用于引导放疗和其他过程的MRI引导的HIFU标记法

摘要

本公开提供了有效的系统和方法，用于提高特定患者的特定解剖结构之内的靶组织显著性。在示例性实施例中，与本公开相关联的系统包括：(a)用于在靶组织区域上产生消融标记的MRI引导的HIFU系统，所述MRI引导的HIFU系统包括换能器，其用于向所述靶组织区域递送HIFU，所递送的HIFU在所述靶组织上产生消融标记；以及MRI成像系统，其适于在HIFU递送期间产生所述靶组织区域的三维图像以引导向所述靶组织区域递送HIFU；(b)放疗递送系统，用于向靶组织区域递送放疗治疗；以及(c)CT成像系统，可在所述放疗递送系统之内工作，用于产生所述靶组织区域的三维图像。所述MRI引导的HIFU在所述靶组织区域上产生的标记在由所述CT成像系统产生的图像中是可见的。由所述CT成像系统产生的图像引导向靶组织区域递送的放疗治疗的位置。

说明书

本公开涉及用于提高靶组织区域的显著性以实现与放疗治疗和手术相关联的改进的图像引导的系统和方法。

治疗超声是向组织中沉积声能的最小侵入性或非侵入性方法。超声疗法的应用包括组织切除(例如针对肿瘤治疗)、高温治疗(低水平加热结合放疗或化疗)或激活或增强药物递送。高强度聚焦超声(HIFU；有时称为FUS或HIFUS)是一种利用高强度聚焦超声迅速加热并破坏发病组织的高精度医疗操作。HIFU是治疗超声的一种具体模式。通常，在计算机化MRI引导下，可以将这种技术称为磁共振引导的聚焦超声，常缩写为MRgFUS或MRI引导的HIFU。磁共振成像(MRI)用于在通过超声治疗破坏之前，识别与特定解剖结构相关联的肿瘤或纤维瘤。

在放疗期间跟踪肿瘤定位和活动是一项困难的任务，但对于指导恰当的放射治疗射束定位非常关键。引导到目标定位的正确射束放置变得越来越重要，这是因为控制X射线束或粒子束(即质子束)沉积剂量的能力得到改善了。预计辐射射束精度的改善会带来改善的治疗效果。例如，使用更精确的射束能够使诸如肿瘤的期望目标定位的放疗剂量最大化，同时使邻近正常组织的辐照最小化。相反，如果在射束定位中有误差，增强的射束精度和强度会增大伤害周围组织或正常组织的可能性。提高射束精度和强度在辐射射束引起的能量沉积中产生非常陡峭的梯度。在使用质子束时这种效果尤其有意义。

无论是利用兆伏X射线治疗射束或与治疗机械集成的诊断质量X射线成像系统执行，锥形射束CT在监测射束定位方面都非常有帮助，这是因为它能够在即刻要接受治疗之前对患者和/或目标定位成像。千伏或兆伏射线照像(radiography)也能够在2维投射形式的治疗期间采集空间信息。尽管特定技术能够相对于诸如肿瘤的已定义目标定位非常精确地引导辐射治疗射束，当在治疗机械中不能精确地跟踪肿瘤定位时，有效性可能大大减小。这是重要的实际问题，因为安装在治疗机械中的入口射束成像单元提供非常差的软组织对比度。此外，一般的CT，尤其是“机载(on board)”锥形射束CT，即使具有千伏X射线，也具有相对较差的软组织对比度。于是，通常不能看到特定患者或目标定位之内的肿瘤。此外，由于呼吸和其他种类的患者运动，尤其难以看到和/或跟踪肿瘤的运动。结果，常常必需要使用代用标记物来显示肿瘤的定位及其潜在运动。例如，可以在患者皮肤上放置CT可探测到的标记物，测量这些标记物和特定肿瘤位置之间的关系，从而可以将这些标记物用作肿瘤位置的替代者。这远远不是理想的，因为根据患者的相对位置以及包括肿瘤相对于周围组织和器官的内部运动的运动，肿瘤和标记物之间的关系可能会变化。也可以使用植入的标记物，但标记物植入通常是复杂的、侵入性的，且标记物和肿瘤之间的关系仍可能随着时间变化。

在放疗期间缺少与肿瘤位置和肿瘤运动相关的信息是最佳地利用诸如强度调制辐射治疗(IMRT)和粒子束治疗系统的若干治疗技术/系统的主要障碍。因此，需要一种有效的放疗递送系统，其能够有效地监测肿瘤定位，同时改善放疗.递送。这些和其他需求是通过本公开的系统和方法解决和/或克服的。

本公开提供了有效的系统和方法，用于提高特定患者的特定解剖结构之内的靶组织显著性。在示例性实施例中，与本公开相关联的系统包括：(a)用于在靶组织区域上产生消融标记的MRI引导的HIFU系统，MRI引导的HIFU系统包括换能器，其用于向所述靶组织区域递送HIFU，所递送的HIFU在所述靶组织上产生消融标记；以及MRI成像系统，其适于在递送HIFU期间产生所述靶组织区域的三维图像以引导向所述靶组织区域递送HIFU；(b)放疗递送系统，其用于向所述靶组织区域递送放疗治疗；以及(c)可在放疗递送系统中工作以产生靶组织区域的三维图像的X射线、CT或射线照相成像系统，。由MRI引导的HIFU在靶组织区域上产生的标记在由所述X射线成像系统产生的图像中是可见的。由X射线成像系统产生的图像引导向所述靶组织区域递送的放疗治疗的位置。

靶组织区域可以是要接收放疗治疗的任何区域，并且常常是肿瘤。在示例性实施例中，消融标记在靶组织区域上形成三维图案，使得该图案实际上可以被X射线成像系统看到。消融标记的所述图案可以是按照方案性定位的一系列点，以为放疗治疗递送提供边界。

在示例性实施例中，在靶组织区域上按照方案产生消融标记，使得可以经静脉(IV)向靶组织区域递送造影剂。在IV注入之后，可以使用HIFU将造影剂固定在组织中造影剂浓度最大的点。两种示例性技术包括但不限于：1)使用HIFU在特定区域使血管凝结，从而在浓度最大的点截留造影剂。尽管有些类似于用于治疗肝癌的化学栓塞方法，利用HIFU允许在界限分明的很小区域中消融血管，从而截留的造影剂生成非常清晰的标记；以及2)恰在注入造影剂之前以低功率施加HIFU，以提高血管通透性但不消融血管。这可以增加造影剂到选定区域中的泄漏。在示例性实施例中，可以组合使用这些技术。造影剂可以是从由氧化铁、钇X射线造影剂、常规碘处理的X射线造影剂及其组合构成的组选择的任何成员。在示例性实施例中，递送到靶组织区域的造影剂可以由包括X射线、MRI和超声的其他成像系统看到。

在示例性实施例中，MRI引导的HIFU系统、X射线成像系统和放疗递送系统是同时使用的，X射线成像系统是在放疗机械处使用的。递送到所述靶组织区域的放疗治疗可以是适于消除靶组织区域之内不希望组织的任何放疗治疗。放疗治疗可以是从包括化疗和IMRT的组中选择的成员。

在示例性实施例中，在由CT成像系统观看时，MRI引导的HIFU系统适于更清晰地刻画靶组织区域。递送到靶组织区域的放疗治疗可以是放疗射束，并实时连续调节放疗射束的位置，由此增加指向所述靶组织区域的剂量并同时减小对于周围非靶组织区域的辐射照射。

在示例性实施例中，所述消融标记是以非侵入方式产生的并在组织变形的情况下保持其可见性。所述消融标记可以被编码并适于在将来对所述靶组织区域成像时被对齐和验证，用于将来治疗规划策略。在示例性实施例中，利用所述MRI引导的HIFU系统向对所述靶组织区域进行手术的外科医生提供图像引导。在另一示例性实施例中，造影剂为适于增强辐射效应的金珠。与本公开相关联的示例性消融标记还可以提供活体组织检查引导。

本公开提供了一种提高接收放疗的靶组织区域显著性的有效方法，包括如下步骤：(a)通过利用MRI引导的HIFU系统消融靶组织区域，从而在所述靶组织区域上产生消融标记，和/或还利用消融截留MRI可探测或光学可探测的造影剂，所述MRI引导的HIFU系统包括换能器，所述换能器适于由MRI成像系统引导向所述靶组织区域上的目标定位递送HIFU；(b)利用可以在放疗递送系统中工作的CT成像系统监测所述靶组织区域的方位和/或位置；以及(c)由放疗递送系统向所述靶组织区域递送放疗治疗。由MRI引导的HIFU在所述靶组织区域上产生的标记可以被CT成像系统看到，且所述CT成像系统适于为放疗递送系统递送放疗治疗提供引导。在示例性实施例中，靶组织区域为肿瘤。

从下面的说明书，尤其是结合附图阅读说明书后，所公开系统和方法的其他特征、功能和优点将变得显而易见。

为了帮助本领域的普通技术人员制造和使用所公开的系统和方法，对附图进行参照，其中：

图1是与本公开相关联的示例性系统和方法的示意性流程图。

本公开提供了利用MRI引导的HIFU更清楚地描绘肿瘤界限的系统和方法。在示例性实施例中，在对特定患者和/或与患者相关联的组织之内的肿瘤进行入口CT成像同时使用时，MRI引导的HIFU能够有效地描绘肿瘤界限。尽管参考的是锥形射束CT，但与本公开相关联的示例性实施例包括在治疗肿瘤期间结合其他成像设施和系统使用MRI引导的HIFU。

在示例性实施例中，MRI引导的HIFU(或其他MRI引导的热消融技术)能够借助锥形射束CT直接对特定肿瘤和周围组织可视化，从而大大改善了在特定示例性治疗期间对肿瘤定位和肿瘤运动的监测。与本公开相关的治疗包括但不限于在治疗和减小特定解剖结构内的肿瘤生长方面有效的任何示例性放疗治疗。MRI引导的HIFU能够利用尺寸为5mm左右的CT对比度变化以1-2mm的精度以非侵入方式使用靶组织区域标记。此外，可以使用HIFU产生的标记对齐来自诸如MRI和/或超声的其他成像设施的计划中和后续图像，以改善辐射位点选择和后续治疗。

本公开提供了系统和方法，涉及利用MRI引导的HIFU标记详细描绘肿瘤的3维结构的图案，从而显著提高诸如肿瘤的靶组织区域的显著性。典型地，在使用CT扫描成像设施或系统时，在高温下被消融或利用机械力被声穿透的组织比未处理的组织显著得多。如果需要进一步提高显著性，可以利用MRI引导的HIFU将造影剂精确地固定和/或稳定到病灶中。示例性造影剂包括但不限于氧化铁、钇、金颗粒或常规碘化X射线造影剂。

在示例性实施例中，使用MRI引导的HIFU标记能够在诸如放疗治疗的特定肿瘤相关的治疗期间实时测量和/或监测诸如定位和运动的肿瘤活动。此外，在示例性实施例中，MRI引导的HIFU标记允许进行肿瘤监测，从而可以在辐射递送期间对与特定放疗治疗相关联的特定疗法射束进行连续调节，从而提高治疗效率和精度。通过调节示例性治疗射束以解决肿瘤治疗期间的运动问题，例如，可以增大提供到特定靶组织区域和/或周围组织的辐射剂量，同时减少对正常组织的放疗曝光量。与本公开相关联的示例性系统包括肿瘤标记和监测系统和/或非侵入性方法，并将在组织变形的情况下维持其标记功能，在稍微变化的位置中进行一系列治疗时常常会发生组织变形。

在根据本公开的示例性实施例中，带HIFU标签的肿瘤定位在超声和MRI成像期间是可见的和可跟踪的。如果将超声和/或MRI成像用于辐射治疗规划和后续治疗，那么利用MRI引导的HIFU对肿瘤添加标签对于成功治疗的记录和验证是有效的。在示例性实施例中，对HIFU治疗所做的标记进行编码以供将来使用，这是因为很多接受辐射疗法的患者也接受HIFU治疗作为放疗和化疗的辅助。

本公开涉及利用锥形射束CT成像有效改善辐射治疗期间肿瘤的目标定位的系统和方法。MRI成像在辐射性肿瘤学规划中扮演着越来越重要的角色，HIFU标记物可以用于对来自MRI成像的计划与锥形射束CT成像进行记录。在与本公开相关联的示例性实施例中，将(一个或多个)HIFU标记直接置于诸如肿瘤和/或周围组织的特定靶组织区域上。适于向靶组织区域递送HIFU的HIFU换能器在靶组织区域上产生标记。在通过MRI成像进行引导时，可以对3维标记图案进行有效控制。可以在MRI引导下对标记进行编码，从而可以将从MRI图像得到的软组织对比度用于精确地确定肿瘤的边界和肿瘤之内的“高危”区域，在这种高危区域中，提升辐射剂量可能是有帮助的。在示例性实施例中，利用MRI引导的热消融技术产生肿瘤上的标记。

参考图1，示例性示意流程图示出了与根据本公开的有效系统/方法相关联的步骤。方框10表示利用MRI引导的HIFU系统定位靶组织区域并消融标记。方框20表示由诸如锥形射束CT的示例性成像系统对靶组织区域成像。在示例性实施例中，锥形射束CT成像系统与放疗递送系统集成。方框30表示由锥形射束CT监测MRI引导的HIFU系统消融的靶组织区域的位置。方框40表示适于向靶组织区域递送放疗治疗的放疗递送系统。被消融靶组织区域的成像提供了关于放疗治疗的精度和强度的有效引导。

在示例性实施例中，与通过诸如CT、MR和/或超声成像系统的示例性成像系统生成的图像时肿瘤的非消融图像相比，被HIFU消融的诸如肿瘤的靶组织区域在图像上显示出显著增强的对比度。在示例性实施例中，在MRI引导下利用HIFU消融靶肿瘤和/或组织，产生精确的病灶和/或病灶界限。在另一示例性实施例中，在治疗期间可以利用2维放射线摄影法或锥形射束CT跟踪(一个或多个)病灶定位。

本公开提供了一种示例性方法，用于针对诸如肿瘤的靶组织区域，诱发可跟踪的标记物。在特定示例性方法中，使用高温消融为CT成像系统创建最大对比度。在另一种示例性方法中，使用高强度短脉冲针对肿瘤和/或肿瘤边界在HIFU焦点处诱发空洞形成或机械破坏。这些高强度脉冲在HIFU造成的损伤表面周围产生一系列小“点”。产生这些点主要是用于在3维成像中描绘损伤的边界。在示例性实施例中，声穿透的总体积相对较小，以便于迅速执行消融/标记操作。在另一示例性实施例中，在结合诸如IMRT的特定辐射治疗使用以进一步消融肿瘤并结合为IMRT提供肿瘤位置和定位监测时，HIFU消融提供了其他肿瘤消融的额外优点。

在示例性实施例中，仅仅超声声处理不能在特别处理的肿瘤的图像中提供有效程度的对比度。可以使用递送到身体中的目标定位和/或肿瘤的造影剂增大图像之中肿瘤的对比度。示例性造影剂包括，但不限于氧化铁造影剂、钇造影剂和/或可以由MRI和CT在特定损伤中探测到的其他造影剂。在使用造影剂时，选择超声参数以诱发小的血管渗漏，导致造影剂在超声焦点处聚集。将超声焦点引导到与由HIFU产生的标记相关联的期望定位。在这种实施例中，在利用诸如CT、MRI和/或常规X射线荧光检查法(X-rayfluoroscopy)成像的示例性成像系统产生图像时，能够显著增强病灶显著性。

在示例性实施例中，使用可以由MRI、CT、超声(US)和X射线X射线荧光检查法探测到的造影剂。因此，造影剂将以如下方式分布，使得能在MRI上探测到并与和靶肿瘤定位相关联的特定靶组织区域的3维图像相关。在示例性实施例中，使用在入口射束CT成像系统和/或荧光检查成像系统上探测到的相同造影剂分布来基于造影剂分布和肿瘤界限之间的已知解剖学关系推断出肿瘤的界限。在示例性实施例中，本公开提供了两种有效的方法来“烧入”示例性造影剂：

1).在造影剂未相对快速地从血管泄漏的情况下，可以将(一种或多种)造影剂快速注入，并使用MRI确定第一次通过组织的峰值。系统然后在与峰值相关联的精确时间进行声处理，使得血管能变得更有渗透性，在肿瘤中和周围的血管中截留下非常高浓度的造影剂。尽管肿瘤血管通常是超可渗(hyper-permeable)的，但适当调节的有效声处理可以导致细胞膜瞬时可渗透。这暂时增大了造影剂分布体积，这是由于通常处于细胞外的造影剂能够临时进入细胞中。在示例性实施例中，由于细胞外造影剂的正常分布体积很小，这增大了可被截留在目标定位中的造影剂的量；

2).在造影剂迅速从血管泄漏的情况下，允许造影剂在靶组织中达到最大浓度，然后系统在希望做标记的定位进行声处理。这有效地使血液凝结，停止血液流动，并在期望的目标定位截留造影剂。

在示例性实施例中，与本公开相关联的MRI引导的HIFU系统适于相对于诸如肿瘤的靶组织区域标记高危区域，或在可能受益于提高的辐射剂量的肿瘤边界上产生标记。示例性区域包括由MR频谱技术界定的区域。通过这种方式，可以使用在MR引导下做出的标记将MR辐射治疗规划图像和辐射治疗系统对齐，以更好地瞄准要治疗的正确定位。在示例性实施例中，利用MRI引导的HIFU针对目标定位产生标记提供了进一步消融目标定位的额外优点，从而在一定程度上提供了额外提高的治疗剂量，这是由于HIFU本身能够非常有效地以非常高的温度消融小区域。在把标记置于怀疑有高肿瘤负荷或无线电阻抗的区域意图以高于通常辐射剂量的剂量瞄准该区域中时，这可能有特别有益的效果。在示例性实施例中，与本公开相关联的MRI引导的HIFU系统是与包括放疗和化疗的其他治疗结合的。

在示例性实施例中，利用现有的MRI和HIFU硬件技术用MRI来引导HIFU。在示例性实施例中，MR引导的HIFU系统在靶肿瘤外侧周围以3维图案围绕靶病灶产生一系列小标记，以清晰地刻画出肿瘤的3维结构。由于标记或标签的总体积相对较小，且由于对示例性辐射射束的控制非常精确，因此对这些图案进行编码以增强病灶显著性，从而减小扩展和/或长时间声处理的必要性。

在示例性实施例中，为了进一步提高显著性，在标记分布到肿瘤中和肿瘤周围之后立即向静脉中注入造影剂。可以利用HIFU以将会清晰示出肿瘤3维形状的图案将示例性造影剂固定到精确组织定位中。在示例性实施例中，可以选择造影剂和/或对其显影，以便在MRI、CT、US和/或X射线成像系统中可见。在使用US成像系统时，可以利用US较为精确地定位适于传播较大信号的US造影剂的若干离散焦点，该若干离散焦点可以与靶组织区域的3维结构相关。

在示例性实施例中，可以在注入之后使用MRI监测造影剂分布随时间的变化，并指导HIFU递送的时机，从而可以将最佳的造影剂分布固定到肿瘤和/或周围组织区域中。然后使用MRI精确地界定造影剂的3维分布与利用HIFU系统产生的3维肿瘤边界之间的关系。在稍后由诸如锥形射束CT的成像系统探测到造影剂时，可以使该分布精确地与治疗机械中的肿瘤界限相关。然后由锥形射束CT探测由MRI引导的HIFU系统编码的图案，并用于在患者处于与锥形射束CT相关联的治疗机械中的同时向患者递送治疗之前立即确定肿瘤定位。在示例性实施例中，在治疗以及响应于肿瘤定位和变形中探测到的变化连续调节放疗射束结果期间，实时地实现肿瘤监测。此外，可以进行准直器配置以实行增强的辐射治疗。在示例性实施例中，将MR诊断图像与原始RT图像对齐以为治疗规划和选择提供更好的引导。

在示例性实施例中，HIFU产生的标记可以被肉眼看到并可用于图像引导手术中。于是，在手术期间和/或结合手术规划辐射治疗的情况下，HIFU标记可能是有用的。在示例性实施例中，小的HIFU标记可以适于产生比手术自身小得多的损伤。这会提供一种将解剖学和功能MR测量以及使用其他成像设备的测量直接引入手术室的方法。一系列微小但可探测的HIFU标记可能在引导外科医生并提供外科医生相对于3维MR功能和/或解剖学图像切开哪里的更精确指示期间有利地发挥作用。在示例性实施例中，将视觉上可探测的造影剂固定到小的HIFU标记中以引导外科手术方式可能是有帮助的。在示例性实施例中，将视觉上可探测的造影剂设计成在低频吸收光和/或发射光，这种低频光可以穿透组织，直到1cm的深度。然后，外科医生可以使用针对无框立体车(stereo taxi)配备的光探测器产生探针在手术腔边缘处分布的3维图像。然后可以在示出了探测剂分布与病灶定位关系的MRI图像上对齐探测剂分布的这一3维图像。与外科手术方式相比，这会使外科医生能够获得(一种或多种)病灶定位的3维视图。与本公开相关联的示例性系统结合动脉瘤、癫痫和其他相关疾病的治疗使用是有效的。

在示例性实施例中，利用HIFU将造影剂固定到肿瘤和/或靶组织定位上或之内，以进一步增强辐射治疗。在示例性实施例中，将金珠用作造影剂，经静脉递送以增强辐射效应。在这种情况下，经静脉给予金颗粒，然后使用HIFU在期望的治疗位点局部诱发血管泄漏。从而，金颗粒将选择性地聚集在随后进行辐射治疗的治疗位点。在示例性实施例中，使用HIFU在选择性区域之中固定金颗粒并防止被消融性血管给送和区域排出清除掉。

在示例性实施例中，MRI引导的HIFU有利地在癌症治疗的活体组织检查中是有效的。活体组织检查常常是与癌症治疗和后续治疗相关联的非常重要的方面。很多与癌症和治疗相关的活体组织检查是在超声引导下进行的。然而，超声常常不足以识别活体组织检查的位点。可以利用HIFU标记，使得标记在超声下是可见的，于是提供了一种在射线疗法介入的环境中为超声引导的活体组织检查确定定位的手段。

在示例性实施例中，使用MRI界定由HIFU系统产生的标记和肿瘤位置及其他感兴趣组织和器官位置的3维关系。使用MRI监测这些关系与呼吸运动和其他潜在干扰运动相关联的变化。然后可以将这种关系与HIFU标记的锥形射束CT图像一起使用来确定肿瘤和周围组织和器官的3维位置。

在示例性实施例中，可以在手术室环境中应用与MRI引导的HIFU系统结合的造影剂技术。在示例性实施例中，在特定病灶中及其周围以特定图案截留光学造影剂。例如，利用荧光造影剂使得外科医生使用的棒能够探测这些造影剂相对于手术腔的位置。如果激励/探测频率处于特定范围中，就可以透过组织看到造影剂。如果棒装备有适当的无车架立体声出租汽车设备和软件，甚至可以构造手术腔和直接包围腔的组织的3维图像并显示其与3维MRI扫描的关系。

尽管已经参考示例性实施例及其实施方式描述了本公开，但所公开的系统和方法不限于这种示例性实施例/实施方式。相反，本领域的技术人员从这里提供的说明书将容易明白，在不脱离本公开的精神或范围的情况下很容易对所公开的系统和方法做出修改、变化和提高。因此，本公开明确地在其范围之内涵盖这种修改、变化和提高。