一种用于表征有机组织的超声创伤的方法
【专利说明】
[0001 ]本发明涉及高强度聚焦超声(HIFU)的技术领域，更加确切地说，其涉及表征通过施加聚焦超声波引起的有机组织的损伤。
[0002]在局部实体癌肿瘤的治疗中，最佳的治疗选择通常仍然是手术切除。其能够除去癌组织，条件是手术边缘是阴性的，其也使得局部转移的风险最小化。
[0003]然而，该治疗方法存在两个制约因素:
[0004]-手术是侵入性的，并且可降低治疗的收益/风险比；
[0005]-其必须保证手术边缘是阴性的，即所有肿瘤细胞确实已经被除去。
[0006]HIFU治疗技术提供了微创性的有利方案。该原理在于将超声束聚焦到肿瘤区域进行破坏，其也称为“勒”区域。生物组织吸收超声能量导致温度大幅升高，引起超声束焦点处的组织立即且不可逆地坏死，而不损伤位于超声换能器和焦点中间的组织。
[0007]相比之下，由于治疗不是侵入性的，监控治疗边缘的问题是复杂的。在切除期间，外科医生能够获取生物组织样品，对其进行分析，并证实手术边缘，以决定是否扩大介入(即时分析)。当实施非侵入性HIFU治疗时，不能够进行这种样品获取和分析。
[0008]可设想若干方案解决这一问题。它们全部依赖于高质量的术前或术后成像，其能够准确地可视化组织区域的位置以进行破坏。在此阶段，通常建立治疗边缘，即围绕治疗将延伸的靶区域的一些最小距离。治疗期间，实时成像设备能够使被治疗的器官成像，观察靶区域以及设置与其相关的治疗设备的位置。在治疗结束时，则可提出若干方案来监控治疗边缘，这取决于已经产生的生物损伤用与该治疗设备相关的成像装置是否是可视的。
[0009]当生物损伤不是可视的(对某些器官如前列腺的放射疗法治疗、聚焦超声治疗)，计算机工具(多模图像合并)通常被用于证实治疗设备是依照术前计划被适当地定位。然而，尽管使用这样的“修补”工具，使用足够宽的治疗边缘以确定所有靶区域都已被治疗仍是适当的。
[0010]当已产生的生物损伤是可视的，可以可视地观察边缘，并且操作者可在多个剖面证实生物损伤确实已经覆盖所有的靶区域。然而，证实所可视的生物损伤确实代表已被破坏的生物组织区域仍是适当的。举例来说，被破坏的生物区域的图像可能依赖于由治疗原理引起的组织局部血管阻断，导致在磁共振成像(MRI)或超声成像中产生低水平信号。然而，血管阻断并不绝对代表细胞死亡，并且不能够完全排除局部转移的风险。
[0011]在没有准确表示细胞死亡且与非侵入检查相容的成像装置的情况下，在微创性治疗期间检查治疗边缘的问题仍未得到完全解决。
[0012]正在开发新的超声成像技术(也称为回声成像)，以试图使采用常规B型(二维辉度调制型)回声成像观察不到的组织损伤成像。
[0013]—些技术依赖于已经通过超声治疗加热后的组织的弹性的差异(弹性成像)。文献Performance assessment of HIFU les1n detect1n by harmonic mot1n imagingfor focused ultrasound(HMIFU):a 3-D finite element-based framework withexperimental validat1n,GaryY.Hou et al.,Ultrasounds in Medicine and B1logy,New York,NY,US, Vo1.37,N0.12 , September 6,2011 描述了这样的方法。那些方法是复杂的，并且需要专门且昂贵的并且不能普遍展开的成像系统。
[0014]然而，具体图像处理算法可以增强常规B型回声图像中已治疗的组织和未治疗的组织之间的对比差。这样的方法是复杂的，并且通常缺乏足够用于实际临床应用的稳健性。文献Ultrasound image enhancement for HIFU les1n detect1n and measurement-Sheng Yan et al.-9th Internat1nal Conference on Electronic Measurement&Instruments,2009-August 16-19，2009,Beijing,China-Proceedings, IEEE，pp.4-193-1SBN:978-1-4244-3863-1-Sect1n III Experimental result on HIFU monitor image提出了这样的方法。虽然，增强对比差使其更容易区分已治疗的组织和未治疗的组织(其称为分割)，但其仍必须依靠强力的算法，以使被治疗的区域的轮廓能够被自动分割。文献Ultrasound segmentat1n:A survey,J.Alison Noble, IEEE Transact1ns on MedicalImaging，Vol.25,N0.8,August 2006，pp.987-1010提出了分割领域中最新进展的综述，并且强调了这一问题在超声成像领域中的具体困难。
[0015]以上提到的图像加工和分割方法仍是复杂的，并且对于推广使用而言，其仍是不足够稳健的。因此，需要开发一种表征用非侵入性或微创性方法(如HIFU治疗)治疗的有机组织的损伤的方法。
[0016]因此，本发明提供了一种表征有机组织的超声损伤的方法，该损伤是由于施加由探针递送的高强度聚焦超声而产生的，该探针具有形状呈环形或准圆柱形的发射面。
[0017]根据本发明，本方法包括:
[0018]-自超声施加结束起至少两天之后，获取已治疗的有机组织的至少一个表征图像；
[0019]-在该图像中检测对比边界的存在；以及
[0020]-由对比边界确定超声损伤的程度。
[0021]在具体的实施方式中，该方法显示出以下附加特征中的一个或多个，或甚至是它们全部:
[0022]-在表征图像中检测闭合的对比边界的存在；
[0023]-在表征图像中识别对比边界内部的超声损伤；
[0024]-获取超声表征图像，并且在超声表征图像的对比边界内识别高水平回声区域和位置邻近高水平回声区域和对比边界的低水平回声区域；
[0025]-在施加超声之前，获取有机组织的基准图像，以使肿瘤可视化，并比较基准图像与表征图像，以监控治疗边缘；
[0026]-处理基准图像和表征图像，以确定超声损伤的程度；
[0027]-计算表征图像中由超声损伤界定的面积与基准图像中由肿瘤界定的面积之间的比值，以推断出损伤程度的边缘尺寸；
[0028]-使用多个表征图像和多个基准图像来计算表征图像中由超声损伤界定的体积与基准图像中由肿瘤界定的体积之间的比值，以由其推断出超声损伤程度的边缘尺寸；
[0029]-在六天至三十天范围内的时间段之后，优选约八天之后，获取表征图像;和
[0030]-表征对应于肝组织的有机组织的损伤。
[0031]上述表征方法不包括力图施加高强度聚焦超声的步骤，并且因此其排除了对人体或动物体的手术或治疗性治疗的任何步骤。其仅仅力图表征假设已由这样的治疗引起的损伤。其可以包括在这样的治疗之前实施的一个或多个步骤，但是不管怎样其不包括该治疗。
[0032]此外，本发明还提供了一种治疗和表征人体或动物体的生物组织的方法，该方法包括治疗步骤，所述治疗步骤包括向人体或动物体内的生物组织施加由探针递送的高强度聚焦超声的步骤，所述探针的发射面呈环形或准圆柱形形状，并且该方法包括如上所述的表征方法。
[0033]参照附图进行的以下描述显示出多种其他特征，所述附图示出的本发明的实施方式为非限制性实例。
[0034]图1示出了具有环形发射面的超声治疗探针。
[0035]图2是显示使用这样的探针治疗有机组织的图。
[0036]图3是HIFU治疗之前的肿瘤的回声图像。
[0037]图4是在施加超声结束时所获取的损伤的回声图像。
[0038]图5是自施加超声结束起八天后获取的损伤的回声图像。
[0039]在本说明书中，描述了本发明在表征由施加高强度聚焦超声引起的有机组织的超声损伤方面的应用。超声由图1所示的治疗探针I递送，该探针具有形状为环形的发射面。治疗探针I适合于凭借高强度聚焦超声(HIFU)治疗生物的组织。治疗探针I特别包括换能器2，换能器2具有一个或多个超声发射器3，举例来说，如压电元件。这些超声发射器3通过同轴电缆5经由放大级6连接至控制电路7，控制电路7递送用于激活超声发射器3的信号。由于控制电路7构成本领域技术人员的技术知识的一部分，因此没有非常详细地描述控制电路7。控制电路7因此以常规方式包括受控的信号发生器，其经由放大级6连接到超声发射器。
[0040]换能器2呈现用于发射超声波的面8，超声波聚焦于聚焦区Z。如图2更加具体示出的，这一发射面8是通过围绕对称轴S旋转具有长度I的凹或凸曲线段9而产生的旋转面，该凹或凸曲线段9具有曲率中心C，并且位于距对称轴S相距R的位置，其中R不是O。旋转面8是由具有长度I，半径r和中心c的圆弧段产生的，该中心c距对称轴S的距离为R，其中R不是O。这一旋转面8的形状被认为是环形。
[0041]在图2示出的实例中，曲率中心C和曲线段9位于对称轴S的同侧。应该观察到，可以规定曲率中心C位于对称轴S的与曲线段9相反的一侧。在这一变化方案中，发射面8被认为是交叉环形的结果。
[0042]在图2示出的实施方案中，旋转面8是由其凹面面向对称轴S的圆弧段产生的。自然地，旋转面8可以由圆弧以外的曲线段产生。因此，旋转面8可以由曲线段产生，对于该曲线段而言，曲线段的每个点与曲率中心C之间的距离r呈连续变化(没有任何拐点)，例如椭圆曲线段。
[0043]从以上说明可以看出，换能器的发射面8是环形的。大体而言，换能器的发射面8的形状随着通过围绕对称轴旋转产生超声发射面的曲线段的形状而变化，该曲线段可以呈现多种形状。因此，举例来说，发射面8可以通过在垂直于包含两个曲线段的侧面的方向上平移两个对称曲线段产生。每个曲线段在形状上是凹形的，并且具有有限的长度。在这一变化方案中，发射面8呈准圆柱形形状。
[0044]以已知的方式，超声探针I通过体外、围手术期或腔内方法放置，使得超声波的