用于確定組織特性的裝置和方法
【專利說明】
[0001] 分案申請(qǐng) 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2008年9月26日、申請(qǐng)?zhí)枮?00880115360. 9、名稱為"用于確定組 織特性的裝置和方法"的中國發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及一種用于確定組織的特性的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 肝臟是腫瘤最常見的部位，可以是主瘤或副瘤(轉(zhuǎn)移性)。在西方世界，肝腫瘤一般 表示轉(zhuǎn)移性疾?。╩etastaticdisease)。患有結(jié)腸直腸癌的病人的主要死因（發(fā)生率：2004 年瑞典為大約6000例）是肝轉(zhuǎn)移的存在，這影響了這些病人中的大約一半。乳腺癌是女性 中最常見的癌癥，2004年瑞典為大約6900新病例。前列腺癌是男性中最常見的癌癥，當(dāng)前 在瑞典發(fā)生率為9900病例/年。肺癌是瑞典第三常見癌癥，每年有3200個(gè)新病例。胰腺 癌占新癌癥的大約2% (2004年瑞典有900例新病例），但是具有預(yù)診斷（prognosis)很少。 10年的女性相對(duì)存活率為1. 3%，男性為1. 5%。特別重要的是找到對(duì)于這種疾病的更好的 療法。上述癌癥是適合間質(zhì)內(nèi)熱療（interstitialthermotherapy)的實(shí)體腫瘤的例子。
[0004] 實(shí)體腫瘤的治療 標(biāo)準(zhǔn)處理 外科手術(shù)切除是以治療為目的的處理的主要方式，且外科手術(shù)切除與疾病的輔助化學(xué) 療法組合，對(duì)于疾病的化學(xué)療法，抑制細(xì)胞生長的藥物具有明顯的效果。當(dāng)治療的目的是減 輕病癥時(shí)，化學(xué)療法是唯一的處理手段。抑制細(xì)胞生長的藥物一般通過靜脈注射或口服系 統(tǒng)地給藥，但是也可以通過動(dòng)脈內(nèi)灌注來局部地給藥。關(guān)于局部的功效，放射療法似乎劣于 外科手術(shù)切除。
[0005] 微創(chuàng)治療，包括局部破壞法 如射頻切割（RFA)、激光誘導(dǎo)高熱、冷療法和經(jīng)皮酒精注射（PEI))等一些方法已經(jīng)被 相當(dāng)廣泛地使用。像微波凝固治療或光動(dòng)力治療等其它方法在具有實(shí)體腫瘤的病人中使用 得不頻繁。像電熱療或高強(qiáng)度聚焦超聲等一些方法正在開發(fā)。
[0006] 與外科手術(shù)切除相比，局部腫瘤破壞的優(yōu)點(diǎn)包括：a)選擇性的組織損傷，這導(dǎo)致更 少的免疫抑制和更少的生長因子的釋放；b)最小的處理發(fā)病率和死亡率；以及c)由于可以 在局部治療之前或局部治療時(shí)開始化學(xué)療法，因此能夠以更有效的方式使用化學(xué)療法。
[0007] 間質(zhì)內(nèi)激光高熱 間質(zhì)內(nèi)激光高熱是熱療法，該療法通過吸收光來破壞腫瘤。早期的試驗(yàn)和臨床研宄使 用Nd-YAG激光和插入腫瘤中央的裸光纖（bare fibre)，這產(chǎn)生直徑為I. 5cm或更小的損傷 (lesion)。不久明顯的是，臨床應(yīng)用需要更大的損傷和更好的組織效果控制。改進(jìn)損傷尺 寸的方法包括多纖系統(tǒng)，擴(kuò)散器式纖維和血管血流阻斷。然而，間質(zhì)內(nèi)激光高熱的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用 導(dǎo)致組織的蒸發(fā)和碳化，以及相對(duì)不可預(yù)測的組織損傷和損害尺寸。這導(dǎo)致反饋控制系統(tǒng) 的研發(fā)，反饋控制系統(tǒng)借助于設(shè)置值在距處理點(diǎn)多個(gè)距離并且連接有計(jì)算機(jī)和激光器的溫 度傳感器來監(jiān)控組織內(nèi)的溫度，并且連接有計(jì)算機(jī)和激光。這些系統(tǒng)的思想在于，當(dāng)監(jiān)控的 溫度高于設(shè)定溫度或低于設(shè)定溫度時(shí)，調(diào)節(jié)激光輸出，以將監(jiān)控的溫度返回到期望的溫度 水平。由此，能夠在已知組織體積的周圍的測量點(diǎn)處在期望的時(shí)間段內(nèi)保持大致恒定的溫 度，這樣的目的是賦予損傷尺寸和細(xì)胞傷害的類型高度的精確性。
[0008]處理效果的反饋控制的一個(gè)好處在于，確保了腫瘤組織周圍的可再現(xiàn)的且溶解細(xì) 胞的溫度?？刂茡p傷尺寸的另一個(gè)方法是使用劑量計(jì)劃系統(tǒng)，該劑量計(jì)劃系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同 組織、輸出功率和處理持續(xù)時(shí)間的損傷尺寸的計(jì)算。局部處理計(jì)劃還可以與計(jì)算機(jī)輔助圖 形分析結(jié)合，從而以3D視圖的形式給出關(guān)于腫瘤、血管和膽管的尺寸和位置的信息。
[0009]然而，這種方法只確定了溫度傳感器附近的溫度，但是沒有給出是否在將被處理 的整個(gè)組織實(shí)現(xiàn)所需的溫度的信息。
[0010]間質(zhì)內(nèi)激光熱療（ILT) 間質(zhì)內(nèi)激光熱療是間質(zhì)內(nèi)激光高熱的變形，其中，重點(diǎn)是在46~48°C的溫度殺死腫瘤 細(xì)胞，即所在的溫度不使腫瘤細(xì)胞抗原凝固。然后，ILT最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡而仍允許腫瘤抗 原完好的存在。在老鼠和人類病例中，這都引起局部發(fā)炎反應(yīng)，并且這都能產(chǎn)生有效的免疫 響應(yīng)。這與使用高溫的切割技術(shù)不同，所述切割技術(shù)使用高溫由此致使組織的瞬時(shí)壞死。這 也與使用顯著低溫，即< 41. 5°C和長曝光時(shí)間的傳統(tǒng)高熱不同。
[0011] 對(duì)于激光源的反饋控制，通常使用被置于腫瘤內(nèi)和/或腫瘤邊界的一個(gè)或多個(gè)溫 度計(jì)(熱敏電阻或熱電偶)。這種類型的監(jiān)控的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，需要探針的間質(zhì)內(nèi)定位，由此 需要額外的準(zhǔn)備。有利的是包圍如熱敏電阻探針等監(jiān)控裝置，使激光纖靠近激光頭，避免對(duì) 于溫度測量的單獨(dú)穿刺。
[0012] 在使用溫度計(jì)的反饋控制期間出現(xiàn)的問題在于僅測量局部溫度，且如果在不靠近 溫度計(jì)的組織內(nèi)發(fā)生過熱(或者加熱不足）則不能檢測到。由于過熱可能導(dǎo)致組織的碳化 和/或壞死破壞（necrotic breakdown)，因此過熱是不期望的。碳化可以作為黑色層存在 于熱源周圍，該黑色層破壞光穿透并且減小光能在組織內(nèi)傳播的距離。快速的壞死破壞可 能招致毒化（poisoning)。由于加熱不足導(dǎo)致不能對(duì)組織有效處理，因此加熱不足是不希望 的。確定由加熱引起的組織的電特性的變化的嘗試已經(jīng)使用植入引導(dǎo)件（implanted Iead) 和熱敏電阻或熱電偶，植入引導(dǎo)件設(shè)置有電極，以測量組織的阻抗或傳遞特性，熱敏電阻或 熱電偶用于測量溫度-組織阻抗熱療法。對(duì)于阻抗測量中使用的電流使用不同的頻率能 夠測量組織在測量電極附近的阻抗以及更遠(yuǎn)的組織的阻抗。然而，由于在溫度讀數(shù)達(dá)到高 穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)（即，恒定溫度，例如46 °C)獲得的阻抗或傳遞特性的值以其似乎在偏移的方 式連續(xù)地變化，見圖4和圖5,因此迄今為止的結(jié)果被認(rèn)為不可靠。這些圖示出了在距激光 頭三個(gè)位置處溫度和阻抗相對(duì)于時(shí)間的關(guān)系。兩個(gè)圖都具有類似的模式，在測量阻抗的情 況下，都示出所測量的組織特性的變化隨著組織溫度變化，并且阻抗發(fā)生不可逆變化，使得 例如在試驗(yàn)開始的40°C與加熱階段結(jié)束時(shí)的40°C的阻抗不同。類似地，使用在"電阻抗溫 度圖的高溫感應(yīng)導(dǎo)電率變化的效果"（MA Estrick，D A McRae，Phys. Med Biol 39 (1994) 133-144)中從圖2中的"在活體中對(duì)于EMT6腫瘤在44kHz和IMHz時(shí)傳導(dǎo)率相對(duì)于溫度 的關(guān)系"的試驗(yàn)性結(jié)果所收集的信息，圖6利用該信息示出了腫瘤的傳導(dǎo)率與溫度的關(guān)系， 圖6示出了活體中的EMT6腫瘤組織在19分鐘的時(shí)間內(nèi)從37°C被加熱到45/46°C時(shí)傳導(dǎo) 率大致線性地變化。根據(jù)該圖，能夠確定在44kHz的電流頻率和37°C時(shí)該組織的傳導(dǎo)率為 大約3. 5mS，在46°C時(shí)為大約3. 85mS。觀察該有限的范圍，當(dāng)在44kHz測量時(shí)，熱系數(shù)為 0. 038mS/°C。當(dāng)在IMHz測量時(shí)，37°C的傳導(dǎo)率為大約5. 152mS，在45°C時(shí)為大約5. 8mS。觀 察該有限的范圍，當(dāng)在IMHz測量時(shí)，熱系數(shù)為0. 081mS/°C。
[0013] 使用激光裝置的癌癥治療 Mueller等人（DE3931854,1991)基于腫瘤位置的MRI斷層成像和通過石英光導(dǎo)纖維在 腫瘤的間質(zhì)內(nèi)激光照射(例如，在肝臟內(nèi)）期間的監(jiān)控提出了一個(gè)發(fā)明。該發(fā)明據(jù)說能使病 人免于外科手術(shù)、長時(shí)間住院，并且能夠以對(duì)病人產(chǎn)生較小的副作用的方式實(shí)現(xiàn)腫瘤的去 除。在該發(fā)明中，多面X射線裝置被聯(lián)結(jié)到MRI斷層成像裝置，以能夠利用點(diǎn)離子探針將纖 維置于腫瘤內(nèi)并且由MRI斷層成像裝置確定腫瘤的坐標(biāo)。
[0014] 當(dāng)對(duì)癌癥腫瘤執(zhí)行間質(zhì)內(nèi)熱治療時(shí)，能夠?qū)㈥P(guān)于處理的進(jìn)展和結(jié)果的信息呈現(xiàn)給 用戶的反饋系統(tǒng)是至關(guān)重要的。在現(xiàn)有技術(shù)的裝置和方法中，處理常常是基于在先前的處 理期間收集的經(jīng)驗(yàn)來執(zhí)行，且會(huì)話時(shí)間是基于該經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來確定。作為處理控制的次要手 段，可以在有限數(shù)量的測量點(diǎn)監(jiān)控組織溫度。在很多情況下，由于不存在用于反饋關(guān)于組 織如何對(duì)加熱進(jìn)行反應(yīng)(組織效果）的可靠裝置，因此處理時(shí)間被設(shè)定成比實(shí)際所需的時(shí)間 長。由于相同的原因，由于溫度分布在目標(biāo)區(qū)域不均勻且不能確保溫度傳感器的適當(dāng)定位， 因此在很多情況下不能獲得期望的結(jié)果。由于溫度傳感器只能感應(yīng)局部溫度，沒有辦法檢 查在局部區(qū)域之外是否存在冷點(diǎn)，例如由穿過組織并且將熱量帶走的血管所引起的這種冷 點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 使用本發(fā)明，能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的用于組織的熱處理的裝置和方法的至少某些問 題。在根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法的第一方面，在反饋系統(tǒng)控制組織的加熱以保持期望高的 組織溫度的同時(shí)，在被處理的組織的一部分監(jiān)控隨著溫度變化的組織的電特性，并且在維 持期望的組織溫度時(shí)，當(dāng)檢測到監(jiān)控的電特性的基本沒有進(jìn)一步變化時(shí)，確定處理完成。
[0016] 在根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法的第二方面，通過初始建立關(guān)于組織特性的數(shù)據(jù)，然 后將該數(shù)據(jù)與在關(guān)于熱源已知的位置處的測量的溫度組合，進(jìn)一步將該信息與二維和/或 三維電特性測量（即，組織傳遞函數(shù)和/或傳導(dǎo)率和/或阻抗測量）并且基于初始數(shù)據(jù)將組 織內(nèi)的這些特性的實(shí)際變化與組織特性的期望變化相關(guān)聯(lián)，能夠在三維空間內(nèi)提取有關(guān)正 在進(jìn)行的熱處理的結(jié)果的不可逆的組織效果的信息。隨后能夠確定處理中的已經(jīng)獲得期望 的組織效果的點(diǎn)，并且告知用戶處理完成且成功。此外，還能夠檢測到正在進(jìn)行的處理不能 實(shí)現(xiàn)組織特性的期望變化的時(shí)刻，并且將處理不能按計(jì)劃進(jìn)行的信號(hào)提供給操作者。
[0017] 通過提供均設(shè)置有阻抗測量電極面和溫度測量部件的可植入引導(dǎo)件，引導(dǎo)件可連 接到基本單元，該基本單元設(shè)置有電流生成部件、用于測量兩電極面之間的電路徑的電特 性的測量部件和控制部件，該控制部件適于利用從引導(dǎo)件讀取的電特性和溫度，以確定植 入有引導(dǎo)件的組織的取決于溫度的特性。
【附圖說明】
[0018] 圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的熱裝置的第一實(shí)施方式。
[0019] 圖2示意性示出根據(jù)本發(fā)明的熱裝置的第二實(shí)施方式。
[0020] 圖3示意性示出用于測量組織的電特性的數(shù)字系統(tǒng)的第一實(shí)施方式。
[0021] 圖4和圖5示出在組織的加熱和冷卻期間阻抗和溫度相對(duì)于時(shí)間的關(guān)系的試驗(yàn)結(jié) 果。
[0022] 圖6示出表示在緩慢加熱到46°C之后組織傳導(dǎo)率的變化為線性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0023] 圖7~圖11示出顯示在兩個(gè)不同的電流頻率下對(duì)于不同的組織模型溫度對(duì)傳導(dǎo) 率的效果的圖。 圖12說明了組織片在一定頻率下且在有限的溫度窗口內(nèi)的電阻。 圖13示出對(duì)于實(shí)際生命組織的熱處理之后的簡