專利名稱：受控的非線性聚焦超聲治療的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種系統(tǒng)，用于將聚焦的超聲能量輸送至患者 體內(nèi)的耙組織區(qū)域。
背景技術(shù)：
在治療上，高強(qiáng)度聚焦的超聲能量(即，具有大于約20千赫 的頻率)可用來治療患者體內(nèi)的內(nèi)部組織區(qū)域。例如，超聲波可用 來在靶組織區(qū)域(例如肺瘤)內(nèi)誘導(dǎo)凝固和/或壞死。在該過程中， 超聲能量被組織"吸收"，導(dǎo)致產(chǎn)熱。所吸收的能量將耙組織細(xì)胞 加熱至超過蛋白質(zhì)變性閾值(通常高于60°C )的溫度，引起組織凝 固和/或壞死。在聚焦超聲操作過程中，由于傳播超聲波產(chǎn)生的負(fù)壓所引起的 壓力和/或所加熱的液體破裂以及充滿氣體/水蒸氣時產(chǎn)生的壓力， 可在組織包含的液體中產(chǎn)生小氣泡或"孩吏泡"。 一方面，通過生成 更高諧波頻率的初始波能量/人而增強(qiáng)組織中能量的吸收，并且通過 多次反射而延長了靶區(qū)域中的聲波通路，所述微泡具有正性(積極 的)療效。另一方面，包含更高相對百分比的微泡的組織對繼續(xù)應(yīng) 用超聲能量的反應(yīng)是非線性的并且難以預(yù)測。例如，微泡可能由于 聲場的作用應(yīng)力而石皮石卒。這種才幾制(稱為"空化(成洞，cavitation )，，) 可能引起靶區(qū)域之外的廣泛組織損傷，且可能難以控制。發(fā)明內(nèi)容#4居本發(fā)明的一個實施例，用于治療體內(nèi)組織的系統(tǒng)包括用 于將第一級超聲能量(或第一超聲能級)輸送至耙組織區(qū)域達(dá)第一 持續(xù)時間而使靶組織區(qū)域內(nèi)生成樣i泡的裝置；在存在孩i泡的情況下 用于確定該耙組織區(qū)域的一個或多個特^正的裝置；以及用于將第二 級超聲能量(或第二超聲能級)輸送至靶組織區(qū)域達(dá)第二持續(xù)時間 的裝置，其中第二能級(或第二級超聲能量)和第二持續(xù)時間之一 或兩者(至少部分地)基于已確定的靶組織區(qū)域的一個或多個特征。


下文參照附圖闡述了本發(fā)明的多個實施例，其中圖1A示出了聚焦的超聲系統(tǒng)，包括用于在患者靶組織區(qū)域聚 焦超聲能量的超聲傳感器。圖1B是圖1A中超聲傳感器和靶組織區(qū)域的詳細(xì)橫截面示意 圖，示出了位于傳感器聚焦帶內(nèi)的組織中產(chǎn)生的微泡。圖2是革巴組織塊的沖黃截面示意圖，示出了一組計劃的超聲處理 區(qū)域。圖3是一個流程圖，描述了利用本發(fā)明的實施例來建立待實施 的治療計劃。圖4是一個流程圖，描述了利用本發(fā)明的實施例而實施的微泡 增強(qiáng)的切除過禾呈。
具體實施方式
圖IA示出了根據(jù)本發(fā)明實施例所述的聚焦超聲系統(tǒng)IO。該系 統(tǒng)10包括超聲傳感器14、連接于該傳感器14的驅(qū)動電路(驅(qū)動器) 16、連接于該驅(qū)動器16的控制器18、成像裝置20以及分別連接于 成像裝置20和控制器18的處理器22。該傳感器14用來將高強(qiáng)度 的聚焦聲能(由聲束15表示)輸送至位于患者40靶組織區(qū)域42 (通常是腫瘤)內(nèi)的聚焦帶38。為了允許用戶將數(shù)據(jù)(諸如治療參 數(shù))輸入到處理器22中，該系統(tǒng)IO還包括用戶界面(UI) 23，例 如一個或多個屏幕、鍵盤、鼠標(biāo)、按鈕、觸控板等。用戶界面23 作為一個獨(dú)立于處理器22的組件示出?？蒦齊^U也，用戶界面23可 以集成于處理器22。也可將一個或多個存儲器與處理器相連，如在 本4貞i或中為人熟^口的。傳感器14可包^r多個單獨(dú)的壓電元件24，其共同形成一個二 維相位的傳感器陣列。在可替代的實施例中，傳感器14可包括單 個傳感器元件。在一些實施例中，傳感器14可具有凹形或^宛形， 如曲率半徑基本恒定的"球帽"形，使得傳感器14具有限定一部 分球體的內(nèi)表面。可替代地，傳感器14可具有基本扁平的結(jié)構(gòu)(未 示出)，和/或可包括通常(但非必須)為環(huán)形的外部周界。傳感器14可以分成任何所需lt量的元件(未示出)，優(yōu)選但非 必要地，這些元件以基本相同或?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)圍繞中心軸設(shè)置。在所 示出的實施例中，每個傳感器元件24可以是一體式壓電陶瓷零件， 或可替代的，由多個小壓電陶瓷元件鑲嵌4非列組成，而這些小壓電 陶資元件電連接于同一驅(qū)動信號。優(yōu)選傳感器元件24是單獨(dú)控制 (例如相位、振幅、頻率)的，如在美國專利第6,506,154中所描 述的。然而，該4專感器14的實際結(jié)構(gòu)對于理解本發(fā)明的目的并不 重要，并且可以應(yīng)用多種超聲傳感器中的任何一種，例如扁平環(huán)狀 陣列、線性陣列等。傳感器14可以安裝在填充有脫氣水或傳聲流體(acoustically transmitting fluid)的外殼或箱子中(未示出)。該箱子可以4立于工作 臺(未示出)內(nèi)，而患者40可以^立于該工作臺上，或者該箱子可 以位于安裝在可移動臂上的填充了流體的袋中，所述臂可以靠近患 者身體而設(shè)置。該箱子的接觸表面通常包括對超聲波基本通透的柔 性隔膜(未示出)。例如，該柔性薄膜可由聚酯薄膜、聚氯乙烯(PVC) 或者其他適當(dāng)?shù)乃芰喜牧现瞥?。填充了流體的袋(未示出)可以設(shè) 置在所述膜上，這樣可以很容易符合位于工作臺上的患者40的輪 廓，從而將患者40聲學(xué)上連4妄于箱子內(nèi)的傳感器14。此外或可替 代的，可在患者40和該膜之間使用導(dǎo)聲月交、水或者其他流體，以 進(jìn)一步促進(jìn)傳感器14和患者40之間的聲學(xué)連接。在所示出的實施例中，傳感器元件24連4妄于用于產(chǎn)生和/或控 制由傳感器元件24發(fā)射的聲能的驅(qū)動器16和/或控制器18。具體 地，在控制器18的控制下，驅(qū)動器16產(chǎn)生一種或多種電子驅(qū)動信 號。傳感器元件24將該電子驅(qū)動信號轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷?5,其可以利用 常^L方法來聚焦?？刂破?8和/或驅(qū)動器16可以是獨(dú)立或集成的組 件。由控制器18和/或驅(qū)動器16l丸^f于的才喿作可以通過一個或多個控 制器、處理器和/或其他電子組件(包括軟件和/或石更件組件)來實 施。本文中，術(shù)語控制器和控制電路可以互換使用，且本文中，術(shù) 語驅(qū)動器和驅(qū)動電^各也可以互換4吏用。驅(qū)動器16 (可以為電振蕩器)產(chǎn)生在超聲頻譜內(nèi)的驅(qū)動信號， 例如，低至20千赫(20 KHz),或者高至10兆赫(10 MHz)，更 優(yōu)選地，在0.1至10MHz之間。優(yōu)選地，馬區(qū)動器16以無線電頻率 (射頻，RF)將驅(qū)動信號提供至傳感器元件24,例如在約100千 赫至10兆赫(0.1-10 MHz )之間，更優(yōu)選在200千赫和3兆赫(0.20 和3.0MHz)之間。然而，在其他實施例中，驅(qū)動器16還可以設(shè)置以在其他頻率范圍內(nèi)操作。當(dāng)所述驅(qū)動信號被提供至傳感器元件24 時，該傳感器元件24,人其各個暴露的表面發(fā)射聲能15?？刂破?8可以控制至傳感器14的各個元件24的驅(qū)動信號的 相成分(phase component),例如用于控制由傳感器14產(chǎn)生的聚焦帶 38的形狀和/或?qū)⒕劢箮?8移動至所希望的位置。例如，控制器18 可以4艮據(jù)傳感器14的各個傳感器元件24的徑向位置來控制驅(qū)動信 號的相^f立移，例如，用于調(diào)節(jié)焦3巨或調(diào)節(jié)相^f立以控制焦點(diǎn)側(cè)向4立置。 此外或可替代地，控制器18可以控制定位系統(tǒng)以移動傳感器14, 因而將傳感器14的聚焦帶38的位置移至所希望的位置(例如，乾 纟且織區(qū)i或42內(nèi))。在一些實施例中，控制器18還可以控制驅(qū)動信號的頻率和/或 振幅(和/或其他方面)，進(jìn)而控制由傳感器元件24發(fā)射的聲波能量 的強(qiáng)度或功率。例如，控制器18可以使驅(qū)動電路16在鬧值之上輸 出各個驅(qū)動信號至傳感器14,從而使傳感器14發(fā)射的聲能將會在 聚焦帶38中的組織內(nèi)產(chǎn)生微泡。隨后，控制器18可以將強(qiáng)度降至 閾值之下或者降低至這樣一個水平，即在該水平，聚焦帶38中的 組織內(nèi)的樣t泡產(chǎn)生4皮減到最少，然而在治療上，該水平仍然足以用 來治療(例如發(fā)生壞死)該組織，如下文所-說明的。控制器18也優(yōu)選控制各個傳感器元件24以保護(hù)鄰近于靶區(qū)域 42、在相對于靶區(qū)域42的遠(yuǎn)場處或者在相對于靶區(qū)域42的近場處 的組織區(qū)域(例如健康組織)，同時仍能有效治療耙組織。特別地， 控制器18 一皮設(shè)置用于控制各個傳感器元件24的振幅、相位、頻率 或其組合，以使耙組織42處的能量強(qiáng)度高于足以治療靶區(qū)域42的 預(yù)定閾值(治療閾值)水平，而需要被保護(hù)的組織(敏感組織)處 的能量強(qiáng)度低于預(yù)定閾值(安全闊值)水平，用來保護(hù)所述敏感組 織。例如，控制器18可以產(chǎn)生驅(qū)動信號以減少由傳感器元件24的 其中之一輸送至敏感組織的能量，或不激活傳感器元件24的其中之一，從而在壽丈感組織處產(chǎn)生一個能量相對4交{氐的帶。如在本文中 使用的，術(shù)語"每丈感組織"指的是需要^皮保護(hù)的組織，不應(yīng)局限于 具有特定壽文感性的組織。在所示出的實施例中，成像裝置20被設(shè)置用于在治療患者40 之前或者治療的同時獲得靶區(qū)域42至少一部分的圖像數(shù)據(jù)。例如， 成像裝置20可以是^茲共振成像(MRI)裝置，如在美國專利第 5,247,935、 5,291,890、 5,368,031、 5,368,032、 5,443,068、 5,307,812、 5,323,779以及5,327,884號中所披露的。在其他實施例中，該成像 裝置20可以是另一種類型能夠進(jìn)行組織成像的裝置，例如X-射線 裝置、熒光鏡、超聲成像裝置或計算機(jī)斷層成像儀。盡管成像裝置 20獨(dú)立于傳感器裝置14示出，在可替代的實施例中，成像裝置20 可以是該傳感器裝置14的組件或者集成于該傳感器裝置14。例如 在一些實施例中，該成i"象裝置20可以固定(Secured )于傳感器裝 置14的中心。同樣，如本文中使用的，術(shù)語"圖像"將包括可在 電路或者計算機(jī)可讀取介質(zhì)中存儲的圖像數(shù)據(jù)，并不局限于那些顯 示為視覺感知的圖像數(shù)據(jù)。在使用該系統(tǒng)10的過程中，將從成像裝置20獲得的圖像數(shù)據(jù) 傳遞至處理器22進(jìn)行處理。在一些實施例中，處理器22可以是計 算才幾或計算機(jī)的組件。如在本文中使用的，術(shù)語"計算機(jī)"不限于 臺式計算機(jī)和筆記本型計算機(jī)，還包括任何能執(zhí)行本文所述功能的 裝置。例如，處理器22可以是通用處理器或?qū)Ｓ锰幚砥?例如， ASIC處理器、DSP等)。在另外的實施例中，處理器22可以是軟 件(例如計算4幾產(chǎn)品)或者^d牛與石更件的組合。在圖1A中，處理 器22作為獨(dú)立于驅(qū)動器16和控制器18的組件示出?？?齊^^也， 處理器22可以是驅(qū)動器16的組件，和/或控制器18的組件。從成像裝置20接收圖像數(shù)據(jù)后，處理器22可以利用該圖像數(shù) 據(jù)(以及其他因素)建立治療計劃，而在這種情況下，處理器22作為設(shè)計(計劃)者起作用。當(dāng)作為設(shè)計者起作用時，處理器22 可以自動建立治療計劃，其包4舌一 系列由熱劑量特性^表 (represented )的治療部位。該治療計劃還可以(至少部分)基于 用戶輸入來建立。通過設(shè)計一系列將在靶組織塊42內(nèi)的多個點(diǎn)應(yīng) 用一系列熱劑量的超聲處理，使復(fù)合熱劑量足以切除整個塊42，因 此該治療計劃的目的是確保靶組織塊42的完全切除。例如，該計劃將包括聲處理的定位、頻率、持續(xù)時間和功率， 以及用于一 系列治療部位中的每一個治療部位的焦斑(焦點(diǎn))的位 置和模式。焦斑模式指的是該焦斑的大小可以變化。特別的，存在 之間具有幾個過渡模式的從小到大的焦斑模式范圍。然而，該焦斑 的實際大小將作為焦距(1)、頻率以及焦斑散射(分散)模式的函 數(shù)而變化，所述焦點(diǎn)散射模式可以通過焦點(diǎn)的空間抖動或者通過聲 學(xué)上形成該焦點(diǎn)而產(chǎn)生。i殳計過禾呈中，當(dāng)i殳計用于治療部4立的焦斑 位置、所需功率水平和能級時，處理器22可將通道區(qū)域中的組織 凄t:悟、組織的類型、頻率、4莫式和焦斑大小變4匕考慮在內(nèi)。隨后以 適當(dāng)?shù)母袷綄⒃撝委熡媱潅鬟f給控制器18,以允許控制器18執(zhí)行 其任務(wù)。為了建立治療計劃，處理器22^妻收來自用戶界面23和成4象裝 置20的一個或多個l敘入4言息。例如，在一個實施方案中，用戶通 過用戶界面23指定靶體積、臨床應(yīng)用方案，即胸部、骨盆、目艮睛、 前列腺等。臨床應(yīng)用方案的選擇可以控制至少部分默認(rèn)的熱劑量預(yù) 測特性如熱劑量閥值、熱劑量預(yù)測算法、允許的最大能量密度、用 于不同治療部位的熱劑量、熱劑量之間的冷卻時間等。在其他實施方案中，通過用戶界面23將這些特性中的部分或 全部作為用戶指定的熱劑量預(yù)測特性而輸入。其他可作為用戶指定該重疊多少)和傳感器14的物理參凄史。在某些實施方案中，后兩個凈爭性還可以4皮定義為,默"i人參凄t。 jt匕夕卜，用戶可以通過用戶界面23 編輯任何默認(rèn)參數(shù)。在一個實施方案中，用戶界面23包括圖形用 戶界面(GUI):為了進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇并提供所需信息，用戶使用鼠 標(biāo)或者觸摸屏操作如在顯示裝置上顯示的菜單或選項。為了進(jìn)一步輔助處理器22建立治療計劃，圖像裝置20提供可 以用來確定體積、位置以及與皮膚表面25的距離的耙組織塊42的 圖像數(shù)據(jù)(圖1B)。在一個實施方案中，圖像裝置20是MRI裝置， 所提供的圖像是靶組織塊42的三維圖像。 一旦處理器22接收來自 用戶界面23的輸入信息和來自成像裝置20的圖像數(shù)據(jù)，則處理器 22自動建立治療計劃。如圖2中所示，通過輸送一系列超聲處理以治療耙組織塊42 的多個部位80,治療計劃的目標(biāo)是完全覆蓋耙組織塊42和(如有 需要)其周圍的預(yù)定邊纟彖，從而徹底切除整個靶組織塊42。在一個 實施方案中， 一旦建立了治療計劃，如有需要，用戶可利用用戶界 面23來編輯該計劃。在一個實施方案中，處理器22還爿尋產(chǎn)生預(yù)測 的熱劑量分布。該分布類似于圖2中所示的分布，其中預(yù)測的熱劑 量映射在成像裝置20提供的靶組織塊42的圖像上。在一個實施方 案中，該分布是三維分布。在一些實施例中，運(yùn)算法則包含在限制 聚焦帶38的峰值溫度的處理器22中。該運(yùn)算法則稱為劑量預(yù)測程 序。圖3例示了一個利用靶組織塊42的三維圖l象和預(yù)測的三維熱 劑量分布來建立三維治療計劃的工藝(過程)流程圖。以不同焦距 (I)的聚焦能力產(chǎn)生可作為傳感器軸的函數(shù)(y)(圖1B)的靶組 織塊42內(nèi)可變^匕的焦斑和可變^匕的損傷大小。因此，作為圖3中 示出的過程的結(jié)果，處理器22得到切除由(y)近到(y)遠(yuǎn)延伸 的一部分靶組織塊42所需要的重疊纟黃截面治療層的最小凄t量。考 慮到所允許的最大升溫值，處理器22還可以預(yù)測一黃截面層中的損傷大小，并將在每一層中提供所允許的最大能量。在不同層中該能 量或者功率將被標(biāo)準(zhǔn)化，使得焦點(diǎn)處的最高溫度在整個治療區(qū)域中 大致保持恒定。在步驟102中，在獲得耙組織塊42的診斷特性圖像的情況下， 建立三維治療計劃。例如，診斷特性圖像可以是由成l象裝置(諸如 成像裝置20)提供的初步圖像。在步驟104中，處理器22利用該 i貪斷圖〗象以確定治療區(qū)i或，或者用戶可以通過用戶界面23來確定 該治療區(qū)域。然后，在步驟106中，確定線y-(y近y遠(yuǎn))，以使 (y)垂直于傳感器14沿著傳感器軸從靶組織塊42中的最近點(diǎn)(y 近)到最遠(yuǎn)點(diǎn)(y遠(yuǎn))穿過耙區(qū)域。線(y)將是一個軸，沿該軸可 確定治療層。一旦確定了 (y),在步驟108中處理器22將利用(y遠(yuǎn))處的 'J、焦斑尺寸和大焦斑尺寸所需的最大功率進(jìn)行劑量預(yù)測。在步驟 110中，處理器22確定所得到的最高溫度是否超過所允許的界限。 值得注意的是，諸如最大功率和最大溫度限值的特性可以作為默認(rèn) 的熱劑量預(yù)測特性而4是供，或作為用戶才是供的熱劑量預(yù)測特性而才是 供。如果得到的最高溫度的確超過了允許限值，在步驟112中該功 率按比例線性降低，直到溫度上升在允許的限值內(nèi)或者超過某個其 他預(yù)定的閾值。小聚焦才莫式和大聚焦才莫式可以分別對應(yīng)于才莫式0和4，而其他 模式1 、 2和3則落入模式0和4之間。因此，在步驟114中，處 理器22從在才莫式0和4估計(scaled )的最大功率來預(yù)測用于過渡 模式1、 2和3的最大功率。因此，在步驟116中，如果存在其他 才莫式，則處理器22回至步艱《108并預(yù)測用于這些才莫式的最大功率。 如果這是用于(y遠(yuǎn))的最后一個模式，則處理器22使用與步驟 118中相同的估計最大功率，以得到相應(yīng)的用于每個聚焦模式(y 近)的最大功率。隨后在步驟120中，該處理器22得到用于適當(dāng)模式的最大升溫值和損傷大小以及在點(diǎn)(yl)處所需的最大功率， ^f吏^尋y近〈yKy遠(yuǎn)。4尤選;l也，(yl) 4妾近于(y近)。例》口，在一個實 施方案中，y卜y近+25mm。如果(yl)處的溫度升高超過步驟122 中確定的允許限值，然后在步驟124中，功率4姿比例下降，直到溫 度升高在限值內(nèi)，隨后處理器22確定(yl)處產(chǎn)生的損傷大小。利用關(guān)于(y近)邊界(該邊界可以通過超聲處理才各網(wǎng)密度而 才是供)的重疊標(biāo)準(zhǔn)，安排第一次治療(步驟126)。當(dāng)然，該治療實 際上是三維空間的。然后，在步驟128中，利用隔層重疊標(biāo)準(zhǔn)，將 輔助治療切片置于前述治療層的頂部，所述第二張切片利用與第一 切片相同的高度。在步驟130中，處理器22確定是否需要更多的 層以達(dá)到(y遠(yuǎn))。如果需要更多的層，則該進(jìn)程回至步-驟118,在 運(yùn)算法則中用(yl)取代(y近)(步驟132)。一旦達(dá)到最后的治療層時，處理器22將確定該層是否延伸超 出耙標(biāo)界限(y遠(yuǎn))。如果該層確實延伸太遠(yuǎn)，則應(yīng)該以外部界限(y 遠(yuǎn))而非之前的層作為邊界來應(yīng)用重疊標(biāo)準(zhǔn)。在重疊標(biāo)準(zhǔn)中利用(y 遠(yuǎn))可能造成過度劑量，但不會損害靶組織塊42之外的健康組織。 在一個實施方案中，利用生理參凄t作為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，自動優(yōu)化所述熱 劑量特性。例如，可以采用機(jī)械組織參數(shù)，如壓縮率、剛度以及散 布度。在另一個實施例中，處理器22并不建立治療計劃，但作為代 -#，經(jīng)配置的處理器22通過l餘入(例如》茲盤驅(qū)動器、電線端口、 USB端口、電話端口、內(nèi)存插槽等)來接收預(yù)定的治療計劃。獲得治療計劃后，隨后系統(tǒng)10即可用來治療患者40 。在使用 過程中，患者40可以位于工作臺上，在患者40與袋或膜之間應(yīng)用 水、導(dǎo)聲月交等，/人而4吏患者40聲學(xué)上連4妾至傳感器14 。傳感器 14可以4十對組織42內(nèi)的革巴組織區(qū)域38聚焦，該組織可以是(例如)癌腫瘤或良性腫瘤?？梢酝ㄟ^以一個或多個頻率向傳感器14 |是供一組(一系列， 一串)驅(qū)動信號來觸發(fā)傳感器14，以將聲能聚焦在 靶組織42處，由能量束15表示。由于聲能15穿過患者身體，一 部分聲能15轉(zhuǎn)換成熱能，可能才是高耙組織42的溫度。聲能15可 聚焦在耙組織42上，以提高耙組織42的溫度，足以使組織42凝 固(聚集)和/或壞死，同時將對周圍健康組織的損害減到最小。為了優(yōu)化治療步驟，可操作系統(tǒng)10以獲得耙組織42中的最大 凝固率(已凝固組織的體積/時間/能量)，同時將周圍組織，特別是 近場區(qū)i或52內(nèi)以及在遠(yuǎn)場區(qū)域中的加熱降到最^f氐。凝固率可以通 過優(yōu)先吸收超聲波而得以優(yōu)化，其中聚焦帶38中組織的吸收高于 聚焦帶38之外的組織。聚焦帶38內(nèi)的組織中存在的《鼓泡56 (圖 1B示出)有助于實現(xiàn)這一目標(biāo)，因為組織中存在的《效泡56，產(chǎn)生 了比無孩i泡的周圍組織更高的能量吸收系凄t。圖4示出了用于加熱靶區(qū)域內(nèi)組織的方法200，例如，用于誘 導(dǎo)超聲處理過程中的組織凝固和/或壞死，所述超聲處理包括以不同 強(qiáng)度進(jìn)行一系列的聲能傳輸。最初，可以選擇靶組織42 (例如，器 官如肝臟、腎臟、子宮、乳腺、腦等內(nèi)的良性或惡性胂瘤)進(jìn)行治 療。在步驟202中，將某一閾值強(qiáng)度之上(高于某一閾值)的超聲 波集中到靶組織結(jié)構(gòu)42上，以在聚焦帶38內(nèi)產(chǎn)生樣"包56。雖然該 閾值強(qiáng)度可能隨每個患者和/或組織結(jié)構(gòu)而不同，但是通過(例如) 利用對微泡生成比較敏感的監(jiān)測機(jī)制，可很方便地確定合適的閾值 強(qiáng)度。以產(chǎn)生#t泡所需的閾值水平之上的強(qiáng)度傳輸聲能可能相對短 暫，例如持續(xù)約3秒或更短，并且優(yōu)選不長于約0.1-0.5秒，但仍足 以在聚焦帶38內(nèi)產(chǎn)生孩i泡，而在聚焦帶38以外的組織(例如在近 場區(qū)域52中)中則基本不產(chǎn)生孩i泡(在圖1B中示出)。聚焦帶38 中生成的孩么泡以所傳遞聲波的頻率^t展蕩，并通過多次反射而十辦助延伸聚焦帶中的聲波通道(通過)；和/或協(xié)助作為非直線倍增器，其 以較低頻率接受能量并以較高頻率將其傳送回來；和/或協(xié)助產(chǎn)生了 一些有限的局部空^f匕，因此增強(qiáng)病灶體積處的能量^J丈。相比于在 不存在樣i泡的情況下以其他方式發(fā)生的情況，這^f吏得聚焦帶38內(nèi) 的組織更快且更有效地;波加熱。在步驟204中，將光束15的強(qiáng)度降至閾值水平以下，并保持 在較低的強(qiáng)度，而光束15基本上保持聚焦在聚焦帶38處，以加熱 聚焦帶38內(nèi)的組織，而不4吏聚焦帶38內(nèi)的樣史泡56石皮^5卒。通過一 個實例的方式，這個較低的強(qiáng)度水平在系數(shù)約2-3時可降至低于用 來產(chǎn)生微泡56的強(qiáng)度。與用于產(chǎn)生微泡56的較高強(qiáng)度的傳輸相比， 在該較低強(qiáng)度的傳輸可以具有較長的持續(xù)時間。通過另一個實例的方式，該'M氐強(qiáng)度"聲能可一皮傳輸至少約2 或3秒(2-3s.)，優(yōu)選8至10秒(8-10 s )。通過另 一個實例，例如 由于組織的正常灌注，組織內(nèi)產(chǎn)生的微泡56可存在短至8至10秒 (8-10s)。因此，只要存在充足的微泡供應(yīng)，即可維持聲能。由于 樣1泡56,通過聚焦帶38內(nèi)組織的聲能吸收已大大增強(qiáng)，如上文所 il明的。在步驟206中，控制器18可確定聲處理是否已足夠長而能將 聚焦帶38內(nèi)的組織加熱至所希望的水平，例如凝固聚焦帶38內(nèi)的 纟且織或以其^f也方式〗吏其壞死。否則，可通過例如重復(fù)步專聚202而在 草巴組織區(qū)域中生成更多的氣泡，隨后可通過例如重復(fù)步驟204或者 通過4吏用暫時性且間隔短的高功率傳輸而降4氐該強(qiáng)度以加熱組織， 同時避免引起微泡的破碎。在超聲處理過程中，可周期性重復(fù)步驟 202和204，例如一次或多次，直到經(jīng)過足夠的時間，充分切除或 以其j也方式治療聚焦帶38內(nèi)的組織。因此，單次超聲處理(可持續(xù)在1至20秒(1-20 s)，優(yōu)選約 10秒(10s.)或更長時間)可以包^"舌產(chǎn)生樣i泡必需的閾^f直之上和之 下的多次傳輸(發(fā)射)。例如，在灌注已至少部分分散來自聚焦帶 38內(nèi)組織的微泡后，可重復(fù)以高于閾值水平的強(qiáng)度傳輸，以保持微 泡的密度水平足以引起聚焦帶內(nèi)組織的優(yōu)先吸收。隨后，可重復(fù)以 低于閾值水平的強(qiáng)度傳輸聲能，以引起對該聚焦帶內(nèi)組織的加熱， 而不引起氣泡破碎?？梢栽O(shè)定聲能的強(qiáng)度級別，以在閾值強(qiáng)度之上 的增量和閾值強(qiáng)度之下的增量之間進(jìn)行切換，或在開關(guān)期間進(jìn)行切 換。可替代地，在超聲處理過程中，強(qiáng)度可以變化。這種聲波傳輸 的交替次序可以以這樣一種方式加以限制并定時，以引起并維持耙 組織42中的微泡"云，，而優(yōu)化凝固過程。在單次超聲處理過程中， 與無孩￡泡的常*見聚焦超聲("FUS")切除相比，這種交替次序可沖是 供多個優(yōu)勢。例如，如果在加熱中利用一個強(qiáng)度水平，同時將可與 常規(guī)FUS切除相比的泡沫破碎步驟最大程度的減小(步驟204 )， 則可以產(chǎn)生大幅增大的聚焦帶38。例如，由于能量吸收增強(qiáng)，由此 產(chǎn)生的聚焦帶38可以比利用相同能量的常^LFUS切除增大約2至 3 4咅，乂人而發(fā)生壞死或以其4也方式力口熱革巴iE織42內(nèi)4支大體積的《且織。 該增加的切除體積可實現(xiàn)只需更少的超聲處理來切除整個^fe組織 42?？商娲兀c常規(guī)FUS相比，可以使用較低的強(qiáng)度水平，從而 在利用實質(zhì)上減少的能量時產(chǎn)生同等大小的聚焦帶。這可以減少由 系統(tǒng)10的能量消耗，和/或可以導(dǎo)致周圍組織吸收的能量實質(zhì)減少， 特別是在近場52中。隨著能量吸收減少，超聲處理之間的冷卻時 間可以大幅縮短。例如，如果常失見FUS可能需要90秒或更長的超 聲處理之間的冷卻時間，4姿照本文描述的實施例的系統(tǒng)和方法可以 允許大約四十秒或更短的冷卻時間。因此，在兩者中<壬4可一種情況 下，與無孩i泡的常規(guī)FUS相比，切除或以其他方式治療耙組織結(jié)構(gòu) 的全告卩治療時間可以大幅;成少。一旦完成一次超聲處理，則停止〗吏用傳感器14例如達(dá)足夠的 時間，以4吏患者組織吸收的熱量消散。然后，傳感器14聚焦在革巴 組織區(qū)域42的另一部分上，例如鄰近于先前治療過的組織，對于 耙組織區(qū)域42的另一部分，則重復(fù)一次步驟200?？蛇x地，例如利 用機(jī)械定位器或電子操縱裝置，可以連續(xù)或者不連續(xù)控制聲波束15 而無任何冷卻時間。按照本發(fā)明一個更具體的方面，優(yōu)選將控制器18配置為可引 起將第一級超聲能量輸送至靶組織區(qū)域達(dá)第一持續(xù)時間，以引起靶 組織區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生微泡；在微泡存在的情況下確定靶組織區(qū)域的一個 或多個特征；并且將第二級超聲能量從傳感器器14輸送至靶組織 區(qū)域達(dá)第二持續(xù)時間，其中第二級超聲能量和第二持續(xù)時間的其中 之一或兩者(至少部分)基于在樣i泡存在的情況下確定的把組織區(qū) i或的一個或多個沖寺4正。通過非限制性實例，所述特征可以包括微泡與病人皮膚表面的 距離、組織溫度、熱劑量分布、焦點(diǎn)邊緣、來自靶組織42圖像的 微泡的強(qiáng)度和/或密度和/或三維空間位置(在由第 一級超聲能量所 產(chǎn)生的微泡存在的情況下)中的一個或多個。根據(jù)這些特征，通過 調(diào)節(jié)用來產(chǎn)生第二能級的驅(qū)動信號的頻率、相位和振幅中的一個或 多個，由控制器18確定第二能級，以獲得最大凝固體積同時控制 ;疑固位置和/或強(qiáng)度。第二級超聲能量可以輸送至耙組織42中與第 一能級相同或不同的焦點(diǎn)位置。通過非限制性實例，第二級超聲能 量可以至少部分基于將靶組織區(qū)域42的溫度〗呆持在所指定闊值溫 度之上、之處、或之下。通過非限制性實例，至少部分基于由成傳 f義20纟是供的耙組織 區(qū)域的溫度壽文感圖l象，控制器18可以確定靶組織區(qū)i成的一個或多 個特4i?？蛇xi也或者附加;也， 一旦傳遞第一能級，控制器18可以 至少部分基于由一些傳感器元件接收的來自爆聚(內(nèi)向爆炸，implode)樣"包的聲波信號，來確定輩巴組織區(qū)i或的一個或多個特4正， 該傳感器元件被定義為接收器元件(可以設(shè)計為所有傳感器元件均 作為接收器發(fā)揮作用)。特別地，由爆聚微泡產(chǎn)生的信號具有特定 的光語特征，即在0.5f處達(dá)到峰值，其中f是聲束中心頻率，周圍 有白噪聲，因此示出了所接收信號的頻譜將鑒別微泡的存在。本質(zhì)上，所;險測的聲波信號和MR圖像提供兩個獨(dú)立的用于控 制器18的反饋機(jī)制。由于空氣微泡在MR中無信號，MR圖像捕獲 通過非線性活動(第一能級)所產(chǎn)生的組織加熱效應(yīng)，以及當(dāng)密度 高于某個閾值時微泡的外觀。這兩個反饋機(jī)制用于鑒別各種情況， 其中聲信號檢測微泡活動，同時MR信號不檢測焦點(diǎn)處的任何加熱， 或者聲信號不檢測任何微泡活動。如果在聲學(xué)檢測到微泡活動，而輩巴標(biāo)處未沖企測到MR熱信號的情況下，在光束^各徑中某一聲波界面 處可能存在非線性效應(yīng)的情況。在這種情況下，可以要求系統(tǒng)操作 者停止超聲處理，檢查任何非計劃加熱的圖像?？商鎿Q地，控制器 18可以自動完成這些。如果聲〗言號未一企測到孩t泡活動且超聲處理,皮 設(shè)計成非線性，則由于在非線性超聲處理中可將焦點(diǎn)設(shè)計為可移動 以補(bǔ)償非線性效果(該效果將焦點(diǎn)移向傳感器14 )，控制器18或系 統(tǒng)才喿作者可以決定停止超聲處理。通過改變第二能級的定位(其可 以通過改變傳感器元件的相位圖而實現(xiàn))、改變功率水平、頻率等， 由控制器18從第一能級的傳輸中所提取的信息(像加熱位置、組 織溫度以及樣吏泡的存在)可用來優(yōu)化第二能級傳輸?shù)男?yīng)。控制器18可以使用溫度敏感圖像和從微泡檢測到的聲信號的 組合，以確定第二超聲能級，還可以利用其他參數(shù)(如持續(xù)時間、 相位、頻率、位置)。通過另一個非限制性實例，至少部分通過在 孩丈泡存在的情況下獲得與靶組織區(qū)域相關(guān)的實際熱劑量分布，并且 通過比較所獲得的實際熱劑量分布和預(yù)測的熱劑量分布，可以確定 輩巴組織區(qū)域的一個或多個特征。此外，可將控制器設(shè)置為在靶組織區(qū)域中存在樣i泡的情況下，重復(fù)確定革巴組織區(qū)域一個或多個特征的 過程，并將第二級超聲能量輸送至靶組織區(qū)域，直到在靶組織區(qū)域 上獲得所希望的效果。如在上述實施例中所闡釋的，成像裝置20和處理器22提供反 饋性控制，從而利用微泡使耙組織42得到有效且準(zhǔn)確的治療，同 時保護(hù)希望被保護(hù)的相鄰組織。通過利用成像裝置20和處理器22 4是供關(guān)于治療部4立和損傷體積的^U居，系統(tǒng)10或用戶可以4空制利 用樣t泡的超聲治療，/人而防止非輩巴組織中的不可逆性組織損傷，或 至少降低其風(fēng)險。
權(quán)利要求
1.一種聚焦超聲系統(tǒng)，包括傳感器，配置用于輸送超聲能量以在患者體內(nèi)的靶組織區(qū)域中產(chǎn)生熱能；以及控制器，配置用于控制所述傳感器的功率、持續(xù)時間、頻率和焦點(diǎn)位置；其特征在于，所述控制器被進(jìn)一步配置用于使第一級超聲能量輸送至所述靶組織區(qū)域達(dá)第一持續(xù)時間，引起在所述靶組織區(qū)域中產(chǎn)生微泡；在所述微泡存在的情況下確定所述靶組織區(qū)域的一個或多個特征；并且使第二級超聲能量輸送至所述靶組織區(qū)域達(dá)第二持續(xù)時間，其中所述第二超聲能級和第二持續(xù)時間之一或兩者至少部分地基于在所述微泡存在的情況下所確定的所述靶組織區(qū)域的一個或多個特征。
2. 才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述一個或多個特征選自所述微泡距所述患者皮膚表面的深度，組織溫度，熱劑量分布， 焦點(diǎn)邊界，孩吏泡的存在，以及 孩史泡的位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括成像裝置，配置用于提供所述靶組織區(qū)域的圖像，并且用于提供圖解說明所述 靶組織區(qū)域內(nèi)的實際熱劑量分布的熱圖〗象，其中所述控制器至 少部分地基于由所述成像裝置提供的所述乾組織區(qū)域的溫度 每文感圖4象來確定所述耙組織區(qū)域的 一個或多個特征。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的系統(tǒng)，其中至少部分地基 于由所述微泡生成的且由所述傳感器接收的聲信號來確定所 述把組織區(qū)域的一個或多個特征。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述控制器利用溫度敏感圖 1象和所;險測的聲信號的組合來確定所述第二超聲能級。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述控制器利 用溫度4丈感圖Y象和所;險測的聲信號的組合來確定所述第二級 超聲能量的頻率、相位、持續(xù)時間、位置以及4展幅中的一個或 多個。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述第二級超聲能量^皮輸送到不同于所述第 一能級的所述耙組織區(qū)域中 的焦點(diǎn)^立置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述第二級超 聲能量至少部分地基于將所述靶組織區(qū)域的溫度保持在^L定 的閾值溫度之上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述第二級超 聲能量至少部分地基于將所述靶組織區(qū)域的溫度保持在規(guī)定 的閾值溫度之下。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中至少部分地通過在所述孩吏泡存在的情況下獲得與所述輩巴組織區(qū)域相關(guān)的實際熱劑量 分布并將所獲得的實際熱劑量分布與預(yù)測的熱劑量分布進(jìn)4亍 比較，來確定所述耙組織區(qū)域的一個或多個特征。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述第二超聲能級不同于所述第一超聲能級。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的系統(tǒng)，其中，配置所述 控制器以在所述靶組織區(qū)域中存在微泡的情況下，重復(fù)確定所 述耙組織區(qū)域的一個或多個特征的過程，并將所述第二級超聲 能量輸送至所述輩巴組織區(qū)域，直到在所述耙組織區(qū)域上獲得所 希望的j文果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于治療體內(nèi)組織的系統(tǒng)(10)，配置該系統(tǒng)以將第一級超聲能量輸送至靶組織區(qū)域(42)達(dá)第一持續(xù)時間，以使靶組織區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生微泡(56)；在微泡存在的情況下確定靶組織區(qū)域的一個或多個特征；以及將第二級超聲能量輸送至該靶組織區(qū)域達(dá)第二持續(xù)時間，其中第二能級和第二持續(xù)時間之一或兩者(至少部分)基于所確定的靶組織區(qū)域的一個或多個特征。
文檔編號A61N7/02GK101242872SQ200680029730
公開日2008年8月13日 申請日期2006年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月21日
發(fā)明者大衛(wèi)·弗羅因德利希, 科比·沃爾特曼, 舒克·韋特克 申請人:因賽泰克有限公司