CN112074323A - 在深度区域性热疗中操控能量沉积的系统、方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明尤其提供了用于产生多个磁场的装置和系统以叠加地组合和控制深度电场产生从而产生临床认可的集中加热，以及提供了使用这种装置和系统在对象中引发局部区域性热疗的方法。本文公开的方法、系统和装置向有需要的对象例如患有癌症的对象提供改善的热疗治疗。

Description

在深度区域性热疗中操控能量沉积的系统、方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2018年1月8日的美国临时专利申请序列号No.62/614,993的权益，其全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及通过使用感应耦合线圈对使得产生多个磁场以叠加地组合它们之间的电场，从而以深度集中加热来引发局部区域性热疗。本发明允许感应耦合系统来使电场靶向，而不考虑组织的介电常数，并避免产生针对肌肉组织的主要为浅表加热。本发明允许使用简单、成本有效的设计，不需要宽带射频(RF)发生器或相控天线。
背景技术
已知将靶向深度热疗用于治疗应用，例如癌症治疗、肿瘤消融和其它疾病的治疗(Anderson等人，美国专利申请公开No.20180015294 A1)。基于感应耦合(磁场)天线进行射频热疗的系统相对于主要通过辐射电场或耦合电场加热的其它系统具有优势。所有相关组织的磁导率接近1，因此预测磁场场形已知是非常精确的。考虑到产生用于加热的电场的取向和方法，通过适当设计的感应耦合系统可以避免对脂肪组织优先加热。
目前用磁场加热的方法缺乏深度加热(即，对于大体型患者加热到大于10cm的所需临床深度)的能力。本发明涉及解决上述这些问题的系统和方法。
发明内容
本发明表明，在感应耦合系统中产生靶向加热可不是无足轻重的。本领域中的常规系统(包括感应耦合系统的改造)不能在大于10cm的临床相关深度处加热，这是因为还没有可用的和/或还未使用用于控制所产生电场部位的方法。在围绕腹部虚拟人体模型的其它感应系统的模拟中，采用了表面扁平线圈、圆周线圈绕组和基于亥姆霍兹的圆周线圈对的那些系统不能在深度处产生可接受的加热，这是因为电场产生图形总是受到骨骼肌和腹肌中大能量沉积的限制。本发明使用多个磁场来产生叠加电场(主要通过产生涡电流)，从而可以在低频下实现临床相关的加热，但不会通过采用例如相控的方法而增加系统的复杂性或成本。特别是，该设计允许在13.56MHz、27.1MHz和40.68MHz的开放给工业、科学和医用的频率下进行相关的深度加热，这些频率在人或大型动物相关几何结构的情况下对相控天线的响应不佳。此外，本系统是磁共振成像(MRI)安全和可透过的，允许同时操作，以便利用例如磁共振热成像之类的技术。
在本发明的一个实施例中，提供了一种用于产生多个磁场的系统，以叠加地组合和控制深度电场产生，从而产生临床认可的集中加热。该系统包括：
a)基座，尺寸足以容纳对象；
b)一个或多个区段，其中：
i.每个区段包括至少一对线圈，其中，所述对中的每个线圈大致平行于并且面向另一个线圈，并且所述对中的每个线圈分隔开一定距离；
ii.所述对中的每个线圈以预定设计布置；以及
iii.每个线圈的宽度等于或大于每个线圈对之间的分隔距离；
以及
c)一个或多个射频(RF)发生器，用于控制施加在所述对的每个线圈上的RF的幅值，以使比吸收率(SAR)图形在期望方向上移动。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种用于在有需要的对象中引发局部区域性热疗的方法。该方法包括：
a)提供用于产生多个磁场的装置，以叠加地组合和控制深度电场产生，该装置包括：
(I)基座，用于容纳对象；
(II)一个或多个区段，其中：
i.每个区段包括至少一对线圈，其中，所述对中的每个线圈大致平行于并且面向另一个线圈，并且所述对中的每个线圈分隔开一定距离；
ii.所述对中的每个线圈以预定设计布置；以及
iii.每个线圈的宽度等于或大于每个线圈对之间的分隔距离；
以及
(III)一个或多个射频(RF)发生器，用于控制施加在所述对的每个线圈上的RF的幅值，以使比吸收率(SAR)图形在期望方向上移动；
b)根据对象的尺寸和期望的加热深度，调整每个区段中线圈的尺寸和基座的尺寸；
c)将对象放置在基座上；以及
d)产生多个磁场，以在对象的期望深度处产生靶向加热。
在本发明的又一个实施例中，提供了一种用于产生多个磁场的系统，以叠加地组合和控制深度电场产生，从而产生临床认可的集中加热。该系统包括：
a)可互换的基座；
b)一个或多个区段，其中：
i.每个区段包括至少一对线圈，其中，所述对中的每个线圈大致平行于并且面向另一个线圈，并且所述对中的每个线圈分隔开一定距离；
ii.所述对中的每个线圈以预定设计布置；
iii.每个线圈的宽度等于或大于每个线圈对之间的分隔距离；以及
iv.每个线圈的长度等于或大于每个线圈对之间分隔距离的1.5倍；
c)一个或多个射频(RF)发生器，用于控制施加在所述对的每个线圈上的RF的幅值，以使比吸收率(SAR)图形在期望方向上移动；
d)固态开关；
e)空气冷却装置；以及可选地
f)MRTI装置。
附图说明
本专利或申请文件包含至少一幅彩色形式的附图。一旦发出要求并且支付必要费用，带有彩色附图的本专利或专利申请公开的副本将由专利局提供。
图1示出了布置成使得以相反相位(在隐藏轴线中)产生两个磁场的单个线圈。可以在任何点处馈电该线圈，但实际上是在左侧或右侧的最长边缘之一上。这种电磁设计还是用两个线圈完成的，每个电流旋转方向一个线圈，并且两个线圈紧密地叠置。
图2是模型描绘图，示出了区段(1)，该区段包含来自图1的一对线圈(10a和10b)，彼此以距离(20)(例如，25cm)分隔开，二者之间放置例如20cm的肌肉组织。如图所示，每个线圈的宽度(30a，30b)等于每对线圈(10a，10b)之间的分隔距离(20)。
图3是用EM-FDTD软件求解得到的磁场图(对称切片图)，示出了由一对线圈产生的两个相反相位的磁场。
图4是用EM-FDTD软件求解得到的电场图(对称切片图)，示出了由一对线圈产生的涡电流，特别是在中心的叠加区域处。
图5A是示意图，示出了系统采用数字控制信号(蓝色)来命令固态开关和一个或多个RF发生器以离散分时和幅值供电(黑色)并切换双磁场感应耦合线圈对的三个区段的选择。
图5B是本发明的示例性系统的草图。该系统采用了包含MRI安全固态开关(未示出)和RF阱(未示出)的“基座”(10)，可切换到不同尺寸RF线圈(未示出)和MRI线圈(未示出)的“施加器”(30)，以顺应不同的对象解剖结构。还示出了槽(20)，用于利用经由可更换泡沫垫(参见图6D，浅蓝色)扩散的加压空气来进行对象冷却和舒适。
图6A至图6D示出了空气冷却装置的构造。
图7A是示出了系统配置的示意图。
图7B示出了射频(RF)发生器。
图7C示出了蝴蝶式线圈和盒的布置，该盒容纳有猪肉糜以模拟人体组织。
图8示出了用于温度探针放置的轴线。
图9示出了1英寸深度测试的结果。
图10示出了4英寸深度测试的结果。
图11示出了中心线测试的结果。
具体实施方式
本发明公开了一种用于产生多个磁场的系统，以叠加地组合和控制深度电场产生，从而产生临床认可的集中加热；并且公开了使用该系统在对象中引发局部区域性热疗的方法。
本发明的一个实施例是一种用于产生多个磁场的系统，以叠加地组合和控制深度电场产生，从而产生临床认可的集中加热。该系统包括：
a)基座，尺寸足以容纳对象；
b)一个或多个区段，其中：
i.每个区段包括至少一对线圈，其中，所述对中的每个线圈大致平行于并且面向另一个线圈，并且所述对中的每个线圈分隔开一定距离；
ii.所述对中的每个线圈以预定设计布置；以及
iii.每个线圈的宽度等于或大于每对线圈之间的分隔距离；
以及
c)一个或多个射频(RF)发生器，用于控制施加在所述对的每个线圈上的RF的幅值，以使比吸收率(SAR)图形在期望方向上移动。
本文所用的术语“比吸收率”或“SAR”是指在暴露于射频(RF)电磁场时人体吸收能量的比率的指标。它也可以指组织对其它形式能量(包括超声波)的吸收。它被定义为单位质量组织吸收的能量，单位为瓦特/千克(W/kg)。大于20W/kg的SAR被认为是临床相关的。
在一些实施例中，将预定设计配置为大致如图1和图2所示的“蝴蝶”式。尽管在本文中描绘并描述了“蝴蝶”式构造，但是线圈对也可以配置成其它形状，只要能获得所需的深度加热效果即可。关于“蝴蝶”式构造，在某些实施例中，蝴蝶形的一半与另一半叠置。在某些实施例中，蝴蝶形的一半与另一半叠置50％，从而线圈的长度等于线圈对之间间隔距离的1.5倍。在某些实施例中，每个单个线圈包括两个单独的线圈，例如，制造为两个线圈，并且分别以0°和180°供电以实现相同的功能。
在一些实施例中，系统还包括之前在Anderson等人于2017年7月18日提交的USSN15/653,462中描述的切换装置，其以引用方式并入本文。通过包括此种切换装置，本发明允许高成本效益和具有竞争力的系统，该系统包含一个或多个RF发生器(例如1至10个或优选地1个、2个、3个或4个RF发生器)和切换网络，以控制线圈对并产生深度的选择性加热。在某些实施例中，切换装置包括固态开关，该固态开关以离散分时选择区段和幅值以加热期望区域，同时避免意外产生热点。
在一些实施例中，系统还包括用于治疗监测、调整和报告的磁共振热成像(MRTI)系统。
在一些实施例中，每个区段还包括沿着一个或多个线圈的长度放置的一个或多个串联调谐电容器，以便增加场的均匀性并减小辐射电场的幅值以及改善调谐。
在一些实施例中，基座尺寸是可调节/可互换的，并且线圈尺寸是可调节/可互换的，以便治疗不同尺寸的对象，或者提供额外的治疗选择，同时最大程度减少构件成本。
在一些实施例中，系统还包括经由例如基座中的膜提供的空气冷却装置，以便在整个医疗过程中最大化对象的舒适性。示例性的空气冷却装置可以是例如扩散空气冷却泡沫，扩散空气冷却泡沫是开孔的，堆积密度不大于0.5，并且具有足够的模量来支撑对象。空气冷却装置在RF热疗中非常重要，因为它占用了最小的MRI室空间，因此对正常MRI工作流程的影响最小。空气从外面进入，并通过2英寸的波导管。空气的主要路线如下：空气划分为用于对象冷却(深蓝色)和电气构件冷却(浅蓝色)(图6A)；借助垫圈和O形环(图6B，黑色)在装置铰链处密封；空气设计为合适空气速度，以采用伯克利舒适模型提供“凉爽”感觉(见https://www.cbe.berkeley.edu/research/briefs-thermmodel.htm)；然后将空气送入槽(图6C)，经由一次性插入泡沫垫(图6D，浅蓝色)扩散。
本发明的另一个实施例是一种用于在有需要的对象中引发局部区域性热疗的方法。该方法包括：
a)提供用于产生多个磁场的装置，以叠加地组合和控制深度电场产生，该装置包括：
(I)基座，用于容纳对象；
(II)一个或多个区段，其中：
i.每个区段包括至少一对线圈，其中，所述对中的每个线圈大致平行于并且面向另一个线圈，并且所述对中的每个线圈分隔开一定距离；
ii.所述对中的每个线圈以预定设计布置；以及
iii.每个线圈的宽度等于或大于每个线圈对之间的分隔距离；
以及
(III)一个或多个射频(RF)发生器，用于控制施加在所述对的每个线圈上的RF的幅值，以使比吸收率(SAR)图形在期望方向上移动；
b)根据对象的尺寸和期望的加热深度，调整每个区段中线圈的尺寸和基座的尺寸；
c)将对象放置在基座上；以及
d)产生多个磁场，以在对象的期望深度处产生靶向加热。
本文所用术语“对象”是哺乳动物，优选地是人。除了人以外，本发明范围内的哺乳动物种类还包括例如农业动物、兽医动物、实验室动物等。农业动物的一些示例包括牛、猪、马、羊等。兽医动物的一些示例包括狗、猫等。实验室动物的一些示例包括灵长类、大鼠、小鼠、兔子、豚鼠等。
在一些实施例中，期望的加热深度大于2cm、大于5cm、大于10cm、大于15cm、大于20cm、大于25cm、大于30cm、大于35cm、大于40cm、大于45cm或大于50cm。在某些实施例中，期望的加热深度为约55cm。
本发明的又一个实施例是一种用于产生多个磁场的系统，以叠加地组合和控制深度电场产生，从而产生临床认可的集中加热。该系统包括：
a)可互换的基座；
b)一个或多个区段，其中：
i.每个区段包括至少一对线圈，其中，所述对中的每个线圈大致平行于并且面向另一个线圈，并且所述对中的每个线圈分隔开一定距离；
ii.所述对中的每个线圈以预定设计布置；
iii.每个线圈的宽度等于或大于每个线圈对之间的分隔距离；以及
iv.每个线圈的长度等于或大于每个线圈对之间分隔距离的1.5倍；
c)一个或多个射频(RF)发生器，用于控制施加在所述对的每个线圈上的RF的幅值，以使比吸收率(SAR)图形在期望方向上移动；
d)固态开关；
e)空气冷却装置；以及可选地
f)MRTI装置。
在一些实施例中，在本文公开的系统和方法中应用的射频(RF)可以选自13.56MHz、27.1MHz或40.68MHz。
本发明的另一个实施例是大致如图1至图5B中公开的装置。
本发明的又一个实施例是大致如图5A中公开的系统。
实例
通过以下实例进一步例示本发明，这些实例是为了例示目的而提供的，不旨在以任何方式限制本发明。本领域技术人员将容易认识到各种非关键参数，可以改变或修改这些非关键参数以产生大致相同的结果。
实例1
系统配置和结果
如图7A所示那样连接系统。线圈由两个射频发生器供电，两个射频发生器是180度相位锁定的(图7B)。每个发生器都有与线圈线路连接的匹配网络。在肉盒的顶部和底部附接了两个蝴蝶式线圈(图7C)。盒里装有100磅猪肉糜(脂肪含量约为10％至15％)来模拟人体组织。在匹配SWR和功率测量网络后连接用于每个发生器的功率计。
使用深度导入器放置探针，以控制温度点的安置。采用不受电磁场影响的光纤温度系统测量温度。探针放置点的轴如图8所示。示出了每个正轴。对于每个测试，使用所示的轴保存探针位置。
记录测试结果，并示出在图9(一英寸深度测试)、图10(四英寸深度测试)和图11(中心线测试)中。实际温度结果与热模拟吻合较好。
以上引用的所有专利、专利申请和出版物以引用方式全体并入本文，就如同它们在全文中完整陈述一样。
显而易见的是，如上所描述的本发明可以在许多方面有所变化。此类变化不应视作是脱离本发明的实质和范围，并且所有修改都旨在包含在下面权利要求的范围内。

Claims (22)

1.一种用于产生多个磁场的系统，以叠加地组合和控制深度电场产生，从而产生临床认可的集中加热，系统包括：
a)基座，基座的尺寸足以容纳对象；
b)一个或多个区段，其中：
i.每个区段包括至少一对线圈，其中，所述对中的每个线圈大致平行于并且面向另一个线圈，并且所述对中的每个线圈分隔开一定距离；
ii.所述对中的每个线圈以预定设计布置；以及
iii.每个线圈的宽度等于或大于每个线圈对之间的分隔距离；以及
c)一个或多个射频(RF)发生器，用于控制施加在所述对的每个线圈上的RF的幅值，以使比吸收率(SAR)图形在期望方向上移动。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述预定设计配置成蝴蝶形。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，蝴蝶形的一半与另一半叠置。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，蝴蝶形的一半与另一半叠置50％，使得线圈的长度等于每个线圈对之间分隔距离的1.5倍。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，每个线圈对包括两个单独的线圈。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括开关。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，开关是固态开关，其以离散的分时选择区段和幅值。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括用于治疗监测、调整和报告的磁共振热成像(MRTI)装置。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，每个区段还包括沿着每个线圈的长度放置的一个或多个串联调谐电容器。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，基座和线圈对是可变的，以适应不同的对象尺寸和治疗应用。
11.根据权利要求1所述的系统，还包括空气冷却装置。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，施加的RF选自13.56MHz、27.1MHz或40.68MHz。
13.一种用于在有需要的对象中引发局部区域性热疗的方法，所述方法包括：
a)提供用于产生多个磁场的装置，以叠加地组合和控制深度电场产生，装置包括：
(I)基座，用于容纳对象；
(II)一个或多个区段，其中：
i.每个区段包括至少一对线圈，其中，所述对中的每个线圈大致平行于并且面向另一个线圈，并且所述对中的每个线圈分隔开一定距离；
ii.所述对中的每个线圈以预定设计布置；以及
iii.每个线圈的宽度等于或大于每个线圈对之间的分隔距离；以及
(III)一个或多个射频(RF)发生器，用于控制施加在所述对的每个线圈上的RF的幅值，以使比吸收率(SAR)图形在期望方向上移动；
b)根据对象的尺寸和期望的加热深度，调整每个区段中线圈的尺寸和基座的尺寸；
c)将对象放置在基座上；以及
d)产生多个磁场，以在对象的期望深度处产生靶向加热。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，对象是哺乳动物。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，哺乳动物从由以下构成的组选择：人、兽医动物和农业动物。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，对象是人。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，期望的加热深度大于10cm。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，施加的RF选自13.56MHz、27.1MHz或40.68MHz。
19.一种用于产生多个磁场的系统，以叠加地组合和控制深度电场产生，从而产生临床认可的集中加热，系统包括：
a)可互换的基座；
b)一个或多个区段，其中：
i.每个区段包括至少一对线圈，其中，所述对中的每个线圈大致平行于并且面向另一个线圈，并且所述对中的每个线圈分隔开一定距离；
ii.所述对中的每个线圈以预定设计布置；
iii.每个线圈的宽度等于或大于每个线圈对之间的分隔距离；以及
iv.每个线圈的长度等于或大于每个线圈对之间分隔距离的1.5倍；
c)一个或多个射频(RF)发生器，用于控制施加在所述对的每个线圈上的RF的幅值，以使比吸收率(SAR)图形在期望方向上移动；
d)固态开关；
e)空气冷却装置；以及可选地
f)MRTI装置。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，施加的RF选自13.56MHz、27.1MHz或40.68MHz。
21.一种大致如图1至图5B所公开的装置，。
22.一种大致如图5A所公开的系统。
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