CN102921116A - 一种磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统，用于对浅表肿瘤的病灶靶区进行温度测控，该系统包括主控单元、功率超声换能器激励单元、冷却单元、超声换能器、MRI扫描单元和MRI温度处理单元，所述的主控单元分别连接功率超声换能器激励单元、冷却单元、MRI扫描单元和MRI温度处理单元，所述的功率超声换能器激励单元依次连接超声换能器、病灶靶区、MRI扫描单元和MRI温度处理单元，所述的冷却单元与超声换能器连接，该系统将MRI和超声温热治疗技术融合，可以量化、实时、精确地控制超声热疗的治疗过程。与现有技术相比，本发明具有可无损、实时、精确地对浅表肿瘤进行治疗、安装简单、成本低等优点。

Description

一种磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统

技术领域

本发明涉及一种肿瘤病灶靶区温度测控系统，尤其是涉及一种磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统。

背景技术

肿瘤的发病率和死亡率居高不下，传统的治疗方法包括手术、放疗和化疗等有创治疗方法。但对于晚期病人，手术创伤大，过度的放、化疗会损伤人体重要器官和组织，所以无创、微创的肿瘤治疗方法显得尤为重要。

利用超声温热治疗法(包括超声热疗与放、化疗结合)治疗肿瘤，是一种绿色无创、安全有效的肿瘤治疗方法。超声温热治疗原理是利用超声将病灶加热到43℃，持续加热30至100分钟左右，使肿瘤细胞发生不可逆转的凋亡，而正常组织细胞在停止加热后，可以重新吸收水分并恢复正常功能。对深度小于5-8cm的人体浅表肿瘤，采用超声温热治疗或者温热治疗联合局部化、放疗，将全身化疗改为局部给药化疗，减少化疗药物对人体的损伤，同时具有对化、放疗进行增敏效果，对于肿瘤患者，尤其是中、晚期患者，是一种很好的治疗方式。但是，传统的超声温热治疗方法无法实现对人体内部温度的无损测量，而热疗温度又是保证超声温热治疗方法安全性和有效性的关键因素，因此无损测温问题一直制约着超声温热治疗方法的推广应用。

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging-MRI)技术是通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，据此可以绘制成物体内部的结构图像，在物理、化学、医疗、石油化工、考古等方面获得了广泛的应用。人们可以利用MRI对人体内部温度进行无损、精确、快速的测量。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可无损、实时、精确地对浅表肿瘤进行治疗、安装简单、成本低的磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统，该系统将诊断MRI与超声温热治疗技术融合，利用超声温热治疗无辐射、无副作用的优势，结合MRI的精确定位和无损、精确测温优势，实现对浅表肿瘤安全有效的治疗。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统，用于对浅表肿瘤的病灶靶区进行温度测控，该系统包括主控单元、功率超声换能器激励单元、冷却单元、超声换能器、MRI扫描单元和MRI温度处理单元，所述的主控单元分别连接功率超声换能器激励单元、冷却单元、MRI扫描单元和MRI温度处理单元，所述的功率超声换能器激励单元依次连接超声换能器、病灶靶区、MRI扫描单元和MRI温度处理单元，所述的冷却单元与超声换能器连接；

主控单元根据治疗参数向功率超声换能器激励单元发送控制信号，功率超声换能器激励单元根据控制信号向超声换能器发送输出信号，驱动超声换能器对病灶靶区进行加热，主控单元控制MRI扫描单元对病灶靶区扫描定位，MRI扫描单元将扫描获得的图像发送给MRI温度处理单元，MRI温度处理单元对获得的图像进行处理后得到实时的三维温度信息反馈给主控单元，主控单元根据MRI温度处理单元反馈的三维温度信息对功率超声换能器激励单元的输出信号进行调整，同时主控单元控制冷却单元的水温保持在设定值，对超声换能器进行冷却。

所述的治疗参数包括治疗持续时间、治疗电压和病灶区域加热目标温度，所述的控制信号包括输出信号的频率、占空比和电压值。

所述的功率超声换能器激励单元包括可控高频功率源、控制电压发生电路和谐振式功率放大器，所述的谐振式功率放大器分别连接可控高频功率源、控制电压发生电路和超声换能器，所述的可控高频功率源和控制电压发生电路均与主控单元连接；

可控高频功率源根据主控单元计算得到的频率和的占空比控制信号，调节输出信号的频率和占空比，控制电压发生电路根据主控单元计算得到的输出信号的电压值输出可调的电压，谐振式功率放大器根据接收到的频率、占空比和电压向超声换能器输出功率驱动信号，驱动超声换能器工作。

所述的可控高频功率源为可生成频率为1.0MHZ或3.3MHZ正弦振荡高频功率源。

所述的冷却单元包括水循环冷却子单元和冷却水温度测量电路，所述的水循环冷却子单元的输入端与主控单元连接，输出端分别连接超声换能器和冷却水温度测量电路的输入端，所述的冷却水温度测量电路的输出端与主控单元连接；

冷却水温度测量电路测得水循环冷却子单元内冷却循环水的温度，经过数字量化后反馈至主控单元，主控单元根据反馈信息，控制水循环冷却子单元的冷却循环水的温度保持在设定值。

所述的冷却水温度测量电路中设置有热电偶。

所述的超声换能器由无磁性的材料制成。

所述的无磁性的材料包括压电陶瓷。

该系统工作时，所述的主控单元、功率超声换能器激励单元和冷却单元放置在屏蔽房间外，所述的超声换能器、MRI扫描单元和MRI温度处理单元放置在屏蔽房间内，所述的功率超声换能器激励单元通过绝缘屏蔽信号线与超声换能器连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明所提供的MRI和超声温热治疗技术融合治疗肿瘤的系统，基于诊断MRI结构，设计合适的超声温热治疗系统，实现了MRI和超声温热治疗技术的融合，为肿瘤的治疗提供了一种更安全、有效的无创治疗方法。

2)本发明系统可以在不改变MRI设备结构情况下，实现MRI和超声温热治疗技术的融合，MRI不仅对组织有良好的解剖定位能力，可进行准确的术前、术中引导，而且可无损、实时、精确的监控治疗过程中靶区组织温度，从而可以量化、实时、精确地控制超声热疗的治疗过程，也提高了超声热疗的安全性。

3)本发明最大化的利用了MRI床体上的空间，在不改造原有的MRI诊断设备的前提下，将MRI与超声温热治疗系统融合，降低了成本，简化了装置，同时，安装简单、使用方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统，用于对浅表肿瘤的病灶靶区进行温度测控，该系统将MRI与超声温热治疗技术融合，利用MRI精确定位病灶，通过超声温热治疗系统对体内病灶进行加热，同时利用MRI无损测量体内病灶的温度，并反馈给超声温热治疗系统，超声温热治疗系统通过主控单元接收温度信息，通过温度控制算法改变输出电压、频率和占空比等参数调节谐振式功率放大器的输出功率，使病灶温度在加热过程中保持在43℃，同时，针对不同深度的肿瘤病灶，控制与人体接触的水囊内循环冷却水的温度，避免皮肤因超声加热升温而被灼伤，实现了精确定位、无损测温、精确温控，可以解决制约超声温热治疗过程的瓶颈技术问题。

本系统包括主控单元1、功率超声换能器激励单元2、冷却单元3、超声换能器4、MRI扫描单元5和MRI温度处理单元6，所述的主控单元1分别连接功率超声换能器激励单元2、冷却单元3、MRI扫描单元5和MRI温度处理单元6，所述的功率超声换能器激励单元2依次连接超声换能器3、病灶靶区7、MRI扫描单元5和MRI温度处理单元6，所述的冷却单元3与超声换能器连接。其中，所述的功率超声换能器激励单元2包括可控高频功率源21、控制电压发生电路22和谐振式功率放大器23，所述的谐振式功率放大器23分别连接可控高频功率源21、控制电压发生电路22和超声换能器4，所述的可控高频功率源21和控制电压发生电路22均与主控单元1连接。所述的冷却单元3包括水循环冷却子单元31和冷却水温度测量电路32，所述的水循环冷却子单元31的输入端与主控单元1连接，输出端分别连接超声换能器4和冷却水温度测量电路32的输入端，所述的冷却水温度测量电路32的输出端与主控单元1连接。

本发明最大化的利用了MRI床体上的空间，合理的布置了超声温热治疗的超声换能器、冷却单元等装置，在不改造原有的MRI诊断设备的前提下，将MRI与超声温热治疗系统融合，降低了成本，简化了装置，同时，安装简单、使用方便。

上述磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统的工作原理为：主控单元1根据治疗前制定的治疗参数，如治疗时间、治疗电压、病灶区域加热目标温度等信息，通过PID算法计算输出信号的频率、占空比和电压值，以此作为控制信号分别发送到可控高频功率源21与控制电压发生电路22，产生的信号经过谐振式功率放大器23放大后驱动超声换能器4，对病灶进行加热；主控单元1控制MRI扫描单元5对病灶扫描定位，获得包含温度信息的病灶图像，MRI温度处理单元6对病灶图像进行处理，获得靶区三维温度信息，并将靶区三维温度信息反馈至主控单元1，主控单元1根据反馈的三维温度信息来调整可控高频功率源21输出的频率与占空比信号，以及控制电压发生电路22输出可调电压信号，调节谐振式功率放大器23的输出功率，使病灶温度在加热过程中保持在43℃；主控单元1针对不同深度的肿瘤病灶，通过冷却水温度测量电路32测得循环水冷却子单元31内冷却循环水的温度，经过数字量化后反馈至主控单元1；主控单元1根据冷却循环水的设定温度和实际温度，计算温度差值，当差值大于0℃时，启动水冷却子单元31，开始对循环水的冷却，当差值小于0℃时，关闭水冷却子单元31，停止对循环水的冷却，使冷却循环水温保持在设定值，避免皮肤因超声加热升温而被灼伤。

本实施例中，可控高频功率源21用来生成频率为1.0MHZ或3.3MHZ的正弦振荡，并根据主控单元信号频率和占空比控制信号，调节输出信号的频率和占空比；控制电压发生电路22接受主控单元通过算法计算得到的输出电压值，据此输出可调的电压，用以精确控制谐振式功率放大器23输出的驱动电压的幅度，从而控制超声功率输出；谐振式功率放大器23分别接收可控高频功率源21输出的频率与占空比信号，以及控制电压发生电路22输出的可调电压信号，通过谐振式原理输出规定频率、占空比和电压幅度的功率驱动信号，通过绝缘屏蔽信号线驱动超声换能器工作。

本实施例中，MRI扫描单元5在主控单元的控制下对靶区扫描定位，同时采用对温度敏感的序列，将实时扫描病灶靶区获得的图像输送至MRI温度处理单元6。

本实施例中，MRI温度处单元6对MRI扫描单元5扫描的包含温度信息的病灶图像进行处理，获得靶区三维温度信息，并将靶区三维温度信息反馈至主控单元1，主控单元1根据反馈的靶区三维温度信息来调整可控高频功率源21输出的频率与占空比信号，以及控制电压发生电路22输出的可调电压信号，实现治疗靶区温度的精确反馈控制。MRI有效的温度测量和反馈控制保证了超声热疗的安全性，帮助医生更好地实施超声热疗。

本实施例中，冷却水温度测量电路32通过热电偶测得水循环冷却子单元31内循环冷却水的温度，经过数字量化后反馈至主控单元1，主控单元1根据冷却循环水的设定温度和实际温度，计算温度差值，当差值大于0℃时，启动水冷却子单元31，开始对循环水的冷却，当差值小于0℃时，关闭水冷却子单元31，停止对循环水的冷却，使冷却循环水温保持在设定值，

本实施例中，超声换能器是由压电陶瓷(PZT-8)等无磁性材料制作的一片直径为5cm的换能器，无磁性干扰，共可提供1.0M、3.3M两种谐振频率，可以根据肿瘤深度的不同采用不同的频率。

上述磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统工作时，主控单元1、可控高频功率源21、控制电压发生电路22、谐振式功率放大器23、水循环冷却子单元31、冷却水温度测量电路32均放置于MRI的屏蔽房间外。谐振式功率放大器23输出的驱动信号通过长度为15m左右的绝缘屏蔽信号线传输到超声换能器4。超声换能器4等部件均由无磁性的材料制成，绝缘屏蔽信号线也不会干扰磁场。因此整个系统中有干扰的部分全部被放置于屏蔽间外，屏蔽间内的装置均无电磁干扰，所以整个系统对MRI成像几乎无干扰作用。

本发明所提供的MRI和超声温热治疗技术融合治疗肿瘤的系统，基于诊断MRI结构，设计合适的超声温热治疗系统，实现了MRI和超声温热治疗技术的融合。系统可以在不改变MRI设备结构情况下，实现MRI和超声温热治疗技术的融合。超声温热治疗利用超声无辐射、无副作用的特性，MRI不仅对组织有良好的解剖定位能力，可进行准确的术前、术中引导，而且可无损、实时、精确的监控治疗过程中靶区组织温度，从而可以量化、实时、精确地控制超声热疗的治疗过程，也提高了超声热疗的安全性。结合MRI和超声热疗的诸多优点，实现两者的融合，为肿瘤的治疗提供了一种更安全、有效的无创治疗方法，此外还可以将热疗与放/化疗结合，达到综合治疗肿瘤的目的，为更多肿瘤患者带来福音。

Claims (9)

1.一种磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统，用于对浅表肿瘤的病灶靶区进行温度测控，其特征在于，该系统包括主控单元、功率超声换能器激励单元、冷却单元、超声换能器、MRI扫描单元和MRI温度处理单元，所述的主控单元分别连接功率超声换能器激励单元、冷却单元、MRI扫描单元和MRI温度处理单元，所述的功率超声换能器激励单元依次连接超声换能器、病灶靶区、MRI扫描单元和MRI温度处理单元，所述的冷却单元与超声换能器连接；

主控单元根据治疗参数向功率超声换能器激励单元发送控制信号，功率超声换能器激励单元根据控制信号向超声换能器发送输出信号，驱动超声换能器对病灶靶区进行加热，主控单元控制MRI扫描单元对病灶靶区扫描定位，MRI扫描单元将扫描获得的图像发送给MRI温度处理单元，MRI温度处理单元对获得的图像进行处理后得到实时的三维温度信息反馈给主控单元，主控单元根据MRI温度处理单元反馈的三维温度信息对功率超声换能器激励单元的输出信号进行调整，同时主控单元控制冷却单元的水温保持在设定值，对超声换能器进行冷却。

2.根据权利要求1所述的一种磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统，其特征在于，所述的治疗参数包括治疗持续时间、治疗电压和病灶区域加热目标温度，所述的控制信号包括输出信号的频率、占空比和电压值。

3.根据权利要求2所述的一种磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统，其特征在于，所述的功率超声换能器激励单元包括可控高频功率源、控制电压发生电路和谐振式功率放大器，所述的谐振式功率放大器分别连接可控高频功率源、控制电压发生电路和超声换能器，所述的可控高频功率源和控制电压发生电路均与主控单元连接；

可控高频功率源根据主控单元计算得到的频率和的占空比控制信号，调节输出信号的频率和占空比，控制电压发生电路根据主控单元计算得到的输出信号的电压值输出可调的电压，谐振式功率放大器根据接收到的频率、占空比和电压向超声换能器输出功率驱动信号，驱动超声换能器工作。

4.根据权利要求3所述的一种磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统，其特征在于，所述的可控高频功率源为可生成频率为1.0MHZ或3.3MHZ正弦振荡高频功率源。

5.根据权利要求1所述的一种磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统，其特征在于，所述的冷却单元包括水循环冷却子单元和冷却水温度测量电路，所述的水循环冷却子单元的输入端与主控单元连接，输出端分别连接超声换能器和冷却水温度测量电路的输入端，所述的冷却水温度测量电路的输出端与主控单元连接；

冷却水温度测量电路测得水循环冷却子单元内冷却循环水的温度，经过数字量化后反馈至主控单元，主控单元根据反馈信息，控制水循环冷却子单元的冷却循环水的温度保持在设定值。

6.根据权利要求5所述的一种磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统，其特征在于，所述的冷却水温度测量电路中设置有热电偶。

7.根据权利要求1所述的一种磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统，其特征在于，所述的超声换能器由无磁性的材料制成。

8.根据权利要求7所述的一种磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统，其特征在于，所述的无磁性的材料包括压电陶瓷。

9.根据权利要求1所述的一种磁共振引导的浅表肿瘤超声温热治疗系统，其特征在于，该系统工作时，所述的主控单元、功率超声换能器激励单元和冷却单元放置在屏蔽房间外，所述的超声换能器、MRI扫描单元和MRI温度处理单元放置在屏蔽房间内，所述的功率超声换能器激励单元通过绝缘屏蔽信号线与超声换能器连接。

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