CN105848717B - 用于处理组织的装置以及用于操作该装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操作用于处理活体的组织(6)的装置(1)的方法，且此类装置(1)包含包括至少两个子换能器(2'、2″)的换能器(2)，每一子换能器用于放射优选为高强度聚焦超声波的超声波的子束(8″)以照射所述组织(6)，所述子束(8″)中的每一个聚焦在或可聚焦到焦点(F)上。为了减少皮肤灼伤，评估皮肤表面(7)与每一子束(8″)的相交面积(Asi)，且取决于所述所评估相交面积(Asi)确定每一子换能器(2'、2″)的所述照射的功率(Psi)和/或持续时间(tsi)为总功率(Ptotal)与持续时间(ttotal)的比率。

Description

用于处理组织的装置以及用于操作该装置的方法
技术领域
本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的用于操作用于处理活体的组织的装置的方法以及此类装置。
所述装置包含包括至少两个子换能器的换能器，每一子换能器用于放射优选为高强度聚焦超声波的超声波的子束。所述波用于照射所述组织，所述子束中的每一个聚焦在或可聚焦到焦点上。
背景技术
超声波，尤其是高强度聚焦超声波(HIFU)，主要用于处理乳房、甲状腺、前列腺和子宫的肿瘤。高强度超声波聚焦到位于待处理的肿瘤内的焦点上。在照射期间，在组织吸收声波时产生热。温度可上升到高达85℃，由此通过凝血性坏死而毁坏组织。利用HIFU进行处理的一大优势为其为非侵入式的，由此显著降低患者的风险。
然而，HIFU的已知问题为声波不仅由待处理的组织吸收，而且由包含皮肤的周围组织吸收。为了避免皮肤灼伤，使用皮肤的冷却，如在WO 2011/069985A1中所示范性描述。
另一方法为降低皮肤处的声波强度，同时维持给定深度处的足够功率。这可通过使用如在US 8,409,099 B2中示范性描述的宽孔隙系统来进行。
然而，HIFU系统具有小的焦点。因此，必须通过利用已知方法将焦点扫过整个组织来处理整个组织。即使在使用高孔隙系统时，皮肤仍具有高灼伤风险。这是因为取决于处理头的定向以及活体的位置，待处理的组织或其部分可能非常浅。因此，波束经由可取决于上述因素而变化的表面割伤皮肤表面。如果换能器放射的超声波波束的功率在整个换能器中是均一的，那么皮肤表面处的波束强度且因此皮肤热应激将剧烈变化。
因此，本发明的目标是提供一种用于操作用于处理活体的组织的装置的方法以及用于处理活体的组织的装置，其解决先前技术的问题，且尤其可减少且可能避免处理组织时的皮肤伤害。
这一问题通过根据独立权利要求的特征部分的方法加以解决。
发明内容
根据本发明，提供包含包括至少两个子换能器的换能器的装置，用于执行用于操作用于处理活体的组织的装置的方法。每一子换能器用于放射优选为高强度聚焦超声波的超声波的子束。所述波用于照射所述组织，所述子束中的每一个聚焦在或可聚焦到焦点上。
所述方法进一步包含以下步骤：定位所述换能器，使得子束的至少一个焦点位于待处理的组织内；
优选地，子束的所有焦点位于待处理的组织内，且甚至更优选地，每一子束的所有焦点聚焦到单一焦点上。
另外，限定待施加到所述组织的所述照射的总功率(Ptotal)和持续时间。限定可通过操作者利用用户接口键入所需值而手动地进行或通过装置自身自动地进行。明确地说，如果装置配备有可确定待处理组织的大小和其它参数的成像构件，那么有可能装置的控制构件可相应地限定照射的总功率(Ptotal)和持续时间(ttotal)。
接着评估(即确定)皮肤表面与子换能器的对应子束的每一相交面积 (Asi)。这可通过从照射区域的三维模型外插数据或通过如下文所示的其它方法来进行。
根据本发明，“皮肤”意欲为在照射时与波束相交的第一组织。按一般规则，这一组织并非待处理的组织。在内部照射系统(例如经直肠插入的用于处理前列腺肿瘤的系统)的情况下，与波束相交的第一组织为粘膜，在此情况下其有风险。因此，根据本发明，皮肤意欲也包含粘膜。
在上文中，考虑了皮肤灼伤。然而，必须注意，可能出现例如由空蚀等造成的机械伤害等其它种类的伤害。因此，本发明也适用于由超声波束造成的其它类型的伤害。另外，根据本发明，接着取决于所评估相交面积 (Asi)而确定每一子换能器的照射的功率(Psi)和/或持续时间(tsi)分别为总功率(Ptotal)或持续时间(ttotal)的比率。优选地，功率(Psi)和/或持续时间(tsi)选择为大体上与相交面积成比例。
明确地说，根据以下方程式选择功率(Psi)：
其中n为子换能器且因此为子束的数目。
通过考虑每一子束的相交面积(Asi)，可最小化皮肤组织损伤的风险 (尤其是灼伤伤害)，而不影响待处理组织的总照射。明确地说，与布置得较远的子束相比，可减小布置得接近于皮肤的子束的功率(Psi)和/或持续时间(tsi)。
作为替代方案，每一子换能器的功率可保持恒定，且可使照射的持续时间(且因此施加的能量)与相交面积(Asi)相关(明确地说，成比例) 且类似于功率而加以确定。此举具有以下优势：所有子换能器仅需要一个超声波产生器，由此仅必须为每一子换能器提供接通/断开开关。
优选地考虑到子换能器表面处的子束面积(Atr)以及皮肤表面与子换能器表面之间的距离(Dts)来评估相交面积(Asi)。
这是基于以下原理：相交面积(Asi)与皮肤表面与子换能器表面之间的距离(Dts)相关。
明确地说，在使用焦点固定且表面大体上对应于球体表面的扇区或区域的换能器时，子换能器与焦点之间的距离(Dtf)等于球体的半径。子换能器表面的面积(Atr)也是已知参数。
或者，可使用可聚焦(即，通过相位阵列技术)的换能器。
优选地，根据以下方程式评估相交面积(Asi)：
其中Dsf为皮肤与焦点之间的距离，其可计算为Dtf与Dts之间的差。
优选地，借助于A模式超声回波描记术确定皮肤表面与子换能器表面之间的距离(Dts)。因此，A模式超声回波描记成像装置可集成到换能器中或定位成邻近于换能器，以便确定皮肤表面与子换能器表面之间的距离 (Dts)。
优选地，每一子换能器可配备有用于确定皮肤表面与子换能器表面之间的距离(Dts)的构件。用于确定距离的构件并不仅仅限于A模式超声回波描记术，而可包含(如上所述)用于确定照射区域的三维模型的构件或例如激光距离测量构件等其它构件。
如果相交面积(Asi)低于给定值，那么可优选地取决于所使用方法而将对应子换能器的功率(Psi)和/或持续时间(tsi)设定为零。因此，如果相交面积(Asi)经受剧烈的照射，那么对应子换能器不操作。
给定值可由操作者限定或取决于待施加到组织的照射的总功率(Ptotal) 和/或持续时间(ttotal)而进行计算。可考虑其它因素，如待处理组织的形状、待处理组织与皮肤表面之间的距离、待处理组织的类型、围绕待处理组织的组织的类型以及待处理组织的位置，等。
或者，可考虑到待处理组织的位置而现在待使用的子换能器。
优选地，所述方法进一步包括以下步骤：触发每一子换能器以放射超声波子束以便处理所述组织。这一步骤可同时或优选地依序进行，依序意味着子换能器一个接另一个地触发。
本发明进一步涉及一种用于处理活体的组织的装置，其优选地利用根据本发明的方法进行操作。对于优势以及进一步优选实施例，参考上述方法。
所述装置包含包括至少两个子换能器的换能器，每一子换能器用于放射优选为高强度聚焦超声波的超声波的子束以照射所述组织，所述子束中的每一个聚焦在或可聚焦到焦点上。
所述装置进一步包含用于确定皮肤表面与每一子束的相交面积(Asi) 的构件以及用于控制所述装置的控制构件，所述控制构件能够基于待施加到组织的照射的总功率(Ptotal)和持续时间(ttotal)而取决于所评估相交面积(Asi)、优选地与所述所评估相交面积(Asi)大体上成比例地确定每一子换能器的所述照射的功率(Psi)和/或持续时间(tsi)为所述总功率(Ptotal) 或持续时间(ttotal)的比率。所述用于确定的构件和所述控制构件通常是由装置的处理器或控制装置的操作的计算机形成。
优选地，所述装置具有的换能器的换能器表面大体上为半球形表面的扇区。这种配置由于其聚焦性质(明确地说，如果使用焦点固定的换能器) 且因为其以宽照射角度(取决于换能器的形状)提供良好照射性质而为优选的。还可使用其它配置，例如圆柱体表面或任何任意凹形表面的扇区。
进一步优选地，每一子换能器具有大体上相同的子换能器表面(Atr) 和/或子换能器形状。在使用根据本发明的方法时优选为这一情况，由此对于每一子换能器设定相同子换能器表面和/或形状可大体上简化相交面积 (Asi)的评估且因此减少控制构件的计算工作。
优选地，装置的换能器具有八个子换能器。
进一步优选地，装置的每一子换能器具有固定焦点，由此子换能器的焦点优选地重合。
本发明的另一方面涉及一种用于操作用于处理活体的组织的装置的方法。所述装置包含用于放射优选为高强度聚焦超声波的超声波的波束的至少一个换能器。所述波用于照射所述组织，且所述波束聚焦在或可聚焦到焦点上。所述装置进一步包含具有与所述焦点相交的至少一成像平面的成像装置。
所述方法包括以下步骤：定位所述至少一个换能器，使得所述焦点位于待处理的组织内。
另外，定向所述至少一个换能器，使得所述焦点距与所述波束相交的所述皮肤表面之间的距离(Atotal)在整个皮肤表面中尽可能恒定，由此使所述焦点不移动。换句话说，定向至少一个换能器，使得焦点与皮肤表面之间的距离的变化最小。
如上所述，可使用A模式超声回波描记术、照射区域的三维模型等等来在换能器的不同位置确定换能器表面与皮肤表面之间的距离。
根据本发明，这一方法适用于仅具有一个换能器的已知技术装置以及如上文所描述的具有多个子换能器的装置。本发明的两个方面皆优化皮肤表面上的能量分布，使得可减小或避免皮肤灼伤和其它伤害。
定向至少一个换能器优选地经进行而使得波束或子束尽可能垂直于皮肤。这意味着皮肤必须尽可能垂直于在焦点与换能器表面之间绘制到虚拟线，这意味着正交于换能器表面。
或者，可定向至少一个换能器，使得焦点与皮肤之间的距离尽可能恒定。可如上文所描述确定焦点与皮肤表面之间的距离。
优选地，为了定向换能器，围绕含于超声波成像装置的成像平面中的轴线旋转至少一个换能器。这对于简化与这一方法一起使用的装置的构造和控制特别有利，因为仅需要一个旋转驱动。
替代地或另外，可围绕垂直于优选地不与至少一个换能器的焦点交叉的成像平面的轴线旋转至少一个换能器。而且，在此情况下，可与这一方法一起使用简单装置，因为为了执行这一旋转，不必提供特殊驱动和控制构件。
在优选实施例中，考虑到照射区域的三维模型且因此也考虑到皮肤表面(如上所述)来确定焦点与皮肤表面之间的距离。可借助于成像装置获得这一模型。
对于根据本发明的装置的优势以及进一步优选实施例，参考上述方法。
作为替代方案，A模式超声回波描记构件可放置在至少一个换能器表面的中心，以便如上所述确定换能器表面与皮肤表面之间的距离。
如果待处理的组织大并且必须使焦点扫过待处理的整个组织(脉冲和暂停方法)，那么可优选地在暂停期间针对每一脉冲调整换能器定向。
附图说明
本发明现将根据本发明的优选实施例结合图式来进行描述，图式展示：
图1是根据本发明的装置的示意图；
图2是根据图1的装置的子换能器的示意性布置；
图3是根据图1的装置的子换能器的示意性布置；以及
图4是根据先前技术(左侧)与本发明(右侧)的方法和装置之间的示意性比较。
具体实施方式
图1示意性地展示包括具有固定焦点的换能器2的装置1，所述换能器划分成八个子换能器。在图2中，示意性地展示子换能器的布置，由此为清晰起见，总共仅展示六个子换能器，且仅两个子换能器2'和2”提供了参考数字。
换能器2具有为球形表面的扇区的换能器表面3，其中每一子换能器具有子换能器表面Atr，如图3中所示。
装置1进一步包含成像装置4，所述成像装置在此情况下为具有成像平面5的A模式超声回波描记装置。
换能器2的子换能器聚焦在共同焦点F上，焦点F也处于成像装置4 的成像平面5内。换能器表面与焦点之间的距离Dtf(其示意性地表示于图 3中)因此对于每一子换能器是相同的。
换能器经布置以使得焦点F位于由主体6示意性表示的待处理组织内。
在此情况下为乳房肿瘤的主体6不位于表面，而是由不得处理的健康组织围绕。乳房皮肤也由皮肤表面7示意性地表示。
关于图2，也示意性地表示子换能器的表面。由短划线示意性地表示且为清晰起见仅展示其中一个的汇聚结构8”表示由相应子换能器2”放射的波束。
每一子换能器2'、2”包括由参考数字9示意性展示的距离测量构件，其大致放置在子换能器表面的中心且用于确定子换能器表面与皮肤表面7 之间的距离以便执行根据本发明的方法。
成像装置4布置在示意性地表示的相邻子换能器之间的间隙10中。
在限定待施加到主体6的照射的总功率(Ptotal)和持续时间(ttotal)之后，通过距离测量构件9针对每一子换能器测量子换能器表面与皮肤表面 7之间的距离Dts。
接着通过装置1的控制构件(未展示)根据下式评估由每一子换能器产生的每一子束的相交面积Asi(也示意性地展示于图3中)：
子换能器表面的面积Atr以及子换能器表面与焦点F之间的距离Dtf(其等于换能器2的表面的半径)为装置1的已知参数。因此，还可计算皮肤表面7与焦点F之间的距离Dsf。
一旦已针对每一子换能器评估了每一相交面积，控制构件还根据下式与所评估相交面积Asi成比例地确定每一子换能器的照射的功率Psi为总功率Ptotal的比率：
接着使用控制构件来触发相应子换能器以便照射位于主体6内的待处理组织。
在照射之后，定向换能器2以处理主体6的在先前照射期间尚未处理 (或未以所需功率处理)的组织。再次测量子换能器的表面与皮肤表面7 之间的距离，评估相交面积Asi，且如上文所描述确定功率Psi。重复这一过程，直到已照射且因此处理整个主体6。
图4在左侧示意性地展示根据先前技术的布置，其中由或可由具有换能器表面3的换能器2放射的波束的焦点F聚焦在待处理组织上。波束与皮肤表面7相交。换能器表面3与皮肤表面7之间的距离Dts(由双头箭头示意性地表示，为清晰起见仅其中一个提供了参考符号)在与波束相交的整个皮肤表面中有所不同。
根据本发明，如图4的右侧示意性地所示而定向换能器2，使得换能器表面3与皮肤表面7之间的距离Dts在整个皮肤表面中尽可能恒定。

Claims (15)

1.一种用于操作用于处理活体的组织(6)的装置(1)的方法，所述装置包含：
包括至少两个子换能器(2'、2”)的换能器(2)，每一子换能器用于放射超声波的子束(8”)以照射所述组织，所述子束(8”)中的每一个聚焦在或可聚焦到焦点(F)上；
其特征在于，所述方法包含以下步骤：
定位所述换能器(2)，使得子束(8”)的至少一个焦点(F)位于待处理的所述组织(6)内；
限定待施加到所述组织(6)的所述照射的总功率(Ptotal)和持续时间(ttotal)；
评估皮肤表面(7)与每一子束(8”)的相交面积(Asi)；
取决于评估的所述相交面积(Asi)确定每一子换能器(2'、2”)的所述照射的功率(Psi)和/或持续时间(tsi)为所述总功率(Ptotal)或持续时间(ttotal)的比率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于考虑到子换能器表面的子束面积(Atr)以及皮肤表面与所述子换能器表面之间的距离(Dts)而评估所述相交面积(Asi)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于借助于A模式超声回波描记术确定皮肤表面与所述子换能器表面之间的所述距离(Dts)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于如果所述相交面积(Asi)低于给定值，那么将对应的所述子换能器(2'、2”)的所述功率(Psi)和/或所述持续时间(tsi)设定为零。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述超声波为高强度聚焦超声波。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，与评估的所述相交面积(Asi)成比例地确定每一子换能器(2'、2”)的所述照射的功率(Psi)和/或持续时间(tsi)。
7.一种用于处理活体的组织(6)的装置(1)，所述装置包含
包括至少两个子换能器(2'、2”)的换能器(2)，每一子换能器用于放射超声波的子束(8”)以照射所述组织(6)，所述子束中的每一个聚焦在或可聚焦到焦点(F)上，
其特征在于，所述装置进一步包含：
用于确定皮肤表面(7)与每一子束(8”)的相交面积(Asi)的构件，
用于控制所述装置(1)的控制构件，所述控制构件能够基于待施加到所述组织(6)的所述照射的总功率(Ptotal)和持续时间(ttotal)而取决于评估的所述相交面积(Asi)确定每一子换能器(2'、2”)的所述照射的功率(Psi)和/或持续时间(tsi)为所述总功率(Ptotal)或持续时间(ttotal)的比率。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述换能器(2)具有为半球形表面的扇区的换能器表面(3)。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于每一子换能器(2'、2”)具有相同的子换能器表面和/或子换能器形状。
10.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于所述换能器(2)具有8个子换能器(2'、2”)。
11.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于每一子换能器具有固定焦点(F)。
12.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于每一子换能器包括用于评估所述皮肤表面(7)与子换能器表面之间的距离(Dts)的A模式超声回波描记单元(9)。
13.根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述超声波为高强度聚焦超声波。
14.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，与评估的所述相交面积(Asi)成比例地确定每一子换能器(2'、2”)的所述照射的功率(Psi)和/或持续时间(tsi)。
15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，一个子换能器(2')的焦点(F)与至少一个其它子换能器(2”)的焦点(F)重合。
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