[发明专利]上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法和系统

说明书

本发明公开一种上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法和系统，方法包括以下步骤：根据需求调控各个阵元的激励幅度和相位，控制相控阵产生不同的焦点模式；基于不同的焦点模式进行两阶段的毁损：第一阶段利用第一脉冲超声作用于靶点的实验样本，诱导产生空化微泡和沸腾气泡，使靶区实验样本初步均匀化，形成疏松结构；第二阶段利用第二脉冲超声彻底机械粉碎和均匀化靶区实验样本；第一脉冲和第二脉冲为百微秒或毫秒长脉冲；第一脉冲聚焦超声波的占空比为3％～10％；第二脉冲聚焦超声波的占空比为2％。这种脉冲超声序列能有效利用空化微泡和沸腾气泡的活动，减少形成损伤所需超声激励时间，加之相控阵换能器能同时产生多个焦点，增大单次毁损的区域，因此本发明可以从时间和空间上有效提高组织毁损的效率。

技术领域

本发明属于聚焦超声技术领域，涉及一种上百阵元相控阵脉冲超声多焦点组织毁损控制方法和系统。

背景技术

组织毁损(Histotripsy)是一种非侵入式的聚焦超声手术治疗方法，其利用超声波、空化微泡及沸腾气泡的机械效应粉碎(液化)靶组织，有利于术后吸收，且能克服热池效应，已成为治疗超声领域的研究热点。组织毁损的原理是利用脉冲超声空化或沸腾气泡的纯机械效应粉碎靶组织至亚细胞尺寸碎片或均匀化为易被组织吸收的乳状物，从而在不损害周围正常组织的前提下，达到精准治疗的目的。除了用于实体肿瘤的消融外，组织毁损在深静脉血栓、颅脑出血大血肿、良性前列腺增生以及先天性心脏病的治疗中也具有广泛的应用前景。目前，组织毁损主要分为空化云组织毁损(Cavitation Cloud Histotripsy，CH)和沸腾组织毁损(Boiling Histotripsy，BH)两种。

空化云组织毁损由密西根大学的Zhen Xu等人提出，其利用微秒长度的超声脉冲在焦区产生空化微泡，大量微泡聚集形成空化云，空化云迅速的膨胀、收缩和剧烈坍塌而产生强烈的机械应变和应力，将空化云附近的细胞机械粉碎为亚细胞尺寸的碎片，从而实现靶组织的均匀化。美国专利US 6,309,355B1，发明人Cain等，发明名称“Method andassembly for performing ultrasound surgery using cavitation”中介绍了利用超声诱导空化进行治疗的方法和装置。空化云组织毁损过程中存在的空化记忆效应会导致焦前区域及焦区外周区域发生空化活动，从而对靶区外正常组织造成附加损伤并显著降低组织毁损效率。Cain等人在美国专利US2013/0090579A1，发明名称为“Pulsed CavitationalTherapeutic Ultrasound With Dithering”中提出通过增加连续脉冲之间的时间间隔移除空化核来消除空化记忆。

沸腾组织毁损由华盛顿大学的Khokhlova等人提出，其利用毫秒长度的脉冲快速加热焦区并产生沸腾气泡，冲击波与沸腾气泡相互作用，在沸腾气泡——组织界面发生雾化效应，形成向空腔内部喷射的微喷泉，将靶组织粉碎成亚细胞尺寸的碎片。MichaelS.Canney等人在发明专利名称为“Methods and systems for non-invasive treatmentof tissue using high intensity focused ultrasound therapy”的美国专利US8,876,740B2中介绍了利用脉冲超声波在靶组织产生沸腾气泡的方法和装置。进一步地，同一研究组的Vera Khokhlova等人在发明专利“Boiling histotripsy methods and systems foruniform volumetric ablation of an object by high-intensity focused ultrasoundwaves with shocks”的美国专利US 20170072227A1中披露了依次聚焦在组织不同部分以实现更大区域均匀毁损的方法。

在上述空化云组织毁损和沸腾组织毁损的研究中，已经提出的激发序列都是不同持续时间的脉冲超声的简单重复。然而，组织毁损使用的脉冲超声序列存在很大的优化空间，以充分考虑空化微泡和沸腾气泡的产生、维持、运动和消散等动力学过程，从而提升组织毁损的效能。