CN102955426A - 在磁共振引导容积超声治疗中的温度控制方法 - Google Patents

Abstract

在磁共振引导施投超声的温度控制方法中，在活体部位处，通过用多焦点超声治疗装置发射聚焦超声进入位于多个焦点处的上述部位，对患者施投超声治疗。由磁共振温度测量以实时方式监测检查对象局部区域中进行治疗所在部位的温度。根据磁共振温度测量，自动识别检查对象被监测区域中的温度分布特性。根据下列主方程，通过调整超声治疗装置的能量输出实现温度控制：

或者，稍加改造，

Description

在磁共振引导容积超声治疗中的温度控制方法

技术领域

本发明涉及一种在磁共振温度测量引导下进行超声治疗的患者中控制温度的方法，特别涉及一种用于实现这种方法的快速收敛、多输入、多输出、非参数温度控制器。

背景技术

治疗期间在患者处于磁共振成像系统中的情况下，局部施加超声以治疗某些类型的局部癌症经常发生，因而，借助于磁共振温度测量可能监测患者的温度。磁共振温度测量是对象处于磁共振数据采集单元（扫描仪）中时监测检查对象温度的一种公知方式，并且基于下述公知现象，由检查对象中通过向其施加能量强制离开其稳态条件的核子自旋所发射的磁共振信号是依赖于温度的。强制离开其平衡状态的进动核子自旋发射信号，该信号被检测并且将其用于常规磁共振成像。这些信号的温度依赖性也允许产生检查对象的温度图，其非常精确地显示温度沿多轴的变化。

高强度超声有效地适用于治疗局部癌症或其他病症。为此，施投（administer）高强度聚焦超声（HIFU）。

为了转向并聚焦治疗超声，这样一种超声头或装置典型具有按阵列形式排列并操作的多个超声发射器（换能器）。

概括而言，通过对磁共振扫描仪检查区中的患者施投HIFU，发生这种治疗的磁共振引导或监测。在超声治疗进行时，以公知方式采集来自扫描仪中患者的磁共振数据。随着治疗，实时地产生患者的磁共振温度测量图像，其显示患者指定区域内的温度分布。治疗期间，得到的磁共振温度图像可能实时显示在监视器上，以便由医师或技师目视观察并手动控制治疗，或者，为了根据温度测量图像产生适当提取的信息以便在自动控制治疗中使用，可能使用公知的图像处理技术。

在“Hyperthermia by MR-guided Focused Ultrasound:AccurateTemperature Control Based on Fast MRI and A Physical Model of Local EnergyDeposition and Head Conduction,”Salomir et al.，Magnetic Resonance inMedicine,Vol.43(2000)pages342-347中描述了磁共振引导下聚焦超声高温的概述。例如，在“Automatic Spatial and Temporal Temperature Control forMR-Guided Focused Ultrasound Using Fast 3D MR Thermometry andMultispiral Trajectory of the Focal Point,”Mougenot et al.，Magnetic Resonancein Medicine,Vol.52(2004)pgs 1005-1015;“Three–Dimensional Spatial andTemporal Temperature Control with MR Thermometry-Guided FocusedUltrasound（MRgHIFU），”Mougenot et al.，Magnetic Resonance in Medicine,Vol.61(2009)pgs 603-614以及“Cruvilinear Transurethral UltrasoundApplicator for Selective Prostrate Thermal Therapy,”Ross et al.，Medical Physics,Vol.32,No.6(2005)pgs1555-1565中描述了各种自动控制技术。这种治疗中用于温度控制的流行技术是利用比例-积分-微分（PID）控制器。概括而言，PID控制器计算误差值作为被测过程变量与期望参考点之差。如由其名称所示，PID控制器利用了三个反馈反应项（feedback reaction terms），分别涉及比例值、积分值以及微分值。比例值取决于当前误差，积分值代表过去误差的积累，而微分值代表基于当前变化率的未来误差预测。典型地，使用这三个值的加权和，通过对有能力改变所讨论过程的被监控参数的一些类型的控制元件进行控制，对所讨论的过程进行调节。在“Endocavitary ThermalTherapy by MRI–guided Phased-Array Contact Ultrasound:Experimental andNumerical Studies on the Multi-input Single-Output PID TemperatureController’s Convergence and Stability，”Salomir et al.，Medical Physics,Vol.36,No.10(2009)pgs4726-4741中，提供了在磁共振引导相控阵接触超声背景下使用PID温度控制的研究。

基于PID的控制器通常呈现良好的稳定性以及对噪声的鲁棒性（robustness），但其收敛相当慢。当在受控声波处理期间温度采样点的数量较少时，PID算法没有足够的时间来调节功率电平，以便通过扩散（diffusion）/灌注（perfusion）补偿热沉积或组织冷却中的局部变化性。在组织响应时间对初级热源（elementary heat source）的标度（scale）下，当总时基较短时情况更糟。此外，当底层模型中物理参数的静态调谐远离真实参数时，出现温度曲线超调，伴随高于预定温度的短暂但显著并且可能更长的加热。

发明内容

本发明的目的是提供一种在磁共振成像引导相控阵接触超声中使用的改进温度控制算法，其特别适合在关于每一磁共振动态扫描重复的沿容积图案（volumetric pattern）的循环式声波处理。

本发明的另一目的是提供这样一种温度控制算法，其在20至30倍于磁共振温度测量持续时间的时间间隔中，在每一焦点处释放等效热剂量。

根据本发明，用一种磁共振引导施投超声的温度控制方法实现上述目的，其中由磁共振温度测量以实时方式监测检查对象局部区域中的温度，在计算机化的处理器中自动识别并且采用检查对象被监测区域中的温度分布特性，以通过调整超声治疗装置来实现温度控制。

温度控制器按两步设计：1）改造经典PID方程以改善收敛性，以及2）通过考虑给定焦点相对于遍及全部焦点计算出的平均温度的温度偏移，使算法转化为非参数型。

将PID控制器的经典方程改造成：

$P\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\μ}\left({\stackrel{\→}{r}}_o\right)}\{\frac{\mathrm{d\Θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+D\left({\stackrel{\→}{r}}_o\right)\·{\▿}^{2}T({\stackrel{\→}{r}}_o,t)+w\·t\·\mathrm{\Δ}({\stackrel{\→}{r}}_o,t)+w\·\mathrm{\Ω}({\stackrel{\→}{r}}_o,t)\}$

其中

是超声吸收点

是热扩散点

Θ(t)是温度的预定（或目标）演变（evolution），

是试验（测量）温度点

时间t，

是在部位

处的当前误差；以及

$\mathrm{\Ω}({\stackrel{\→}{r}}_o,t)=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}[\mathrm{\Θ}\left(t^{\′}\right)-T({\stackrel{\→}{r}}_o,t^{\′})]{\mathrm{dt}}^{\′}$ 是部位

处的积分误差。

根据本发明的特性微分方程式：

$\frac{d^2\mathrm{\Ω}}{{\mathrm{dt}}^2}+w\·t\·\frac{\mathrm{d\Ω}}{\mathrm{dt}}+w\·\mathrm{\Ω}=0$

时域收敛的解是：

$\mathrm{\Ω}\left(t\right)\∝\exp (-\frac{{w\·t}^2}{2})$

收敛时间是（2/w）^1/2，典型值是

至

采样点。关于负反应的值w可能在0.01除以采样时间的平方与10.0除以采样时间的平方之间的范围中选择。负反应的推荐值（用w表示）是在0.20除以采样时间的平方与0.25除以采样时间的平方之间的范围内。

根据本发明，采用负反馈控制算法，其中，来自被测温度相对于目标的实际误差（例如偏差或偏移）的负反应（negative reaction）随时间线性增大。根据本发明的温度控制器基于线性但具有非常数系数的二阶微分方程，其中解为exp(-w·t²/2)的形式，其中t=时间，而w是常数。与形式为（1+a·t）·exp(-q·t/2)的PID方程（其中，a和q是不同常数）的解相比，这种解更稳定并且快速收敛。

温度的参考值，其用来比较给定焦点的局部温度在给定时间点是否有正负偏移，由下列表达式定义（取代如先前基于PID报告的情况所使用的连续的预定义目标曲线）：

应当注意，Θ_n是在建立稳态状况之前遍及N_f加热点（即：声波处理焦点）的温度值T_k，n的空间平均，而在达到稳态状况之后Θ_n成为等于预定目标温度（Θ_top，即目标曲线的平顶段）。这里所披露的温度控制算法旨在使相对偏移

最小或为零。在各控制点计算偏移以及偏移的积分，并且使用这些计算值调制对各焦点释放的能量数量。从而，根据本发明的方法使所有加热部位的温度历程均匀。

即使没有关于被加热组织参数的先验知识，也认为本控制器的收敛性强到足以精确执行。所以，控制器方程中舍弃了任何依赖于组织的参数。这种条件简化了治疗的实际过程，并且避免了有关参数（受误差、耗时等影响）辨识的需要。所以，控制器是非参数型的，因为对超声吸收、声束传播（除了焦点必须存在的事实之外）、热扩散、灌注速度等不做任何先验假设。换而言之，用来调整在给定部位所释放能量的主方程没有使用任何先验参数。

基于在加热曲线上升部分期间与全部焦点平均温度相比所在部位温度中的相对偏移、或者在加热曲线稳态部分期间与预定目标值相比所在部位温度中的相对偏移，对每一次新的动态扫描更新各焦点处所释放能量的反馈补偿。

对于考虑了遍及全部控制点也就是大约10至15个时间采样点的空间均匀温度而言，根据本发明的方法实现了更快的收敛。根据本发明的方法实现了更高的精度，这意味着减小了试验温度曲线的任何超调或欠调的幅度，即使面对从一个加热部位到另一加热部位的能量沉积中的明显变化，或者面对组织特性的动态变化。

附图说明

图1是用于根据本发明控制类型的对象容积声波处理的多焦点图案的图像；

图2示意性图示规定用于各焦点的能量的初始量Ek，1；

图3是与常规PID控制进行比较的根据本发明控制器改造的比较；

图4是与参数且连续时间控制进行比较的根据本发明控制器改造的比较；

图5是图示比例项的负反应门限的曲线；

图6是图示比例项的负反应双曲正切限制的曲线；

图7图示采用根据本发明的控制在磁共振引导高强度聚焦超声（HIFU）声波处理期间在关于三个正交面的量值图像上的温度图；

图8图示采用根据本发明的维度控制在由像素坐标指示的五个单独部位处的温度演变；

图9A、图9B、图9C以及图9D是对于产生图7温度图的患者随时间滚动的（scrolled）一维温度分布的表面表示；

图10示意性图示根据本发明每个靶焦点所释放的声能；

图11是根据本发明在兔大腿中六个焦点声波处理期间叠加在量值图像上温度图；

图12示出在图11所示兔大腿的声波处理中六个焦点其中三个焦点中的温度演变；以及

图13示意性图示实现根据本发明方法用的基本组件。

具体实施方式

图13示意性图示磁共振引导超声治疗诸如高强度聚焦超声（HIFU）的基本组件。为此目的，患者P置于磁共振成像数据采集单元1中，其由控制及成像组件2以公知方式操作。高强度聚焦超声装置，诸如多焦点装置，被操作以在患者P的局部部位（例如已经确定癌组织所在的局部部位）实现声波处理。在磁共振温度测量单元4中以公知方式对采集自在局部区域中施投超声的患者P的磁共振数据进行处理，以得到患者P的局部区域中由超声装置3的操作所产生的温度分布的电子方式表示。在监视器（未示出）上可以显示表示这种温度分布的图像，用于视觉检查，并由技师或医师使用。另外，从温度测量表示中可能电子方式获得或提取相关信息，并且供给至补偿控制器（pay controller）5，控制器5通过控制来自超声装置3各自焦点的超声发射操作超声装置3。根据本发明，控制器5指定为P²ID控制器，以便将其与通常使用的常规PID控制器区分开来。

根据本发明实现的容积声波处理通过快速重复（触发）聚焦完成，触发在被声穿透的组织中热扩散的时标（time scale）处发生。在等于一个磁共振动态扫描周期（即：数据采集或测量周期）的一个循环持续时间内，通过诸如沿着相同声波处理图案重复进行声波处理的循环，使热积聚（thermalbuild-up）（分布）构成为空间连续函数。形成该图案的焦点数N_f≥2，并且利用声束（beam）的相控阵电子转向使它们几乎同时进行声波处理。焦点之间的距离（焦点间空间间距）必须大于焦斑的固有尺寸以便单独识别，但又不应太大，以允许通过充分利用热扩散形成连续热积聚。

图1图示多焦点图案，用于作为示例具有十个独立焦点N_f＝10的容积图案。下标k指焦点1:N_f，而E_k，l是给各焦点规定的能量初始量（扫描次数=1），对有关通过转向的能量损耗（先验的）、以及有关边缘处的优先热扩散进行补偿。在过程期间，在每次扫描次数n由温度控制器将E_k，1动态调制成为E_k，n=E_k，1+δE_k(n)，以在各焦点处保证类似的升温，如图2中示意性图示。

治疗原理如下所列：

1．声波处理循环代表经由全部规定焦点的焦点顺序移置；在治疗的整个持续时间使规定焦点的坐标固定；

2．通过电子转向相继对焦点进行声波处理，诸如在与一次测量相同的持续时间中（或者，等效地，以磁共振温度测量的时间分辨率）完成一次声波处理循环；

3．控制器在各焦点处力求补偿与全部焦点平均温度相比的局部温度偏差；

4．每次得到新的磁共振数据集时，控制器更新所要释放的能量（产生功率×每点时间）；

5．反馈回路的停留时间（或：采样时间）对于各焦点部位相同，并因此由磁共振温度测量设定：

采样时间=MRT时间分辨率；

6．焦点之间的距离必须大于焦斑的固有尺寸（以便单独识别），但也不能太大，以使能够通过充分利用热扩散形成连续热集聚；建议4mm间隙值为最佳；

7．循环次数先验确定，或者在进行中基于累积的热剂量进行调整。

为了易于理解，在图3和图4中，将控制器视为在各焦点处调制功率电平。实际上，重要的是在各焦点部位所释放的能量。第一选择是调制声波处理的持续时间，并另外通过改变功率电平加强所释放的能量（如果持续时间的调制不足以保证温度的局部控制）。基于下列双支方程，按量δE_k(n)实现相对于初始值E_k,1在采样点n处对焦点k的能量沉积调制：

其它

其中，tanh是分析函数双曲正切，n_switch表示控制器从快速升温状况不可逆转地切换至稳态状况的采样点，α是通常小于0.1的正数（推荐为近似0.025），T_k，n是关于测量n在声波处理焦点k处的实际温度，Θ_n是关于测量n遍及声波处理焦点的测量温度T_k，n的平均值，Θ_top是稳态升温的平顶目标值，w*是一维并且按时间分辨率（τ）的平方标度为w*=w/τ²的负反馈参数，以及，Ω_k，n是到测量n为止的测量温度的累积相对偏移（或误差）：

在稳态状况期间（开始于采样点n_switch+1），项tanh（α·n_switch）考虑在均匀组织（homogeneous tissue）中维持稳态（恒定温度）所需能量的预测量（相对于n=1时的初始值）；不均匀性则由反馈项比例以及积分进行管理。基于双曲正切函数的变化：a）.如果组织快速达到目标顶部温度，这意味着维持能量较低；b）.当n_switch增大至无穷大，则需要全部能量来维持稳态。

控制器算法确定何时切换至状态-状态计算方程，意指何时声明该采样点等于n_switch。

这是以预测方式做到的。

如果满足下列条件，采样点“n”变成“n_switch”：

[θ_n+(θ_n-θ_n-1)]>(θ_top-δ)或θ_top-2·θ_n+θ_n-1<δ

字面意思而言，这意味着在一次以上声波处理循环之后所预测的升温将超过转换高度（transition level）。这里，δ=0.5℃。预测的升温是实际值加上前一循环与现行循环之间的最后增量。

转换不可逆转地确定。一旦将主方程切换至稳态形式，将一直使用这一形式，直至主动加热结束。

根据以上提供的方程，比例项带来随时间线性增大的负反应。因为用试验性的噪声影响温度数据，过度加权的负反应可能驱动控制器进入不稳定。

此外，重要的是，在“学习”阶段期间负反应线性方式增大，学习阶段对应于开始的10至15个动态的时间间隔。

一旦温度达到稳态水平（“巡航高度（cruise altitude）”），加热装置只需补偿因扩散和灌注所致的局部冷却，并且，可能使负反应稳定。

所以，通过如下限制比例项的负反应（n≤n_max），改造用于控制器输出的主方程：

A．比例项的负反应的门限限制

其它

关于推荐值n_max=12的曲线示于图5中。

B．比例项负反应的双曲正切限制

其它

关于推荐值n_max=12的曲线示于图6中。

图7示出在主动控制下（使用本文披露的控制器）磁共振引导高强度聚焦超声（MRgHIFU）声波处理期间叠加在三个正交面的量值图像上的温度图。各图的时间点示于左侧。在稳态状况，最大（中心）温度是常数（±噪声），但因为扩散热积聚的边缘是扩展且平滑的（因此，值得注意的是以快速收敛控制器为条件尽可能快地进行处理）。

图8示出关于和图7相同试验的五个单独部位（像素坐标示于右下角）处的温度演变。可以看到各焦点的类似温度历程、上升的温度状况以及进一步的稳态状况。在声波处理结束之后，自图案边缘开始的焦点比中央的那些更快地冷却。

图9A、图9B、图9C以及图9D是关于图7和图8相同试验的随时间滚动的一维温度分布图的表面表示。图10示出每个靶焦点所释放的声能，如由SW界面记录。在经历与中央焦点类似的温度状况时边缘焦点明显接收更多的能量。这证实了有关反馈控制的需要。

表中列出在一次典型试验的主动受控加热期间10个声波处理焦点关于时间的平均升温。表明了焦点问标准偏差(在给定时间点)，即空间均匀性程度，以及关于各循环的空间整体声能。规定(或者目标)升温高于初始基准线20℃。

图11示出根据本发明在兔大腿中6个焦点声波处理期间叠加在冠状平面中量值图像上的温度图。图12示出关于（6个）焦点所示的温度演变。

虽然本领域技术人员可以建议出多种修改和改进，本发明人试图在所授予的专利中使得所有修改和改进为合理的并且适当地落入它们对现有技术贡献的范围内。

Claims (5)

1.一种磁共振引导施投超声的温度控制方法，包括：

在活体部位处，通过用多焦点超声治疗装置发射聚焦超声进入位于所述多个焦点处的所述部位，并且通过快速切换现行焦点位置以沿着时变容积图案执行循环超声处理，对患者施投超声治疗；

由磁共振温度测量以实时方式监测检查对象局部区域中进行所述治疗所在部位的所述温度；

根据所述磁共振温度测量，在处理器中自动识别所述检查对象被监测区域中的所述温度分布特性；以及

根据所述计算机化的处理器，通过调整所述超声治疗装置实现温度控制，所述温度控制调制各单独焦点处的所述能量沉积，旨在使所有被加热部位的所述温度历程均匀；

不使用关于组织特性的任何先验信息，根据分别考虑达到所述稳态之前以及之后两种状况的下列双支主方程，在几乎同时被加热的所述多个部位之中，计算在所述时间点n处的所述能量变化δE_k（n）与每一加热部位k中的能量的初始值E_k，1之比：

或者，稍作改造，

其中，tanh是分析函数双曲正切，n_switch表示所述控制器从所述快速升温状况不可逆转地切换至稳态状况的采样点，α是通常小于0.1的正数，n_max是限制负反应最大强度的量纲参数，T_k，n是关于测量n在声波处理焦点k处的实际温度，Θ_n是关于测量n遍及所述声波处理焦点的测量温度T_k，n的平均值，Θ_top是稳态升温的平顶目标值，w是所述负反应参数，其是一维且按时间分辨率的平方标度，以及，Ω_k，n是到所述测量n为止的所述测量温度的累积相对偏移或误差：

2.根据权利要求1所述的方法，包括在释放能量的计算中的时间相关负反应。

3.根据权利要求2所述的方法，包括在0.01除以采样时间的平方与10.0除以所述采样时间的平方之间范围中选择用于负反应参数w的值。

4.根据权利要求1所述的方法，包括用下列特性微分方程实现所述温度控制，其中Ω指定在给定焦点位置处所述温度的积分偏移：

$\frac{d^2\mathrm{\&Omega;}}{{\mathrm{dt}}^2}+w\&CenterDot;t\&CenterDot;\frac{\mathrm{d\&Omega;}}{\mathrm{dt}}+w\&CenterDot;\mathrm{\&Omega;}=0.$

5.根据权利要求1所述的方法，包括用时域收敛解实现所述温度控制：

$\mathrm{\&Omega;}\left(t\right)\&Proportional;\exp (-\frac{{w\&CenterDot;t}^2}{2}).$

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