DE69431741T2

DE69431741T2 - Vorrichtung zur medizinischen Behandlung mit Ultraschall

Info

Publication number: DE69431741T2
Application number: DE69431741T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Aida; Katsuhiko Fujimoto; Yoshiharu Ishibashi; Mamoru Izumi; Kazuya Okamoto; Shiroh Saitoh; Mariko Shibata; Takuji Suzuki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-03-12
Filing date: 1994-03-14
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2014-03-15
Also published as: EP0627206A3; US5553618A; US5722411A; DE69431741D1; EP0627206A2; EP0627206B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine medizinische Ultraschallbehandlungsvorrichtung zur Behandlung eines Ziels bzw. Targets durch Einstrahlung von intensiv fokussiertem Ultraschall von außerhalb eines Patienten, und auf eine auf Ultraschall beruhende medizinische Behandlungsvorrichtung, welche eine Bildgebungsvorrichtung verwendet. Eine Vorrichtung dieser Art ist zum Beispiel aus EP 0 170 416 bekannt.

Beschreibung des Standes der Technik

Die herkömmliche nicht-invasive Temperaturmessung des Inneren eines Patienten unter Verwendung der temperaturabhängigen Magnetresonanzparameter (MR), welche in Zusammenhang mit der medizinischen Ultraschallbehandlung verwendet wird, erfordert vollständige Daten betreffend die Positionsbeziehung der Organe und der Temperaturkoeffizienten für die Organe. Darüber hinaus, wenn die Präzision bezüglich der Temperatur verbessert werden soll, muss zur Verbesserung des Signalrauschverhältnisses die Ortsauflösung geopfert werden. Somit war sie ungeeignet für die Hypothermie, welche eine hohe räumliche Auflösung und Temperaturauflösung erfordert.
Ebenso, wenn die Temperaturänderung im Messziel stattfindet, werden sich die gemessenen MR-Parameter aufgrund ihrer eigenen Temperaturabhängigkeit ändern, so dass die Änderung des Bildes aufgrund von Degeneration verschleiert werden kann, und eine genaue Beurteilung des Behandlungseffekts nicht durchgeführt werden kann, so dass die Behandlung zu früh beendet oder übermäßig angewendet wird, und die Wirksamkeit der Behandlung wird verringert und normales Gewebe könnte betroffen werden.
Andererseits bestand die Gefahr, dass an Abschnitten mit wesentlicher Bewegung, wie der Atembewegung oder Herzschlagbewegung, der Brennpunkt der eingestrahlten Energie verschoben wird und normales Gewebe geschädigt wird. Darüber hinaus, bei der Behandlung von einem relativ großen Behandlungsziel, wie einer Krebserkrankung, durch einen sehr kleinen Brennpunkt in abtastender Weise, kann der Abtastplan (Behandlungsplan) verdorben werden, und es kann geschehen, dass die Energieeinstrahlungsposition übersehen wird.
Ferner, wie aus EP0 170 416 bekannt ist, wenn eine Ultraschallbildgebungsvorrichtung eingebaut ist, wird eine kontinuierliche Überwachung der Behandlung in Echtzeit möglich, aber die Ultraschallbildgebungsvorrichtung kann nur ein 2D-Tomographiebild bereitstellen, so dass alles außerhalb der Tomographieebene nicht verarbeitet werden kann. Darüber hinaus hat die Ultraschallbildgebungsvorrichtung eine niedrige Auflösung, so dass eine hochgenaue Einstellung des Brennpunkts schwierig ist, und es war sehr schwer den schmalen Bereich genau zu verfolgen.
Bei einer medizinischen Ultraschallbehandlungsvorrichtung ist es wichtig den intensiven Ultraschall nur auf das Behandlungsziel zu strahlen und das normale Gewebe in Ruhe zu lassen. Wenn jedoch Gewebe mit unterschiedlicher akustischer Impedanz entlang des Einstrahlungspfads des Ultraschalls vorhanden ist, kann Brechung und Reflexion auftreten, und der Brennpunkt wird verschoben. Ebenso, wenn Objekte mit sehr unterschiedlicher akustischer Impedanz vorhanden sind, wie Knochen, Lunge und Leerraum (Darmgas), kann die weitere Ausbreitung des Ultraschalls dort verhindert sein, und die Wärmeentwicklung aufgrund der Energieabsorption findet an einer solchen Position statt, um eine Degenerierung an einem unerwarteten Abschnitt zu bewirken.
Ebenfalls enthält ein Tumor mehr Blutgefäße als normales Gewebe, und wenn die intensive Energie eingestrahlt wird, können die Blutgefäße verletzt werden und ein schwerer Blutverlust eintreten.
Darüber hinaus wurde die Änderung der akustischen Eigenschaften des thermisch degenerierten Gewebes herkömmlicherweise nicht berücksichtigt.
Zusätzlich gab es während der Behandlung mit intensiver Ultraschallstrahlung Fälle, bei welchen der Patient aufgrund der Wahrnehmung des intensiven Schmerzes oder der Erwärmung, oder aus einem anderen Grund sich abrupt bewegte, und in einem solchen Fall wird der Brennpunkt des intensiven Ultraschalls aus der beabsichtigten Position verschoben, so dass die Gefahr der Verletzung von normalem Gewebe besteht.
Andererseits besteht bei der medizinischen Ultraschallbehandlung das Bedürfnis das Behandlungsgebiet und den Ultraschall-Transducer bzw. Umwandler zu überwachen, und Ultraschallbildgebung ist für diesen Zweck geeignet, da sie eine Echtzeitüberwachung bereitstellt. Die Ultraschallbildgebung kann jedoch durch Geräusche aufgrund der Ultraschalleinstrahlung der medizinischen Behandlung mit Ultraschall beeinflusst werden, so dass keine Überwachung während der Behandlung stattfinden kann. Selbst wenn eine intermittierende Ultraschallbestrahlung gewählt wird, um diesem Problem zu begegnen, lässt sich das Echtzeitmerkmal nicht verwirklichen, und eine genaue Ultraschallbestrahlung bleibt wegen der Körperbewegung und Atembewegung schwierig.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur medizinischen Behandlung zu schaffen, die in der Lage ist den heißen Punkt bzw. Hot-Spot mit hoher räumlicher Auflösung zu bestimmen, und die Verschiebung des Hot-Spots aus dem Brennpunkt zu verhindern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Behandlungsvorrichtung gelöst, wie sie in den Ansprüchen 1 und 8 definiert ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer ersten Ausführung einer medizinischen
Ultraschallbehandlungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine Perspektivansicht eines Ultraschallumwandlers bzw. Transducers mit phasengesteuerter Anordnung, der in der Vorrichtung der Fig. 1 verwendet wird.
Fig. 3A und 3B sind 2D- und 3D-Bilder, die in der Vorrichtung der Fig. 1 vor bzw. nach der Ultraschalleinstrahlung erhalten wurden.
Fig. 4 ist ein Flussdiagramm für einen Betrieb der Vorrichtung der Fig. 1.
Fig. 5 ist ein Flussdiagramm für einen alternativen Betrieb der Vorrichtung der Fig. 1.
Fig. 6 ist ein schematisches Blockdiagramm einer modifizierten Konfiguration für die Vorrichtung der Fig. 1.
Fig. 7 sind sequentielle Darstellungen von Bildern, die in der Vorrichtung der Fig. 6 verwendet wurden, um ein Hot-Spot-Bild zu erhalten.
Fig. 8 ist eine Darstellung einer Beispielsanzeige, die in der Vorrichtung der Fig. 6 verwendet wurde, um ein gefährliches Gebiet anzugeben.
Fig. 9 ist ein Zeitdiagramm zur Erklärung eines Betriebs einer zweiten Ausführung einer medizinischen Ultraschallbehandlungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 10 ist eine Darstellung eines Behandlungsziels bzw. Behandlungs-Targets zur Erklärung eines Betriebs in der zweiten Ausführung.
Fig. 11 ist ein Zeitdiagramm zur Erklärung eines Betriebs der zweiten Ausführung.
Fig. 12 ist ein Schaubild von Bilddaten, die in der zweiten Ausführung verwendet werden, um einen weiteren Betrieb in der zweiten Ausführung zu erklären.
Fig. 13 ist ein Zeitdiagramm zur Erklärung eines weiteren Betriebs in der zweiten Ausführung.
Fig. 14 ist ein weiteres Zeitdiagramm zur Erklärung eines weiteren Betriebs in der zweiten Ausführung.
Fig. 15 ist ein schematisches Blockdiagramm einer dritten Ausführung einer medizinischen Ultraschallbehandlungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 16A und 16B sind Darstellungen einer netzwerkartigen Marke, welche in der Vorrichtung der Fig. 15 verwendet werden kann.
Fig. 17 ist eine Darstellung eines in der Vorrichtung der Fig. 17 verwendeten Behandlungsgebiets.
Fig. 18 ist ein schematisches Blockdiagramm einer vierten Ausführung einer medizinischen Ultraschallbehandlungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 19A und 19B sind Zeitdiagramme zur Beschreibung eines Betriebs in der vierten Ausführung.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungen

In Fig. 1 wird nun eine erste Ausführung einer medizinischen Ultraschallbehandlungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die medizinische Ultraschallbehandlungsvorrichtung dieser ersten Ausführung ist von einer Art, die eine Kernmagnetresonanz-Bildgebungsvorrichtung (MRI) enthält, und eine in Fig. 1 gezeigte Konfiguration hat.
Zunächst wird ein Ultraschallbehandlungsteil in dieser Konfiguration der Fig. 1 beschrieben.
Der Ultraschallbehandlungsteil enthält nämlich einen Ultraschallapplikator 1, welcher einen Ultraschallumwandler bzw. Transducer 2 umfasst, um intensiven Ultraschall für die Behandlung einzustrahlen, und ein Wasserkissen 5, das ein Kupplungsfluid 4 enthält, um den intensiven Ultraschall aus dem Ultraschallumwandler 2 zum Patienten 3 zu leiten.
Hierbei hat der Ultraschallumwandler 2 eine als runde Scheibe geformte phasengesteuerte Anordnung, welche wie in Fig. 2 gezeigt ist, in radialer und umfänglicher Richtung aufgeteilt ist. Dieser Ultraschallumwandler ist mit Steuerschaltungen 12 verbunden, welche den Ultraschallumwandler 2 betätigen, um zum Behandlungszeitpunkt den intensiven Ultraschall abzustrahlen, um das Behandlungsziel bzw. Behandlungs-Target, das sich im Brennpunkt 7 befindet, durch Erwärmung des Behandlungsziels, wie ein Tumor 8, mit hoher Temperatur zu erhitzen.
Da in dieser ersten Ausführung der Ultraschallumwandler 2 mit phasengesteuerter Anordnung verwendet wird, ist es möglich die Ansteuerzeitpunkte der Ansteuerschaltungen 12 durch Phasensteuerschaltungen 11 zu steuern, so dass die Brennpunktposition, das akustische Feld und das erwärmte Gebiet ohne Bewegung des Applikators 1 gesteuert bzw. geregelt werden können. Hierbei sind die Ansteuerschaltungen 12 in eine Anzahl von Kanälen entsprechend den aufgeteilten Abschnitten des Ultraschallumwandlers 2 aufgeteilt, und jeder Kanal kann unabhängig durch unabhängige Zeitsignale angesteuert werden, welche aus den Phasensteuerschaltungen 11 erhalten werden, durch Anwenden von Verzögerungen auf die Steuersignale aus einer Systemsteuerung 9.
Auf diese Weise kann der Brennpunkt des durch den Ultraschallumwandler 2 erzeugten Ultraschalls an jeder gewünschten 3D-Position eingestellt werden, wie durch die in Fig. 2 zum Beispiel gezeigten Punkte 7 und 7' angegeben.
Der Ultraschallapplikator 1 ist beweglich gehaltert durch einen mechanischen Arm 17, der über eine Applikatorpositions- Erfassungseinheit 15 durch die Systemsteuerung 9 gesteuert wird. Die Systemsteuerung 9 hat Funktionen der Steuerung für sowohl den Ultraschallbehandlungsteil als auch eine. Sequenzsteuerung und eine Datenverarbeitungseinheit für einen MRI-Teil, der unten beschrieben wird.
Als nächstes wird der Patientenpositionsbestimmungsteil und der MRI-Teil in der Konfiguration der Fig. 1 beschrieben.
Der Patient 3 wird auf einem Behandlungstisch 22 platziert und in ein MRI-Gerüst 23 transportiert, in dem ein Magnet 18, Gradientenspulen 19 und ein HF-Spule 20 für MR-Bildgebung vorgesehen sind, durch eine Tischtransportvorrichtung 21, die von der Systemsteuerung 9 gesteuert wird.
Hierbei, um eine Störung der bei der MRI verwendeten Magnetfelder durch den Ultraschallapplikator 1 zu verhindern, besteht die Notwendigkeit den Ultraschallapplikator 1 soweit wie möglich aus nicht-magnetischen Materialien zu bilden. Zum Beispiel können der Ultraschallapplikator 1 und der mechanische Arm 17 aus Materialien wie verstärktem Kunststoff und Austenitgusseisen hergestellt sein, welche beinahe die gleichen mechanischen Eigenschaften wie gewöhnliches Gusseisen haben, während sie nicht-magnetisch sind. Es ist auch möglich den mechanischen Arm 17 hydraulisch auszubilden, anstelle der Verwendung eines Elektromotors, um die Menge an magnetischem Material weiter zu verringern.
Als nächstes aktiviert die Systemsteuerung 9 eine Gradientfeld-Energiequelle 13 und eine Sender- und Empfängerschaltung 14 gemäß einer vorgeschriebenen Pulssequenz, wie jener des T2-gewichteten Bildgebungsschemas, welches aus einer Konsole 16 angewiesen wird, um so die 3D- MR-Bilddaten für das Innere des Patienten 3 zu erhalten, welche danach in einem Speicher (nicht abgebildet) abgelegt werden.
Hierbei ist gemäß der von dem MRI-Teil erhaltenen MR-Bildern des Inneren des Patienten 3 möglich, im voraus einen geeigneten Behandlungsplan aufzustellen.
Wenn die MR-Bilder gewonnen werden, steuert die Systemsteuerung 9 den mechanischen Arm 17 so, dass der Ultraschallapplikator 1 mit dem Patienten 3 verbunden wird. Hierbei kann die Position des Brennpunkts 7 des aus dem Ultraschallapplikator 1 auszustrahlenden Ultraschalls von der Systemsteuerung 9 berechnet und gespeichert werden, gemäß einer Applikatorposition, die von der Applikatorpositions- Erfassungseinheit 15, die Potentiometer (nicht abgebildet) enthält, die an verschiedenen Punkten des mechanischen Arms 17 angebracht sind, erfasst wird, und der im voraus gemessenen Daten über eine Anbringungsposition des mechansichen Arms 17 bezüglich des MRI-Teils, so dass die Position des Brennpunkts 7 auf den von einem Bildschirm 10 angeziegten MR-Bildern angegeben werden kann, wie in Fig. 3A gezeigt.
Ebenso kann zusätzlich zum Brennpunkt 7 die Ultraschalleinfallroute 24 auf den vom Bildschirm 10 angezeigten MR-Bildern angegeben werden, wie in Fig. 3A gezeigt. Darüber hinaus, wie in den Fig. 3A und 3B gezeigt, können auf den vom Bildschirm 10 angezeigten MR- Bildern auch die x, y-Koordinaten im Falle der 2D-Anzeige oder die x, y, z-Koordinaten im Fall einer 3D-Anzeige angegeben werden, um so die Positionsbeziehung des Brennpunkts 7 und des Tumors 8 anzugeben.
In dieser medizinischen Ultraschallbehandlungsvorrichtung der Fig. 1 kann nun eine Messung eines durch die Einstrahlung des Ultraschalls verursachten heißen Punkts bzw. Hot-Spots wie folgt in der Behandlungsprozedur ausgenutzt werden.
Die Hot-Spot-Messung kann nämlich bei der Bestätigung der Übereinstimmung des Behandlungsziels bzw. Behandlungs-Targets und der Behandlungsposition verwendet werden, durch Erzeugen des Hot-Spots vor der tatsächlichen Behandlung, und Messen der Position des Hot-Spots. Hierbei kann sich jedoch der erzeugte Hot-Spot in normalem Gewebe befinden, so dass die Ultraschallbestrahlungsbedingung, wie die bei der Erzeugung des Hot-Spots zu verwendenden Ultraschallleistung, vorsichtig gesteuert werden sollte, um keine Beschädigung des Gewebes zu verursachen.
In dieser Beziehung ist auf dem Gebiet der Hyperthermie die Beziehung der Erwärmungstemperatur und der Zeit bezüglich des Behandlungseffekts (Überlebensrate) für eine Zelle wie folgt durch die folgende Gleichung (1) festgestellt worden:
In S = - A exp [-Ea/R[To + ΔT(t)]] dt (1)
wobei T0 die Temperatur vor der Energieeinstrahlung ist, ΔT(t) das Zeitprofil der Temperaturänderung ist, Ea eine empirische Aktivierungsenergie ist, A eine Proportionalkonstante ist, R eine Gaskonstante ist, und S die Überlebensrate (Survivial Rate) für eine Zelle nach der Erwärmung ist.
Hierbei kann die empirische Aktivierungsenergie Ea gemäß der folgenden Gleichung (2) mit der Enthalpie Δ der Degenration in Beziehung stehen:
Ea = Δ +R x T (2)
so dass diese empirische Aktivierungsenergie Ea aus der Enthalpie der Degenerationsreaktionscharakteristik der Zielzelle erhalten werden kann.
Alternativ kann die Aktivierungsenergie Ea und die Proportionalkonstante A für die Zielzelle durch Durchführung des Experiments und unter Verwendung der Zielzelle gemessen werden, da diese Größen für unterschiedliche Arten der Zelle unterschiedlich sein können. Aus den vergangenen Experimenten glaubt man, dass die Bereiche für diese Größen ungefähr 50Kcal/mol < Ea < 200 Kcal/mol und 10&sup9;&sup0; < A < 1&sup7;&sup8;&sup0; sind.
Somit, durch Einstellen der finalen Überlebensrate S gemäß der obigen Gleichung (1) auf einen ausreichend hohen Pegel, und durch Steuerung der Ultraschallbestrahlung um diesen Einstellpegel zu garantieren, kann der Schaden an normalem Gewebe aufgrund der Erzeugung des Hot-Spots effektiv verhindert werden. Zum Beispiel sollte die Einstellung der Überlebensrate S auf größer 0.7 in der Praxis ausreichend sein.
Nun wird die Prozedur für die Erzeugung und die Messung des Hot-Spots, sowie ihre Verwendung bei der Behandlung gemäß dieser ersten Ausführung ausführlich beschrieben. In dieser ersten Ausführung wird die Messung einer Temperaturänderung beruhend auf den T1-gewichteten Bildern verwendet.
Vor der Behandlung wird die Bildgebung bzw. Abbildung zum Zwecke der Positionsbestimmung durchgeführt, und der Patient wird gemäß einer Verschiebung positioniert, die erfasst wird durch Vergleichen des durch diese Bildgebung erhaltenen Bildes und des zum Zeitpunkt der Aufstellung des Behandlungsplans erhaltenen Bildes.
Nach dieser Positionsbestimmung wird das T1-gewichtete Bild als Referenzbild für die Hot-Spot-Messung gewonnen, welche vor der intensiven Ultraschallbestrahlung durchzuführen ist. Das erhaltene Referenzbild wird in einem Speicher (nicht abgebildet) abgelegt. Hierbei kann die Bildgebung zum Zwecke der Hot-Spot-Messung in 2D oder 3D durchgeführt werden. Im Falle von 2D-Bildgebung wird die Schnittebene so eingestellt, dass sie den eingestellten Brennpunkt enthält.
Dann steuert die Systemsteuerung 9 die Phasensteuerschaltungen 11 und die Ansteuerschaltungen 12, damit Ultraschall aus dem Ultraschallumwandler 2 eingestrahlt wird, während die Intensität und Einstrahlungszeit so gesteuert werden, dass sie in Bereichen liegen, die keine Degeneration gemäß der obigen Gleichung (1) bewirken.
Andererseits wird das T1-gewichtete Bild unter der Steuerung der Systemsteuerung 9 ähnlich wie oben geschaffen, entweder kontinuierlich seit einem Zeitpunkt vor der Ultraschalleinstrahlung, oder während der Ultraschalleinstrahlung, wie zum Beispiel drei Sekunden seit dem Beginn der Ultraschalleinstrahlung.
Dann wird die Differenz zwischen dem erhaltenen T1- gewichteten Bild und dem im Speicher abgelegten Referenzbild berechnet, um ein Hot-Spot-Bild zu erhalten.
Hierbei besteht kein Bedarf die Differenz in einem Fall zu berechnen, bei dem das Gewebe uniform war als das Referenzbild geschaffen wurde, oder in einem Fall, in dem eine für Temperaturänderungen sensitive Bildgebung durchgeführt werden kann durch geeignetes Einstellen der Pulssequenz, so dass eine ausreichende Temperaturänderung auf dem erhaltenen T1-gewichteten Bild selbst erscheint. Es ist auch möglich, die Änderungen der durch die Pulssequenz erhaltenen Signalwerte im voraus zu berechnen, und den heißen Punkt bzw. Hot-Spot als einen Abschnitt zu identifizieren, an dem die Änderung die vorgeschriebene Schwelle überschreitet.
Aus diesem Hot-Spot-Bild wird der Spitzenpunkt (Peak Point) oder ein Gebiet mit einer Änderung, die die vorgeschriebene Schwelle überschreitet, als Bild des Hot-Spots 6 extrahiert, welches dem zu Beginn erhaltenen MR-Bild der Fig. 3A überlagert wird, wie in Fig. 3B gezeigt.
Dann wird eine Verschiebung des Spitzenpunkts des beobachteten Hot-Spots 6 aus dem ursprünglich eingestellten Brennpunkt 7 erfasst. Hierbei, im Falle der 2D-Bildgebung, kann die Verschiebung des Spitzenpunkts innerhalb der Schnittebene aus einem MR-Bild erfasst werden und die Verschiebung in einer Richtung senkrecht zur Schnittebene kann erfasst werden, durch Durchführung einer weiteren Hot- Spot-Bildgebung in einer Ebene, die zur Schnittebene senkrecht ist und durch den erfassten Spitzenpunkt läuft.
Alternativ, wenn die Differenz zwischen der Temperaturänderung am Spitzenpunkt und die vorhergesagte Temperaturerhöhung unterhalb einer vorgeschriebenen Schwelle ist, kann beurteilt werden, dass sich der Spitzenpunkt des Hot-Spots 6 nicht in der Schnittebene befindet. Ebenso, selbst im Fall der 2D-Bildgebung, wenn eine Mehrschnitt- Bildgebung möglich ist, wird eine zentrale Schnittebene so eingerichtet, dass sie den eingestellten Schnittpunkt enthält, so dass der Spitzenpunkt auf der zentralen Schnittebene erfasst werden kann, und dann kann der Spitzenpunkt der Schnittrichtung erhalten werden aus der Änderung des Pixels, das den erfassten Spitzenpunkt darstellt, unter den Schnittebenen.
Im Fall, dass die erfasste Verschiebung eine vorgeschriebene tolerierbare Spanne überschreitet, wird dem Bediener die Gefahr durch einen Warnlaut, eine Bildschirmanzeige einer Warnfarbe oder eines Textes usw. angezeigt, während eine Sicherheitsschaltung (nicht abgebildet) aktiviert wird, um die Einstrahlung des intensiven Ultraschalls zu unterbrechen. Alternativ kann die Einstellung des Brennpunkts 7 verändert werden, um den Hot-Spot auf den ursprünglich eingestellten Brennpunkt einzustellen, und dann kann die Messung des Hot- Spots wiederholt werden.
Auf diese Weise, wenn der Hot-Spot mit der eingestellten Brennpunktposition innerhalb einer vorgeschriebenen Spanne übereinstimmt, wird der Einstrahlungspegel des Ultraschalls auf den Behandlungspegel erhöht, um das Behandlungsziel am Hot-Spot auf z. B. über 80º Celsius zu erwärmen, um so das Behandlungsziel thermisch zu Tode zu degenerieren.
Danach wird die Position des eingestellten Brennpunkts 7 sequentiell auf nachfolgende Behandlungsziele bewegt, und ein ähnlicher Vorgang wie oben beschrieben, wird für jedes Behandlungsziel wiederholt.
Bei der obigen Prozedur, in dem Fall, dass der Hot-Spot 6 nicht erzeugt werden kann, wenn Ultraschall mit verminderter Leistung eingestrahlt wird, handelt es sich entweder um eine Fehlfunktion des Ultraschallgenerators oder Ultraschallwandlers, oder um eine Versetzung der Kopplung, oder sonst einer Anomalie, wie einer extremen Brechung, Defokussierung, usw. des Ultraschalls. In jedem Fall steuert die Systemsteuerung 9 das System so, dass eine Warnung ausgegeben wird, ähnlich jener, die in der obigen Prozedur verwendet wird.
Am Ende oder mitten im ursprünglichen Behandlungsplan wird die Einstrahlung des Ultraschalls unterbrochen, und der Behandlungsfortschritt wird beobachtet, indem ein MR-Bild in der Nähe des Behandlungsabschnitts gemacht wird, und die Änderung im lebenden Körper auf dem MR-Bild auf ähnliche Weise wie oben beschrieben überprüft wird. Während dieses Vorgangs bleibt der Applikator 1 am Patienten 3 angebracht. Zu diesem Zeitpunkt, durch Subtrahieren der hier erhaltenen Daten von den Daten des T2-gewichteten Bildes, das vor Behandlungsbeginn im Speicher abgelegt wurde, wird es möglich, den thermisch degenerierten Bereich klar zu bestätigen, so dass es möglich wird zu beurteilen, ob eine ausreichende Behandlung durchgeführt wurde, oder ob eine Neubehandlung notwendig ist, da die Behandlung unzureichend war. Dieser Bestätigungsvorgang kann in den Behandlungstisch von Anfang an eingebaut sein, so dass die notwendige MR- Bildgebung automatisch zu vorbestimmten Zeitintervallen stattfindet.
Wenn es möglich ist, anhand der Behandlungseffektüberprüfung unter Verwendung von MRI zu beurteilen, dass eine ausreichende Behandlung abgeschlossen wurde, beendet der Bediener die Behandlung. Zu diesem Zeitpunkt kann die Systemsteuerung die Aufzeichnung der Behandlungsbedingungen aus dem Speicher aufrufen, und die Behandlungsaufzeichnung am Bildschirm 10 ausgeben.
Der oben beschriebene Betrieb gemäß dieser ersten Ausführung kann so zusammengefasst werden, wie es in dem Flussdiagramm der Fig. 4 und 5 gezeigt ist, wobei Fig. 4 sich mit einer Prozedur zur Messung des Hot-Spots aus der Differenz bezüglich des Referenzbilds beschäftigt, während sich Fig. 5 mit einer Prozedur zur Messung des Hot-Spots als jenem Punkt, welcher aufgrund der Temperatur kleiner als die vorhergesagte Bildsignaländerung ist, beschäftigt.
Der Betrieb gemäß des Flussdiagramms der Fig. 4 läuft wie folgt ab.
Als erstes wird die 3D-Feinbildgebung des Patienten bei Schritt 50 ausgeführt, und der Behandlungsplan wird gemäß des erhaltenen 3D-MR-Bildes bei Schritt 51 erstellt. Hierbei werden N Brennpunkte des in der Behandlung zu verwendenden Ultraschalls aufgestellt. Dies vollendet die Behandlungsplanstufe.
Als nächstes, in der Behandlungsstufe, wird der Patient bei Schritt S2 in das MIR-Gerüst platziert, und bei Schritt 53 wird die 3D-Bildgebung des Patienten durchgeführt. Dann wird bei Schritt S4 die Verschiebung zwischen dem bei Schritt 53 erhaltenen 3D-MR-Bild und dem bei Schritt 51 bei Erstellung des Behandlungsplans verwendeten 3D-MR-Bildes erfasst. In dem Fall, dass bei Schritt 55 die erfasste Verschiebung größer als eine vorbestimmte Schwelle Q1 ist, wird der Patient bei Schritt 56 um so viel wie die erfasste Verschiebung bewegt, wohingegen sonst dieser Schritt 56 übergangen wird.
Dann wird bei Schritt 57 ein Zähler i anfänglich auf 0 eingestellt, und bei Schritt 58 wird dieser Zähler um 1 inkrementiert. Wenn bei Schritt 59 der Zähler i größer als die Zahl N von eingestellten Brennpunkten ist, wird die Bildgebung für die Behandlungseffektüberprüfung bei Schritt 60 durchgeführt, und ob eine ausreichende Behandlung durchgeführt wurde oder nicht, wird bei Schritt 61 beurteilt. Wenn dem so ist, wird der Behandlungsvorgang beendet, wohingegen sonst der Vorgang zum Schritt 50 zurückkehrt, um die Behandlung erneut zu wiederholen.
Wenn der Zähler i nicht größer als N ist, wird der i-te Brennpunkt bei Schritt 62 eingerichtet. Dann wird bei Schritt 63 das Referenzbild gemacht und bei Schritt 64 im Speicher abgelegt. Unterdessen wird bei Schritt 65 der Patient mit schwachem Ultraschall bestrahlt, und bei Schritt 66 wird das MR-Bild bei schwacher Ultraschalleinstrahlung erhalten.
Als nächstes wird die Differenz zwischen dem MR-Bild, das bei Schritt 66 erhalten wurde, und dem Referenzbild, das bei Schritt 63 erhalten und Schritt 64 abgelegt wurde, bei Schritt 67 gewonnen, und die Hot-Spot-Spitze wird bei Schritt 68 aus der erhaltenen Differenz erfasst, und dann wird die Verschiebung der erfassten Hot-Spot-Spitze gegenüber dem eingestellten Brennpunkt bei Schritt 69 erfasst.
Wenn bei Schritt 70 die erfasste Verschiebung größer als eine vorbestimmte Schwelle Q2 ist, wird der eingestellte Brennpunkt bei Schritt 71 um so viel wie die erfasste Verschiebung bewegt, und der Vorgang kehrt zu Schritt 65 zurück, wohingegen sonst der Ultraschall hoher Intensität auf den Patienten gestrahlt wird, um bei Schritt 72 die Behandlung durchzuführen, und dann kehrt der Vorgang zum Schritt 58 zurück um einen ähnlichen Betrieb für den nächsten eingestellten Brennpunkt zu wiederholen.
Andererseits geht der Betrieb gemäß des Flussdiagramms der Fig. 5 wie folgt vor sich. Hierbei tragen jene Schritte, welche jenen im Flussdiagramm der Fig. 4 im wesentlichen äquivalent sind, die gleichen Bezugsziffern, und werden nicht erneut ausführlich beschrieben.
In diesem Fall sind die Schritte 50 bis 62 identisch mit jenen im Flussdiagramm der Fig. 4.
Nach dem Schritt 62 schreitet der Vorgang direkt zu den Schritten 65 und 66, welche ebenfalls identisch sind mit jenen im Flussdiagramm der Fig. 4.
Als nächstes, nach Schritt 66, wird bei Schritt 73 ein Gebiet in dem bei Schritt 66 erhaltenen MR-Bild extrahiert, welches eine durch das Bildsignal gegebene Schwelle überschreitet, und bei Schritt 74 wird eine Spitze bzw. eine Peak innerhalb des extrahierten Gebiets erfasst. Dann schreitet der Vorgang zu den Schritten 69 bis 72, welche identisch sind mit jenen im Flussdiagramm der Fig. 4.
Man beachte, dass in der oben beschriebenen ersten Ausführung anstelle der HF-Spule 20 eine Körperhohlraumspule (Body Cavaty Coil) verwendet werden kann, die in den Patienten einzuführen ist. Zusätzlich kann der Ultraschall-Umwandler 2 mit phasengesteuerter Anordnung ersetzt werden durch einen Ultraschall-Umwandler mit ringförmiger Anordnung, und der Brennpunkt kann durch mechanische Steuerung des Applikators bewegt werden.
Nun werden verschiedene Modifikationen der ersten Ausführung einer medizinischen Behandlungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben.
Als erstes kann die medizinische Ultraschallbehandlungsvorrichtung der ersten Ausführung der Fig. 1 modifiziert werden, um weiterhin eine Ultraschallbildgebervorrichtung zu enthalten, wie in Fig. 6 gezeigt. Hierbei erhalten jene Elemente, welche den entsprechenden Elementen in der ersten Ausführung äquivalent sind, die gleichen Bezugsziffern in der Figur, und werden nicht erneut beschrieben.
In diesem Fall ist eine Ultraschallsonde 25 im Zentrum des Ultraschallumwandlers bzw. Transducers 2 angebracht, und mit einer Ultraschallbildgebungsvorrichtung 26 verbunden, die aus der Systemsteuerung 9 so gesteuert wird, dass das Ultraschalltomographiebild des inneren des Patienten in Echtzeit beobachtet werden kann. Die Ultraschallsonde 25 ist ausgebildet, um hin und her geschoben werden zu können, und sich um seine Achse drehen zu können. Indem ein Mittel vorgesehen ist, um die relative Position der Ultraschallsonde 25 und des Brennpunkts 7 des aus dem Ultraschallumwandler 2 erzeugten Ultraschalls zu erhalten, ist es möglich die Brennpunktposition auf dem von der Ultraschallbildgebungsvorrichtung 26 erhaltenen Ultraschalltomographiebild anzugeben. Es ist auch möglich die Position des Ultraschalltomographiebildes auf dem 2D- oder 3D-MR-Bild anzugeben, das vom MRI-Teil erhalten wird, um so das Ultraschalltomographiebild mit dem Behandlungsplan zu verwenden, der gemäß des MR-Bilds erstellt wurde.
Hierbei ist zu beachten, dass der Applikator 1 nicht darauf beschränkt ist als Element verwendet zu werden, das von der Oberseite angenähert wird wie in Fig. 6 gezeigt, und als Element verwendet werden kann, das sich von der unteren Seite annähert, durch geeignete Steuerung des mechanischen Arms 17.
Bezüglich des Hot-Spots 6 genügt es einen Bereich mit einer relativ hohen Temperatur zu bestimmen, so dass es keine Notwendigkeit gibt die Temperaturänderung quantitativ anzugeben, und es nur erforderlich ist, dass der Hot-Spot 6 in dem die Temperaturänderung wiedergebenden Bild klar identifizierbar ist. In dem durch MIR gewonnenen T1- gewichteten Bild ist es zum Beispiel schwierig, mit nur einem solchen Bild die Relaxationszeit T1 quantitativ anzugeben, aber es zeigt eine ausreichende Änderung im Verhältnis zur Temperatur, so dass ein einziges T1-gewichtetes Bild zum Zweck der Hot-Spot-Messung verwendet werden kann.
In diesem Fall sind die Intensität und Bestrahlungszeit für die Ultraschallbestrahlung eingerichtet, innerhalb von Bereichen zu liegen, in welchen keine Degeneration bewirkt wird, um ein Temperaturprofil zu erhalten, das die obige Gleichung (1) erfüllt.
Zum Beispiel werden die Beziehungen zwischen der Intensität, Einstrahlungszeit und dem Temperaturprofil experimentell im voraus erhalten und in einem Speicher (nicht abgebildet) abgelegt, und die Überlebensrate gemäß dem Temperaturprofil wird unter Verwendung der obigen Gleichung (1) berechnet, um bevor eingestrahlt wird, zu bestätigen, dass die sich ergebende Überlebensrate innerhalb eines Einstellungsbereichs liegt.
Alternativ gibt es experimentelle Ergebnisse, welche in einem Fall einer instantanen Erwärmung (1 Sekunde oder kürzer) angeben, dass das Produkt der Ultraschallbrennpunktintensität, Bestrahlungszeit und Frequenz proportional zur Temperaturänderung sein wird, wie durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt:
Ip · t · f = 50ΔT (2)
wobei Ip die Brennpunktintensität ist, t die Einstrahlungszeit und f die Frequenz, so dass die Temperaturerhöhung ΔT aus dieser Gleichung (2) berechnet werden kann. Es wird erwartet, dass die tatsächliche Temperatur niedriger als die berechnete Temperatur ist, und nach der Bestrahlung mit einer bestimmten Zeitkonstante exponentiell abnehmen wird. Diese Zeitkonstante hängt ab von der Gewebeart, und kann im voraus experimentell bestimmt werden. Somit, wenn das auf diese Weise vorhergesagte Temperaturprofil in die obige Gleichung (1) eingesetzt wird, und wenn die Überlebensrate innerhalb des Einstellbereichs ist, wird keine Degeneration geschehen.
In dem Fall einer Einstrahlungszeit von über einer Sekunde, gilt das proportionale Verhältnis der obigen Gleichung (2) nicht, aber innerhalb des Bereichs, in dem der Einfluss des Blutflusses vernachlässigbar ist, kann die Wärmetransportgleichung des lebenden Körpers gelöst werden, um die Verteilung der Wärmequellen zu erhalten, und es ist möglich, das Temperaturprofil zu berechnen, welches für eine Bestrahlungszeit unterhalb von 20 Sekunden mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt.
Statt das Temperaturprofil aus den Berechnungen wie oben beschrieben zu gewinnen, ist es auch möglich, die quantitative Temperaturänderungsverteilung intermittierend zu gewinnen, durch Verwenden der oben beschriebenen Temperaturverteilungs-Messtechnik, wie der Temperaturmessung unter Verwendung der chemischen Verschiebung des Wasserprotons, und das erhaltene Resultat kann in die obige Gleichung (1) eingesetzt werden, um die Überlebensratenverteilung jedes Mal zu berechnen, dass ein Bild gewonnen wird. Dann können die Einstrahlungsbedingungen so gesteuert werden, dass die Einstrahlungsleistung verringert oder die Einstrahlungszeit verkürzt wird, wenn die Überlebensrate niedriger als der Einstellungsbereich wird.
Oben wurde angenommen, dass der Brennpunkt und der Spitzenpunkt des Hot-Spots übereinstimmen, es wurde jedoch experimentell bestätigt, dass es für den Hot-Spot eine Tendenz gibt, zur Ultraschalleinstrahlungsseite hin verschoben zu sein, aufgrund der Einflüsse der Dissipation innerhalb des lebenden Körpers usw.. Ebenso, im Fall der Verursachung der Degeneration in einem durch den intensiven Ultraschall bestrahlten Gebiet, wird der Ultraschall aufgrund der Degeneration und Kavitation, die in einer frühen Stufe der Einstrahlung verursacht wird, nicht darüber hinaus reichen, und es wurde experimentell beobachtet, dass das degenerierte Gebiet dazu neigt, sich zur Ultraschallbestrahlungsseite hin auszubreiten. Gemäß einer solchen Beobachtung ist es möglich, experimentell ein Gebiet zu bestimmen, in dem die Degeneration bewirkt werden kann, wenn eine Erwärmung bei bestimmten Einstrahlungsbedingungen angewendet wird, und nachdem die Positionsbeziehung dieses Gebiets bezüglich des Brennpunkts und des Hot-Spots verstanden ist, kann das Behandlungsgebiet eingerichtet werden, um mit dem vorhergesagten Degenerationsgebiet ausgerichtet zu sein, so dass das Degenerationsgebiet aus dem gemessenen Hot-Spot vorhergesagt werden kann.
Ebenso, anstelle der Temperaturänderungsmessung unter Verwendung des T1-gewichteten Bildes, ist es auch möglich jeden beliebigen temperaturabhängigen Parameter zu verwenden, der beobachtet werden kann, um die Temperaturänderung gemäß der Änderung des beobachteten Parameters zu erfassen. Zum Beispiel kann jeder der oben erwähnten Parameter der MRI verwendet werden. Im Fall der Temperaturmessung unter Verwendung der Temperaturänderung, die durch die chemische Verschiebung des Wasserprotons gewonnen wird, ist es möglich, die Änderung aufgrund der Temperaturänderung quantitativ zu bestimmen, so dass die Temperaturänderung ebenfalls quantitativ bestimmt werden kann. Das gleiche gilt auch für andere Bildgebungsdiagnostikgeräte, wie Röntgen-CT und Ultraschall-Bildgebungsvorrichtungen. Zum Beispiel kann die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit des Ultraschalls verwendet werden, um die Änderung aufgrund der Temperaturänderung als Bild zu extrahieren.
Um die Bildänderung aufgrund der Temperatur zu extrahieren, ist es notwendig eine Differenz zu nehmen zwischen den Bildern vor und nach der Erwärmung, Pixel für Pixel. Wenn der Patient sich jedoch während der Erwärmung bewegt, wird die Differenz jene zwischen sich nicht entsprechenden Pixeln sein, und es kann sich ein großer Fehler ergeben, insbesondere an Gewebegrenzen. Eine solche Körperbewegung des Patienten kann wie folgt kompensiert werden.
Das erwärmte Gebiet innerhalb eines Bildes ist nämlich in der Nähe des Brennpunkts begrenzt, so dass die Bilddaten außerhalb des Gebiets in der Nähe des Brennpunkts als nicht unter dem Einfluss der Erwärmung stehend angesehen werden können. Folglich, wie in Fig. 7 gezeigt, kann der Musterabgleich der Bilder vor und nach der Erwärmung, die in (a) und (b) der Fig. 7 gezeigt sind, gemäß der Bilddaten außerhalb des schraffierten Bereichs, der in der Nähe des Brennpunkts eingerichtet ist, durchgeführt werden, um so die Verschiebung zwischen diesen Bildern zu erfassen. Dann können diese Bilder gemäß der erfassten Verschiebung ausgerichtet werden, wie in (c) der Fig. 7 gezeigt, und die Differenz kann in diesem ausgerichteten Zustand genommen werden, um den Hot-Spot 6 ohne den Einfluss der Körperbewegung zu gewinnen wie in (d) der Fig. 7 gezeigt.
Ebenso, statt wie oben beschrieben das Bild als Referenzbild zu verwenden, das vor der Ultraschalleinstrahlung gewonnen wurde, ist es möglich, dass vorangehend gemachte Bild als Referenzbild zu verwenden, und die Temperaturänderung aus der integrierten Änderung im Differenzbild des vorangehend gemachten Bildes und des momentan gemachten Bildes zu gewinnen, um so den Einfluss der Körperbewegung zu verringern. Durch anwenden des Musterabgleichs von Zeit zu Zeit, um die Körperbewegung auf solche Weise zu kompensieren, wird es möglich einer großen Körperbewegung zu folgen. Insbesondere wenn die Temperaturmessung mit der chemischen Verschiebung eingesetzt wird, da die Temperaturauflösung im Fall der Messung unter Verwendung von Phasenabbildung (Phase Mapping) beliebig eingestellt werden kann, wird es möglich die Messung der Temperaturverteilung bei der feinen Temperaturauflösung über einen breiten Bereich durchzuführen, durch Gewinnung der Temperaturverteilung als Integration der Ergebnisse, die durch Einstellung der Messtemperaturbreite in einem schmalen Bereich gewonnen wurden, der nur die Temperaturänderung zwischen einem Bildgebungsintervall erfüllen kann.
Man beachte, dass die Idee der Überlebensrate gemäß der obigen Gleichung (1) auch bei der Bewertung der Sicherheit während der gesamten Behandlung wie folgt eingesetzt werden kann. Durch konstantes Gewinnen der Temperaturverteilung über den breiten Bereich, der die Einstrahlroute und den Brennpunkt enthält, kann die Überlebensrate bei jedem Pixel entsprechend dem vergangenen Temperaturprofil berechnet werden. Dann, durch Einstellen der Schwelle für die gefährliche Überlebensrate im voraus, kann das Ereignis, das ein Abschnitt diese Schwelle erreicht, vom Bediener erkannt werden, indem ein gefärbtes Gebiet 27 als Gebiet gefährlicher Überlebensrate angezeigt wird, wie in Fig. 8 gezeigt, oder mittels eines Alarmtons, während die Einstrahlung unterbrochen wird, oder von jenem Abschnitt weggeschoben wird, um jenen gefährlichen Abschnitt abzukühlen. Auf diese Weise ist es möglich zu verhindern, dass ein hypothermischer Einfluss auf normales Gewebe ausgeübt wird. An diesem Punkt kann der Berechnungsbereich auf den speziell interessierenden Punkt begrenzt sein, wie die Körperoberfläche, oder auf einen Abschnitt, an dem die Reflexion von der Darmwand erwartet werden kann.
Ebenso, anstelle der Berechnung der Überlebensrate nach der obigen Gleichung (1), ist es auch möglich, die Schwelle für die Temperatur selbst einzurichten, so dass die Warnung für den Bediener ähnlich wie oben gegeben wird, wenn die Temperatur diese Schwelle erreicht, während die Einstrahlung unterbrochen wird und von jenem Abschnitt weggeschoben wird, um jenen gefährlichen Abschnitt abzukühlen.
Zusätzlich kann die Temperaturmessung nicht nur im Fall der Verwendung des Einstrahlungsenergiepegels verwendet werden wie bei der Hot-Spot-Messung, sondern auch im Fall der Verwendung eines Einstrahlungsenergiepegels am Behandlungspegel, zum Zwecke der Überprüfung der sich ergebenden Erwärmung.
In einem solchen Fall kann der gemessene Parameter jedoch aufgrund der Degeneration des Behandlungsziels bzw. Behandlungs-Targets verändert werden, und diese Änderung wird der tatsächlichen Temperaturänderung überlagert. Aus diesem Grund kann das Bild im degenerierten Zustand im voraus gewonnen werden, und die Änderung aufgrund der Degeneration kann von dem während der Erwärmung gewonnenen Bild subtrahiert werden, um so den Einfluss aufgrund der Degeneration zu verringern. Alternativ kann die Entsprechung zwischen der Bildänderung und der Temperatur im voraus für Gebiete einschließlich des zu degenerierenden Gebiets gewonnen werden, und die Temperaturverteilung kann durch Berechnung gemäß dieser Entsprechung gewonnen werden.
Man beachte, dass die oben beschriebenen Konzepte alle ebenso anwendbar sind auf andere medizinische Thermalbehandlungen als der hier beschriebenen medizinischen Ultraschallbehandlung. Zum Beispiel ist es bei einer Erwärmungsbehandlung unter Verwendung eines Lasers ebenso möglich das Erwärmungsgebiet zu überprüfen, indem der Hot- Spot während einer Erwärmung unter Bedingungen, welche keine Degeneration bewirken sollen, gemessen wird. Genauso kann das Erwärmungsgebiet bei einer Erwärmungsbehandlung unter Verwendung von Mikrowellen überprüft werden.
Als nächstes wird die zweite Ausführung einer medizinischen Behandlungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben.
In dieser zweiten Ausführung ist die Konfiguration der Vorrichtung im wesentlichen ähnlich jener der oben beschriebenen ersten Ausführung, so dass ihre Beschreibung hier nicht wiederholt wird.
In dieser zweiten Ausführung, um das Bild der Degenerierung zu erhalten, wird das Bild gemacht nachdem die Temperatur des erwärmten Abschnitts zur normalen Temperatur zurückgekehrt ist. Wie nämlich in Fig. 9 angegeben, indem das Intervall zwischen der Einstrahlungsperiode P1 und der Bildgebungsperiode P2 über eine vorbestimmte Zeitspanne genommen wird, die durch die Erwärmungsbedingungen, wie die Einstrahlungsenergie und Einstrahlungszeit bestimmt wird, kann die Temperatur zur normalen Temperatur zurückkehren, und die Änderung im Bild kann begrenzt werden auf die irreversible Änderung aufgrund der Degenerierung allein.
Gemäß des von Vallancien et al. (Eur. Urol. 1991; 20; 211- 219) durchgeführten Tierversuchs, kehrt die durch Ultraschalleinstrahlung von 0.25 Sekunden auf 108º Celsius erwärmte Leber des Schweins innerhalb von acht Sekunden auf die Normaltemperatur zurück. Somit, durch Einstellen der Bildgebungsperiode P2 bei einem schraffierten Bereich in Fig. 9, der nach der ausreichenden Zeitspanne von zum Beispiel acht Sekunden seit der Einstrahlungsperiode P1 beginnt, wird es möglich das Bild zu gewinnen, das sich aus der Änderung S1 in den NMR-Signalen allein aufgrund der Degeneration ergibt.
Hierbei besteht im lebenden Körper jedoch die Möglichkeit, dass nach mehreren 10 Minuten seit der Wärmebehandlung ein Ödem als Reaktion des lebenden Körpers auftritt, und dieses Ödem kann es schwer machen, ein Bild der Degeneration zu machen, sodass die Bildgebung durchgeführt werden sollte nachdem die Temperatur zur Normaltemperatur zurückgekehrt ist und bevor das Ödem auftritt, um so ein Bild der Degeneration zu gewinnen, das so rein wie möglich ist.
Im Fall der intermittierenden Behandlung durch sequentielles Verschieben der Behandlungsposition über einen großen Tumor, ist es hinsichtlich der Zeit ineffizient, wenn nach jeder Ultraschalleinstrahlung ein Bild gemacht wird, so dass die Ultraschallbehandlung durchgeführt werden kann während die MR-Bilder sequentiell bei Intervallen von mehreren 10ms gewonnen werden durch Verwenden einer Ultrahochgeschwindigkeits-Pulssequenz und Überprüfen des Behandlungseffekts (Degeneration) an dem Abschnitt welcher innerhalb der gewonnenen MR-Bilder zur Normaltemperatur zurückgekehrt ist.
Zum Beispiel, im Fall der Behandlung eines Behandlungsziels (Tumor) 8 wie in Fig. 10 gezeigt, sollte die Ultraschallbehandlung an den Behandlungsabschnitten durchgeführt werden, die in einer Reihenfolge verschoben sind, wie sie durch die eingekreisten Ziffern in Fig. 10 angegeben ist. In einem solchen Fall können die Behandlungspositionen die Temperaturcharakteristiken haben, wie sie in Fig. 11 angegeben sind. Gemäß dieser Fig. 11 ist die Temperatur der ersten Behandlungsposition bis zu dem Zeitpunkt, dass die achte Behandlungsposition behandelt werden soll, zur Normaltemperatur zurückgekehrt, so dass der Behandlungseffekt an der ersten Behandlungsposition aus dem MR-Bild überprüft werden kann, das in einer Periode A, die in Fig. 11 angegeben ist, gemacht wurde.
Ebenso, indem durch Verwenden der Temperaturmessung mit der chemischen Verschiebung die Temperaturmessung in Echtzeit durchgeführt wird, wird es möglich, den Behandlungseffekt aus dem MR-Bild der Degeneration zu überprüfen, ohne den Einfluss der Temperatur, das gewonnen wird, wenn bekannt ist, dass die Temperatur zur normalen Temperatur zurückgekehrt ist.
Beim Betrieb dieser medizinischen Ultraschallbehandlungsvorrichtung als Ganzes, kann der Bediener den Track-Ball und die Maus durch beide Hände betätigen, so dass die Bildgebungsschnittebene ausgewählt wird durch den durch die linke Hand betätigten Track-Ball, während die Auswahl und Bestimmung der Behandlungsposition, sowie der Beginn der Ultraschalleinstrahlung durch die von der rechten Hand betätigten Maus spezifiziert werden können. Auf diese Weise kann das 3D-Behandlungsziel behandelt werden, während der Behandlungseffekt überprüft wird.
Hierbei ist es möglich, den Behandlungseffekt auf einfache Weise zu überprüfen, indem der bereits behandelte Abschnitt nach einer durch die Erwärmungsbedingungen bestimmten vorgeschriebenen Periode in anderer Farbe dargestellt wird, während ebenfalls die angezeigten Farben geändert werden für das Vorhandensein oder Fehlen der Degeneration, und auch für unterschiedliche Grade der Degeneration.
Die durch die Bildgebung gewonnenen Bilddaten werden im Speicher abgelegt und können zum Zeitpunkt der Überprüfung des Behandlungseffekts nach der abgeschlossenen Behandlung aufgerufen werden. Hierbei ist es möglich, Teile der Bilder, welche die durch eine Ultraschalleinstrahlung zu behandelnde Position enthalten, aus den Bildern zu extrahieren, und die extrahierten Teile zum Zwecke der Überprüfung des Behandlungseffekts zu synthetisieren.
Im Falle der automatischen Durchführung der Behandlung gemäß des vorher erstellten Behandlungsplans, ist es möglich die automatische Behandlung genau durchzuführen, während der Behandlungseffekt wie folgt beurteilt wird. Es wird nämlich für jede Behandlung an einem Brennpunkt das Auftreten der Degeneration am Behandlungsabschnitt in dem nach der durch die Erwärmungsbedingungen bestimmten vorgeschriebenen Periode erhaltenen Bildes bezüglich der Schwelle überprüft, die aus den vergangenen experimentellen Daten bestimmt wird, und dann werden Daten zum Befehlen der Wiederbehandlung in die Systemsteuerung zurückgekoppelt, in dem Fall, dass die Behandlung unzureichend ist.
Bei der Abbildung der Degenerierung nachdem die Temperatur zur Normaltemperatur zurückgekehrt ist, wie oben beschrieben, kann der Behandlungseffekt unmittelbar nach der Einstrahlung des Ultraschalls nicht beurteilt werden. Ebenso im Fall der Erwärmung eines großen Gebiets über einer bestimmten Zeitperiode, ist eine beträchtliche Zeitspanne erforderlich, bis die Temperatur zur normalen Temperatur zurückgekehrt ist, so dass es notwendig ist, die Degenerierung allein im Hochtemperaturzustand zu extrahieren. In einem solchen Fall kann die Degenerierung wie folgt beurteilt werden.
Durch Verwenden der Charakteristiken des aus Erfahrung bekannten Bildsignals, kann nämlich die Degenerierung aus dem zum Zeitpunkt der Temperaturzunahme erhaltenen MR-Bild beurteilt werden. Zum Beispiel können die verschiedenen Charakteristiken, wie die Temperaturzunahmecharakteristik bezüglich der Einstrahlungszeit, wie in Fig. 9 gezeigt, die Bildsignalstärkecharakteristik bezüglich der Bildgebungssequenz und die Schwelle zur Bewirkung der Degenerierung für die allgemeinen Erwärmungsbedingungen im voraus im Speicher abgelegt werden, so dass zum Zeitpunkt der Ultraschalleinstrahlung, das Auftreten der Degenerierung und das Maß der Degenerierung abhängig von der gemessenen Bildsignalstärke überwacht werden können.
Ähnlich, wie in Fig. 12 gezeigt, indem die Änderung S3 aufgrund der Temperatur allein in den gemessenen Bilddaten vorhergesagt wird, können die gemessenen Daten, die die Änderung S2 aufgrund der Degenerierung enthalten, korrigiert werden.
Die Temperaturverteilung kann nämlich gemessen werden durch Verwenden der Temperaturverteilungsmessung durch die chemische Verschiebung in der in Fig. 3 gezeigten Prozedur und die Relaxationszeiten, die bei der hohen Temperatur gemessen wurden, können durch die gemessene Temperaturverteilung korrigiert werden, um die Änderung aufgrund der Degenerierung allein wie folgt zu gewinnen. Als erstes wird beim Punkt A das Bild gewonnen, während die Temperaturverteilung vor der Erwärmungsbehandlung gemessen wird, dann, beim Punkt B, wird die Erwärmungsbehandlung durch die Ultraschalleinstrahlung durchgeführt. Während und nach dieser Erwärmungsbehandlung, bei den Punkten C und D, wird das Bild und die Temperaturverteilung ebenfalls gewonnen. Dann wird der Einfluss der Temperatur gemäß der Temperaturabhängigkeit des Bildes (wie T2-gewichtetes Bild) korrigiert. In diesem Fall gewinnt die Temperaturverteilungsmessung die absolute Temperatur, die aus der Verschiebung bezüglich des Fettspektrums berechnet wird, aber in dem Fall, dass der Einfluss der Magnetfeldinhomogenität nicht groß ist aufgrund der Degenerierung, kann die Temperaturmessung unter Verwendung der Phasendaten verwendet werden, um die relative Temperaturverteilung bezüglich der Temperaturverteilung vor der Erwärmungsbehandlung zu gewinnen, um die Messzeit zur reduzieren.
Ebenso, ohne Messen der Temperaturverteilung wie oben beschrieben, unter der Annahme, dass die Temperaturverteilung zu einer bestimmten Zeit nach der Ultraschalleinstrahlung eine gleichmäßige Form hat, wobei die Amplitude sich nur bezüglich der Einstrahlungsintensitäten ändert, kann die Korrektur wie folgt durchgeführt werden.
Als erstes wird Ultraschall, der schwach genug ist, um keine Degenerierung zu verursachen, eingestrahlt, während die MR- Bilder kontinuierlich gewonnen werden. Dann, zum Zeitpunkt der tatsächlichen Erwärmungsbehandlung, werden die Bilddaten auch ähnlich gewonnen. Dann wird das Bild, das für den schwachen Ultraschall gewonnen wurde, im Verhältnis zur Ultraschalleinstrahlungsenergie geändert, um die Änderung des Bildes aufgrund des Einflusses der Temperatur allein zu berechnen, und die Änderung aufgrund der Degenerierung allein kann aus dem Bild extrahiert werden, das zum Zeitpunkt der Erwärmungsbehandlung gewonnen wurde, gemäß der berechneten Änderung aufgrund der Temperatur.
Ebenso verteilt sich die Temperaturverteilung nach der Ultraschalleinstrahlung allmählich im Raum, aufgrund der Einflüsse der Verteilung usw.. Somit, indem Ultraschall angewendet wird, der intensiv genug ist, um eine Degenerierung zu bewirken, und die Änderung des Bildes aufgrund der Temperaturänderung für das Gebiet in der Nähe des Brennpunkts, an dem die Degenerierung bewirkt wird, vorhergesagt wird durch Anpassen der Temperaturverteilung bezüglich der aus Erfahrung bekannten Temperaturverteilung, oder durch die Polynomapproximation der Temperaturverteilung, für die Bilddaten in einem Gebiet, das geringfügig entfernt ist vom Brennpunkt, in dem die Temperatur sich ändert, aber keine Degenerierung verursacht wird. Dann kann die Änderung aufgrund der Degenerierung extrahiert werden, indem die vorhergesagte Änderung aufgrund der Temperaturänderung vom gemessenen Bild subtrahiert wird.
Hierbei werden die Bilddaten für das qualitative Bild, wie das T1-gewichtete Bild und das T2-gewichtete Bild so verwendet, dass durch die einfache Subtrahierung an jedem Bildelement das extrahierte Ergebnis betreffend das Vorliegen oder Fehlen der Degenerierung auch qualitativ angezeigt werden kann,
Um das Maß der Degenerierung quantitativ zu extrahieren, kann der Einfluss aufgrund der Temperaturänderung wie oben korrigiert werden, durch Berechnen der Relaxationszeiten, wie T1 und T2 für jedes Bildelement, durch Lösen der simultanen Gleichungen aus einer Vielzahl von Bildern mit unterschiedlichen Wiederholungszeiten und Echozeiten, die durch die Ultrahochgeschwindigkeitssequenz innerhalb einer ausreichend kurzen Periode, in welcher die Temperaturänderung vernachlässigt werden kann, gewonnen werden.
Alternativ, unter der Annahme, dass eine Summe der Inversen der Relaxationszeit aufgrund der Temperaturänderung und der Inversen der Relaxationszeit aufgrund der Degenerierung gleich der Inversen der tatsächlichen gemessenen Relaxationszeit ist, kann die Relaxationszeit aufgrund der Degenerierung aus dieser Beziehung berechnet werden, und das quantitative Bild der Degenerierung kann erhalten werden.
Im Spin-Echo-Schema kann die Signalstärke S anhand der Spin- Dichte A, der Relaxationszeiten T1 und T2, der Wiederholungszeit TR und der Echozeit TE ausgedrückt werden, wie in der folgenden Gleichung (3).
S = A (1 - exp(TR · T1))exp(TE · T2) (3)
Dann, wie zum Beispiel in Fig. 14 gezeigt, jeweils vor, während und nach der Behandlung wird eine Vielzahl (drei in Fig. 14) von Abbildungsvorgängen (A1, A2 und A3; C1, C2 und C3; D1, D2 und D3) auf solche Weise durchgeführt, dass für die ersten und zweiten Abbildungen die Echozeit TE fixiert ist, während die Wiederholungszeit TR geändert ist, und die Echozeit TE für die dritte Abbildung geändert ist. Dann ist das Echosignal für die erste Abbildung nur durch den abnehmenden Term von T2 allein beeinflusst, so dass die Verhältnisbildung der ersten und zweiten Bilddaten, und das Einsetzen in die obige Gleichung (3) es ermöglicht, T2 zu gewinnen. Dann, nach der dritten Abbildung, wird das gewonnene T2 in die obige Gleichung (3) eingesetzt, und die simultanen Gleichungen für die ersten und dritten Bilddaten können für die Spin-Dichte A und die Relaxationszeit T2 gelöst werden.
Auf diese Weise werden die Relaxationszeiten unmittelbar nach den Abbildungen jeder Gruppe (A, C und D) berechnet, um die Relaxationszeit-Bilder zu erhalten. Hierbei kann die Berechnung begrenzt werden auf ein Gebiet in der Nähe des Brennpunkts, an dem die Änderung zu erwarten ist. Unterdessen wird auch die Temperaturmessung für alle Gruppen durchgeführt und die Temperaturverteilung wird als gemessenes Ergebnis so wie sie ist bestimmt, wenn die Temperaturänderung innerhalb jeder Gruppe im vernachlässigbaren Bereich ist, oder als Mittelung der gemessenen Resultate. Dann, unter Verwendung dieser Temperaturverteilungsdaten, werden die während der Temperaturzunahme gemessenen Relaxationszeiten korrigiert. Wenn die Temperaturänderung innerhalb jeder Gruppe groß ist, wird eine Maßnahme ergriffen, wie die Verkürzung des Messintervalls. Das Messintervall (Wiederholungszeit) und die Echozeit innerhalb jeder Gruppe werden durch das Messziel und die Erwärmungsbedingungen bestimmt.
Es ist zu beachten, dass die oben beschriebenen Konzepte genauso gut anwendbar sind auf eine andere Erwärmungsbehandluhg als die hier beschriebene medizinische Ultraschallbehandlung. Zum Beispiel sind sie auch anwendbar auf eine Erwärmungsbehandlung unter Verwendung eines durch optische Fasern geleiteten Lasers. Insbesondere ist die Extrahierung der Degenerierung während der Temperaturerhöhung anwendbar auf eine Erwärmungsbehandlung unter Verwendung von Mikrowellen.
Ebenso wurde oben die Änderung der Parameter, wie der Relaxationszeiten, aufgrund von thermischer Degenerierung verwendet, um den Behandlungseffekt zu überprüfen, aber es kann auch die Metabolismusaktivität erfasst werden, durch Verwenden von Phosphorspektroskopie bei der Hyperthermie, wobei die Metabolismusaktivität von Zellen durch die Erwärmung verändert und die Zellen schließlich getötet werden. Zum Beispiel kann die Änderung der Spitze bzw. des Peaks von ATP erfasst werden, und wenn seine Änderung über der erfassten Schwelle liegt, kann diese Information wie beim oben beschriebenen als Behandlungseffektdaten zurückgekoppelt werden, so dass die Behandlung durchgeführt werden kann, während der Behandlungseffekt wie oben beschrieben überprüft wird.
Als nächstes wird die dritte Ausführung einer medizinischen Behandlungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben. Hierbei erhalten jene Elemente, welche den entsprechenden Elementen in der ersten Ausführung der Figur äquivalent sind, die gleichen Bezugszeichen wie in jener Figur, und werden nicht erneut beschrieben.
In dieser dritten Ausführung ist die medizinische Ultraschallvorrichtung der ersten Ausführung der Fig. 1 geringfügig modifiziert, um ferner einen Brustgurt 35 zu umfassen, der an der Brust des Patienten 3 angebracht wird, um das Atmungssignal des Patienten 3 zu erfassen. Bei der Erstellung des Behandlungsplans für ein Behandlungsziel wie zum Beispiel Leberkrebs, bei dem die Bewegung aufgrund der Atmung erheblich ist, ist es nämlich vorzuziehen die Bilddaten zu verwenden, die zeitlich in der Nähe des Ausatmungsendes erhalten werden, um eine Reproduzierbarkeit der Bilder zu erzielen. Aus diesem Grund wird in der dritten Ausführung der Brustgurt 35 vorgesehen, um diese zeitliche Phase zu erfassen, so dass die Bildgebungszeiteinstellung von der Systemsteuerung 9, der das erfasste Atmungssignal aus dem Brustgurt 35 zugeführt wird, geeignet gesteuert werden kann.
Wenn die Behandlung gemäß des Behandlungsplans begonnen hat, wird eine Markierung am Einatmungsende an einer vorbestimmten Behandlungsstartposition gemacht, und der Brennpunkt 7 des Ultraschalls wird auf die Behandlungstartposition gesetzt, und die intensive Ultraschalleinstrahlung wird begonnen.
Hierbei ist das Markieren die magnetische Markierungstechnik, die für MRI entwickelt wurde (Zerhouni E. A., et al. Radiology 1988; 169; 59-63), bei der die Markierung unter Verwendung einer speziellen Abbildungssequenz auf dem MR-Bild eingefügt ist. Genauer gesagt, wenn vor der Bildgebung allein auf eine vorbestimmte Ebene ein 90º-Puls selektiv angewendet wird, und dann die normale Bildgebung durchgeführt wird, verschwindet das Signal auf der vorbestimmten Ebene und dieser Abschnitt erscheint als schwarze Linie (Markierung) auf dem erhaltenen MR-Bild. Diese Line (Markierung) kann bei beliebigen gewünschten, konstanten Intervallen parallel vorgesehen werden, und eine gitterförmige Markierung ist ebenfalls möglich, indem instantan eine Markierung in der senkrechten Richtung angebracht wird. In jüngster Zeit wurde es auch möglich die Markierung in jeder gewünschten 3D-Form zu schaffen (C. J. Hardy, et al., J. Magnetic Resonance 1989; 82; 647-654).
Die Markierung hält ungefähr eine Sekunde an, so dass wenn das Bild innerhalb einer vorbestimmten Zeit nach der Markierung aufgenommen wird, die Bewegung während dieser Periode aus dem Fluss der Markierung erkannt werden kann. Zum Beispiel, in einem Fall, bei dem eine netzförmige Markierung zu einem Zeitpunkt to gemacht wird, wie in Fig. 16A gezeigt, wenn sich das Objekt 36 innerhalb des umgebenden Gewebes 37 bewegt, wird nach Ablauf einer Zeit t eine Verzerrung in der netzförmigen Markierung bewirkt, wie in Fig. 16B gezeigt, so dass die Bewegung des Objekts zweidimensional erfasst werden kann. Ferner, durch Teilen des Bewegungswegs der Markierung durch die Zeit t wird es möglich, die Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts quantitativ zu erhalten.
In dieser dritten Ausführung, wie in Fig. 17 gezeigt, wird eine spitzenförmige Markierung 38 verwendet, um die Erfassung der Position der Markierung 38 im MR-Bild zu erleichtern. Hierbei kann die Erfassung der Position der Markierung 38 erzielt werden durch Erfassen des niedrigsten Signalstärkepunkts innerhalb des MR-Bildes.
Dann, nach Ablauf einer Zeit, wie zum Beispiel 0.8 Sekunden, während welcher die Markierung nicht verschwindet, führt die Systemsteuerung 9 eine weitere Bildgebung bzw. Abbildung durch. An diesem Punkt, wenn sich das Behandlungsziel (Tumor) 8 bewegt hat, wird eine Verschiebung zwischen der Markierung 38 und dem Brennpunkt 7 bewirkt. Diese Verschiebung wird von der Systemsteuerung 9 erfasst, welche in der Folge den Ultraschallapplikator steuert, um den Brennpunkt 7 auf die Position der Markierung 38 zu verschieben, und dann wird das Markieren dort erneut durchgeführt. Danach wird ein ähnlicher Vorgang während der Behandlung der ersten Behandlungsposition wiederholt.
Nachdem die Behandlung der ersten Behandlungsposition abgeschlossen ist, zum Zeitpunkt des Ausatmungsendes, wird das Markieren entsprechend dem Behandlungsplan an der nächsten Behandlungsposition durchgeführt. Dann wird der gleiche Vorgang wie im Fall der ersten Behandlungsposition wiederholt.
Im Fall, dass die Verschiebung zwischen der Markierung 38 und dem Brennpunkt 7 größer als ein vorbestimmter Wert wird, kann es eine abrupte Körperbewegung des Patienten oder eine Fehlfunktion der Vorrichtung gegeben haben, so dass die Systemsteuerung 9 die Ultraschalleinstrahlung unterbricht und den Bediener mittels der Warnanzeige oder des Alarmtons alarmiert.
Man beachte, dass der in dieser dritten Ausführung zur Erfassung des Atmungssignals verwendete Brustgurt 35 durch ein anderes Atemsignalerfassungsmittel ersetzt werden kann, wie einen Impedanzatmungsmonitor. Ebenso kann diese dritte Ausführung statt auf die Atmungsbewegung auch auf die Bewegung des Herzmuskels oder der Umgebung des Herzens angewendet werden, durch ähnliche Verwendung eines Elektrokardiogramms.
Man beachte auch, dass die Form der Markierung 38 nicht notwendigerweise die oben verwendete Punktform ist, und das Markieren stattdessen an einer Schnittstelle von drei Ebenen durchgeführt werden kann, oder um die Kontur des Behandlungszieltumors herum, um es dem Bediener zu erleichtern, etwas zu erkennen.
Als nächstes wird die vierte Ausführung einer medizinischen Behandlungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben. Hierbei erhalten jene Elemente, welche den entsprechenden Elementen in der ersten Ausführung der Fig. 1 äquivalent sind, die gleichen Bezugsziffern wie in jener Figur, und werden nicht erneut beschrieben.
In dieser vierten Ausführung, wie in Fig. 18 gezeigt, ist die Systemsteuerung aufgeteilt in eine Steuerschaltung 9A und eine Sequenzsteuerung 9B, und es ist ein Speicher 28A vorgesehen, der mit der Steuerschaltung 9A verbunden ist, um die 3D-Daten D0, D1 usw. des Patienteninneren zu speichern, ein Speicher 28B, der mit der Sequenzsteuerung 9B verbunden ist, um die Sequenzdaten S1, S2 usw. zu speichern, und ein Lichtstift 29, der in Zusammenhang mit dem Bildschirm 10 vorgesehen ist.
Diese vierte Ausführung verwirklicht wie folgt eine automatische Brennpunktverfolgungsfunktion.
Als erstes, um den Tumor mit hoher Auflösung und hohem Kontrast darzustellen, werden die Sequenzdaten S1 für T2- gewichtete Abbildungen, die im Speicher 28B gespeichert sind, verwendet, um die T2-gewichtete Bildgebungssequenz durchzuführen, gemäß welcher die Sequenzsteuerung 9B die- Gradientfeld-Energiequelle 13 und die Sender- und Empfängerschaltung 14 steuert. Dann werden die erhaltenen Bilddaten als 3D-Daten D0 im Speicher 28A gespeichert, während sie auf dem Bildschirm 10 dargestellt werden.
Dann werden die im Speicher 28B für die Körpertemperaturverteilungs-Messung gespeicherten Sequenzdaten S2 verwendet, um die Erfassung der 3D- Temperaturverteilungsdaten D1 vor der Ultraschalleinstrahlung durchzuführen, die im Speicher 28A gespeichert werden sollen.
Als nächstes steuert die Steuerungsschaltung 9A die Ansteuerschaltungen 12 auf niedrige Leistung, um den Körper des Patienten für eine kurze Zeitperiode auf weniger als 45º Celsius zu erwärmen, auf ein Niveau, das den lebenden Körper nicht beeinflusst, um die im Speicher 28A zu speichernden 3D- Daten D2 zu erhalten.
Dann wird die Differenz zwischen den Daten D2 und D1 genommen und der Anzeige der Daten D0 überlagert, um so im 3D-Bild der Daten D0 einen Ort anzuzeigen, an dem sich die Temperatur erhöht hat, d. h. die Brennpunktposition.
(Brennpunktpositionierungsmodus). Als Ergebnis kann der Brennpunkt genau auf den Tumor eingestellt werden, und eine sichere Behandlung kann durchgeführt werden.
Durch Ausnutzen der Tatsache, dass der momentane Ultraschalleinstrahlungspunkt bestimmt werden kann durch Messung des Temperaturerhöhungspunkts auf diese Weise, wird der Temperaturerhöhungspunkt in Echtzeit bekannt, so dass erreicht werden kann, dass der intensive Ultraschallbrennpunkt dem Behandlungsabschnitt automatisch folgt.
Genauer gesagt verwirklicht man die Brennpunktverfolgungsfunktion gemäß der in den Fig. 19A und 19B gezeigten Sequenz. Als erstes zeigt Fig. 19A eine Sequenz für das Kurzpuls-Einstrahlungskonzept, bei dem nach der Fokussierung des Brennpunkts auf den Patienten gemäß des Brennpunktpositionierungsmodus, eine gebündelte Einstrahlung des intensiven Ultraschalls begonnen wird. Wenn eine Einstrahlung kurzen Pulses beendet ist, und unmittelbar bevor die nächste Einstrahlung mit kurzem Puls beginnt, werden die Temperaturerhöhungsverteilungs-Daten D3 erhalten und im Speicher 28A gespeichert. Dann werden aus diesen Daten D3 die Koordinaten des Punkts maximaler Temperaturerhöhung berechnet. Hierbei ist es auch möglich die Schwerpunktsposition der Temperaturerhöhungsverteilung als Brennpunktkoordinate zu setzen.
Als nächstes wird diese Koordinate (welche die Position der ersten Anwendung eines kurzen Pulses angibt), die aus den Daten D3 erhalten wird, von der ersten Koordinate der Brennpunktposition, die aus den Daten D2 erhalten wird, subtrahiert, um die Verschiebung zu berechnen. Dann berechnet die Steuerschaltung 9A die Ansteuerphase der Ansteuerschaltungen 12, um den Ultraschallumsetzer 2 zu betätigen, und liefert die Phasendaten an die Phasensteuerschaltungen 11. Darauf ansprechend betreibt die Ansteuerschaltung 12 den Ultraschallumsetzer 2 gemäß der aus den Phasensteuerschaltungen 11 zugeführten Phasendaten.
Auf ähnliche Weise werden die Temperaturerhöhungsverteilungsdaten D4, D5 usw. erhalten, und gemäß dieser Daten wird der Ultraschallbrennpunkt so gesteuert, dass er sich immer an der Position der maximalen Temperaturerhöhung befindet, so dass der Brennpunkt an der Behandlungsposition gehalten werden kann, welche sich aufgrund der Atembewegung bewegt. Als Ergebnis wird es möglich zu verhindern, dass aufgrund der Verschiebung des Brennpunkts keine ausreichende Temperaturerhöhung erhalten werden kann, oder dass unabsichtlich ein falscher Abschnitt geschädigt wird.
In dieser vierten Ausführung ist es statt der Positionierung der Brennpunktposition während der Kurzpulseinstrahlungen auch möglich, eine Brennpunktverfolgungsfunktion während einer kontinuierlichen Einstrahlung zu erreichen, wie in Fig. 19B gezeigt. In diesem Fall werden die Temperaturerhöhungsverteilungsdaten D2, D3 usw. zu vorgeschriebenen Zeitintervallen erhalten, und der maximale Punkt der Temperaturerhöhung kann aus diesen Daten gemessen werden, so dass der Brennpunkt immer so gesteuert wird, dass er sich an dem aus diesen Daten berechneten Maximalpunkt befindet.
Man beachte auch, dass bei dem oben beschriebenen Konzept die Brennpunktbewegungssteuerung diskret durchgeführt wird, es aber auch möglich ist die Brennpunktbewegungssteuerung kontinuierlich durchzuführen, durch Interpolieren zwischen den benachbarten Daten, wie D3 und D4, gemäß der vorangehenden Daten, wie D2 und D3. Es ist auch möglich eine Brennpunktverfolgungsfunktion zu verwirklichen, indem die Brennpunktbewegungsroute zum nächsten Punkt gemäß der drei vorangehenden Daten vorhergesagt und interpoliert wird.
Es ist auch möglich die Temperaturerhöhungsverteilungsmessung dieser vierten Ausführung in Zusammenhang mit der Anzeige der Bilddaten zu verwenden, um eine noch genauere Behandlung zu verwirklichen.
Ebenso können die NMR-Parameter, welche für die Messung der Temperaturverteilung verwendet werden, durch die Schallgeschwindigkeitsänderung auf dem Ultraschallbild, die Temperaturänderung des Gewebe-CT-Werts auf dem Röntgen-CT- Bild usw. ersetzt werden.
Wie in Fig. 20 gezeigt, werden auf dem Bildschirm 10 die Bilddaten und die Temperaturerhöhungsdaten zusammen angezeigt, zusammen mit der Temperaturänderung des Punkts maximaler Temperaturerhöhung. Dann, wenn die Spitzentemperaturerhöhung zum Beispiel 70º Celsius erreicht, wird die intensive Ultraschalleinstrahlung unterbrochen und zum nächsten Einstrahlungspunkt verschoben.
Es ist auch möglich die Temperaturerhöhungsverteilung durch Simulation zu berechnen, statt der Verwendung der tatsächlich gemessenen Temperaturverteilung, welche zusammen mit den tatsächlichen Bilddaten angezeigt werden kann.

Claims

1. Vorrichtung zur medizinischen Behandlung, umfassend:

eine Bildgebungsvorrichtung (23) zur Gewinnung von Bilddaten eines Behandlungsabschnitts, der ein Behandlungsziel (8) enthält;

ein Energiebestrahlungsmittel (2) zur Anwendung von Energiestrahlung auf das Behandlungsziel (8); und

ein Steuerungsmittel (9) zur Steuerung der Bildgebungsvorrichtung (23) und des Energiebestrahlungsmittels (2), so dass die Bildgebungsvorrichtung gesteuert wird, um Hot-Spot- Erfassungsbilddaten (66) zu erhalten nachdem das Energiebestrahlungsmittel (2) gesteuert wird eine Energiestrahlung bei einem vorgeschriebenen Pegel (65) anzuwenden,

dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungsmittel (9) ausgebildet ist, auf der Grundlage einer Temperaturänderung im Behandlungsziel, die durch die Energiebestrahlung bei dem vorbestimmten Pegel verursacht wird, aus den Hot-Spot-Erfassungsbilddaten einen Hot-Spot zu erfassen (68), und gemäß dem erfassten Hot-Spot das Energiebestrahlungsmittel (2) zu steuern eine Behandlungsenergiebestrahlung bei einem Behandlungspegel anzuwenden (72), der höher ist als der vorgeschriebene Pegel.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuerungsmittel (9) den Hot-Spot durch Vergleichen der Hot-Spot- Erfassungsbilddaten mit Referenzbilddaten erhält, die von der Bildgebungsvorrichtung (23) vor der Energiebestrahlung bei dem vorgeschriebenen Pegel erhalten wurden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuerungsmittel (9) den Hot-Spot durch Extrahieren eines Abschnitts in den Hot-Spot-Erfassungsbilddaten erhält, der eine vorbestimmte Schwelle für die Änderung aufgrund der Temperaturänderung überschreitet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der vorgeschriebene Pegel, bei dem das Energiebestrahlungsmittel (2) gesteuert wird, um die Energiebestrahlung anzuwenden, ein Pegel ist, um das Behandlungsziel (8) nicht zu schädigen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der vorgeschriebene Pegel, bei dem das Energiebestrahlungsmittel gesteuert wird, um die Energiebestrahlung anzuwenden, ein Pegel ist, für den eine durch die folgende Gleichung (1) definierte Überlebensrate größer als ein vorbestimmter Wert ist:

In S = - A exp [-Ea/R[To + ΔT(t)]] dt

wobei To eine Temperatur vor der Energiebestrahlung ist, ΔT(t) ein Zeitprofil einer Temperaturänderung ist, Ea eine empirische Aktivierungsenergie ist, A eine proportionale Konstante ist, R eine Gaskonstante ist, und S die Überlebensrate ist.

6. Vorrichtung zur medizinischen Behandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei

das Energiebestrahlungsmittel ein Ultraschallbestrahlungsmittel (2) ist, um Ultraschallstrahlung anzuwenden, die auf ein Behandlungsziel (8) fokussiert ist, um die Temperatur des Behandlungsziels (8) anzuheben;

ein Temperaturmessmittel (32) vorgesehen ist, um die Temperatur des Behandlungsziels (8) zu messen, nachdem die Ultraschallstrahlung durch das Ultraschallbestrahlungsmittel (2) angewendet wird; und

ein Bild eines Behandlungsabschnitts, welcher das Behandlungsziel (8) enthält, nur dann von der Bildgebungsvorrichtung erhalten wird, wenn die von dem Temperaturmessmittel (32) gemessene Temperatur des Behandlungsziels eine normale Temperatur des Behandlungsziels angibt, welche im wesentlichen gleich einer Temperatur des Behandlungsziels vor der Anwendung der Ultraschallbestrahlung ist.

7. Vorrichtung zur medizinischen Behandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Energiebestrahlungsmittel ein Ultraschallbestrahlungsmittel (2) ist, um Ultraschall auf ein Behandlungsziel (8) anzuwenden, um die Temperatur des Behandlungsziels zu erhöhen und eine Degeneration des Behandlungsziels zu bewirken; und umfassend

ein Verarbeitungsmittel zum Separieren einer Änderung des Bilds aufgrund der Degeneration von einer Änderung des Bilds aufgrund einer Temperaturerhöhung, durch Subtrahieren einer vorhergesagten Änderung aufgrund der Temperaturerhöhung allein, von dem durch die Bildgebungsvorrichtung (23) erhaltenen Bild.

8. Ultraschallvorrichtung zur medizinischen Behandlung, umfassend:

ein Ultraschallbestrahlungsmittel (2), um Ultraschallstrahlung, die auf einen Brennpunkt (7) fokussiert ist, der auf einem Behandlungsziel (8) eingestellt ist, anzuwenden; und

ein Temperaturverteilungsmessmittel zur Messung der Temperaturverteilung eines Behandlungsabschnitts, der das Behandlungsziel (8) enthält, um Temperaturerhöhungspunkt-Daten zu erhalten; und

ein Steuerungsmittel (9) zur Steuerung des Temperaturverteilungsmessmittels und des Ultraschallbestrahlungsmittels (2), so dass das Temperaturverteilungsmessmittel gesteuert wird, um die Temperaturerhöhungspunkt-Daten zu gewinnen, nachdem das Ultraschallbestrahlungsmittel (2) gesteuert wird, um eine Ultraschallstrahlung bei einem vorgeschriebenen Pegel anzuwenden (65);

dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungsmittel (9) ausgebildet ist, einen Temperaturerhöhungspunkt aus den Temperaturerhöhungspunkt-Daten zu erfassen, und das Ultraschallbestrahlungsmittel zu steuern, eine Behandlungsenergiebestrahlung bei einem Behandlungspegel anzuwenden (72), der höher ist als der vorgeschriebene Pegel, nach Verschiebung (71) des Brennpunkts gemäß einer Versetzung des Temperaturerhöhungspunkts bezüglich des Brennpunkts in den Temperaturverteilungsdaten, die von dem Temperaturverteilungsmessmittel erhalten wurden.