CN104815399B - 基于六轴机械臂的高强度聚焦超声治疗引导和控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于六轴机械臂的高强度聚焦超声治疗引导和控制系统及方法：包括高强度聚焦超声换能器功率驱动模块、B超图像采集模块、主控计算机、运动扫描模块、环阵聚焦换能器和B超诊断换能器；所述运动扫描模块由电动平移台以及六轴机械臂组成；本发明通过将内侧为B超诊断换能器、外侧为环阵聚焦换能器的复合探头连接于六轴机械臂上，可以精确监控高强度聚焦超声治疗焦点的同时，保证高强度聚焦超声治疗焦点的精确可控的移动，具有大范围的扫描空间范围与扫描路径的自由度，保证足够的运动范围来完成一次高强度聚焦超声治疗的所有治疗焦点的扫描。

Description

基于六轴机械臂的高强度聚焦超声治疗引导和控制系统及 方法

技术领域

本发明属于生物医学仪器与设备领域，具体涉及一种基于六轴机械臂的高强度聚焦超声治疗引导和控制系统。

背景技术

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound，HIFU)作为一种无创超声治疗技术，主要利用超声波良好的组织穿透性、方向性，在机体组织内汇聚成高强度声场，通过超声波的瞬态高温效应、空化效应和机械效应等破化焦域处靶组织，而对声路径上的组织则无损伤，从而可以达到无创治疗或外科切除病灶的目的。高强度聚焦超声焦点尺寸较小，仅为1.1mm×2.1mm×3.2mm大小，远小于治疗焦域，同时单次治疗时间仅为1～3s，因此高强度聚焦超声治疗方式需要在1～3s内完成单个点的治疗，然后移动治疗焦点前往下一个治疗焦点，最后逐点、逐线、逐面扫描治疗焦域，以达到体内精确切除病变组织的目的，因此系统须满足两个条件，一是要用图像设备来进行图像引导和监控；二是治疗探头上要有精确的运动扫描装置。

聚焦超声目前主要有两种图像引导监控方式：一种是核磁共振图像(magneticresonance image，MRI)引导方式，另一种是诊断超声图像引导方式。超声成像方式由于其实时性好、成本低、使用方便且易与HIFU治疗设备兼容，是一种比较具有发展潜力的成像方式。目前，临床HIFU治疗过程中常采用常规B模式超声图像进行实时监控。HIFU作用在B超图上形成的亮斑通常认为是损伤和空化微泡的综合反映。

在HIFU治疗中除了由于焦点小、单次治疗时间短所要求的治疗探头扫描装置外，由于治疗焦域，如肿瘤，其病变所处的器官在人体中分布广、器官形状各异、同时肿瘤发生在器官中的位置变化性大、肿瘤形状大小各异等，另一方面HIFU治疗所发射的声束必须避开人体内骨骼、肠道等可以产生声遮挡的部位，因此HIFU治疗探头必须可以在体外大范围移动以使探头发射的声束在不遇到声遮挡的情况下聚焦于人体不同部位的形状各异的治疗焦域上，因此也对运动扫描装置的运动范围和扫描自由度提出了一定的要求。

重庆Hifu Technology Co.Ltd.公司生产的JC HIFU治疗系统含有单阵元和功率驱动控制器、B超图像引导监控子系统、5自由度三维运动定位子系统等，已成为临床子宫肌瘤、肝癌、乳腺癌、恶性骨肿瘤等疾病的重要的治疗手段。飞利浦公司生产的Sonalleve MR-HIFU治疗系统其特点在于采用3微MRI图像实时监测治疗区域温度变化。但这些系统所用HIFU治疗探头均安装于治疗床下方，其因空间范围有限，HIFU治疗探头的可运动扫描空间有限，同时治疗过程中HIFU发射的声路径必须避开肋骨、肠道等组织、治疗焦点完整的覆盖整个治疗靶区，因此该系统存在治疗焦域扫描不完全等情况，同时装置体积庞大、运动复杂、并且由于上述缺陷使得监控图像并不理想，从而影响最终的治疗效果。

另一种常见的运动控制为手持治疗探头的方式，这种系统通常聚焦方式自由，但缺点也同样明显，其焦点控制通过手动控制，难以精确聚焦于治疗焦点并维持治疗时间，因此实用性不高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于六轴机械臂的高强度聚焦超声治疗引导和控制系统及方法。该系统能够在较大的运动空间范围和扫描路径自由度的情况下完成高强度聚焦超声治疗焦点的精确控制，同时B超诊断换能器可以准确跟踪监控治疗焦域。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

基于六轴机械臂的高强度聚焦超声治疗引导和控制系统，该系统除包括传统的高强度聚焦超声治疗系统所包含的高强度聚焦超声换能器功率驱动模块、B超图像采集模块、主控计算机外，还包括运动扫描模块以及由位于外侧的环阵聚焦换能器和位于内侧的用于B超图像采集的B超诊断换能器组成的复合探头；所述运动扫描模块由电动平移台以及设置于电动平移台上的六轴机械臂组成；所述复合探头与六轴机械臂相连，所述主控计算机分别与六轴机械臂、电动平移台、B超图像采集模块以及高强度聚焦超声换能器功率驱动模块相连，环阵聚焦换能器与高强度聚焦超声换能器功率驱动模块相连。

所述主控计算机将规划出的路径点传送给六轴机械臂以驱动六轴机械臂按照指定的治疗路径运动，同时六轴机械臂在运动的过程中将路径点的坐标传回主控计算机用于监控图像的重建和治疗路径的引导。

所述系统还包括治疗环境模块，治疗环境模块包括治疗床、机械臂支架以及在治疗过程中位于复合探头和治疗组织中间起到声耦合作用的密封除气水囊，机械臂支架固定安装于治疗床长轴方向中间位置，所述六轴机械臂吊装于电动平移台的运动滑块上，电动平移台水平安装于机械臂支架的顶端，电动平移台的可移动范围为1m，加上机械臂自身的转动拾取范围，可以使机械臂第六轴上加持的复合探头的焦点覆盖治疗床的整个床面。

所述B超诊断换能器选用相控阵换能器或一维线阵换能器中的一种或两种以及二维面阵换能器等，在治疗过程中根据具体的治疗部位与治疗环境确定选用，环阵聚焦换能器的中心开通孔，通孔前端嵌入B超诊断换能器，组成复合探头，复合探头的驱动线由通孔后端引出。

运动扫描模块与复合探头的连接方式为：所述六轴机械臂末端第六轴上设置有连接复合探头的法兰盘，环阵聚焦换能器上焊接有固定板，固定板上开设有用于复合探头的驱动线引出的通孔以及用于安装螺纹柱的若干个螺纹孔，螺纹柱一端安装于固定板上的螺纹孔内，另一端安装于法兰盘上的对应螺纹孔内，以使前端的复合探头与法兰盘刚性相连，但之间不接触，有螺纹柱长度的间距，可以使复合探头的驱动线引出。

所述高强度聚焦超声换能器功率驱动模块包括任意波形发生器和超声功率放大器，主控计算机的输出端与任意波形发生器的输入端相连，任意波形发生器的输出端与超声功率放大器的输入端相连，超声功率放大器的输出端与环阵聚焦换能器相连，以完成高强度聚焦超声的触发发射。

所述B超图像采集模块包括超声诊断仪和图像采集卡，主控计算机的输出端与超声诊断仪相连，超声诊断仪的B超诊断换能器置于环阵聚焦换能器的内侧，组成复合探头，超声诊断仪采集的图像经图像采集卡采集传送回主控计算机。

基于六轴机械臂的高强度聚焦超声治疗引导和控制方法，包括以下步骤：

(1)初始B超扫描成像阶段：设置复合探头内的B超诊断换能器为相控阵换能器或一维线阵换能器，然后控制六轴机械臂以合适的角度和移动步长、姿态带动复合探头内的B超诊断换能器扫描治疗靶区，得到治疗靶区的整体的二维扫描图像，同时六轴机械臂在运动的过程中将对应扫描位置的坐标传回主控计算机，主控计算机根据二维扫描图像和六轴机械臂传回的相应坐标重建得到治疗靶区的整体三维图像；

(2)路径规划阶段：主控计算机根据手动勾画于所述三维图像上的需要进行高强度聚焦超声治疗的多个位点及治疗顺序自动生成路径坐标；

(3)高强度聚焦超声作用与监控阶段：六轴机械臂按照路径规划进行运动，带动复合探头内的环阵聚焦换能器的焦点移动到指定位点，然后高强度聚焦超声换能器功率驱动模块驱动环阵聚焦换能器发射高强度聚焦超声，设置复合探头内的B超诊断换能器为二维面阵换能器，B超诊断仪通过B超诊断换能器采集高强度聚焦超声作用焦域三维图像，并传递给主控计算机，完成高强度聚焦超声作用效果监控；

(4)重复步骤(3)，直到环阵聚焦换能器的焦点遍历路径规划中所有指定位点。

本发明具有以下有益的效果：

本发明通过在将内侧为B超诊断换能器、外侧为环阵聚焦换能器的复合探头连接于六轴机械臂上，在保证了B超诊断换能器可以精确监控高强度聚焦超声治疗焦点的同时，可以通过加装于电动平移台的六轴机械臂来保证高强度聚焦超声治疗焦点的精确可控的移动，同时复合探头具有大范围的扫描空间范围与扫描路径的自由度，保证足够的运动范围来完成一次高强度聚焦超声治疗的所有治疗焦点的扫描。

利用本发明所述系统可以精确的控制HIFU治疗焦点的位置与单次治疗时间，系统稳定可靠，易于与现有的B超诊断设备结合来完成图像监控，解决高强度聚焦超声治疗系统方面的难题。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图，其中：1为六轴机械臂，2为电动平移台，3为机械臂支架，4为治疗床，5为密封除气水囊，6为含有治疗焦域的人体组织，7为复合探头；

图2为复合探头和机械臂连接处的示意图，其中：(a)为法兰盘与探头组装结构视图，(b)为连接处分离视图，(c)为环阵聚焦换能器俯视图，(d)为固定板仰视图，8为B超诊断换能器，9为环阵聚焦换能器，10为固定板，11为螺纹柱，12为法兰盘；

图3为系统工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

参见图1和图2，本发明提出了一种使用六轴机械臂为运动扫描控制核心的高强度聚焦超声治疗系统。由于在传统的高强度聚焦超声治疗系统中，高强度聚焦超声换能器一般置于治疗床下方，导致高强度聚焦超声换能器的焦点的运动扫描范围有限，因此患者必须被动的移动身位去适应高强度聚焦超声换能器的位置，而且由于一次高强度聚焦超声治疗需要逐点、逐线、逐面的覆盖治疗靶区，因此对高强度聚焦超声换能器焦点的对焦路径提出了很高的要求，要求该对焦路径上不能有任何声遮挡的情况影响治疗效果，但传统的将高强度聚焦超声换能器置于治疗床下方的方式并不能满足这样的需求。另一方面不利于B超诊断换能器的集成，不利于高强度聚焦超声治疗的监控。因此本发明提出将内侧为B超诊断换能器，外侧为环阵聚焦换能器的复合探头加持于六轴机械臂第六轴法兰盘上，并将该机械臂吊装于电动平移台导轨上，电动平移台装于治疗床长轴方向的支架上。因为六轴机械臂的运动特性，因此加持在第六轴法兰盘上的环阵聚焦换能器的焦点在空间对同一治疗点可以有不同的对焦姿态，从而可以避免有些对焦路径上存在骨头等声遮挡的情况，影响治疗效果，同时由于六轴机械臂吊装于电动平移台上，该电动平移台具有1m的运动范围，再加上机械臂自身的空间运动范围，环形聚焦换能器的焦点可以以多个姿态到达整个治疗床，治疗范围广。同时因为B超诊断换能器加持于环阵聚焦换能器的中心，因此B超诊断换能器的扫描平面在几何上已经包含了环阵聚焦换能器的焦点，使高强度聚焦超声治疗的监控更加精确。

如图1所示：

治疗环境模块：在治疗床4的长轴方向安装机械臂支架3，当治疗时患者平躺于治疗床长轴方向，复合探头7通过密封除气水囊5声耦合于含有治疗焦域的人体组织6。

运动扫描模块：在机械臂支架上安装电动平移台2，电动平移台的运动范围为1米，为安全起见，该电动平移台具有急停装置，在电动平移台的滑块上吊装六轴机械臂1构成运动扫描模块。

主控计算机和六轴机械臂之间通过RJ45网线相连，可由主控计算机发送运动路径轨迹坐标点数据到六轴机械臂驱动机械臂按照输入数据运动，同时六轴机械臂可以回传运动轨迹坐标和机械臂姿态数据到主控计算机，方便主控计算机结合坐标点数据和机械臂姿态数据计算B超诊断换能器扫描位置和扫描角度，结合扫描图像重建扫描区域三维图像。

主控计算机连接任意波形发生器，任意波形发生器连接超声功率放大器，超声功率放大器连接安装于六轴机械臂第六轴法兰盘上的复合探头中的环阵聚焦换能器。在实施中，在确定一次高强度聚焦超声治疗时，在任意波形发生器中编制本次高强度聚焦超声治疗的波形，包括单次发射波形、发射时间、相位、幅度等，然后在超声功率放大器中设置功率放大倍数等，然后设置任意波形发生器的触发方式为外触发。主控计算机发射触发信号，触发任意波形发生器发射波形，经超声功率放大器放大输出到环阵聚焦换能器中，完成本次治疗。

主控计算机连接超声诊断仪，超声诊断仪的B超诊断换能器安装于复合探头内部。主控计算机触发超声诊断仪采集治疗区域B超扫描图像，经图像采集卡采集回主控计算机。

如图2所示：

运动扫描模块的六轴机械臂和复合探头的连接方式为：六轴机械臂第六轴上的法兰盘12上有相互之间间隔90°的M6螺孔，然后加工四根两端均有M6螺纹的螺纹柱11，该螺纹柱长10cm。加工固定板10，在固定板底部与法兰盘相对位置打M6螺纹孔，然后将加工的螺纹柱一端安装于法兰盘，一端安装于固定板。安装固定板于环阵聚焦换能器9底部，环阵聚焦换能器中央开通孔，B超诊断换能器8安装于该通孔的前端，驱动线由该通孔的后端引出。固定板中央开与环阵聚焦换能器同样的通孔，同时由于法兰盘与固定板不直接接触，方便B超诊断换能器和环阵聚焦换能器的驱动线从固定板与法兰盘之间的空隙引出。

参见图3，系统应用于高强度聚焦超声治疗的具体工作流程为：

(1)初始B超扫描成像阶段：

该阶段设置复合探头内的B超诊断换能器为相控阵换能器或一维线阵换能器，在超声诊断仪中设置合适的B超诊断换能器发射频率和焦点深度等B超扫描参数。然后手动控制机械臂移动到初始扫描位置，机械臂发送该位置坐标数据和机械臂姿态数据到主控计算机，主控计算机在接到该位置信息后，触发超声诊断仪采集该位置的1帧图像数据，经图像采集卡发送该帧数据到主控计算机，则在该位置主控计算机得到的数据为该位置的坐标信息、机械臂姿态数据、该位置B超图像数据。然后手动控制机械臂前往下一个扫描位置直到全部靶区扫描完成。扫描完成后在主控计算中得到治疗靶区的全部扫描图像及这些图像的在空间中的位置信息。调用每帧图像及坐标信息、姿态数据、调用机械臂扫描三维重建程序，得到治疗靶区的三维规则体数据，对该规则体数据进行三维成像。

(2)治疗路径规划阶段：

治疗医生操作主控计算机在重建得到的靶区三维图像上手动勾画需要进行高强度聚焦超声治疗的多个位点及治疗顺序，然后主控计算机根据该治疗靶区的三维体数据的空间坐标信息计算机械臂在治疗过程中的移动轨迹及停留点和停留时间。同时医生在任意波形发生器上编制高强度聚焦超声发射脉冲及持续时间，需要说明的是机械臂在一个停留点停留的时间就是一次高强度聚焦超声的发射治疗时间。在超声功率放大器上设置功率放大倍数等参数。

(3)治疗监控阶段：

机械臂按照(2)步中生成的路径进行运动，带动环阵聚焦换能器焦点移动到指定位置，主控计算机触发高强度聚焦超声换能器功率驱动模块驱动环阵聚焦换能器以一定的功率和治疗时间完成该位置的治疗，然后在高强度聚焦超声发射停止时，设置复合探头内部B超诊断换能器为二维面阵换能器，B超诊断仪采集治疗焦域三维图像完成治疗效果监控。重复步骤(3)直到完成本次治疗的全部规划焦点则完成本次治疗。

上述实施例中给出的工作流程仅是对高强度聚焦超声过程的控制和监控，并不涉及具体疾病的治疗。

Claims (8)

1.基于六轴机械臂的高强度聚焦超声治疗引导和控制系统，其特征在于：该系统包括高强度聚焦超声换能器功率驱动模块、B超图像采集模块、主控计算机、运动扫描模块以及由位于外侧的环阵聚焦换能器(9)和位于内侧的用于B超图像采集的B超诊断换能器(8)组成的复合探头(7)；所述运动扫描模块由电动平移台(2)以及设置于电动平移台(2)上的六轴机械臂(1)组成；所述复合探头(7)与六轴机械臂(1)相连，所述主控计算机分别与六轴机械臂(1)、电动平移台(2)、B超图像采集模块以及高强度聚焦超声换能器功率驱动模块相连，环阵聚焦换能器(9)与高强度聚焦超声换能器功率驱动模块相连；

六轴机械臂(1)带动复合探头内的B超诊断换能器(8)扫描治疗靶区，得到治疗靶区的整体的二维扫描图像，同时六轴机械臂(1)在运动的过程中将对应扫描位置的坐标传回主控计算机；

主控计算机根据二维扫描图像和六轴机械臂传回的相应坐标重建得到治疗靶区的整体三维图像；根据手动勾画于所述三维图像上的需要进行高强度聚焦超声治疗的多个位点及治疗顺序生成路径坐标；

复合探头内的环阵聚焦换能器(9)的焦点由按照路径规划进行运动的六轴机械臂(1)带动，移动到指定位点；

高强度聚焦超声换能器功率驱动模块驱动环阵聚焦换能器(9)发射高强度聚焦超声，环阵聚焦换能器(9)的焦点遍历路径规划中所有指定位点；

B超诊断换能器(8)采集高强度聚焦超声作用焦域三维图像，并传递给主控计算机，完成高强度聚焦超声作用效果监控。

2.根据权利要求1所述基于六轴机械臂的高强度聚焦超声治疗引导和控制系统，其特征在于：所述主控计算机将规划出的路径点传送给六轴机械臂(1)以驱动六轴机械臂按照指定的治疗路径运动，同时六轴机械臂(1)在运动的过程中将路径点的坐标传回主控计算机用于监控图像的重建和治疗路径的引导。

3.根据权利要求1所述基于六轴机械臂的高强度聚焦超声治疗引导和控制系统，其特征在于：所述系统还包括治疗环境模块，治疗环境模块包括治疗床(4)、机械臂支架(3)以及起到声耦合作用的密封除气水囊(5)，机械臂支架(3)固定安装于治疗床(4)长轴方向中间位置，所述六轴机械臂(1)吊装于电动平移台(2)的运动滑块上，电动平移台(2)水平安装于机械臂支架(3)的顶端。

4.根据权利要求1所述基于六轴机械臂的高强度聚焦超声治疗引导和控制系统，其特征在于：所述B超诊断换能器(8)选用相控阵换能器或一维线阵换能器中的一种或两种以及二维面阵换能器，环阵聚焦换能器(9)的中心开通孔，通孔前端嵌入B超诊断换能器(8)，组成复合探头，复合探头的驱动线由通孔后端引出。

5.根据权利要求1所述基于六轴机械臂的高强度聚焦超声治疗引导和控制系统，其特征在于：所述六轴机械臂末端第六轴上设置有法兰盘(12)，环阵聚焦换能器(9)上焊接有固定板(10)，固定板(10)上开设有用于复合探头的驱动线引出的通孔以及用于安装螺纹柱(11)的若干个螺纹孔，螺纹柱(11)一端安装于固定板(10)上的螺纹孔内，另一端安装于法兰盘(12)上的对应螺纹孔内。

6.根据权利要求1所述基于六轴机械臂的高强度聚焦超声治疗引导和控制系统，其特征在于：所述高强度聚焦超声换能器功率驱动模块包括任意波形发生器和超声功率放大器，主控计算机的输出端与任意波形发生器的输入端相连，任意波形发生器的输出端与超声功率放大器的输入端相连，超声功率放大器的输出端与环阵聚焦换能器(9)相连。

7.根据权利要求1所述基于六轴机械臂的高强度聚焦超声治疗引导和控制系统，其特征在于：所述B超图像采集模块包括超声诊断仪和图像采集卡，主控计算机的输出端与超声诊断仪相连，超声诊断仪的B超诊断换能器(8)置于环阵聚焦换能器(9)的内侧，组成复合探头，超声诊断仪采集的图像经图像采集卡采集传送回主控计算机。

8.基于六轴机械臂的高强度聚焦超声治疗引导和控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)初始B超扫描成像阶段：设置复合探头内的B超诊断换能器(8)为相控阵换能器或一维线阵换能器，然后控制六轴机械臂(1)带动复合探头内的B超诊断换能器(8)扫描治疗靶区，得到治疗靶区的整体的二维扫描图像，同时六轴机械臂(1)在运动的过程中将对应扫描位置的坐标传回主控计算机，主控计算机根据二维扫描图像和六轴机械臂传回的相应坐标重建得到治疗靶区的整体三维图像；

(2)路径规划阶段：主控计算机根据手动勾画于所述三维图像上的需要进行高强度聚焦超声治疗的多个位点及治疗顺序生成路径坐标；

(3)高强度聚焦超声作用与监控阶段：六轴机械臂(1)按照路径规划进行运动，带动复合探头内的环阵聚焦换能器(9)的焦点移动到指定位点，然后高强度聚焦超声换能器功率驱动模块驱动环阵聚焦换能器(9)发射高强度聚焦超声，设置复合探头内的B超诊断换能器(8)为二维面阵换能器，B超诊断仪通过B超诊断换能器(8)采集高强度聚焦超声作用焦域三维图像，并传递给主控计算机，完成高强度聚焦超声作用效果监控；

(4)重复步骤(3)，直到环阵聚焦换能器(9)的焦点遍历路径规划中所有指定位点。