专利名称：使利用聚焦超声生成的焦点可视化的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种方法和装置，用于以互动实时的方式监测治疗超 声换能器的焦点位置，从而改善治疗次数并提高聚焦超声过程精确 度。具体而言，本发明涉及通过关闭成像换能器的超声发射，但利用 成像探测器继续接收所有方向上的超声波来识别治疗束的焦点，从而 按照互动实时的方式监测治疗换能器的焦点。该治疗聚焦束是唯一的 发射，只要在焦点处存在散射，就会生成强烈的接收信号，从而识别 到焦点。
背景技术：
可以将切除分成两个基本的种类化学的和热学的。在化学切除 中，将组织毒性剂例如无水乙醇或者乙酸直接注入到所要切除的组织 中。在热学切除中，以热学方式利用射频电磁波、微波、超声波、激 光或热液体传递的能量破坏机能障碍的组织。所有这些能量传递机构 依赖于该组织吸收热量形式的能量直到产生蛋白质变性和细胞死亡为 止。除了这些加热方法之外，热学切除包括冷冻疗法，其通过冷冻来 破坏组织。这些化学和热学切除技术已经应用于几乎每种主要器官系统中来 治疗良性和恶性疾病尤其是肝脏、心脏、前列腺、肾脏、肺和大脑。 为了最低程度地或者非侵害性地进行切割，切割能量必须以对周围的 组织干扰和伤害最小的方式传递。通常借助透皮针或者血管内导管来 完成化学切割、冷冻疗法、激光、RF和微波切割。将包含活性元素的 治疗针穿过皮肤插入到正在接受治疗的肿瘤中，导管通过脉管系统引 导到目标位置。利用超声以及在某些情况下利用微波，能够将能量无 直接接触地引导到或者聚焦到该位置，因此该能量可以是非侵害性 的。除了能量传递机构之外，切除治疗的关键组成部分是成像。成像系统为最小侵害性切除技术所接受是十分关键的。在切除过 程的每个步骤中都要使用成像。首先，治疗计划中使用成像。在这个 阶段，识别目标组织并确认针对肿瘤的物理方法，从而避开关键结构。
笫二，利用成像来指导切除设备相对于目标组织的放置，无论该设备 是针、导管还是外部设备。接着，能够利用成像来监测治疗，从而跟 踪进程并且提供反馈，以进行能量水平和剂量调整。最后，在切除之 后利用成像来估计所生成的伤痕大小和伤痕边界，这是考量切除治疗 有效性的重要量度。在成像在切除治疗中的这四个主要要点中，治疗 计划和切除设备的成像引导放置是研究和临床实践方面最成熟的技 术，并且已经使最小侵害性切除过程成为可能。然而，切除的未来依 靠成像技术在监测治疗和提供中间反馈方面的发展。这些监测技术对 过程成本和成功的临床结果具有显著影响。已经研究了切除成像的几乎每种成像模态。多年来，已经将标准x射线用于治疗计划，并且已经将X射线荧光透视法用于引导RF切除 导管，以用于心脏用途。最近，还将MRI、 X射线CT和超声波用于 治疗计划和针或导管的引导。MR成像的最近发展已经使精确的空间温 度成像成为可能，因此目前将利用MRI的热切除监测和反馈用于超声 切除和冷冻疗法。然而，用于监测切除的可能最有前途的成像模态是 超声波。超声波比MRI便宜的多，其不采用诸如基于X射线的成像模态之类的电离辐射，超声波已经用于指导几种切除治疗，并且其为实 时的；所有这些性质都使得超声波成像理论上适用于监测以及适于切 除成像的后切除评估阶段。聚焦的超声波包括利用高度聚焦声波造成组织的局部化低温加热 (极高温)，或者可能的组织切除/破裂(高强度聚焦超声-HIFU)。 目前将聚焦的超声波(FUS )视为用于治疗具有多种疾病包括癌症生长 和心脏导管病理学的患者的可选方式。目前在中国，采用FUS治疗了 超过1000个患者，获得了非常有前景的成果1；在英国，FUS正在接 受实验[2；在美国，已经完成了用于治疗良性前列腺增生和子宫纤维 瘤的笫III阶段实验3。关于聚焦超声波与组织的远程互动的挑战之一是在发送实际药剂 之前对声音所发送的治疗位置的监测。以前，已经尝试过几种技术，包括使用临床成像系统，例如MRI 和超声波。 一种技术使用MRI监测由实际传递的治疗声音带来的组织 的温度变化[4，5。尽管提供了有用的信息，但是在内部工作环境中使 用的难度以及使用MRI临床扫描系统和MR兼容工具的花费阻碍了这
种方法的推广。第二种技术利用超声波作为监测工具，但是要根据关 于组织的声学性质的设想例如声音传播速度来计算放置治疗设备的焦 点的位置。这种方法对于获得有关焦点位置的粗略想法是非常有价值 的，但是这种方法不能允许器官/组织的声学性质发生变化，这对于存 在温度梯度的情况过于苛刻了 。当前聚焦超声的可视化技术依赖于基于MRI的技术，其为焦点定 位提供緩慢的互动。本发明允许在实际输送药剂之前对治疗输送的位 置进行直观、互动的监测和引导。作为监测和引导工具的诊断超声波可提供最廉价的成像模态之 一。当前提出的解决方案包括使用能够为资源(时间、人员和医院占 地面积)制约的MRI。希望提供一种聚焦超声波系统，其避免了现有技术方案的上述缺 点，同时提供了一种廉价的实时诊断成像系统，其能够以常规的成像 模式以及无源接收器的方式工作。因此，希望提供一种按照互动、实时方式监测治疗换能器焦点位 置的方法和装置，其将改善常规的治疗次数并且提高聚焦超声波过程 的精确度。希望提供一种通过关闭成像换能器的超声波发射、但利用成像探 测器继续接收所有方向上的超声波，以便识别治疗束的焦点，从而以 互动实时的方式监测治疗换能器焦点的方法和装置。该治疗聚焦束是 唯一的发射，只要在焦点处存在散射现象，就会产生强烈的接收信号 来识别该焦点。
根据前面的说明和附图，将清楚并理解本发明的其它目的。 图l是描述本发明的工作的详细流程图； 图2表示了本发明的换能器；图3表示了根据本发明教导使得在扇区定相阵列上的非零发射的 焦点可视化；图4表示了根据本发明教导使得在扇区定相阵列上的发射=0.0的 焦点可视化。
具体实施方式
在详细说明本发明公开的实施例之前，应当理解，本发明的用途 不限于所示特定设置的具体情况，这是因为本发明也能够为其它实施 方式。而且，本文中使用的术语是为了说明而不是为了限定。现在参照图l-4，图1提供了说明本发明聚焦超声波换能器10 (参见图2) 的工作的详细流程图，该换能器利用超声耦合媒质与患者身体连接， 该媒质例如凝胶或者脱脂水。以高功率模式操纵该换能器，该模式足以使其与组织相互作用， 并且造成组织的临时、但可逆的变化，以便引导该换能器焦点的放置。 这些变化造成声音在换能器焦点的特定位置处的局部化散射。这种增 大的超声波散射可能是由于高强度超声波与换能器焦点处的散射的互 动作用，诱导形成的微观和宏观泡沫所产生的，或者是由于局部温度 变化造成的组织变化而产生的。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撰写的论文《利用超声波成像的高强度聚焦超声波治疗的实 时可视化 (Real time Visualization of High-Intensity Focused Ultrasound treatment Using Ultrasound Imaging)》中已经注意至!j泡沫的形成，其注意到"HIFU焦点处的明亮超回声光点很可能是由于气体和/或蒸汽泡 沫造成的。泡沫的低声学阻抗(比组织小几个数量级)使它们表现出 超回声，并且因此使它们成为在焦点处观察到的超回声区域的良好候 选的原因。实际上，在HIFU的治疗过程中，我们已经发现，明亮斑 点大小的光点(怀疑是泡沫)从焦点逃逸到肝脏的脉管组织中。"(第 40页)尽管该论文注意到了由于泡沫造成的这种散射效果，但是其没有 寻求利用或提供一种如本发明提供的机构，其利用这种效果来改善以 互动实时方式监测的治疗换能器的焦点位置，从而改善治疗次数并且 增大聚焦超声波过程的精确度。参照图1，如步骤15所示，该换能器10为高强度聚焦超声波 (HIFU)和成像换能器10，如前所述，利用超声波耦合媒质(例如凝 胶和/或脱脂水)使其与患者接触放置，并且确保连接。如图1的步骤 20所示，成像阵列16以无源(非发射模式)或者交织的无源/有源成
像模式来放置。将HIFU换能器10的焦点移动到接近理想的位置，即，使得焦点 接近目标组织(图1的步骤25)。将HIFU换能器IO以短时间、低功率、高压、连续波的形式打开， 并且其可能会也可能不会产生气穴现象(图1的步骤30)。短时间间 隔可以在微秒到几十秒之间变化。换能器10的低功率-声功率可以在 毫瓦到IO瓦之间变化。高压可以在几百千帕到几十兆帕之间变化。散射情况或现象(可能是气穴现象)会出现在HIFU换能器的焦 点处(图1的步骤35)。如前所述，超声波散射增大可能是由于高强 度超声与换能器焦点处的散射的互动作用引起的微观和宏观泡沫(气 穴现象)的形成造成的，或者是由于局部温度增大造成的组织变化造 成的。散射可以是由于石灰化、皮肤与脂肪的界面层、肌肉与脂肪的 界面层、肌肉与腱的界面层或者局部组织现象，例如组织的残片、肿 瘤或者任意不正常的组织造成的。该成像阵列16将以其无源模式或者交织模式成像(图1的步骤 40)，接收所形成的束，并且探测高压焦点或者其它散射体(图1的 步骤45)。探测到的焦点会重叠在成像阵列屏幕的有源成像模式(解 剖图像)上(图1的步骤50)。按照这种方式，能够确定焦点是否处 于正确位置(图1的步骤60)，以及H1FU治疗(图1的步骤75)是 否能够开始。如果否，那么可以关闭换能器发射(图1的步骤65)， 根据成像阵列探测到的位置，能够移动HIFU换能器10，从而将焦点 的位置重新定位到正确位置(图l的步骤70)，并重复步骤30-60，至 到焦点处于适合HIFU治疗开始的正确位置为止。HIFU焦点的重新定位(图1的步骤70)能够手动实现，或者也能够利用定相阵列系统自动完成。图2和3表示了以无源接收模式，或者可能是脉冲/回声模式，或者任何其它的交织无源/有源成像模式工作的在诊断成像阵列中接收到 的增大的焦点散射。图2中示出了诊断成像阵列中获得的图像。类似 波束图形的图像叠加在图2中的常规超声波图像上。波束图形变窄的 位置对应于焦点的位置。通过移动焦点位置，能够实时地看到波束图 形在图像上的移动。图3表示了利用仅以接收模式工作的诊断成像换 能器10 (发射功率设置为0)获得的相同效果。
因此，本发明提供了焦点的互动实时位置以及廉价的焦点监测。 尽管为了公开本发明，描述了目前的优选实施例，但是本领域技 术人员能够在方法步骤和装置部件的设置上进行多种改变。这些改变 均包含在所附权利要求书限定的本发明的精神范围内。
权利要求
1.一种用于以实时互动成像的方式监测治疗换能器的焦点位置的方法，包括以下步骤(a)使治疗和成像换能器与患者相连；(b)设定成像阵列为无源模式或者交织的无源/成像模式；(c)将所述治疗换能器的焦点移动到所述患者处接近理想的位置；(d)打开所述换能器，以短时间、低功率、高压、连续波进行发射，以便在所述换能器焦点处产生散射现象；(e)操纵所述成像阵列成像，并由此根据接收波形以无源的模式来探测与所述散射现象互动的高压治疗焦点；将探测到的焦点重叠到有源成像模式；(f)确定焦点是否处于希望的位置，如果不是，则将所述换能器的所述焦点重新定位到所述希望的位置，重复步骤a到f。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中在所述确定步骤之后，如果 所述焦点未处于希望的位置，则在重新定位所述换能器的所述焦点之 前，关闭所述换能器。
3. 根据权利要求l所述的方法，其中所述散射现象是由所述治疗 焦点处的气穴现象引起的泡沫。
4. 根据权利要求l所述的方法，其中所述散射现象是局部组织现象。
5. 根据权利要求l所述的方法，其中所述短时间在微秒到几十秒 范围内。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中所述低功率在1毫瓦到10 瓦的范围内。
7. 根据权利要求l所述的方法，其中所述重新定位步骤是手动完 成的。
8. 根据权利要求l所述的方法，其中所述重新定位步骤是由作为 定相成像阵列的所述成像阵列自动完成的。
9. 一种用于以实时互动成像的方式监测治疗换能器的焦点位置的装置，包括(a)与患者相连的治疗和成像换能器；(b) 设为无源模式或者交织的无源/成像模式的成像阵列；(c) 所述治疗换能器使其焦点移动到所述患者的接近理想的位置；(d) 所述换能器设为以短时间、低功率、高压、连续波、气穴现象模式发射，以在所述换能器焦点处产生散射现象；(e) 利用所述阵列成像，从而以无源模式探测与所述散射现象互 动的高压焦点，并且将所述探测到的焦点重叠到有源成像模式上，其 中将所述探测到的焦点与所述有源成像模式进行比较，以确定所述焦 点是否处于希望的位置，并且如果未处于希望的位置，则将所述换能 器的所述焦点重新定位到所述希望的位置，并且重复步骤d到e。
10. 根据权利要求1所述的装置，其中在重新定位所述换能器的 所述焦点之前关闭所述换能器。
11. 根据权利要求9所述的装置，其中所述散射现象是由所述治 疗焦点处的气穴现象引起的泡沫。
12. 根据权利要求9所述的装置，其中所述散射现象是局部组织 现象。
13. 根据权利要求9所述的装置，其中所述短时间在微秒到几十 秒的范围内。
14. 根据权利要求9所述的装置，其中所述低功率在1毫瓦到10 瓦的范围内。
15. 根据权利要求9所述的装置，其中所述重新定位步骤是手动 完成的。
16. 根据权利要求9所述的装置，其中所述重新定位步骤是由作 为定相成像阵列的所述成像阵列自动完成的。
全文摘要
本发明涉及以互动实时的方式监测治疗换能器的焦点，其通过关闭成像换能器的超声波发射、但利用成像探测器继续接收所有方向上的超声波来识别治疗束的焦点。该治疗的聚焦束是唯一的发射，只要在焦点处存在散射，就会生成强烈的接收信号以识别该焦点。
文档编号A61N7/02GK101119767SQ200680005284
公开日2008年2月6日 申请日期2006年2月6日 优先权日2005年2月17日
发明者C·T·钱, C·哈尔, D·L·M·萨弗里, M·阿弗基奥, S·索卡 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司