CN105407970B - 具有自动控制的高强度聚焦超声探头 - Google Patents

具有自动控制的高强度聚焦超声探头 Download PDF

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Abstract

一种尤其用于超声消融处置的高强度聚焦超声治疗单元(12)，包括：超声换能器探头(40)，其具有超声换能器阵列(44)；引导单元(38)，其被配置用于监测超声换能器阵列(44)相对于感兴趣对象(24)的位置，并且被配置用于将关于所监测的位置的信息提供到人类接口；以及控制单元(42)，其被配置为控制超声换能器阵列(44)的至少一个操作参数，从而取决于超声换能器阵列(44)相对于感兴趣对象(24)的相对位置的变化率来调节聚焦超声波束到对象的组织中的穿透深度。以及一种磁共振图像引导的高强度聚焦超声治疗系统(10)，包括高强度聚焦超声治疗单元(12)以及作为引导单元(38)的磁共振成像系统(14)。

Description

具有自动控制的高强度聚焦超声探头
技术领域
本发明涉及一种尤其用于超声消融处置的高强度聚焦超声治疗单元，以及一种磁共振图像引导的高强度聚焦超声治疗系统。
背景技术
在癌症处置的领域中，将高强度聚焦超声施加到恶性肿瘤作为用于对组织的热消融的方法是已知的。所施加的超声到组织中的穿透深度随其频率而变化，其频率典型地位于0.5MHz与10MHz之间的范围中。美国专利 6488639B1描述了一种装置，所述装置能够根据目标衰减、被穿过的组织的厚度、温度退化或在发射期间的病灶位移来调节聚焦超声频率。国际申请WO97/22015提及简单地控制超声换能器，所述控制在于确定的速度限制，超过所述速度限制则不生成超声。欧洲专利申请EP 2574375涉及一种具有HIFU系统的治疗装置，在所述HIFU系统中基于对在偏转区内的目标区的确定位置或预测位置来控制超声处理。
期望提供在执行对目标区域的超声处理时具有针对用户的高操作舒适度的治疗单元。
发明内容
在本发明的一方面中，目的是通过一种尤其用于超声消融处置的高强度聚焦超声治疗单元来实现的，所述高强度聚焦超声治疗单元包括：
-超声换能器探头，其具有主延伸方向和平行于所述主延伸方向的纵轴、以及平行于所述纵轴布置的超声换能器阵列，其中，所述超声换能器探头被配置为在激活后将具有超声频率的聚焦超声波束从所述超声换能器阵列施加到感兴趣对象内的相邻组织；
-引导单元，其被配置用于监测所述超声换能器阵列相对于所述感兴趣对象的位置，并且被配置用于将关于所监测的位置的信息提供到人类接口；以及
-控制单元，其被配置为控制所述超声换能器阵列的至少一个操作参数，从而取决于所述超声换能器阵列相对于所述感兴趣对象的相对位置的变化率来调节所述聚焦超声波束到对象的组织中的穿透深度。根据本发明，所述超声换能器阵列的一个或若干操作参数是作为所述超声换能器的速率的函数而被调节的。显著地，所述超声频率可以随着所述超声换能器被更缓慢地移动而被降低，以随着所述超声换能器被减速而增加所述穿透深度。接着，所述穿透深度随着所述超声换能器在其最终位置或取向处停住而逐渐增加。这以时间高效的方式实现了准确且全面地将超声能量沉积到患者的组织中的目标区中。所述移动可以包括平移、旋转或两者的组合。因此，所述超声换能器的速率可以为其在每单位时间行进的线性距离以及其旋转速率。
在适合的实施例中，所述高强度聚焦超声治疗单元也能够被用于降低体温目的。
本申请中使用的词语“操作参数”应具体涵盖诸如功率水平、频率或传播方向的参数。
这样，对所述超声换能器阵列的操作参数的调节能够被耦合到对所述超声换能器阵列相对于所述感兴趣对象的所述相对位置的所述变化率的分析。在适合的实施例中，这能够允许使对所述感兴趣对象内的目标区的超声处理的工作流至少部分地自动化的选项。
在优选实施例中，所述超声换能器探头被装备有被布置在所述超声换能器探头的远端部分中的接纳构件，所述接纳构件被配置用于容纳所述超声换能器阵列。在对特定类型的肿瘤(例如前列腺癌)的处置的访问方面，这能够是特别有利的。
本申请中使用的词语“远端部分”应当具体被理解为所述超声换能器探头在所述主延伸方向上的长度中、包括所述超声换能器探头的远端端部的三分之一、更优选地是四分之一。
优选地，所述接纳构件被设计为槽或凹陷，但可以被设计为本领域技术人员认为适合的任意其他构件。
在另外的实施例中，所述高强度聚焦超声治疗单元包括用于使所述超声换能器探头关于所述纵轴旋转的机电驱动器，并且所述控制单元还配备有第一控制构件，所述第一控制构件用于使得能够由用户调节所述超声换能器阵列的旋转位置。
这样，所述用户能够容易地将所述超声换能器阵列转移到期望位置，并且能够通过咨询所述人类接口来核对所述超声换能器阵列的所述位置。例如，所述用户可以是介入放射科医师，并且所述人类接口可以是平板触摸屏。
本申请中使用的术语“控制构建”应当具体涵盖诸如旋钮、脚踏板、滑块以及触摸屏上的虚拟软按键以及常见人类接口设备(例如键盘、计算机鼠标、触摸板、绘图板以及操纵杆)的机械构件。所述控制构件也可以被设计为失效安全控制(dead man’s control)，优选地在释放后返回到非超声处理，由此为所述感兴趣对象提供额外的安全性。
在另一优选实施例中，所述控制单元被配置为在所述超声换能器阵列相对于所述感兴趣对象的所述位置的变化率落在预定值以下的情况下，自动调节所述至少一个操作参数。以此方式，可以降低用于驱动所述超声换能器阵列的功率，和/或可以降低所述频率，以在所述超声换能器阵列的所述相对位置固定的情况下实现较大的穿透深度。所述预定值可以驻留在存储器单元中，所述控制单元具有对所述存储器单元的访问。
如果对所述至少一个操作参数的所述调节与在其期间所述超声换能器阵列相对于所述感兴趣对象的所述相对位置的所述变化率落在所述预定值以下的持续时间成正比，则能够容易地在所述超声换能器阵列的所述相对位置固定的情况下实现所施加的超声的较大穿透深度。
在又一优选实施例中，所述控制单元包括第二控制构件，所述第二控制构件用于使得能够由用户调节所述超声频率，其中，所述控制单元被配置为随着超声频率增加而自动减小要由所述超声换能器阵列发射的总功率。通过这种方式，能实现被施加到所述组织的恒定体积热密度，得到恒定的加热，而无论所述用户对所述超声频率的调节如何。
在另一实施例中，所述控制单元包括第三控制构件，所述第三控制构件用于使得能够由用户调节由所述超声换能器阵列发射的所述总功率。通过这种方式，所述用户能够具有对由所述超声换能器阵列在所述组织中生成的热的直接控制。
在另一优选实施例中，所述控制单元包括功率分配器单元，并且所述控制单元被配置为经由所述功率分配器单元在所述超声换能器阵列的个体超声换能器间分配选定的功率，以修改由所述超声换能器阵列生成的所述聚焦超声波束的形状。所述控制单元包括第四控制构件，所述第四控制构件用于使得能够由用户调节由所述超声换能器阵列生成的所述聚焦超声波束的所述形状。这样，所述用户被提供有对所述聚焦超声波束的所述形状以及由它生成的加热区的完全控制，并且所述用户能够使波束形状和所述加热区单独地适于所述感兴趣对象的目标区域。修改所述聚焦超声波束的所述形状也应当涵盖以这样的方式在所述个体超声换能器间分配所述选定的功率，所述方式为由所述用户选择的个体超声换能器可以被完全关断。所述用户可以在对超声传感器阵列的激活之前或在超声处理期间控制所述波束的所述形状。
在又一实施例中，所述控制单元包括第五控制构件，所述第五控制构件被提供给用户以使得能够选择所述超声换能器阵列中要被激活的超声换能器。通过这样的方式，使得所述用户能够改变要被激活的超声换能器的在所述纵轴的方向上的长度，以适于所述感兴趣对象内的目标区域的大小。这对于以受控的方式消融有限的段是尤其有利的。例如，这种状况可以发生在对前列腺组织的典型消融处置中。
在本发明的另一方面中，提供了一种磁共振图像引导的高强度聚焦超声治疗系统，包括：磁共振成像系统，其被提供用于从感兴趣对象的至少部分采集磁共振成像数据；以及高强度聚焦超声治疗单元，其遵循本文中公开的实施例中的任意一个或它们的组合。
所述磁共振成像系统包括：磁共振扫描器；检查空间，其被提供为将感兴趣对象定位在内；主磁体，其被提供用于至少在所述检查空间中生成静态磁场；磁梯度线圈系统，其被提供用于生成叠加到所述静态磁场的梯度磁场；图像处理单元，其被配置为通过处理所述感兴趣对象的所述部分的采集到的磁共振成像数据来对所述感兴趣对象的所述部分进行成像；以及磁共振成像控制单元，其被提供用于控制所述磁共振成像系统的功能。所述磁共振成像系统用作所述高强度聚焦超声治疗系统的引导单元。
如果所述磁共振成像系统被配置为提供与来自所述超声传感器阵列的所施加的聚焦超声波束所位于的平面相符合的磁共振成像平面的热像磁共振图像信息，则能够向所述用户提供关于在处置期间所述感兴趣对象的所述目标区域中的温度发展的精确且直接的信息。
优选地，所述热像磁共振图像信息是通过质子共振频移测温而导出的。用于执行质子共振频移测温的方法是本领域技术人员公知的。所述图像处理单元可以具有软件模块，所述软件模块能被实现在存储器单元中并能在所述图像处理单元的处理单元中运行，所述软件模块包括程序代码形式的步骤，以根据所述感兴趣对象的所述部分的采集到的磁共振成像数据来执行质子共振频移测温。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将是显而易见的，并且将参考下文描述的实施例对本发明的这些和其他方面进行说明。然而，这样的实施例不必表示本发明的完整范围，并且因此参考权利要求和本文来解释本发明的范围。
在附图中：
图1是根据本发明的磁共振图像引导的高强度聚焦超声治疗系统的实施例的部分的示意性图示，并且
图2以示意性的方式图示了根据图1的超声治疗系统的高强度聚焦超声治疗单元的细节。
附图标记列表：
10 MR HIFU治疗系统
12 HIFU治疗单元
14 磁共振成像系统
16 磁共振扫描器
18 中心轴
20 主磁体
22 检查空间
24 感兴趣对象
26 磁共振成像系统控制单元
28 图像处理单元
30 存储器单元
32 处理单元
34 监测单元
36 磁梯度线圈系统
38 引导单元
40 超声换能器探头
42 控制单元
44 超声换能器阵列
46 杆
48 主延伸方向
50 纵轴
52 近端端部
54 远端端部
56 接纳构件
58 超声发射的平面
60 第一控制构件
62 第二控制构件
64 第三控制构件
66 第四控制构件
68 第五控制构件
70 机电驱动器
72 功率分配器单元
具体实施方式
图1示出了根据本发明的磁共振(MR)图像引导的高强度聚焦超声 (HIFU)治疗系统10的示意性部分图示。
磁共振图像引导的高强度聚焦超声(MR HIFU)治疗系统10包括：磁共振成像系统14，其被提供用于从感兴趣对象24(通常为患者)的至少部分采集磁共振成像数据。磁共振成像系统14包括磁共振扫描器16，所述磁共振扫描器16包括主磁体20，主磁体20具有限定被提供为将感兴趣对象 24定位在内的检查空间22的中心膛。为了清楚，在图1中省略了患者台。主磁体20被提供用于至少在检查空间22中生成静态磁场，其中，基本静态的磁场的方向基本平行于检查空间22的中心轴18。
另外，磁共振成像系统14包括磁梯度线圈系统36，所述磁梯度线圈系统36用于生成叠加到静态磁场的梯度磁场。如本领域中公知的，磁梯度线圈系统36被同心地布置在主磁体20的膛内。
磁共振成像系统14还包括：具有监测单元34的磁共振成像系统控制单元26，如本领域公知的，以控制磁共振扫描器16的功能；以及图像处理单元28，其被配置为通过处理感兴趣对象24的部分的采集到的磁共振成像数据来对感兴趣对象24的部分进行成像。
磁共振成像系统14被配置为提供选定的磁共振成像平面的热像磁共振图像信息。为此，图像处理单元28包括存储器单元30和处理单元32，其中，软件模块驻留在存储器单元30中并且能由处理单元32运行，所述软件模块包括程序代码形式的步骤，以根据感兴趣对象24的部分的采集到的磁共振成像数据来执行质子共振频移测温。通过在监测单元34上重复地显示经更新的热像信息，将选定的磁共振成像平面的热像磁共振图像信息提供给用户。
MR图像引导的HIFU治疗系统10还包括：HIFU治疗单元12，其被提供用于在感兴趣对象24内的目标区中的超声消融处置。目标区被定义为感兴趣对象24内这样的组织体积，即在HIFU治疗单元12被激活的情况下，能量的95％将被沉积在所述组织体积中。
本领域技术人员可以注意到，HIFU治疗单元12也可以被用作热疗设备，以将能够沉积在目标区中，从而激活组织对例如化疗的经改进的响应。
在图1的实施例中，HIFU治疗单元12包括超声换能器探头40以及控制单元42。在图1的图示中，超声换能器探头40不是以其最终操作位置示出的。图2示意性地示出了HIFU治疗单元12的各细节。
超声换能器探头40具有杆46，所述杆46具有主延伸方向48、平行于主延伸方向48的纵轴50、在用户近端的端部52以及在用户远端的另一端部54。超声换能器探头40包括被布置在平行于纵轴50的阵列44中的多个超声换能器。另外，杆46被装备有接纳构件56，所述接纳构件56被布置在杆46的包括远端端部54的部分中。接纳构件56被形成为槽，所述槽被配置用于在操作状态中容纳超声换能器阵列44。超声换能器探头40被配置为在激活后将具有超声频率的聚焦超声波束从超声换能器阵列44施加到感兴趣对象内的相邻组织。
超声换能器探头40包括机电驱动器70，以使超声换能器探头40关于纵轴50旋转。为此，由机电驱动器70可旋转地支撑杆46。控制单元42被装备有第一控制构件60，所述第一控制构件60被设计为用于使得能够由用户以第一操作模式调节超声换能器阵列44的旋转位置的旋钮。
如将在下文更详细地描述的，控制单元42还被配置为向超声换能器阵列44提供电功率，并且被配置为取决于超声换能器阵列44相对于感兴趣对象24的相对位置的变化率来控制超声换能器阵列44的至少一个操作参数。为了促进对操作参数的控制，控制单元42具有若干操作模式。应当理解，操作模式旨在作为选项能被任意地选择。
在控制单元42的第一操作模式中，如果用户保持超声换能器阵列44 的旋转位置固定，使得超声换能器阵列44相对于感兴趣对象24的位置的变化率落在被存储在控制单元42的存储器单元中的预定值以下，则控制单元42被配置为自动调节由超声频率给出的操作参数，并且更具体地，被配置为降低该操作参数以便实现超声波束在感兴趣对象24的组织中的较深穿透。对超声频率的调节与在其期间超声换能器阵列44相对于感兴趣对象24 的相对位置的变化率落在预定值以下的持续时间成正比。
控制单元42包括能够被用于第二操作模式中的第二控制构件62。第二控制构件62被设计为另一旋钮，并且如对本领域技术人员显而易见的，使得能够由用户调节超声频率以改变超声波束的穿透深度。在第二操作模式中，控制单元42被配置为随着超声频率增加而自动减小由超声换能器阵列 44发射的总功率。基于被存储在控制单元42的存储器单元中的查找表来确定对超声频率的具体调节的减小量。
在控制单元42的第三操作模式中，控制单元42的第三控制构件64被激活，以使得用户能够调节要由超声换能器阵列44发射的总功率，从而控制对与超声换能器阵列44相邻的组织的加热率。第三控制构件64是由具有失效安全控制的足踏板形成的，所述失效安全控制在被用户释放的情况下自动返回到非超声处理。
在控制单元42的第四操作模式中，通过用于使得用户能够调节由超声换能器阵列44生成的聚焦超声波束的形状的另一旋钮来提供控制单元42 的第四控制构件66。为此，控制单元42包括功率分配器单元72并且被配置为经由功率分配器单元72来在超声换能器阵列44的个体超声换能器间分配选定的功率，从而使由超声换能器阵列44生成的聚焦超声波束成形。例如，旋钮可以具有两个端部位置。在两个端部位置中的一个位置中，功率分配器单元72可以使功率在超声换能器阵列44的所有超声换能器间均匀分布，这得到宽波束。在两个端部位置中的另一位置中，功率分配器单元72可以以这样的方式来传输功率，即所述方式使得个体超声换能器距超声换能器阵列44的中心位置的距离越大，功率中被传输到该个体超声换能器的部分越低，得到窄波束。
在控制单元42的第五操作模式中，通过在监测单元34的触摸屏的下半部分中对齐的多个双态(toggle)软按键来提供控制单元42的第五控制构件68，其中，每个双态软按键表示超声换能器阵列44的一些超声换能器。通过触摸双态软按键中的一个按键，用户能够打开或关断各自的超声换能器，使得用户能够通过触摸在触摸屏上的软按键来直观地选择要被激活的超声换能器。通过这种方式，超声换能器阵列44的有效长度能够被缩短，以用于对感兴趣对象24内的小部分组织的处置。
在处置期间，由超声换能器阵列44生成的超声波束限定超声发射的平面58，感兴趣对象24的与所述平面58相邻的组织被加热。磁共振成像系统14被配置为提供在与超声发射的平面58相符合的平面中的热像磁共振图像信息，并且通过在监测单元34的触摸屏上显示与该平面的磁共振图像重叠的温度图来提供关于同一平面中的温度演变的信息。通过这种方式，磁共振成像系统14被提供为HIFU治疗单元12的引导单元38，其中，磁共振成像系统14被配置用于监测超声换能器阵列44相对于感兴趣对象24 的位置，并且被配置用于向人类接口提供关于所监测的位置的信息以及关于在处置期间的温度演变的信息。
尽管已经在附图和前文的描述中详细说明并描述了本发明，但这种说明和描述被视为说明性或示范性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践要求保护的本发明时，能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (13)

1.一种高强度聚焦超声治疗单元(12)，包括：
-超声换能器探头(40)，其具有主延伸方向(48)和平行于所述主延伸方向(48)的纵轴(50)，以及平行于所述纵轴(50)布置的超声换能器阵列(44)，其中，所述超声换能器探头(40)被配置为在激活后将具有超声频率的聚焦超声波束从所述超声换能器阵列(44)施加到感兴趣对象(24)内的相邻组织；
-引导单元(38)，其被配置用于监测所述超声换能器阵列(44)相对于所述感兴趣对象(24)的位置，并且被配置用于将关于所监测的位置的信息提供到人类接口；以及
-控制单元(42)，其被配置为控制所述超声换能器阵列(44)的至少一个操作参数，从而取决于所述超声换能器阵列(44)相对于所述感兴趣对象(24)的相对位置的变化率来调节所述聚焦超声波束到所述对象的组织中的穿透深度。
2.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声治疗单元(12)，其中，所述高强度聚焦超声治疗单元用于超声消融处置。
3.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声治疗单元(12)，其中，所述超声换能器探头(40)被装备有被布置在所述超声换能器探头(40)的远端部分(54)中的接纳构件(56)，所述接纳构件(56)被配置用于容纳所述超声换能器阵列(44)。
4.根据权利要求1、2或3所述的高强度聚焦超声治疗单元(12)，还包括用于使所述超声换能器探头(40)关于所述纵轴(50)旋转的机电驱动器(70)，其中，所述控制单元(42)还配备有第一控制构件(60)，所述第一控制构件用于使得能够由用户调节所述超声换能器阵列(44)的旋转位置。
5.根据权利要求1、2或3所述的高强度聚焦超声治疗单元(12)，其中，所述控制单元(42)被配置为在所述超声换能器阵列(44)相对于所述感兴趣对象(24)的所述位置的变化率落在预定值以下的情况下，自动调节所述至少一个操作参数。
6.根据权利要求5所述的高强度聚焦超声治疗单元(12)，其中，对所述至少一个操作参数的所述调节与在其期间所述超声换能器阵列(44)相对于所述感兴趣对象(24)的所述相对位置的所述变化率落在所述预定值以下的持续时间成正比。
7.根据权利要求1、2或3所述的高强度聚焦超声治疗单元(12)，所述控制单元(42)包括第二控制构件(62)，所述第二控制构件用于使得能够由用户调节所述超声频率，其中，所述控制单元(42)被配置为随着超声频率增加而自动减小要由所述超声换能器阵列(44)发射的总功率。
8.根据权利要求1、2或3所述的高强度聚焦超声治疗单元(12)，所述控制单元(42)包括第三控制构件(64)，所述第三控制构件用于使得能够由用户调节由所述超声换能器阵列(44)发射的总功率。
9.根据权利要求1、2或3所述的高强度聚焦超声治疗单元(12)，其中，所述控制单元(42)包括功率分配器单元(72)，并且所述控制单元被配置为经由所述功率分配器单元(72)在所述超声换能器阵列(44)的个体超声换能器间分配选定的功率，以修改由所述超声换能器阵列(44)生成的所述聚焦超声波束的形状，并且其中，所述控制单元(42)包括第四控制构件(66)，所述第四控制构件用于使得能够由用户调节由所述超声换能器阵列(44)生成的所述聚焦超声波束的所述形状。
10.根据权利要求1、2或3所述的高强度聚焦超声治疗单元(12)，所述控制单元(42)包括第五控制构件(68)，所述第五控制构件被提供给用户以使得能够选择所述超声换能器阵列(44)中要被激活的超声换能器。
11.一种磁共振图像引导的高强度聚焦超声治疗系统(10)，包括：
-磁共振成像系统(14)，其被提供用于从感兴趣对象(24)的至少部分采集磁共振成像数据，所述磁共振成像系统包括：
-磁共振扫描器(16)；
-检查空间(22)，其被提供为将所述感兴趣对象(24)定位在内；
-主磁体(20)，其被提供用于至少在所述检查空间(22)中生成静态磁场；
-磁梯度线圈系统(36)，其被提供用于生成叠加到所述静态磁场的梯度磁场；
-图像处理单元(28)，其被配置为通过处理所述感兴趣对象(24)的所述部分的采集到的磁共振成像数据来对所述感兴趣对象(24)的所述部分进行成像；
-磁共振成像控制单元(26)，其被提供用于控制所述磁共振成像系统(14)的功能；以及
-如权利要求1至9中的任一项所述的高强度聚焦超声治疗单元(12)，其中，所述磁共振成像系统(14)用作引导单元(38)。
12.根据权利要求11所述的磁共振图像引导的高强度聚焦超声治疗系统(10)，其中，所述磁共振成像系统(14)被配置为提供与来自超声传感器阵列(44)的所施加的聚焦超声波束所位于的平面(58)相符合的磁共振成像平面的热像磁共振图像信息。
13.根据权利要求12所述的磁共振图像引导的高强度聚焦超声治疗系统(10)，其中，所述热像磁共振图像信息是通过质子共振频移测温而导出的。
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