CN104684658A - 用于聚焦脉冲的设备和方法 - Google Patents

Abstract

用于聚焦脉冲的设备至少包括一个由传感器(6)网络(5)构成的发射装置，这些发射装置适于使传感器网络向一反射腔(7)内发射至少一束聚焦在目标介质(2)的至少一个目标点(4)上的波。反射腔包括一适于使所述波产生多重散射的多重散射介质(8)。

Description

用于聚焦脉冲的设备和方法

本发明涉及用于聚焦波的方法和设备。更具体地说，它涉及用于在一目标介质的一个目标点上产生高强度波的方法和设备，例如医学应用中的声波。

因此本发明涉及一种聚焦设备，至少包括由一传感器阵列(在此也称为传感器网络)构成的脉冲发射装置，该脉冲发射装置适于使传感器阵列能够向一反射腔内发射至少一束聚焦在一目标介质上的至少一目标点上的波。

用于发射波的设备是已知的，例如发射高强度聚焦超声(HIFU)波发射设备或碎石设备。这些设备具有缺点，因为它们的焦点无法通过简单的方法快速和长距离移动。

文献US2009/0216128披露了一种试图解决该问题的设备的一个示例。该设备包括一个具有一不规格且不平的表面的反射腔，在该反射腔中，能够产生和控制具有一可移动焦点的波。腔内充满水并且设有一个与目标区域接触放置的窗口以便加强声波向目标区域的传输。

然而该解决方案具有缺点。该腔室构成了一个具有低品质因数和重大损耗的反射器。在目标点的波的强度很低。

本发明意图克服这些缺点。

为此，根据本发明，上述所讨论类型的用于聚焦脉冲的设备特点在于反射腔包括一个适于使所述波产生多重散射的多重散射介质。

通过这些方案，尽管在腔室和环境之间保持着高透光率，但是由反射腔构成的反射器的品质因数仍然是很重要的。这两个特点使设备能够在环境中产生高强度脉冲和/或波。多重散射介质可以被当成是一种带有可调传输系数的有效介质。目标点的位置很容易移动越过大体积。由腔室构成的反射器的损耗很低而且该反射器的特性很容易通过多重散射介质的选择进行调整。由于反射器的高品质因数，使用的传感器可以是低功率的而且在目标点能够产生高强度波。使用的传感器的数量可以因为虚拟源的产生而减少。

在设备的优选实施例中，可能使用一个或多个以下方案：

-多重散射介质包括大量散射体；

-散射体基本上彼此相同；

-每个散射体都有至少一个横向尺寸，其基本上为反射腔内波的波长的0.1到5倍；

-每个散射体都有至少一个横向尺寸，其实质上为反射腔内波的波长的0.5到1倍；

-散射体以非周期的形式分布在多重散射介质内；

-散射体分布在多重散射介质内以便他们在反射腔的横截面上的表面密度基本上为每表面面积2到30个散射体，该表面面积等于一个其边为反射腔内波的波长的10倍的正方形的面积；

-声波散射体通过以其体积堆积密度在1％和30％之间的方式分布在多重散射介质内；

-每个声波散射体的长宽比都大于5；

-波是一种声波；

-反射腔内含有液体；

-反射腔在其至少一端具有一个窗口；

-多重散射介质被安置在所述端附近；

-目标介质由活体组织构成；

-设备进一步包括安置在反射腔和目标介质之间的透镜；

-通过使阵列的每个传感器i发出一个发射信号，散射装置适于将波s(t)朝目标介质内的一组值为K(K至少等于1)的预定目标点k发射：

$s_i\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{\mathrm{ik}}\left(t\right)\⊗s\left(t\right)$

式中e_ik(t)是预定的单个发射信号，适于当传感器i发射信号e_ik(t)时，在目标点k产生一脉冲波；

-发射装置适于发射一束能够在目标点生成空化气泡的波。

本发明也涉及一种用于聚焦脉冲的方法，包括至少一个发射步骤，在该步骤期间，一传感器阵列发射至少一束聚焦在目标介质的至少一个目标点上的波，而且所述波在到达目标介质之前穿过反射腔，该方法特征在于在发射步骤过程中，由位于反射腔内的多重散射介质引起所述波的多重散射。

在该方法的优选实施例中，可能使用一个或多个以下方案：

-在发射步骤过程中，通过使阵列的每个传感器i发射一发射信号，波s(t)被发射到目标介质内一组值为K(K至少等于1)的预定目标点k处：

$s_i\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{\mathrm{ik}}\left(t\right)\⊗s\left(t\right)$

式中，信号e_ik(t)是预定的单个发射信号，适于当传感器i发射信号e_ik(t)时，在目标点k产生一脉冲波；

-每个信号e_ik(t)都被编码为1到64之间的比特；

-每个信号e_ik(t)都被编码为1个比特；

-单个发射信号e_ik(t)在所述发射步骤之前的一个学习步骤中通过实验确定；

-在学习步骤过程中，在每个预定目标点k处连续发射一超声波脉冲信号，获得阵列的每个传感器i因所述超声波脉冲信号的发射而接收的信号r_ik(t)，并且单个发射信号e_ik(t)通过接收信号r_ik(t)的时间反演而决定：

e_ik(t)＝r_ik(-t)；

-在学习步骤中，设置一种不同于目标介质的液体介质，与反射腔相接触，而且所述脉冲信号从所述液体介质中被发射出；

-对于一预定目标点k，在阵列的每个传感器i处连续发射一超声波脉冲信号，于目标点k处捕获因所述超声波脉冲信号的发射而接收的信号r_ik(t)，而且单个发射信号e_ik(t)由接收信号r_ik(t)的时间反演所决定：

e_ik(t)＝r_ik(-t)；

-在学习步骤过程中，设置一种不同于目标介质的液体介质，与反射腔相接触，而且信号r_ik(t)在所述液体介质中被捕获；

-在学习步骤过程中使用的液体介质基本上由水构成，而且在发射步骤过程中，波束聚焦在目标介质中，该目标介质由活体组织构成；

-单个发射信号e_ik(t)通过计算确定；

-在发射步骤过程中，发射一束能够在目标点产生空化气泡的波；

-该束波是一种声波；

-发射步骤以10赫兹到1000赫兹之间的频率至少重复一次。

通过对实施例中的一个的下文描述，本发明的其他特征和优点将更加明显，实施例以非限定示例的方式给出且参考附图。

在附图中，图1是一示意图，阐明了根据本发明一实施例的一个脉冲聚焦设备，例如一声脉冲聚焦设备。

根据本发明的一些实施例，所述波和脉冲可以是声波，光波，或电磁波和/或脉冲。

例如，电磁波和/或脉冲是无线电频率或太赫范围的波和/或脉冲，例如中心频率在几兆赫兹和几太赫兹之间。

声波可能是例如超声波，例如其中心频率在200千赫和100兆赫之间的波和/或脉冲，例如0.5兆赫兹和10兆赫兹之间。

脉冲聚焦设备1的所有元件都是由本领域的技术人员根据上述所讨论的波和/或脉冲的种类和频率来选择和调适的。

例如，发射与接收元件，传输窗口，反射腔和其他反射元件，散射介质和散射体，透镜和聚焦元件，以及用于脉冲聚焦设备1以及聚焦方法中的任何其他元件都分别适用于技术人员所选的波和/或脉冲的类型和频率。

图1中显示的脉冲聚焦设备1专门用于例如在目标介质2中聚集脉冲，该目标介质例如可能是组织摧毁术中病人身体一部分的活体组织，或者是一部分工业应用中的工业目标，或者一些其他目标介质。

更具体地说，脉冲聚焦设备1专门用于在目标介质2内的一目标区域3内聚焦脉冲，该区域3可能是立体的区域。

为此，该设备1适于发射聚焦在目标区域3内的一个或多个预定目标点4处的波。

发射和接收元件发射波，该发射和接收元件例如是安置在反射腔7内或附着在反射腔7内的一个传感器6阵列5。

可以有任何数量的传感器6，从一个到几百个，例如几十个传感器。

阵列5可能是一个线性阵列，传感器沿阵列的一个纵轴并排排列，正如已知的超声波探头中所见到的。

阵列5可能是一个二维阵列以便发射三维聚焦波。

反射腔7可能充满液体10，例如水。

反射腔7可能充满一种气体，例如一种气体，其吸收由传感器6生成的波和/或脉冲的能力很低。

反射腔包括由一种材料构成的壁，该材料构成对波的高反射界面。反射腔7的壁可能，例如，由一种金属板，一种电磁或光学反射镜，或者一种薄膜构成，其将包含在腔内的液体与腔外的气体分隔开以便为声波和/或脉冲创建一种高反射液体-空气界面。

反射腔7直接或通过一个透镜9，例如一个声学，光学或电磁透镜，在它其中一个端7a与目标介质2相接触。它可能，例如，在所述端7a设有一个窗口7b，窗口7b具有一个能以低损耗传输波的壁。

反射腔7的基本形状可以是一个长方体，阵列的传感器6例如位于反射腔7的一端7b上或者其附近，该端与和目标介质2相接触的端7a相对

反射腔通常也可能是圆柱形，例如一个直圆柱体或者圆柱的某一其他类型，沿腔的延伸方向Y延伸并且具有一个与和目标介质2相接触的端7a相对的平面。

在另一个实施例中，反射腔7可能为不规则形状，例如在其壁上形成有凹处或凸起。

反射腔7进一步包括在波导到达目标介质2之前适于被波穿过并且导致波进行多重散射的多重散射介质8。

例如，多重散射介质8可能位于和目标介质2相接触的反射腔7的端7a附近。

例如，多重散射介质8可能覆盖了反射腔7的整个横截面，该面垂直于腔延伸方向Y。

多重散射介质8可能包括任何数量的散射体8a，从几十个到数千个不等，例如数百个散射体。

散射体8a适于散射声波。

散射体8a有利地无规则或非周期性地分布在多重散射介质中，意味着他们的分布未显示出周期性结构。

在图1的示例中，散射体的基本形状是一个沿延伸方向Z从下端延伸到上端的一个竖杆。

声波散射体8a的延伸方向可能是例如彼此平行而且垂直于传感器阵列的纵轴和腔延伸方向Y。

散射体可能通过框架固定或者在其端部附着在反射腔7的壁上。

或者，他们可以采取小珠，颗粒，圆柱或任何三维固体的形式，并且通过一种泡沫，一弹性体，或者三维框架固定以便他们分布在所有三维空间内以及构成多重散射介质8。

选择散射体8a的形状和密度以及多重散射介质8的维度以确保波的最大多重散射以及良好传输。

散射体8a可能具有一个对于波具有高反射性的表面，例如一种金属，一种光学或电磁反射镜，或者一个同反射腔的介质相比在阻抗方面有显著差异的表面。

散射体8a可能，例如，具有一个基本上是反射腔内波的波长的0.1到5倍之间的横剖面，例如为所述波长的0.5到1倍之间。

所述横剖面可以理解为一个在垂直于其延伸方向上所取的横截面，例如垂直于其最长延伸方向。

因此，散射平均自由程(波的两次散射之间的平均距离)可以最小化，而且迁移平均自由程(在波偏离其起始方向后的平均距离)可以最大化。通过非限定性示例，对于一个其中心频率大约为1赫兹的声波来说，散射体8a可以例如具有一个横剖面，取垂直于其延伸方向的方向或者沿其最小横剖面的方向，该横剖面包含在一个直径大约为0.8mm的圆中，并且散射体长度为9cm，例如沿其延伸方向。

同样地，散射体8a可以分布在多重散射介质8中以便他们在多重散射介质8的横剖面上的表面密度基本上为每表面面积有2到30个散射体，该表面面积等于一个其边长为反射腔7内波的波长的10倍的正方形的面积。

所述横剖面可以理解为一个在垂直于散射体8a的延伸方向和/或垂直于多重散射介质8的最长延伸方向上所取的横截面。

再次通过示例，散射体8a可以分布在多重散射介质8中以便对于一个中心频率大约为1赫兹的声波来说，散射体在垂直于散射体8a的延伸方向z上的多重散射介质8的横截面上的表面密度等于每平方厘米10个左右散射体8a，例如每平方厘米18个声波散射体8a。

在三维多重散射介质的情况下，散射体8a可以分布在多重散射介质8中以便使他们在多重散射介质8中的体积堆积密度在1％和30％之间。

最后，多重散射介质8沿波的传播方向上的长度可能是几厘米，例如对于一个声波是2厘米。

在三维多重散射介质8的情况下，散射体8a的体积堆积密度可能是，例如，每立方厘米10个左右散射体8a并且多重散射介质8沿三维空间方向上的维度可能是几厘米。

当然，也可以考虑反射腔7，多重散射介质8，和/或散射体8a的其他通用形式。

也可以在目标介质4和反射腔7之间设置一透镜9。

根据本发明的实施例，透镜9可能是一个适于在一个或两个方向上聚焦波和/或脉冲的声学，光学或电磁透镜。

在一些实施例中，反射腔7和多重散射介质8可能适于构成一个具有高品质因子的反射器。

在一个所述波是声波的实施例中，传感器阵列产生的声波的压力因此可以通过反射腔7构成的反射器和多重散射介质8扩大20分贝以上。

在一个所述波是光波或电磁波的实施例中，在焦点产生的脉冲的功率也可以被增强。

阵列的传感器6可能被放置在反射腔7的一个与目标介质2相对的面上或者腔7c的一个侧面上。

可选地，他们可能被放置在一个侧面7c上并且被调整方向以便以与腔延伸方向Y相对的某个角度，例如60°，向多重散射介质发射波。

传感器6通过一个微电脑12(典型地具有例如一显示器12a和一个键盘12b的用户界面)控制，彼此独立，各不相干，可能通过一个包含在例如一个机箱11内的中央处理器CPU和/或一个图形处理器GPU，该机箱通过一个软电缆连接到传感器6上。

该机箱11可能包括例如：

-一个与每个传感器6连接的模数转换器C1-C5；

-与每个传感器6的模数转换器连接以及与中央处理器CPU和/或图形处理器GPU连接的存储器M1-M6；

-以及与中央处理器CPU连接的通用存储器M。

设备也可能包括一个与中央处理器CPU连接的数字信号处理器或“DSP”。

上述设备运行如下。

在任何聚焦操作之前，先确定一个单个发射信号e_ik(t)的矩阵，以便在目标点k处产生一个波s(t)，阵列5的每个传感器i都发射一个发射信号：

$S_i\left(t\right)=e_{\mathrm{ik}}\left(t\right)\⊗s\left(t\right).$

这些单个发射信号可以通过计算确定(例如利用一种时空逆滤波器方法)，或者可以在先前的学习步骤过程中通过实验确定。

在该学习步骤过程中，在每个目标点k由一个发射器例如一台水诊器，在每个目标点k处连续地发射超声波脉冲信号是很有利的，并且阵列5的每个传感器获得从所述超声波脉冲信号的发射过程中接收的信号r_ik(t)。信号r_ik(t)被模数转换器转换并且储存在与中央处理器CPU连接的存储器中，中央处理器之后通过所述接收到的信号的时间反演来计算个别发射信号e_ik(t)：

e_ik(t)＝r_ik(-t)。

如果目标介质2是一种液体介质，可能视情况通过在目标区域3的不同目标点4处连续地定位超声波发射器来执行初始学习步骤。如果介质2是活组织，例如是一位病人的身体部分或者一种由大量水构成的类似介质，执行学习阶段则可能通过用多个最好主要由水构成的液体来代替介质2，连续地将超声波发射器定位在根据反射腔7确定的不同目标点4的位置。

通过利用倒易空间的原理，我们也可以通过在所述液体介质中的目标点k处放置一个或多个水诊器来确定信号e_ik(t)。对于水诊器的每个位置k，每个传感器i连续发出一个超声波脉冲，然后信号r_ik(t)被水诊器捕获到。信号e_ik(t)之后通过时间反演被确定：

e_ik(t)＝r_ik(-t)。

当一个或多个波被聚焦在目标区域3内的一个预定目标点k时，反射腔7被放置成与目标介质相接触，而且阵列的每个传感器i发射一个发射信号：

$S_i\left(t\right)=e_{\mathrm{ik}}\left(t\right)\⊗s\left(t\right).$

可选地，通过使阵列5的每个传感器i发射一个发射信号，同样可能产生聚焦在目标区域3的大于1的k个目标点4上的波s(t)

$s_i\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{\mathrm{ik}}\left(t\right)\⊗s\left(t\right)$

这样，阵列的传感器6发射的波的中心频率可能在200千赫和100兆赫之间，例如在0.5兆赫和10兆赫之间。

此外，发射步骤能以10～1000赫兹的频率被重复。

在一个利用声波的实施例中，能够在目标点4处产生空化气泡。为此，可以通过(连续地或非连续地)发射一超声波s(t)在目标点4产生一空化阈之上的负压，例如-15Mpa。

尽管设备1已经在上文中作为一脉冲聚焦设备进行了描述，但是也可以使用该设备(聚焦之外或与聚焦无关的功能)用于成像例如超声成像，下面将对其进行描述。

当执行成像时，例如超声成像，在每次发射一聚焦在目标区域3的一个或多个目标点4上的声波后，目标介质2发射的回波通过阵列的传感器6被捕获。捕获的信号通过取样器C1-C5被数字化并且被储存在存储器M1-M6中，之后通过常规波束形成技术进行处理，该技术在接收时的目标点或发射时的目标点4进行聚焦。

上述讨论过程，其包括在捕获的信号上实施不同的延迟以及捕获这些信号，可以通过一个与存储器M1-M6或与CPU连接的累积电路S来执行。

有利地，在该回波接收步骤过程中，我们可以利用被波穿过的至少一个元件的非线性特性，也就是目标介质2，反射腔7，和/或多重散射介质8的非线性特性(实际上，主要是目标介质2将表现非线性特性，反射腔7和多重散射介质8最好具有线性特性)。产生的波具有足够的波幅以生成中心频率为fc的波的谐波，达到能够在发射波的中心频率fc的整数倍的收听频率上听到从目标介质2中返回的回波的程度。

有利地，我们从而可以在频率fc的两倍或三倍的频率上听到从目标介质2中返回的回波。

该选择性收听频率可以以已知的通过传感器6的组合方式或者通过来自传感器6的信号的频率滤波而获得。

由于以不同于频率fc的频率进行的收听，消除了来自波自身的收听干扰。

请注意根据本发明的方法和设备也具有精密超声波清洗应用或超声波焊接的作用。

Claims (31)

1.用于聚焦脉冲的设备，至少包括由一传感器(6)阵列(5)构成的发射装置，所述发射装置适于使传感器阵列能够向一反射腔(7)内发射至少一束聚焦在一目标介质(2)的至少一目标点(4)上的波，

其特征在于，所述反射腔包括一个适于引起所述波多重散射的多重散射介质(8)。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，多重散射介质(8)包括多个散射体(8a)。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，散射体(8a)基本上彼此相同。

4.根据权利要求2至3中任一项所述的设备，其特征在于，每个散射体(8a)的横向尺寸基本上是在反射腔(7)内波的波长的0.1到5倍之间。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的设备，其特征在于，每个散射体(8a)的横向尺寸基本上是在反射腔(7)内波的波长的0.5到1倍之间。

6.根据权利要求2至5中的任一项所述的设备，其特征在于，散射体(8a)以非周期性方式分布在多重散射介质(8)内。

7.根据权利要求2至6中的任一项所述的设备，其特征在于，散射体(8a)分布在多重散射介质(8)内以便在反射腔(7)的一个横截面上的散射体表面密度基本上为每表面面积2至30个散射体，该表面面积等于一个边长是反射腔(7)内波的波长的10倍的正方形的面积。

8.根据权利要求2至7中的任一项所述的设备，其特征在于，声波散射体(8a)以其体积堆积密度为1％-30％的方式分布在多重散射介质(8)内。

9.根据权利要求2至8中的任一项所述的设备，其特征在于，每个声波散射体(8a)的长宽比都大于5。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的设备，其特征在于，所述波是声波。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的设备，其特征在于，反射腔(7)含有一种液体(10)。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的设备，其特征在于，反射腔(7)在其至少一端(7a)上具有一个窗口(7b)。

13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，多重散射介质(8)被安置在所述端(7a)附近。

14.根据权利要求1至13中的任一项所述的设备，其特征在于，目标介质(2)由活体组织构成。

15.根据权利要求1至14中的任一项所述的设备，包括一个安置在反射腔(7)和目标介质(2)间的一个透镜(9)。

16.根据权利要求1至15中的任一项所述的设备，其特征在于，发射装置适于通过使阵列(5)的每个传感器i发射一发射信号，向目标介质(2)内的至少等于1的K个预定目标点k(4)发射波s(t)：

$s_i\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{\mathrm{ik}}\⊗s\left(t\right)$

式中，信号e_ik(t)是预定的单个发射信号，适于当传感器i发射信号e_ik(t)时，在目标点k产生一脉冲波。

17.根据权利要求10至16中的任一项所述的设备，其特征在于，发射装置适于发射一个能够在目标点(4)产生空化气泡的波。

18.用于聚焦脉中的方法，包括至少一个发射步骤，其中，一个传感器(6)阵列(5)发射至少一个聚焦在目标介质(2)的至少一个目标点(4)上的波，而且所述波在到达目标介质之前穿过一反射腔(7)，

其特征在于，在发射步骤中，通过位于反射腔内的多冲散射介质(8)引起所述波的多重散射。

19.根据权利要求18的所述方法，其特征在于，在发射步骤中，通过使阵列(5)的每个传感器发射一个发射信号，向目标介质(2)内的至少等于1的K个预定目标点k(4)发射波s(t)：

$s_i\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{e}_{\mathrm{ik}}\⊗s\left(t\right)$

式中，信号e_ik(t)是预定的单个发射信号，适于当传感器i发射信号e_ik(t)时，在目标点k处生成一个脉冲波。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，每个信号e_ik(t)都被编码成1到64位编码信号。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，每个信号e_ik(t)被编码成1位编码信号。

22.根据权利要求19至21中的任一项所述的方法，其特征在于，单个发射信号e_ik(t)在所述发射步骤之前的学习步骤中通过实验确定。

23.根据权利要求22的方法，其特征在于，在学习步骤中，在每个预定目标点k连续发射超声波脉冲信号，阵列(5)的每个传感器i获得从所述超声波脉冲信号的发射中接收到的信号r_ik(t)，而且单个发射信号e_ik(t)通过接收到的信号r_ik(t)的时间反演来确定：

e_ik(t)＝r_ik(-t)。

24.根据权利要求22至23中的任一项所述的方法，其特征在于，在学习步骤中，一种不同于目标介质(2)的液体介质被设置成与反射腔相接触，而且所述脉冲信号从所述液体介质中发射出来。

25.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，在学习阶段，对于一预定目标点k，在阵列的每个传感器i处连续地发射超声波脉冲信号，在目标点k处获得从所述超声波脉中信号的发射中接收到的信号r_ik(t)，而且单个发射信号e_ik(t)通过所接收信号r_ik(t)的时间反演而确定：

e_ik(t)＝r_ik(-t)。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，在学习步骤中，设置一不同于目标介质(2)的液体介质与反射腔相接触，以及在所述液体介质中获得信号r_ik(t)。

27.根据权利要求26或权利要求24所述的方法，其特征在于，在学习步骤中使用的液体介质基本上由水构成，以及在发射步骤中，波聚焦在其内的目标介质(2)由活体组织构成。

28.根据权利要求19至21中的任一项所述的方法，其特征在于，单个发射信号e_ik(t)通过计算确定。

29.根据权利要求18至28中的任一项所述的方法，其特征在于，，在发射步骤中，发射一个能够在目标点(4)生成空化气泡的波。

30.根据权利要求18至29中的任一项所述的方法，其特征在于，，所述波是声波。

31.根据权利要求18至30的任一项所述的方法，其特征在于，以10赫兹到1000赫兹之间的频率至少重复一次发射步骤。