Устройство для ультразвуковой трехмерной визуализации и терапии

Устройство для ультразвуковой трехмерной визуализации и терапии

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные дела

Заявители испрашивают приоритет предварительной заявки под серийным № 60/867464, поданной 28 ноября 2006 г.

Изобретение относится к устройству, содержащему два отдельных двумерных (2D) матричных ультразвуковых преобразователя, один для обеспечения трехмерных (3D) изображений, а другой - для генерирования терапевтических лучей, которые могут электронно управляться в трех измерениях; и к применению устройства при доставке опосредованного ультразвуком терапевтического воздействия, такого как локализованная доставка генов, доставка лекарственных средств, ультразвуковой тробмолизис, деструкция тканей и т.д.

Ультразвук имеет много видов терапевтического применения, таких как деструкция тканей, доставка лекарственных средств, гипертермия, растворение тромбов и т.д. Терапевтические преобразователи с одним элементом ограничены фиксированной фокальной длиной и зависят от механической трансляции для терапии различных областей тела. Для направления терапевтического луча в различные участки в организме можно использовать электронно-фазированные матричные преобразователи. Одновременная визуализация тканей во время терапии обеспечивает возможность планирования и мониторинга лечения.

Один пример комбинированной системы визуализации и терапии описан в патенте США Nock et al (патент США № 6716188). В этом патенте описана система для усовершенствования доставки лекарственных средств и визуализации, содержащая преобразователь, имеющий только одну линейную матрицу элементов.

В патенте США № 5558092 (Unger et al.) описан один пример комбинированной системы ультразвуковой визуализации и терапии с отдельными преобразователями на одной и той же подложке. Предложено несколько конфигураций преобразователей, включая конфигурацию, которая имеет 2D матрицу элементов как для визуализации, так и для терапии, которые функционируют путем уплотнения сигнальных каналов так, что активируется последовательный линейный набор элементов.

В патенте США № 6428477 (Mason), права на который переданы Philips, описана полностью управляемая двумерная ультразвуковая матрица, которая обеспечивает терапию путем управления лучами и их селективного фокусирования. Тот же преобразователь используется как для терапии, так и для визуализации.

В патенте США № 6719694 описаны ультразвуковые преобразователи, которые выполняют как терапию, так и визуализацию. Контур добротности изменяет ширину полосы пропускания преобразователя, так что работа с высокой шириной полосы пропускания используется при визуализации.

В патенте США № 6500121 описана система ультразвуковой терапии, имеющая один преобразователь, который выполняет визуализацию, терапию и контроль температуры, при этом один преобразователь может функционировать для обеспечения визуализации или терапии 3D образом.

В способе Unger et al. используются уплотненные линейные элементы (патент США № 5558092). Эта терапевтическая матрица не сконфигурирована для выполнения 3D управления лучом и обеспечивает работу только на небольшой глубине около поверхности кожи. Кроме того, одна и та же подложка используется как для визуализационных, так и для терапевтических матриц. Это обеспечивает возможность перекрестной связи между двумя матрицами, поскольку в терапевтической матрице обычно используются более высокие уровни мощности. К тому же визуализирующая матрица не может заменяться другими визуализирующими датчиками на той же терапевтической матрице. Использование одной и той же подложки для обеих матриц ведет к менее оптимальному использованию пьезоматериала, поскольку терапевтические матрицы могут выиграть от изготовления их из пьезокомпозитных материалов, из которых можно получить элементы произвольного размера и форм.

В способе Mason (патент США № 6428477), Weng (патент США № 6719694) и Staylon et al. (патент США № 6500121) используется один и тот же преобразователь для визуализации и терапии. Однако терапия и визуализация имеют различные требования, поскольку различны способности фокусирования и частотные требования. Часто трудно оптимизировать преобразователь для обоих видов применения. Например, при ультразвуковой визуализации обычно используются частоты более чем 2 МГц, тогда как при терапии используются частоты менее чем 2 МГц. Для исследований на мелких животных для визуализации предпочтительны даже более высокие частоты, такие как 15 МГц. Небольшие размеры отверстий визуализирующих преобразователей недостаточны для достижения усилений фокусировки, необходимых для терапии, что обычно требует гораздо более крупных преобразователей. Кроме того, визуализирующая матрица имеет элементы, расположенные через равные промежутки, и при использовании для терапии потребовали бы большого количества элементов для удовлетворения требования избегать дифракционных максимумов решеток.

Однако как обсуждалось выше, еще сохраняются проблемы с этими системами и методологией при ультразвуковой визуализации и терапии, в частности, для биологической ткани в пространственном объеме, который может находиться в движении, причем эти проблемы преодолеваются описанными в настоящей заявке устройством и методологией.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованного устройства визуализации для управления биопсией.

В соответствии с настоящим изобретением в настоящей заявке описано устройство, содержащее два отдельных двумерных (2D) ультразвуковых матричных преобразователя, один для обеспечения трехмерных (3D) изображений, а другой для генерирования терапевтических лучей, которые могут электронно управляться в трех измерениях, и применение устройства для подачи опосредованной ультразвуком терапии, такой как локализованная доставка генов, доставка лекарственных средств, ультразвуковой тромболизис, деструкция тканей.

В частности, целью изобретения является предоставление устройства для применения трехмерной ультразвуковой визуализации и терапии, содержащего:

двумерную ультразвуковую визуализирующую матрицу элементов преобразователя, имеющую передатчик и приемник сигналов

изображения, который образует, управляет и селективно фокусирует ультразвуковые лучи на трехмерный, движущийся или стационарный пространственный объем;

одну или более двумерных ультразвуковых терапевтических матриц элементов преобразователя, причем каждая матрица имеет передатчик терапевтического сигнала, который образует, управляет и селективно фокусирует и доставляет ультразвуковую терапию в объем; при этом локализация матрицы элементов преобразователей визуализации и терапии относительно друг друга известна; и

контроллер, который управляет передатчиком и приемником изображения для обеспечения трехмерных изображений объема, и одновременно независимо управляет каждым из одного или более терапевтических передатчиков для подачи терапии в объем.

Другой целью изобретения является предоставление устройства, дополнительно включающего в себя каждую из матриц визуализирующего и терапевтического преобразователей, имеющих множество ультразвуковых элементов, которые индивидуально регулируемы по рабочей амплитуде, фазе и частоте.

Другой целью изобретения является предоставление устройства, дополнительно включающего в себя контроллер, коррелирующий визуализируемый объем с матрицей терапевтического преобразователя так, чтобы терапия подавалось в объем.

Другой целью изобретения является предоставление устройства, дополнительно включающего в себя матрицу терапевтического преобразователя, расположенную в двумерном кольцевом пространстве между двумя концентрическими окружностями, и матрицу визуализирующего преобразователя, расположенную внутри двумерного пространства внутренней окружности.

Другой целью изобретения является предоставление устройства, дополнительно включающего в себя матрицу терапевтического преобразователя, фиксированно прикрепленную к одной стороне матрицы визуализирующего преобразователя.

Другой целью изобретения является предоставление устройства, дополнительно включающего в себя множество матриц терапевтических преобразователей, расположенных в двумерном кольцевом пространстве между двумя концентрическими окружностями, и матрицу визуализирующего преобразователя, расположенную внутри двумерного пространства внутренней окружности, при этом каждая из множества терапевтических матриц способна обеспечить терапию в различных пространственных объемах, причем различные режимы терапии включают в себя различные частоты ультразвуковых волн и различные глубины проникновения в ткани.

Другой целью изобретения является предоставление способа доставки ультразвуковой терапии в биологическую ткань в трехмерный движущийся или стационарный пространственный объем, включающий в себя:

визуализацию объема с использованием устройства для применения трехмерной ультразвуковой визуализации и терапии, причем устройство содержит:

двумерную ультразвуковую визуализирующую матрицу элементов преобразователя, имеющую передатчик и приемник сигналов изображения, который образует, управляет и селективно фокусирует ультразвуковые лучи на трехмерный, движущийся или стационарный пространственный объем;

одну или более двумерных ультразвуковых терапевтических матриц элементов преобразователя, причем каждая матрица имеет передатчик терапевтического сигнала, который образует, управляет и селективно фокусирует и доставляет ультразвуковую терапию в объем; при этом локализация матрицы элементов преобразователей визуализации и терапии относительно друг друга известна; и

контроллер, который управляет передатчиком и приемником изображения для обеспечения трехмерных изображений объема, и одновременно независимо управляет каждым из одного или более терапевтических передатчиков для подачи терапии в объем;

подачу терапии на ткань с использованием устройства.

Другой целью изобретения является предоставление способа, дополнительно включающего в себя каждую из матриц визуализирующего и терапевтического преобразователей, имеющих множество ультразвуковых элементов, которые индивидуально регулируемы по рабочей амплитуде, фазе и частоте.

Другой целью изобретения является предоставление способа, дополнительно включающего в себя контроллер, приводящий во взаимное соответствие визуализируемый объем и матрицу терапевтического преобразователя так, чтобы терапия подавалась в объем.

Другой целью изобретения является предоставление способа, дополнительно включающего в себя матрицу терапевтического преобразователя, расположенную в двумерном кольцевом пространстве между двумя концентрическими окружностями, и матрицу визуализирующего преобразователя, расположенную внутри двумерного пространства внутренней окружности.

Другой целью изобретения является предоставление способа, дополнительно включающего в себя матрицу терапевтического преобразователя, фиксированно прикрепленную к одной стороне матрицы визуализирующего преобразователя.

Другой целью изобретения является предоставление способа, дополнительно включающего в себя множество матриц терапевтических преобразователей, расположенных в двумерном кольцевом пространстве между двумя концентрическими окружностями, и матрицу визуализирующего преобразователя, расположенную внутри двумерного пространства внутренней окружности, при этом каждая из множества терапевтических матриц способна обеспечить терапию в различных пространственных объемах, причем различные режимы терапии включают в себя различные частоты ультразвуковых волн и различные глубины проникновения в ткани.

Другой целью изобретения является предоставление способа, дополнительно содержащего этап доставки ультразвуковой терапии в биологическую ткань, выбранную из группы, состоящей из поражений мозга, фибром матки, опухоли печени, опухоли мозга, других опухолей тела млекопитающих и тромбов.

Эти и другие аспекты изобретения детальнее объясняются со ссылкой на следующие варианты осуществления и со ссылкой на чертежи.

На фиг. 1 изображен вариант осуществления устройства, имеющего комбинированную 2D терапевтическую и 2D визуализирующую матрицу или зонд. Визуализирующая матрица в форме квадрата помещается в центр круглого отверстия, а терапевтическая матрица, имеющая множество элементов, показанных в виде кружков, находится в кольце, окружающем визуализирующую матрицу.

При любом применении неинвазивной терапии решающее значение имеют планирование, направление и контроль. Настоящее изобретение обеспечивает три важных преимущества для достижения этих целей: быстрый трехмерный запрос в реальном масштабе времени 3D пространственного объема, окружающего целевую биологическую ткань, точная и прецизионная корреляция или приведение во взаимное соответствие лучей ультразвуковой терапии или лечения с данными ультразвуковой 3D визуализации и регулировка в реальном времени как размера, так и формы 3D пространственного объема целевой зоны, содержащей представляющую интерес биологическую ткань и траекторию терапевтического луча. Например, при лечении сердца, движение целевой ткани может быть сложным и нерегулярным ввиду дыхательных движений и аритмии. Визуализирующая матрица может визуализировать это движение в реальном масштабе времени, затем терапевтическая матрица может быть запрограммирована для подачи терапевтического ультразвука с синхронизацией по времени и/или пространственным управлением с тем, чтобы зона лечения совпадала с целевым объемом.

В соответствии с описанным в настоящей заявке изобретением устройство содержит два отдельных 2D ультразвуковых матричных преобразователя, один для обеспечения 3D изображений, а другой - для обеспечения терапевтического луча, который электронно управляем в трех измерениях; отдельные элементы обеих матриц распределены по двум измерениям, и они индивидуально регулируемы по рабочей амплитуде, фазе и частоте. Элементы как визуализирующей, так и терапевтической матриц могут быть распределены случайным или бессистемным образом по поверхности. В этих двух матрицах можно использовать отдельные формирователи лучей для управления и фокусирования. Эти две матрицы обеспечивают возможность приведения в соответствие или корреляции 3D изображений и терапевтических лучей относительно друг друга.

В одном варианте осуществления терапевтическая матрица состоит из 2D сферической окружности. Отверстие в окружности обеспечивает пространство для визуализирующей матрицы. Элементы терапевтической матрицы имеют круглую форму и случайным образом распределены по матрице. На фиг. 1 показана терапевтическая матрица с визуализирующей матрицей в центре. В этом варианте осуществления предоставлено простое исполнение для приведения в соответствие терапевтического зонда в пространстве изображения, обеспечиваемого визуализирующей матрицей. Визуализирующий зонд может представлять собой любой матричный преобразователь, такой как преобразователи Х3-1, продаваемые компанией Philips.

В другом варианте осуществления 2D визуализирующая матрица прикреплена к одной стороне терапевтической матрицы и фиксирована к ней. Эти две матрицы жестко зафиксированы относительно друг друга и, следовательно, данные регистрации известны заранее.

В другом варианте осуществления используется компоновка из нескольких терапевтических матриц с одним визуализирующим преобразователем. Различные 2D терапевтические матрицы могут быть расположены вокруг визуализирующей матрицы в виде кольца. Каждая матрица может обеспечить лечение в различных пространственных областях или различные режимы лечения, такие как частота воздействий и глубина проникновения. Визуализирующая матрица должна обеспечивать широкое поле обзора с целью планирования. Одну или более терапевтических матриц следует включить для активации терапии на основе пространственной локализации и глубины области лечения, доступного акустического окна и других факторов.

Контроллер, который управляет и приводит во взаимное соответствие подачу ультразвуковой терапии с 3D изображениями, обеспечиваемыми передатчиком и приемником ультразвукового изображения, может включать в себя один или более компьютеров или процессоров. Образующая лучи и управляющая электроника, управляемая контроллером, является обычной и может функционировать в соответствии с компьютерными программами, известными специалисту в данной области. Терапевтическая система состоит из матрицы пьезоэлектрических,

пьезокомпозитных, кристаллических или керамических элементов, способных генерировать барическое поле либо с высоким и низким рабочим циклом, либо с более низким и более длинным рабочим циклом. Элементы преобразователя возбуждаются напряжением, подаваемым усилителем высокой мощности, и генерируемым либо произвольной волной, либо источником одной частоты. Синхронность этих сигналов регулируется либо контуром программируемого пуска, либо формирователем терапевтического луча. Начало и прекращение терапевтического барического поля может регулироваться посредством программируемых пусковых устройств с внешним управлением, или в результате пускового сигнала от 2D визуализирующей матрицы (например, желаемый объем ткани находится в пределах заданного пространственного участка). Вся система, состоящая как из терапевтической, так и визуализирующей матриц и соответствующей электронной схемы (усилители, блоки питания, источники сигналов, формирователи лучей, пусковой контур), регулируется внешним контроллером, обычно персональным компьютером. Этот внешний контроллер представляет собой задающий контроллер большинства синхронизирующих сигналов, взаимодействия с пользователем и интеграции визуализирующего и терапевтического зондов.

Ультразвуковая терапия представляет собой возникающее применение и возможность деловой активности. В настоящее время ультразвуковая терапия широко используется при лечении рака в Китае; в США она одобрена FDA (Управлением по контролю за продуктами и лекарствами) для лечения фибромы матки и проходит испытания для рака простаты и доброкачественной гиперплазии предстательной железы; и в Европе проводятся клинические испытания.

Изобретение может применяться во многих сферах применения для проведения ультразвуковой терапии, например, при лечении гипертермии, терапии

высокоинтенсивным сфокусированным ультразвуком (HIFU) и терапии с использованием микропузырьков/наночастиц. В последнем виде применения используются акустически вызванные биологические эффекты для усиления и регулирования локализованной доставки генов и лекарственных средств, такой как подача ультразвуковых лучей высокой интенсивности для того, чтобы вызвать активный выброс ранее инъецированных микросфер, содержащих лекарственное вещество, и его высвобождение в участок ткани; и другие виды применения в области опосредованной ультразвуком молекулярной медицины. Эта сфера также включает применение ультразвука для повышения эффективности тромболитических средств, применяемых в острый период после атеросклеротического поражения. Можно также использовать вид применения, где ультразвук используется для растворения тромба у пациентов с инсультом или DVT (тромбозом глубоких вен).

Изобретение можно применять в любых сферах, где сфокусированный ультразвук может обеспечить терапевтические эффекты. Типичные примеры включают в себя поражения мозга, фибромы матки, опухоль печени, опухоль молочной железы, и другие опухоли организма млекопитающих и тромбы. В кардиологии разрабатываются новые виды применения для защиты сердца до инфаркта миокарда или после него.

Хотя настоящее изобретение было описано в отношении его определенных вариантов осуществления, средним специалистам в данной области будет понятно, что может осуществляться множество модификаций, усовершенствований и/изменений без отхода от сущности и объема изобретения. Поэтому с очевидностью предполагается, что изобретение ограничивается только объемом формулы изобретения и ее эквивалентов.

1. Устройство для применения трехмерной ультразвуковой визуализации и терапии, содержащее:двумерную ультразвуковую визуализирующую матрицу элементов преобразователя, имеющую передатчик и приемник сигналов изображения, который образует, управляет и селективно фокусирует ультразвуковые лучи на трехмерный, движущийся или стационарный пространственный объем;множество двумерных ультразвуковых терапевтических матриц элементов преобразователя, причем каждая матрица имеет передатчик терапевтического сигнала, выполненный с возможностью образования, управления и селективного фокусирования и доставки ультразвуковой терапии в объем; при этом расположение матрицы элементов преобразователей визуализации и терапии относительно друг друга известно, при этом дополнительно множество двумерных ультразвуковых терапевтических матриц элементов преобразователя расположено в двумерном кольцевом пространстве между двумя концентрическими окружностями, и элементы множества двумерных ультразвуковых терапевтических матриц (а) являются круглыми по форме и (b) произвольно распределены по соответствующей терапевтической матрице, двумерная визуализирующая матрица элементов преобразователя расположена внутри двумерного пространства внутренней окружности из двух концентрических окружностей, причем множество двумерных ультразвуковых терапевтических матриц содержит различные двумерные терапевтические матрицы, расположенные вокруг визуализирующей матрицы по кругу, эти различные двумерные терапевтические матрицы предназначены для обеспечения (i) терапии в различных пространственных объемах, (ii) различных режимов терапии, включая различные частоты ультразвуковых волн и (iii) различные глубины проникновения в ткани; и контроллер, выполненный с возможностью управления передатчиком и приемником изображения для обеспечения трехмерных изображений объема, и одновременной независимой регулировки каждого из множества терапевтических передатчиков для подачи терапии в объем.

2. Устройство по п.1, дополнительно включающее в себя каждую из матриц визуализирующего и терапевтического преобразователей, имеющих множество ультразвуковых элементов, которые индивидуально регулируемы по рабочей амплитуде, фазе и частоте.

3. Устройство по п.1, включающее в себя контроллер, выполненный с возможностью приведения во взаимное соответствие визуализируемого объема и матрицы терапевтического преобразователя так, чтобы терапия подавалась в объем.

4. Способ доставки ультразвуковой терапии в биологическую ткань в трехмерный движущийся или стационарный пространственный объем, включающий в себя этапы, на которых:визуализируют объем с использованием функции визуализации устройства для применения трехмерной ультразвуковой визуализации и терапии, причем устройство содержит:двумерную ультразвуковую визуализирующую матрицу элементов преобразователя, имеющую передатчик и приемник сигналов изображения, выполненный с возможностью образования, управления и селективного фокусирования ультразвуковых лучей на трехмерный, движущийся или стационарный пространственный объем;множество двумерных ультразвуковых терапевтических матриц элементов преобразователя, причем каждая матрица имеет передатчик терапевтического сигнала, выполненный с возможностью образования, управления и селективного фокусирования и доставки ультразвуковой терапии в объем; при этом расположение матрицы элементов преобразователей визуализации и терапии относительно друг друга известно, причем дополнительно множество двумерных ультразвуковых терапевтических матриц элементов преобразователя расположено в двумерном кольцевом пространстве между двумя концентрическими окружностями, и элементы множества двумерных ультразвуковых терапевтических матриц (а) являются круглыми по форме и (b) произвольно распределены по соответствующей терапевтической матрице, двумерная визуализирующая матрица элементов преобразователя расположена внутри двумерного пространства внутренней окружности из двух концентрических окружностей, причем множество двумерных ультразвуковых терапевтических матриц содержит различные двумерные терапевтические матрицы, расположенные вокруг визуализирующей матрицы по кругу, эти различные двумерные терапевтические матрицы предназначены для обеспечения (i) терапии в различных пространственных объемах, (ii) различных режимов терапии, включая различные частоты ультразвуковых волн и (iii) различные глубины проникновения в ткани; иконтроллер, выполненный с возможностью управления передатчиком и приемником изображения для обеспечения трехмерных изображений объема, и одновременной независимой регулировки каждого из множества терапевтических передатчиков для подачи терапии в объем; и подают ультразвуковую терапию на ткань визуализируемого объема с использованием терапевтической функции устройства.

5. Способ по п.4, дополнительно включающий в себя каждую из матриц визуализирующего и терапевтического преобразователей, имеющих множество ультразвуковых элементов, которые являются индивидуально регулируемыми по рабочей амплитуде, фазе и частоте.

6. Способ по п.4, включающий в себя контроллер, выполненный с возможностью приведения во взаимное соответствие визуализируемого объема и матрицы терапевтического преобразователя так, чтобы терапия подавалась в заданный объем.

7. Способ по п.4, включающий в себя доставку ультразвуковой терапии в биологическую ткань, выбранную из группы, состоящей из поражений мозга, фибром матки, опухоли печени, опухоли мозга, других опухолей тела млекопитающих и тромбов.