CN1814320A - Mri引导的超声波治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MRI装置引导的超声波治疗装置，其包括：一静磁场磁体，用于构成预定区域的磁共振体积内的静磁场；至少一个超声波能量施加装置，用于在预定的能量施加区域施加能量；以及，该超声波能量施加装置的运动及定位装置，使能量施加区域与磁共振体积在治疗靶向区域交叉；在该装置中，静磁场磁体为两端开口以及侧面开口，该侧面开口向上或者向下，以及，超声波能量施加装置的运动及定位装置靠近并位于该侧面开口之外。本发明使超声波换能器的运动及定位装置空间局限性降低，同时，对于超声波换能器的运动及定位装置的无磁性要求大大降低，尤其解决了换能器电源线工作电流产生的磁场对MRI系统的干扰。

Description

MRI引导的超声波治疗装置

技术领域

本发明涉及一种超声波治疗装置，具体而言，涉及MRI引导的高强度聚焦超声波(HIFU)治疗装置。

背景技术

聚焦超声治疗是一种非介入式无创伤治疗方法，尤其适合对肿瘤患者进行治疗，比传统外科手术或化疗对患者的损伤小，因而其应用发展非常迅速，适应症包括肝癌、骨肉瘤、乳腺癌、胰腺癌、肾癌、软组织肿瘤和盆腔肿瘤。

现有技术的聚焦超声治疗多采用B超设备进行定位和监控治疗，采用B超监控有如下优点：成本低，图像实时，具有与治疗超声相同的声通道，可以用图像灰度的变化观察受高强聚焦超声波(HIFU)照射后组织的变形坏死等优点，但是，B超图像仅是一定角度的平面图像，不能全面地表示出治疗目标区域、治疗声通道、治疗区域后方等相关组织的关系和立体结构，即使利用三维超声系统，其可视区域仍然存在局限。此外，超声图像的可观察深度有限，骨性物质对图像的影响特别大，几乎不能看到骨后方的组织，治疗监控中，存在严重的伪影。进一步，超声图像对组织边界的识别能力较差，尤其是对小肿瘤和深部肿瘤的分辨更为困难。

在生物学和医学方面的一项重要应用是MRI(MagneticResonance Imaging)原子核磁共振成像，简称核磁共振成像，又称核磁共振CT(CT是计算机化层析术的英文缩写)。其简单原理为，将患者置于成像体积内，向其施加视频信号，靶区域氢原子核受到射频信号激励，发出微弱的射频信号，称为核磁共振信号。在其过程中对磁场施加适当梯度，可有选择地获得磁共振信号，通过对信息进行处理获得各点的组织特性而对组织成像。

磁共振图像具有极高的组织分辨能力，能较容易地区分正常组织和肿瘤组织，确定肿瘤组织的边界，磁共振图像得到的是一定体积内的立体数据，可以对人体某部分以至全身成像，因此十分适合用来为HIFU治疗进行定位和制订治疗计划。同时，随着技术的发展，现在的磁共振设备已经可以得到实时的组织图像，而且是一定体积的3维图像，为治疗过程中的实时监控提供了很好的技术手段。特别是温度图像，提供了热治疗所期望的非侵入实施测温手段，对HIFU治疗的剂量控制，及时的治疗目标位置和能量控制具有非常重要的意义。

本领域已有关于利用MRI成像监控、引导超声波实施患者体内治疗方面的披露。在超声聚焦切除手术中，可以先在术前对患者扫描成像，确定靶区的位置，也可以在术中来引导超声波束到达靶区，同时监控组织的温度变化，以保证只有靶区被加热而不损伤周围健康组织。MRI成像的优点是本领域技术人员明了的。

目前，使用MRI来引导超声治疗装置焦点的主要问题是MRI系统与聚焦超声治疗系统之间存在干扰。MRI系统的运行要求稳定的强磁场，为保证磁场的强度和稳定，尤其对于相对封闭的磁场形式，在磁场内操作超声波换能器，给运动定位装置提供的空间会受到相当的限制。本领域已有一定数量的专利申请目的在于提供相关解决方案。

日本专利第3322649号披露了一种MRI与超声治疗设备进行联合的治疗系统，该系统首先利用MRI确定肿瘤的位置，然后把病人从MRI的磁场中移出来进行超声治疗。此种治疗需要反复移动患者，多次定位，其定位系统复杂，定位时间长，并且治疗过程中难以实现实时监控或在线监控。

美国专利5275165号(题目为“Magnetic resonance guidedultrasound therapy system with inclined track to move transducers in asmall vertical space”)提供了一种MRI外科手术系统，该手术系统采用一个聚焦超声换能器有选择性地破坏靶区中的组织。聚焦超声波换能器将能量聚焦于需要破坏的组织区域内的焦点处。一非磁性的运动定位装置具有一垂直方向的运动，且运动机构足够小，以便能容易地安装在MRI磁场气隙之中。该运动装置在一有限的垂直空间内驱动能量换能器。该运动定位装置使用了多个液压运动定位装置和一个倾斜式平面，在操作人员的控制下定位超声焦点。MRI系统利用温度敏感脉冲顺序，从而产生组织和被加热区域的图像，以便让操作人员调整超声换能器的位置，将超声能量引导到适当的位置。

美国专利5443068(题目为Mechanical positioner for magneticresonance guided ultrasound therapy)类似地，披露了一种超声波能量施加器的无磁定位装置，可以在系统的磁场气隙中操作。其主要目也在于提供一种简化的定位器，在磁场内操作，并避免运动装置材料对MRI系统的磁场干扰问题。类似的专利还有美国专利5275165号(题目为Magnetic resonance guided ultrasound therapy system withinclined track to move transducers in a small vertical space)等。

上文提到的多件美国专利，解决方案都是将超声波治疗换能器和运动装置放置在MRI系统的静磁场中，通过运动装置移动治疗换能器，用焦点覆盖肿瘤，达到治疗疾病和实时监控的目的。其解决技术问题的手段主要是针对治疗换能器和治疗换能器的运动装置进行无磁化设计，以及在结构上尽可能减小该运动装置的体积和需要的操作空间，以满足超声波能量施加器在MRI磁场内的工作要求。这类技术方案主要存在以下不足之处：1)由于要对治疗换能器和治疗换能器的运动装置进行高要求的无磁化设计和处理，所以技术复杂性和成本都要增加；2)由于运动装置位于磁场内，超声波换能器运动范围受到较严格的局限，进一步，高强度超声波治疗，需要很精确的定位系统，实际应用于临床设备的运动装置通常是比较大的，因而该技术方案提高了设备生产制造的难度和实际应用的难度；3)由于向换能器供电的导线有一部分在磁场内，其工作电流所产生的磁场将对磁信号敏感MRI系统产生较大干扰；4)操作者难以进行辅助的手动操作，并且不利于操作者的临床观察。

中国专利98805359.4题为《由MRI引导的治疗装置和方法》，披露了一种新型MRI装置。该MRI装置的静磁场(主磁场)不同于传统的MRI装置采用的封闭或半封闭静磁场，其技术核心是提供一种超导型单侧磁场，因此提供的是一种开放程度很大的磁场，对于引导治疗装置的运动具有很大的优势，能够解决上述美国专利存在的不足。

但是，该磁场设计的技术方案仍然存在不够理想之处：1)磁场强度弱，磁力线分布不均匀，影响图像质量；低场下，成像时间很长，很难实现实时成像，很困难实现温度测量；可用来提供适合磁共振成像的磁场，即有效的磁共振体积仅为几个厘米；2)需要应用更为复杂的超导技术实现，因此其设备复杂程度高，实施难度大，离成熟的应用技术有较大的距离。

因此，希望能够提供一种相对低成本，易于操作的MRI引导的超声波治疗系统，特别是适用于高强度聚焦的超声波治疗系统，从而能够对超声波治疗技术进一步改进，以提高安全性并有效缩短治疗时间。

发明内容

本发明的目的和技术方案

本发明的目的之一是利用已有的较成熟、成本相对低的MRI系统与现有技术的超声波治疗设备结合，尽可能减少超声波设备对MRI的干扰，实现MRI引导的超声波治疗；

进一步，本发明的目的在于提供一种特别适合进行高强度聚焦的MRI引导的超声波治疗装置；

本发明的另一个目的，是在一种MRI引导的超声波治疗装置中，能够采用开放式柔性容器将被治疗者与超声波能量施加装置耦合，以进一步保障高强度聚焦超声波治疗的安全性和理想的治疗效果；

在解决了MRI与高强度超声波治疗系统结合应用的干扰问题后，本发明进一步的目的在于，利用MRI系统获取信息及相关数字化技术处理实现MRI实时监控和引导超声波治疗。

为实现本发明目的以及解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种MRI装置引导的超声波治疗装置，其包括：

a.一静磁场磁体，用于构成预定区域的磁共振体积内的静磁场；

b.至少一个超声波能量施加装置，用于在预定的能量施加区域施加能量；以及

c.该超声波能量施加装置的运动及定位装置，使能量施加区域与磁共振体积在治疗靶向区域交叉；

在该装置中，静磁场磁体为两端开口以及侧面开口，该侧面开口向上或者向下，以及，超声波能量施加装置的运动及定位装置靠近并位于该侧面开口之外。

本发明采用的开式磁体在现有技术中有多种选择，可以是C型磁体，也可以是U型磁体；优选场强0.3T以上的永磁型磁体。另外，现有技术的超导型开放式磁体，能够提供彼此面对的磁场，有两端和一侧开口，达到0.5T以上，也是优选的方案。

治疗过程中，患者被固定置于静磁场磁体磁隙内。如果磁隙开口向上，可以将超声波能量施加装置置于开口之上；如果磁隙开口向下，可以将超声波能量施加装置置于开口之下。为进一步减小磁干扰，超声波能量施加装置也可以位于静磁体的侧开口外。

本发明采用磁隙开口向上或向下方式，是因为高强聚焦超声波装置大多需要流体耦合剂，其容器最好为柔性材料构成，容器应当与被治疗者身体充分紧密接触，以避免不希望的超声波反射面形成；因而，技术上采用超声波换能器在上方，被治疗者位于开口向上的磁体气隙内；或者，超声波换能器在下方，被治疗者位于开口向下的磁体气隙内容易实施，特别适合高强度超声波治疗装置。

进一步，上述装置中，优选磁隙开口向下方式，可采用一治疗床用于移动和固定被治疗者，该治疗床有开口，开口可以是矩形，也可以是圆形，用来部分容纳超声波治疗装置的耦合剂容器，此方案可采用开放式柔性流体容器，患者可与流体直接接触，从而与治疗装置的超声波能量施加装置耦合，可省去皮肤与容器之间的透声膜，并且容易散热，减小患者在超声波通道的皮肤表面超声波能量沉积。容器中的耦合剂为脱气水。

静磁场磁体侧面开口向上时，柔性流体容器采用柔性透声膜材料封闭，并作为与患者的接触面。封闭侧可以兼做患者的固定床。

本发明改善了MRI系统与超声波治疗系统的干扰问题，可以采用MRI图像进行治疗靶向区域定位、超声通道检查以及制订治疗计划。

本发明还提供了一种治疗装置，采用实时MRI快速图像进行靶向区域超声波能量施加监控和/或超声波通道检查。

本发明提供的装置，还包括用于从所述MRI系统获取磁共振体积内部的被治疗者靶向区域和/或超声通道的局部温度信息接收和处理装置。

进一步，本发明提供MRI装置引导的超声波治疗装置，超声波能量施加装置位于所述静磁体的所述一侧开口外，这样可以更进一步减少对于MRI磁场的干扰，提供更为准确的成像保障。

最后，本发明提供了一种核磁共振装置，其静磁场磁体为两端开口及截面一侧开口的开式磁体，并且该开式磁体的截面开口向上方或者向下方，优选截面开口向下。进一步优选该静磁场磁体采用永磁体。这样的开口朝上或者开口朝下的静磁场磁体布置形式是现有技术核磁共振装置所没有的，其特别适合与高强度超声波治疗装置结合使用，以实现实时监控治疗或在线治疗。

本发明的有益效果

本发明针对现有技术较多采用无磁化设计和磁场内操作，改为采用现有技术的开放型磁场，将超声波换能器的运动定位装置放在主磁场之外，对超声波换能器的运动及定位装置空间局限性降低，同时，对于超声波换能器的运动及定位装置的无磁性要求大大降低，尤其解决了换能器电源线工作电流产生的磁场对MRI系统的干扰。进一步，还可以将超声波换能器也放在主磁场之外。这样，超声波设备的用电所产生的磁场对MRI干扰更进一步减小，解决了上文提到的美国专利中定位装置和换能器电源线产生磁场对MRI磁场的干扰。同时，采用本发明，医护人员还可以对患者进行一定程度的体位变化、体位固定、监护、操作。

现有技术的高强度聚焦超声波装置容易为本发明所改造采用。

随着MRI技术的发展，开放式磁场的选择已越来越多。大量的磁性材料在中国北方生产，中国在永磁开放式MRI系统的总体技术方面已达到世界先进水平。如果选择我国的优势MRI技术与超声波治疗技术结合，能极大地降低应用成本，具有很好的市场前景。

本发明可以提高传统的高强聚焦超声治疗应用范围，特别适合较复杂的肿瘤治疗情形，具有很好的社会效益。特别地，本发明中MRI系统的一种设置，特别适合本发明人在先提交的中国专利申请98100283.8，题为“高强度聚焦超声肿瘤扫描治疗系统”所披露的技术方案，使本发明的选择中有开放式柔性水容器的超声波治疗系统，从而保障高强度聚焦超声波应用于治疗的安全性和良好效果。

本发明可以较大部分、或者完全保留MRI(磁共振成像)装置中的检查区域，这是中国专利98805359.4题为《由MRI引导的治疗装置和方法》比较难于做到的。较大的检查区域对于临床观察更为直观和便利，MRI系统可以保留较多的功能，从而提高设备兼容性和利用率。

附图说明

上文已经概述了本发明，通过下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细描述，本领域技术人员可以更容易理解本发明的实施，以及更为明了本发明的目的和优点。

图1所示为本发明一个实施例的系统结构布置说明图；以及

图2所示为本发明另一个实施例的系统结构布置说明图。

具体实施方式

本发明的超声波能量施加器，具体而言是一种聚焦超声换能器。该换能器可以是单片圆形的压电陶瓷晶片加透镜聚焦，也可以是单个球壳形的压电陶瓷，也可以是由多个同一或不同尺寸的压电陶瓷单元组合成的球壳形换能器，其驱动方式可以是单一信号驱动，也可是多路信号按相位控制方式驱动，该换能器还可以根据治疗部位的不同改变其表面形状、面积和焦距、频率、焦点形状等参数。

实施例1

如图1所示的系统，包括磁体1、治疗床2、水囊4、治疗换能器5、控制系统6、MRI图像处理装置11、治疗床运动机构21、治疗换能器运动机构51，其中安置有被治疗者7。磁体1为0.3T的永磁体(例如宁波合力磁材技术有限公司生产的0.3T的核磁共振永磁体)，其开口向下，使用梯度场单元，将磁场进行x\y\z三维空间编码，由RF单元发射成像序列信号，并接受人体的磁共振反应信号，由MRI图像处理装置11重建组织结构图像和温度图像。

治疗换能器5为球壳聚焦的压电换能器，焦距100mm-150mm，直径120mm-150mm。工作频率为0.5MHz到2MHz。治疗换能器5和治疗换能器运动机构51相连，在该运动机构带动下，治疗换能器5可以在x，y，z三个轴线上运动±100mm。并绕x\y\z轴转动±45度。

超声换能器5与被治疗者7身体间以脱气去离子的纯水为超声波介质，温度控制在25摄氏度左右。

治疗床2位于磁体1开口的外侧，采用无磁性物质，以尽量减少对磁场的干扰。治疗床2中间开有一孔，以便让治疗超声波穿过，孔下面连有水囊4，治疗床2由治疗床运动结构21来支撑，在治疗床运动结构21带动下，治疗床2可以在水平方向沿人体轴向运动±200mm，垂直方向运动±200mm。

MRI图像处理装置11、治疗床运动机构21、治疗换能器运动机构51和控制系统6相连，控制系统6驱动治疗床运动机构21使治疗床2运动，使被治疗者7的病灶位于磁共振体积内，然后MRI图像处理装置11对病灶成像，控制系统6驱动治疗换能器运动机构51，使治疗换能器5的焦点和治疗靶区的病灶在磁共振体积区域内重叠，发射治疗超声波，对患者进行治疗。

本实施例中，治疗床2、水囊4、治疗换能器5、控制系统6、治疗床运动机构21、治疗换能器运动机构51，位于磁体外，以避免对磁场产生比较大的干扰。

实施例2

如图2所示的系统，包括磁体1、治疗床2、水囊4、治疗换能器5、系统6、MRI图像处理装置11、治疗床运动机构21、透声膜41、治疗换能器运动机构51、控制，其中放置有被治疗者7，该系统磁体1为0.3T的永磁体(例如宁波合力磁材技术有限公司生产的0.3T的核磁共振永磁体)，其开口向上。

治疗床2位于磁体1间隙内，用于支撑被治疗者7，水囊4和治疗换能器5安装在治疗换能器运动机构51上，水囊4表面有透声膜41，该透声膜可以防止介质水的外溢。

此实施例中，对患者是从上向下施加超声波治疗，本实施例其他组成部分和功能与实施例1相似，这里不再赘述。

本领域技术人员可以容易地对上述实施方案进行多种修改和改进，或应用于其它领域。本发明申请包括各种实施方案与应用。尽管本发明申请按照某些优选实施方案的内容进行描述，本发明的范围不受此限制，而是在本发明权利要求的范围内。

附图标记一览表

1  磁体

2  治疗床

4  水囊

5  治疗换能器

6  控制系统

7  被治疗者

11 MRI图像处理装置

21 治疗床运动机构

41 透声膜

51 治疗换能器运动机构

Claims (10)

1.一种MRI装置引导的高强度聚焦超声波治疗装置，包括：

a.一静磁场磁体，用于构成预定区域的磁共振体积内的静磁场；

b.至少一个超声波能量施加装置，用于在预定的能量施加区域施加能量；以及

c.所述超声波能量施加装置的运动及定位装置，使所述能量施加区域与所述磁共振体积在治疗靶向区域交叉；

其特征在于，所述静磁场磁体为两端开口以及侧面开口，所述侧面开口向上或者向下，以及，所述超声波能量施加装置的运动及定位装置靠近并位于所述侧面开口之外。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述的超声波能量施加装置也位于所述静磁体的侧开口外。

3.根据权利要求2所述的装置，当其中所述的静磁场磁体侧面开口向下时，进一步包括一开放式柔性流体容器，使所述被治疗者与所述流体直接接触。

4.根据权利要求3所述的装置，进一步包括固定患者的治疗床，所述治疗床有开口，所述柔性流体容器通过开口与患者耦合，其中所述的流体为脱气水。

5.根据权利要求4所述的装置，当其中所述的静磁场磁体侧面开口向上时，所述柔性流体容器采用柔性透声膜材料封闭，并作为与患者的接触面。

6.根据权利要求5所述的装置，所述磁体的封闭侧可以用做患者的固定床。

7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的装置，其特征在于采用MRI图像进行治疗靶向区域定位、超声通道检查，以及制订治疗计划。

8.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的装置，其特征在于采用实时MRI快速图像进行靶向区域超声波能量施加监控和/或超声波通道检查。

9.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的装置，还包括用于从所述MRI系统获取磁共振体积内部的被治疗者靶向区域和/或超声通道的局部温度信息接收和处理装置。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于进一步采用温度图像进行治疗监控。

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