CN1058539A - 超高速体外超声高温治疗装置 - Google Patents

Abstract

一种体外超高速超声高温治疗装置，能使聚焦的 超声波列发射具有0.5～10MHz的频率及10KW到 几百瓦的峰值功率，限定治疗波束在焦点外的集中程 度的参数及功率的确定是，不管组织的性质及深度， 使治疗时间的级别必需能显著最好彻底摧毁目标，并 且是在显示温度作为时间的函数增加的曲线的线性 部分进行的。

Description

本发明涉及一种超高速体外超声高温治疗装置。

利用聚焦的超声波束引起生物组织的特定部位升温而达到摧毁肿瘤的目的是人们所知的，特别是在1984年3月递交的法国专利No.84  06877中，介绍了一种有关利用超声装置检查并发现肿瘤位置的装置并提供了一种在特定部位超声高温治疗的装置。

在上面提及的专利中描述的装置中，所述的波束是以波列的形式发射的，具有很高的频率（例如0.5-5MHz，较低的频率用于摧毁体内的较深层的结构）并具有一个相对低的峰值功率（大约10到100瓦，较高的功率用于催毁较深层的结构）。

这些波列是被时间间隔分离开的，在此期间内，可进行实时（通常是B型）超声扫描，重新调整焦点使其相对接近目标（它受到由于呼吸引起的生物组织的自然运动的影响）或检查在治疗区域组织所受到的破坏。

根据目标区域的深度，随着功率的大小及使用的频率，目标的温度增加到大约45℃，在原则上，这个温度足以催毁恶性细胞。以前人们一直认为目标区域的温度的过分增加由于热扩散的缘故会造成周围区域的严重损伤。

结果，治疗时间是相对较长的，可能几十分钟甚至几个小时。

本发明是基于以下发现，即，根据目标区域的深度及吸收的能力将波的峰值功率增加10倍到100倍，通过引起超高速温升，可以实现显著降低热扩散的影响并在以一秒的级别的时间内催毁目标区域。

本发明包括一种上面提到的治疗装置，该装置能够使聚焦的超声波列射束以0.5-10MHz的频率及10KW到几百瓦的峰值功率发射，参数的选取使治疗束都集中到焦点上，功率的确定原则是不管所处的组织的深度及性质要使治疗时间的级别保证在显示作为时间函数的温度增加的曲线的线性部分内极大程度地最好是全部地摧毁目标。

所述装置的发射频率及发射面的直径以及焦点的直径系根据目标的性质及深度有利地确定，使得射束得到最大的集聚，然后根据频率的给定值及选择的直径确定功率，使得目标在58℃左右的温度，0.5到3秒钟时间内被催毁。

由申请人完成的实验显示了需要实现一种用于以很高的峰值功率准连续发射的装置，使本装置的构成能够减小健康细胞的损害同时提高摧毁目标的有效性，特别是对目标细胞的额外的机械性破坏作用的结果，因此，提供了一种新型的定位式超声高温治疗技术，“超高速高温治疗”的名词在以后的描述中是名付其实的。

超高速高温治疗的另一个优点是它在治疗当中提供了目标变化的显著增强的回声探测检查。

根据本发明另一个特征，这种检查是在治疗波束间歇期间以给定的速率以A型或B型回声图进行的，以使有时间对回声图或图象进行可检测的改变（很可能是超高速高温治疗中的十分之几秒）并不被虚假的改变所掩盖，这种虚假的改变是由波列的移动引起的（现有高温治疗技术的情况）。

本发明还涉及特殊的A型或B型回声探测技术，它能对目标产生的变化提供超高速检测以便在目标一旦被催毁后即停止治疗。

本发明的其它特征及优点从下面的描述中将变得更为清楚，首先描述的是超高速检测技术，接下来描述超高速高温治疗装置的构成。

图1是超高速高温治疗装置及提供的在治疗当中用于超高速检测目标变化的装置的方框图;

图2是所述的检测装置运行的定时图;以及

图3显示了表示生物组织的温度以时间为函数增加的曲线。

图1是一种已知类型的回声探测装置的框图;包括一个实时探头1，其中包含一个压电元件12，由电机13通过以点划线表示的传动系统产生振荡。

例如，该探头可以是法国专利（No.8010718，申请日7月29日1980年）描述的那种，名称为“机械式扇型扫描回声探测头”。

压电元件12由一个脉冲发生器2激励，而电机是由一个锯齿扫描信号发生器（产生图2所示的波形）来控制的，对要治疗的部位的一个扇区进行扫描，此扫描通过治疗波束发射器的焦点。

从生物组织反射的脉冲由输出端接于一个模/数变换器5的接收器4放大。

一个电子开关6将变换器5的输出连接到两个存储器61和62中的一个或另一个。每次扫描时发生开关转换，为此目的，开关6被连接到锯齿波发生器3的适当的输出端。

在每个存储器中，写操作的寻址是根据由探头发射的波束的角位置以一种已知的方法实现的，并从每次发射开始时计时，使在每次扫描中能将治疗区的完整图象写入两个存储器当中的一个之中。

存储的内容仍然是以一种已知的方式读出，结果信号通过开关71被送到数字减法器，该开关在每次扫描时改变其输入端E₁及E₂和其输出端S₁及S₂之间的连接（为此目的已与发生器3的适当的输出端连接）。

如不加转换，计算限定两个图象的相继的点的系列的数字的差的减法器将从原来的图象中减去当今的图象然后再从当今的图象减去原来的图象，如此等等，使用转换目的在于在每次扫描中总是从当今的图象减去原来的图象。

减法器7的输出端连接到数/模变换器72，由变换器72提供一个用于改变显示装置8中的阴极射线管的亮度的电压。

输出端S₂连接到第二个数/模变换器73。电位器74提供一个代表图象差的变换器72的输出电压及代表最新存储的图象的变换器73的输出电压的可变的混合电压。

于是，操作者既可以观察治疗区的常规的图象，对有关结构进行初始诊断，也可以观察图象差，使他能观察到在治疗中组织的变化如何。

由于治疗中使用了高峰值功率，在治疗波束发射时难以形成图象，从有关组织反射的能量足以使回声探测头“炫晕”。这种效应在发射结束后可持续一到几微秒。因此，对发射的波列以一定间隔分开是必要的（图2中波形B）该时间间隔要略长于回声探测扫描的时间，例如可以是 1/20 S并使后者与发射同步。

很显然而且必要，由于呼吸引起的生物组织的自然运动，图象必须以足够高速度形成，以避免在两个相继的图象中产生过量的差别而掩盖在治疗中结构的变化所造成的差别效果。例如，发射时间可以选择至少每0.5S得到一帧图象。这意味着治疗射束的峰值功率足以显著摧毁目标的细胞并且发生的时间只需十分之几秒。

图2显示在（C）的时间间隔中，存储器61被写入，在（D）的时间间隔中，存储器62被写入，在（E）的间隔中存储器61被读出，在（F）的间隔中存储器62被读出，在（G）和（H）显示了输出端S₁和S₂的结果状态。存储器中的图象的序数被示出，表明原来的图象总是从当今的图象中减去的。

再看图1，功率发射器（transducer）T以一个圆形的杯状表示，在上面放有压电元件，并由治疗波束发射器10提供能量。发射头最好采用法国专利No.8406877中描述的那种，而探测头1尽管在图中显示的是分离的，但在实际当中可以与杯状的发射器结合，如同前边提到专利一样，将其放在杯中心并沿其轴线定向。

图1还示出了目前描述的发明的实施例中未使用的部分，而且仅在将要描述的实施例中使用。

这些部件为一个可变比率频分器9，一个与门11，一个存储器12，一个显示装置13及一个开关14。

当开关14在位置a时，频分器9与锯齿波发生器3连接，并当探测头的轴线穿过治疗波束发射器（杯T构成的一部分的球面的中心）的焦点时，提供一个同步信号。然后，频分器的频分比率被设定为例如在1到5之间。

因此，为每N次扫描，提供一个短的信号加于功率发射器10使其在大约1ms的时间内不工作。

所述的短信号加于与门11并启动1/1000S并将数字信号从变换器5传递给存储器12。

存储器12需要时间获得代表扫描线的信息，其所需时间仅为0.2ms的级别（与获得一个完整的图象需要0.2S到0.02S相比）。

因此，在本实施例中，在治疗波束脉冲时，治疗波束将以1ms为间隔，并且每1/20S发生一次，结果与未加间隔的治疗束相比，平均功率只有轻微的降低（例如2%）。

按此方式“在空中”每1到5次扫描得到的扫描线通过焦点，本发明利用A型超声扫描，并且只要在单一方向收集信息就足够了。通过将探测头沿穿过目标的特定方向固定也可达到等同的效果。

存储在存储器12中的回声信号以50Hz的速率读出，并在装置13的屏幕中连续显示出。

这种读出频率在视觉上是舒适的。

由操作者的眼睛在治疗中对收集到的信息进行等效的数字减法的速率必需使人眼能感觉到超声扫描在幅度上的变化。

应当理解，利用B型超声探头获得A型回声图的优点是使用同一探头在对目标治疗前进行B型超声扫描（这里，“目标”一词指与焦点大小完全一致的肿瘤的一部分，并且对肿瘤的彻底治疗需要连续地将治疗束聚集在构成肿瘤的目标区上），以实现如同前边提到的法国专利No.8406877中描述的那样的目标区的定位。在对目标的治疗期间甚至可以利用同一探头进行B型超声扫描再次定位，利用在治疗波束中插入一个足够的时间间隔以获得图象（1/20S）。

下面参照图3解释超高速高温治疗装置的其它特征。

该图示出，对于一个小的热源（该例中为一个小直径的焦点），实验测定的由于超声波束作用而使治疗区的温度T的增加对两个不同的功率水平，是使用时间的函数（曲线Ⅰ和Ⅱ）。

可以看到，对两条曲线来说，在大约相同的时间内温度的上升是线性的，只是对应于不同的温度，分别为T0₁和T0₂。在经过相等的时间5×t0后，曲线达到顶点即斜率降至最低。顶点的温度对第一条曲线大约为3×T0₁，对第二条曲线大约2.6×T0₂。

应当注意，t0与所加的功率是无关的，并与焦点的直径成正比。在实验中产生的图3所示的曲线中，t0＝0.5S。

在本发明的最佳实施例中，其装置被设计为在最多不超过t0的时间内将恶性细胞完全破坏。

发明人还发现上述作法可将对目标周围区域的损害降至最小。

此实验结果可用这样的事实解释，在曲线的线性部分，与输入的热量相比，由于扩散而产生的损失是可忽略的。此外，热量损失与目标及其周围组织的温度梯度成比例，并迅速增加直至等于输入的热量（在曲线顶部的温度）。当热量的输入结束后，目标的温度在这些实验中在3到6×t0的级别的时间后即以指数下降到基本上不再有破坏作用的温度值。这个时间（此例中为1.5～3S的级别）基本上限定了二个相继的治疗波的波列的最佳间隔，使得所有的波列都将扩散损失降至最小。

在图2中，波列周期略为少于0.5S，选定该值是因为它对应于t0，相继的波列只以0.05S间隔开，并加到肿瘤的不同目标上，一个单独的波列足以使对每个目标在加前与加后的反射状态进行比较。

已知摧毁肿瘤细胞所需的时间t与它们所经受的温度T从后者的一个阀值Ti例如为43℃开始是成比例的。对于T＝58℃，t值为0.5S的级别，因此该装置定为在目标处产生的温度为58℃。在43℃以上温度每增加一度，所需时间T基本上折半，所以在温度从50°增加到60℃之间分为例如1000等分。

为了使目标温度在0.5S内比正常上升20℃，表示温度上升率为40℃/S，应用了下列参数：

首先，由目标的深度确定焦距。本装置提供了五种焦距值，即4～15Cm（用于摧毁较深层的肿瘤），3～4Cm（用于中间深度的肿瘤及1～1.5Cm（如治疗眼部）。

对于每种焦距，工作频率的确定原则是使在焦点处的超声能量最为集中。

经验证明，当第一个条件满足后，对于一个给定的发射功率，当在焦点处的能量密度为最大时，损害周围细胞的危险被降至最低。

关于这一点可能的解释为，焦点处的能量集中度为Kg/Ka，其中Ka是衰减因数，其增加与频率成正比（经验证明所述的衰减是以每厘米的距离及每MHz衰减1℃的等级）而Kg等于（D₀/d₀）²，其中D₀及d₀分别是发射面及焦点的直径。

几何集中度参数Kg代表在能量源及焦点处的强度比不涉及任何波束在距离上的衰减，因此，参数Ka须为最小以避免在经过的组织中的能量损失，这部分只占组织吸收的能量的很小的百分比，并且只是这部分是变成热量。

集中程度，在焦点处的剩余能量及在目标处温温度增加的速率经发明人的计算，为焦距，波束进入组织的入口直径，及针对波束的恒定的孔角与1W的发射功率的频率〔三者〕的函数。

计算显示剩余的能量与频率成反比，但是最大的剩余能量并不反映最大的集中程度，因此，也不反映最快的温度增加。

这可以用这样的事实解释，即频率对Ka及温度增加率的影响与对Kg的影响的方式相反。

例如，发射功率为1KW，各自的焦距分别为10到12Cm，而各自的组织入口直径为10到12Cm，最佳频率按此情况确定为1MHz，产生的温度增加率分别为33.97℃/S及21.43℃/S。于是在理论上功率应分别等于1.2及1.9KW，以取得温度增率40℃/S，为保险起见，使用一个明显高于这些值（例如10KW）的功率，使直到治疗束的每个脉冲结束，才达到58℃的温度。

对于焦距为3到5Cm而各自的入口直径为3及5Cm，其它是相同的，各自的最佳频率将为3MHz及1.5MHz，而各自的温度增加率将为384.89℃/S和135.91℃/S。理论上所需的热功率为大体上少于1KW。但为了保险起见，可使用2～5KW的功率。

对于焦距为1.5Cm，最佳频率的6MHz，而温度增加为1539.57℃，在实际当中，需要的功率为几百瓦的级别。

一般来说，在超高速高温治疗中使用的峰值功率，特别治疗较深的肿瘤，在构成装置中需要特别的条件。具体地说，有必要利用压电陶瓷材料，这样材料具有承受高的峰值功率及迅速冷却的能力。也可能需要强制制冷装置。也可能需要使用额外的电源向电子发生器提供电源。

注意所限定的最佳功率值不要被极为显着的超过，以避免损伤周围的组织的危险。已经指出，当治疗区内所加的功率结束的时刻由于积聚在焦点区域内的热扩散造成温升保持足够高以相对快的速度摧毁恶性细胞，治疗区的直径的增加与在焦点区域温度增加的平方根成比例，反过来也与功率成比例。

最后还应注意，在指出的功率上超声波束在传播过程中逐渐变化到显著的程度，其结果是出现比原来波束更高的频率成分。

这些高频成分更能被组织强烈地吸收，因此产生更大的热效应。

频率及功率的选择能使波束通过组织外层时，所生损害很少而在焦点处产生热效应。

波束另外还产生一种机械效应补充其热效应以增加治疗效率。

Claims (8)

1、一种体外超高速超声高温治疗装置，能以0.5～10MHz之间频率及具有10KW到几百瓦之间功率发射聚焦的超声波列射束，限定整个治疗波束在焦点外的集中程度的参数及功率的确定原则为，不管组织的深度及性质，治疗时间的级别要能够显著催毁最好彻底催毁目标并是在显示温度以时间为函数增加的曲线的线性部分期间进行的。

2、根据权利要求1的装置，其中所述装置的发射面的直径及发射频率和焦点的直径是根据目标的深度及性质确定的以使治疗波束被最大程度地集中然后根据选定的频率及直径确定功率使得目标在温为58℃左右在0.5～3S的时间内被催毁。

3、根据权利要求1的装置，其中加到同一目标的相继的波列以1.5S～3S的时间等级间隔开。

4、根据权利要求1的装置，对于焦距为10Cm和12Cm及最佳频率为1MHz，使用的功率在10KW的级别，对于焦距为3Cm和5Cm及最佳频率分别为3MHz和1.5MHz，发射功率为2～5KW，对于焦距为1.5Cm而最佳频率为6MHz，发射功率则为几百瓦的级别。

5、根据权利要求1的装置，包括用于回声探测检查在治疗中对目标破坏情况的装置，所述的装置对目标进行B型回声探测，并可至少对在一个治疗波列的前后取得的两个相继的图象进行比较。

6、根据权利要求5的装置，包括可用于以数字信息的形式存储相继的图象并对所存储的图象点对点相减形成图象差的装置。

7、根据权利要求6的装置，包括用将存储的图象叠加到图象之差的图象的装置。

8、根据权利要求1的装置，包括利用一个B型回声探测头当检查波束经过一个预定的方向并在治疗波束极短的间隔内捕捉回声用于检查在治疗期间目标的破坏程度的A型回声探测装置。

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