寬聚焦的超聲推進探頭、系統和方法與流程

2023-05-10 01:48:36

相關申請的交叉引用

本申請要求於2014年10月17日提交的美國專利申請no.62/065,432、和2015年5月12日提交的美國專利申請no.62/160,458的優先權，其中每個專利申請的公開內容通過整體引用包含於本文。

政府許可權利的聲明

本發明是在由國家衛生研究所、國家糖尿病研究所、消化和腎臟疾病研究所頒發的r01dk092197和p01dk043881以及由國家太空生物醫學研究所頒發的smst03402的政府支持下進行的。政府對本發明擁有一定的權利。

背景技術：

所公開的實施方式解決了安全地促進腎結石從病痛患者排出的需求。國家糖尿病、消化和腎臟疾病研究所(niddk)尿結石病研究機遇和挑戰(usdroc)研討會網站將問題表徵如下：「尿結石病(usd)是影響成人和兒童的一種重要的醫療保健問題，引起患者的疼痛和痛苦以及給國家帶來財政負擔。現在11個美國人中的有一個具有usd，並且患病率正在增加。根據niddk資助的美國的泌尿外科疾病研究，美國的usd的直接醫療花費是每年100億美元，這使得它成為最昂貴的泌尿外科疾病。殘留碎片被廣泛地認為是usd中壓倒性的臨床和研究重點，這是因為當前治療方案，諸如震波碎石術(swl)或輸尿管鏡下碎石(urs)留下少量殘留的結石碎片。研究已經表明，儘管多數殘留結石碎片將穿過，其他的會生長並且在大約20％至40％的患者中，導致有症狀事件，諸如疼痛、急診、或另外的手術。然而，迄今為止，還沒有能夠在患者體內操縱(並行地)大量的殘留結石碎片的工具或方法。當前主要的可行選擇是連續使用聚焦超聲來每次操縱一塊結石。然而，對於大量的小結石，該連續方法是不可行的。因此，期望的是用於操縱患者體內多塊腎結石的新工具和方法。

技術實現要素：

提供本發明內容以簡化形式介紹概念選擇，這些概念將在下文詳細描述中更進一步描述。本發明內容不旨在確定所要求保護的主題的關鍵特徵，也不旨在用於幫助確定所要求保護的主題的範圍。

在一個方面，提供了一種超聲治療系統，其構造為施加非碎石聲輻射力至腎結石。在一個實施方式中，該超聲治療系統包括：

(a)治療探頭，其構造為生成引導向治療區域的超聲輻射；以及

(b)成像探頭，其構造為對治療區域超聲成像；

其中,所述治療探頭構造為在治療照射時間內生成包括一個或多個治療脈衝的治療照射，其中所述治療照射具有如下特徵：

(i)100khz至1mhz的頻率；

(ii)至少10ms的治療照射時間；

(iii)0.5mpa至5mpa的治療區域中的峰值負壓；

(iv)一個脈衝的治療區域，其限定經受全寬半峰壓力或更大的容積，以及治療區域具有軸向方向上2cm或更大的長度和2mm或更大的寬度；以及

(v)治療區域是足以對布置於治療區域內的具有0.5mm至20mm直徑的腎結石施加聲輻射力，其中施加至腎結石的聲輻射力是從50μn至0.5n，以及其中聲輻射力不足以破碎腎結石。

在另一個方面，提供了一種使用超聲推進來移動一個或多個目標對象的方法。在一個實施方式中，該方法包括使用如本文中所示和所述的超聲治療系統來施加非碎石聲輻射力。

在另一個方面，提供了一種使用超聲推進移動治療區域中一塊或多塊腎結石的方法。在一個實施方式中，該方法包括使用寬聚焦的超聲治療探頭來對布置於治療區域中的具有0.5mm至20mm直徑的一塊或多塊腎結石施加力，其中施加至一塊或多塊腎結石中的每一塊的聲輻射力是50μn至0.5n，並且其中聲輻射力不足以弄碎腎結石。

附圖描述

當結合附圖參考以下具體實施方式時，本發明的前述方面和許多伴隨優點將變得更加容易理解，其中：

圖1a示意了根據本文中公開的實施方式的超聲治療系統的治療探頭、成像探頭、和治療區域之間的關係；

圖1b是根據本文中公開的實施方式的原型組合治療探頭(環形)和成像探頭(中心)的照片；

圖1c示意了治療系統的另一實施方式，其中治療探頭和成像探頭單獨地布置但兩者都聚集在治療區域；

圖1d是圖1c中示意的類型的非軸向治療探頭和成像探頭的原型組合的照片；

圖2示意了根據本文中公開的實施方式的例證性超聲治療照射；

圖3-6示意了根據本文中公開的實施方式的例證性治療探頭；

圖7a和7b示意了通過現有技術探頭(圖7a)和根據本文中公開的實施方式治療探頭(圖7b)生成的治療區域尺寸；

圖8a和8b圖形地示意了通過現有技術128元件探頭(圖8a)和根據本文中公開的實施方式單元件治療探頭(圖8b)生成的模擬治療區域尺寸；

圖9示意性示出了用於評估超聲探頭在推進一塊或多塊人造腎結石的功效的實驗系統；

圖10是描繪將現有技術和例證性超聲換能器的超聲推進力對比的實驗結果的一系列照片；

圖11圖形示意了從圖9和10中示意的實驗的10次迭代採集的數據，從而確定現有技術和例證性超聲換能器的相對推進強度；

圖12a-12d示意性示出了根據本文中公開的實施方式的其中結合冷卻系統的代表性治療探頭的多個實施方式；

圖13圖形示意了超聲系統的機械指數(mi)、壓力、和頻率之間的關係；以及

圖14是描繪根據本文中公開的實施方式的代表性超聲治療系統的部件的框圖。

具體實施方式

本文中公開了一種超聲治療探頭和含有該探頭的系統。該探頭構造為在生成超聲治療照射，其在施加至腎結石時將施加足以產生超聲推進的聲輻射力。然而與構造為生成超聲推進的先前探頭不同，本公開的探頭被設計以生成相對大(即寬又長)的治療區域，有效地生成超聲推進。該大的治療區域允許探頭並行地移動多個腎結石(或來自碎石的碎片)，進而為使用者提供從區域同時清除數個結石的能力。該「寬聚焦」探頭在某些實施方式中結合至具有典型超聲成像探頭的單個手持單元中。通過協調由治療探頭和成像探頭兩者所生成的超聲信號，組合探頭的使用者能夠隨著寬聚集超聲移動患者體內結石而實時地對結石成像。還提供了使用探頭和系統來移除腎結石的方法。

所公開的寬聚焦束的優點包括更容易對準。該寬束產生更大的瞄準結石的可能性。相對長的治療區域導致使用期間難以改變聚焦深度，因此簡化了瞄準。此外，所公開的系統允許更簡單更廉價的系統，特別是在利用單個治療換能器(「固定焦點」)的實施方式中。最後，所公開的實施方式在治療期間不產生高振幅「熱點」(與焦點壓力相比>-6db)，使得該設備和方法在應用於患者時更安全和更可預測。

在一個方面，提供了一種超聲治療系統，其構造為施加非碎石聲輻射力至腎結石。在一個實施方式中，該超聲治療系統包括：

(a)治療探頭，其構造為生成引導向治療區域的超聲輻射；以及

(b)成像探頭，其構造為對治療區域超聲成像；

其中，所述治療探頭構造為在治療照射時間內生成包括一個或多個治療脈衝的治療照射，其中所述治療照射具有如下特徵：

(i)100khz至1mhz的頻率；

(ii)至少10ms的治療照射時間；

(iii)0.5mpa至5mpa的治療區域中的峰值負壓；

(iv)一個脈衝的治療區域，其限定經受全寬半峰壓力或更大的容積，以及治療區域具有軸向方向上2cm或更大的長度和2mm或更大的寬度；以及

(v)治療區域足以對布置於治療區域內的具有0.5mm至20mm直徑的腎結石施加聲輻射力，其中施加至腎結石的聲輻射力從50μn至0.5n，以及其中聲輻射力不足以破碎腎結石。

通過參照圖1a的圖形示意可以更好地理解超聲系統，其示意了組合探頭100，組合探頭100包括治療探頭105和成像探頭110兩者。沿兩個探頭105和110的軸a布置的是治療區域115。

治療區域115在本文中限定為經受半峰全寬(fwhm)壓力或更大的空間容積(例如，患者體內)。關於該點，治療探頭105將在治療區域115的某點處生成最大壓力，以及治療區域115的邊界由其中壓力是基於最大壓力的fwhm的區域所限定。治療區域115具有中點c、長度l、和寬度w，並從離治療探頭105的距離d開始。如本文中所使用的，治療區域「寬度」定義為與聲軸a垂直的場中壓力達到相對于波峰焦點壓力-6db的位置之間的距離。

如圖1a中所描述，治療探頭115是環形的(至少近乎圓形)，具有外部尺寸od。在一個實施方式中，治療探頭115是圓形的。成像探頭110通常是矩形的，具有高度h和寬度w。組合探頭100、以及相關的治療探頭105和成像探頭110的尺寸是重要的。組合探頭100需要是緊湊的(例如，5cm或更小的od)從而容易地由操作者手持以及可操作以沿患者皮膚的任意點定位。這些尺寸約束導致探頭105和110的共軸組合以形成緊湊組合探頭100。例證性組合探頭100在圖1b中圖示。

在與圖1a和1b的系統不同的一個系統的實施方式中，圖1c示意了不具有集成的成像探頭110的系統。不同的是，利用單獨布置的成像探頭110』。成像探頭110』在使用期間仍與治療探頭105協調並且仍聚焦在治療區域115上。然而，成像探頭110』沒有共軸地布置在軸a上。該布置不能提供共軸聚焦在治療區域115上時易用性的益處，儘管該實施方式可通過現成部件更加容易地製造，因為不需要製造定製的共軸探頭(例如，組合探頭100)。

在操作期間，治療探頭105發射治療照射，其包括在治療照射時間內的一個或多個超聲治療脈衝(參照圖2，針對治療照射信號的視覺圖示)。在利用成像時，治療探頭105和成像探頭110相協調，使得它們的信號不會重疊，而足夠頻繁地採集圖像(例如，至少每秒一幀，fps)。通過在治療照射期間採集治療區域115的圖像，操作者能夠實時地觀察結石的運動並根據需要調節目標和/或焦點以實現治療(例如，從腎臟或其他區域移動結石以排出)。

術語「治療照射」在本文中涉及在照射時間內的脈衝序列。在某些實施方式中，照射時間由使用者通過開關或其他機構激活治療探頭來定義。例證性機構是通/斷開關，諸如腳踏開關。在針對累積的治療照射療程的患者治療期間，使用者利用若干治療照射。在系統連續地長時間關閉(例如，1秒或更長)時，治療照射結束。脈衝之間的「休止」期(即在佔空比小於100％時)並不標誌著治療照射的結束。

超聲治療系統是非碎石的並因此由該系統施加的超聲不足以破碎腎結石。該系統的目的是提供相對大的治療區域，其中治療探頭產生充足的聲輻射力以移動治療區域內的任意腎結石。雖然本文中的描述討論了該系統在移動多個結石或碎片時的非尋常效用，應該意識到的是，在某些實施方式中也能預料到單個結石、甚至單個大的結石的運動。作為示例，可移動阻塞尿管的單個大的結石。

如圖2中所描繪的，治療照射是超聲信號。它能給通過多個參數限定，包括頻率、治療照射時間、治療區域中的峰值負壓、功率、強度、以及驅動電壓。

治療區域足以在布置於治療區域內的具有0.5mm至20mm直徑的腎結石上施加聲輻射力，其中施加至腎結石的聲輻射力從50μn至0.5n，以及其中聲輻射力不足以破碎腎結石。該系統和治療區域的特徵指示由治療探頭施加的力的性質為：非碎石並使用聲輻射力「推進」。聲輻射力能夠在體外(例如，工作檯上)使用聲輻射力天平或測壓元件、輻射力輻射計、或對於本領域技術人員來說公知的任意其他技術來實驗地測量。

組合探頭100具有便於臨床使用的手持形狀。圖1b中圖示了例證性組合探頭100，以及圖3-6是描繪外殼和治療探頭的線圖。現在參照圖3-6，外殼300包括治療探頭換能器305、透鏡310、細長手柄315、和構造為保持成像探頭的外殼320，外殼320經由每個孔徑311穿過透鏡310和治療換能器305擬合。圖6是外殼300的截面圖。

在例證性實施方式中，治療探頭換能器305是定製的pzt換能器以及成像探頭是市售成像探頭。然而，應該意識到的是，在其他實施方式中，兩種探頭都可以是定製探頭或兩者都可以是市售購得的。

圖7a和7b將市售治療探頭(圖7a)與本文中公開的寬聚焦治療探頭(圖7b)的相對治療區域尺寸對比。治療區域的尺寸能夠是大一個數量級，這允許在多個結石或碎片上的更寬推進。

應該指出的是，雖然所公開的實施方式使用寬聚焦超聲在移動腎結石(或其碎片)的情境中描述，本文中公開的原理也能夠用於移動其他內含的對象，包括但不限於結石、碎片、血栓、子彈、粘液、囊性纖維化粘液、流動血液、便秘中的嵌塞糞便、直腸、尿道和膀胱異物、尿道結石、膀胱結石、氣道異物、鼻壅塞、竇閉塞、耳垢栓塞(耳垢)、組織瓣(比如撕裂的視網膜)、或眼睛中浮體、以及位於膽囊、唾液腺、膽道、和人體或其他哺乳動物的任意其他解剖位置中任一個中的灰塵。針對本公開的實施方式的另外用途是成為植入異物的維修程序的部件以防止隨時間的積垢或閉塞。例如，輸尿管支架隨時間會在支架表面上沉澱尿液溶質而積垢。支架能夠每三周接受間歇性推進以「破壞」或減緩積垢過程。針對血管支架能夠預想到類似的實施方式。

如本文中所使用的，術語「約」指示主題數值能夠通過加或減5％來修改並且仍落在本公開的實施方式內。另外，聲明的數值是原位的。相關地，本文中所使用的術語「額定降低的(derated)」指代在水槽中測量的並外推為現場數值。用於生成額定降低的超聲值的等式對於本領域技術人員是公知的。例如，等式x(單位為mhz的額定降低壓力)＝0.03db/cm/mhz*組織穿透深度(cm)*mhz的脈衝中心頻率*水中測量的焦點壓力的初始幅度*np/8.7db(np＝奈培)。

現在將更加詳細地描述超聲治療系統和方法的具體方面。

治療探頭特徵

治療探頭是超聲換能器。超聲換能器在本領域通常是公知的且由壓電材料形成，諸如鋯鈦酸鉛(pzt)。

在一個實施方式中，脈衝具有1ms至350ms的持續時間。在其他實施方式中，脈衝具有10ms至200ms的持續時間。在又一其他實施方式中，脈衝具有50ms至200ms的持續時間。例證性實施方式利用25ms脈衝持續時間。

350ms是由治療探頭與成像探頭協調所需要的脈衝持續時間上限。成像探頭不應該在治療探頭髮射時接收信號來成像，並因此治療脈衝需要「關閉」以為成像脈衝騰出時間。該關係能夠參照圖2來更好地理解，其示意了包括多個脈衝205、210、215的治療照射200。每個脈衝205等具有接通時間，其後跟隨休止時間206，其中成像探頭能夠操作以生成至少每秒兩幀。該幀頻雖然低，仍足以允許操作者充分地追蹤暴露於治療照射的腎結石。

在可替代實施方式中，在治療照射期間不使用成像。然而，對治療區域成像提供了顯著的使用益處。

治療探頭操作的總時間稱作為「治療照射時間」。佔空比定義為在新的脈衝開始前接通時間與總的接通和休止時間相比較的百分比。

由於治療探頭的低頻和功率，100％的佔空比是可能的，儘管在該情形中需要以不幹擾治療探頭的方式實現成像。因此，在一個實施方式中，治療照射是單個持續脈衝。

平均功率是用於限定治療探頭和治療照射的另一特徵。平均功率定義為在治療照射持續時間內在探頭的平均有效面積上發射的總功率。在一個實施方式中，治療探頭構造為生成5w至200w的平均功率1秒至10分鐘。在一個實施方式中，治療探頭構造為生成10w至200w的平均功率1秒至10分鐘。在一個實施方式中，治療探頭構造為生成15w至60w的平均功率1秒至10分鐘。

在一個實施方式中，治療區域由單治療脈衝限定。本文中描述的波束寬度的定義是針對照射至一個焦點。這與使用聚焦在不同點上的脈衝序列以加寬總照射寬度的系統不同。本文中所用的寬度是在某個瞬時快照處波束的寬度。

在一個實施方式中，治療區域具有2cm至15cm的長度。在一個實施方式中，治療區域具有4cm至10cm的長度。在一個實施方式中，治療區域具有3cm或更大的長度。在一個實施方式中，治療區域具有5cm或更大的長度。在一個實施方式中，治療區域具有15cm或更小的長度。

在一個實施方式中，治療區域具有2mm至20mm的寬度。在一個實施方式中，治療區域具有1mm至10mm的寬度。在一個實施方式中，治療區域具有5mm至8mm的寬度。在一個實施方式中，治療區域具有大於3mm的寬度。在一個實施方式中，治療區域具有大於5mm的寬度。在一個實施方式中，治療區域具有小於10mm的寬度。在一個實施方式中，治療區域具有小於20mm的寬度。

在一個實施方式中，治療區域具有至少1mm的寬度和至少2cm的長度。在一個實施方式中，治療區域具有至少2mm的寬度和至少1cm的長度。在一個實施方式中，治療區域具有至少1mm的寬度和至少1cm的長度。

在一個實施方式中，頻率是200khz至500khz。在一個實施方式中，頻率是300khz至450khz。

在一個實施方式中，治療區域中的峰值負壓是1.0mpa至4.0mpa。在一個實施方式中，治療區域中的峰值負壓是1.5mpa至3.5mpa。

在一個實施方式中，治療區域從距離治療探頭的至少1cm處開始。在一個實施方式中，治療區域從距離治療探頭的至少3cm處開始。在一個實施方式中，治療區域從距離治療探頭的至少5cm處開始。

在一個實施方式中，治療照射是至少1秒長。在一個實施方式中，治療照射是至少10秒長。在一個實施方式中，治療照射是至少30秒長。在一個實施方式中，治療照射是至少60秒長。在一個實施方式中，治療照射是至少5分鐘長。在一個實施方式中，治療照射是至少10分鐘長。

在一個實施方式中，治療照射包括治療脈衝串，其包括由休止期間隔開的多個脈衝。該構造在圖2中示意。

在一個實施方式中，治療脈衝串具有大於30％的佔空比。在一個實施方式中，治療脈衝串具有大於50％的佔空比。在一個實施方式中，治療脈衝串具有大於75％的佔空比。

所公開系統在限定的機械指數範圍內運轉。機械指數在本文中定義為峰值負壓(mpa)/頻率(mhz)平方根。圖13圖形示意了超聲系統的機械指數(mi)、壓力、和頻率之間的相互關係。在一個實施方式中，機械指數是10或更低，這是在可能發生結石碎片之前的上限。在一個實施方式中，機械指數是4或更低，其是與成像相關的fda限度。在一個實施方式中，機械指數是1.9或更低，其是fda下限。

探頭形狀

在一個實施方式中，治療探頭具有5cm或以下的最大孔徑尺寸(例如，圖1aod)。在一個實施方式中，治療探頭具有2cm或以上的最大孔徑尺寸(例如，圖1aod)。在其他實施方式中，od大於5cm。因此，在一個實施方式中，od小於10cm。在又一另外實施方式中，od小於7cm。

在一個實施方式中，治療探頭具有單個超聲治療元件，進而提供固定焦點來限定治療區域。

在一個實施方式中，治療探頭是具有中心腔的環形，其構造為聲學透明的以允許成像探頭通過該中心腔成像。

在一個實施方式中，治療探頭和成像探頭構造為共軸地配對在一起。共軸探頭在圖1a中示意，其沿軸a布置。如本文中使用的，術語「配對」指代其中治療探頭和成像探頭布置在同一組合探頭的布置，如圖1a和1b中示意。類似地，圖3-6示意了圖1c示意了非共軸探頭，儘管在該構造中，治療探頭105和成像探頭110』仍是同步的以提供治療照射和對治療區域115成像。

成像探頭能夠是對於本領域技術人員來說公知的任意成像探頭，其足以對治療區域成像並與治療探頭同步。參照圖1a和1c，成像探頭110或110』具有高度h和寬度w。在一個實施方式中，高度是從1cm至2cm。在一個實施方式中，寬度是從1cm至3cm。

成像同步

在一個實施方式中，成像探頭和治療探頭是同步的，使得成像探頭在脈衝之間的治療照射休止期間產生成像信號。

在一個實施方式中，超聲治療系統還包括開關，其構造為將超聲治療系統從其中僅成像探頭被激活而治療探頭沒有被激活的成像模式轉變為其中成像探頭和治療探頭都被激活並同步化以交替地產生治療區域的圖像和施加治療照射至治療區域的治療模式。

在一個實施方式中，超聲治療系統還構造為響應於改變成像探頭的焦點深度調節治療探頭至治療區域開始的距離，或反之亦然。

透鏡

在一個實施方式中，超聲治療系統還包括關於治療探頭的透鏡。透鏡是用於將超聲耦合至組織的基本任意材料。在一個實施方式中，透鏡在遠側表面上是平坦的。在另一實施方式中，透鏡在遠側表面上是凸起的。在另一實施方式中，透鏡在遠側表面上是凹進的，進而具有小的腔，其能夠填充凝膠或一次性墊。

在一個實施方式中，透鏡由選自由塑料、油脂、陶瓷、酒精、水基液體、凝膠、金屬(例如鋁)、石墨及其組合物組成的群組中的材料形成。代表性塑料包括矽氧烷和聚氨酯橡膠。特別有益的是能夠在室溫下聚合的聚合物。

在一個實施方式中，透鏡提供了治療探頭和治療目標之間的聲匹配。

在另一實施方式中，匹配層包括在換能器和透鏡之間。例如，參見圖12a中的部件615。匹配層不提供聚焦而是用作換能器和透鏡之間的過渡阻抗。阻抗不匹配將產生聲能量噪聲。代表性匹配層材料包括複合材料，諸如載有鎢、鋁或石墨的環氧樹脂。

放大器

在一個實施方式中，超聲治療系統還包括放大器，其構造為驅動治療探頭。放大器能夠是現成的或定製的，其設計以生成所需功率。放大器的示例結合到圖14中的代表性系統中。在一個實施方式中，放大器構造為以100v至3000v的電壓(峰峰值)工作。在一個實施方式中，放大器構造為以10w至1000w(時間平均)的功率工作。在一個實施方式中，放大器構造為以20w至1000w(時間平均)的功率工作。在一個實施方式中，放大器構造為以20w至500w(時間平均)的功率工作。

冷卻

在一個實施方式中，超聲治療系統還包括冷卻機構，其構造為從治療探頭移除熱量。圖12a-12d示意了具有結合的冷卻系統的探頭600的代表性實施方式。通常，探頭600包括換能器605、透鏡610、以及換能器605和透鏡610之間的匹配層615以提供聲匹配。入口和出口625提供到冷卻腔620的液體或氣體通路。

可選的熱電偶606或其他溫度測量元件施加至換能器605(圖12a)或透鏡610(圖12b)或兩者(未圖示)。熱電偶606能夠連接至顯示器以為操作者提供換能器605的溫度的視覺指示，如果有過熱的危險，或透鏡610如果有灼傷患者皮膚的危險。熱電偶還能夠與cpu或其他系統部件連接以自動化危險狀況的指示或提供關於驅動換能器605的反饋信號(例如，在換能器605溫度危險地升高時，系統將關閉換能器605，啟動冷卻，和/或警告操作者)。

在一個實施方式中，冷卻腔620填充以氣體(例如空氣)。在其他實施方式中，冷卻腔620填充以液體(例如水)。氣體或液體能夠通過入口和出口625循環以提供改進的冷卻。

參照圖12b，散熱片630與換能器605連接以從中移除熱量。散熱片630的多個片延伸到冷卻腔620內以進一步消散熱量。

參照圖12c，散熱片630而是布置於與冷卻腔620的與換能器605相對壁上。第二散熱片640(或第一散熱片630的第二部分)布置於冷卻腔620的外側上以將從換能器605傳遞的熱量穿過第一散熱片630然後第二散熱片640消散到冷卻腔620。

圖12d是又一另外實施方式，其集成熱電冷卻器650(tec或珀爾帖元件)以管理從換能器605傳遞的熱量。

在一個實施方式中，冷卻機構選自由空氣冷卻、液體冷卻、散熱片、熱管、熱電冷卻器、及其組合組成的群組。

在一個實施方式中，冷卻機構構造為從選自由透鏡和超聲治療元件組成的群組的治療探頭的一部分移除熱量。

中央處理單元(cpu)

在一個實施方式中，超聲治療系統還包括中央處理單元(cpu)和用戶界面，其中治療探頭、成像探頭、以及用戶界面每個可操作地通過cpu連接，以及其中cpu構造為根據用戶界面控制來自治療探頭的超聲照射。cpu能夠是本領域技術人員公知的任意cpu，諸如個人計算機。cpu可用於協調各種系統部件(例如，探頭、放大器、成像)的行為，如下文參照圖14更加詳細地描述。

在一個實施方式中，成像探頭構造為在用戶界面上生成治療區域的超聲圖像以及其中成像探頭與治療探頭同步以在來自治療探頭的脈衝之間獲得治療區域的圖像。

在一個實施方式中，cpu構造為響應於通過用戶界面的輸入來經由治療探頭改變治療區域的位置或尺寸。

擴展系統

圖14示意性示出包括已經公開的許多部件的「擴展」系統700。組合探頭701包括治療探頭705和嵌入其中的成像探頭710。治療區域715示意為包含多個目標(例如，腎結石)。cpu/放大器717最終驅動治療探頭705並與超聲成像系統730協作以協調成像探頭710和治療探頭705。cpu和放大器可分割為不同部件或可組合為單個單元。放大器717能夠通過若干機構激活，其中圖14中的機構是腳踏720。在操作期間，使用者壓在腳踏720上以通過放大器717和治療探頭705來啟動治療照射。使用腳踏720允許使用者的手脫離系統700的啟動。在腳從腳踏720移走時，終止治療照射。在治療照射期間，多個脈衝從治療探頭705發射。

放大器717通過匹配網絡725對治療探頭705供電，匹配網絡725提供合適的功率特徵至治療探頭705以生成期望的信號。

成像探頭710通過對於本領域技術人員來說公知的超聲成像系統730來提供成像。通過同步735橋接件與放大器717進行協調，以及設置和控制項是協調件740(例如通過usb)。

可選的冷卻系統745能夠啟動以冷卻組合探頭701並可從溫度傳感器(例如，熱電偶)接收輸入。冷卻系統745可與cpu/放大器717連接以在溫度達到設置限度時關閉或減少治療探頭705的使用。或者傳感器可用於啟動冷卻系統745以冷卻治療探頭705。

探頭

在另一個方面，示出和描述了根據實施方式的組合探頭。探頭包括治療探頭和至少一個腔，其中共軸地布置成像探頭。在某些實施方式中，組合探頭包括布置於腔內的成像探頭。組合探頭能夠與如本文中公開的放大器和成像系統連接並能夠用於執行本文所公開的方法。

方法

在另一個方面，提供了一種使用超聲推進移動一個或多個目標對象的方法。在一個實施方式中，該方法包括使用本文所示出和描述的超聲治療系統來施加非碎石聲輻射力至目標對象。雖然所公開的實施方式主要在移動腎結石的情境中描述，應該意識到的是，該系統能夠用於移動距治療探頭的合適範圍內的任意小對象。目標並非必需處於活體內。

在一個實施方式中，目標對象是至少一個體內腎結石。該系統能夠以對於本領域技術人員來說的任意有用方式施加至需要的患者。該系統設計以便於來自體內的碎片和腎結石的運動和最終移除。因此，所公開的方法利用所公開的系統來移動一塊或多塊腎結石。

在一個實施方式中，至少一塊腎結石位於患者的選自由腎臟、輸尿管腎盂交界(upj)、膀胱、輸尿管膀胱交界(uvj)、和輸尿管組成的群組的區域內。這些是人體中一塊或多塊腎結石可能駐留以及其中該系統和方法能夠促進其移除的典型部位。

在一個實施方式中，至少一塊腎結石移動至少3mm的距離。這是患者體內相當大的距離並指示了該系統和方法的寬泛移動效果。

在又一實施方式中，多塊腎結石同時移動至少3mm的距離。在該實施方式中，所述至少一塊腎結石是多塊腎結石並且其中所述多塊腎結石在治療照射期間移動至少3mm的距離。

在另一個方面，提供了一種使用超聲推進移動治療區域中一塊或多塊腎結石的方法。在一個實施方式中，該方法包括使用寬聚焦的超聲治療探頭來在布置於治療區域中的具有0.5mm至20mm直徑的一塊或多塊腎結石上施加力，其中施加至一塊或多塊腎結石中每塊的聲輻射力是50μn至0.5n，並且其中聲輻射力不足以破碎腎結石。該方面並非必需與本文中公開的精確設備相關，儘管該設備和系統與本方法是兼容的。然而，本方面在其最基本的層面上是針對使用寬聚焦超聲來施加壓力至腎結石。在一個實施方式中，成像探頭與治療探頭是同步的。該方法與本文任意位置公開的所有系統、設備和方法兼容。

為了說明而非限制性描述的實施方式，包括以下示例。

示例

治療探頭設計

在該示例中，我們討論單元件低頻設計。具體而言，現有技術的碎石術和超聲推進系統揭示了排出結石碎片群的需求和性能。這些系統同樣不能可觀察地移除大的結石且不能分離結石。通過所公開的新的單元件、寬聚焦，我們能夠更快地群集地排出更多碎片。該變化是數量級的並能夠使得脈衝數量增加為10倍(10x)以及每個脈衝拓寬為10倍和遍及整個結石群。新設計因此也更加可能分離和移動大的結石。這些優點潛在地將治療從數小時縮減至數分鐘並使得超聲推進臨床上可行。

從現有技術128元件、2mhz成像/推進探頭轉換為單元件、低頻(300khz)治療探頭使得能夠位移整群的結石。所內嵌的成像探頭在有效地自由掃頻區域結石時允許使用者觀察碎片和群位移。

低頻的優點包括：

·較小焦點熱量＝發送更多脈衝的能力；

·穿過組織或肋骨的較小衰減；

·更高強度而沒有非線性飽和；

·更寬波束＝更簡單定位和能夠移動一堆碎片；

·由於使用300khz用於粉碎，能夠將結石打破連接。

可能的缺點是：

·低頻更可能發生空穴。空穴會損傷組織但也幫助破碎結石。已經添加了空穴監視器；

·在低頻可能較小的輻射力在<1mm的碎片，但對於這些小的結石，需要非常小的力。

單元件單聚焦的優點包括：

·最小化探頭髮熱；

·特有的低成本治療部件；

·標準未更改超聲成像硬體(無需與成像探頭「推進」)；

·單獨使用者操作。

·可能的缺點是：

·使用者需要將結石對齊在焦點中；

·具有技術上的原因，多數醫療超聲處於mhz範圍並且相當少的在300khz處實現。

已經設計並構造了多個原型。所有都具有約330khz的環形治療元件。在中間的洞中是成像探頭。這是用於醫學成像的低頻成像探頭並且通常不用於醫學治療。較厚元件使用較大電壓。另外，pzt的多數應用希望一個維度比另外兩個維度大的多，其中另外兩個是大約波長。較厚元件使得這樣做比較困難並且風險是其他模式耗費能量並引起加熱。一個實施方式具有p7-4成像器，另一個具有p4-2成像器，以及最後一個具有以4-5mhz為中心的線性128元件成像器(p6-3成像器)。這些都趨於是相比通常用於腎臟來說更高頻率的成像器，並且它們具有較小視場。

整體佔用直徑是5cm或更小。該尺寸因素在考慮探頭在臨床情境中的可用性時是重要的。首先，探頭需要容易手持並且能夠通過一隻手操作。其次，探頭需要足夠地小以施加至患者身體上的若干不同點處，這需要能夠與任意皮膚表面匹配的小探頭。

我們使治療探頭上具有透鏡，治療探頭選擇用於通過聲學特性的合適匹配對患者良好能量傳遞以及用於縮減模式。我們通過塑料、金屬和石墨構造透鏡。該選擇還影響表面的曲率。我們將成像探頭置於曲率的光圈處用於最佳成像(將其從光圈往後設置降低成像質量但允許治療探頭中的更小孔洞)。然後我們使用光學透明罩和在空間中的任意耦合凝膠或液體來在探頭上做成平坦面用於耦合。可以使用的液體還能夠可選地用於冷卻以及罩能夠是一次性的。

例證性組合探頭在圖1b中圖示，其中涉及的該模型具有凸起孔洞和相對大(約1*2cm)的成像探頭。環形治療探頭通常以400khz驅動。能夠圍繞周邊觀察到環形、單元件治療換能器並且中心特徵是內嵌的成像探頭。

另一探頭propulse-2r如下：手持的、現成的p4-2飛利浦相控陣成像探頭，其從探頭的的中心腔可移除；成像探頭直徑約為5cm；成像探頭是共軸的；治療探頭換能器上的內嵌熱電偶；凸起的rtv(室溫硫化)透鏡；以及沒有冷卻系統。

另一例證性組合探頭包括單元件治療換能器，在一側具有成像探頭，如圖1c中示意並在圖1d中圖示。圖1d的例證性探頭包括鋁的凹透鏡；3d列印殼體，其具有通過水耦合的凹透鏡；第二透鏡，其是由rtv矽形成的凹透鏡。

實驗探頭中利用的各變體如下：

探頭外側上的冷水冷卻。

背側冷卻。治療換能器背側上的油冷卻。加壓氣流背側冷卻。渦流背側冷卻。

製造不具有成像器的僅治療探頭系統。

某些原型包括金屬透鏡、冷卻系統、具有或不具有膠乳、以及凹透鏡。

製造其中成像器和治療探頭連接但不同心的系統。

堆疊傳感器。

多孔陶瓷和複合換能器。

成像探頭每側上1-16元件治療元件。

新設計的成像探頭以使得它們更平從而具有更遠焦點，降低頻率，以及具有更好冷卻。

例證性測試結果

圖8a和8b是關於現有技術治療探頭(圖8a)和例證性探頭(圖8b)的模擬數據的圖形示意。使用來自密西根州立大學的focus超聲模擬器來生成模擬數據。對照的圖8a是以2.4mhz工作的128元件換能器，而例證性圖8b是以400khz工作的單換能器元件，以及尺寸為內徑3cm、外徑5cm和5cm的幾何焦點。

由於附圖由彩色轉換，完整數據不能在本文中準確地呈現。然而，每幅附圖中邊界附近繪出黑色線條以示出最高壓力的區域，其限定了相應治療區域。

圖9-11涉及實驗測試以確定根據所公開的實施方式的治療探頭(在本文中有時稱作為「lfp」或低頻推進探頭)的「結石推進」效果並將它們與現有技術的治療探頭對比。為了實現這點，應用根據圖9的實驗設計。具體而言，通過換能器來推進模擬的腎結石而使用數位照相機記錄結石的「推進」並隨後圖像分析。

在該示例中，使用bego模擬的腎結石材料水泥在1cm高*6mm直徑的圓柱體模具中製造結石碎片。硬化的模型結石被粉碎為碎片並篩分為3-4mm、2-3m、1-2mm、和1mm的碎片的所有方法很好地工作，但不能有效地分割小碎片。第二種方法簡單地對圖像設置合適閾值，並對由它們高度標定的所有結果像素求和。

圖10針對所測試的每個換能器在測試運行終點處(最大推進距離)編譯靜止圖像。換能器全部使用相同的模擬腎結石和相關環境進行測試。lfp換能器，特別是在較高壓力時，在移動多個結石更遠距離方面更有效。將這些結果返回與圖8a和8b的模擬關聯，lfp換能器(圖8b)相比傳統的治療探頭(圖8a)生成大的多的治療區域，其在結石上具有更高推進力。到現在為止，該寬聚焦不是令人合意的。

圖11總結了針對圖10中示意的類型的10組樣本數據，以數字地表徵換能器的功效。y軸涉及相對推進量，其通過對10組推進運行求平均來計算。它是黑像素(涉及結石的像素)的高度和標準偏差誤差條的總和。從圖10中能夠看出，根據本公開的實施方式的lfp換能器在結石上提供了極其優越的推進力。在觀察圖11時，該創新的換能器的不尋常和預料不到的效果與現有技術相比是顯而易見的。

雖然已經示意和描述了示意性實施方式，應該意識到的是能夠在不偏離本發明的精神和範圍的情況下在其中做出各種變化。