專利名稱：用于追蹤和引導(dǎo)高強(qiáng)度聚焦超聲波束的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)應(yīng)用。更具體地，本發(fā)明涉及用于追蹤和引導(dǎo) HIFU波束的系統(tǒng)及方法。雖然示例性實(shí)施例主要涉及聲波止血，但是所公開的系統(tǒng)及方法 適于任何HIFU應(yīng)用，其包括但不限于針對子宮纖維化、腫瘤和心律不齊(諸如心房纖維顫 動)的HIFU治療。
背景技術(shù)：
當(dāng)今，由肢體傷口引起的失血是可預(yù)防的戰(zhàn)場死亡的頭號原因。在平民傷亡中，因 內(nèi)出血引起的失血過多是外傷受害者死亡的最顯著原因。止血治療(諸如HIFU和電灼)可 以被用來快速止住內(nèi)出血以防止發(fā)作漸進(jìn)且不可逆的出血性休克(其最終導(dǎo)致死亡)。必 須檢測到出血的發(fā)作和在空間上確定其位置以便有效地處置這些外傷傷口。作為Philips ResearchBriarcliff的DAPRA DBAC項(xiàng)目的一部分，基于3D多普勒超聲的技術(shù)已被開發(fā)用 于通過追蹤從多普勒頻譜中提取的定量參數(shù)(諸如阻抗系數(shù)PI)的變化來自動檢測和定位 出血部位(在此稱作“出血檢測和定位”或“BD&L”)。對于這些急診類應(yīng)用，該設(shè)備被設(shè)計(jì) 成不依賴于操作者的，因此不提供允許用戶交互和控制的基于圖像的反饋。因此，對于基于HIFU的止血處置的成功而言極其必要是連續(xù)追蹤治療是否被投 放在正確位置上的能力。由于組織非均勻性和缺少有關(guān)局部熱和聲學(xué)特性的定量信息，在 期望的處置空間位置和HIFU焦點(diǎn)的實(shí)際物理位置之間存在誤差。因此，追蹤和引導(dǎo)系統(tǒng)必 須主動地將HIFU波束重新聚焦在預(yù)期位置上，以便將治療投放在合適地點(diǎn)，同時(shí)不對周圍 正常組織造成不希望的傷害。雖然BD&L技術(shù)可以重復(fù)確定出血速度是否變慢或停止，但是 這些技術(shù)不提供任何與相對于期望處置位置的治療的最佳重新定向或重新聚焦相關(guān)的定 量反饋或空間信息。大量研究人員已經(jīng)提出利用B模式圖像來通過追蹤超強(qiáng)回波的存在提供成像反 饋并在空間上定位HIFU波束。然而，已經(jīng)證明這種信息并非始終可靠，這是因?yàn)槌夭?會在組織已被消融之后和在局部組織溫度接近沸點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)很長一段時(shí)間。組織的非均質(zhì) 結(jié)構(gòu)會使得沸騰之前HIFU聚焦區(qū)域的直接B模式顯象更具有挑戰(zhàn)性。參見B. A. Rabkin, V. Zderic 禾口 S. Vaezy 的“Hyperecho in ultrasound images of HIFU therapy involvement ofcavitation", Ultrasound Med Biol，H 31·，pp. 947—56，2005。 *雙白勺it 蹤方法必須能夠定位HIFU焦點(diǎn)，同時(shí)不對正常組織造成任何傷害。下列美國、外國和PCT專利及公開文本提供了有關(guān)止血和/或HIFU系統(tǒng)的現(xiàn)有技 術(shù)的實(shí)例。在所有情形下，所公開的系統(tǒng)及方法都不能提供足以追蹤和引導(dǎo)治療HIFU波束的適當(dāng)手段。EP0989822號歐洲專利公開文本描述了一種在患者體內(nèi)實(shí)施遠(yuǎn)程止血的方法。該 方法包括識別內(nèi)出血部位，以及將來自輻射源的治療超聲能量聚焦透過組織以凝固所述部 位附近的血液。圖像換能器典型地利用脈沖多普勒彩色血流成像、彈性成像、血管造影術(shù)或 類似技術(shù)來提供具有內(nèi)出血部位的患者身體的一部分的圖像。因此，本專利公開文本描述 了一種實(shí)現(xiàn)止血的方法和超聲波法在識別出血上的使用。具體而言，所提及的歐洲公開文 本未描述用于識別HIFU焦點(diǎn)位置以確保處置期望位置的方法。US2005/215899號美國專利公開文本描述了一種利用聲輻射力脈沖成像識別經(jīng)消 融的組織的方法。所公開的方法包括生成聲輻射力脈沖(ARFI)圖像數(shù)據(jù)，其中剛度增加 的區(qū)域代表經(jīng)消融的組織。ARFI因此被用來確定經(jīng)消融的區(qū)域的范圍和尺寸。然而，該公 開文本未提出在開始消融之前檢測HIFU焦點(diǎn)以確定消融是否將施加在期望的部位上的方 法。另外，用于ARFI的超聲處理不是利用HIFU換能器生成的。W02004075987號PCT公開文本描述了一種HIFU投放方法，其用于追蹤和計(jì)算目標(biāo) 患者的身體運(yùn)動。所公開的方法包括獲取患者靶區(qū)域的超聲圖像數(shù)據(jù)，將當(dāng)前的圖像數(shù)據(jù) 與先前獲取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。對差異進(jìn)行分析以在施予HIFU處置之前檢測和計(jì)算患 者運(yùn)動。該專利公開文本未涉及ARFI的使用。相反地，該公開文本依賴一系列超聲圖像來 確定和計(jì)算運(yùn)動。另外，所公開的技術(shù)不檢測HIFU波束的焦點(diǎn)。US2005/203399號美國專利公開文本描述了一種用于婦產(chǎn)科治療的圖像引導(dǎo)的 HIFU設(shè)備。使用框架確保設(shè)計(jì)用于陰道的高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)換能器與市場銷售的超 聲圖像探頭保持對準(zhǔn)，以便在HIFU治療過程中將HIFU焦點(diǎn)保持在圖像平面上。該專利公 開文本未提出利用ARFI來確定HIFU焦點(diǎn)的位置。所提出的機(jī)械框架特別適用于婦產(chǎn)科中 的換能器幾何形狀，不能擴(kuò)展至HIFU的其它臨床應(yīng)用。另外，HIFU焦點(diǎn)位置只能在2維平 面內(nèi)得到確定。盡管迄今為止作出的這些努力，還需要用于有效追蹤和引導(dǎo)HIFU波束的系統(tǒng)及 方法。這些和其它需求通過本發(fā)明來滿足，本發(fā)明將從下列描述中變得顯而易見。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了便于高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)的系統(tǒng)和方法。更具體地，本發(fā)明提供 了便于在HIFU應(yīng)用中的波束追蹤和引導(dǎo)的系統(tǒng)和方法。一般而言，當(dāng)前公開的系統(tǒng)及方法包括利用聲輻射力脈沖(ARFI)成像來確定具 有HIFU能力的換能器相對于靶區(qū)域的焦點(diǎn)位置。然后可以將該焦點(diǎn)位置與期望的處置位 置進(jìn)行比較，因此可以調(diào)整換能器的方位和焦點(diǎn)以便相對于期望的處置位置指引HIFU波 束。在示例性實(shí)施例中，基于超聲彈性成像的技術(shù)被用于實(shí)時(shí)估計(jì)HIFU波束的焦點(diǎn)位置。 所估計(jì)的焦點(diǎn)位置與期望的處置位置作比較。典型地，處理器用于計(jì)算和調(diào)整換能器的焦 點(diǎn)及方位以便相對于期望的處置位置最佳地指引HIFU波束?；诔晱椥缘募夹g(shù)，諸如聲輻射力脈沖(ARFI)成像，可以用于確定焦點(diǎn)位置。 例如參見 K. Nightingale，R. Bentley，禾口 G. Trahey 的 “Observationsof tissue response to acoustic radiation force !opportunities for imaging”， Ultrason Imaging，24 卷，pp. 129-38，2002 ；K. Nightingale，M. S. Soo, R. Nightingale 禾口 G. Trahey 的 “Acousticradiation force impulse imaging :in vivodemonstration of clinical feasibility", Ultrasound Med Biol，28卷，pp. 227-35，2002。在包括ARFI成像的示例性實(shí)施例中，換能 器相對于靶區(qū)域引發(fā)輻射力，例如利用和/或基于低能超聲處理?？梢酝ㄟ^檢測受到輻射 力之后的最大組織位移點(diǎn)來確定焦點(diǎn)位置。一般而言，可以在HIFU治療開始之前實(shí)施所公開的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法涉 及HIFU波束的追蹤和引導(dǎo)。因此，所公開的系統(tǒng)和方法有利地便于將HIFU波束相對于處 置位置聚焦，同時(shí)將附帶的對周圍組織的傷害降至最低。在示例性實(shí)施例中，“出血檢測和 定位”(BD&L)技術(shù)可以被用來檢測和定位期望的處置位置。因此，HIFU波束追蹤和波束聚 焦步驟可以循環(huán)地與BD&L和HIFU波束施予交錯執(zhí)行以連續(xù)地確保將HIFU治療投放到期 望的處置位置。所公開的系統(tǒng)和方法具有廣泛的應(yīng)用，并且提供很多優(yōu)于本發(fā)明所討論的現(xiàn)有技 術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。所公開的系統(tǒng)和方法的其它特征、功能和好處將從下列描述(特別地，在結(jié)合附 圖進(jìn)行閱讀時(shí))中變得顯而易見。


為幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員制造和使用所公開的系統(tǒng)及方法，參考附圖，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明用于止血的示例性高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)系統(tǒng)的方框圖；圖2是使用圖1的HIFU系統(tǒng)的示例性時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明提供了便于高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)的有利系統(tǒng)和方法。通常，在此公 開的系統(tǒng)包括⑴具有HIFU能力的換能器，(ii)診斷成像探頭，和(iii)處理器。所公開 的方法典型地包括確定具有HIFU能力的換能器的焦點(diǎn)位置以及相關(guān)的追蹤/引導(dǎo)步驟/ 功能。根據(jù)本發(fā)明，聲輻射力脈沖(ARFI)成像用于檢測具有HIFU能力的換能器相對于 靶區(qū)域的焦點(diǎn)位置。在示例性實(shí)施例中，診斷成像探頭被用于探測靶區(qū)域并在相對于靶區(qū) 域引起輻射力之前和之后獲得成像數(shù)據(jù)。通常利用具有HIFU能力的換能器(例如利用低 能超聲處理)來引起輻射力。輻射力引發(fā)靶區(qū)域的運(yùn)動，并且具有最大組織位移的區(qū)域代 表換能器的焦點(diǎn)位置。因此，在示例性實(shí)施例中，利用處理器比較和/或分析成像數(shù)據(jù)以確 定相對于靶區(qū)域的具有HIFU能力的換能器的焦點(diǎn)位置。在檢測到具有HIFU能力的換能器的焦點(diǎn)位置之后，可以調(diào)整換能器的方位和/或 焦點(diǎn)，以使新的/調(diào)整后的焦點(diǎn)位置與期望的處置位置基本匹配。在示例性實(shí)施例中，連續(xù) 地檢測和調(diào)整換能器的焦點(diǎn)位置以便相對于期望的處置位置和/或處置路徑動態(tài)追蹤和 引導(dǎo)HIFU波束。通常，利用HIFU波束進(jìn)行的處置(例如高能超聲處理的施予)不會在所 檢測到的焦點(diǎn)位置與期望的處置位置基本匹配之前啟動，從而降低了對周圍組織造成損害 的風(fēng)險(xiǎn)。在示例性實(shí)施例中，可以利用BD&L技術(shù)來動態(tài)地確定期望的處置位置。因此，在 示例性實(shí)施例中，利用基于三維多普勒超聲技術(shù)確定期望的處置位置，在所述多普勒技術(shù) 中，從多普勒頻譜中提取的定量參數(shù)(諸如阻抗系數(shù)PI)的變化被用于檢測和定位用于處置的出血部位。一般而言，也可以利用其他檢測和定位技術(shù)來替換BD&L技術(shù)或與之結(jié)合以 確定期望的處置區(qū)域?，F(xiàn)在參見圖1，描繪了一種示例性的用于引發(fā)止血的HIFU系統(tǒng)10。該系統(tǒng)包括具 有HIFU能力的換能器20、診斷成像探頭22和處理器24。相對于靶區(qū)域28設(shè)置換能器20 和探頭22。靶區(qū)域28通?？梢酝ㄟ^對損傷的粗略初始評估來確定。在相對于靶區(qū)域28設(shè)置換能器20和探頭22之后，可以利用BD&L技術(shù)檢測出血 部位的空間位置(期望的處置位置26)。一般而言，利用三維多普勒頻譜分析來檢測期望的 處置位置26。用于產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的超聲處置可以通過換能器20來提供。由探頭22獲取 并且由處理器24來分析用于頻譜分析的數(shù)據(jù)。一旦已確定期望的處置位置26，可以利用超聲彈性技術(shù)(諸如ARFI成像)檢測換 能器20的焦點(diǎn)位置。在示例性實(shí)施例中，相對于靶區(qū)域28施加診斷級追蹤脈沖，并且獲取 第一組反向散射數(shù)據(jù)以用作參考。在獲取參考反向散射數(shù)據(jù)之后，相對于靶區(qū)域28利用換 能器20施加低能超聲處理。該低能超聲處理引發(fā)相對于靶區(qū)域28的輻射力，其導(dǎo)致組織 位移。在替換實(shí)施例中，探頭22也可以用于單獨(dú)或與換能器20結(jié)合地引發(fā)輻射力。在輻 射力已導(dǎo)致組織位移之后，可以相對于靶區(qū)域28施加第二組追蹤脈沖，并且獲取第二組反 向散射數(shù)據(jù)。處理器24用于比較和分析第一和第二組反向散射數(shù)據(jù)以確定換能器20的焦 點(diǎn)位置。換能器20的焦點(diǎn)位置對應(yīng)于最大組織位移點(diǎn)。在換能器20的焦點(diǎn)位置已經(jīng)確定之后，處理器24調(diào)整換能器20的方位和/或焦 點(diǎn)，使得新的焦點(diǎn)位置與期望的處置位置26基本匹配。由此將HIFU波束的焦點(diǎn)配置成與 利用BD&L技術(shù)確定的出血部位相符。圖2描繪了使用圖1的系統(tǒng)10的示例性時(shí)序。在示例性實(shí)施例中，BD&L和/或追 蹤/引導(dǎo)技術(shù)可以循環(huán)地重復(fù)以形成動態(tài)自校正系統(tǒng)。因此，HIFU波束治療的投放可以周 期性地被中斷，例如以確保換能器的正確方位和/或焦點(diǎn)。BD&L技術(shù)還可以用于追蹤出血 速率和確定出血速率是否已變小或停止。在示例性實(shí)施例中，未變小的出血速率可能表明 HIFU波束未正確聚焦或完全無效。因此，如果在一段時(shí)間周期內(nèi)未檢測到出血速率變小，則 處理器可以停止HIFU治療。如果HIFU治療因出血速率未變小而停止，則可以應(yīng)用追蹤和 引導(dǎo)技術(shù)來在重新開始處置之前重新確定換能器的方位和/或?qū)⑵渲匦戮劢?。因此，所公開的系統(tǒng)和方法可以有利地用在各種高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)應(yīng)用中。 所公開的系統(tǒng)和方法便于相對于靶區(qū)域和/或靶路徑對HIFU波束進(jìn)行追蹤和引導(dǎo)。所公 開的系統(tǒng)/方法具有廣泛的應(yīng)用，其包括超聲止血技術(shù)、子宮纖維化的處置、腫瘤處置和心 房纖維顫動處置。雖然已參考示例性實(shí)施例及其實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是所公開的系統(tǒng) 和方法不限于這些示例性實(shí)施例/實(shí)施方式。相反地，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員將從在此提供 的描述中明顯看出的那樣，所公開的系統(tǒng)和方法易于進(jìn)行改進(jìn)、改變和增強(qiáng)，同時(shí)不脫離本 發(fā)明的精神或范圍。因此，本發(fā)明清楚地將這些改進(jìn)、改變和增強(qiáng)包括在其范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種便于相對于靶區(qū)域施予高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)波束的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括a.具有HIFU能力的換能器；b.診斷成像探頭，以及c.與所述換能器和所述探頭通信的處理器；其中，所述診斷成像探頭適于獲取所述靶區(qū)域的第一組成像數(shù)據(jù)，其中，所述換能器適于利用低能超聲處理相對于所述靶區(qū)域引發(fā)輻射力，其中，所述診斷成像探頭適于在已經(jīng)引發(fā)所述輻射力之后獲取所述靶區(qū)域的第二組成像數(shù)據(jù)，并且其中，所述處理器適于比較所述第一和第二組成像數(shù)據(jù)以確定相對于所述靶區(qū)域的所述換能器的焦點(diǎn)位置。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中調(diào)整所述換能器的方位和焦點(diǎn)使得所確定的焦點(diǎn)位置與期望的處置位置相匹配。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中 所述換能器適于進(jìn)行止血處置。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中使用出血檢測和定位(BD&L)技術(shù)來確定期望的處置位置。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中 所述BD&L技術(shù)包括利用多普勒超聲分析。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中通過檢測來自第一和第二追蹤脈沖的反向散射來獲取所述第一和第二組成像數(shù)據(jù)。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中通過利用互相關(guān)和時(shí)延估計(jì)技術(shù)分析所檢測的反向散射來確定所述焦點(diǎn)位置。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述焦點(diǎn)位置被確定為表現(xiàn)出最大位移的靶樣本的區(qū)域。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述換能器還適于利用高能超聲處理處置所述靶區(qū)域。
10.一種便于相對于靶區(qū)域施予高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)波束的方法，所述方法包括a.探測所述靶區(qū)域以獲取第一組成像數(shù)據(jù)；b.利用來自具有HIFU能力的換能器的低能超聲處理相對于所述靶區(qū)域引發(fā)輻射力；c.探測所述靶區(qū)域以獲取第二組成像數(shù)據(jù)；d.比較所述第一組成像數(shù)據(jù)和所述第二組成像數(shù)據(jù)以確定相對于所述靶區(qū)域的所述 換能器的焦點(diǎn)位置；以及e.利用來自所述換能器的高能超聲處理處置所述靶區(qū)域。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括以下步驟在處置所述靶區(qū)域之前調(diào)整所述換能器的方位和焦點(diǎn)，從而使得所確定的焦點(diǎn)位置與 期望的處置位置相匹配。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中 所述換能器被用于進(jìn)行止血處置。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括以下步驟利用出血檢測和定位(BD&L)技術(shù)確定期望的位置。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其中 重復(fù)這些步驟直至不再需要進(jìn)行處置。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其中使用BD&L技術(shù)來確定何時(shí)不再需要進(jìn)行處置。
全文摘要
本發(fā)明提供用于追蹤和引導(dǎo)高強(qiáng)度聚焦超聲波束(HIFU)的系統(tǒng)和方法。更具體地，所公開的系統(tǒng)和方法包括利用聲輻射力脈沖(ARFI)成像來確定具有HIFU能力的換能器相對于靶區(qū)域的焦點(diǎn)位置。然后可以將該焦點(diǎn)位置與期望的處置位置進(jìn)行比較，因此可以調(diào)整換能器的方位和焦點(diǎn)以便相對于期望的處置位置重新配置和/或重新聚焦HIFU波束?？梢岳贸鲅獧z測和定位(BD&L)技術(shù)動態(tài)確定期望的處置位置。因此，可以利用三維多普勒超聲技術(shù)來確定期望的處置位置，其中從多普勒頻譜中提取的定量參數(shù)(例如阻抗系數(shù)PI)的變化被用于檢測和定位用于處置的出血部位。
文檔編號A61N7/02GK101902971SQ200880122294
公開日2010年12月1日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者A·阿南德, J·彼得魯齊洛 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司