CN103491891B - Mr成像引导的治疗系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热处置施加器（19），其用于在患者的身体（10）的组织内沉积热能。所述施加器（19）包括：多个RF天线（20），其用于向所述身体（10）辐射RF电磁场；‑多个RF功率放大器（21），其向所述RF天线（20）供应RF信号，其中，每个RF功率放大器（21）包括晶体管和输出匹配网络（22），将所述晶体管的输出阻抗转变成低阻抗值。此外，本发明还涉及MR成像引导的治疗系统（1）。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振（MR）成像领域。其涉及用于MR成像引导的在患者的身体的组织内沉积热能的施加器。此外，本发明还涉及MR成像引导的治疗系统。
背景技术
利用磁场与核自旋之间的相互作用以形成二维或三维图像的图像形成MR方法现今被广泛使用，尤其是在医学诊断领域中，因为对于软组织的成像而言，这些方法在许多方面优于其他成像方法，它们不需要电离辐射并且通常是无创的。
根据一般的MR方法，要被检查的患者的身体被布置在强的均匀磁场中，磁场的方向同时定义了测量所基于的坐标系的轴（通常为z轴）。所述磁场根据磁场强度针对个体核自旋产生不同的能级，所述个体核自旋可以通过施加规定频率（所谓的拉莫尔频率，或MR频率）的电磁交变场（RF场）激励（自旋共振）。从宏观的角度而言，所述个体核自旋的分布产生整体磁化，可以通过施加合适频率的电磁脉冲（RF脉冲）使其偏离平衡态，同时所述RF脉冲的磁场垂直于所述z轴延伸，使得所述磁化进行关于所述z轴的进动。所述磁化的该运动描绘锥形表面，其孔径角被称作翻转角。所述翻转角的大小取决于所施加的电磁脉冲的强度和持续时间。在所谓的90°脉冲的情况中，所述自旋被从所述z轴偏离到横向平面（翻转角90°）。所述RF脉冲经由MR设备的RF线圈布置向患者的身体辐射。所述RF线圈布置通常围绕所述患者的身体被置于其中的检查体积。
在所述RF脉冲终止之后，所述磁化弛豫回原始平衡态，其中以第一时间常数T1（自旋点阵或纵向弛豫时间）再次建立所述z方向中的所述磁化，并且垂直于所述z方向的方向的磁化以第二时间常数T2（自旋-自旋或横向弛豫时间）弛豫。可以借助于接收RF天线或线圈探测所述磁化的变化，所述接收RF天线或线圈以如下方式在所述MR设备的所述检查体积内布置和取向：使得在垂直于所述z轴的方向中测量所述磁化的变化。在例如施加90°脉冲之后，所述横向磁化的衰减伴随有（由局部磁场不均匀诱导的）核自旋从具有相同相位的有序状态到所有相位角均匀分布的状态（失相）的过渡。可以借助于重新聚焦脉冲（例如180°脉冲）补偿所述失相。这在所述接收线圈中产生回波信号（自旋回波）。
为了实现身体中的空间分辨，将沿三个主轴延伸的线形磁场梯度叠加到均匀磁场上，造成对自旋共振频率的线形空间依赖性。在接收线圈中拾取到的信号则包含可以与身体中不同位置相关联的不同频率的分量。经由所述接收RF天线或线圈获得的信号数据对应于空间频率域，并且被称作k-空间。所述k-空间数据通常包括以不同相位编码采集的多条线。通过收集若干样本将每条线数字化。借助于傅立叶变换或其他本身已知的重建技术，将一套k-空间数据转换成MR图像。
如在本文下面更详细描述，热能沉积被越来越多地用于医学中作为使患病组织坏死的手段。下文中在通过高强度RF辐照的治疗性热处置的背景下公开本发明。包括RF天线的阵列的热处置施加器被用于在要被处置的身体组织的靶区内生成RF电磁场。用于治疗的所述热处置施加器典型地位于要被处置的区域上的所述身体的外部。
包括热处置施加器的治疗系统是众所周知的，例如根据US 2010/0036369 A1。
在RF热疗中，用高强度RF电磁辐射辐照感兴趣组织，所述高强度RF电磁辐射被吸收并被转换成热，升高所述组织的温度。随着温度升高到55℃以上，发生所述组织的凝固性坏死，导致细胞死亡。
可以有利地将RF热疗与MR成像相组合，由此实现成像引导的局部治疗。基于水中的质子共振频移（PRFS）的MR测温目前被认为是用于对热疗的无创监测的“黄金标准”。通过借助于合适的并且本身已知的MR成像序列，测量所采集的MR信号的相位的改变，来估计温度诱导的质子共振频率的改变。
在常规的热处置施加器中，个体RF天线的互耦是最佳RF电磁场特性的设计的限制因素。已知施加器设计的另外的缺点是馈电电缆中显著的RF功率损失，以及低效RF功率放大器的使用，经由所述馈电电缆将RF能量从RF功率放大器供应到所述RF天线。所述RF功率放大器的功率效率不仅导致浪费功率，还导致大的热产生。由于必须提供合适的冷却系统，RF电子设备上的热负载使得设计更为昂贵且庞大，和/或对系统的可靠性有不利影响。
从前文容易地认识到，存在着对于改进的MR成像引导的治疗技术的需要。
发明内容
根据本发明，公开了一种用于在患者的身体的组织内沉积热能的热处置施加器。所述施加器包括：
-多个RF天线，其用于向所述身体辐射RF电磁场；
-多个RF功率放大器，其将RF信号供应到所述RF天线，其中，每个RF功率放大器包括晶体管和输出匹配网络，以将所述RF信号供应到所述RF天线（20）并将所述晶体管的输出阻抗转变成低阻抗值。
本发明的所述热处置施加器包括多个RF天线和多个RF功率放大器，所述RF功率放大器将RF信号供应到所述RF天线，其中，所述RF功率放大器优选一对一地与所述RF天线相关联。本发明的关键是在每个RF功率放大器中提供输出匹配网络，其将所述晶体管（例如，高功率MOSFET）的输出阻抗转换成低阻抗值。以此方式，改善了RF天线的阵列内的天线间隔离。具体而言，针对每个RF放大器提供其各自的输出匹配网络。每个RF功率放大器具有其被耦合到其输出匹配网络的输出部，并且所述输出网络将所述RF信号从所述RF功率放大器供应到由所述RF信号供能的所述RF天线。因此，所述处置施加器被提供有多信道电源，其中，每个信道包括RF放大器和输出匹配网络以及RF天线。在每个信道中，在该信道中的RF放大器将所述RF信号经由该信道的输出匹配网络供应到该信道的RF天线。每个信道具有在其RF放大器与其RF天线之间布置线路的它的适当的输出匹配网络。进一步地，每个RF功率放大器经由与各自的RF功率放大器相关联的所述输出网络，被直接连接到所述RF天线。亦即，所述输出网络被直接连接到其关联RF天线。因此，本发明的热处置施加器的RF天线和它的关联RF功率放大器与所述输出匹配网络集成在集成模块中。
本发明中的低阻抗值的意思是显著小于50Ω。优选地，所述低阻抗值对应于10Ω或更小的阻抗。
同时，所述输出匹配网络将每个RF天线的输入阻抗匹配到各自的RF功率放大器的所述晶体管的最佳负载（典型地为50Ω），用于使可用输出功率最大化。本发明的方法得益于所述RF功率放大器的独特电流源特性，由此展示出对负载变化的优异鲁棒性，这是另一重要优点。
超低输出阻抗RF功率放大器的概念根据MR成像中的平行RF传输的背景是已知的（Xu Chu等人，Magnetic Resonance in Medicine，2009年，61卷，952-961页）。
通常，根据本发明的所述施加器的每个RF天线包括用于在给定RF工作频率对所述RF天线的调谐和匹配的输出网络。由于所述RF功率放大器的输出阻抗非常低（接近零），每个RF天线的所述输入网络实质上充当并联共振电路。因此，因天线间耦合而在每个RF天线中诱导的电流分量“遇到”大的阻抗，并且由此基本上被抑制。
根据本发明的优选实施例，每个RF功率放大器均被直接连接到与各自的RF功率放大器相关联的RF天线。直接连接意味着所述RF功率放大器实际上位于所述施加器“上”，即所述RF天线以及所述RF功率放大器为构成本发明的热处置施加器的单元的整体部件。RF放大器定位于所述RF天线附近是至关重要的，由此天线间耦合得以进一步减少。此外，由于避免了所述RF功率放大器与所述关联RF天线之间的损耗电缆连接，可以减少所需要的RF功率。在任何情况中，所述RF功率放大器与各自的RF天线之间的连接的长度应显著小于RF信号在所述施加器的RF工作频率的波长的一半。
为了可以用于图像引导的治疗中，本发明的热处置施加器应为MR成像兼容的和/或在X射线检查中为透明的。在所述施加器的设计中应避免使用铁磁性材料。此外，应选择仅在很小程度上吸收X射线辐射的材料。
根据本发明的另一优选实施例，所述热处置施加器还包括被连接到所述RF天线的RF陷波器，所述RF陷波器被调谐到与所述施加器组合使用的MR设备的MR共振频率。以此方式，对由所述MR设备辐射的用于对所述施加器中的磁共振的激励和/或操纵的RF能的吸收得以最小化。此外，所述RF天线优选包括PIN二极管开关。以此方式，使所述施加器的所述RF天线对由所述MR设备生成的RF场透明。在所述MR设备的所述MR共振频率接近所述施加器的所述RF工作频率的情况中，应该将PIN二极管开关用于所述施加器的所述RF天线中。
根据本发明的再另一优选实施例，所述施加器还包括一个或多个生成RF信号的可控信号生成器，所述RF信号被供应到所述RF功率放大器的输入部。在该实施例中，对于热能在身体组织内的沉积所需要的所有RF部件均被集成到单个单元。所述可控信号生成器实现了对受所述RF天线阵列辐照的靶区内的RF场分布的控制。为此，所述可控信号生成器应被配置为控制被供应到个体RF功率放大器的每个RF信号的幅度和相位。针对（例如经由与所述施加器组合使用的MR设备的后端电子设备）对所述热处置施加器的外部控制，光链路可能是足够的。蓄电池可以被用作针对所述可控信号生成器和所述RF功率放大器的能量供应。
所述施加器可以还包括由拾取天线形成的反馈回路，用于从受所述RF天线辐照的靶区拾取电磁辐射，所述拾取天线被连接到所述可控信号生成器。所述拾取天线用作探测在所述靶区内生成的所述RF电磁场的幅度的传感器元件。以此方式，可以避免被处置组织的过热，并且可以自动补偿负载变化。
在本发明另外的优选实施例中，所述施加器的所述RF功率放大器为D类、E类或F类开关放大器。由于理论上完美的开关操作不耗散功率的事实，这样的开关放大器具有高功率效率。尽管开关放大器具有极其高的非线性的特征，但是该优点对于根据本发明的所述施加器的所述RF功率放大器是有益的。RF放大的线性对于用于热能沉积的RF电磁场的生成的重要性很小。
优选地，本发明的所述施加器在50-200MHz的RF频率范围运行。该频率范围适合于在深组织区域中生成区域过热。
根据本发明的再另一优选实施例，所述RF天线通过去耦网络（decouplingnetwork）互连，用于进一步减少所述RF天线的互耦（mutual coupling）。例如，实践中可以使用将所述RF天线互连的电容性或电感性去耦桥路或合适的多端口网络。
本发明不仅涉及热处置施加器，还涉及MR成像引导的治疗系统。所述系统包括：
-至少一个主磁体线圈，其用于在检查体积内生成均匀稳定的磁场，
-若干梯度线圈，其用于在所述检查体积内的不同空间方向中生成切换的磁场梯度，
-至少一个RF线圈，其用于以MR共振频率在所述检查体积内生成RF脉冲和/或用于接收来自定位于所述检查体积内的患者的身体的MR信号，
-控制单元，其用于控制RF脉冲和切换的磁场梯度的时间相继性，
-重建单元，其用于从接收到的MR信号重建MR图像；
-上文详细说明的类型的热处置施加器。
根据本发明的热处置施加器可以有利地与目前在临床实践中使用的大多数MR成像设备组合使用，其中，所述热处置施加器可以定位于所述MR设备的检查体积内。可以，例如经由光链路，建立所述热处置施加器与所述MR设备的后端电子设备的互连。优选地，所述热处置施加器以不同于MR共振频率的RF频率运行。以此方式，所述热处置施加器的工作与MR检查之间的干扰得以避免。
附图说明
附图公开了本发明的优选实施例。然而，应理解附图仅仅是处于举例说明的目的设计的，并且不作为对本发明的限度的限制。在附图中：
图1示出了根据本发明的MR成像引导的治疗系统；
图2示出了根据本发明的热处置施加器的方框图；
图3示意性地示出了根据本发明的热处置施加器的RF天线的阵列的实施例。
具体实施方式
参考图1，示出了MR成像引导的治疗系统1。所述系统包括超导型或常导型主磁体线圈2，使得创建沿z轴通过检查体积的基本上均匀的、时间上恒定的主磁场。
磁共振生成和操纵系统施加一系列RF脉冲和切换的磁场梯度，以反转或激励核磁自旋、诱导磁共振、重新聚焦磁共振、操纵磁共振、空间地或以其他方式编码所述磁共振、使自旋饱和等，以进行MR成像。
更具体而言，梯度脉冲放大器3沿检查体积的x轴、y轴和z轴将电流脉冲施加到全身梯度线圈4、5和6中所选的一个。数字RF频率发射器7经由发送/接收开关8，将RF脉冲或脉冲包发射到全身体积RF线圈8，以将RF脉冲发射到所述检查体积中。典型的MR成像序列由短持续时间的RF脉冲段的包构成，所述RF脉冲段彼此与任意所施加的磁场梯度一起，实现对核磁共振的所选操纵。所述RF脉冲用于饱和、激励共振，反转磁化，重新聚焦共振，或者操纵共振并且选择定位于所述检查体积中的身体10的部分。所述MR信号也被全身体积RF线圈9拾取。
为生成身体10的有限区域的MR图像，局部阵列RF线圈11、12、13的集合被放置为邻接被选择用于成像的区域。阵列线圈11、12、13可以被用于并行成像，以接收由身体线圈RF发射诱发的MR信号。
得到的MR信号被全身体积RF线圈9和/或被阵列RF线圈11、12、13拾取，并且被优选地包括前置放大器（未示出）的接收器14解调。接收器14经由发送/接收开关8被连接到RF线圈9、11、12和13。
主计算机15控制梯度脉冲放大器3和发射器7，以生成多个MR成像序列中的任意一个，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。针对所选的序列，接收器14在每个RF激励脉冲之后快速连续地接收单个或多个MR数据行。数据采集系统16执行对所接收的信号的模数转换，并将每个MR数据行转换为适于进一步处理的数字格式。在现代MR设备中，数据采集系统16为专用于原始图像数据的采集的单独的计算机。
最终，数字原始图像数据被应用合适的重建算法的重建处理器17重建为图像表示。MR图像可以表示穿过患者的平面切片、平行平面切片的阵列、三维体积等。所述图像然后被存储在图像存储器中，在这里图像可以被访问，以将所述图像的切片、投影或其他部分转换成合适的格式，用于，例如经由视频监视器18可视化，视频监视器18提供所得到的MR图像的人类可读显示。
用于在身体10的组织内沉积热能的热处置施加器19定位于所述检查体积内。热处置施加器19经由所描绘的MR成像引导的治疗系统1的控制单元15受控。
继续参考图1并且进一步参考图2和图3，描述了热处置施加器19的实施例。
热处置施加器19包括多个RF天线20，其用于使RF电磁场朝向身体10辐射。所述RF电磁辐射在身体10的组织中被吸收并被转换成热。通过RF天线20的阵列的设计，以及通过被提供到个体RF天线20的RF信号的幅度和相位，确定所生成的RF电磁场的空间分布。
热处置施加器19包括RF功率放大器21，其中，每个RF功率放大器21包括晶体管（通常为高功率MOSFET）。每个RF功率放大器21的输出匹配网络22将各自的晶体管的输出阻抗转换成低阻抗值。RF功率放大器（21）和它所耦合到的输出匹配网络（22）以及被耦合到该输出匹配网络的RF天线（20）形成通道。因此图2示出了用于RF天线（20）的多通道电源。同时，输出匹配网络22将各自的RF天线20的输入阻抗匹配到RF功率放大器21的晶体管的最佳负载。以此方式，RF天线20的互耦得以最小化，并且RF功率放大器20的可用输入功率以及因此它们的功率效率得以最大化。每个RF天线20包括输入网络（未描绘），用于以施加器19的给定RF工作频率对RF天线20的调谐和匹配。当在输入匹配网络22的输出的阻抗低（接近于零）时，各自的RF天线20的输入匹配网络充当并联共振电路，并且因天线间耦合诱导的电流“遇到”大阻抗，并且由此基本上被抑制。
提供了将RF信号供应到个体RF功率放大器21的可控信号生成器23。借助于信号生成器23，所述RF信号的相位和幅度是可控的，以实现对经由RF天线20的阵列辐射的RF电磁场的空间分布的控制。针对所述RF信号的生成，可控信号生成器23可以例如包括合适的直接数字合成器（DDS）。可控信号生成器23经由光链路24被连接到MR成像引导的治疗系统1的后端电子设备15。
此外，施加器19包括由拾取天线25（例如环形天线）形成的反馈回路。拾取天线25从受RF天线20辐照的靶区拾取电磁辐射。拾取天线25被连接到可控信号生成器23。这实现了自动反馈控制，以避免被处置组织的过热并且补偿（例如因不同患者解剖学造成的）负载变化。通过使用PIN二极管开关26，使个体RF天线20对针对MR成像所生成的RF场透明。以此方式，热处置施加器19即使在MR共振频率接近施加器18的RF工作频率的情况中仍可用。
根据本发明另外的实施例（其未在附图中描绘），热处置施加器19和至少一个RF线圈9被集成在共用壳体中。在该实施例中，用于MR信号的激励和/或采集的所述（局部）RF线圈以及所述热处置施加器的RF天线构成单个集成单元。所述RF线圈被用于直接从借助于所述热处置施加器被局部处置的身体区域拾取MR信号。
概括来说，合理设计的输出匹配网络被应用于根据本发明的RF放大器的输出阶段。输出匹配网络将所述RF功率放大器的晶体管的输入阻抗转换成低的值，并且同时通过建立针对各自晶体管的最佳负载（典型地为50Ω）使可用输入功率最大化。与RF天线的输入匹配网络组合，本发明的RF功率放大器充当电流源，并且因RF天线的互耦以及因负载变化造成的电流变化或多或少地得以完全抑制。因此，本发明通过消除对RF天线的阵列几何约束，有利于所述热处置施加器的RF发射性能的优化。将RF放大器集成到所述施加器单元中，进一步减少了互耦，并且由于所述RF放大器位于接近所述RF天线元件，改善了RF辐射的生成的功率效率。减少了所需要的RF功率。因此可以使用较小且较便宜的RF功率电子设备。
Claims (15)
1.一种用于在患者的身体(10)的组织内沉积热能的热处置施加器，包括：
-多个RF天线(20)，其用于向所述身体(10)辐射RF电磁场；
-多个RF功率放大器(21)，其将RF信号供应到所述RF天线(20)，其中，每个RF功率放大器(21)包括晶体管和输出匹配网络(22)，以将所述RF信号供应到所述RF天线(20)并将所述晶体管的输出阻抗转变成低的阻抗值，并且每个RF功率放大器(21)经由与各自的RF功率放大器(21)相关联的所述输出匹配网络被直接连接到所述RF天线(20)，
其中，所述RF天线与所述RF功率放大器被集成在集成模块中。
2.如权利要求1所述的施加器，其中，每个RF天线(20)包括输入网络，所述输入网络用于以所述施加器的给定RF工作频率对所述RF天线(20)进行调谐与匹配。
3.如权利要求1或2所述的施加器，其中，所述施加器是MR成像兼容的和/或在X射线检查中透明。
4.如权利要求1或2所述的施加器，还包括连接到所述RF天线(20)的RF陷波器，所述RF陷波器被调谐到MR设备的MR共振频率。
5.如权利要求1或2所述的施加器，其中，所述RF天线(20)包括PIN二极管开关(26)。
6.如权利要求1或2所述的施加器，还包括一个或多个可控信号生成器(23)，所述可控信号生成器(23)生成被供应到所述RF功率放大器(21)的输入部的RF信号。
7.如权利要求6所述的施加器，包括由拾取天线(25)构成的反馈回路，所述拾取天线(25)用于拾取来自受所述RF天线(20)所辐照的靶区的电磁辐射，所述拾取天线(25)被连接到所述可控信号生成器(23)。
8.如权利要求1或2所述的施加器，其中，所述RF功率放大器(21)为D类、E类或F类开关放大器。
9.如权利要求1或2所述的施加器，其中，所述施加器在50-200MHz的RF频率范围内工作。
10.如权利要求1或2所述的施加器，其中，所述RF天线(20)通过去耦网络互连，用于对所述RF天线(20)进行互去耦。
11.一种MR成像引导的治疗系统，包括：
-至少一个主磁体线圈(2)，其用于在检查体积内生成均匀稳定的磁场，
-若干梯度线圈(4、5、6)，其用于在所述检查体积内的不同空间方向中生成切换的磁场梯度，
-至少一个RF线圈(9)，其用于以MR共振频率在所述检查体积内生成RF脉冲和/或用于接收来自定位于所述检查体积内的患者的身体(10)的MR信号，
-控制单元(15)，其用于控制所述RF脉冲和切换的磁场梯度的时间相继性，
-重建单元(17)，其用于从接收到的MR信号重建MR图像；
-根据权利要求1-10中任一项所述的热处置施加器(19)。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述热处置施加器(19)定位于所述检查体积内。
13.如权利要求11或12所述的系统，其中，所述热处置施加器(19)经由光学链路(24)连接到所述控制单元(15)。
14.如权利要求11或12所述的系统，其中，所述热处置施加器(19)以不同于所述MR共振频率的RF频率工作。
15.如权利要求11或12所述的系统，其中，所述热处置施加器(19)和所述至少一个RF线圈(9)被集成在共用壳体中。
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