冲的发射期间饱和。37.一种组织摧毁系统的发射-接收驱动电子器件，包括：超声换能器阵列；发射电子器件，其耦合到所述超声换能器阵列并被配置成发射一个或更多个组织摧毁脉冲以在目标组织中产生空化；接收电子器件，其被配置成接收来自所述空化的声空化发射；以及发射-接收开关，其被配置成在发射所述一个或更多个组织摧毁脉冲期间仅使能所述发射电子器件，所述发射-接收开关还被配置成在发射所述一个或更多个组织摧毁脉冲之后的预定时间仅使能所述接收电子器件，以阻挡发射信号而不衰减所接收的信号。38.根据权利要求37所述的发射-接收驱动电子器件，其中，不同的线性增益跟随所述发射-接收开关，以基于所接收信号的振幅来放大或衰减所接收信号的选定部分，以最大化所述接收电子器件的接收灵敏度。39.一种组织摧毁治疗的方法，包括以下步骤：利用组织摧毁治疗换能器阵列将组织摧毁治疗脉冲发射到目标组织中，以在所述目标组织中产生空化；利用所述组织摧毁治疗换能器接收来自所述空化的声空化发射信号；检测选定的声空化发射特征以从组织信号中分离；计算与由所述组织摧毁治疗脉冲产生的组织损伤相关的空化参数；确定与处理进展相关的空化参数的变化；以及确定与处理完成相关的空化参数的变化。40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述选定的声空化发射特征包括空化气泡膨胀信号的时序。41.根据权利要求39所述的方法，其中，所述选定的声空化发射特征包括空化气泡膨胀信号的振幅。42.根据权利要求39所述的方法，其中，所述选定的声空化发射特征包括空化气泡塌缩信号的时序。43.根据权利要求39所述的方法，其中，所述选定的声空化发射特征包括空化气泡塌缩信号的振幅。44.根据权利要求39所述的方法，其中，所述选定的声空化发射特征包括空化气泡回弹信号的时序。45.根据权利要求39所述的方法，其中，所述选定的声空化发射特征包括空化气泡回弹信号的振幅。46.根据权利要求39所述的方法，其中，所述空化参数包括所述空化的塌缩时间。47.根据权利要求46所述的方法，其中，所述塌缩时间包括所述空化的膨胀信号和塌缩信号之间的时间。48.根据权利要求39所述的方法，其中，所述空化参数包括所述空化的膨胀信号的峰值
振幅。49.根据权利要求39所述的方法，其中，所述空化参数包括所述空化的塌缩信号的峰值振幅。50.根据权利要求39所述的方法，其中，所述空化参数包括所述空化的生长ace信号的振幅比。51.根据权利要求39所述的方法，其中，所述空化参数包括所述空化的塌缩ace信号的振幅比。52.根据权利要求39所述的方法，其中，所述空化参数包括与回弹相关联的ace信号振幅的衰减率。53.根据权利要求39所述的方法，其中，确定与处理进展相关的所述空化参数的变化还包括识别所述空化参数的增加的斜率。54.根据权利要求39所述的方法，其中，确定与处理完成相关的所述空化参数的变化还包括识别所述空化参数的变化的饱和度。55.一种用于在组织摧毁期间检测空化的方法，包括以下步骤：利用组织摧毁治疗换能器阵列将组织摧毁治疗脉冲发射到目标组织中，以在所述目标组织中产生空化；利用所述组织摧毁治疗换能器阵列接收来自所述空化的声空化发射信号；检测选定的声空化发射特征以从组织信号中分离；基于选定的声空化发射特征处理并形成空化图；以及将所述空化图叠加到所述目标组织的图像上。56.根据权利要求55所述的方法，其中，所述选定的声空化发射特征包括空化气泡膨胀信号的时序。57.根据权利要求55所述的方法，其中，所述选定的声空化发射特征包括空化气泡膨胀信号的振幅。58.根据权利要求55所述的方法，其中，所述选定的声空化发射特征包括空化气泡塌缩信号的时序。59.根据权利要求55所述的方法，其中，所述选定的声空化发射特征包括空化气泡塌缩信号的振幅。60.根据权利要求55所述的方法，其中，所述选定的声空化发射特征包括空化气泡回弹信号的时序。61.根据权利要求55所述的方法，其中，所述选定的声空化发射特征包括空化气泡回弹信号的振幅。62.一种在组织摧毁治疗期间进行像差校正的方法，包括以下步骤：利用组织摧毁治疗换能器阵列将组织摧毁治疗脉冲发射到目标组织中，以在所述目标组织中产生空化；利用所述组织摧毁治疗换能器阵列接收来自所述空化的声空化发射信号；分析所述声空化发射信号以检测在所述目标组织中产生的空化；测试发射时间延迟的预置以选择一组发射时间延迟，所述一组发射时间延迟能够使所检测到的空化中的峰值信号振幅最大化；以及
应用所选择的一组发射时间延迟，使得随后的组织摧毁治疗脉冲同时到达所述目标组织。

技术总结
提供了一种被配置用于处理组织的组织摧毁治疗系统，其可以包括任意数量的特征。本文提供了系统和方法，该系统和方法提供有效的非侵入性和微创的治疗、诊断和研究过程。特别地，本文提供了优化的系统和方法，该优化的系统和方法在各种不同区域和各种不同条件下提供瞄准的、有效的组织摧毁，而不会对中间的/非目标组织或结构造成不期望的组织损伤。组织或结构造成不期望的组织损伤。组织或结构造成不期望的组织损伤。


技术研发人员：蒂莫西
受保护的技术使用者：密歇根大学董事会
技术研发日：2021.08.27
技术公布日：2023/9/20