[发明专利]基于模拟的聚焦超声治疗计划

说明书

用于治疗组织区域内的目标的聚焦超声或其他程序可以迭代地通过进行以下步骤来计划：创建指定治疗位置图案和施加至治疗位置图案的刺激的治疗计划，模拟治疗，在计算上预测模拟治疗的效果，将预测的效果与一个或多个治疗约束(诸如功效和/或安全性阈值)进行比较，以及如果违反了约束，则针对调整后的治疗计划重复模拟。

相关申请的交叉引用

本申请要求在2013年1月29日提交的美国临时专利申请No.61/757,990的优先权和权益，并且通过引用将其全部内容包含于此。

技术领域

本发明总地涉及用于聚焦超声程序的治疗计划。更具体地，各种实施例涉及用于在执行之前模拟和调节治疗程序的计算系统和方法。

背景技术

高强度聚焦超声能量(即，具有大于约20千赫的频率)可以治疗性地用于治疗患者内的内部组织区域。例如，超声波可以用于引起诸如肿瘤的目标组织区域中的凝固和/或坏死。在该过程中，超声能量被组织吸收，导致热量的生成。所吸收的能量加热目标区域中的组织细胞至超过蛋白质变性阈值的温度，通常高于60℃，导致目标区域中的组织的凝固、坏死和/或消融。超声还可以用于各种其他治疗模式，包括例如，由超声引起的空化、神经调制、或受控热疗。

聚焦超声方法可以利用例如压电陶瓷换能器，其放置在患者的外部，但是靠近目标。换能器将电子驱动信号转换成机械振动，导致声波的发射(以下被称为“声处理”的过程)。换能器可以被成形为使得波在聚焦区域会聚。此外，换能器通常由多个单独驱动的换能器元件限定，每个换能器元件的相位和振幅可以彼此独立地控制，并且由此，换能器可以被设置为引起聚焦区域中的单独声波的相长干涉。这种“相位阵列”换能器通过调节换能器元件之间的相对相位促成将聚焦区域引导至不同位置。

聚焦超声治疗程序通常需要在一系列声处理中跨越目标移动焦点以覆盖一般大于聚焦区域的治疗区域或体积。在这样做时，重要的是跨越目标施加足量的能量以在限制周围非目标组织中的累积能量水平以避免对其的损伤的同时实现期望的治疗效果。这需要详细了解目标周围的区域中患者的解剖结构，如可以例如通过磁共振成像(MRI)获取。此外，其需要计算设备来确定对单独的换能器元件的准确和精确的相位和振幅设置，以将波束聚焦在期望位置。在许多治疗场景中，诸如不传输超声或对超声高度敏感的组织的解剖屏障位于换能器阵列和目标之间，需要换能器移动或利用少于所有元件的元件驱动，这使得程序更复杂。结果，治疗程序通常达到一定水平的复杂度，其需要详细的进展计划以基于患者和换能器之间的预期相对布置来确定作为时间的函数的所有换能器元件的相位和振幅设置。

传统的治疗计划方法通常利用与不同成形的聚焦区域相对应的有限数量的预定义声处理协议，并涉及利用这些形状“铺贴”治疗区域。然而，这些方法通常不会考虑重叠“贴片”的累积效应、聚焦区域外部的超声吸收、以及从聚焦区域至周围区域的热传递。例如，为了计划三维目标体积的治疗，传统的治疗计划器可以将体积切成一系列相邻的二维切片，利用多个预定义声处理覆盖每个切片，并基于各个切片中的期望剂量来计算针对每个声处理的能量。然而，在治疗期间，每个切片不仅从在切片处聚焦的声处理吸收能量，还从在相邻切片进行的声处理吸收能量。因此，在切片中沉积的能量的总量可能超过先前计算的量。尽管这种过度的加热可能不对目标本身的治疗造成不利的影响(例如，因为期望治疗效果是目标消融)，但其可能导致周围的非目标组织暴露于不必要高量的超声能量。因此，期望将加热任何区域的所有贡献相加，以将每个声处理输送的能量设置为不大于必然影响治疗的水平。