[发明专利]加热靶区域的系统

说明书

用于基本均匀地加热靶区域的各种方法包括在超声波超声处理过程期间识别靶区域和/或靶区域的周围区域中的一个或多个热点的一个或多个位置；至少部分地基于所识别的热点的位置来计算至少一个换能器元件的输出参数的时间变化；以及操作所述至少一个换能器元件以实现输出参数的时间变化，从而最小化热点。

技术领域

本发明的领域一般涉及热能治疗系统，更具体地说，涉及克服通过非均匀组织(例如颅骨)传播的声场中的不均匀性的系统和方法。

背景技术

治疗癌症患者通常涉及将热能施加到组织或组织界面。例如，肿瘤控制-即减小肿瘤的大小和/或生长速率-可以通过局部加热，从而凝固或消融肿瘤组织来实现。热量也可用于减轻肿瘤区域附近的疼痛。特别地，骨痛缓解通常通过将邻近肿瘤的骨表面的温度升高到消融该区域中的神经的水平来实现。

通常采用的热治疗方法是将超声(即，频率大于约20kHz的声波)聚焦到待治疗的(“靶”)组织中。聚焦超声方法可以利用例如压电陶瓷换能器，其置于患者体外但紧邻靶标。换能器将电子驱动信号转换成机械振动，产生声波的发射(下文称为“超声处理(sonication)”的过程)。换能器可以成形为使得波会聚在聚焦区域中。可选地或另外地，换能器可以由多个单独驱动的换能器元件限定，其相位(和可选地，幅度)可以各自彼此独立地控制，并且因此可以设置为使得产生聚焦区域中的各个声波的相长干涉。这种“相控阵”换能器有助于通过调节换能器之间的相对相位将聚焦区域引导到不同的位置。磁共振成像(MRI)可用于使焦点和靶可视化，以便引导超声波束并潜在地改善超声聚焦。

当利用超声波向组织施加热能时，重要的是均匀地加热靶区域，即，在聚焦区域中产生均匀的温度分布。否则，不均匀温度分布的局部“热点”会导致计划外靶的加热，并且在超声处理的目标(例如，表面区域的疼痛缓解或肿瘤消融)完成之前，导致显著的、有时难以忍受的疼痛，治疗可能需要突然停止。然而，均匀加热通常难以实现。例如，换能器阵列相对于靶的放置的生理限制可能需要波束控制，这反过来可能会使超声波传播方向完全不是垂直于组织界面、更高阶的波束模式或细长的焦点，所有的这些都会对波束的均匀性产生不利影响。

另外，位于换能器阵列和靶区域之间的中介组织的不均匀性可能使超声波束失真并在除预期聚焦区域之外的位置处产生一个或多个热点。如上所述，这些热点可能导致不希望的加热、患者疼痛和/或可能导致非靶组织坏死；即使在靶组织内，热点也可能由于例如在靶区域外引起组织坏死而成为问题。因为每个换能器由有限数量的元件组成，所以用于改变元件之间的相位的离散相位变化也可以有助于产生次级热点。

因此，需要能够在不显著降低靶区域处的超声强度的情况下减少靶区域和非靶区域中的不期望的热点的系统和方法。

发明内容

本发明的实施例最小化靶区域和/或非靶区域处的不期望的局部热点，通过首先识别其位置并基于所识别的位置调整换能器阵列的参数以最小化热点。(术语“热点”在本文中用于表示超声能量的集中区域，在其中超声能量将出现热点的组织的温度升高到临床上不可接受的水平。)可以使用模拟超声场畸变的物理模型来预测不期望的热点的位置，所述畸变由于例如穿过不均匀中介组织的波束、换能器几何形状和/或声场设计(例如，用于重新聚焦目的)而产生。或者，可以使用温度敏感装置(例如，磁共振成像(MRI)装置)测量热点位置。在一个实施例中，表征靶和/或周围组织的材料特征的组织模型用于识别靠近热点的预期位置的一个或多个区域，并且比热点的预期位置处的组织具有更低的热敏感性和/或耐受更高的热能。然后，物理模型可以反向计算与至少一个换能器元件相关联的所需频率，以在所识别的低热敏和/或高热能容忍区域产生热点。响应于物理模型(和一些实施例中的组织模型)，换能器元件的控制器可以基于计算的频率调节换能器元件的频率。在各种实施例中，换能器元件的控制器确定换能器频率的动态变化模式，使得热点位置在其预期位置与所识别的低热敏和/或高热能容忍区域之间移位，以避免任何组织损伤。或者，换能器元件的控制器可随机改变换能器元件的频率。随着发射波的频率变化，热点的位置可能变化；这将来自预测的热点位置的超声能量分散到几个其它位置，从而使得到的温度分布均匀，同时在靶处保持足够高的温度。