CN103143125A - 一种高强度聚焦超声治疗仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度聚焦超声治疗仪，包括组合治疗头、超声发射/接收主机、五自由度机械手臂和工作站，组合治疗头包括位置相对精确固定的B超探头和一组治疗探头，组合治疗头连接在五自由度机械手臂上，工作站分别控制五自由度机械手臂和超声发射/接收主机工作。其治疗过程采用电子方式进行相控影像扫描和相控治疗位置的调整，使二维B超图像断面与大功率超声束治疗断面有效重合，保证了治疗和实时观察的准确性及可靠性，五自由度机械手臂定位准确、操控灵活，三维重建使扫描图像更直观、清晰，方便了后续观察和诊断，其治疗仪特别适合对乳腺、肝脏、肾脏、子宫、前列腺等器官的病变组织进行无创高强度聚焦超声治疗。

Description

一种高强度聚焦超声治疗仪

技术领域

本发明涉及一种医疗仪器，特别涉及一种利用超声波进行肿瘤治疗的高强度聚焦超声治疗仪，属于医疗仪器领域。

背景技术

“高强度聚焦超声治疗”是一种新兴的肿瘤无创技术。这种技术的基本原理是：通过一定的聚焦方式，将体外超声源发出的低能量超声波聚焦于生物体内，在组织内形成一个声强较高的区域，即焦域，使位于焦域的局部组织瞬间内可以达到65～100℃的高温，同时，联合超声波的空化效应、机械效应、热效应、免疫效应等综合作用，导致组织瞬间凝固性坏死，而周围组织并无显著损伤。凝固性坏死组织可逐渐被吸收或瘢痕化。通过对肿瘤进行如此由点到线、由线到面、由面到体逐点扫描的固化治疗，使得整个肿瘤组织固化，达到治疗的目的。

在高强度聚焦超声治疗过程中，影响治疗效果的关键因素是焦点定位的准确性、安全性、有效性，因此，对靶区准确定位和实时监控非常重要，以确保治疗能量准确达到靶区组织而避免邻近正常组织受到损伤。

在中国发明专利“高强度聚焦超声治疗装置和方法”（CN1803224A）中，其治疗装置具有通常的超声换能器、图像采集装置、用于驱动超声换能器的驱动单元以及使超声换能器和图像采集装置移动的运动机构。该治疗装置中，由于采用通常的超声换能器，受复杂的生物机体组织影响，治疗时，固定的几何焦点通常并不是人体组织升温最高的点，即几何焦点与生物焦点不重合，导致治疗靶位不准确，影响治疗效果。而在图像采集和监控中，采用治疗前接收、存储靶区原始图像，在治疗过程中某一时刻再次接收并存储靶区图像，通过图像对比来判断治疗效果的方法，不仅实时性差，而且图像灰度变化在某一个切面可能不明显，给疗效判断的全面性和准确性带来严重影响。

在中国发明专利“一种影像设备引导的高强度聚焦超声治疗系统”（CN101130126A）中，影像设备采用二维成像的非超声影像设备，如具有二维成像功能的CT机或MRI设备，虽然CT成像图像逼真，但CT扫描图像坐标系统与超声波治疗坐标系统准确融合较困难，诊断图像不具有实时性，治疗焦点难以准确定位，并且长时间X射线照射危害人体健康。而MRI图像虽然具有很高的组织分辨能力，较容易区分正常组织和肿瘤组织，确定肿瘤边界，并能实现诊疗部位立体成像。但应用MRI成像实时监控成本很高，并且MRI成像时磁场稳定性要求较高，对超声治疗仪器需进行无磁化设计，给系统结合带来极大难度。

近年来，B超断层电子扇形扫描，即相控阵扫描技术有了长足的发展，其使用阵列换能器，并通过调整各阵元发射／接收信号的相位延迟，控制合成波阵面的曲率、指向、孔径等，达到波束聚焦、偏转、波束形成等多种相控效果。在医学领域中，其采用尺寸较小的多阵元换能器发射和接收声束，使声束很容易通过胸部肋骨小窗口透入体内作扇形扫描，达到电子线性扫描无法探测的生物体部位，如心脏、肝脏右叶等。并且，通过多次扇形扫描还可以得到生物体检查部位不同位置、深度的断层图像，结合后续数字图像处理，可以对正常组织和病变组织进行三维重建，即定量分析。其应用前景广阔，并受到医疗领域技术人员的普遍重视。

如何利用现有技术的发展，提高高强度聚焦超声治疗仪的使用性能，就成为本发明想要解决的问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种焦点定位准确、可靠，操控方便、灵活，能对治疗过程实时、有效监控的高强度聚焦超声治疗仪，以满足实际治疗需要，保证治疗效果。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种高强度聚焦超声治疗仪，包括组合治疗头、超声发射/接收主机、五自由度机械手臂和工作站，组合治疗头连接在五自由度机械手臂上，超声发射/接收主机与组合治疗头连接；工作站分别控制五自由度机械手臂和超声发射/接收主机工作。

组合治疗头包括位置相对精确固定的B超探头和一组治疗探头；B超探头采用电子扇形扫描方式进行断层位置和深度的相控扫描；一组治疗探头组成可独立控制的大功率超声束发射阵，并通过相控阵方式进行发射后，在目标区域形成HIFU生物焦点；一组治疗探头与B超探头位于同一平面内，一组治疗探头对称分布在B超探头的左右两侧。

超声发射/接收主机，用于控制组合治疗头中的B超探头，以实现B超影像超声波发射与影像信号采集，同时，实现治疗探头超声束发射和控制。

五自由度机械手臂，用于模拟人体手臂的运动功能，携带安装其上的组合治疗头进行位置和形态调整。

工作站，用于控制五自由度机械手臂和超声发射/接收主机工作，并保证B超影像二维图像断面与大功率超声束治疗断面重合；同时，对B超二维影像进行后续处理，实现正常组织和病变组织的三维重建，完成人机交互和系统信息管理。

超声发射/接收主机包括相互顺序连接的探头选择与发射/接收多路器模块、发射/接收模块、数字波束形成模块、二维信号处理模块和显示器，以及分别与二维信号处理模块和探头选择与发射/接收多路器模块分别连接的通讯模块，并为上述各模块和显示器提供电力的电源模块。

探头选择与发射/接收多路器模块，负责B超探头及治疗探头的连接与切换，控制B超探头及治疗探头各阵元工作状态，并进行相应扫描断面或治疗焦域的位置调整。

发射/接收模块，负责产生、发射高压脉冲信号，接收探头微弱回波信号，并经信号放大后进行AD模数转换。

数字波束形成模块，负责数字信号的合成，以及超声前端的控制。

二维信号处理模块，负责对二维灰度信号进行质量提高处理，并进行数字扫描变换。

显示器，用于实时显示B超影像。

通讯模块，向工作站反馈超声发射/接收主机的工作状态，接受工作站的工作指令。

本发明所述的一种高强度聚焦超声治疗仪的有益效果包括：

(1)大功率超声束以相控阵方式进行发射，在目标区域形成高强度聚焦超声治疗的生物焦点，焦点温度可达65～100℃，焦点区域组织在瞬间形成凝固性坏死，实现了无损伤快速治疗。

(2)组合治疗头中B超探头与治疗探头采用精确组合，并通过电子方式进行相控扫描和相控治疗位置的调控，使二维B超图像断面与大功率超声束治疗断面有效重合，保证了治疗准确性和可靠性，以及实时观察的有效性。

(3)五自由度机械手臂通过模拟人体手臂的运动功能，使其安装在手臂上的组合治疗头可以进行灵活、准确地定位，方便了患者，保证了治疗过程的舒适性，特别是对长时间治疗过程提供了有利保障。

(4)能够对组织器官进行断层扫描、矢量切割、三维重建等超声影像建立，方便了后续观察，提高了诊断准确性。

(5)整个治疗仪体积小、重量轻、操作方便，定位图像清晰度高，使用灵活，患者无需进行麻醉或只须进行浅度麻醉即可进行长时间治疗。

(6)特别适合对乳腺、肝脏、肾脏、子宫、前列腺等器官的病变组织进行无创高强度聚焦超声治疗。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中超声发射/接收主机的结构示意框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1所示，本发明所述的一种高强度聚焦超声治疗仪，包括组合治疗头3、超声发射/接收主机6、五自由度机械手臂2和工作站1。其中，组合治疗头3连接在五自由度机械手臂2上，通过五自由度机械手臂2的位置调整，使组合治疗头3能更好的与患者的患处对应，保证定位方便、准确。超声发射/接收主机6与组合治疗头3连接，以实现组合治疗头3的超声波发射和接收，实现治疗过程。工作站1分别与五自由度机械手臂2和超声发射/接收主机6连接，控制五自由度机械手臂2和超声发射/接收主机6工作的同时，完成对超声发射/接收主机6工作状态的监控，并实现人机交互和信息交流。各部分具体结构为：

组合治疗头3包括位置相对精确固定的B超探头4和一组治疗探头5。一组治疗探头5与B超探头4位于同一平面内，且对称分布在B超探头4的左右两侧。为保证治疗过程准确、可靠，B超探头4和治疗探头5的位置相对固定精确，以形成稳定、可靠的配合。每个治疗探头5可进行独立控制的大功率超声束发射，一组治疗探头5则组成可独立控制的大功率超声束发射阵，并在相控阵发射方式的控制下，在目标区域形成HIFU生物焦点。而B超探头4采用电子扇形扫描方式进行断层位置和深度的相控扫描。B超探头4和治疗探头5各阵元工作状态以电子方式受超声发射/接收主机6控制，以对扫描和治疗位置及超声功率进行精确调整，实现B超影像二维图像断面与大功率超声束治疗断面的重合，保证治疗和观察效果。

超声发射/接收主机6的工作内容包括两部分，其一控制组合治疗头3中B超探头4实现B超影像超声波发射与影像信号采集，其二完成组合治疗头3中治疗探头5超声束的发射和控制。

如图2所示，超声发射/接收主机包括顺序连接的探头选择与发射/接收多路器模块、发射/接收模块、数字波束形成模块、二维信号处理模块和显示器，以及分别与二维信号处理模块和探头选择与发射/接收多路器模块分别连接的通讯模块，并为上述各模块和显示器提供电力的电源模块。其中，探头选择与发射/接收多路器模块负责B超探头及治疗探头的连接与切换，控制B超探头及治疗探头各阵元工作状态，并进行相应扫描断面或治疗焦域的位置调整，是实现B超扫描和治疗过程的关键调整部件。发射/接收模块负责产生、发射高压脉冲信号，接收探头微弱回波信号，并经放大器信号放大后完成AD模数转换，以形成后续数字波束形成模块可有效使用的数字信号。数字波束形成模块负责数字信号的合成，以及超声前端的控制。二维信号处理模块负责对二维灰度信号的检波及平滑、帧相关等一系列有利于提高图像质量的处理，以及进行数字扫描变换，并最终在显示器上实现B超影像的实时显示，保证使用灵活性，提高使用质量。而通讯模块则负责向工作站反馈超声发射/接收主机的工作状态，同时接受工作站的工作指令，实现超声发射/接收主机与工作站间的数据交换。

如图1所示，五自由度机械手臂2主要用于模拟人体手臂的运动功能，携带安装其上的组合治疗头3进行治疗位置和形态的调整，使治疗过程能顺利、方便地进行。五自由度机械手臂2在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。本例中，五自由度机械手臂2通过接受指令，精确定位到三维或二维空间上的某一点，实现组合治疗头3在生物体外灵活、准确的定位，大大缩短了治疗时间，治疗过程无需移动治疗床，定位精度高，重复性好，治疗体位舒适，患者无需麻醉或只需进行浅度麻醉就可进行治疗，尤其是在长时间治疗过程中，能有效保证治疗的准确性。

工作站1负责控制五自由度机械手臂2和超声发射/接收主机6工作，并通过超声发射/接收主机6保证B超影像二维图像断面与大功率超声束治疗断面重合，同时，对B超二维影像进行后续处理，完成正常组织和病变组织的三维重建，实现人机交互和系统信息管理。其具体功能包括：

(1)医务人员根据病变组织形态与位置，选择确定治疗方案及参数。

(2)根据治疗参数计算相控阵超声波束发射/接收聚焦法则。

(3)向五自由度机械手臂发送指令，控制五自由度机械手臂对组合治疗头实施五维精确定位，即沿X轴、Y轴和Z轴的平移，以及绕X轴和Y轴的旋转。

(4)向超声发射/接收主机发送指令，控制工作模式与工作状态。

(5)根据治疗前后目标区生物组织灰度变化进行灰度运算，判断治疗程度与效果。

(6)通过B超探头不同深度的断层扫描，得到生物组织的立体影像数据，工作站依据三维影像数据进行矢量切割和三维重建等处理，实现对治疗效果的多方位分析和评估。

(7)负责治疗过程中所有故障与中断处理。

(8)负责系统文档管理，包含并不局限于各种文本、图形、图像、影视、声音格式，包含并不局限于对文档编辑、存储、搜索、复制、移动、删除等功能。

(9)负责系统输入/输出，以及输入/输出接口（I/O接口），输出方式包含并不局限于视频显示、照相胶片、打印机、投影仪等，输入方式包含并不局限于键盘、鼠标、触摸屏等。

(10)与超声发射/接收主机和五自由度机械手臂保持通讯，甚至可通过局域网或互联网与外界保持通讯等。

具体治疗时，首先，B超对靶区进行治疗前断层扫描，工作站1进行三维图像重建与存储，医务人员根据存储的图像信息制定治疗方案与工作参数；接着，五自由度机械手臂2接收工作站1指令，对组合治疗头3进行精确定位，工作站1根据工作参数和组合治疗头3位置参数，计算相控阵超声波束发射/接收聚焦法则，然后，超声发射/接收主机6接收工作站1指令，对B超探头4和治疗探头5进行参数配置，使B超影像二维图像断面与大功率超声束治疗断面重合；再接着，超声发射/接收主机6根据工作站1指令控制治疗探头5发射超声束，指向靶区进行治疗，同时，B超探头4对靶区进行实时断面扫描；最后，超声发射/接收主机6对实时扫描断面图像进行前端处理，并将数据传送至工作站1，工作站1对接收的图像信息进行灰度运算、图像输出并存储，医务人员根据输出图像判断是否在本次治疗位置继续进行治疗，或改变位置进行治疗，如果否，则工作站1对治疗前后B超断面扫描数据做数字图像处理，并进行三维重建、存储，针对治疗前后影像文件进行疗效分析及评价，一次治疗过程完成。

Claims (2)

1.一种高强度聚焦超声治疗仪，其特征在于，包括组合治疗头、超声发射/接收主机、五自由度机械手臂和工作站，所述组合治疗头连接在五自由度机械手臂上，超声发射/接收主机与组合治疗头连接；所述工作站分别控制五自由度机械手臂和超声发射/接收主机工作；

所述组合治疗头包括位置相对精确固定的B超探头和一组治疗探头；所述B超探头采用电子扇形扫描方式进行断层位置和深度的相控扫描；所述一组治疗探头组成可独立控制的大功率超声束发射阵，并通过相控阵方式进行发射后，在目标区域形成HIFU生物焦点；所述一组治疗探头与B超探头位于同一平面内，一组治疗探头对称分布在B超探头的左右两侧；

所述超声发射/接收主机，用于控制组合治疗头中的B超探头，以实现B超影像超声波发射与影像信号采集，同时，实现治疗探头超声束发射和控制；

所述五自由度机械手臂，用于模拟人体手臂的运动功能，携带安装其上的组合治疗头进行位置和形态调整；

所述工作站，用于控制五自由度机械手臂和超声发射/接收主机工作，并保证B超影像二维图像断面与大功率超声束治疗断面重合；同时，对B超二维影像进行后续处理，实现正常组织和病变组织的三维重建，完成人机交互和系统信息管理。

2.根据权利要求1所述的一种高强度聚焦超声治疗仪，其特征在于，所述超声发射/接收主机包括相互顺序连接的探头选择与发射/接收多路器模块、发射/接收模块、数字波束形成模块、二维信号处理模块和显示器，以及分别与二维信号处理模块和探头选择与发射/接收多路器模块分别连接的通讯模块，并为上述各模块和显示器提供电力的电源模块；

探头选择与发射/接收多路器模块：负责B超探头及治疗探头的连接与切换，控制B超探头及治疗探头各阵元工作状态，并进行相应扫描断面或治疗焦域的位置调整；

发射/接收模块：负责产生、发射高压脉冲信号，接收探头微弱回波信号，并经信号放大后进行AD模数转换；

数字波束形成模块：负责数字信号的合成，以及超声前端的控制；

二维信号处理模块：负责对二维灰度信号进行质量提高处理，并进行数字扫描变换；

显示器：用于实时显示B超影像；

通讯模块：向工作站反馈超声发射/接收主机的工作状态，接受工作站的工作指令。

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