Терапевтическое устройство для лечения пациента с использованием магнитных наночастиц
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к терапевтическим устройствам для лечения пациента с использованием магнитных частиц. Устройство содержит первое средство нагревания, выполненное с возможностью нагревания первой области пациента, первое средство управления мощностью, направленной в первую область так, что мощность остается ниже порогового значения, средство нагревания частиц, выполненное с возможностью нагревания магнитных наночастиц внутри второй области пациента, используя изменяющееся во времени магнитное поле. При этом первая область содержит вторую область, а первое средство нагревания является ультразвуковым средством нагревания окружающей ткани до температуры, которая недостаточно высока, чтобы вызвать некроз клеток. Вторая область содержит, по меньшей мере, одну зону гипертермии, причем упомянутое первое средство нагревания выполнено с возможностью сначала увеличения температуры зоны гипертермии. Средство нагревания частиц выполнено с возможностью дополнительного нагревания любых магнитных наночастиц внутри второй области, вызывая, таким образом, увеличение температуры в зоне гипотермии, при этом ультразвуковое средство нагревания является блоком фокусированного ультразвука высокой интенсивности. Средство нагревания частиц дополнительно содержит средство создания магнитного поля, при этом терапевтическое устройство дополнительно содержит второе средство управления для управления средством нагревания частиц, где второе средство управления выполнено с возможностью управления местоположением второй области и приема данных планирования лечения пациента. Использование изобретения позволяет повысить эффективность лечения. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники
Изобретение относится к терапевтическому устройству и компьютерному программному продукту для лечения пациента, используя нагревание магнитных частиц.
Уровень техники
Ультразвук от направленного ультразвукового излучателя может использоваться для выборочного лечения областей внутри полости тела. Ультразвуковые волны передаются как механические колебания с высокой энергией. Эти колебания вызывают нагревание ткани по мере их затухания и они могут также приводить к кавитации. Как нагревание ткани, так и кавитация могут использоваться для разрушения ткани в клинических условиях. Однако нагреванием ткани ультразвуком легче управлять, чем кавитацией. Ультразвуковое лечение может использоваться для удаления ткани и выборочного уничтожения областей раковых клеток. Этот способ применялся к лечению фибромы матки и снизил потребность в процедурах гистерэктомии.
Чтобы выборочно лечить ткань, может использоваться направленный ультразвуковой излучатель, чтобы фокусировать ультразвук на конкретном объеме лечения. Излучатель обычно монтируется внутри среды, такой как дегазированная вода, которая в состоянии передавать ультразвук. Затем используются приводы, чтобы регулировать положение ультразвукового излучателя и, таким образом, регулировать область ткани, подвергаемой лечению. Однако часто невозможно сфокусировать ультразвуковой пучок вблизи границ кости и ткани, а также вблизи границ воздуха и ткани. Это препятствует ультразвуковому лечению многих областей тела. Примерами являются удаление ткани из простаты с помощью матриц стандартных излучателей и лечение опухолей в легких.
В патентной заявке US 2008/0045865 раскрывается воздействие на наночастицы электромагнитного излучения, исключая радиочастотное излучение, чтобы вызвать появление пузырьков. При этом пациент подвергается воздействию ультразвука, вызывающего кавитацию пузырьков и создающего тепло вблизи наночастиц.
Сущность изобретения
Изобретение обеспечивает терапевтическое устройство для лечения пациента и компьютерный программный продукт, содержащий набор исполняемых команд для их выполнения терапевтическим устройством, чтобы проводить лечение пациента, как заявлено в независимых пунктах формулы изобретения. Варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Большое статическое магнитное поле используется сканерами магнитно-резонансной томографии (MRI) для выравнивания ядерных спинов атомов при создании изображений объектов внутри тела пациента. Наведенные градиенты магнитного поля и радиочастотные (RF) электромагнитные волны используются для манипулирования ориентации спинов. Этот способ также известен как способ магнитного резонанса (MR).
Компьютерная томография (CT) является построением трехмерного изображения пациента, используя рентгеновское излучение. Способ направленного ультразвука высокой интенсивности (HIFU) представляет собой использование сфокусированного ультразвука для теплового или механического удаления опухолей.
Магнитные наночастицы является наночастицами, имеющими постоянный или наведенный магнитный дипольный момент. Магнитные наночастицы могут нагреваться внутри пациента посредством броуновского механизма релаксации, а также посредством неелевского механизма релаксации. При броуновском механизме релаксации нагревание вызывается изменениями физической ориентации магнитной наночастицы по мере того, как магнитное поле изменяется. В неелевском механизме релаксации нагревание происходит не потому, что наночастица вращается, а потому, что изменяется ориентация дипольного момента. При нелеевской релаксации нагревание происходит внутри наночастицы и теплота передается в окружающую среду. Магнитные наночастицы могут нагреваться, используя изменяющееся во времени магнитное поле. Изменяющееся во времени магнитное поле может создаваться катушками. Изменяющееся во времени магнитное поле может также быть магнитной составляющей электромагнитного поля.
Концентрация магнитных наночастиц у пациента может обнаруживаться, используя магнитно-резонансную томографию, потому что магнитные частицы могут влиять на ориентацию спинов соседних протонов. Концентрация магнитных наночастиц может также быть обнаружена непосредственно и измерена количественно, используя получение изображений с использованием магнитных частиц (MPI). Намагничивание магнитной частицы является функцией приложенного к ней магнитного поля. За пределами пороговой напряженности поля намагничивание магнитной частицы входит в насыщение и дополнительное увеличение величины магнитного поля не вызывает дополнительного намагничивания. Функции получения изображения с использованием магнитных частиц при использовании внешних магнитных полей и создании области с низким магнитным полем, окруженной областями с магнитным полем, достаточным, чтобы довести любые магнитные частицы до насыщения. Любые магнитные частицы внутри области с низким полем будут модулировать электромагнитную волну в зависимости от концентрации магнитных частиц. В области насыщающего поля магнитные частицы уже полностью насыщены и не будут модулировать электромагнитную волну. Катушки создания градиента магнитного поля могут быть сконструированы таким образом, чтобы управлять пространственным местоположением области низкого поля. Этот способ может использоваться для построения трехмерных изображений локальной концентрации магнитных наночастиц внутри пациента.
Тот же самый эффект, используемый для получения изображения локальной концентрации магнитных наночастиц, может также использоваться для выборочного нагрева магнитных наночастиц. При направленной терапии с использованием магнитных частиц (FMPT) катушки для создания градиента магнитного поля используются для приложения к магнитной частице магнитного поля, так чтобы область с нулевым или низким магнитным полем была пространственно окружена областью магнитного поля, достаточного, чтобы полностью ввести в насыщение любые магнитные наночастицы. Изменяющееся во времени магнитное поле затем прикладывается к пациенту. Магнитные частицы в области низкого поля нагреваются за счет броуновского механизма релаксации и/или неелевского механизма релаксации, а магнитные частицы в окружающей области не нагреваются.
В последнее время использование направленного (фокусированного) ультразвука высокой интенсивности для теплового удаления опухолей привлекло значительное внимание, особенно в комбинации с магнитно-резонансной томографией как средством контроля температуры и эффективной гарантии, что в целевом объеме достигается критическая температура для некроза клеток и что, с другой стороны, удаляемый объем не превышает этот объем больше, чем на желаемый запас (защита органов от риска). Этим подход утвержден Администрацией по контролю за продуктами питания и лекарствами для удаления фибром матки и рассматривается для удаления солидных опухолей в печени, груди, простате и даже мозге. Однако его способность к фокусированию ограничивается из-за ограничений проникновения ультразвука в тело: примерами являются узелки легкого (воздух в легких, останавливающий проникновение ультразвука) и фокальные поражения простаты (тазовая кость, препятствующая проникновению с передней стороны, вынуждающая искать доступ через прямую кишку или мочеиспускательный канал с использованием малых излучателей, обладающих ограниченной способностью к фокусировке). Также, для больших матриц излучателей, таких, которые используются для фибром матки и рассматриваются для опухолей печени, фокус ограничивается сигарообразным объемом с размерами приблизительно 1,5 мм на 5 мм (сигара, направленная острием от матрицы излучателей).
Радиочастотное возбуждение наночастиц может использоваться для локального нагревания ткани в такой степени, чтобы вызвать некроз клеток. Подходы с фокусированием содержат нацеливание наночастиц на белки опухоли и применение фокусировки посредством соответственно выбранных радиочастотных антенн. Оба подхода испытывают одну и ту же проблему, что если частицы не вводятся непосредственно в опухоль, то есть посредством внутривенной инъекции частиц, их концентрация в опухоли не позволяет создавать достаточное тепло, чтобы убивать опухолевые клетки.
Даже при прямой инъекции, которая является инвазивным подходом, желательно прикладывать радиочастотное возбуждение высоконаправленным. Такая фокусировка может быть достигнута при новом подходе, названном направленной терапией с использованием магнитных частиц, которая использует магнитные градиентные поля для создания очень малой зоны, в которой радиочастотное возбуждение может привести к нагреванию частицы. Частицы во всех других местах находятся в насыщении и не будут, таким образом, реагировать на радиочастотное возбуждение. Этот способ связан с новым способом получения изображения, названного получением изображения с использованием магнитных частиц. Так называемая "свободная от поля точка", которая является минимальным фокусом, достигаемым при этом подходе, может быть сделана изотропной или сферической, с диаметром порядка 1 мм. В зависимости от протокола, диффузия тепла может приводить к небольшому расширению этого минимального объема для удаления.
Варианты осуществления изобретения могут объединять превосходные возможности нагревания при подходе с направленным ультразвуком высокой интенсивности с превосходными фокусирующими возможностями терапии с использованием магнитных частиц, устраняя также, таким образом, такие недостатки обоих способов, как слабая фокусировка направленного ультразвука высокой интенсивности и недостаточность создания тепла при направленной терапии с использованием магнитных частиц, являющаяся результатом низкой концентрации частиц.
При объединении в гибридную систему с магнитно-резонансной томографией этот последний способ может использоваться для получения изображения трехмерного распределения температуры, позволяющего убедиться, что, с одной стороны, подъем температуры за счет действия направленного ультразвука высокой интенсивности является достаточно большим для локального направленного "температурного взрыва" терапии с использованием магнитных частиц, чтобы превысить температуру некроза клеток, и затем, с другой стороны, он достаточно ограничен для здоровых областей, чтобы они подвергались только обратимому, неразрушающему повышению температуры. Магнитно-резонансная томография может также контролировать температуру в целевом объеме по мере того, как она дополнительно повышается за счет направленной терапии с использованием магнитных частиц для локального уничтожения клеток, позволяя, таким образом, убедиться, что запланированный терапевтический эффект достигнут. Дополнительно, магнитно-резонансная томография может использоваться для получения в реальном времени изображения анатомии, позволяя, таким образом, обнаруживать и следить за движением и деформацией опухоли. Эта информация может использоваться для перестройки фокусировки направленной терапии с использованием магнитных частиц и гарантии, так что фокусировка остается направленной на соответствующую часть мишени. В одном варианте осуществления функция трехмерного контроля температуры и получение изображения мишени могут быть также достигнуты с помощью ультразвуковой системы, способной измерять изменения температуры.
В другом варианте осуществления система состоит из расширения части системы в виде направленной терапии с использованием магнитных частиц до полной системы получения изображения с использованием магнитных частиц. Это позволяет получать изображение трехмерного биораспространения частиц до применения терапии, как основу планирования дозирования. В этом контексте тот факт, что получение изображения с использованием магнитных частиц является, по существу, количественным, то есть прямым измерением концентрации частиц, является дополнительным преимуществом.
В другом варианте осуществления направленный ультразвук высокой интенсивности используется для нагревания большого объема ткани, который содержит патологическое изменение, которое должно быть удалено, до температуры, которая чуть ниже порога некроза клеток. Это требует только ограниченных возможностей фокусировки, потому что нагревание в затронутых областях, лежащих вне целевого объема, будет обратимым и никакое повреждение клетки в этих областях не произойдет. Направленная терапия с магнитными частицами затем используется одновременно, чтобы в очень точно определенном объеме поднять температуру выше этого порога, удаляя, таким образом, точно определенную область мишени. Полный объем мишени может теперь быть удален, последовательно перемещая фокус направленной терапии с магнитными частицами по этому объему, таким образом, удаляя область за областью весь объем мишени, или, для достаточно высоких локальных концентраций частиц, фокус может свиппировать по объему мишени, эффективно нагревая отдельные области по прерывистой схеме, где конечная температура объема мишени, в конечном счете, поднимается выше порога.
Варианты осуществления изобретения могут позволить температурное удаление опухолей:
- с беспрецедентной геометрической точностью за счет тонкой фокусировки направленной терапии с использованием магнитных частиц;
- вместе с мониторингом в реальном времени и подтверждением правильности подачи дозы через картографирование температур с использованием магнитного резонанса;
- вместе с получением изображения мишени и обнаружением движения мишени и определением деформации;
- вместе с обратной связью в реальном времени для этой информации в электронных средствах управления фокусировкой, и
- вместе с прямой количественной оценкой трехмерного биораспространения наночастиц для планирования дозы.
В отличие от других направленных способов терапии, таких как брахитерапия и протонная лучевая терапия, варианты осуществления настоящего изобретения позволяют повторную терапию в случае рецидива опухоли, позволяя, таким образом, консервативный подход к лечению, который важен для способов терапии рака, такого как рак простаты.
Варианты осуществления изобретения могут использоваться для терапии всех опухолей, которые могут быть достигнуты с помощью ультразвука, даже несфокусированного пучка ультразвука.
Варианты осуществления изобретения могут иметь следующие преимущества для лечения рака простаты:
- пригодность для лечения многочисленных малых патологических изменений, распределенных в сложной геометрии,
- пригодность для лечения опухоли, когда направленный ультразвук высокой интенсивности не может быть точно сфокусирован (из-за ограничений, создаваемых трансректальными или трансуретральными матрицами),
- пригодность для лечения опухоли, расположенной близко к критическим структурам, таким как ректальная стенка и стенка мочевого пузыря, нервный узел, повреждение которых может повлиять на качество жизни пациента, и
- пригодность для повторности лечения при возникновении патологических изменений, которые, если контролируются только в схеме наблюдения, могут со временем вернуться в агрессивное состояние.
Вариант осуществления изобретения может также быть предпочтителен для лечения опухолей легкого (которые проявляются как многочисленные, относительно малые узелки), и опухолей, близких к спинному мозгу, а также внутричерепных опухолей.
Варианты осуществления изобретения обеспечивают терапевтическое устройство для лечения пациента, содержащее первое средство нагревания, выполненное с возможностью нагревания первой области пациента, первое средство управления для управления мощностью, направляемой в первую область первым средством нагревания, так что мощность остается ниже порогового значения, и средство нагревания частиц, выполненное с возможностью нагревания магнитных наночастиц во второй области пациента, используя изменяющееся во времени магнитное поле. Первая область содержит в себе вторую область.
Этот вариант осуществления предпочтителен, потому что гипертермия может быть эффективным способом удаления ткани или уничтожения опухолей. Такие способы, как направленный ультразвук высокой интенсивности, обладают тем недостатком, что они не могут использоваться вблизи критических анатомических структур или около костных структур или в легких, потому что трудно должным образом направить и сфокусировать ультразвук. Настоящий вариант осуществления описывает первое средство нагревания, которое используется для повышения температуры в первой области пациента до более высокой температуры, но эта температура недостаточно высока, чтобы вызвать некроз клеток.
Первая область пациента может нагреваться множеством различных способов. Примерами являются использование ультразвука, электромагнитного излучения, такого как радиоволны, инфракрасного излучения или микроволнового излучения. Все эти способы могут использоваться для нагревания обширных областей пациента.
В различных вариантах осуществления первое средство управления может осуществляться, используя компьютер, микроконтроллер, микропроцессор, матрицу микропроцессоров, цифровую электронную схему, аналоговую электронную схему, механический регулятор, выполненный с возможностью управления управляющим сигналом, переключатель и/или реле.
В варианте осуществления средство нагревания частиц содержит магнит. В различных вариантах осуществления магнит может являться сверхпроводящим магнитом, постоянным магнитом, электромагнитом и/или отдельными катушками для создания магнитного поля. В одном варианте осуществления средство нагревания частиц объединяется с системой магнитно-резонансной томографии и, по меньшей мере, часть магнитного поля, используемого для магнитно-резонансной томографии, создается, используя электромагнит. В идеале, электромагнит может быть выключен, когда не получают данные магнитно-резонансной томографии, чтобы облегчить создание области с низким или нулевым магнитным полем, необходимой для получения изображения с помощью магнитных частиц и/или сфокусированного изображения с использованием магнитных частиц. В варианте осуществления изобретения средство нагревания частиц содержит катушки и источники электропитания для создания компоненты магнитного поля с градиентом. Это позволяет создавать области низкого или нулевого магнитного поля и управлять их положением. В варианте осуществления средство нагревания частиц содержит генератор радиочастоты, который создает радиочастотное электромагнитное поле во второй области. Магнитная составляющая радиочастотного электромагнитного поля нагревает магнитные наночастицы. В другом варианте осуществления изменяющееся во времени магнитное поле создается во второй области, используя катушку и источник электропитания, выполненный с возможностью создания изменяющегося во времени тока. Изменяющееся во времени магнитное поле в этом варианте осуществления нагревает магнитные наночастицы.
В варианте осуществления первое средство нагревания может быть осуществлено как блок направленного ультразвука высокой интенсивности (HIFU). В другом варианте осуществления первое средство нагревания осуществляется как источник ультразвука, который не фокусирует ультразвук. В другом варианте осуществления первое средство нагревания имеет антенну, выполненную с возможностью направления радиочастотного излучения от генератора радиочастоты на первую область. В другом варианте осуществления первое средство нагревания осуществляется как источник микроволнового излучения, который направляет микроволновую энергию на первую область.
В другом варианте осуществления первое средство нагревания осуществляется как источник инфракрасного света, который нагревает ткань. Такой инфракрасный источник может использоваться для нагревания ткани во время лечения опухолей груди.
В другом варианте осуществления пороговое значение выбирается таким, что увеличение температуры в первой области средством ультразвукового нагревания не вызывает некроз клеток. Кроме того, вторая область содержит, по меньшей мере, одну зону гипертермии, в которой концентрация магнитных наночастиц достаточна, чтобы вызвать повышение температуры, вызывающее некроз клеток при нагревании средством нагревания магнитных частиц.
Этот вариант осуществления предпочтителен, потому что может оказаться трудным получить большую концентрацию магнитных наночастиц вблизи опухоли. Первое средство нагревания повышает температуру в зоне гипертермии и окружающей ткани до температуры, не вызывающей некроз клеток, и затем средство нагревания частиц используется для дополнительного нагревания любых магнитных наночастиц во второй области. Это вызывает повышение температуры в зоне гипертермии, которое может затем вызвать некроз клеток.
В другом варианте осуществления первое средство нагревания выполнено с возможностью нагревания первой области пациента, используя один из следующих способов: ультразвук, инфракрасное излучение, электромагнитное излучение, радиоволны или микроволновое излучение. Это предпочтительно, поскольку ультразвук, радиоволны, или микроволновое излучение могут использоваться для нагревания относительно больших объемов пациента, или они могут использоваться для нагревания направленной области пациента. Это предоставляет врачу более широкий диапазон вариантов терапии.
В другом варианте осуществления средство нагревания частиц модулирует магнитное поле во второй зоне так, что оно нагревает магнитные наночастицы, используя один из следующих механизмов: броуновский механизм релаксации, неелевский механизм релаксации или объединение броуновского механизма релаксации и неелевского механизма релаксации. При броуновском механизме релаксации изменяется физическая ориентация магнитной наночастицы. Изменение физической ориентации наночастицы приводит к тому, что нагревает ее и окружающую ткань или текучую среду вокруг частицы. При неелевском механизме релаксации нагревание происходит не за счет изменения физической ориентации частиц, а за счет изменения ориентации магнитного момента частиц. Эти два механизма вызываются изменяющимся магнитным полем и доминирующий механизм зависит от частоты изменяющегося магнитного поля. Может существовать также переходная область, где для нагревания частиц используются как броуновский механизм релаксации, так и неелевский механизм релаксации.
Этот вариант осуществления предпочтителен, потому что изменяющееся магнитное поле может пространственно управляться и может использоваться для точного нагревания желаемой наночастицы.
В другом варианте осуществления средством ультразвукового нагревания является блок направленного ультразвука высокой интенсивности. Этот вариант осуществления предпочтителен, поскольку направленный ультразвук высокой интенсивности может использоваться для относительно точного удаления ткани. Ультразвуковой излучатель блока направленного ультразвука высокой интенсивности может быть выполнен с возможностью создания остронаправленной фокусировки и непосредственного удаления ткани, либо он может быть выполнен с возможностью нагревания большой области, все еще оставаясь относительно сфокусированным. Этот вариант осуществления также предпочтителен, потому что этот блок может быть выполнен с возможностью нагревания области, такой как простата.
В другом варианте осуществления средство нагревания частиц дополнительно содержит средство создания магнитного поля, выполненное с возможностью нагревания магнитных наночастиц, используя направленную терапию с использованием магнитных частиц. Устройство дополнительно содержит второе средство управления для управления средством нагревания частиц и выполнено с возможностью управления местоположением второй области. Второе средство управления выполнено с возможностью приема данных планирования для планирования лечения пациента и терапевтическое устройство выполнено с возможностью проведения терапии, используя данные планирования. Второе и первое средства управления могут быть осуществлены, используя единое средство управления. Второе средство управления может быть осуществлено, используя компьютер, микроконтроллер, микропроцессор, матрицу микропроцессоров, цифровую электронную схему и аналоговую электронную схему. Второе средство управления и/или первое средство управления могут содержать компьютерный программный продукт.
Этот вариант осуществления предпочтителен, потому что направленная терапия с использованием магнитных частиц может использоваться для нагревания магнитных наночастиц в очень точно определенном объеме. Это позволяет вести очень точное управление тем, каким магнитные наночастицы нагреваются. Терапия может планироваться врачом, используя медицинский сканер, такой как трехмерная рентгеновская система, система компьютерной томографии, система позитрон-эмиссионной томографии, сканер единой позитрон-эмиссионной и компьютерной томографии, трехмерная ультразвуковая система получения изображения или система магнитно-резонансной томографии, для получения изображения анатомии и планирования сеанса терапии. Второе средство управления тогда выполняется с возможностью приема этих данных планирования и выполнения терапии, используя эти данные планирования.
В варианте осуществления средство создания магнитного поля содержит магнит. В различных вариантах осуществления магнит может представлять собой сверхпроводящий магнит, постоянный магнит, электромагнит и/или катушки для создания магнитного поля. В одном варианте осуществления средство нагревания частиц вводится в состав системы магнитно-резонансной томографии и, по меньшей мере, часть магнитного поля, используемого для магнитно-резонансной томографии, создается, используя электромагнит. В идеале, электромагнит может быть выключен, когда получение данных магнитно-резонансной томографии не проводится, чтобы облегчить создание области низкого или нулевого магнитного поля, необходимой для получения изображения с использованием магнитных частиц и/или сфокусированного получения изображения с использованием магнитных частиц.
В другом варианте осуществления средство создания магнитного поля дополнительно выполнено с возможностью получения медицинских данных изображения в зоне получения изображения, используя получение изображения с использованием магнитных частиц. Зона получения изображения содержит первую область и второе средство управления выполнено с возможностью создания данных планирования, используя медицинские данные изображения.
Этот вариант осуществления предпочтителен, потому что получение изображения с использованием магнитных частиц позволяет очень точное определение количественного локального распределения магнитных наночастиц внутри пациента. Знание количественного локального распределения магнитных наночастиц относительно анатомии пациента полезно при планировании терапии. Анатомические данные могут быть получены, используя сканер магнитно-резонансной томографии (MRI), сканер позитрон-эмиссионной томографии, сканер единой позитрон-эмиссионной и компьютерной томографии, трехмерную рентгеновскую систему получения изображения, трехмерную ультразвуковую систему получения изображения или сканер компьютерной томографии с последующим сравнением с медицинскими данными изображения, полученными из изображения, полученного с использованием магнитных частиц.
В другом варианте осуществления терапевтическое устройство дополнительно содержит систему магнитно-резонансной томографии, выполненную с возможностью получения медицинских данных изображения в зоне получения изображения. Зона получения изображения содержит первую область и второе средство управления выполнено с возможностью создания данных планирования, используя медицинские данные изображения. Этот вариант осуществления предпочтителен, потому что данные магнитно-резонансной томографии содержат полезную анатомическую информацию для планирования лечения пациента. Магнитно-резонансная томография дает очень подробную анатомическую информацию, а получение изображения с использованием магнитных частиц дает очень подробную информацию о локальном распределении магнитных наночастиц внутри пациента. Эти два способа получения изображения поэтому хорошо дополняют друг друга при планировании лечения пациента.
В другом варианте осуществления система магнитно-резонансной томографии выполнена с возможностью получения температурных данных, используя магниторезонансную термометрию. Медицинские данные изображения содержат температурные данные, и первый блок управления выполнен с возможностью ограничения температуры в первой области, используя медицинские данные изображения. Второй блок управления выполнен с возможностью управления температурой во второй области, используя медицинские данные изображения. Этот вариант осуществления является предпочтительным, потому что магниторезонансная термометрия может использоваться для выполнения в реальном времени подробных измерений температуры внутри пациента. Это может использоваться для очень точного управления лечением пациента.
В другом варианте осуществления терапевтическое устройство выполнено с возможностью получения медицинских данных изображения с периодическими интервалами. Терапевтическое устройство выполнено с возможностью идентификации местоположения области мишени (целевой области) внутри пациента, используя медицинские данные изображения. Область мишени может быть идентифицирована, используя известные способы сегментации изображения. Второе средство управления выполнено с возможностью создания данных планирования в реальном времени, используя местоположение и форму области мишени. Это может быть осуществлено, используя форму органа и модели деформации, реализованные в программном обеспечении. Такие модели могут обучаться, так чтобы они были способны регулировать местоположение второй области, основываясь на движении и/или деформации всего органа или области его мишени, используя данные планирования в реальном времени. Этот вариант осуществления обладает тем преимуществом, что терапевтическое устройство может использоваться для подсчета изменений, происходящих при движении пациента. Это ведет к более точному и прецизионному управлению терапевтическим устройством.
В другом варианте осуществления терапевтическое устройство выполнено с возможностью лечения любого из следующих заболеваний: опухоли глаза, опухоли мозга, опухоли нервных узлов, опухоли спинного мозга, опухоли легкого, опухоли предстательной железы, опухоли вблизи глаза, опухоли вблизи мозга, опухоли вблизи нервных узлов, опухоли вблизи легкого, опухоли вблизи предстательной железы, опухоли вблизи стенок мочевого пузыря, опухоли вблизи прямой кишки, опухоли вблизи границы органа, многочисленные опухоли, разбросанные по всему пациенту, опухоли с множеством мелких фокусов, опухоли вблизи сердца, опухоли вблизи границ воздуха и ткани или опухоли вблизи границ кости и ткани.
Этот вариант осуществления предпочтителен, потому что во всех этих случаях должно быть трудным лечить их направленным ультразвуком высокой интенсивности или другими способами, потому что терапия должна быть очень точно направлена в пациента, чтобы избежать травмирования органа или структуры вблизи органа.
В другом варианте изобретение предусматривает компьютерный программный продукт, содержащий набор исполняемых команд для его выполнения терапевтическим устройством для лечения пациента. Набор исполняемых команд содержит этапы, на которых: управляют первым средством нагревания, выполненным с возможностью нагревания первой области пациента, так чтобы мощность, направленная в первую область первым средством нагревания, оставалась ниже порогового значения, и управляют средством нагревания частиц, выполненным с возможностью нагревания магнитных наночастиц во второй области, используя изменяющееся во времени магнитное поле. Первая область содержит в себе вторую область.
Преимущество настоящего варианта осуществления состоит в том, что осуществление управления терапевтическим устройством с использованием компьютерного программного продукта позволяет терапевтическому устройству функционировать более быстро и эффективно, чем если бы его использовал оператор-человек. Другие преимущества этого варианта осуществления были описаны ранее.
В другом варианте осуществления терапевтическое устройство для лечения пациента имеет средство нагревания частиц, которое содержит средство создания магнитного поля, выполненное с возможностью направленной терапии с использованием магнитных частиц. Компьютерный программный продукт дополнительно содержит этапы, на которых: принимают данные планирования для планирования лечения пациента, управляют лечением пациента, используя данные планирования, и управляют местоположением второй области, используя средство создания магнитного поля. Преимущества этого варианта осуществления обсуждались ранее.
В другом варианте осуществления компьютерный программный продукт дополнительно содержит этапы, на которых: получают медицинские данные изображения в зоне получения изображения, используя получение изображения с помощью магнитных частиц и/или магнитно-резонансной томографии, и создают данные планирования, используя медицинские данные изображения. Зона получения изображения содержит первую область. Преимущества этого варианта осуществления были обсуждены ранее.
В другом варианте осуществления компьютерный программный продукт дополнительно содержит этапы, на которых: с периодическими интервалами получают медицинские данные изображения, идентифицируют местоположение и форму области мишени внутри пациента, используя медицинские данные изображения, полученные с периодическими интервалами, создают данные планирования в реальном времени, используя местоположение и форму области мишени, и регулируют местоположение второй области, основываясь на движении и/или деформации области мишени, используя данные планирования в реальном времени. Преимущества этого варианта осуществления были обсуждены ранее.
Краткое описание чертежей
Приведенные далее предпочтительные варианты осуществления изобретения будут описаны только для примера и со ссылкой на чертежи, на которых:
Фиг. 1 - функциональная схема варианта осуществления терапевтического устройства, соответствующего изобретению;
Фиг. 2 - функциональная схема альтернативного варианта осуществления терапевтического устройства, соответствующего изобретению;
Фиг. 3 - блок-схема последовательности выполнения операций осуществления машины, способной выполнять этапы управления терапевтическим устройством в соответствии с изобретением;
Фиг. 4 - блок-схема последовательности выполнения операций альтернативного варианта осуществления машины, выполняющей этапы управления терапевтическим устройством, соответствующим изобретению;
Фиг. 5 - блок-схема последовательности выполнения операций варианта осуществления терапевтического устройства, соответствующего изобретению,
Фиг. 6 - блок-схема альтернативного варианта осуществления терапевтического устройства, соответствующего изобретению;
Фиг. 7 - блок-схема альтернативного варианта осуществления терапевтического устройства, соответствующего изобретению.
Подробное описание
На фиг. 1 и фиг. 2 нумерация элементов выбрана таким образом, что если две последние цифры нумерации совпадают, то элементы на фиг. 1 и фиг. 2 идентичны или выполняют одну и ту же функцию. На фиг. 5-7 нумерация элементов выбрана так, что если две последние цифры нумерации совпадают, то тогда элементы на фиг. 5-7 либо идентичны, либо выполняют одну и ту же функцию. Элементы, которые обсуждались ранее, не обязательно будут обсуждаться при описании последующих чертежей, если элементы идентичны или выполняют ту же самую функцию.
На фиг. 1 представлена функциональная схема варианта осуществления терапевтического устройства. Пациент 100 лежит на ложе 102 для пациента. Существует первое средство 104 нагревания, которое используется для нагревания первой области 106 пациента 100. Существует первое средство 108 управления, которое управляет первым средством 104 нагревания, так чтобы температура первой области 106 оставалась ниже пороговой. Существует средство 110 нагревания частиц, которое нагревает магнитные наночастицы внутри второй области 114. Вторая область 112 является областью, в которой средство 110 нагревания частиц способно нагревать магнитные наночастицы. На этом чертеже также видно, что существуют магнитные наночастицы 116, которые не находятся во второй области. Эти магнитные наночастицы не нагреваются средством нагревания частиц. Этот чертеж демонстрирует, как объединение первого средства 104 нагревания и средства 110 нагревания частиц может использоваться для точного нагревания и лечения пациента 100. Первое средство нагревания может быть осуществлено, используя множество способов, таких как направленный ультразвук высокой интенсивности, микроволновое излучение или радиочастотное излучение. Средство нагревания частиц может использоваться для нагревания частиц, используя изменяющееся магнитное поле или поле радиочастотного излучения.
На фиг. 2 показан другой вариант осуществления терапевтического устройства, соответствующего изобретению. Этот чертеж также является функциональной схемой. Вариант осуществления, показанный на этом чертеже, содержит средства направленного ультразвука высокой интенсивности, магнитно-резонансной томографии, получения изображения с помощью магнитных частиц и направленной терапии с использованием магнитных частиц. В этом варианте осуществления имеется пациент 200, лежащий на ложе 202 для пациента. Существует блок 204 направленного ультразвука высокой интенсивности, который направляет ультразвук на пациента 200. Блок 204 направленного ультразвука высокой интенсивности содержит объем, заполненный средой, проводящей ультразвук 242, и внутри него находится ультразвуковой излучатель 240, который используется для создания и фокусировки ультразвука 246. Внутри ложа 202 для пациента располагается переходник для заполнения его средой 244, передающей ультразвук. Среда, передающая ультразвук, занимает пространство между блоком 204 направленного ультразвука высокой интенсивности и пациентом 200. Средой, передающей ультразвук, может быть вода, это может быть гель, передающий ультразвук, или это может быть гелевая прокладка, передающая ультразвук. Ультразвуковой излучатель 240 может быть выполнен таким образом, что ультразвук направляется в малую точку или может быть выполнен так, что ультразвук направляется в объем. В этом примере ультразвук направляется в первую область 206.
Устройство дополнительно содержит средство 238 создания магнитного поля. Оно используется для создания больших магнитных полей, которые используются при магнитно-резонансной томографии, получении изображения с использованием магнитных частиц и/или направленной терапии с использованием магнитных частиц. Это может быть сверхпроводящий магнит или это может быть электромагнит. Оно может также содержать элементы, состоящие из постоянных магнитов. Для создания градиентов магнитного поля во время магнитно-резонансной томографии существуют катушки 236 создания градиента для магнитно-резонансной томографии. Катушки 236 создания градиента для магнитно-резонансной томографии присоединяются к источнику 234 электропитания, питающему катушки создания градиента магнитного поля. Источник электропитания катушек создания градиента магнитного поля выполнен с возможностью подачи тока в катушки 236 создания градиента для магнитно-резонансной томографии при создании градиентов магнитного поля.
Предусмотрена катушка 232 приемопередатчика магнитно-резонансной томографии, которая используется для возбуждения ядер во время магнитно-резонансной томографии. Катушка 232 приемопередатчика магнитно-резонансной томографии соединяется с радиочастотным приемопередатчиком 230 магнитно-резонансной томографии. Радиочастотный приемопередатчик 230 магнитно-резонансной томографии выполнен с возможностью передачи радиочастотных импульсов в катушку 232 приемопередатчика магнитно-резонансной томографии, необходимых для возбуждения ядер во время магнитно-резонансной томографии. Катушка 232 приемопередатчика магнитно-резонансной томографии и приемопередатчик 230 выполнены с возможностью приема радиочастотных сигналов, излучаемых при релаксации возбужденных ядер. Эти радиочастотные сигналы определяются здесь как данные магнитно-резонансной томографии.
Предусмотрена также катушка 254 для получения изображения с использованием магнитных частиц и/или градиента магнитного поля направленной терапии с использованием магнитных частиц для создания градиентов магнитного поля, необходимых для получения изображения с использованием магнитных частиц или выполнения направленной терапии с использованием магнитных частиц. Эта катушка 254 для создания градиента магнитного поля для получения изображения с использованием магнитных частиц и/или выполнения направленной терапии с использованием магнитных частиц может быть геометрически расположена за пределами или внутри или быть компланарна с катушкой 236 градиента магнитно-резонансной томографии. На фиг. 2 показана катушка 254 градиента магнитного поля для получения магнитного изображения частиц и/или выполнения направленной терапии с использованием магнитных частиц, расположенная по большому радиусу или за пределами катушек 236 градиента для магнитно-резонансной томографии. Катушка 254 градиента магнитного поля для получения изображения с использованием магнитных частиц и/или выполнения направленной терапии с использованием магнитных частиц создает магнитное поле, используя ток, обеспечиваемый источником 252 электропитания катушки для создания градиента магнитного поля для получения изображения с использованием магнитных частиц и/или выполнения направленной терапии с использованием магнитных частиц. Катушки 254 для создания градиента магнитного поля для получения изображения с использованием магнитных частиц и/или выполнения направленной терапии с использованием магнитных частиц в этом варианте осуществления выполнены с возможностью эффективного противодействия магнитному полю средства 238 создания магнитного поля. Как получение изображения с использованием магнитных частиц, так и направленная терапия с использованием магнитных частиц опираются на способность уравновешивать общую сумму всех статических магнитных полей и градиента магнитного поля в небольшом объеме. В некоторых вариантах осуществления катушка 254 для создания градиента магнитного поля достаточно мощная, чтобы противодействовать магнитному полю средства 238 создания магнитного поля. В некоторых вариантах осуществления средство создания магнитного поля содержит электромагнит, который может выключаться во время получения изображения с использованием магнитных частиц и/или выполнения направленной терапии с использованием магнитных частиц и включаться во время магнитно-резонансной томографии.
В некоторых вариантах осуществления источник электропитания катушки магнитного поля для магнитно-резонансной томографии может интегрироваться с источником электропитания катушки магнитного поля для получения изображения с использованием магнитных частиц и/или для направленной терапии с использованием магнитных частиц; и катушка магнитного поля для магнитно-резонансной томографии может интегрироваться с катушкой магнитного поля для получения изображения с использованием магнитных частиц и/или для направленной терапии с использованием магнитных частиц. Такая интеграция может принимать форму двух катушек, переплетенных и установленных в едином элементе конструкции, или та же самая катушка градиента магнитного поля может использоваться для магнитно-резонансной томографии, получения изображения с использованием магнитных частиц и/или направленной терапии с использованием магнитных частиц.
Радиочастотный приемопередатчик 230 для магнитно-резонансной томографии, блок 204 направленной терапии высокой интенсивности, источник 234 электропитания катушки для создания градиента магнитного поля для магнитно-резонансной томографии, радиочастотный приемопередатчик для получения изображения с помощью магнитных частиц и/или для получения изображения с использованием направленных магнитных частиц и источник электропитания катушки для создания градиента магнитного поля для получения изображения с использованием магнитных частиц и/или для получения изображения с использованием направленных магнитных частиц подключаются к интерфейсу 218 аппаратурного обеспечения компьютерной системы 208. Компьютерная система 208 используется для управления терапевтическим устройством во время его терапевтического действия. Компьютерная система 208 содержит интерфейс 218 аппаратурного обеспечения, микропроцессор 220 и интерфейс 228 пользователя. Интерфейс 218 аппаратурного обеспечения используется для управления системой. Микропроцессор 220 выполнен с возможностью исполнения компьютерного программного продукта 222, выполненного с возможностью управления терапевтическим устройством. В некоторых вариантах осуществления микропроцессор 220 является матрицей микропроцессоров. В некоторых вариантах осуществления компьютерная система 208 выполняет обработку изображений и реконструкцию изображений для данных магнитно-резонансной томографии. Компьютерный программный продукт 222 содержит модуль 224 идентификации зоны мишени, модуль 226 создания данных планирования и модуль 225 движения цели и вычислений. Модуль 224 идентификации зоны мишени может быть осуществлен, используя стандартные способы сегментации изображения, и используется для идентификации области пациента, подвергаемой лечению. Это может быть сделано в режиме реального времени или можно предположить, что пациент остается неподвижным во время лечения.
Модуль 226 создания данных планирования и модуль 225 движения мишени могут быть осуществлены, используя алгоритмы распознавания образов. В некоторых вариантах осуществления модуль движения мишени распознает движение анатомии пациента 200 и использует эту информацию для прогнозирования положения и формы зоны 216 мишени. Прогноз местоположения и положения зоны мишени помогает повысить точность нагревания зоны мишени, когда пациент или часть пациента находится в движении.
В варианте осуществления модуль 226 создания данных планирования осуществляется как обучаемый модуль распознавания образов. Это дает то преимущество, что модуль распознавания образов может обучаться, используя набор учебных изображений, где интересующий объем или объемы размещены правильно. Это может быть осуществлено, используя множество различных способов. Примерами различных способов или алгоритмов, которые могли бы использоваться, являются: анализ главных компонент, нейронная сеть, алгоритм CN2, алгоритм C4.5, итерационный дихотомический преобразователь сигнала 3 (ID3), алгоритм поиска ближайшего окружения, примитивный алгоритм классификатора Бейеса, голографическая ассоциативная память или алгоритм изучения восприятия.
В варианте осуществления модуль 225 движения мишени и вычислений осуществляется как обучаемый модуль распознавания образов. Он обладает тем преимуществом, что модуль распознавания образов может обучаться, используя набор учебных изображений, где интересующий объем или объемы были правильно размещены. Это может быть осуществлено, используя множество различных способов. Примерами различных способов или алгоритмов, которые могли бы использоваться, являются: анализ главных компонент, нейронная сеть, алгоритм CN2, алгоритм C4.5, итерационный дихотомический преобразователь сигнала 3 (ID3), алгоритм поиска ближайшего окружения, примитивный алгоритм классификатора Бейеса, голографическая ассоциативная память или алгоритм изучения восприятия.
Модуль 226 создания данных планирования использует данные от модуля 224 идентификации зоны мишени, чтобы планировать лечение пациента 200. Данные изображения получаются в зоне 214 получения изображения. Ультразвук фокусируется в области, известной как первая область 206. Внутри первой области идентифицируется область 212. Определяется зона 216 мишени и затем планируется терапия, чтобы управлять местоположением второй области 212 так, чтобы лечилась вся зона 216 мишени. В этом примере зона 216 мишени больше, чем вторая область 212. В ходе ведения терапии вторая область 212 перемещается так, что лечится вся зона 216 мишени.
На фиг. 3 показана блок-схема последовательности выполнения операций процесса варианта осуществления этапов, выполняемых машиной, чтобы управлять терапевтическим устройством в соответствии с изобретением. На этапе 300 первое средство нагревания управляется так, что первая область пациента нагревается таким образом, что мощность, направленная в первую область средством нагревания, ниже порогового значения. Этап 302 управляет средством нагревания частиц, выполненным с возможностью нагревания магнитных наночастиц внутри второй области. В самых простых вариантах осуществления изобретения получение сложных медицинских изображений и наведение на мишень не являются необходимыми, чтобы точно достигнуть намеченного увеличения температуры в зоне мишени. Ограничение мощности, подаваемой в первую область, обладает эффектом ограничения увеличения температуры, вызванного первым средством нагревания. В более сложных вариантах осуществления может использоваться средство измерения температуры в первой области, чтобы активно управлять мощностью, подаваемой в первую область, чтобы точно управлять увеличением температуры в первой области, вызванным первым средством нагревания.
На фиг. 4 показана блок-схема последовательности выполнения операций процесса варианта осуществления этапов, исполняемых машиной, для управления терапевтическим устройством, соответствующим изобретению. Этап 400 является приемом данных планирования для лечения пациента. Врач может планировать терапию, используя способ или комбинацию способов, таких как магнитно-резонансная томография, позитрон-эмиссионная томография, единая позитрон-эмиссионная и компьютерная томография, получение рентгенограмм, компьютерная томография или ультразвук. Это медицинские данные изображений могут использоваться для разработки плана лечения и терапии пациента. Пациент затем помещается в терапевтическое устройство и на этапе 402 получают медицинские данные изображения в зоне получения изображения. Терапевтическое устройство полезно для получения медицинских данных изображения, чтобы видеть, правилен ли или является ли соответствующим план терапии лечения. На этапе 404, используя медицинские данные изображения, создаются данные планирования. На этом этапе принятые данные планирования согласуются с полученными медицинскими данными изображения. Затем на этапе 406 с периодическими интервалами получают медицинские данные изображения. Пациент может двигаться внешне или внутренне и заставлять зону мишени пациента меняться. По этой причине на этапе 408 местоположение области зоны мишени внутри пациента идентифицируется, используя медицинские данные изображения. Затем на этапе 410, используя местоположение целевой области, создаются данные планирования в реальном времени. На этапе 412 затем ведется управление лечением пациента, используя данные планирования. Управление лечением пациента, используя данные планирования, проводится на этапах 414, 416, 418, и 420.
На этапе 414 проводится управление первым средством нагревания, выполненным с возможностью нагревания первой области пациента так, что мощность, направленная в первую область средством нагревания, остается ниже порогового значения. На этапе 416 проводится регулирование местоположения второй области, основываясь на движении и/или деформации целевой области, используя данные планирования в реальном времени. На этапе 418 проводится управление местоположением второй области, используя средство создания магнитного поля, а на этапе 420 проводится управление средством нагревания частиц, выполненным с возможностью нагревания магнитных наночастиц во второй области.
На фиг. 5 показана блок-схема последовательности выполнения операций варианта осуществления терапевтического устройства, соответствующего изобретению. Вариант осуществления, показанный на фиг. 5, содержит три различные системы. Он содержит системный компьютер базы данных и рабочую станцию 500, внешний интерфейс 506 направленного ультразвука высокой интенсивности и внешний интерфейс 512 терапии с использованием магнитных частиц.
Системный компьютер базы данных и рабочая станция 500 представляют собой компьютер и систему управления терапевтическим устройством. Они содержат элементы 502 для определения объема опухоли, основываясь на предшествующем сканировании с использованием магнитного резонанса или компьютерной томографии. Объем опухоли, определенный элементом 502, используется элементом 504 для определения требуемой температурной карты и планирования распределения дозы. Данные планирования, создаваемые элементом 504, используются как внешним интерфейсом 506 направленного ультразвука высокой интенсивности, так и внешним интерфейсом 512 терапии с использованием магнитных частиц.
Внешний интерфейс направленного ультразвука высокой интенсивности содержит элементы 508, создающие ультразвуковой сигнал, и сборочный узел 510 ультразвукового излучателя высокой интенсивности, который используется для создания ультразвука. Внешний интерфейс для направленной терапии с использованием магнитных частиц содержит элемент 514 для создания градиентного сигнала для направленной терапии с использованием магнитных частиц. Этот сигнал затем используется радиочастотными усилителями и катушками 516 для создания градиентного сигнала для терапии с использованием магнитных частиц, чтобы выполнять направленную терапию с использованием магнитных частиц.
Вариант осуществления изобретения, показанный на фиг. 5, имеет рабочую станцию 500 с программным обеспечением для планированиия терапии и управления системой (системный компьютер базы данных), где клинический врач определяет объем опухоли и объем мишени, используя элемент 502, основываясь на информации, ранее полученной о трехмерном изображении с помощью трехмерной рентгенограммы, трехмерного ультразвукового изображения, изображения, полученного с помощью магнитно-резонансной томографии или компьютерной томографии. Основываясь на этой информации, требуемая температурная карта/план дозирования теплоты определяются элементом 504, которые являются основой для теплового удаления. Эта информация переводится в создание ультразвукового сигнала во внешнем интерфейсе 506 направленного ультразвука высокой интенсивности, который затем применяется для нагревания области вокруг опухоли, и в создание градиентного сигнала для направленной терапии с использованием магнитных частиц, требующегося для создания точной фокусировки, охватывающей область мишени, в которой радиочастотное возбуждение системы направленной терапии с использованием магнитных частиц увеличивает температуру выше критической для некроза клеток.
Так как матрицы 510 ультразвуковых излучателей совместимы с переключением мощных градиентных полей, как было доказано существующими системами направленного ультразвука высокой интенсивности с управляемыми магнитными резонансами, простым вариантом осуществления может быть похожая конфигурация. Этот возможный вариант осуществления имеет трубчатую градиентную систему, чтобы создать фокус направленной терапии с использованием магнитных частиц, и матрицу ультразвуковых излучателей высокой интенсивности для повышения температуры большой области, содержащей мишень. Радиочастотные катушки для возбуждения магнитных наночастиц могут быть расположены в том же самом сборочном узле, что и катушка для создания градиента при магнитно-резонансной томографии, очень похожей на катушку передачи в существующих системах магнитно-резонансной томографии. Для магнитов с цилиндрическим сердечником катушки для создания градиента при магнитно-резонансной томографии обычно закладываются внутрь цилиндра. Радиочастотная катушка для возбуждения магнитных наночастиц и/или передающие катушки для магнитно-резонансной томографии также могут быть встроены внутрь цилиндра.
На фиг. 6 показана блок-схема варианта осуществления терапевтического устройства, соответствующего изобретению. Этот вариант осуществления подобен варианту осуществления, показанному на фиг. 5, за исключением того, что к системе были добавлены компоненты для получения изображения с использованием магнитных частиц. Теперь существует контур обратной связи между внешним интерфейсом 612 для получения изображения с использованием магнитных частиц и направленной терапии с использованием магнитных частиц и системным компьютером базы данных и рабочей станцией 600. Внешний интерфейс 512 системы направленной терапии с использованием магнитных частиц варианта осуществления, показанного на фиг. 5, был изменен, чтобы стать внешним интерфейсом 612 для получения изображения с использованием магнитных частиц и направленной терапии с использованием магнитных частиц.
Упомянутый внешний интерфейс 612 содержит несколько дополнительных компонент, сверх того, что показано в варианте осуществления, представленном на фиг. 5. Теперь существует компонент 624 приемной катушки сигнала для получения изображения магнитных частиц и электроники, и сигналы, принятые катушкой, затем используются компонентом 622, выполняющим реконструкцию изображения, полученного с использованием магнитных частиц. Данные, касающиеся реконструированного изображения, затем возвращаются в системный компьютер базы данных и на рабочую станцию 600. Данные от элемента 622 подаются на элемент 620, который выполняет слежение за мишенью, основываясь на данных изображения MPI от элемента 622, а также на элемент 618, который определяет биораспределение наночастиц, основываясь на данных изображения MPI, полученных от элемента 622. Элемент 618 определяет биораспределение и принимает данные от элемента 602, в которых определенный объем опухоли определяется, основываясь на предшествующей информации трехмерной рентгенограммы, ультразвуковом изображении, магнитно-резонансной томографии или информации, полученной с использованием компьютерной томографии. Информация от элемента 618 определения и элемента 620 вводится в элемент 604, который определяет и регулирует желаемую температурную карту или план дозирования теплоты.
Вариант осуществления, показанный на фиг. 6, способен использовать данные получения изображения с использованием магнитных частиц в сочетании с ранее полученными данными сканирования с использованием магнитно-резонансной, трехмерной рентгенографической, ультразвуковой или компьютерной томографии. Он способен определять местоположение/регистрировать местоположение объема при получении изображения с использованием магнитных частиц в системе координат этих данных сканирования для получения изображения. Это позволяет определять распределение частиц относительно анатомии пациента. Как это уже известно, он может объединяться с анализом деформации и слежения за движением в реальном времени для трехмерного биораспределения магнитных частиц внутри пациента, чтобы точно определять и регулировать зависимый от времени план лечения.
Вариант осуществления, показанный на фиг. 6, расширяет систему 512 направленной терапии с использованием магнитных частиц, показанную на фиг. 5, до полной системы 612 получения изображений и терапии с использованием магнитных частиц. Он охватывает добавление дополнительных компонент системы получения изображений с использованием магнитных частиц, требующихся для получения изображения, а именно: конфигурацию приемной радиочастотной катушки с соответствующим блоком усиления и оцифровки сигнала и реконструкции изображения. Полученные в итоге трехмерные изображения могут затем использоваться как для вычисления трехмерного биораспределения частиц, используемого в качестве входных данных блока планирования дозы, так и для проверки положения, анализа слежения за движением и деформацией мишени. Блоки создания градиента поля и радиочастотного возбуждения могут быть в значительной степени идентичными как для целей получения изображения с использованием магнитных частиц, так и для направленной терапии с использованием магнитных частиц. Так как необходимо, чтобы они были более гибкими, они, таким образом, используются совместно при получении изображения и в операции теплового удаления, которые могут применяться поочередно (нагревание-слежение-нагревание-слежение) во время сеанса терапии. Соответствующая системная конфигурация может быть подобна базовой системе, к которой могут быть добавлены одна или более радиочастотных приемных катушек для получения изображения с использованием магнитных частиц в месте, как можно более близком к местоположению опухоли.
На фиг. 7 представлена блок-схема варианта осуществления терапевтического устройства, соответствующего изобретению. Вариант осуществления, показанный на фиг. 7, является усовершенствованием варианта осуществления, показанного на фиг. 6. Вариант осуществления, показанный на фиг. 7, содержит все элементы варианта осуществления, показанного на фиг. 6, за исключением того, что в систему также была введена система магнитно-резонансной томографии. Системный компьютер базы данных и рабочая станция 700 содержат еще несколько элементов и имеется дополнительный системный элемент 726 магнитно-резонансной томографии. Система 726 магнитно-резонансной томографии содержит элемент 732 для создания градиента для магнитно-резонансной томографии и радиочастотного сигнала. Элемент 732 принимает данные планирования от элемента 704, который определяет и регулирует температурную карту или план дозирования. Элемент 732 используется для управления элементом 734. Элемент 734 содержит элементы для создания градиента при магнитно-резонансной томографии плюс радиочастотные усилители и катушки. Элемент 734 используется для помещения объема пациента в состояние, в котором могут быть приняты данные магнитно-резонансной томографии. Элемент 730 содержит приемную катушку магнитного резонанса и электронные устройства. Элемент 730 принимает данные магнитно-резонансной томографии и подает их на элемент 728. Элемент 728 реконструирует изображения магнитного резонанса, полученные из данных магнитно-резонансной томографии. Системный компьютер базы данных и рабочая станция 700 содержат элемент 736 модуля для обнаружения движения и слежения за мишенью с помощью магнитно-резонансной томографии и элемент 738 для трехмерного контроля температуры, основываясь на получении термометрических изображений с помощью магнитного резонанса. Оба эти элемента принимают реконструированные данные MRI от элемента 728 реконструкции изображения магнитно-резонансной томографии. Оба элемента, 736 и 738, могут быть осуществлены как модули программного обеспечения. Магнитно-резонансная томография позволяет обнаруживать полное движение анатомии, а не только в области мишени. Определение полного движения позволяет проводить прогнозирование движения мишени. Элемент 736 может быть выполнен с возможностью прогнозирования движение области мишени, что помогает точному определению нового положения мишения и любой деформации области мишени в результате общего движения анатомии.
Оба элемента 738 и 736 используются элементом 704, чтобы первоначально планировать и позднее отрегулировать (основываясь на новой информации о местоположении и деформации мишени) терапию пациента. В этом варианте осуществления информация, полученная от элемента 736, позволяет обнаружить и количественно определить движение во всем полученном изображении MRI, основываясь на превосходном анатомическом контрасте, даваемом MRI. В элементе 704 определения и регулирования температурной карты/плана дозирования эта информация о движении объединяется с информацией об измененном биораспределении магнитных наночастиц, поступающей от элемента 720. Это объединение позволяет проводить более точный анализ движения и деформации целевого объема, чем это возможно при использовании одной только информации при получении изображения с использованием магнитных частиц.
Вариант осуществления, представленный на фиг. 7, был усилен системой магнитно-резонансной томографии для трехмерного контроля температуры во время лечения и для улучшенной проверки положения цели, слежения за движением и анализа деформации. Измеренное трехмерное распределение температуры вводится в блок планирования дозирования системы для потенциальных регулировок, если измеренное распределение температуры отклоняется от запланированного. Аналогично, как трехмерное изображение MRI пациента, так и изображение MPI мишени могут использоваться для регулирования фокуса направленной терапии с использованием магнитных частиц в случае, если мишень двигалась или деформировалась (благодаря движению пациента). Это получение изображения мишени на основе магнитно-резонансной томографии значительно улучшится по сравнению с получением изображения мишени, основанным на получении изображения с использованием магнитных частиц, потому что изображения, полученные при магнитно-резонансной томографии, будут показывать полную анатомию по сравнению с получением изображения с использованием магнитных частиц, показывающим только распределение частиц (основываясь на накоплении частиц в опухоли для указания ее местоположения).
Перечень ссылочных позиций
100 Пациент
102 Ложе для пациента
104 Первое средство нагревания
106 Первая область
108 Первое средство управления
110 Средство нагревания частиц
112 Вторая область
114 Магнитные наночастицы внутри второй области
116 Магнитные наночастицы вне второй области
200 Пациент
202 Ложе для пациента
204 Блок направленного ультразвука высокой интенсивности
206 Первая область
208 Компьютер
212 Вторая область
214 Зона получения изображения
216 Зона мишени
218 Интерфейс аппаратурного обеспечения
220 Микропроцессор
222 Компьютерный программный продукт
224 Модуль идентификации зоны мишени
225 Модуль движения мишени и вычислений
226 Модуль создания данных планирования
228 Интерфейс пользователя
230 Радиочастотный приемопередатчик
232 Катушка приемопередатчика
234 Источник электропитания катушки для создания градиента магнитного поля
236 Катушки для создания градиента магнитного поля
238 Средство создания магнитного поля
240 Ультразвуковой излучатель
242 Объем, заполненный средой, проводящей ультразвук
244 Объем, выполненный с возможностью приема среды, проводящей ультразвук
246 Путь прохождения ультразвука
248 Радиочастотный приемопередатчик MPI и/или FMPT
250 Катушка приемопередатчика MPI и/или FMPT
252 Источник электропитания катушки создания градиента магнитного поля для MPI и/или FMPT
254 Катушка создания градиента магнитного поля для MPI и/или FMPT
300 Управление первым средством нагревания, выполненное с возможностью нагревания первой области пациента, так что мощность, направленная в первую область средством нагревания, остается ниже порогового значения
302 Управление средством нагревания частиц, выполненное с возможностью нагревания магнитных наночастиц внутри второй области
400 Прием данных планирования для лечения пациента
402 Получение медицинских данных изображения в зоне получения изображения
404 Создание данных планирования, используя медицинские данные изображения
406 Получение медицинских данных изображения с периодическими интервалами
408 Идентификация местоположения области мишени внутри пациента, используя медицинские данные изображения
410 Создание данных планирования в реальном времени, используя местоположение области мишени
412 Управление лечением пациента, используя данные планирования
414 Управление первым средством нагревания, выполненным с возможностью нагревания первой области пациента, так что мощность, направленная в первую область средством нагревания, остается ниже порогового значения
416 Регулирование местоположения второй области, основываясь на движении и/или деформации области мишени, используя данные планирования в реальном времени
418 Управление местоположением второй области, используя средство создания магнитного поля
420 Управление средством нагревания частиц, выполненным с возможностью нагревания магнитных наночастиц во второй области
500 Системный компьютер базы данных и рабочая станция
502 Элемент определения объема опухоли, основываясь на сканировании с использованием MR или компьютерной томографии
504 Элемент определения желаемой температурной карты и плана дозирования
506 Внешний интерфейс HIFU
508 Элемент создания ультразвукового сигнала
510 Матрица излучателей HIFU
512 Интерфейс FMPT
514 Генератор создания сигнала и градиента FMPT
516 Средство создания градиента FMPT + радиочастотные усилители и катушки
600 Системный компьютер базы данных и рабочая станция
602 Элемент определения объема опухоли, основываясь на предшествующем MR-сканировании или компьютерной томографии
604 Элемент определения желаемой температурной карты и плана дозирования
606 Внешний интерфейс HIFU
608 Создание ультразвукового сигнала
610 Матрица излучателей HIFU
612 Внешний интерфейс FMPT
614 Средство создания градиента FMPT и сигнала FMPT
616 Средство создания градиента FMPT + радиочастотные усилители и катушки
618 Элемент определения биораспределения с помощью MPI
620 Слежение за мишенью с помощью элемента MPI
622 Элемент реконструкции изображения MPI
624 Приемная катушка сигнала MPI и электроника
700 Системный компьютер базы данных и рабочая станция
702 Элемент определения объема опухоли, основываясь на предшествующем MR-сканировании или компьютерной томографии
704 Элемент для определения желаемой температурной карты и плана дозирования
706 Внешний интерфейс HIFU
708 Создание ультразвукового сигнала
710 Матрица излучателей HIFU
712 Внешний интерфейс FMPT
714 Генератор сигнала и градиента FMPT
716 Средство создания градиента FMPT + радиочастотные усилители и катушки
718 Элемент для определения биораспределения частиц с помощью MPI
720 Слежение за мишенью с помощью элемента MPI
722 Элемент реконструкции изображения MPI
724 Приемная катушка сигнала MPI и электроника
726 Система MRI
728 Элемент реконструкции изображения MRI
730 Приемная катушка MR и электроника
732 Элемент создания градиента для MRI радиочастотного сигнала
734 Средство создания градиента MRI + радиочастотные усилители и катушки
736 Элемент для слежения за мишенью с помощью получения изображения MRI
738 Элемент для трехмерного контроля температуры с помощью получения изображения MRI
1. Терапевтическое устройство для лечения пациента (100, 200), содержащее:
- первое средство (104, 204, 506, 606, 706) нагревания, выполненное с возможностью нагревания первой области (106, 206) пациента,
- первое средство (108) управления для управления мощностью, направленной в первую область первым средством нагревания так, что мощность остается ниже порогового значения,
- средство (110, 230, 232, 234, 236, 238, 512, 612, 712) нагревания частиц, выполненное с возможностью нагревания магнитных наночастиц (114) внутри второй области (112, 212) пациента, используя изменяющееся во времени магнитное поле,
при этом первая область содержит вторую область, а первое средство нагревания является ультразвуковым средством нагревания окружающей ткани до температуры, которая недостаточно высока, чтобы вызвать некроз клеток, где вторая область содержит, по меньшей мере, одну зону гипертермии, причем упомянутое первое средство нагревания выполнено с возможностью сначала увеличения температуры зоны гипертермии и средство нагревания частиц выполнено с возможностью дополнительного нагревания любых магнитных наночастиц внутри второй области, вызывая, таким образом, увеличение температуры в зоне гипотермии, которое затем может вызывать некроз клеток, и при этом ультразвуковое средство нагревания является блоком (204, 506, 606, 706) фокусированного ультразвука высокой интенсивности;
при этом средство нагревания частиц дополнительно содержит средство (234, 236, 238) создания магнитного поля, выполненное с возможностью нагревания магнитных наночастиц, используя фокусированную терапию с использованием магнитных частиц, при этом терапевтическое устройство дополнительно содержит второе средство управления для управления средством нагревания частиц, где второе средство управления выполнено с возможностью управления местоположением второй области, и второе средство управления выполнено с возможностью приема данных планирования для планирования лечения пациента, причем терапевтическое устройство выполнено с возможностью осуществления терапии, используя данные планирования.
2. Терапевтическое устройство по п. 1, в котором средство нагревания частиц модулирует магнитное поле во второй зоне, так что оно нагревает магнитные наночастицы, используя один из следующих механизмов: броуновский механизм релаксации, неелевский механизм релаксации или объединение броуновского механизма релаксации и неелевского механизма релаксации.
3. Терапевтическое устройство по п. 1, в котором средство создания магнитного поля дополнительно выполнено с возможностью получения медицинских данных изображения внутри зоны (214) получения изображения, используя получение изображения с использованием магнитных частиц, в котором зона получения изображения содержит первую область, и второе средство управления выполнено с возможностью создания данных планирования, используя медицинские данные изображения.
4. Терапевтическое устройство по п. 1, в котором терапевтическое устройство дополнительно содержит систему (208, 230, 232, 234, 236, 238) магнитно-резонансной томографии, выполненную с возможностью получения изображения медицинских данных изображения внутри зоны (214) получения изображения, где зона получения изображения содержит первую область, и второе средство управления выполнено с возможностью создания данных планирования, используя медицинские данные изображения.
5. Терапевтическое устройство по п. 4, в котором система магнитно-резонансной томографии выполнена с возможностью получения данных температуры, используя термометрию с использованием магнитного резонанса, где медицинские данные изображения содержат температурные данные, при этом первый блок управления выполнен с возможностью ограничения температуры в первой области, используя медицинские данные изображения, и второе средство управления выполнено с возможностью управления температурой во второй области, используя медицинские данные изображения.
6. Терапевтическое устройство по п. 3, в котором терапевтическое устройство выполнено с возможностью получения медицинских данных изображения с периодическими интервалами, при этом терапевтическое устройство выполнено с возможностью идентификации местоположения области (216) мишени внутри пациента, используя медицинские данные изображения, причем второе средство управления выполнено с возможностью создания данных планирования в реальном времени, используя местоположение области мишени, где второй блок управления выполнен с возможностью регулирования местоположения второй области, основываясь на движении и/или деформации области мишени, используя данные планирования в реальном времени.
7. Терапевтическое устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором терапевтическое устройство выполнено с возможностью лечения любого из следующих заболеваний: опухоли глаза, опухоли мозга, опухоли нервных узлов, опухоли спинного мозга, опухоли легкого, опухоли предстательной железы, опухоли вблизи глаза, опухоли вблизи мозга, опухоли вблизи нервных узлов, опухоли вблизи легкого, опухоли вблизи предстательной железы, опухоли вблизи стенки мочевого пузыря, опухоли вблизи прямой кишки, опухоли на границе органов, многочисленные опухоли, распространенные по пациенту, опухоли с множеством мелких фокусов, опухоли рядом с границами воздуха и ткани или опухоли рядом с границами ткани и кости.
