专利名称：相控型高强度聚焦超声和磁共振融合的肿瘤治疗系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声肿瘤治疗系统，尤其涉及一种融合了磁共振(Magnetic Resonance Imaging-MRI)和相控型高强度聚焦超声(Phased High Intensity Focused Ultrasound-PHIFU)的优势，实现肿瘤无损治疗的系统，属于医疗器械技术领域。
背景技术：
在全球范围内肿瘤的发病率居高不下，且治愈率较低，手术切除是目前肿瘤治 疗中比较常用的一种方法，但对于晚期病人，手术对病人创伤过大，所以无创、微创的 肿瘤治疗方法显得尤为重要。高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound-HIFU)是一种绿色无创、安全有效的肿瘤治疗方法。HIFU将高强度超声波汇聚到人体肿瘤组 织，在短时间内产生很高热量，致使组织变性坏死，从而杀死肿瘤细胞。HIFU治疗在临 床上应用已有20多年历史，目前在前列腺、子宫、肝脏、肾脏、乳腺、骨骼等部位肿瘤 治疗中较广泛采用。
PHIFU采用电子相控聚焦技术，通过调控各个阵元的激励信号相位和幅度可产 生单焦点或多焦点声场模式，进而形成所需形状、大小的焦域，完成目标靶组织的定向 适形加热。相对于单阵元换能器焦距固定、需机械移动换能器、只能形成单个焦点， PHIFU换能器在焦点三维电子移动，形成多个焦点模式等方面具有较大优势，从而可以 大大提高肿瘤的消融效率。
MRI成像利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激后产生信 号，用探测器检测信号，通过计算机处理得到物质内部结构。在人体内利用氢核成像， 获取人体内部组织结构，尤其对软组织有比CT更高的分辨力，不需要造影剂，不会对人 体造成辐射，相对CT更安全。MRI除了可以清晰的分辨和定位肿瘤组织以外，更重要 的是MRI可以实时准确的测量HIFU治疗过程靶区组织的温度变化，从而为PHIFU的精 准安全治疗提供有效的监控手段，再次MRI可对PHIFU热疗进行有效的术后疗效评估。 因此MRI和PHIFU融合治疗肿瘤是一种非常安全有效的治疗方法。
目前国内临床使用较广泛的HIFU设备多为B超引导的HIFU治疗。该类设备 术中用B超引导HIFU治疗，治疗过程控制主要凭医生的经验。该类设备及治疗方法存 在最大问题是HIFU治疗过程组织温度不能监控，容易造成正常组织的损伤，所以存在较 大的安全性问题。
中国专利CN1903390A提出一种MRI引导的高强度聚焦超声系统，该系统超声 治疗部分由传统的单阵元换能器构成，只能形成单焦点，治疗过程中必须依靠机械位移 控制换能器移动，实现单焦点扫描，治疗模式单一，不够灵活，治疗效率较低，无法绕 过骨骼屏障。单阵元HIFU换能器由于需要机械移动，容易在MRI中引入严重电磁干 扰，HIFU加热过程中实时测量靶区组织温度仅为二维信息，并且测温信息未加入到自动 反馈控制系统。中国专利CN2853097Y提出了一种基于开放式的MRI引导的HIFU治疗 系统，该系统基于低场的MRI系统和单阵元的HIFU换能器，虽这样系统设计较方便，图像引导比传统的B超引导精确，但该系统测温存在漂移大，不够精确快速等问题，所以 也不是很好的解决方案。
以色列INSIGHTEC公司生产的EXABLTE 2000型超声子宫肌瘤治疗系统，实现了利用GE公司的1.5T磁共振成像系统引导PHIFU治疗子宫肌瘤。该系统仅适用于子 宫肌瘤治疗，为了避免PHIFU加热过程中对MRI成像产生干扰，降低了换能器的输出能 量，导致单个焦点达到治疗所需温度时间过长，治疗效率较低，且该系统对诊断MRI进 行改造，成本较高。
在不对现有高场(1.5T以上)诊断MRI进行改造的基础上，开发一种MRI和 PHIFU融合治疗肿瘤的系统，以便与现有的诊断设备融合，降低成本，成为一个新的研究课题。发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种相控型高强度聚焦超声和磁 共振融合的肿瘤治疗系统，将诊断MRI结构与PHIFU换能器有机融合，利用PHIFU可在 三维空间电子聚焦扫描、同时形成多焦点加热的优势，结合MRI的精确定位和实时准确 测温优势，实现肿瘤安全有效的治疗。
为实现上述目的，本发明的肿瘤治疗系统由相控型高强度聚焦超声PHIFU治疗 控制单元、多路相控信号发生器、多路电压控制器、多路谐振式功率放大单元、多阵元 PHIFU换能器、MRI扫描模块及MRI温度处理模块构成。PHIFU治疗控制单元根据治 疗计划，计算激励信号的相位和幅值，经多路相控信号发生器、多路电压控制器及多路 谐振式功率放大单元产生大功率激励信号驱动PHIFU换能器。PHIFU治疗控制单元控制 MRI扫描模块对靶区扫描，获得的图像经过MRI温度处理模块处理得到实时三维温度信 息，PHIFU治疗控制单元根据反馈的温度信息调整加热策略。
本发明的具体结构为相控型高强度聚焦超声和磁共振融合的肿瘤治疗系统由 相控型高强度聚焦超声PHIFU治疗控制单元、多路相控信号发生器、多路电压控制器、 多路谐振式功率放大单元、多阵元PHIFU换能器、磁共振扫描模块及磁共振温度处理模 块构成。
所述PHIFU治疗控制单元分别连接多路相控信号发生器、多路电压控制器、磁 共振扫描模块和磁共振温度处理模块；PHIFU治疗控制单元储存有根据术前肿瘤解剂结 构制定的包括治疗路径、治疗点坐标、加热时间、加热模式在内的治疗计划，计算确定 加热模式所需的阵元激励信号的相位和幅值，并将得到的相位控制信号和幅值控制信号 分别输送到多路信号发生器和多路电压控制器；PHIFU治疗控制单元控制磁共振扫描模 块对肿瘤靶区扫描，同时接受磁共振温度处理模块反馈的实时肿瘤组织温度信息来调整 加热模式和加热时间。
所述多路相控信号发生器基于现场可编程门阵列设计，接收PHIFU治疗控制单 元传送的相位控制信号，处理后输出多通道频率可调的指定相位延迟的信号至多路谐振 式功率放大单元。
所述多路电压控制器基于单片机设计，接收PHIFU治疗控制单元传送的幅值控 制信号，处理后输出指定电压幅值的信号至多路谐振式功率放大单元。4
所述多路谐振式功率放大单元将接收的指定相位延迟信号和指定电压幅值信号 结合、放大，输出具有指定相位、幅度的激励信号到多阵元PHIFU换能器。
所述磁共振扫描模块采用对温度敏感的序列，并将实时扫描肿瘤靶区获得的图 像输送至磁共振温度处理模块，磁共振温度处理模块对扫描图像处理，可获得靶区三维 温度信息，并将靶区三维温度信息反馈至PHIFU治疗控制单元。
所述多阵元PHIFU换能器是基于诊断MRI结构设计而成，由多个压电陶瓷阵元 (PZT-8)组成。该换能器可在不需要机械移动情况下，实现焦点三维聚焦和扫描，减少 了由于机械移动换能器引入的电磁干扰。同时利用PHIFU不仅可以形成单焦点，而且还 可同时形成多个焦点，多种焦点模式可增加加热的灵活性，也缩短治疗时间。
所述多阵元PHIFU换能器由压电材料做成，无磁性，对MRI信号不产生影响。 多路相控信号发生器、多路电压控制器和多路谐振式功率放大单元都放置在磁共振房间 外面，通过长距离绝缘屏蔽信号线输送到放置在磁共振房间里的PHIFU换能器。上述信 号线做了严格的电磁屏蔽，避免对磁场产生干扰。整个系统没有铁磁性材料，没有干扰 源，尽可能完善屏蔽，所以对MRI的成像基本没有干扰。
本发明所提供的MRI和PHIFU融合治疗肿瘤的系统，基于诊断MRI结构，设计 合适的PHIFU换能器，实现MRI和PHIFU的融合。系统可以在不改变现有高场(1.5T 以上)磁共振设备结构情况下，实现MRI和PHIFU的融合，也可以根据PHIFU特性，改 变现有高场(1.5T以上)磁共振设备结构，使之形成适于与PHIFU融合的专门磁共振，实 现MRI和PHIFU的融合。PHIFU利用电子相控聚焦技术，在无需机械移动换能器情况 下，实现了焦点在三维空间里聚焦和扫描；同时PHIFU可形成多种焦点模式，可大大提 高治疗效率。MRI不仅对组织有良好的解剖定位能力，可进行准确的术前、术中引导， 而且可实时精确的监控HIFU治疗过程中靶区组织温度，从而可以量化、准确、实时地控 制HIFU治疗过程，大大提高了 HIFU治疗的安全性。结合MRI和PHIFU的诸多优点， 实现两者的融合，为肿瘤提供了一种全新更安全有效的治疗方法。
图1为本发明相控型高强度聚焦超声和磁共振融合的肿瘤治疗系统的结构组成 框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明利用诊断MRI结构，设计合适的PHIFU换能器，实现了 MRI和PHIFU的有机融合，图1为本发明的MRI和PHIFU融合治疗肿瘤的系统结构框图。如图1所 示，本发明由相控型高强度聚焦超声PHIFU治疗控制单元、多路相控信号发生器、多路 电压控制器、多路谐振式功率放大单元、多阵元PHIFU换能器、磁共振扫描模块及磁共 振温度处理模块构成。
本发明中的主要控制部分是PHIFU治疗控制单元，PHIFU治疗控制单元分别 连接多路相控信号发生器、多路电压控制器、磁共振扫描模块和磁共振温度处理模块。 PHIFU治疗控制单元控制了 PHIFU治疗计划的制定和实施，具体包括治疗路径规划、治疗点坐标、治疗时间、治疗焦点模式的选择、辐射能量的选择等等。该单元根据肿瘤的 形状和大小，在术前对治疗的声场和温度场进行仿真计算，制定最优的治疗计划。依据 制定的治疗计划和换能器的参数，采用声场伪逆矩阵算法，计算得到加热模式所需的阵 元激励信号的相位和幅值，并将得到的相位控制信号和幅值控制信号通过串行或并行数 据传输协议分别传送至多路信号发生器和多路电压控制器，以产生多路具有指定相位和 幅值的激励信号。PHIFU治疗控制单元还具有的功能是可以根据靶区反馈温度动态调整 治疗参数，如加热时间、加热模式、加热点位置等等，或控制PHIFU治疗的终止。这样 既保证完全消融杀死肿瘤组织，又尽量避免周围正常组织的损伤，减少副作用，保证了 治疗的安全有效。PHIFU治疗控制单元还控制磁共振扫描模块对肿瘤靶区扫描，同时接 受磁共振温度处理模块反馈的实时肿瘤组织温度信息来调整加热模式和加热时间。
本发明中，多路相控信号发生器基于现场可编程门阵列设计，可产生65或更多 通道、256种相位延迟(最低分辨率1.4° )、频率在0.5M至2M可调的相控信号。多路 相控信号发生器接收PHIFU治疗控制单元传送来的特定的相位控制信号，经过处理后， 产生多通道多种相位延迟的相控信号输出，且信号频率可调。多路相控信号发生器输出 指定相位延迟的信号至多路谐振式功率放大单元。
本发明中，多路电压控制器是基于单片机设计的，可独立高精度(达0.1% )控 制PHIFU激励信号的电压。多路电压控制器接收PHIFU治疗控制单元传送的幅值控制信 号，处理后输出指定电压幅值的信号至多路谐振式功率放大单元。
本发明中，多路谐振式功率放大单元由65个或更多独立的功率放大器组成，每 个功率放大器本质上是一个LC谐振电路，且和一个PHIFU换能器的阵元唯一连接。多 路谐振式功率放大单元将多路相控信号发生器和多路电压控制器输送的指定相位延迟信 号和指定电压幅值信号结合，经过谐振放大，输送出具有指定相位、幅度的激励信号到 多阵元PHIFU换能器，以0-20W电功率能量驱动多阵元PHIFU换能器。
本发明中，磁共振扫描模块采用特定的对温度敏感序列对治疗肿瘤靶区进行扫 描成像，将获得的图像输送至磁共振温度处理模块。磁共振温度处理模块采用质子进动 频率方法处理，可得到实时三维温度信息。质子进动频率方法测温速度较快(时间精度 Is)，精度较高(温度精度士 1°C )，满足PHIFU治疗中温度监控要求。磁共振温度处理 模块将温度信息反馈给PHIFU治疗控制单元，PHIFU治疗控制单元基于当前靶区温度实 时调整治疗模式和治疗时间。MRI有效的温度测量和反馈控制保证了 PHIFU治疗的安全 性，帮助医生更好地实施PHIFU治疗。
本发明中多阵元:PHIFU换能器由65或更多个直径小于或等于IOmm的压电陶瓷 阵元(PZT-8)组成，阵元紧密排布在曲率半径为13cm、口径为IOcm的球壳上。通过紧 密排布，使得有限的面积上辐射最大的声功率。该多阵元PHIFU换能器可在无需机械移 动换能器下实现较大范围内焦点三维移动，另一方面该换能器可同时形成2、4、6或更 多焦点，多种焦点模式提高了 PHIFU治疗的效率。
本发明中多阵元PHIFU换能器通过较长的屏蔽信号线(22m)连接至远端的多路 谐振式功率放大单元。换能器材料是压电陶瓷，对MRI成像不产生干扰，且屏蔽信号线 及换能器采用铝皮屏蔽，基本做到了在PHIFU治疗过程中，大功率信号对MRI成像不造 成干扰，实现了 PHIFU治疗和MRI成像测温的融合。
PHIFU利用相控聚焦技术，可以实现电子移动焦点和形成多种焦点模式，而 MRI可在术中实时精确测量靶区组织温度，结合两者的优势，可以对肿瘤进行有效安全 的治疗，同时推动HIFU治疗剂量标准的建立，完善HIFU治疗技术，促使HIFU治疗肿 瘤技术的推广和应用，为更多肿瘤患者带来福音。
权利要求
1.一种相控型高强度聚焦超声和磁共振融合的肿瘤治疗系统，其特征在于由相控型 高强度聚焦超声PHIFU治疗控制单元、多路相控信号发生器、多路电压控制器、多路谐 振式功率放大单元、多阵元PHIFU换能器、磁共振扫描模块及磁共振温度处理模块构 成；所述PHIFU治疗控制单元分别连接多路相控信号发生器、多路电压控制器、磁共振 扫描模块和磁共振温度处理模块；PHIFU治疗控制单元储存有根据术前肿瘤解剖结构制 定的包括治疗路径、治疗点坐标、加热时间、加热模式在内的治疗计划，计算确定加热 模式所需的阵元激励信号的相位和幅值，并将得到的相位控制信号和幅值控制信号分别 输送到多路信号发生器和多路电压控制器；PHIFU治疗控制单元控制磁共振扫描模块对 肿瘤靶区扫描，同时接受磁共振温度处理模块反馈的实时肿瘤组织温度信息来调整加热 模式和加热时间；所述多路相控信号发生器基于现场可编程门阵列设计，接收PHIFU治疗控制单元传 送的相位控制信号，处理后输出多通道频率可调的指定相位延迟的信号至多路谐振式功 率放大单元；所述多路电压控制器基于单片机设计，接收PHIFU治疗控制单元传送的幅值控制信 号，处理后输出指定电压幅值的信号至多路谐振式功率放大单元；所述多路谐振式功率放大单元将接收的指定相位延迟信号和指定电压幅值信号结 合、放大，输出具有指定相位、幅度的激励信号到多阵元PHIFU换能器；磁共振扫描模块采用对温度敏感的序列，并将实时扫描肿瘤靶区获得的图像输送至 磁共振温度处理模块，磁共振温度处理模块对扫描图像处理，并将获得的靶区三维温度 信息反馈至PHIFU治疗控制单元。
2.根据权利要求1的相控型高强度聚焦超声和磁共振融合的肿瘤治疗系统，其特征在 于所述多阵元PHIFU换能器由65个或更多个PZT-8压电陶瓷阵元组成，在不需要机械移 动情况下实现焦点三维聚焦和扫描。
3.根据权利要求1的相控型高强度聚焦超声和磁共振融合的肿瘤治疗系统，其特征在 于所述多路谐振式功率放大单元通过绝缘屏蔽信号线连接到多阵元PHIFU换能器。
全文摘要
本发明涉及一种相控型高强度聚焦超声和磁共振融合的肿瘤治疗系统，由相控型高强度聚焦超声PHIFU治疗控制单元、多路相控信号发生器、多路电压控制器、多路谐振式功率放大单元、多阵元PHIFU换能器、MRI扫描模块及MRI温度处理模块构成。PHIFU治疗控制单元根据治疗计划，计算激励信号的相位和幅值，经多路相控信号发生器、多路电压控制器及多路谐振式功率放大单元产生大功率激励信号驱动PHIFU换能器。PHIFU治疗控制单元控制MRI扫描模块对靶区扫描，获得的图像经过MRI温度处理模块处理得到实时三维温度信息，PHIFU治疗控制单元根据反馈的温度信息调整加热策略。本发明结合PHIFU的电子聚焦、多焦点加热优点和MRI的精确定位、实时准确测温优点，实现肿瘤安全有效的治疗。
文档编号A61B5/055GK102019044SQ20101058060
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者冯学苏, 孙非, 李德辉, 沈国峰, 白景峰, 陈亚珠 申请人:上海交通大学