CN102448547B - Mr成像引导的治疗 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种治疗系统，包括：MR成像单元，其布置成采集来自定位在检查体积中的患者身体(10)的MR信号，热处置单元(19，20)，其用于在所述身体(10)的组织之内沉积热能。本发明的目的是即使在移动热处置焦点的情况下也能够进行基于MR温度测量的连续温度监测。为此，本发明提出将该系统布置成执行如下步骤：a)通过在所述检查体积之内的焦点位置加热所述身体(10)的组织来启动热处置，b)选择性采集来自第一图像平面(24)的MR信号，所述热处置的焦点位置位于所述第一图像平面(24)之内，c)从采集自所述第一图像平面(24)的MR信号重建温度记录MR图像，d)从至少一个与所述第一图像平面(24)不同的第二图像平面(25，26，27)之内的温度分布计算基线温度记录MR图像，e)将所述热处置的焦点移动到所述检查体积之内的新位置，f)对应于所述热处置的焦点的新位置，改变所述第一图像平面(24)的位置和/或取向，g)重复步骤b)和c)，其中将在步骤d)中计算的基线温度记录MR图像用于在后续步骤c)中进行温度记录图像重建。

Description

MR成像引导的治疗

技术领域

本发明涉及磁共振(MR)成像领域。本发明涉及一种包括MR成像单元和热处置单元的治疗系统，热处置单元用于在患者身体组织之内聚焦沉积热能。此外，本发明涉及一种监测治疗性热处置的计算机程序和方法。

背景技术

如下文更详细所述那样，在医学中越来越多地将热能沉积用作使患病组织坏死的手段。在下文中，在通过高强度聚焦超声(HIFU)进行治疗性热处置的背景中公开本发明。在HIFU中，使用压电换能器的相控阵列产生聚焦的超声波束。不过，必须要指出，同样可以结合用于热能靶向沉积的任何类型装置应用本发明的技术。范例是激光器或射频天线。

例如，从WO 2008/152542 A2可以大致了解包括超声治疗单元和MR成像单元的治疗系统。在已知的系统中，MR成像单元用于监测超声治疗单元进行的高热处置。

超声正越来越成为特异性治疗介入的期望方式。具体而言，当前正使用高强度聚焦超声(HIFU)作为子宫肌瘤的热治疗介入，并对肝脏、脑、前列腺和其他癌症病灶处置中的可能应用进行了研究。超声作为调节血块溶解的手段(声学血栓溶解)，也是很多研究的主题，已经证明超声能够提高现有医学处置，例如为脑卒中患者使用tPA的效力。超声调节的施药和基因治疗是另一研究活跃领域。基因疗法中的蛋白质遗传表达以及部位靶向疗法中药物的提高输送有可能处置各种各样的疾病而带来最小副作用。超声疗法的另一种应用是美容手段的无创处置，例如去除脂肪。在所有这些应用中使用超声都是合乎需要的，因为其允许无创处置深层组织而对上层器官几乎没有或没有影响。

在用于组织消融的超声治疗中，利用高强度超声对感兴趣组织进行声照射，超声被吸收并转变成热，提高组织的温度。随着温度升高到55°摄氏度以上，发生组织的凝固性坏死，从而导致细胞即刻死亡。用于治疗的换能器可以位于身体外部或通过例如血管、尿道、直肠等插入身体中。

当前认为，基于水中质子共振频移(PRFS)的MR温度测量法是用于无创监测消融热疗法的“黄金标准”。质子共振频率对温度的依赖性主要是由于水中的氢键由温度诱发的断裂、伸展或弯曲。纯水对温度的依赖性是每摄氏度0.0107ppm，基于水的组织对温度依赖性接近这个值。由于所用MR成像设备之内磁场是不均匀的，因此不可能进行绝对质子共振频率测量。相反，在热输送之前首先拍摄MR图像，并从后来的测量结果减去这个基线温度记录图像，从而测量质子共振频率的变化。借助于适当的已知MR成像序列，测量MR信号相位变化或频移，来估计温度诱发的质子共振频率变化。

在移动超声换能器以在不同位置施加治疗的应用中出现了问题。换能器的运动诱发了局部磁场的变化。不能通过将运动前后的相位图像相减来计算温度值。避免这种问题的一种方式是在超声换能器每次运动之后等待充分长时间，以便在进一步处置之前组织能够冷却到基线值(例如37摄氏度)。然后，可以在超声换能器新位置和/或取向下开始超声作用之前收集新的基线温度记录MR图像。这种方案的缺点是处置的持续时间比实际需要的要长得多。

当前使用的MR温度测量序列不允许在三维空间中以及针对不同时刻采集体积温度信息。相反，当前MR温度测量限于二维图像平面，由此实现了监测处置的合理时域更新周期。必须仔细选择用于MR温度测量的图像平面位置。这是因为必须确保安全，从而保护关键解剖结构和正常组织。此外，必须要确保已经充分加热目标区域且完全消融组织。在需要移动超声换能器并在超声作用之间必须继续处置而没有中断的应用中，例如在腔内应用就是这种情况，其中进行换能器的旋转运动，需要连续移动并更新用于MR温度测量的图像平面。由于治疗涉及到多个超声换能器位置和取向，因此不能选择用于温度监测的图像平面使其对应于换能器的所有相关位置和取向而存在。

发明内容

从上文容易看出，需要一种改进的治疗系统以用于MR成像引导的HIFU。因此，本发明的目的是即使在超声换能器的位置和取向改变的情况下，基于MR温度测量，也能够在热处置期间连续监测温度。

根据本发明，公开了一种治疗系统。本发明的系统包括：

-MR成像单元，其被布置成采集来自定位在检查体积中的患者身体的MR信号，以及

-热处置单元，其用于在所述身体的组织之内沉积热能。本发明的系统被布置成执行如下步骤：

a)通过在所述检查体积之内的焦点位置处加热所述身体的组织来启动热处置，

b)选择性采集来自第一图像平面的MR信号，所述热处置的焦点位置位于所述第一图像平面之内，

c)从采集自所述第一图像平面的MR信号重建温度记录MR图像，

d)从与所述第一图像平面不同的至少一个第二图像平面之内的温度分布计算基线温度记录MR图像，

e)将所述热处置的焦点移动到所述检查体积之内的新位置，

f)对应于所述热处置的焦点的新位置，改变所述第一图像平面的位置和/或取向，

g)重复步骤b)和c)，其中，将在步骤d)中计算的基线温度记录MR图像用于在后续步骤c)中进行温度记录图像重建。

本发明提供了在需要进行治疗监测的区域中连续获得MR温度测量数据的能力。本发明使用了仅在几个二维图像平面中收集的温度数据稀疏集。本发明的方法使得用于温度监测的图像平面的位置和取向能够跟踪换能器而无须等候组织冷却到基线水平。此外，本发明克服了由于换能器移动导致的局部磁场变化而发生的问题。

尽管主要针对腔内应用，但本发明也可以用于其他应用中，其中将用于热处置的施用器移动到各种位置和取向，并需要在不同位置和取向的治疗步骤之间无延迟地继续进行治疗。

通常，在开始实际治疗之前采集一组MR图像用于对治疗进行规划。在这些规划步骤之后，启动热处置，开始加热待处置的组织。根据本发明，在从第一(动态)区域，即第一图像平面开始的治疗期间进行基于MR温度测量的温度监测，其中对应于超声换能器的运动移动第一图像平面。此外，定义第二(静态)区域，即至少一个第二图像平面，其在整个治疗期间内都保持固定。在处置期间，在身体的第一和第二区域中以基本规则的时间间隔获得温度信息。在移动超声换能器时，这导致热处置的焦点相应运动到检查体积之内的新位置。对应于热处置的焦点的新位置，改变第一区域，即第一图像平面的位置和/或取向，从第一图像平面连续采集和重建MR温度记录图像。现在使用在热处置的焦点改变之前已经监测的第二静态区域之内的温度分布来导出改变后的第一区域之内，即热处置的焦点运动之后，的温度分布。从第二区域之内收集的温度分布计算基线温度记录MR图像并在后续图像重建步骤中使用这种基线温度记录MR图像，从而实现这个目的。结果是，可以针对事先未经由系统的用户接口选择的图像区域，生成温度图并向治疗系统的用户显示。可以针对超声换能器的后续位置和/或取向将整个流程重复若干次，其中，连续更新第一图像区域。

根据本发明的优选实施例，用于热处置焦点改变之后进行后续图像重建的基线温度记录MR图像是从移动热处置焦点之前选择性采集自先前所选第二静态图像区域的MR信号计算的。通过这种方式，在处置期间连续收集温度数据的稀疏集，由此在用户未事先选择的区域中实现温度监测。

根据本发明的另一优选实施例，在对应于热处置的焦点的新位置改变第一图像区域的位置和/或取向之后，第一图像区域与第二图像区域叠合。在这一实施例中，对准第一图像平面，使得第一次处置的焦点位于第一平面之内，而后续第二次处置的焦点位于第二平面之内。在第一次处置期间采集自第二平面的MR信号提供了第二次处置的焦点处的基线温度记录MR图像，由此能够在焦点从第一次处置的部位移动到第二次处置的部位之后连续进行温度监测。这涉及到对应的规划，其中，根据处置部位的序列选择若干第二图像平面。

根据本发明的又一优选实施例，采用一组两个或更多第二图像平面，其基本垂直于第一图像平面取向。在这种情况下，可以通过对从采集自该组第二图像平面的MR信号重建所得的温度记录MR图像进行空间插值来计算用于改变处置焦点的位置和/或取向之后的图像重建步骤的基线温度记录MR图像。

利用至此所述的本发明的系统，可以执行一种监测对身体组织的热处置的方法，该方法包括：

-选择性采集来自所述身体的第一区域的MR信号，

-从采集自所述第一区域的MR信号重建温度记录MR图像；

-从所述身体的第二区域之内的空间温度分布计算基线温度记录MR图像；

-改变所述第一区域的位置和/或取向，

-选择性采集来自改变后的第一区域的MR信号，

-利用从所述第二区域之内的空间温度分布计算的基线温度记录MR图像，从采集自改变后的第一区域的MR信号重建温度记录MR图像。

可以在当前临床使用的大部分MR成像引导的HIFU系统中有利地执行本发明的方法。为此，仅需要使用一种控制该系统的计算机程序，使其执行本发明上述方法步骤。计算机程序可以存在于数据载体(CD、DVD或USB棒)上或存在于数据网络上，以便被下载，安装在治疗系统的相应控制单元中。

附图说明

附图公开了本发明的优选实施例。不过，应当理解，设计附图仅仅是为了例示而非限定本发明的范围。在附图中：

图1示意性示出了本发明的治疗系统；

图2示出了经尿道的超声换能器的旋转运动；

图3示出了在图2所示位置处作为时间函数的温度值的图表；

图4示意性示出了前列腺的纵向温度记录MR图像；

图5示意性示出了根据本发明的图像平面的空间位置；

图6示出了旋转超声换能器之后图像平面的改变。

具体实施方式

参考图1，示出了一种治疗系统1。该系统包括超导型或阻抗型主磁体线圈2，使得沿通过检查体积的z轴产生基本均匀的、时间上恒定的主磁场。

磁共振产生和操纵系统施加一系列RF脉冲和切换的磁场梯度以翻转或激励核磁自旋，诱发磁共振，重新聚焦磁共振，操纵磁共振，对磁共振进行空间编码或以其他方式编码，使自旋饱和等，以执行MR成像。

更具体而言，梯度脉冲放大器3沿着检查体积的x、y和z轴向全身梯度线圈4、5和6的选定线圈施加电流脉冲。数字RF频率发射机7经由发送/接收开关8向全身体积RF线圈9发射RF脉冲或脉冲群，以向检查体积中发射RF脉冲。典型的MR成像序列由一串彼此联合起来的短时长RF脉冲段构成，任何施加的磁场梯度都实现核磁共振的选定操作。RF脉冲用于使共振饱和，激励共振，反转磁化强度，对共振重新聚焦，或操纵共振，并选择位于检查体积中的身体10的一部分。还由全身体积RF线圈9拾取MR信号。

为了例如利用并行成像生成身体10有限区域的MR图像，与选定进行成像的区域相邻放置一组局部阵列RF线圈11、12、13。阵列线圈11、12、13可用于接收身体线圈RF传输诱发的MR信号。

由全身体积RF线圈9和/或阵列RF线圈11、12、13拾取所得的MR信号并由优选包括前置放大器(未示出)的接收机14进行解调。接收机14经由发送/接收开关8连接到RF线圈9、11、12和13。

主计算机15控制梯度脉冲放大器3和发射机7以产生多种MR成像序列中的任一个，例如回波平面成像(EPI)、回波体积成像、梯度和自旋回波成像、快速自旋回波成像等。对于选定的序列，接收机14在每个RF激励脉冲之后接收单个或多个快速相继的MR数据线。数据采集系统16执行所接收信号的模数转换，并将每条MR数据线转换成适于进一步处置的数字格式。在现代MR装置中，数据采集系统16是独立的计算机，专门用于采集原始图像数据。

最后，由重建处理器17将数字原始图像数据重建成图像表示，重建处理器17应用傅里叶变换或其他适当的重建算法。MR图像可以表示通过患者的平面切片、平行平面切片的阵列、三维体积等。然后在图像存储器中存储图像，在那里可以存取图像以将图像表示的切片、投影或其他部分转换成适当格式，用于例如经由视频监视器18进行可视化，视频监视器提供所得MR图像的人类可读显示。

系统1还包括热处置单元，其包括连接到超声控制单元20的经尿道施用器19。超声控制单元20包括驱动电子线路以及电动机，以移动施用器19的换能器。超声控制单元20连接到系统的主计算机15。主计算机15启动热处置并控制施用器19的超声换能器运动。换能器放在身体10的尿道中，相对于患者具有主次取向，并向外朝前列腺周边发射超声能量。通过这种方式，提供了在平行于换能器的单一纵向平面中的加热。为了消融整个前列腺，借助于超声控制单元20以角增量旋转换能器。

参考图2，针对超声换能器的两个不同角取向示出了在相对于尿道21横向取向的一个图像平面中的MR温度测量图像。温度和热剂量分布图22反映了换能器的不同取向。

继续参考图2并进一步参考图3，在图3的图中示出了在通常相隔大约一秒或更长的各时间点，点23处的温度。在加热阶段中，MR温度测量成像提供在每个时间点的温差。从相继MR图像之间的实测相移计算温度值T₀到T₈。为了计算温度值T₀，假设对应的基线温度值(例如，37摄氏度)。

在采集温度值T₅后不久，旋转换能器。由图3中的箭头表示对应的时刻。从这个时刻开始，如相继温度值T₅、T₆、T₇、T₈的下降所示，点23处的温度开始冷却。由于换能器的运动，从温度值T₅到T₆的基于MR温度测量的温度变化将不精确，因为磁场改变到MR信号的相变不表示温度变化的程度了。不能测量温度值T₆是成问题的，因为这意味着不能测量T₅之后的所有温度值。

将换能器的不同取向(由超声控制单元20的电动机控制决定)发送到系统1的主计算机15(参见图1)。主计算机15参照换能器新取向下平面中的声强分布曲线。基于新取向下的声强分布以及在换能器旋转之前时刻的温度分布，可以利用有限差分方法进行生物传热建模，以计算换能器旋转之后即刻的温度分布。更简单的替代是采用查找表，查找通过先前生物传热建模或通过体模试验获得的点23处的温度变化。这些技术使得，根据本发明，基于MR的温度监测过程能够在换能器旋转之后立刻继续进行下去。在进一步超声作用之前，不必让组织冷却到基线温度值。热剂量取决于整个温度历史，因此，本发明能够精确地计算旋转换能器的时刻之后的热剂量。

HIFU应用中广泛使用了生物传热热模拟。可以使用组织性质的标称值先验地进行这些模拟并可以针对每个空间点将结果作为查找表加以存储。另一方面，可以基于从实际处置之前进行的测试对患者组织中温度上升的了解在处置那天进行模拟。此外，模拟可以基于第一次旋转之前换能器第一取向下的温升。或者，可以通过体模、体外或事先体内试验获得温度值。可以利用基于MR温度测量的无创热学和声学参数估计方法就地估计模拟中使用的组织声学和热学性质(参见Cheng等人“Tissue thermalconductivity by magnetic resonance thermometry and focused ultrasoundheating”Journal of Magnetic Resonance Imaging，2002，第16(5)卷，第598-609页)。通过这种方式，根据本发明可以获得被处置组织区域之内的温度分布。基于此，可以对应于热处置的焦点改变来改变图像平面的位置和/或取向而不中断处置和监测流程。

参考图4到6，在下文中描述根据本发明如何利用静态和动态温度监测图像平面获得空间上足够的温度信息。图4中示出了温度成像平面的可能配置。图4示出了位于换能器29的加热区附近的五个图像平面24、25、26、27、28，其被表示为纵向图像平面24中的叠加。示出了图像平面24中的温度分布图22。纵向平面24构成本发明含义之内的第一图像平面。它沿着尿道通过换能器29并覆盖对于换能器相应取向而言声能最大的平面。在旋转换能器29时，将连续更新纵向平面24以保持沿最大声能的取向。三个图像平面25、26、27构成了本发明含义之内的第二图像平面。横向图像平面25、26、27是静态的。在治疗期间它们的位置和取向不变。第五图像平面28用于安全评估。平面28中的MR温度测量确保了超声波束近场区域不被过度加热，从而导致意外效果，例如空化、沸腾和衰减增大，这可能会阻碍超声波束传播到远场区域。用于安全评估的其他潜在位置包括必须要防止热损伤的直肠壁和神经血管束。

对第二图像平面25、26、27的稀疏集中测量的温度数据进行空间插值，获得未直接测量的附加图像平面中的温度估计。通过这种方式，可以在超声换能器29的新取向下开始加热之前，计算更新的第一图像平面24的位置和取向下的基线温度记录MR图像。在图5中示出了这种概念，其中示出了前列腺30的图解冠状面。实线表示第一图像平面24和第二图像平面25、26、27，而虚线31表示在更新的位置处插值的基线温度记录MR图像。从实测的第二图像平面25，26，27获得插值的基线温度记录MR图像。可以利用任何适当的技术，例如线性或基于样条的插值来进行插值。这使得纵向温度成像平面，即第一图像平面，保持始终平行于超声作用平面而不会中断热疗和温度监测。

图6示出了第一图像平面的旋转。由24表示旋转换能器29之前第一图像平面的取向。由24′表示旋转换能器29之后的取向。根据本发明，从图5所示的静态横向第二图像平面25、26、27中的连续温度测量，获得旋转后的第一图像平面24′中的温度图。通过这种方式，不断更新平面24以跟踪换能器29的取向。

在另一(未示出的)实施例中，选择两个不同纵向平面作为本发明含义之内的第一和第二图像平面。对准图像平面，使得第一图像平面始终位于热处置的焦点部位，而另一个(第二)图像平面位于下一次处置的部位。第二图像平面中的温度测量提供基线温度值，可以使用该基线温度值以便在从第一部位向第二部位移动热处置的焦点时能够继续进行温度监测。

Claims (10)

1.一种治疗系统(1)，包括：

MR成像单元，其被布置成采集来自定位在检查体积中的患者身体(10)的MR信号，

热处置单元(19，20)，其用于在所述身体(10)的组织之内沉积热能，

其中，所述系统被布置成执行如下步骤：

a)通过在所述检查体积之内的焦点位置处加热所述身体(10)的组织来启动热处置，

b)选择性采集来自第一图像平面(24)的MR信号，所述热处置的焦点位置位于所述第一图像平面(24)之内，

c)从采集自所述第一图像平面(24)的MR信号重建温度记录MR图像，

d)从与所述第一图像平面(24)不同的至少一个第二图像平面(25，26，27)之内的温度分布计算基线温度记录MR图像，

e)将所述热处置的焦点移动到所述检查体积之内的新位置，

f)对应于所述热处置的焦点的所述新位置，改变所述第一图像平面(24)的位置和/或取向，

g)重复步骤b)和c)，其中，将在步骤d)中计算的基线温度记录MR图像用于在后续步骤c)中进行温度记录图像重建。

2.根据权利要求1所述的系统，其被进一步布置成从选择性采集自所述至少一个第二图像平面(25，26，27)的MR信号在步骤d)中计算所述基线温度记录MR图像。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，在步骤f)中改变所述位置和/或取向之后，所述第一图像平面(24)与所述第二图像平面(25，26，27)叠合。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述第二图像平面(25，26，27)基本垂直于所述第一图像平面(24)取向。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其被进一步布置成采集来自一组两个或更多第二图像平面(25，26，27)的MR信号，在步骤d)中，通过对从采集自该组两个或更多第二图像平面(25，26，27)的MR信号重建得到的温度记录MR图像进行空间插值来计算所述基线温度记录MR图像。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其被进一步布置成重复步骤b)到f)若干次，在每次重复期间在步骤d)中计算的基线温度记录MR图像用于在相应后续重复的步骤c)中进行温度记录图像重建。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，在重复步骤b)到f)期间，所述至少一个第二图像平面(25，26，27)的位置和/或取向保持固定。

8.根据权利要求1或2所述的系统，其被进一步布置成从局部质子共振频移重建所述温度记录图像。

9.一种治疗装置，包括：

-用于通过加热身体的组织来启动热处置的模块，

-用于选择性采集来自所述身体的第一区域的MR信号的模块，

-用于从采集自所述第一区域的MR信号重建温度记录MR图像的模块，

-用于从所述身体的第二区域之内的空间温度分布计算基线温度记录MR图像的模块，

-用于改变所述第一区域的位置和/或取向的模块，

-用于选择性采集来自改变后的第一区域的MR信号的模块，

-用于利用从所述第二区域之内的空间温度分布计算的基线温度记录MR图像，从采集自改变后的第一区域的MR信号重建温度记录MR图像的模块。

10.一种监测对身体组织的热处置的方法，包括：

-选择性采集来自所述身体的第一区域的MR信号，

-从采集自所述第一区域的MR信号重建温度记录MR图像；

-从所述身体的第二区域之内的空间温度分布计算基线温度记录MR图像；

-改变所述第一区域的位置和/或取向，

-选择性采集来自改变后的第一区域的MR信号，

-利用从所述第二区域之内的空间温度分布计算的基线温度记录MR图像，从采集自改变后的第一区域的MR信号重建温度记录MR图像。