專利名稱：使利用聚焦超聲生成的焦點(diǎn)可視化的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法和裝置，用于以互動(dòng)實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測(cè)治療超 聲換能器的焦點(diǎn)位置，從而改善治療次數(shù)并提高聚焦超聲過程精確 度。具體而言，本發(fā)明涉及通過關(guān)閉成像換能器的超聲發(fā)射，但利用 成像探測(cè)器繼續(xù)接收所有方向上的超聲波來識(shí)別治療束的焦點(diǎn)，從而 按照互動(dòng)實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測(cè)治療換能器的焦點(diǎn)。該治療聚焦束是唯一的 發(fā)射，只要在焦點(diǎn)處存在散射，就會(huì)生成強(qiáng)烈的接收信號(hào)，從而識(shí)別 到焦點(diǎn)。
背景技術(shù)：
可以將切除分成兩個(gè)基本的種類化學(xué)的和熱學(xué)的。在化學(xué)切除 中，將組織毒性劑例如無水乙醇或者乙酸直接注入到所要切除的組織 中。在熱學(xué)切除中，以熱學(xué)方式利用射頻電磁波、微波、超聲波、激 光或熱液體傳遞的能量破壞機(jī)能障礙的組織。所有這些能量傳遞機(jī)構(gòu) 依賴于該組織吸收熱量形式的能量直到產(chǎn)生蛋白質(zhì)變性和細(xì)胞死亡為 止。除了這些加熱方法之外，熱學(xué)切除包括冷凍療法，其通過冷凍來 破壞組織。這些化學(xué)和熱學(xué)切除技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于幾乎每種主要器官系統(tǒng)中來 治療良性和惡性疾病尤其是肝臟、心臟、前列腺、腎臟、肺和大腦。 為了最低程度地或者非侵害性地進(jìn)行切割，切割能量必須以對(duì)周圍的 組織干擾和傷害最小的方式傳遞。通常借助透皮針或者血管內(nèi)導(dǎo)管來 完成化學(xué)切割、冷凍療法、激光、RF和微波切割。將包含活性元素的 治療針穿過皮膚插入到正在接受治療的腫瘤中，導(dǎo)管通過脈管系統(tǒng)引 導(dǎo)到目標(biāo)位置。利用超聲以及在某些情況下利用微波，能夠?qū)⒛芰繜o 直接接觸地引導(dǎo)到或者聚焦到該位置，因此該能量可以是非侵害性 的。除了能量傳遞機(jī)構(gòu)之外，切除治療的關(guān)鍵組成部分是成像。成像系統(tǒng)為最小侵害性切除技術(shù)所接受是十分關(guān)鍵的。在切除過 程的每個(gè)步驟中都要使用成像。首先，治療計(jì)劃中使用成像。在這個(gè) 階段，識(shí)別目標(biāo)組織并確認(rèn)針對(duì)腫瘤的物理方法，從而避開關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。
笫二，利用成像來指導(dǎo)切除設(shè)備相對(duì)于目標(biāo)組織的放置，無論該設(shè)備 是針、導(dǎo)管還是外部設(shè)備。接著，能夠利用成像來監(jiān)測(cè)治療，從而跟 蹤進(jìn)程并且提供反饋，以進(jìn)行能量水平和劑量調(diào)整。最后，在切除之 后利用成像來估計(jì)所生成的傷痕大小和傷痕邊界，這是考量切除治療 有效性的重要量度。在成像在切除治療中的這四個(gè)主要要點(diǎn)中，治療 計(jì)劃和切除設(shè)備的成像引導(dǎo)放置是研究和臨床實(shí)踐方面最成熟的技 術(shù)，并且已經(jīng)使最小侵害性切除過程成為可能。然而，切除的未來依 靠成像技術(shù)在監(jiān)測(cè)治療和提供中間反饋方面的發(fā)展。這些監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì) 過程成本和成功的臨床結(jié)果具有顯著影響。已經(jīng)研究了切除成像的幾乎每種成像模態(tài)。多年來，已經(jīng)將標(biāo)準(zhǔn)x射線用于治療計(jì)劃，并且已經(jīng)將X射線熒光透視法用于引導(dǎo)RF切除 導(dǎo)管，以用于心臟用途。最近，還將MRI、 X射線CT和超聲波用于 治療計(jì)劃和針或?qū)Ч艿囊龑?dǎo)。MR成像的最近發(fā)展已經(jīng)使精確的空間溫 度成像成為可能，因此目前將利用MRI的熱切除監(jiān)測(cè)和反饋用于超聲 切除和冷凍療法。然而，用于監(jiān)測(cè)切除的可能最有前途的成像模態(tài)是 超聲波。超聲波比MRI便宜的多，其不采用諸如基于X射線的成像模態(tài)之類的電離輻射，超聲波已經(jīng)用于指導(dǎo)幾種切除治療，并且其為實(shí) 時(shí)的；所有這些性質(zhì)都使得超聲波成像理論上適用于監(jiān)測(cè)以及適于切 除成像的后切除評(píng)估階段。聚焦的超聲波包括利用高度聚焦聲波造成組織的局部化低溫加熱 (極高溫)，或者可能的組織切除/破裂(高強(qiáng)度聚焦超聲-HIFU)。 目前將聚焦的超聲波(FUS )視為用于治療具有多種疾病包括癌癥生長(zhǎng) 和心臟導(dǎo)管病理學(xué)的患者的可選方式。目前在中國(guó)，采用FUS治療了 超過1000個(gè)患者，獲得了非常有前景的成果1；在英國(guó)，F(xiàn)US正在接 受實(shí)驗(yàn)[2；在美國(guó)，已經(jīng)完成了用于治療良性前列腺增生和子宮纖維 瘤的笫III階段實(shí)驗(yàn)3。關(guān)于聚焦超聲波與組織的遠(yuǎn)程互動(dòng)的挑戰(zhàn)之一是在發(fā)送實(shí)際藥劑 之前對(duì)聲音所發(fā)送的治療位置的監(jiān)測(cè)。以前，已經(jīng)嘗試過幾種技術(shù)，包括使用臨床成像系統(tǒng)，例如MRI 和超聲波。 一種技術(shù)使用MRI監(jiān)測(cè)由實(shí)際傳遞的治療聲音帶來的組織 的溫度變化[4，5。盡管提供了有用的信息，但是在內(nèi)部工作環(huán)境中使 用的難度以及使用MRI臨床掃描系統(tǒng)和MR兼容工具的花費(fèi)阻礙了這
種方法的推廣。第二種技術(shù)利用超聲波作為監(jiān)測(cè)工具，但是要根據(jù)關(guān) 于組織的聲學(xué)性質(zhì)的設(shè)想例如聲音傳播速度來計(jì)算放置治療設(shè)備的焦 點(diǎn)的位置。這種方法對(duì)于獲得有關(guān)焦點(diǎn)位置的粗略想法是非常有價(jià)值 的，但是這種方法不能允許器官/組織的聲學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，這對(duì)于存 在溫度梯度的情況過于苛刻了 。當(dāng)前聚焦超聲的可視化技術(shù)依賴于基于MRI的技術(shù)，其為焦點(diǎn)定 位提供緩慢的互動(dòng)。本發(fā)明允許在實(shí)際輸送藥劑之前對(duì)治療輸送的位 置進(jìn)行直觀、互動(dòng)的監(jiān)測(cè)和引導(dǎo)。作為監(jiān)測(cè)和引導(dǎo)工具的診斷超聲波可提供最廉價(jià)的成像模態(tài)之 一。當(dāng)前提出的解決方案包括使用能夠?yàn)橘Y源(時(shí)間、人員和醫(yī)院占 地面積)制約的MRI。希望提供一種聚焦超聲波系統(tǒng)，其避免了現(xiàn)有技術(shù)方案的上述缺 點(diǎn)，同時(shí)提供了一種廉價(jià)的實(shí)時(shí)診斷成像系統(tǒng)，其能夠以常規(guī)的成像 模式以及無源接收器的方式工作。因此，希望提供一種按照互動(dòng)、實(shí)時(shí)方式監(jiān)測(cè)治療換能器焦點(diǎn)位 置的方法和裝置，其將改善常規(guī)的治療次數(shù)并且提高聚焦超聲波過程 的精確度。希望提供一種通過關(guān)閉成像換能器的超聲波發(fā)射、但利用成像探 測(cè)器繼續(xù)接收所有方向上的超聲波，以便識(shí)別治療束的焦點(diǎn)，從而以 互動(dòng)實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測(cè)治療換能器焦點(diǎn)的方法和裝置。該治療聚焦束是 唯一的發(fā)射，只要在焦點(diǎn)處存在散射現(xiàn)象，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的接收信號(hào) 來識(shí)別該焦點(diǎn)。


根據(jù)前面的說明和附圖，將清楚并理解本發(fā)明的其它目的。 圖l是描述本發(fā)明的工作的詳細(xì)流程圖； 圖2表示了本發(fā)明的換能器；圖3表示了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)使得在扇區(qū)定相陣列上的非零發(fā)射的 焦點(diǎn)可視化；圖4表示了根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)使得在扇區(qū)定相陣列上的發(fā)射=0.0的 焦點(diǎn)可視化。
具體實(shí)施方式
在詳細(xì)說明本發(fā)明公開的實(shí)施例之前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的用途 不限于所示特定設(shè)置的具體情況，這是因?yàn)楸景l(fā)明也能夠?yàn)槠渌鼘?shí)施 方式。而且，本文中使用的術(shù)語是為了說明而不是為了限定。現(xiàn)在參照?qǐng)Dl-4，圖1提供了說明本發(fā)明聚焦超聲波換能器10 (參見圖2) 的工作的詳細(xì)流程圖，該換能器利用超聲耦合媒質(zhì)與患者身體連接， 該媒質(zhì)例如凝膠或者脫脂水。以高功率模式操縱該換能器，該模式足以使其與組織相互作用， 并且造成組織的臨時(shí)、但可逆的變化，以便引導(dǎo)該換能器焦點(diǎn)的放置。 這些變化造成聲音在換能器焦點(diǎn)的特定位置處的局部化散射。這種增 大的超聲波散射可能是由于高強(qiáng)度超聲波與換能器焦點(diǎn)處的散射的互 動(dòng)作用，誘導(dǎo)形成的微觀和宏觀泡沫所產(chǎn)生的，或者是由于局部溫度 變化造成的組織變化而產(chǎn)生的。在2001年《]\16(1.& Bio.》Vo1.27， No.l， 33-42中，由S.Vaezy、 X.Shi、 R.Martin、 E.Chi、 P.Nelson、 M.Bailey 和L.Crum撰寫的論文《利用超聲波成像的高強(qiáng)度聚焦超聲波治療的實(shí) 時(shí)可視化 (Real time Visualization of High-Intensity Focused Ultrasound treatment Using Ultrasound Imaging)》中已經(jīng)注意至!j泡沫的形成，其注意到"HIFU焦點(diǎn)處的明亮超回聲光點(diǎn)很可能是由于氣體和/或蒸汽泡 沫造成的。泡沫的低聲學(xué)阻抗(比組織小幾個(gè)數(shù)量級(jí))使它們表現(xiàn)出 超回聲，并且因此使它們成為在焦點(diǎn)處觀察到的超回聲區(qū)域的良好候 選的原因。實(shí)際上，在HIFU的治療過程中，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，明亮斑 點(diǎn)大小的光點(diǎn)(懷疑是泡沫)從焦點(diǎn)逃逸到肝臟的脈管組織中。"(第 40頁)盡管該論文注意到了由于泡沫造成的這種散射效果，但是其沒有 尋求利用或提供一種如本發(fā)明提供的機(jī)構(gòu)，其利用這種效果來改善以 互動(dòng)實(shí)時(shí)方式監(jiān)測(cè)的治療換能器的焦點(diǎn)位置，從而改善治療次數(shù)并且 增大聚焦超聲波過程的精確度。參照?qǐng)D1，如步驟15所示，該換能器10為高強(qiáng)度聚焦超聲波 (HIFU)和成像換能器10，如前所述，利用超聲波耦合媒質(zhì)(例如凝 膠和/或脫脂水)使其與患者接觸放置，并且確保連接。如圖1的步驟 20所示，成像陣列16以無源(非發(fā)射模式)或者交織的無源/有源成
像模式來放置。將HIFU換能器10的焦點(diǎn)移動(dòng)到接近理想的位置，即，使得焦點(diǎn) 接近目標(biāo)組織(圖1的步驟25)。將HIFU換能器IO以短時(shí)間、低功率、高壓、連續(xù)波的形式打開， 并且其可能會(huì)也可能不會(huì)產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象(圖1的步驟30)。短時(shí)間間 隔可以在微秒到幾十秒之間變化。換能器10的低功率-聲功率可以在 毫瓦到IO瓦之間變化。高壓可以在幾百千帕到幾十兆帕之間變化。散射情況或現(xiàn)象(可能是氣穴現(xiàn)象)會(huì)出現(xiàn)在HIFU換能器的焦 點(diǎn)處(圖1的步驟35)。如前所述，超聲波散射增大可能是由于高強(qiáng) 度超聲與換能器焦點(diǎn)處的散射的互動(dòng)作用引起的微觀和宏觀泡沫(氣 穴現(xiàn)象)的形成造成的，或者是由于局部溫度增大造成的組織變化造 成的。散射可以是由于石灰化、皮膚與脂肪的界面層、肌肉與脂肪的 界面層、肌肉與腱的界面層或者局部組織現(xiàn)象，例如組織的殘片、腫 瘤或者任意不正常的組織造成的。該成像陣列16將以其無源模式或者交織模式成像(圖1的步驟 40)，接收所形成的束，并且探測(cè)高壓焦點(diǎn)或者其它散射體(圖1的 步驟45)。探測(cè)到的焦點(diǎn)會(huì)重疊在成像陣列屏幕的有源成像模式(解 剖圖像)上(圖1的步驟50)。按照這種方式，能夠確定焦點(diǎn)是否處 于正確位置(圖1的步驟60)，以及H1FU治療(圖1的步驟75)是 否能夠開始。如果否，那么可以關(guān)閉換能器發(fā)射(圖1的步驟65)， 根據(jù)成像陣列探測(cè)到的位置，能夠移動(dòng)HIFU換能器10，從而將焦點(diǎn) 的位置重新定位到正確位置(圖l的步驟70)，并重復(fù)步驟30-60，至 到焦點(diǎn)處于適合HIFU治療開始的正確位置為止。HIFU焦點(diǎn)的重新定位(圖1的步驟70)能夠手動(dòng)實(shí)現(xiàn)，或者也能夠利用定相陣列系統(tǒng)自動(dòng)完成。圖2和3表示了以無源接收模式，或者可能是脈沖/回聲模式，或者任何其它的交織無源/有源成像模式工作的在診斷成像陣列中接收到 的增大的焦點(diǎn)散射。圖2中示出了診斷成像陣列中獲得的圖像。類似 波束圖形的圖像疊加在圖2中的常規(guī)超聲波圖像上。波束圖形變窄的 位置對(duì)應(yīng)于焦點(diǎn)的位置。通過移動(dòng)焦點(diǎn)位置，能夠?qū)崟r(shí)地看到波束圖 形在圖像上的移動(dòng)。圖3表示了利用僅以接收模式工作的診斷成像換 能器10 (發(fā)射功率設(shè)置為0)獲得的相同效果。
因此，本發(fā)明提供了焦點(diǎn)的互動(dòng)實(shí)時(shí)位置以及廉價(jià)的焦點(diǎn)監(jiān)測(cè)。 盡管為了公開本發(fā)明，描述了目前的優(yōu)選實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技 術(shù)人員能夠在方法步驟和裝置部件的設(shè)置上進(jìn)行多種改變。這些改變 均包含在所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于以實(shí)時(shí)互動(dòng)成像的方式監(jiān)測(cè)治療換能器的焦點(diǎn)位置的方法，包括以下步驟(a)使治療和成像換能器與患者相連；(b)設(shè)定成像陣列為無源模式或者交織的無源/成像模式；(c)將所述治療換能器的焦點(diǎn)移動(dòng)到所述患者處接近理想的位置；(d)打開所述換能器，以短時(shí)間、低功率、高壓、連續(xù)波進(jìn)行發(fā)射，以便在所述換能器焦點(diǎn)處產(chǎn)生散射現(xiàn)象；(e)操縱所述成像陣列成像，并由此根據(jù)接收波形以無源的模式來探測(cè)與所述散射現(xiàn)象互動(dòng)的高壓治療焦點(diǎn)；將探測(cè)到的焦點(diǎn)重疊到有源成像模式；(f)確定焦點(diǎn)是否處于希望的位置，如果不是，則將所述換能器的所述焦點(diǎn)重新定位到所述希望的位置，重復(fù)步驟a到f。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中在所述確定步驟之后，如果 所述焦點(diǎn)未處于希望的位置，則在重新定位所述換能器的所述焦點(diǎn)之 前，關(guān)閉所述換能器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述散射現(xiàn)象是由所述治療 焦點(diǎn)處的氣穴現(xiàn)象引起的泡沫。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述散射現(xiàn)象是局部組織現(xiàn)象。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述短時(shí)間在微秒到幾十秒 范圍內(nèi)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述低功率在1毫瓦到10 瓦的范圍內(nèi)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述重新定位步驟是手動(dòng)完 成的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述重新定位步驟是由作為 定相成像陣列的所述成像陣列自動(dòng)完成的。
9. 一種用于以實(shí)時(shí)互動(dòng)成像的方式監(jiān)測(cè)治療換能器的焦點(diǎn)位置的裝置，包括(a)與患者相連的治療和成像換能器；(b) 設(shè)為無源模式或者交織的無源/成像模式的成像陣列；(c) 所述治療換能器使其焦點(diǎn)移動(dòng)到所述患者的接近理想的位置；(d) 所述換能器設(shè)為以短時(shí)間、低功率、高壓、連續(xù)波、氣穴現(xiàn)象模式發(fā)射，以在所述換能器焦點(diǎn)處產(chǎn)生散射現(xiàn)象；(e) 利用所述陣列成像，從而以無源模式探測(cè)與所述散射現(xiàn)象互 動(dòng)的高壓焦點(diǎn)，并且將所述探測(cè)到的焦點(diǎn)重疊到有源成像模式上，其 中將所述探測(cè)到的焦點(diǎn)與所述有源成像模式進(jìn)行比較，以確定所述焦 點(diǎn)是否處于希望的位置，并且如果未處于希望的位置，則將所述換能 器的所述焦點(diǎn)重新定位到所述希望的位置，并且重復(fù)步驟d到e。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中在重新定位所述換能器的 所述焦點(diǎn)之前關(guān)閉所述換能器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述散射現(xiàn)象是由所述治 療焦點(diǎn)處的氣穴現(xiàn)象引起的泡沫。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述散射現(xiàn)象是局部組織 現(xiàn)象。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述短時(shí)間在微秒到幾十 秒的范圍內(nèi)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述低功率在1毫瓦到10 瓦的范圍內(nèi)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述重新定位步驟是手動(dòng) 完成的。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述重新定位步驟是由作 為定相成像陣列的所述成像陣列自動(dòng)完成的。
全文摘要
本發(fā)明涉及以互動(dòng)實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測(cè)治療換能器的焦點(diǎn)，其通過關(guān)閉成像換能器的超聲波發(fā)射、但利用成像探測(cè)器繼續(xù)接收所有方向上的超聲波來識(shí)別治療束的焦點(diǎn)。該治療的聚焦束是唯一的發(fā)射，只要在焦點(diǎn)處存在散射，就會(huì)生成強(qiáng)烈的接收信號(hào)以識(shí)別該焦點(diǎn)。
文檔編號(hào)A61N7/02GK101119767SQ200680005284
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2006年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月17日
發(fā)明者C·T·錢, C·哈爾, D·L·M·薩弗里, M·阿弗基奧, S·索卡 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司