專利名稱：相控型高強(qiáng)度聚焦超聲和磁共振融合的腫瘤治療系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲腫瘤治療系統(tǒng)，尤其涉及一種融合了磁共振(Magnetic Resonance Imaging-MRI)和相控型高強(qiáng)度聚焦超聲(Phased High Intensity Focused Ultrasound-PHIFU)的優(yōu)勢，實現(xiàn)腫瘤無損治療的系統(tǒng)，屬于醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在全球范圍內(nèi)腫瘤的發(fā)病率居高不下，且治愈率較低，手術(shù)切除是目前腫瘤治 療中比較常用的一種方法，但對于晚期病人，手術(shù)對病人創(chuàng)傷過大，所以無創(chuàng)、微創(chuàng)的 腫瘤治療方法顯得尤為重要。高強(qiáng)度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound-HIFU)是一種綠色無創(chuàng)、安全有效的腫瘤治療方法。HIFU將高強(qiáng)度超聲波匯聚到人體腫瘤組 織，在短時間內(nèi)產(chǎn)生很高熱量，致使組織變性壞死，從而殺死腫瘤細(xì)胞。HIFU治療在臨 床上應(yīng)用已有20多年歷史，目前在前列腺、子宮、肝臟、腎臟、乳腺、骨骼等部位腫瘤 治療中較廣泛采用。
PHIFU采用電子相控聚焦技術(shù)，通過調(diào)控各個陣元的激勵信號相位和幅度可產(chǎn) 生單焦點(diǎn)或多焦點(diǎn)聲場模式，進(jìn)而形成所需形狀、大小的焦域，完成目標(biāo)靶組織的定向 適形加熱。相對于單陣元換能器焦距固定、需機(jī)械移動換能器、只能形成單個焦點(diǎn)， PHIFU換能器在焦點(diǎn)三維電子移動，形成多個焦點(diǎn)模式等方面具有較大優(yōu)勢，從而可以 大大提高腫瘤的消融效率。
MRI成像利用原子核自旋運(yùn)動的特點(diǎn)，在外加磁場內(nèi)，經(jīng)射頻脈沖激后產(chǎn)生信 號，用探測器檢測信號，通過計算機(jī)處理得到物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在人體內(nèi)利用氫核成像， 獲取人體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，尤其對軟組織有比CT更高的分辨力，不需要造影劑，不會對人 體造成輻射，相對CT更安全。MRI除了可以清晰的分辨和定位腫瘤組織以外，更重要 的是MRI可以實時準(zhǔn)確的測量HIFU治療過程靶區(qū)組織的溫度變化，從而為PHIFU的精 準(zhǔn)安全治療提供有效的監(jiān)控手段，再次MRI可對PHIFU熱療進(jìn)行有效的術(shù)后療效評估。 因此MRI和PHIFU融合治療腫瘤是一種非常安全有效的治療方法。
目前國內(nèi)臨床使用較廣泛的HIFU設(shè)備多為B超引導(dǎo)的HIFU治療。該類設(shè)備 術(shù)中用B超引導(dǎo)HIFU治療，治療過程控制主要憑醫(yī)生的經(jīng)驗。該類設(shè)備及治療方法存 在最大問題是HIFU治療過程組織溫度不能監(jiān)控，容易造成正常組織的損傷，所以存在較 大的安全性問題。
中國專利CN1903390A提出一種MRI引導(dǎo)的高強(qiáng)度聚焦超聲系統(tǒng)，該系統(tǒng)超聲 治療部分由傳統(tǒng)的單陣元換能器構(gòu)成，只能形成單焦點(diǎn)，治療過程中必須依靠機(jī)械位移 控制換能器移動，實現(xiàn)單焦點(diǎn)掃描，治療模式單一，不夠靈活，治療效率較低，無法繞 過骨骼屏障。單陣元HIFU換能器由于需要機(jī)械移動，容易在MRI中引入嚴(yán)重電磁干 擾，HIFU加熱過程中實時測量靶區(qū)組織溫度僅為二維信息，并且測溫信息未加入到自動 反饋控制系統(tǒng)。中國專利CN2853097Y提出了一種基于開放式的MRI引導(dǎo)的HIFU治療 系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于低場的MRI系統(tǒng)和單陣元的HIFU換能器，雖這樣系統(tǒng)設(shè)計較方便，圖像引導(dǎo)比傳統(tǒng)的B超引導(dǎo)精確，但該系統(tǒng)測溫存在漂移大，不夠精確快速等問題，所以 也不是很好的解決方案。
以色列INSIGHTEC公司生產(chǎn)的EXABLTE 2000型超聲子宮肌瘤治療系統(tǒng)，實現(xiàn)了利用GE公司的1.5T磁共振成像系統(tǒng)引導(dǎo)PHIFU治療子宮肌瘤。該系統(tǒng)僅適用于子 宮肌瘤治療，為了避免PHIFU加熱過程中對MRI成像產(chǎn)生干擾，降低了換能器的輸出能 量，導(dǎo)致單個焦點(diǎn)達(dá)到治療所需溫度時間過長，治療效率較低，且該系統(tǒng)對診斷MRI進(jìn) 行改造，成本較高。
在不對現(xiàn)有高場(1.5T以上)診斷MRI進(jìn)行改造的基礎(chǔ)上，開發(fā)一種MRI和 PHIFU融合治療腫瘤的系統(tǒng)，以便與現(xiàn)有的診斷設(shè)備融合，降低成本，成為一個新的研究課題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種相控型高強(qiáng)度聚焦超聲和磁 共振融合的腫瘤治療系統(tǒng)，將診斷MRI結(jié)構(gòu)與PHIFU換能器有機(jī)融合，利用PHIFU可在 三維空間電子聚焦掃描、同時形成多焦點(diǎn)加熱的優(yōu)勢，結(jié)合MRI的精確定位和實時準(zhǔn)確 測溫優(yōu)勢，實現(xiàn)腫瘤安全有效的治療。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的腫瘤治療系統(tǒng)由相控型高強(qiáng)度聚焦超聲PHIFU治療 控制單元、多路相控信號發(fā)生器、多路電壓控制器、多路諧振式功率放大單元、多陣元 PHIFU換能器、MRI掃描模塊及MRI溫度處理模塊構(gòu)成。PHIFU治療控制單元根據(jù)治 療計劃，計算激勵信號的相位和幅值，經(jīng)多路相控信號發(fā)生器、多路電壓控制器及多路 諧振式功率放大單元產(chǎn)生大功率激勵信號驅(qū)動PHIFU換能器。PHIFU治療控制單元控制 MRI掃描模塊對靶區(qū)掃描，獲得的圖像經(jīng)過MRI溫度處理模塊處理得到實時三維溫度信 息，PHIFU治療控制單元根據(jù)反饋的溫度信息調(diào)整加熱策略。
本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)為相控型高強(qiáng)度聚焦超聲和磁共振融合的腫瘤治療系統(tǒng)由 相控型高強(qiáng)度聚焦超聲PHIFU治療控制單元、多路相控信號發(fā)生器、多路電壓控制器、 多路諧振式功率放大單元、多陣元PHIFU換能器、磁共振掃描模塊及磁共振溫度處理模 塊構(gòu)成。
所述PHIFU治療控制單元分別連接多路相控信號發(fā)生器、多路電壓控制器、磁 共振掃描模塊和磁共振溫度處理模塊；PHIFU治療控制單元儲存有根據(jù)術(shù)前腫瘤解劑結(jié) 構(gòu)制定的包括治療路徑、治療點(diǎn)坐標(biāo)、加熱時間、加熱模式在內(nèi)的治療計劃，計算確定 加熱模式所需的陣元激勵信號的相位和幅值，并將得到的相位控制信號和幅值控制信號 分別輸送到多路信號發(fā)生器和多路電壓控制器；PHIFU治療控制單元控制磁共振掃描模 塊對腫瘤靶區(qū)掃描，同時接受磁共振溫度處理模塊反饋的實時腫瘤組織溫度信息來調(diào)整 加熱模式和加熱時間。
所述多路相控信號發(fā)生器基于現(xiàn)場可編程門陣列設(shè)計，接收PHIFU治療控制單 元傳送的相位控制信號，處理后輸出多通道頻率可調(diào)的指定相位延遲的信號至多路諧振 式功率放大單元。
所述多路電壓控制器基于單片機(jī)設(shè)計，接收PHIFU治療控制單元傳送的幅值控 制信號，處理后輸出指定電壓幅值的信號至多路諧振式功率放大單元。4
所述多路諧振式功率放大單元將接收的指定相位延遲信號和指定電壓幅值信號 結(jié)合、放大，輸出具有指定相位、幅度的激勵信號到多陣元PHIFU換能器。
所述磁共振掃描模塊采用對溫度敏感的序列，并將實時掃描腫瘤靶區(qū)獲得的圖 像輸送至磁共振溫度處理模塊，磁共振溫度處理模塊對掃描圖像處理，可獲得靶區(qū)三維 溫度信息，并將靶區(qū)三維溫度信息反饋至PHIFU治療控制單元。
所述多陣元PHIFU換能器是基于診斷MRI結(jié)構(gòu)設(shè)計而成，由多個壓電陶瓷陣元 (PZT-8)組成。該換能器可在不需要機(jī)械移動情況下，實現(xiàn)焦點(diǎn)三維聚焦和掃描，減少 了由于機(jī)械移動換能器引入的電磁干擾。同時利用PHIFU不僅可以形成單焦點(diǎn)，而且還 可同時形成多個焦點(diǎn)，多種焦點(diǎn)模式可增加加熱的靈活性，也縮短治療時間。
所述多陣元PHIFU換能器由壓電材料做成，無磁性，對MRI信號不產(chǎn)生影響。 多路相控信號發(fā)生器、多路電壓控制器和多路諧振式功率放大單元都放置在磁共振房間 外面，通過長距離絕緣屏蔽信號線輸送到放置在磁共振房間里的PHIFU換能器。上述信 號線做了嚴(yán)格的電磁屏蔽，避免對磁場產(chǎn)生干擾。整個系統(tǒng)沒有鐵磁性材料，沒有干擾 源，盡可能完善屏蔽，所以對MRI的成像基本沒有干擾。
本發(fā)明所提供的MRI和PHIFU融合治療腫瘤的系統(tǒng)，基于診斷MRI結(jié)構(gòu)，設(shè)計 合適的PHIFU換能器，實現(xiàn)MRI和PHIFU的融合。系統(tǒng)可以在不改變現(xiàn)有高場(1.5T 以上)磁共振設(shè)備結(jié)構(gòu)情況下，實現(xiàn)MRI和PHIFU的融合，也可以根據(jù)PHIFU特性，改 變現(xiàn)有高場(1.5T以上)磁共振設(shè)備結(jié)構(gòu)，使之形成適于與PHIFU融合的專門磁共振，實 現(xiàn)MRI和PHIFU的融合。PHIFU利用電子相控聚焦技術(shù)，在無需機(jī)械移動換能器情況 下，實現(xiàn)了焦點(diǎn)在三維空間里聚焦和掃描；同時PHIFU可形成多種焦點(diǎn)模式，可大大提 高治療效率。MRI不僅對組織有良好的解剖定位能力，可進(jìn)行準(zhǔn)確的術(shù)前、術(shù)中引導(dǎo)， 而且可實時精確的監(jiān)控HIFU治療過程中靶區(qū)組織溫度，從而可以量化、準(zhǔn)確、實時地控 制HIFU治療過程，大大提高了 HIFU治療的安全性。結(jié)合MRI和PHIFU的諸多優(yōu)點(diǎn)， 實現(xiàn)兩者的融合，為腫瘤提供了一種全新更安全有效的治療方法。


圖1為本發(fā)明相控型高強(qiáng)度聚焦超聲和磁共振融合的腫瘤治療系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
本發(fā)明利用診斷MRI結(jié)構(gòu)，設(shè)計合適的PHIFU換能器，實現(xiàn)了 MRI和PHIFU的有機(jī)融合，圖1為本發(fā)明的MRI和PHIFU融合治療腫瘤的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。如圖1所 示，本發(fā)明由相控型高強(qiáng)度聚焦超聲PHIFU治療控制單元、多路相控信號發(fā)生器、多路 電壓控制器、多路諧振式功率放大單元、多陣元PHIFU換能器、磁共振掃描模塊及磁共 振溫度處理模塊構(gòu)成。
本發(fā)明中的主要控制部分是PHIFU治療控制單元，PHIFU治療控制單元分別 連接多路相控信號發(fā)生器、多路電壓控制器、磁共振掃描模塊和磁共振溫度處理模塊。 PHIFU治療控制單元控制了 PHIFU治療計劃的制定和實施，具體包括治療路徑規(guī)劃、治療點(diǎn)坐標(biāo)、治療時間、治療焦點(diǎn)模式的選擇、輻射能量的選擇等等。該單元根據(jù)腫瘤的 形狀和大小，在術(shù)前對治療的聲場和溫度場進(jìn)行仿真計算，制定最優(yōu)的治療計劃。依據(jù) 制定的治療計劃和換能器的參數(shù)，采用聲場偽逆矩陣算法，計算得到加熱模式所需的陣 元激勵信號的相位和幅值，并將得到的相位控制信號和幅值控制信號通過串行或并行數(shù) 據(jù)傳輸協(xié)議分別傳送至多路信號發(fā)生器和多路電壓控制器，以產(chǎn)生多路具有指定相位和 幅值的激勵信號。PHIFU治療控制單元還具有的功能是可以根據(jù)靶區(qū)反饋溫度動態(tài)調(diào)整 治療參數(shù)，如加熱時間、加熱模式、加熱點(diǎn)位置等等，或控制PHIFU治療的終止。這樣 既保證完全消融殺死腫瘤組織，又盡量避免周圍正常組織的損傷，減少副作用，保證了 治療的安全有效。PHIFU治療控制單元還控制磁共振掃描模塊對腫瘤靶區(qū)掃描，同時接 受磁共振溫度處理模塊反饋的實時腫瘤組織溫度信息來調(diào)整加熱模式和加熱時間。
本發(fā)明中，多路相控信號發(fā)生器基于現(xiàn)場可編程門陣列設(shè)計，可產(chǎn)生65或更多 通道、256種相位延遲(最低分辨率1.4° )、頻率在0.5M至2M可調(diào)的相控信號。多路 相控信號發(fā)生器接收PHIFU治療控制單元傳送來的特定的相位控制信號，經(jīng)過處理后， 產(chǎn)生多通道多種相位延遲的相控信號輸出，且信號頻率可調(diào)。多路相控信號發(fā)生器輸出 指定相位延遲的信號至多路諧振式功率放大單元。
本發(fā)明中，多路電壓控制器是基于單片機(jī)設(shè)計的，可獨(dú)立高精度(達(dá)0.1% )控 制PHIFU激勵信號的電壓。多路電壓控制器接收PHIFU治療控制單元傳送的幅值控制信 號，處理后輸出指定電壓幅值的信號至多路諧振式功率放大單元。
本發(fā)明中，多路諧振式功率放大單元由65個或更多獨(dú)立的功率放大器組成，每 個功率放大器本質(zhì)上是一個LC諧振電路，且和一個PHIFU換能器的陣元唯一連接。多 路諧振式功率放大單元將多路相控信號發(fā)生器和多路電壓控制器輸送的指定相位延遲信 號和指定電壓幅值信號結(jié)合，經(jīng)過諧振放大，輸送出具有指定相位、幅度的激勵信號到 多陣元PHIFU換能器，以0-20W電功率能量驅(qū)動多陣元PHIFU換能器。
本發(fā)明中，磁共振掃描模塊采用特定的對溫度敏感序列對治療腫瘤靶區(qū)進(jìn)行掃 描成像，將獲得的圖像輸送至磁共振溫度處理模塊。磁共振溫度處理模塊采用質(zhì)子進(jìn)動 頻率方法處理，可得到實時三維溫度信息。質(zhì)子進(jìn)動頻率方法測溫速度較快(時間精度 Is)，精度較高(溫度精度士 1°C )，滿足PHIFU治療中溫度監(jiān)控要求。磁共振溫度處理 模塊將溫度信息反饋給PHIFU治療控制單元，PHIFU治療控制單元基于當(dāng)前靶區(qū)溫度實 時調(diào)整治療模式和治療時間。MRI有效的溫度測量和反饋控制保證了 PHIFU治療的安全 性，幫助醫(yī)生更好地實施PHIFU治療。
本發(fā)明中多陣元:PHIFU換能器由65或更多個直徑小于或等于IOmm的壓電陶瓷 陣元(PZT-8)組成，陣元緊密排布在曲率半徑為13cm、口徑為IOcm的球殼上。通過緊 密排布，使得有限的面積上輻射最大的聲功率。該多陣元PHIFU換能器可在無需機(jī)械移 動換能器下實現(xiàn)較大范圍內(nèi)焦點(diǎn)三維移動，另一方面該換能器可同時形成2、4、6或更 多焦點(diǎn)，多種焦點(diǎn)模式提高了 PHIFU治療的效率。
本發(fā)明中多陣元PHIFU換能器通過較長的屏蔽信號線(22m)連接至遠(yuǎn)端的多路 諧振式功率放大單元。換能器材料是壓電陶瓷，對MRI成像不產(chǎn)生干擾，且屏蔽信號線 及換能器采用鋁皮屏蔽，基本做到了在PHIFU治療過程中，大功率信號對MRI成像不造 成干擾，實現(xiàn)了 PHIFU治療和MRI成像測溫的融合。
PHIFU利用相控聚焦技術(shù)，可以實現(xiàn)電子移動焦點(diǎn)和形成多種焦點(diǎn)模式，而 MRI可在術(shù)中實時精確測量靶區(qū)組織溫度，結(jié)合兩者的優(yōu)勢，可以對腫瘤進(jìn)行有效安全 的治療，同時推動HIFU治療劑量標(biāo)準(zhǔn)的建立，完善HIFU治療技術(shù)，促使HIFU治療腫 瘤技術(shù)的推廣和應(yīng)用，為更多腫瘤患者帶來福音。
權(quán)利要求
1.一種相控型高強(qiáng)度聚焦超聲和磁共振融合的腫瘤治療系統(tǒng)，其特征在于由相控型 高強(qiáng)度聚焦超聲PHIFU治療控制單元、多路相控信號發(fā)生器、多路電壓控制器、多路諧 振式功率放大單元、多陣元PHIFU換能器、磁共振掃描模塊及磁共振溫度處理模塊構(gòu) 成；所述PHIFU治療控制單元分別連接多路相控信號發(fā)生器、多路電壓控制器、磁共振 掃描模塊和磁共振溫度處理模塊；PHIFU治療控制單元儲存有根據(jù)術(shù)前腫瘤解剖結(jié)構(gòu)制 定的包括治療路徑、治療點(diǎn)坐標(biāo)、加熱時間、加熱模式在內(nèi)的治療計劃，計算確定加熱 模式所需的陣元激勵信號的相位和幅值，并將得到的相位控制信號和幅值控制信號分別 輸送到多路信號發(fā)生器和多路電壓控制器；PHIFU治療控制單元控制磁共振掃描模塊對 腫瘤靶區(qū)掃描，同時接受磁共振溫度處理模塊反饋的實時腫瘤組織溫度信息來調(diào)整加熱 模式和加熱時間；所述多路相控信號發(fā)生器基于現(xiàn)場可編程門陣列設(shè)計，接收PHIFU治療控制單元傳 送的相位控制信號，處理后輸出多通道頻率可調(diào)的指定相位延遲的信號至多路諧振式功 率放大單元；所述多路電壓控制器基于單片機(jī)設(shè)計，接收PHIFU治療控制單元傳送的幅值控制信 號，處理后輸出指定電壓幅值的信號至多路諧振式功率放大單元；所述多路諧振式功率放大單元將接收的指定相位延遲信號和指定電壓幅值信號結(jié) 合、放大，輸出具有指定相位、幅度的激勵信號到多陣元PHIFU換能器；磁共振掃描模塊采用對溫度敏感的序列，并將實時掃描腫瘤靶區(qū)獲得的圖像輸送至 磁共振溫度處理模塊，磁共振溫度處理模塊對掃描圖像處理，并將獲得的靶區(qū)三維溫度 信息反饋至PHIFU治療控制單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的相控型高強(qiáng)度聚焦超聲和磁共振融合的腫瘤治療系統(tǒng)，其特征在 于所述多陣元PHIFU換能器由65個或更多個PZT-8壓電陶瓷陣元組成，在不需要機(jī)械移 動情況下實現(xiàn)焦點(diǎn)三維聚焦和掃描。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的相控型高強(qiáng)度聚焦超聲和磁共振融合的腫瘤治療系統(tǒng)，其特征在 于所述多路諧振式功率放大單元通過絕緣屏蔽信號線連接到多陣元PHIFU換能器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種相控型高強(qiáng)度聚焦超聲和磁共振融合的腫瘤治療系統(tǒng)，由相控型高強(qiáng)度聚焦超聲PHIFU治療控制單元、多路相控信號發(fā)生器、多路電壓控制器、多路諧振式功率放大單元、多陣元PHIFU換能器、MRI掃描模塊及MRI溫度處理模塊構(gòu)成。PHIFU治療控制單元根據(jù)治療計劃，計算激勵信號的相位和幅值，經(jīng)多路相控信號發(fā)生器、多路電壓控制器及多路諧振式功率放大單元產(chǎn)生大功率激勵信號驅(qū)動PHIFU換能器。PHIFU治療控制單元控制MRI掃描模塊對靶區(qū)掃描，獲得的圖像經(jīng)過MRI溫度處理模塊處理得到實時三維溫度信息，PHIFU治療控制單元根據(jù)反饋的溫度信息調(diào)整加熱策略。本發(fā)明結(jié)合PHIFU的電子聚焦、多焦點(diǎn)加熱優(yōu)點(diǎn)和MRI的精確定位、實時準(zhǔn)確測溫優(yōu)點(diǎn)，實現(xiàn)腫瘤安全有效的治療。
文檔編號A61B5/055GK102019044SQ20101058060
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者馮學(xué)蘇, 孫非, 李德輝, 沈國峰, 白景峰, 陳亞珠 申請人:上海交通大學(xué)