CN110464454A - 磁共振引导的激光热疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了磁共振引导的激光热疗系统，包括人机交互端口、多模态三维重建模块、消融预估模块、激光消融组件、组织冷却组件、和控制运算中心，激光消融组件括激光发生器、光纤、光纤连接器和消融探头，组织冷却组件包括蠕动泵、冷却套管、连接管路和冷却介质，控制运算中心加载了多模态三维重建模块、消融预估模块，与人机交互端口、激光发生器、蠕动泵通讯连接，消融预估模块根据方程进行消融预估。

Description

磁共振引导的激光热疗系统

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，尤其是涉及磁共振引导的激光热疗系统。

背景技术

在脑部的局灶性癫痫、恶性肿瘤(放疗解决不了的)和放疗后坏疽等病症治疗中，现有的热疗技术较难做到对深部病灶、非规则病灶的准确治疗，即在治疗中准确消融病灶，最大程度保护周边正常组织。而且相对不容易做到MR(Magnetic resonance，磁共振)兼容，无法使用MR温度成像进行精确辅助。

现有技术的客观缺点主要在于射频消融无法做到结果反馈。目前，临床上在实施脑病灶射频消融治疗前需对治疗参数进行规划，医生通过患者脑病灶二维影像确定病灶的位置和大小，凭经验确定射频加热剂量等治疗参数，难以对消融过程进行实时监控，及时调整手术过程，防止对病患的潜在危害。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供磁共振引导的激光热疗系统和系统，对规则和不规则的肿瘤均能进行有效消融，达到适形消融的目的。

本发明提供了磁共振引导的激光热疗系统，包括：

人机交互端口，其用于输入指令和显示图形界面；

多模态三维重建模块，其用于接收至少两种医学影像数据并基于医学影像进行三维结构的重建和融合：

消融预估模块，其基于磁共振成像的数据对组织所累积的热损伤进行计算，预估已经消融的组织体积；

激光消融组件，其包括激光发生器、光纤、光纤连接器，消融探头；

组织冷却组件，其包括蠕动泵、冷却套管、连接管路、冷却介质；

控制运算中心，其加载了所述多模态三维重建模块、消融预估模块，与所述人机交互端口、激光发生器、蠕动泵通讯连接；

其特征在于，所述消融预估模块能够根据以下方程进行消融预估，

其中，A(t)是消融函数，当≥1时，判定组织发生不可逆损伤，消融成功；TE为回波时间，为当前图像(加热后)的相位，为参考图像(加热前)的相位，α为屏蔽常数的温度系数，γ代表核旋磁比，B_o为主磁场强度；B(m)为组织类型m的分段函数，即当组织类型m为灰质或核团时B(m)＝1.2，当组织类型m为脑脊液或血液时B(m)＝0.2，当组织类型m为白质或纤维束时B(m)＝1.9。

在一些实施方案中，前述系统的人机交互端口为触摸显示屏，可以供使用者输入指令和呈现各个模块的运算结果。

本发明的磁共振引导的激光热疗系统中，激光发生器与控制运算中心通讯连接，根据控制运算中心的指令产生并调整用于进行消融的第一激光和用于辅助定位的第二激光；在一些实施方案中，第一激光为红外光，第二激光为可见光。

在一些实施方案中，前述系统的控制运算中心根据消融预估模块反馈的消融进程来控制激光发生器的输出功率，进一步地，控制运算中心还通过消融预估模块反馈的消融进程来控制蠕动泵的功率。

本发明的磁共振引导的激光热疗系统中，消融探头和冷却套管组合使用，冷却介质通过所述蠕动泵泵出，经连接管路到达冷却套管，优选地，冷却介质为生理盐水。

在一些实施方案中，本发明的磁共振引导的激光热疗系统还包括无线通讯模块，无线通讯模块用于将控制计算中心的数据与网络进行连接。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的磁共振引导的激光热疗系统示意图；

图2为本发明一个实施例的激光消融组件的组成示意图；

图3为本发明一个实施例的组织冷却组件的组成示意图；

图4为本发明的一个实施例的冷却套管的示意图；

图5为本发明的一个实施例的激光消融组件的使用状态示意图；

图6为本发明的一个实施例的激光消融组件的局部放大图；

图7为本发明的一个实施例的消融探头和冷却套管组合使用的局部放大图。

图标：

1-冷却套管外管封头；2-消融探头；3-冷却套管内管；4-冷却套管外管；5-进水组件；6-密封胶圈；7-出水组件；8-光纤连接器；9-光纤连接螺母；10-进/出水口；11-出/进水口；12-光纤。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

磁共振引导的激光热疗系统包括：人机交互端口、多模态三维重建模块、消融预估模块、激光消融组件、组织冷却组件和控制运算中心。

人机交互端口，其用于输入指令和显示图形界面，人机交互端口可以使用触摸显示屏，通过触控、鼠标、声控方式输入使用者的指令，同时显示系统其它模块的图形界面。

多模态三维重建模块，其用于接收至少两种医学影像数据并基于医学影像进行三维结构的重建和融合，例如接收患者的CT和MRI扫描数据，分别生成三维结构之后，进行多模态结构融合，不同类型的影像数据对不同的组织类型的分辨率各有不同，从而结合CT和MRI的优点，获得分辨率更好的三维模型，有助于后续的消融预估。

使用磁共振计算温度基于质子共振频率原理，利用一定温度范围内(-15～100℃)水质子共振频率与温度的线性关系来测量温度，该方法与温度之间呈稳定的线性关系，且无组织依赖性。

在本发明中使用PRF相位减法来计算温度变化值。随着温度升高，水质子共振频率降低，使用基本梯度回波序列(gradient recalled echo，GRE)即可以通过计算加热区域相位的变化得到质子共振频率的变化，相位变化的大小与回波时间TE呈正相关。

从磁共振设备接收到的DICOM图像中，可以读取到体像素的相位值，通过解卷叠算法预处理该相位值，可以如下可以提高温度成像算法的测温范围和温度准确度。解卷叠算法如下：

已知相位角的取得为上述公式，因此，可知相位角的值域范围为为避免相位角的卷叠，使用如下算法进项相位角差的计算。

由于需要进行快速扫描，所以MRI成像的厚度较大，从而导致间隔点较大，温度数据缺失，本公司通过GRE序列参数调整：TR/TE，sense以及FOV，结合相位数据预处理归一化、插值处理，解卷叠等，通过算法拟合了数据缺失部分的温度，提高了分辨率，减小了误差，实现空间分辨率1mm左右，温度准确度1℃以内，温度刷新时间4s(扫描三层)以内的温度监控，同时，基于良好的温度分辨率和数据分布，在三维模型的基础上建立了三维的温度图像。

消融预估模块，其基于组织温度和温度持续时间，对组织所累积的热损伤进行计算，预估已经消融的组织体积。当组织温度超过42℃时，保持在此温度下一段时会对组织产生不可逆的损伤，直至凝结变性，称为消融，温度越高，需要的持续就越短，为了防止组织气化，热消融的治疗温度通常控制在42-90℃，优选60-90℃。对目标病灶进行消融时，为了尽量避免对正常组织的影响和损伤，需要对消融的进程进行预估，以防止对重要的功能脑组织造成损伤，同时确保核心病灶的损毁。不同的组织类型的热容量对于热消融有重要影响，血液、脑脊液的循环会带走大量热量，对消融的结果有重要影响，在此基础上，基于热积累方程和发明人长期临床试验的数据校正，本发明系统探索并得到以下方程进行消融预估：

其中，A(t)是消融函数，当≥1时，判定组织发生不可逆损伤，消融成功；TE为回波时间，为当前图像(加热后)的相位，为参考图像(加热前)的相位，α为屏蔽常数的温度系数，γ代表核旋磁比，B_o为主磁场强度；B(m)为组织类型m的分段函数，即当组织类型m为灰质或核团时B(m)＝1.2，当组织类型m为脑脊液或血液时B(m)＝0.2，当组织类型m为白质或纤维束时B(m)＝1.9。

激光消融组件，其包括激光发生器、光纤、光纤连接器，消融探头，参照图2；

激光发生器产生用于消融的激光和用于校验系统状态的激光。激光发生器可以是气体、固体、半导体或者是光纤激光器。激光的种类可以是红外线、紫外线或可见光。消融主要应用波段为980nm附近，功率可调，最大不大于30W，连续激光，并可以调制成脉冲激光，脉冲宽度可以是10ms～100000ms，脉冲频率可以是0.01Hz～100Hz。用于校验系统状态的激光波段主要在640nm附近，功率不大于2W，连续激光。在进行消融之前，将激光发生器连接光纤，光纤再通过连接器与消融探头连接，使用激光发生器发出校验系统状态的激光，可见光肉眼可见，从而可以简单的确认光路是否处于正常工作状态。

消融探头，可以为，但不限于散射探头、定向激光消融探头或是定向散射探头。

具体地，消融探头包括光纤纤芯、散射率材质和保护层等结构。散射探头中涉及的散射头、散射率填充物等均可根据不同的散射需要进行选择，进而保证光纤在径向均匀出光的效果，且散射头内部结构可根据病灶的实际形状进行调整；

定向散射探头的原理在于在散射探头的基础上涂覆反光材料，进而在未涂覆反光材料的部分形成定向散射窗口，激光由定向散射窗口出射，实现对病灶的消融；

定向激光消融探头则在端面处进行加工，并在加工后的端面上涂覆发光材料，进而形成定向反光面，激光从定向反光面折射出，达到消融病灶的目的。

组织冷却组件，包括蠕动泵、冷却套管、连接管路、冷却介质，参照图3；蠕动泵用于提供冷却间质的循环动力，可提供0～60ml/min的间质循环速度。冷却间质可以是生理盐水。冷却套管可以是医用橡胶材质，如聚碳酸酯(polycarbonate)、聚氨酯(polyurethane)、聚乙烯、聚丙烯、硅树脂、尼龙、PVC、PET、PTFE、ABS、PES、PEEK、FEP等。通常情况下，使用温度低于25℃的生理盐水，通过蠕动泵调节循环速度即可控制满足需求。参照图4与图5，生理盐水通过蠕动泵的泵送，进入连接管路，之后连接冷却套管，从入口10进入，吸收热量，然后了从出口11流出。蠕动泵接收来自控制运算中心的控制信息，基于消融预估模块的预估进行调节。

组织冷却组件的详细结构，以及与消融探头结合在一起使用的装填在图4-7中示出，图4是冷却套管的结构示意图，图5和图7显示了冷却套管外管封头1，消融探头2，冷却套管内管3，冷却套管外管4，进水组件5，密封胶圈6，出水组件7，光纤连接器8，光纤连接螺母9，进/出水口10，出/进水口11，光纤12的具体位置以及相互连接关系。

图5为图4的A截面的截面示意图，参照图4、图5和图6，进水组件5通过密封胶圈6与出水组件7密封同轴组合在一起，出水组件7通过鲁尔接头与光纤连接器8与光纤连接螺母9连接在一起，并密封。光纤12穿过光纤连接螺母9，通过鲁尔接头与光纤连接器8连接，并密封。

进水组件5与冷却套管外管4粘合在一起，出水组件7与冷却套管内管3连接在一起，冷却间质从进水口10流入冷却套管外管4与冷却套管内管3的间隙，经过消融探头2后，经由冷却套管内管与消融探头2之间的间隙，从出水口11流出，带走消融探头2的热量。

冷却套管外管的材质既可以很硬以便直接穿刺，也可以很软。适用的材料包括：聚碳酸酯(polycarbonate)、聚氨酯(polyurethane)、聚乙烯、聚丙烯、硅树脂、尼龙、PVC、PET、PTFE、ABS、PES、PEEK、FEP等。

控制运算中心，其加载了多模态三维重建模块、消融预估模块，与人机交互端口、激光发生器、蠕动泵通讯连接；控制运算中心为多模态三维重建模块、消融预估模块提供硬件和运算支持；将各模块得到结果传输到人机交互端口显示，操作者的命令通过人机交互端口输入，在控制运算中心得到执行；控制运算中心发出控制信息，控制激光发生器发生激光的种类、功率、持续时间等；控制运算中心还发出控制信息，用于启动、关闭、和调节蠕动泵，从而调节冷却间质的循环速率，控制消融探头附近的组织温度。同时，控制运算中心可以设定并监控激光消融组件与组织冷却组件的安全运行参数，当系统运行参数超出设定安全阈值时，控制运算中心将快速控制设备紧急停止。

磁共振引导的激光热疗系统还可以包括其他模块，例如无线通讯模块，无线通讯可以减少有限连接，介入更如的人机交互终端，从而方便系统的扩展和使用。

实施例一：

参照图1，磁共振引导的激光热疗系统包括：人机交互端口、多模态三维重建模块、消融预估模块、无线通讯模块、激光消融组件、组织冷却组件和控制运算中心；激光消融组件包括激光发生器、光纤、光纤连接器，消融探头；组织冷却组件包括蠕动泵、冷却套管、连接管路、冷却介质；控制运算中心，其加载了所述多模态三维重建模块、消融预估模块、无线通讯模块，与人机交互端口、激光发生器、蠕动泵通讯连接；融预估模块根据以下方程进行计算：

其中，A(t)是消融函数，当≥1时，判定组织发生不可逆损伤，消融成功；TE为回波时间，为当前图像(加热后)的相位，为参考图像(加热前)的相位，α为屏蔽常数的温度系数，γ代表核旋磁比，B_o为主磁场强度；B(m)为组织类型m的分段函数，即当组织类型m为灰质或核团时B(m)＝1.2，当组织类型m为脑脊液或血液时B(m)＝0.2，当组织类型m为白质或纤维束时B(m)＝1.9。

控制运算中心接受并存储病人术前医学影像数据，医学影像数据为包含病灶数据的至少两种医学影像，多模态三维重建模块基于前述医学影像数据，分别进行三维重建，然后将不同数据来源的三维模型进行融合，获得更精确的三维结构模型。

操作医生根据经验设定光纤插入路径后，通过立体定向方法将与冷却套管组合的消融探头放置到指定位置，控制运算中心发出控制信号，控制激光发生器发出所需的功率强度，蠕动泵的循环速率，融预估模块基于磁共振数据，对时间进行累计计算热量的损害，从而对消融情况进行预估，激光发生器根据预估情况对激光功率和冷却间质的循环速率进行反馈控制，从而实现了消融的实施监控和有效调节。

优选地，控制运算中心通过无线通讯模块进行通讯，接收数据和发送控制命令，与网络进行连接，同时人机交互端口可以有多个，从而大大扩展展示区域和参与操作的人数。

本发明实施例提供的磁共振引导的激光热疗系统，与上述实施例提供的磁共振引导的激光热疗系统具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (10)

1.磁共振引导的激光热疗系统，包括：

人机交互端口，其用于输入指令和显示图形界面；

多模态三维重建模块，其用于接收至少两种医学影像数据并基于医学影像进行三维结构的重建和融合；

消融预估模块，其基于磁共振成像的数据对组织所累积的热损伤进行计算，预估已经消融的组织体积；

激光消融组件，其包括激光发生器、光纤、光纤连接器，消融探头；

组织冷却组件，其包括蠕动泵、冷却套管、连接管路、冷却介质；

控制运算中心，其加载了所述多模态三维重建模块、消融预估模块，与所述人机交互端口、激光发生器、蠕动泵通讯连接；

其特征在于，所述消融预估模块能够根据以下方程进行消融预估，

其中，A(t)是消融函数，当≥1时，判定组织发生不可逆损伤，消融成功；TE为回波时间，为当前图像(加热后)的相位，为参考图像(加热前)的相位，α为屏蔽常数的温度系数，γ代表核旋磁比，B_o为主磁场强度；B(m)为组织类型m的分段函数，即当组织类型m为灰质或核团时B(m)＝1.2，当组织类型m为脑脊液或血液时B(m)＝0.2，当组织类型m为白质或纤维束时B(m)＝1.9。

2.根据权利要求1所述的磁共振引导的激光热疗系统，其特征在于，所述人机交互端口为触摸显示屏。

3.根据权利要求1所述的磁共振引导的激光热疗系统，其特征在于，所述消融预估模块能够对组织的消融情况进行实时的预估。

4.根据权利要求1所述的磁共振引导的激光热疗系统，其特征在于，所述激光发生器与所述控制运算中心通讯连接，根据所述控制运算中心的指令产生并调整用于进行消融的第一激光和用于辅助定位的第二激光。

5.根据权利要求4所述的磁共振引导的激光热疗系统，其特征在于，所述第一激光为红外光，所述第二激光为可见光。

6.根据权利要求1所述的磁共振引导的激光热疗系统，其特征在于，所述控制运算中心通过所述消融预估模块反馈的消融进程来控制所述激光发生器的输出功率。

7.根据权利要求6所述的磁共振引导的激光热疗系统，其特征在于，所述控制运算中心通过所述消融预估模块反馈的消融进程来控制所述蠕动泵的功率。

8.根据权利要求1所述的磁共振引导的激光热疗系统，其特征在于，所述消融探头和所述冷却套管组合使用，所述冷却介质通过所述蠕动泵泵出，经连接管路到达冷却套管。

9.根据权利要求8所述的磁共振引导的激光热疗系统，其特征在于，所述冷却介质为生理盐水。

10.权利要求1至权利要求9任一项所述的磁共振引导的激光热疗系统，其特征在于，还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块用于将控制计算中心的数据与网络进行连接。