CN105209119A - 具有冷却的高强度聚焦超声治疗系统 - Google Patents

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Abstract

一种高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统包括：超声换能器，其用于沿着波束路径发出聚焦超声波束；超声透明窗口，其被定位在所述波束路径中；流体冷却系统，其用于提供对目标的冷却，所述聚焦超声波束被导向所述目标。所述流体冷却系统包括：流体容器，其被安装为邻近所述超声透明窗口；冷却单元，其用于对冷却液进行冷却并使所述冷却液经过所述流体容器到达和来自所述流体容器；脱气模块并且优选为过滤器，其从所述冷却液去除挥发性成分。溶解的空气或其他气体从所述冷却液被去除，使得气泡在所述冷却液中的形成被避免或至少被抑制。

Description

具有冷却的高强度聚焦超声治疗系统
技术领域
本发明涉及一种包括流体冷却系统的高强度聚焦超声治疗系统。
背景技术
这样的高强度聚焦超声治疗系统从国际申请WO2012/052847知晓。
已知的高强度聚焦超声治疗系统通过主动冷却非靶组织来主动调节非靶组织的温度。超声辐射被聚焦到靶组织以主动加热靶组织。包含靶组织和非靶组织的区域中的温度场被监测。超声聚焦通过调节聚焦的位置或基于监测的温度场来调节聚焦的强度而被调节。
国际申请WO2012/098482提及了一种与磁共振成像系统集成在一起的HIFU系统。然而，没有提及用于冷却要被声处理的目标的冷却系统。美国专利申请US2008/0077056公开了一种具有流体循环系统和脱气器的HIFU系统。提供了与邻近换能器的面的流体路径的连通的流体入口和出口。已知的HIFU系统的流体循环用于使患者的直肠壁变冷。
发明内容
本发明的目标是提供一种更准确地避免对要被处置的患者的敏感组织的不想要加热的高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统。
该目标通过根据本发明的高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统来实现，所述高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统包括：超声换能器，所述超声换能器用于沿着波束路径发出聚焦超声波束。
超声透明窗口，其被定位在所述波束路径中，以及
流体冷却系统，其用于提供对目标的冷却，所述聚焦超声波束被导向所述目标，其中
所述流体冷却系统包括：
流体容器，其被安装为邻近所述超声透明窗口，所述超声透明窗口被安装在患者承载装置的支持面中，要被处置的所述患者被放置在所述患者承载装置的所述支持面上。
冷却单元，其用于对冷却液进行冷却并使所述冷却液经过所述流体容器，以及
脱气模块，其用于从所述冷却液去除诸如空气或气体的挥发性成分。
本发明的见解是，当诸如溶解的空气或其他气体或空气气泡的挥发性成分从冷却液被去除时，气泡在冷却液中的形成被避免或至少被抑制。这样的气泡能够干扰被发射通过冷却液的超声波束。尤其的，具有与冷却液本身显著不同的声阻抗的任何“颗粒”都能够干扰被发射通过冷却液的超声波束。这能够是例如任何气体气泡或固体颗粒。归因于从超声换能器发出的超声辐射的散射和反射，当气泡出现时，这样的气泡可以扰乱超声波束和超声聚焦。此外，溶解的空气或其他气体形成微泡，当所述微泡暴露于强烈的超声场时，所述微泡可以更容易地诱发气穴并且因此诱发迅速的局部加热。因此，冷却液中的气泡和溶解的空气或气体能够在不应被加热的组织中(尤其在患者的皮肤中)引起不受控制的加热。通过避免这些气泡被形成，对在超声辐射要聚焦于其中的靶区之外的组织的这样的不期望的加热被有效地避免。具体为要被处置的患者的皮肤灼伤被避免。
本发明的高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统装备有生成聚焦超声波束的超声换能器。尤其地，换能器阵列被采用，所述换能器阵列具有通常以矩阵形式布置的多个换能器元件，而且所述换能器元件的随机空间布置是可能的。聚焦通过调节个体换能器元件的相位而被生成和被(以电子方式)控制。而且，超声换能器整体上能够被以机械方式移位、平移和旋转，以调节聚焦的位置。聚焦超声波束被发出通过超声透明窗口。超声透明窗口例如被集成在患者承载装置中，要被处置的患者被放置在所述患者承载装置上以用于通过聚焦的超声辐射来进行处置。具体地，超声透明窗口被安装在患者承载装置的支撑面中，要被处置的患者被放置在所述患者承载装置的支撑面上。超声换能器例如被安装在换能器槽中，也被安装在患者承载装置中，例如在支撑面之下。流体容器被安装在换能器槽的顶部，即，在面向患者承载装置的支撑面的侧面处。换能器槽通常充满这样的物质：即，所述物质具有良好的超声发射，并且所述物质具有接近或等于要被处置的患者的超声阻抗的超声阻抗；水是良好的选择，备选地，具有接近水的声阻抗的流体能够被使用。例如，许多油类是合适的。然而，在磁共振成像(MRI)引导的HIFU系统中，流体还应当具有适合的MRI性质。水如果被更大量地引入到MRI扫描器中，则具有高介电常数的水通过缩短波长来影响MRI扫描器的射频发射场(所谓的B1场)。因此，发射场可以被扭曲，特别是在高场强MRI扫描器(例如，3TMRI扫描器)中。因此，具有比水更低的介电常数的合适油类或其他流体常常被使用在MRI引导的HIFU系统的换能器槽中。
在HIFU治疗期间，患者直接地或经由诸如凝胶垫的耦合介质躺在超声窗口的顶部，使得声能能够被发射到患者。人类体温调节系统保持身体核心温度接近37℃，并且温度通过皮下脂肪和皮肤层以及通过超声接触介质和超声窗口朝向超声槽中的流体温度下降，所述超声槽中的所述流体温度通常最初处于室温。然而，这些层的温度不是恒定的，这是因为患者是加热接触界面和超声槽中的流体的热源。此外，归因于在超声声处理期间不同层的声损失以及归因于例如由换能器引起的电损失，这些界面和槽流体能够被加热。因此，槽流体和界面温度趋向于在治疗的过程中增加，这继而使皮肤和皮下脂肪的温度升高，并且因此增加对组织的过度加热的风险，在最坏的情况下导致灼伤。
为了避免超声接触的加热并且为了冷却目标(尤其是当高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统处于操作时超声波束被导向的要被处置的患者)的部分，流体冷却系统被提供。流体冷却系统包括流体容器。使流体冷却液经过流体容器，即，使流体冷却液通到流体容器和来自流体容器，使得通过冷却液获得的热从容器被带走，并且向容器供应处于更低温度的冷却液。因此，具有经过的冷却液的容器获得热以从要被处置的患者去除热。具有冷却液的容器被安装在换能器槽的顶部，例如，流体容器被形成为冷却腔室，所述冷却腔室被集成在患者支撑物中，尤其被集成在换能器槽的顶部。这种结构简单并且提供了冷却液与患者的皮肤之间的良好热接触。由于流体容器被安装为邻近超声窗口，因此当要被处置的患者被放置在超声窗口上的适当位置以用于通过超声辐射的辐照进行处置时，热接触将在要被处置的患者的身体与流体容器之间被建立。为了从要被处置的患者带走通过流体容器中的冷却液获得的热，通过冷却单元的方式使冷却液经过流体容器。冷却单元包括热交换器以对从流体容器返回的冷却液进行冷却。冷却单元然后使被冷却的流体再次通到流体容器。冷却单元装备有流体泵以生成通过流体容器的冷却液流。
为了避免气泡的形成，脱气模块被提供在流体冷却系统中，以从冷却液去除挥发性成分。
参考在从属权利要求中定义的实施例，本发明的这些方面和其他方面将被进一步详细说明。
根据本发明的方面，自闭合连接(例如，具有止回阀的快速耦合液压连接器)用于将流体通道(例如，管道)连接到流体容器并且连接到冷却单元。以此方式，闭合回路被布置为由冷却单元、流体通道以及流体容器形成，几乎没有或没有气体或其他挥发性成分能够泄露到所述闭合回路中。
根据本发明的另外的方面，例如被形成为冷却腔室的流体容器装备有不透气的外壳。这进一步避免了挥发性成分泄露到冷却液中。这减少了气泡在冷却液中的形成。
根据本发明的另一方面，过滤器被提供在冷却单元中，以滤除挥发性成分。以此方式，任何残余量的挥发性成分(例如，空气或其他气体)从冷却液被滤除。因此，实现了冷却液中的气泡形成的进一步减少。
根据本发明的另一方面，温度传感器被提供为测量流体容器中的冷却液的温度。流体冷却系统基于对流体容器中的冷却液的测量的温度来进行控制，以准确地控制患者的温度，从而避免不想要的加热，并且尤其避免在高强度聚焦超声处置期间的皮肤灼伤。
而且，本发明可以并入磁共振图像引导的高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统。磁共振引导通过MR热描记成像模块来提供，所述MR热描记成像模块被配置为从采集的磁共振信号导出温度分布。温度分布例如利用随温度的质子共振频移从磁共振信号的相位导出。额外地，温度分布是利用取决于例如纵向磁化衰减速率(T1)或横向磁化的衰减速率(T2)的温度从磁共振信号的弛豫速率导出的。基于温度图像，冷却对患者的影响能够被监测，并且实际的近场温度能够在治疗运行中被考虑。
参考下文描述的实施例并且参考附图，本发明的这些方面和其他方面将获得阐明。
附图说明
图1示出了本发明的高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统的示意性表示；
图2示出了图1的高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统的流体冷却系统的示意性表示。
具体实施方式
图1示出了本发明的高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统的示意性表示。患者支撑物由HIFU治疗台(1)形成，所述HIFU治疗台包含流体贮存器(2)形式的换能器槽，超声换能器(3)被定位在所述流体贮存器中。为了治疗目的(例如，为了消融肿瘤)，向要被处置的患者(5)发射聚焦超声波束(4)。超声波束通过流体容器被发射，所述流体容器被形成为充满超声透明流体的腔室(6)。该流体通常能够是水，而且具有合适性质的其他流体也能够被使用。用于流体的选择标准包括i)超声性质，ii)冷却性质，以及在MR引导的HIFU的情况下，iii)MR性质(例如，MR图像中的可见性)。腔室(6)的下表面(6a)和上表面(6b)由超声“透明”材料形成，即，大部分超声被发射通过其而只是小部分超声被反射或被吸收的材料。这样的状况通过使用使声阻抗在下表面处足够接近贮存器流体的声阻抗并且在上表面处接近组织的声阻抗的材料或通过选择表面材料的厚度使得声匹配充分来进行布置。此外，材料应当不让空气穿透，使得气泡的形成被避免。材料通常将是具有适合的声性质的薄塑料。另外，表面材料能够是柔性的，使得表面的形状适于被定位在上表面(6b)的顶部的患者解剖结构的形状。腔室(6)可以被集成为HIFU台(1)的部分，或者腔室(6)能够是可去除单元，所述可去除单元能够被定位在超声窗口的顶部。为了降低皮肤温度和皮下脂肪温度并且为了增强对这些区的冷却，使用包含冷却和循环单元(7)的冷却单元使冷的流体循环通过腔室(6)。这样的单元通常包含用于进行流体循环的泵(7a)、用于冷却被循环的流体的冷却单元(7b)以及用于控制被循环的流体温度的温度调整器(7c)。代替仅控制流体温度，该系统还能够调整流体流或混合来自两个温度流体源的合适温度的流体。另外，流体循环可以通过阀(7d)或其他手段(例如，控制泵)受外部控制。例如，在MR引导的HIFU治疗中，这使得HIFU控制单元(8)能够在MRI成像(例如，MR测温成像)期间关闭或减少流体循环，以避免由腔室(6)中和连接管中的流动流体引起的可能的图像伪影。阀(7d)能够被再次打开，以使得冷却循环在MR成像时能不能被执行。还可以设置用于在腔室(6)处测量实际流体温度的温度传感器(9)。另外，传感器能够被提供在流出口(如现在所指示的)处以及在流入口处，以便在该点处用仪器测量实际温度。温度通常在其到在该范例中由冷却衬垫形成的流体容器的途中略微升高，即使管道旨在被尽可能好地隔离。实际的流入温度是将决定患者冷却是否可能的温度，并且与流出温度的差异给出热能被传导离开患者的想法。该信息可以被HIFU治疗控制单元或直接被冷却和循环单元用于通过设定例如被循环的水温或循环速度来调节冷却。另外，腔室温度能够被用作安全极限，以避免可能导致组织损伤或对患者的其他损伤的过低温度。根据GeletA、ChapelonJY、BouvierR、PangaudC、LasneY等人的文章“Localcontrolofprostatecancerbytransrectalhighintensityfocusedultrasoundtherapy:preliminaryresults”(J.Urol，1999年，卷161，第156–162页)，在前列腺癌的高强度聚焦超声处置的领域中对敏感区域的冷却本身是已知的。这里提及了一种冷却系统，所述冷却系统允许球囊中的耦合流体循环通过去除每次射击(shot)后在球囊-直肠界面处释放的热能来保护直肠黏膜。归因于冷却，直肠温度绝不会超过37℃。
本发明的一个新的重要的技术方面是例如对冷却循环中的空气的处理。为了防止空气和其他气体从循环系统中出来，使用不让空气和其他气体穿透的材料和设计将整个系统制作为不透空气/气体的。
此外，使冷却液流体的溶解的气体含量充分低，以避免气穴的风险，并且通过使被循环的水运行通过脱气器单元(10)来从冷却液流体去除泡。脱气器单元将去除从被循环通过脱气器的冷却液流体去除溶解的气体和空气气泡。脱气单元包括例如脱气器筒(10a)，所述脱气器筒通常具有膜结构，当保持冷却液流体处于循环时，所述膜结构允许气体穿透所述膜从冷却液循环中出来。利用真空泵(10b)将溶解的气体从脱气器筒排出。脱气器的其他实施方式也能够代替所描述的一种实施方式来使用。假如冷却单元需要能够与冷却腔室断开，则具有止回阀(11)的快速耦合液压连接器能够用于避免空气到循环系统的泄露以及流体从循环系统中出来的泄露。此外，循环能够包括空气/气体气泡过滤器(12)以使气泡不能进入具有循环流的超声窗口区域中。这样的空气过滤器通常具有机械网格结构，所述机械网格结构阻止大于网孔尺寸的空气/气体气泡并且将空气捕获在空气腔室中。
此外，冷却能够被集成在患者支撑物中。对于用户来说，这避免了将可拆卸的冷却接触部装配在原始的US窗口膜的顶部使得没有空气气泡在之间被捕获的问题，因此集成的构思具有工作流益处。可拆卸解决方案将引入沿着波束路径彼此接近的多个薄塑料层，所述多个薄塑料层增加超声反射，并且因此可以损害超声换能器。在集成的解决方案的情况下，要求更不反射的表面。另外，将冷却单元集成为在超声槽与患者之间的单独的中间腔室具有以下优点：即，它减小需要被冷却的流体的体积，并且因此使最初的冷却时期更快地达到靶温度。当水被用作冷却剂时，使冷却体积的尺寸最小化在MRI环境中也是重要的，这是因为特别是如果像3T一样的更高的场强被使用，任何更大体积的水开始影响RF发射场(所谓的B1场)均匀性。集成的解决方案还具有以下益处：即，它使得换能器能够独立于冷却被移动，不像在冷却与换能器集成在一起的经直肠前列腺HIFU解决方案中。
对于利用冷却接触来说重要的又一方面是测量脂肪的绝对温度以量化冷却的益处的可能性。在我们的实施方式中，这将利用从国际申请WO2012/029006本身已知的基于(表观)T2的脂肪温度映射协议来完成。图3在下面图示了该方法相对于常规质子共振频移方法(PRFS)的益处。PRFS方法仅测量温度变化，并且开始温度被“猜测”为例如体温。后续的更长的持续时间温度估计在PRFS情况下通常是不可行的，这是因为该方法是基于信号相位测量的并且相位对许多种类的误差(系统漂移、患者运动、……)都非常敏感。然而，基于T2的方法根据表观T2值确定脂肪温度，所述表观T2值根据利用两个不同的回波时间做出的幅值图像来确定。绝对温度基于校准的表观T2与温度行为来计算。这使得绝对温度值能够被计算，并且温度变化能在整个处置持续时间(通常为几小时)内被监测。

Claims (6)

1.一种高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统，包括：
-超声换能器
-其用于沿着波束路径发出聚焦超声波束，
-超声透明窗口，其被定位在所述波束路径中，以及
-流体冷却系统，其用于提供对目标的冷却，所述聚焦超声波束被导向所述目标，其中
-所述流体冷却系统包括：
-流体容器，其被安装为邻近所述超声透明窗口，
-冷却单元，其用于对冷却液进行冷却并使所述冷却液经过所述流体容器，以及
-脱气模块，其用于从所述冷却液去除诸如空气或气体的挥发性成分，
-以及患者支撑物，其中，所述流体容器被形成为冷却腔室，所述冷却腔室在所述患者支撑物用于接收所述患者的侧面处被集成在所述患者支撑物中。
2.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统，其中，所述冷却单元被提供具有用于从所述冷却液过滤诸如空气或气体的挥发性成分的过滤器。
3.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统，其中，所述流体容器具有不透气的外壳。
4.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统，其被提供具有用于供应和接收所述冷却液的一个或多个流体通道，所述一个或多个流体通道通过自闭合连接的方式被连接到所述冷却单元和所述流体容器。
5.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统，被提供具有用于测量所述流体容器中的所述冷却液的温度的温度传感器。
6.一种MRI图像引导的高强度聚焦超声治疗系统，包括：
-MRI模块，其具有检查区域，并且被配置为从所述检查区域采集温度敏感磁共振信号，并且被配置为根据所述磁共振信号来重建空间温度分布，以及
-根据权利要求1至6中的任一项所述的高强度聚焦超声系统，其被配置为使得所述波束路径至少部分地经过所述检查区域，并且其中
-所述磁共振信号的温度敏感性是基于所述聚焦超声波束被导向的所述目标的部分的横向弛豫时间(T2)的温度依赖性的。
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