CN1340184A - 拟随机分布超声波换能器阵列 - Google Patents

拟随机分布超声波换能器阵列 Download PDF

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Abstract

一种适于医疗使用、诸如组织切除和短期高强度发热的超声波换能器阵列(24、25、26)具有多个分布在基片表面(21、22、23)上的超声波换能器元件(20a、20b、20c),用于将超声波能聚焦到预定的聚焦体积上。最优选的结果在所述元件(20a、20b、20c)以拟随机分布方法分布在基片表面上的情况中得到,其中各元件的总辐射面积占总阵列面积的40%至70%,而超声波元件的工作频率与各元件的平均直径关系如下式:d=A×c/f,其中d是各元件的平均直径,c是在要用超声波能辐射的媒介中的音速,在1400到1600ms－1范围内,f是超声波能的频率,A是在约0.5到5范围内的值。

Description

拟随机分布超声波换能器阵列
                   技术领域
本发明涉及用于产生并聚焦超声波能分布的换能器阵列。
                   背景技术
近来，人们对于开发用于外科(例如组织切除)或短期高强度发热的最小侵入治疗超声波技术非常重视，这是由于这些方法与传统的方法相比，在减小发病率、增强病人可承受能力以及缩短忍受痛苦的时间方面具有潜在的优点。
在用超声波进行切除术的领域中，记述了很多工作，其中已经涉及了使用单个或几个带有球形曲面的陶瓷压电换能器(transducers)。各示例描述于：Br J Radiology，第68卷，第1296-1303页的C R Hill等人的“综述文章：高强度聚焦的超声波--用于癌症治疗的可行方法”；IEEE Trans.Ultras.Ferroelec.Freq.Ctrl.，第43卷，第1023-1031页的I H Rivens等人的“聚焦的超声波外科换能器的设计”；Eur.Urol.，第23卷(增刊1)，第39-43页的S Madersbacher等人的“用高强度超声波在良性前列腺增生内进行组织切除”；以及1993年的Eur.Urol.，第23卷(增刊1)，第44-47页中A Gelet等人的“针对人体前列腺肥大的高强度聚焦的超声波试验”。
然而，利用单个聚焦的换能器的显著缺点在于其固定的聚焦长度。由于超声波焦点的体积通常小于要被切除的组织的体积，所以用来机械移动换能器的装置必须合并。由于利用单个聚焦的换能器在每小时切除2cm3的组织，故中等组织体积(如8cm3)的治疗可能会需要多段时间，总共4个小时。因此，虽然对于试验研究及初步临床测试是足够的，但单个换能器的机械扫描导致严重的实际应用上的限制，阻碍了该技术成为常规临床措施。
通过使用定相阵列(phased arrays)来减弱这种问题是可行的，在该定相阵列中，多个换能器元件(transducer elements)安装在基片表面上，并共同产生聚焦的超声波束。这种阵列通常描述于：IEEE Trans.微波原理技术，第MTT-34卷，第542-551页，C A Cain等人的“用于超声波发热的同心环和扇形涡旋定相阵列施加器”；IEEE Trans.Biomed.Eng.，第38卷，第634-643页，E S Ebbini等人的“用于深度局部发热的球形截面超声波定相阵列施加器”；IEEE Trans.Ultrason.Ferroelec.Freq.Contr.，第39卷，第32-38页，S Umemura等人的“标准扇形涡旋定相阵列施加器的声音改进”；1996年的IEEE Trans.Ultras.Ferroelec.Freq.Ctrl.，第43卷，第1111-1121页，S A Goss等人的“用于聚焦外科的偶然随机超声波定相阵列”；Med.Phys.，第23卷，第767-776页，E B Hutchinson等人的“用于腔内前列腺热疗法的非周期超声波定相阵列的设计及优化”；IEEE Trans.Ultras.Ferroelec.Freq.Ctrl.，第43卷，第1032-1042页，E B Hutchinson等人的“用于非侵入性前列腺外科的腔内超声波定相阵列”；IEEE Trans.Ultras.Ferroelec.Freq.Ctrl.，第43卷，第1085-1097页，H Wan等人的“超声波外科：利用定相阵列系统策略的比较”；IEEE Trans.Ultras.Ferroelec.Freq.Ctrl.，第43卷，第1043-1053页，K Hynynen等人的“利用MRI监控非侵入外科所用的超声波定相阵列的可行性”；IEEE Trans.Ultras.Ferroelec.Freq.Ctrl.，第44卷，第1010-1017页，L R Gavrilov等人的“减少与用于经直肠的温热疗法的超声波线性定相阵列有关的格栅叶片的方法”。
这种定相阵列具有电子控制的动态聚焦的能力，以及在治疗过程中不用移动阵列就可精确改变并控制焦点的范围和位置的能力。定相阵列的使用提供了这样的装置：它不仅能快速扫描超声波焦点、而且具有多个同时存在的焦点的合成场。人们期望利用它们能缩短完成切除治疗所花费的时间。上述几个参考文献提出了定相阵列的使用，其中，各元件设置在球壳上，因此将电子聚焦和几何聚焦结合起来。
公知的定相阵列的一个显著缺点为：存在有不想要的格栅叶片(gratinglobes)，以及存在有其它不期望的次级强度最大值，后者能够潜在地导致接受外科治疗的病人在有过多能量汇聚在聚焦区域外部的地方受到伤害。另一个缺点是，尤其对于体外的平面阵列的缺点是，其复杂性及潜在地较高成本。
对于所有迄今所述的治疗阵列来说，共同之处是要求减少格栅叶片，并且已经研究了几种技术，其中包括变迹法、宽带技术以及子元件(subsets ofelements)的使用。已经研究了在线性定相阵列中不同尺寸的元件随机分布的应用。与非周期性分布的元件阵列有关的格栅叶片水平比那些与具有周期性中心距分布的元件阵列有关的格栅叶片水平小约30％-45％。
                   发明内容
本发明的一个目的是：提供一种超声波换能器阵列，其显著改善了精确控制超声波能的聚焦范围和位置的能力。
本发明的另一目的是：提供一种超声波换能器阵列，其显著改善了在使用期间不移动阵列而改变超声波能的聚焦范围和位置的能力。
根据一个方面，本发明提供了一种遍布于基片表面的超声波换能器元件的阵列，用于在预定聚焦体积上聚焦超声波能，这些元件在基片表面上以拟随机分布方法分布，这些元件的总辐射面积占总阵列面积约40％-70％。
优选的是，超声波各元件的工作频率和各元件的平均直径的关系如下式：
d＝A×c/f
其中，d—各元件的平均直径；c—在要用超声波能辐射的媒介中的音速，在1400到1600ms-1范围内；f—超声波能的频率；A—约0.5到5范围内的值。
优选的是，换能器阵列的基片表面为弯曲壳体，其中换能器元件适于自壳体的凹陷表面辐射，并且该阵列具有大于或等于0.7R的平均直径D，其中，R是壳体的曲率半径，且其中R值处于70到200mm范围内。
优选的是，频率f在0.5到3MHz的范围内，而更优选的是在于0.5到2MHz或1到2MHz的范围内。
根据另一方面，本发明提供了一种利用超声波换能器元件的定相阵列对体内组织进行局部超声波加热的方法，该阵列分布于基片表面上以将超声波能聚焦到预定的聚焦体上，该方法包括以下步骤：
以拟随机分布方法将各元件分布于基片表面上，且各元件的总辐射面积占总阵列面积的40％至70％；
根据下式，确定超声波各元件工作频率以及各元件的平均直径：
d＝A×c/f
其中，d—各元件的平均直径；c—在要用超声波能辐射的组织媒介中的音速；f—超声波能的频率；A—在约0.5到5范围内的值。
                   附图说明
本发明的实施例将参照附图通过示例的形式加以描述，其中：
图1a和1b示意性地说明了计算方法，其中：图1a是单个换能器元件的场(field)，而图1b是一列换能器元件的场；
图2a、2b和2c是阵列的示意图，其中各平面圆形元件以拟随机方式分布在球壳上；
图3a、3b和3c是阵列的示意图，其中各圆形元件以规则图形分布在球壳上，其中：图3a包括以六边形分布的255个元件；图3b包括以正方形分布的256个元件；图3c包括以正方形分布的1024个元件；
图4示出了超声波场强分布的几个示例和用于估算场强分布等级的标准，其中：图4a是在(0，-10，100mm)位置聚焦的超声波场强分布；图4b是在(0，0，130mm)位置聚焦的超声波场强分布；图4c是在(0，0，135mm)位置聚焦的超声波场强分布；图4d是在(0，-20，80mm)位置聚焦的超声波场强分布；
图5示出了关于256个直径为5mm元件的随机阵列的场强分布的计算结果和等级评估的记录表，其中：图5a是在1MHz频率下聚焦的；图5b是在1.5MHz频率下聚焦的；图5c是在2MHz频率下聚焦的；
图6示出了场强分布等级的评估记录表，其中：图6a中随机阵列是由从图2a的阵列中随机选取的128个元件构成的；图6b中的阵列是由128个直径为7mm随机分布的圆形元件构成的；以及图6c中的阵列是由64个直径为10mm的随机分布的圆形元件构成的；
图7示出了规则阵列的场强分布等级的评估记录表，图7a是以六边形分布在球壳上的255个元件的场强分布等级的评估记录表，其中各元件直径为5mm；图7b是以正方形分布在壳体上的256个元件的场强分布等级的评估记录表，其中各元件直径为5mm；以及图7c是以正方形分布在壳体上的1024个元件的场强分布等级的评估记录表，其中各自元件直径为3mm；
图8是对于规则正方形的1024个直径为3mm元件的阵列的强度分布图。
                    具体实施方式
在本发明优选实施例中，描述了超声波定相阵列的特别优选的结构。该阵列安置在基片表面上，该基片例如可以构成将描述的球面的一部分。这种优化的定相阵列在理论上适用于体外切除术或短期高强度发热。
同样也描述了计算方法，该方法包括三个主要步骤，即：(i)关于单个平面圆形元件的复压力(the complex pressure)分布的计算；(ii)关于一列安装在球壳上的圆形元件的总复压力分布的计算；以及(iii)关于整个阵列的复压力和归一化强度分布的计算并对其分析。
与单个平面圆形元件相关的复压力分布可以利用矩形放射器方法断定，诸如在IEEE Trans.Ultrason.Ferroelec.Freq.Ctrl.，第36卷，第242-248页，K Ocheltree等人的“用于矩形源的声场计算”中所描述的。
参照图1a和1b，边长0.25mm的正方形元件超声波辐射器元件10用于沿各圆形元件的辐射表面运行。在所有给出的示例中，假设超声波通过密度为1000kg.m-3的均匀媒介传播，其音速为1500ms-1。然而，更一般地是，超声波优选经由适当的声耦合媒介，诸如水，而聚焦在人体组织内，其中音速c对于两种媒介均在1400-1600ms-1范围内。组织内的振幅衰减系数取作11.5Npm-1MHz-1，例如在1990年的伦敦学术出版物中F Duck的“组织的物理特性”中所述的。
如图所示，计算中，用1、1.5和2MHz三个频率，并且元件直径为3、5、7和10mm。参照图1，假设各圆形元件10径向对称，其立体声场(acoustic field)可以通过计算复压力来断定，该复压力是距元件10的轴向距离z和偏离轴的距离r的函数。这些计算是分别对于在范围4-18cm和0-6cm内的z和r以0.2mm的空间增量进行的，该增量被认为提供了充分的空间分布特性。
在示例中，元件10所在的球壳的曲率半径为120mm。安装在壳体12上的一列平面圆形元件10的总复压力分布是这样计算出来的，即，将所关注处13的立体体积中各点处的各元件的复压力分布相加，如图1b所示。
已经发现了复压力是每单个元件的轴向和径向距离的函数，该单个元件的中心由角坐标φ和确定(由在元件坐标系的x和y轴上的投影形成在垂直和水平平面内对着曲率中心的角确定)，这两个值从转动的圆柱体14投影到与直角坐标系对齐的0.2mm间距的立体矩形网格11上的点上。如图1a所示，对从z＝40mm到z＝180mm轴向延伸的体积进行计算，以及如图1a所示，对在其余两个正交方向上从0到±60mm的体积，即对r＝60进行计算。
将阵列聚焦到单独一点上所需的各元件的相位分布(phase distributions)由各元件的中心和聚焦位置之间的路径确定。
各网格点的强度通过复压力与其复数共轭值的乘积来得到，并使分布相对由所关注体积内获得的总最大值归一化。
压力和场强分布的计算可以利用合理编程的计算机进行，且数据可以利用例如在Indigo2TM工作站(来自Silicon Graphics)上运行的AVS(来自Advanced Visual System Inc.Waltham，MA)和在PC上运行的Axum4.1(来自MathSoft，Inc.)来分析。从而可以定性分析立体强度分布，并可以在选定的平面内绘制等值线用于数据的定性分析。
在此作为示例示出的平面强度分布代表y-z平面内的数据。该平面含有不与曲率中心重合时的超声波焦点，其在格栅叶片水平方面是“最坏的情况”。用在x-z平面内的焦点进行的计算定性地给出了类似结果，故不需在此描述。
关于数个参数的阵列性能上的影响，如元件数量(64、128、256和1024)，元件直径(3、5、7和10mm)、超声波频率(1、1.5、2MHz)以及元件间距，已经被人们研究以确定最佳的阵列构型。已经作出了如下计算：对阵列24、25、26的计算，其中各元件20分别拟随机分布在壳体21、22、23上(图2)；以及对于阵列34、35、36的计算，其中各元件20分别以六边形和正方形分布在壳体31、32、33上(图3)。阵列的基本尺寸也在图中示出。尽管各元件的位置示意性地表示在图中，但应注意的是各元件只以一个点来表示，虽然每一个元件的尺寸并非如此。
在图2所示的示例中，球壳21上的各元件20a的构型由256个平面圆形元件构成，各元件直径为5mm。各元件20大致占据了基片表面的全部阵列区域28，如由虚线所围起来的区域。
各元件以拟随机方式分布。优选的是，对完全地随机分布进行修正，以使各元件中心之间的最小间距为5.5mm，即，各元件边缘具有0.5mm的最小间距。考虑将三个驱动频率用于该阵列，这三个驱动频率为1、1.5和2MHz。(虽然已经研究了几种在壳体上的各元件的拟随机分布，但是对于具有相同构型的阵列来说，结果的差异可以忽略)。
1至2MHz范围内的频率对于用于治疗目的的超声波阵列是优选的，它是为避免与低频相关的空穴作用(cavitation effects)和与高频相关的高衰减之间的折衷方案。然而，在0.5MHz到3MHz范围内的频率一般也表现出有效的作用。
各元件20的随机分布的应用对避免由在超声波能分布中出现的阵列周期性造成的不想要的假象是理想的。出于实际应用的原因，各元件拟随机分布的选择优选要避免各元件之间的间距太近，间距太近会造成构型上的实际应用问题。已经发现，利用这种拟随机分布对随机阵列具有的优点产生的影响最小，尤其对于例如在已经采用的各元件间最小间距在0.5和1mm之间的情况。
还已经对128个各直径为7mm的圆形元件20b的随机分布阵列(图2b)、以及64个各直径为10mm的元件20c的随机分布阵列(图2c)作出了计算。在上述两种情况下，频率均为1.5MHz，各元件最小中心距分别为8和11mm。在图2中示出的所有阵列具有大约50cm2的活性面积(active area)(换能器各元件的总面积)，因此，在理论上能够提供大约相同的声功率。
图3a示出阵列34的示意图，其由成六边形的处于球壳31上的255个各直径为5mm的元件30a构成，其中各元件之间最小中心距为6.5mm。图3b示出阵列35，其由成正方形的处于球壳32上的256个元件30b构成，各元件直径同图3a中的元件，其中各元件之间中心距为6mm。在上述两种情况下，所用的频率为1.5MHz，活性面积约为50cm2。图3c示出了阵列36，其由成正方形分布在壳体33上的1024个各直径为3mm的元件30c构成。在该情况下，中心距为4mm，活性面积约为72cm2，所用的频率为1.5MHz。
选取四种示例性的标准来评估对于各种阵列所计算出的归一化强度分布“等级”。首先，当强度I≥0.1Imax只在聚焦区域发生而在所研究的平面其余部分内不存在时，认为该强度分布是“A级”。换句话说，在聚焦区域外，强度分布下降到峰值强度的10％或更小。
选择以下标准作为较差性能的量度。在所考虑平面内的确定的区域外，有少于10个确定区域中的强度在0.1≤I≤0.15Imax的范围内，则认为该强度分布是“B级”。在所考虑平面内的确定的区域外，有多于10个确定区域中的强度在0.1≤I≤0.15Imax的范围内，则认为该强度分布是“C级”。最后，有至少一个确定的区域中的强度I≥0.2Imax，则认为该较差的强度分布等级是“D级”。
为了治疗可靠地进行，据信格栅叶片内的强度水平应该比主叶片内的强度水平至少小8-10dB。因此，对于临床应用来说，认为A级强度分布是优选的。从病人安全的角度来看，D级的强度分布对于临床应用是不能接受的。临床有用性和其它方面之间的界限对于分布特征为B级或C级并不明显。
现在说明用于上述设计参数的强度分布的示例。
图4示出了对于图2a中以1.5MHz频率驱动的随机阵列的强度分布示例。图4a对应于“A”级等级强度分布，图4b对应于“B”级等级强度分布，图4c对应于“C”级等级强度分布，图4d对应于“D”级等级强度分布。在各种情况中，符号“×”表示壳体的曲率中心的位置。图4a中焦点处于(0，-10，100mm)；图4b中焦点处于(0，0，130mm)；图4c中焦点处于(0，0，135mm)；图4d中焦点处于(0，-20，80mm)。
各曲线示出了强度分布等级与所指向的焦点位置的相关性。在聚焦区域之内绘出九条等值线(按10％Imax递增的10-90％Imax，)。在平面聚焦区域外的其余部分内的强度分布特征用按5％Imax递增的10-20％Imax的等值线评估，在有些情况下，用按2％Imax递增的10-20％Imax的等值线评估。
以1、1.5和2MHz频率驱动的阵列的强度分布的特征在图5中示出。图5a示出了以1MHz驱动的256个直径为5mm元件的强度分布；图5b示出了以1.5MHz驱动的256个直径为5mm元件的强度分布；图5c示出了以2MHz驱动的256个直径为5mm元件的强度分布。等级评定为：“A”级(实心圆●)；“B”级(空心圆○)；“C”级(叉×)；“D”级(带叉的圆)。
图5及图6和7示出了在正Y-向位移的数据。在具有足够多元件数量的随机阵列的情况下，对在负Y-向偏移的焦点所进行的计算定性地产生了类似的结果。
图6a说明了在5mm直径元件的随机阵列中间距增大的结果，其中示出的强度分布特征是对应于256个随机分布元件的一半(即，128个元件阵列)被随机关闭的情况。驱动频率为1.5MHz。
图6b中示出了对以1.5MHz频率驱动的128个7mm直径圆形元件阵列(图2b所示)的随机阵列的强度分布的评估。图6c说明了对图2c所示的以1.5MHz频率驱动的64个10mm直径的圆形元件的随机阵列的强度分布数据。附图标记和用于图5的一样。
图7示出了对图3a、3b、3c所示的各元件的规则空间分布阵列的强度分布的评估。因此，图7a示出了在壳体上以六边形分布的255个5mm直径的元件阵列；图7b示出了在壳体上以正方形分布的256个5mm直径的元件阵列；而图7c示出了在壳体上以正方形分布的1024个3mm直径的元件阵列。在所有这些情况下，驱动频率均为1.5MHz。附图标记和用于图5的一样。
图8示出了对在偏离轴110mm到10mm范围内聚焦的1024个元件阵列(图3c)的强度分布。各元件之间中心距为4mm，驱动频率为1.5MHz。焦点处于(0，-10，110mm)。叉符号“×”对应于壳体的曲率中心。
可以看到存在有较大的高格栅叶片，它对于由规则阵列所计算的强度分布是普遍的。对于在1MHz下驱动的相同阵列定性地获得类似的结果。然而，在轴向范围z＞120mm的情况下，聚焦平面上的格栅叶片处于强度分布计算区域的横向边缘外侧。
表1示出了当焦点处于球壳的曲率中心(0，0，120mm)时对所考虑的每个阵列所计算的归一化的最大强度。归一化是相对于根据在1.5MHz下256个5mm直径的元件以正方形随机分布在壳体上所计算的最大强度的情况进行的。
表1是若干随机和规则阵列的计算区域内的最大声压Pmax的相对值。所示出的结果表示在曲率中心(0，0，120mm)聚焦。
                     随机                                 规则256个    256个    256个    128个    128个    64个    255个  256个  1024个元件     元件     元件     元件     元件     元件    元件   元件   元件直径     直径     直径     直径     直径     直径    直径   直径   直径5mm      5mm      5mm      5mm      7mm      10mm    5mm    5mm    3mm1MHz     1.5MHz   2MHz     1.5MHz   1.5MHz   1.5MHz  1.5MHz 1.5MHz 1.5MHz
                                                   六边形 正方形 正方形1.29     1        0.685    0.5      1.04     1.1     0.97   0.98   1.75
优选地，一种“理想的”超声波疗法定相阵列系统应该具有控制焦点沿着并偏离中心轴几个厘米的能力，同时具有至少300-400W的声功率，以便切除处于深度组织内的有实际应用可行尺寸(如，10cm3)的一部分组织。也期望保持传送进格栅叶片的能量和不想要的次级最大值(“热点”)于可接受的低水平(如，比焦点处的低-10dB)。
这种阵列的实际实现涉及到若干不利因素。为了增大焦点在其上可以控制而且组织部分在其上可被治疗的距离，需要减小各元件的尺寸以使它们方向性较弱。为了消除在规则阵列中的格栅叶片，各元件之间的中心距应小于波长的一半。另一方面，为了满足所需的能量控制能力，阵列的最小活性区域应该约50cm2或更大，对应于元件的6-8W/cm2的强度。
强度分布的等级已经通过考虑在含有焦点的平面内及在110mm(长度)×60mm(横向)区域内的数值来评估。由256个平面圆形元件构成的阵列可以控制焦点偏离中心达到±20mm并沿中心轴至少50mm，并且仍得到良好等级评定(如上所定义的A级)，并且偏离中心达到±22mm并沿中心轴至少55mm，则得到B级(见图5a)，其中，该阵列中各元件直径为5mm，以拟随机方式分布并以在此描述的1MHz驱动。
当该阵列以1.5MHz驱动时，与A级和B级相适应的在其上焦点可被控制的距离分别偏离中心±10mm和±15mm，沿中心轴45和50mm(图5b)。值得注意的是，在此用于评估强度分布的A级标准比简单利用聚焦平面格栅叶片中的最大强度和焦点处的最大强度之比更严格。
按强度分布等级评估的阵列性能既取决于焦点距曲率中心的距离又取决于衰减。在此处所示的示例中，衰减系数从1dB/cm(1MHz处)变化到2dB/cm(2MHz处)。图5示出了当焦点被控制超出壳体的曲率中心时，强度分布的等级急剧减小。也可以看出，具有A级等级的偏离中心的焦点的最大控制是在靠近曲率中心约1-2cm范围内(图5)。
被治疗的体积从1MHz频率下的45cm3到1.5MHz频率下的12.5cm3变化(图5a、5b)。对于2MHz，该“有用的”体积相应地减小到11cm3(图5c)。与这个阵列相关的区域内的最大声压Pmax随着频率增加而减小，说明了衰减的影响(表1)。
在示例中，对于由256个各直径为5毫米的元件构成的阵列来说，各元件总面积(活性面积)与壳体面积的比值约为51％。阵列性能的显著退化发生在阵列的间距增加了两倍的时候，即，128个元件的阵列(图6a)。在该情况下，不仅有用的治疗体变得更小，而且还有朝向阵列的转换，这是由于焦点能够处于的与A级强度分布等级相容的最大范围是105mm。此外，与该阵列有关的Pmax值与由256个元件构成的随机阵列的Pmax相比，约减少二分之一(表1)。
将随机分布的元件数量从256个减少到128个再减少到64个，而同时增大各元件的直径(分别从5mm到7mm再到10mm)，以保持恒定活性面积，也会导致阵列性能的逐步恶化(图6b和6c)。如表1中所见，Pmax的值大约与具有恒定活性面积的这些阵列相同。
强度分布各等级在如下情况中的差别不大：128个各直径为5mm的元件的阵列、以及128个各直径为7mm的元件的阵列、以及那些在相同频率下具有较强方向性的阵列(图6a和6b)。然而，这两个阵列间距上的二倍差异反映在所获得的Pmax值上。
在1.5MHz下驱动的由255个直径为5mm的元件以六边形或正方形分布构成的阵列和由256个直径为5mm的元件以六边形或正方形分布构成的阵列(图7a和7b)的性能显著次于在1.5MHz下256个直径为5mm元件的随机分布阵列(图5b)。在规则阵列的情况下，可能只控制焦点沿中心轴30-35mm，并与B级强度分布相适应，而即使偏离中心轴很小的约3-5mm的位移也会导致等级上的显著恶化。如此所评估的，在六边形和正方形排列的阵列之间的性能几乎不存在差异(图7a和7b)。
与现有技术中描述的稀疏随机阵列(sparse random arrays)相比，所公开的阵列的性能具有很大改善。例如，现有技术示例中已经示出了在壳体的几何中心聚焦、在0.13Imax的聚焦平面内的格栅叶片中产生强度的理论阵列。当该阵列聚焦在偏离其中心轴5mm处，则该水平增大到0.6Imax。在试验测量中，这些水平可以分别高至0.38Imax和0.9Imax。对于在壳体上随机定位的元件，现有技术已经示出了在无控制的0.04Imax的聚焦平面内及在控制±5mm的0.16Imax的聚焦平面内格栅叶片中的强度的理论期望水平。
由1024个各直径为3mm的元件构成并且以正方形分布的阵列(图3c)在元件数量和直径方面与Wan等人所述的阵列一样。这个在1.5MHz下驱动的规则阵列性能(图7c)比图5b中的256个直径为5mm的元件的随机阵列性能差，但与图6b中的128个直径为7mm的元件的随机阵列性能类似，图6中的阵列表示在元件数量上有可能减少8倍。
随机分布元件的阵列强度分布的特征与规则分布元件的阵列强度分布的特征存在显著的不同，在于，前者的分布中没有格栅叶片，而且在聚焦区域外只有次级强度最大值(图4)。在规则阵列的情况下，可以看到对应于聚焦平面内格栅叶片的较高强度，而对于焦点偏离中心轴小位移的情况，一般不存在次级强度最大值(图8)。
从而，与采用规则的六边形或正方形排列的情况相比，元件在球壳上的随机分布导致阵列性能的明显改善。作为示例，如下随机阵列具有用于温热疗法的较好性能，即在1-2MHz下驱动、并设置在曲率半径120mm的球壳上、使各元件最大中心距为100mm的由256个直径为5mm元件构成的随机阵列。
这种随机阵列也具有与规则阵列类似的性能，而在所用的元件数量上能够多倍减少(在给出的实施例中可以达到8倍)。同样，带有这些参数明确组合的随机阵列的应用与规则阵列相比，具有相同元件数量的性能等级显著改善。
总之，在超声波换能器阵列10性能上的显著改善是通过提供阵列元件20的随机或拟随机分布、并通过利用如下的元件疏密程度或分散程度而获得的，在所述的疏密程度或分散程度中，超声波元件的总辐射面积占由元件所占据的基片表面的总阵列面积28的40至70％。
优选的是，基片包括弯曲壳体21，其中元件20从壳体的凹面辐射超声波。同样优选的是，壳体表面的曲率半径在70到200mm的范围内。总阵列面积28的直径优选等于或大于0.7×R，其中R是壳体的曲率半径。元件的数量由换能器的面积、元件的分散程度以及面积确定。
可以使用平展基片，而不用弯曲壳体，虽然在弯曲壳体情况下，聚焦体积一般将变得较大而控制性一般会减弱。
用在该阵列中的元件20的数量根据总阵列面积28、元件20的稀疏程度以及所选定的每一个元件尺寸来确定。
优选的是，该阵列还通过确保超声波频率f以及元件20的直径d限制成d＝A×c/f来进一步优化，其中，A在范围0.5到5之内，而c是在要被辐射的媒介中的音速。在使用非圆形元件时，术语“直径”d被用于表示元件的近似平均直径，而在一个阵列中使用不同元件类型或尺寸时，意味着在所有元件上取平均的元件平均直径。
在优选实施例中，换能器元件20的数量在64和1024的范围内，而平均元件直径在3到10mm范围内。
从而可以获得“A”级标准的聚焦区域，并且在其上焦点可电控制的距离范围在纵向上为50-60mm，而在垂直于壳体中心轴的横向上可达到±20mm(在1MHz处)，或达到±10mm(在2MHz处)。
在如上所述的超声波换能器阵列24-26中的各元件20基于公知的原理连接到电子驱动电路上，该驱动电路可以控制超声波能的振幅、能量和相位。聚焦区域的形状和定位由各元件的相位和振幅的整体组合来确定。在所述的优选实施例中，使用了对于各元件的八位相位方案，即，在360°范围上各元件在相位上可编址为28分之一的精度，尽管对于优良结构的阵列，可以使用低至四位的相位方案，但是仍可以获得可控制的“A”级分布。

Claims (21)

1.一种分布在基片表面上的超声波换能器元件的阵列，用于将超声波能聚焦到预定的聚焦体积上，所述元件以拟随机分布方法分布在基片表面上，元件的总辐射面积占总阵列面积的40％至70％。
2.如权利要求1所述的超声波换能器阵列，其特征在于，还包括用于以预定的工作频率驱动所述换能器元件的装置，其中工作频率与各元件的平均直径的关系见下式：
d＝A×c/f，
其中，d—各元件的平均直径；c—要用超声波能辐射的媒介中的音速，处于1400到1600ms-1范围内；f—超声波能的频率；A—在约0.5到5范围内的值。
3.如权利要求1所述的超声波换能器阵列，其特征在于，所述频率f在0.5至3MHz范围内。
4.如权利要求3所述的超声波换能器阵列，其特征在于，所述频率f在0.5至2MHz范围内。
5.如权利要求4所述的超声波换能器阵列，其特征在于，所述频率f在1至2MHz范围内。
6.如权利要求1所述的超声波换能器阵列，其特征在于，所述基片表面为弯曲的壳体。
7.如权利要求6所述的超声波换能器阵列，其特征在于，所述换能器表面适用于自壳体的凹面辐射。
8.如权利要求7所述的超声波换能器阵列，其特征在于，所述阵列具有大于或等于0.7R的平均直径D，其中R是壳体的曲率半径。
9.如权利要求6所述的超声波换能器阵列，其特征在于，所述R的值在70到200mm范围之间。
10.如权利要求7所述的超声波换能器阵列，其特征在于，所述R的值约为120mm。
11.如权利要求1所述的超声波换能器阵列，其特征在于，所述阵列中换能器元件之间的最小间距为0.5mm。
12.如权利要求1所述的超声波换能器阵列，其特征在于，所述换能器元件各具有3至10mm的平均直径。
13.如权利要求1所述的超声波换能器阵列，其特征在于，所述元件的数量在64至1024个的范围内。
14.如权利要求1所述的超声波换能器阵列，其特征在于，所述阵列为定相阵列。
15.如前述权利要求中任一项所述的超声波换能器阵列，其特征在于，还包括用于控制阵列各元件的超声波输出的相位和振幅的驱动装置。
16.如权利要求15所述的超声波换能器阵列，其特征在于，所述驱动装置适于以28的解析度解析阵列各元件之间的相位差。
17.如权利要求15所述的超声波换能器阵列，其特征在于，所述驱动装置适于以24至27的解析度解析阵列各元件之间的相位差。
18.一种利用超声波换能器元件的定相阵列在人体内针对组织进行局部超声波加热的方法，所述换能器元件分布在基片表面上以将超声波能聚焦在预定的聚焦体积上，所述方法包括以下步骤：
以拟随机分布方法在基片表面上分布所述元件，且元件的总辐射面积约占总阵列面积的40％至70％；
根据下式，确定超声波各元件的工作频率以及各元件的平均直径：
d＝A×c/f，
其中，d—各元件的平均直径；c—在要用超声波能辐射的媒介中的音速，处于1400到1600ms-1范围内；f—超声波能的频率；A—在约0.5到.5范围内的值。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述频率f在0.5至3MHz范围内。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述频率f在0.5至2MHz范围内。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述频率f在1至2MHz范围内。
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