Способ и устройство для сфокусированной ультразвуковой терапии высокой интенсивности
Группа изобретений относится к медицине, а именно к средствам сфокусированной ультразвуковой терапии высокой интенсивности. Устройство, предназначенное для ультразвуковой терапии высокой интенсивности, состоит из ультразвукового преобразователя, устройства получения изображений, узла возбуждения и механического средства привода, соединенных с указанным ультразвуковым преобразователем, узла обработки сигналов, выполненного с возможностью вычисления серой шкалы до и после лечения и блока управления, выполненного с возможностью прекращения или продолжения работы ультразвукового преобразователя в зависимости от вычислений узла обработки сигналов. Способ сфокусированной ультразвуковой терапии высокой интенсивности заключается в получении оригинальных изображений целевой области, проведении лечения путем излучения сфокусированного ультразвука высокой интенсивности на целевую область, оценку терапевтического эффекта в соответствии с изображениями целевой области до и после лечения, прекращение лечения целевой области, если изменение между изображением целевой области перед лечением и после лечения превышает 5-10 градаций серой шкалы, имеющей равномерный диапазон 0-255 градаций от черного до белого. Данная группа изобретений позволяет оценить терапевтические эффекты в реальном времени в процессе лечения и откорректировать дозу ультразвукового сфокусированного излучения высокой интенсивности в зависимости от результатов оценки. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для сфокусированной ультразвуковой терапии высокой интенсивности, в частности, оно относится к способам и устройствам переключения излучения терапевтических ультразвуковых лучей по изменениям серой шкалы ультразвуковых изображений.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Исследователи в области медицины обнаружили, что сопротивление воздействию теплоты у раковых клеток хуже, чем сопротивление нормальных клеток. Когда температура превышает 42,5°С, раковые клетки умирают в течение 30 минут, в то время как нормальные клетки повреждаются незначительно и эта рана заживает. В соответствии с этой особенностью раковых клеток ультразвук высокой интенсивности, сфокусированный на опухоли, создаваемый терапевтической системой, является источником энергии, и проницаемость и концентрация ультразвуковых волн с относительно низким уровнем интенсивности, излучаемых аппликатором, взаимодействует с передающей средой через кожу в ткань опухоли в человеческом теле. Эти ультразвуковые лучи в ткани сконцентрированы в пространственном фокальном пятне и фокальной области (размером 3×8 мм) со средним акустическим уровнем мощности порядка 1000 Вт/м2. Температура в фокальной области мгновенно (от 0,1 до 5 секунд) повышается (за пределы 70°С). Этот тепловой эффект вместе с образованием каверн (ультразвук высокой интенсивности может создавать пузырьки жидкости, подобные туману, при этом механическое формирование и разрушение пузырьков может создать очень высокую температуру и давление, которое может разрушить структуру ткани) и может быть достигнуто механическое воздействие, разрушающее ткани в фокальной области. Раковые клетки могут быть подвергнуты воздействию фокальной области посредством сканирования от точки до линии и затем от линии до сектора и затем от сектора до сплошного участка и, наконец, вся ткань опухоли прижигается и, таким образом, достигается терапевтическая цель.
С разработкой ультразвуковой терапии стала возможной проверка и обработка опухолей при ультразвуковой терапии, связанной с устройствами создания изображений, таких как ультразвук в режиме «В». Устройство создания изображений ультразвука в режиме «В», используемое в известном оборудовании для ультразвуковой терапии, используется, главным образом, для обнаружения и наблюдения за опухолью до применения ультразвуковой терапии, при помощи ЯМР или КТ и для контроля в течение некоторого времени после лечения. Известное оборудование определяет, была ли достигнута необходимая терапевтическая дозировка в целевой области после лечения, если вызван коагуляционный некроз ткани-мишени, и для оценки терапевтического эффекта после лечения. Таким образом, имеют место многочисленные недостатки, поскольку терапевтический эффект не может наблюдаться в реальном времени и терапевтическая доза устанавливается только опытным путем. Если доза недостаточна, пораженная ткань не может быть эффективно разрушена и терапевтический эффект не может быть достигнут. Если доза превышает необходимую дозу, может быть разрушена нормальная ткань, и возникает проблема безопасности. Поэтому оценка терапевтических эффектов в реальном времени во время лечения становится совершенно необходимой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для того чтобы решить вышеупомянутые задачи, устройство для ультразвуковой терапии высокой интенсивности по настоящему изобретению включает ультразвуковой преобразователь для излучения сфокусированного ультразвука высокой интенсивности, подаваемого на обрабатываемую целевую область, устройство получения изображений для обнаружения обрабатываемой целевой области и получения изображений целевой области, узел возбуждения, соединенный с указанным ультразвуковым преобразователем для его возбуждения, чтобы последний излучал ультразвуковые волны к обрабатываемой целевой области, и механическое средство привода, соединенное с указанным ультразвуковым преобразователем для его механического перемещения и устройства получения изображений, чтобы сканировать обрабатываемую целевую область.
При этом указанное устройство для ультразвуковой терапии высокой интенсивности дополнительно включает узел обработки сигналов, соединенный с устройством получения изображений для получения и хранения изображений целевой области, полученных устройством получения изображений до лечения и для получения и хранения изображений целевой области, полученных устройством получения изображений в определенное время обработки сфокусированным ультразвуком высокой интенсивности (HIFU), и для того, чтобы оценить терапевтические эффекты в соответствии с изображениями целевой области до и после лечения, а также блок управления, соответственно соединенный с узлом обработки сигналов, узлом возбуждения и механическим средством привода. Когда узел обработки сигналов находит, что терапевтические требования удовлетворены, блок управления управляет узлом возбуждения и механическим средством привода для прекращения работы ультразвукового преобразователя; если узел обработки сигналов находит, что терапевтический эффект не достигнут, блок управления управляет узлом возбуждения и механическим средством привода, чтобы обеспечить продолжение работы ультразвукового преобразователя.
Дополнительно способ ультразвуковой терапии высокой интенсивности по настоящему изобретению включает следующие стадии: получение оригинальных изображений, т.е. прием и захват оригинальных изображений обрабатываемой целевой области до лечения; проведение лечения, т.е. излучение сфокусированного ультразвука высокой интенсивности и наложение его на целевую область; оценку терапевтических эффектов, т.е. получение и сохранение изображений целевой области в определенное время во время лечения методом HIFU и оценку терапевтических эффектов в соответствии с изображениями целевой области до и после лечения. Когда узел обработки сигналов определяет, что терапевтический эффект достигнут, лечение целевой области прекращается, а когда узел обработки сигналов определяет, что терапевтический эффект не достигнут, лечение целевой области продолжается.
Согласно способу и устройству для сфокусированной ультразвуковой терапии высокой интенсивности по настоящему изобретению терапевтические эффекты целевой области могут быть оценены в реальном времени в процессе лечения, и лечение целевой области может быть продолжено или прекращено в зависимости от этих оценок. Соответственно, дозировкой ультразвука можно управлять с высокой точностью, и могут быть достигнуты оптимальные терапевтические эффекты.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 - блок-схема устройства согласно изобретению.
Фигура 2 - схема последовательности операций устройства согласно изобретению.
Фигура 3 - изображение ультразвука в режиме «В» ткани до лечения.
Фигура 4 - изображение ультразвука в режиме «В» ткани после лечения.
Фигура 5 - изображение ультразвука в режиме «В» ткани до лечения.
Фигура 6 - изображение ультразвука в режиме «В» ткани после лечения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ
Конструкция устройства согласно настоящему изобретению показана на фигуре 1. Как показано на фигуре 1, устройство ультразвуковой терапии высокой интенсивности по настоящему изобретению обычно включает ультразвуковой преборазователь 1, устройство получения изображений 2, узел возбуждения 6 и механическое средство привода 7. Кроме того, для достижения цели по настоящему изобретению, оно дополнительно включает узел обработки сигналов 4 и блок управления 5. При этом ультразвуковой преобразователь 1 излучает сфокусированный ультразвук высокой интенсивности на обрабатываемую целевую область, а устройство получения изображений 2 установлено на ультразвуковом преобразователе 1 и используется для обнаружения опухоли и получения изображений целевой области, при этом могут быть использованы известные устройства создания изображений и устройство создания изображений в режиме «В» на примере, описанном в настоящем изобретении. Узел обработки сигналов 4 соединен с устройством получения изображений 2 для получения и хранения изображений целевой области, полученных устройством получения изображений 2. Серая шкала текущих изображений целевой области может быть обработана и оценена на основе оригинальных данных изображения перед лечением. Дисплей 3 соединен с узлом обработки сигналов 4 и отображает изображения, полученные от узла обработки сигналов 4. Узел возбуждения 6, соединенный с ультразвуковым преобразователем 1, приводит в действие ультразвуковой преобразователь 1 для излучения ультразвуковых волн к обрабатываемой целевой области под контролем блока управления 5. Механическое средство привода 7, соединенное с ультразвуковым преобразователем 1, механически перемещает ультразвуковой преобразователь 1 и работающее в режиме «В» устройство создания ультразвуковых изображений 2 вместе под контролем блока управления 5. Блок управления 5, соединенный соответственно с узлом обработки сигналов 4, узлом возбуждения 6 и механическим средством привода 7, получает результаты вычислений и оценку изменений серой шкалы изображений целевой области, полученной от узла обработки сигналов 4, и управляет работой узла привода 6 и механического средства привода 7 в зависимости от результатов вычислений и оценки. Рабочая блок-схема устройства для высокой интенсивности сфокусированной ультразвуковой терапии высокой интенсивности по настоящему изобретению показана на фигуре 2. Как показано на фигуре 2, стадия S1 вводится после начала лечения. На стадии S1 ультразвук в устройство создания изображений 2, работающее в режиме «В», получает оригинальные изображения обрабатываемой целевой области и передает их на узел обработки сигналов 4. Узел обработки сигналов 4 обрабатывает первичные серые шкалы этих изображений и сохраняет эти первичные серые шкалы для последующих вычислений и оценок.
На стадии S2 блок управления 5 управляет узлом возбуждения 6 и механическим средством привода 7 и инициирует ультразвуковой преобразователь 1 на излучение сфокусированного ультразвука высокой интенсивности, чтобы сканировать целевую область и подвергнуть воздействию сфокусированным ультразвуком опухолевые клетки в целевой области. В определенное время, например, по меньшей мере, после одного сканирования, осуществляется переход на стадию S3, ультразвуковое устройство создания изображений 2, работающее в режиме «В», получает изображения обрабатываемой целевой области снова и передает их на узел обработки сигналов 4. Узел обработки сигналов 4 обрабатывает серые шкалы этих изображений после лечения и затем обрабатывает изменения серой шкалы этих изображений после лечения по сохраненным первичным серым шкалам. Затем выполняется переход на стадию S4. На этой стадии узел обработки сигналов 4 определяет, превышают ли изменения серой шкалы заданное значение. Если изменения серой шкалы превышают заданное значение, это означает, что доза акустической терапии на целевой области была достигнута и сфокусированное ультразвуковое излучение высокой интенсивности может быть прекращено. Наоборот, если изменения серой шкалы не превышают заданного значения, это указывает на то, что доза акустической терапии на целевой области не была достигнута и сфокусированное ультразвуковое излучение высокой интенсивности для лечения должно быть продолжено. После многих экспериментов на подопытных животных было обнаружено, что изменения серой шкалы ультразвуковых изображений целевой области до и после лечения связаны не только с акустической мощностью и временем экспозиции, но также и с глубиной проникновения, структурой ткани, функциональным состоянием ткани и с режимами обработки. Однако если изменения серой шкалы превышают 5-10 градаций серого, происходит коагуляционный некроз ткани опухоли в целевой области. В настоящем изобретении значения серой шкалы равномерно распределены в диапазоне от 0 до 255. Величина 0 представляет собой полное черное, величина 255 - полное белое.
Способ вычисления для серых шкал и изменений серой шкалы предусматривает использование компьютера для получения изображения от контролирующего сканера в режиме «В» в конкретное время, например время получения статических изображений до и после лечения. Компьютерная система автоматически записывает позиции, энергию и параметры оборудования во время получения изображений. При помощи арифметики компьютерной графики, такой как операция различия и операция свертывания, можно сравнить изменения серых шкал в указанном месте. Область сравнения может быть точкой, линией (прямой линией, кривой, дорожкой хода лучения и т.д.), сектором (прямоугольником, многоугольником) и т.д. В зависимости от позиции дорожек хода лечения на изображениях до и после лечения вычисляются показатели серой шкалы в определенной области, например полное значение серой шкалы, средняя серая шкала, взвешенное значение серой шкалы (суммирование, усреднение и т.д.), серая шкала центра области и т.д. Используя операции различия и свертки, сравниваются показатели серой шкалы до и после лечения. На стадии S4, если изменения серой шкалы изображений целевой области превышают заданное значение, узел обработки сигналов 4 посылает команду прекращения операции на блок управления 5. При получении команды прекращения операции блок управления 5 управляет узлом возбуждения 6 и механическим средством привода 7 для прекращения работы ультразвукового преобразователя 1, который излучал сфокусированный ультразвук высокой интенсивности, т.е. останавливает лечение.
На стадии S4, если изменения серой шкалы изображений целевой области не превышают заданное значение, узел обработки сигналов 4 посылает команду на продолжение лечения блоку управления 5, и система возвращается на стадию S2. На стадии S2, при команде продолжения лечения, блок управления 5 управляет узлом возбуждения 6 и механическим средством привода 7 так, что ультразвуковой преобразователь 1 продолжает излучать сфокусированный ультразвук высокой интенсивности, т.е. продолжает лечение. На фигурах 3 и 4 представлены изображения ультразвука в режиме «В» для одной и той же ткани печени до и после лечения. Фигура 3 - изображение перед лечением и фигура 4 - изображение после обработки ткани сфокусированными ультразвуковыми лучами высокой интенсивности. На изображении, показанном на фигуре 4, можно видеть изменения серых шкал в фокальной точке целевой области и то, что эта часть ткани печени стала коагуляционным некрозом после того, как она была анатомирована и был достигнут заданный терапевтический эффект. Это доказывает эффективность данного способа оценки терапевтических эффектов.
Фигуры 5 и 6 представляют собой изображения ультразвука в режиме «В» для другой ткани печени до и после лечения. Фигура 5 - изображение перед лечением и фигура 6 - изображение после обработки ткани сфокусированными ультразвуковыми лучами высокой интенсивности. Результаты и явления - те же самые, что и на фигурах 3 и 4. Как указано выше, при вычислении изменений серой шкалы изображений в целевой области терапевтические эффекты могут быть оценены в реальном времени в процессе лечения, и доза ультразвукового сфокусированного излучения высокой интенсивности может быть откорректирована в зависимости от результатов оценки. Таким образом, можно избежать случая, когда ткань опухоли неэффективно уничтожается из-за недостаточной дозы, или случая, когда нормальная ткань может быть разрушена из-за чрезмерной дозы. Настоящее изобретение может быть воплощено в других определенных формах, не выходя из существенных признаков изобретения. Описанные варианты представляют собой конкретные варианты настоящего изобретения. Эти варианты следует считать только как иллюстративные и не ограничивающие объем изобретения.
1. Устройство для ультразвуковой терапии высокой интенсивности, содержащее:
ультразвуковой преобразователь для формирования сфокусированного ультразвука высокой интенсивности, направляемого к обрабатываемой целевой области;
устройство получения изображений для обнаружения целевой области, которая должна быть обработана, и для получения изображений целевой области;
узел возбуждения, соединенный с указанным ультразвуковым преобразователем для возбуждения указанного ультразвукового преобразователя, который излучает ультразвуковые волны к обрабатываемой целевой области;
механическое средство привода, соединенное с указанным ультразвуковым преобразователем для его механического перемещения и устройством получения изображений для сканирования обрабатываемой целевой области,
узел обработки сигналов, соединенный с устройством получения изображений для получения и хранения изображений целевой области, полученных устройством получения изображений до лечения и для получения и хранения изображений целевой области, полученных устройством получения изображений во время лечения сфокусированным ультразвуком высокой интенсивности (HIFU) и для оценки в режиме реального масштаба времени терапевтических эффектов в соответствии с изображениями целевой области до и после лечения и лечения целевой области;
блок управления, соединенный с узлом обработки сигналов, узлом возбуждения и механическим средством привода, выполненный с возможностью
управления узлом возбуждения и механическим средством привода для прекращения работы ультразвукового преобразователя, когда узел обработки сигналов определяет, что терапевтический эффект достигнут, управления узлом возбуждения и механическим средством привода для продолжения работы ультразвукового преобразователя, если узел обработки сигналов определяет, что терапевтический эффект не достигнут, а узел обработки сигнала выполнен с возможностью вычисления серой шкалы изображений целевой области перед лечением и после лечения с последующим вычислением изменения серой шкалы изображений целевой области до и после вычисления результатов лечения,
отключения ультразвукового преобразователя, если указанные изменения превышают 5-10 градаций серой шкалы, имеющей равномерный диапазон 0-255 градаций от черного до белого.
2. Способ сфокусированной ультразвуковой терапии высокой интенсивности, который включает следующие стадии:
получение оригинальных изображений, включающий прием и захват оригинальных изображений обрабатываемой целевой области до лечения;
проведение лечения путем излучения сфокусированного ультразвука высокой интенсивности на целевую область;
оценку терапевтического эффекта за счет получения и сохранения изображений целевой области во время лечения HIFU и оценку терапевтического эффекта в соответствии с изображениями целевой области до и после лечения, осуществляемых в режиме реального масштаба времени;
прекращение лечения целевой области, если изменение между изображением целевой области перед лечением и после лечения превышает 5-10 градаций серой шкалы, имеющей равномерный диапазон 0-255 градаций от черного до белого.
