Вычисление оцененного значения интенсивности ультразвукового излучения с использованием некогерентной суммы ультразвукового давления, формируемого множеством элементов преобразователя - RU2619993C2

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к высокоинтенсивному сфокусированному ультразвуку, в частности к оценке интенсивности ультразвукового излучения путем использования некогерентной суммы ультразвукового давления, формируемого множеством элементов преобразователя.

Уровень техники

Ультразвук быстро становится востребованным средством для определенных терапевтических вмешательств. В частности, использование высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука в настоящее время применяется в качестве средства термического лечебного вмешательства по поводу фибромы матки и исследовалось в отношении возможных видов применения при лечении печени, мозга и предстательной железы.

Ультразвуковая терапия для деструкции ткани осуществляется обработкой представляющей интерес ткани высокоинтенсивным ультразвуком, который поглощается и превращается в тепло, повышая температуру тканей. Поскольку температура повышается, может происходить коагуляционный некроз тканей, приводя к немедленной гибели клеток. Преобразователи, используемые при лечении, могут находиться вне тела или вводиться в тело, например, через кровеносные сосуды, уретру, прямую кишку и т.д.

Для формирования высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука массив элементов преобразователя используется для образования ультразвукового преобразователя. Подача электропитания переменного тока на элементы преобразователя побуждает их формировать ультразвуковые волны. Ультразвуковые волны от каждого из элементов преобразователя суммируются или конструктивно, или деструктивно. Путем управления фазой электропитания переменного тока, подаваемого на каждый из элементов преобразователя, можно управлять фокальной точкой или целевым объемом, в который фокусируется мощность ультразвука.

Вдоль пути прохождения ультразвука от отдельных элементов преобразователя к фокальной точке ультразвук может также обеспечить конструктивное и деструктивное воздействие. Это может привести к появлению горячих пятен или областей, которые подвергаются непреднамеренному нагреванию или обработке ультразвуком. Поэтому существует риск того, что во время обработки ультразвуком могут быть непреднамеренно повреждены чувствительные анатомические области.

В патенте США № 7 699 780 B2 описан такой способ подачи ультразвуковой энергии по направлению к ткани-мишени из элементов преобразователя, чтобы интенсивность энергии в мишени была на предписанном уровне воздействия или выше него. Кроме того, интенсивность энергии в области ткани, подлежащей защите в пределах пути прохождения ультразвуковой энергии, находится на уровне предписанного уровня безопасности или ниже него. Кроме того, в патенте США № 7 699 780 описана подача ультразвуковой энергии по направлению к целевой ткани в то время, как интенсивность энергии в подлежащей защите ткани ниже заданного уровня безопасности. Рабочие критерии для элементов преобразователя определяют с использованием лучевой модели.

Раскрытие изобретения

Изобретение относится к медицинскому инструменту, продукту компьютерной программы и к способу эксплуатации медицинского инструмента в независимых пунктах формулы изобретения.

Точное прогнозирование действительной локализации зоны непреднамеренного нагревания вдоль пути прохождения ультразвука к фокальной точке может быть трудным. Одна трудность состоит в том, что фазы усиливают конструктивное и деструктивное воздействие. Это может сделать вычисление показателя вычислительно трудоемким. Другая трудность состоит в том, что точность прогнозирования ограничивается точностью используемой модели. Внутри живого организма имеются различные типы тканей, и ошибки на модели могут привести к ошибкам при прогнозировании, где имеются зоны непреднамеренного нагревания.

Варианты осуществления изобретения могут быть направлены на разрешение этих и других проблем путем оценки ультразвукового нагревания в защищенной зоне использованием некогерентной суммы величин давления ультразвука от отдельных элементов ультразвукового преобразователя. Это может иметь преимущество в том, что вычисление производится быстрее. Можно вычислить область ультразвукового давления, создаваемого каждым отдельным элементом преобразователя. Общее давление в каждом местоположении оценивают суммой квадратов отдельных величин давления. Другое преимущество состоит в том, что использование некогерентной суммы может быть эффективно при прогнозировании возможных местоположений зон непреднамеренного нагревания. В некогерентной сумме конструктивным и деструктивным суммированием давления можно пренебречь. Результат состоит в том, что некогерентную сумму можно использовать для идентификации областей, которые могут подвергаться непреднамеренному нагреванию. Это может снизить вероятность ошибки, вызванной неточной моделью. Это снижение вероятности ошибки может быть безопаснее, чем система, в которой используется когерентная сумма величин давления для прогнозирования локализации зон непреднамеренного нагревания.

Используемый в настоящем описании термин «машиночитаемый носитель информации» относится к любому материальному носителю информации, который может хранить инструкции, используемые процессором вычислительного устройства. Машиночитаемый носитель информации может называться постоянным машиночитаемым носителем информации. Машиночитаемый носитель информации может также называться материальным машиночитаемым носителем. В некоторых вариантах осуществления машиночитаемый носитель информации может также быть способным хранить данные, к которым может осуществлять доступ процессор вычислительного устройства. Примеры машиночитаемых носителей информации включают в себя, не ограничиваясь: дискету, перфоленту, перфокарты, накопитель на жестких магнитных дисках, твердотельный накопитель на жестких магнитных дисках, флэш-память, флэш-накопитель с разъемом USB, запоминающее устройство с произвольной выборкой (RAM), постоянное запоминающее устройство (ROM), оптический диск, магнитооптический диск и набор регистров процессора. Примеры оптических дисков включают в себя компактные диски (CD) и универсальные цифровые диски (DVD), например, диски CD-ROM, CD-RW (перезаписываемый компактный диск), CD-R, DVD-ROM, DVD-RW (перезаписываемый универсальный диск) или DVD-R. Понятие машиночитаемого носителя информации также относится к различным типам носителей записи, к которым вычислительное устройство может осуществлять доступ через сеть или линию связи. Например, данные могут быть получены посредством модема, через интернет или через локальную сеть. Ссылку на машиночитаемый носитель информации следует трактовать как, возможно, представляющую множество машиночитаемых носителей информации. Различные исполняемые компоненты программы или программ могут храниться в различных местоположениях. Машиночитаемый носитель информации может представлять собой, например, множество носителей информации в пределах одной и той же компьютерной системы. Машиночитаемый носитель информации может также представлять собой машиночитаемый носитель информации, распределенный среди множества компьютерных систем или вычислительных устройств.

«Память компьютера» или «память» является примером машиночитаемого носителя информации. Память компьютера представляет собой любую память, к которой имеет непосредственный доступ процессор. Примеры памяти компьютера включают в себя, не ограничиваясь: запоминающее устройство с произвольной выборкой (RAM), регистраторы и наборы регистров. Ссылки на «память компьютера» или «память» следует трактовать как возможно представляющие собой множество запоминающих устройств. Память может, например, представлять собой множество запоминающих устройств в одной и той же компьютерной системе, память может, например, представлять собой множество запоминающих устройств, распределенные среди множества компьютерных систем или вычислительных устройств.

«Компьютерное устройство хранения информации» или «хранение» представляет собой пример машиночитаемого носителя информации. Компьютерное устройство хранения информации представляет собой любой энергонезависимый машиночитаемый носитель информации. Примеры компьютерного устройства хранения информации включают в себя, не ограничиваясь: накопитель на жестких магнитных дисках, флэш-накопитель с разъемом USB, дискету, микропроцессорную карточку, DVD, CD-ROM и твердотельный накопитель на жестком магнитном диске. В некоторых вариантах осуществления компьютерное устройство хранения информации может также представлять собой память компьютера или наоборот. Ссылки на «компьютерное устройство хранения информации» или «хранение» следует трактовать как возможно представляющие множество устройств хранения информации. Устройство хранения информации может, например, представлять множество устройств хранения информации в пределах одной и той же компьютерной системы или вычислительного устройства. Устройство хранения информации может также представлять множество устройств хранения информации, распределенных среди множества компьютерных систем или вычислительных устройств.

Используемый в настоящем описании термин «процессор» включает в себя электронный компонент, который способен исполнять программу или исполняемую машиной инструкцию. Ссылку на вычислительное устройство, содержащее «процессор», следует трактовать как возможно представляющую несколько процессоров или ядер процессора. Процессор может, например, представлять собой многоядерный процессор. Процессор может также относится к набору процессоров внутри одной компьютерной системы или распределен среди множества компьютерных систем. Термин «вычислительное устройство» следует также трактовать как возможно относящийся к набору или сети вычислительных устройств, каждое из которых включает в себя процессор или процессоры. Многие программы имеют их инструкции, выполняемые множеством процессоров, которые могут находиться внутри одного и того же вычислительного устройства, или которые могут быть даже распределены по многим вычислительным устройствам.

Используемый в настоящем описании термин «интерфейс пользователя» представляет собой интерфейс, который позволяет пользователю или оператору взаимодействовать с компьютером или компьютерной системой. «Интерфейс пользователя» может также именоваться «интерфейсом человек-устройство». Интерфейс пользователя может обеспечить информацию или данные оператору и/или принимать информацию или данные от оператора. Интерфейс пользователя может обеспечить возможность приема компьютером данных, вводимых оператором, и может обеспечить вывод данных из компьютера и их подачу пользователю. Другими словами, интерфейс пользователя может позволять оператору управлять или манипулировать компьютером, и интерфейс может обеспечить возможность отображения компьютером эффектов управления или манипуляции оператора. Представление данных или информации на дисплее или графическом интерфейсе пользователя является примером предоставления информации оператору. Прием данных через клавиатуру, мышь, шаровой манипулятор, сенсорное устройство, стилус, графический планшет, джойстик, геймпад, веб-камеру, гарнитуру, рычаги переключения, рулевое колесо, педали, сенсорную перчатку, танцевальную платформу, дистанционное управление, один или более переключателей, одну или более кнопок и акселерометр - все они являются примерами компонентов интерфейса пользователя, которые обеспечивают возможность приема информации или данных от оператора.

Используемый в настоящем описании термин «аппаратный интерфейс» включает в себя интерфейс, который обеспечивает возможность взаимодействия процессора компьютерной системы с внешним вычислительным устройством и/или управления ими. Аппаратный интерфейс может обеспечить возможность процессору передавать управляющие сигналы или инструкции к внешнему вычислительному устройству. Аппаратный интерфейс может также обеспечить возможность процессору обмениваться данными с внешним вычислительным устройством. Примеры аппаратного интерфейса включают в себя, без ограничения указанным, универсальную последовательную шину, порт IEEE 1394, параллельный порт, порт IEEE 1284, последовательный порт, порт RS-232, порт IEEE-488, соединение блютус, беспроводное местное зонное сетевое соединение, соединение TCP/IP, Ethernet-соединение, интерфейс управления напряжением, интерфейс MIDI, интерфейс аналогового ввода и интерфейс цифрового ввода.

Используемый в настоящем описании термин «дисплей» или «устройство отображения» охватывает устройство вывода или интерфейс пользователя, выполненные с возможностью отображения изображений или данных. Дисплей может выводить визуальные, аудио и/или тактильные данные. Примеры дисплея включают в себя, без ограничения указанным, монитор компьютера, телевизионный экран, сенсорный экран, тактильный электронный дисплей, экран Брайля, катодно-лучевую трубку (CRT), запоминающую трубку, бистабильный дисплей, электронную бумагу, векторный дисплей, плоскопанельный дисплей, вакуумный флуоресцентный дисплей (VF), светодиодные (LED) дисплеи, электролюминесцентный дисплей (ELD), плазменные индикаторные панели (PDP), жидкокристаллический дисплей (LCD), органические светодиодные дисплеи (OLED), проектор и нашлемный индикатор.

Данные медицинской визуализации определяются в настоящем описании как двух- или трехмерные данные, которые были получены с использованием сканера для получения медицинских изображений. Медицинский визуализирующий сканер определяется в настоящем описании как аппарат, приспособленный для получения информации о физической структуре пациента и построения наборов данных двухмерных или трехмерных медицинских изображений. Данные получения медицинских изображений можно использовать для построения изображений, которые полезны для диагностики врачом. Эта визуализация может выполняться с использованием компьютера.

Данные магнитного резонанса (MR) определяются в настоящем описании как представляющие собой зарегистрированные измерения радиочастотных сигналов, испускаемых атомными спинами, антенной аппарата магнитного резонанса во время получения скана магнитно-резонансной визуализации. Изображение, полученное магнитно-резонансной визуализацией (MRI), определяется здесь как реконструированная двух- или трехмерная визуализация анатомических данных, содержащихся внутри данных магнитно-резонансной визуализации. Эта визуализация может выполняться с использованием компьютера.

Используемый в настоящем описании термин «ультразвуковое окно» включает в себя окно, которое способно передавать ультразвуковые волны или энергию. Обычно, тонкая пленка или мембрана используется в качестве ультразвукового окна. Ультразвуковое окно, например, может быть изготовлено из тонкой мембраны BoPET (биаксиально ориентированного полиэтилентерефталата).

В одном аспекте, изобретение относится к медицинскому инструменту, включающему в себя высокоинтенсивную сфокусированную ультразвуковую систему, содержащую ультразвуковой преобразователь. Ультразвуковой преобразователь включает в себя множество элементов преобразователя. Высокоинтенсивная сфокусированная ультразвуковая система выполнена с возможностью включения и выключения подачи электроэнергии на каждый из множества элементов преобразователя. Медицинский инструмент дополнительно включает в себя процессор для управления медицинским инструментом. Медицинский инструмент дополнительно содержит запоминающее устройство, содержащее машиноисполняемые инструкции. Исполнение инструкций побуждает процессор принимать план лечения, определяющий защищенную зону внутри тела субъекта. Исполнение инструкций дополнительно побуждает процессор вычислять набор параметров управления преобразователя с использованием плана лечения таким образом, чтобы оцененное значение интенсивности ультразвукового излучения в защищенной зоне было ниже заданного порогового значения.

Набор параметров управления преобразователем определяет подключение электропитания к каждому из множества элементов преобразователя. То есть, иными словами, набор параметров управления преобразователем можно использовать для включения и выключения отдельных групп преобразователей. Оцененное значение интенсивности ультразвукового излучения можно вычислить на этом этапе. Оцененное значение интенсивности ультразвукового излучения вычисляют с использованием некогерентной суммы ультразвукового давления, формируемого каждым из множества элементов преобразователя. Этот вариант осуществления может быть благоприятным, потому что использование некогерентной суммы облегчает и делает менее вычислительно интенсивным вычисление оцененного значения интенсивности ультразвукового излучения. Это делает более целесообразным вычисление набора параметров управления преобразователем.

Используемый в настоящем описании термин «некогерентная сумма ультразвукового давления, формируемого каждым из множества элементов преобразователя» включает в себя вычисление ультразвукового давления, формируемого каждым из множества элементов преобразователя, и возведением его в квадрат, затем сложения этих величин. Эта сумма обозначается как некогерентная сумма, потому что фазы не принимаются во внимание. Это имеет выгоду получения достоверной оценки максимальной интенсивности ультразвукового излучения, которая может формироваться внутри защищенной зоны. Однако это гораздо менее вычислительно интенсивно, чем вычисление величины, которая учитывает когерентную сумму или фазы. Также может иметь место недостаточное знание внутренней анатомии субъекта или ультразвуковых свойств внутренних анатомических структур. Использование некогерентной суммы устраняет возможность того, что ультразвук может формировать горячее пятно, и оно может быть неправильно вычислено как являющееся точкой низкой интенсивности ультразвукового излучения. Использование некогерентной суммы может обеспечить оцененное значение интенсивности ультразвукового излучения, на которое можно обоснованно положиться в клинических условиях.

Электропитание, подаваемое на множество элементов преобразователя, может представлять собой электропитание переменным током, или оно может представлять собой импульсное электропитание. В элементах преобразователя обычно используется пьезоэлектрический или иной исполнительный элемент, который реагирует на управляющее напряжение или ток.

В другом варианте осуществления множество элементов преобразователя может отключаться отдельно или группами элементов преобразователя.

В другом варианте осуществления план лечения может определять геометрию и внутреннюю структуру субъекта. Например, план лечения может включать в себя данные медицинского изображения, которое регистрируется высокоинтенсивной сфокусированной ультразвуковой системой. В других вариантах осуществления план лечения может содержать план, который составляется врачом, и может составляться с использованием не зарегистрированных данных медицинского изображения. План лечения может также включать в себя анатомические ориентиры, которые можно использовать для совмещения данных медицинского изображения с планом лечения.

В другом варианте осуществления исполнение инструкций дополнительно побуждает процессор воздействовать ультразвуком на целевую зону с использованием, по меньшей мере частично, набора параметров управления преобразователем. Например, набор параметров управления преобразователем можно использовать в сочетании с планом лечения и созданием набора регуляторов высокоинтенсивной сфокусированной ультразвуковой системы, которые можно использовать для управления высокоинтенсивной сфокусированной ультразвуковой системой, чтобы воздействовать ультразвуком на целевую зону субъекта.

В некоторых вариантах осуществления целевая зона может представлять собой путь прохождения ультразвука. Термин «путь прохождения», используемый в настоящем описании, может обозначать набор отдельных местоположений воздействия ультразвуком, которые последовательно обрабатываются ультразвуком высокоинтенсивной сфокусированной ультразвуковой системой. Мишень или путь прохождения в теле субъекта, а также локализация защищенной зоны могут быть зависимыми от времени. По этой причине, набор параметров управления преобразователем может также быть зависимыми от времени.

В другом варианте осуществления некогерентную сумму ультразвукового давления, формируемого каждым из множества элементов преобразователя, умножают на фактор когерентности для вычисления оцененного значения интенсивности ультразвукового излучения. Фактор когерентности представляет собой фактор, который используется для компенсации того факта, что некогерентная сумма не учитывает отдельные фазы ультразвука, формируемого каждым из множества элементов преобразователя. Использование фактора когерентности может быть благоприятным, потому что это позволяет ввести предел безопасности. Эквивалентным вариантом осуществления было бы снижение заданного порогового значения таким образом, чтобы пороговое значение было ниже с учетом соображений такой же безопасности.

В другом варианте осуществления фактор когерентности является пространственно зависимым. Это может быть благоприятным, потому что различие между некогерентной суммой и горячими пятнами в когерентной сумме на основании фазы множества элементов преобразователя увеличивается по направлению к фокусу и может быть различным в зависимости от пространственной локализации внутри тела субъекта.

В другом варианте осуществления фактор когерентности может быть заданным или предварительно вычисленным для конкретного преобразователя. Например, для конкретного преобразователя фактор когерентности, который является пространственно зависимым, может быть вычислен по вычисленной сумме когерентности, то есть вычисления могут производиться заранее с использованием фаз и использоваться для выведения фактора когерентности.

В другом варианте осуществления фактор когерентности определяется для различных типов тканей. Например, можно учитывать воздействие жировой, мышечной и других тканей, и их можно задать или вычислить.

В другом варианте осуществления фактор когерентности может зависеть от траектории, подлежащей воздействию ультразвуком. Например, ультразвуковой преобразователь может иметь электронно-регулируемый фокус, и фокус может регулироваться индивидуальным управлением фазой электропитания, подаваемого на каждый из множества элементов преобразователя. Для конкретной траектории фактор когерентности можно вычислить предварительно. В некоторых вариантах осуществления он может быть даже включен в план лечения.

В другом варианте осуществления медицинский инструмент дополнительно содержит систему медицинской визуализации для получения данных медицинских изображений в пределах зоны визуализации. Исполнение инструкций дополнительно вызывает получение процессором данных медицинских изображений. Защищенная зона находится внутри зоны визуализации. Набор параметров управления преобразователем вычисляют по меньшей мере частично с использованием данных медицинских изображений. Этот вариант осуществления может быть полезным, потому что может учитываться действительный тип ткани или внутренняя структура субъекта при вычислении того, какой из множества элементов преобразователя включить или выключить. Например, в некоторых вариантах осуществления это может иметь преимущество, потому что данные медицинских изображений могут сопоставляться с планом лечения и может быть идентифицирована локализация защищенной зоны. Это может обеспечить возможность правильного включения и выключения элементов преобразователя. В других вариантах осуществления это может обеспечить возможность более точного вычисления фактора когерентности.

В другом варианте осуществления исполнение инструкций дополнительно побуждает процессор вычислять сегментацию изображения с использованием данных медицинского изображения. Сегментация изображения идентифицирует типы тканей внутри тела субъекта. Исполнение инструкций дополнительно побуждает процессор вычислять фактор когерентности по меньшей мере частично с использованием сегментации изображения. Это может иметь преимущество, потому что внутри различных типов тканей ультразвук может проходить с различными скоростями. Это может обеспечить возможность более точного вычисления расчета фактора когерентности.

В некоторых вариантах осуществления вычисление сегментации изображения и/или определение того, какой из набора параметров управления преобразователем можно модифицировать, например, с использованием ввода, принятого от пользователя. Он может быть принят через интерфейс пользователя или из другой компьютерной программы.

В другом варианте осуществления медицинская система визуализации представляет собой систему компьютерной томографии.

В другом варианте осуществления медицинская система визуализации представляет собой систему магнитно-резонансной визуализации.

В другом варианте осуществления медицинская система визуализации представляет собой систему диагностическую ультразвуковую систему.

В другом варианте осуществления фактор когерентности вычисляют по меньшей мере частично с использованием когерентной суммы ультразвукового давления, формируемого каждым из множества элементов преобразователя. В этом варианте осуществления величину давления с учетом фазы прибавляют для каждого расположения или элемента объемного изображения или ячейки и затем возводят в квадрат для получения интенсивности. Это имеет преимущество, состоящее в том, что в вычисляемом факторе когерентности учтена фаза отдельных компонентов ультразвука от каждого из множества элементов преобразователя. Это может привести к получению более точного фактора когерентности.

В другом варианте осуществления ультразвуковой преобразователь имеет электронно-регулируемый фокус. Высокоинтенсивная сфокусированная ультразвуковая система выполнена с возможностью управления электронно-регулируемым фокусом путем управления фазой электропитания, подаваемого на каждый из множества элементов преобразователя. Целевая зона представляет собой путь прохождения ультразвука. Электронно-регулируемый фокус используют для фокусирования ультразвуковой энергии на целевую зону. Используемый в настоящем описании термин «путь прохождения» представляет собой совокупность или набор местоположений воздействия ультразвуком, которые последовательно подвергаются воздействию ультразвуком. Исполнение инструкций дополнительно побуждает процессор вычислять набор зависимых от времени управляющих фаз. Зависимые от времени управляющие фазы определяют фазу электропитания, подаваемого на каждый из множества элементов преобразователя, в зависимости от времени таким образом, чтобы электронно-регулируемый фокус следовал по траектории прохождения ультразвука. Другими словами, ультразвук фокусируется в различных местоположениях вдоль пути прохождения ультразвука в зависимости от времени.

Исполнение инструкций дополнительно побуждает процессор вычислять сумму когерентности по меньшей мере частично с использованием набора зависимых от времени управляющих фаз. Это может иметь преимущество, потому что относительная фаза множества элементов преобразователя может не принимать в расчет все возможные величины, если фокус ультразвукового преобразователя следует по определенной траектории. Это может обеспечить более точное вычисление фактора когерентности, в частности пространственно зависимого фактора когерентности.

В другом варианте осуществления набор параметров управления преобразователем дополнительно включает в себя любой из следующих параметров: фазу электропитания, подаваемого на каждый из множества элементов преобразователя, амплитуду электропитания, подаваемого на каждый из множества элементов преобразователя, уровень мощности электропитания, подаваемого на каждый из множества элементов преобразователя, переменную частоту электропитания, подаваемого на каждый из множества элементов преобразователя, длительность подачи электропитания на каждый из множества элементов преобразователя, траекторию воздействия ультразвуком и их комбинации. В некоторых вариантах осуществления один или более из этих параметров могут регулироваться отдельно, а некоторые могут регулироваться по группам. Высокоинтенсивная сфокусированная ультразвуковая система может приводиться в действие для регулирования каждого из этих дополнительных параметров. Кроме того, некоторые или все из параметров управления преобразователем могут быть зависимыми от времени. То есть, иными словами, величина параметров управления преобразователем может изменяться в зависимости от времени.

В другом варианте осуществления набор параметров элементов преобразователя вычисляют путем имитации включения и выключения комбинаций множества элементов преобразователя. Можно испытывать различные комбинации элементов преобразователя, являющихся активными или деактивированными, для определения, какой из них можно использовать для наиболее эффективного нагревания целевой зоны, и, кроме того, для защиты защищенной зоны. Например, возможен выбор каналов выключения с использованием итеративного алгоритма. Один или более элементов для выключения могут быть выбраны на основании некогерентной суммы после выполнения соответствующей имитации для решения вопроса о необходимости выключения дополнительных элементов и/или загрузки фактора когерентности.

В другом варианте осуществления набор фаз вычисляют путем решения задачи комбинаторной оптимизации.

В другом варианте осуществления исполнение инструкций дополнительно вызывает моделирование процессором по меньшей мере защищенной зоны в виде множества областей. Набор состояний элементов преобразователя решается использованием задачи линейного программирования для множества областей. По существу защищенную зону можно разделить на отдельные ячейки или пространственные элементы, и различные величины разных параметров, таких как фактор когерентности, можно вычислить или оценить для этой отдельной ячейки или пространственного элемента. Использование линейного программирования может быть благоприятно, потому что оно обеспечивает возможность очень быстрого решения итоговой некогерентности. Это даже может обеспечить возможность вычисления в реальном масштабе времени показателя акустической интенсивности в защищенной зоне, например, когда имеется внешнее или внутреннее движение анатомических структур субъекта.

В другом варианте осуществления выбор активных элементов преобразователя можно осуществлять с использованием общего математического формулирования, известного как линейная программа. Чувствительные области делят на достаточно мелкие подобласти. Производят оценку и хранение величины воздействия акустической интенсивности, вызванного каждым элементом преобразователя, приводимым в действие при единой мощности, на каждую чувствительную подобласть. Полученное общее воздействие интенсивности на каждую подобласть может быть выражено в виде линейного уравнения, где элементные мощности представляют собой неизвестные величины, а воздействия для единой мощности представлены в виде коэффициентов. При требовании того, чтобы воздействие интенсивности на каждую подобласть оставалось ниже соответствующих пределов безопасности, получают систему линейных неравенств.

В другом варианте осуществления выходные мощности отдельных элементов преобразователя остаются удерживаемыми в пределах от нуля до некоторой максимальной величины.

В другом варианте осуществления, где общая выходная мощность является фиксированной, получают вполне определенную линейную программу. Существует много хорошо известных алгоритмов для решения линейных программ. Отдельные мощности элементов преобразователя можно также обрабатывать как дискретные переменные: элементы или отключаются, или имеют фиксированную выходную мощность. В этом случае, указанное выше формулирование приводит к задаче комбинаторной оптимизации.

Термин «когерентная сумма», используемый в настоящем описании, включает в себя сложение величины всего давления с определенной фазой (или в виде комплексного числа) для получения общего поля давления, и после этого взятие квадратного модуля этого общего поля давления для получения интенсивности давления (действительно достигнутой).

Однако фаза, подаваемая на каждый элемент преобразователя, может изменяться, в частности, для электронного перемещения фокальной точки. Таким образом, когерентную сумму максимальной интенсивности вычисляют сложением модуля давления от каждого элемента (а не давления в виде комплексного числа с фазой) и получением квадрата этой суммы. Она соответствует распределению максимальной интенсивности, достигаемому при перемещении фокальной точки вдоль всего направления (или с использованием всех возможных фаз для всех каналов). Эту максимальную величину в когерентной максимальной интенсивности можно, в конечном счете, использовать для оценки разницы между когерентной и некогерентной суммой. Это обеспечивает преимущество в отношении учета возможного управления всеми фокальными точками. Альтернативно, можно учитывать когерентную сумму максимальной интенсивности обработкой только распределения максимальной интенсивности, получаемой при перемещении фокальной точки вдоль заданной траектории, как при типичном волюметрическом воздействии ультразвуком, осуществляемом на системе Philips MR-HIFU Sonalleve.

В другом варианте осуществления защищенная зона содержит множество разъединенных объемов. Это может иметь преимущество, потому что может быть более чем один орган или область тела субъекта, которые следует защитить от случайного или непреднамеренного воздействия ультразвуком. Это может иметь выгоду снижения внутреннего повреждения структур в теле субъекта.

В другом аспекте изобретение относится к компьютерному программному продукту, содержащему выполняемые машиной инструкции для исполнения процессором, управляющим медицинским инструментом. Медицинский инструмент содержит высокоинтенсивную сфокусированную ультразвуковую систему, включающую в себя ультразвуковой преобразователь. Ультразвуковой преобразователь содержит множество элементов преобразователя. Высокоинтенсивная сфокусированная ультразвуковая система выполнена с возможностью включения и выключения подачи электроэнергии на каждый из множества элементов преобразователя. Исполнение инструкций вызывает прием процессором плана лечения, определяющего защищенную зону внутри тела субъекта. Исполнение инструкций дополнительно побуждает процессор вычислять набор параметров управления преобразователем с использованием плана лечения. Набор состояний элементов преобразователя определяет подключение электропитания к каждому из множества элементов преобразователя. Оцененное значение интенсивности ультразвукового излучения можно вычислить на этом этапе. Оцененное значение интенсивности ультразвукового излучения в защищенной зоне ниже заданного порогового значения. Оцененное значение интенсивности ультразвукового излучения вычисляют с использованием некогерентной суммы ультразвукового давления, формируемого каждым из множества элементов преобразователя. Преимущества этого было описаны выше.

В другом аспекте изобретение относится к способу управления медицинским инструментом, содержащим высокоинтенсивную сфокусированную ультразвуковую систему, которая включает в себя ультразвуковой преобразователь. Ультразвуковой преобразователь содержит множество элементов преобразователя. Высокоинтенсивная сфокусированная ультразвуковая система выполнена с возможностью включения и выключения подачи электроэнергии на каждый из множества элементов преобразователя. Способ содержит этап приема плана лечения, определяющего защищенную зону внутри тела субъекта. Способ дополнительно содержит этап вычисления набора параметров управления преобразователем с использованием плана лечения. Набор состояний элементов преобразователя определяет подключение электропитания к каждому из множества элементов преобразователя. Оцененное значение интенсивности ультразвукового излучения в защищенной зоне ниже заданного порогового значения. Оцененное значение интенсивности ультразвукового излучения вычисляется с использованием некогерентной суммы ультразвукового давления, формируемого каждым из множества элементов преобразователя. Преимущества этого были описаны выше.

Краткое описание чертежей

Далее предпочтительные варианты осуществления изобретения будут описаны лишь в виде примера и со ссылкой на чертежи, на которых:

На Фиг. 1 показана блок-схема, которая иллюстрирует способ в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;

На Фиг. 2 показана блок-схема, которая иллюстрирует способ в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 3 иллюстрирует медицинский инструмент в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;

На Фиг. 4 показан подробный чертеж, показывающий ультразвуковой преобразователь и субъект;

Фиг. 5 иллюстрирует медицинский инструмент в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 6 иллюстрирует медицинский инструмент в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения;

На Фиг. 7 показана моделированная логарифмическая акустическая интенсивность от одного элемента преобразователя в баке с водой;

На Фиг. 8 показана моделированная логарифмическая акустическая интенсивность от множества элементов преобразователя в баке с водой;

На Фиг. 9 показана некогерентная сумма элементных мощностей от отдельных элементов преобразователей для такого же вычисления, как было показано на Фиг. 8; и

На Фиг. 10 показано соотношение логарифмической акустической интенсивности и некогерентной суммы мощности с Фиг. 8 и 9.

Осуществление изобретения

Элементы с подобными ссылочными позициями на чертежах представляют собой эквивалентные элементы или выполняют такую же функцию. Элементы, описанные выше, не обязательно будут описаны на последующих чертежах, если их функция эквивалентна.

На Фиг. 1 показана блок-схема, которая иллюстрирует способ в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. На этапе 100 осуществляют прием плана лечения. План лечения определяет защищенную зону внутри тела субъекта. Наконец, на этапе 102 вычисляют набор параметров управления преобразователем с использованием плана лечения. Набор параметров управления преобразователем определяет подключение электропитания к каждому из множества элементов преобразователя. Оцененное значение интенсивности ультразвукового излучения можно вычислить на этом этапе. Оцененное значение интенсивности ультразвукового излучения в защищенной зоне ниже заданного порогового значения. Оцененное значение интенсивности ультразвукового излучения вычисляют с использованием некогерентной суммы ультразвукового давления, формируемого каждым из множества элементов преобразователя.

На Фиг. 2 показана блок-схема, которая иллюстрирует еще один вариант осуществления изобретения. На этапе 200 осуществляют прием плана лечения, определяющего защищенную зону внутри тела субъекта. Затем на этапе 202 получают данные медицинского изображения с использованием системы медицинской визуализации. Затем на этапе 204 сегментируют данные медицинского изображения для идентификации различных типов тканей или областей внутри тела субъекта. Затем на этапе 206 вычисляют фактор когерентности с использованием сегментированного медицинского изображения и модели преобразователя. Затем, наконец, на этапе 208 вычисляют набор параметров управления преобразователем с использованием плана лечения и фактора когерентности. В частности, фактор когерентности в этом варианте осуществления может быть пространственно зависимым.

Фиг. 3 иллюстрирует медицинский инструмент 300 в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. В дополнение к компонентам, вариант осуществления, показанный на Фиг. 4, включает в себя систему термической обработки, которая представляет собой высокоинтенсивную сфокусированную ультразвуковую систему 302 для воздействия ультразвуком на субъекта 301. Высокоинтенсивная сфокусированная ультразвуковая система установлена под опорой 303 субъекта. Субъект 301 лежит на опоре 303 субъекта. Высокоинтенсивная сфокусированная ультразвуковая система содержит заполненную текучей средой камеру 304. Внутри заполненной текучей средой камеры 304 находится ультразвуковой преобразователь 306. Хотя это не показано на этом чертеже, ультразвуковой преобразователь 306 может содержать множество элементов ультразвукового преобразователя, каждый из которых способен формировать отдельный луч ультразвука. Его можно использовать для электронного управления местоположением точки 318 воздействия ультразвуком путем управления фазой и/или амплитудой переменного электрического тока, подаваемого на каждый из элементов ультразвукового преобразователя.

Ультразвуковой преобразователь 306 соединен с механизмом 308, который обеспечивает возможность механического перемещения ультразвукового преобразователя 306. механизм 308 соединен с механическим приводом 310, который приспособлен для приведения в действие механизма 308. Механический привод 310 также представляет источник электропитания для подачи электропитания в ультразвуковой преобразователь 306. В некоторых вариантах осуществления электропитание может управлять фазой и/или амплитудой электрического питания, поступающего в отдельные элементы ультразвукового преобразователя. Ультразвуковой преобразователь 306 формирует ультразвук, который показан как следующий по пути прохождения ультразвука 312. Ультразвук 312 проходит через заполненную текучей средой камеру 308 и через ультразвуковое окно 314. В этом варианте осуществления ультразвук затем проходит через гелевую прокладку 316. Гелевая прокладка необязательно присутствует во всех вариантах осуществления, но в этом варианте осуществления имеется углубление в опоре 303 субъекта для помещения гелевой прокладки 316. Гелевая прокладка 316 способствует связи ультразвуковой энергии между преобразователем 306 и субъектом 301. После прохождения через гелевую прокладку 316 ультразвук 312 проходит через тело субъекта 301 и фокусируется в точке 318 воздействия ультразвуком. Под точкой воздействия ультразвуком подразумевается конечный объем или локализованный объем, в который сфокусирован ультразвук. Точка 318 воздействия ультразвуком фокусируется в пределах целевой зоны 320.

Точка 318 воздействия ультразвуком показана как расположенная внутри целевой зоны 320. Целевая зона 320 может представлять собой совокупность точек воздействия ультразвуком, подлежащих ультразвуковому облучению в последовательные интервалы времени. Между точкой 318 воздействия ультразвуком и ультразвуковым преобразователем 306 находится защищенная зона 322. Она представляет собой часть тела субъекта 301, которую желательно защитить от ультразвукового излучения или повреждения ультразвуком.

Высокоинтенсивная сфокусированная ультразвуковая система 302 показана соединенной с аппаратным интерфейсом 326 компьютера 324. Аппаратный интерфейс 326 соединен с процессором 328. Аппаратный интерфейс 326 позволяет процессору 328 отправлять и принимать данные и команды для управления работой и функционированием медицинского инструмента 300. Процессор 328 дополнительно соединен с интерфейсом пользователя 330, компьютерным устройством 332 хранения информации и памятью 334 компьютера.

Компьютерное устройство 332 хранения информации показано как содержащее план 340 лечения. Компьютерное устройство 332 хранения информации дополнительно показано как содержащее набор параметров 342 управления преобразователем. Параметры 342 управления преобразователем содержат по меньшей мере спецификацию того, какой из множества элементов преобразователя следует включать и выключать во время воздействия ультразвуком на целевую зону 320. В зависимости от точки воздействия ультразвуком, определение того, какой из преобразователей следует включить и выключить, может быть различным. Компьютерное устройство 332 хранения информации дополнительно показано как содержащее команды 344 управления воздействием ультразвуком. Команды 344 управления воздействием ультразвуком представляют собой команды, которые вызывают ультразвуковое облучение целевой зоны 320 высокоинтенсивной сфокусированной ультразвуковой системой 302.

Память 334 компьютера показана как содержащая модуль 350 управления. Модуль 350 управления содержит исполняемый компьютером код, который позволяет процессору 328 управлять работой и функционированием медицинского инструмента 300. Память 334 компьютера дополнительно показана как содержащая модуль 352 формирования параметров управления преобразователем. Модуль 352 формирования параметров управления преобразователем содержит исполняемые компьютером инструкции, которые позволяют процессору 328 вычислить параметры управления преобразователем с использованием по меньшей мере плана 340 лечения. В других вариантах осуществления данные медицинского изображения и/или фактор когерентности могут также использоваться для вычисления параметров управления преобразователем.

Компьютерное устройство 332 хранения информации дополнительно показано как содержащее заданное пороговое значение 346 максимальной интенсивности ультразвукового излучения, допускаемой в пределах защищенной зоны 322. В некоторых вариантах осуществления заданное пороговое значение 346 является пространственно зависимым.

Память 334 компьютера дополнительно показана как содержащая модуль 354 формирования команд управления воздействием ультразвуком. Модуль 354 формирования команд управления воздействием ультразвуком включает в себя исполняемые компьютером инструкции, которые позволяют процессору 328 вычислить команды 344 управления воздействием ультразвуком с использованием по меньшей мере параметров 342 управления преобразователем и возможно плана 340 лечения.

Память компьютера может также содержать модуль 356 ультразвукового моделирования. Модуль ультразвукового моделирования содержит исполняемые компьютером инструкции по моделированию ультразвукового преобразователя 306. Модуль 352 формирования параметров управления преобразователем и/или модуль 354 формирования команд управления воздействием ультразвуком могут использовать модуль ультразвукового моделирования. В некоторых вариантах осуществления модуль 356 ультразвукового моделирования может моделировать такие параметры как геометрия преобразователя 306, локализация каждого элемента преобразователя, форма элементов преобразователя (т.е. диаметр кругового элемента) и фокальная длина преобразователя и рабочая частота.

В некоторых вариантах осуществления модуль ультразвукового моделирования может использоваться для моделирования электронно-регулируемого фокуса для фокусировки ультразвуковой энергии в целевую зону и параметров управления, необходимых для настройки фокуса. Например, в некоторых вариантах осуществления модуль может использоваться для вычисления набора зависимых от времени управляющих фаз таким образом, что электронно-регулируемый фокус следует по установленному пути. Это можно затем использовать для вычисления когерентной суммы по меньшей мере частично с использованием зависимых от времени управляющих фаз.

В некоторых вариантах осуществления модуль 356 ультразвукового моделирования, модуль 352 формирования параметров управления преобразователем и/или модуль 354 формирования команд управления воздействием ультразвуком могут использоваться для определения дополнительных параметров, таких как фаза электропитания, подаваемого на каждый из множества элементов преобразователя, амплитуда электропитания, подаваемого на каждый из множества элементов преобразователя, уровень мощности электропитания, подаваемого на каждый из множества элементов преобразователя, переменная частота электропитания, подаваемого на каждый из множества элементов преобразователя, длительность подачи электропитания на каждый из множества элементов преобразователя и/или путь воздействия ультразвуком фокуса ультразвукового преобразователя.

На Фиг. 4 показан более детальный чертеж, показывающий ультразвуковой преобразователь 306 и субъекта 301. На этой Фигуре ультразвуковой преобразователь 306 показан с пятью элементами 400, 402, 404, 406, 408 ультразвукового преобразователя. Показан первый элемент 400 преобразователя, второй элемент 402 преобразователя, третий элемент 404 преобразователя, четвертый 406 элемент преобразователя и пятый элемент 408 преобразователя. Следует отметить, что этот чертеж высоко идеализирован, и в обычном случае на поверхности ультразвукового преобразователя 306 могут присутствовать несколько сотен элементов преобразователя.

Прямоугольники 410, 412, 414, 416, 418, ограничивающие элементы 400, 402, 404, 406, 408 преобразователя, представлены схематично для обозначения ультразвуковой энергии, поступающей от каждого из элементов 400, 402, 404, 406, 408 преобразователя. Целью использования этих прямоугольников является иллюстрация того, где может проходить основная часть ультразвука, формируемого конкретным элементом 400, 402, 404, 406, 408 преобразователя. Прямоугольник 410 представляет собой ультразвук из первого элемента 400 преобразователя. Прямоугольник 412 представляет собой ультразвук из второго элемента 402 преобразователя. Прямоугольник 414 представляет ультразвук из третьего элемента 404 преобразователя. Прямоугольник 416 представляет ультразвук из четвертого элемента 406 преобразователя. Прямоугольник 418 представляет ультразвук из пятого элемента 408 преобразователя. При изучении чертежей видно, что прямоугольники 410 и 416 соприкасаются с защищенной зоной 322. В этой схематичной ситуации электропитание, подаваемое на первый элемент 400 преобразователя и четвертый элемент 406 преобразователя, может быть выключено для снижения вероятности нагревания защищенной зоны 322.

На Фиг. 5 показан медицинский инструмент 500 в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения. Вариант осуществления, показанный на Фиг. 5, подобен варианту осуществления, показанному на Фиг. 3, за исключением того, что в этом варианте осуществления добавлена медицинская система 502 визуализации. Медицинская система визуализации может представлять собой различные медицинские системы визуализации, поскольку медицинская система визуализации может представлять собой, не ограничиваясь: систему компьютерной томографии, систему магнитно-резонансной визуализации и диагностическую ультразвуковую систему. В этой схематизированной медицинской системе 502 визуализации имеется зона 504 визуализации, из которой можно получить данные 510 медицинского изображения. Компьютерное устройство 332 хранения информации показывает данные 510 медицинского изображения, которое получено с использованием медицинской системы 502 визуализации. Компьютерное устройство 332 хранения информации дополнительно показано как содержащее медицинское изображение 512, которое было восстановлено по данным 510 медицинского изображения. Компьютерное устройство 332 хранения информации дополнительно показано как содержащее сегментацию 514 изображения, которая была вычислена по медицинскому изображению 512. Сегментация 514 изображения может использоваться для идентификации различных типов тканей внутри тела субъекта 301, а также для совмещения плана 340 лечения с анатомическими структурами тела субъекта 301. Компьютерное устройство 332 хранения информации дополнительно показывает фактор 516 когерентности, который был вычислен с использованием сегментации 514 изображения.

Память 334 компьютера дополнительно показана как содержащая модуль 520 восстановления изображения. Модуль 520 восстановления изображения содержит исполняемые компьютером инструкции, которые позволяют процессору 328 восстановить медицинское изображение 512 по данным 510 медицинского изображения. Память 334 компьютера дополнительно показана как содержащая модуль 522 сегментации изображения, который включает в себя исполняемый компьютером код, позволяющий процессору 328 сформировать сегментацию 514 изображения по медицинскому изображению 512. Память 334 компьютера показана как дополнительно содержащая модуль 524 вычисления фактора когерентности. Модуль 524 вычисления фактора когерентности может использоваться для создания пространственно зависимого фактора 516 когерентности по сегментации 514 изображения.

На Фиг. 6 показан медицинский инструмент 600 в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения. Медицинский инструмент 600, показанный на Фиг. 6, аналогичен медицинскому инструменту 300, показанному на Фиг. 3. Медицинский инструмент 600 содержит систему 602 магнитно-резонансной визуализации. Система магнитно-резонансной визуализации содержит магнит 604. Магнит 604 представляет собой сверхпроводящий магнит цилиндрического типа с каналом 606, проходящим через его центр. Магнит имеет охлаждаемый жидким гелием криостат со сверхпроводящими катушками. Возможно также использование постоянных или резистивных магнитов. Возможно также использование других типов магнитов, например, возможно также использование и расщепленного цилиндрического магнита, и так называемого открытого магнита. Расщепленный цилиндрический магнит подобен стандартному цилиндрическому магниту, за исключением того, что криостат был расщеплен на два отрезка для обеспечения возможности доступа к изоплоскости магнита, такие магниты могут, например, использоваться в сочетании терапией пучком заряженных частиц. Открытый магнит имеет два магнитных отдела, один над другим, с пространством между ними, которое достаточно большое для помещения субъекта: расположение площади двух отделов подобно расположению катушки Гельмгольца. Открытые магниты популярны, потому что в них субъект меньше стеснен в своем расположении. Внутри криостата цилиндрического магнита имеется комплект сверхпроводящих катушек. Внутри канала 606 цилиндрического магнита находится зона 504 визуализации, где магнитное поле является достаточно сильным и однородным для выполнения магнитно-резонансной визуализации.

Внутри канала 606 магнита имеется также набор создающих магнитное поле градиентных катушек 610, которые используются для получения данных магнитного резонанса для пространственного кодирования магнитных спинов внутри зоны 504 визуализации магнита 604. Создающие магнитное поле градиентные катушки соединены с источником 612 питания градиентных катушек, создающих магнитное поле. Градиентные катушки 610, создающие магнитное поле, предназначены для представления в качестве типичного примера. Обычно градиентные катушки, создающие магнитное поле, содержат три отдельных набора катушек для пространственного кодирования в трех ортогональных пространственных направлениях. Источник 612 электропитания градиентного магнитного поля подает ток в градиентные катушки 610, создающие магнитное поле. Ток, подаваемый в создающие магнитное поле катушки, регулируется в зависимости от времени и может быть линейно изменяющимся или пульсирующим.

По соседству с зоной 504 визуализации расположена радиочастотная катушка 614 для манипулирования ориентациями магнитных спинов внутри зоны 504 визуализации и для приема радиопередач от спинов также внутри зоны визуализации. Радиочастотная катушка может содержать множество элементов катушки. Радиочастотная катушка может также именоваться каналом или антенной. Радиочастотная катушка 614 соединена с радиочастотным приемопередатчиком 616. Радиочастотная катушка 614 и радиочастотный приемопередатчик 616 могут заменяться отдельными передающими и приемными катушками и отдельным передатчиком и приемным устройством. Понятно, что радиочастотная катушка 614 и радиочастотный приемопередатчик 616 являются типичным примером. Радиочастотная катушка 614 предназначена также для представления выделенной передающей антенны и выделенной приемной антенны. Аналогичным образом, приемопередатчик 616 может также представлять отдельный передатчик и приемные устройства.

Компьютерное устройство 332 хранения информации показано как дополнительно содержащее импульсную последовательность 620. Используемый в настоящем описании термин «импульсная последовательность» включает в себя набор инструкций, который позволяет процессору 328 управлять системой 402 магнитно-резонансной визуализации для получения данных 510 медицинского изображения, которые в этом варианте осуществления представляют собой магнитно-резонансные данные.

При высокоинтенсивном сфокусированном ультразвуковом (HIFU) лечении сфокусированный ультразвуковой пучок используется для селективного нагревания ткани внутри тела пациента. Во время лечения может быть благоприятным, если соблюдается предосторожность во избежание нежелательного нагревания чувствительных органов и тканей, таких как рубцы, кишечник или кости, расположенных на пути прохождения пучка. Было продемонстрировано, что нежелательное воздействие ультразвука можно снизить селективным выключением элементов преобразователя. В настоящем изобретении описан алгоритм выбора активных элементов жестко регулируемым образом, без компромиссов в отношении безопасности пациента. В соответствии с изобретением, идентифицируются и маркируются чувствительные области, и уровень безопасности связан с каждой чувствительной областью. Интенсивность воздействия на каждую чувствительную область оценивают на основании некогерентной и максимально когерентной суммы установленных величин интенсивности их элементов преобразователя. Элементы выключают до тех пор, пока установленное воздействие ультразвука ни будет ниже уровня безопасности на все чувствительные области.

Как указано выше, сфокусированный ультразвуковой пучок используют при лечении HIFU для селективного нагревания ткани внутри тела пациента. Фокусирующий ультразвуковой преобразователь используют для формирования пучка. Форма пучка напоминает конус, причем преобразователь образует основание конуса. Пучок сходится по направлению к фокальной точке, которая образует верхушку конуса. В фокальной точке, волны давления, формируемые преобразователем, когерентно суммируются, приводя к образованию сфокусированного пятна, где акустическая интенсивность является очень высокой. Поскольку поглощение пропорционально интенсивности, то происходит высоко локализованное нагревание. Для управляемости, поверхность преобразователя может быть разделена на независимые элементы преобразователя. Локализация фокальной точки может смещаться путем электрического управления фазами элементов преобразователя.

Также нагревается ткань, расположенная на пути прохождения пучка. Однако входящий ультразвуковой пучок распределяется по большой площади кожи. Более того, вдали от фокуса пучки от отдельных элементов преобразователя являются некогерентными. Следовательно, обычно нежелательное нагревание остается ограниченным и является клинически безвредным. Однако определенные анатомические области, такие как рубцы, кишечник и кости, высокочувствительны к ультразвуку. Следует обратить внимание на избегание воздействия ультразвука на эти области. В настоящее время, это осуществляется вручную в программном обеспечении плана лечения. Чувствительные области идентифицируются по изображениям, полученным MRI, и преобразователь вручную располагают таким образом, чтобы ультразвуковой путь, визуализируемый в виде конуса, не попадал на чувствительные области. При лечении фибромы матки, это может значительно ограничить доступный объем лечения. При некоторых потенциальных будущих видов применения, таких как лечение рака печени, этот подход крайне ограничен ввиду присутствия ребер.

Локальное подавление акустической интенсивности селективным выключением элементов преобразователя в последнее время привлекло большой интерес. В алгоритмах на основе «геометрического» подхода часть поверхности преобразователя считают находящейся в тени чувствительных областей, как видно из фокальной точки. Элементы преобразователя в тени выключают. В алгоритмах на основе «дифракционного» подхода, фокус рассматривают как источник. Моделируется распространение акустического поля из фокуса по направлению к преобразователю. Чувствительные области можно применять в виде пространственной маски, которая удаляет часть акустического поля. Волновое поле, поступающее в элементы преобразователя, используется для выбора активных элементов преобразователя и фаз активных элементов.

Хотя установленные чувствительные области (обычно, ребра) попадают в карту-схему конфигурации активных элементов, и можно ожидать снижение акустического воздействия на чувствительные области, снижение количественно не определялось. Воздействие можно оценить в последующем, но его не используют при выборе элементов.

В одном варианте осуществления изобретения, для каждой чувствительной области определяют количественные пределы безопасности. Количественные пределы могут быть основаны на качественной классификации пользователем и планируемом воздействии ультразвуком. Алгоритм оценивает воздействие на каждую область и пытается найти такую конфигурацию активных элементов, которая соблюдает пределы безопасности. Если такое решение не найдено, то воздействие ультразвуком считается нецелесообразным.

Предложенный алгоритм может также иметь другие преимущества. Например, на ультразвуковой пучок воздействуют свойства тканей и материалов на акустическом пути. В частности, рефракция на поверхности раздела материалов и акустическое ослабление в тканях важны для величины и пространственное распределение акустической интенсивности. Трудно включить такие факторы в геометрический подход. Предложенный алгоритм может быть получен для использования сегментированных моделей пациентов и пригодного имитационного двигателя, если бы они были доступны.

Современные подходы моделируют все акустическое поле без учета пучков от отдельных элементов. Следовательно, акустическое поле в ближней зоне не описывается должным образом. В крайних случаях, даже боковые доли могут иметь последствия для безопасности пациента. Такие крайние случаи вероятно непригодны для лечения, но в интересах безопасности пациента, важно распознавать их. Надлежащее описание структуры ближней зоны присуще предлагаемому алгоритму.

Все указанные здесь вопросы можно также решить алгоритмом с использованием полно-волнового моделирования, предпочтительно, со связанной полностью сегментированной моделью пациента. Однако вычислительные (и другие) требования, устанавливаемые таким алгоритмом, могут быть избыточными, делая этот поход неосуществимым для клинического применения. Вычислительные требования варианта осуществления изобретения могут быть скромными и приспосабливаемыми.

В другом варианте осуществления отражения от механических структур, расположенных на пути пучка, минимизируются и/или уменьшаются. Например, в некоторых случаях может быть необходимо расположить преобразователь таким образом, чтобы механические опорные структуры частично перекрывали акустическое окно. После попадания на такие структуры, часть акустического пучка может отражаться. В неудачных условиях отраженный пучок может стать сфокусированным на поверхности преобразователя, нагревая преобразователь, и, возможно, разрушая элементы. Подавление акустической интенсивности, падающей на такие структуры, снижает этот риск.

Один вариант осуществления изобретения может представлять собой алгоритм для выбора того, какие элементы преобразователя выключены, и какие включены. Клинически, ключевое усовершенствование, по сравнению с уровнем техники состоит в том, что алгоритм является количественным по природе: пределы безопасности могут быть определены и усилены на чувствительных областях. От технической перспективы, открытие, которое делает изобретение возможным, представляет собой новый способ вычисления показателей верхнего предела акустической интенсивности.

Один вариант осуществления способа можно понять путем изучения Фиг. 7-10. В рассматриваемом контексте пучок от ультразвукового преобразователя состоит из лучей, испускаемых отдельными элементами преобразователя.

На Фиг. 7 показана логарифмическая акустическая интенсивность от одного элемента преобразователя в баке с водой. Показана аксиальная плоскость. На изображении 700 показана логарифмическая акустическая интенсивность. Ось x обозначена позицией 702 и представлена в метровых единицах. Ось y обозначена позицией 704 и также представлена в метровых единицах. Точка 706 представляет собой локализацию одного элемента преобразователя. Изменение интенсивности показано на шкале 708 и измеряется изменением интенсивности в децибелах. Интенсивность измеряется относительно в ваттах на квадратный сантиметр. На Фиг. 7 показана акустическая интенсивность их одного элемента преобразователя, имитированная в аксиальной плоскости. Для простоты демонстрации в качестве среды рассматривается бак с водой.

На Фиг. 8 показана логарифмическая акустическая интенсивность от множества элементов преобразователя в баке с водой также на аксиальной плоскости. Изображение 800 показывает логарифмическую акустическую интенсивность в аксиальной плоскости, и шкала 808 показывает изменение интенсивности в децибелах. Изменение интенсивности является относительным и измеряется в ваттах на квадратный сантиметр. На Фиг. 8 показана имитированная интенсивность от преобразователя, состоящего из 256 элементов преобразователя, в таких же условиях. Фокус преобразователя локализуется на глубине 120 мм в баке. В фокусе лучи от отдельных элементов когерентно суммируются, приводя к увеличению давления в 256 раз и к увеличению акустической интенсивности в 256² = 65536 раз [48 дБ], по сравнению с одним элементом.

Путем выключения элементов преобразователя преследуется цель защиты чувствительных органов, локализующихся между преобразователем и фокусом. Наблюдается, что в этой области пространственная структура ультразвукового поля очень сложная. Это связано с подобной случайной интерференцией между элементами. Приложение электрического отклонения дополнительно изменяет структуру поля. Типичное воздействие ультразвуком включает в себя несколько десятков различных электрических отклонений. Следовательно, оценка максимальной интенсивности по расширенному трехмерному объему всеохватывающим поиском становится очень трудоемкой задачей.

К счастью, из соображений безопасности, нет необходимости в знании детальной структуры: достаточно знать местный уровень горячих пятен. Можно ожидать, что это гораздо меньшее количество. В качестве конечной оценки наихудшего случая, можно допустить, что элементы всегда являются когерентными и суммируют величины полей давления отдельных элементов. В большинстве случаев этот подход массово переоценивает уровни интенсивности.

В качестве противоположного случая, можно допустить, что элементы являются некогерентными и суммируют интенсивности одиночных элементов. Этот подход недооценивает горячие пятна. Однако практическое исследование показывает, что этот подход в действительности работает достаточно хорошо. Некогерентная сумма для примера бака с водой показана на Фиг. 9, и отношение интенсивности по некогерентной сумме показано на Фиг. 10. Исключая область фокуса, отношение остается ниже 8 или около того. Следовательно, верхняя оценка интенсивности может быть получена суммированием интенсивностей отдельных элементов и умножением на постоянный коэффициент (в данном случае, например, 10).

На Фиг. 9 показана некогерентная сумма мощностей элементов по отдельным элементам преобразователя для такого же вычисления, как показано на Фиг. 8. Изображение 900 показывает логарифмическую некогерентную сумму мощности 900, изменение интенсивности показано на шкале 908 в децибелах. Мощность вычисляли в пересчете на ватты на квадратный сантиметр. При сравнении Фиг. 8 и 9 видно, что в целом, горячие области на Фиг. 9 охватывают горячие области на Фиг. 8. Это показывает, как логарифмическая некогерентная сумма 900 мощности, в частности при умножении на фактор когерентности, может использоваться для аппроксимации логарифмической акустической интенсивности 800.

На Фиг. 10 показано отношение логарифмической акустической интенсивности к некогерентной сумме 900 мощности. Изображение 1000 показывает это отношение, и шкала показана позицией 1008. По существу Фиг. 10 можно использовать для вычисления фактора когерентности или можно использовать для иллюстрации использования некогерентной суммы 900 мощности вместо акустической интенсивности 800. В примере, иллюстрируемом на Фиг. 8, 9 и 10, была бы достаточна постоянная величина для фактора когерентности 8 для обеспечения возможности безопасного использования суммы независимых слагаемых для вычисления оцененного значения интенсивности ультразвукового излучения в защищенной зоне.

Для более сложных геометрий, включающих в себя сегментированную модель пациента, и, возможно, более трудного преобразователя, подход может быть немного доработан. Карты интенсивности одиночных элементов можно оценить на основании сегментированных анатомических данных. Оцененное значение интенсивности можно получить взвешиванием некогерентной и максимально когерентной сумм. Взвешивание может иметь пространственную зависимость.

Чувствительные области можно идентифицировать и сегментировать в качестве части планирования лечения. Простой подход заключается в том, что пользователь метит их вручную на консоли планирования лечения на основании планирующих MRI изображений. В качестве альтернативы, можно использовать автоматическую или полуавтоматическую сегментацию. Чувствительные области можно также сегментировать перед сеансом лечения, и какой-либо тип регистрации изображения можно использовать для обновления сегментированных моделей в начале лечения.

Уровни безопасности можно определить на чувствительных областях. Например, пользователь может классифицировать чувствительные области на основании типа ткани или классифицировать области на несколько категорий безопасности. Соответственно, программное обеспечение может определить пределы безопасности. Наиболее вероятно, уровни безопасности должны зависеть от длительности воздействия ультразвуком и рассматриваемой ткани/органа.

Сегментированные чувствительные области можно разделить на достаточно мелкие частичные объемы. Если алгоритм осуществляется правильно, то использование слишком грубого деления привело бы отключению алгоритмом большего числа элементов, чем необходимо. Могут быть предоставлены средства для формирования верхней оценки акустической интенсивности от каждого элемента на каждом чувствительном подобъеме. В отсутствие более глубокого знания, простым подходом является лечебное воздействие по пути продвижения как по однородной среде. Если доступна сегментированная модель пациента, то было бы благоприятно использовать ее при оценке. Специфические для элементов оценки хранятся в памяти компьютера.

Можно определить фактор когерентности. Простым подходом является использование специфической для преобразователя константы. В частности, в приведенном выше примере, величина 10 может использоваться в качестве предела. Для некоторых преобразователей может быть предпочтительно определение величины, зависимой от положения относительно преобразователя.

В одном варианте осуществления находят конфигурацию активных элементов, которой подчиняются уровни безопасности во всех чувствительных областях. Легко составить альтернативные стратегии для достижения этой цели. Например, можно применить следующий эвристический алгоритм.

Исходно можно допустить, что все элементы являются активными. Определяют уровень электропитания и разделяют среди элементов. Проходят через все чувствительные области и формируют верхнюю оценку после акустического воздействия. Оценку вычисляют в виде некогерентной суммы интенсивностей элементов, умноженной на фактор когерентности. Если установленная интенсивность превышает уровень безопасности на одной из чувствительных областей, то элементы отключаются. Например, можно выявить подобъем, где имеется самое большое нарушение уровня безопасности, и отключить элемент, обеспечивая там самое высокое воздействие. Электропитание остающихся элементов соответственно увеличивается. Этот процесс повторяется до тех пор, пока установленная интенсивность ни будет ниже критериев безопасности по всем чувствительным областям, или до тех пор, пока воздействие ультразвуком не будет идентифицировано как невозможное.

В другом варианте осуществления, определяют два фактора когерентности: один для некогерентной суммы, другой - для максимально когерентной суммы, и по ним формируют оценку интенсивности. Любой или оба из этих факторов могут иметь пространственную зависимость.

Во избежание отражений от механических структур, решение о выключении элемента может быть также основано на величине угла между лучом, падающем на структуру.

В другом варианте осуществления, можно проверить возможность конфигурации нового активного элемента с использованием определенного набора правил. Например, может потребоваться, чтобы было по меньшей мере определенное число активных элементов.

Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно описано в чертежах и приведенном выше описании, такую иллюстрацию и описанию следует рассматривать как иллюстративные и примерные, а не ограничивающие; изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления.

Другие варианты описанных вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при практическом применении заявляемого изобретения, в результате изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» и «включающий в себя» не исключает другие элементы или этапы, и форма единственного числа не исключает множественное число. Один процессор или другой узел может выполнять функции нескольких объектов, приведенных в формуле изобретения. Лишь тот факт, что определенные меры приведены во взаимно различных зависимых пунктах формулы, не указывает на то, что комбинацию этих мер нельзя использовать с выгодой. Компьютерная программа может храниться/распределяться на пригодном носителе, таком как оптический носитель информации или твердотельный носитель, поставляемые вместе или в виде части другого аппаратного обеспечения, но может также распространяться в других формах, таких как через интернет или другие проводные и беспроводные системы связи. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие ее объем.

Перечень ссылочных позиций

300 Медицинский инструмент

301 Субъект

302 Высокоинтенсивная сфокусированная ультразвуковая система

303 Опора субъекта

304 Заполненная текучей средой камера

306 Ультразвуковой преобразователь

308 Механизм

310 Механический привод/электропитание

312 Путь прохождения ультразвука

314 Ультразвуковое окно

316 Гелевая прокладка

318 Точка воздействия ультразвуком

320 Целевая зона

322 Защищенная зона

324 Компьютер

326 Аппаратный интерфейс

328 Процессор

330 Интерфейс пользователя

332 Устройство хранения информации

334 Память компьютера

340 План лечения

342 Параметры управления преобразователем

344 Команды управления воздействием ультразвуком

346 Заданное пороговое значение

350 Модуль управления

352 Модуль формирования параметров управления преобразователем

354 Модуль формирования команд управления воздействием ультразвуком

356 Модуль ультразвукового моделирования

400 Первый элемент преобразователя

402 Второй элемент преобразователя

404 Третий элемент преобразователя

406 Четвертый элемент преобразователя

408 Пятый элемент преобразователя

410 Ультразвук из первого элемента преобразователя

412 Ультразвук из второго элемента преобразователя

414 Ультразвук из третьего элемента преобразователя

416 Ультразвук из четвертого элемента преобразователя

418 Ультразвук из пятого элемента преобразователя

500 Медицинский инструмент

502 Медицинская система визуализации

504 Зона визуализации

510 Данные медицинского изображения

512 Медицинское изображение

514 Сегментация изображения

516 Фактор когерентности

520 Модуль восстановления изображения

522 Модуль сегментации изображения

524 Модуль вычисления фактора когерентности

600 Медицинский инструмент

602 Система магнитно-резонансной визуализации

604 Магнит

606 Канал магнита

610 Магнитное поле градиентных катушек

612 Электропитание градиентных катушек магнитного поля

614 Радиочастотная катушка

616 Приемопередатчик

620 Импульсная последовательность

700 Логарифмическая акустическая интенсивность

702 x-направление [м]

704 y-направление [м]

706 Локализация преобразователя

708 Изменение интенсивности [дБ]

800 Логарифмическая акустическая интенсивность

808 Изменение интенсивности [дБ]

900 Логарифмическая некогерентная сумма мощности

908 Изменение интенсивности [дБ]

1000 Логарифмическое отношение интенсивности к некогерентной сумме мощности

1008 Изменение интенсивности [дБ]

Реферат

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к средствам использования высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука. Высокоинтенсивный сфокусированный ультразвуковой медицинский инструмент содержит высокоинтенсивную сфокусированную ультразвуковую систему, содержащую ультразвуковой преобразователь, содержащий множество элементов, и выполненную с возможностью включения и выключения подачи электроэнергии на каждый из множества элементов преобразователя, процессор для управления медицинским инструментом, память, содержащую машиноисполняемые инструкции, которые побуждают процессор принимать план лечения, определяющего защищенную зону внутри тела субъекта, вычислять набор параметров управления преобразователем с использованием плана лечения таким образом, чтобы оцененное значение интенсивности ультразвукового излучения в защищенной зоне было ниже заданного порогового значения. Набор параметров управления преобразователем определяет подключение электропитания к каждому из множества элементов преобразователя, причем оцененное значение интенсивности ультразвукового излучения вычисляют с использованием некогерентной суммы ультразвукового давления, формируемого каждым из множества элементов преобразователя. На машиночитаемом носителе сохранен компьютерный программный продукт, содержащий машиноисполняемые инструкции для исполнения процессором, управляющим высокоинтенсивным сфокусированным ультразвуковым медицинским инструментом для обеспечения способа управления инструментом. Использование изобретений позволяет прогнозировать местоположение зон непреднамеренного нагрева. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 10 ил.

Формула