用于非侵入性的治疗疗法的移动补偿

摘要

可以通过下述方式来促进移动组织的治疗：识别在组织体积内的体素；将与治疗相关的属性与体素相关联；并且，基于组织的移动来移位体素的位置。然后可以基于移位的体素的与治疗相关的属性来改变一个或多个治疗参数。

说明书

对于相关申请的交叉引用

本申请要求在2010年7月29日提交的美国临时申请No.61/368,895的优 先权和权益，其整体公开由此通过引用被包含在此。

技术领域

本发明总体上涉及用于使用声能来执行非侵入性过程的系统和方法，并 且更具体地涉及用于在治疗期间聚焦和调整超声能量的传送的系统和方法。

背景技术

可以以下述方式来治疗诸如在病人的颅骨或其他身体区域内的良性或恶 性肿瘤或血块之类的组织：通过以外科手术去除该组织来侵入性地治疗或通 过使用例如热消融来非侵入性地治疗。两种手段可以有效地治疗在大脑内的 特定局部情况，但是都涉及用于避免破坏或损害其他健康组织的精细过程。 除非不会破坏健康组织或其破坏不大可能不利地影响生理功能，否则外科手 术可能对于其中有疾病的组织融入到健康组织内的情况不适合。

可以使用聚焦的超声波来完成的热消融对于治疗由相邻的健康组织或器 官围绕的有病组织具有特别的吸引力，因为超声能量的效果可以被限制到良 好限定的目标区域。因为较短的波长，所以超声能量可以被聚焦到具有仅几 毫米的截面的区域（例如，在一兆赫兹（1MHz）下，在截面上小至1.5毫米 （mm））。而且，因为声能一般会良好地穿透软组织，所以介入解剖通常并不 会对限定期望的聚焦区域施加障碍。因此，可以将超声能量聚焦在小的目标 处，以便消融有病的组织，而不显著地损害周围的健康组织。

为了将超声能量聚焦到期望的目标，可以向具有多个换能器元件的压电 换能器发送驱动信号，使得在聚焦区域处进行积极干预。在该目标处，可以 传递足够的声能以加热组织，直到出现坏死，即，直到破坏了组织。优选的 是，如果有的话，则仅最小程度地加热在聚焦区域之外的、沿着声能通过的 路径（“通过区域”）的组织，由此最小化地损害在聚焦区域之外的组织。

然而，因为人体是柔性的并且会移动（例如，因为呼吸），所以随着时间 的经过以多个超声处理来传递的治疗——即使当在彼此的几秒内被传递 时——可能要求对于定标和/或对于一个或多个治疗参数的临时调整。事实 上，超声能量的吸收本身可能通过例如膨胀来改变目标的形状和/或位置，使 得类似的改变成为必要。在既要实现目标的完全消融又要同时避免对于健康 组织的损害的情况下，这构成了较大的挑战。

因此，需要用于以下述方式有效地聚焦声能的系统和方法：该方式不会 不利地影响周围的组织，并且可以在考虑目标和周围组织的形态改变和移动 的情况下以及时的方式被执行。

发明内容

本发明提供了促进超声能量向目标组织的非侵入性的、聚焦的传递的过 程和系统，通常用于在留下相邻的组织的同时破坏目标（例如，通过消融） 的目的。通常，该技术使用闭环反馈手段，该手段跟踪和处理在治疗期间的 解剖移动和/或形态改变。本发明的各个方面包含：获得治疗区域（即，目标 和周围的组织）的三维（3D）图像，并且将该图像分析为“体素”——即， 体积像素，各种属性可以与该体素相关联。这样的属性可以例如包括由体素 表示的组织可以容忍的最大剂量和/或用于消融组织所需的最小剂量。体素可 以例如位于目标区域（即，意欲被治疗的区域）中并且需要完全的热剂量， 或者位于目标区域外部，其中，剂量容忍取决于组织的类型。可以在全局的 基础上（即，对于整体的治疗区域）跟踪病人的解剖的移动，并且，基于全 局解剖移动来更新每一个体素的坐标。替代地，可以在体素级别上直接地跟 踪移动。基于更新的体素坐标，按照解剖当时的存在调整对其传递的治疗， 而不是按照其先前的存在。

在第一方面，提供了一种用于监控组织体积的移动以促进组织的治疗的 方法。所述方法包含：在组织的移动之前，在体素坐标空间内通过计算来识 别与所述组织体积对应的体素；并且，在计算机存储器中将与治疗相关的属 性与所述体素的至少一些相关联。所述与治疗相关的属性可以包括体素是否 是目标体素、低能量容忍体素或非通过体素。而且，它们可以包括最佳的、 最大可容忍的和/或最小有效的温度和/或能量剂量。在一些实施例中，属性包 括关于体素的治疗历史的信息，例如，是否在先前的治疗剂量中成功地治疗 了体素。

所述方法进一步包含：确定用于表征所述组织的移动的参数。通过跟踪 在所述组织体积内的解剖标志，并且/或者通过对于所述组织体积的一系列暂 时移位的图像执行基于图像的相关，可以确定所述移动表征参数。所述参数 可以表征刚性以及非刚性移动。基于所述确定的参数，在所述体素坐标空间 内通过计算来移位所述体素的位置。然后，基于移位的体素的所述与治疗相 关的属性来改变一个或多个治疗参数（诸如，相对于组织的能量源的位置或 在治疗期间组织被暴露到的能量的强度或剂量）。在一些实施例中，所述方法 包括：采样随着时间接收的图像数据，并且对针对移动校正的体素属性数据 进行平均，从而改善与所述图像数据相关联的信噪比。

在第二方面，本发明涉及一种用于监控病人体内的组织体积的移动以促 进治疗的系统。所述系统包括存储器（诸如，寄存器、高速缓存、随机存取 存储器或大容量存储装置），用于存储所述组织体积的一个或多个三维图像。 而且，所述系统包括处理器，用于（i）基于所述图像来识别在所述体积内的 体素，（ii）在所述组织的移动之前向所述体素分配体素空间坐标，（iii）将与 治疗相关的属性与所述体素的至少一些相关联，（iv）确定用于表征所述组织 的移动的参数，（iv）基于所述参数来确定在所述体素坐标空间内的所述体素 的移位位置，并且（v）基于移位的体素的所述属性来改变至少一个治疗参数。 所述系统也可以包括数据存储模块，用于存储与所述体素相关联的所述体素 空间坐标和所述与治疗相关的属性。而且，所述系统可以包括用于获得所述 三维图像的成像装置。在一些实施例中，所述系统包括：超声换能器，用于 向所述治疗体积传递超声能量；以及，控制器，用于基于改变的治疗参数来 调整来自所述换能器的超声能量的所述传递。

在第三方面，本发明提供了一种用于通过将组织暴露到来自源的能量（例 如，通过向所述组织施加聚焦的超声波）来治疗组织体积的方法。所述方法 包含：在体素坐标空间内识别与所述组织体积对应的体素；并且，将与治疗 相关的属性与所述体素的至少一些相关联（例如，通过指定体素是否是目标 体素、低能量容忍体素或非通过体素）。而且，所述方法包括：检测所述组织 的移动；表征在三个维度中的移动；基于所述表征通过计算来移位在所述体 素坐标空间内的所述体素的位置（移位的体素保留它们相关联的属性）；并且， 基于移位的体素的所述表征的移动和所述属性来治疗所述组织。

附图说明

通过结合附图一起阅读下面描述的优选实施例和权利要求，将更全面地 明白本文公开的本发明的上述和其他目的、特征和优点以及本发明本身。

图1是图示根据一个实施例的移动补偿系统的框图；以及

图2是图示根据一个实施例的因为组织移动导致的体素的位置改变的示 意图。

具体实施方式

在各个实施例中，本发明提供了技术和支持系统，用于监控包括目标和 周围器官和/或解剖区域（以下统称为“治疗区域”或“治疗体积”）的组织 的体积的移动，以促成使用各种非侵入性治疗方式的任何一种的组织的治疗。 治疗区域可以被定义为3D体积像素（或“体素（voxel）”）的集合，其中每 个体素被分配——作为与该体素相关联的属性的——最佳（或接近最佳）的 剂量或温度水平。可以在治疗之前并且/或者在治疗剂量传递之间的治疗期间 执行初始体素识别和属性的相关联。因为任何移动可以使得治疗区域的位置 和形状改变，所以体素的位置可以在绝对空间中和/或相对于彼此（因为非刚 性运动）而改变。因此，在所述治疗区域已经移动或改变形状后，针对每一 个体素的原始计划的剂量水平和目标温度可以不再是最佳的。为了补偿该移 动，随着时间在空间中跟踪体素，以便因此重新引导或重新聚焦治疗。

图1图示根据各个实施例的用于移动补偿的示例性系统100。系统100 包括成像装置102，诸如磁共振成像（MRI）装置、超声成像装置或计算机断 层造影（CT）装置（例如，正电子放射断层造影（PET）系统，其可以与X 射线计算机断层造影或MRI形式组合）。成像装置102与处理器104进行通 信，处理器104可以是或包括例如通用计算机和/或图形处理单元（GPU）的 CPU或专用微控制器。成像装置102获得例如作为在系统总线106上发送的 比特流的、以数字形式向处理器104提供的治疗区域的3D图像；在替代实 现方式中，数字化由成像装置102提供的模拟信号。在一些情况下，从一系 列二维（2D）图像片构造3D图像。而且，在一些实施例中，可以使用仅提 供治疗体积的部分覆盖的正交图像。可以在计算机存储器108中存储3D图 像数据，该计算机存储器108可以包括在处理器内的寄存器和高速缓存与能 够由处理器直接地存取的主系统存储器（诸如随机存取存储器（RAM））以 及一个或多个大容量存储装置（诸如硬盘、光学存储介质、固态介质等）。

处理器104识别在治疗体积内的体素，并且将在预定义的3D体素坐标 空间（或“体素空间”）内的一组坐标与每一个体素相关联，该3D体素坐标 空间可以被认为是体素大小的立方体的3D网格。每一个体素因此对应于在 3D体素空间中的网格上的体积元素。在一些实施例中，治疗体积（或其一部 分）位于较大尺寸的多面体中，而不是体素中。例如，如果组织体积包括相 当大数量的空或同类地填充的空间，则可以通过多面体（其每一个对应于许 多体素）来表示该空间，而可以通过单独的体素来表示非同类区域。诸如骨 头的刚性解剖体被有利地表示为多面体。

处理器104还向体素分配与治疗相关的属性。初始，这些属性可以基于 体素在如下区域中的位置来分类体素：目标区域、可以容许低能量密度 （LEDR）的在目标区域外部的区域和如果治疗能量束通过它则被损害的非通 过区域（NPZ）；将在目标区域中的体素分类为目标体素，在LEDR中的体素 是低能量容许体素，并且，在NPZ中的体素是非通过体素。而且，对于每一 个体素，属性可以指定最大可容许的、最佳的和/或最小的有效温度或能量剂 量。当治疗进行时，属性可以进一步包括关于每一个体素的治疗历史的信息， 诸如由体素经受的热剂量或治疗能量的数量的表达或者是否在先前的治疗剂 量中成功地治疗体素（例如，充分地消融其中的组织）的指示。指定在体素 坐标空间中的体素的位置的数据和与体素相关联的属性的参数值——本文统 称为“体素数据”——通常以数据库的形式被存储在存储器108中。例如， 每一个体素可以采用具有相关联的属性的关系数据库记录的形式。

成像装置102可以获得治疗体积的一系列暂时移位的图像以促成跟踪在 治疗区域内的组织移动。处理器104分析这些图像（如下更详细所述）以确 定用于表征相对于体素坐标空间的移动的参数。移动表征参数可以包括例如： 用于指示治疗区域的全局平移或旋转、在子区域之间的相对平移、组织压缩 的幅度和方向、延伸、剪切或其他变形（诸如膨胀）的向量；和/或用于表示 单独体素的平移的向量。在一些实施例中，该系统进一步包括：独立的移动 检测装置110，其全局地跟踪移动，并且向处理器104发送移动表征参数。 移动检测装置110可以是例如：成像装置、激光跟踪装置或类似的光学系统， 其基于在病人外部布置的标志或基准来跟踪移动；或者，移动检测装置110 可以是实现替代的移动检测技术的装置，诸如用于基于呼吸量和/或流来检测 移动的装置。而且，在某些实施例中，可以基于与基于图像的跟踪相结合的 移动的计算模型来表征该移动；例如，用于表征特定器官的形态和行为的模 型是本领域中已知的，并且可以用于解释或限制图像数据的解释。在任何一 种情况下，基于移动参数，处理器104在体素坐标空间内移位体素的位置， 即，向体素分配更新的坐标。与相应的体素一起移位与治疗相关的属性。

系统100进一步包括治疗装置112，治疗装置112产生用于加热、消融和 /或破坏目标组织的能量束（例如，超声波或离子化辐射束）。可以通过与治 疗装置112进行通信的控制器114来设置束的方向、轮廓和强度以及能量施 加的持续时间。控制器114继而可以响应于处理器104以便基于体素数据和 治疗参数来执行治疗计划。治疗参数可以例如包括曝光水平、频率、持续时 间、强度、剂量和/或用于确定组织向从能量源发射的能量的暴露的其他参数。 在一些实施例中，治疗装置112是高强度聚焦的超声相控阵列换能器，该换 能器包括许多换能器元件，其中每一个可以独立于其他来传递超声能量。在 这样的情况下，控制器114可以包括相位调整器和放大器，用于设置向换能 器元件（或换能器元件的组）提供的激励信号的相对相位和幅度。

在治疗体积内的组织移动时，处理器104基于新定位的体素和它们的与 治疗相关的属性来改变影响治疗能量的传递的各种治疗参数。对于本领域内 的技术人员显然，作为治疗进展的结果，也可能需要调整治疗参数，并且这 样的改变可以是特定于体素的，并且取决于各个体素的属性。例如，在热剂 量传递之后，在治疗区域的边缘处的体素可能需要冷却时间来散发随着时间 积累的热量，而在目标体素处不是该情况。通过反映治疗的进展以及组织移 动，处理器104基于新的体素位置来促成剩余的治疗的重新计划。控制器114 通过下述方式来响应于处理器104：（经由换能器元件的相位、幅度和定时） 改变来自换能器的声能的施加，针对组织构造中的改变进行调整（例如，目 标和健康组织的更新的体素位置）以及更新的属性信息。对于换能器操作的 这些调整在本文中也被称为“校正因子”。在某些情况下，控制器114也可以 允许操作人员手动地替换所计算的校正因子。在一些实现方式中，关系或面 向对象的数据库用于存储体素数据（包括属性）以及校正因子。

可以通过在计算机存储器108中存储的各种可执行程序模块来实现由处 理器提供的计算功能。例如，图像处理模块可以从图像数据识别体素，移动 跟踪模块可以用于确定移动的参数，并且基于其来更新体素坐标，并且，治 疗模块可以基于体素属性、更新的体素位置和治疗历史来调整向控制器114 发送的治疗参数。可以以多种适合的编程语言的任何一种来编写程序模块， 该编程语言非限制性地包括C、C++、C＃、FORTRAN、PASCAL、Java、Tcl 或BASIC。

可以以硬件、软件或两者的组合来实现控制器114。可以在制造品上包 含软件，该制造品包括但是不限于软盘、跳跃驱动器（jump drive）、硬盘、 光盘、磁带、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM。 可以使用例如一个或多个FPGA、CPLD或ASIC处理器来实现使用硬件电路 的实施例。在典型的实现方式中，控制器具有用于操作治疗装置112的接口， 但是它的操作由处理器104基于在存储器108中的程序指令来指示；然而， 在其他实现方式中，控制器114是对于治疗装置112特定的并且可能驻留在 治疗装置112上的专用装置，并且在处理器104不控制由控制器114向治疗 装置112传递的低电平操作控制信号时，其整体操作——即，当治疗装置应 当运行并且以解剖区域为目标时——保持受到基于如上所述的参数和模块的 处理器104的控制。

可以使用系统100来补偿在治疗设置中的组织移动，例如如在图2中所 示。在这个示例中，治疗区域在时间t＝0处是长方体。通过向三维网格映射 该长方体，可以定义体素坐标空间。图2示出在这个空间内的三组体素，它 们分别对应于在目标（即，在能量束的焦点处和周围）中、在低能量密度区 域（LEDR）中和在非通过区域（NPZ）中的组织区域。当治疗进行时，治疗 体积的图示的解剖由于例如器官的移位、肿胀、呼吸或一般的形态改变而改 变。在图2中，治疗区域在时间t=t_l处不再具有长方体形状，而是相反被弯 曲（即，由曲面约束）。作为对于治疗体积的这些形态改变的结果，体素相对 于彼此的布置也已经改变。具体地说，在t=t_l处，相对于还没有移动的换能 器的LEDR体素现在在NPZ体素和目标体素之间插入。

经常可以通过在宏观水平上的多个全局移动向量以及通过在微观（即， 体素）水平上的基于体素的向量来表达在解剖中的失真和移位——“变形”。 用于全局表征移动的一种手段包含：使用例如本领域内的技术人员公知的边 缘检测技术跟踪在可以在目标区域的图像中容易识别的、诸如组织界面或器 官之类的一些关键解剖标记或描述符中的位置改变。优选的是，选择当其移 动时不变形的一个或多个强壮的解剖描述符。基于方向置信度的解剖标记的 移动向量分析可以因此用于例如以可以被应用到在t＝0时的图像以得到在t ＝t₁时的图像的矩阵来表征整个治疗体积的平移和旋转。移动向量分析可以 包含：使用向量编码每一个解剖标记的移位，并且，计算全局旋转和平移向 量，该全局旋转和平移向量最小化与使用全局向量计算的单独移位向量相关 联的错误向量的平方的和。为了检测和表征非刚性移动，可以使用加权方向 分析，该加权方向分析使用在方向上加权的轮廓约束来增强非刚性体积移动 向量分析。轮廓约束使用基础解剖知识来约束所允许的移动，并且因此将移 动向量加权。一旦全局地表征组织移动，则可以使用全局移动表征参数来容 易地计算单独体素的坐标改变。

替代地，可以使用基于图像的相关，即，通过下述方式来在治疗体积的 一系列暂时移位的3D图像中直接地跟踪体素：将当前的体素布置与先前布 置作比较，并且基于体素的先前位置和它们与在体素坐标空间内的其他体素 的关系来计算移动向量，该移动向量描述体素的新的位置。只要体素不在时 间系列的连续图像之间移动通过大距离，该手段一般有效。换句话说，成像 更新率应当快得足以允许具有在预定义阈值下的几何跟踪误差的跟踪。例如， 在一些实施例中，体素在连续的帧之间移动平均小于一个体素长度（例如， 仅0.3体素长度）。

通过在原始体素坐标系内移动移位的体素（或将它们重新投影回原始体 素坐标系内），它们的新位置可以与换能器的位置相关；结果，可以使用变换 来调整治疗计划和/或换能器位置和操作。在一些情况下，可以手动地进行调 整，而在其他情况下，调整可以被计算为校正因子，并且使用控制器自动地 被实现，如上所述。

因为变形操作可以影响所有的相关体素（或相关体素的大部分），所以当 体素移动到在体素空间中的新的位置时，与每个体素相关联的属性保持与该 体素相关联（与体素一起移动）。换句话说，与现有技术不同，在空间中跟踪 整个3D区域的移动，使得无论什么属性与当在经过点的空间内的这些点移 动时与这些点相关联。如图2中所示，从t₀→t₁的组织的压缩和弯曲不仅移位 NPZ、目标和LEDR体素的绝对位置，而且移位它们与换能器的空间关系和 它们彼此的空间关系。通过下述方式来在体素网格中识别、后移位不同的体 素类型：对于表征属性分类，促进安全包络的重新计算（在给出新的组织几 何形状的情况下），并且因此重新定位换能器。结果，可以响应于在治疗期间 观察到的解剖改变（例如，病人移位）来在体素级别上实现调整。通过执行 如上所述的图像处理和移动跟踪模块的处理器104实现体素数据的这些移位 和更新的计算。

某些体素，例如在变形后，可能不再完美地适配于在3D网格中的单个 体素位置内，而是相反，跨越和部分地占用多个体素位置。这些部分未填充 的位置或者继承已经被移位到它们内的体素的属性的全部或不继承它们（例 如，基于体素占用该位置的程度），或者如果两个移位的体素现在部分地占用 在3D网格中的单个位置，则基于在存储器108中存储的一组规则来选择一 个体素的属性，并且由移动跟踪模块来实现。一个这样的规则可以基于安全 考虑（例如，NPZ状态优先于目标状态），哪个体素占用在网格位置中的总的 体积的较高百分比，或者哪个体素占用该位置的特定关键区域（例如，最接 近器官边界或最接近向不同地标注的区域的过渡），或者在一些情况下，可以 使用体素属性的平均值。

除了允许治疗内跟踪之外，与快速成像（例如，～10Hz）相结合的上述 技术的实现方式通过体素的移动校正的相加使得在信噪比（SNR）显著改善。 通常，可以通过相加采样来改善SNR，因为信号将线性地相加（简单求和）， 而噪声——假定它是随机的——将加和为噪声样本的平方的和的平方根。例 如，如果信号被测量为3（在一些单元中）并且噪声被测量为2，则在单个样 本中的SNR将是1.5（3/2）。然而，通过相加两个样本，并且每一个样本具 有信号值3和噪声值2，则相加的信号是6(3+3)，而噪声值是导致2.14（6/2.8）的SNR。然而，仅仅对于每一个测量使用相同的信号源时， 这样的手段才是有效的。因此，需要在补偿同一体素的移动时，对于该同一 体素进行求和。例如，如果在t＝t₀处测量在坐标{Χ1,Υ1,Ζ1}处的体素并且它 移动到新的位置{X2,Y2,Z2}，则在两个不同的位置处测量对于这个体素的信 号和噪声值。

虽然已经参考特定实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域内的技 术人员应当明白，在不偏离由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围的 情况下，可以在本发明中进行在形式和细节上的各种改变。本发明的范围因 此被所附的权利要求指示，并且因此意欲涵盖在权利要求的等同内容的含义 和范围内的所有改变。