CN101909692B - 具有温度控制的治疗系统 - Google Patents

Abstract

一种治疗系统包括用于沿在包括靶的靶区域内的接连轨线向所述靶导引治疗动作的治疗模块。提供了用于测量区域内的温度进行测量，并且尤其用于计算热剂量的温度测定模块。控制模块基于测得的温度和/或热剂量控制所述治疗模块沿相应的轨线施加所述治疗动作。所述接连轨线位于所述靶区内在所述靶区内相对于彼此朝外或朝内。具体而言，包含在应用中的所述治疗动作是针对所述靶的聚焦超声束。温度测量是基于磁共振信号完成的。

Description

具有温度控制的治疗系统

技术领域

本发明涉及一种治疗系统，所述治疗系统包括用于沿通过靶区的轨线执行治疗动作的治疗模块。所述治疗系统还包括对测量区域的温度进行测量的温度测定模块，以及基于测得的温度控制所述治疗模块的控制单元。

背景技术

从J.Magn.Res.Im.12(2000)第571-583页R.Salomir等人的文献‘Localhyperthermia with MR-guided focused ultrasound：spiral trajectory for the focalpoint optimized for temperature uniformity in the target region’中可获知此类治疗系统。该文献公开了一种治疗系统，所述治疗系统是MR引导的聚焦超声系统。所述治疗模块是由球形超声换能器构成的，所述球形超声换能器的焦点沿覆盖靶区域的内-外双螺旋轨线移动。在所述焦点四周所述球形超声换能器的声场强度具有近似高斯(Gaussian)分布。磁共振成像系统提供了用于靶限定的解剖结构信息和温度分布图两者。所引用的文献提到了利用快速MR温度测定和对所述超声装置的在线反馈。反馈算法基于对焦点四周温度梯度的实时评估。具体而言，所述焦斑在持续和最大聚焦超声功率的作用下沿所述螺旋轨线移动。在第二谱轨线期间校正第一螺旋期间实际温度和靶温度之间的差异。

发明内容

本发明的目的是提供一种更加可靠并且在施加所述治疗动作时具有更高精度的治疗系统。

该目标是通过根据本发明的治疗系统实现的，所述治疗系统包括：

-治疗模块，其用于沿包括靶的靶区域内的接连轨线向所述靶导引治疗动作；

-温度测定模块，其用于对测量区域的温度进行测量，并且尤其用于计算热剂量；

-控制模块，其用于基于测得的温度和/或热剂量控制所述治疗模块，从而沿相应的轨线施加所述治疗动作，其中，

-所述接连轨线位于所述靶区内在所述靶区内相对于彼此朝外或朝内。

沿预先确定的连续轨线导引所述治疗动作，特别是在所述靶区内的能量沉积。当沿其中一条轨线执行所述治疗动作时，那么所述轨线本身以及所述轨线四周的面积或体积将受到所述治疗动作的影响。所述治疗动作的扩散使得所述轨线四周的区受到了影响。当能量在所述轨线处沉积并且热扩散使得所述轨线四周的区被加热时，这种情况尤为显著。根据本发明，对测量区域的温度进行测量。所述测量区域的温度代表所述靶区的温度。通常，所述测量区域位于所述靶区内就足够了。当所述测量区域覆盖整个靶区时获得更加精确的结果。基于在当前施加所述治疗动作时的测量值，即沿当前轨线的能量沉积，确定了是否沿后续轨线施加所述治疗动作。在朝外的情况下，接连的轨线相对于彼此和相对于靶朝外，或从所述靶区外围开始朝内。所述当前轨线包围了先前已经沿其执行了所述治疗动作的轨线。因此，随着沿连续轨线施加所述治疗动作，以所沉积的热的扩散在所述靶区上向外进展的方式，将所述治疗动作施加于所述靶区。在朝内的情况下，所述连续轨线向所述靶区的中心移动。因为沿下一位置的轨线施加所述治疗动作取决于测得的温度，产生了受迫的扩散模式。该受迫的扩散模式精确地产生具有预期治疗作用的温度分布。这使得能够在相应的轨线处完成能量沉积时实现相当均匀的温度。在逐个轨线基础上的所述治疗模块的控制不需要控制所述治疗模块的功率级，而仅仅控制是否切换到下一轨线和/或何时切换到下一轨线。这提供了对所述治疗模块二元的以及因此非常鲁棒和简单的反馈控制。具体而言，沿各个轨线，功率级可以保持为最大，从而造成更快的坏死以及因此导致更加有效的治疗。当功率级保持在超过引起组织坏死的水平时，特别是当功率级保持为最大时，那么沿每条先前轨线和在每条先前轨线四周会引起坏死。如果出于某些原因应当中断能量的沉积，那么在由先前轨线所覆盖的部分靶区中已经引起了坏死。因此，当恢复能量沉积时，就不需要恢复整个靶区的能量沉积，而是可以在发生中断的所述轨线处恢复能量沉积。

所述轨线可以是二维的并且覆盖具有一定面积的靶区。所述轨线可以是三维的并且包围一定体积的靶区。如果靶区域是极端的长方形，诸如粗线或铅笔形状的区域，那么一维轨线是有利的，尽管可能仅有一条轨线并且仅沿所述线利用热能积聚。

通过参考在从属权利要求中所限定的实施例，将进一步阐述本发明的这些和其他方面。

在本发明的另一方面，沿下一轨线的能量沉积是基于当前的热剂量是否超过了预先确定的限值来决定的。以这种方式，能量沉积可以精确地追踪由于能量沉积造成的热扩散。当沿下一轨线的能量沉积基于测得的温度以及施加的热剂量两者时，以在所述靶区中的组织中引起坏死的方式实现了在所述靶区内的相当均匀的温度。

具体而言，用作决策标准的测得的温度和热剂量对于各个轨线而言可以是不同的。与所述外部轨线相比，具有比内部轨线严格需要的更高温度限值，将引起在所述内部轨线处额外的热积聚，所述热积聚随着时间扩散到外部轨线。这降低了在所述外部轨线所需要的能量(这是因为由于扩散到治疗区域外部的热量较少，施加热能造成了在内部轨线内更高的温度积聚)并且缩短了总治疗时间，使得治疗更加有效。此外，沿下一轨线沉积能量的决策可以仅基于对某些当前轨线测得的温度。对于其他当前轨线而言，该决策可以基于测得的温度和热剂量的组合。测得的温度和热剂量不是独立的，剂量预示坏死(所述治疗的最终目地)而温度控制确保1)达到了(所需的)剂量(在大约54-56度或高于54-56度的温度在几秒钟内产生240EM剂量)以及2)如果在所述内部轨线内使用更高的温度限值时的有效治疗。剂量控制本身能够用于控制所述治疗动作，但温度的指数和积分关系使得其实施更加不切实际。特别地，沿一组中的最终轨线沉积能量的决策将基于测得的温度和热剂量两者。以这种方式，引起了在最终轨线内所述靶区中的坏死，同时避免了在最终轨线外的致命剂量。因此，实现了有效的治疗的同时避免了对所述靶区外周健康组织的伤害。用于在组织中实现坏死的温度和热剂量的最优靶值能够通过使用仿真来实现。例如，已经基于Pennes的使温度变化与热扩散、吸收功率和灌注相关的生物传热方程获得了较好的结果。沿下一轨线施加能量沉积的决策可以基于对沿当前轨线的体素的或在所述图像测量区域内的体素的温度和/或热剂量的分析，或者通过检查所有采集到的温度图像。沿所述当前轨线分析温度或剂量的所述第一实现方式包含相对低的计算量。或者，沿下一轨线施加能量沉积的决策可以基于对沿先前轨线和/或当前轨线和/或更大的测量区域的体素的温度和/或热剂量的分析。该实现方式涉及更大的计算量，但更加精确和更加鲁棒。所述温度和/或热剂量能够被基于从各个体素或像素导出的统计量进行评估。具体而言，基于在当前轨线内的体素和/或当前轨线的体素的平均值、最小值或中值温度，获得了用于沿下一轨线沉积能量的精确决策的较好的结果。此外，例如标准差能够被用于确定数据的优劣并且如果所述标准差超过了限值，就可以在治疗区外在发生例如由于肌肉痉挛、拉伸等引起的危险之前停止治疗。

在本发明的进一步方面，所述轨线具有相同的或相似的形状。这是容易实现的。此外，由于沿先前内部轨线的能量沉积是均匀分布的，形状相同或相似并且相对于彼此定位为朝外会引起热扩散。对于同心的轨线实现了非常好的结果。因为在均一介质中从点源的扩散是球形的(在体积内)或圆形的(在平面内)，光滑或规则形状的轨线实现了均匀的热扩散。当所述轨线具有拐角时，在所述拐角处的加热不那么有效。为了发生均匀加热，在这些拐角处必须比其他的地方沉积更多的功率。理想的是光滑轨线，(但)另一方面这样的球体的圆周更加难以操纵沿(所述轨线)的沉积能量的治疗动作。对于机械地执行的轨线的较好的折衷方案是由六边形轨线形成的，沿所述六边形轨线容易控制能量的沉积，同时拐角的数目较小。为了电子地移动轨线，由于在均一介质中热扩散是球形的或圆形的，所以圆周是最佳的选择。

在本发明的另一方面，所述治疗动作的持续时间被设置为预先设置的最大持续时间。所述最大持续时间值取决于各个轨线。以这种方式，防止所述治疗动作的延续比可接受的(持续时间)更长。

在本发明的另一方面，可以改变在各个轨线中的能量水平，以便提供均匀的加热。例如，局部灌注或许会引起轨线的一个片段比所述轨线的其他片段更少地受热。所述热模块将显示这些变化。在这些情况下，当轨线足够大以便具有不均匀的加热时，可以将所述轨线分割为子轨线。例如，使用同心圆周轨线时，子轨线可以是圆弧。在子轨线之间的运动可以以与在轨线间的运动相似的方式进行控制。此类方法将补偿在大轨线中由于局部扩散或灌注效应发生的不均匀的加热分布。

在本发明具体实例中，所述治疗单元是高强度聚焦超声系统。在该实例中，能量的沉积通过高强度超声波执行；该技术被称作‘超声波降解法’。所述治疗动作，特别是超声波降解法，可以沿一维间隔、沿覆盖二维面积或填充三维体积的轨线执行。所述治疗单元的其他实例是微波施予器或冷冻治疗系统。

在本发明的另一实例中，温度测定模块是在磁共振检查系统中实现的。在该实例中，所述温度是从在所述靶区内所产生的磁共振信号导出的。在所述靶区内的温度能够从所述磁共振信号的相位导出。为此，在运动的组织中，执行精确的运动校正以便分离分别温度或运动的相位贡献。

本发明还涉及如权利要求10所限定的导引针对靶区的治疗动作的方法。本发明的所述方法包括控制本发明的所述治疗系统，特别是基于测得的温度控制所述治疗模块，以便沿在所述靶区中的连续轨线上施加所述治疗动作。

本发明进一步涉及如权利要求11所限定的计算机程序。本发明的所述计算机程序可以在诸如CD-ROM盘片或USB记忆棒的数据载体上提供，或者本发明的所述计算机程序可以从诸如万维网的数字网络下载。当(将所述计算机程序)安装到包含在治疗系统中的计算机中后，所述治疗系统能够根据本发明进行操作并实现精确地治疗动作，特别是能量的沉积以及在所述靶区内引起坏死。

附图说明

参考下文所描述的实施例以及参考相应的附图，将阐述本发明的这些和其他方面，其中，

图1示出了应用了本发明的所述治疗系统的图形表示；

图2示出了连续轨线组的不同实例，根据本发明沿所述连续轨线组施加所述治疗动作。

具体实施方式

图1示出了应用了本发明的所述治疗系统的图形表示。例如，以高强度聚焦超声(HIFU)单元形式的治疗单元1产生了以聚焦超声束11形式的治疗动作。聚焦超声束11被精确地导引到包括实际靶3的靶区2。例如，所述靶是待治疗患者的器官2(的一部分)中的肿瘤。操纵HIFU单元1，使得聚焦超声束11在靶区域2的体积内的连续轨线(例如，见图2)上移动。超声束11沿这些轨线沉积能量，引起沿所述轨线温度升高。以这种方式，在各个轨线内的所述组织(的温度)被升高到发生组织坏死的水平。最终，一旦达到了期望的热剂量或温度，在所述肿瘤组织中和所述肿瘤组织四周的靶区中就会发生坏死。具体而言，所述热剂量可以简单通过近似为进行计算，其中，当T＜43℃时r＝0.25，并且当T＞＝43℃时r＝0.5。在43℃时240等效分钟的剂量限值通常被认为会导致坏死。所述等式的修改版本在于考虑到了不确定因素的影响。在此范围内，可以检验一个或多个限值(或可能是较低的一个)，以便确保一旦达到了(所述限值)就停止治疗或切换轨线。仅仅根据温度可以告诉我们很有可能发生坏死，而热剂量能使我们确认坏死的发生。

例如，当在所述聚焦超声束的焦点处的强度是大约1600Wcm^-2时实现了坏死。在没有气穴危险的情况下，以该最大能量水平实现了有效的坏死。所述超声束也可以用于将组织温度升高到非坏死的温度水平。这些较低的温度在高热类型的应用中是有用的。

所述测量区域内的温度分布是从磁共振信号导出的。为此，患者被放置到磁共振检查系统(未示出)中并且产生磁共振信号22。所述磁共振信号由MR信号采集系统21接收，所述MR信号采集系统21是磁共振检查系统的一部分。所述MR信号采集系统包括RF接收天线(线圈)以及诸如分光计的信号处理系统。所采集的磁共振信号被施加给导出所述靶区内温度分布的温度测定模块4。磁共振信号的相位取决于温度。所述磁共振信号以编码磁梯度场的方式进行空间编码，诸如读取或定相编码梯度。所述磁共振信号的空间分辨率以及确认的温度分布处于毫米级的范围内；即使亚毫米级的分辨率也是可以获得的，其中可以区分具有毫米的十分之几大小的最小的细节。

例如，如果在监测所述温度的堆栈中具有几张切片，那么用于决定是否切换轨线的所述测量场不能有利地投影到在聚焦区域内的所有平行切片上，即使所述焦点轨线仅仅位于该堆栈的中间切片上也是如此。因为所述示范性的椭圆体受热区域的最宽和最热的平面可以在进行加热期间向换能器偏移，这降低了所述受热区域具有比从束轴预期测得的半径更大的半径的风险。如果我们具有矢状平面(我们确实有)，可以施加沿所述束轴的测量场以控制240EM剂量长度不超过最大长度。这相当大地改善了安全性。因此，超声波降解轨线和注重于决策标准(测量场)的区域被分离开来。

当施加运动校正时，获得了在运动的组织中的精确结果，并且由于运动造成的相位贡献被与由于温度变化造成的相位贡献分离。所述运动校正可以从磁共振信号导出，特别是通过来自k空间的中心部分的多余磁共振信号。为此，对k空间的所述中心的过采样采集策略是合适的，诸如径向、螺旋或螺旋推进(PROPELLER)采集。同时，MR导航信号特别有助于导出运动并且仅仅需要较短的采集时间。提供运动补偿模块23用于导出所述运动校正以及向磁共振信号施加运动补偿。经运动校正的磁共振信号被施加给温度测定模块4，该温度测定模块4导出靶区域3的局部温度分布。或者，运动补偿模块23可以被配置或以软件编程，以便导出分离由于运动造成的磁共振信号的相位贡献，并且计算由于温度变化造成的所述相位贡献。将所述局部温度分布施加给控制模块5，控制模块5控制治疗模块，即HIFU单元1，以便沿下一轨线聚焦所述聚焦超声束。例如，可以不断地评估同心的中心(例如通过高斯(Gaussian)拟合或加权平均)，以便将所治疗(特别是受热)后的区域在治疗期间由于例如痉挛或轻微非均匀的热扩散造成的轻微移位(一般为1-2体素或0.5-5mm)考虑进来。

图2示出了根据本发明沿其施加所述治疗动作的连续轨线组的不同实例。在个别的实例中，所述聚焦超声束沿其进行聚焦的轨线的接连次序是按字母顺序显示的A、B、……E。具体而言，这些实例是同心圆、同心六边形或同心四方形。这些例子很容易实现并且所述同心圆周(对于机械运动为六边形)在均匀沉积能量中特别有效并且也要求相对简单的控制。对于更加复杂的实例，诸如非同心圆周、混合或多种同心的不同形状或相互距离不均匀的同心圆周在实现更加精确但高效的能量沉积中也是有效的，以便在整个所述靶区上实现所需的温度和/或热剂量。

Claims (10)

1.一种治疗系统，其包括：

-治疗模块，其用于沿在包括靶的靶区内的接连轨线向所述靶导引治疗动作；

-温度测定模块，其用于对覆盖所述靶区的至少一部分的测量区域的温度进行测量，并且用于计算热剂量；

-控制模块，其用于基于测得的温度和/或热剂量控制所述治疗模块，从而沿所述接连轨线中的下一轨线施加所述治疗动作，

其中，所述控制模块被配置为基于测得的当前温度和/或计算的当前热剂量超过预先确定的阈值确定是否和/或何时切换到所述下一轨线，以及

其中，所述接连轨线位于所述靶区内在所述靶区内相对于彼此朝外或朝内。

2.如权利要求1所述的治疗系统，其中，

各个预先确定的阈值取决于与所述预先确定的阈值相关联的各个轨线。

3.如权利要求1所述的治疗系统，其中，所述接连轨线中的各个轨线具有相同或相似的几何形状。

4.如权利要求1所述的治疗系统，其中，所述温度测定模块布置为根据所述测得的温度计算向所述靶区施加的热剂量。

5.如权利要求1所述的治疗系统，其中，所述控制模块布置为控制所述治疗动作的持续时间不超过预先设置的最大持续时间。

6.如权利要求1所述的治疗系统，其中，所述控制模块布置为控制在所述靶区内和所述靶区外的温度不超过预先设置的最大限值，所述预先设置的最大限值不同。

7.如权利要求1所述的治疗系统，其中，所述治疗模块是高强度聚焦超声系统。

8.如权利要求1所述的治疗系统，其中，所述温度测定模块是磁共振检查系统，所述磁共振检查系统布置为从磁共振信号导出所述靶区的所述温度。

9.如权利要求1所述的治疗系统，其中，将大轨线分割为子轨线，从而补偿在所述大轨线内的非均匀能量沉积，所述治疗模块在所述子轨线之间的运动以与所述治疗模块在所述接连轨线中的各个轨线之间的运动相似的方式受到控制。

10.如权利要求3所述的治疗系统，其中，所述接连轨线中的各个轨线具有相同或相似的光滑和/或规则的形状。