[发明专利]高强度聚焦超声换能器的优化

说明书

本申请在磁共振(MR)引导的高强度聚焦（HIFU）消融程序和系统中是尤其有用的。然而，将意识到，所描述的（一项或多项）技术也可在其他类型的治疗规划系统、其他图像引导治疗系统和/或其他医学应用中得到应用。

肝癌是最普遍的肿瘤类型之一，并且是尤其难以做手术的，因为其倾向于大出血。因此消融程序对于其治疗已成为常规手段，包括使用射频（RF）或者激光探头的热消融、冷冻消融等等。

高强度聚集超声（HIFU）的使用已经逐渐变得更加流行。一个原因在于MR成像可以在该程序期间用于监测组织温度，使其风险更小。对于肝脏消融而言有两个主要问题：肝脏具有大量的血流，并且其随着患者的呼吸而移动。另一问题在于肝脏位于肋骨之后，这阻碍了HIFU的传输。

一般而言，与MR引导的HIFU程序相关联的一个问题在于很难将所施加的热分布在正确的地方：一方面ROI，例如肿瘤，需要被消融。另一方面，从换能器来看，在肿瘤之前的区域（近场），或者其之后的区域（远场）需要被保留。在肝脏的情况下，由于肝脏被血流高效冷却，增大了对超声功率的要求，并且同时肋骨限制了对ROI的可达性的事实，加重了这一问题。肋骨问题是双重的：首先，波束碰撞肋骨的部分不能到达ROI，并且其次，肋骨对于超声辐射是敏感的，因为它们高效地吸收该辐射并且因此很容易过热。

传统的规划程序主要设计用于声处理可以直接到达而不需在肋骨之间传送波束的器官，例如子宫。换能器的焦斑被操纵至ROI。在最复杂的系统中，使用机械的（使用电机）和电子的（使用相控换能器元件阵列）操纵。

目前，最新的治疗规划是使用规划软件工具，其用于使用来自患者的MRI图像来描述期望的换能器位置和治疗单元。该软件将声学路径在MRI图像的上部可视化以便展示任何关键器官是否位于波束路径中或者在安全界限之内。将声束简单建模为从换能器到焦斑进入远场的几何圆锥形。在治疗期间，使用低能量声处理来检测并手动校正与目标焦点的空间偏差，并且使用热监测作为对热力加热控制的反馈。

用于解决波传播的一般数值方法如文献中所描述。在医学超声领域中，最著名的方法是基于时域的方法、有限元方法和瑞利积分的各种派生。

在常规的治疗和治疗规划技术中，假设声学路径穿过水（例如，水体模）。然而，沿着穿过人类受试者或者患者的声学路径上具有有着不同声学特性的各种材料和组织。特别地，皮下脂肪作为声畸变源是公知的。在界面处的折射使得声学焦点从目标位置移动，并且由于不同声学路径长度导致的相位偏差降低了点的锐度。这些问题传统地是使用试错法手动校正以及热反馈来处理。可以通过适当地建模声学路径来减轻这些问题。

常规治疗计划使用几何圆锥形来生成，从而使超声波覆盖全部的相关体积。然而，显著致畸的对象（即，阻碍物），例如骨，通常位于声学路径上。骨增大了反射和波衍射，使得焦点形状畸变，并且给患者和超声换能器两者造成潜在的损害。

对于采用精确数值方法例如有限元方法或者瑞利积分的模拟技术，问题的几何结构被典型地描述为离散的网格，包括诸如三角形的有限几何基元。基元的尺寸是波长的分数。声建模问题的共同特点在于所考虑的结构在声波长方面是较大的，导致相应的大的网格。细节根据所采用的特定数值方法而变化，但是对于所有的这些方法共同的是小基元彼此的相互作用。对于大的网格，这导致模拟时间过长从而该技术在交互方式中不可能是经济有效的。例如，一种使用这种技术的流行方式是使用工作日来规划和准备该模拟任务，并且在晚上或者周末期间执行实际计算。

在现有技术中需要一种系统和方法，其便于HIFU换能器元件特性的自动优化，以利用患者的肋间空间作为消融路径等等，因而克服以上所提及的缺点。

根据一个方面，一种便于磁共振（MR）引导的高强度聚焦超声（HIFU）消融规划的治疗规划工具，包括处理器，所述处理器执行用于优化HIFU换能器元件发射的计算机可执行指令，所述指令包括评估换能器数据，所述换能器数据包括换能器元件的位置、几何结构和声学参数信息。所述指令还包括评估包括ROI数据和阻碍物数据的3D MR数据，所述ROI数据描述将被消融的感兴趣区域（ROI）的尺寸、形状和位置，所述阻碍物数据描述在一个或多个HIFU换能器元件和所述ROI之间的阻碍物的尺寸、形状和位置。此外，所述指令包括执行优化器，所述优化器在最小化至所述阻碍物和周围组织的HIFU波形传送的同时最大化至所述ROI的HIFU波形传送。所述规划工具还包括存储器，其存储所述计算机可执行指令，所述换能器数据、MR数据和多个经优化的HIFU参数。