基于模拟的聚焦超声治疗计划制造技术

用于治疗组织区域内的目标的聚焦超声或其他程序可以迭代地通过进行以下步骤来计划：创建指定治疗位置图案和施加至治疗位置图案的刺激的治疗计划，模拟治疗，在计算上预测模拟治疗的效果，将预测的效果与一个或多个治疗约束(诸如功效和/或安全性阈值)进行比较，以及如果违反了约束，则针对调整后的治疗计划重复模拟。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求在2013年1月29日提交的美国临时专利申请No.61/757,990的优先权和权益，并且通过引用将其全部内容包含于此。
本专利技术总地涉及用于聚焦超声程序的治疗计划。更具体地，各种实施例涉及用于在执行之前模拟和调节治疗程序的计算系统和方法。
技术介绍
高强度聚焦超声能量(即，具有大于约20千赫的频率)可以治疗性地用于治疗患者内的内部组织区域。例如，超声波可以用于引起诸如肿瘤的目标组织区域中的凝固和/或坏死。在该过程中，超声能量被组织吸收，导致热量的生成。所吸收的能量加热目标区域中的组织细胞至超过蛋白质变性阈值的温度，通常高于60℃，导致目标区域中的组织的凝固、坏死和/或消融。超声还可以用于各种其他治疗模式，包括例如，由超声引起的空化、神经调制、或受控热疗。聚焦超声方法可以利用例如压电陶瓷换能器，其放置在患者的外部，但是靠近目标。换能器将电子驱动信号转换成机械振动，导致声波的发射(以下被称为“声处理”的过程)。换能器可以被成形为使得波在聚焦区域会聚。此外，换能器通常由多个单独驱动的换能器元件限定，每个换能器元件的相位和振幅可以彼此独立地控制，并且由此，换能器可以被设置为引起聚焦区域中的单独声波的相长干涉。这种“相位阵列”换能器通过调节换能器元件之间的相对相位促成将聚焦区域引导至不同位置。聚焦超声治疗程序通常需要在一系列声处理中跨越目标移动焦点以覆盖一般大于聚焦区域的治疗区域或体积。在这样做时，重要的是跨越目标施加足量的能量以在限制周围非目标组织中的累积能量水平以避免对其的损伤的同时实现期望的治疗效果。这需要详细了解目标周围的区域中患者的解剖结构，如可以例如通过磁共振成像(MRI)获取。此外，其需要计算设备来确定对单独的换能器元件的准确和精确的相位和振幅设置，以将波束聚焦在期望位置。在许多治疗场景中，诸如不传输超声或对超声高度敏感的组织的解剖屏障位于换能器阵列和目标之间，需要换能器移动或利用少于所有元件的元件驱动，这使得程序更复杂。结果，治疗程序通常达到一定水平的复杂度，其需要详细的进展计划以基于患者和换能器之间的预期相对布置来确定作为时间的函数的所有换能器元件的相位和振幅设置。传统的治疗计划方法通常利用与不同成形的聚焦区域相对应的有限数量的预定义声处理协议，并涉及利用这些形状“铺贴”治疗区域。然而，这些方法通常不会考虑重叠“贴片”的累积效应、聚焦区域外部的超声吸收、以及从聚焦区域至周围区域的热传递。例如，为了计划三维目标体积的治疗，传统的治疗计划器可以将体积切成一系列相邻的二维切片，利用多个预定义声处理覆盖每个切片，并基于各个切片中的期望剂量来计算针对每个声处理的能量。然而，在治疗期间，每个切片不仅从在切片处聚焦的声处理吸收能量，还从在相邻切片进行的声处理吸收能量。因此，在切片中沉积的能量的总量可能超过先前计算的量。尽管这种过度的加热可能不对目标本身的治疗造成不利的影响(例如，因为期望治疗效果是目标消融)，但其可能导致周围的非目标组织暴露于不必要高量的超声能量。因此，期望将加热任何区域的所有贡献相加，以将每个声处理输送的能量设置为不大于必然影响治疗的水平。在某种程度上，先前计划的治疗程序可以在治疗期间基于有关治疗效果的实时信息被校正。MRI例如不仅用于可视化焦点和/或目标以引导超声波束，而且还可以在各种温度测量技术中使用以监视包括目标的区域中的温度分布，从而确保其保持在期望水平或期望范围内(例如，高于目标区域中的功效阈值并低于非目标组织中的安全性阈值)。如果目标中的温度太低，则可以施加附加的声处理以达到期望的功效阈值。相反，如果非目标区域或要被非破坏性地治疗(例如，用于缓和目的或用于受控热疗)的目标区域中的温度过高，则可以引入等待时间以允许组织冷却下来。然而，在一些情况中，在非目标组织吸收过多能量之后可能已经造成不可逆性损伤。此外，在治疗期间基于测出的效果对声处理程序的任何调整导致了整体治疗时间的延长，其可能不仅消耗了患者的耐心，而且还引入了例如由于疏忽但不可避免的患者移动引起的误差。因此，需要系统和方法，其促成对包括多个临床和解剖约束的复杂治疗场景的聚焦超声程序的更精确的计划，同时考虑期望目标区域外部的超声吸收和跨越组织的热传递。
技术实现思路
本专利技术的实施例涉及治疗计划方法，其包括在计算上模拟所计划的程序，以及通常基于模拟效果迭代地调整程序，还涉及用于实施这种方法的硬件和/或软件(以下总地称为“治疗计划器”或“计划器”)。在各种实施例中，治疗程序包括多个治疗方法；例如，超声程序可以包括施加以实现目标组织中的治疗效果的声处理、以及与其互补的组织表面的主动冷却以用于保护非目标组织。此外，尽管接下来的描述聚焦于超声程序，但这里公开的各种概念、实施例和特征也可应用至其他治疗方法，诸如例如射频(RF)消融、辐射治疗或热疗诱导，并且因此这种应用在本专利技术的范围内。模拟一般包括对感兴趣的组织区域和治疗配置进行建模，在计算上施加治疗刺激，以及在计算上预测通常作为时间的函数的刺激的效果。组织区域包括目标以及通常地非目标组织——例如，围绕目标的组织和/或在超声刺激的情况下位于换能器和目标之间的组织。一般地，治疗配置指定几何结构以及换能器(或其他治疗装置)相对于目标的位置和方向。刺激可以包括例如在期望聚焦位置或沿着期望聚焦路径的一系列声处理以及可选地(例如经由在组织界面处与冷却垫的物理接触或流体传导)传导地施加至组织界面的热刺激。例如在药物激活或释放的情况下，刺激还可以本质上是化学的。预测刺激的效果通常包括对通过组织区域(或其一部分)的局部引起的效果的传播进行建模。刺激和治疗效果可以根据特定治疗模式以及模拟的期望精度和分辨率由各种物理、生物物理或生物化学参数来表征。例如，在离散焦点处施加的一系列声处理脉冲可以以输送至聚焦位置的总能量来描述或者为了更大的空间-时间分辨率而以脉冲持续时间期间聚焦区域内的强度分布来描述。类似地，沿着跨越目标的聚焦路径施加的连续声处理可以以作为时间和/或沿着路径的位置的函数的声处理的功率和/或强度来描述。可以通过指定与冷却储藏器接触的边界处的温度来获得主动冷却。在治疗主要基于机械(相对于热)能的实施例中，刺激和/或治疗效果可以以压力、力、机械指数或机械应力来描述。针对影响化学或生物组织条件的治疗模式，治疗效果可以利用合适的化学或生物参数来获得。例如，药物输送可以以药物的局部浓度来描述。通常，可以基于治疗模式来选择用于表征和量化刺激和/或治本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种计划组织区域内的目标组织的聚焦超声治疗的方法，该方法包括：(a)至少部分地通过指定(i)与至少所述目标组织的子区域相对应的聚焦图案和(ii)要顺序地沿着所述聚焦图案施加的随时间变化的超声刺激来创建治疗计划；(b)至少部分地通过在计算上遍历所述聚焦图案并且在计算上将所述随时间变化的超声刺激施加至所述聚焦图案来根据所述计划模拟治疗；(c)至少部分地基于在计算上对模拟治疗的效果的传播进行建模的物理模型来在计算上预测所述效果；(d)将预测的效果与至少一个治疗约束进行比较；以及(e)如果违反了所述至少一个治疗约束，则改变所述治疗计划并针对改变后的治疗计划重复步骤(b)至(e)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.01.29 US 61/7579901.一种计划组织区域内的目标组织的聚焦超声治疗的方法，该方法包括：
(a)至少部分地通过指定(i)与至少所述目标组织的子区域相对应的聚焦图案和(ii)
要顺序地沿着所述聚焦图案施加的随时间变化的超声刺激来创建治疗计划；
(b)至少部分地通过在计算上遍历所述聚焦图案并且在计算上将所述随时间变化的超
声刺激施加至所述聚焦图案来根据所述计划模拟治疗；
(c)至少部分地基于在计算上对模拟治疗的效果的传播进行建模的物理模型来在计算
上预测所述效果；
(d)将预测的效果与至少一个治疗约束进行比较；以及
(e)如果违反了所述至少一个治疗约束，则改变所述治疗计划并针对改变后的治疗计
划重复步骤(b)至(e)。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
(f)使用治疗装置来根据所述治疗计划的第一部分进行所述治疗的第一部分；
(g)通过实验监视所进行治疗的效果；
(h)将实验监视的治疗效果与预测的治疗效果进行比较；以及
(i)在检测到所述实验监视的治疗效果与所述预测的治疗效果之间的差异时，调整所
述物理模型并基于调整后的模型修正所述治疗计划；以及
(j)根据修正后的治疗计划进行所述治疗的第二部分。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，调整所述模型包括调整所述模型的至少一个参
数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，修正所述治疗计划包括利用调整后的模型重复步
骤(a)至(e)。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，在不重复步骤(a)至(e)的情况下基于调整后的模
型来修正所述治疗计划。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，创建所述治疗计划还包括限定补充治疗程序的参
数。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述补充治疗程序包括主动加热或冷却。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，针对所述目标组织的多个子区域连续地执行步骤
(a)至(e)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，预测所述模拟治疗的效果包括对所述效果至所述
目标组织的另一子区域或所述目标区域内的非目标组织的传播进行建模。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，改变所述治疗计划包括改变所述聚焦图案中的
至少一个或施加至所述聚焦图案的所述超声刺激中的至少一个。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，在将所述预测的效果与所述至少一个治疗约束
进行比较之后，针对所述聚焦图案的仅一部分重复所述模拟，并且对所述随时间变化的超
声刺激的调整被限制至要沿着所述部分施加的刺激。
12.根据权利要求1所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：约阿夫·利维，本尼·阿西夫，吉拉德·哈勒维，尤尼·赫茨伯格，
申请(专利权)人：因赛泰克有限公司，约阿夫·利维，本尼·阿西夫，吉拉德·哈勒维，尤尼·赫茨伯格，
类型：发明
国别省市：以色列;IL