一種用于表征有機(jī)組織的超聲創(chuàng)傷的方法
【專利說明】
[0001 ]本發(fā)明涉及高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)的技術(shù)領(lǐng)域，更加確切地說，其涉及表征通過施加聚焦超聲波引起的有機(jī)組織的損傷。
[0002]在局部實(shí)體癌腫瘤的治療中，最佳的治療選擇通常仍然是手術(shù)切除。其能夠除去癌組織，條件是手術(shù)邊緣是陰性的，其也使得局部轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)最小化。
[0003]然而，該治療方法存在兩個(gè)制約因素:
[0004]-手術(shù)是侵入性的，并且可降低治療的收益/風(fēng)險(xiǎn)比；
[0005]-其必須保證手術(shù)邊緣是陰性的，即所有腫瘤細(xì)胞確實(shí)已經(jīng)被除去。
[0006]HIFU治療技術(shù)提供了微創(chuàng)性的有利方案。該原理在于將超聲束聚焦到腫瘤區(qū)域進(jìn)行破壞，其也稱為“勒”區(qū)域。生物組織吸收超聲能量導(dǎo)致溫度大幅升高，引起超聲束焦點(diǎn)處的組織立即且不可逆地壞死，而不損傷位于超聲換能器和焦點(diǎn)中間的組織。
[0007]相比之下，由于治療不是侵入性的，監(jiān)控治療邊緣的問題是復(fù)雜的。在切除期間，外科醫(yī)生能夠獲取生物組織樣品，對(duì)其進(jìn)行分析，并證實(shí)手術(shù)邊緣，以決定是否擴(kuò)大介入(即時(shí)分析)。當(dāng)實(shí)施非侵入性HIFU治療時(shí)，不能夠進(jìn)行這種樣品獲取和分析。
[0008]可設(shè)想若干方案解決這一問題。它們?nèi)恳蕾囉诟哔|(zhì)量的術(shù)前或術(shù)后成像，其能夠準(zhǔn)確地可視化組織區(qū)域的位置以進(jìn)行破壞。在此階段，通常建立治療邊緣，即圍繞治療將延伸的靶區(qū)域的一些最小距離。治療期間，實(shí)時(shí)成像設(shè)備能夠使被治療的器官成像，觀察靶區(qū)域以及設(shè)置與其相關(guān)的治療設(shè)備的位置。在治療結(jié)束時(shí)，則可提出若干方案來監(jiān)控治療邊緣，這取決于已經(jīng)產(chǎn)生的生物損傷用與該治療設(shè)備相關(guān)的成像裝置是否是可視的。
[0009]當(dāng)生物損傷不是可視的(對(duì)某些器官如前列腺的放射療法治療、聚焦超聲治療)，計(jì)算機(jī)工具(多模圖像合并)通常被用于證實(shí)治療設(shè)備是依照術(shù)前計(jì)劃被適當(dāng)?shù)囟ㄎ弧Ｈ欢?，盡管使用這樣的“修補(bǔ)”工具，使用足夠?qū)挼闹委熯吘壱源_定所有靶區(qū)域都已被治療仍是適當(dāng)?shù)摹?br>[0010]當(dāng)已產(chǎn)生的生物損傷是可視的，可以可視地觀察邊緣，并且操作者可在多個(gè)剖面證實(shí)生物損傷確實(shí)已經(jīng)覆蓋所有的靶區(qū)域。然而，證實(shí)所可視的生物損傷確實(shí)代表已被破壞的生物組織區(qū)域仍是適當(dāng)?shù)?。舉例來說，被破壞的生物區(qū)域的圖像可能依賴于由治療原理引起的組織局部血管阻斷，導(dǎo)致在磁共振成像(MRI)或超聲成像中產(chǎn)生低水平信號(hào)。然而，血管阻斷并不絕對(duì)代表細(xì)胞死亡，并且不能夠完全排除局部轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)。
[0011]在沒有準(zhǔn)確表示細(xì)胞死亡且與非侵入檢查相容的成像裝置的情況下，在微創(chuàng)性治療期間檢查治療邊緣的問題仍未得到完全解決。
[0012]正在開發(fā)新的超聲成像技術(shù)(也稱為回聲成像)，以試圖使采用常規(guī)B型(二維輝度調(diào)制型)回聲成像觀察不到的組織損傷成像。
[0013]—些技術(shù)依賴于已經(jīng)通過超聲治療加熱后的組織的彈性的差異(彈性成像)。文獻(xiàn)Performance assessment of HIFU les1n detect1n by harmonic mot1n imagingfor focused ultrasound(HMIFU):a 3-D finite element-based framework withexperimental validat1n,GaryY.Hou et al.,Ultrasounds in Medicine and B1logy,New York,NY,US, Vo1.37,N0.12 , September 6,2011 描述了這樣的方法。那些方法是復(fù)雜的，并且需要專門且昂貴的并且不能普遍展開的成像系統(tǒng)。
[0014]然而，具體圖像處理算法可以增強(qiáng)常規(guī)B型回聲圖像中已治療的組織和未治療的組織之間的對(duì)比差。這樣的方法是復(fù)雜的，并且通常缺乏足夠用于實(shí)際臨床應(yīng)用的穩(wěn)健性。文獻(xiàn)Ultrasound image enhancement for HIFU les1n detect1n and measurement-Sheng Yan et al.-9th Internat1nal Conference on Electronic Measurement&Instruments,2009-August 16-19，2009,Beijing,China-Proceedings, IEEE，pp.4-193-1SBN:978-1-4244-3863-1-Sect1n III Experimental result on HIFU monitor image提出了這樣的方法。雖然，增強(qiáng)對(duì)比差使其更容易區(qū)分已治療的組織和未治療的組織(其稱為分割)，但其仍必須依靠強(qiáng)力的算法，以使被治療的區(qū)域的輪廓能夠被自動(dòng)分割。文獻(xiàn)Ultrasound segmentat1n:A survey,J.Alison Noble, IEEE Transact1ns on MedicalImaging，Vol.25,N0.8,August 2006，pp.987-1010提出了分割領(lǐng)域中最新進(jìn)展的綜述，并且強(qiáng)調(diào)了這一問題在超聲成像領(lǐng)域中的具體困難。
[0015]以上提到的圖像加工和分割方法仍是復(fù)雜的，并且對(duì)于推廣使用而言，其仍是不足夠穩(wěn)健的。因此，需要開發(fā)一種表征用非侵入性或微創(chuàng)性方法(如HIFU治療)治療的有機(jī)組織的損傷的方法。
[0016]因此，本發(fā)明提供了一種表征有機(jī)組織的超聲損傷的方法，該損傷是由于施加由探針遞送的高強(qiáng)度聚焦超聲而產(chǎn)生的，該探針具有形狀呈環(huán)形或準(zhǔn)圓柱形的發(fā)射面。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，本方法包括:
[0018]-自超聲施加結(jié)束起至少兩天之后，獲取已治療的有機(jī)組織的至少一個(gè)表征圖像；
[0019]-在該圖像中檢測(cè)對(duì)比邊界的存在；以及
[0020]-由對(duì)比邊界確定超聲損傷的程度。
[0021]在具體的實(shí)施方式中，該方法顯示出以下附加特征中的一個(gè)或多個(gè)，或甚至是它們?nèi)?
[0022]-在表征圖像中檢測(cè)閉合的對(duì)比邊界的存在；
[0023]-在表征圖像中識(shí)別對(duì)比邊界內(nèi)部的超聲損傷；
[0024]-獲取超聲表征圖像，并且在超聲表征圖像的對(duì)比邊界內(nèi)識(shí)別高水平回聲區(qū)域和位置鄰近高水平回聲區(qū)域和對(duì)比邊界的低水平回聲區(qū)域；
[0025]-在施加超聲之前，獲取有機(jī)組織的基準(zhǔn)圖像，以使腫瘤可視化，并比較基準(zhǔn)圖像與表征圖像，以監(jiān)控治療邊緣；
[0026]-處理基準(zhǔn)圖像和表征圖像，以確定超聲損傷的程度；
[0027]-計(jì)算表征圖像中由超聲損傷界定的面積與基準(zhǔn)圖像中由腫瘤界定的面積之間的比值，以推斷出損傷程度的邊緣尺寸；
[0028]-使用多個(gè)表征圖像和多個(gè)基準(zhǔn)圖像來計(jì)算表征圖像中由超聲損傷界定的體積與基準(zhǔn)圖像中由腫瘤界定的體積之間的比值，以由其推斷出超聲損傷程度的邊緣尺寸；
[0029]-在六天至三十天范圍內(nèi)的時(shí)間段之后，優(yōu)選約八天之后，獲取表征圖像;和
[0030]-表征對(duì)應(yīng)于肝組織的有機(jī)組織的損傷。
[0031]上述表征方法不包括力圖施加高強(qiáng)度聚焦超聲的步驟，并且因此其排除了對(duì)人體或動(dòng)物體的手術(shù)或治療性治療的任何步驟。其僅僅力圖表征假設(shè)已由這樣的治療引起的損傷。其可以包括在這樣的治療之前實(shí)施的一個(gè)或多個(gè)步驟，但是不管怎樣其不包括該治療。
[0032]此外，本發(fā)明還提供了一種治療和表征人體或動(dòng)物體的生物組織的方法，該方法包括治療步驟，所述治療步驟包括向人體或動(dòng)物體內(nèi)的生物組織施加由探針遞送的高強(qiáng)度聚焦超聲的步驟，所述探針的發(fā)射面呈環(huán)形或準(zhǔn)圓柱形形狀，并且該方法包括如上所述的表征方法。
[0033]參照附圖進(jìn)行的以下描述顯示出多種其他特征，所述附圖示出的本發(fā)明的實(shí)施方式為非限制性實(shí)例。
[0034]圖1示出了具有環(huán)形發(fā)射面的超聲治療探針。
[0035]圖2是顯示使用這樣的探針治療有機(jī)組織的圖。
[0036]圖3是HIFU治療之前的腫瘤的回聲圖像。
[0037]圖4是在施加超聲結(jié)束時(shí)所獲取的損傷的回聲圖像。
[0038]圖5是自施加超聲結(jié)束起八天后獲取的損傷的回聲圖像。
[0039]在本說明書中，描述了本發(fā)明在表征由施加高強(qiáng)度聚焦超聲引起的有機(jī)組織的超聲損傷方面的應(yīng)用。超聲由圖1所示的治療探針I(yè)遞送，該探針具有形狀為環(huán)形的發(fā)射面。治療探針I(yè)適合于憑借高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)治療生物的組織。治療探針I(yè)特別包括換能器2，換能器2具有一個(gè)或多個(gè)超聲發(fā)射器3，舉例來說，如壓電元件。這些超聲發(fā)射器3通過同軸電纜5經(jīng)由放大級(jí)6連接至控制電路7，控制電路7遞送用于激活超聲發(fā)射器3的信號(hào)。由于控制電路7構(gòu)成本領(lǐng)域技術(shù)人員的技術(shù)知識(shí)的一部分，因此沒有非常詳細(xì)地描述控制電路7。控制電路7因此以常規(guī)方式包括受控的信號(hào)發(fā)生器，其經(jīng)由放大級(jí)6連接到超聲發(fā)射器。
[0040]換能器2呈現(xiàn)用于發(fā)射超聲波的面8，超聲波聚焦于聚焦區(qū)Z。如圖2更加具體示出的，這一發(fā)射面8是通過圍繞對(duì)稱軸S旋轉(zhuǎn)具有長度I的凹或凸曲線段9而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)面，該凹或凸曲線段9具有曲率中心C，并且位于距對(duì)稱軸S相距R的位置，其中R不是O。旋轉(zhuǎn)面8是由具有長度I，半徑r和中心c的圓弧段產(chǎn)生的，該中心c距對(duì)稱軸S的距離為R，其中R不是O。這一旋轉(zhuǎn)面8的形狀被認(rèn)為是環(huán)形。
[0041]在圖2示出的實(shí)例中，曲率中心C和曲線段9位于對(duì)稱軸S的同側(cè)。應(yīng)該觀察到，可以規(guī)定曲率中心C位于對(duì)稱軸S的與曲線段9相反的一側(cè)。在這一變化方案中，發(fā)射面8被認(rèn)為是交叉環(huán)形的結(jié)果。
[0042]在圖2示出的實(shí)施方案中，旋轉(zhuǎn)面8是由其凹面面向?qū)ΨQ軸S的圓弧段產(chǎn)生的。自然地，旋轉(zhuǎn)面8可以由圓弧以外的曲線段產(chǎn)生。因此，旋轉(zhuǎn)面8可以由曲線段產(chǎn)生，對(duì)于該曲線段而言，曲線段的每個(gè)點(diǎn)與曲率中心C之間的距離r呈連續(xù)變化(沒有任何拐點(diǎn))，例如橢圓曲線段。
[0043]從以上說明可以看出，換能器的發(fā)射面8是環(huán)形的。大體而言，換能器的發(fā)射面8的形狀隨著通過圍繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生超聲發(fā)射面的曲線段的形狀而變化，該曲線段可以呈現(xiàn)多種形狀。因此，舉例來說，發(fā)射面8可以通過在垂直于包含兩個(gè)曲線段的側(cè)面的方向上平移兩個(gè)對(duì)稱曲線段產(chǎn)生。每個(gè)曲線段在形狀上是凹形的，并且具有有限的長度。在這一變化方案中，發(fā)射面8呈準(zhǔn)圓柱形形狀。
[0044]以已知的方式，超聲探針I(yè)通過體外、圍手術(shù)期或腔內(nèi)方法放置，使得超聲波的