CN102131546B - 用于治疗处理的装置 - Google Patents

Abstract

用于治疗处理的装置，包括：设计为用于向要治疗的目标发射能量波的声换能器(1)，其中能量波具有焦点；成像探头(2)，例如回声记录仪探头，设计为用于为了提供对该目标及其周围环境的成像，在换能器(1)发射能量波之前、期间和之后发射波，其中所述探头和所述换能器被连为一体；以及显示装置(21，22)，设计为用于显示通过探头(2)所得到的图像，也就是在能量波发射之前和/或之后得到的静寂图像，以及在能量波发射期间得到的干扰图像，能量波的焦点位于由探头得到的图像内，其特征在于该装置还包括检测装置(150)，用于检测作为能量波(Fu)的效力的指征的干扰图像的结构变化。

Description

用于治疗处理的装置

技术领域

本发明涉及通过超声治疗装置处理生命体的领域。

特别地，其涉及通过(高强度)聚焦超声(HIFU)进行处理。因此，本发明涉及一种治疗处理装置，以及用于监测和优化该装置的方法。

背景技术

在传统HIFU(高强度聚焦超声)技术中，超声波换能器向目标组织发射会聚的声波。该声波被组织吸收，从而引起聚焦区域内组织的温度的上升和目标的凝固。

通常该治疗是在回声记录仪的监测下，用机械上与换能器相连的回声记录仪的探头来实施，例如在FR 2886534中所描述的例子。因此，可以得到联机超声成像系统。

目标的凝固取决于多个因素，例如：

-所吸收的功率(其自身随组织吸收和原位声强而变化)，

-组织的热容量，以及

-热量损失(通过血流的传导)。

换能器可以和组织直接接触，但是通常会使用填充有可以传递超声的凝胶或液体的小囊(ballonnet)。该小囊，得益于其柔性，适应组织的形状并可便于换能器和组织之间的声接触。通常，通过冷却耦合液体可以对在与装置接触面处的组织从热度上进行保护。并且通常液体循环可以保持接触面的温度恒定并可以排除任何气泡。

超声处理组织的第一个问题为在目标处、并且也是在需要不被损坏的组织处对置于超声中的组织的处理效力进行即时监测，例如装置和组织之间的接触面(在体外处理的情况下为皮肤)、或其它内部解剖结构之间的接触面。可替代地，对组织的实际温度升高进行监测是有益的。不充足的超声能量通常导致目标凝固得少或不良，而太强的能量会使目标附近的器官或组织受到威胁。然而，传统的回声记录仪无法看到由高强度超声波诱发的组织变化。

如以上已经提及的，目标的温度上升取决于多个因素：

-换能器的发射功率，

-朝向该目标的束的传输-以及特别是通过例如皮肤在换能器和组织之间的耦合，

-目标组织的吸收，

目标的热传导，

-目标组织的热容量和潜热。

因此可以理解的是，一种能够监测目标中效果的方法有可能检测上述任一因素的偏差，从而解决相关联的技术问题。

然而，至今还没有令人满意的方法用于非介入且即时地测量目标的温度或者在组织中发生的变化。MRI可以确定环境中温度，但是该方法复杂、昂贵且测量的反应时间相当漫长。已知有各种通过超声测量温度的方法，但是没有一个令人满意，主要原因在于它们对患者的动作敏感性高。

第二个问题为对相对于目标的焦点(HIFU波的聚焦区域)的正确位置的监测。

为了监测焦点的位置或超声波在目标上的效果，一些人建议通过联机超声波成像系统观察在目标上的强回声点。这些强回声点可能由高强度超声波在焦点生成的气体形成，这些气体的生成或者由于通过声场所诱发的空化现象，或者通过组织在高温下所放出的气体。这种现象称为“沸腾(boiling)”。对焦点处的强回声点的观察允许在一定程度上监测该处理：在没有强回声点时，施加更强的声能，而当观测到明显可见的强回声点就减小该能量。

然而，高强度能量束在其发射期间在目标的超声图像上引起强干扰或强扰乱。通常会产生遮盖全部或部分图像的遮挡物，尤其会遮盖目标区域。该干扰遮挡物叠加在组织的静寂(at rest)图像(也就是说，在没有HIFU激发(firing)的情况下得到的)上，因此形成干扰图像。这种干扰图像的结构为随机式的且在激发过程中被调整。因此实际中，在激发期间无法看到或无法较好地看到目标，且只有在中断静寂图像上的高强度能量束(激发)之后才可能观测强回声点。在现有技术提出的一种系统中，激发和对静寂图像的观测是交替的，如在专利文件US20080051656，US20060264748以及US20030028111中。然而，该方法要求中断治疗才能观测静寂图像，特别是强回声点。

因此，当前实际上不可能以非介入且费用低廉的装置在激发的发射期间监测该激发。

发明内容

本发明通过限定一种非介入式、简单、费用低廉且不需要在测量过程中中断高强度能量束的处理装置和治疗监测方法，从而给出对上述问题的解决方案。

为此，本发明提供一种治疗处理装置，其包括能向要治疗的目标发射高强度超声波的声换能器，其中能量波具有焦点；包括成像探头，例如回声记录仪探头，其能为了提供对该目标及其周围环境的成像，在换能器发射能量波之前、期间和之后发射波，其中探头和换能器被连为一体；还包括显示装置，能显示通过探头所得到的图像，也就是在能量波发射之前和/或之后得到的静寂图像，以及在高强度波发射期间得到的干扰图像，高强度波的焦点位于探头的像平面内，其特征在于该治疗装置还包括用于检测作为高强度波的效应和/或效力指征的干扰图像的结构变化的检测装置。与现有技术所不同，并不观测在激发之前或期间得到的静寂图像，而是直接观测在激发期间的干扰图像。由此，本发明克服了现有技术认为干扰图像为扰乱或受干扰影响的图像且为无用且不可能分析的偏见。本发明反对当前的包括观测静寂图像用于从中推断出激发的效力的实践。由这种现有技术，激发非常经常地被中断，不是因为激发已经有效到达其目标，而是为了观测静寂图像——该激发是否已经足够有效。因此，连续激发的连贯顺序并不由激发的效力确定，而是由寻求它们在静寂图像上的效力来确定，为此必须中断激发。由本发明，通过检测表示激发效力的结构的变化，基于干扰图像直接地实时检测激发的效应和/或效力。换言之，本发明包括通过观测对监测的回声图像的干扰，监测由高强度超声引起的组织内的声能的效应。

根据本发明一个有益特征，检测装置可以包括测量干扰图像的亮度的装置。因此，基于干扰图像的亮度或光度分析干扰图像结构，并且基于这些图像的亮度变化检测干扰图像的结构的变化。有利地，测量装置确定了多个干扰图像共有的测量区域，并且对于每一干扰图像测量在该测量区域内平均亮度。该测量区域可以被选择为形成干扰图像的全部或部分。优选地，测量区域形成干扰图像的很小一部分，且该区域被定位为包括想观测的解剖位置，例如目标或靠近目标但不可损坏的生命器官。对该区域中每个干扰图像的平均亮度的测量可以给每个干扰图像赋予特征值，并且对这些亮度平均值的特有变化进行观测，该变化为激发的能量波的效力的指征。

根据一个实际的实施例，干扰图像为由范围从白到黑之间的灰度组成的图像，测量装置对每个干扰图像测量在测量区域内的平均灰度。当我们使用传送由灰度构成的黑白图像的回声记录仪的探头时，就是这种情况。

根据本发明的另一个值得研究的特征，检测装置可以包括报警装置，其在当测量装置测量到连续的干扰图像之间的亮度的突然增加时，启动报警信号。该亮度的突然增加构成干扰图像的特有结构的变化，该变化为高强度波的效力的指征。凭借经验，已发现亮度的突然增加对应于强回声点的出现，这可以在静寂图像上观察到。

本发明还限定了一种监测和优化治疗处理装置的方法，该装置包括能向要进行治疗的目标发射高强度超声波的声换能器；成像探头，例如回声记录仪探头，为了提供对该目标及其周围环境的成像，能在换能器发射高强度波之前、期间和之后发射波；以及显示装置，能显示通过探头所得到的图像，也就是在高强度波发射之前和/或之后得到的静寂图像，以及在高强度波发射期间得到的干扰图像，该方法的特征在于其包括检测作为高强度波的效力指征的干扰图像的结构变化。有利地，该方法包括下述步骤：对于一组在时间上连续的干扰图像，确定该组干扰图像的共有的测量区域；以及测量在该测量区域内该组的每个干扰图像的亮度。有利地，测量的步骤可以包括对于该组的每个干扰图像测量该测量区域内的平均亮度。有利地，干扰图像为由范围从白到黑之间的灰度组成的图像，测量的步骤包括对于每个干扰图像测量在测量区域内灰度平均值。优选地，该方法还包括又一步骤，其包括检测在时间上连续的干扰图像之间测量的亮度的突然增加。

本发明的实质在于利用干扰图像而不是静寂图像，用于实时确定激发的高强度波的效力。通过比较性的分析，在确定的区域内对干扰图像的亮度特别是平均亮度的测量可以检测指征激发效力的所有特有结构的变化。本发明的反常恰恰在于这一事实：在可以得到没有扰动或干扰的干净图像的情况下，分析被扰动的和受干扰影响的图像。

附图说明

下面将参照附图对本发明作更充分地描述，所述附图以非限制性示例示出本发明的一个实施例。

在附图中：

图1为根据本发明治疗处理装置的示意图，

图2为示意图，示出对病人的甲状腺进行治疗时的声换能器和图像探头，

图3a和图3b为刚好在一系列激发之后得到的两个静寂图像的负像示意图，

图4a和图4b分别为刚好在图3a和图3b之前得到的干扰图像的负像示意图，

图5为表示连续干扰图像的平均亮度的图，

图6为表示干扰图像的亮度增加和静寂图像中强回声点的出现的线性关系的又一图。

具体实施方式

首先参照附图1和2对本发明治疗处理装置的不同构成元件进行详细地描述。

首先，该装置包括声发射源1，有利地该声发射源可以为适合于产生超声束Fu的超声换能器。优选地，该超声换能器为HIFU聚焦类型，可以在焦点上精确产生聚焦的超声束。如在图2中可看到的，换能器1可以包括充满耦合液的腔，超声束穿过该耦合液传播。该腔可以例如被柔性的小囊限定范围，该小囊被设计来和要进行治疗的目标T位置处的身体部分的外表面S紧密接触。通常，外表面S为患者的皮肤。为了使耦合液在腔11内循环，通常提供有循环装置12使得可以监测腔11内耦合液的流量和温度。为了运转，该换能器显然需要电源13以及移位控制器14，该移位控制器可移动并相对于患者精确地确定换能器的位置。为此，优选地将换能器1安装在铰接臂16上。最后，将换能器与计算机15相连接，该计算机可以管理例如其功率、频率和脉冲持续时间的换能器的所有参数。

本发明的处理装置还包括例如采用回声记录仪探头2形式的成像装置，探头2与回声记录仪21和显示屏22相连，所述显示屏22显示探测头2扫描过的解剖部位的截面视图或图像。探头2为杆状。如在图1和2中可以看到的，该探头2在机械上与换能器1相连。更具体地，探头2和换能器1被彼此连成一体使得探头2跟随超声束Fu的焦点。屏幕22的图像上总显示有超声束Fu的最大强度区域。为此，如在图1所能看到的，可将回声记录仪21与换能器的计算机15相连。优选地，计算机通过21至151的电连接获取回声记录仪的图像。

借助回声记录仪的探测头2，回声记录仪21在显示屏22上生成在时间上连续的超声束Fu焦点附近区域的图像。这些图像由具有由黑到白的灰度的像素组成。白像素代表具有很强的回声的成份，而黑像素则表示具有极少或完全没有回声的成份。对于回声图像而言，这是公知的。显示屏22在发射能量波Fu之前、在发射能量波过程中和发射能量波之后提供图像。换言之，在激发之前、过程中和之后可以获得回声图像。在激发之前和之后得到的图像相对清晰并且显现要处理的目标以及其解剖环境。这里用术语“静寂图像”来表示这些图像，即没有激发时得到的。图3和图3b示意性地示出这样的静寂图像的负像。事实上其为负像，是鉴于这些图像中的白色区域实际上在显示屏22显示为黑色，并且黑色区域在该显示屏上显示为白色。图3a和3b的下部表示包括了目标T的解剖位置的组织，其中目标T用虚线表示，可以清楚地识别出患者的皮肤S。图3b清楚地显现出强回声标记H。除了这些静寂图像之外，显示屏还生成对应激发期间的图像。由于该高强度波Fu所携带的能量产生了大量的干扰，这些干扰扰乱了图像或在图像中形成干扰，使得不再或只能勉强地识别出解剖位置，如在图3a和3b中可看到的。换言之，能量波产生的干扰叠加到静寂图像上了，但是这些干扰是如此之强以至于严重破坏了静寂图像。下面将用术语“干扰图像”来表示激发期间的图像。图4a和4b示意性地示出这样的图像的负像。图4a为例如刚好在静寂图像3a之前得到的。对于干扰图像4b，其为例如刚好在静寂图像3b之前得到的。很难在图4a上区分出皮肤S的轮廓。如以向上发散的束的形式显现的干扰几乎完全遮盖住了对解剖位置的表示，而这在图3a和图3b中可以看到的。这在图4b中更为显著，其中干扰尤其强以至于解剖位置一点儿都不能被看到了。这就是为什么到目前为止这些干扰图像从来没有被用来提取关于激发的高强度超声波的存在和/或效力的信息。

然而令人意想不到的是，当在焦点生成强回声点H时，干扰图像被极大地改变了。这应该由图3b和4b对照图3a和图4a示出。作为提醒，强回声点归因于在焦点处假想形成的气体，又被称为“沸腾”。还明显观察到了干扰图像的亮度或光度的增大。还可观察到图像结构的变化：随着组织在治疗作用下亮度(超声成像上)的增大，干扰图像的亮度线性增大。因此，当强回声点出现在位于焦点周围的图像区域内，干扰图像的亮度在该同一聚焦区域内加强(图4b)。这一观察值得研究之处在于，在激发期间，该强回声点被干扰图像所遮盖，并因此不能被直接观察到，而干扰图像的改变却可清楚看到。

图4b示出如何在图像的预定测量区域中(用Zm表示)检测干扰图像的亮度的增加。在Zm区域中测量图像的亮度，即灰度。优选地，该区域Zm包括激发换能器的焦点。

该区域被确定为优选覆盖到在激发时图像的亮度增加得最多以引起强回声标记的那部分图像。避免包括所有的干扰图像，是因为有时在图像横向部分看到的一些增加并非表示有效处理。典型地，测量区域为朝换能器伸长的形状，横向上以焦点为中心并包括此焦点，却朝换能器偏移以包括前焦点区域的一部分。

然而可以限定不包括焦点的区域Zm，例如包括想保护其不受声波影响的解剖结构。实际中发现，靠近目标的结构在处理过程中可变为强回声的，这表示该结构已被超声波所改变。皮肤或皮下组织可以就是这种情况，如可在图2中看到的颈动脉C。通常必须消除这种影响，而通过本发明这是可能的。根据本发明，将测量区域Zm置于要保护的解剖区域周围并且监测该区域内的干扰图像的任何可能的增加。

可以计算在激发期间内Zm区域内灰度的平均亮度：该值首先可以检测干扰图像的存在并因此监测高强度激发的有效发射。该计算值还可以监测在有效激发期间内任何灰度的增加。如果干扰聚集在区域Zm上，则增加显著。然而已发现与强回声标记的存在有联系的这种亮度上的增加，能揭示出干扰图像结构的变化，这种变化为激发效应和/或效力的特征或指征。

可以有多种方法用于监测HIFU激发的效力。在第一种方式中，把在激发期间得到的每个图像的Zm区域一个像素接一个像素地计算均值。随后按激发时间对图像上得到的每个均值进行平均。如果该数值大于试验确定的阈值，则HIFU激发被认为是有效的。

在第二种方式中，把在激发时间点处的图像的Zm区域一个像素接一个像素地计算均值，从中减去在先前的瞬间t-dt时的图像的Zm区域的一个像素接一个像素的均值。如果得到的数值大于试验确定的阈值，则HIFU激发被认为是有效的。该第二种方式可以在当达到效力阈值时中断激发。

为了检测强回声标记，对Zm区域内在激发之后得到的和激发之前得到的图像一个像素接一个像素地求差。随后计算该差值的最大值。该最大值可被用来作为强回声标记不存在或存在的指征。

图5示出根据第二种方式，在激发期间，区域Zm中平均灰度的趋势。可以看到曲线示出向高处的突然中断，其对应亮度的突然增加，表示存在强回声标记，并因此表示为有效处理。

图6示出了从具有甲状腺结节并通过HIFU处理的11名患者处得到的结果。对在激发期间记录为视频的回声图像进行经验性分析。在每次激发之后检测超回声标记的存在或不存在，并且在每次激发期间检测干扰图像的可能的突然增加。这些检测与上述详细列举的图像分析方法相结合。可以看到这两种检测之间有极佳的关联。

此外，还在处理的成功和能检测到干扰图像突然增加的激发的百分比之间看到一种几乎为线性的关联。

对前面部分中的甲状腺结节同样采取了相同的HIFU处理。处理的目的是为减少这些结节的体积，处理的成功是由这些结节减少的百分比来评定的。

因此测量到干扰图像的突然增加预示处理的成功。

为了以上述的方式分析干扰图像，并且特别地为了检测干扰图像的特有结构的变化，其中该变化为能量波的效力指征，治疗处理装置包括检测装置150，该检测装置例如可以集成在计算机15中。该检测装置可以表现为合适的处理软件的形式。除其它装置外，该检测装置150还包括对干扰图像的亮度或光度进行测量的装置151。有利地，该测量装置151可以确定测量区域Zm的位置和形状，在该Zm区域中将会测量每个干扰图像的平均亮度。测量装置151特别地会测量每个干扰图像的测量区域Zm中的平均灰度。检测装置150还可以包括当测量装置151在两个连续的干扰图像之间检测到亮度的突然增加时可启动报警信号的报警装置152。该报警信号可为声音或视觉信号，例如显示在计算机的屏幕或显示屏22上。该报警信号还可与电源13的控制器相连从而中断或调整换能器1发射的超声功率。

得益于本发明，可以实时监测发射的能量波的存在并且更特别地监测能量波的效力，而不用中断激发。

Claims (6)

1.用于治疗处理的装置，包括：

-能向要处理的目标(T)发射高强度波(Fu)的声换能器(1)，所述高强度波具有焦点，

-成像探头(2)，为了提供对所述目标(T)及其周围环境的成像，能在声换能器(1)发射高强度波(Fu)之前、期间和之后发射波，其中所述成像探头和声换能器被连为一体，以及

-显示装置(21，22)，能显示通过成像探头(2)所得到的图像，也就是在高强度波(Fu)发射之前和/或之后得到的静寂图像，以及在高强度波(Fu)发射期间得到的干扰图像，高强度波的焦点位于由成像探头(2)得到的图像内，

其特征在于该装置还包括检测装置(150)，用于实时地检测干扰图像的结构变化，该干扰图像的变化为高强度波(Fu)对所述目标(T)的效应指征。

2.根据权利要求1所述的治疗处理装置，其中所述检测装置(150)包括测量干扰图像的亮度的测量装置(151)。

3.根据权利要求2所述的治疗处理装置，其中所述测量装置(151)确定测量区域(Zm)，所述测量区域为多个干扰图像所共有，并且所述测量装置对于每个干扰图像测量所述测量区域(Zm)内的平均亮度。

4.根据权利要求3所述的治疗处理装置，其中所述干扰图像为由范围从白到黑的灰度组成的图像，所述测量装置(151)对于每个干扰图像测量测量区域(Zm)内的平均灰度。

5.根据权利要求2、3或4所述的治疗处理装置，其中所述检测装置(150)包括报警装置(152)，该报警装置在所述测量装置(151)测量到连续的干扰图像之间的亮度的突然增加时能启动报警信号，所述报警信号有利地和所述声换能器(1)相连，从而中断或调整其功率。

6.根据权利要求1至5之一的治疗处理装置，其中所述成像探头是回声记录仪探头。