CN1743025A - 聚焦超声治疗中基于视点的三维图像引导运动定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚焦超声治疗中基于视点的三维图像引导运动定位系统，包括治疗床、支撑治疗床运动的上拖板及x轴直线运动机构和可控制B超探头自转的机构，还包括设置于换能器探头和B超探头下方的绕y轴摆动的机构，其下部设置有绕x轴摆动的机构，绕x轴摆动的机构坐落于中拖板上，中拖板下方设置有z轴升降直线运动机构，其坐落于下拖板上，下拖板及其下部的y轴直线运动机构坐落于置于地面的基坐板上。本发明的定位系统，可实现6个自由度的控制，让医生从B超图像引导的视点角度出发，配合基于视点的运动运算关系，即可直观地在B超图像上直接上、下、左、右、前、后操作，而无需顾及各个轴的具体运动，从而实现各轴的联动。

Description

聚焦超声治疗中基于视点的三维图像引导运动定位系统

                        技术领域

本发明属生物医学仪器与设备领域，涉及一种图像引导的运动定位系统，具体涉及聚焦超声治疗中基于视点的三维图像引导运动定位系统。

                        背景技术

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)是将体外超声能量聚焦在人体深部目标组织，达到精确热损伤选定目标组织的目的。高强度聚焦超声治疗立体定位系统的作用：一是确定图像引导下的深部患病部位，二是确定适合的方位和短的聚焦超声路径进行定位治疗。

根据申请人所进行的资料检索，检索到与本发明相关的文献如下：

中国发明专利ZL98100283.8《高强度聚焦超声肿瘤扫描治疗系统》(公开日1999年5月5日，公开号1215616)中公开的是将单阵元治疗换能器和B超探头组合成组合探头，设置在多维数控运动装置上，该运动装置在计算机控制下进行体外扫描运动达到所需的治疗效果。中国实用新型专利ZL99201009.8《高强度聚焦超声治疗系统中的六坐标扫描装置》中，具有6个完全的自由度，实现了超声波焦点的空间定位和超声波传播路径的姿态控制。这两种形式的扫描机构实质上与传统的6坐标数控机床完全一致，主机座通过中心孔左端面连接板和倾斜机构的外壳联接，倾斜机构左端通过螺孔和四维机构外壳连接，四维机构内由三个相互垂直坐标和一个水平回转坐标，实现6个完全的自由度，保障超声波焦点按任意指定的路径和姿态对目标靶组织治疗。但是，这两种形式机械结构复杂，体积笨重，制造和安装成本较高，整个系统的精度较差，从系统受力的角度看，薄弱环节较多，不利于精度的保持，维护和调节也比较麻烦。

中国发明专利03128117.6《聚焦超声治疗机的5自由度扫描装置》提出了一种5坐标串并联结构的聚焦超声治疗机器人，该机器人采用3-PRS并联机构和两个串连直线移动机构组成的串并联结构，实现5坐标运动。3-PRS并联扫描机构由三根驱动轴呈正三角形竖直布置，三个滑台分别装于三根驱动轴并可上下运动，三根等长连杆一端为转动副、安装在滑台上，另一端用球副连接于动平台；3-PRS动平台可实现z轴、绕x轴、绕y轴的运动。十字工作台可安装在3-PRS动平台上方或下方实现二维x轴、y轴的直线运动。该发明的关键部件可用标准件实现，结构简单、成本较低，可满足聚焦超声的定位需求。但这种并行机构对实时控制要求高，运动控制算法复杂。

中国发明专利申请号02145322.5《高强度聚焦超声治疗中的立体定位系统》采用C形臂机构实现摆动运动、治疗机构总成和三维运动床体，实现了高强度聚焦超声治疗中的立体定位。不足之处是C形臂占用空间较大。

                        发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的是提供一种聚焦超声治疗中基于视点的三维图像引导运动定位系统，该系统可实现6个自由度的运动控制，配合运动控制算法让医生从直观的B超图像引导的视点角度出发，方便地进行定位操作，克服了现有立体扫描机构中的各轴单独操作，使医生难以建立B超图像中的位置和每一运动轴的关系，及其图像找位和对位的困难。

本发明所采用的技术方案是，一种聚焦超声治疗中基于视点的三维图像引导运动定位系统，其特征在于：该系统包括有高强度聚焦超声换能器和B超探头，所述的高强度聚焦超声换能器以5个自由度的姿态定位，其中3个自由度的姿态为x轴、y轴、z轴相互垂直的直线运动，2个自由度的姿态为两个相互垂直且绕x轴、y轴摆动运动；上述5个自由度的姿态定位由各自的驱动机构完成；高强度聚焦超声换能器还与B超探头同轴安装，B超探头在高强度聚焦换能器中进行±90°自转，B超探头上设有控制B超探头自转的驱动机构，构成具有6自由度变换姿态的B超图像引导立体定位系统。

本发明的聚焦超声治疗中基于视点的三维图像引导运动定位系统，是一立体定位系统，可实现6个自由度的控制，6自由度装置采用串联结构，结构紧凑、高精度、运动过程中各轴运动无同步要求，该立体定位系统从医生直观的B超图像引导的视点角度出发，配合基于视点的运动运算关系，即可直观地在B超图像上(方位)直接上、下、左、右、前、后操作，而无需顾及各个轴的具体运动，从而实现各轴的联动。

                        附图说明

图1是本发明应用于聚焦超声治疗床的外形结构图；

图2是本发明应用于治疗床的运动定位系统的结构示意图；

图3是本发明运动定位系统中B超探头自转机构结构示意图；

图4是本发明中绕x轴、y轴摆动机构的一种实例结构示意图，其中，a是主视图，b是俯视图；

图5是本发明中y轴、z轴直线运动的实例结构示意图，其中，a是主视图，b是俯视图；

图6是本发明中床体x轴直线运动的实例结构示意图；

图7是本发明坐标换算示意图，其中，a是基于B超视点的运动直角坐标系uvw和轴运动直角坐标系xyz的关系示意，b是B超探头自转坐标示意，c是B超扇扫面上任意点的坐标示意。

下面结合附图和发明人给出的具体应用实施例对本发明作进一步的详细说明。

                      具体实施方式

参见附图1～2，图1是本发明应用于聚焦超声治疗床的外形结构图，从图1中可看出，高强度聚焦超声换能器置于治疗床的下方，治疗床的中央有孔，本发明的运动定位系统十分紧凑地位于聚焦超声治疗系统中治疗床的下部空间中。

参见图2，图2是本发明用于治疗床的运动定位系统的结构示意图，它包括有高强度聚焦超声换能器1和B超探头7，高强度聚焦超声换能器作相互垂直的x轴、y轴、z轴直线运动和绕x轴、y轴的摆动；高强度聚焦超声换能器1的上方有用于支撑治疗床运动的上拖板6及x轴直线运动的驱动机构11，上拖板6上留有大孔，使高强度聚焦超声换能器1的探头中大孔露出，B超探头7同轴安装在高强度聚焦超声换能器1的探头中，B超探头7在高强度聚焦换能器1中进行±90°自转。在高强度聚焦超声换能器1和B超探头7的下方，设置有绕y轴摆动的驱动机构2，驱动机构2的下方还有中拖板10，绕x轴摆动的驱动机构3设置于中拖板10上，中拖板10下方设置有z轴升降直线运动机构4，其坐落于下拖板9上，下拖板9及其下部的y轴直线运动机构5坐落于置于靠近地面的基座板8上。构成了具有6自由度变换姿态的B超图像引导立体定位治疗系统。B超图像在xy平面沿任意轴平行扫描可构成三维数据图像重建，亦可让B超探头自传构成三维数据图像重建。

图3是B超探头自转的结构示意图。B超探头自转的驱动机构由伺服电机18、驱动齿轮13、和B超探头同轴装配的齿轮12组成，伺服电机18带动驱动齿轮13并将以一定转速比带动齿轮12使B超探头7自转。由于高强度聚焦超声换能器1下置，自转的B超探头7部分设置了密封圈有效的防止下漏水，在高强度聚焦换能器1与绕y轴摆动的机构2之间设置有压环15，压环15上部与下置的高强度聚焦超声换能器1的盛放脱气净化水的水囊16相连。

图4是本发明中绕x轴、y轴摆动机构的一种实例结构示意图。两个绕轴摆动可形成绕锥顶(共焦点)的锥体内摆动。绕y轴摆动的驱动机构2置于绕x轴摆动的机构3上，两摆动运动相互垂直；两轴摆动机构的结构是一样的，故在此只说明其中一个摆动结构即绕y轴摆动的机构2。在绕y轴摆动的机构2中，伺服电机17驱动滚珠丝杆18转动使螺母19作直线运动，在螺母19的两侧夹持着两条同步带一道作直线运动，同步带支撑在四个同步轮20上，同步带带动绕y轴摆动的机构2运动；绕y轴摆动的机构2的外圆弧跑道21与同步轮20相切，外圆弧跑道21上装有多个轴承14，轴承14(图3示)在圆弧跑道上运动，于是直线运动便转化为摆动；其摆动中心便是焦点，摆动在锥顶角的±30°范围内。此两机构实现了二维的锥体内摆动，其结构极为紧凑，电机的转动和摆角成线性关系，高精度、无级、超静音运动。

图5是本发明中y轴、z轴直线运动的一种实例结构示意图。y轴直线运动机构5坐落在基座板8上，包括y轴伺服电机29驱动滚珠丝杆30转动，滚珠丝杆30上的螺母与下拖板9连接，基座板8上两侧安装有直线导轨31；滚珠丝杆30的转动可带动下拖板9沿直线导轨31作y轴方向的往复直线运动。

z轴升降直线运动机构4坐落在下拖板9上，z轴升降直线运动机构4中，z轴伺服电机25与同步轮和同步带26连接，同步轮和同步带26又与滚珠丝杆27连接，z轴伺服电机25使同步轮和同步带26转动带动丝杆上的螺母转动进而带动滚珠丝杆27作z轴升降运动；在z轴升降直线运动机构4上方中拖板10上垂直固定有三个z轴直线导轨28，滚珠丝杆27的运动带动中拖板10沿z轴直线导轨28作z轴升降直线运动。

图6是本发明中床体x轴直线运动11的一种实例结构示意图。x轴直线运动机构11包括x轴伺服电机32，x轴伺服电机32与滚珠丝杆33连接，滚珠丝杆33上套装有螺母35，x轴伺服电机32带动滚珠丝杆33转动，使螺母35沿x轴直线运动，固定在x轴直线运动机构11上的治疗床的下部还设置有6个x轴直线导轨34，螺母35的运动带动治疗床沿6个直线导轨34作x轴往复直线运动。

基于视点的运动算法参见图7。

首先计算B超探头观测点的位置：

本发明摆动运动为两条弧形轨迹有一个共同的圆心(焦点)，设为A(x₀，y₀，z₀)；该点在高强度聚焦超声换能器1的中心轴上，同时也在B超观测扇形的中心轴上；因此，该点的位置不随绕x轴转角α和绕y轴转角β以及白转角θ的运动而变化。决定该点坐标的是x轴、y轴、z轴的直线运动。B(z₁，y₁，z₁)为相控阵超声探头的中心点，而直线BA就是高强度聚焦超声换能器和B超扇区的中轴线。

过点B做x轴的平行线L，π平面与平面xy平面平行，|AB|＝l，由以下三个方程：

|y₀-y₁|＝l*sinα                            (1)

|x₀-x₁|＝l*cosαsinβ                  (2)

|z₀-z₁|＝l*cosα*cosβ                (3)

可以得到观测探头B点的坐标B(x₁，y₁，z₁)。

然后是基于B超视点的运动算法：

建立基于B超视点的运动直角坐标系uvw，其中BA所在的直线即为u。

坐标系中v轴的单位向量为v：

$v=(\frac{1}{\sqrt{(1+k^2)}},\frac{k}{\sqrt{(1+k^2)}},0)---\left(4\right)$

$k=-\frac{(x_1-x_0)}{(y_1-y_0)}$

又因为u的单位向量为u：

$u=(\frac{x_0-x_1}{l},\frac{y_0-y_1}{l},\frac{z_0-z_1}{l})$

l＝|AB|                                    (5)

单位向量w和u，v呈右手螺旋坐标系，则

w＝u×v

由G点在B超坐标系的坐标可以计算出r和ρ的长度参见图7c。

将r向量在v，w上分解为两个正交向量，设v轴上的向量为r′，w轴上的向量为r″，则有如下关系：

求r′：

由直线v的方程可以得到，单位向量v为：

$v=(\frac{1}{\sqrt{(1+k^2)}},\frac{k}{\sqrt{(1+k^2)}},0)$

$k=-\frac{(x_1-x_0)}{(y_1-y_0)}---\left(6\right)$

∴ $r^{\′}=v*(r*\cos \mathrm{\θ})=(\frac{r*\cos \mathrm{\θ}}{\sqrt{(1+k^2)}},\frac{k*r*\cos \mathrm{\θ}}{\sqrt{(1+k^2)}},0)$

$k=-\frac{(x_1-x_0)}{(y_1-y_0)}---\left(7\right)$

求r″

又因为u的单位向量为：

$u=(\frac{x_0-x_1}{l},\frac{y_0-y_1}{l},\frac{z_0-z_1}{l})$

l＝|AB|                                        (8)

单位向量w和u，v呈右手螺旋坐标系，则

w＝u×v

∴r″＝w *(r*sinθ)                                    (9)

(其中“×”为向量的叉积)

另外，对于直线BA上的一点D(x₂，y₂，z₂)，由于BA直线方程以及BD长度已知，因此，D点的坐标为：

D＝B+u*ρ                                              (10)

即：

$x_2=x_1+\frac{x_0-x_1}{l}*\mathrm{\ρ}$

$y_2=y_1+\frac{y_0-y_1}{l}*\mathrm{\ρ}$

$z_2=z_1+\frac{z_0-z_1}{l}*\mathrm{\ρ}---\left(11\right)$

∴ $\stackrel{\→}{G}=\stackrel{\→}{D}+{\stackrel{\→}{r}}^{\′}+{\stackrel{\→}{r}}^{\′\′}---\left(12\right)$

由此可实现医生在B超图像上直接上、下、左、右、前、后操作，并应用以上关系转换为6个轴的运动。

将本发明的立体定位系统，配合以上基于视点的运动运算关系，即可直观地在B超图像上(方位)直接上、下、左、右、前、后操作，无需顾及各个轴的具体运动，从而实现各轴的联动。

Claims (9)

1.一种聚焦超声治疗中基于视点的三维图像引导运动定位系统，其特征在于：该系统包括有高强度聚焦超声换能器和B超探头，所述的高强度聚焦超声换能器以5个自由度的姿态定位，其中3个自由度的姿态为x轴、y轴、z轴相互垂直的直线运动，2个自由度的姿态为两个相互垂直且绕x轴、y轴摆动运动；上述5个自由度的姿态定位由各自的驱动机构完成；

高强度聚焦超声换能器还与B超探头同轴安装，B超探头在高强度聚焦换能器中进行±90°自转，B超探头上设有控制B超探头自转的驱动机构，构成具有6自由度变换姿态的B超图像引导立体定位系统。

2.如权利要求1所述的聚焦超声治疗中基于视点的三维图像引导运动定位系统，其特征在于，所说的B超探头自转的驱动机构由伺服电机、驱动齿轮、和B超探头同轴装配的齿轮组成，所述的伺服电机带动驱动齿轮，驱动齿轮将动力传递给与B超探头同轴装配的齿轮，带动B超探头自转。

3.如权利要求1所述的聚焦超声治疗中基于视点的三维图像引导运动定位系统，其特征在于，所述绕x轴、y轴摆动的驱动机构包括伺服电机，伺服电机与x轴、y轴摆动的滚珠丝杆连接，滚珠丝杆上套装螺母，伺服电机驱动滚珠丝杆转动使螺母作直线运动，螺母的两侧夹持着两条同步带，同步带支撑在四个同步轮上，所述绕x轴、y轴摆动的驱动机构的外圆弧跑道与同步轮相切，外圆弧跑道上装有多个可沿圆弧跑道滚动的轴承。

4.如权利要求1所述的聚焦超声治疗中基于视点的三维图像引导运动定位系统，其特征在于，所述y轴直线运动的驱动机构包括y轴伺服电机，y轴伺服电机与y轴滚珠丝杆连接，用于驱动滚珠丝杆转动，滚珠丝杆上的螺母带动下拖板沿直线导轨作y轴方向的往复直线运动。

5.如权利要求1所述的聚焦超声治疗中基于视点的三维图像引导运动定位系统，其特征在于，所述z轴升降直线运动的驱动机构包括z轴伺服电机，z轴伺服电机与同步轮和同步带连接，同步轮和同步带又与滚珠丝杆连接，z轴伺服电机使同步轮和同步带转动进而带动滚珠丝杆作z轴升降运动，与z轴升降直线运动驱动机构上方中拖板相垂直固定有z轴直线导轨，滚珠丝杆的运动带动中拖板沿z轴直线导轨作z轴升降直线运动。

6.按照权利要求5所述的聚焦超声治疗中基于视点的三维图像引导运动定位系统，其特征在于，所述z轴直线导轨设置三个。

7.按照权利要求1所述的聚焦超声治疗中基于视点的三维图像引导运动定位系统，其特征在于，所述x轴直线运动的驱动机构包括x轴伺服电机，x轴伺服电机与滚珠丝杆连接，滚珠丝杆上套装有螺母，x轴伺服电机带动滚珠丝杆转动，使螺母沿x轴直线运动，固定在x轴直线运动机构上的治疗床的下部还设置有x轴直线导轨，螺母的运动带动治疗床沿直线导轨作x轴直线运动。

8.如权利要求7所述的聚焦超声治疗中基于视点的三维图像引导运动定位系统，其特征在于，所述x轴直线导轨设置6个。

9.如权利要求1所述的聚焦超声治疗中基于视点的三维图像引导运动定位系统，其特征在于，所述的有6自由度变换姿态的B超图像引导立体定位运动算法是：

1)首先计算B超探头观测点的位置：

摆动运动为两条弧形轨迹有一个共同的焦点即圆心，设为A(x₀，y₀，z₀)；该点在高强度聚焦超声换能器的中心轴上，同时也在B超观测扇形的中心轴上；因此，该点的位置不随绕x轴转角α和绕y轴转角β以及自转角θ的运动而变化，决定该点坐标的是x轴、y轴、z轴的直线运动；B(x₁，y₁，z₁)为相控阵超声探头的中心点，而直线BA就是高强度聚焦超声换能器和B超扇区的中轴线；

过点B做x轴的平行线L，π平面与平面xy平面平行，|AB|＝l，由以下三个方程：

|y₀-y₁|＝l*sinα                               (1)

|x₀-x₁|＝l*cosα*sinβ                         (2)

|z₀-z₁|＝l*cosα*cosβ                         (3)

可以得到观测探头B点的坐标B(x₁，y₁，z₁)；

2)然后是基于B超视点的运动算法：

建立基于B超视点的运动直角坐标系uvw，其中BA所在的直线即为u：

坐标系中v轴的单位向量为v：

$v=(\frac{1}{\sqrt{(1+k^2)}},\frac{k}{\sqrt{(1+k^2)}},0)---\left(4\right)$

$k=-\frac{(x_1-x_0)}{(y_1-y_0)}$

又因为u的单位向量为u：

$u=(\frac{x_0-x_1}{l},\frac{y_0-y_1}{l},\frac{z_0-z_1}{l})$

l＝|AB|                                        (5)

单位向量w和u，v呈右手螺旋坐标系，则

w＝u×v

由G点在B超坐标系下的坐标可以计算出r和p的长度；

将r向量在v，w上分解为两个正交向量，设v轴上的向量为r′，w轴上的向量为r″，则有如下关系：

求r′：

由直线v的方程可以得到，单位向量v为：

$v=(\frac{1}{\sqrt{(1+k^2)}},\frac{k}{\sqrt{(1+k^2)}},0)$

$k=-\frac{(x_1-x_0)}{(y_1-y_0)}---\left(6\right)$

∴ $r^{\′}=v*(r*\cos \mathrm{\θ})=(\frac{r*\cos \mathrm{\θ}}{\sqrt{(1+k^2)}},\frac{k*r*\cos \mathrm{\θ}}{\sqrt{(1+k^2)}},0)$

$k=-\frac{(x_1-x_0)}{(y_1-y_0)}---\left(7\right)$

求r″

又因为u的单位向量为：

$u=(\frac{x_0-x_1}{l},\frac{y_0-y_1}{l},\frac{z_0-z_1}{l})$

l＝|AB|                                           (8)

单位向量w和u，v呈右手螺旋坐标系，则

w＝u×v

∴r″＝w*(r*sinθ)                                (9)

其中“×”为向量的叉积，另外，对于直线BA上的一点D(x₂，y₂，z₂)，由于BA直线方程以及BD长度已知，因此，D点的坐标为：

D＝B+u*ρ                                        (10)

即：

$x_2=x_1+\frac{x_0-x_1}{l}*\mathrm{\ρ}$

$y_2=y_1+\frac{y_0-y_1}{l}*\mathrm{\ρ}$

$z_2=z_1+\frac{z_0-z_1}{l}*\mathrm{\ρ}---\left(11\right)$

∴ $\stackrel{\→}{G}=\stackrel{\→}{D}+{\stackrel{\→}{r}}^{\′}+{\stackrel{\→}{r}}^{\′\′}---\left(12\right)$

由此可实现在B超图像上直接上、下、左、右、前、后操作，并应用以上关系转换为6个轴的运动。

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