CN110787380A - 一种高强度聚焦超声机器人治疗设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度聚焦超声机器人治疗设备，包括：上位机、功率源、治疗头、定位系统及六轴机器人，治疗头与功率源连接，所述功率源、六轴机器人及定位系统均与所述上位机连接。上位机控制六轴机器人带动治疗头运动，上位机控制功率源发射信号进而控制治疗头产生聚焦超声波，上位机控制定位系统对治疗头进行定位，同时实时采集治疗信息并将影像学信息上传给上位机。本发明采用六轴机器人驱动治疗头移动，实现治疗头灵活移动，适用于多种体位病灶的治疗；同时治疗头可进行360度转动，可在治疗过程中对病灶的矢状面和横断面进行监控，使治疗过程监控更加全面精准；超声治疗设备的整机能够灵活移动，使用方便。

Description

一种高强度聚焦超声机器人治疗设备

技术领域

本发明涉及生物医学仪器与设备技术领域，尤其涉及一种高强度聚焦超声机器人治疗设备。

背景技术

基于高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)技术的超声空化机械损毁治疗技术是近年来兴起的一种新的无创治疗技术，其原理是利用超声波的可穿透性和可聚焦性，在体外将超声聚焦至人体病灶组织，在较高的输出功率(声压)下，利用较短的脉冲超声波在不依赖外源的空化泡情况下激发人体产生可控的空化效应，最终产生匀浆样(乳化状)的机械损伤，从而达到治疗的目的，目前超声空化机械损伤在治疗肿瘤、血栓、胎儿疾病等领域展示了巨大的应用前景。

由于高强度聚焦超声治疗技术在治疗过程中基于焦点处(焦域)的能量对病灶进行治疗，由于焦点一般较小，一般需要通过移动治疗头(或换能器)逐点对病灶部位进行治疗，因此治疗头(或换能器)的移动方式成为该领域关注的重要问题。目前，各种高强度聚焦超声治疗设备系统按治疗头运动方式分类，可分为两种，一种为治疗头通过三维电机驱动以机械位移的方式对病灶进行逐步消融治疗；另一种为基于相控阵换能器的治疗头可通过电子激励方式移动焦点进行逐步消融治疗。前者在治疗过程中由于其灵活度不高，导致治疗头内置B超探头监控只能通过单向切面移动对治疗过程进行监控，无法在治疗单个层面之后对治疗层横断面和矢状面进行整体评价，可能影响最终治疗效果；后者目前一般通过磁共振影像进行监控，造价成本较高。同时，以上两种类型的治疗设备整机体积均较大，且不易移动，造成占用医疗资源较多。此外，目前该类高强度聚焦超声治疗系统技术原理多利用聚焦热消融使组织达到凝固性坏死达到治疗的目的，对于治疗富血供的病灶组织由于热不易沉积导致治疗效果不佳，且对于需要去除组织的疾病无法进行治疗。

因此，现有技术存在不足，需要改进。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高强度聚焦超声机器人治疗设备。

本发明的技术方案如下：提供一种高强度聚焦超声机器人治疗设备，包括：上位机、功率源、治疗头、定位系统及六轴机器人，所述治疗头与所述功率源连接，所述功率源、六轴机器人及定位系统均与所述上位机连接。

所述六轴机器人，用于接受所述上位机的指令带动所述治疗头进行运动。

所述功率源，用于为所述治疗头提供信号并在所述信号的指导下驱动和激励所述治疗头产生对应所述信号的聚焦超声波。

所述治疗头，用于在所述功率源发射的信号驱动下产生聚焦超声波，所述聚焦超声波能够产生超声空化机械损毁以达到治疗的目的，所述治疗头能够在所述六轴机器人的驱动下进行多维运动，同时还能够在水平面上进行360度旋转。

所述定位系统，用于在治疗前，引导所述治疗头定位于病灶部位；治疗过程中，实时采集治疗信息，用于治疗过程的实时监控；并将在治疗过程中获得的影像学信息上传给所述上位机。

所述上位机为所述治疗设备的控制中心，用于控制所述功率源的信号发射，下达指令给所述六轴机器人进而驱动所述六轴机器人进行运动，并控制所述定位系统对所述治疗头进行定位；同时所述上位机能够接受并显示所述定位系统传输的影像学信息，并根据接收到的影像学信息调整所述功率源的输出参数。

进一步地，所述六轴机器人包括：工控机、六轴机械臂、转换器，所述工控机通过所述转换器与所述上位机相连，所述治疗头设于所述六轴机械臂的端头。

所述定位系统包括：B超主机、与所述B超主机连接的B超探头、及设于所述B超主机内的视频采集模块，所述视频采集模块与所述上位机连接。

所述治疗头包括：水囊罐、设于所述水囊罐内的换能器、设于所述水囊罐底部的水囊膜及套于所述水囊罐外侧的治疗头外壳，所述换能器与所述功率源连接，所述B超探头设于所述换能器内。

进一步地，所述换能器的中心设有一通孔，所述B超探头嵌入所述通孔的前端，所述B超探头的驱动线由所述通孔的后端引出连接至所述B超主机。

进一步地，所述水囊罐的顶部位于所述治疗头外壳的内部，所述水囊罐的底部位于所述治疗头外壳的外侧，所述水囊膜直接与人体接触，所述水囊膜直接与人体接触。

进一步地，所述水囊罐为圆筒结构，所述水囊膜为圆形。所述治疗头外壳的外侧设有若干把手。

进一步地，所述功率源包括：信号源、功率放大电路及匹配电路，所述信号源接收所述上位机的指令发出信号，并将所述信号传输给所述功率放大电路进行功率放大，再经所述匹配电路进行阻抗转换，得到处理过的所述信号将激发所述治疗头运行发射聚焦超声波。

进一步地，还包括辅助设备，用于制备超声耦合介质，所述辅助设备包括水处理设备及与所述水处理设备连通的上水管，所述上水管穿过所述治疗头外壳与所述水囊罐连通。

进一步地，所述超声耦合介质为去气水。

进一步地，所述治疗设备还包括电源模块和可移动支架。

进一步地，所述电源模块为稳压直流电源，所述稳压直流电源为所述功率源提供电压可调的电源。

所述可移动支架分为四层，且相邻两层之间采用防电磁干扰隔板进行分隔。

采用上述方案，本发明采用六轴机器人驱动治疗头移动，实现治疗头灵活移动，适用于多种体位病灶的治疗；同时治疗头可进行360度转动，可在治疗过程中对病灶的矢状面和横断面进行监控，使治疗过程监控更加全面精准；超声治疗设备的整机能够灵活移动，使用方便；换能器可输出高峰值负压、短脉冲聚焦超声实现机械损毁，较常规热消融治疗设备可用于更多疾病的治疗尤其是需要去除组织的疾病的治疗。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的原理图；

图3为本发明治疗头的结构示意图；

图4为本发明功率源的原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

本发明提供一种高强度聚焦超声空化治疗机器人设备，包括：上位机、功率源、治疗头、定位系统、六轴机器人。治疗头装配于六轴机器人上，治疗头与功率源连接，功率源、六轴机器人及定位系统均与上位机连接。

上位机为治疗设备的控制中心，用于控制功率源的信号发射，控制六轴机器人带动治疗头进行运动，同时控制定位系统对治疗头进行精准定位。

功率源接收到上位机的指令后，为治疗头提供信号并驱动和激励治疗头产生对应的聚焦超声波，所产生的聚焦超声波能够产生超声空化机械损毁以达到治疗的目的。具体地，超声空化机械损毁治疗的原理为：治疗头内换能器为强聚焦换能器，该换能器的晶片设计为强聚焦换能器，在功率源大功率、短脉冲、低占空比的信号驱动下，换能器在焦区能够产生较高的声场峰值负压，引发内源性空化泡，继而产生机械损毁，较常规热消融治疗设备可用于更多疾病的治疗尤其是需要去除组织的疾病的治疗。

定位系统的B超探头部分是位于治疗头内部的，B超主机部分与上位机通信连接。定位系统用于在治疗前，引导治疗头定位于病灶部位；治疗过程中，实时采集治疗信息，用于治疗过程的实时监控；并将在治疗过程中获得的影像学信息上传给上位机。此时上位机接收到定位系统上传的影像学信息会根据此信息调制功率源的信号输出参数，进一步控制治疗头产生的超声波，从而调整超声波的特征参数，以达到更好的治疗效果。

六轴机器人接受上位机的指令带动治疗头进行多维运动，实现治疗头灵活移动，适用于多种体位病灶的治疗，同时控制治疗头在水平面上进行360°旋转运动，可实现在治疗过程中对病灶的矢状面和横断面进行监控，使治疗过程监控更加全面精准。

同时，本发明的超声治疗设备整机能够灵活移动，使用方便。

下面，将结合具体实施例进行详细说明。

请参阅图1至图4，本发明提供一种高强度聚焦超声空化治疗机器人设备，包括：上位机1、功率源2、治疗头3、定位系统4、六轴机器人5、辅助设备6、可移动支架7及电源模块8。所述治疗头3装配于所述六轴机器人5上，所述治疗头3与所述功率源2连接，所述功率源2、六轴机器人5及定位系统4均与所述上位机1连接。所述六轴机器人5用于接受所述上位机1的指令带动所述治疗头3进行运动。所述治疗头3用于聚焦超声发射，所产生的聚焦超声能够产生超声空化机械损毁以达到治疗的目的。所述治疗头3能够在所述六轴机器人5的驱动下进行多维运动，同时还能够在水平面上进行360度旋转，可在治疗过程中对病灶的矢状面和横断面进行监控。所述功率源2用于为所述治疗头3提供信号并在所述信号的指导下驱动和激励所述治疗头3产生对应所述信号的聚焦超声波。所述定位系统4用于在治疗前，引导所述治疗头3定位于病灶部位；治疗过程中，实时采集治疗信息，用于治疗过程的实时监控；并将在治疗过程中获得的影像学信息上传给所述上位机1。所述上位机1为所述治疗设备的控制中心，用于控制所述功率源2的信号发射，控制六轴机器人5进行运动，控制所述定位系统4对所述治疗头进行定位，同时接受并显示所述定位系统4传输的影像学信息，所述上位机1根据接收到的影像学信息调整所述功率源2的输出参数，以达到更好的治疗。

请参阅图1与图2，具体地，本实施例中，所述定位系统4包括：B超主机42、设于所述B超主机上的B超探头、设于所述B超主机41内的视频采集模块，所述定位系统4的功能包括：(1)在治疗前，引导所述治疗头3定位于病灶部位；(2)治疗过程中，实时采集治疗信息，用于治疗过程的实时监控。(3)将在治疗过程中获得的影像学信息上传至所述上位机1，同时根据所述上位机1的指令调整所述功率源2输出信号的参数，从而调整所述治疗头3输出的超声波，以达到更好的治疗。所述B超探头用于实时采集治疗过程中的超声信息，所述超声信息经过所述B超主机41的处理后形成B超影像，形成的B超影响最后通过所述视频采集模块传输至所述上位机1，并在所述上位机1的显示界面进行显示。具体地，本实施例中所述视频采集模块为视频采集卡。

请参阅图1至图3，具体地，本实施例中，所述治疗头3与人体直接接触，其内可容纳超声耦合介质(去气水)，为超声波高效传输至人体提供传播介质。所述治疗头3包含：水囊罐32、设于所述水囊罐32内的换能器31、设于所述水囊罐32底部的水囊膜33及套于所述水囊罐32外侧的治疗头外壳34，所述换能器31与所述功率源2连接，所述B超探头设于所述换能器31内。具体地，本实施例中所述换能器31为强聚焦超声空化换能器，用于发射高强度聚焦超声，在所述功率源2的驱动下可产生高峰值负压、短脉冲超声波，在焦点处可产生超声空化的机械损毁作用，较常规热消融治疗设备可用于更多疾病的治疗尤其是需要去除组织的疾病的治疗。所述换能器31的中心设有一通孔35，可容纳所述B超探头，所述B超探头嵌入所述通孔35的前端，所述B超探头用于治疗前引导所述换能器31定位于病灶部位，同时在治疗过程中可对治疗信息进行实时采集用于监控治疗过程。所述水囊罐32的顶部位于所述治疗头外壳34的内部，所述水囊罐32的底部位于所述治疗头外壳34的外侧，所述治疗头外壳34将所述水囊管32的顶部密封住，防止空气将超声耦合介质氧化。具体地，本实施例中，所述水囊罐32为圆柱结构，所述水囊膜33为圆形，所述水囊膜33装配于所述水囊罐32的底部，与所述水囊罐32形成密闭圆筒状结构，用于容纳所述超声耦合介质(去气水)，所述治疗头3是通过所述水囊膜33直接与人体接触。同时所述把手36的数量为两个，对称设于所述治疗头外壳34的外侧壁上，可对所述治疗头3进行手动调节位置。

请参阅图1、图2与图4，所述功率源2包括：信号源21、功率放大电路22及匹配电路23，所述功率源2的主要功能是为所述换能器31提供信号并在该信号的指导下驱动和激励所述换能器31产生对应信号的聚焦超声波。所述治疗设备中的连接方式为：所述上位机1与所述功率源2连接，所述功率源2与所述换能器31连接。内部运行方式是所述功率源2内的所述信号源21接收所述上位机1的信号后，经功率放大电路，将功率放大，再经所述匹配电路22进行阻抗转换，最后处理过的信号激发所述换能器31运行发射聚焦超声波。

请参阅图1与图2，所述六轴机器人5包括：工控机51、六轴机械臂52、转换器，所述工控机51在治疗过程中可带动所述治疗头3。所述工控机51通过所述转换器与所述上位机1相连，在接受所述上位机1的信号指令后驱动所述六轴机械臂52运动，进而带动装载其上的所述治疗头3移动对整个病灶进行治疗。所述治疗头3不仅在所述六轴机器人5的驱动下可进行多维运动，同时在水平面上，所述治疗头3可进行360度旋转，可带动其内所述B超探头运动，进而可在治疗过程中使所述B超探头检测病灶治疗部位的多个切面，改善了传统的三维运动方式仅能检测病灶的单项切面，使整体治疗过程的监控更加全面和精准。具体地，所述六轴机械臂52靠近所述治疗头3这一端(即六轴机械臂52的最后一级)设有旋转部件，所述旋转部件为一旋转电机53，所述治疗头外壳34的顶部设置有一盖板37，所述盖板37固定在所述旋转电机53的外壳上，所述旋转电机53的输出轴54与治疗头3内的所述换能器31连接，当所述旋转电机53工作时，可以带动所述换能器31进而带动所述B超探头实现正反180°的旋转。本发明中采用六轴机器人5带动所述治疗头3运动结合所述治疗头3自身的360度旋转的方式运动灵活度较高，在不改变病人体位的同时，可适应病人体位进行治疗，同时，该种运动方式可应用于多种体位病灶的治疗。

请参阅2与图3，所述辅助设备7包括水处理设备及与所述水处理设备连通的上水管，主要功能为所述治疗头3内的所述换能器31提供超声传播介质(去气水)。在所述治疗头外壳34的顶部开一个开孔，将所述上水管伸入到所述水囊罐32内。所述水处理设备制备去气水，去气水通过所述上水管注入到所述治疗头3的所述水囊罐32内，并在治疗结束后所述水囊罐32内注入的去气水通过所述上水管排出。

请参阅图1与图2，具体地，本实施例中，所述电源模块8为稳压直流电源，所述稳压直流电源为所述功率源2提供电源，且电压可调。所述可移动支架分为四层，下方三层采用防电磁干扰隔板进行分割，分别放置所述电源模块8、功率源2、工控机51、B超主机41。该种设计方式一方面减少了电磁干扰，另一方面，整机体积较小，并且整机可移动，实用灵活性增强。

综上所述，本发明采用六轴机器人驱动治疗头移动，实现治疗头灵活移动，适用于多种体位病灶的治疗；同时治疗头可进行360度转动，可在治疗过程中对病灶的矢状面和横断面进行监控，使治疗过程监控更加全面精准；超声治疗设备的整机能够灵活移动，使用方便；换能器可输出高峰值负压、短脉冲聚焦超声实现机械损毁，较常规热消融治疗设备可用于更多疾病的治疗尤其是需要去除组织的疾病的治疗。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度聚焦超声机器人治疗设备，其特征在于，包括：上位机、功率源、治疗头、定位系统及六轴机器人，所述治疗头与所述功率源连接，所述功率源、六轴机器人及定位系统均与所述上位机连接，

所述六轴机器人，用于接受所述上位机的指令带动所述治疗头进行运动；

所述功率源，用于为所述治疗头提供信号并在所述信号的指导下驱动和激励所述治疗头产生对应所述信号的聚焦超声波；

所述治疗头，用于在所述功率源发射的信号驱动下产生聚焦超声波，所述治疗头能够在所述六轴机器人的驱动下进行多维运动，同时还能够在水平面上进行360度旋转；

所述定位系统，用于在治疗前，引导所述治疗头定位于病灶部位；治疗过程中，实时采集治疗信息，用于治疗过程的实时监控；并将在治疗过程中获得的影像学信息上传给所述上位机；

所述上位机为所述治疗设备的控制中心，用于控制所述功率源的信号发射，下达指令给所述六轴机器人进而驱动所述六轴机器人进行运动，并控制所述定位系统对所述治疗头进行定位；同时所述上位机能够接受并显示所述定位系统传输的影像学信息，并根据接收到的影像学信息调整所述功率源的输出参数。

2.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声机器人治疗设备，其特征在于，所述六轴机器人包括：工控机、六轴机械臂、转换器，所述工控机通过所述转换器与所述上位机相连，所述治疗头设于所述六轴机械臂的端头；

所述定位系统包括：B超主机、与所述B超主机连接的B超探头、及设于所述B超主机内的视频采集模块，所述视频采集模块与所述上位机连接；

所述治疗头包括：水囊罐、设于所述水囊罐内的换能器、设于所述水囊罐底部的水囊膜及套于所述水囊罐外侧的治疗头外壳，所述换能器与所述功率源连接，所述B超探头设于所述换能器内。

3.根据权利要求2所述的高强度聚焦超声机器人治疗设备，其特征在于，所述换能器的中心设有一通孔，所述B超探头嵌入所述通孔的前端，所述B超探头的驱动线由所述通孔的后端引出连接至所述B超主机。

4.根据权利要求3所述的高强度聚焦超声机器人治疗设备，其特征在于，所述水囊罐的顶部位于所述治疗头外壳的内部，所述水囊罐的底部位于所述治疗头外壳的外侧，所述水囊膜直接与人体接触。

5.根据权利要求4所述的高强度聚焦超声机器人治疗设备，其特征在于，所述水囊罐为圆筒结构，所述水囊膜为圆形；

所述治疗头外壳的外侧设有若干把手。

6.根据权利要求1至5任一项所述的高强度聚焦超声机器人治疗设备，其特征在于，所述功率源包括：信号源、功率放大电路及匹配电路，所述信号源接收所述上位机的指令发出信号，并将所述信号传输给所述功率放大电路进行功率放大，再经所述匹配电路进行阻抗转换，得到处理过的所述信号将激发所述治疗头运行发射聚焦超声波。

7.根据权利要求2至5任一项所述的高强度聚焦超声机器人治疗设备，其特征在于，还包括辅助设备，用于制备超声耦合介质，所述辅助设备包括水处理设备及与所述水处理设备连通的上水管，所述上水管穿过所述治疗头外壳与所述水囊罐连通。

8.根据权利要求7所述的高强度聚焦超声机器人治疗设备，其特征在于，所述超声耦合介质为去气水。

9.根据权利要求6所述的高强度聚焦超声机器人治疗设备，其特征在于，还包括电源模块和可移动支架。

10.根据权利要求9所述的高强度聚焦超声机器人治疗设备，其特征在于，所述电源模块为稳压直流电源，所述稳压直流电源为所述功率源提供电压可调的电源；

所述可移动支架分为四层，且相邻两层之间采用防电磁干扰隔板进行分隔。

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