CN101164637B - 一种可减少对成像设备电磁干扰的超声治疗系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可减少对成像设备电磁干扰的超声治疗系统，包括成像设备、超声治疗装置及电气控制单元，超声治疗装置包括超声治疗头及其运动定位单元，所述运动定位单元中有控制超声治疗头运动的驱动电机，其中，驱动电机设置在驱动电机的电磁波对成像设备的干扰影响区域以外，驱动电机通过传动单元与超声治疗头连接。驱动电机可以设置在距成像设备的成像区域中心点2米的距离以外。本发明治疗系统可有效减少对成像设备产生电磁干扰，从而实现超声治疗设备与MRI设备的电磁兼容。

Description

一种可减少对成像设备电磁干扰的超声治疗系统 
技术领域
本发明属于超声治疗技术领域，涉及一种成像设备引导下的超声治疗系统，具体涉及一种在可减少对成像设备电磁干扰的超声治疗系统。 
背景技术
现有的超声治疗系统通过将成像设备与超声治疗装置结合起来，从而可以对患者提供更加优质、高效的整体诊疗方案。 
由于MRI设备具有安全、快速、准确的成像特点，因此在临床诊断方面MRI设备作为引导超声治疗装置的成像设备得到了越来越广泛的应用。然而超声治疗设备中驱动电机以及超声治疗头中的高频发生器等主要电磁波干扰源的存在对MRI设备的成像产生了较大的电磁干扰。 
在超声治疗装置中，超声治疗头的运动定位单元包含多个驱动电机，以驱动超声治疗头的焦点在三维空间上移动。 
如图1所示，床板电机4驱动床板(图中未表示出)和焦点运动底板14，驱使床板进入或退出MRI孔洞。焦点运动底板14带动X、Y、Z底板和X、Y、Z驱动电机接近或远离MRI。 
Z驱动电机3固定在焦点运动底板14上，Z底板13安装在焦点运动底板14上并在Z方向上可以相对运动； 
Y驱动电机2固定在Z底板13上，Y底板12安装在Z底板13上并在Y方向上可以相对Z底板13运动； 
X驱动电机1固定在Y底板12上，X底板11安装在Y底板12上并在X方向上可以相对Y底板12运动； 
超声治疗头5连接到X底板11上，随X底板的运动而运动。 
Z驱动电机3通过Z传动单元(图中未表示出)驱动Z底板13在Z方向上运动，Z底板带动Y底板12、Y驱动电机2、X底板11、X驱动电机1、超声治疗头5在Z方向运动；Y驱动电机2通过Y传动单元(图中未表示出)驱动Y底板在Y向运动，Y底板带动X驱动电机1、X底板11、超声治疗头5在Y方向上运动；X驱动电机1通过X传动单元(图中未表示出)驱动X底板11在X向运动，X底板带动超声治疗头5在X方向上运动。
由此可见，在超声治疗头5焦点移动过程中，X、Y、Z驱动电机会发生相应的运动。由于距离MRI成像区较近，这些驱动电机工作时产生的电磁干扰和移动时电机本身包含的铁磁性物质将对MRI成像造成干扰。 
而诊疗过程中，超声治疗系统的电气控制单元及为超声治疗头5提供能量的高频发生器等的存在对MRI成像也会造成很大的干扰。在MRI成像过程中，上述这些电磁干扰因素将严重影响MRI成像的准确度，从而影响诊疗效果。 
因此，对于成像设备，特别是MRI引导下的超声治疗系统，减少电磁干扰的产生对整个治疗系统具有重要意义。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的上述不足，提供一种可有效减少对成像设备产生电磁干扰，从而实现超声治疗设备与成像设备(MRI设备)电磁兼容的超声治疗系统。 
解决本发明技术问题所采用的技术方案是该可减少对成像设备电磁干扰的超声治疗系统包括成像设备、超声治疗装置及电气控制单元，超声治疗装置包括超声治疗头及其运动定位单元，所述运动定位单元中有控制超声治疗头运动的驱动电机，其中，驱动电机设置在驱动电机的电磁波对成像设备的干扰影响区域以外，驱动电机通过传动单元与超声治疗头连接。 
可通过长轴将驱动电机转动的动力传递给传动单元，再由传动单元传递给超声治疗头。这样，驱动电机就可以布置在远离MRI成像区域的地方，以避免电磁干扰对成像设备的影响。 
驱动电机设置在距成像设备的成像区域中心点2米距离以外。 
所述运动定位单元可包括有X底板，超声治疗头置于X底板上，驱动电机通过X传动单元与X底板连接，所述驱动电机为驱动X底板作X向运动的X驱动电机。 
运动定位单元还可包括有Y底板和驱动Y底板作Y向运动的Y驱动电机，所述X底板置于Y底板上，Y驱动电机设置在距成像设备的成像区域中心点2米的距离以外，Y驱动电机通过Y传动单元与Y底板连接。 
运动定位单元还可进一步包括有Z底板和驱动Z底板作Z向运动的Z驱动电机，所述Y底板置于Z底板上，Z驱动电机设置在距成像设备的成像区域中心点2米的距离以外，Z驱动电机通过Z传动单元与Z底板连接。 
为便于超声治疗头进入成像设备的孔洞中，可将Z底板置于焦点运动底板上，并设置有控制焦点运动底板运动的床板电机。 
以上所述的驱动电机都可采用伺服电机。 
在本发明中，将各驱动电机置于远离成像设备的成像区域，通过各传动单元将动力传递给超声治疗头，在调整超声治疗头焦点位置的过程中，各驱动电机位置始终固定不动。这样，由于驱动电机远离成像设备的成像区域，最大限度的减少了对成像设备的电磁干扰。 
本发明中，成像设备主要采用MRI设备，当然本发明也可采用其他的成像设备。 
由于超声治疗系统中，电气控制单元在工作状态下向外产生的电磁干扰将影响成像设备的诊断精度，减少MRI设备工作时电气控制单元产生的电磁干扰对提高MRI诊断精度具有重要意义。因此，优选电气控制单元还可包括控制治疗床运动的床板运动电气控制单元，床板运动电气控制单元中有在治疗床进入成像设备的成像区域工作位置后使床板运动电气控制单元断电的位置传感器。由于超声治疗装置中的治疗床在靠拢MRI设备后，需进入MRI设备的孔洞内进行诊断和超声治疗，通过对控制治疗床进入和退出MRI设备孔洞的电气控制单元在诊疗过程中实施断电措施，可以有效减少这部分电气控制单元通 电状态下产生的对MRI设备的干扰。当需要退出MRI设备的孔洞时，再对其恢复供电。 
进一步优选的是，该电气控制单元中进一步包括多个具有高衰减率的低通滤波器，各滤波器可分别对高频发生器电源、电气元器件、运动系统控制器、伺服驱动器及驱动电机电源产生的电磁波进行滤波，以减少MRI设备工作频率附近的电磁波干扰。 
本发明中的滤波器主要对超声治疗系统产生的10MHz以上的电磁波进行过滤，其衰减率为80dB～120dB。 
在对主要干扰源(如高频发生器电源、驱动电机)采取屏蔽措施，本发明还可对由于各种原因不能封闭屏蔽的地方(如驱动电机输出轴的孔洞，控制信号线进出屏蔽罩处)采取截止波导技术。截止波导管可采用简单的管状金属结构，它在电气上呈现高通滤波器的特性。截止波导管允许截止频率以上的信号通过，而低于截止频率的信号则被阻止或衰减。利用这个特性，通过设计波导管的截止频率，使干扰信号的频率落在波导管的截止区内，这样干扰信号就不能穿过波导管，换言之，截止波导管起到了电磁屏蔽的作用。本发明中截止波导管对频率在100MHz以下的干扰电磁波进行滤波，其衰减率为80～120dB。 
在各驱动电机外壳上可以罩有可屏蔽电磁波的电机屏蔽罩，各驱动电机的输出轴上设置的可使电磁波发生衰减的截止波导管一端与电机屏蔽罩相连并接地，各驱动电机的正极和负极分别与一滤波器相接。 
此外，各驱动电机及超声治疗头可置于成像设备所处的可屏蔽电磁波的屏蔽室内，各驱动电机的正负极先分别与一放置在屏蔽室内的滤波器相连，该滤波器再与放置在屏蔽室外的滤波器相连，超声治疗头通过放置在屏蔽室外的一滤波器与高频发生器连接，电机屏蔽罩、各驱动电机外壳采用单点接地方式分别接到屏蔽室上，屏蔽室接地，进一步减少电磁干扰。 
附图说明
图1为现有技术中超声治疗系统中运动机构的结构示意图 
图2为本发明超声治疗系统的电机布置结构示意图 
图3为本发明电气控制单元的结构示意图 
图4为本发明采取屏蔽滤波措施的原理示意图 
图中：1-X驱动电机  2-Y驱动电机  3-Z驱动电机  4-床板电机  5-超声治疗头  6-MRI设备  7-治疗床  8-床板运动单元  9-床板运动电气控制单元  10-运动定位单元  11-X底板  12-Y底板  13-Z底板  14-焦点运动底板  15-治疗床架16-运动定位电气控制单元  17-高频发生器  18、19-传动键20-联接传动件  21-X轴  22-Y轴  23-Z轴  24-电机屏蔽罩25-屏蔽室  26-直流电源  27-控制台  28-截止波导管29-滤波器  30-匹配电路  31、32-截止波导管  33-运动控制器34、35、36、37、38-滤波器 
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步详细叙述。 
本发明超声治疗系统包括MRI设备6(成像设备)、超声治疗装置以及电气控制单元。其中，超声治疗装置包括治疗床7、超声治疗头5及其运动定位单元。 
如图2所示，超声治疗头5的运动定位单元包括置有超声治疗头5的X底板11、通过X传动单元与X底板连接的X驱动电机1、Y底板12、通过Y传动单元与Y底板12连接的Y驱动电机2、Z底板13、通过Z传动单元与Z底板13连接的Z驱动电机3、焦点运动底板14和控制焦点运动底板14做Z向运动的床板电机4。 
X底板11在Y底板12上，Y底板12连接在Z底板13上，Z底板13置于焦点运动底板14上。 
本实施例中，X驱动电机1、Y驱动电机2、Z驱动电机3布置在治疗床架15上远离MRI成像中心点的地方，此距离一般可为2米以外。X驱动电机1、Y驱动电机2、Z驱动电机3分别通过X轴21、Y轴22、Z轴23与X、Y、Z传动单元相连，本实施例中，各驱动电机 都可采用伺服电机。X轴21、Y轴22、Z轴23都采用长轴形式，长轴转动时传递动力给传动单元，长轴静止时传动单元可以相对长轴作轴向运动。X轴21、Y轴22、Z轴23的两端都安装在治疗床架15上。超声治疗头5连接到X底板11上，随X底板11的运动而运动。 
X传动单元包括连接可沿Z向移动的键传动机构、锥齿轮传动机构以及螺旋传动机构，三个传动机构依次传递来自X驱动电机的动力。所述键传动机构连接到X轴21上，在X轴21上开有键槽，键槽的长度可根据所需的床板运动行程和超声治疗头焦点Z向行程确定，当Z底板13向Z向(即MRI设备的孔洞方向)运动时，键可在键槽内沿Z向运动。而当X轴21转动时，则可以通过键传动机构传递动力给锥齿轮传动机构，锥齿轮传动机构再传递给螺旋传动机构，再由螺旋传动机构驱动X底板11带动超声治疗头5做X向运动。螺旋传动机构中包括有与锥齿轮传动机构螺纹连接的X底板11、沿X向连接在Y底板12上的导轨、X底板11可在该导轨上做X向的直线运动。 
Y传动单元和Z传动单元与X传动单元结构类似，只是设置的运动方向不同。 
床板电机4也布置在治疗床架15上远离MRI设备的一端。 
该超声治疗装置的工作过程如下： 
床板电机4驱动焦点运动底板14，焦点运动底板14带动安装在其上的Z传动单元沿Z轴23轴向移动。Z底板13随焦点运动底板14运动，带动Y传动单元和X传动单元分别沿Y轴22和X轴21移动，同时也带动X底板11、Y底板12及超声治疗头5随治疗床7进入和退出MRI。 
Z驱动电机3驱动Z轴23转动，Z轴23通过Z传动单元(包括键传动机构、锥齿轮传动机构、螺旋传动机构)带动Z底板13在Z方向运动。Z底板13的运动带动Y底板12、Y传动单元和X底板11、X传动单元在Z方向上运动，从而带动超声治疗头5在Z方向上的运动。 
Y驱动电机2驱动Y轴22转动，Y轴22通过Y传动单元(包括键传动机构、锥齿轮传动机构、螺旋传动机构)带动Y底板12在Y 方向上的运动。Y底板的运动带动X底板11、X传动单元在Y方向上运动，从而带动超声治疗头5在Y方向上的运动。 
X驱动电机1驱动X轴21转动，X轴21通过X传动单元(包括键传动机构、锥齿轮传动机构、螺旋传动机构)带动X底板11在X方向上运动，从而带动超声治疗头5在X方向上运动。 
X、Y、Z驱动电机分别驱动超声治疗头5的焦点在X、Y、Z三维空间上移动。在超声治疗过程中，三个驱动电机的位置固定不动。 
通过将驱动电机固定在远离MRI设备的成像区域处，减少了驱动电机工作时对MRI的电磁干扰，避免了治疗过程中驱动电机移动对MRI设备的电磁干扰。 
如图3所示，在MRI引导下的超声治疗装置，相对MRI设备6的位置可分为在MRI设备外部和进入MRI孔洞两种状态。 
其中，电气控制单元包括床板运动电气控制单元9和超声治疗头的运动定位电气控制单元16。其中，床板运动电气控制单元9用于控制床板运动单元8，运动定位电气控制单元16用于控制超声治疗头的运动定位单元10。 
在MRI设备6的适当位置还装有位置传感器(图中未表示出)，该位置传感器在治疗床7进入MRI设备6的成像区域工作位置后可促使床板运动电气控制单元9断电。 
本发明中，对本超声治疗系统主要干扰源采取了一系列屏蔽滤波措施。图4中，MRI设备置于屏蔽室25内，用于屏蔽电磁波，各驱动电机、运动控制器也置于屏蔽室25内；直流电源26、控制台27、高频发生器17置于屏蔽室25外。屏蔽室25和电机屏蔽罩24采用具有高导电和高导磁材料加工而成，具有高的电磁屏蔽效能，本实施例中，电机屏蔽罩24采用不锈钢制作。图示驱动电机以X驱动电机1为例。 
由于在线缆首尾采用滤波器滤波，可以提高电磁屏蔽效能，因此直流电源26正负极线缆分别通过滤波器37、滤波器34和滤波器38、滤波器35滤波后接入X驱动电机1的正负极。X驱动电机1的外壳通过滤波器36连接到屏蔽室25，电机屏蔽罩24与屏蔽室25连 接，此处由于所要清除的干扰源频率低于10MHz，故电机屏蔽罩24、X驱动电机1外壳采用单点接地方式分别接到屏蔽室25上，屏蔽室25接地。 
X驱动电机1输出轴外面设置有截止波导管32(利用截止波导管在电气上呈现高通滤波器的特性)，截止波导管32与电机屏蔽罩24相连。X驱动电机1输出轴通过传动键19将动力传递给联接传动件20，联接传动件20再通过传动键18传递动力给X轴21(图中未表示出)，联接传动件20由非金属材料制成。运动控制器33用于控制本超声治疗系统中的各运动单元及电气控制单元；控制台27通过通信光纤监控运动控制器33，通信光纤穿入屏蔽室25和电机屏蔽罩24处分别设有截止波导管31和截止波导管28。高频发生器17输出功率信号通过滤波器29滤波再经匹配电路30后连接到超声治疗头5。其中，X驱动电机1外壳(经过滤波器36)、截止波导管28、31、32、电机屏蔽罩24、屏蔽室25单点接地保护。 
本实施例中的滤波器采用高衰减率的低通滤波器，滤波器主要对电源和高频发生器产生的10MHz以上的电磁波进行屏蔽过滤，其衰减率为80dB～120dB。本实施例中，滤波器34、滤波器35、滤波器36、滤波器37、滤波器38采用棒式低通滤波器。 
本实施例中，棒式低通滤波器能够将频率在10MHz以上的电磁波实施衰减100dB的滤波。这样，滤波后残余电磁波对MRI设备的干扰被控制在不影响MRI诊断精度的范围内，因此可以有效减小滤波后的残余电磁波对MRI产生的干扰。 
本实施例中，根据MRI设备的工作电磁波频率，设定干扰信号的频率f范围为10MHz～100MHz，根据截止频率fc＝(3～5)×f将截止波导管31、32的截止频率设定为300MHz～500MHz。 
对于圆形截面的截止波导管： 
f c = 175 × 10 3 D - - - ( 1 )
式(1)中： 
D-波导管直径(单位：mm) 
fc-截止频率(单位：MHz) 
圆形截面的波导衰减率S： 
S = 32 × L D - - - ( 2 )
式(2)中： 
S-衰减值(单位：dB) 
L-波导管长度(单位：mm) 
D-波导管直径(单位：mm) 
本实施例中，f取值100MHz，fc取值500MHz，S取值100dB。 
在满足 D ≤ 175 × 10 3 f c 、 L ≥ S × D 32 的前提下，结合空间结构等因素，确定截止波导管32长度D、直径L的具体值为D＝30mm，L＝100mm。 
通过在驱动电机输出轴上设置截止波导管，可以对小于100MHz的电磁波实现80dB～120dB的衰减，有效减小对MRI的干扰。 
超声诊疗过程中，床板运动单元8在床板运动电气控制单元9的控制下带动治疗床7和超声治疗头5进入MRI设备6的孔洞。当治疗床7接触到位置传感器后，床板运动电气控制单元9断电，治疗床7在诊疗过程中保持不动。而治疗头焦点运动电气控制单元16控制运动定位单元10带动超声治疗头5在三维空间上移动焦点，对患者病灶靶区进行超声治疗。 
在本发明中，在治疗床7和超声治疗头5进入MRI设备6的孔洞之后，在MRI设备6成像之前，床板运动电气控制单元9由于断开电源，避免了这部分电气单元在通电状态下产生的对MRI的电磁干扰。 
在诊疗过程结束或需要移动治疗床7时，通过控制开关恢复对床板运动电气控制单元9的供电，使其控制床板运动单元8带动治疗床7离开MRI设备6的孔洞。 
通过切断电气控制单元的电源，可以有效减少对MRI设备6的电磁干扰。 
这样，本发明的超声治疗系统减少了大量电磁干扰，真正实现了超声治疗系统和MRI设备的电磁兼容。 

Claims (15)

1.一种可减少对成像设备电磁干扰的超声治疗系统，包括成像设备、超声治疗装置及电气控制单元，超声治疗装置包括超声治疗头(5)及其运动定位单元，所述运动定位单元中有控制超声治疗头运动的驱动电机，其特征在于驱动电机设置在驱动电机的电磁波对成像设备的干扰影响区域以外，驱动电机通过长轴与传动单元连接，驱动电机再通过所述传动单元与超声治疗头(5)连接，所述长轴将驱动电机转动的动力传递给传动单元，再由传动单元传递给超声治疗头。
2.根据权利要求1所述的超声治疗系统，其特征在于驱动电机设置在距成像设备的成像区域中心点2米的距离以外。
3.根据权利要求1所述的超声治疗系统，其特征在于所述运动定位单元还包括有X底板(11)，超声治疗头(5)置于X底板上，驱动电机通过X传动单元与X底板连接，所述驱动电机为驱动X底板作X向运动的X驱动电机(1)。
4.根据权利要求3所述的超声治疗系统，其特征在于运动定位单元还包括有Y底板(12)和驱动Y底板作Y向运动的Y驱动电机(2)，所述X底板(11)置于Y底板上，Y驱动电机设置在距成像设备的成像区域中心点2米的距离以外，Y驱动电机通过Y传动单元与Y底板连接。
5.根据权利要求4所述的超声治疗系统，其特征在于运动定位单元进一步包括有Z底板(13)和驱动Z底板作Z向运动的Z驱动电机(3)，所述Y底板(12)置于Z底板(13)上，Z驱动电机设置在距成像设备的成像区域中心点2米的距离以外，Z驱动电机通过Z传动单元与Z底板连接。
6.根据权利要求5所述的超声治疗系统，其特征在于还包括有焦点运动底板(14)和控制焦点运动底板(14)作Z向运动的床板电机(4)，所述Z传动单元安装在焦点运动底板(14)上，从而使Z底板(13)随焦点运动底板(14)作Z向运动。
7.根据权利要求1或2所述的超声治疗系统，其特征在于驱动电机外壳上罩有可屏蔽电磁波的电机屏蔽罩(24)，驱动电机的输出轴外面设置有可使电磁波发生衰减的截止波导管(32)，截止波导管(32)一端与电机屏蔽罩(24)相连并接地。
8.根据权利要求7所述的超声治疗系统，其特征在于驱动电机及超声治疗头(5)置于成像设备所处的可屏蔽电磁波的屏蔽室(25)内，电机屏蔽罩(24)、驱动电机外壳采用单点接地方式分别接到屏蔽室(25)上，屏蔽室(25)接地。
9.根据权利要求1或2所述的超声治疗系统，其特征在于所述电气控制单元包括控制治疗床(7)运动的床板运动电气控制单元(9)，床板运动电气控制单元中有在治疗床(7)进入成像设备的成像区域工作位置后使床板运动电气控制单元断电的位置传感器。
10.根据权利要求9所述的超声治疗系统，其特征在于还包括多个具有高衰减率的低通滤波器，各滤波器可分别对为超声治疗头提供能量的高频发生器(17)以及驱动电机产生的电磁波进行滤波。
11.根据权利要求10所述的超声治疗系统，其特征在于所述滤波器对频率为10MHz以上的电磁波的衰减率为80dB～120dB。
12.根据权利要求10所述的超声治疗系统，其特征在于驱动电机外壳上罩有可屏蔽电磁波的电机屏蔽罩(24)，驱动电机的输出轴外面设置有可使电磁波发生衰减的截止波导管(32)，截止波导管(32)一端与电机屏蔽罩(24)相连并接地，驱动电机的正极和负极分别与一滤波器相接。
13.根据权利要求12所述的超声治疗系统，其特征在于驱动电机及超声治疗头(5)置于成像设备所处的可屏蔽电磁波的屏蔽室(25)内，驱动电机的正负极先分别与一放置在屏蔽室(25)内的滤波器相连，该两个滤波器再分别与放置在屏蔽室(25)外的两个滤波器相连，超声治疗头(5)通过一放置在屏蔽室(25)外的滤波器与高频发生器(17)连接，电机屏蔽罩(24)、驱动电机外壳采用单点接地方式分别接到屏蔽室(25)上，屏蔽室(25)接地。
14.根据权利要求12所述的超声治疗系统，其特征在于所述截止波导管(32)对频率为100MHz以下的电磁波的衰减率为80dB～120dB。
15.根据权利要求1-6之一所述的超声治疗系统，其特征在于所述成像设备采用MRI设备。
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