УЛУЧШЕННОЕ НАВЕДЕНИЕ СФОКУСИРОВАННОГО УЛЬТРАЗВУКА ВЫСОКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ
IMPROVED TARGETING OF HIGH INTENSITY FOCUSED ULTRASOUND

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к сфокусированному ультразвуку высокой интенсивности, в частности, к применению магнитно-резонансной термометрии для улучшения наведения ультразвука.
Уровень техники
В сфокусированном ультразвуке высокой интенсивности (HIFU) матрица элементов ультразвукового излучателя применяется для формирования ультразвукового излучателя. Подача электроэнергии переменного тока к элементам излучателя заставляет их формировать ультразвуковые волны. Ультразвуковые волны от каждого из элементов излучателя добавляются конструктивно или деструктивно в различных местоположениях на траектории пучка. Посредством управления фазой электроэнергии переменного тока, подаваемой к каждому из элементов излучателя, можно управлять фокусной точкой или объемом, в котором фокусирует энергия ультразвука.
Для терапии опухолей сфокусированным ультразвуком высокой интенсивности (HIFU) требуется высокая степень пространственной точности для того, чтобы избежать повреждения здоровой ткани, а также для достижения оптимального применения системы. Несмотря на то, что избежание повреждения здоровой ткани вследствие плохого наведения обычно не является проблемой для больших стационарных опухолей при использовании тестовых разрушений ультразвуком с малой мощностью, что имеет место в существующей практике, технические показатели и/или клинический эффект системы могут пострадать, если неправильная информация о позиции используется, например, для алгоритма обратной связи. В результате этого снижается эффективность лечения.
Заявка на европейский патент EP 0627206 раскрывает медицинскую систему лечения ультразвуком, которая определяет точку нагрева в пространстве и предотвращает смещение точки нагрева от фокусной точки ультразвукового пучка. Точка нагрева определяется на основании облучения энергией с заданным уровнем, меньшим, чем уровень при облучении энергией с целью лечения.
Раскрытие изобретения
Изобретение обеспечивает медицинский инструмент, компьютерный программный продукт и способ в независимых пунктах формулы изобретения. Варианты осуществления даются в зависимых пунктах формулы изобретения.
Как будет понятно специалисту в данной области техники, аспекты настоящего изобретения могут быть реализованы как устройство, способ или компьютерный программный продукт.
Соответственно, аспекты настоящего изобретения могут принимать форму варианта осуществления, основанного полностью на аппаратном обеспечении, варианта осуществления, основанного полностью на программном обеспечении (включая встроенное программное обеспечение, резидентное программное обеспечение, микрокод, и т.д.) или вариант осуществления, комбинирующий аспекты программного и аппаратного обеспечения, которые могут обычно называться в настоящем описании «схемой», «модулем» или «системой». Кроме того, аспекты настоящего изобретения могут принимать форму компьютерного программного продукта, реализованного в одном или более машиночитаемых носителях информации, на которых реализован машиноисполняемый код.
Может быть использована произвольная комбинация одного или более машиночитаемых носителей информации. Машиночитаемый носитель информации может представлять собой машиночитаемый носитель в виде сигнала или машиночитаемое запоминающее устройство. «Машиночитаемое запоминающее устройство» в контексте настоящего описания охватывает любой физический носитель, на котором могут храниться инструкции, которые могут быть выполнены процессором вычислительного устройства. Машиночитаемое запоминающее устройство может называться машиночитаемым постоянным запоминающим устройством. Машиночитаемое запоминающее устройство может также называться машиночитаемым физическим носителем информации. В некоторых вариантах осуществления машиночитаемое запоминающее устройство может также быть способным хранить данные, к которым может осуществлять доступ процессор вычислительного устройства. Примеры машиночитаемых запоминающих устройств включают в себя, не ограничиваясь: гибкий диск, магнитный жесткий диск, твердотельный жесткий диск, флэш-память, карту флэш-памяти USB, оперативную память (RAM), постоянную память (ROM), оптический диск, магнитооптический диск и регистровый файл процессора. Примеры оптических дисков включают в себя компакт-диски (CD) и цифровые универсальные диски (DVD), например диски CD-ROM, CD-RW, CD-R, DVD-ROM, DVD-RW или DVD-R. Термин «машиночитаемое запоминающее устройство» также относится к различным типам носителей записи, к которым может осуществляться доступ компьютерным устройством через сеть или линию связи. Например, данные могут быть получены по модему, по Интернет или по локальной сети. Машиноисполняемый код, реализованный на машиночитаемом носителе информации может быть передан с использованием любого соответствующего носителя, включая, но не ограничиваясь, беспроводную среду, проводную среду, волоконно-оптический кабель, RF, и т.д., или любую соответствующую комбинацию указанного выше.
Машиночитаемый носитель сигналов может включать в себя переданный сигнал данных с машиноисполняемым кодом, реализованным в нем, например, в основной полосе частот или как часть несущей волны. Такой переданный сигнал может принимать любую из множества форм, включая, но не ограничиваясь, электромагнитный сигнал, оптический сигнал, или любую соответствующую комбинацию указанного. Машиночитаемый носитель сигналов может представлять собой любой машиночитаемый носитель информации, который не является машиночитаемым запоминающим устройством, и который может распространять, передавать или переносить программу для использования системой, аппаратурой или устройством выполнения инструкций, или в связи с ними.
«Компьютерная память», или «память» представляет собой пример машиночитаемого носителя информации. Компьютерной памятью является любая память, которая непосредственно доступна процессору. «Компьютерное запоминающее устройство» или «запоминающее устройство» является еще одним примером машиночитаемого носителя информации. Запоминающее устройство представляет собой любой постоянный машиночитаемый носитель информации. В некоторых вариантах осуществления компьютерное запоминающее устройство также может являться компьютерной памятью или наоборот.
«Процессор» в контексте настоящего описания охватывает электронный блок, который способен выполнить программу, или машиноисполняемую инструкцию, или машиноисполняемый код. Упоминание вычислительного устройства, содержащего «процессор», должно интерпретироваться как возможно содержащее более одного процессора или ядра процессора. Процессор может, например, являться многоядерным процессором. Процессор может также относиться к множеству процессоров в пределах одной вычислительной системы или распределенных среди множества вычислительных систем. Термин «вычислительное устройство» также должен интерпретироваться как, возможно, относящийся к множеству или сети вычислительных устройств, каждое из которых содержит процессор или процессоры. Машиноисполняемый код может быть выполнен множеством процессоров, которые могут находиться в пределах одного и того же вычислительного устройства, или которые могут даже быть распределены по множеству вычислительных устройств.
Машиноисполняемый код может содержать машиноисполняемые инструкции или программу, которая побуждает процессор осуществлять аспект настоящего изобретения. Машиноисполняемый код для выполнения операции для аспектов настоящего изобретения может быть написан на любой комбинации одного или более языков программирования, включая объектно-ориентированный язык программирования, такой как Java, Smalltalk, C++ и т.п., и обычные процедурные языки программирования, такие как язык программирования "C" или аналогичные языки программирования, и скомпилирован в машиноисполняемые инструкции. В некоторых случаях машиноисполняемый код может иметь форму высокоуровневого языка или находиться в предварительно скомпилированной форме и использоваться совместно с интерпретатором, который формирует машиноисполняемые инструкции по ходу работы.
Машиноисполняемый код может выполняться полностью на компьютере пользователя, частично на компьютере пользователя, как автономный пакет программного обеспечения, частично на компьютере пользователя и частично на удаленном компьютере, или полностью на удаленном компьютере или сервере. В последнем сценарии удаленный компьютер может быть соединен с компьютером пользователя через сеть любого типа, включая локальную сеть (LAN) или глобальную сеть (WAN), или может быть выполнено соединение с внешним компьютером (например, через Интернет с помощью Интернет-провайдера).
Аспекты настоящего изобретения описаны в отношении иллюстраций блок-схем и/или блочных диаграмм способов, устройств (систем) и компьютерных программных продуктов согласно вариантам осуществления изобретения. Следует понимать, что каждый блок или часть блоков блок-схемы, иллюстраций и/или блочных диаграмм могут быть реализованы посредством инструкций компьютерной программы в форме машиноисполняемого кода при необходимости. Также следует понимать, что если они не являются взаимно исключающими, комбинации блоков в различных блок-схемах, иллюстрациях и/или блочных диаграммах могут быть скомбинированы. Эти инструкции компьютерной программы могут быть выданы процессору универсального компьютера, специализированного компьютера, или другого программируемого устройства обработки данных, чтобы получить машину таким образом, что инструкции, которые выполняются через процессор компьютера или другого программируемого устройства обработки данных, создают средства для реализации функций/действий, заданных в блоке или блоках блок-схемы и/или блочной диаграммы.
Эти инструкции компьютерной программы могут также быть сохранены на машиночитаемом носителе информации, который может направлять компьютер, другое программируемое устройство обработки данных, или другие устройства для функционирования конкретным образом, с тем чтобы инструкции, сохраненные на машиночитаемом информации, создавали промышленное изделие, содержащее инструкции, которые реализуют функцию/действие, заданную в блоке или блоках блок-схемы и/или блочной диаграммы.
Инструкции компьютерной программы могут также быть загружены на компьютер, другое программируемое устройство обработки данных, или другие устройства, для вызывания создания на компьютере посредством ряда этапов функционирования, которые будут выполнены на компьютере, другом программируемом устройстве или других устройствах, реализуемого компьютером процесса таким образом, что инструкции, которые выполняются на компьютере, или другом программируемом устройстве, обеспечивают процессы для осуществления функций/действий, определенные в блоке или блоках блок-схемы.
«Пользовательский интерфейс» в контексте настоящего описания представляет собой интерфейс, который позволяет пользователю или оператору взаимодействовать с компьютером или вычислительной системой. «Пользовательский интерфейс» может также называться «устройством пользовательского интерфейса». Пользовательский интерфейс может выдавать информацию или данные оператору и/или получать информацию или данные от оператора. Пользовательский интерфейс может обеспечить возможность получения компьютером входных данных от оператора и может выдать пользователю выходные данные от компьютера. Другими словами, пользовательский интерфейс может позволить оператору управлять или манипулировать компьютером, и интерфейс может позволить компьютеру показывать результаты управления или манипулирования, выполняемых оператором. Отображение данных или информации на дисплее или графическом интерфейсе пользователя является примером выдачи информации оператору. Получение данных через клавиатуру, «мышь», шаровой манипулятор, сенсорную панель, джойстик, графический планшет, ручку управления, игровой планшет, веб-камеру, гарнитуру, рычаг переключения передач, рулевое колесо, педали, проводную перчатку, танцевальный коврик, дистанционное управление, и акселерометр является примерами узлов интерфейса пользователя, которые позволяют получать информацию или данные от оператора.
«Аппаратный интерфейс» в контексте настоящего описания охватывает интерфейс, который позволяет процессору вычислительной системы взаимодействовать и/или управлять внешним вычислительным устройством и/или аппаратурой. Аппаратный интерфейс может позволить процессору отправлять управляющие сигналы или инструкции внешнему вычислительному устройству и/или аппаратуре. Аппаратный интерфейс может также позволить процессору обмениваться данными с внешним вычислительным устройством и/или аппаратурой. Примеры аппаратных интерфейсов включают в себя, не ограничиваясь: универсальную последовательную шину, порт IEEE 1394, параллельный порт, порт IEEE 1284, последовательный порт, порт RS-232, порт IEEE 488, соединение Bluetooth, беспроводное соединение локальной сети, соединение TCP/IP, соединение Ethernet, интерфейс управляющего напряжения, MIDI-интерфейс, интерфейс аналогового входа и интерфейс цифрового входа.
«Дисплей» или «устройство отображения» в контексте настоящего описания охватывают устройство вывода или пользовательский интерфейс, приспособленные для отображения изображений или данных. Дисплей может выводить визуальные, аудио и/или тактильные данные. Примеры дисплеев включают в себя, не ограничиваясь: компьютерный монитор, телевизионный экран, сенсорный экран, тактильный электронный дисплей, экран Брайля, электронно-лучевую трубку (CRT), запоминающую трубку, бистабильный дисплей, электронную бумагу, векторный дисплей, плоский экран, вакуумный флуоресцирующий дисплей (VF), светодиодный дисплей (LED), электролюминесцентный дисплей (ELD), плазменные панели (PDP), жидкокристаллический дисплей (LCD), дисплей на органических светодиодах (OLED), проектор и шлем-дисплей.
Данные медицинского изображения определяются в настоящем описании как двух- или трехмерные данные, который был получены с применением сканера медицинской визуализации. Сканер медицинской визуализации определяется в настоящем описании как устройство, приспособленное для получения информации о физической структуре пациента и построения множеств данных двумерных или трехмерных медицинских изображений. Данные медицинского изображения могут использоваться для построения визуализаций, который будут полезны при постановке диагноза врачом. Эта визуализация может быть выполнена с применением компьютера.
Данные магнитного резонанса (MR) определяются в настоящем описании как представляющие собой записанные измерения сигналов высокой частоты, испускаемых спинами атомов посредством антенны устройства магнитного резонанса во время сканирования магнитно-резонансной визуализации. Данные магнитного резонанса являются примером данных медицинского изображения. Изображение магнитно-резонансной визуализации (MRI) определяется в настоящем описании как представляющее собой восстановленную двух- или трехмерную визуализацию анатомических данных, содержащихся в данных магнитно-резонансной визуализации. Эта визуализация может быть выполнена с применением компьютера.
Данные магнитного резонанса могут содержать измерения сигналов высокой частоты, испускаемых спинами атомов, посредством антенны устройства магнитного резонанса во время сканирования магнитно-резонансной визуализации, которые содержат информацию, которая может использоваться для магнитно-резонансной термометрии. Магнитно-резонансная термометрия функционирует посредством измерения изменений чувствительных к температуре параметров. Примеры параметров, которые могут быть измерены во время магнитно-резонансной термометрии: сдвиг частоты протонного резонанса, коэффициент диффузии, или изменения времени релаксации T1 и/или T2 могут использоваться для измерения температуры с применением магнитного резонанса. Сдвиг частоты протонного резонанса зависит от температуры, поскольку магнитное поле, влияние которого испытывают индивидуальные протоны, атомы водорода, зависит от окружающей молекулярной структуры. Повышение температуры понижает молекулярный скрининг, поскольку температура оказывает влияние на водородные связи. Это приводит зависимости частоты протонного резонанса от температуры.
Протонная плотность линейно зависит от равновесной намагниченности. Поэтому можно определить изменения температуры, используя взвешенные изображения протонной плотности.
Время релаксации T1, T2, и T2-star (иногда записываемое как T2*) также зависит от температуры. Восстановление взвешенных изображений T1, T2 T2-star может, следовательно, использоваться для создания тепловых или температурных карт.
Температура также оказывает влияние на Броуновское движение молекул в водном растворе. Поэтому последовательности импульсов, посредством которых можно измерить коэффициенты рассеяния, такие как импульсное диффузионное градиентное спиновое эхо, могут применяться для измерения температуры.
Один из наиболее целесообразных способов измерения температуры с применением магнитного резонанса заключается в измерении сдвига частоты протонного резонанса (PRF) протонов воды. Резонансная частота протонов зависит от температуры. Когда в вокселе происходит изменение температуры, сдвиг частоты приведет к изменению измеренной фазы протонов воды. Таким образом, может быть определено изменение температуры между двумя фазовыми изображениями. Этот способ определения температуры имеет преимущество, заключающееся в том, что он является относительно быстрым по сравнению с другими способами. Способ PRF в настоящем описании рассмотрен более подробно, чем другие способы. Однако, способы и методики, рассмотренные в настоящем описании, также применимы к другим способам выполнения термометрии с помощью магнитно-резонансной визуализации.
Спектроскопические данные магнитного резонанса определяются в настоящем описании как являющиеся записанными измерениями сигналов высокой частоты, испускаемых спинами атомов, посредством антенны устройства магнитного резонанса во время сканирования магнитно-резонансной визуализации, которые содержат информацию, которая описывает множество пиков резонанса.
Спектроскопические данные магнитного резонанса могут, например, использоваться для выполнения основанного на протонной спектроскопической (PS) визуализации способа картирования температуры, который может выдавать температурные карты на абсолютной шкале. Эта карта температуры на абсолютной шкале может, следовательно, применяться для выполнения температурной калибровки. Этот способ основывается на физических принципах зависимости сдвига протонного резонанса от температуры, как и способ частоты протонного резонанса, но способ получения данных отличается: сдвиг частоты вычисляется по спектрам магнитного резонанса. Сдвиг вычисляется по разности положений водного и контрольного протонных пиков. Протоны в липидах могут, например, использоваться в качестве контроля, поскольку их резонансная частота, как известно, почти не зависит от температуры, в то время как водный протонный пик имеет линейную зависимость от температуры. Это может быть сделано в вокселах, в которых присутствуют оба типа ткани. Если вода и липиды не присутствуют в том же самом вокселе, можно попытаться использовать некоторый другой тип ткани, отличный от липидов, в качестве контроля. Если успех не достигнут, это может означать наличие некоторых вокселов, в которых контрольные пики и, следовательно, температурные данные, недоступны. Интерполяция и/или фильтрация температуры могут использоваться для помощи в таких ситуациях, поскольку температура тела, как обычно ожидается, не изменяется быстро в пространстве, при этом сильно локализованное повышение температуры, обычно вызываемое термотерапией, является очевидным исключением. Использование контрольных пиков делает способ относительно независимым от дрейфа полей или движения между сканированиями. Поскольку в имеющихся способах сканирование занимает время, составляющее по порядку величины по меньшей мере одну минуту, способ PS является чувствительным к движению между сканированиями или изменению температуры во время сканирования. В случае, когда температура является постоянной или колебания температуры малы как во времени, так и в пространстве, способ может выдавать полезную информацию. Например, в управляемом магнитным резонансе сфокусированном ультразвуке высокой интенсивности (MR-HIFU) способ PS может применяться для обеспечения фактического распределения температуры тела прежде до начала MR-HIFU или другой тепловой обработки в противоположность использованию пространственно однородной начальной температуры, взятой в качестве внутренней температуры тела, измеренной с помощью температурного зонда. Альтернативно, способ PS может применяться в качестве проверки работоспособности для накопленной температуры между тепловыми обработками вне области лечения.
«Ультразвуковое окно» в контексте настоящего описания охватывает окно, которое по существу прозрачно для ультразвуковых волн или энергии. Обычно тонкая пленка или мембрана используются в качестве ультразвукового окна. Ультразвуковое окно может, например, быть сделано из тонкой мембраны BoPET (двухосно ориентированный полиэтилентерефталат).
В одном из аспектов изобретение предусматривает медицинский инструмент, содержащий систему магнитно-резонансной визуализации для получения тепловых данных магнитного резонанса для субъекта. Субъект по меньшей мере частично располагается в зоне визуализации. Медицинский инструмент также содержит систему сфокусированного ультразвука высокой интенсивности. Система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности имеет настраиваемый фокус. Система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности выполнена с возможностью управления настраиваемым фокусом для разрушения клеток субъекта ультразвуком во множестве точек разрушения ультразвуком в зоне визуализации. Каждое из этих множественных разрушений ультразвуком включает в себя приложение некоторого количества энергии ультразвука, которая оказывает влияние на локальную структуру или физиологию ткани, в которую прилагается энергия ультразвука. Например, влияние на локальную структуру может заключаться в абляции, или в создании гипертермических физиологических эффектов. Обычно, эти множественные разрушения ультразвуком выполняются с энергией или интенсивностью ультразвука, превышающей терапевтический порог. Терапевтический порог устанавливается таким образом, чтобы когда ультразвуковая энергия, интенсивность или накопленная тепловая доза были ниже терапевтического порога, возникало только повышение температуры ткани при полном отсутствии или отсутствии значимого физиологического эффекта. Настраиваемый фокус может быть настраиваемым более чем одним способом. В некоторых вариантах осуществления преобразователь сфокусированного ультразвука высокой интенсивности включает в себя преобразователь, который может быть повторно помещен в различные положения. Таким образом, фокус является настраиваемым. В других вариантах осуществления, также включая таковые из изложенных ранее с подвижным преобразователем, преобразователь имеет множество элементов излучателя, которые позволяют управлять фазой и/или амплитудой подаваемой на них электроэнергии. Это дает возможность управлять фокусом электронно.
Медицинский инструмент также содержит процессор для управления системой сфокусированного ультразвука высокой интенсивности и системой магнитно-резонансной визуализации. Медицинский инструмент также содержит память для хранения машиноисполняемых инструкций для выполнения процессором. Выполнение инструкций побуждает процессор управлять системой сфокусированного ультразвука высокой интенсивности для последовательного разрушения ультразвуком множества точек разрушения ультразвуком. Система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности выполнена с возможностью управления настраиваемым фокусом для разрушения ультразвуком клеток субъекта во множестве точек разрушения ультразвуком в зоне визуализации. Выполнение инструкций также побуждает процессор управлять системой магнитно-резонансной визуализации для многократного получения тепловых данных магнитно-резонансной визуализации. Система магнитно-резонансной визуализации получает тепловые данные магнитно-резонансной визуализации в разные моменты времени в течение процесса разрушения ультразвуком множества точек разрушения ультразвуком.
Выполнение инструкций также побуждает процессор многократно восстанавливать множество тепловых карт с использованием тепловых данных магнитно-резонансной визуализации. Тепловая карта в контексте настоящего описания охватывает карту, описывающую нагревание субъекта. Она может, например, являться картой температуры в определенный момент времени, или она может представлять собой накопленную дозу тепла. Выполнение инструкций также побуждает процессор вычислять центр масс нагрева для каждой из множества тепловых карт с получением набора центров масс нагрева. Центр масс нагрева в контексте настоящего описания представляет собой местоположение, в которое может быть добавлено тепло, чтобы воспроизвести эффект, описываемый множеством тепловых карт. Например, центр масс нагрева может представлять собой конкретную или фактическую точку разрушения ультразвуком, в которой тепло добавляется к субъекту.
Выполнение инструкций также побуждает процессор выбирать одну или более точек разрушения ультразвуком из множества точек разрушения ультразвуком для каждого элемента из набора центров масс нагрева. Одна или более точек разрушения ультразвуком выбираются таким образом, чтобы система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности разрушала ультразвуком одну или более точек разрушения ультразвуком в пределах заданного периода времени до получения тепловых данных магнитно-резонансной визуализации, соответствующих центру масс нагрева. Другой способ сказать, что тепловые данные магнитно-резонансной визуализации соответствуют центру масс нагрева, состоит в том, чтобы определить конкретный центр масс нагрева с использованием конкретного получения тепловых данных магнитно-резонансной визуализации.
Другими словами тепловые данные магнитного резонанса получают и применяют для создания тепловых карт. Точки разрушения ультразвуком, которые были получены до получения тепловых данных магнитно-резонансной визуализации, используются или выбираются для анализа для определения точности наведения.
Выполнение инструкций также побуждает процессор определять пространственно-зависимую корректировку наведения, посредством сравнения каждого элемента из набора центров масс нагрева с одной или более точек разрушения ультразвуком. Фактическая тепловая карта или измеренные температурные данные затем сравниваются с местоположением точек разрушения ультразвуком. Посредством выполнения данного сравнения может быть определено возможное наличие смещения между требуемым местоположением точки разрушения ультразвуком и фактическим местоположением, в котором теплота добавляется к субъекту. Один из способов выполнения сравнения состоит в определении местоположения центра масс нагрева и последующего определения местоположения точки разрушения ультразвуком или точек разрушения ультразвуком. Разность между этими центрами масс нагрева и точкой или точками разрушения ультразвуком дает смещение, которое может использоваться для вычисления пространственно-зависимой корректировки наведения.
Выполнение инструкций также побуждает процессор управлять системой сфокусированного ультразвука высокой интенсивности для смещения настраиваемого фокуса посредством пространственно-зависимой корректировки наведения. Этот вариант осуществления может быть полезным, поскольку он может привести к более точному наведению системы сфокусированного ультразвука высокой интенсивности.
В другом варианте осуществления выполнение инструкций также побуждает процессор определять зависящее от времени распределение доз тепла с использованием множества тепловых карт. Набор центров масс нагрева вычисляется посредством поиска по меньшей мере одного максимума в распределении доз тепла. В результате поиска максимума в распределении доз тепла может быть определено максимальное тепловое воздействие в точке разрушения ультразвуком. Это может быть использовано для более точного наведения системы сфокусированного ультразвука высокой интенсивности. Следует отметить, что различные максимумы получают в разные моменты времени при исследовании зависящего от времени распределения доз тепла. Эти максимумы затем сопоставляются с точками разрушения ультразвуком. В некоторых вариантах осуществления зависящее от времени распределение доз тепла представляет собой распределение накопленных доз тепла. В других вариантах осуществления зависящее от времени распределение доз тепла не является накопленным. Зависящее от времени распределение доз тепла может быть получено для конкретного временного интервала, например времени, когда выполнялись точка или точки разрушения ультразвуком, с которыми сравнивается максимум.
В другом варианте осуществления выполнение инструкций также побуждает процессор определять пространственно-зависимую корректировку наведения посредством сравнения зависящего от времени сдвига по меньшей мере одного максимума с последовательностью множества точек разрушения ультразвуком. В этом варианте осуществления траектория, по которой перемещается максимум, сравнивается с местоположением точек разрушения ультразвуком. Это может использоваться для определения того, является ли точным наведение системы сфокусированного ультразвука высокой интенсивности или нет.
В другом варианте осуществления система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности содержит ультразвуковой излучатель с механической системой позиционирования. Настраиваемый фокус по меньшей мере частично сдвигается посредством пространственно-зависимой корректировкой наведения в результате приведения в действия механической системы позиционирования. Этот вариант осуществления может быть полезным, поскольку механическая система может точно скомпенсировать смещение в наведении системы сфокусированного ультразвука высокой интенсивности.
В другом варианте осуществления настраиваемый фокус является по меньшей мере частично электронно управляемым. Настраиваемый фокус по меньшей мере частично сдвигается посредством электронного управления настраиваемым фокусом. В этом варианте осуществления система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности содержит преобразователь, который содержит множество элементов излучателя. «Электронно управляемый» относится к тому факту, что фаза и/или амплитуда электроэнергии или тока, подаваемого к индивидуальным элементам излучателя, могут использоваться для управления усиливающей и/или ослабляющей интерференцией ультразвука, формируемого индивидуальными элементами излучателя. Управление фазой и/или амплитудой позволяет осуществлять электронное регулирование местоположения настраиваемого фокуса.
В другом варианте осуществления выполнение инструкций также побуждает процессор управлять системой сфокусированного ультразвука высокой интенсивности для сдвига настраиваемого фокуса посредством пространственно-зависимой корректировки наведения одновременно с управлением системой сфокусированного ультразвука высокой интенсивности для последовательного разрушения ультразвуком множества точек разрушения ультразвуком. Этот вариант осуществления полезен, поскольку он включает в себя корректировку местоположения наведения в процессе работы. Во время разрушения ультразвуком различных точек разрушения ультразвуком у субъекта наведение или управление настраиваемым фокусом становится тем более точным, чем дольше применяется устройство.
В другом варианте осуществления выполнение инструкций также побуждает процессор управлять системой сфокусированного ультразвука высокой интенсивности для сдвига настраиваемого фокуса после того, как заданное количество множества точек разрушения ультразвуком было разрушено ультразвуком. В этом варианте осуществления после того, как заданное количество множества точек разрушения ультразвуком было разрушено ультразвуком, применяется пространственно-зависимая корректировка наведения для корректировки фокусирования системы сфокусированного ультразвука высокой интенсивности. Это может привести к более точному фокусированию системы сфокусированного ультразвука высокой интенсивности.
В другом варианте осуществления выполнение инструкций также побуждает процессор вычислять корректировку фокуса для множества точек разрушения ультразвуком, еще не разрушенных ультразвуком, с применением зависящего от времени распределения доз тепла и модели ультразвука. Акустические свойства местоположений в ткани, которые были ранее разрушены ультразвуком, могут измениться. Например, ткань, которая была разрушена ультразвуком, обычно поглощает ультразвук с большей готовностью, чем ткань, которая еще не была разрушена ультразвуком. В этих случаях применение модели ультразвука может обеспечить более точное предсказание того, где энергия ультразвука будет поглощена в пределах субъекта.
В другом варианте осуществления выполнение инструкций также побуждает процессор формировать предупреждающее сообщение, если корректировка фокуса превышает заданное значение. Это может быть полезно в ситуации, когда воздействие приводит к появлению фокуса в местоположении, которое сдвинуто относительно намеченного местоположения разрушения ультразвуком. Это, возможно, будет происходить в направлении, которое направлено от области абляции, если смотреть перпендикулярно к оси пучка. Алгоритм трассировки лучей или другой способ могут быть целесообразными для этого.
В другом варианте осуществления выполнение инструкций также побуждает процессор сохранять пространственно-зависимую корректировку наведения в памяти для использования в будущем разрушении ультразвуком. Например, корректировка наведения может быть сохранена и может использоваться позже для того же самого субъекта или для другого субъекта.
В другом варианте осуществления пространственно-зависимая корректировка наведения определяется посредством подбора многочлена для тепловой дозы и для множества точек разрушения ультразвуком. В некоторых вариантах осуществления пространственно-зависимая корректировка наведения может быть определена посредством подбора многочлена для увеличения точности исправления наведения.
В другом варианте осуществления заданный критерий состоит в том, что система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности разрушает ультразвуком одну или более точек разрушения ультразвуком в пределах заданного периода времени до начала получения тепловых данных магнитно-резонансной визуализации, соответствующих центру масс нагрева.
В другом варианте осуществления заданный критерий заключается в исключении точек разрушения ультразвуком за пределами заданного расстояния от центра масс нагрева.
В другом варианте осуществления заданный критерий заключается в выборе точек разрушения ультразвуком с использованием подбора, определяемого пространственно-зависимой корректировкой наведения.
В другом варианте осуществления заданный критерий заключается в выборе одной или более точек разрушения ультразвуком с использованием подбора по соседям, определяемого пространственно-зависимой корректировкой наведения других точек разрушения ультразвуком в пределах заданного расстояния до соседей для одной или более точек разрушения ультразвуком.
В другом аспекте изобретение предусматривает компьютерный программный продукт, включающий в себя машиноисполняемые инструкции для выполнения процессором, управляющим медицинским инструментом. Медицинский инструмент содержит систему магнитно-резонансной визуализации для получения тепловых данных магнитного резонанса от субъекта. Субъект может быть по меньшей мере частично расположен в зоне визуализации системы магнитно-резонансной визуализации. Медицинский инструмент также содержит систему сфокусированного ультразвука высокой интенсивности. Система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности имеет настраиваемый фокус. Система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности выполнена с возможностью управления настраиваемым фокусом для разрушения ультразвуком клеток субъекта во множестве точек разрушения ультразвуком в зоне визуализации.
Выполнение инструкций также побуждает процессор управлять системой сфокусированного ультразвука высокой интенсивности для последовательного разрушения ультразвуком множества точек разрушения ультразвуком. Выполнение инструкций также побуждает процессор управлять системой магнитно-резонансной визуализации для многократного получения тепловых данных магнитно-резонансной визуализации.
Выполнение инструкций также побуждает процессор многократно восстанавливать множество тепловых карт с использованием тепловых данных магнитно-резонансной визуализации.
Выполнение инструкций также побуждает процессор вычислять центр масс нагрева для каждой из множества тепловых карт, составляющих набор центров масс нагрева. Выполнение инструкций также побуждает процессор выбирать одну или более точек разрушения ультразвуком из множества точек разрушения ультразвуком для каждого элемента из набора центров масс нагрева. Одна или более точек разрушения ультразвуком выбираются таким образом, чтобы система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности разрушала ультразвуком одну или более точек разрушения ультразвуком в пределах заданного периода времени до получения тепловых данных магнитно-резонансной визуализации, соответствующих центру масс нагрева.
Выполнение инструкций также побуждает процессор определять пространственно-зависимую корректировку наведения посредством сравнения каждого элемента набора центров масс нагрева с одной или более точек разрушения ультразвуком. Выполнение инструкций также побуждает процессор управлять системой сфокусированного ультразвука высокой интенсивности для сдвига настраиваемого фокуса посредством пространственно-зависимой корректировки наведения.
В другом варианте осуществления выполнение инструкций также побуждает процессор определять зависящее от времени распределение доз тепла с использованием множества тепловых карт. Набор центров масс нагрева вычисляется посредством поиска по меньшей мере одного максимума в распределении доз тепла.
В другом варианте осуществления выполнение инструкций также побуждает процессор определять пространственно-зависимую корректировку наведения посредством сравнения зависящего от времени сдвига по меньшей мере одного максимума с последовательностью множества точек разрушения ультразвуком.
В другом аспекте изобретение предусматривает способ управления медицинским инструментом. Медицинский инструмент содержит систему магнитно-резонансной визуализации для получения тепловых данных магнитного резонанса от субъекта по меньшей мере частично расположенного в зоне визуализации медицинского инструмента. Медицинский инструмент также содержит систему сфокусированного ультразвука высокой интенсивности. Система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности имеет настраиваемый фокус. Система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности выполнена с возможностью управления настраиваемым фокусом для разрушения ультразвуком клеток субъекта во множестве точек разрушения ультразвуком в зоне визуализации. Способ включает в себя этап управления системой сфокусированного ультразвука высокой интенсивности для последовательного разрушения ультразвуком множества точек разрушения ультразвуком. Способ также включает в себя в себя этап управления системой магнитно-резонансной визуализации для многократного получения тепловых данных магнитно-резонансной визуализации. Системой магнитно-резонансной визуализации управляют для получения тепловых данных магнитно-резонансной визуализации в различные моменты времени во время процесса или в моменты времени, когда система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности последовательно разрушает ультразвуком множество точек разрушения ультразвуком.
Способ также включает в себя этап восстановления множества тепловых карт посредством многократного использования тепловых данных магнитно-резонансной визуализации. Способ также включает в себя этап вычисления центра масс нагрева для каждой из множества тепловых карт, в результате чего получают набор центров масс нагрева. Способ также включает в себя этап выбора одной или более точек разрушения ультразвуком из множества точек разрушения ультразвуком для каждого элемента набора центров масс нагрева. Одна или более точек разрушения ультразвуком выбираются таким образом, чтобы система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности разрушала ультразвуком одну или более точек разрушения ультразвуком в пределах заданного интервала времени до получения тепловых данных магнитно-резонансной визуализации, соответствующих центру масс нагрева.
Способ также включает в себя этап определения пространственно-зависимой корректировки наведения посредством сравнения каждого элемента набора центров масс нагрева с одной или более точек разрушения ультразвуком. Способ также включает в себя этап управления системой сфокусированного ультразвука высокой интенсивности для сдвига настраиваемого фокуса посредством пространственно-зависимой корректировки наведения.
Следует понимать, что один или больше вышеупомянутых вариантов осуществления изобретения могут быть скомбинированы, если комбинируемые варианты осуществления не являются взаимно исключающими.
Краткое описание чертежей
Ниже будут описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, только в качестве примера, и со ссылкой на чертежи, на которых:
На фиг. 1 показана блок-схема, которая иллюстрирует способ согласно варианту осуществления изобретения;
Фиг. 2 иллюстрирует медицинский инструмент согласно варианту осуществления изобретения;
Фиг. 3 изображает предполагаемое местоположение разрушения ультразвуком в направлении снизу вверх в сравнении с фактическим местоположением разрушения ультразвуком в направлении снизу вверх;
На фиг. 4 показан график с фиг. 3 с дополнительно показанными разрушениями ультразвуком, выполненными с применением скорректированного наведения; и
Фиг. 5 иллюстрирует представление тепловой карты.
Осуществление изобретения
Одинаково пронумерованные элементы на данных чертежах являются эквивалентными элементами или выполняют одну и ту же функцию. Элементы, которые рассмотрены ранее, не обязательно будут рассмотрены на последующих чертежах, если их функция будет эквивалентна.
На фиг. 1 показана блок-схема, которая иллюстрирует способ согласно варианту осуществления изобретения. На этапе 100 система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности применяется для последовательного разрушения ультразвуком множества точек разрушения ультразвуком. Затем на этапе 102 тепловые данные магнитно-резонансной визуализации многократно получают с использованием системы магнитно-резонансной визуализации.
Тепловые данные магнитно-резонансной визуализации получают в различные моменты времени во время разрушения ультразвуком множества точек разрушения ультразвуком. Затем на этапе 104 множество тепловых карт многократно восстанавливают с использованием тепловых данных магнитно-резонансной визуализации. Затем на этапе 106 центр масс нагрева вычисляется для каждой из множества тепловых карт, в результате чего получают набор центров масс нагрева.
Затем на этапе 108 одна или более точек разрушения ультразвуком выбираются для каждого центра масс нагрева. Одна или более точек разрушения ультразвуком для каждого центра масс нагрева выбираются таким образом, чтобы разрушение ультразвуком по существу отвечало за нагрев, который виден на соответствующей тепловой карте. Затем на этапе 110 пространственно-зависимая корректировка наведения определяется с использованием центра масс нагрева и одной или более точек разрушения ультразвуком. Наконец, на этапе 110 системой сфокусированного ультразвука высокой интенсивности управляют для сдвига настраиваемого фокуса посредством пространственно-зависимой корректировки наведения.
На фиг. 2 показан медицинский инструмент 200 согласно варианту осуществления изобретения. Медицинский инструмент 200 содержит систему 202 магнитно-резонансной визуализации. Система магнитно-резонансной визуализации содержит магнит 204. Магнит 204 является сверхпроводящим магнитом цилиндрического типа с каналом 206, проходящим через его центр. Магнита имеет охлаждаемый жидким гелием криостат со сверхпроводящими катушками. Также можно использовать постоянные или резистивные магниты. Также возможно использование магнитов различных типов например, также можно использовать расщепленный цилиндрический магнит и так называемый открытый магнит. Расщепленный цилиндрический магнит аналогичен стандартному цилиндрическому магниту, за исключением того, что криостат был расщеплен на две секции, чтобы обеспечить доступ к изоплоскости магнита; такие магниты могут, например, использоваться вместе с терапией пучком заряженных частиц. Открытый магнит имеет две секции магнита, одна выше другой с пространством между ними, являющимся достаточно большим для приема субъекта: расположение области двух секций аналогично катушке Гельмгольца. Открытые магниты являются популярными, поскольку меньше ограничивают субъекта. В криостате цилиндрического магнита имеется набор сверхпроводящих катушек. В канале 206 цилиндрического магнита находится зона 308 визуализации, в которой магнитное поле является достаточно сильным и однородным для выполнения магнитно-резонансной визуализации.
В канале 206 магнита также находится множество градиентных катушек 210 магнитного поля, которые используются для получения данных магнитного резонанса, чтобы пространственно кодировать магнитные спины в зоне 208 визуализации магнита 204. Градиентные катушки магнитного поля соединяются с источником 212 питания градиентных катушек магнитного поля. Предполагается, что градиентные катушки 210 магнитного поля являются представительными. Обычно градиентные катушки магнитного поля содержат три отдельных набора катушек для пространственного кодирования в трех ортогональных пространственных направлениях. Источник 212 питания градиента магнитного поля подает ток к градиентным катушкам 210 магнитного поля. Током, подаваемым к катушкам магнитного поля, управляется как функция времени и может изменяться линейно или быть импульсным.
Смежно с зоной 208 визуализации находится радиочастотная катушка 214 для манипулирования ориентациями магнитных спинов в зоне 208 визуализации и для приема радиопередачи от спинов, также в зоне визуализации. Радиочастотная катушка индуктивности может содержать множественные элементы катушки. Радиочастотная катушка индуктивности может также называться как каналом или антенной. Радиочастотная катушка 214 соединяется с радиочастотным приемопередатчиком 216. Радиочастотная катушка 214 и радиочастотный приемопередатчик 216 могут быть заменены отдельными катушками приема и передачи и отдельным передатчиком и приемником. Следует понимать, что радиочастотная катушка 214 и радиочастотный приемопередатчик 216 являются представительными. Также предполагается, что радиочастотная катушка 214 представляет выделенную передающую антенну и выделенную принимающую антенну. Аналогично, приемопередатчик 216 может также представлять отдельный передатчик и приемники.
Субъект 218 показан лежащим на опоре 220 субъекта и расположенным частично в зоне 208 визуализации. Медицинский инструмент 200 также содержит систему 222 сфокусированного ультразвука высокой интенсивности. Система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности содержит заполненную жидкостью камеру 224. В пределах заполненной жидкостью камеры 224 находится ультразвуковой излучатель 226. Хотя это и не показано на чертеже, ультразвуковой излучатель 226 может содержать множество элементов ультразвукового излучателя, каждый из которых способен формировать индивидуальный пучок ультразвука. Это может использоваться для электронного перемещения местоположения точки 238 разрушения ультразвуком посредством управления фазой и/или амплитудой переменного электрического тока, подаваемого к каждому из элементов ультразвукового излучателя. Точка 238 представляет настраиваемый фокус медицинского инструмента 200.
Ультразвуковой излучатель 226 соединен с механизмом 228, который позволяет ультразвуковому излучателю 226 перемещаться механически. Механизм 228 соединен с механическим приводом 230, который приспособлен для приведения в действие механизма 228. Механический привод 230 также предусматривает источник питания подачи электроэнергии ультразвуковому излучателю 226. В некоторых вариантах осуществления источник питания может управлять фазой и/или амплитудой электроэнергии, подаваемой к индивидуальным элементам ультразвукового излучателя. В некоторых вариантах осуществления механический привод/источник 230 питания расположен за пределами канала 206 магнита 204.
Ультразвуковой излучатель 226 формирует ультразвук, который показан как следующий по траектории 232. Ультразвук 232 проходит через заполненную жидкостью камеру 228 и через ультразвуковое окно 234. В этом варианте осуществления ультразвук затем проходит через гелевую подушку 236. Гелевая подушка 236 не обязательно присутствует во всех вариантах осуществления, но в этом варианте осуществления имеется ниша в опоре 220 субъекта для вмещения гелевой подушки 236. Гелевая подушка 236 помогает передавать ультразвуковую энергию между излучателем 226 и субъектом 218. После прохождения через гелевую подушку 236 ультразвук 232 проходит через субъекта 218 и фокусируется в точке 238 разрушения ультразвуком. Точка 238 разрушения ультразвуком фокусируется в пределах целевого объема 240. Целевой объем определяется последовательностью множества точек разрушения ультразвуком. Точка 238 разрушения ультразвуком может быть перемещена посредством комбинации механического позиционирования ультразвукового излучателя 226 и электронного регулирования положения точки 238 разрушения ультразвуком для обработки всего целевого объема 240.
Источник 212 питания градиентных катушек магнитного поля, приемопередатчик 216 и механический привод/источник 230 питания системы 222 сфокусированного ультразвука высокой интенсивности показаны как подключенные к аппаратному интерфейсу 244 компьютера 242. Компьютер 242 также содержит процессор 246, пользовательский интерфейс 248, компьютерное запоминающее устройство 250, и компьютерную память 252. Аппаратный интерфейс 244 позволяет процессору 246 передавать и принимать команды и данные для управления функционированием медицинского инструмента 200. Процессор 246 также соединен с пользовательским интерфейсом 248, компьютерным запоминающим устройством 250 и компьютерной памятью 252.
Компьютерное запоминающее устройство 250 показано как содержащее последовательность 254 импульсов. Последовательность 254 импульсов или содержит инструкции, или она содержит временную шкалу, которая может использоваться для создания конструкций, которые позволяют системе 202 магнитно-резонансной визуализации получить тепловые данные 256 магнитного резонанса. Показано, что в компьютерном запоминающем устройстве 250 хранятся тепловые данные 256 магнитного резонанса, полученные системой 202 магнитно-резонансной визуализации. Компьютерное запоминающее устройство 250 также показано как содержащее точки 258 разрушения ультразвуком. Точки разрушения ультразвуком могут, например, быть сохранены в форме схемы лечения или инструкций для управления системой 222 сфокусированного ультразвука высокой интенсивности. Точки 258 разрушения ультразвуком содержат последовательность местоположений, которые должны быть разрушены ультразвуком посредством системы 222 сфокусированного ультразвука высокой интенсивности.
Компьютерное запоминающее устройство 250 также показано как содержащее тепловые карты 260, которые были восстановлены посредством многократно получения тепловых данных 256 магнитного резонанса. Компьютерное запоминающее устройство 250 также показано как содержащее набор 262 центров масс нагрева, которые были вычислены по тепловым картам 260. Компьютерное запоминающее устройство 250 также показано как содержащее выбранные точки 264 разрушения ультразвуком. Имеются выбранные точки 264 разрушения ультразвуком, которые были выбраны из точек 258 разрушения ультразвуком для каждого набора 262 центров масс нагрева. Выбранные точки 264 разрушения ультразвуком были выбраны таким образом, что они относились к нагреванию или тепловой дозе, которая очевидна в частности тепловая карта 260. Компьютерное запоминающее устройство 250 также показано как содержащее пространственно-зависимую корректировку 266 наведения, которая была вычислена с использованием набора 262 центров масс нагрева, и соответствующее выбранные точки 264 разрушения ультразвуком.
Запоминающее устройство 252 компьютера показано как содержащее модуль 270 управления. Модуль управления содержит машиноисполняемый код, который позволяет процессору 246 управлять работой и функционированием медицинского инструмента 200. Например, модуль 270 управления может использовать последовательность 254 импульсов для получения тепловых данных 256 магнитного резонанса. Модуль 270 управления может также использовать точки 258 разрушения ультразвуком для разрушения ультразвуком целевого объема 240. Запоминающее устройство 252 компьютера показано как дополнительно содержащее модуль 272 восстановления тепловых карт. Модуль 272 восстановления тепловых карт содержит машиноисполняемый код, который позволяет процессору 246 восстанавливать тепловые карты 260 по тепловым данным 256 магнитного резонанса. Запоминающее устройство 252 компьютера также показано как содержащее модуль 274 определения центра масс нагрева. Модуль 274 определения центра масс нагрева содержит машиноисполняемый код, который позволяет процессору 246 определять набор 262 центров масс нагрева по тепловым картам 260.
Запоминающее устройство 252 компьютера показано как дополнительно содержащее модуль 276 выбора точек разрушения ультразвуком. Модуль 276 выбора точек разрушения ультразвуком выполнен с возможностью выбора точек 264 разрушения ультразвуком, соответствующих каждому набору центров 262 масс нагрева. Запоминающее устройство 252 компьютера показано как дополнительно содержащее модуль 278 определения пространственно-зависимого исправления наведения, который позволяет процессору 246 вычислять пространственно-зависимую корректировку 266 наведения с использованием набора 262 центров масс нагрева и выбранных точек 264 разрушения ультразвуком. В его самом простом варианте осуществления модуль 278 определения пространственно-зависимой корректировки наведения может просто соответствовать линии или кривой корректировок наведения, определенных в индивидуальных местоположениях. Запоминающее устройство 252 компьютера также показано как содержащее модуль 280 корректировки сфокусированного ультразвука. Модуль 280 корректировки сфокусированного ультразвука выполнен с возможностью изменения команд, отправленных системе 222 сфокусированного ультразвука высокой интенсивности, таким образом, чтобы определенная пространственно-зависимая корректировка наведения использовалась при разрушении ультразвуком клеток субъекта 218.
В большинстве абляционных способов лечения HIFU необходимы многочисленные операции разрушения ультразвуком для абляции цели. Для того, чтобы лечение было настолько безопасным и эффективным насколько это возможно, область абляции каждой отдельной операции разрушения ультразвуком должна быть как можно ближе по размеру и местоположению к назначенной области. Например, если фактически коагулированная область сместится (например) на 5 мм в одном из направлений, это может вызвать серьезную проблему безопасности, если чувствительная структура располагается поблизости. Для того, чтобы уменьшить вероятность систематического влияния эффектов неправильной приводки, таких как неточности расположения робота, а также эффекты первого порядка гетерогенности траектории пучка, текущая стандартная процедура заключается в применении тестового разрушения ультразвуком с малой мощностью, которое дает низкую нелетальную температуру, и по которому может затем быть выведен центр нагрева. Положение излучателя может затем быть скорректировано соответствующим образом, поскольку малые смещения могут быть достаточно хорошо исправлены посредством механического сдвига излучателя.
Однако, если индуцированное тестовым запуском повышение температуры является слишком низким, то определенный центр нагрева подвержен ошибкам, вызванным шумом. Кроме того, даже если корректировка будет сделана правильно для указанного положения разрушения ультразвуком, в котором выполнялось тестовое разрушение ультразвуком, то погрешности в местоположении разрушения ультразвуком будут возникать, если траектории пучка запланированных разрушений ультразвуком будут достаточно сильно отличаться друг от друга. Обычно, траектории пучка всегда отличаются, и расхождение в траекториях пучка просто определяет амплитуду погрешности в местоположении разрушения ультразвуком. Кроме того, акустические и теплофизические свойства изменяются в процессе лечения, при этом уже подвергнутая абляции ткань в пределах целевой области демонстрируют параметры ткани, отличные от не подвергавшейся абляции ткани. Если акустические волны последовательных разрушений ультразвуком проходят (полностью или частично) через эти уже подвергнутые абляции области, то фактически область нагрева будет смещена относительно намеченной области абляции для данной операции разрушения ультразвуком. Следовательно, имеется много причин, почему использование только одного тестового разрушения ультразвуком является недостаточным для высокоточной корректировки положения разрушения ультразвуком для всех последовательных терапевтических разрушений ультразвуком. Это может оказать влияние на безопасность, если близко находятся чувствительные структуры, и наверняка оказывает влияние на эффективность терапии, поскольку нагревание может быть произведено в не предполагаемых для этого областях, что не даст требуемого терапевтического эффекта. Это, в свою очередь, делает разрушения ультразвуком намного менее полезными, и дополнительное время и тепловая энергия требуются для выполнения терапии в соответствии с назначением.
Варианты осуществления изобретения могут адаптивно изменять смещение на основании замеченного в предыдущих абляциях той же самой процедуры. В качестве положения абляции может быть взят, например, центр масс области, в которой тепловая доза достигает летального уровня. Тепловая доза представляет собой интеграл температуры по времени и часто используется в качестве оценки для теплового повреждения, при этом уровень 240 эквивалентных минут при 43°C часто берется в качестве предела для некроза клеток. Если более одного сечения (в частности, если некоторые сечения перпендикулярны намеченной фокусной области) используется для MR-визуализации повышения температуры, то может быть получена 3-D оценка центра масс области абляции.
Полученное таким образом смещение может использоваться, для улучшенной корректировки погрешностей местоположения разрушения ультразвуком. Этот подход уже по существу преодолевает первую проблему, отмеченную выше, которая заключалась в недостаточном повышении температуры по сравнению с уровнем шума. Для того, чтобы произошла летальная абляция, температуры обычно превышают по меньшей мере 55°C, что является на 18°C выше внутренней температуры тела и, таким образом, является легко отличимой. Например, использование тепловой дозы, такой как доза 240 EM в центре массы области, может быть более релевантным, чем температура, поскольку это дает более точную оценку температурно поврежденной области. Использование тепловой дозы и способ вычисления тепловой дозы может быть тканеспецифичным. Например, 240 EM обычно используются в скелетной мышце и также в утробных фиброзных опухолях. В других случаях могут использоваться другие пределы тепловых доз.
В некоторых типах тканей повреждение может также быть большим вследствие температурного порогового эффекта в дополнение к возможности эффекта дозы тепла. Например, быстрое нагревание, которое возникает при ультразвуковой абляции, может быстро увеличить тепловую дозу с величины намного ниже порога до величины намного выше порога за очень короткое время, таким образом, близко имитируя температурный пороговый эффект. Следовательно, для вычисления центр масс вместо тепловой дозы также могут использоваться оценки повреждения клеток вследствие быстрого нагрева. Пространственные зависимости погрешностей местоположения разрушения ультразвуком часто вызываются различиями в траекториях пучка. В случае, например, утробной фиброзной абляции это, в свою очередь, является результатом различия в толщине жировой прослойки, а также близости к границе фиброзной опухоли и миометрии, а также угла падения к жировой прослойке; описанное выше, вероятно, представляет собой большинство преобладающих причин. Однако, данные влияния на распространение волн как функцию интервала не являются быстрыми, и погрешность в местоположении разрушения ультразвуком обычно остается в пределах приблизительно 7 мм даже в пределах больших фиброзных опухолей. Для способов лечения HIFU, в которых применяются внешние излучатели, смещение происходит преимущественно в направлении оси пучка излучателя, которое представляет собой переднезаднее направление в фиброзной терапии.
На фиг. 3 показан пример смещения CM (центра масс) абляции от намеченного местоположения разрушения ультразвуком как функция намеченного местоположения разрушения ультразвуком в направлении снизу вверх. На фиг. 3 CM местоположения абляции смещается в основном снизу вверх как функция положения обрабатываемой клетки (то есть намеченного местоположения разрушения ультразвуком) в направлении снизу вверх в одной утробной фиброзной опухоли. На этом изображении явная пространственная зависимость смещения снизу вверх может быть замечена как функция местоположения снизу вверх намеченного разрушения ультразвуком. На фиг. 3 намеченное местоположение разрушения ультразвуком в направлении 300 снизу вверх является осью X, и смещение фактического местоположения разрушения ультразвуком от намеченного местоположения в направлении 302 снизу вверх показано на оси Y. Обе местоположения даны в миллиметрах. Намеченное местоположение 300 разрушения ультразвуком соответствует множеству точек разрушения ультразвуком, и фактическое местоположение 302 разрушения ультразвуком соответствует области абляции, которая определяется с применением тепловых карт. На этой фигуре можно заметить, что смещение от намеченного местоположения 302 демонстрирует пространственную зависимость. Фиг. 3 иллюстрирует, что подбор, линейный, с многочленом или некоторой другой кривой, может, вероятно, применяться для повышения точности, с которой производится наведение разрушения ультразвуком.
Для простоты планирования намеченные разрушения ультразвуком (называемых обрабатываемыми клетками в платформе MR-HIFU Philips Sonalleve) часто размещаются в одной плоскости, перпендикулярно к пучка излучателя. Эта плоскость, называемая в настоящем описании плоскостью обработки, может быть или не быть наклонена на основании поворота излучателя. Причина использования плоскостей в этом направлении состоит в том, что области абляции обычно удлиняются в направлении оси пучка для большинства внешних излучателей, и, таким образом, в любом случае формируют 3-D области абляции. Затем может быть выполнен 2-D пространственный подбор для смещения CM, для AP (переднезадний), LR (слева направо) и FH (сверху вниз) областей абляции, вызванных уже выполненными разрушениями ультразвуком в пределах плоскости обработки. Одна из возможностей состоит в том, чтобы выполнить 2-D поверхностный подбор для смещений AP, LR и FH областей абляции отдельно и затем интерполировать на положение предстоящего разрушения ультразвуком. Это 3-D положение может затем использоваться в качестве оценки для вероятного смещения разрушения ультразвуком, если корректировка не выполняется, и затем может быть применено в качестве корректировки посредством соответствующего механического сдвига излучателя. Значения CM, используемые для подбора, должны быть из одной и той же системы отсчета, что означает, что механическая корректировка, примененная к предыдущим разрушения ультразвуком, может быть удалена, чтобы подбор проводился только на основании значений смещения, которые являются сравнимыми и зависят только от намеченного местоположения разрушения ультразвуком. Эта идея может также быть применена в случае, когда плоскости обработки не используются, посредством использовании вместо этого 3-D подбора. Однако, разрушения ультразвуком, использующие отличающиеся степени поворота излучателя, но при этом аналогичные положения центра обрабатываемой клетки, вряд ли вызовут аналогичное смещение местоположения абляции. В этих случаях различные повороты должны или обрабатываться отдельно или добавляться в качестве дополнительных измерений к подбору.
Сам подбор может выполняться с получением многочлена достаточно низкой степени для несистематических эффектов (таких как локальная незначительная вариабельность ткани), чтобы не оказать слишком доминирующее влияние. Другие подборы могут также использоваться, но количество коэффициентов, которые будут оцениваться, должно оставаться низким, и используемая функция не должна иметь слишком большую производную, поскольку смещения местоположения разрушения ультразвуком не изменяются быстро как функция смещения, поскольку состав ткани в пределах траектории пучка изменяется медленно при перемещении цели.
Даже при том, что изменения в местоположения обрабатываемой клетки на смещении абляции обычно достаточно медленны, поскольку свойства ткани не изменяются быстро как функция положения, это не сохраняется, если части области уже были подвергнуты абляции. Подвергнутые абляции области могут быть очень локальными и могут, кроме того, иметь сильно отличающиеся акустические и теплофизические свойства. Прежде всего, в подвергнутой абляции ткани обычно отсутствует перфузия, но наибольшее влияние на местоположение абляции оказывают изменения в сопротивлении и поглощении ультразвука, индуцированного во множестве тканей в результате абляции. Поскольку ткань подвергается абляции, белки денатурируют и плотность ткани изменяется, когда изменяется распределение воды в пределах ткани. Это изменение в плотности вызывает изменение в акустическом сопротивлении, которое в свою очередь значительно изменяет распространение волн. Значительные различия в сопротивлении, как известно, вызывают частичные отражения волн ультразвука. Безотносительно фактической причины, энергия ультразвука обычно не распространяется столь же глубоко в недавно подвергавшейся абляции, как в функциональной не подвергавшейся абляции ткани. Так как подвергнутые абляции области могут быть сильно локализованы, то подбор многочлена низкой степени будет неправильным, если в него будут включены разрушения ультразвуком, сделанные в уже подвергнутых абляции областях. Альтернатива состоит в использовании отдельного подбора многочлена более высокой степени в этих областях, но это не обязательно обеспечит робастность подхода. Кроме того, абляции, которые планируются в уже подвергнутой абляции области, очень вероятно, будут сдвинут относительно их намеченного местоположения.
В некоторых случаях разрушения ультразвуком могут быть намечены настолько близко к подвергнутым абляции областям, что волны ультразвука должны будут частично распространиться через уже подвергнутые абляции области. Это является более вероятным сценарием. В этом случае волны, пересекающие подвергнутую абляции ткань, будут отражаться сильнее, чем волны, проходящие через интактную ткань. Это фактически приведет к появлению фокуса в местоположении, которое сдвинуто относительно намеченного местоположения разрушения ультразвуком в направлении в сторону от подвергнутой абляции области при наблюдении перпендикулярно к оси пучка. Сдвиг может быть значительным, и один из способов решения этой проблемы заключается в выдаче предупреждения пользователю, если запланированная траектория пучка уже пересекает подвергнутую абляции ткань. Другое возможное решение состоит в том, чтобы использовать трассировку лучей или некоторый другой инструмент акустического моделирования, чтобы оценить уровень искажения, которое, вероятно, будет происходить.
Подобные вещи могут произойти, если запланированное разрушение ультразвуком близко к границе целевой области, или проходит через значительно отличающуюся траекторию пучка. Например, если разрушение ультразвуком планируется для границы в направлении LR/FH утробной фиброзной опухоли, то более или менее половина волн ультразвука распространяется через миометрий, чтобы достигнуть фокуса, тогда как другая половина распространяется через утробную фиброзную опухоль. Эти две ткани имеют различные акустические и теплофизические свойства, что приводит к отличию фактического местоположения разрушения ультразвуком от случая, когда большинство ультразвуковых волн распространяется, главным образом, в пределах фиброзной опухоли. Смещение будет зависеть от локальных пространственных изменений в свойствах ткани, и его сложно оценить. Однако, одно из решений могло бы состоять в том, чтобы допустить применение корректировок более высокого порядка на самых границах ткани - мишени, хотя это будет требовать наличия большого количества достоверных наблюдений.
Использование пространственного подбора, например, многочлена низкой степени для числа измерений от одного до трех, может использоваться для оценки и корректировки пространственных смещений области абляции. Корректировка может быть выполнена, посредством соответствующего механического сдвига излучателя. Если большие смещения должны достигать требуемой точности, то начальные значения должны, вероятно, быть исключены из более поздних подборов, поскольку механическое линейное смещение не является допустимой оценкой необходимой корректировки, если траектория пучка значительно изменяется значительно вследствие большой корректировки смещения. Смещения области абляции должны быть преобразованы в ту же самую систему отсчета для подбора, чтобы они являлись допустимыми (механическая корректировка удалена). Для малых смещений могут также быть выполнены электронные смещения, если используется преобразователь на фазированной решетке. Инструменты акустического моделирования могут применяться для получения дополнительной информации.
Если уже подвергнутая абляции ткань находится в пределах траектории пучка запланированного разрушения ультразвуком, то может быть выдано предупреждение, сообщающее, что абляция, вероятно, будет сдвинута. Объем перекрытия траектории пучка с подвергнутой абляции областью будет оказывать влияние на степень смещения, и направление смещения будет направлено в сторону от подвергнутой абляции области, если перекрытие будет встречаться близко к области траектории пучка и только частично. Это может быть принято во внимание при проведении абляции вблизи к чувствительным структурам, воздействие на которые следует избегать. Инструменты акустического моделирования могут применяться для получения дополнительной информации.
При нахождении очень близко к краю ткани - мишени, могут возникать более тяжелые искажения в форме пучка, чем в другом случае, и подбор многочлена низкого порядка может быть недостаточным. Пространственный подбор более высокого порядка может тогда использоваться для краев, но этот подход может быть подвержен погрешностям. Инструменты акустического моделирования также могут применяться в этом случае.
На фиг. 4 показано, как подбор многочлена 1й степени в двух измерениях снижает FH смещение данных, показанных на фиг. 3. В этом случае нескорректированные данные 304 отмечены звездочкой, и скорректированные данные показаны кружками 400. Кружки 400 показывают смещение местоположений абляции в направлении сверху вниз как функцию положения обрабатываемой клетки после того, как был применен 2-D подбор многочлена первого порядка. Можно заметить, что смещение от намеченного местоположения меньше, чем с первоначальным набором данных 304. Это показывает, каким образом варианты осуществления изобретения могут быть применены для повышения точности наведения системы сфокусированного ультразвука высокой интенсивности. Как и на фиг. 3, на фиг. 4 показано смещение CM местоположений абляции в направлении снизу вверх как функция положения обрабатываемой клетки (то есть намеченного местоположения разрушения ультразвуком) в направлении снизу вверх в одной утробной фиброзной опухоли до корректировки (синие звездочки) и после корректировки с подбором 2-D многочлена 1-го порядка (красные кружки).
Корректировка не была применена для первых 4 абляций, во время которых применялась только корректировка тестового запуска. Это делалось для того, чтобы при подборе 3 параметров имелось достаточно данных для достоверного подбора. Альтернатива могла бы заключаться в применении корректировки нулевого порядка для самых первых абляций. С применением предложенной стратегии корректировки, среднее абсолютное FH смещение было снижено с 1,08 мм до 0,65 мм в остальных разрушениях ультразвуком для изучаемого случая. Смещения меньше зависят от локальных различий ткани, перпендикулярных к траектории пучка, и многочлены более высокого порядка могут, таким образом, использоваться для тех подборов, при которых даже корректировки нулевого порядка могут быть применены в направлении AP.
В качестве возможного улучшения, начиная со второго разрушения ультразвуком, смещение, найденное во время первой абляции, может использоваться в качестве корректировки нулевого порядка. Как только будет обнаружено, что смещения находятся выше определенной пороговой амплитуды, и было выполнено достаточное количество разрушений ультразвуком для того, чтобы обеспечить статистическую значимость для наблюдаемой пространственной зависимости, тогда пространственные подборы могут быть введены для дальнейшей корректировки смещений. Это дает более усовершенствованный подход, который, вероятно, обеспечить улучшение корректировки по сравнению с подходами, изложенными выше. Он может быть расширен для тестирования пространственных корреляций более высокого порядка и последующего включения этих корректировки, если будет найдено, что коэффициенты действительно являются статистически значимыми, например, при заданном p-значении. Подборы более высокого порядка могут также быть добавлены, и фактическое значение каждого коэффициента повторно оценивается после каждого разрушения ультразвуком при необходимости. Зависимости, коэффициенты которых, как было показано, не являются значимыми, могут быть удалены одна за другой, начиная с наименее значимого коэффициента. В этом заключается один из способов снижения вероятность подбора шума, то есть локальных расхождений, которые не помогают объяснить общее поведение.
Фиг. 5 иллюстрирует представление тепловой карты 500. Кривые 500 представляют или кривые температурной карты или карту тепловой дозы. Крест 502 указывает центр 502 масс нагрева, указанный на тепловой карте 500. Крест 504 указывает намеченное местоположение 504 разрушения ультразвуком. Стрелка 506 иллюстрирует смещение центра масс нагрева от местоположения 504 разрушения ультразвуком. Смещение 506 с использованием группы или набора центров масс нагрева может использоваться для получения пространственно-зависимой корректировки наведения.
Несмотря на то, что изобретение было проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и в предшествующем описании, такую иллюстрацию и описание следует считать иллюстративными или примерными, но не ограничивающими; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления.
Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и произведены специалистами в данной области техники при практическом применении заявленного изобретения на основании изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, и единственное число не исключает множества. Один процессор или другой модуль могут выполнять функции нескольких элементов, изложенных в пунктах формулы изобретения. Сам факт того, что определенные меры излагаются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не показывает, что комбинация этих мер не может применяться с выгодой. Компьютерная программа может храниться/распространяться на соответствующем носителе информации, таком как оптический носитель или твердотельный носитель, поставляемый вместе с или как часть других технических средств, но может также поставляться в других формах, например, через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы. Любые условные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие его объем.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
200 медицинский инструмент
202 система магнитно-резонансной визуализации
204 магнит
206 канал магнита
208 зона визуализации
210 градиентные катушки магнитного поля
212 источник питания градиентных катушек магнитного поля
214 радиочастотная катушка индуктивности
216 приемопередатчик
218 субъект
220 опора субъекта
222 система сфокусированного ультразвука высокой интенсивности
224 заполненная жидкостью камера
226 ультразвуковой излучатель
228 механизм
230 механический привод/источник питания
232 траектория ультразвука
234 ультразвуковое окно
236 гелевая подушка
238 точка разрушения ультразвуком
240 целевой объем
242 компьютерная система
244 аппаратный интерфейс
246 процессор
248 пользовательский интерфейс
250 запоминающее устройство компьютера
252 память компьютера
254 последовательность импульсов
256 тепловые данные магнитного резонанса
258 точки разрушения ультразвуком
260 тепловые карты
262 набор центров масс нагрева
264 выбранные точки разрушения ультразвуком
266 пространственно-зависимая корректировка наведения
270 модуль управления
272 модуль восстановления тепловых карт
274 модуль определения центра масс нагрева
276 модуль выбора точек разрушения ультразвуком
278 модуль определения пространственно-зависимой корректировки наведения
280 модуль корректировки фокуса ультразвука
300 предполагаемое местоположение разрушения ультразвуком (мм)
302 фактическое местоположение разрушения ультразвуком (мм)
304 нескорректированный
500 тепловая карта
502 центр масс нагрева
504 местоположение разрушения ультразвуком
506 смещение