CN104548393A - 用于以减少处理时间产生聚焦超声波的装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是涉及一种装置，用于通过应用聚焦超声波对生物组织进行热处理，所述装置包括：探头移动系统(7)，用于确保：聚焦区(Z)沿第一方向(X)从处理区(T)的远端点(D)移动到所述处理区的近端点(P)，以便建立基础处理区的序列(S)；并置基础处理区的序列(S，S1，S2，S3，…)，以便完全覆盖所述处理区(T)，控制电路(6)控制探头(2)，以便确保传送到所述聚焦区的超声波功率在所述处理区的远端点(D)和近端点(P)之间减小。

Description

用于以减少处理时间产生聚焦超声波的装置

技术领域

本发明涉及一种具有能够在聚焦区发射高强度聚焦超声波(HIFU)的超声探头的设备或装置的技术领域。

背景技术

本发明的目的是发现利用聚焦超声波在治疗性处理领域的特别有利的应用。

在传统的意义上，治疗性超声波的基础原理是：将由超声波探头发射的超声波束聚焦例如在人体生物组织的目标区。超声波从探头传播到聚焦点，同时穿过该生物组织，其能量的一部分被这些组织吸收并转换成热。温度的上升优选发生在超声波聚焦区域(聚焦体积，focal volume)，那里超声波的振幅和强度最大。当温度上升并且组织经受此温度的持续时间超过一定阈值(热剂量)时，会导致对组织不可逆的破坏。位于聚焦区与超声波探头之间的组织经受弱得多的加热并且天然血管系统提供疏散所输入的热量的能力，使得这些组织不遭受任何损坏。

这种技术很有用，由于它提供利用体外或心脏内模式来破坏生物组织的能力，即无需外科手术切口。聚焦超声治疗的原理例如被应用于前列腺、肾或肝的恶性肿瘤的处理，也例如应用于诸如子宫肌瘤等良性肿瘤的处理。专利1858591描述了在前列腺癌的处理之情况下的这种治疗技术。

处理治疗的持续时间被认为是对聚焦超声治疗的应用的高度限制因素。因此，这些处理主要是面向小器官，或者器官中的小肿瘤。处理的持续时间主要受两个效果的影响：

–聚焦的效果，其导致超声波束仅仅以通常为几个立方毫米(mm³)的体积来进行会聚。为了覆盖整个给定的器官或全部的肿瘤，因此有必要重复超声波脉冲及并置它们。因此需要数百个脉冲。这些脉冲的每一个可能需要几秒钟，处理本身可能持续一小时或更多，其取决于处理的体积。

-超声波脉冲的重复导致位于超声波探头与聚焦区之间的组织中的积累热沉积。为了允许足够的时间使天然血管系统来消除这个积累热聚集，有必要在接连的脉冲之间提供等待时间，在此时间周期期间发射被中断。这个等待时间的发生进一步延长了处理的持续时间。超声波脉冲的发射的时间对超声波脉冲的重复的周期之间的比率定义了与发射序列相关联的占空比。通常，得到的占空比比率在50％的数量级，这就是说，超声波脉冲的发射的时间周期与等待时间周期的量级相当。

因此，为了减少处理时间，第一种解决方案包括通过增加聚焦区的体积并由此减少覆盖该处理体积所需的超声波脉冲的数量来增加坏死区的体积。

为了增加坏死区的体积，超声波脉冲的功率可以被增加或超声波脉冲可以被维持超过在聚焦体积中形成损伤所需的时间。然后，生物损伤将延伸超出该聚焦体积，尤其在沿探头的方向上。组织损伤的形成的动态使得有可能调节坏死区的扩展，但它具有过处理该聚焦区的效果。此外，为了保留中间组织，长持续时间维持超声波脉冲将需要增加接连的脉冲之间的等待时间，即减少占空比率，这违背了减小处理时间的初始目标。

文献EP1274483提出通过增加探头的孔径数来增加聚焦区的体积，即聚焦长度对发射表面的直径的比率。通过抑制独立的同心环的群组的发射来减少发射表面的直径。然而，探头的孔径的减小具有增加位于聚焦区与探头之间的组织的声强度的效果。为了避免破坏它们，则就有必降低传送的声能量，或增加在接连的脉冲之间的等待时间。

还已知被称之为“分割焦点”的技术，以增加聚焦区的体积。其包括将超声探头的发射表面分割成供电相位相反的若干扇区(sectors)，以期建立与单独的扇区同样多的焦点。因此，降低了聚焦体积中的声强度，并有必要增加通过探头传送的声能量，以便在有破坏中间组织的风险之下维持相同的治疗效果。

文献EP2035091提出通过根据环形几何形状制造超声波探头来增加聚焦体积。采用这种几何结构的探头，能够形成双聚焦区，并因此以一致的方式增加处理的体积。该解决方案适合于快速处理器官中分离的大体积肿瘤且不需要保留周围组织，但不太适合于体积小的肿瘤的精密处理。

专利申请US2011/144544描述了一种用于移动换能器的聚焦点的机械设备，以便用最少量的时间扫描大体积的组织。

第二类解决方案包括减少在接连的超声波脉冲之间的等待时间。因此，文献FR2903315提供了一种技术，通过将发射表面分割成独立地、交替地并且基本上连续地供电的至少两个部分来消除在接连的超声波脉冲之间的等待时间。这种技术使得能够连续加热聚焦区，并且还使得能够通过减小探头的孔径来增加聚焦体积。但其还需要减少由探头的每个段传输的声能，以避免损坏中间组织。因此，相同的能量以连续的方式被传送到组织而不减少处理时间。

专利申请WO 2010/127369还提供了一种技术，在通过声孔效应(sonoporation)的处理区域中，通过考虑连续发射来调整占空比。

专利US 5665054描述了一种方法，其基于在聚焦平面中超声波换能器的焦点的快速移动，以便获得大体积中恒定温度分布。维持这一温度所需要的超声波强度在聚焦平面中不恒定，但在聚焦体积的外围必须较大，以顾及热扩散的影响。

专利US 5665054提供了一种技术，其通过利用调整发射的时间周期来控制传递到组织的能量。

在使用超声波换能器处理心肌组织的领域中，专利申请US2013/0261461公开了一种用于移动聚焦区以处理肌肉的厚度的装置。当强回声区出现在显示器上时，该设备控制和命令超声波发射周期的停止。该设备提供了通过利用调整发射时间周期来控制传递到组织中的能量的能力。

为了减少聚焦超声波治疗的处理时间，发表的论文“HIFU treatment timereduction in superficial tumours through focal zone path selection(通过聚焦区路径选择来减少浅表肿瘤的高强度聚焦超声波处理时间)”Int.J.Hyperthermia(热疗),2011年8月，27(5):465-481，提供了对聚焦区域的扫描路径轨迹的优化的研究。

对各种不同类型的扫描路径轨迹进行了研究，其中包括当在轴向中损伤的堆叠和然后聚焦区的横向移动时的轴向轨迹、对应于连续横向移动以及建立连续处理平面的平面轨迹、每个平面的圆形轨迹或者3D轨迹。

通过作用于超声波探头的发射时间和关断时间两者但不作用于超声波发射功率来实现轨迹的优化，超声波发射功率对于每个损伤保持恒定。因此，该方法提供了对直到达到热剂量水平的发射时间周期、以及持续优化周期以允许界面组织冷却的关断时间的应用。从要达到的热剂量水平中减去先前由之前的发射所沉积的热剂量水平。与此相反，不考虑后续的发射导致的热剂量。总之，剂量似乎过高。

从该研究可以看出，基于从堆叠损伤沿声轴的轨迹的处理比基于横向移动的处理更快速。同样，从该研究还可以看出，当以中间平面开始时，与从远端面开始的处理相比，处理更快。此外，该研究建议增加由超声波探头发射的功率以减少处理时间。

在这项研究中所进行的模拟涉及到处理量级为小于5cm³的小尺寸的体积。对于量级为5cm³的体积，该研究表明，有必要增加超声波发射的关断时间直到其达到90％的处理时间，即10％的占空比，以便允许冷却界面组织。换位到甚至更大的体积，通常为30cm³到40cm³的量级，需要的处理时间成比例地增加，这不适于临床使用。

专利申请US 2013/041249描述了一种用于通过调整传递到组织中的能量的方式来调节热剂量的方法。通过调整发射时间周期，并且然后如果该调整不足则接着调节功率，来获得此调整。应当指出的是，替代选择发射持续时间的减少和维持在高功率水平，以便获得更大的生物效应和更好的控制延伸。该文献没有提供利用减少处理时间的解决方案。

发明内容

本发明的目的旨在通过提供一种新的处理装置来克服早先已知的解决方案的缺点，该新的处理装置确保聚焦的超声波应用到大体积的处理区，同时提供显著减少对该区域的处理时间的能力。

为了实现这一目标，一种用于通过应用聚焦的超声波对生物组织进行热处理的装置作用在处理区中，所述装置包括：

-超声波探头，将聚焦的超声能量传送到位于离所述探头一距离处的聚焦区中；

-控制系统，用于控制所述超声波探头，以便沿预定扫描路径轨迹移动所述聚焦区，并且用于以重复的超声波脉冲的形式控制传送的超声波功率，每个超声波脉冲由等待时间分隔开并具有发射时间，发射时间与超声波脉冲的重复周期的比率定义为占空比。根据本发明，所述控制系统包括：

探头移动系统，用于确保：

所述聚焦区沿第一方向从所述处理区的远端点移动到所述处理区的近端点，以便并置基础处理区并建立基础处理区的序列；

沿与所述第一方向不同的至少一个第二方向并置基础处理区的序列，以便完全覆盖所述处理区；

控制电路，控制所述探头，以便确保传送到所述聚焦区的超声波功率在所述处理区的远端点和近端点之间减小。

根据本发明的装置还包括一个和/或另一个的以下附加特有特征的组合：

-所述控制电路控制所述探头，使得用于建立所述基础区的序列的超声波脉冲的占空比比率包括在65％到100％之间，并优选在85％到100％之间；

-所述控制系统引起所述聚焦区沿作为第一方向的声轴移动；

-所述控制系统包括机械系统，用于移动所述超声波探头，以便确保所述聚焦区的移动；

-所述超声波探头包括多个超声波发射器，并且所述控制系统包括系统，所述系统以电子方式控制所述超声波发射器，以便确保所述聚焦区的移动；

-所述控制系统控制所述超声波发射器，使得换能器的“孔径数”或“F数”，也就是由所述激活的超声波发射器所形成的所述探头的聚焦长度对直径的比率，在所述聚焦区从远端点通往近端点时减少；

-所述控制系统确保所发射的超声波功率根据校正法则pi减少，例如：

p_i＝P_ref exp(Ad_i)

其中：

p_i＝深度为di(cm)的聚焦区所需的功率(瓦特)

P_ref＝参考功率(瓦特)

A＝衰减系数(cm^-1)。

各种其它特有特征通过下面参照附图提供的描述变得显而易见，该描述通过非限制性示例的方式示出本发明的目标的实现形式或实施例。

附图说明

图1是根据本发明的用于热处理装置的示意图。

图1A至1F是根据本发明的处理设备的第一变型实施例的实现的不同视图。

图2是根据本发明的处理装置的另一示例性实施例的示意图。

图2A和图2B是示出使用图2中所描述的处理装置可获得的益处的视图。

具体实施方式

如可以在图1中更清楚地知道，本发明的目的涉及一种用于借助于应用高强度聚焦超声波(HIFU)在处理区T中处理生物组织的热处理装置1。该处理装置通常包括以换能器形式存在的超声波探头2，其具有用于将聚焦超声波发射在对应于处理的基础区的聚焦区Z中的发射表面3。该聚焦区Z的几何形状取决于发射表面的形状。通常，换能器包括一个或多个超声波发射器，例如诸如压电元件。

在公知的方式中，该超声波探头2以体外或心脏内模式被定位在其至少一部分要被处理的生物组织的界面I的区域的附近。在组织要被处理的范围内(即处理区T)，占据的体积大于处理的基础区(对应于聚焦区Z)，超声波探头2的聚焦区Z然后必须沿着预定扫描路径轨迹移动，以便对处理区T中的组织进行完全处理。

装置1还包括控制系统5，用于控制超声波探头2以便沿预定轨迹移动聚焦区Z，以及用于控制由超声波探头传送的超声波能量。这样的控制系统5尤其包括：控制电路6，经由放大阶段输出用于激活超声波发射器的信号；以及系统7，用于沿预定轨迹移动聚焦区Z。因为控制电路6的开发属于本领域技术人员的通常技术知识的范围，所以不更精确详细地描述这样的控制电路6。此外，如在说明书的剩余部分中所描述的，用于移动聚焦区Z的系统7在性质上是“机械”和/或“电子”的。

根据本发明，探头移动系统7确保：

–将聚焦区Z沿第一方向X从处理区T的远端点D移动到处理区T的近端点P，以便并置各个基础处理区，并建立基础处理区的序列S；

–沿与第一方向X不同的至少一个第二方向Y并置各个基础处理区的序列S1、S2、S3，…，以便完全覆盖处理区T。

控制系统5通过利用控制电路6来控制探头2，以确保传递到聚焦区Z的超声波功率在处理区的远端点D和近端点P之间减小。根据本实施例的一有利的变型，控制电路6被控制为使得用于建立基础区的序列的超声波脉冲的占空比比率包括在65％到100％之间，优选地包括在85％到100％之间。应提及的是，控制电路6将超声波探头控制为使得传送的超声波功率呈现以彼此间隔开等待时间的超声波脉冲(或者发射)的形式。超声波脉冲的发射时间与重复周期的比率定义了占空比。

在图1A至图1F所示的实施例的示例中，控制系统5包括(通过探头移动系统7的方式)机械装置，用于移动超声波探头2，以便基于基础区的序列及其并置来确保聚焦区Z的移动以覆盖整个处理区T。换句话说，超声波探头2通过任何已知的机械系统在空间中移动，以便跟随上述扫描路径轨迹。

根据在图1A至图1E中所示的实施例的示例，控制系统5，更精确地是探头移动系统7，确保聚焦区Z沿第一方向X移动，第一方向X优选地与超声波探头的声轴线重合。因此，控制系统5定位聚焦区Z在最深或最远离超声波探头2的位置。在该位置中，如图1所示，控制系统5和更精确地是控制电路6被控制，以便用功率P_i和用等于例如一秒钟的超声波脉冲的持续时间来建立基础损伤。然后，通过利用探头移动系统7，超声波探头2被物理地缩回，以便将聚焦区Z定位在导致与先前的损伤并置的第二基础损伤的第二位置(图1A)。相对于第一损伤，第二损伤的并置应当允许对处理区T的均匀或一致的处理，也就是说，没有过处理或欠处理。为了实现这个目标，损伤可以彼此重叠或不重叠地并置。在聚焦区Z的该第二位置中，超声波探头2从建立第一聚焦区起在最小时间周期内发射超声波脉冲。

鉴于该第二基础损伤是在较低的深度建立的，超声波脉冲的功率被降低，以便维持基础损伤的相同体积。用于校正功率的法则为p_i类型的功率，例如：

p_i＝P_ref exp(Ad_i)

其中：

p_i＝深度为di(cm)的聚焦区所需的功率(瓦特)。

P_ref＝参考功率(瓦特)

A＝衰减系数(cm^-1)。

衰减系数A是处理的组织的特征，超声波的频率和处理条件。例如，已经被预先加热或其中形成空化气泡的组织将呈现与最初不同的衰减系数。

通过示例的方式提供的用于校正功率的该法则，是特别适合位于离界面显著距离处的大体积的处理，并且需要若干基础聚焦区的并置。对于较浅的损伤，功率校正法则可以采取简单形式的线性函数。必要要素是此功率校正法则在产生于远端区的超声波脉冲和产生于近端区的超声波脉冲之间引起功率的降低。

从图1B和图1C更加清楚地可见，控制系统5重复将聚焦区Z沿第一方向X从远端点D移动到近端点P的操作，以及超声波脉冲的发射的操作，一方面，功率水平在远端点D和近端点P之间减小，并且另一方面，根据本实施例的一有利的变型，用于建立基础区的序列的超声波脉冲的占空比比率包括在65％到100％之间，优选在85％到100％之间。

聚焦区Z沿第一方向X从远端点D移动到近端点P使得可以从一个到几个基础处理区(在所示的例子中在数量上为四个)中产生序列。很明显，对于沿第一方向X的给定轨迹，通过减少每个基础损伤之间的间隔，基础损伤的数量可以增加到“无穷大”，以便趋向于在空间上连续地处理，其中可以根据校正法则以连续的方式调节功率，以便也趋向于在时间上连续调制功率。

如这里所说明的，控制系统5用在处理区的远端点和近端点之间降低的超声波功率，确保从远端点D到近端点P移动聚焦区Z。因此，用于形成每个基础损伤所需要的声功率随着基础损伤越来越接近界面区I而减小。随着声功率水平变得越来越弱，界面组织越来越少地暴露于热沉积，并且天然血管系统的功能作用变得足够消散该热沉积。因此，在用于提供用来并置接连的基础损伤体积之能力的开始发射序列之前的等待时间的周期可以被最小化。

通常，根据本发明的装置1提供例如在4秒内建立4个基础处理区的序列的能力。四个超声波脉冲中的每个持续一秒钟，并彼此跟随，没有任何等待时间周期。因此，该序列的占空比接近100％。等待时间周期变化，其取决于用于移动和并置聚焦区Z和基础处理区的序列的探头移动系统7在性质上是“机械”和/或“电子”的。如果系统7在性质上是电子的，则等待时间周期与发射时间周期相比是可忽略的，占空比比率接近100％。如果系统7在性质上是机械的，则等待时间周期实质上增加，以便允许使用机械装置移动探头；其可以为200ms或者甚至约500ms的数量级，从而将占空比降低到85％，或者甚至约65％。

在现有技术的文献中，必须遵守从4s的发射起的脉冲之后到随后的脉冲发射之前4秒的等待时间周期，以便允许冷却界面组织。因此，占空比比率为50％。与在产生接连的处理基础区之间强加等待时间周期或在产生接连的基础区序列之间强加等待周期的先前技术不同，使用根据本发明的装置1实施的处理用可以被减小到最小或者甚至为零的等待时间周期来进行，从而允许处理序列具有接近100％、或85％到65％的占空比比率，取决于探头移动系统。与先前技术相比，这些占空比比率使得有可能在很大程度上减少处理的周期。在现有技术中，例如，需要用50％的占空比比率基于5秒的发射和5秒的等待来重复500个损伤的处理区T的处理将持续大约80分钟。根据本发明，基于85％的占空比的用发射的序列进行的相同处理将在50分钟内进行。通过示例的方式，处理区T的体积例如在25cm³到35cm³之间。

在图1D和图1E所示的示例中，控制系统5借助于探头移动系统7确保超声波探头2沿Y方向移动，以便以并置的方式并在最少的时间周期内产生一个或多个基础处理区的序列S1、S2、S3、...，以便完全覆盖处理区域。超声波探头2沿Y方向的移动可以通过平移移动(图1D和图1E)或实现扇形(sectoral)轨迹(图1F)的旋转来实现。很明显，超声波探头可以沿第三方向移动，以便覆盖整个体积。

根据本发明，根据参照图1至图1C描述的原理，建立基础处理区的序列S1、S2、S3、...的每个。因此，对于基础处理区的序列S1、S2、S3、...的每个，传递到聚焦区Z中的超声波功率在处理区的远端点D和近端点P之间减小。此外，根据本实施例的一有利的变型，用于产生基础处理区的序列S1、S2、S3、...的超声波脉冲的占空比比率包括在65％到100％之间，并优选在85％到100％之间。很明显，基础处理区的序列S1、S2、S3、...的每个都包括用于相同或不同处理的若干基础区。在它们之间具有最小周期时间的这些序列的连续产生，使得有可能也限制了处理时间。

但应当指出的是，在心脏内处理的情况下，超声波探头2的物理回缩往往受到解剖学因素的限制。

图2示出另一实施例的示例，其中，控制系统5包括(通过探头移动系统7的方式)系统，其以电子方式控制探头的超声波发射器，以确保以延迟法则的方式沿移动方向X移动超声波探头2的聚焦区Z，而没有机械移动。

超声波探头的聚焦区Z的移动通过本身是已知的电子装置7进行。这样的解决方案包括具有可用的探头，其具有例如基于球形几何形状分布的多个超声波发射器，使得可以将超声波探头2的发射表面3分割成例如多个独立的同心环，每个同心环由独立的电信号馈电，使得可以将延迟法则施加在每个信号之间。这些延迟法则允许沿超声波探头的声轴修改超声波场的收敛点的位置，而不使超声波探头物理移动。当带来获得基础处理区的序列S所必需的基础损伤(lesion)的并置时，使用控制电路6来应用上文所描述的功率法则。以类似的方式，借助于在性质上为机械或电子的探头移动系统7，可以进行从基础处理区的序列S通往基础处理区的序列S1。如上所述，基础处理区的序列S1、S2、S3、...在最小时间周期内被并置。

此外，该解决方案具有提供用超声波探头的几何配置来建立接近损伤的能力的另一优点，所述超声波探头的孔径数或F数被定义为聚焦长度对由被激活的超声波发射器形成的探头的直径的比率，随着基础损伤越来越接近超声波探头2形成而降低。超声波探头2的孔径数的降低使得能够更好的聚焦超声场，并且通过降低界面区I上的超声声波强度来改善对中间组织的保留。对超声场的最佳聚焦还能够在焦点处获得具有减少的声功率的相同的声强，这进一步允许保留中间组织。最佳聚焦还提供随着聚焦区Z越来越接近处理区T的近端点P而减小所有聚焦区Z的体积的能力，如图2A所示。

近端聚焦区的体积的减小使得能够在实现如图2B所示的扇形轨迹时改进基础损伤的序列S和S1的并置。该解决方案通过在近端区中减小聚焦区Z的重叠，防止近端区和中间组织的过度暴露，同时还在远端区中提供聚焦区Z的并置。

本发明并不限于本文所描述和给出的实施例，因为不脱离其范围可以进行各种修改。

Claims (7)

1.一种装置，用于通过应用聚焦超声波在处理区(T)中对生物组织进行热处理，所述装置包括：

-超声波探头(2)，将聚焦的超声能量传送到位于离所述探头一距离处的聚焦区(Z)中；

-控制系统(5)，用于控制所述超声波探头(2)，以便沿预定扫描路径轨迹移动所述聚焦区(Z)，并且用于控制以重复的超声波脉冲的形式传送的超声波功率，每个超声波脉冲由等待时间分隔开并具有发射时间，发射时间对超声波脉冲的重复周期的比率定义为占空比，特征在于，所述控制系统(5)包括：

探头移动系统(7)，用于确保：

所述聚焦区(Z)沿第一方向(X)从所述处理区(T)的远端点(D)移动到所述处理区的近端点(P)，以便并置基础处理区并建立基础处理区的序列(S)；

沿与所述第一方向(X)不同的至少一个第二方向(Y)并置基础处理区的序列(S，S1，S2，S3，...)，以便完全覆盖所述处理区(T)；

控制电路(6)，控制所述探头(2)，以便确保被传送到所述聚焦区的超声波功率在所述处理区的远端点(D)和近端点(P)之间减小。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制电路(6)输出用于激活所述探头(2)的信号，以便确保通过所述探头(2)传送的用于建立所述基础区的序列的超声波脉冲的占空比比率包括在65％到100％之间，优选在85％到100％之间。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述控制系统(5)包括：系统(7)，用于沿作为第一方向(X)的声轴移动所述聚焦区(Z)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述控制系统(5)包括机械系统(7)，用于移动所述超声波探头(2)，以便确保所述聚焦区的移动。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述超声波探头(2)包括多个超声波发射器，并且所述控制系统(5)包括系统(7)，所述系统(7)以电子方式控制所述超声波发射器，以便确保所述聚焦区(Z)的移动。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制系统(5)输出信号，以激活所述超声波发射器，使得所述探头的孔径数，也就是由所述激活的超声波发射器所形成的所述探头(2)的聚焦长度对直径的比率，在所述聚焦区(Z)从远端点(D)通往近端点(P)时减少。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述控制系统(5)输出信号以激活所述超声波发射器，以确保所发射的超声波功率根据校正法则pi减少，如：

p_i＝P_refexp(Ad_i)

其中：

p_i＝深度为di(cm)的聚焦区所需的功率(瓦特)

P_ref＝参考功率(瓦特)

A＝衰减系数(cm^-1)。