TWI414330B - A guided positioning module and a treatment system having the positioning module - Google Patents
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Description
本申請案係依據2007年12月26日美國第61/016,659號「磁振成像導引熱治療系統」專利臨時申請案,其相關內容已納入供參考。
本發明係與醫療儀器之定位系統相關,更詳而言之,係指一種熱治療儀器所使用之定位模組與具有該定位模組之治療系統。
熱治療係利用加熱技術來治療如癌症或變異組織。利用高強度聚焦超音波(High Intensity Focused Ultrasound(HIFU))即為熱治療的一個例子,藉由局部加熱,高強度聚焦超音波可迅速使組織升溫壞死,一般可在數秒內完成。
為使熱治療過程安全有效,其能源轉換器傳輸給病患之能源最好可加以控制。另施作熱治療過程中,能量亦可被控制集中於擬治療部位以避免周遭健康組織被破壞。吾人可於能源轉換器上加設定位系統以達到該目標。
在一般熱治療器材中,醫學影像裝置(如超音波影像探頭(Ultrasound Imaging Probe),或磁振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)系統通常搭配與能源轉換器一起使用,以獲得即時影像導引。能源施加之期間、強度以及位置都可被偵測與控制,例如以磁振溫度影像來判定患病部位組織之溫度、熱劑量與壞死情形。
本發明係為針對位於一治療平台上目標物之導引式定位模組及具有該定位模組之治療系統。該定位模組有一基座組件,其上有一沿著平台長邊的可滑動之複數平行導軌,供治療裝置沿該些導軌移動以瞄準目標物。該些導軌上分別安裝有一滑動塊,該些滑動塊係連接一
弧形結構,沿著該弧形結構之內側另有一供治療裝置沿弧形之弧形軌道移動以瞄準目標物,該弧形軌道上另設有一導座,該導座上更設有一延展臂,該延展臂可沿弧形軌道之一半徑方向延展伸縮,以供治療裝置以瞄準目標物。
依此,本發明所示之具有定位模組之治療系統具有至少一項之下列特徵:該治療系統可包含一高能聚焦超音波換能器或一活體檢針;供收納治療裝置的導座上設有一樞軸裝置,使置於其上之熱治療裝置可於一或多於三正交軸上旋轉或偏擺;第一致動器裝設於該導座上,以便接收一個或多個訊號以啟動該導座之伸縮或偏擺;一第二致動器裝設於弧形軌道上,以便接收一個或多個訊號以啟動該導座之弧形移動;一第三致動器裝設於第一軌道上,以便接收一個或多個訊號以啟動該弧型結構之移動。
該治療系統包含一可將信號輸入之能源轉換器,並將產生之空間能量場集中於治療目標物上某一區域。該輸入於能源轉換器之信號可為一驅動空間能量場之信號。
一影像裝置可提供熱治療施做於目標物上選定治療區域所產生之療效程度之資訊。
另外,一微處理器可接收及處理自影像裝置獲得之資料,以產生控制信號去控制致動器啟動導座及或弧形結構之運動。該微處理器可更進一步依預設療效與施做之熱治療程度,發出一第一控制訊號啟動上述一或多個制動器,將熱治療裝置定位至下一個熱治療目標區域。
該微處理器上可設有一與能源轉換器相連之控制模組。根據從影像裝置所獲得之資訊,該控制模組可發出一第二控制訊號,以控制能源轉換器所發出之空間能量場,該發出之訊號可控制能源轉換器之強度及樣式以及時間長度。
在某些情形下,該能源轉換器可包含一組能源轉換列陣,其中每一能源轉換器位元均設定為可由個別訊號予以驅動。該控制模組則可進一步被設定為可產生一第三訊號以控制每個個別能源轉換器位元之頻率。此外,該控制模組另可設定為可產生一第四訊號以控制每個個
別能源轉換器位元之相位。
該影像裝置可為一磁共振成像(MRI)或一斷層掃瞄(CT)系統。
該基座組件可為機械式固定於平台上或可於平台上移動。它包含一第一基座組件以及與該第一基座組件平行之一第二基座組件,該二基座組件均各自有一沿平台長邊延展之軌道。
在某些情形下,基座組件可進一步包含一與平台接觸之床墊。該床墊亦可收納接收MRI信號之線圈。
另外,本發明提出一影像導引治療設備。一影像系統包含一可支撐目標物並將目標物移置擬定位置之平台。該平台可相對於影像系統移動,並包含一定位系統以將熱治療裝置定位於平台目標物上。該定位系統包含一與平台機械式相接之基座組件,該基座上有一沿著平台長邊的一第一軌道。一弧形結構垂直第一軌道設置於該基座上。沿著該弧形結構之內側另有第二軌道供熱治療裝置依弧形移動以瞄準目標物,該第二軌道上另設有供收納熱治療裝置的空間,而該空間可沿弧形軌道之半徑方向延展伸縮與偏擺。
本設備實施例可包含至少下列一項特性:一第一控制系統可與影像系統相連,設定為可發出一第一控制訊號使平台相對於既有的影像系統移動,例如磁共振影像系統;一第二控制系統設於定位系統上,設定為可發出第二控制訊號以控制定位系統使熱治療裝置向目標移動;第二控制系統可包含一可接收影像系統所傳送之患者影像,並據以決定治療效果。該處理器並可進一步被設定為可比較治療成果與預期治療目標,並依據比較結果產生第二控制訊號以控制定位系統;該熱療裝置包含一超音波轉換器;該影像系統可包含一磁共振裝置。
上述各項之諸多實施例可包含至少下列一種優點:在某些實施例中,熱治療裝置(如超音波轉換器)係與一個或多個影像系統並用,熱治療裝置之定位系統則為弧形以便置於影像系統之主體上(如磁共振影像或斷層掃瞄系統之鐘狀台架)。在某些例子中,因為系統基座組件係機械式裝設於平台上(而非固著於掃瞄器或
影像系統之其他部位),而在某些情形下,需於療程開始前或療程中,檢視患者身體不同部位之影像,吾人並不需移動平台即可控制熱治療裝置定位於患者治療部位。再者,熱治療裝置之定位系統亦可被設定為一可容易與各式影像系統結合之獨立系統,毋需對影像系統加以改裝。另外,平台相對於第一軌道(引導軌)或基座組件之可移動性允許移動患者至其他影像系統如斷層掃瞄或正電子發射斷層掃瞄(PET,Positron emission tomography)等系統進行攝像。
本發明之其他特徵及優點詳見下列敘述及申請專利範圍。
請參考圖1,一定位系統100之一實施例係為提供一設定為提供患者熱治療使用之能源轉換器120定位。該轉換器120(如一超音波轉換器)被設定為可傳送一空間能量場130(如一超音波聲場)於患者身上之目標組織區域。每一超音波束可治療目標組織之一特定部分,例如將一超音波束聚焦於某一小區塊。為治療整塊組織區域,吾人可根據由一電腦程式或一醫師預先設定之一程序,連續移動該能源轉換器120以治療目標組織區域之各區塊。
在某些例子中,一充滿液體袋140可與熱能轉換器120之表面結合,如此一來,當轉換器120經過液體袋施壓於患者身體時,液體袋140之內容物(如傳聲膠、水、或其他液體)可使轉換器120傳送超音波至患者之效果最佳。
為將轉換器120定位於擬治療區域,該定位系統100上有一組機械及/或電子裝置,以便轉換器120可在多個空間自由度進行如下所述之線性或旋轉操作。
在本實施例中,該定位系統100包括一可支撐接受治療之患者之平台102,患者可以臥姿或躺姿橫陳於平台上。該平台102可沿其長邊移動(如圖1所示之D1)以將患者移動至預設位置,如在某些需將患者移至磁振影像系統之情形下,亦可使用平台102將患者移至於磁振影像系統之中心部位以供攝像。
該定位系統100另包含一與平台102機械結合之基座組件104。在某些情形中,基座組件104係與平台102固合,因此隨平台102移動。該基座組件104上有一對平行之線形導軌106a及106b,另有一內側設置有一可滑動之弧形軌道112之一弧型結構110,以滑動塊111a及111b與平行之線形導軌106a及106b分別結合。因此,該弧形結構110可沿D2軸相對於導軌106及平台102移動。
一導座114設置於弧形結構110內側之弧形軌道112上,該導座114可供轉換器120以線性方向移動或旋轉偏擺。例如,該導座114可包含一沿弧形軌道112半徑方向移動之延展臂116,或可供轉換器120沿至少三正交軸之其一上旋轉偏擺之一樞軸組件118(如一轉體)。
在某些情形下,該導座114可與一可接受外部訊號之致動器(未顯示)結合以啟動導座114。致動器可為一可在磁振影像場域內運作之壓電振動馬達,該馬達並不會產生實質磁性干擾。該致動器亦可包含一組定位感應器,例如設為可感應轉換器120之線性或旋轉位置以提供回饋定位控制。
藉由使用定位系統100,該轉換器120可依下述細節於患者上進行線性或旋轉性操作。
一第一種操作模式為沿著D1方向移動平台102(亦即患者)。例如,在治療前,患者可先躺於MRI外之平台102上,後可被移動至MRI台架上以進行攝影。
一第二種操作模式為將弧形結構110相對於引導軌106或基座組件104沿著D2方向滑動。在引導軌106或基座組件104係固著於平台102之情形下,移動弧形結構110可將轉換器120相對於平台102上之患者,沿著長軸D2移動。
現請參考圖2A,其為一第三種操作模式,導座114可沿弧形結構110內側之弧形軌道112移動(稱之為D3方向)。
現請參考圖2B,其為一第四種操作模式,一可沿弧形軌道112半徑方向(稱之為D4方向)伸縮之延展臂116,可供微調超音波束進入擬治療部位之深度。
現請參考圖2C,該轉換器120可進一步藉由樞軸組件於三正交軸上旋
轉(稱為D5、D6及D7方向),以使轉換器120可進行環型或定點偏擺控制,以不同角度傳送超音波聲場以施加熱治療。
現請再參考圖1,在該定位系統100之另一可能實施例中,該引導軌106a及106b係直接架設於平台102上而非於基座組件104上。該基座組件104亦可設置為一可拆除之床墊,以便於置於MRI平台102上。另外,一組感應器或一致動器亦可增設於滑動塊111a及111b上以便接收熱治療施作之定位控制訊號。
在某些例子中,該定位系統100可整合於一個或多個影像裝置上,該影像裝置可提供剖面或生理資訊、患者組織之情況或治療之成效程度,合適之影像裝置例如MRI及斷層掃瞄(CT)系統。例如,當MRI被使用於熱療程序時,該定位系統100可被一部分或者完全地放置於MRI系統中,此時該MRI系統係提供一靜態磁場以產生磁共振影像。參考圖3,其為一磁振影像導引之熱治療系統300之一實施例。患者係於磁振攝影室330接受治療。該磁振攝影室330包含一磁場302及供攝影之部分MRI系統,一用於將超音波聲場施作於患者目標組織之HIFU轉換器308以及如圖1所述之定位系統100,該定位系統可使HIFU轉換器308在擬治療區塊上施作不同能量強度之聚焦超音波。
在此實施例中,該定位系統100包含一機械台架310(包括圖1之基座組件104、線形導軌106與滑動塊111、弧形結構110與弧形軌道112、導座114、延展臂116、以及樞軸組件118等),轉換器308則置於其上。該機械台架310與一個或多個馬達314以致動該轉換器308。該馬達314可為一可於強磁場中運作之壓電馬達,或一不會對MRI系統造成實質磁場干擾之液/氣壓驅動系統。該定位偵測器312(如線性及/或旋轉性編碼器)設於一個或多個對應之馬達314,將轉換器308之線性或旋轉位置訊息,發回控制迴路318裝置以利定位控制。
在某些例子中,該轉換器308可以是一可將電子信號轉換為超音波信號之壓電轉換器。而超音波信號之強度與施作期間可被外部控制訊號加以控制。例如,利用一放大器322通過一阻抗匹配箱316傳送超音波驅動信號。在其他的例子中,亦可使用一轉換器列陣(如一一維或
二維振列)。除了超音波信號之強度與施作期間可被控制外,另列陣中每一轉換器位元之信號頻率、相位及幅度亦可被控制。
一液體袋306被裝設於轉換器308上以便施作治療時協助超音波傳送於患者身體(如前腹壁)。在較佳情況下,液體袋306之組件應有利於超音波聲場之傳送,諸如聚酯薄膜、聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯(PU)或其他合適之塑料薄膜材料。
在某些例子中,治療前或治療中需拍攝患者之MRI影像以規劃及觀察。例如,一射頻場可被傳送至需攝影之組織,誘發該組織之氫核子磁矩共振以產生磁振(MR)回應訊號。一MRI表面線圈組件304被用以偵測磁共振信號,以形成待分析目標組織之影像。在某些例子中,表面線圈組件304可以被置於液體袋306及患者身體間以更有效成像待檢測區域。
為減少MRI系統之電磁干擾,熱治療系統300之控制電子組件最好是位於磁振攝影室330外之控制房340。在某些例子中,該控制電子組件可包含一控制迴路318、一功率表324、一波形產生器320,以及一放大器322。該控制迴路318被設定為可接收處理器326所傳送之患者MR影像資訊,如治療部位溫度分布、達成治療所需超音波熱劑量及需治療位置等資訊,以產生控制訊號予馬達314。該控制迴路318另被設定為可接收定位偵測器312所傳送之轉換器308之位置資訊,以輔助定位控制。該控制迴路318在接收到處理器326之指令時,會傳送一訊號至波形產生器320以產生一超音波驅動信號,該驅動信號經放大器322放大後,通過阻抗匹配箱316,被傳送至轉換器308以驅動轉換器308輸出超音波。當處理器326判定達到所需之熱治療效果後,會透過控制迴路318傳送定位控制訊號予馬達以將轉換器移至下一待治療位置。
在某些實施例中,治療過程中亦需檢視目標組織之MRI影像,以監測治療程度,判定是否達到所需熱治療效果,以及決定仍需施做治療之區域。
現請參考圖4,其係一使用磁振影像導引熱治療系統300之流程示例圖400,詳如下述:
在步驟401中,患者躺於平台102上,一醫師或指定之醫療人員將轉換器308及表面線圈304置於目標區域上方(使用圖1之定位系統100)。
在步驟402中,患者及轉換器308被置於MRI磁鐵302中,如將平台102置入磁場。
在步驟403中,醫師或指定之醫療人員施做MR掃瞄以獲得目標區域之影像。該等影像可提供患者之剖面影像及生理情況,諸如擬消減腫瘤之大小、散佈情形及位置,以及周圍健康組織、血管及胸腔結構等生理資訊。
在步驟404中,該等影像可藉由如分隔或3D等影像處理技術,以二維或三維圖像將腫瘤組織自健康組織突顯出來。
在405步驟中,演算處理強化過之MR影像及其他患者資訊可藉由如電腦軟體之協助,決定一治療計畫。該治療計畫可包含一組治療目標點及在各該目標點之詳細治療程序。
在步驟406中,該熱療系統300進行一定標測試。該測試可決定轉換器之起始治療位置及轉換器之起始參數(在某些情形下,可調控列陣轉換器之個別位元)。
在步驟407及408中,該熱療系統300會發出一預設簡短低能量之測試聲場在第一個目標點上。在此同時,MRI系統掃瞄治療區域以獲得MR影像,進一步處理MR溫度影像可估算測試所產出之熱療效果(舉例來說,基於熱處理點的溫度對應圖)。
在步驟409中,該熱療系統300使用獲得之MR影像以確定加熱點(焦點)是否即為第一個目標點。如加熱點位置與第一個目標有誤差時,使用定位系統100微調轉換器之位置並重複定標測試。該測試動作一直重覆至超音波被精準的聚焦在第一目標點。第一目標點之治療定位微調參數將被記錄,用於治療定位校正。
依據校正結果,該熱治療系統300可對每一治療點以下列步驟進行實際治療:在步驟412及413中,該熱治療系統以一預設強度施作聚焦超音波聲場於該第一目標點,該目標點之MR影像亦被同時取得以即時評估熱治療程度。一旦達成預期效果(如藉由偵測目標組織之內部溫度
及蛋白質變性之情況),第一目標點之熱治療程即完成(步驟415)。
在步驟416,該HIFU轉換器器經轉向下一個目標點重複熱治療程序。直到治療計畫中所有治療目標點均已完成熱治療,此時,系統將進行步驟418的後治療磁振掃描,取得磁振影像以作療效評估(步驟419)。
前述揭示之系統及方法僅為示例之用,並不為本發明之限制範圍,其他實施例亦可據以實施。另外,圖1之定位系統100可被用於定位除了圖示聚焦超音波能源轉換器120外之多種治療或診斷裝置。舉例來說,該導座114可被調整為收納其他種類之熱治療裝置或介入性活體檢針裝置。
為舉例說明,以圖1為例,該致動器係與該導座114結合以啟動導座114。在其他例子中,可有多個致動器與導座114及或定位系統100之其他組件結合以便於達到該熱治療器具之移動控制。例如,可有一組致動器與定位系統100結合(包含分別於平台102、滑動塊110、延展臂116、樞軸組件118及其他組件結合之致動模組),如此一來,熱治療裝置在D1至D7之七個方向之移動或偏擺可以獨立控制。此外,每一個模組均可被設置成外部電子或機械訊號所控制。
在使用時,該定位系統之機構元件主要係由塑膠材料及某些金屬零件構成。當與MRI系統共同使用時,熱治療裝置及定位系統被設定為與MRI相容。當與其他影像系統(如X光及斷層掃瞄)並用時,即使熱治療裝置及附屬之控制組件(如馬達或致動器)會造成若干影像干擾,影像導引之治療仍可藉由將病患自影像平台上移出並使用該平台而施作。
申請專利範圍內亦包含其他實施例。
100‧‧‧定位系統
102‧‧‧平台
104‧‧‧基座組件
106a、106b‧‧‧線形導軌
110‧‧‧弧形結構
111a、111b‧‧‧滑動塊
112‧‧‧弧形軌道
114‧‧‧導座
116‧‧‧延展臂
118‧‧‧樞軸組件
120‧‧‧能源轉換器
130‧‧‧空間能量場
140‧‧‧液體袋
300‧‧‧磁振影像導引熱治療系統
302‧‧‧MRI磁場
304‧‧‧MRI表面線圈
306‧‧‧液體袋
308‧‧‧HIFU轉換器
310‧‧‧機械台架
312‧‧‧定位偵測器
314‧‧‧馬達
316‧‧‧阻抗匹配箱
318‧‧‧控制迴路
320‧‧‧波形產生器
322‧‧‧放大器
324‧‧‧射頻功率表
326‧‧‧處理器
330‧‧‧磁振攝影室
340‧‧‧控制房
400‧‧‧磁振影像導引熱治療系統使用流程
401‧‧‧將轉換器及線圈置於擬治療部位
402‧‧‧將患者置於MRI磁場中心
403‧‧‧以MR掃瞄獲得腫瘤、肋骨或血管之影像
404‧‧‧影像處理-分隔及著色
405‧‧‧治療計畫及確認
406‧‧‧聚焦校正
407‧‧‧對第一目標低強度聲振
408‧‧‧MR溫度影像掃描圖以觀察焦點位置
409‧‧‧確認焦點定位
410‧‧‧調整台座位置
411‧‧‧準備HIFU治療
412‧‧‧施加高能聲場於第一目標
413‧‧‧實時MR溫度影像掃描及影像導引
414‧‧‧施加高能聲場於下一目標
415‧‧‧確認目標損害造成
416‧‧‧確認所有目標消融
417‧‧‧移至下一目標位置
418‧‧‧治療後MR掃瞄
419‧‧‧治療成效評估
圖1為一使用能源轉換器之定位系統實施例之立體圖。
圖2A-2C為圖1所示之定位系統多種移動及旋轉自由度之示意圖。
圖3為一磁振影像導引熱治療系統實施例之功能架構圖。
圖4為一使用圖3之磁振影像導引熱治療系統治療流程圖。
100‧‧‧定位系統
102‧‧‧平台
104‧‧‧基座組件
106a、106b‧‧‧線形導軌
110‧‧‧弧形結構
111a、111b‧‧‧滑動塊
112‧‧‧弧形軌道
114‧‧‧導座
116‧‧‧延展臂
118‧‧‧樞軸組件
120‧‧‧能源轉換器
130‧‧‧空間能量場
140‧‧‧液體袋
Claims (19)
- 一種導引式定位模組,係用於接收一定位訊號並導引所連接之一治療裝置至患部定位,該系統係包括:一平台;一基座組件,係固合該平台上,於該基座組件上設有相互平行之複數導軌,於各導軌上分別設有一滑動塊;一弧形結構,該弧形結構兩端係與該些滑動塊連接,於該弧形結構內端面上則設有一弧形軌道,該弧形軌道之路徑方向係與該些導軌之路徑相互垂直;一導座,係連接於該弧形軌道並依該弧形軌道之路徑進行移動作用,於該導座上係連接一延展臂,該延展臂之一端上則連接該治療裝置;複數致動器,係與該導座及各滑動塊連結,用以啟動該導座及各滑動塊移動;及複數定位感應器,係分別設於該些致動器上,係用以接收控制訊號以驅動該些致動器作動而進行定位。
- 如專利範圍第1項所述之導引式定位模組,其中該延展臂與該治療裝置間更設有一樞軸組件,該樞軸組件係具有沿至少三正交軸之任一方向旋轉偏擺作用。
- 如專利範圍第1項所述之導引式定位模組,其中該致動器係為一壓電振動馬達。
- 如專利範圍第1項所述之導引式定位模組,其中該基座更包括一具拆裝作用之床墊。
- 如專利範圍第4項所述之導引式定位模組,其中該床墊內更設有一接收線圈。
- 如專利範圍第1項所述之導引式定位模組,其中該些定位感應器係為線性或旋轉性編碼器之任一種。
- 如專利範圍第1項所述之導引式定位模組,該定位系統更包括一影像處理裝置,該影像處理裝置係電性連接該些定位感應器,用以發送定位訊號至該些定位感應器。
- 如專利範圍第7項所述之導引式定位模組,其中該影像處理裝置係為 MRI或CT裝置。
- 一種具有該定位模組之治療系統,係包括:一定位模組,該系統更包括:一平台;一基座組件,係固合該平台上,於該基座組件上設有相互平行之複數導軌,於各導軌上分別設有一滑動塊;一弧形結構,該弧形結構兩端係與該些滑動塊連接,於該弧形結構內端面上則設有一弧形軌道,該弧形軌道之路徑方向係與該些導軌之路徑相互垂直;一導座,係連接於該弧形軌道並依該弧形軌道之路徑進行移動作用,於該導座上係連接一延展臂;複數致動器,係與該導座及各滑動塊連結,用以啟動該導座及各滑動塊移動;複數定位感應器,係分別設於該些致動器上,係用以接收控制訊號以驅動該些致動器作動而進行定位;及一治療裝置,係設於該延展臂之另一端上,隨著該導座及弧形結構移動而變換其位置。
- 如專利範圍第9項所述之具有該定位模組之治療系統,其中該延展臂與該治療裝置間更設有一樞軸組件,該樞軸組件係具有沿至少三正交軸之任一方向旋轉偏擺作用。
- 如專利範圍第9項所述之具有該定位模組之治療系統,其中該致動器係為一壓電振動馬達。
- 如專利範圍第9項所述之具有該定位模組之治療系統,其中該基座更包括一具拆裝作用之床墊。
- 如專利範圍第12項所述之具有該定位模組之治療系統,其中該床墊內更設有一接收線圈。
- 如專利範圍第9項所述之具有該定位模組之治療系統,其中該些定位感應器係為線性或旋轉性編碼器之任一種。
- 如專利範圍第9項所述之具有該定位模組之治療系統,該定位系統更包括一影像處理裝置,該影像處理裝置係電性連接該些定位感應 器,用以發送定位訊號至該些定位感應器。
- 如專利範圍第15項所述之具有該定位模組之治療系統,其中該影像處理裝置係為MRI或CT裝置。
- 如專利範圍第9項所述之具有該定位模組之治療系統,其中該治療裝置係為一熱治療裝置。
- 如專利範圍第9項所述之具有該定位模組之治療系統,其中該治療裝置係為一超音波轉換器。
- 如專利範圍第9項所述之具有該定位模組之治療系統,其中該治療裝置係為一活體檢針。
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