WO2007012260A1 - Système thérapeutique ultrasonore de focalisation guidé par irm ayant une intensité élevée - Google Patents

Description

MRI引导的高强度聚焦超声治疗系统 技术领域

本发明属于医疗器械技术领域， 涉及一种超声治疗系统， 特别 涉及一种 MRI引导的高强度聚焦超声治疗系统。 背景技术

现有技术中的聚焦超声治疗多采用 B超设备进行定位和监控洽 疗， 采用这种 B超设备进行监控及治疗存在如下缺点： 1、 由于 B超 图像仅是一定角度的平面图像， 即使利用三维超声系统， 其可视区域 仍然存在一定局限性； 2、 超声图像的可观察深度有限， 骨性物质对 图像的影响特别大， 几乎不能观察到骨后方的组织， 存在伪影； 3、 超声图像对组织边界的识别能力较差，尤其是对小肿瘤和深部肿瘤的 分辨更为困难。

另外， 在生物学和医学方面的一项重要应用是 MRI ( Magnetic Resonance Imaging磁共振成像） 装置，其可以对磁场施加适当梯度， 有选择地获得磁共振信号，通过对信息进行处理获得各点的组织特性 而对组织成像。所获得的磁共振图像具有极高的组织分辨能力， 能较 容易地区分正常组织和肿瘤组织， 且得到的是一定体积内的立体数 据， 可以对人体某部分以至全身成像， 因此十分适合用来进行高强度 聚焦超声治疗中的监控。

日本专利 JP3322649 中公开了一种 MRI装置与超声治疗设备联 合的治疗系统， 由于一般情况下， MRI的孔隙中治疗床下的可移动高 度在 140mm左右， 因此超声治疗设备要在此空间进行治疗，其上下移 动的空间十分有限，故该治疗系统是先利用 MRI装置来确定肿瘤的位 置， 然后把病人从 MRI的磁场中移出来进行超声治疗， 此种治疗装置 需要反复移动患者， 多次定位， 其定位系统复杂， 定位时间长。

美国专利 US5275165提供了一种 MRI外科手术系统， 该手术系 统采用一个聚焦超声换能器有选择性地破坏靶区中的组织，聚焦超声 换能器将能量聚焦于需要破坏的组织区域内的焦点处，一非磁性的运 动定位装置具有一垂直方向的运动， 且运动机构足够小， 以便能容易 地安装在 MRI磁场孔隙中，该运动定位装置使用了多个液压运动定位 装置和一个倾斜式平面在有限的垂直空间内驱动超声换能器，通过操 作人员的控制定位超声焦点， MRI系统利用温度敏感脉冲顺序， 从而 产生组织和被加热区域的图像，以便让操作人员调整超声换能器的位 置， 将超声能量引导到适当的位置。但是该运动定位装置中的超声换 能器不能旋转， 只能够由下向上进行治疗， 不能够满足治疗肿瘤的多 方位要求。

另一个美国专利 US5443068 类似地披露了一种超声波能量施加 器的无磁定位装置， 可以在 MRI系统的磁场孔隙中操作。其主要目的 也是提供一种简化的定位器， 在磁场内操作， 并避免运动装置对 MRI 系统的磁场产生干扰的问题。

德国西门子公司所申请的美国专利 US6148225 中公开了一种超 声治疗装置， 其采用一个高频发生器产生不同频率的离散电信号， 这 些信号是在一个频带中按照时间顺序展开的，这些离散频率值的整数 倍不位于第二频带中，而第二频带对应于同时操作诊断 MRI设备的接 收频带， 这样， 在 MR监控下进行超声治疗时， 超声治疗装置不对 MR 的磁场形成干扰。

上述专利都是利用 MRI 装置与超声治疗设备联合治疗的系统， 这些治疗系统主要存在以下不足： 1 ) 由于 MRI治疗床下的可移动高 度十分有限， 在其下布置超声换能器进行多个坐标的运动， 其难度很 大， 而布置复杂的运动定位机构则更为困难， 且在 MRI孔隙的治疗床 下布置了运动定位机构后， 占取了超声换能器有限的运动空间， 从而 影响治疗过程的进行； 2 ) 这些系统都需要对超声换能器和其运动定 位装置进行高要求的无磁化设计和处理， 技术复杂性和成本都要增加； 3)在运动定位机构的驱动下， 超声换能器只能够进行有限的运动， 不 能够适应肿瘤等病症治疗时多方位的要求， 且由于超声换能器不能旋 转， 超声换能器只能够在治疗床下进行由下向上的治疗， 对于需要侧 面和由上向下进行治疗的情况则无能为力； 4)操作者难以进行辅助的 手动操作， 不利于操作者的临床观察。 发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足， 提供 一种超声换能器运动形式多样、 其运动范围不受治疗床下部空间限 制、并且对 MRI装置产生干涉较少的 MRI引导的高强度聚焦超声治疗 系统。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是该 MRI 引导的高强度 聚焦超声治疗系统包括 MRI装置和高强度聚焦超声治疗装置， MRI装 置包括有第一治疗床，高强度聚焦超声治疗装置包括有超声换能器以 及使超声换能器作各向运动的运动定位机构， 其中， 在治疗过程中运 动定位机构置于 MRI装置的孔隙外部，运动定位机构上连接有可伸入 MRI装置孔隙内的支承杆， 支承杆的另一端与超声换能器连接。 所述 运动定位机构包括有使支承杆进行 X、 Υ、 Ζ三向运动以及绕 X向旋转 运动的控制装置， 在控制装置的驱动下， 支承杆进行 X、 Υ、 Ζ三向运 动以及绕 X向的旋转运动， 由于超声换能器连接在支承杆上， 因此超 声换能器能进行精确的运动定位操作。

整个治疗过程中， 运动定位机构不在 MRI 装置孔隙内而在其外 部， 只通过支承杆与超声换能器连接， 扩大了 MRI装置孔隙中治疗床 下的空间， 且极大地减少了超声治疗设备对 MRI 装置的磁场构成干 扰。本发明充分利用了 MRI装置的结构和功能， 使超声换能器的施加 能量区域与 MRI装置的成像监控区域在治疗靶区交叉，达到了很好的 治疗效果。

本发明中， 所述运动定位机构还可有使运动定位机构作上下移 动的调节装置， 调节该调节装置， 可使支承杆带动超声换能器在 MRI 装置的孔隙内进行 Ζ向的运动定位操作。

所述运动定位机构底部还可有使运动定位机构水平移动的滑动 装置， 滑动装置包括滑轮和滑轨， 滑轮装于运动定位机构底部， 滑轮 置于滑轨内。操作者沿 X向给运动定位机构施力， 整个运动定位机构 就可在滑轮的带动下在滑轨上前后移动，通过支承杆带动超声换能器 在 MRI装置的孔隙内作 X向的运动。

所述运动定位机构还可包括有使支承杆作绕 MRI 轴心线或轴心 线的平行线旋转的旋转装置。这样， 超声换能器能在 MRI装置的孔隙 内绕 MRI轴心线或轴心线的平行线进行旋转，使得超声换能器的运动 方式灵活多变， 更适应治疗的需要。

一种优选方式是， 第一治疗床上还可以连接有第二治疗床， 第 一治疗床通过调节紧固装置与第二治疗床连接，调节紧固装置可以灵 活地调控两个床体之间的距离、 角度， 并可使床体沿 X向移动。

另一种优选方式是， MRI装置还包括有第二治疗床， 运动定位机 构包括有使所述第二治疗床作左右及前后运动的床体运动装置，第二 治疗床连接在床体运动装置上。在床体运动装置的驱动下，第二床体 可以作左右、 前后运动。

上述这些附加装置使得操作者在治疗过程中可对超声换能器进 行辅助的手动操作， 更加有利于操作者在治疗过程中的临床观察。

优选的是， 支承杆采用无磁材料或非金属制成， 从而进一步减 少超声治疗设备对 MRI装置磁场的干扰。

超声换能器可置于装有流体的流体容器内， 流体容器与支承杆 连接， 当流体容器置于第一或第二治疗床下方时， 第一或第二治疗床 上开有小孔，超声换能器可置于与第一或第二治疗床上的小孔对应的 位置， 流体容器采用开放式流体容器， 即流体容器正对小孔的一端为 敞口， 患者可与其内流体直接接触； 当流体容器置于第一治疗床上方 时， 流体容器采用封闭式流体容器， 即流体容器的敞口端有透声薄膜 将其封闭， 透声薄膜与患者直接接触。 其中， 所述流体可为脱气水。

本发明所提供的 MRI 引导的高强度聚焦超声治疗系统， 由于运 动定位机构置于 MRI装置的孔隙外部，使得超声换能器的运动定位空 间局限性极大的降低，对于超声换能器的运动定位机构的无磁性要求 也大大降低， 可以保障对患者的病灶进行最精确的治疗； 同时， 本发 明将 MRI装置与超声治疗设备更好的结合， 提高了设备的利用率； 本 发明具有多种运动方式可供选择，使得医护人员可以对患者进行各种 体位的治疗。 附图说明

图 1 为本发明实施例 1的结构示意图

图 2 为实施例 1高强度聚焦超声治疗装置的结构示意图 图 3 为本发明实施例 2的结构示意图

图 4 为本发明实施例 3中第二治疗床位于 MRI装置外时的结构 示意图

图 5 为本发明实施例 3中第二治疗床位于 MRI装置内时的结构 示意图

图 6 为本发明实施例 1的调节紧固装置的结构示意图 图中： 1一匿 I 装置 2—第一治疗床 3—支撑装置 4一支承 杆 5—流体容器 6—超声换能器 7—柔性物 8—旋转装置 9 一控制装置 10—调节装置 11、 31、 42、 43—滑轮 12、 20—滑 轨 13—第二治疗床 14一调节紧固装置 15—透声薄膜 16—小 孔 17、 23、 26、 41一滑轨 18 、 21、 24、 27、 36、 39—电机 19 一丝杆 22、 25、 40—丝杆 28、 37—同步带 29、 38—同步带 轮 30—过渡件 32—滑轮支架 33—螺栓 34—螺母 35—压缩 弹簧 具体实施方式

如图 1一 5所示， 本发明包括 MRI装置 1和高强度聚焦超声治疗 装置。

MRI装置 1的孔隙内有第一治疗床 2，第一治疗床 2由固定在 MRI 装置 1上的支撑装置 3所支撑。高强度聚焦超声治疗装置包括有超声 换能器 6以及使超声换能器 6作各向运动的运动定位机构，运动定位 机构置于 MRI装置 1的孔隙外部， 运动定位机构上连接有可伸入 MRI 装置孔隙内部的支承杆 4， 支承杆 4的另一端与超声换能器 连接。

所述运动定位机构包括有使支承杆 4进行 X、 Y、 Ζ三向运动以 及绕 X向旋转运动的控制装置 9。运动定位机构还可有使运动定位机 构作上下移动的调节装置 10。 在运动定位机构底部还可有使其水平 移动的滑动装置， 滑动装置包括滑轮 11和滑轨 12， 滑轮 11装于运 动定位机构底部， 滑轮 11置于滑轨 12上。运动定位机构同时还可有 使支承杆作绕 MRI轴心线或轴心线的平行线旋转的旋转装置 8。

优选的是， 支承杆 4采用无磁材料或非金属制成。

本发明 MRI 引导的高强度聚焦超声治疗系统还包括有第二治疗 床 13。 超声换能器 6置于充满流体的流体容器 5内， 流体容器 5与 支承杆 4连接， 当流体容器 5置于患者所使用的治疗床（第一或第二 治疗床） 下方时， 该治疗床上开有小孔 16， 超声换能器 6 的位置与 该治疗床上的小孔 16对应， 流体容器 5为开放式流体容器， 即流体 容器 5正对小孔 16的一端为敞口， 患者可与其内流体直接接触； 当 流体容器 5置于患者所使用的治疗床 （第一或第二治疗床） 上方时， 流体容器 5釆用封闭式流体容器， 即有柔性透声薄膜 15将流体容器 5 的敞口端封闭， 所述柔性透声薄膜 15与患者直接接触。 所述流体 可为脱气水。

以下结合实施例及附图， 对本发明作进一步详细叙述。

实施例 1 :

如图 1所示， 本实施例中的系统包括 MRI 装置 1， 高强度聚焦超 声治疗装置。 其中， 髙强度聚焦超声治疗装置包括有超声换能器 6、 运 动定位机构， 运动定位机构位于 MRI装置的后部， 运动定位机构上连 接有支承杆 4。 支承杆 4一端与运动定位机构中的控制装置 9相连， 另一端与超声换能器 6相连。运动定位机构包括有控制装置 9， 通过控 制装置 9的驱动， 支承杆 4可进行 X、 Y、 Ζ三向运动以及绕 X向旋转 运动。

如图 1、 2所示， 控制装置 9沿 X、 Υ、 Ζ向运动的结构分别都包 括电机、 丝杆、 与支撑杆连为一体的滑块及滑轨， 丝杆与电机连接， 在滑轨上的滑块与丝杆啮合。在电机 18的驱动下， 丝杆 19带动支承 杆 4沿着滑轨 20的方向作 X向运动； 在电机 21的驱动下， 丝杆 22 带动支承杆 4沿着滑轨 23的方向作 Υ向运动； 图 1 中， 在电机 24 的驱动下， 丝杆 25带动支承杆 4沿着滑轨 26的方向作 Ζ向运动； 控 制装置 9绕 X向旋转运动的结构包括电机 27、 同步带 28和同步带轮 29， 同步带轮 29与支承杆 4连为一体， 电机 27的输出轴通过同步带 28与同步带轮 29传动连接。在电机 27的驱动以及同步带 28和同步 带轮 29的力作用下， 支承杆 4可作绕 X向的 0-360 ° 旋转。

本实施例中， 支承杆 4采用镍锌铜合金， 以尽量减少对置 I装置 1中磁场的干扰。

如图 1所示， MRI 装置 1的孔隙内有第一治疗床 2和第二治疗 床 13， 第二治疗床 13在第一治疗床 2上方， 第一治疗床 2通过可调 节第一治疗床 2与第二治疗床 13之间位置的调节紧固装置 14与第二 治疗床 13连接， 第一治疗床 2与支撑装置 3固定， 支撑装置 3固定 于 MRI装置 1上， 其中， 第二治疗床 13未与第一治疗床 2重叠的一 段开有小孔 16。

如图 6所示的调节紧固装置 14的结构示意图，调节紧固装置 14包括 过渡件 30、 滑轮 31、 滑轮支架 32、 螺栓 33、 螺母 34以及压缩弹簧 35 , 过渡件 30嵌在第一治疗床 2上， 滑轮 31在过渡件 30上， 滑轮 支架 32连在滑轮轴上， 螺栓 33 穿过第二治疗床 13和滑轮支架 32 与螺母 34连接， 压缩弹簧 35套在螺栓 33上， 夹在第二治疗床 13 和滑轮支架 32之间。 在第一治疗床 2上嵌有过渡件 30， 以方便滑轮 31在其上运动， 在滑轮支架 32以及第二治疗床 13之间有螺栓 33、 螺母 34以及压缩弹簧 35。 推动第二治疗床 13， 在该力的作用下， 第 二治疗床 13在滑轮 31的带动下沿 X向移动，调节螺栓 33和螺母 34， 压缩弹簧 35发生形变， 从而导致两个床体之间的距离发生改变， 同 时在两个床体间可安装有数套包括螺栓 33、螺母 34以及压缩弹簧 35 的装置， 通过调节不同的螺栓 33和螺母 34， 使得压缩弹簧 35发生 不同程度的形变， 可使两个床体之间形成不同角度。

如图 1、 2所示， 运动定位机构还包括有使操作者在治疗过程中 可对超声换能器进行辅助手动操作的滑动装置，该滑动装置包括滑轮 11以及供滑轮 11运行的滑轨 12。

旋转装置 8通过螺紋等方式与控制装置 9相连， 如图 1所示， 在电机 36的驱动以及同步带 37和同步带轮 38的力作用下， 旋转装 置 8带动整个控制装置 9可作与 MRI装置 1轴心线或者与轴心线平行 的轴线的 0-360° 旋转运动， 由于支承杆 4与控制装置 9连接， 所以在 控制装置 9的带动下， 支承杆 4也作与 MRI装置 1轴心线或者与轴心 线平行的轴线的 0-360° 旋转运动。

如图 2所示， 调节装置 10包括有电机 39、 丝杆 40以及滑轨 41， 在电机 39的驱动下， 丝杆 40带动旋转装置 8沿滑轨 41作 Z向的上下 运动。 由于控制装置 9连接在旋转装置 8上， 支承杆 4连接在控制装 置 9上， 所以在运动的传递作用下， 支承杆 4也作 Z向的上下运动。

由于运动定位机构的下部为滑动装置， 滑动装置包括安装在运动 定位机构下部的滑轮 11， 以及供滑轮 11运动的滑轨 12， 当在 X向给 运动定位机构施力， 整个运动定位机构就会作 X向的运动。

经过运动定位后的超声换能器 6位于第二治疗床 13下方对患者 病灶从下向上施加超声波治疗。

本实施例中， 超声换能器 6置于装有流体的流体容器 5内。流体 容器 5采用水囊， 水囊对应于床体 13上小孔 16的一端为敞口， 水囊 中充盈有脱气水， 脱气水作为超声波传播介质， 其温度控制在 25°C 左右。 由于超声换能器 6置于水囊中， 水囊通过柔性物 7与支承杆 4 相连。 其中， 超声换能器 6采用球壳聚焦的压电换能器， 其焦距范围 为 80mm- 200腿， 直径范围为 80mm- 300mm， 工作频率为 0. 5MHz- 2MHz。

本实施例中该治疗系统的工作过程如下：首先，患者被安置于 MRI 装置 1的第二治疗床 13上， 调节支撑装置 3和 /或调节紧固装置 14， 使患者的病灶位于磁共振体积内， 利用 MRI 装置 1对病灶成像； 然后， 运动定位机构驱动支承杆 4使超声换能器 6在第二治疗床 13下的空间 运动， 当运动到与第二治疗床 13上的小孔 16对准并进行定位操作， 使超声换能器 6 的焦点和治疗靶区的病灶在磁共振体积区域内重叠， 发射治疗超声波， 对患者进行治疗。

实施例 2 :

如图 3所示， 本实施例中， 运动定位机构位于 MRI装置 1的后部。 与实施例 1不同的是， 本实施例中 MRI装置 1的孔隙中只有第一治疗 床 2，且超声换能器 6位于第一治疗床 2上方对患者病灶从上向下施加 超声波进行治疗。 在 MRI装置 1 中， 由于超声换能器 6位于治疗床体 的上方对患者病灶从上向下施加超声波进行治疗， 因此第一治疗床 2 中可以没有小孔， 选用第一治疗床 2就可以进行正常治疗。

流体容器 5采用水囊， 水囊中充盈有脱气水， 为防止水囊中的脱 气水流出， 有柔性透声薄膜 15 将水囊的敞口端封闭， 该透声薄膜 15 可直接与患者接触。

本实施例中其它组成部分均与实施例 1相同。

实施例 3:

如图 4、 5所示， 本实施例中， 运动定位机构在治疗时位于 MRI装 置 1的前部， MRI装置包括有第一治疗床 2和第二治疗床 13。 运动定 位机构包括有使第二治疗床 13运动的床体运动装置以及控制超声换能 器进行 X、 Y、 Ζ以及绕 X向旋转的控制装置 9。 第二治疗床 13通过床 体运动装置连接在运动定位机构上。

其中， 控制装置 9的结构与实施例 1中相同。

床体运动装置包括有使第二治疗床 13 作左右运动的滑轮滑轨结 构以及使第二治疗床 13作前后运动的滑轮结构。

如图 4所示， 滑轨 17固定在控制装置 9上， 流体装置 5置于第 二治疗床 13的小孔内， 用手推动整个高强度聚焦超声治疗装置， 在滑 轮 43的带动下， 整个高强度聚焦超声治疗装置在滑轨 12上作水平的 左右运动， 定位于 MRI装置 1的前部； 如图 5示，再用手推动第二治疗 床 13， 滑轮 42沿着滑轨 17作前后运动， 由于第二治疗床 13连接在 运动定位机构上， 所以在该力的带动下， 整个运动定位机构也沿着滑 轨 12作前后运动， 最终第二治疗床 13进入 MRI 装置 1的空隙中， 定位于对患者进行治疗的最佳位置。

经过运动定位后，超声换能器 6在第二治疗床 13下方对患者病灶 从下向上施加超声波进行治疗。

本实施例的其它组成部分和功能均与实施例 1相同。

Claims

权利要求书

1. 一种 MRI引导的高强度聚焦超声治疗系统， 包括腿 I装置和 高强度聚焦超声治疗装置， MRI装置包括有第一治疗床， 高强度聚焦 超声治疗装置包括有超声换能器以及能使超声换能器作各向运动的 运动定位机构，其特征在于在治疗过程中运动定位机构置于 MRI装置 的孔隙外部， 运动定位机构上连接有可伸入 MRI 装置孔隙内的支承 杆， 支承杆的另一端与超声换能器连接。

2. 根据权利要求 1 所述的 MRI 引导的高强度聚焦超声治疗系 统， 其特征在于所述运动定位机构包括有使支承杆进行 X、 Υ、 Ζ三向 运动以及绕 X向旋转运动的控制装置。

3. 根据权利要求 2 所述的 MRI 引导的高强度聚焦超声治疗系 统， 其特征在于控制装置沿 X、 Υ、 Ζ向运动的结构分别都包括电机、 丝杆、 与支撑杆连为一体的滑块及滑轨， 丝杆与电机连接， 在滑轨上 的滑块与丝杆啮合。

4. 根据权利要求 2 所述的 MRI 引导的高强度聚焦超声治疗系 统，其特征在于控制装置绕 X向旋转运动的结构包括电机、 同步带和 同步带轮， 同步带轮与支承杆连为一体， 电机的输出轴通过同步带与 同步带轮传动连接。

5. 根据权利要求 2 所述的 MRI 引导的高强度聚焦超声治疗系 统，其特征在于所述运动定位机构还包括可使运动定位机构作上下移 动的调节装置。

6. 根据权利要求 2 所述的 MRI 引导的高强度聚焦超声治疗系 统， 其特征在于所述运动定位机构底部有使其可水平移动的滑动装 置。

7. 根据权利要求 6 所述的 MRI 引导的高强度聚焦超声治疗系 统， 其特征在于所述滑动装置包括滑轮和滑轨， 滑轮装于运动定位机 构底部， 滑轮置于滑轨上。

8. 根据权利要求 2 所述的 MRI 引导的高强度聚焦超声治疗系 统，其特征在于所述运动定位机构还包括有使支承杆作绕 MRI轴心线 或轴心线的平行线旋转的旋转装置。

9. 根据权利要求 2 所述的 MRI 引导的高强度聚焦超声治疗系 统， 其特征在于第一治疗床上连接有第二治疗床， 第一治疗床通过调 节紧固装置与第二治疗床连接。

10. 根据权利要求 9所述的 MRI 引导的高强度聚焦超声治疗系 统， 其特征在于调节紧固装置包括过渡件、 滑轮、 滑轮支架、 螺栓、 螺母以及压缩弹簧， 过渡件嵌在第一治疗床上， 滑轮在过渡件上， 滑 轮支架连在滑轮轴上， 螺栓穿过第二治疗床和滑轮支架与螺母连接， 弹簧套在螺栓上， 夹在第二治疗床和滑轮支架之间。

11. 根据权利要求 2所述的 MRI 引导的高强度聚焦超声治疗系 统， 其特征在于 MRI装置还包括有第二治疗床， 运动定位机构包括有 使所述第二治疗床作左右运动及前后运动的床体运动装置，第二治疗 床连接在床体运动装置上。

12. 根据权利要求 1— 11之任一项所述的 MRI 引导的高强度聚 焦超声治疗系统， 其特征在于支承杆采用无磁材料或非金属制成。

13. 根据权利要求 12所述的 MRI引导的高强度聚焦超声治疗系 统， 其特征在于超声换能器置于装有流体的流体容器内， 流体容器与 支承杆连接， 流体容器置于第一或第二治疗床下方， 第一或第二治疗 床上开有小孔， 流体容器采用开放式流体容器， 即流体容器正对小孔 的一端为敞口； 或流体容器置于第一治疗床上方， 流体容器采用封闭 式流体容器， 即流体容器的敞口端有将其敞口封闭的透声薄膜。

14. 根据权利要求 13所述的 MRI引导的高强度聚焦超声治疗系 统， 其特征在于所述流体为脱气水。

15. 根据权利要求 12所述的 MRI引导的高强度聚焦超声治疗系 统， 其特征在于超声换能器采用压电换能器， 所述压电换能器的焦距 为 80— 200腿， 直径为 80— 300mm, 工作频率为 0. 5— 2MHz。