KR100972708B1

KR100972708B1 - 집속된 초음파 치료 시스템

Info

Publication number: KR100972708B1
Application number: KR1020077019857A
Authority: KR
Inventors: 타오 린; 웬지 첸; 잉강 웬; 즈히비아오 왕; 즈히롱 왕
Original assignee: 총칭 하이푸 테크놀로지 코 엘티디
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2010-07-27
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: ATE445440T1; CN1814323B; EP1847294B1; AU2005326351A1; JP2008528138A; RU2366475C2; CA2593127C; JP4612057B2; RU2007131728A; US20090054772A1; KR20070107089A; EP1847294A4; DE602005017196D1; BRPI0519801A2; WO2006079265A1; EP1847294A1; CN1814323A; CA2593127A1; AU2005326351B2

Abstract

본 발명은 초음파 치료 시스템에 관한 것으로서, 특히 이미지 정렬 및 합성 방법에 의하여 안내되는 고강도 집속 초음파(HIFU) 치료 장치에 관한 것이다. 본 발명의 치료 시스템은, 중앙 치료 수단; 음파 에너지 어플리케이터; 상기 음파 에너지 어플리케이터의 기계적인 구동 및 위치선정 수단; 실시간 B-모드 초음파 이미지 안내 장치를 포함한다. 또한, 본 발명의 치료 시스템은 몸체 위치용 고정 수단을 포함한다. 상기 몸체 위치용 고정 수단의 도움으로, 상기 실시간 B-모드 초음파 이미지는 진단 이미지로 정렬되고, 그 다음 상기 정렬을 기초로 하여서 상기 B-모드 초음파 이미지는 상기 치료를 안내하기 위한 진단 이미지로 합성된다. 이러한 분야에 존재하는 기술적 해결책과 비교하여서, 본 발명은 고강도 집속 초음파 치료에서 서로 다른 문제점을 효과적으로 해결하고, 특히 낮은 가격으로 종양 치료를 하는데 특히 효과적이다. 또한, 이것은 매우 실질적 기술 해결책을 제공하고, 이것은 종양의 임상적인 치료에 쉽게 적용될 수 있다.

초음파 치료 시스템, 중앙 치료 수단, 음파 에너지 어플리케이터, 안내 장치

Description

집속된 초음파 치료 시스템{A focused ultrasound therapy system}

본 발명은 초음파 치료 시스템에 관한 것으로서, 특히 이미지 정렬 및 합성 방법(registration and fusion method)을 사용함으로써 안내되는 고강도 집속 초음파(high-intensity focused ultrasound)(HIFU) 치료 장치에 관한 것이다.

최근 몇년사이에, 초음파 치료의 사용범위가 점점 넓어지고 있다. 초음파 치료의 발전과 함께, 특정의 초음파 치료, 특히 고강도 집속 초음파(HIFU)는 많은 종류의 질병, 특히 종양(tumor)을 효과적으로 치료하기 위하여 데미징 도스(damaging dose)에 적용된다. 종래의 외과수술 및 화학적인 치료(chemotherapy)와 비교하여서, HIFU 치료는 환자의 외상을 덜 손상시키고 비침입성 치료(non-invasive treatment)를 실현시킬 수 있다. 따라서, 이것의 임상 적용은 빠르게 발전되고 있다. 이러한 징후는 간암(liver cancer), 뼈 육종(bone sarcoma), 유방암(breast cancer), 췌장암(pancreas cancer), 신장암(kidney cancer), 연조직의 종양(soft tissue tumor) 및 골반 종양(pelvic tumor)을 포함한다.

상기 초음파 종양 치료 장치는 일반적으로 구형 집속(sphere focusing)을 채택한다. 모든 점으로부터 발산되는 초음파는 구형의 중심으로 향하고, 집속된 초음파로 된다. 초음파 치료 장치상의 발산기(emitter)는 몸체의 외부로 부터 몸체 의 내부로 초음파를 발산하고, 이것은 방출 및 전송 동안에 집속되어서 고에너지 집속점을 형성한다. 따라서, 고강도 및 연속적인 초음파 에너지는 환자(subject)의 타겟 영역(target region)에 적용된다. 상기 집속점에서 발생되는 과도한 고온의 효과(65∼100℃), 캐비테이션 효과(cavitation effect), 기계적인 효과 및 음파-화학적인 효과는 병든 조직의 응고성 괴사(coagulative necrosis)를 선택적으로 발생시키고, 또한 종양의 증식(proliferation), 침입(invasion) 및 전이(metastasis)를 못하게 하기 위하여 사용된다.

고강도 집속 초음파 치료를 적용하는 동안에, 집속점의 정확하고 안전하며 그리고 효과적인 국소화(localization)는 성공적인 치료(treatment)를 위하여 필수적이며, 또한 타겟(target)을 위치시키기 위한 작동의 편리성을 더욱더 향상시킬 필요가 있다.

의료적인 이미징(imaging)은 현대적인 의료 치료의 필요한 부분이 되고 있다. 이것은 전체의 임상적인 작업에 적용된다. 이것은 병을 진단하기 위하여 넓게 사용될 뿐만 아니라, 또한 외과적인 수술을 계획하고 프로토콜(protocol)을 구현하며 외과 수술과 방사선 치료의 치료적인 효과를 평가하는데에 중요한 역할을 한다. 현재, 상기 의료적인 이미지는 해부학적 이미지(anatomical image)와 기능적인 이미지(functional image)와 같은 2개의 카테고리로 나누어질 수 있다. 해부학적인 이미지는 주로 X-레이 이미징, CT, MRI, US 및 모든 종류의 엔도스코픽 미러(endoscopic mirror)(예를 들면, 벨리 캐비티 미러(belly cavity mirror) 및 후두경(laryngoscope))을 포함하는 인간의 형태학적인 정보(morphological information)를 나타낸다. 또한, 몇몇의 파생적인 특정 기술이 있는데, 예를 들면 X-레이 이미징으로 부터 추출되는 DSA, MRI로 부터 추출되는 MRA 및, US 이미징으로 부터 추출되는 도플러 이미징(Doppler Imaging)이 있다. 기능적인 이미지는 주로 PET, SPECT, fMRI 등을 포함하는 인간의 신진대사적인 정보(metabolic information)를 나타낸다. 한편, 넓은 개념 또는 덜 사용되는 개념으로서 몇몇의 기능적인 이미징 방법이 있는데, 예를 들면 EEG, MEG, pMRI(관류(perfusion) MRI), fCT 등이 있다.

의료적인 이미지오롤지(imageology)의 활발한 발전에 따라서, 초음파 치료에 대한 진단용의 많은 종류의 유용한 정보와, 치료의 국소화(localization)를 위한 보다 많은 선택을 제공한다. 초음파 치료 분야에서, 일반적으로 B-모드 초음파 이미징 장치(B-모드 스캐너)가 채택되고, X-레이 컴퓨터 토모그래피(computed tomography) 스캐너(CT) 및 자기 공명 이미징(MRI)이 또한 사용된다. B-모드 스캐너, CT 및 MRI는 이후에 간략하게 설명된다.

B- 모드 초음파 이미징

현존하는 집속된 초음파 치료 시스템은 일반적으로 치료물을 위치선정하고(locate) 모니터하기 위하여 B-모드 스캐너를 채택한다. 본 발명과 동일한 발명자들은 제목이 "종양을 스캐닝하고 치료하기 위한 고강도 집속 초음파 시스템(high intensity focused ultrasound system for scanning and curing tumor)"인 출원을 1998년 1월 25일자로 하였으며, 이 출원은 중국 특허 제 98100283.8 호로 2000년 11월 29일자로 등록되었다. 상기 특허에서, 기술적 해결책이 상세하게 기재되어 있다. 상기 특허의 전체 문헌이 본원에 참조로 사용된다. B-모드 초음파 모니터링 시스템은 다음과 같은 장점을 가지고 있다: 가격이 싸고, 실시간으로 이미징하며, 치료 초음파와 동일한 음파 경로를 가지고, 이미지의 회색(gray) 스케일 변화에 따른 고강도 집속 초음파(HIFU) 노출 이후에 조직 괴사(tissue necrosis)를 관찰한다는 것이다. 그러나, 상기 초음파 이미지는 관찰 깊이에 제한되며, 뼈의 영향이 상기 이미지에 크게 영향을 미치기 때문에 상기 뼈 뒤쪽의 조직을 거의 디스플레이할 수 없고, 상기 이미지상에서의 심각한 노이즈가 모니터링 치료중에 존재하게 된다. 또한, 상기 초음파 이미지는 조직 경계를 인식하기 위한 빈약한 능력을 가지고 있으며, 상기 종양의 해상도는 이상적인 것이 아니며, 특히 B-모드 초음파 이미지는 작은 종양 및 깊게 매입된(deep-bedded) 종양을 거의 인식할 수 없으며, 따라서 조작자(operator)가 종양의 경계를 결정하는 것은 매우 어려우며, 때때로 상기 종양은 거의 완벽하게 결정될 수 없게 된다. 이러한 상황하에서, 몇몇 조작자는 손에 있는 CT 또는 MRI 필름과 관련하여서 종양과 그 주위의 조직 사이의 관계에 따라서 상기 종양을 대략적으로 결정한다. 그러나, 이러한 방법으로 결정된 종양의 타겟 영역(target area)은 종양의 실질적인 영역으로부터 어느 정도 벗어나게 된다. 치료될 종양의 타겟 영역은 종양의 경계를 초과할 수 있거나, 또는 상기 종양 경계에 따른 종양의 영역보다 매우 작게 될 수 있다. 경험이 충분하지 못한 조작자일수록, 상기 벗어남(deviation)은 더 크게 된다. 이러한 치료 시스템은 조작자의 임상 경험에 매우 의존하고, 치료의 구현은 보다 복잡하게 되며 치료 결과의 불확실성은 더 크게 된다. 또는, 매우 복잡한 상태하에서는, 치료 수행을 하는 것이 매우 어렵게 되며, 치료의 안정성과 효과는 보장될 수 없게 된다. 따라서, 종양 경계를 정확하게 국소화시키는 것이 매우 중요한 것이다.

X- 레이 컴퓨터 토모그래피 스캐너(CT)

CT(컴퓨터 토모그래피)(computed tomography)는 1970년도 초에 방사선 진단에서 큰 돌파구를 연 것이다. CT는 몸체를 스캔하기 위하여 X-레이를 사용하여 정보를 얻는다. 그 다음, 상기 정보는 상기 컴퓨터에 의하여 치료되어, 재구성된(reconstructed) 이미지가 얻어질 수 있다. 이것은 종래의 X-레이에 의하여 이미지되는 것이 어려운 기관(organ) 및 병 등을 이미지할 수 있다. 한정된 해부학적 관계를 가지고 재구성된 이미지들은 실제와 유사하게 되며, 따라서 상기 몸체의 첵킹 범위(checking scope)는 넓게 되며, 병의 조기 검출비와, 병의 진단 정확 비율은 크게 증진되고 있다. 고통, 손상 및 위험이 없이 간단하고 편리하며 안전한 스캔은 의료 이미징 진단의 발전을 증진시키고 있다. CT는 초기에는 머리를 테스트하기 위하여 사용되었고, 전체 몸의 CT스캔은 1974에 나타났다. 근래 10년 동안에, CT는 전세계적으로 사용되어 왔으며, 제 1 세대(first generation)로부터 제 5 세대(fifth generation)까지 발전되어져 왔다. 전체 몸의 CT는 머리, 가슴, 배 및 골반(pelvis)의 단면 이미지를 취할 수 있다. 이것은 또한 갑상선(hypothyroid), 척주(spinal column), 관절(joint), 연조직(soft tissue) 및 오감 기관(five sense organ)과 같은 몸체의 작은 부분의 스캐닝 영역을 취할 수 있다. CT는 종양(tumor), 포낭(cyst), 확대된 림프절(lymph node), 혈종(hematoma), 종기(abscess) 및 육아종(granuloma)과 같은 점유된 병을 찾아내고, 크기, 양상(modality), 수 및 침입 범위를 결정하는데에 가장 적합하며, 또한 이것은 몇몇 기관의 암(carcinomas)의 병기(staging)를 결정할 수 있다. 몇몇 경우에, CT는 또한 솔리드(solid), 포낭성(cystic), 혈관성(vascular), 염증성(inflammatory), 칼슘 관련(calcium-related), 지방성(fat) 등과 같은 병의 병리학적인 특징(pathological feature)을 인식할 수 있다. CT 스캔은 평범한 스캔(plain scan), 향상된 스캔(enhanced scan) 및 조영 스캔(contrast scan)을 포함하는 3가지 방법을 가진다. 상기 평범한 스캔은 루틴 스캔(routine scan)이고 일반적인 첵크이다. 몇몇의 병을 보다 명료하게 디스플레이할 수 있는 상기 향상된 스캔은 스캐닝하기 이전에 정맥내로 수용성 유기 요오드(organinc iodin)를 주입하는 것이다. 상기 조영 스캔은 먼저 기관 또는 구조에 대비한 다음, 이것을 스캔하는데, 예를 들면 상기 대비 또는 공기는 브레인 저장기(brain cistern)내로 주입되고, 그 다음에 상기 브레인 저장기와 그 내의 작은 종양을 디스플레이할 수 있도록 스캐닝이 시작된다.

종양의 CT 해상도는 B-모드 초음파의 해상도보다 더 크게 된다. 1 내지 2cm의 작은 종양에서는, CT용의 가시율(visualization rate)이 88%이며, B-모드 초음파는 48%이다. 특히, CT는 뇌출혈(brain hemorrhage), 뇌수종(hydrocephalus), 뇌동맥 기형(brain arterial malformation), 뇌종양(brain cancer) 등을 이미징하는데에 양호하다. 담낭(gallbladder)의 병에서는, B-모드 초음파의 진단 정확성은 CT의 진단 정확성을 초과하고, 일반적으로 B-모드 초음파의 진단 정확성은 95%이다. 또한 간경병증(hepatocirrhosis), 지방간(fatty liver), 비종 대(splenomegaly) 및 장의 병(intestinal disease)에서는, B-모드 초음파의 검출비가 높다.

현존하는 기술에서, 이미 몇몇의 초음파 치료 시스템은 CT 스캐닝 이미지의 좌표 시스템과 치료의 좌표 시스템을 링크하기 위하여 고정 수단(immobilization means)을 활용한다. CT 이미지는 치료를 수행하는데에 사용되며, 그 다음 CT 스캐닝 이미지의 좌표 시스템과, 치료의 좌표 시스템사이의 관계에 의하여, 자동적으로 제어되는 치료가 치료동안에 이미지 모니터링이 없이 수행된다. 여기에서, 상기 CT 이미지는 지나간 이미지(past image)(실시간 이미지가 아님)이다. 상기 방법이 국소화(localization)의 정확성을 어느 정도까지 향상시킬지라도, 치료될 타겟 영역의 벗어남은 호흡 운동, 심장 박동, 소화 기관의 운동 등과 같은 물리적인 운동으로 인하여 발생될 수 있다. 상기 종류의 운동으로부터 치료될 타겟 영역의 영향은 아무런 모니터링이 없기 때문에 습득될 수 없으며, 상기 치료는 큰 가능성으로 여전히 벗어나게 될 수 있다. 한편, CT 스캔의 몸 위치의 일치성을 보장하고 또한 어떠한 모니터링도 없이 치료를 보장하는 것은 매우 어렵다. 일반적으로, 인체는 CT 스캔 이전에 단일 사용을 위하여 경직(rigid) 즉시 형성 인체모형(phantom)에 갇혀지며, 그 다음 인체와 모형은 CT에 의하여 함께 스캔된다. 인체는 상기 경직 모형에 갇혀지기 때문에, 환자는 인체 모형을 손상시키는 것을 피할 수 있도록 휴식을 위하여 상기 인체모형을 벗어날 수 없다. 환자는 오랫동안 폐쇄된 모형에서 고정될 수 없으며, 상기 인체모형과 함께 환자는 CT 스캔이후에 치료를 위하여 치료 장비로 곧 이송되어야만 한다. 이러한 방법에서는 치료 계획이 이루어져야만 하고, CT 스캔 이후에 곧 바로 또는 짧은 시간에 치료가 수행되어야할 것이 요구된다.

또한, 초음파 치료의 특성으로 인하여 치료에 영향을 미치는 많은 요인들이 있는데, 예를 들면, 환자의 신체 상태(예를 들면, 환자의 비만도(fatness)), 종양의 위치, 종양 특성(예를 들면, 종양 내의 혈액 공급), 피부로부터의 종양 깊이, 리브(rib)에 의하여 차단되는 음파 전송경로 등이 있다. 이러한 요인들은 초음파 치료에 직접적으로 영향을 미친다. 많은 요인들은 측정하기 어렵고, 또한 치료에 큰 영향을 미친다. 예를 들면, 음파 전송 경로 내의 혈액 공급과 치료될 타겟 영역은 상기 타겟 영역의 온도 상승에 큰 영향을 가진다. 그러나, 상기 혈액 공급은 계산하기가 매우 어렵다. 치료 영향의 실시간 평가와 치료 계획의 시간적인 조정이 없게 된다면, 초음파 치료의 전체 치료적인 영향은 제한된다.

핵 자기 공명 이미징( NMRI )

핵 자기 공명 이미징(Nuclear Magnetic Resonance Imaging)(NMRI)은 생물학적 분야와 의료 분야에서 중요한 역할을 하고 있다. 이것은 MRI(자기 공명 이미징(Magnetic Resonance Imaging)으로 축약되어 지칭되며, 핵자기 공명·CT(CT는 컴퓨터 단층 촬영(computer tomography)의 축약된 명칭)로 언급된다. MRI의 간단한 원리는 다음과 같다: 환자는 이미징 자석 내에 눕는다. 그 다음, 무선-주파수 신호가 환자에게 적용된다. 상기 환자(subject)의 영역 내의 수소 핵(hydrogen nuclei)이 무선-주파수 신호에 의해 여기되어 핵 자기 공명 신호로 지칭되는 약한 무선-주파수 신호를 송출한다. 이러한 프로세스 중에, 자기 공명 신호가 선택적으 로 습득될 수 있도록 적절한 구배(gradient)가 상기 자기장에 적용된다. 상기 정보는 각 포인트의 조직 특성을 얻기 위하여 치료되며, 또한 상기 조직이 이미지될 수 있다.

자기 공명 이미징(MRI)은 서로 다른 조직을 인식하는 큰 능력을 가지며, 정상의 조직과 종양 조직을 쉽게 구별하며 상기 종양 조직의 경계를 쉽게 결정한다. MRI는 환자의 볼륨 데이터(volume data)를 제공하며, 인체의 부분 또는 전체가 이미지될 수 있으며, 따라서 MRI는 HIFU에 의하여 치료될 환자의 영역을 위치선정하고 HIFU 외과 수술을 계획하는데에 매우 적절하다. 한편, MRI 기술의 향상과 더불어서, 이미 현존하는 MRI 장비는 상기 조직의 이미지를 실시간으로 얻을 수 있으며, 또한 상기 이미지는 소정의 볼륨을 가지는 3차원 이미지이다. 따라서, MRI는 상기 치료 절차를 실시간으로 모니터링하는데에 우수한 기술적인 해결책을 제공한다. 특히, 온도 이미지는 열 치료에 의하여 예측되는 비침입성 온도 측정 방법을 제공한다.

본 기술분야에서, 환자의 내부 조직용 초음파 치료는 MRI에 의해서 모니터되고 안내된다. HIFU 수술에서, MRI는, HIFU 치료 이전에 치료될 환자의 영역을 위치선정하기 위하여 환자를 스캔하고, 또한 상기 환자의 영역에 초음파를 안내하며, 둘러싸고 있는 정상 조직을 파괴시키지 않고 단지 환자의 영역만이 가열되는 것을 보장할 수 있도록 HIFU 치료 동안에 상기 조직의 온도 변화를 모니터하는데에 사용될 수 있다. MRI의 장점은 당업자에게 잘 공지되어 있다.

MRI는 인체에 X-레이 CT의 방사 영향을 피할 뿐만 아니라, 상기 병이든 조직 을 이미지할 수 있다. 현재, MRI는 뼈, 관절, 척주(spinal cord), 골반 캐비티(pelvic cavity)에서의 내장(viscera), 자궁(uterus), 종격막 질환(mediastinum disease), 심장의 큰 혈관 질환을 검사하고, 또한 심근 경색(myocardial infarction)을 인식하는데에 이상적인 수단이다.

그러나, MRI의 실시간 모니터링을 하기 위한 적용 가격은 매우 비싸다. 또한, MRI 자기장의 균일성을 위하여, 상기 치료 시스템의 비자기성 디자인(nonmagnetic design)은 높은 레벨을 가지고; 따라서, 상기 치료 시스템은 MRI 시스템과 결합하여 사용하기에 매우 어렵다.

요약하면, B-모드 초음파, CT 및 MRI는 그 자체의 장점을 가지고 또한 그들의 단점도 가진다. 또한, 이들의 서로 다른 이미징 원리로 인한 이미지 정보의 제한은 한 종류의 이미지의 단일 사용의 영향을 이상적이지 못하게 한다. 따라서, 임상적인 치료는 초음파 치료의 국소화(localization)의 문제점을 해결하기 위하여, 낮은 가격과, 높은 성능 및 편리한 구현을 가지는 기술적인 해결책이 급하게 요구되는 것이다.

발명자는 상술된 문제점을 해결하기 위한 새로운 이미지 치료 방법을 찾는 것을 희망하고 있다. 컴퓨터, 통신, 센서 및 재료 기술의 빠른 발전과 더불어서, 이미지 합성(image fusion)이 나타났고, 1990년대 이래로 발전해 왔다. 이미지 합성의 분야의 몇몇 획기적인 성과는 최근 성취되고 있다. 이미지 합성 기술은 이미지를 치료하기 위한 방법을 제공한다.

초기에, 상기 이미지 합성은 동일하거나 또는 서로 다른 이미징 기 법(imaging modality)에 의하여 얻어지는 이미지가 중첩되는 것을 가르키는데, 이는 이들 이미지가 필요에 따라서 기하학적으로 변형된 이후에 되고, 이들의 공간적인 통합이 단일화되어, 상기 위치가 매칭된 이후에 상보적인 정보(complementary information)를 얻고 정보양을 증가시킴에 있다. 한편, 상기 이미지 합성의 연구 범위는 이미지 대치(image contraposition), 합성된 이미지의 디스플레이 및 분석, 대응되는 해부 이미지(MRI, CT)로부터 얻어지는 이전의 정보를 사용하여 방출 데이터(SPECT, PET)에서의 효과적인 교정 및 데이터 재구성(reconstruction)을 포함한다.

항상, 서로 다른 이미징 기법에 의하여 제공되는 정보는 서로에 대하여 상보적이다. 보다 완벽한 정보를 제공하기 위하여 서로 다른 이미징 기법을 사용하도록, 상기 효과적인 정보는 항상 일체적으로 되는 것이 필요하다. 상기 통합화(integration)의 제 1 프로세스는 다수 이미지의 기하학적인 위치들을 공간적인 필드(spatial field)에서 일일이(point by point) 대응되도록 하는 것이다. 이러한 프로세스는 "정렬(registration)"로 언급된다. 상기 통합화의 제 2 프로세스는 합성된 이미지에 포함된 상보적인 정보를 결합하고 상기 정보를 디스플레이하는 것이다. 이러한 프로세스는 "합성(fusion)"으로 언급된다.

서로 다르고 비교적 복잡한 임상적인 요구를 위하여, 낮은 가격으로 실행될 수 있으며, 양호한 효과를 가지는 현존하는 장비와 쉽게 매칭되며, 특히 고강도 집속 초음파 치료 시스템용으로 적합한 기술적인 해결책이, 상기 초음파 치료 기술을 향상시키고 또한 안정성을 향상시키며 치료 시간을 효과적으로 단축시키기 위해 필 요하다. 현재, 초음파 치료 분야에서는 상기와 같은 어떠한 기술적인 해결책이 없다.

본 발명의 목적은 치료의 안전성과 효과성을 향상시킬 수 있고, 비싸지 않는 가격(reasonable cost)으로 치료에서의 기술적인 어려움을 해결할 수 있는 HIFU 치료용으로 치료될 타겟 영역을 국소화(localize)하기 위한 신뢰성 있는 방법을 제공한다. 한편, 본 발명은 상기 초음파 치료를 보다 안전하게 실행할 수 있도록 상기 치료를 모니터하도록 하는 위치선정 방법(locating method)을 사용하고자 한다. 상술된 목적을 실현하기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 기술적인 해결책을 제공한다.

본 발명의 하나의 특징은 집속된 초음파 치료 시스템을 제공하는데, 상기 시스템은, 이 시스템을 제어하고, 음파 에너지 범위를 제어하고 또한 치료 집속점을 이동시키기 위한 수단과, 상기 치료 시스템으로 또는 그것으로 부터 정보를 입력하고 출력하며, 마우스 및 키보드를 사용하여 작동 명령을 입력할 수 있으며, 치료될 영역을 결정하기 위하여 디스플레이에 의하여 초음파 안내 장치로 부터 이송되는 B-모드 초음파 이미지를 관찰하는 인터페이스 장치(interface device)와; 프리셋(preset) 타겟 영역으로 에너지를 적용하고 또한 음파 에너지를 발생시키며, 치료 집속점을 형성하기 위하여 작은 영역, 예를 들면 0.3*0.3*1 ㎤의 영역내에 음파 에너지를 집중시키는 음파 에너지 어플리케이터(applicator)와; 지시에 따라서 이미징하기 위하여 탐침 프로브(detection probe)를 이동시키고 또한 상기 치료 집속점을 위치선정하기 위하여 상기 음파 에너지 어플리케이터를 이동시키기 위한 음파 에너지 어플리케이터의 기계적인 구동 및 위치선정 수단과; 상기 타겟 영역을 스캐닝하고, B-모드 초음파 이미지를 발생시키며, 조작자가 상기 병이든 부분의 위치를 선정하도록 하며 상기 이미지에 따라서 치료를 하기 위하여 음파 에너지를 적용시키도록 하기 위하여 중앙 제어 수단으로 실시간으로 상기 발생된 B-모드 초음파 이미지를 전송하기 위한 실시간 B-모드 초음파 이미지 안내 장치를 포함한다. 상기 집속된 초음파 치료 시스템은 몸체 위치용 고정 수단(immobilization means)을 추가로 포함한다. 상기 몸체 위치용 고정 수단의 도움에 의하여, 상기 실시간의 B-모드 초음파 이미지는 하나의 진단 이미지로 정렬될 수 있으며(또는, "정렬"로 언급됨), 그 다음 상기 정렬을 기초로 하여서, B-모드 초음파 이미지는 상기 치료를 안내하기 위하여 상기 진단 이미지와 합성된다.

본 발명의 하나의 특징에서 언급된 상기 진단 이미지는, CT 이미지에 제한되는 것은 아니지만, MRI 이미지, SPECT 이미지, PET 이미지 또는, 상술된 이미지에 의하여 정렬되거나 합성된 이미지를 포함한다.

본 발명의 치료 시스템에 의하여 채택되는 상기 안내된 치료는 수동으로 이루어진 치료 계획을 가진 치료이다. 또는, 상기 3차원 치료 계획은 상기 진단 이미지를 사용하여서 이루어질 수 있으며, 그 다음 상기 3차원 치료 계획은 상기 실시간 B-모드 초음파 이미지에 반영되며, 상기 자동적인 치료 계획이 이루어진다. 또한, 상기 3차원 치료 계획은 상기 실시간으로 습득된 B-모드 초음파 이미지를 사용하여서 이루어지며, 그 다음 상기 3차원 치료 계획은 상기 변경되고 조정될 진단 이미지에 반영되며, 상기 조정된 계획에 따라서 자동적인 치료가 실행된다.

또한, 본 발명의 시스템은 3차원 치료 계획을 이룰 수 있으며, 자동적인 치료를 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 시스템은 치료 효과에서 실시간 평가를 위하여 B-모드 초음파를 채택할 수 있다.

한편, 본 발명은 이미지 정렬을 위한 위치선정 수단(locating means)을 제공한다. 상기 특별하게 이루어진 국소화 및 고정 수단은 진단 장비와 인터페이스(interface)될 수 있고, CT, MR 등과 같은 검사될 진단 장비의 테이블상에 위치될 수 있으며, 이미지상에 아무런 영향을 미치지 않는다. 상기 위치선정 수단은 치료 장비와 인터페이스될 수 있도록 설계된다. 이러한 위치선정 수단으로써, 환자는 치료 장비의 테이블상에 고정되고, 한편, 치료를 위한 몸체 위치의 일치성과 첵킹을 위한 몸체 위치가 보장된다. 서로 다른 진단 장비를 위하여, 위치선정 수단의 서로 다른 인터페이스는 진단 장비와의 가장 양호한 매칭과 그 편리한 설치를 보장하도록 설계된다.

보다 정확한 국소화를 할 수 있는 집속된 초음파 치료 시스템을 제공함으로써, 본 발명은 기존의 초음파 치료 시스템과의 인터페이스를 쉽게 실현하고, 특히 종양의 임상적인 국소화를 용이하도록 하며, 치료 계획을 세우며 치료를 실시간으로 모니터할 수 있도록 모니터링용의 현존된 서로 다른 의료 진단 이미지와 B-모드 초음파 이미지를 통합화시킨다. 조작자는 치료될 타겟 영역을 정확하게 찾아낸다.

발명의 효과

CT 또는 MRI 이미지의 정렬과 같은 실시간 B-모드 초음파 이미지와 진단 이미지를 통하여, 조작자는 치료될 타겟 영역을 정확하게 찾아낼 수 있다. 이미지 정렬을 기초로 하여서, 본 발명은 조작자가 치료를 보다 양호하게 수행할 수 있도록 정렬된 이미지, CT 또는 MRI 이미지와 실시간 B-모드 초음파 이미지를 합성시킨다. 이미지 정렬 및 합성을 기초로 하고 또한 3차원 치료 계획을 통하여, 3차원의 자동적인 치료 및 실시간 3차원의 가상 치료 모니터링이 수행된다. 본 기술분야에서 기존의 기술적인 해결책과 비교하여서, 본 발명은 고강도 집속 초음파 치료에서 어려운 문제점을 효과적으로 해결하며, 특히 낮은 가격으로 종양 치료를 하게 된다. 이것은 종양의 임상적인 치료에 쉽게 적용될 수 있는 매우 실질적인 기술적 해결책을 제공한다.

본 발명의 요약 이후에, 본 발명의 목적, 장점 및 그 구현은 첨부된 도면과 실시예에 의해 다음의 상세한 설명을 참고로 함으로써 당업자가 보다 잘 이해할 것이다.

도 1은 본 발명의 초음파 치료 시스템을 도시하는 그래프이다.

도 2a는 본 발명의 치료를 위하여 B-모드 초음파 이미지와 CT의 정렬 및 합성용 작동 흐름도이다.

도 2b는 본 발명의 치료를 위하여 B-모드 초음파 이미지와 MRI의 정렬 및 합성용 작동 흐름도이다.

도 2c는 본 발명의 치료를 위하여 B-모드 초음파 이미지의 정렬 및 합성과, CT 및 MRI의 합성된 이미지용 작동 흐름도이다.

도 3a는 본 발명의 위치선정 수단의 설치 위치를 도시하는 다이아그램이다.

도 3b는 진단 이미지와 B-모드 초음파 이미지의 정렬을 위한 것으로서 통상적으로 진공 고정 언더레이(underlay)로 표시된 위치선정 수단을 도시하는 다이아그램이다.

도 3c는 진단 이미지와 B-모드 초음파 이미지의 정렬을 위한 것으로서 진공 이후에 진공 고정 언더레이로 표시되는 위치선정 수단을 도시하는 다아이그램이다.

도 4는 본 발명의 이미지 정렬 흐름을 도시하는 다이아그램이다.

도 5는 치료와, 치료 베드 상의 위치선정 수단의 장착을 도시하는 다이아그램이다.

실시예 1

도 1 및 도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는, 작동 제어 시스템(1), 3차원 치료 계획 시스템(2), 에너지 제어기(3), B-모드 초음파 시스템(4), 다차원(multidimensional) 운동 시스템(5), 물 치료 시스템(6), 치료 베드(7) 및 위치선정 수단(8) 등을 포함한다.

본 발명의 실시예 1에서, 상기 진단 이미지는 비교적 고 해상도의 CT 이미지이다. 시장에는 많은 종류의 현존하는 CT 스캐너가 있으며, GE, 필립스, 지멘스, 도시바 등의 제품이 있고, 예를 들면 GE로 부터의 LightSpeed16이 선택될 수 있다. 관련되는 정보를 위해, http://www.gehealthcare.com/cnzh/rad/ct/products/light_series/index.html를 참고한다.

환자의 CT 이미지와 B-모드 초음파 이미지(상기 B-모드 스캐너는 ESAOTE DU4를 채택할 수 있으며, http://www.esaote.com.cn/product.asp를 참조하기 바람) 는 조작자가 치료를 수행하도록 안내하기 위하여 정렬되고 합성된다. 또는, 상기 정렬되고 합성된 이미지에 따라서, 3차원 치료 계획이 이루어지고 조작자의 모니터링하에서 상기 자동적인 치료가 실행된다.

본 발명의 실시예 1의 작동 흐름은 도 2a에 도시된다.

먼저, 주 진단 이미지(primary diagnosis image)에 따른 치료용의 초기 몸체 위치가 결정되고, B-모드 스캐너에 의하여 모니터링하에서 치료 장비 상의 가상 치료가 수행되며, 치료용의 적절한 몸체 위치가 결정된다. 이러한 프로세스는 프리-위치결정(pre-positioning)으로 언급된다. 상기 프리-위치결정이후에, 상기 종양은, 예를 들면 CT 또는 MRI와 같은 고해상도를 가진 진단 이미징, 또는 예를 들면 PET와 같은 기능적인 이미징에 의하여 검사될 수 있다. 어떠한 검사이전이라도, 환자는 프리세트된 몸체 위치에 따라서 고정될 필요가 있고, 좌표 시스템이 정렬되어야만 한다. 검사 이후에, 이미지가 추출되고, 주 치료 계획이 상기 이미지에 따라서 이루어질 수 있다. 치료를 하기 이전에, 환자는 프리셋트된 몸체 위치에 따라서 상기 치료 장비 상에 국소화된다. 상기 국소화이후에, 상기 이미지 정렬 및 합성이 실행되고, 마지막 치료 계획이 결정된다. 실시간으로 정렬되고 합성되는 이미지에 의하여 안내되고 3차원 가상 현실 시스템의 모니터링 하에서의 치료가 실행된다. 상기 치료가 종료된 이후에, 상기 치료 효과가 분석되고 평가되며, 리포트가 발행된다.

실시예 2

본 발명의 실시예 2는 도 1 및 도 2b를 참조한다. 비교적 고해상도의 진단용 MRI 이미지와, 치료 시스템의 B-모드 초음파 이미지는, 조작자가 치료를 수행할 수 있도록 안내하기 위하여 정렬되고 합성된다. 또는, 상기 정렬되고 합성된 이미지에 따라서, 3차원 치료 계획이 이루어지고, 그 다음 조작자에 의해서 모니터링 하에서의 자동적인 치료가 실행된다.

상기 MRI 이미지는, 시판되는 장비, 예를 들면 GE로 부터의 Signa MR/i 1.0/1.5T(http://www.gehealthcare.com/cnzh/rad/mri/products/mri/mri.html를 참조하기 바람)로부터 얻어질 수 있다.

실시예 3

본 발명의 실시예 3은 도 1 및 도 2c를 참조한다. 상기 치료 시스템의 비교적 고해상도를 가진 CT와 MRI의 합성된 이미지와, B-모드 초음파 이미지는 조작자가 치료를 수행하도록 안내하기 위하여 정렬되고 합성된다. 또는, 상기 정렬되고 합성된 이미지에 따라서, 3차원 치료 계획이 이루어지고, 그 다음 조작자에 의한 모니터링 하에서의 자동적인 치료가 실행된다.

CT 및 MRI 이미지 합성 이전에, 환자의 CT 스캔 및 MRI 스캔이 각각 수행된다. 스캐닝될 때에, 상기 위치선정 수단(8)은 국소화 및 고정화를 위하여 사용된다.

다른 절차들은 실시예 1의 것과 동일하다.

본 발명의 실시예의 통상적인 작업 절차

본 발명의 다른 치료 절차들은 이후에 상세하게 설명된다.

초기 위치결정( initial positioning ) 및 프리 -위치결정( pre - positioning )

초기 위치결정 및 프리-위치결정의 작동은 매우 간단하며, 이전에도 많은 치료 모드에서 사용될 수 있었다. 조작자는 필름 또는 CD 형태로 존재할 수 있는 초기 진단 이미지를 얻는다. 이러한 이미지로부터, 상기 조작자는 종양의 크기 및 위치를 결정할 수 있으며, 조작자 그 자신의 경험에 따라서 양호한 치료 효과가 성취될 수 있는 몸체 위치를 초기에 결정할 수 있으며, 음파 에너지는 둘러싸인 정상적인 조직과 위험한 기관(dangerous organ)를 손상시키기 않고 종양 영역에 완전하게 집속될 수 있다. 그 다음, 조작자는 본 발명의 치료 장비에 프리-포지션을 만들고, 치료를 위한 적절한 몸체 위치를 결정할 수 있도록 모니터하기 위하여 상기 장비상의 B-모드 초음파를 사용한다. 도 3에서의 진공 매트(vaccum mat)(802)는 형성화 및 고정화를 위하여 사용된다. 그리고, 상기 위치선정 및 핏팅(fitting) 마크는 몸체 피부상에 일반적으로 이루어지며, 이것은 예를 들면 가슴의 피부를 이동시키는 것이 어렵다. 또는, 상기 마크는 뼈의 단부 위치에 따라서 이루어진다.

이미지 정렬의 실현

본 발명은 이미지 정렬을 실현하기 위하여 간단한 계산과 함께 상기 위치선정 수단(8)을 사용한다. 상기 정렬은 단지 수평방향 이동 및 줌 스케일(zoom scale)이다. 상기 계산은 아래에 기재된 바와 같다. 주의: 아래에 기재된 모든 종류의 좌표 시스템은 3D 데카르트 좌표 시스템(Cartesian Coordinates Systems)이다. 각 축의 방향은 동일하고, 단지 원래의 포인트의 위치만이 서로 다르다.

상기 위치선정 수단의 좌표 시스템에 대한 이미징 좌표 시스템의 오프셋(offset)은 Offset1(x,y,z)이고; 여기에서, 상기 Offset1의 결정은 이후에 설명된다(식 7).

치료 장비의 좌표 시스템에 대한 위치선정 수단의 좌표 시스템의 오프셋은 Offset2(x,y,z)이고; 여기에서, Offset2의 결정은 이후에 설명된다.

상기 진단 이미지의 하나의 픽셀 도트(pexel dot)에 의하여 점유되는 공간(mm)은 PixelSpacingc(x,y,z)이다. 상기 스케일의 x성분과 y성분은 진단 이미지상의 스케일에 의하여 측정될 수 있다. z성분은 스캔될 슬라이스(slice)사이의 거리와 동일하거나, 또는 DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)의 표준적인 의료 이미지로 부터 판독될 수 있다. 현재, 모든 주류(mainstream) 진단 이미지 장비는 상기 포멧을 가진 의료 이미지를 제공한다.

픽셀의 모든 유닛이 "mm"단위로 환산된 이후에, 진단 이미지에서 Pc(x,y,z)의 어떠한 점도 P(x,y,z)의 점이 된다. 상기 위치선정 수단에서 점의 좌표는 P1이고, 따라서,

(식1)

P가 공지된다면, 아래와 같이 Pc를 구한다:

(식2)

P로부터 P1를 아래와 같이 구한다:

P1.x = P.x + Offset1.x
P1.y = P.y + Offset1.y
P1.z = P.z + Offset1.z (식3)

치료 좌표 시스템에서 P점의 좌표는 P2이고, 따라서,

(식4)

상기 치료 좌표 시스템에서 P2의 어떠한 점도 공지된다면, 아래와 같이 진단 이미지의 좌표 시스템에서 P의 점을 구한다:

(식5)

픽셀 유닛을 가진 Pc의 점은 식2를 사용하여서 계산된다.

상기 B-모드 초음파 이미지에서 Pb의 점에 따라서, 상기 치료 좌표 시스템에서의 상기 점의 P2의 좌표가 구해질 수 있다.

상기 B-모드 초음파 이미지에서 하나의 픽셀 도트에 의해 점유되는 공간(mm), 즉 스케일은 PixelSpacingb(x,y,x)이다. 상기 스케일의 x성분과 y성분은 상기 B-모드 초음파 이미지상의 스케일에 의하여 직접 측정될 수 있다. z성분은 스캔될 슬라이스(slice)사이의 거리와 동일하다.

상기 치료 좌표 시스템에 대한 B-모드 초음파 이미지의 좌표 시스템의 오프셋은 Offsetb(x,y,z)이다. Offsetb는 치료 장비의 B-모드 프로브(probe)의 설치에 의하여 결정된다. 이것이 상기 치료 장비에 의하여 결정되기 때문에, 어떠한 계산도 필요가 없다.

(식6)

P2가 구해진 이후에, 식5를 사용하여서 P가 계산될 수 있고, 그 다음 이미징 좌표 시스템에서 이것의 Pc가 식2를 사용하여서 계산된다.

일반적으로 정렬될 때에, 먼저 B-모드 초음파 이미지를 실시간으로 얻는다. 상기 어떤 영역에서 정렬이 수행된다면, 상기 영역은 Pb1 및 Pb2의 점의 x,y성분에 의하여 결정되는 직사각형 영역(모든 이미지에서 모든 점의 z-좌표는 동일하다)으로 설정되도록 가정된다.

상기 진단 이미지에서 Pb1 및 Pb2의 Pc1 및 Pc2 좌표는 (식2), (식5) 및 (식6)를 각각 사용하여서 계산되고, 그 다음 Pc1 및 Pc2의 x,y성분에 의하여 결정되는 직사각형 영역내의 이미지가 얻어진다. B-모드 초음파 이미지의 스케일 PixelSpacingb가 진단 이미지의 스케일 PixelSpacingc와는 다르기 때문에, 상기 얻어진 진단 이미지는 PixelSpacingc/PixelSpacingb(식7)의 줌밍 계수로 줌될 것이다. 상술된 치료 이후에, 상기 B_모드 초음파 이미지의 소정 영역에서 대응되는 정렬 진단 이미지가 존재하고, 따라서 이미지 정렬이 실현된다.

인체는 위치선정 수단(8)이 사용될 때 경직 환자(rigid subject)로서 간주된다. 상기 B-모드 스캐너, CT 또는 MR은 상기 경직 환자의 이미지를 얻기 위하여 사용된다. 상기 B-모드 초음파 이미지의 좌표, 크기 및 스케일은 CT 또는 MR 이미지의 것들과는 다르기 때문에, 좌표, 크기 및 스케일의 변환(transformation)이 필요하다. 상기 오프셋은 상기 위치선정 수단에 의하여 얻어진다.

도 3a에 도시된 바와 같이 이미지 정렬용의 위치선정 수단(8)은, 주로 위치선정 플레이트(801), 치료 위치 마크(802), 위치선정 캐리지(803), 위치선정 필러(pillar)(804), 진공 고정 언더레이(805), 치료 록킹 수단(806) 및, 바인딩 스트립(807) 및, 상기 바인딩 스트립(binding strip)(나이론 아그라프(nylon agraffe), 훅크 및 루프)(808)상의 세타 버클(seta buckle)(808)을 포함한다.

상기 위치선정 수단(8)은 경직 환자와 같은 환자를 고정하는데에 사용된다. 서로 다른 시간에, 환자 몸체의 공간적인 위치는 변화될 수 있지만, 환자의 몸체는 변형되지 않는다.

이미지 정렬

이미지 정렬용 작동 흐름은 도 4에 도시된다. 위치선정 수단(8)의 원리, 설치 및 작동은 도 5에 도시된다.

위치선정 수단(8)은 치료 장비와 진단 장비 사이의 설치 인터페이스(interface)용 위치결정 플레이트(801)와; 상기 위치 결정 플레이트(801)에 대한 진공 고정 언더레이의 위치를 결정하기 위하여 위치 결정 플레이트(801)의 상부면 위에 설치된 위치선정 필러(804) 및; 상기 인간 몸체와 상기 위치결정 플레이트 사이에서 사용되며 상기 위치결정 플레이트(801) 상에 위치되는 진공 고정 언더레이(805)를 포함한다. 상기 위치선정 필러(804)는 매트(mat)의 수평 위치를 결정하기 위하여 사용된다. 인간의 몸체는 진공 고정 언더레이(805) 위에 놓이며, 상기 몸체의 표면은 진공 고정 언더레이에 밀착된다. 상기 진공 고정 언더레이(805)가 진공으로 된 이후에, 이것은 경직으로 형성되며 환자를 고정하여 위치시킨다. 상기 바인딩 스트립(807)의 일단부는 상기 위치결정 플레이트(801) 상에 고정된다. 상기 바인딩 스트립(807)의 다른 단부에서의 세타 버클은 다른 바인딩 스트립의 세타 버클과 함께 사용하기 위하여 빠르게 접착된다. 치료 위치선정 마크(802)는 상기 치료 베드에 대한 인체의 축방향(z-축)을 따라서 상기 위치선정 수단의 오프셋을 결정하는데에 사용된다. 이것은 위치선정 좌표 시스템의 제로-위치에 위치된다. 치료 록킹 수단(806)은 치료 동안에 치료 베드(7)에 대한 위치결정 플레이트의 이동을 피하기 위하여 상기 치료 베드(7) 상에 위치결정 플레이트(801)를 고정시키는데에 사용된다.

진공 고정 언더레이에 대해서는, http://www.topslane.com.cn/pro02-VFUc.html를 참고한다. 본 발명은 Topslane International, Inc.에 의해서 제조된 진공 고정 언더레이를 채택한다. 이것은 조작자가 종양을 가진 환자를 위치결정하고 재위치결정하도록 도와준다. 진공 쿠션은 특정의 입자 재료(granular material)로 충전된다. 상기 진공 쿠션은 환자가 쉽게 성형되도록 하기 위하여 통상의 압력하에서는 소프트하다. 상기 진공 쿠션의 공기가 빠지고 난 이후에는, 환자의 몸체 외형에 점차적으로 적응되기 위하여 진공 쿠션은 경화되고, 몇 분이 지 난 이후에, 이것은 환자의 해부학적 외형에 전체적으로 완전하게 적응되게 경직의 몰드로 된다. 이러한 방법에서, 치료 국소화 및 위치결정의 치료 정확성이 보장되고, 국소화 및 위치결정의 시간은 작업 효율을 향상시킬 수 있도록 감소될 수 있다. 공기가 빠져나간 이후에, 상기 진공 고정 언더레이는 오랜 시간 동안에 일반적으로는 30일 정도 형상을 유지할 수 있다. 서로 다른 상태하에서 서로 다른 형태의 진공 고정 언더레이는 도 3b 및 도 3c에 도시된다.

상기 위치결정 플레이트(801)는 치료 장비와 진단 장비의 이동으로 어떠한 인터페이스도 없이 스무스한 설치를 보장할 수 있도록 초음파 치료 장비와 진단 장비의 치료 베드에 따라서 설계된다.

치료 장비상에서 위치선정 수단(8)의 설치 및 위치선정

프리-위치결정(pre-positioning)은 도 5에 도시된다. 상기 위치결정 플레이트(801)의 중앙에 설계되는 구멍이 있고, 또한 상기 치료 어플리케이터(10)로 부터 발산되는 음파 에너지가 어떠한 장애도 없이 인간 몸체 내로 전송될 수 있도록 상기 진공 고정 언더레이의 중앙에 대응되는 구멍이 있으며, 치료 집속점(12)은 환자의 병이든 영역에 형성된다. 국소화를 위한 치료 베드의 상승된 부분을 매칭시키는 것을 보장할 수 있도록 상기 위치결정 플레이트(801)의 하부면에는 매칭 홈(matching groove)이 있다. 상기 위치결정 플레이트(801)가 치료 베드와 잘 매칭된 이후에, 상기 위치선정 수단의 좌표 시스템은 치료 장비의 좌표 시스템과 관련된다. 통상적으로, 상기 위치선정 수단 및 치료 장비의 2개의 좌표 시스템의 x 방향 및 y 방향의 원점(orgin)이 중첩되고, 수직 방향의 z-좌표만이 오프셋된다. 상기 오프셋 SP는 마크(802)를 통한 치료 장비의 좌표 시스템의 z-좌료로 부터 판독될 수 있다.

x,y,z-방향의 장착에서의 오프셋은 치료 장비의 좌표 시스템에 대한 위치선정 수단의 좌표 시스템의 오프셋이고, 즉 Offset2(x,y,z); Offset2.x=0; Offset2.y=0; Offset2.z=SP 이다.

상기 위치결정 플레이트(801)가 치료 베드에 설치된 이후에, 정상적인 상태 하에서 상기 진공 고정 언더레이(805)는 상기 위치결정 플레이트(801) 상에 위치된다. 이 때에 상기 진공 고정 언더레이(805)가 소프트하게 되기 때문에, 상기 위치선정 필러는 진공 고정 언더레이에 의하여 감싸여지고, 상기 위치선정 구멍은 진공 고정 언더레이에 있는 공기가 취출된 이후에 상기 위치선정 필러를 따라서 형성된다. 상기 진공 고정 언더레이(805)가 장착된 후에, 이 때 환자는 진공 고정 언더레이 상에 위치되고 치료될 영역주위의 몸체 표면은 상기 진공 고정 언더레이(805)와 위치결정 플레이트(801)의 구멍과 정렬된다. 그 다음, 상기 바인딩 스트립(807)은 환자와 함께 상기 소프트 진공 고정 언더레이를 균일하게 바인드하기 위하여 사용된다. 그리고, 그 다음 상기 진공 고정 언더레이에서의 공기는 이것의 형상을 마루리하기 위하여 진공 펌프를 사용하여 취출된다. 상기 형상이 마무리된 이후에, 조작자는 병이든 부분을 관찰하기 위하여 B-모드 초음파 이미지를 사용하여, 상기 몸체 위치가 적절한지를 판정한다. 적절하지 못하다면, 소프트될 때까지 상기 진공 고정 언더레이내로 어느 정도가 공기가 펌프될 필요가 있다. 그 다음, 환자의 몸 위치는 재조정될 것이며, 상기 진공 고정 언더레이에서의 공기는 적절한 몸체 위치가 될 때까지 다시 한번 더 취출된다. 상기 적절한 몸체 위치가 결정된 이후에, 재위치결정시에 첵킹 및 교정을 용이하게 할 수 있도록 마크 펜을 사용하여서 매칭 마크가 인간 몸체와 진공 고정 언더레이상에서 이루어질 것이다. 그 다음, 치료 장비상에서 환자의 설치 및 위치가 끝나게 된다. 이러한 위치선정 프로세스는 치료의 프리-위치결정 또는 초기 위치결정으로 언급된다.

초기의 위치결정이 완료된 이후에, 상기 바인딩 스트립은 해제된다. 상기 진공 고정 언더레이가 형성될지라도, 이것은 어느 정도의 탄성을 여전히 가지며 이것은 적절한 변형 이후에 회복될 수 있다. 또한, 상기 진공 고정 언더레이는 완전히 폐쇄되지는 않는다. 따라서, 환자는 진공 고정 언더레이의 형상에 대한 파손이 없이 상기 진공 고정 언더레이로 부터 쉽게 취출될 수 있다. 그 다음, 상기 진공 고정 언더레이는 저장을 위하여 상기 위치결정 플레이트로 부터 이격되게 되며, 브리드 구멍(bleed hole)은 폐쇄된 상태에서 유지될 것이다. 마지막으로, 상기 위치결정 플레이트(801)는 치료 베드로부터 이격되게 된다.

그 다음, 상기 위치선정 수단(8)이 장착되고, 환자는 진단 장비 상에 위치된다.

진단 장비상에서 위치선정 수단의 설치 및 위치결정(진단 위치결정)

환자와 위치선정 수단은 검사실에 함께 들어간다. 먼저, 상기 위치결정 플레이트(801)는 예를 들면 MR 또는 CT인 진단 장비 상에 설치된다. 이것의 설치는 간단하고, 상기 위치결정 플레이트(801)는 상기 진단 장비 상에 직접 위치되고, 상기 위치결정 플레이트는 어떠한 경사도 없이 상기 진단 장비에 평행하게 유지된다. 상기 위치결정 플레이트(801)와 검사 베드사이에 어떠한 록킹도 필요없으며, 상기 위치결정 플레이트와 검사 베드사이의 마찰은 첵킹 동안에 상기 검사 베드에 대한 상기 위치결정 플레이트의 어떠한 이동도 없는 것을 충분하게 보장할 수 있다. 그 다음, 상기 형성된 진공 고정 언더레이(805)는 상기 위치결정 플레이트(801) 상에 위치되며, 상기 진공 고정 언더레이의 위치선정 구멍은 위치결정 플레이트 상에서 위치선정 필러(804)와 매치할 것이다. 그 다음, 환자는 진공 고정 언더레이내로 들어가며, 인체와 진공 고정 언더레이의 매칭 마크는 신중하게 첵크될 것이다. 마지막으로, 상기 바인딩 스트립은 어떠한 흔들림(shaking)도 피하기 위하여 상기 인체와 진공 고정 언더레이를 바인드하기 위하여 사용된다.

상기 진단 및 시험의 위치결정이 끝난 이후에, 진단 장비의 조작자에 의하여 상기 스캐닝이 수행될 수 있다.

상기 검사가 완료된 이후에, 상기 바인딩 스트립(807)은 해제되고 환자는 상기 진공 고정 언더레이로 부터 나오게 된다. 한편, 상기 진단 장비의 조작자는 이후의 이미지 분석과 초기 치료 계획용 CD에 대한 이미지 데이터를 기록하고, B-모드 초음파 이미지 정렬을 위해 준비하게 된다.

상기 치료 장비의 좌표 시스템에 대한 위치선정 수단의 좌표 시스템의 Offset2가 결정되고, 상기 위치선정 수단의 좌표 시스템에 대한 진단 이미지의 좌표 시스템의 Offset1(x,y,z)는 다음과 같이 결정된다.

상기 Offset1은 이미지 마크 인식에 의하여 결정된다.

상기 위치선정 캐리지(803)는 상기 위치선정 수단 상에 정렬된다. 상기 위 치선정 캐리지(803)는 적어도 하나의 마커(marker)를 가진다. 각각의 마커는 상기 위치선정 수단의 좌표 시스템에서 고정된 좌표 Ps를 가진다. 이러한 마커들은 상기 진단 이미지에서 상기 인체의 조직과는 다른 회색 스케일(gray scale)을 가진다. 이들은 이미지상에서 밝은 점(bright point) 또는 어두운 점(dark point)으로서 디스플레이된다. 예를 들면, 상기 CT 이미징에서 마커는, 예를 들면 철과 같은 금속이 될 수 있으며, 이것은 CT 이미지상에서 밝은 점이 된다. 인식을 통하여, 이들 마크들은 소프트웨어에 의해 자동적으로 또는 마우스를 통한 조작자의 수동으로 상기 컴퓨터상에 디스플레이되는 이미지상에서 원으로 될 수 있다. 상기 소프트웨어는 마우스 위치에 따른 상기 이미지에서의 이들 마커의 좌표 Pc를 계산할 수 있고, 따라서

(식7)이 된다.

치료될 때의 위치결정(치료 위치결정)

도 5에서, 먼저 상기 위치결정 플레이트(801)는 상기 치료 베드(7) 상에 고정된다. 여기에서, 작동은 프리-위치결정의 것과 동일하다. 상기 형성된 진공 언더레이(805)는 위치결정 플레이트(801) 상에 위치되고, 상기 진공 고정 언더레이(805)의 위치선정 구멍은 상기 위치결정 플레이트(801) 상에 위치선정 필러(804)와 매치될 것이다. 그 다음, 상기 치료 장비의 물 백(water bag)(9)을 고정하기 위한 물 밀봉 크로쓰(water seal cloth)(11)는 상기 진공 고정 언더레이(805)를 덮 으며, 상기 물 밀봉 크로쓰(11)의 저부의 개구는 물을 밀봉하기 위하여 물 백의 브림(brim) 상에 고정된다. 상기 물 밀봉 크로쓰(11)는 얇으며, 단지 0.1mm 이하의 두께이므로, 따라서 상기 물 밀봉 크로쓰(11)의 하나의 층을 부가하는 것은 검사 위치선정에 대한 치료에 어떠한 영향도 미치지 않을 것이다. 그 다음, 환자는 상기 진공 고정 언더레이(805) 상에 고정되고, 물 밀봉 크로쓰(11)와 환자의 매칭 마크 및 진공 고정 언더레이가 주위 깊게 첵킹될 것이다. 마지막으로, 상기 바인딩 스트립(807)은 상기 진공 고정 언더레이(803) 및 위치결정 플레이트(801)와 함께 환자를 바인드하기 위하여 사용된다. 상기 치료 위치결정이 수행될 때에, 상기 위치선정 수단의 설치는 때때로 프리-위치결정과는 다르기 때문에, 따라서 Offset2는 상기 위치결정 작동의 결과로 된다.

상기 위치선정 수단은 상기 공간적인 위치의 변화가 어떠한 회전도 없이 상기 수평방향 이동만인 것을 보장한다. 이러한 점은 진단 이미지와 B-모드 초음파 이미지의 정렬을 보다 간단하게 한다. 이것은 복잡한 이미지를 수학적으로 할 필요가 없다. 이것은 높은 신뢰성을 가진 기계적인 보장에 따른 정렬이다.

일반적으로, 이미지 정렬을 실현하는 것은 매우 복잡하다. 일반적인 정렬 방법은 다음의 단계를 포함한다: 특징의 추출, 특징의 매칭, 변형의 선택 및 전체 변형을 구현하고 결정하는 인자를 포함한다. 각각의 단계는 많은 수의 조작과 작동을 필요로 한다. 예를 들면 동일한 마커일 때에 특징을 추출하는 것은, 흉골(sternum)이 정렬될 2개의 이미지로부터 각각 추출되며, 이미지상의 흉골의 적절한 위치 또는 흉골의 특징, 예를 들면 회색 스케일 특징 또는 조직 특징은 조작자에 의하여 명백하게 주어질 것이며, 그 다음 주어진 특징에 따라서 작동과 추출을 수행하기 위해 컴퓨터가 사용된다. 현재에 자동적인 정렬을 위한 몇몇 종류의 소프트웨어가 있을지라도, 작동 양은 크게되고 정확성은 높지 않다. 특히, B-모드 초음파 이미지를 위하여, 각 조직의 특징은 매우 명백하지 않으며 자동적은 정렬은 더욱 어렵게 된다. 현재, B-모드 초음파 이미지와 다른 진단 이미지의 자동적인 정렬을 위한 소프트웨어는 없다. 그러나, 본 발명의 시스템은 정렬될 2종류의 이미지 사이에 존재하는 위치의 수평 운동만 하고, 또한 간단한 줌밍을 하기 위하여 몸체 위치의 고정 수단을 사용한다. 정렬의 작동은 상술한 바와 같이 수학적으로 매우 간단하다.

분명하게, 인체 그 자체의 상태 변화 또는 내장의 물리적인 운동으로 인해, 이미징될 때 환자의 물리적인 상태가 치료될 때와 다르게 된다면, 완전히 기계적인 정렬에 의존하는 상술된 이미지의 약간의 편향(deviation)이 발생될 수 있다. 상기 치료 장비상의 B-모드 스캐너의 스캐닝동안에, 환자의 호흡은 제한되는 것이 요구되며, 일반적으로 상기 스캐닝은 흡기(들숨)가 끝나거나 또는 호기(날숨)이 끝나게 될 때에 실행된다. 환자는 스캐닝동안에 호흡을 할 수 없기 때문에, 상기 스캐닝은 매우 짧은 시간에 완료되어야 한다. 이러한 종류의 편향은 2개의 이미지에서 분명한 마크를 가진 기관을 비교함으로써 검출될 수 있으며, 그 다음 정확한 정렬을 위하여 소프트웨어 작용에 의하여 교정될 수 있다.

이미지 합성

이미지가 정렬된 이후에, B-모드 초음파 이미지와 다른 진단 이미지를 합성하고 동일한 위치에서 2개의 이미지를 디스플레이하기 위하여 컴퓨터 기술을 사용할 수 있다. 이러한 방법에서, 상기 합성된 B-모드 초음파 이미지상에서, 조직 또는 종양을 명백하게 찾을 수 있으며, 이것은 합성 이전에 다른 진단 이미지상에서만 볼 수 있다. 이미지 정렬을 기초로 하여, 2개의 이미지는 합성 수학식에 따라서만 합성되고 그 다음에 디스플레이된다. 조작자는 종양 경계와 치료될 타겟 영역을 정확하고 빠르게 결정하고 또한 신뢰성있으며 효과적인 치료를 수행하기 위한 기초로서 상기 합성된 이미지를 직접 사용할 수 있다.

이미지 합성 디스플레이는 컴퓨터 이미지 처리의 한 종류이다. 많은 이미지 합성 방법이 있으며, 상기 슬라이스를 기초로 하는 2차원 합성 방법을 채택한다. 아래와 같은 비교적 간단하고 효과적인 몇가지 방법이 있다:

1. 직접적인 합성: 2개의 이미지는 투명하게 중첩되고 2개의 이미지의 디스플레이 밀도의 스케일은 제어된다;

2. 컬러 성분 중첩 방법: 컴퓨터에 의하여 표현되는 각각의 컬러는 3개의 성분(R,G,B)을 가진다. 상기 제 1 이미지의 하나 또는 2개의 성분은 제 2 이미지의 회색 레벨에 의하여 대체된다. 이러한 방법에서, 상기 중첩된 이미지는 컬러풀한 이미지(colorful image)이다.

3. 상기 제 2 방법에 의하여 발생되는 이미지는 회색 이미지로 변형된다.

4. 스페이싱 선택(spacing choice): 상기 제 1 이미지에서 하나 또는 몇몇의 픽셀을 스페이싱(spacing)하는 픽셀은 제 2 이미지에서 대응되는 좌표를 가지는 픽셀로 대체되고 새로운 이미지가 얻어진다.

하나 또는 몇몇의 방법이 실질적인 적용에 따라서 이미지 합성용으로 선택될 수 있다.

이미지 정렬 이후의 치료 방법

종양이 작고 또한 그 주위에 결정적인 조직이 없다면, 3차원 치료 계획이 사용되지 않을 수 있다. 조작자는 정렬되거나 또는 합성된 이미지에 따라서 치료될 타겟 영역을 결정할 수 있고, 경험에 따라서 치료용의 적절한 투약을 제공한다.

정렬된 이미지는 치료될 타겟 영역을 결정하는데에 사용된다. 치료될 상기 타겟 영역은 B-모드 초음파 이미지에 의하여 결정될 수 있고, 한편 이러한 영역은 상기 정렬된 CT 이미지에서 디스플레이될 수 있다. 조작자는 먼저 상기 B-모드 초음파 이미지에서 치료될 타겟 영역을 결정하고, 상기 정렬된 CT 이미지에서 상기 타겟 영역을 첵크할 수 있다. 어떠한 차이도 발견되지 않는다면, 상기 치료는 적절한 조정 이후에 실행될 수 있다. 또한, 상기 치료될 타겟 영역은 정렬된 CT 이미지에 의하여 결정될 수 있으며, 한편 이러한 영역은 실시간 B-모드 초음파 이미지에서 디스플레이될 수 있다. 상기 조작자는 B-모드 초음파 이미지에서 치료될 타겟 영역을 첵크할 수 있다. 어떠한 차이점도 발견될 수 없다면, 상기 치료는 적절한 조정이후에 실행될 수 있다.

이미지 정렬 또는 합성을 기초로 하는 3차원 치료 계획

환자가 CT 또는 MRI와 같은 진단 장비에 의하여 검사되는 것이 종료하고, 상기 첵킹 이미지가 얻어질 때에, 이미지 세그멘테이션(segmentation)과 3차원 재구성을 수행하기 위하여 이들 첵킹 이미지를 사용할 수 있다. 3차원 재구성을 기초 로 하여서, 상기 종양의 경계, 음파 경로에서의 조직 및, 결정적인 기관들이 분석되고, 상기 치료 경료와 치료 투약은 초음파 치료 전문 데이터베이스와 관련하여서 결정된다. 그 다음, 종합적 치료 계획이 이루어진다.

이미지 정렬 이후에, 상술된 바와 같이 이루어진 치료 계획은 정렬 관계를 사용하여서 치료 장비의 좌표 시스템으로 변형된다. 그리고, 치료 계획의 신뢰성을 첵크하고 치료 계획을 평가하거나 또는 변경하기 위하여 3차원의 모의적인 치료 장비에서 실행된다. 상기 모의 치료가 지나간 이후에, 상기 치료 계획은 치료 제어 시스템으로 보내어진다. 조작자는 치료를 모니터하고 치료 효과를 평가하며 또한 3차원의 가상 치료 모니터링의 도움에 의하여 자동 또는 반자동 치료를 실행하기 위하여 실시간 B-모드 이미징 시스템을 사용할 수 있다.

당업자는 상술된 실시예의 많은 변경 또는 향상을 손쉽게 하거나 또는 다른 분야에 적용할 수 있다. 본 발명은 모든 종류의 실시예와 적용을 포함한다. 비록 본 발명이 양호한 실시예에 따라서 기재되었을지라도, 본 발명의 범위는 본 발명의 청구범위를 제외하고는 제한되지 않는다.

Claims

집속된 초음파 치료 시스템으로서,

상기 시스템을 제어하고, 음파 에너지 범위를 제어하고 초음파 집속점을 이동시키기 위한 수단과, 상기 치료 시스템으로 또는 그것으로부터 정보를 입력 및 출력하기 위한 인터페이스 장치(interface device)를 포함하는 중앙 제어 수단과;

프리셋트된 환자의 타겟 영역에 에너지를 적용하고, 초음파 집속점을 형성하기 위한 음파 에너지 어플리케이터(applicator)와;

상기 초음파 집속점을 위치시키기 위하여 음파 에너지 어플리케이터를 이동시키기 위한 상기 음파 에너지 어플리케이터의 기계적인 구동 및 위치선정 수단(mechanical driving and locating means)과;

상기 환자의 타겟 영역을 스캐닝하고, 실시간 B-모드 초음파 이미지를 발생시키며, 조작자가 병이 든 부분의 위치를 선정하도록 하며 상기 실시간 B-모드 초음파 이미지에 따라서 상기 병이 든 부분에 음파 에너지를 적용시키도록 상기 중앙 제어 수단에 상기 발생된 B-모드 초음파 이미지를 실시간으로 전송하기 위한 실시간 B-모드 초음파 이미지 안내 장치를 포함하는 집속된 초음파 치료 시스템에 있어서,

상기 집속된 초음파 치료 시스템은,

위치선정 플레이트, 치료 위치 마크, 위치선정 캐리지,치료 록킹 수단은 물론 진공 고정 언더레이 및 바인딩 스트립을 포함하는 환자 몸체 위치용 고정 수단,

진단 이미지를 발생하기 위한 수단,

상기 실시간 B-모드 초음파 이미지가 상기 진단 이미지와 정렬되도록 상기 실시간 B-모드 초음파 이미지를 상기 진단 이미지와 정렬하기 위한 수단 및,

치료를 안내하기 위하여 상기 정렬을 기초로 하여서 상기 B-모드 초음파 이미지를 상기 진단 이미지와 합성시키기 위한 수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 집속된 초음파 치료 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 진단 이미지는 CT 이미지, MRI 이미지, SPECT 이미지, PET 이미지 또는, 상기 CT 이미지, MRI 이미지, SPECT 이미지 및 PET 이미지중의 2개 이상 이미지의 결합에 의하여 형성되어 정렬되고 합성된 이미지로부터 선택되는 집속된 초음파 치료 시스템.
청구항 2에 있어서,

상기 치료는 수동으로 이루어진 치료 계획을 가진 치료인 집속된 초음파 치료 시스템.
청구항 2에 있어서,

상기 치료는 치료 계획을 가지고 자동적으로 실행되는 집속된 초음파 치료 시스템.
청구항 4에 있어서,

상기 치료 계획은 3차원이며 상기 진단 이미지를 사용하여 이루어질 수 있으며, 상기 치료 계획은 자동적인 치료 계획을 이루기 위하여 실시간 B-모드 초음파 이미지에 반영되는 집속된 초음파 치료 시스템.
청구항 4에 있어서,

상기 치료 계획은 3차원이며 실시간 B-모드 초음파 이미지를 사용하여 이루어지며, 상기 치료 계획은 이 치료 계획을 변경 및 조정하기 위하여 상기 진단 이미지에 반영되며, 상기 치료는 변경되고 조정되는 치료 계획에 따라서 자동적으로 실행되는 집속된 초음파 치료 시스템.
청구항 2 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,

상기 치료를 모니터하고 치료 효과를 실시간으로 평가하기 위하여 상기 실시간 B-모드 초음파 이미지 안내 장치를 추가로 사용하는 집속된 초음파 치료 시스템.