CN109999376B - 一种hifu设备控制系统及其无损测温方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种HIFU设备控制系统及其无损测温方法，涉及医疗辅助器械技术领域，本发明通过3D模型规划模块构建病灶的治疗区域模型，通过超声治疗头控制模块控制超声治疗头的定位，通过路径规划模型控制超声波换能器完成治疗过程，通过无损测温模块计算聚焦中心点的温度和焦域尺寸，克服现有技术中存在的功能简单、安全风险监测不足、操作选择性低等技术问题，实现了功能规划多样、安全可靠、操作简便的HIFU设备控制系统。

Description

一种HIFU设备控制系统及其无损测温方法
技术领域
本发明涉及医疗辅助器械技术领域，尤其是一种HIFU设备控制系统及其无损测温方法。
背景技术
高强度聚焦超声技术(High Intensity Focused Ultrasound)，简称HIFU技术，是将超声波聚焦于靶区组织，利用超声波具有的组织穿透性和能量沉积性，将体外发生的超声波聚焦到生物体内病变组织，通过超声的机械效应、热效应和空化效应达到治疗疾病的目的。
现有的基于HIFU的设备存在功能简单、安全风险监测不足、操作选择性低等技术问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种功能完善的一种HIFU设备控制系统。
为此，本发明的第二个目的是提供一种测量精度高的无损测温方法。
本发明所采用的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种HIFU设备控制系统，包括：
3D模型显示模块，用于根据病灶区域形状，构建治疗所述病灶的治疗区域模型；
路径规划模块，用于控制超声波换能器按照规划路径完成治疗过程；
无损测温模块，用于计算聚焦中心点的温度和焦域尺寸；
超声治疗头控制模块，用于控制超声治疗头的定位。
进一步地，还包括：
图像显示模块，用于显示B超或核磁共振采集到的图像信息。
进一步地，还包括：
初始化定位模块，用于控制超声换能器聚焦于预设中心点位置。
进一步地，还包括：
治疗参数配置模块，所述治疗参数配置模块用于配置包括HIFU热消融参数和HIFU超声空化参数。
进一步地，所述HIFU热消融参数包括打击时间、间歇时间、打击次数和打击功率。
进一步地，所述路径规划模块包括：一字形路径规划、S形路径规划和螺旋形路径规划。
第二方面，本发明提供一种无损测温方法，所述方法包括：
根据治疗剂量求出焦域尺寸；
计算焦域内能量；
通过所述焦域尺寸和所述焦域内能量计算焦域温度。
进一步地，所述步骤根据治疗剂量求出焦域尺寸是基于实验数据拟合的函数关系。
进一步地，所述焦域内能量由换能器输出的总能量、在水中消耗的能量、穿透正常组织消耗的能量和血管中的血液流动带走的能量确定。
进一步地，所述焦域尺寸、所述焦域内能量和所述焦域温度关系为：Q＝cmΔt，其中Q为焦域内能量，c为介质比热容，Δt为焦域温度变化值，m为焦域内病灶的质量，所述质量由所述焦域尺寸得到。
本发明通过3D模型规划模块构建病灶的治疗区域模型，通过超声治疗头控制模块控制超声治疗头的定位，通过路径规划模型控制超声波换能器完成治疗过程，通过无损测温模块计算聚焦中心点的温度和焦域尺寸，克服现有技术中存在功能简单、安全风险监测不足、操作选择性低等技术问题，实现了功能规划多样、安全可靠、操作简便的HIFU设备控制系统。
另外，本发明还公开了一种无损测温方法，通过计算焦域能量和焦域尺寸计算出焦域温度，具有测量精度较高的优点。
附图说明
图1是本发明中一种HIFU设备控制系统一具体实施例的结构示意图；
图2a是本发明中一种HIFU设备控制系统一具体实施例中路径规划模块中一字形路径规划示意图；
图2b是本发明中一种HIFU设备控制系统一具体实施例中路径规划模块中S字型路径规划示意图；
图2c是本发明中一种HIFU设备控制系统一具体实施例中路径规划模块中螺旋形型路径规划示意图；
图3是本发明中一种无损测温方法一具体实施例的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，图1为发明中一种HIFU设备控制系统一具体实施例的结构示意图，包括：
3D模型显示模块，用于根据病灶区域形状，构建治疗所述病灶的治疗区域模型；
确定打击靶点后，模拟进行打击操作，生成一个椭球型空间实体焦域，多个打击靶点生成多个空间实体，由多个空间实体组成病灶的治疗区域模型。
路径规划模块，用于控制超声波换能器按照规划路径完成治疗过程；
根据病灶组织在内部设定的网格坐标系中的分布，选取病灶组织覆盖的格点作为靶点，并记录靶点的坐标，选择路径规划方式，可选择默认规划路径和按照描点的先后顺序作为路径，路径规划方式包括：一字形路径规划(如图2a所示)、S形路径规划(如图2b所示)和螺旋形路径规划(如图2c所示)。
超声治疗头控制模块，用于控制超声治疗头的定位，使得精确地打击目标区域。
具体方法为：
将超声波治疗头固定在三维精密运动平台上，所述三维精密运动平台的三个方向由三个步进电机驱动，通过对步进电机的控制，实现对超声治疗头的精确定位。
无损测温模块，用于计算聚焦中心点的温度和焦域尺寸，以实现对HIFU疗效检测和治疗剂量控制。
如图3所示，采用的无损测温方法包括：
根据治疗剂量求出焦域尺寸；通过前期大数据的分析结果求出治疗剂量和焦域尺寸的函数关系，通过治疗剂量确定焦域的尺寸。
计算焦域内能量，焦域的能量可通过如下公式求出，Q焦域＝Q0-Q1-Q2-Q3，其中Q0为换能器输出的总能量，可通过剂量及其电声转换效率求出，Q1为在水中消耗的能量，Q2穿透正常组织消耗的能量，Q3为血管中的血液流动带走的能量。Q1可通过超声在自由场中的衰减系数和在超声穿透自由场的距离求出，Q2可通过超声透过生物组织的距离和在生物组织中的衰减系数求出，Q3可通过治疗部位的供血丰富度和治疗时间确定。
所述焦域尺寸、所述焦域内能量和所述焦域温度关系为：Q＝cmΔt，其中Q为焦域内能量，c为介质比热容，Δt为焦域温度变化值，m为焦域内病灶的质量，质量由焦域尺寸得到。
通过无损测温模块，实时了解当前的治疗温度，防止因局部温度过高对人体造成的危险。
进一步地，本实施例中还包括图像显示模块，用于显示B超或核磁共振采集到的图像信息。
显示模块中同时显示两幅图像，一副为治疗前的图像，另一幅为实时更新的治疗图像，通过两幅图像对比，观察治疗效果。
显示模块与实体病灶具有相同的比例关系。
进一步地，本实施中还包括初始化定位模块，用于控制超声换能器聚焦于预设中心点位置。
进一步地，本实施例中还包括治疗参数配置模块，所述治疗参数配置模块用于配置包括HIFU热消融参数和HIFU超声空化参数。
HIFU热消融治疗参数项包含可选参数和自输入选项，可选参数为从预设的下拉列表中选择参数，自输入项为直接输入需要配置的参数数值。
HIFU热消融治疗参数包含打击时间、间歇时间、打击次数以及打击功率等。
HIFU超声空化参数包含超声换能器频率、脉冲重复频率、脉冲个数、间歇脉冲个数、占空比以及总脉冲时长等。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种HIFU设备控制系统，其特征在于，包括：
3D模型显示模块，用于根据病灶区域形状，构建治疗所述病灶的治疗区域模型；
路径规划模块，用于控制超声波换能器按照规划路径完成治疗过程；
无损测温模块，用于计算聚焦中心点的温度和焦域尺寸，用于根据治疗剂量求出所述焦域尺寸，用于计算焦域内能量，通过所述焦域尺寸和所述焦域内能量计算焦域温度，所述焦域尺寸、所述焦域内能量和所述焦域温度关系为：Q＝cmΔt，其中Q为焦域内能量，c为介质比热容，Δt为焦域温度变化值，m为焦域内病灶的质量，所述质量由所述焦域尺寸得到；
超声治疗头控制模块，用于控制超声治疗头的定位。
2.根据权利要求1所述的一种HIFU设备控制系统，其特征在于，还包括：
图像显示模块，用于显示B超或核磁共振采集到的图像信息。
3.根据权利要求1所述的一种HIFU设备控制系统，其特征在于，还包括：
初始化定位模块，用于控制超声换能器聚焦于预设中心点位置。
4.根据权利要求1所述的一种HIFU设备控制系统，其特征在于，还包括：
治疗参数配置模块，所述治疗参数配置模块用于配置包括HIFU热消融参数和HIFU超声空化参数。
5.根据权利要求4所述的一种HIFU设备控制系统，其特征在于，所述HIFU热消融参数包括打击时间、间歇时间、打击次数和打击功率。
6.根据权利要求4所述的一种HIFU设备控制系统，其特征在于，所述路径规划模块包括：一字形路径规划、S形路径规划和螺旋形路径规划。
7.一种无损测温方法，应用于权利要求1至6任一项所述的一种HIFU设备控制系统，其特征在于，所述方法包括：
根据治疗剂量求出焦域尺寸；
计算焦域内能量；
通过所述焦域尺寸和所述焦域内能量计算焦域温度，所述焦域尺寸、所述焦域内能量和所述焦域温度关系为：Q＝cmΔt，其中Q为焦域内能量，c为介质比热容，Δt为焦域温度变化值，m为焦域内病灶的质量，所述质量由所述焦域尺寸得到。
8.根据权利要求7所述的一种无损测温方法，其特征在于，所述步骤根据治疗剂量求出焦域尺寸是基于实验数据拟合的函数关系。
9.根据权利要求7所述的一种无损测温方法，其特征在于，所述焦域内能量由换能器输出的总能量、在水中消耗的能量、穿透正常组织消耗的能量和血管中的血液流动带走的能量确定。
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