專利名稱：在磁共振引導(dǎo)容積超聲治療中的溫度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在磁共振溫度測量引導(dǎo)下進行超聲治療的患者中控制溫度的方法，特別涉及一種用于實現(xiàn)這種方法的快速收斂、多輸入、多輸出、非參數(shù)溫度控制器。
背景技術(shù)：
治療期間在患者處于磁共振成像系統(tǒng)中的情況下，局部施加超聲以治療某些類型的局部癌癥經(jīng)常發(fā)生，因而，借助于磁共振溫度測量可能監(jiān)測患者的溫度。磁共振溫度測量是對象處于磁共振數(shù)據(jù)采集單元(掃描儀)中時監(jiān)測檢查對象溫度的一種公知方式，并且基于下述公知現(xiàn)象，由檢查對象中通過向其施加能量強制離開其穩(wěn)態(tài)條件的核子自旋所發(fā)射的磁共振信號是依賴于溫度的。強制離開其平衡狀態(tài)的進動核子自旋發(fā)射信號，該信號被檢測并且將其用于常規(guī)磁共振成像。這些信號的溫度依賴性也允許產(chǎn)生檢查對象的溫度 圖，其非常精確地顯示溫度沿多軸的變化。高強度超聲有效地適用于治療局部癌癥或其他病癥。為此，施投(administer)高強度聚焦超聲(HIFU)。為了轉(zhuǎn)向并聚焦治療超聲，這樣一種超聲頭或裝置典型具有按陣列形式排列并操作的多個超聲發(fā)射器(換能器)。概括而言，通過對磁共振掃描儀檢查區(qū)中的患者施投HIFU，發(fā)生這種治療的磁共振引導(dǎo)或監(jiān)測。在超聲治療進行時，以公知方式采集來自掃描儀中患者的磁共振數(shù)據(jù)。隨著治療，實時地產(chǎn)生患者的磁共振溫度測量圖像，其顯示患者指定區(qū)域內(nèi)的溫度分布。治療期間，得到的磁共振溫度圖像可能實時顯示在監(jiān)視器上，以便由醫(yī)師或技師目視觀察并手動控制治療，或者，為了根據(jù)溫度測量圖像產(chǎn)生適當(dāng)提取的信息以便在自動控制治療中使用，可能使用公知的圖像處理技術(shù)。在“Hyperthermia by MR-guided Focused Ultrasound:Accurate TemperatureControl Based on Fast MRI and A Physical Model of Local EnergyDeposition andHead Conduction，，，Salomir et al.，Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 43 (2000)pages342-347中描述了磁共振引導(dǎo)下聚焦超聲高溫的概述。例如，在“Automatic Spatialand Temporal Temperature Control for MR-Guided Focused Ultrasound Using Fast3D MR Thermometry and Multispiral Trajectory of the Focal Point, ”Mougenotet al.，Magnetic Resonance in Medicine,Vol. 52 (2004)pgs 1005-1015; “Three-Dimensional Spatial and Temporal Temperature Control with MR Thermometry-GuidedFocused Ultrasound (MRgHIFU)，，，Mougenot et al.，Magnetic Resonance inMedicine，Vol. 61(2009)pgs 603-614 以及“Cruvilinear Transurethral UltrasoundApplicator for Selective Prostrate Thermal Therapy, ” Ross et al.，MedicalPhysics，Vol. 32，No. 6(2005)pgsl555-1565中描述了各種自動控制技術(shù)。這種治療中用于溫度控制的流行技術(shù)是利用比例-積分-微分(PID)控制器。概括而言，PID控制器計算誤差值作為被測過程變量與期望參考點之差。如由其名稱所示，PID控制器利用了三個反饋反應(yīng)項(feedback reaction terms),分別涉及比例值、積分值以及微分值。比例值取決于當(dāng)前誤差，積分值代表過去誤差的積累，而微分值代表基于當(dāng)前變化率的未來誤差預(yù)測。典型地，使用這三個值的加權(quán)和，通過對有能力改變所討論過程的被監(jiān)控參數(shù)的一些類型的控制元件進行控制，對所討論的過程進行調(diào)節(jié)。在“Endocavitary Thermal Therapy byMRI - guided Phased-Array Contact Ultrasound:Experimental and Numerical Studieson the Multi-input Single-Output PID Temperature Controller’ s Convergence andStability, ^Salomir et al. ,Medical Physics, Vol. 36，No. 10 (2009)pgs4726_4741 中，提供了在磁共振引導(dǎo)相控陣接觸超聲背景下使用PID溫度控制的研究?；赑ID的控制器通常呈現(xiàn)良好的穩(wěn)定性以及對噪聲的魯棒性(robustness),但其收斂相當(dāng)慢。當(dāng)在受控聲波處理期間溫度采樣點的數(shù)量較少時，PID算法沒有足夠的時間來調(diào)節(jié)功率電平，以便通過擴散(diffusion)/灌注(perfusion)補償熱沉積或組織冷卻中的局部變化性。在組織響應(yīng)時間對初級熱源(elementary heat source)的標(biāo)度(scale)下，當(dāng)總時基較短時情況更糟。此外，當(dāng)?shù)讓幽Ｐ椭形锢韰?shù)的靜態(tài)調(diào)諧遠離真實參數(shù)時，出現(xiàn)溫度曲線超調(diào)，伴隨高于預(yù)定溫度的短暫但顯著并且可能更長的加熱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在磁共振成像引導(dǎo)相控陣接觸超聲中使用的改進溫度控制算法，其特別適合在關(guān)于每一磁共振動態(tài)掃描重復(fù)的沿容積圖案(volumetricpattern)的循環(huán)式聲波處理。本發(fā)明的另一目的是提供這樣一種溫度控制算法，其在20至30倍于磁共振溫度測量持續(xù)時間的時間間隔中，在每一焦點處釋放等效熱劑量。根據(jù)本發(fā)明，用一種磁共振引導(dǎo)施投超聲的溫度控制方法實現(xiàn)上述目的，其中由磁共振溫度測量以實時方式監(jiān)測檢查對象局部區(qū)域中的溫度，在計算機化的處理器中自動識別并且采用檢查對象被監(jiān)測區(qū)域中的溫度分布特性，以通過調(diào)整超聲治療裝置來實現(xiàn)溫度控制。溫度控制器按兩步設(shè)計1)改造經(jīng)典PID方程以改善收斂性，以及2)通過考慮給定焦點相對于遍及全部焦點計算出的平均溫度的溫度偏移，使算法轉(zhuǎn)化為非參數(shù)型。將PID控制器的經(jīng)典方程改造成Ρ( = ^ ^^ + Χ )·ν ( ^)+Η·./·Δ( ^)+Η-^
—MnJl J其中//(Fu)是超聲吸收點ξ，/>(ξ)是熱擴散點巧，Θ⑴是溫度的預(yù)定(或目標(biāo))演變(evolution),T(K)是試驗(測量)溫度點ξ時間t，Δ( ,/) = Θ(/)-Γ(ξ,/)是在部位ξ處的當(dāng)前誤差；以及Ω( 0,/)= f [Θ(/') - T(l，/'P 是部位-處的積分誤差。
OfO
根據(jù)本發(fā)明的特性微分方程式
權(quán)利要求
1.一種磁共振引導(dǎo)施投超聲的溫度控制方法，包括 在活體部位處，通過用多焦點超聲治療裝置發(fā)射聚焦超聲進入位于所述多個焦點處的所述部位，并且通過快速切換現(xiàn)行焦點位置以沿著時變?nèi)莘e圖案執(zhí)行循環(huán)超聲處理，對患者施投超聲治療； 由磁共振溫度測量以實時方式監(jiān)測檢查對象局部區(qū)域中進行所述治療所在部位的所述溫度； 根據(jù)所述磁共振溫度測量，在處理器中自動識別所述檢查對象被監(jiān)測區(qū)域中的所述溫度分布特性；以及 根據(jù)所述計算機化的處理器，通過調(diào)整所述超聲治療裝置實現(xiàn)溫度控制，所述溫度控制調(diào)制各單獨焦點處的所述能量沉積，旨在使所有被加熱部位的所述溫度歷程均勻； 不使用關(guān)于組織特性的任何先驗信息，根據(jù)分別考慮達到所述穩(wěn)態(tài)之前以及之后兩種狀況的下列雙支主方程，在幾乎同時被加熱的所述多個部位之中，計算在所述時間點η處的所述能量變化δ Ek (η)與每一加熱部位k中的能量的初始值Eu之比
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，包括在釋放能量的計算中的時間相關(guān)負反應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括在O.01除以采樣時間的平方與10. O除以所述采樣時間的平方之間范圍中選擇用于負反應(yīng)參數(shù)w的值。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，包括用下列特性微分方程實現(xiàn)所述溫度控制，其中Ω指定在給定焦點位置處所述溫度的積分偏移
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，包括用時域收斂解實現(xiàn)所述溫度控制
全文摘要
在磁共振引導(dǎo)施投超聲的溫度控制方法中，在活體部位處，通過用多焦點超聲治療裝置發(fā)射聚焦超聲進入位于多個焦點處的上述部位，對患者施投超聲治療。由磁共振溫度測量以實時方式監(jiān)測檢查對象局部區(qū)域中進行治療所在部位的溫度。根據(jù)磁共振溫度測量，自動識別檢查對象被監(jiān)測區(qū)域中的溫度分布特性。根據(jù)下列主方程，通過調(diào)整超聲治療裝置的能量輸出實現(xiàn)溫度控制或者，稍加改造，
文檔編號G05D23/00GK102955426SQ20121028188
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月10日
發(fā)明者R.薩羅米爾, M.維亞隆 申請人:西門子公司