相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于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(yōu)先權(quán)，其中每個專利申請的公開內(nèi)容通過整體引用包含于本文。

政府許可權(quán)利的聲明

本發(fā)明是在由國家衛(wèi)生研究所、國家糖尿病研究所、消化和腎臟疾病研究所頒發(fā)的r01dk092197和p01dk043881以及由國家太空生物醫(yī)學(xué)研究所頒發(fā)的smst03402的政府支持下進(jìn)行的。政府對本發(fā)明擁有一定的權(quán)利。

背景技術(shù)：

所公開的實施方式解決了安全地促進(jìn)腎結(jié)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(jié)石病研究機遇和挑戰(zhàn)(usdroc)研討會網(wǎng)站將問題表征如下：“尿結(jié)石病(usd)是影響成人和兒童的一種重要的醫(yī)療保健問題，引起患者的疼痛和痛苦以及給國家?guī)碡斦?fù)擔(dān)?，F(xiàn)在11個美國人中的有一個具有usd，并且患病率正在增加。根據(jù)niddk資助的美國的泌尿外科疾病研究，美國的usd的直接醫(yī)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(rèn)為是usd中壓倒性的臨床和研究重點，這是因為當(dāng)前治療方案，諸如震波碎石術(shù)(swl)或輸尿管鏡下碎石(urs)留下少量殘留的結(jié)石碎片。研究已經(jīng)表明，盡管多數(shù)殘留結(jié)石碎片將穿過，其他的會生長并且在大約20％至40％的患者中，導(dǎo)致有癥狀事件，諸如疼痛、急診、或另外的手術(shù)。然而，迄今為止，還沒有能夠在患者體內(nèi)操縱(并行地)大量的殘留結(jié)石碎片的工具或方法。當(dāng)前主要的可行選擇是連續(xù)使用聚焦超聲來每次操縱一塊結(jié)石。然而，對于大量的小結(jié)石，該連續(xù)方法是不可行的。因此，期望的是用于操縱患者體內(nèi)多塊腎結(jié)石的新工具和方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

提供本發(fā)明內(nèi)容以簡化形式介紹概念選擇，這些概念將在下文詳細(xì)描述中更進(jìn)一步描述。本發(fā)明內(nèi)容不旨在確定所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征，也不旨在用于幫助確定所要求保護(hù)的主題的范圍。

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

(a)治療探頭，其構(gòu)造為生成引導(dǎo)向治療區(qū)域的超聲輻射；以及

(b)成像探頭，其構(gòu)造為對治療區(qū)域超聲成像；

其中,所述治療探頭構(gòu)造為在治療照射時間內(nèi)生成包括一個或多個治療脈沖的治療照射，其中所述治療照射具有如下特征：

(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(qū)域中的峰值負(fù)壓；

(iv)一個脈沖的治療區(qū)域，其限定經(jīng)受全寬半峰壓力或更大的容積，以及治療區(qū)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(qū)域是足以對布置于治療區(qū)域內(nèi)的具有0.5mm至20mm直徑的腎結(jié)石施加聲輻射力，其中施加至腎結(jié)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(jié)石。

在另一個方面，提供了一種使用超聲推進(jìn)來移動一個或多個目標(biāo)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(tǒng)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(jìn)移動治療區(qū)域中一塊或多塊腎結(jié)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于治療區(qū)域中的具有0.5mm至20mm直徑的一塊或多塊腎結(jié)石施加力，其中施加至一塊或多塊腎結(jié)石中的每一塊的聲輻射力是50μn至0.5n，并且其中聲輻射力不足以弄碎腎結(jié)石。

附圖描述

當(dāng)結(jié)合附圖參考以下具體實施方式時，本發(fā)明的前述方面和許多伴隨優(yōu)點將變得更加容易理解，其中：

圖1a示意了根據(jù)本文中公開的實施方式的超聲治療系統(tǒng)的治療探頭、成像探頭、和治療區(qū)域之間的關(guān)系；

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

圖1c示意了治療系統(tǒng)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(qū)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(jù)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(jù)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(xiàn)有技術(shù)探頭(圖7a)和根據(jù)本文中公開的實施方式治療探頭(圖7b)生成的治療區(qū)域尺寸；

圖8a和8b圖形地示意了通過現(xiàn)有技術(shù)128元件探頭(圖8a)和根據(jù)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(qū)域尺寸；

圖9示意性示出了用于評估超聲探頭在推進(jìn)一塊或多塊人造腎結(jié)石的功效的實驗系統(tǒng)；

圖10是描繪將現(xiàn)有技術(shù)和例證性超聲換能器的超聲推進(jìn)力對比的實驗結(jié)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次迭代采集的數(shù)據(jù)，從而確定現(xiàn)有技術(shù)和例證性超聲換能器的相對推進(jìn)強度；

圖12a-12d示意性示出了根據(jù)本文中公開的實施方式的其中結(jié)合冷卻系統(tǒng)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(tǒng)的機械指數(shù)(mi)、壓力、和頻率之間的關(guān)系；以及

圖14是描繪根據(jù)本文中公開的實施方式的代表性超聲治療系統(tǒng)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(tǒng)。該探頭構(gòu)造為在生成超聲治療照射，其在施加至腎結(jié)石時將施加足以產(chǎn)生超聲推進(jìn)的聲輻射力。然而與構(gòu)造為生成超聲推進(jìn)的先前探頭不同，本公開的探頭被設(shè)計以生成相對大(即寬又長)的治療區(qū)域，有效地生成超聲推進(jìn)。該大的治療區(qū)域允許探頭并行地移動多個腎結(jié)石(或來自碎石的碎片)，進(jìn)而為使用者提供從區(qū)域同時清除數(shù)個結(jié)石的能力。該“寬聚焦”探頭在某些實施方式中結(jié)合至具有典型超聲成像探頭的單個手持單元中。通過協(xié)調(diào)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(nèi)結(jié)石而實時地對結(jié)石成像。還提供了使用探頭和系統(tǒng)來移除腎結(jié)石的方法。

所公開的寬聚焦束的優(yōu)點包括更容易對準(zhǔn)。該寬束產(chǎn)生更大的瞄準(zhǔn)結(jié)石的可能性。相對長的治療區(qū)域?qū)е率褂闷陂g難以改變聚焦深度，因此簡化了瞄準(zhǔn)。此外，所公開的系統(tǒng)允許更簡單更廉價的系統(tǒng)，特別是在利用單個治療換能器(“固定焦點”)的實施方式中。最后，所公開的實施方式在治療期間不產(chǎn)生高振幅“熱點”(與焦點壓力相比>-6db)，使得該設(shè)備和方法在應(yīng)用于患者時更安全和更可預(yù)測。

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

(a)治療探頭，其構(gòu)造為生成引導(dǎo)向治療區(qū)域的超聲輻射；以及

(b)成像探頭，其構(gòu)造為對治療區(qū)域超聲成像；

其中，所述治療探頭構(gòu)造為在治療照射時間內(nèi)生成包括一個或多個治療脈沖的治療照射，其中所述治療照射具有如下特征：

(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(qū)域中的峰值負(fù)壓；

(iv)一個脈沖的治療區(qū)域，其限定經(jīng)受全寬半峰壓力或更大的容積，以及治療區(qū)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(qū)域足以對布置于治療區(qū)域內(nèi)的具有0.5mm至20mm直徑的腎結(jié)石施加聲輻射力，其中施加至腎結(jié)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(jié)石。

通過參照圖1a的圖形示意可以更好地理解超聲系統(tǒng)，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(qū)域115。

治療區(qū)域115在本文中限定為經(jīng)受半峰全寬(fwhm)壓力或更大的空間容積(例如，患者體內(nèi))。關(guān)于該點，治療探頭105將在治療區(qū)域115的某點處生成最大壓力，以及治療區(qū)域115的邊界由其中壓力是基于最大壓力的fwhm的區(qū)域所限定。治療區(qū)域115具有中點c、長度l、和寬度w，并從離治療探頭105的距離d開始。如本文中所使用的，治療區(qū)域“寬度”定義為與聲軸a垂直的場中壓力達(dá)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(huán)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(guān)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(dǎo)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(tǒng)不同的一個系統(tǒng)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(tǒng)。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(xié)調(diào)并且仍聚焦在治療區(qū)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(qū)域115上時易用性的益處，盡管該實施方式可通過現(xiàn)成部件更加容易地制造，因為不需要制造定制的共軸探頭(例如，組合探頭100)。

在操作期間，治療探頭105發(fā)射治療照射，其包括在治療照射時間內(nèi)的一個或多個超聲治療脈沖(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(xié)調(diào)，使得它們的信號不會重疊，而足夠頻繁地采集圖像(例如，至少每秒一幀，fps)。通過在治療照射期間采集治療區(qū)域115的圖像，操作者能夠?qū)崟r地觀察結(jié)石的運動并根據(jù)需要調(diào)節(jié)目標(biāo)和/或焦點以實現(xiàn)治療(例如，從腎臟或其他區(qū)域移動結(jié)石以排出)。

術(shù)語“治療照射”在本文中涉及在照射時間內(nèi)的脈沖序列。在某些實施方式中，照射時間由使用者通過開關(guān)或其他機構(gòu)激活治療探頭來定義。例證性機構(gòu)是通/斷開關(guān)，諸如腳踏開關(guān)。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(tǒng)連續(xù)地長時間關(guān)閉(例如，1秒或更長)時，治療照射結(jié)束。脈沖之間的“休止”期(即在占空比小于100％時)并不標(biāo)志著治療照射的結(jié)束。

超聲治療系統(tǒng)是非碎石的并因此由該系統(tǒng)施加的超聲不足以破碎腎結(jié)石。該系統(tǒng)的目的是提供相對大的治療區(qū)域，其中治療探頭產(chǎn)生充足的聲輻射力以移動治療區(qū)域內(nèi)的任意腎結(jié)石。雖然本文中的描述討論了該系統(tǒng)在移動多個結(jié)石或碎片時的非尋常效用，應(yīng)該意識到的是，在某些實施方式中也能預(yù)料到單個結(jié)石、甚至單個大的結(jié)石的運動。作為示例，可移動阻塞尿管的單個大的結(jié)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(shù)限定，包括頻率、治療照射時間、治療區(qū)域中的峰值負(fù)壓、功率、強度、以及驅(qū)動電壓。

治療區(qū)域足以在布置于治療區(qū)域內(nèi)的具有0.5mm至20mm直徑的腎結(jié)石上施加聲輻射力，其中施加至腎結(jié)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(jié)石。該系統(tǒng)和治療區(qū)域的特征指示由治療探頭施加的力的性質(zhì)為：非碎石并使用聲輻射力“推進(jìn)”。聲輻射力能夠在體外(例如，工作臺上)使用聲輻射力天平或測壓元件、輻射力輻射計、或?qū)τ诒绢I(lǐng)域技術(shù)人員來說公知的任意其他技術(shù)來實驗地測量。

組合探頭100具有便于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?，F(xiàn)在參照圖3-6，外殼300包括治療探頭換能器305、透鏡310、細(xì)長手柄315、和構(gòu)造為保持成像探頭的外殼320，外殼320經(jīng)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是定制的pzt換能器以及成像探頭是市售成像探頭。然而，應(yīng)該意識到的是，在其他實施方式中，兩種探頭都可以是定制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(qū)域尺寸對比。治療區(qū)域的尺寸能夠是大一個數(shù)量級，這允許在多個結(jié)石或碎片上的更寬推進(jìn)。

應(yīng)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(jié)石(或其碎片)的情境中描述，本文中公開的原理也能夠用于移動其他內(nèi)含的對象，包括但不限于結(jié)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(jié)石、膀胱結(jié)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(wǎng)膜)、或眼睛中浮體、以及位于膽囊、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淀尿液溶質(zhì)而積垢。支架能夠每三周接受間歇性推進(jìn)以“破壞”或減緩積垢過程。針對血管支架能夠預(yù)想到類似的實施方式。

如本文中所使用的，術(shù)語“約”指示主題數(shù)值能夠通過加或減5％來修改并且仍落在本公開的實施方式內(nèi)。另外，聲明的數(shù)值是原位的。相關(guān)地，本文中所使用的術(shù)語“額定降低的(derated)”指代在水槽中測量的并外推為現(xiàn)場數(shù)值。用于生成額定降低的超聲值的等式對于本領(lǐng)域技術(shù)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的脈沖中心頻率*水中測量的焦點壓力的初始幅度*np/8.7db(np＝奈培)。

現(xiàn)在將更加詳細(xì)地描述超聲治療系統(tǒng)和方法的具體方面。

治療探頭特征

治療探頭是超聲換能器。超聲換能器在本領(lǐng)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，脈沖具有1ms至350ms的持續(xù)時間。在其他實施方式中，脈沖具有10ms至200ms的持續(xù)時間。在又一其他實施方式中，脈沖具有50ms至200ms的持續(xù)時間。例證性實施方式利用25ms脈沖持續(xù)時間。

350ms是由治療探頭與成像探頭協(xié)調(diào)所需要的脈沖持續(xù)時間上限。成像探頭不應(yīng)該在治療探頭發(fā)射時接收信號來成像，并因此治療脈沖需要“關(guān)閉”以為成像脈沖騰出時間。該關(guān)系能夠參照圖2來更好地理解，其示意了包括多個脈沖205、210、215的治療照射200。每個脈沖205等具有接通時間，其后跟隨休止時間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于治療照射的腎結(jié)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(qū)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”。占空比定義為在新的脈沖開始前接通時間與總的接通和休止時間相比較的百分比。

由于治療探頭的低頻和功率，100％的占空比是可能的，盡管在該情形中需要以不干擾治療探頭的方式實現(xiàn)成像。因此，在一個實施方式中，治療照射是單個持續(xù)脈沖。

平均功率是用于限定治療探頭和治療照射的另一特征。平均功率定義為在治療照射持續(xù)時間內(nèi)在探頭的平均有效面積上發(fā)射的總功率。在一個實施方式中，治療探頭構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(qū)域由單治療脈沖限定。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沖序列以加寬總照射寬度的系統(tǒng)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(qū)域具有2cm至15cm的長度。在一個實施方式中，治療區(qū)域具有4cm至10cm的長度。在一個實施方式中，治療區(qū)域具有3cm或更大的長度。在一個實施方式中，治療區(qū)域具有5cm或更大的長度。在一個實施方式中，治療區(qū)域具有15cm或更小的長度。

在一個實施方式中，治療區(qū)域具有2mm至20mm的寬度。在一個實施方式中，治療區(qū)域具有1mm至10mm的寬度。在一個實施方式中，治療區(qū)域具有5mm至8mm的寬度。在一個實施方式中，治療區(qū)域具有大于3mm的寬度。在一個實施方式中，治療區(qū)域具有大于5mm的寬度。在一個實施方式中，治療區(qū)域具有小于10mm的寬度。在一個實施方式中，治療區(qū)域具有小于20mm的寬度。

在一個實施方式中，治療區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)域中的峰值負(fù)壓是1.0mpa至4.0mpa。在一個實施方式中，治療區(qū)域中的峰值負(fù)壓是1.5mpa至3.5mpa。

在一個實施方式中，治療區(qū)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(qū)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(qū)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沖串，其包括由休止期間隔開的多個脈沖。該構(gòu)造在圖2中示意。

在一個實施方式中，治療脈沖串具有大于30％的占空比。在一個實施方式中，治療脈沖串具有大于50％的占空比。在一個實施方式中，治療脈沖串具有大于75％的占空比。

所公開系統(tǒng)在限定的機械指數(shù)范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)。機械指數(shù)在本文中定義為峰值負(fù)壓(mpa)/頻率(mhz)平方根。圖13圖形示意了超聲系統(tǒng)的機械指數(shù)(mi)、壓力、和頻率之間的相互關(guān)系。在一個實施方式中，機械指數(shù)是10或更低，這是在可能發(fā)生結(jié)石碎片之前的上限。在一個實施方式中，機械指數(shù)是4或更低，其是與成像相關(guān)的fda限度。在一個實施方式中，機械指數(shù)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大于5cm。因此，在一個實施方式中，od小于10cm。在又一另外實施方式中，od小于7cm。

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

在一個實施方式中，治療探頭是具有中心腔的環(huán)形，其構(gòu)造為聲學(xué)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(gòu)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(shù)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，盡管在該構(gòu)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(qū)域115成像。

成像探頭能夠是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說公知的任意成像探頭，其足以對治療區(qū)域成像并與治療探頭同步。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，使得成像探頭在脈沖之間的治療照射休止期間產(chǎn)生成像信號。

在一個實施方式中，超聲治療系統(tǒng)還包括開關(guān)，其構(gòu)造為將超聲治療系統(tǒng)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(zhuǎn)變?yōu)槠渲谐上裉筋^和治療探頭都被激活并同步化以交替地產(chǎn)生治療區(qū)域的圖像和施加治療照射至治療區(qū)域的治療模式。

在一個實施方式中，超聲治療系統(tǒng)還構(gòu)造為響應(yīng)于改變成像探頭的焦點深度調(diào)節(jié)治療探頭至治療區(qū)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(tǒng)還包括關(guān)于治療探頭的透鏡。透鏡是用于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(yuǎn)側(cè)表面上是平坦的。在另一實施方式中，透鏡在遠(yuǎn)側(cè)表面上是凸起的。在另一實施方式中，透鏡在遠(yuǎn)側(cè)表面上是凹進(jìn)的，進(jìn)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。代表性塑料包括硅氧烷和聚氨酯橡膠。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(biāo)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(chǎn)生聲能量噪聲。代表性匹配層材料包括復(fù)合材料，諸如載有鎢、鋁或石墨的環(huán)氧樹脂。

放大器

在一個實施方式中，超聲治療系統(tǒng)還包括放大器，其構(gòu)造為驅(qū)動治療探頭。放大器能夠是現(xiàn)成的或定制的，其設(shè)計以生成所需功率。放大器的示例結(jié)合到圖14中的代表性系統(tǒng)中。在一個實施方式中，放大器構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(tǒng)還包括冷卻機構(gòu)，其構(gòu)造為從治療探頭移除熱量。圖12a-12d示意了具有結(jié)合的冷卻系統(tǒng)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(tǒng)部件連接以自動化危險狀況的指示或提供關(guān)于驅(qū)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(tǒng)將關(guān)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(huán)以提供改進(jìn)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(nèi)以進(jìn)一步消散熱量。

參照圖12c，散熱片630而是布置于與冷卻腔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)布置于冷卻腔620的外側(cè)上以將從換能器605傳遞的熱量穿過第一散熱片630然后第二散熱片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(gòu)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(gòu)構(gòu)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(tǒng)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(gòu)造為根據(jù)用戶界面控制來自治療探頭的超聲照射。cpu能夠是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的任意cpu，諸如個人計算機。cpu可用于協(xié)調(diào)各種系統(tǒng)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(xì)地描述。

在一個實施方式中，成像探頭構(gòu)造為在用戶界面上生成治療區(qū)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沖之間獲得治療區(qū)域的圖像。

在一個實施方式中，cpu構(gòu)造為響應(yīng)于通過用戶界面的輸入來經(jīng)由治療探頭改變治療區(qū)域的位置或尺寸。

擴展系統(tǒng)

圖14示意性示出包括已經(jīng)公開的許多部件的“擴展”系統(tǒng)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(qū)域715示意為包含多個目標(biāo)(例如，腎結(jié)石)。cpu/放大器717最終驅(qū)動治療探頭705并與超聲成像系統(tǒng)730協(xié)作以協(xié)調(diào)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(gòu)激活，其中圖14中的機構(gòu)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(tǒng)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，多個脈沖從治療探頭705發(fā)射。

放大器717通過匹配網(wǎng)絡(luò)725對治療探頭705供電，匹配網(wǎng)絡(luò)725提供合適的功率特征至治療探頭705以生成期望的信號。

成像探頭710通過對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說公知的超聲成像系統(tǒng)730來提供成像。通過同步735橋接件與放大器717進(jìn)行協(xié)調(diào)，以及設(shè)置和控件是協(xié)調(diào)件740(例如通過usb)。

可選的冷卻系統(tǒng)745能夠啟動以冷卻組合探頭701并可從溫度傳感器(例如，熱電偶)接收輸入。冷卻系統(tǒng)745可與cpu/放大器717連接以在溫度達(dá)到設(shè)置限度時關(guān)閉或減少治療探頭705的使用?；蛘邆鞲衅骺捎糜趩永鋮s系統(tǒng)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(jù)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，組合探頭包括布置于腔內(nèi)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(tǒng)連接并能夠用于執(zhí)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(jìn)移動一個或多個目標(biāo)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(tǒng)來施加非碎石聲輻射力至目標(biāo)對象。雖然所公開的實施方式主要在移動腎結(jié)石的情境中描述，應(yīng)該意識到的是，該系統(tǒng)能夠用于移動距治療探頭的合適范圍內(nèi)的任意小對象。目標(biāo)并非必需處于活體內(nèi)。

在一個實施方式中，目標(biāo)對象是至少一個體內(nèi)腎結(jié)石。該系統(tǒng)能夠以對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說的任意有用方式施加至需要的患者。該系統(tǒng)設(shè)計以便于來自體內(nèi)的碎片和腎結(jié)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(tǒng)來移動一塊或多塊腎結(jié)石。

在一個實施方式中，至少一塊腎結(jié)石位于患者的選自由腎臟、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(qū)域內(nèi)。這些是人體中一塊或多塊腎結(jié)石可能駐留以及其中該系統(tǒng)和方法能夠促進(jìn)其移除的典型部位。

在一個實施方式中，至少一塊腎結(jié)石移動至少3mm的距離。這是患者體內(nèi)相當(dāng)大的距離并指示了該系統(tǒng)和方法的寬泛移動效果。

在又一實施方式中，多塊腎結(jié)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(jié)石是多塊腎結(jié)石并且其中所述多塊腎結(jié)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(jìn)移動治療區(qū)域中一塊或多塊腎結(jié)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于治療區(qū)域中的具有0.5mm至20mm直徑的一塊或多塊腎結(jié)石上施加力，其中施加至一塊或多塊腎結(jié)石中每塊的聲輻射力是50μn至0.5n，并且其中聲輻射力不足以破碎腎結(jié)石。該方面并非必需與本文中公開的精確設(shè)備相關(guān)，盡管該設(shè)備和系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)、設(shè)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(shè)計

在該示例中，我們討論單元件低頻設(shè)計。具體而言，現(xiàn)有技術(shù)的碎石術(shù)和超聲推進(jìn)系統(tǒng)揭示了排出結(jié)石碎片群的需求和性能。這些系統(tǒng)同樣不能可觀察地移除大的結(jié)石且不能分離結(jié)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(shù)量級的并能夠使得脈沖數(shù)量增加為10倍(10x)以及每個脈沖拓寬為10倍和遍及整個結(jié)石群。新設(shè)計因此也更加可能分離和移動大的結(jié)石。這些優(yōu)點潛在地將治療從數(shù)小時縮減至數(shù)分鐘并使得超聲推進(jìn)臨床上可行。

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

低頻的優(yōu)點包括：

·較小焦點熱量＝發(fā)送更多脈沖的能力；

·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；

·由于使用300khz用于粉碎，能夠?qū)⒔Y(jié)石打破連接。

可能的缺點是：

·低頻更可能發(fā)生空穴?？昭〞p傷組織但也幫助破碎結(jié)石。已經(jīng)添加了空穴監(jiān)視器；

·在低頻可能較小的輻射力在<1mm的碎片，但對于這些小的結(jié)石，需要非常小的力。

單元件單聚焦的優(yōu)點包括：

·最小化探頭發(fā)熱；

·特有的低成本治療部件；

·標(biāo)準(zhǔn)未更改超聲成像硬件(無需與成像探頭“推進(jìn)”)；

·單獨使用者操作。

·可能的缺點是：

·使用者需要將結(jié)石對齊在焦點中；

·具有技術(shù)上的原因，多數(shù)醫(yī)療超聲處于mhz范圍并且相當(dāng)少的在300khz處實現(xiàn)。

已經(jīng)設(shè)計并構(gòu)造了多個原型。所有都具有約330khz的環(huán)形治療元件。在中間的洞中是成像探頭。這是用于醫(yī)學(xué)成像的低頻成像探頭并且通常不用于醫(yī)學(xué)治療。較厚元件使用較大電壓。另外，pzt的多數(shù)應(yīng)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并且風(fēng)險是其他模式耗費能量并引起加熱。一個實施方式具有p7-4成像器，另一個具有p4-2成像器，以及最后一個具有以4-5mhz為中心的線性128元件成像器(p6-3成像器)。這些都趨于是相比通常用于腎臟來說更高頻率的成像器，并且它們具有較小視場。

整體占用直徑是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，探頭需要容易手持并且能夠通過一只手操作。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，治療探頭選擇用于通過聲學(xué)特性的合適匹配對患者良好能量傳遞以及用于縮減模式。我們通過塑料、金屬和石墨構(gòu)造透鏡。該選擇還影響表面的曲率。我們將成像探頭置于曲率的光圈處用于最佳成像(將其從光圈往后設(shè)置降低成像質(zhì)量但允許治療探頭中的更小孔洞)。然后我們使用光學(xué)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于耦合?？梢允褂玫囊后w還能夠可選地用于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(huán)形治療探頭通常以400khz驅(qū)動。能夠圍繞周邊觀察到環(huán)形、單元件治療換能器并且中心特征是內(nèi)嵌的成像探頭。

另一探頭propulse-2r如下：手持的、現(xiàn)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(nèi)嵌熱電偶；凸起的rtv(室溫硫化)透鏡；以及沒有冷卻系統(tǒng)。

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

實驗探頭中利用的各變體如下：

探頭外側(cè)上的冷水冷卻。

背側(cè)冷卻。治療換能器背側(cè)上的油冷卻。加壓氣流背側(cè)冷卻。渦流背側(cè)冷卻。

制造不具有成像器的僅治療探頭系統(tǒng)。

某些原型包括金屬透鏡、冷卻系統(tǒng)、具有或不具有膠乳、以及凹透鏡。

制造其中成像器和治療探頭連接但不同心的系統(tǒng)。

堆疊傳感器。

多孔陶瓷和復(fù)合換能器。

成像探頭每側(cè)上1-16元件治療元件。

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

例證性測試結(jié)果

圖8a和8b是關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)治療探頭(圖8a)和例證性探頭(圖8b)的模擬數(shù)據(jù)的圖形示意。使用來自密歇根州立大學(xué)的focus超聲模擬器來生成模擬數(shù)據(jù)。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(nèi)徑3cm、外徑5cm和5cm的幾何焦點。

由于附圖由彩色轉(zhuǎn)換，完整數(shù)據(jù)不能在本文中準(zhǔn)確地呈現(xiàn)。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(qū)域，其限定了相應(yīng)治療區(qū)域。

圖9-11涉及實驗測試以確定根據(jù)所公開的實施方式的治療探頭(在本文中有時稱作為“l(fā)fp”或低頻推進(jìn)探頭)的“結(jié)石推進(jìn)”效果并將它們與現(xiàn)有技術(shù)的治療探頭對比。為了實現(xiàn)這點，應(yīng)用根據(jù)圖9的實驗設(shè)計。具體而言，通過換能器來推進(jìn)模擬的腎結(jié)石而使用數(shù)字照相機記錄結(jié)石的“推進(jìn)”并隨后圖像分析。

在該示例中，使用bego模擬的腎結(jié)石材料水泥在1cm高*6mm直徑的圓柱體模具中制造結(jié)石碎片。硬化的模型結(jié)石被粉碎為碎片并篩分為3-4mm、2-3m、1-2mm、和<1mm的組，每個具有80mg總重量。另外，具有160mg的單模型結(jié)石和80mg的單模型結(jié)石。每組置于吸液管中并填充以蒸餾并脫氣的水。

每根吸液管豎直地置于固定器中，在換能器和結(jié)石之間具有5cm體模。

體模(iec60601-2-37)模擬的人體組織，具有大約0.5db/cm/mhz的衰減和1540cm/s左右的聲速。

攝像機用于以約60fps記錄結(jié)石運動。

針對每個系統(tǒng)構(gòu)造和結(jié)石分組進(jìn)行十次采集。例證性lfp探頭以350khz工作。propulse-i系統(tǒng)(臨床系統(tǒng)，其具有c5-2診斷探頭，激活的128元件、振動的聚焦體積)和40元件構(gòu)造(c5-2診斷探頭，其具有激活的40元件但不振動)兩者都以它們最高輸出功率工作。低頻探頭在1.1mpa和2.4mpa處和100ms和200ms測試。使用兩種不同方法來處理每個視頻幀。一種方法單獨地分割所有碎片，測量碎片中心的高度，并基于分割的截面面積估算碎片的總體積。高度乘以體積并針對視場中所有分割的碎片求和。求和的值是針對該方法的度量。該方法對于其中碎片>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(shè)置合適閾值，并對由它們高度標(biāo)定的所有結(jié)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(jìn)距離)編譯靜止圖像。換能器全部使用相同的模擬腎結(jié)石和相關(guān)環(huán)境進(jìn)行測試。lfp換能器，特別是在較高壓力時，在移動多個結(jié)石更遠(yuǎn)距離方面更有效。將這些結(jié)果返回與圖8a和8b的模擬關(guān)聯(lián)，lfp換能器(圖8b)相比傳統(tǒng)的治療探頭(圖8a)生成大的多的治療區(qū)域，其在結(jié)石上具有更高推進(jìn)力。到現(xiàn)在為止，該寬聚焦不是令人合意的。

圖11總結(jié)了針對圖10中示意的類型的10組樣本數(shù)據(jù)，以數(shù)字地表征換能器的功效。y軸涉及相對推進(jìn)量，其通過對10組推進(jìn)運行求平均來計算。它是黑像素(涉及結(jié)石的像素)的高度和標(biāo)準(zhǔn)偏差誤差條的總和。從圖10中能夠看出，根據(jù)本公開的實施方式的lfp換能器在結(jié)石上提供了極其優(yōu)越的推進(jìn)力。在觀察圖11時，該創(chuàng)新的換能器的不尋常和預(yù)料不到的效果與現(xiàn)有技術(shù)相比是顯而易見的。

雖然已經(jīng)示意和描述了示意性實施方式，應(yīng)該意識到的是能夠在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下在其中做出各種變化。