CN112370669B - 图像引导的聚焦超声治疗设备和瞄准装置 - Google Patents

图像引导的聚焦超声治疗设备和瞄准装置 Download PDF

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Abstract

本申请涉及图像引导的聚焦超声治疗设备和瞄准装置。提供了用于X射线引导的聚焦超声治疗的装置、方法和成套装备，其简化了聚焦超声治疗。该装置包括臂、托架、具有中心轴的被固定在托架中并被配置为将超声治疗能量束传输到患者体内的治疗部位的聚焦超声(FUS)换能器、以及连接到X射线成像单元的成像工作站。FUS还连接到控制器以控制FUS的施加。该成套装备使用耦合构件。

Description

图像引导的聚焦超声治疗设备和瞄准装置
本申请是申请日为2016年8月10日，申请号为201680054194.0，发明名称为“图像引导的聚焦超声治疗设备和瞄准装置”的申请的分案申请。
发明背景
1.技术领域
本发明涉及聚焦超声(FUS)的领域，并且更具体地，涉及X射线引导的FUS设备的领域。
2.相关技术的讨论
图1是现有技术的射频(RF)神经消融手术的高级示意图。RF消融手术包括对使疼痛和发炎的关节70受神经支配的内侧支神经的热破坏。RF消融手术在诊所或医院环境中利用X射线的引导来进行，主治医生使用该X射线来将针92的尖端引导至目标椎骨的小关节73的横关节突71和上关节突72的接合处，沿着内侧神经支91的路径放置针。针92通过RF能量在其尖端处生热，并且使围绕其尖端的小圆柱形中的组织热凝固，该组织也包含内侧神经支。现有技术的消融手术是侵入性的、不舒适的且痛苦的手术，其给患者带来感染和出血的风险。
发明概述
以下是提供对本发明的初步理解的简要概述。该概述既不必标识关键要素，也不必限制本发明的范围，而是仅充当对以下描述的介绍。
本申请提供了以下内容：
1)用于图像引导的聚焦超声治疗的X射线引导装置，包括：铰接臂，其在其基部处附接到手术平台；托架，其固定到铰接臂的远端；瞄准装置，其固定在托架中；聚焦超声(FUS)换能器，其具有固定到托架中的中心轴并被配置为将超声治疗能量束传输到患者体内的治疗部位，其中聚焦超声换能器连接到控制器以控制由换能器对聚焦超声的施加；以及连接到成像单元的成像工作站，其被配置为从X射线成像系统导出成像数据。
2)如1)所述的装置，其中，所述托架由以下材料类型中的任一种制成：
不透射线的材料；
具有涂覆材料的可透射线的材料；以及
半透射线的材料。
3)如2)所述的装置，其中，所述装置与以下X射线类型中的任一个兼容：
C形臂；
O形臂；
G形臂；以及
任何其他通用的X射线类型。
4)如2)所述的装置，其中，所述铰接臂是机械臂和/或机器人臂。
5)如2)所述的装置，其中，所述铰接臂实现了几个自由度的移动，所述移动包括前-后(A-P)、上-内(SI)、以及左-右(L-R)。
6)如5)所述的装置，其中，所述托架包括几个自由度，所述自由度包括倾斜、偏航、俯仰和滚转，以使所述托架能够以所需的角度被定位到所述治疗部位。
7)如5)所述的装置，其中，所述手术平台是手术室台。
8)如5)所述的装置，其中，所述手术平台是成像台。
9)如5)所述的装置，其中，所述手术平台是X射线臂。
10)如5)所述的装置，其中，所述手术平台是专用手推车。
11)如10)所述的装置，其中，所述手推车处于被锁定以避免移动的轮上，并被设计成承载电子器件和其他设备的附件。
12)如5)所述的装置，其中，所述铰接臂至少以下列方式之一是可调整的：手动地、远程地受控地，以将其定位在所需的部位中和取向上。
13)如5)所述的装置，其中，所述铰接臂能够移动并对准所述托架，而医师不会暴露于X射线辐射。
14)如5)所述的装置，其中，所述托架成形为几何圆锥形状，并且其中，圆锥体的横向投影顶点与所述聚焦超声换能器的焦点对应。
15)如14)所述的装置，其中，所述圆锥形状被用作在成像系统视场上可见的圆锥形形状的标记，以帮助与解剖图像的配准和所述聚焦超声能量束的导航从而瞄准所述治疗部位。
16)如14)所述的装置，其中，所述托架包含不透射线的标记，所述不透射线的标记被布置以允许与解剖图像的配准和所述聚焦超声能量束的导航从而瞄准所述治疗部位。
17)如15)或16)所述的装置，其中，所述工作站还包括：
显示系统，所述显示系统电连接到所述工作站；以及
处理模块，所述处理模块被配置为：
从所述X射线成像系统接收治疗图像；
将所述X射线治疗图像发送到所述显示系统；以及
使用图像处理在所述显示器上将所述超声能量束的圆锥形形状标记在所述X射线治疗图像上，以便帮助操作者精确且安全地将聚焦超声能量束导航到所述治疗部位。
18)如17)所述的装置，其中，所述处理模块还被配置为：
使用图像处理以产生所述治疗部位的清晰图像，通过替换由所述聚焦超声换能器的射线不透性引起的暗区，来更新所述X射线成像；以及
将所更新的X射线成像发送到所述显示系统。
19)如17)所述的装置，其中，所述处理模块还被配置为：
从X射线成像中识别所述聚焦超声换能器的圆形形状；以及
仅对所选择的像素执行图像处理。
20)如5)所述的装置，其中，所述托架能够平滑地适应所述瞄准装置和所述聚焦超声换能器的插入、锁定和释放。
21)如1)-20)中任一项所述的装置，其中，所述聚焦超声换能器是环形的，包括几何地聚焦在所述治疗部位的范围内的一深度处的至少两个环形的环元件。
22)如1)至21)中任一项所述的装置，其中，所述瞄准装置包括被放置在所述托架内部的实体模型和至少一个光学标记保持器。
23)如22)所述的装置，其中，所述瞄准装置还包括尺寸和形状不同的两个或更多个X射线标记，诸如被放置在所述至少一个光学标记保持器的竖直轴中的环。
24)如23)所述的装置，其中，所述至少一个光学标记保持器被对准以产生沿着所述托架和所述聚焦超声换能器的中心轴的直线。
25)如23)所述的装置，其中，所述至少一个光学标记保持器产生附加的线，以验证所述托架和所述聚焦超声换能器相对于X射线视场的中心的近似法线的位置。
26)如23)所述的装置，其中，所述实体模型由光学透明的材料制成。
27)如23)所述的装置，其中，所述实体模型由可透射线的材料制成。
28)如23)所述的装置，其中，所述实体模型包括沿着所述托架和所述聚焦超声换能器的中心轴的插口，其中所述至少一个光学标记保持器被固定。
29)如23)所述的装置，其中，对准通过使用至少两个标记，至少一个不透射线的标记被放置在所述X射线增强器的近似中心处，而一个标记在所述患者的皮肤上，并且其中，所述两个标记重叠。
30)如29)所述的装置，其中，所述皮肤上的标记是可视标记。
31)如29)所述的装置，其中，所述皮肤上的标记是不透射线的标记。
32)如29)所述的装置，其中，所述标记在形状和大小上能够至少在以下项中的一个中被识别：临床图像、放射图像。
33)如29)所述的装置，其中，所述至少一个不透射线的标记是不透射线的标记贴纸。
34)如23)所述的装置，其中，所述托架还包括深度相机，并且其中，所述对准基于由所述深度相机产生的深度图像来执行。
35)如23)所述的装置，其中，所述托架还包括至少两个距离传感器和相机，并且其中，所述对准基于与所述X射线臂增强器的距离和由所述相机产生的所述图像来执行。
36)如23)所述的装置，其中，所述托架还包括至少两个角传感器和相机，并且其中，所述对准基于由所述至少两个角传感器完成的测量和由所述相机产生的所述图像来执行。
37)如1)至21)中任一项所述的装置，其中，所述瞄准装置是沿着所述聚焦超声换能器的中心轴被放置在所述聚焦超声换能器的插口或凹部中的改进的X射线瞄准器，并且包含沿着所述聚焦超声换能器的竖直轴放置的至少两个瞄准标记。
38)如1)至21)中任一项所述的装置，其中，所述瞄准装置是沿着所述聚焦超声换能器的中心轴被放置在所述聚焦超声换能器的插口或凹部中的光学瞄准器，并且包含沿着所述换能器的竖直轴放置的至少两个X射线瞄准标记。
39)如37)或38)所述的装置，其中，所述至少两个瞄准标记是环。
40)如39)所述的装置，其中，所述瞄准器的形状是圆柱形。
41)如39)所述的装置，其中，所述瞄准器被设计成减少对图像质量的干扰。
42)如39)所述的装置，其中，所述瞄准器被设计在光学透明的结构中。
43)如39)所述的装置，其中，所述瞄准器具有在光学上和在放射学成像上都可见的不对称形状。
44)如37)或38)所述的装置，其中，所述至少两个瞄准标记是沿着所述聚焦超声换能器的竖直轴放置的环。
45)如37)所述的装置，其中，所述聚焦超声换能器使用附接到所述X射线增强器的近似中心的光学标记保持器被对准到X射线视场的中心的近似法线。
46)如39)所述的装置，其中，所述聚焦超声换能器使用以下项中的至少一个被对准到X射线视场的中心的法线：附接到所述X射线增强器的中心的激光器、附接到所述X射线增强器的近似中心的激光器和反射镜。
47)如1)所述的装置，其中，所述托架、所述聚焦超声换能器和所述瞄准装置被构建为单个单元。
48)一种包括如1)-36)中任一项所述的装置的成套装备，所述成套装备还包括耦合附件，所述耦合附件被配置为以所述中心轴相对于在所述治疗部位之上的所述患者的皮肤的特定角度将所述聚焦超声换能器与所述治疗部位耦合。
49)一种包括如32)-46)中任一项所述的装置的成套装备，所述成套装备还包括耦合附件，所述耦合附件被配置为以所述聚焦超声换能器的中心轴相对于在所述治疗部位之上的患者的表面的特定角度将所述聚焦超声换能器与所述治疗部位耦合。
50)如48)或49)所述的成套装备，其中，所述耦合附件是充有声学流体或凝胶的气球。
51)如48)或49)所述的成套装备，其中，所述耦合附件是凝胶垫。
52)如48)或49)所述的成套装备，其中，所述耦合附件是光学透明的。
53)如48)或49)所述的成套装备，其中，所述耦合附件是透声的。
54)如48)或49)所述的成套装备，其中，所述耦合附件是可透射线的。
55)一种使用如48)所述的成套装备用于对患者进行图像引导的聚焦超声治疗的方法，所述方法包括：
将所述至少一个不透射线的标记放置在X射线增强器的中心处；
将所述患者以俯卧位定位在所述手术平台处；
水平地移动所述X射线臂以将在所述X射线图像中所见的所述不透射线的标记放置成与所述治疗部位重叠，同时将所述X射线臂锁定在期望的角度中；
在所述患者皮肤上对所述标记进行标记；
在所述患者的皮肤上的所述标记的上方将所述耦合附件放置在所述患者的皮肤上；
将具有所述实体模型的所述托架放置在所述耦合附件上；
打开所述至少一个光学标记保持器并对准所述托架；
验证所述治疗深度；
用所述聚焦超声换能器替换所述实体模型；
将任意X射线瞄准器放置在所述聚焦超声换能器内部；
拍摄X射线图像以验证所述聚焦超声换能器被对准；以及
部署声能。
56)一种使用如49)所述的成套装备用于对患者进行图像引导的聚焦超声治疗的方法，所述方法包括：
将不透射线的标记放置在X射线增强器的中心处；
将光学标记保持器放置在所述X射线增强器的中心处；
将所述患者以俯卧位定位在所述手术平台处；
水平地移动所述X射线臂以将在所述X射线图像中所见的所述不透射线的标记放置成与所述治疗部位重叠，同时将所述X射线臂锁定在期望的角度治疗部位中；
在所述患者的皮肤上的所述标记上方将所述耦合附件放置在所述患者的皮肤上；
将具有所述聚焦超声换能器的所述托架放置在所述耦合附件上；
将所述X射线瞄准器放置在所述聚焦超声换能器的中心孔的内部；
打开所述至少一个光学标记保持器；
使用所述激光器对准所述托架以指向所述中心标记，一个标记在所述X射线瞄准器的上部环上，而另一个标记在所述X射线瞄准器的下部环上；
验证所述治疗深度；以及
部署声能。
该装置依靠诸如X射线系统的成像设备来帮助瞄准FUS换能器的位置和取向以将焦斑引导到治疗部位。
本发明的这些、额外的和/或其它的方面和/或优点在下面的详细描述中陈述；可能地，从详细描述可推断出；和/或通过本发明的实践可得知。
附图简述
现在，为了更好地理解本发明的实施例并且示出可以如何使实施例生效，将仅通过示例来参考附图，在附图中相似的数字始终表示相应的元件或部分。
在附图中：
图1是现有技术RF消融手术的高级示意图。
图2是根据本发明的一些实施例的X射线引导的聚焦超声治疗装置及其部件的高级示意图。
图3A-图3B是根据本发明的一些实施例的在X射线引导装置中使用的托架的高级示意图和侧向X射线图像。
图4A-图4B是根据本发明一些实施例的在X射线引导装置中使用的瞄准装置(具有光学标记和X射线标记的实体模型)的高级示意图和图像。
图5A-图5B是说明了根据本发明的一些实施例的方法的高级流程图。
图6A-图6C是根据本发明的一些实施例的在X射线引导装置中使用的治疗应用的示例。
图7A-图7B是瞄准装置的瞄准标记的高级示意图。
图8A-图8B是根据本发明的一些实施例的在X射线引导设备中使用的不同设计的光学标记的高级示意图和图像。
图9A-图9B是根据本发明的一些实施例的在X射线引导装置中使用的不同设计的修改的X射线瞄准器(aim)的高级示意图。
图10是在适当对准处的修改的X射瞄准器的X射线图像。
图11A-图11B是说明了根据本发明的一些实施例的另一方法的高级流程图。
图12A-图12H是根据本发明的一些实施例的包括在X射线引导设备中使用的不同类型的X射线瞄准器和瞄准装置的FUS换能器的X射线图像。
图13A-图13C是根据本发明的一些实施例的设备成像工作站利用在适当位置的换能器对AP图像进行图像处理的基线图像的屏幕转储(图13A和图13B)和结果(图13C)。
图14A-图14B是示出了超声引导设备中的成像和治疗性超声探头的对准从而将治疗性声学焦点定位在超声图像的中心的示意图。
发明的详细描述
在以下描述中，描述了本发明的各个方面。出于解释的目的，陈述了具体的构造和细节以便提供对本发明的彻底理解。然而，本领域的技术人员将理解，本发明可以在没有本文所提出的这些具体的细节的情况下被实践。此外，可以省略或简化公知的特征，以免使本发明模糊。利用对附图的特定参考，应当强调的是，所示的特例是通过示例的方式且仅出于对本发明的说明性讨论的目的，并且为了提供被确信为本发明的原理和概念性方面的最实用和易于理解的描述而呈现。在这一点上，除了对本发明的基本理解所需内容，不试图更详细地示出本发明的结构细节，利用附图所采用的描述使本领域的那些技术人员清楚了解到如何在实践中实施本发明的几种形式。
在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应理解，本发明在其应用中不限于下面描述中陈述的或附图中示出的部件的结构和布置的细节。本发明可应用于可以以各种方式实施或执行的其他实施例以及所公开的实施例的组合。并且，应理解本文采用的措辞和术语是出于描述的目的而不应被看作是限制性的。
除非另有特别规定，否则如从下面的讨论所显示的，应认识到，在整个说明书讨论中，利用诸如“处理”、“计算(computing)”、“计算(calculating)”、“确定”、“增强”等的术语是指计算机或计算系统或类似的电子计算设备的动作和/或过程，该计算机或计算系统或类似的电子计算设备操作被表示为在计算系统的寄存器和/或存储器内的物理量(诸如电子量)的数据和/或将表示为在计算系统的寄存器和/或存储器内的物理量(诸如电子量)的数据转换成类似地被表示为在计算系统的存储器、寄存器或其它这样的信息储存、传输或显示设备内的物理量的其它数据。
提供了一种用于图像引导的聚焦超声(FUS)治疗的X射线引导装置和方法。该装置包括：铰接臂，其在其基部处附接到手术平台；托架，其固定到臂的远端；瞄准装置；FUS换能器和X射线瞄准器，其具有固定到托架中的中心轴并且被配置为将超声治疗能量束传输到目标患者体内的治疗部位，其中FUS换能器连接到被配置为控制由换能器对聚焦超声的施加的控制器；以及连接到成像单元的成像工作站，其被配置为从X射线成像系统导出成像数据。该装置可以用于装备有适当的成像设备(诸如C形臂、荧光透视或任何通用的X射线成像系统)的临床或医院环境。该装置可以由手术前成像系统引导，其中由不同成像系统(例如，CT、MRI或任何其他系统)拍摄的图像可以被与在FUS治疗手术期间生成的图像融合、配准和重叠。该装置可以与C形臂、O形臂、G形臂、X射线计算机断层摄影(CT)或任何其他X射线设备组合使用。该装置可以与任何超声成像系统兼容。
图2是根据本发明的一些实施例的用于图像引导的FUS治疗的X射线引导装置100的高级示意图。装置100包括铰接臂111，该铰接臂111在其基部处附接到手术平台90。在某些实施例中，手术平台90可以包括以下中的至少一个：手术室台、成像台和专用手推车，其中手推车被设计成承载电子器件和其他设备的附件，并且其中手推车轮被设计成锁定的以避免手推车的移动。装置100还可以包括附接到臂111的远端的托架110。装置100还可以包括耦合附件125，该耦合附件125被配置成将换能器表面120声学耦合到组织80的表面83。
装置100还可以包括具有中心轴112的FUS换能器120，该FUS换能器120被配置成固定在托架110内并且将FUS能量束140传输到患者体内的治疗部位141。装置100还可以包括触发器119，其被配置为终止FUS能量140的输送。装置100还可以包括控制器160，该控制器160被配置成控制由可通过用户界面控制的治疗性FUS换能器120的FUS能量输送。装置100还可包括屏幕165。屏幕165向医师提供技术信息，诸如但不限于选择的功率水平、超声处理持续时间、信息性维护和服务消息。屏幕165可以包含实质上工作站180提供的临床信息，反之亦然，工作站180可以提供技术信息。装置100还可以包括被配置成固定在托架110内的瞄准装置130。在某些实施例中，托架110还可以被配置成使得FUS换能器120和瞄准装置130两者都可以同时固定在其内部。在某些实施例中，X射线瞄准器150可以附接到FUS换能器120以实现X射线引导。在某些实施例中，托架110可以包括几个运动自由度，诸如但不限于前-后(A-P)、上-内(superior-interior)(S-I)、左-右(L-R)。在某些实施例中，托架110可以被配置为平滑地适应瞄准装置和FUS换能器的插入、锁定和释放。在某些实施例中，托架110、FUS换能器120、瞄准装置130和X射线瞄准器150被构建为单个单元。
装置100还可以包括X射线成像系统，该X射线成像系统包括X射线增强器85和X射线源86，其中X射线增强器85和X射线源86被连接成为X射线成像系统。在某些实施例中，X射线成像系统可以被配置成对包括治疗部位141的组织80的区域91进行成像。在某些实施例中，可以在FUS治疗之前和期间执行X射线成像。在某些实施例中，装置100可以被配置为与以下X射线类型中的至少一个兼容：C形臂、O形臂、G形臂以及任何其他通用的X射线类型。
装置100还可以包括连接到X射线成像系统的X射线增强器85的工作站180，其中工作站180被配置为从X射线成像系统导出成像数据。在某些实施例中，控制器160和屏幕165可以组合在工作站180内。
在某些实施例中，铰接臂111可以是附接到手术平台90的机械臂或机器人臂。在某些实施例中，铰接臂111可以包括几个自由度，诸如但不限于前-后(A-P)、上-内(S-I)、左-右(L-R)和倾斜(诸如偏航、俯仰和滚转)，以允许FUS能量束140对准患者体内的期望的治疗部位141。在某些实施例中，铰接臂111可以手动地和/或电子地和/或自动地调节，以将其对准在托架110的预定的取向和位置上。
在某些实施例中，装置100还可以包括手动或受控的远程操纵模块，其被配置为远程控制铰接臂111的位置和取向。操纵模块可以包括以非限制性方式连接到铰接臂111的至少一个杆以及配置成控制铰接臂111的运动的控制单元。杆可以由以下项中的至少一个制成：金属、塑料、木材和碳。铰接臂111的远程控制可以使手术医师对X辐射的暴露最小化。在某些实施例中，操纵模块的控制单元可以在控制器160和/或工作站180内实现。
在某些实施例中，耦合附件125被设计成模拟FUS换能器120的内部形状以增强声耦合质量并提供期望的灵活性，从而增强与患者皮肤83的耦合。在某些实施例中，耦合附件125可以是填充有流体或凝胶的气球或膜。气球或膜可以使用在手术期间使附接到托架110的耦合附件125稳固的橡胶和/或环来固定到托架110。
在某些实施例中，耦合附件125可包括凝胶垫。凝胶垫125可被设计成模拟FUS换能器120的内部形状(包括其边缘)，以便实现有角度的操纵灵活性。边缘可以为手术医师提供在不同的角度位置上操纵托架110和FUS换能器120而不会不利地影响FUS换能器和凝胶垫125之间的耦合的可能性。在某些实施例中，凝胶垫125可被设计成包裹在托架110周围的形状，以便在插入FUS换能器120的期间将凝胶垫125固定到托架110。凝胶垫125也可以被设计为在附接到患者皮肤83的一侧上的凸形。凸形可以为手术医师提供在不同的角度位置上操纵托架110而不影响凝胶垫125与患者皮肤83之间的耦合的可能性。在某些实施例中，耦合附件125可以是以下项中的至少一个：透光的、透声的和透射的。在某些实施例中，耦合附件125可以被设计成将换能器120的定位引导到声束140穿透进入组织80的预定角度。
在某些实施例中，FUS换能器120可以被配置为使用以下项中的至少一个来根据治疗部位141的位置将FUS能量140输送到不同的深度：耦合附件125的不同尺寸和/或通过将相控阵列换能器元件调谐为电子转向。
在某些实施例中，FUS换能器120还可以被配置为利用相邻的骨结构并且避免对相邻的软组织的损害，以聚焦的方式将FUS束能量140投影到作为焦点部位的治疗部位141上。在某些实施例中，FUS换能器120可以包括以下项中的至少一个：单个元件或元件的相控阵列或者两个或更多个环形元件。在某些实施例中，FUS换能器120可以包括在几何上聚焦在治疗部位141的封闭环境中的范围141A内的深度处的至少两个环形的环元件(参见，例如图3B)。FUS换能器120的环形元件布置允许通过操作至少两个环形元件中的每一个以不同的相位振动来将FUS束140的声学焦点定位在几何焦深的近端或远端。这允许单个FUS换能器120模拟具有相同孔径尺寸但具有不同几何焦距的一系列换能器。这允许手术医师在手术期间调节FUS束140的声学焦点的深度以匹配治疗部位141的深度，并从而改善治疗效果。在某些实施例中，换能器的不同环形元件可以以略微不同的频率来驱动(非相干模式)，这导致元件之间的相对相位的连续改变，以便产生细长的声学焦点。在某些实施例中，FUS换能器120的环形的环元件中的至少一个可以被配置为关闭，以避免FUS能量束140撞击束路径中不应该暴露于高强度声能的椎骨突起或其他声学吸收结构。在某些实施例中，FUS换能器120的中心轴112可以相对于患者背部倾斜，使得能量束140被以与骨结构成一定角度地传输到椎骨上的治疗部位141上，从而避免FUS能量140可能被(例如，椎骨突起和椎板)阻挡的情况。可以选择某些角度以允许相对于骨表面的入射角小于折射角，使得大部分的FUS能量140被骨吸收并且不被反射。在某些实施例中，可以使用装置100和投影的FUS能量140来优化声能相对于骨的入射角，以使骨对能量的吸收最大化。当波束角垂直于骨时，骨对声能的吸收是最大的。
图3A是托架110的高级示意图。在某些实施例中，托架110被设计成具有几何圆锥形状，使得圆锥边界的投影与由FUS换能器120生成的FUS束140一致。在某些实施例中，托架110的圆锥形状被设计成使得圆锥体的横向投影顶点(例如，投影的圆锥体边界的交点)对应于FUS能量束140的焦深。因此，如图3B所示，托架110的圆锥形状可以用作在X射线图像上可见的标记，以便引导FUS能量束140聚焦到治疗部位141上。图3B是根据本发明的一些实施例的托架110的横向X射线图像的高级示意图。在某些实施例中，工作站180还可以包括软件模块，该软件模块被配置为接收托架110的横向X射线图像，将托架110的横向X射线图像发送到屏幕165，并使用本领域公知的图像处理借助于至少一个计算机处理器来识别托架110的圆锥体边界的投影，并且将这些投影显示在托架110的横向X射线图像上。在优选实施例中，投影的圆锥体边界的交点表示圆锥体的横向投影顶点，其对应于FUS能量束140的焦深。因此，圆锥体的横向投影的顶点可以用于帮助手术医师精确并安全地将FUS能量束140导航到治疗部位141。托架110的圆锥形几何形状在横向视图的横向投影图像的宽度范围中是不变的。因此，包括其顶点的圆锥体形状可以从一些视图恢复。在某些实施例中，托架110可以包括以下项中的至少一个：不透射线的材料、涂覆有不透射线的材料的可透射线的材料和半透射线的材料。
在某些实施例中，图像引导的介入手术(特别是无框架立体定向手术)涉及立体光学图像传感器，其跟踪用特殊标记贴标签的对象以帮助FUS能量束140配准和导航到目标部位141。这样的标记通常是可以在视场内被容易地识别的大的球体，或者是也可以唯一地识别特定对象并在视场内对其进行跟踪的编码的黑白条形码(如标签)。球体特别受欢迎，因为它的形状对于视角转换是不变的。在如CT或MR的3D成像模式中，标记是一维或二维的，并且由不透射线的或磁性的材料制成以使其可见。对于X射线(荧光透视)导引，带有不透射线的标记的2D模板通常用于与术前3D成像数据和跟踪的配准。
图4A是根据本发明的一些实施例的被放置在托架110中的瞄准装置130的高级示意图。在某些实施例中，瞄准装置130可以包括被配置成定位在托架110中的实体模型115。在某些实施例中，实体模型115可以包括透明材料(例如，有机玻璃)以允许手术医师将患者皮肤83保持在视场中。在某些实施例中，实体模型115可以包括可透射线的材料(例如，有机玻璃和碳纤维)以生成目标部位141的清晰的X射线图像。
在某些实施例中，瞄准装置130还可以包括至少一个光学标记保持器113。在某些实施例中，光学标记保持器113可以包括至少一个激光指示器。在某些实施例中，至少一个光学标记保持器113可以被对准以产生沿FUS换能器120和托架110的中心轴112的直线。在某些实施例中，至少一个光学标记保持器113可以被配置为产生附加的线以验证托架110和FUS换能器129相对于X射线成像系统视场85的法线的位置。
图4B是根据本发明的一些实施例的瞄准装置130的实体模型115和光学标记保持器113的高级示意图。在某些实施例中，瞄准装置130还可以包括定位在至少一个光学标记保持器113的竖直轴上的至少两个X射线瞄准标记133、134。在某些实施例中，X射线瞄准标记133、134可以是环。至少一个X射线瞄准标记133、134可以包括至少一个凹槽133A。在某些实施例中，实体模型115和X射线瞄准标记133、134中的至少一个可以是不对称的，其中不对称性可以在光学上和放射学上都可见，使得手术医师能够将两个视图相关联并且根据需要推断移动的方向和角度以使托架110与X射线增强器85沿中心轴112对齐。
在某些实施例中，实体模型115和光学标记保持器113中的至少一个可以具有至少一个X射线基准标记，以使得能够在X射线图像中找到实体模型115的取向。在某些实施例中，光学标记保持器113可以具有古锭刀实体模型115或被放置在实体模型附近的单独的打开和关闭开关。
图5A-5B是说明了根据本发明的一些实施例的方法的高级流程图。在步骤510处，至少一个不透射线的标记被放置在X射线增强器85的中心处(参见，例如图6A中的70A)。在步骤515处，患者在手术平台90处以俯卧位定位。在将患者定位在台面上后，调整台面和C形臂的相对高度，从而在X射线视场内可以看到患者脊柱和托架。一旦高度被设置，它将在整个手术中保持锁定。这种调整经由横向X射线图像以及台面高度和C形臂高度的操纵完成。
在步骤520处，X射线臂87(参加，例如图2)被水平移动以放置如在X射线图像中所见的不透射线的标记70A，以覆盖患者体内的治疗部位141(参见，例如图6A中的70A-2)。在某些实施例中，X射线增强器85可以与治疗部位141成一定角度放置，以将不透射线的标记70A覆盖到治疗部位141上。重要的是注意，如果设置了角度，则其在步骤520之前完成。该角度将是期望的视角，其也是FUS能量穿透到患者身体的角度。在步骤525处，不透射线的标记70B被放置在患者皮肤83上的特定部位中，手术医师在X射线图像期间使用不透射线的标记70A-2通过将至少一个临时标记84(例如，针的尖端)临时放置在患者皮肤83上(参见，例如图6B)来对治疗部位141进行验证之后选择该特定部位。在某些实施例中，标记70B可以仅是/也是可视标记。这种标记没有显著的声吸收，以避免近场加热和FUS能量对患者皮肤的伤害。
在步骤530处，如在步骤525中一样，耦合附件125放置在标记70B上方的患者的皮肤83上。在步骤535处，将具有实体模型115的托架110放置在耦合附件125上(参见，例如图6B)。
在步骤540处，打开实体模型115上的至少一个光学标记保持器113，并使用装置100的铰接臂111并通过共线激光器将其指向患者皮肤83上的不透射线的标记70B和增强器85上的不透射线的标记70A来对准托架110。在步骤545处，拍摄X射线图像以验证托架110和实体模型115沿着轴112与X射线成像系统视场的中心的法线的对准。在步骤550处，执行对准的验证。如果来自步骤545的X射线图像上的不透射线的标记70A-2、70B-1重叠，则意味着托架110和实体模型115沿着轴112与X射线成像系统视场的中心的法线对准(参见，例如图6C)。如果不透射线的标记70A-2、70B-1在来自步骤545的X射线图像上不重叠，则应该再次执行步骤540。在某些实施例中，托架110和实体模型115与X射线成像系统视场的中心的法线的对准也可以使用位于至少一个光学标记保持器113的竖直轴上的至少两个X射线瞄准标记133、134来验证。一旦托架110和实体模型115沿着轴112与X射线成像系统视场的中心的法线对准，则在来自步骤545的X射线图像中X射线瞄准标记133、134将看起来是同心的(参见，例如图7A)。如果在来自步骤545的X射线图像中X射线瞄准标记133、134看起来不是同心的(参见，例如图7B)，则应重复步骤540。可以准许瞄准装置130的一定范围的位置和角度的误差。所准许的误差的指示可以通过X射线瞄准标记133、134的形状和/或尺寸(诸如，在瞄准标记直径之间的间隙，其必须在内部X射线瞄准标记133周围保持可见)来呈现给手术医师，以指示在误差限制内的对准。在某些实施例中，在这个步骤处，关于托架和瞄准装置的对准的质量的决定可以单独基于光学标记完成，而不需要X射线成像。
在某些实施例中，托架110的对准可以基于由位于托架110或面向增强器85的FUS换能器120上的深度相机产生的深度图像来执行。托架110可以被对准成使得增强器85的平坦面根据深度图像分析而面平行于托架110，并且增强器85的形状以托架110或FUS换能器120的中心为中心，使得托架110、增强器85和中心轴112共线。在某些实施例中，可以基于位于托架110或面对增强器85的FUS换能器120上的至少两个距离传感器(诸如但不限于，超声波传感器、RF传感器、IR传感器或激光传感器)来执行托架110的对准。这些传感器可以测量距增强器85的距离，并且指示为了使托架110相对于增强器85的面平行对准所需的对准。对于距离传感器的补偿，位于托架110或面对增强器85的FUS换能器120上的相机将产生圆形的增强器85的图像，以指示托架110相对于增强器85的位置以及为了共同对准中心轴112、增强器85和托架110而使托架110移动的方向。在某些实施例中，托架110的对准可以基于位于托架110或FUS换能器120上和增强器85上的至少两个双轴倾斜仪或角传感器来执行。这些传感器可以测量托架110或FUS换能器120的角度和增强器85的角度，并且指示为了使托架110相对于增强器85的面平行对准所需的对准。这可以基于绝对角度测量来进行或者在完成校准之后在基线平行取向上进行。对于角传感器的补偿，位于托架110或面对增强器85的FUS换能器120上的相机将产生圆形的增强器85的图像，以指示托架110相对于增强器85的位置以及为了共同对准增强器85和托架110的中心轴而使托架110移动的方向。倾斜仪或成角传感器可以是有线或无线的，并使用任何现有的技术来测量所需的角度。
在步骤555处，使用由工作站180的软件模块识别的FUS束路径140，将X射线成像系统的C形臂87横向倾斜，优选地横向倾斜到垂直于托架轴112的角度，以验证治疗部位141的深度180(参见，例如图3B)。优选地，C形臂87的倾斜应该在单个轴上进行。当使用诸如CT、超声等的其他类型的成像进行引导时，可以从图像中推断出换能器焦点的位置。一旦验证了治疗深度，在适用的聚焦范围内，C形臂87应该移回到其先前的竖直位置。应当根据实体模型115的角度重新定位C形臂87，将光学标记保持器113指向不透射线的标记70A和70B上。在某些实施例中，可以再次拍摄X射线图像来验证对准。
在步骤560处，实体模型115被从托架110移除，并且换能器120被插入到托架110中。在步骤565处，X射线瞄准器150被放置在FUS换能器120内部。在步骤570处，拍摄X射线图像以如在步骤550中一样使用X射线瞄准器150来验证托架110和FUS换能器120沿着轴112与X射线成像系统视场的中心的法线对准。在步骤575处，部署FUS声能束140并执行目标位置141的消融。在某些实施例中，可以首先将FUS声能部署在低水平处，以在部署消融水平能量脉冲之前验证针对每位患者的反馈。
图8A-图8B是根据本发明的一些实施例的位于不同部位中的光学标记保持器的高级示意图。在本发明的这些实施例中，由于源自光学标记113或反射镜114的激光束与C形臂的中心轴线112对准，并且增强器板的中心的不透射线的标记被调整为与在X射线图像上的治疗目标一致，因此不需要使用实体模型115。相反，可以使用直接附接到FUS换能器的X射线/光学瞄准器。
光学标记保持器113(图8A)或反射镜114(图8B)可附接到C形臂(X射线)增强器板85的中心。光学标记保持器113或反射镜114可被设计成允许手动地和/或自动地相对于增强器板进行角对准，并且允许通过将激光束投射到C形臂源86(图2)的中心而与C形臂的中心轴112(图2)对准。光学标记113或反射镜114可以附接到在X射线图像上可见的不透射线的标记或由其构成。光学标记113或反射镜114可以适当地放置在不透射线的标记的中心上。在图8A中，反射镜114具有角对准能力，而光学标记113可被调整为瞄准该反射镜的中心。
图9A-图9B是根据本发明的一些实施例的固定在FUS换能器120中的改进的X射线瞄准器150的高级示意图。改进的X射线瞄准器150可以用作光学瞄准器，并且也可以用作X射线瞄准器。
沿着FUS换能器的中心轴112被放置在FUS换能器120的插口或凹部中的改进的X射线瞄准器150可以包含两个或更多个X射线瞄准标记(诸如，环133、134)，其被沿着FUS传感器的竖直轴放置。为了对准FUS换能器以指向目标，光学标记需要出现在上部环133和下部环134的中心处。为了验证FUS换能器精确地对准到C形臂的中心轴112，不透射线的环133、134需要在X射线图像上看起来是同心的(图7A、图10)。如果在图像中环看起来不是同心的(图7B)或者医师识别出移动，则医师应重复定位程序。
可以准许改进的X射线瞄准器150的一定范围的位置和角度的误差。所准许的误差的指示可以通过X射线瞄准标记133、134的形状和/或尺寸(诸如在环的直径之间的间隙(图7A-图7B)，其必须在内部环133周围保持可见)来呈现给手术医师，以指示在误差限制内的对准。
现在参照图11A-图11B，其是在该配置的一些实施例中用于对患者的图像引导的聚焦超声治疗的方法1100的示意性流程图。
在步骤1110处，可以将不透射线的标记放置在X射线增强器板的中心处。然后可以按照步骤1115将光学标记保持器放置在X射线增强器的中心处，并瞄准X射线源。
在步骤1120处，患者在手术平台90处以俯卧位定位。在将患者定位在台面上后，调整台面和C形臂的相对高度，使得在X射线视场内可以看到患者脊柱和托架。一旦高度被设置，它将在整个手术中保持锁定。这种调整经由横向X射线图像以及台面高度和C形臂高度的操纵来完成。
在步骤1125处，X射线臂87被水平移动以放置如在X射线图像中所见的不透射线的标记70A，以覆盖患者体内的治疗部位141(参见，例如图6A中的70A-2)。在某些实施例中，X射线增强器85可以与治疗部位141成一定角度放置，以将不透射线的标记70A覆盖到治疗部位141上。重要的是注意，如果设置了角度，则其在步骤1125之前完成。该角度将是期望的视角，其也是FUS能量穿透到患者身体的角度。
在步骤1135处，耦合配件125被放置在皮肤83上。在步骤1140处，将具有FUS换能器120的托架110放置在耦合附件125上。在步骤1145处，将改进的X射线瞄准器150放置在FUS换能器120的中心孔内部。
在步骤1150处，打开X射线增强器85上的至少一个光学标记保持器(图8A-图8B)，并且使用激光器按照步骤1155指向中心标记(一个位于改进的X射线瞄准器150的上部环133上，而另一个位于改进的X射线瞄准器150的下部环134上(图9A))来执行托架的对准。在瞄准标记133、134在X射线图像中看起来是同心的情况下，托架被对准(图6A)。如果瞄准标记133、134在X射线图像中看起来不是同心的，则应重复步骤1155。可以准许改进的X射线瞄准器的一定范围的位置和角度的误差。所准学的误差的指示可以通过瞄准标记133、134的形状和/或尺寸(诸如在环的直径之间的间隙(图7A-图7B)，其必须在内部环133周围保持可见)来呈现给手术医师，以指示在误差限制内的对准。在某些实施例中，关于托架和瞄准装置的对准的质量的决定可以单独基于光学标记完成，而不需要X射线成像。
在步骤1170处，应该验证治疗深度。使用成像工作站束路径和焦点覆盖(图3B)，X射线臂应横向倾斜，优选地与托架轴112成90度，以验证治疗部位的深度。
如果在适用的聚焦范围内验证了治疗部位深度，则医师将按照步骤1175部署声能并消融目标组织。在某些实施例中，可以首先将声能部署在低水平处，以在部署消融水平能量脉冲之前验证针对每位患者的反馈。
根据某些实施例，可以以减少对图像质量的干扰的方式来设计X射线瞄准器150和瞄准装置130的形状。图12A-图12G是根据本发明的一些实施例的具有各种X射线瞄准器150(12A-12C)的FUS换能器120的X射线图像的高水平示意图，其中图12D-图12G是不同设计下的瞄准装置130的X射线图像的高级示意图。图像12H示出了没有被插入到其中的任何瞄准器的换能器作为参考。
在所有呈现的X射线瞄准器中，设计进行了优化，以通过消除具有不同等级的射线不透性的材料之间的非瞄准相关的尖锐界面以使图像尽可能清晰来最小化伪像。在瞄准装置的设计中(在更大程度上)可以看到类似的效果，其中图12D示出了具有许多伪像的设计，并且其中图12E示出了清晰设计，其如可在图12F-图12G中所见的也是光学透明的。
另外，X射线瞄准器150的底部具有厚的盘状塑料部件，其增加了瞄准器的总体射线不透性，并且允许对整个如图12H-图12G所示打开的FUS换能器120的解剖结构(在增益和图像饱和度方面)进行更平衡的成像。
图13A-图13C分别是根据本发明的一些实施例的在托架中具有和不具有FUS换能器的治疗目标的X射线图像的高级示意图。图13A图示了在手术期间在设备工作站上所示的FUS换能器的A-P图像。
在定位过程结束并且托架与中心轴112对准并被固定之后，工作站可以识别图像中的托架的圆形形状，将其保存并使用其内部区域(包括治疗目标)的清晰图像(图13B)来利用图像处理替换由换能器的射线不透性引起的暗区(图13A)，从而避免患者解剖结构的阻挡。当准备进行超声处理时，这利用在托架内部的换能器产生治疗目标的清楚的图像(图13C)。然后，医师可以观察图像，该图像现在示出了放射学上“透明的换能器”，其提供了被不透明的换能器阻挡的解剖结构信息。这种图像的重要性在于帮助医师识别和验证治疗部位并在患者有可能移动的情况下发出警告。这些特征对于提高设备安全性和疗效结果至关重要。
该装置的另一实施例是使用超声(US)成像探头来代替使用X射线设备的成像，以查看治疗目标并使FUS换能器与其对准。图14A是安装在FUS换能器中心中的US成像探头的示意图。对准适配器用于对准US成像探头以与换能器中心轴接合。
由于成像探头和换能器US的超声处理的同时操作显著地降低了超声图像的质量并且甚至完全阻碍了成像能力，因此在图14B中描述了交替的脉冲方法。FUS能量将以短时间的停止周期进行脉动，在该停止周期中没有伪像或退化的图像将从超声成像流中被捕获以呈现在成像工作站上，直到由在下一个能量停止时间周期捕获的下一个非失真图像替代。通过这种方式，成像的刷新率将会降低，但是在超声处理期间仍然可以产生图像反馈。由于图像退化的预测水平是明显的，因此可以使用基本图像处理技术来识别未失真的图像。可替代地，可以以使超声图像的伪像和退化最小化的方式来创建形成治疗声波的脉冲。重要的是注意，上述实施方式的独特之处在于允许使用具有对于临床指示所需的成像特性的任何通用超声成像系统，而不需要对作为用于聚焦超声系统的引导的门信号进行修改或连接到该门信号。
在以上描述中，实施例是本发明的示例或实施方式。“一个实施例”、“实施例”、“某些实施例”或“一些实施例”的各种显现不一定都指相同的实施例。尽管本发明的各个特征可以在单个实施例的上下文中进行描述，但这些特征也可以单独地或以任何合适的组合提供。相反，尽管为了清楚起见，本发明可在本文中在单独实施例的上下文中进行描述，但本发明也可以在单个实施例中实现。本发明的某些实施例可包括来自上面公开的不同实施例的特征，且某些实施例可包含来自上面公开的其它实施例的元素。本发明在特定实施例的上下文中对元素的公开不应被理解为限制它们仅在特定实施例中使用。此外，应理解本发明可以以各种方式执行或实践，并且本发明可以在以上描述中所概述的实施例之外的某些实施例中实施。
本发明不限于附图或相应的描述。例如，流程不需要移动通过每个所示的方框或状态，或以与所示出和所描述的完全相同的顺序移动。除非另有定义，否则本文中所使用的技术术语和科学术语的意思是本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的。虽然本发明已参考有限数量的实施例进行了描述，但是这些不应被理解为对本发明的范围的限制，而是应理解为一些优选实施例的范例。其它可能的变型、修改和应用也在本发明的范围内。因此，本发明的范围不应受限于至此已描述的内容，而是受限于所附权利要求及其法律的等同物。

Claims (10)

1.X射线引导的聚焦超声治疗装置，所述装置包括：
具有基部和远端的铰接臂，所述铰接臂在所述基部处附接到手术平台；
托架，所述托架固定到所述铰接臂的所述远端；
瞄准装置，所述瞄准装置能够可移除地固定在所述托架内，其中，所述瞄准装置包括沿着至少一个光学标记保持器的竖直轴放置的至少两个不对称的X射线标记；
聚焦超声换能器，所述聚焦超声换能器能够可移除地固定在所述托架内，并且被配置为将聚焦超声治疗能量束传输到治疗部位；以及
控制器，所述控制器能够连接到所述聚焦超声换能器并且被配置为控制由所述聚焦超声换能器传输的所述聚焦超声治疗能量束。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述铰接臂实现至少以下自由度的移动：前-后、上-下、左-右和倾斜，以使能够以所需的角度相对于所述治疗部位定位所述托架。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述瞄准装置包括：能够可移除地固定在所述托架内的实体模型。
4.根据权利要求3所述的装置，还包括至少一个不透射线的标记，所述至少一个不透射线的标记待被放置在X射线成像系统的X射线增强器的中心处，以及待被放置在患者的皮肤上的标记，其中，待被放置在皮肤上的所述标记是可视标记或不透射线的标记中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的装置，还包括深度相机，所述深度相机位于所述托架或所述聚焦超声换能器中的一个上，并且面对X射线成像系统的X射线增强器，并且其中，基于由所述深度相机产生的深度图像来执行所述托架的对准。
6.根据权利要求3所述的装置，还包括至少两个距离传感器，所述至少两个距离传感器位于所述托架或所述聚焦超声换能器中的一个上，并且面对X射线成像系统的X射线增强器。
7.根据权利要求3所述的装置，还包括位于所述托架或所述聚焦超声换能器中的一个上并且位于X射线成像系统的X射线增强器上的至少两个双轴倾斜仪或角传感器。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述瞄准装置包括放置在所述聚焦超声换能器的插口中的X射线瞄准器，并且包含沿着所述聚焦超声换能器的竖直轴放置的至少两个瞄准标记。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述瞄准装置是光学瞄准器或X射线瞄准器。
10.根据权利要求2所述的装置，其中，所述倾斜包括俯仰和滚转。
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