治療處理裝置的制作方法

本發明涉及根據獨立權利要求的用于治療處理的裝置、用于控制治療處理的方法、用于處理組織的方法，以及計算機程序產品。

特定來說，本發明涉及用于以高強度聚焦超聲(HIFU)進行處理的裝置和方法。

背景技術：

常規上，在HIFU處理中，聲學處理換能器將集中的聲波發射到目標組織中。這些波被組織吸收，這引起所述組織中在聚焦區中的溫度上升。此溫度升高又誘發局部壞死，且進而允許在一定距離處破壞活組織而無需任何直接接觸。另一動作模式是空化，其中超聲場與產生或注入到組織中的所存在氣泡進行交互，從而對所述組織產生機械損傷。此動作模式的實例被稱為“組織壓軋術(histoptripsy)”。

在大多數HIFU系統中，使用脈沖和暫停方法。其中，使射束集中到目標組織上的極小的焦點上。在HIFU的發射期間，射束相對于待處理的組織是固定的。在預定義的暫停周期之后，將換能器移動到另一位置且發射新的脈沖。

這些集中的射束可能是不利的，因為它們會導致焦點周圍的過度處理，例如將組織的所述區域帶到不必要的高溫。在此情況下，可能發生脫氣或沸騰，這可以通過在線超聲成像而可見。此情形是不合意的，因為一方面其影響了病變大小可預測性，即與組織相鄰的健康可能受到影響。另一方面，在已死的組織上浪費了聲能，從而導致不必要的長處理持續時間。

與HIFU技術相關聯的主要挑戰之一是對溫度增加以及此技術產生的病變的大小的控制。在控制的可能性當中，某裝置實施MRI成像，這允許受處理區域中的溫度的直接可視化。然而，那些MRI系統是昂貴的，且導致高處理成本。

已經提出(參見例如《MR導引的聚焦超聲的局部高熱：針對目標區中的溫度均勻性優化的焦點的螺旋軌跡(Local hyperthermia with MR-guided focused ultrasound:Spiral trajectory of the focal point optimized for temperature uniformity in the target region)》；磁共振成像期刊，12:571-583)通過遵循螺旋軌跡的單個脈沖而產生熱病變。由于熱積累，即周圍組織的預熱，因此每秒鐘殺死的組織的體積沿著所述脈沖增加。主要問題之一是在大小和位置方面對產生的病變的控制，尤其是沒有對組織的直接溫度測量的情況下。

US 2008/0114274A1提出使用MRI成像用于溫度測量，且在預定軌跡上移動焦點。此移動導致溫度的空間分布。在移動期間，以MRI成像探頭測量溫度。

如上文陳述，這些MRI系統是昂貴的，且導致高處理成本。此外，在此系統中，熱分布僅通過焦點的移動來實現，從而導致有限的熱分布選項和對不同目標特征的調適。

技術實現要素：

本發明的目的是防止現有技術的缺點，尤其是提供一種裝置和方法，其提供對所產生病變的可靠、便宜且自適應的控制。

通過根據獨立權利要求的裝置、方法和程序實現所述目的。

特定來說，以用于治療處理的裝置實現所述目的，所述裝置包括以下組件：

提供HIFU換能器，其用于產生且發射HIFU脈沖到目標。所述HIFU換能器可至少在探測階段期間的探測模式和處理階段期間的處理模式中操作。在所述探測階段中，所述HIFU換能器是以至少一個探測操作特性操作。所述探測操作特性包含具有焦點的脈沖的發射。在所述處理階段中，所述HIFU換能器是以不同于所述探測操作特性的至少一個處理操作特性操作。所述HIFU換能器可由若干換能器構成。優選地，這些換能器共享共同焦點。所述HIFU換能器還可以由多個元件制成。

所述裝置進一步包括檢測器，其被設計成檢測在所述探測階段期間由所述HIFU脈沖在所述目標中引起的組織性質的改變。

所述裝置進一步包括例如計算機或微處理器等計算構件，其用于確定在所述探測階段期間實現由所述檢測器檢測到的組織性質的所述改變所必要的至少一個探測參數。

此外，提供控制件，其用于基于所述探測參數界定所述處理參數。

所述控制件進一步被設計成通過在所述處理階段期間增加所述目標上由所述HIFU脈沖沖擊的至少一個單位病變的區域而將所述操作特性從所述探測階段改變到所述處理階段。

如本文使用，“操作特性”包含“操作參數”，分別例如脈沖的功率或持續時間、脈沖之間的暫停持續時間，還有其它特性，例如處理換能器的焦點和/或移動，或者焦點。所述術語還可能包含從換能器到目標的距離。

所述檢測器可能是成像探頭。替代地或另外，所述檢測器可能分析指示組織改性的反射信號或干涉圖案。所述檢測的概念在以引用方式并入本文的WO 2013/135801中進一步描述。

用以檢測組織性質改變的檢測器優選為超聲成像探頭。所述檢測器能夠估計組織的一些聲學性質。

超聲探頭相當便宜且容易處置。此外，超聲探頭可以在無例如用于MRI成像的管和磁性線圈等另外元件的情況下使用。

在探測階段期間，可能從一個脈沖到另一脈沖增加功率，以便實現組織性質的改變。例如有可能以低功率脈沖開始，且從一個脈沖到下一脈沖增加功率直到檢測到改變。另外或替代地，例如可以調整脈沖的持續時間。

替代地，脈沖的功率和/或持續時間在探測階段期間保持恒定。接著可通過施加多個脈沖對組織的熱積累來實現所述改變。

在當前上下文中，將組織性質的改變定義為受處理的組織的聲學性質的改變的任何標志。優選地，聲學性質的改變是高回聲標記。組織的聲學性質的改變可為寬帶發射或諧波頻譜，其可由于空化而發生。特定來說，高回聲標記是受處理區域中的組織的聲學反射率增加的表示，其顯著源自新產生的氣泡。此外，這些改變可例如源自溫度增加和組織沸騰、慣性空化或組織硬化。高回聲標記可以反映組織中的氣泡的突然出現，其將局部地增加傳入超聲波回到換能器的反射。那些反射波又可以通過在受處理區域的超聲圖像上的白化或者通過反射到HIFU換能器的電信號的浪涌來檢測。

當檢測器檢測到組織性質的此改變連同其到達時間時，計算構件確定所使用的至少一個、優選全部探測參數，直到實現組織性質的改變。例如由于從目標的功率反射的增加或干涉圖像的改變，因此檢測器可以檢測組織的改變。

基于計算的探測參數，控制構件接著設定處理參數。優選地，與探測階段中的相應參數不同地挑選處理階段的至少一個參數。

替代地，在處理階段期間的參數與在探測階段中使用的參數相同。

處理階段可以直接鄰接于探測階段而開始。

替代地，探測階段與處理階段之間存在暫停，其中不發射HIFU脈沖。在此暫停期間，目標上的組織，即患者的皮膚可以冷卻。此冷卻可能有助于避免過度處理，且避免例如皮膚燒傷等安全問題。

即使參數的計算主要在探測階段中實現且目標的處理主要在處理階段中實現，參數的計算也可能在處理階段中完成，以便調適用于后續處理的參數，即探測可能在處理階段中進一步發生。在探測階段期間，第一燒蝕可能已經發生，即第一部分處理可能已經在探測階段中發生。

由此，可設定用于處理階段的參數以例如避免高回聲點或過燒的發生。

通過在處理階段期間增加目標上由HIFU脈沖沖擊的至少一個、優選全部脈沖的區域來進一步改變操作特性。因此，在探測階段期間由一個脈沖沖擊的區域擴大。所述區域的增加導致較好的熱分布。由此，以相同量的能量處理較大的目標區域。這也意味著在相同時間中，在處理階段中每區域遞送較少的能量。這避免了在處理階段期間目標的過燒或沸騰。

在已經通過例如執行預定義數目的脈沖(例如，十個或另一數目的脈沖)而執行處理之后，可能開始新的探測階段。替代地，如果在處理階段期間在組織中檢測到改變，那么可以開始探測階段。之后，可能開始新的處理階段。此循環可能執行直到處理結束。在開始新探測階段之前，可能執行無HIFU波發射的暫停。在所述暫停中，目標可冷卻。

在處理階段的不同脈沖之間也可能存在暫停，以便在處理脈沖之間讓皮膚冷卻。

根據本發明的裝置通過參數的調適以及通過在HIFU脈沖期間處理區域的增加而允許從探測特性改變到處理特性。以此裝置，在目標中每使用能量處理的體積可以相對于普通傳統脈沖方法增加。

如果實現目標的組織性質改變所需的處理參數經界定，那么實現此改變所需的能量是已知的。由此，可以調適特性以便以最少能量實現所需效果，且以便避免過度處理。由此，關聯于處理長度的成本減少，且與處理相關聯的風險顯著減小。

優選地，裝置的控制件被設計成通過散焦或掃掠HIFU脈沖而增加目標上由所述HIFU脈沖沖擊的區域。計算構件和控制件可以由一個共同計算機或由分開的專用微處理器實施。基于探測階段的輸出，控制構件也可以決定哪一種移動樣式或樣式大小最適合于所述特定處理配置。

通過使脈沖散焦，以一個HIFU脈沖處理增加的區域。由此，每區域每時間遞送較少的能量，這避免了過燒或沸騰。

在根據本發明的替代優選裝置中，控制件被設計成通過在脈沖期間使所述焦點在目標之上移動而增加目標上由每一HIFU脈沖沖擊的區域。

可能以機械或電子構件實現焦點的移動。在機械構件的情況下，機器人系統優選地以2到3個自由度致動換能器。

在脈沖期間移動焦點類似于散焦而實現以一個HIFU脈沖處理增加的區域。由此，每區域每時間遞送較少的能量，這避免了過燒或沸騰，如上文針對散焦已經描述。焦點優選地以預定特定圖案移動，即沿著預定軌跡。舉例來說，所述圖案可以是圓形或呈雛菊的形式。

沸騰或空化可用以在燒蝕階段期間尤其沿著主傳播軸線增加病變大小。如果換能器的f數足夠小而使得沸騰或空化不會導致病變大小的顯著精度損失，那么這是尤其成立的。

因此，焦點軌跡可能回到病變的中心部分以維持此區域中的沸騰或空化以及增加熱沉積。優選地，在燒蝕脈沖期間焦點移動經過圍繞軌跡中心的1mm圓約2到12次。

優選地，燒蝕階段被設計成得益于在探測階段期間沉積的能量以增加燒蝕體積。舉例來說，在最后探測脈沖已顯著增加組織溫度或誘發沸騰且其在相鄰、優選同一位置處遞送的特定情況下，回到中心部分的特定軌跡可用以在燒蝕階段期間得益于探測階段的殘余熱。優選地在燒蝕脈沖軌跡的中心的中心部分已經在探測階段中預熱。以總是回到此中心點的軌跡，在中心的沸騰將得以維持，使得即將到來的能量將增加病變大小。

在根據本發明的裝置中，所述計算構件優選地被設計成檢測包含HIFU脈沖的持續時間和HIFU脈沖的功率中的至少一者的參數。計算構件優選且通常由計算機或微處理器形成。

如已經提到，在處理階段中每區域的功率比探測階段中小。這是通過至少一個脈沖的沖擊區域的增加來實現。此外，例如脈沖持續時間和/或功率等一些參數可能從探測階段改變到處理階段。持續時間和功率界定每區域遞送的總能量。測量持續時間和/或功率以及測得參數的可能調適提供了用于減少每區域功率且因此用于減少加熱的簡單方法。

替代地，在探測階段中計算的參數可針對處理階段大體上相同地設定，且專門通過沖擊區域的增加來實現每區域遞送的能量的減少。然而，優選地在探測階段中測量這些參數，以便在處理階段中設定(相同)參數。

優選地，裝置的控制件被設計成在探測階段期間產生具有2到8秒、優選4秒的長度的HIFU脈沖。在脈沖期間，檢測器檢查組織性質的改變。多于一個短脈沖可能是必要的，因為例如初始脈沖功率過低。可能從一個脈沖到下一脈沖增加功率，以便實現組織性質改變。替代地，可能將具有相同功率的多個脈沖引導到目標，使得所述多個脈沖的先前脈沖使組織預熱，以便通過所述多個脈沖的稍后脈沖實現組織性質的此改變。

另外或替代地，可能改變脈沖的持續時間。也有可能分別使用比2秒或8秒短或長的脈沖。

控制件優選地進一步被設計成在處理階段期間產生具有8到30秒或8到10秒和/或10到30秒、優選12秒的長度的HIFU脈沖。

在處理階段期間的脈沖因此優選地比探測階段中長。在處理階段期間，由脈沖沖擊的區域增加，且因此每區域遞送較少的能量。因此，可以遞送較長的脈沖而不會導致過燒或沸騰，而是僅導致目標的燒蝕。

也有可能在處理階段中分別使用比10秒或30秒短或長的脈沖。在處理階段期間的脈沖也可能具有與探測階段中的脈沖相同的長度。

優選地，所述裝置的控制件被設計成將處理階段期間的換能器的功率設定為小于在探測階段期間在由檢測器檢測的目標中實現組織性質改變所必要的換能器的功率的100％，優選設定為約75％。

如上文所述，在處理階段期間每區域的功率與探測階段相比較小，以便避免由于過燒的能量浪費或者由于沸騰的對病變大小的錯誤估計。通過將在處理階段期間換能器的功率設定為小于在探測階段期間功率的100％，防止了過度處理和沸騰。由于處理階段的脈沖可能比探測階段的脈沖長，因此這種功率減少可能是必要的。

替代地，在處理階段中使用探測階段的功率的100％。接著通過在處理階段期間沖擊區域的增加可能專門實現避免過度處理。

本發明進一步涉及用于控制治療處理裝置的方法，所述裝置優選為如上文所述的裝置，所述方法包括步驟：

-用檢測器檢測由在具有探測操作特性的探測階段期間操作的HIFU換能器發射的HIFU波引起的組織性質的改變，

-確定在所述探測階段期間實現由所述檢測器檢測到的組織性質的所述改變所必要的至少一個探測參數

-基于所述探測參數界定用于處理階段的處理參數

-通過在所述處理階段期間增加在所述目標上由至少一個HIFU脈沖沖擊的所述目標上的至少一個脈沖的區域而將所述操作特性從所述探測階段改變到所述處理階段。

通過以此方法控制裝置，在處理階段中每區域遞送的能量與在探測階段期間的能量相比可減少，這導致組織性質的改變。以此方法，可以避免過燒和/或高回聲標記且因此避免能量浪費和/或不可預測的病變大小。

在所述方法中，優選地通過使所述HIFU換能器的所述HIFU脈沖散焦來增加所述目標上由所述HIFU脈沖沖擊的所述區域。

在替代優選方法中，通過使所述HIFU換能器的所述HIFU脈沖的焦點在所述目標之上移動來增加由所述HIFU脈沖沖擊的所述目標。

使HIFU脈沖移動或散焦也可以通過提供換能器元件陣列而實現，其中每一單個元件通過例如相對于陣列的其它元件的階段調整其階段而被具體供能。

在優選散焦布置中，所述換能器被設定成形成環形HIFU射束，其中所述射束集中到環焦點上。這可以通過自然聚焦來實現，即換能器的形狀是環形的。在此情況下，通過以電子方式設定換能器的元件的階段以使得HIFU射束為具有定位于待探測區域中的中心的球形來實行探測階段。在另一布置中，換能器是球形的，且通過對換能器供電來實行處理階段以使得發射的HIFU射束是環形的。

任一方法均導致目標上每區域遞送的功率的減少。

本發明進一步涉及用于以來自治療處理裝置的HIFU處理組織的方法，所述裝置優選為如上文所述的裝置，所述方法包括步驟：

-在探測階段期間用以探測操作特性操作的HIFU換能器發射具有經界定參數的HIFU波

-用檢測器檢測由發射的所述HIFU波引起的組織性質的改變，

-確定在所述探測階段期間實現由所述檢測器檢測到的組織性質的所述改變所必要的至少一個探測參數

-基于所述探測特性界定用于處理階段的處理操作特性

-通過增加所述目標上由所述HIFU脈沖沖擊的至少一個脈沖的區域而將所述操作特性從所述探測階段改變到所述處理階段

-在所述處理階段期間發射具有經界定參數的HIFU波。

在此處理中，在處理階段中每區域遞送的能量與在探測階段期間遞送的能量相比可減少，這導致組織性質的可檢測的改變。由此，在處理期間可以避免過燒和/或高回聲標記且因此避免能量浪費和/或不可預測的病變大小。在處理階段中每脈沖遞送的能量可與在探測階段中由脈沖遞送的能量相當。

在所述方法中，優選地通過使所述HIFU換能器的所述HIFU脈沖散焦來增加所述目標上由所述HIFU脈沖沖擊的所述區域。

在替代優選方法中，通過使所述HIFU換能器的所述HIFU脈沖的焦點在所述目標之上移動來增加由所述HIFU脈沖沖擊的所述目標。

任一方法均導致目標上每區域每秒遞送的能量的減少。目標經處理，且在不浪費能量用于過度處理的情況下發生燒蝕。

本發明進一步涉及包括軟件代碼部分的計算機程序產品，當所述產品在計算機上運行時，所述軟件代碼部分用于執行之前提到的方法的任何一種方法的步驟。

可使用所述程序以便自動執行所述方法。

替代地，手動地執行所述方法。

本發明進一步涉及一種裝置，優選地為如上文描述的裝置。所述裝置包括HIFU換能器，其用于產生且發射HIFU脈沖到目標。所述裝置進一步包括用于移動焦點的控制件。所述控制件被設計成使所述焦點以預定義軌跡移動，使得所述目標上的至少一個點被沖擊的次數多于所述軌跡上的其余點。

以此布置，維持所述至少一個點處的沸騰，因為軌跡總是回到此特定點。因此，病變大小將增加。

本發明還涉及用于控制裝置的方法，所述裝置優選為如上文公開的裝置。所述方法包括以換能器產生且發射HIFU脈沖到目標的步驟。此外，在所述方法中，以控制件使HIFU脈沖的焦點以預定義軌跡移動，使得所述目標上的至少一個點被沖擊的次數多于所述軌跡上的其余點。

以此方法，維持所述至少一個點處的沸騰，因為軌跡總是回到此特定點。因此，病變大小將增加。

附圖說明

在參考示意圖描述的下文中進行描述，所述示意圖示出了本發明的非限制性實例。

附圖示出：

圖1：根據本發明的處于探測階段的裝置的示意圖

圖2：處于處理階段的根據圖1的裝置的示意圖。

圖3：根據本發明的第一處理循環的圖。

圖4：根據本發明的替代處理循環的圖。

圖5：在處理階段期間產生的病變以及使用的軌跡。

圖6：在處理階段期間焦點的兩種移動選項。

具體實施方式

圖1示出了根據本發明的處于探測階段的裝置1的示意圖。所述裝置包括處理換能器2。處理換能器2在換能器輸出處對目標4發射四秒長且總聲學功率80瓦的HIFU脈沖3。在如圖1中所示的探測階段中，HIFU脈沖3在目標4上具有焦點5。HIFU脈沖3發射到目標4，直到檢測器6在目標4的組織中檢測到例如高回聲標記。

連接到檢測器6和換能器2的呈微處理器形式的計算構件7確定由處理換能器2使用的實現組織性質改變所必要的探測參數，直到高回聲標記的出現，或者反射信號或干涉圖案的改變。計算構件7進一步連接到用于控制換能器2的操作的控制件8。控制件8基于在探測階段期間計算的參數而界定用于處理階段(參見圖2)的處理參數，所述參數使用直到目標4上出現高回聲標記。控制件8通過使HIFU脈沖3散焦而進一步改變處理換能器2的操作特性。

整個過程由處理器單元9上運行的計算機程序執行。

圖2示出了處于處理階段的圖1的裝置1。在處理階段中，由換能器2發射的HIFU脈沖3被控制件8散焦。由此，每一HIFU脈沖3沖擊目標4的較大區域A。處理階段中的HIFU脈沖具有12秒的長度且在換能器輸出處以60瓦的總聲學功率發射，其為探測階段的功率的75％。處理換能器2通常將十個12秒的HIFU脈沖3發射到目標4。

之后，控制件8將處理換能器2的操作特性改變回到探測階段的那些操作特性以重新估定參數。接著使焦點5移動到目標4上的另一點。探測階段再次運行，直到檢測器6檢測到高回聲標記。之后，控制件8再次改變到具有處理特性的處理階段。包含從探測到處理階段并返回的切換的此循環運行直到處理的結束，例如直到整個目標4的燒蝕。

圖3示出了根據本發明的替代方法的圖。在探測階段中，焦點5是固定的，且將大量四秒的短HIFU脈沖3遞送到目標4。所述脈沖具有固定的80瓦。由于反射功率的顯著增加，檢測器6檢測到沸騰的發生，即高回聲標記。一旦檢測器6檢測到組織性質的此改變，處理器7便確定參數，且控制件8將調整換能器的功率以用于后續處理階段(“燒蝕”)2。調整是基于由計算構件7計算的探測階段的所確定參數。處理階段的經調整功率是探測階段的功率的75％。此外，控制件8通過在處理階段的脈沖3期間移動換能器2而以預定樣式移動焦點5。這些HIFU脈沖3具有24秒的長度。在處理階段中的十個脈沖3的發射之后，換能器停止遞送另外的脈沖3，以便讓患者的皮膚冷卻。之后，如果目標仍未完全燒蝕，那么新的探測階段可能開始，之后是處理階段。

圖4示出了根據本發明的又一替代方法的圖。探測階段中的脈沖3的功率和持續時間與圖3中所示的方法中相同。然而，在檢測器6檢測到高回聲標記之后，與如圖3中所示的對處理階段的直接改變相反而執行暫停。在暫停期間，患者的皮膚可以冷卻。在暫停之后，開始處理階段，其中控制件8以預定樣式移動焦點5。處理階段中的脈沖3具有與上文在圖3下論述的情況相同的持續時間和功率。在處理階段中的第一個12秒的脈沖3之后，控制件8再次誘發暫停以讓皮膚冷卻，然后控制換能器2發射又一脈沖3。

圖5在左側示出了根據在右側繪制的焦點的軌跡在處理階段期間產生的病變。如所繪制，焦點的移動是雛菊狀的。

圖6示出了在其中通過機械方式運載能量擴展的情形中的兩個不同選項。在選項A中，使用沿著笛卡爾軸線移動的機動化系統。在此情形中，換能器2的軸線B保持平行于z軸線。在選項B的優選實施例中，換能器圍繞Θ(極角)和Φ(方位角)傾斜，這導致換能器的較少位移以及較好的總體控制。在此情形中，換能器2的中心保持于固定位置，而換能器軸線傾斜以便使焦點5沿著焦點路徑行進。在兩個情況下，可以添加沿著z軸線的移動以產生不同高度的病變。

表1比較了本發明的方法(標記為“快速掃描”)與現有技術已知的脈沖和暫停方法(標記為“傳統”)。如所示，每一個別病變的體積可以增加超過10倍。T_on表示在處理期間的脈沖的時間。T_off是在脈沖之間用于冷卻的時間。脈沖和暫停方法不具有探測階段。因此，對于“傳統”方法在探測階段中未示出時間。高度、直徑和個別病變體積表示每一處理脈沖所凝聚的目標的大小。

探測時間＝探測脈沖的T_on+T_off

探測工作周期：表示探測相對于處理階段的頻率，此處每10個處理脈沖一次探測。

容積率＝考慮了由探測階段引起的處理持續時間的增加的燒蝕率。

表2公開了與表1相同的方法，但使用替代參數用于“快速掃描”。以替代參數，每一個別病變的體積仍可以增加超過6倍。

表1

表2