专利名称：在磁共振引导容积超声治疗中的温度控制方法
技术领域：
本发明涉及一种在磁共振温度测量引导下进行超声治疗的患者中控制温度的方法，特别涉及一种用于实现这种方法的快速收敛、多输入、多输出、非参数温度控制器。
背景技术：
治疗期间在患者处于磁共振成像系统中的情况下，局部施加超声以治疗某些类型的局部癌症经常发生，因而，借助于磁共振温度测量可能监测患者的温度。磁共振温度测量是对象处于磁共振数据采集单元(扫描仪)中时监测检查对象温度的一种公知方式，并且基于下述公知现象，由检查对象中通过向其施加能量强制离开其稳态条件的核子自旋所发射的磁共振信号是依赖于温度的。强制离开其平衡状态的进动核子自旋发射信号，该信号被检测并且将其用于常规磁共振成像。这些信号的温度依赖性也允许产生检查对象的温度 图，其非常精确地显示温度沿多轴的变化。高强度超声有效地适用于治疗局部癌症或其他病症。为此，施投(administer)高强度聚焦超声(HIFU)。为了转向并聚焦治疗超声，这样一种超声头或装置典型具有按阵列形式排列并操作的多个超声发射器(换能器)。概括而言，通过对磁共振扫描仪检查区中的患者施投HIFU，发生这种治疗的磁共振引导或监测。在超声治疗进行时，以公知方式采集来自扫描仪中患者的磁共振数据。随着治疗，实时地产生患者的磁共振温度测量图像，其显示患者指定区域内的温度分布。治疗期间，得到的磁共振温度图像可能实时显示在监视器上，以便由医师或技师目视观察并手动控制治疗，或者，为了根据温度测量图像产生适当提取的信息以便在自动控制治疗中使用，可能使用公知的图像处理技术。在“Hyperthermia by MR-guided Focused Ultrasound:Accurate TemperatureControl Based on Fast MRI and A Physical Model of Local EnergyDeposition andHead Conduction，，，Salomir et al.，Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 43 (2000)pages342-347中描述了磁共振引导下聚焦超声高温的概述。例如，在“Automatic Spatialand Temporal Temperature Control for MR-Guided Focused Ultrasound Using Fast3D MR Thermometry and Multispiral Trajectory of the Focal Point, ”Mougenotet al.，Magnetic Resonance in Medicine,Vol. 52 (2004)pgs 1005-1015; “Three-Dimensional Spatial and Temporal Temperature Control with MR Thermometry-GuidedFocused Ultrasound (MRgHIFU)，，，Mougenot et al.，Magnetic Resonance inMedicine，Vol. 61(2009)pgs 603-614 以及“Cruvilinear Transurethral UltrasoundApplicator for Selective Prostrate Thermal Therapy, ” Ross et al.，MedicalPhysics，Vol. 32，No. 6(2005)pgsl555-1565中描述了各种自动控制技术。这种治疗中用于温度控制的流行技术是利用比例-积分-微分(PID)控制器。概括而言，PID控制器计算误差值作为被测过程变量与期望参考点之差。如由其名称所示，PID控制器利用了三个反馈反应项(feedback reaction terms),分别涉及比例值、积分值以及微分值。比例值取决于当前误差，积分值代表过去误差的积累，而微分值代表基于当前变化率的未来误差预测。典型地，使用这三个值的加权和，通过对有能力改变所讨论过程的被监控参数的一些类型的控制元件进行控制，对所讨论的过程进行调节。在“Endocavitary Thermal Therapy byMRI - guided Phased-Array Contact Ultrasound:Experimental and Numerical Studieson the Multi-input Single-Output PID Temperature Controller’ s Convergence andStability, ^Salomir et al. ,Medical Physics, Vol. 36，No. 10 (2009)pgs4726_4741 中，提供了在磁共振引导相控阵接触超声背景下使用PID温度控制的研究。基于PID的控制器通常呈现良好的稳定性以及对噪声的鲁棒性(robustness),但其收敛相当慢。当在受控声波处理期间温度采样点的数量较少时，PID算法没有足够的时间来调节功率电平，以便通过扩散(diffusion)/灌注(perfusion)补偿热沉积或组织冷却中的局部变化性。在组织响应时间对初级热源(elementary heat source)的标度(scale)下，当总时基较短时情况更糟。此外，当底层模型中物理参数的静态调谐远离真实参数时，出现温度曲线超调，伴随高于预定温度的短暂但显著并且可能更长的加热。
发明内容
本发明的目的是提供一种在磁共振成像引导相控阵接触超声中使用的改进温度控制算法，其特别适合在关于每一磁共振动态扫描重复的沿容积图案(volumetricpattern)的循环式声波处理。本发明的另一目的是提供这样一种温度控制算法，其在20至30倍于磁共振温度测量持续时间的时间间隔中，在每一焦点处释放等效热剂量。根据本发明，用一种磁共振引导施投超声的温度控制方法实现上述目的，其中由磁共振温度测量以实时方式监测检查对象局部区域中的温度，在计算机化的处理器中自动识别并且采用检查对象被监测区域中的温度分布特性，以通过调整超声治疗装置来实现温度控制。温度控制器按两步设计1)改造经典PID方程以改善收敛性，以及2)通过考虑给定焦点相对于遍及全部焦点计算出的平均温度的温度偏移，使算法转化为非参数型。将PID控制器的经典方程改造成Ρ( = ^ ^^ + Χ )·ν ( ^)+Η·./·Δ( ^)+Η-^
—MnJl J其中//(Fu)是超声吸收点ξ，/>(ξ)是热扩散点巧，Θ⑴是温度的预定(或目标)演变(evolution),T(K)是试验(测量)温度点ξ时间t，Δ( ,/) = Θ(/)-Γ(ξ,/)是在部位ξ处的当前误差；以及Ω( 0,/)= f [Θ(/') - T(l，/'P 是部位-处的积分误差。
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根据本发明的特性微分方程式
权利要求
1.一种磁共振引导施投超声的温度控制方法，包括 在活体部位处，通过用多焦点超声治疗装置发射聚焦超声进入位于所述多个焦点处的所述部位，并且通过快速切换现行焦点位置以沿着时变容积图案执行循环超声处理，对患者施投超声治疗； 由磁共振温度测量以实时方式监测检查对象局部区域中进行所述治疗所在部位的所述温度； 根据所述磁共振温度测量，在处理器中自动识别所述检查对象被监测区域中的所述温度分布特性；以及 根据所述计算机化的处理器，通过调整所述超声治疗装置实现温度控制，所述温度控制调制各单独焦点处的所述能量沉积，旨在使所有被加热部位的所述温度历程均匀； 不使用关于组织特性的任何先验信息，根据分别考虑达到所述稳态之前以及之后两种状况的下列双支主方程，在几乎同时被加热的所述多个部位之中，计算在所述时间点η处的所述能量变化δ Ek (η)与每一加热部位k中的能量的初始值Eu之比
2.根据权利要求I所述的方法，包括在释放能量的计算中的时间相关负反应。
3.根据权利要求2所述的方法，包括在O.01除以采样时间的平方与10. O除以所述采样时间的平方之间范围中选择用于负反应参数w的值。
4.根据权利要求I所述的方法，包括用下列特性微分方程实现所述温度控制，其中Ω指定在给定焦点位置处所述温度的积分偏移
5.根据权利要求I所述的方法，包括用时域收敛解实现所述温度控制
全文摘要
在磁共振引导施投超声的温度控制方法中，在活体部位处，通过用多焦点超声治疗装置发射聚焦超声进入位于多个焦点处的上述部位，对患者施投超声治疗。由磁共振温度测量以实时方式监测检查对象局部区域中进行治疗所在部位的温度。根据磁共振温度测量，自动识别检查对象被监测区域中的温度分布特性。根据下列主方程，通过调整超声治疗装置的能量输出实现温度控制或者，稍加改造，
文档编号G05D23/00GK102955426SQ20121028188
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月9日 优先权日2011年8月10日
发明者R.萨罗米尔, M.维亚隆 申请人:西门子公司