DE102006040420A1

DE102006040420A1 - Vorrichtung zur Durchführung und Überwachung von thermischer Ablation und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE102006040420A1
Application number: DE102006040420A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Roland; Florian Dr. Steinmeyer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2008-03-13
Also published as: US20080058634A1; CN101133975B; CN101133975A; US7792566B2

Abstract

Vorrichtung zur Durchführung und Überwachung von thermischer Ablation, umfassend eine Vorrichtung zur Erzeugung von fokussiertem Ultraschall hoher Intensität und eine Magnetresonanzanlage zur Erzeugung von aus Voxeln bestehenden Untersuchungsbildern, die eine Temperaturinformation enthalten, wobei die Geometrie der Voxel (12) an die Form des Ultraschallfokus (10) angepasst ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung und Überwachung von thermischer Ablation, umfassend eine Vorrichtung zur Erzeugung von fokussiertem Ultraschall hoher Intensität und eine Magnetresonanzanlage zur Erzeugung von aus Voxeln bestehenden Untersuchungsbildern, die eine Temperaturinformation enthalten.
Die nicht invasive Temperaturbestimmung mittels Magnetresonanz-Thermometrie wird bereits seit einiger Zeit für die Überwachung von thermischer Ablation eingesetzt. Beispiele dafür sind Hochfrequenzablation, Mikrowellenablation, Laserablation und fokussierter Ultraschall. Mittels der MR-Thermometrie wird eine Überwachung des Therapieerfolgs in Echtzeit bei Ablationen, insbesondere bei Tumorablationen, vorgenommen, wobei die Therapie mit nichtinvasivem fokussiertem Ultraschall hoher Intensität (high intensity focused ultrasound; HIFU) vorgenommen wird. Dieses Ablationsverfahren stellt spezielle Anforderungen an die Thermometrie. Einerseits ist eine hohe zeitliche Auflösung erforderlich. Damit eine Erfolgsprognose der vorgenommenen Ablation durchgeführt werden kann, wird dem Benutzer eine Darstellung des den Tumor enthaltenden Behandlungsbereichs mit einer Temperaturinformation zur Verfügung gestellt, dabei kann die erreichte Maximaltemperatur bzw. der Temperaturverlauf dargestellt werden. Die derzeit verwendeten Geräte für die Anwendung des nichtinvasiven fokussierten Ultraschalls hoher Intensität ermöglichen eine Aufheizung des zu behandelnden Gebiets innerhalb von 5 bis 10 Sekunden auf mehr als 80 °C. Dies bedingt, dass die mittels MR erstellten Untersuchungsbilder, die eine Temperaturinformation enthalten, in Echtzeit aufgenommen und in Intervallen von 1 bis 2 Sekunden aktualisiert werden sollen. Zusätzlich ist eine hohe räumliche Auflösung notwendig. Die Ausdehnung des erwärmten Bereichs ist sehr klein und ent spricht der Größe des HIFU-Fokus. Da die Temperaturgradienten sehr steil sind, kommt es bedingt durch partiale Volumeneffekte zu erheblichen Fehlern hinsichtlich der erfassten Temperatur, wenn zu große Voxel bei den MR-Untersuchungsbildern verwendet werden. Es besteht daher ein Spannungsfeld zwischen einer schnellen Erfassung der Untersuchungsbilder mit Temperaturinformationen einerseits und der angestrebten hohen räumlichen Auflösung andererseits, das es schwierig macht, Daten mit ausreichender Qualität und einem guten Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhalten, um die vorhandenen Temperaturen exakt zu messen.
Aus der Patentschrift US 5,443,068 ist eine Vorrichtung zur Durchführung und Überwachung von Ultraschall-Ablationen bekannt. Dabei werden mit einem Magnetresonanzgerät Untersuchungsbilder aufgenommen, die eine Temperaturinformation enthalten. Mit einer Ultraschallquelle können krankhafte Veränderungen wie Tumore nichtinvasiv behandelt werden.
Die thermische Ablation wird auch in „Acoustic Surgery", Ter Haar, Gail, Physics Today, Vol. 54, Issue 12, pp 29-34 (2001), beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung und Überwachung von Ablation anzugeben, die eine schnelle Messung und eine hohe räumliche Auflösung des Temperaturverlaufs liefert.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Geometrie der Voxel an die Form des Ultraschallfokus angepasst ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass anstelle der herkömmlichen würfelförmigen Voxel solche Voxel verwendet werden können, deren Form besser an die Geometrie des Ultraschallfokus angepasst ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Voxel bei einem eine ellipsoide Form aufweisenden Ultraschallfokus quaderförmig ausgebildet sein, wobei die längste Seite eines Voxels zumindest näherungsweise parallel zu der längsten Hauptachse des Ultraschallfokus ausgerichtet ist. Auf diese Weise kann ein ellipsoider Ultraschallfokus mit einem oder vorzugsweise mehreren quaderförmigen Voxeln abgebildet werden. Die Temperatur des untersuchten Gebiets kann hinreichend genau bestimmt werden, wobei dies bei einer verringerten Messdauer erreicht wird.
Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Verhältnis der längsten Seite eines Voxels zur längsten Hauptachse des ellipsoiden Ultraschallfokus näherungsweise 1:3 oder weniger beträgt. Dementsprechend werden entlang der längsten Hauptachse des Ultraschallfokus lediglich etwa drei Voxel benötigt, denen jeweils eine diskrete Temperatur zugeordnet ist.
Im Rahmen der Erfindung kann es ferner vorgesehen sein, dass der Ultraschallfokus in einem Untersuchungsbild durch 6 bis 9 Voxel je Schicht abgebildet ist. Dies wird durch die erfindungsgemäß vorgesehene Anpassung der Voxel an die Form des Ultraschallfokus erreicht.
Im Hinblick auf die zumeist ellipsoide Form des Ultraschallfokus hat es sich als besonders günstig herausgestellt, wenn das Verhältnis der Kantenlängen eines Voxels in der Abbildungsebene etwa 2:1 bis 5:1, vorzugsweise 3:1, beträgt. Mit einer derartigen Geometrie der Voxel wird eine besonders gute Anpassung an die Form des Ultraschallfokus erreicht. Dabei wird auch berücksichtigt, dass die Geometrie des Ultraschallfokus nicht konstant ist, sondern u. a. von der Frequenz und Apertur des Transducers abhängt.
Ebenso kann das Verhältnis der Kantenlängen eines Voxels in der Abbildungsebene dem Verhältnis der großen Hauptachse zur kleinen Hauptachse eines ellipsoiden Ultraschallfokus entsprechen.
Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Untersuchungsbildern mit einer Magnetresonanzanlage, wobei die aus Voxeln bestehenden Untersuchungsbilder eine Temperaturinformation enthalten und zur Überwachung einer Ablation mit Ultraschall hoher Intensität dienen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass die Geometrie der Voxel an die Form des Ultraschallfokus angepasst wird.
In den Unteransprüchen sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
2 ein aus Voxeln bestehendes Untersuchungsbild gemäß dem Stand der Technik; und
3 ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugtes Untersuchungsbild.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 zur Durchführung und Überwachung von Ablation umfasst eine lediglich schematisch dargestellte Magnetresonanzanlage 2, die herkömmlich aufgebaut ist. Sie umfasst einen Magneten zur Erzeugung eines Magnetfelds, ein Gradientensystem, ein Hochfrequenzsystem, Oberflächenspulen, eine Hochfrequenzabschirmung sowie ein schematisch dargestelltes Rechnersystem 3 zur Steuerung der Hochfrequenz- und Gradientenpulse, zur Bildrekonstruktion und zur Auswertung und Bedienung der Magnetresonanzanlage 2. An das Rechnersystem 3 ist ein Monitor 4 angeschlossen, auf dem Untersuchungsbilder angezeigt werden können.
Wie in 1 gezeigt ist, befindet sich ein Patient 5 auf einer Patientenliege 6 im Inneren des Magneten. Zur Behandlung eines Tumors wird eine Einrichtung 7 zur Erzeugung von fokussiertem Ultraschall hoher Intensität (high intensity focused ultrasound; HIFU) eingesetzt. Mit der Einrichtung 7 können nichtinvasive Tumorablationen vorgenommen werden.
Während des Eingriffs werden in kurzen Abständen Untersuchungsbilder mit der Magnetresonanzanlage 2 erzeugt, sodass der Verlauf der Temperatur und die erreichte Maximaltemperatur während des Eingriffs in Echtzeit überwacht werden können. Die entsprechenden Untersuchungsbilder werden von dem Rechnersystem 3 bereitgestellt und auf dem Monitor 4 angezeigt.
In den 2 und 3 ist die Geometrie der aus Voxeln bestehenden Untersuchungsbilder dargestellt, wobei 2 ein aus Voxeln bestehendes Untersuchungsbild gemäß dem Stand der Technik und 3 ein mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß der Erfindung erzeugtes Untersuchungsbild zeigt. Von den Untersuchungsbildern ist jeweils nur der relevante Ausschnitt, der den HIFU-Fokus enthält, dargestellt.
Das in 2 gezeigte herkömmliche Untersuchungsbild 8 besteht aus quaderförmigen Voxeln 9, zusätzlich ist die Geometrie des Ultraschallfokus 10 dargestellt. Der Ultraschallfokus 10 besitzt die Form eines Ellipsoids, die Länge der Hauptachsen beträgt typischerweise 3 mm, 3 mm und 12 mm. Lediglich dieser begrenzte Bereich wird mittels HIFU erwärmt, dementsprechend sind die Temperaturgradienten sehr steil. Bei derartigen herkömmlichen Untersuchungsbildern wird die Information häufig über die Temperatur farblich dargestellt, zum Beispiel durch eine farbige Darstellung der Kantenlinien der Voxel oder durch farbige Kreuze oder durch andere bekannte Mittel. Ebenso können die Temperaturen einzelner Voxel im Zeitverlauf dargestellt werden. Wie in 2 zu sehen ist, werden für die Abdeckung des Ultraschallfokus 10 etwa 18 Voxel benötigt. Wegen der großen Anzahl der erforderlichen Voxel 9 ist die Erzeugung des Untersuchungsbildes auf herkömmlichem Wege äußerst zeitkritisch.
Zum Vergleich ist in 3 ein Untersuchungsbild 11 dargestellt, bei dem anstelle würfelförmiger Voxel quaderförmige Voxel 12 verwendet werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis der Kantenlängen eines Voxels etwa 2,5:1. Dies entspricht näherungsweise dem Verhältnis der beiden Hauptachsen des Ultraschallfokus 10 in der Abbildungsebene. Wegen der quaderförmigen Voxel 12 werden bei dem in 3 gezeigten Untersuchungsbild 11 lediglich etwa 6-9 Voxel 12 je Schicht benötigt, um den gesamten Ultraschallfokus 10 abzudecken.
In 3 zeigt zwar eine geringere Anzahl von Voxeln 12 eine relativ genaue Temperatur an, da dort lediglich der mittlere Voxel keinen räumlichen Temperaturgradienten enthält, dieser Nachteil wird jedoch durch ein wesentlich besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis überkompensiert. Durch die geänderte Voxelgeometrie lassen sich Verbesserungen des Signal-zu-Rausch-Verhältnis um einen Faktor 4 sowie eine stark reduzierte Messdauer erzielen.

Claims

Vorrichtung zur Durchführung und Überwachung von thermischer Ablation, umfassend eine Vorrichtung zur Erzeugung von fokussiertem Ultraschall hoher Intensität und eine Magnetresonanzanlage zur Erzeugung von aus Voxeln bestehenden Untersuchungsbildern, die eine Temperaturinformation enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Voxel (12) an die Form des Ultraschallfokus (10) angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Voxel (12) bei einem eine ellipsoide Form aufweisenden Ultraschallfokus (10) quaderförmig ausgebildet sind, wobei die längste Seite eines Voxels (12) zumindest näherungsweise parallel zu der längsten Hauptachse des Ultraschallfokus (10) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der längsten Seite eines Voxels (12) zur längsten Hauptachse des ellipsoiden Ultraschallfokus (10) näherungsweise 1:3 oder weniger beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallfokus (10) in einem Untersuchungsbild (11) durch 6 bis 9 Voxel (12) je Schicht abgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Kantenlängen eines Voxels (12) in der Abbildungsebene etwa 2:1 bis 5:1, vorzugsweise 3:1, beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Kantenlängen eines Voxels (12) in der Abbildungsebene dem Verhältnis der großen Hauptachse zur kleinen Hauptachse eines ellipsoiden Ultraschallfokus entspricht.
Verfahren zur Erzeugung von Untersuchungsbildern mit einer Magnetresonanzanlage, wobei die aus Voxeln bestehenden Untersuchungsbilder eine Temperaturinformation enthalten und zur Überwachung einer Ablation mit Ultraschall hoher Intensität dienen, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Voxel an die Form des Ultraschallfokus angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Voxel bei einem eine ellipsoide Form aufweisenden Ultraschallfokus quaderförmig ausgebildet werden, wobei die längste Seite eines Voxels zumindest näherungsweise parallel zu der längsten Hauptachse des Ultraschallfokus ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Verhältnis der längsten Seite eines Voxels zur längsten Hauptachse des ellipsoiden Ultraschallfokus näherungsweise 1:3 oder weniger gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallfokus in einem Untersuchungsbild durch 6 bis 9 Voxel je Schicht abgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Verhältnis der Kantenlängen eines Voxels in der Abbildungsebene etwa 2:1 bis 5:1, vorzugsweise 3:1, gewählt wird.