CN104970846B - 基于mr引导的hifu系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MR引导的HIFU系统及控制方法，该HIFU系统包括MR装置、HIFU装置和控制终端，MR装置和控制终端以及控制终端与HIFU装置之间通过消息中间件进行信息交互。控制方法如下：首先获取HIFU装置的当前治疗位置，根据当前治疗头位置计算得到相位数据并启动HIFU装置进行治疗；待获取MR装置采集到的影像信息后进行显示，根据影像信息计算当前治疗位置的温度分布和热计量分布进行显示，待达到预设效果后停止治疗。本发明通过消息中间件，使MR装置、HIFU装置和控制终端之间的交互变得简单，使不同厂家的MR装置、HIFU装置和控制终端之间兼容，降低了开发成本、提高了系统设计的开放性和灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种基于MR引导的HIFU系统及控制方法。
背景技术
高强度聚焦超声(HIFU)是指通过加有交变电压的压电换能器产生超声，通过一定的聚焦方式，使得超声波能够聚焦成一个很小焦斑，焦斑处的声强是诊断超声(0.1W/cm2)的4-5倍数量级，可达到1000-10000W/cm2。高强度聚焦超声利用超声波在人体内的生物效应、机械效应等，可以在很短时间内，通过在体外使得组织发生急性的凝固性坏死，从而达到微创甚至是无创治疗的目的。
高强度聚焦超声最早用于开颅治疗帕金森病；后续随着技术的发展，高强度聚焦超声在临床上用于治疗良恶性肿瘤，比如子宫平滑肌瘤、前列腺癌等。如今，高强度聚焦超声以其定位准确、治疗快速、微创等优点，成为了治疗肿瘤的研究热点。
高强度聚焦超声治疗技术要求主要包括聚焦控制、治疗规划、图像引导和治疗控制。
高强度聚焦超声需要通过一定的聚焦方式将输出的超声聚焦到治疗靶区。现有的聚焦方式有声透镜聚焦方式、多元自聚焦方式和相控聚焦方式。声透镜聚焦方式与光学聚焦原理相似，超声波穿过凹面声透镜后聚焦。多元自聚焦方式使用不多于十个换能器组成的固定焦点聚焦方式。相控聚焦方式由多个阵元组成，采用电子聚焦方式，通过向每个阵元发送控制信号在指定的位置聚焦。
临床上采用高强度聚焦超声进行治疗一般需要制定详细的治疗规划，即术前治疗靶区定位、治疗路径选择、治疗时超声剂量的输送设定等。通过术前诊断影像可以用来定位病灶区域，通过三维重建技术进行HIFU治疗路径优化并设定各个焦点的治疗时间和冷却时间来控制超声剂量的输送。
图像引导是指HIFU在治疗的同时，实时获取治疗区域的影像，通过获取的影像评估当前的治疗效果，并且引导和控制下一个治疗点的位置和剂量。现有的图像引导方式包括普通的B超成像引导、弹性成像引导、CT成像引导和磁共振成像引导。图像引导技术是HIFU治疗的关键技术。
治疗控制是在治疗过程中，根据病灶区域温度和超声功率输出的反馈结果，进行闭环控制治疗的过程。治疗控制的关键在于病灶区域热损害的准确测量，计算机只有通过这些反馈信息才可以进行闭环控制。利用磁共振影像的温度信息可以提取出治疗区域的温度，从而实现治疗控制。
采用声透镜聚焦和多元自聚焦方式需要通过机械移动才能聚焦到不同的位置，因此焦点控制不灵活，焦点切换速度慢；由于聚焦模式单一，无法绕过肋骨等骨骼屏障，治疗部位有限。而相控聚焦方式具有治疗定位准确灵活，焦点位置切换快速，聚焦模式多等优点。
超声引导的HIFU治疗方式具有组织对比度低、骨骼覆盖下显示不清楚、敏感度差、没有温度反馈等缺点；而且HIFU治疗产生的高强度超声会影响到超声成像，因此无法实时同步获取治疗区域的影像。而CT成像具有电离辐射，不利于长时间治疗，增强CT使用的造影剂具有毒性，对人体有一定的损害，而且CT影像也没有温度信息，仍然需要额外的测温辅助功能。磁共振影像具有良好的组织分辨率，具有任意切层能力，可以多平面、多参数成像，无观察死角，而且没有电离辐射，并且包含了温度信息。使用MRI引导的HIFU可以在术前提供病灶3D信息便于术前评估和制定治疗规划；术中的温度敏感信息可以实现治疗闭环控制；术后可以及时对治疗进行评估。
一套可供临床使用的HIFU系统需要集合磁共振进行成像，数据库服务器进行病人信息和治疗信息的存取以及HIFU控制系统。多系统的分布性要求有良好的通信协议、健壮和高效的通信机制支持。成熟的HIFU系统需要具备影像传输、温度计算、治疗规划、下位机控制等功能模块，治疗实时性、可靠性要求设计多个进程进行实现。系统间、系统内的进程间通信将是软件设计的一大难点。而磁共振和数据库服务器不同的厂家有着不同的接口，甚至运行在不同的操作系统上，不可能给不同的厂家开发不太的通信协议和接口，因为这样将带来更多的开发和维护成本。这些限制给软件设计带来很大的困难。因此需要设置一套通用、健壮的系统显得非常重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种一种基于MR引导的HIFU系统及控制方法。
一种基于MR引导的HIFU系统，包括MR装置、HIFU装置和控制终端；所述控制终端根据MR装置采集到的影像信息控制HIFU装置；所述MR装置和控制终端以及控制终端与HIFU装置之间通过消息中间件进行信息交互。
使用MR引导的HIFU治疗相比超声引导的HIFU，获取的影像具有更好的组织分辨率，并且可以提供组织温度信息，从而测量到病灶的热损害程度。
通过消息中间件，各个服务之间的交互变得简单，所有服务无需关心IPC，只需要将自己的任务做好，通过消息中间件的API即可实现进程间的交互。
与传统的软件设计方法相比，基于消息中间件的软件设计可以降低分布式应用程序开发难度，提高应用程序健壮性，节约开发成本。传统的分布式应用程序设计既需要考虑本身业务处理，又要考虑进程间通信；进程间通信的复杂度可能远远超过本身的业务处理。而位于操作系统上层的消息中间件封装了跨机和本机内的进程间通信，简化了IPC操作，这样应用程序只需要关注自身的业务处理。进程间通信属于纯计算机编程技术，开发一套高性能、稳定的进程间通信程序需要很丰富的计算机知识和工作经验，如果每个应用程序均要考虑进程间通信，需要很高的开发成本，而且开发的应用程序的性能和健壮性依赖于不同的开发人员。MR引导的HIFU系统的应用程序分布在多台主机上，不同厂家的MR主机运行在在不同的操作系统，如果为每个厂家都开发一套进程间的通信协议将会降低软件开发灵活性，增加开发成本。
所述的MR装置包括MR主机和MR设备，所述MR主机设有：
影像读取代理模块，用于读取MR设备采集到的影像信息；
第一消息中间件模块，用于将读取的影像信息通过消息中间件传输给控制终端。
所述的控制终端设有：
第二消息中间件模块，用于接收来自MR主机的影像信息，并根据接收到的影像信息向HIFU装置发送相应的控制指令。
所述的HIFU装置包括HIFU主机和HIFU设备，所述HIFU主机设有第三消息中间件模块，并通过所述的第三消息中间件模块接收来自控制终端的控制指令以对HIFU设备进行控制。
由于在使用时，使用者(医生)通过显示界面的实时显示的画面，可以判断出治疗效果，判断效果是否良好。因此，作为优选，HIFU主机还用于停止治疗，在使用者发现治疗效果不好时，及时停止治疗。
本发明所指的停止治疗指停止整个HIFU系统，即包括停止HIFU装置、MR装置以及控制终端。具体实现时，HIFU主机通过第三消息中间件模块将停机指令发送个控制终端的第二消息中间件模块，然后再由第二消息之间件模块向MR主机的第一消息中间件模块发送对应的停机指令，进而停止整个HIFU系统。
为保证HIFU系统中个部分(包括MR装置、HIFU装置和控制终端)之间能够通过消息中间件进行信息交互，本发明中的第一中间件模型与第二中间件模块，第二中间件模型与第三中间件模块之间相互匹配。
相比多元自聚焦等普通聚焦方式，相控聚焦显得灵活和快速。因此，作为优选，所述的HIFU装置为P-HIFU装置。
本发明还提供了一种基于MR引导的HIFU控制方法，该控制方法基于上述HIFU系统实现，包括如下步骤：
(1)MR装置采集到的影像信息并通基于消息中间件发送给控制终端；
(2)控制终端根据所述的影像信息形成控制指令并基于消息中间件发送给HIFU装置。
所述的MR装置包括MR主机和MR设备，所述MR主机读取MR设备采集到的影像信息，并将读取的影像信息通过消息中间件传输给控制终端。
所述的控制终端接收来自MR主机的影像信息，并根据接收到的影像信息向HIFU装置发送相应的控制指令。
所述的HIFU装置包括HIFU主机和HIFU设备，所述HIFU主机接收来自控制终端的控制指令对HIFU设备进行控制。
控制时首先获得HIFU装置的当前治疗位置，并根据当前治疗头位置计算得到对应相位数据并启动HIFU装置进行治疗；待获取MR装置采集到的影像信息后进行显示，根据所述的影像信息计算当前治疗位置的温度分布和热计量分布并进行显示，待达到预设效果后停止治疗。
本发明中预设效果通过在手术(即治疗)前根据MR装置对病人病情进行评估，并规划处相应的治疗方案以及对应的治疗效果。然后将治疗方案(具体指HIFU的路径和各个关键点出的强度曲线)，并以该治疗方案对应的治疗效果作为预设效果。
在实际治疗结束后，还可以通过控制终端获取患者的MR图像(图像信息对)，对患者的治疗情况进行评估。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
通过消息中间件，使MR装置、HIFU装置和控制终端之间的交互变得简单，所有服务无需关心IPC，只需要将自己的任务做好，通过消息中间件的API即可实现进程间的交互。使不同厂家的MR装置、HIFU装置和控制终端之间兼容，大大降低了开发成本、提高了系统设计的开放性和灵活性。
附图说明
图1为本实施例的基于MR引导的HIFU系统；
图2为本实施例的HIFU系统的功能模块分层示意图；
图3为本实施例中的消息中间件的总体设计图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
图1为本实施例的基于MR引导的HIFU系统，主要由三部分组成：MR装置(图1中MRI)、HIFU装置(本实施例中为P-HIFU装置，即图1中P-HIFU)和控制终端(即图1中Console)。磁共振(即MR装置)主要用来采集病灶的影像信息，该影像信息既提供给术前的治疗规划、术中的治疗控制(包括实时测温等)和术后的治疗效果评估。P-HIFU装置主要用来产生高强度聚焦超声，控制超声探头定位。控制终端根据影像信息控制HIFU装置2进行病人的手术治疗。
其中，MR装置和控制终端以及控制终端与HIFU装置之间通过消息中间件进行信息交互。MR装置、HIFU装置(本实施例中为P-HIFU装置)和控制终端均设有相应的主机，每台主机均部署消息中间件模块，通过消息中间件给进程提供进程通信服务。其中，MR装置中的主机为MR主机，设有第一消息中间件模块。控制终端设有：控制终端的主机设有第二消息中间件模块，用于接收来自MR主机的影像信息，并根据接收到的影像信息向HIFU装置发送相应的控制指令。HIFU装置中的主机为HIFU主机，设有第三消息中间件模块。
相比多元自聚焦等普通聚焦方式，相控聚焦显得灵活和快速；使用MRI引导的HIFU治疗相比超声引导的HIFU，获取的影像具有更好的组织分辨率，并且可以提供组织温度信息，从而测量到病灶的热损害程度。使用跨平台QT开发工具开发的MRI引导的P-HIFU软件系统可以运行在Linux和Windows平台，而且具有一次编码，多处编译的优点。该软件系统结合MRI进行术前治疗规划、术中影像引导和术后治疗评估；使用MRI实时获取的影像进行运动跟踪，通过提取MRI影像温度信息进行闭环控制，可以实现半自动、全自动治疗。开发的人性化界面可以给医生用户提供简便、快速的使用体验。
根据主机位置将整个HIFU系统的功能模块进行分层，分层结果如图2所示，包括三层，依次为：MR层、Console层(即控制层)和HIFU层。
每台主机的中间件都对应mq_server，并启动将主机互相连接的mq_connector。在不同主机上，client功能包括：
MR主层：
◆ia(image agent，即影像读取代理读取模块)：由于不同MR制造商使用的操作系统和和MR影像的获取方式不同，因此需要在MR层部署一个影像读取代理程序。该进程用来根据既定的协议实时读取MR生成的影像，并将影像通过消息中间件传输给Console层的应用。
◆log：用来管理所以程序运行的日志。
Console层：
◆hmi:human machine interface。人机交互界面。
◆iac:image agent client。影像读取客户端。
◆db:database。影像储存数据库。
◆tc:temperature control。温度，热剂量计算模块。
◆mc:motion correction。运动矫正模块，包括运动监控数据读取及图像运动矫正。
◆pos:probes position。探头位置获取及移动模块。
◆calc:calculation。相位计算模块。
◆log:日志服务。
P-HIFU层：
◆ctrl(control)。实现探头定位、相位输出和功率放大三大功能。
◆log:日志服务。
基于该系统进行HIFU控制时典型的控制流程如下：
hmi启动治疗过程，首选通过pos获得当前治疗位置，将目标位置发给pos；通知calc计算对应相位数据；将计算好的相位数据传递给ctrl开始治疗，同时通知ia等待MR采集数据。ia获取图像数据后，传递给iac，iac保存图像数据到db，推送图像数据给hmi显示给用户，推送图像数据给mc。mc对图像做完运动矫正处理后，把结果推送给tc计算温度分布及热剂量分布。tc计算结束后，将结果发给hmi显示。当治疗效果达到预期时，hmi通知ctrl停止治疗。用户也可直接控制ctrl停止治疗。在整个事件流程中，所有模块均会把自己开始及完成任务的日志发送给本地log服务储存。
本实施例中通过消息中间件，各个服务之间的交互变得简单，所有服务无需关心IPC，只需要将自己的任务做好，通过消息中间件的API即可实现进程间的交互。
与传统的软件设计方法相比，基于消息中间件的软件设计可以降低分布式应用程序开发难度，提高应用程序健壮性，节约开发成本。传统的分布式应用程序设计既需要考虑本身业务处理，又要考虑进程间通信；进程间通信的复杂度可能远远超过本身的业务处理。而位于操作系统上层的消息中间件封装了跨机和本机内的进程间通信，简化了IPC操作，这样应用程序只需要关注自身的业务处理。进程间通信属于纯计算机编程技术，开发一套高性能、稳定的进程间通信程序需要很丰富的计算机知识和工作经验，如果每个应用程序均要考虑进程间通信，需要很高的开发成本，而且开发的应用程序的性能和健壮性依赖于不同的开发人员。MR引导的HIFU系统的应用程序分布在多台主机上，不同厂家的MR主机运行在在不同的操作系统，如果为每个厂家都开发一套进程间的通信协议将会降低软件开发灵活性，增加开发成本。
本实施例中的消息中间件是使用ACE(Adapter Communication Environment自适配通信环境)软件框架开发而成。ACE是一种跨平台的面向对象(OO)的通用的工具包，它实现了通信软件的许多基本的设计模式。ACE通过简化进程间通信、事件多路分离、显示动态链接等方便目标用户在Unix、Linux和Win32平台上开发高性能服务和应用。
以两个主机(分别为host1和host2)为例进行说明本实施例中的消息中间件的总体设计原理图，如图3所示，该消息中间件主要由三部分组织：守护进程(mq_server)、通信进程(mq_connecto)和共享内存(shared memory)。mq_server作为整个中间件的核心，负责创建共享内存、命名管道(fifo)，通信进程mq_connector，创建客户端进程client(可以自己选择是否被守护，包括client1、client2，……，clientn)。mq_connector用来负责不同主机间通信，使用TCP长连接，支持心跳包机制。Shared memory保存了消息中间件的状态、相邻主机的拓扑结构、本机客户端进程client的信息以及持久化的报文。
当使用命令mq start启动mq_server后，mq_server会根据配置文件首先以SystemV语义创建共享内存，并将主机拓扑结构记录到共享内存中，然后命名管道fifo，接着创建通信进程mq_connector，最后根据配置信息逐个启动客户端进程。mq_connetor启动之后，根据共享内存中的拓扑结构，不断尝试连接不同主机中的mq_connector，根据连接的结果，即不同主机的MQ状态，通过fifo告知mq_server，mq_server将这些信息记录到共享内存中；共享内存中。应用进程启动后，调用消息中间件接口，通过fifo告知mq_server的自身状态信息，mq_server将客户端进程状态信息写入共享内存中。至此整个应用就启动成功。
通过消息中间，可以简单地实现本机或者跨机进程间的同步和异步调用。具体过程如下：
(1)本机进程的同步调用
本机内进程client1需要同步调用本机内进程client2，则client1通过自己的fifo告知mq_server，mq_server查看共享内存，判断client2状态是否合法，如果合法则从共享内存分配一块区域，告知client1；client1收到mq_server应答后，将报文写入共享内存，并通知mq_server，报文准备完毕。然后mq阻塞读取自己的fifo，等待mq_server通知client2的报文已经发送。
mq_server在收到client1进程的报文写入共享内存通知后，通过client2的fifo转发给client2，client2接收到mq_server的转发通知后，读取共享内存信息，并告知mq_server，mq_server回收该共享内存。
client2处理完毕后，需要将处理结果告知client1，因此也按照client1请求类似，先向mq_server请求共享内存资源，然后写入共享内存，然后通知mq_server。mq_server转发结果通知给client1。
client1接收到mq_server的转告通知后，读取共享内存，然后告知mq_server回收资源。
(2)本机进程的异步调用
异步调用用于只发请求而不等待应答过程。本进程内client1需要异步调用本进程内的client2，则client1通过自己的fifo告知mq_server去申请资源，然后将报文写入共享内存后直接返回，而不等待client2的应答。client1通过自己调用另外的接收报文的接口来获取其他进程的请求或者应答信息。
(3)跨机进程的同步调用
跨机间的同步调用和本机内的同步调用类似，只是需要通过mq_connector进行报文传递。host1内的client1需要同步调用host2内的client2，则client1调用同步调用接口告知mq_server。mq_server发现client2不是位于本机内，则将报文发给mq_connector进行跨机传递。mq_connector根据主机拓扑知道client2在哪个主机上，因此将报文通过TCP传递该主机client2的mq_connector。client2内的mq_connector通过自己的fifo向本机内的mq_server申请共享内存资源，然后将报文写入共享内存，并通知mq_server需要将报文发给client2。mq_server将信息转告client2，client2读取报文，处理后，按照类似的过程，将结果通过mq_connector发送到请求的主机，请求的主机将结果告知client1进行读取。
(4)跨机进程的异步调用
跨机的异步调用和跨机的同步调用类似，也需要mq_connector辅助实现。请求的进程只负责将报文发出，而不等待应答。
进程在进行本机或者跨机调用时，无需处理进程间的通信，也无需关心主机的拓扑结构，整个报文(消息或控制指令)的传递均通过消息中间件提供的API调用即可简单、可靠和快速的完成。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于MR引导的HIFU系统，其特征在于，包括MR装置、HIFU装置和控制终端；所述控制终端根据MR装置采集到的影像信息控制HIFU装置；所述MR装置和控制终端以及控制终端与HIFU装置之间通过消息中间件进行信息交互；
所述消息中间件主要由三部分组织：守护进程、通信进程和共享内存，守护进程作为整个中间件的核心，负责创建共享内存、命名管道；通信进程，创建客户端进程client，用来负责不同主机间通信，使用TCP长连接，支持心跳包机制；共享内存保存了消息中间件的状态、相邻主机的拓扑结构、本机客户端进程client的信息以及持久化的报文。
2.如权利要求1所述的基于MR引导的HIFU系统，其特征在于，所述的MR装置包括MR主机和MR设备，所述MR主机设有：
影像读取代理模块，用于读取MR设备采集到的影像信息；
第一消息中间件模块，用于将读取的影像信息通过消息中间件传输给控制终端。
3.如权利要求2所述的基于MR引导的HIFU系统，其特征在于，所述的控制终端设有：
第二消息中间件模块，用于接收来自MR主机的影像信息，并根据接收到的影像信息向HIFU装置发送相应的控制指令。
4.如权利要求2所述的基于MR引导的HIFU系统，其特征在于，所述的HIFU装置包括HIFU主机和HIFU设备，所述HIFU主机设有第三消息中间件模块，并通过所述的第三消息中间件模块接收来自控制终端的控制指令以对HIFU设备进行控制。
5.如权利要求1～4中任意一项所述的基于MR引导的HIFU系统，其特征在于，所述的HIFU装置为P-HIFU装置。
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