用于精确高强度聚焦超声的系统、方法和设备的制造方法
【专利说明】用于精确高强度聚焦超声的系统、方法和设备
交叉引用
[0001]本申请要求2012年7月23日提交的美国临时申请N0.61/674，668的权益，该申请通过引用结合于此。
【背景技术】
[0002]高强度聚焦超声(HIFU)已经在医学应用中使用了许多年，其中HIFU换能器被设置在患者的身体的外面并且将超声波聚焦至身体内的目标位置。组织中的高的声强度的主要效应是归因于声能吸收的热生成。在大多数HIFU应用中，迅速地生成的热在几秒内将靶组织中的温度提高至60摄氏度或较高的引起的凝固性坏死。
[0003]应用高的声强度的其它效应包括如声场引起在液体介质中的充气气泡的运动的空化效应。此空化归因于当超声场传播通过组织时组织的扩张和收缩而发生。如果惯性空化发生，则存在气泡的剧烈的倒塌和破坏的可能性。如果此倒塌发生在细胞膜附近，则归因于当气泡倒塌时高速液体喷射冲击细胞壁，对细胞膜的机械损伤是可能的。超微束同样可发生，其中接近于振荡的气泡的高剪切力引起细胞膜破坏。进一步，当波被吸收或发射时，辐射力同样可发生，产生辐射压力，并且细胞死亡可由跟随HIFU治疗的细胞凋亡而引起。
[0004]很多问题伴随当前的HIFU传递方法出现。一些问题包括声影、混响和折射。这样的问题导致在治疗深陷在组织中和/或被骨结构挤满的区域(诸如治疗接近于肋骨的肝组织)中的极端困难。另一问题是身体(例如，肠)中的气体不能被HIFU渗透并且声波朝向换能器被反射回，可能导致经由对位于换能器和目标之间的组织燃烧的非靶组织被损坏。又一问题是当前系统通过作出在换能器和目标位置之间的软组织中的声波的衰减是线性的这个假设来估计所吸收的能量的量。然而，因为纤维化的、多脂肪的和血管化的组织不同地衰减声能量，并且由于存在与血管分布相关联的热库效应，因此这种情况很少见。进一步，尚未被证实的一个潜在的并发症是来自由此程序所生成的剪切力的恶性细胞的传播的可能性。
【发明内容】
[0005]本发明的实施例克服了与现有技术HIFU系统相关联的问题中的一个或多个。根据某些实施例，公开了将声波传递至患者内部的靶组织区以用于医学上治疗靶组织区的方法。此方法包括通过患者的暴露的皮肤将治疗探针插入到患者中，治疗探针包括声波分配元件。此方法还包括经由声波分配元件将声波施加至靶组织区，施加声波以便医学上治疗靶组织区。此方法进一步包括:监视作为施加声波的结果由靶组织所吸收的能量的量，以及基于由靶组织所吸收的能量的量来调节被施加至靶组织的声波。
[0006]根据其它实施例，公开了用于将声波传递至患者内部的靶组织区以用于医学上治疗靶组织区的系统。此系统包括用于治疗靶组织区的治疗探针，此探针通过患者的暴露的皮肤是可插入的并且包括可操作以输出声波以用于医学上治疗靶组织区的声波分配元件。此系统进一步包括可操作以监视作为施加声波的结果由靶组织所吸收的能量的量的监视器。此系统还包括耦合至波分配元件和监视器的控制器，此控制器可操作以基于由靶组织所吸收的能量的量来控制由波分配元件输出的声波。
[0007]根据其它实施例，公开了用于将声波传递至患者内部的靶组织区以用于医学上治疗靶组织区的治疗探针。此治疗探针包括:具有配置成刺穿患者的暴露的皮肤的一末端的外壳；耦合至外壳并且可操作以输出声波的声波分配元件；以及可操作以传送信号以用于控制声波的親合至声波分配元件的通信元件。
[0008]为了更完全地理解本发明的本质和优点，应当参考后续详细描述和附图。本发明的其它方面、目的以及优点根据以下附图以及详细描述将会显而易见。
通过引用的结合
[0009]在此说明书中涉及的所有出版物、专利和专利申请通过引用整体结合到本文中，就好像指出各个单独的出版物、专利或专利申请被特别地和单独地通过引用结合在本文中。
【附图说明】
[0010]本发明的新颖特征在所附权利要求中具体陈述。通过参考陈述了其中利用本发明原理的说明性实施例的本发明和附图的以下详细说明可获得对本发明的特征和优点的更好理解，其中:
[0011]图1是根据实施例的用于选择性地将声波施加至靶区的简化的系统的框图。
[0012]图2A示出了根据实施例的将声波施加至靶区的治疗探针。
[0013]图2B示出了根据实施例的将声波施加至靶区的治疗探针。
[0014]图2C示出了根据实施例的将声波施加至靶区的治疗探针。
[0015]图2D示出了根据实施例的将声波施加至靶区的治疗探针。
[0016]图2E示出了根据实施例的将声波施加至靶区的治疗探针。
[0017]图2F示出了根据实施例的将声波施加至靶区的治疗探针。
[0018]图2G示出了根据实施例的将声波施加至靶区的治疗探针。
[0019]图2H示出了根据实施例的将热能施加至靶区的治疗探针阵列。
[0020]图21示出了根据实施例的具有如在图2H中的治疗探针阵列的组织区的截面前视图。
[0021]图3A是根据第一实施例的治疗探针的轮廓图。
[0022]图3B是图3A的治疗探针的截面图。
[0023]图4A是根据第二实施例的治疗探针的轮廓图。
[0024]图4B是图4A的治疗探针的截面图。
[0025]图5A是根据第一实施例的包括声换能器的治疗探针的截面图。
[0026]图5B是根据第二实施例的包括声换能器的治疗探针的截面图。
[0027]图5C是根据第三实施例的包括声换能器的治疗探针的截面图。
[0028]图6A是根据第一实施例的包括声透镜的治疗探针的截面图。
[0029]图6B是根据第二实施例的包括声透镜的治疗探针的截面图。
[0030]图6C是根据第三实施例的包括声透镜的治疗探针的截面图。
[0031]图7A示出了在温度探针被设置在靶区中的同时从外部将能量施加至位于一目标中的靶区的治疗探针。
[0032]图7B示出了在温度探针被设置在靶区中的同时从内部将能量施加至位于一目标中的靶区的治疗探针。
[0033]图8是描绘了根据第一实施例的利用声波治疗靶区的方法的示例性操作的流程图。
[0034]图9是描绘了根据第二实施例的利用声波治疗靶区的方法的示例性操作的流程图。
本发明的详细描述
[0035]与当前的HIFU治疗相关联的很多问题是由于没有控制靶治疗区域内均匀地传递和吸收的能量的量的能力。这导致组织温度的不期望的可变性。一些区域是过度治疗的，一些是治疗不足的，并且一些非目标区域被治疗，所有均导致不可接受的结果。本发明的实施例提供用于精确地控制贯穿靶治疗区域的能量沉积的系统、设备和方法。这种能量应用可被用于各种治疗目的，包括组织消融、精确过热、成像等。
[0036]本文中所描述的各实施例包括各个针形探针，例如，嵌入有一个或多个热能分配元件(诸如小的声波分配元件)的治疗探针。分配元件可以是，例如，将电能或机械能转换成声波的声换能器，或可以是聚焦从单独的波发生器中生成的声波的透镜(或透镜组件)。针形探针可包括削尖的末端从而使得针形探针可穿透目标的外表面，诸如患者的皮肤。
[0037]在某些实施例中，若干治疗探针可被置于阵列中以创建均在阵列体积内的靶治疗区域。治疗探针之间的间隔在距离上不是无限的。相反，可选择治疗探针之间的间隔以确保在靶区处可获得均匀的温度而不管组织类型和条件可能有所不同。
[0038]由靶区所吸收的能量的量可利用各种技术进行精确地确定。在一个实施例中，一个或多个温度监视设备(例如，热敏电阻、热电偶等)可邻近于治疗区或在治疗区内进行布置。例如，一个或多个治疗探针可包括温度监视设备连同声波分配元件。再如，一个或多个治疗探针可包括温度监视设备而没有任何声波分配元件。又如，声波分配元件可操作以测量治疗区的温度。在其它实施例中，一个或多个温度监视设备可被布置在患者的外部。例如，可使用磁共振成像器、红外温度、外部应用超声温度传感器等。在某些实施例中，代替执行温度监视，可执行计算以准确地估计靶区的温度。这样的计算可利用诸如靶组织类型、声波分配元件的特性、声波分配元件距靶组织的距离、相对于靶组织的声波分配元件的取向和所应用的声波的特性之类的因素。
[0039]在至少一个实施例中，基于温度监视或计算出的所传递的能量可对所传递的能量的量作出实时调节。因此，靶区的温度可在控制所传递的能量的量方面被用作反馈。
[0040]通过利用声波的精确传递、精确的高分辨率温度监视、基于温度监视对所传递能量的量的实时控制和调节、以及各个治疗探针的间隔从而使得能量可被均匀地传递至靶区导致实现温度和/或能量吸收目标而不管组织成分和/或可变性中的一个或多个，面向当前的HIFU传递系统的问题中的一个或多个可被克服。
[0041]用于将热能施加至靶区的系统
[0042]转向各图，图1是根据实施例的用于选择性地将热能(诸如声波)施加至靶区的简化的系统100的框图。系统100包括可操作地耦合至治疗探针150和温度监视器160的系统控制单元110。系统控制单元110可包括一个或多个元件，诸如输入/输出元件120、计算设备130和电源140。
[0043]系统控制单元110可控制治疗探针150以将热能(例如，声波)传递至靶区。在声波实施例中，治疗探针150可被控制成以各种不同强度(例如，用于诊断(诸如成像)的
0.1 - 100mW/cm2和用于治疗(诸如组织消融)的100 - 10, 000ff/cm2)和各种不同压缩压力(例如，用于诊断的0.001 - 0.003MPa的压缩和稀疏压力和用于治疗的达到30MPa的峰压缩压力和达到1MPa的峰稀疏压力)传递声波。
[0044]系统控制单元110可被耦合至(或可包括)温度监视器160，并且利用温度监视器160以监视靶区的温度或计算被靶区吸收的能量的估计的量。在一个实施例中，一个或多个监视器160(例如，热敏电阻、热电偶等)可邻近于治疗区或在治疗区内进行布置。例如，治疗探针150中的一个或多个可包括温度监视器160，连同在治疗探针150内布置的声波分配元件(未示出)。再如，一个或多个治疗探针150可包括温度监视器160而没有任何声波分配元件。又如，温度监视器160可以是声波分配元件。在其它实施例中，一个或多个温度监视器160可被布置在患者的外部。例如，温度监视器160可包括磁共振成像器、红外温度传感器、外部应用超声温度传感器等。在某些实施例中，代替执行温度测量，温度监视器160可执行计算以准确地估计靶区的温度。这样的计算可利用诸如靶组织类型、声波分配元件的特性、声波分配元件距靶组织的距离、相对于靶组织的声波分配元件的取向和所应用的声波的特性之