CN102149431B - 用于沉积能量的治疗系统 - Google Patents

Abstract

一种治疗系统，其包括将能量连续沉积在靶区的治疗模块，所述治疗系统具有设置为在能量沉积之前产生诱导加热的先验估计的控制模块。例如提供了用于测量测量野中的温度的测温模块。诱导加热可以基于组织模型从治疗模块的设定导出。具体地，治疗模块是高强度聚焦超声发射器。使用设置为测温的磁共振检测系统作为测温模块。

Description

用于沉积能量的治疗系统

发明背景

本发明涉及一种将能量沉积于靶区的治疗系统。

这样的系统可从N.J.McDannold等在Radiology 211(1999)419-426的文章“Determination of the optimal delay between sonications during focusedultrasound surgery in rabbits by using MR imaging to monitor thermal build-upin vivo”中获知。

在该文献中提及了一个体内超声处理试验，其中研究了用于监测组织消融的系统。该已知的系统监测消融过程，其中监测了对组织的热损伤。所述用于监测消融的已知的系统基于例如磁共振图像进行监测。此外，该引用的文献提及能量能够作为超声处理以聚焦超声波形式传输。另外提及紧密地间隔的超声处理的传输被超声处理间的延时所间隔，使得热积累最小化。就是说连续的能量沉积被冷却期在时间上分隔开。为了最小化所述超声处理间的延时，在治疗期间应当测量温度积累。该温度信息然后用于控制超声处理间的延时。

连续能量沉积间的冷却期使得在能量直接沉积的焦点区域周围的区域的温度降低。因此，降低了在焦点区域周围区域的温度积累，即所谓的焦外温度积累。因此，降低了焦点区域外健康组织的热损伤风险。

所述已知的治疗系统具有MR成像仪形式的测温模块来测量测量野内的温度。通常，测量野包含能量直接沉积的焦点区域。基于所测量的温度控制连续能量沉积间的冷却期的持续时间。这样避免连续能量沉积所需的时间长于必需的时间，并避免焦外温度积累。

发明概述

本发明的目标是提供能够更精确地将能量施加于靶区的治疗系统，特别是更精确地设定冷却期。

该目标通过根据本发明的治疗系统实现，所述治疗系统包括：

-用于将能量连续沉积在靶区的治疗模块，和

-用于调节治疗模块的控制模块，和

-其中控制模块被设置为在能量沉积之前产生诱导加热的先验估计。

根据本发明，诱导加热在治疗模块激活之前形成，因而可以确定治疗模块激活是否安全。特别是，当将要沉积的能量的量和位置已经确定后，对每一能量沉积的安全性进行先验估计。诱导加热可以基于治疗模块的参数设定和组织模型估计，或者诱导加热可以根据靶区域的温度测量值估计。能量直接沉积于所谓的焦点区域。如果在要求的治疗参数下，通过一些预设的量度标准发现焦点区域周围(即所谓的焦外区域)估计的诱导加热过度，则禁止该计划的能量沉积治疗，并需要重新计划直到估计的焦外加热可被接受。因此，通过首先估计计划的能量沉积的诱导加热降低了进行不安全的能量沉积的风险。同样，更精确地估计了焦外温度积累的风险，这是因为考虑了热从靶区到周围区域的传递。诱导的焦外加热等同于焦外加热的温度积累。因此，降低了进行不安全的能量沉积的风险。对特定的靶区及其周围，所述先验估计被精确地设定。

本发明的这些和其它方面会根据独立权利要求中限定的实施方案进一步详细说明。

根据本发明的一个方面，在能量沉积之前作出冷却期的先验估计。具体而言，基于随后的能量沉积的估计的诱导加热来估计冷却期。或者，基于例如通过MR测温法或MR热敏成像法的测量来估计诱导加热。最初的能量沉积间的最初的冷却期已经是精确的。此外，随后的能量沉积之间的冷却期只需要相对较小的调整。因为冷却期的持续时间被更精确地设定，下一次能量沉积可以在温度刚充分地下降就开始，由此维持焦外温度积累的低风险。诱导加热的先验估计可以根据测量的热行为微调。因此，最初的能量沉积的冷却期持续时间已经精确设定，以致下一次能量沉积可以当焦外温度积累的风险足够低时立即进行。或者，可以基于能量沉积之前的靶区及其周围的温度测量进行冷却期的先验估计。这些测量也可以被应用于为待治疗的个体患者以及靶区所处的特定解剖学部位的组织模型精确地设定参数。

特别是当采用MR测温法时，尤其获得靶区和焦外区域的温度的相对测量。也就是说，在单独的能量堆积开始时精确地获得相对于基线值的温度。由于连续能量沉积间的冷却期已经从最初的能量沉积精确设定，可靠的相等基线适用于随后的能量沉积。

根据本发明的另一个方面，以热组织模型为基础作出诱导加热(焦外和/或在靶区域内)和或冷却期的先验估计。热组织模型代表热灌注和扩散，即在组织中间的热的传递。用作模拟的热组织模型可以基于Pennes生物热方程或者其它类似的模型，其都需要强度分布和其它热参数一起作为输入。强度分布进而可以基于多层组织模型计算，采用例如光线跟踪或者Waveller算法，或者更简化的方法Raleigh积分。分层组织模型进而可以基于分割的治疗计划图像获得。每一层的声和热参数可以基于现有知识确定，和/或基于看到的加热微调，由此进一步改善估计的精确度。所述模拟也可以有利地用于在开始热沉积前估计焦点区域加热。

根据本发明的另一个方面，利用组织特异三维几何的热-声模拟能够改善在能量沉积开始之前的焦外最高温度估计的精确度。使用三维几何使得沿着能量沉积和横向于能量沉积的热传递都被考虑在内。特别是，当使用聚焦超声时，热组织模型解释沿着超声波束途径和横向于超声波束途径的热传递。另外，测量了例如在靶区内或紧靠靶区的一些片层内的温度。实际上当使用6个片层时获得好的结果。这样的模拟可以在每一个计划的能量沉积之前进行，由此进一步改善治疗安全和效率。特别是利用组织特异三维几何的热-声模拟能够改善由热组织模型提供的冷却估计的精确度。这样的模拟可以在每一个计划的能量沉积之前或者在冷却期间观察到加热之后进行，进一步改善冷却估计的精确度，由此进一步改善治疗安全和效率。

根据本发明的另一个方面，控制模块将估计的诱导加热与安全限度相比较。如果对即将进行的计划的能量沉积的先验估计的诱导加热会对病人产生不可接受的风险，则控制模块根据相应于估计的诱导加热的设置而禁止治疗模块激活。诱导加热可以用估计的最高温度和/或热剂量表示。安全限度基于先前的实验或基于模型计算预设。安全限度的值可以依赖于待治疗的病人的特性，例如年龄、身体状况、性别等。

根据本发明的另一个方面，基于先前的能量沉积的最高温度设定冷却期。这包含对最高温度的相对简单的测量。本发明的一个理解是焦点区域外的组织的温度积累依赖于沉积能量密度。值得注意这是以聚焦超声波束形式的能量沉积的情形。在任何位置的沉积能量密度可以基于热沉积的参数精确的计算。具体地，以(例如聚焦超声)波束沉积的沉积能量密度被精确计算，其计算基于波束功率、波束的传播方向、皮肤至靶区的深度以及波束的进一步的几何形状。当考虑能量束的吸收和偏转时，获得精细的沉积能量密度的估计。能量密度可以用于估计焦外区域的最高温度。焦外区域的最高温度大致线性相关于沉积能量密度，即沉积在焦外区域的超声能量密度。焦外区域通过横向于束径(beam-path)的截面形成。当在加热期间焦外超声椎中间的由热扩散造成的温度降低可以被忽略时，所述线性相关似乎是有效的。这种最高温度估计，基于能量密度，本质上可以用于降低在非所需焦外区域诱导过度加热的风险。

根据本发明的另一个方面，冷却期持续时间的比较简单的近似值与焦外区域在先前的能量沉积达到的最高温度的平方成比例。当能量沉积的束径的截面是圆形(例如如果束径具有锥形形状)时，冷却期对最高温度的相关性保持的非常好。在其它情况下，平方关系会被轻微扭曲，但是对任何束径截面其确切的关系可以重新计算。

在本发明的一个具体的实施方案中，治疗模块是高强度聚焦超声发射器。在该实施方案中能量沉积通过用高强度聚焦超声(HIFU)波束照射靶区实现，经常表示为“超声处理”。HIFU-波束造成主要在焦点区域的组织的局部加热而导致在焦点区域的热消融。在HIFU波束内其它区域也会出现轻微加热。

在本发明的另一个实施方案中，治疗模块是微波发射器。在该实施方案中能量沉积通过用微波辐射照射靶区实现。微波辐射造成组织局部加热而导致在焦点区域的热消融，同时也轻微加热焦外区域的组织。

在本发明的另一个实施方案中，治疗模块是RF天线。在该实施方案中能量通过来自与靶区相接触的天线的热传导沉积。RF加热造成局部温度升高而导致天线周围的热消融，并且通过改变能量沉积密度对最高温度升高的相关性，上面概括的所有方面都可以被采用。

在本发明的另一个实施方案中，监测模块可以依赖MRI、超声或者CT图像而进行治疗监测。也可以使用任何其它温度敏感的成像模式。

本发明进一步涉及如权利要求11和12限定的计算机程序。本发明的所述计算机程序可以在如CD-rom光盘或者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数据网络如万维网下载。当所述计算机程序安装于包含在治疗系统的计算机上，该治疗系统就能够按照本发明运行并且实现使用的更高安全性以及更精确的冷却期设定。

以下将结合下文描述的实施方案以及附图来阐述本发明的这些和其它方面。

附图描述

图1显示使用本发明的治疗系统的示意图。

图2显示一个冷却期的实例。

实施方案详述

图1显示使用本发明的治疗系统的示意图。治疗单元1，例如高强度聚焦超声(HIFU)单元以聚焦超声波束11的形式产生治疗作用。聚焦超声波束11被精确地指向靶区2，其包括实际靶点3。例如，靶点是待治疗的患者的(部分)器官2中的肿瘤。操作HIFU单元1使聚焦超声波束11移动覆盖靶区2的大小。超声波束11将能量沉积于靶区，造成特别是在肿瘤中的温度提高。这样组织的所需部分升高至组织坏死发生的水平。一旦达到所需热剂量或者温度，靶区中肿瘤及其周围的组织最终出现坏死。具体地，热剂量可以在简单近似中按照下式计算：

$\mathrm{TD}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{r}^{43-T\left(\mathrm{\τ}\right)}\mathrm{d\τ}$

其中当T＜43℃时r＝0.25以及当T＞＝43℃时r＝0.5。典型地认为43℃的240等效分钟的剂量限度导致坏死。存在考虑不确定效应的修饰版本的方程。在这方面可以检查一个或者几个限度(或可能地较低的一个)确保一旦达到就停止能量沉积。按照温度，仅仅告诉我们坏死将很可能发生，而热剂量则保证其发生。

例如，当聚焦超声波束焦点的强度是大约1600Wcm^-2持续时间达到数十秒，造成坏死。在该最高能量水平实现没有空腔形成风险的有效坏死。超声波束也可以用于将组织温度升高至非坏死温度水平。这些较低的温度在过热疗法类应用中有用。

测量野的温度分布获得自磁共振信号。为此，患者被置于磁共振检测系统中(没有显示)并产生磁共振信号22。磁共振信号由作为磁共振检测系统一部分的磁共振信号采集系统21接收。磁共振信号采集系统包括RF接收天线(线圈)和信号处理系统，如光谱仪。得到的磁共振信号被应用于测温模块4，其导出靶区的温度分布。磁共振信号的相位以及其它参数依赖于温度。磁共振信号用编码梯度磁场的方法空间编码，例如读取和相位编码梯度。磁共振信号以及随后产生的温度分布的空间分辨率是毫米级别的；甚至可以获得亚毫米的分辨率，其中可以分辨的最小的细节大小为几十分之一毫米。

例如，如果在监测温度的叠层(stack)中存在若干片层，那么所用的测量野可以方便的投射到焦点区域的所有平行片层，即使焦点轨迹只是在叠层的中间片层。因为典型的椭圆加热区的最宽和最热的平面会在加热时向着换能器移动，降低了治疗区域半径大于从波束轴测量的所需半径的风险。如果我们用矢状面(我们的确用)，沿着波束轴的测量野也能够应用于控制240EM剂量长度不超出最大长度。这样大大改善了安全性。

在特别的感兴趣区域也可以加上焦外片层(例如其中两个)，所述区域例如声阻抗显著改变的组织界面，这样的区域易于焦外加热。这些可以用来自动检测在这些感兴趣的焦外区域任何单独的能量沉积中的过量加热和/或热剂量以及在整个治疗中过量的累积加热和/或热剂量。

当应用移动修正时可以获得在活动组织的精确的结果，将移动的相位贡献从温度改变的相位贡献分离。移动修正可以获得自磁共振信号，特别是通过来自k-空间中央部分的冗余磁共振信号。提供了移动补偿模块23来导出移动修正并将移动补偿应用于磁共振信号。移动修正的磁共振信号应用于导出靶区3的局部温度分布的测温模块4。或者，设置或者用软件编程移动补偿模块23来分离移动的磁共振信号相位贡献和计算温度改变的相位贡献。局部温度分布被应用于控制模块5，其控制治疗模块(即HIFU单元1)将聚焦超声波束沿着下一个轨迹聚焦。例如，可以持续的计算(如通过高斯拟合或者加权平均)同心环的中心以考虑在治疗中由于如痉挛而产生的治疗(特别是加热的)区域轻微移位(典型地1-2体素或0.5-5mm)或者轻微不均匀热扩散的可能性。

本发明的治疗系统提供了延时模块6，其延时治疗模块1的激活。延时造成冷却期。延时由控制单元基于测量温度而设定。延时单元可以设置为触发治疗模块。在另一个实施方案中治疗模块设置为施加均匀的能量沉积，例如施加均匀的超声脉冲(即超声处理)。在该实施方案中延时模块设置为中断治疗模块。实际上许多超声处理被中断或者取消以产生冷却期。

图2显示达到起始温度3℃内的冷却期作为最高近场温度的函数的例子。拟合是最高温度的平方(即二次)函数，通过3℃拟合，R值是0.90。在这些例子中，温度用5x5体素中值滤波器(体素大小2.5x2.5mm²)过滤。特别是，测量温度的空间过滤，例如以中值滤波的方式，改善温度测量的信噪比。由于焦外加热通常没有急剧的空间梯度，空间分辨率的丢失不造成问题。由具有圆形束径横切的HIFU-治疗模块获得该数据。至3℃的拟合可以改为任何所需的预设的基线温度水平。

Claims (11)

1.一种治疗系统，其包括

用于将能量连续沉积在靶区的治疗模块，所述治疗系统具有

用于测量测量野中的温度的测温模块，和

用于调节所述治疗模块的控制模块，和

其中所述控制模块被设置为在下一次能量沉积之前产生诱导加热的先验估计，其中各连续沉积被冷却期分隔，且所述控制模块被设置为调节所述冷却期，和

基于所估计的诱导加热，在所述下一次能量沉积之前产生冷却期的先验估计。

2.权利要求1的治疗系统，其中

所述控制模块被设置为基于所测量的温度估计诱导加热。

3.权利要求1的治疗系统，其中所述控制模块被设置为基于热-声分层组织模型估计诱导加热。

4.权利要求3的治疗系统，其中所述热-声分层热组织模型解释沿着能量沉积方向的热分布和横向于能量沉积方向的热分布。

5.权利要求1的治疗系统，其中所述控制模块被设置为基于局部沉积的能量密度估计焦外加热。

6.权利要求1的治疗系统，其中所述控制模块被设置为将所估计的诱导加热与安全值相比较，并在估计的诱导加热超出安全值时禁止所述下一次能量沉积。

7.权利要求1的治疗系统，其中所述控制模块被设置为基于先前能量沉积所引起的测量温度估计冷却期。

8.权利要求2的治疗系统，其中所述控制模块被设置为基于热-声分层组织模型调节冷却期。

9.权利要求1的治疗系统，其中所述控制模块被设置为依据在冷却期之前的能量沉积过程中所测量的最高温度而调节冷却期。

10.权利要求1的治疗系统，其中所述控制模块被设置为

依据在先前加热和冷却期过程中所测量和/或估计的温度来调节热的空间沉积，和/或

基于在先前加热和冷却期过程中所测量和/或估计的温度，为下一次热沉积推荐位置以降低焦外重叠以及热积累的风险。

11.权利要求1的治疗系统，其中所述治疗模块是高强度超声发射器、微波发射器和/或RF天线。

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