专利名称：高强度聚焦超声换能器的优化的制作方法高强度聚焦超声换能器的优化本申请在磁共振(MR)引导的高强度聚焦(HIFU)消融程序和系统中是尤其有用的。然而，将意识到，所描述的(一项或多项)技术也可在其他类型的治疗规划系统、其他图像引导治疗系统和/或其他医学应用中得到应用。肝癌是最普遍的肿瘤类型之一，并且是尤其难以做手术的，因为其倾向于大出血。因此消融程序对于其治疗已成为常规手段，包括使用射频(RF)或者激光探头的热消融、冷冻消融等等。高强度聚集超声(HIFU)的使用已经逐渐变得更加流行。一个原因在于MR成像可以在该程序期间用于监测组织温度，使其风险更小。对于肝脏消融而言有两个主要问题肝脏具有大量的血流，并且其随着患者的呼吸而移动。另一问题在于肝脏位于肋骨之后，这阻碍了 HIFU的传输。 一般而言，与MR引导的HIFU程序相关联的一个问题在于很难将所施加的热分布在正确的地方一方面R0I，例如肿瘤，需要被消融。另一方面，从换能器来看，在肿瘤之前的区域(近场)，或者其之后的区域(远场)需要被保留。在肝脏的情况下，由于肝脏被血流高效冷却，增大了对超声功率的要求，并且同时肋骨限制了对ROI的可达性的事实，加重了这一问题。肋骨问题是双重的首先，波束碰撞肋骨的部分不能到达R0I，并且其次，肋骨对于超声辐射是敏感的，因为它们高效地吸收该辐射并且因此很容易过热。传统的规划程序主要设计用于声处理可以直接到达而不需在肋骨之间传送波束的器官，例如子宫。换能器的焦斑被操纵至ROI。在最复杂的系统中，使用机械的(使用电机)和电子的(使用相控换能器元件阵列)操纵。目前，最新的治疗规划是使用规划软件工具，其用于使用来自患者的MRI图像来描述期望的换能器位置和治疗单元。该软件将声学路径在MRI图像的上部可视化以便展示任何关键器官是否位于波束路径中或者在安全界限之内。将声束简单建模为从换能器到焦斑进入远场的几何圆锥形。在治疗期间，使用低能量声处理来检测并手动校正与目标焦点的空间偏差，并且使用热监测作为对热力加热控制的反馈。用于解决波传播的一般数值方法如文献中所描述。在医学超声领域中，最著名的方法是基于时域的方法、有限元方法和瑞利积分的各种派生。在常规的治疗和治疗规划技术中，假设声学路径穿过水(例如，水体模)。然而，沿着穿过人类受试者或者患者的声学路径上具有有着不同声学特性的各种材料和组织。特别地，皮下脂肪作为声畸变源是公知的。在界面处的折射使得声学焦点从目标位置移动，并且由于不同声学路径长度导致的相位偏差降低了点的锐度。这些问题传统地是使用试错法手动校正以及热反馈来处理。可以通过适当地建模声学路径来减轻这些问题。常规治疗计划使用几何圆锥形来生成，从而使超声波覆盖全部的相关体积。然而，显著致畸的对象(即，阻碍物)，例如骨，通常位于声学路径上。骨增大了反射和波衍射，使得焦点形状畸变，并且给患者和超声换能器两者造成潜在的损害。 对于采用精确数值方法例如有限元方法或者瑞利积分的模拟技术，问题的几何结构被典型地描述为离散的网格，包括诸如三角形的有限几何基元。基元的尺寸是波长的分数。声建模问题的共同特点在于所考虑的结构在声波长方面是较大的，导致相应的大的网格。细节根据所采用的特定数值方法而变化，但是对于所有的这些方法共同的是小基元彼此的相互作用。对于大的网格，这导致模拟时间过长从而该技术在交互方式中不可能是经济有效的。例如，一种使用这种技术的流行方式是使用工作日来规划和准备该模拟任务，并且在晚上或者周末期间执行实际计算。在现有技术中需要一种系统和方法，其便于HIFU换能器元件特性的自动优化，以利用患者的肋间空间作为消融路径等等，因而克服以上所提及的缺点。根据一个方面，一种便于磁共振(MR)引导的高强度聚焦超声(HIFU)消融规划的治疗规划工具，包括处理器，所述处理器执行用于优化HIFU换能器元件发射的计算机可执行指令，所述指令包括评估换能器数据，所述换能器数据包括换能器元件的位置、几何结构和声学参数信息。所述指令还包括评估包括ROI数据和阻碍物数据的3D MR数据，所述ROI 数据描述将被消融的感兴趣区域(ROI)的尺寸、形状和位置，所述阻碍物数据描述在一个或多个HIFU换能器元件和所述ROI之间的阻碍物的尺寸、形状和位置。此外，所述指令包括执行优化器，所述优化器在最小化至所述阻碍物和周围组织的HIFU波形传送的同时最大化至所述ROI的HIFU波形传送。所述规划工具还包括存储器，其存储所述计算机可执行指令，所述换能器数据、MR数据和多个经优化的HIFU参数。根据另一方面，一种磁共振(MR)引导的高强度聚焦超声(HIFU)消融规划的方法，包括评估包括换能器元件的位置、几何结构和声学参数信息的换能器数据，以及评估包括ROI数据和阻碍物数据的3D MR数据，所述ROI数据描述将被消融的感兴趣区域(R0I)的尺寸、形状和位置，所述阻碍物数据描述在一个或多个HIFU换能器元件和所述ROI之间的阻碍物的尺寸、形状和位置。所述方法还包括执行优化器，所述优化器在最小化至所述阻碍物和周围组织的HIFU波形传送的同时最大化至所述ROI的HIFU波形传送。根据另一方面，一种执行用于MR引导的高强度聚焦超声(HIFU)消融程序的当场(in situ)声处理模拟的方法，包括生成患者特异性声学路径模型，经由用户接口向用户呈现所述声学路径模型，以及接收用户输入，所述用户输入是关于对一个或多个HIFU换能器元件的位置以及所述一个或多个HIFU换能器元件的发射相位和振幅中的至少一个的调整。所述方法还包括使用所述声学路径模型和所述用户输入来模拟感兴趣区域(ROI)的HIFU声处理。一个优点在于减少健康组织的HIFU暴露。另一优点在于最大化ROI中的HIFU暴露。另一优点在于使用声学模拟来建模焦点形状并且监视杂散场。另一优点在于避免敏感组织过度加热的能力。当阅读和理解了以下详细描述时，本领域普通技术人员将意识到该主题发明的更进一步的优点。附图仅出于图示各种方面的目的，并且不被解释为用于限制。图I图示了规划工具，其便于优化换能器元件的相位、振幅、位置等等，并且在超声治疗规划期间执行快速当场声学模拟；图2图示了处理流程，其用于优化与给定的HIFU换能器的位置和几何结构和声学参数对应并同时考虑消融ROI的尺寸和位置以及肋骨定位的发射参数(例如，振幅和相位)；图3图示了用于基于空间脉冲响应技术的优化程序的处理流程；图4图示了邻近患者皮肤定位的HIFU换能器阵列的例子，其中多条肋骨阻碍了超声波至将被消融的ROI的发射；图5图示的例子为针对超声波形或者射线的叠加振幅和相位的结果，从而随着HIFU阵列发射超声波穿过患者皮肤并经过肋骨，可以同时消融ROI的多个区域，最小化总治疗时间；图6图示了用于在利用肋间空间的MR引导的组织消融程序例如肝脏消融期间优化HIFU换能器定位的方法；图7图示了用于优化HIFU换能器的定位的方法；图8图示了针对阵列的给定位置的HIFU阵列、肋骨以及ROI的概念性布置； 图9图示了根据在本文中描述的一个或多个方面的执行随机声学模拟的方法；图10图示了根据在本文中描述的一个或多个方面的用平面近似来执行声学模拟的方法；图11图示了根据在本文中描述的一个或多个方面的用于估计所有换能器元件的子组的贡献的方法。在本文中公开的系统和方法用于在利用肋间空间的MR引导的组织消融程序例如肝脏消融期间优化对HIFU换能器的发射参数和位置的选择。该优化程序考虑HIFU换能器的位置、几何结构和声学参数。其也考虑感兴趣消融区域(ROI)的尺寸和位置以及肋骨的3D定位。通过对高分辨率MR数据的分割来确定肋骨的定位。该优化程序产生针对每个换能器元件的振幅和相位，以及一系列五个自由度的换能器定位(三维加上纵摇和艏摇)和每个位置的失效元件的相应列表。振幅和相位确保ROI中的最大热积聚和肋骨的最小热积聚。应该注意到没有直接的元件关闭而是将优化的振幅和相位应用于所有的换能器元件。此外，该优化程序产生叠加振幅和相位结果，其同时消融ROI的多个区域，最小化总治疗时间。在另一实施例中，每个换能器位置与给定的HIFU暴露时间和能量相关联，从而在来自所有位置的声处理之后，消融整个R0I。可以以换能器位置的ROI覆盖范围的降序来排序换能器位置，从而治疗从具有最佳覆盖范围的位置开始。在另一实施例中，可以通过排序换能器位置从而在连续有效的孔径覆盖区(footprint)之间具有最小交叠来最小化在表面皮肤层中的加热。参照图1，图示了规划工具10，其便于优化换能器元件的相位、振幅、位置，等等，并且在超声治疗规划期间执行快速当场声学模拟。所述工具10包括处理器12和存储器或计算机可读介质14，所述处理器12执行用于执行在本文中描述的各种功能、方法和/或算法的计算机可执行指令，所述存储器或计算机可读介质14存储用于执行在本文中描述的各种功能、方法和/或算法的计算机可执行指令。在一个实施例中，处理器12包括并行处理架构。该工具还包括用户接口(UI)16 (例如，监视器、计算机终端、工作站，等等)，经由该用户接口将信息呈现给用户或操作者以及从用户或操作者接收信息。该工具耦合到高强度聚焦超声(HIFU)设备18和磁共振(MR)扫描器20中的每个。存储器包括HIFU换能器数据22或者信息，包括换能器元件的位置、几何结构以及声学参数信息。ROI数据24和阻碍物数据26由MR扫描器提供，并且也被存储在存储器中。该ROI数据描述了感兴趣区域(例如，消融目标)的3D尺寸和形状，而阻碍物数据描述了换能器元件和ROI之间的阻碍物(例如，肋骨或者其他骨)的位置或定位以及形状。HIFU设备也提供被存储在存储器中的换能器元件相位和振幅信息28。处理器分析空间脉冲响应信息(例如，来自耦合到ROI和阻碍物的探头)，并且针对给定连续波频率来执行傅里叶变换算法30，其被输入至相位和振幅优化器32(例如，由处理器12执行的计算机可执行指令)。处理器也生成每个换能器元件的发射振幅和相位的初始方案，以及生成被输入到相位和振幅优化器的目标函数，该相位和振幅优化器然后生成针对每个换能器的相位和振幅的优化方案以消融R0I，同时最小化转移至周围组织和/或(一个或多个)阻碍物的热。此外，存储器存储叠加结果34，该结果由处理器12生成以叠加多 个元件的振幅和相位，以便于同时消融ROI的多个区域。在下文中参照图2-5更加详细地描述了这些方面。存储器还包括位置优化器36(例如，计算机可执行指令组，等等)，该位置优化器36接收换能器数据22，该换能器数据与沿着患者表面的每个换能器元件的位置相关并相对于ROI和任何阻碍物。当位置优化器被处理器12执行时，位置优化器使具有这样的瞄准线的换能器元件失效，该瞄准线穿过在通往ROI的路线上的阻碍物。以这一方式，在消融期间只有具有至ROI的未受阻碍的瞄准线的元件保持有效和发射。在下文中参照图6-8进一步描述了这些方面。根据另一实施例，存储器包括在当场治疗规划期间执行快速声学模拟的当场消融模拟器38 (例如，由处理器12执行的计算机可执行指令)，其在消融模拟期间采用患者解剖结构的声学路径模型40。在本文中描述了三种用于执行当场模拟的合适算法，包括随机模拟算法42、近似算法44和估计算法46。随机模拟算法采用在模拟程序期间存储声子信息的声子缓冲器48。在下文中参照图9-11更加详细地描述了这些特征。在一个实施例中，声学路径模型包括水箱、聚酯薄膜、凝胶垫以及患者解剖结构。针对模拟体积的每个点指定声学参数，典型的为波的速度、波的衰减以及组织密度。这通过将体积分割为均匀的子体积，并且针对每个子体积指定声学参数组来完成。在一个实施例中，用户基于(例如，使用MR扫描器20生成的)规划图像来手动提供分割信息。例如，对于纤维瘤治疗，皮下脂肪层的定位和近似厚度可能是有用的。在另一实施例中，使用自动分割算法(未示出)以对来自当场采集的规划图像进行分割。在其他实施例中，例如在MRI图像的质量或者运算要求使得当场自动分割不可行的应用中，可以基于先前生成的图像来离线进行分割。此外，可以使用除了 MRI之外的成像模态来作为分割的基础。为了完成分割，给每个子体积提供特定的声学参数。在一个实施例中，用户使用Π16来录入参数值。可以基于组织从范值表来确定该值。图2-5和相关描述涉及换能器发射参数的优化以在MR引导的组织消融期间利用肋间间隔。图2图示了处理流程，其用于优化与给定的HIFU换能器的位置和几何结构和声学参数对应并同时考虑消融ROI的尺寸和位置以及肋骨定位的发射参数(例如，振幅和相位)。此外，图2的优化过程通过提供便于同时消融ROI的多个区域的振幅和相位来优化总治疗时间。在100，接收几种类型的输入信息(例如，通过执行该优化的处理器)。该输入信息包括HIFU换能器的位置、几何结构和声学参数，以及消融ROI的尺寸和位置。输入信息也包括3D肋骨位置信息。在102，执行优化，并且包括优化针对多个换能器元件中的每个的振幅和相位。优化还包括生成和/或优化针对ROI的多个区域的叠加振幅和相位结果，其允许对ROI的多个区域的同时消融并且减少消融程序的持续时间。参照图3来进一步描述这一步骤。在104，使用经优化的振幅和相位信息以及叠加结果来执行消融程序。图2的方法因而提供了用于在利用肋间空间的MR引导的组织消融程序，例如肝脏消融中，选择HIFU换能器的发射参数的优化技术。该优化程序产生针对HIFU换能器的每个元件的振幅和相位。经优化的振幅和相位确保ROI中的最大热积聚以及肋骨中的最小热积聚。将注意的是，在一个实施例中，不需要有直接的元件关闭，而是可将优化的振幅和相位应用于所有换能器元件。图3图示了用于基于空间脉冲响应技术的优化程序的处理流程。在120，计算ROI中和肋骨位置处的网格点上换能器探头元件的空间脉冲响应。为了清楚起见，图4(在下文中)示出了 HIFU换能器、肋骨位置和消融R0I。在122，通过针对给定连续波(CW)频率对脉冲响应执行傅里叶变换来获得CW方案(对于低MI假设声学线性传播)。在124，给优化程序102提供针对元件的振幅和相位的初始方案。例如，针对具有128个元件的换能器，提供256个值。在126，通过ROI中的声学压力和肋骨水平处的声学压力的比值来确定目标函数。使用来自122、124和126的输入信息，执行优化功能102以最小化目标函数。在128，提供针对元件的振幅和相位的最优方案。将意识到的是，可以使用在频域中研发出的类似方法，例如使用从ROI到换能器孔径元件的反向传播并且考虑肋骨位置。图4图示了邻近患者皮肤142定位的HIFU换能器阵列140的例子，其中多条肋骨144阻碍了超声波向将被消融的ROI 146的发射。图5图示的例子为针对超声波形或者射线150的叠加振幅和相位结果，从而随着HIFU阵列140发射超声波穿过患者皮肤142并经过肋骨144，可以同时消融ROI 146的多个区域152，最小化总治疗时间。图5图示了在优化中如何考虑来自ROI的多个区域。通过举例方式提供了以下描述以进一步细化优化模块或者功能102以及图1-5的相关系统和方法的操作。HIFU阵列140具有由数字η标明的发射器元件(未示出)。它们每个都传送功率In，该功率的部分消耗在ROI中。这一部分与音波强度的体积积分、局部吸收系数以及在到达ROI之前的波的衰减成比值。由波产生的，ROI内部的局部强度等于Ιη。定义数值EKra，其与在给定时间向吸收单元传送的能量成比值当规划磁共振(MR)引导的高强度聚焦超声(HIFU)治疗时，根据描述感兴趣区域(ROI)(146)的尺寸、形状和位置以及HIFU换能器元件和所述ROI(146)之间的任何阻碍物(144)的3D MR数据来优化HIFU换能器元件参数。调整换能器元件的相位和振幅以最大化至所述ROI(146)的HIFU辐射传送同时最小化至所述阻碍物(144)的传送。附加地或者可选地，在所述阻碍物(144)位于所述ROI(146)和给定换能器元件之间的情况下，选择性地使换能器元件失效。