圖像引導的水冷式射頻消融腫瘤治療一體機的製作方法
2023-07-16 08:16:41 2
專利名稱：圖像引導的水冷式射頻消融腫瘤治療一體機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種圖像引導的水冷式射頻消融腫瘤治療一體機，將射頻消融技術與超聲影像技術有機地融合在一起。超聲影像不僅用來定位靶組織，還跟蹤靶組織的組織特性變化，並據此實施射頻消融原位滅活過程的全程監控，確保消融治療安全有效。本發明應用於腫瘤治療，屬於生物醫學工程技術領域。
背景技術：
基於射頻原位滅活技術的射頻腫瘤消融治療系統因具有適應症廣、創傷微小、療效良好、快速安全、方便易行等特點而成為一種廣受歡迎的腫瘤治療手段。國內外現在已有10種左右的產品，且大體上可分為兩大類型冷循環型和「多彈頭」型。但是，所有的產品都存在一個致命的缺點，即它們都沒有跟蹤靶組織的組織特性變化，並據此實施射頻消融原位滅活過程的全程監控，安全有效地完成治療。而是憑藉定時或根據靶組織的阻抗變化來判定消融治療是否完成，往往不是消融不足就是過度消融，前者給患者留下了極大的後患，後者過多地傷害了正常組織，同樣損害了患者的健康。近來也有醫生開始採用B超監視射頻消融的原位滅活過程，然後憑經驗來判定消融治療是否完成，這樣做雖然大大地改善了治療過程，但仍存在缺乏科學考量，操作困難等不足。
在射頻消融原位滅活過程中，靶組織中的腫瘤細胞因溫度上升而產生熱性凝固，形成壞死，且範圍不斷擴大直至覆蓋整個病灶。在上述病灶凝固、壞死過程中，病灶的B超影像將會有明顯的變化，其中各個像素的色值、色調、飽和度數據都將隨之變化。正因為這樣，不但可以據此觀察射頻消融原位滅活過程，而且還能對它實施全程監控，這就是圖像引導的水冷式射頻消融腫瘤治療一體機的基本原理。同時隨著計算機技術和醫學影像技術的飛速發展，計算機集成手術系統取得了長足的進步，也為研發圖像引導的水冷式射頻消融腫瘤治療一體機提供了技術基礎。
經文獻檢索，有關圖像引導的射頻消融腫瘤治療一體機還未見報導。在對《中國專利》、《香港知識產權署網上檢索系統》、《美國專利商標局網上專利檢索》檢索後也未發現與圖像引導的射頻消融技術有關的專利。美國專利《RFablation system and method having automatic temperature control(帶有自動溫度控制的射頻消融系統和方法)》(發明人Sherman et al.，專利號6,558,378)的特點是，借自動控制消融區域的溫度來防止靶組織因溫度過高而氣化結碳，從而得到較大範圍的消融區，不過它的效果不及冷循環針狀消融電極。該專利更沒有涉及跟蹤靶組織的組織特性變化、實施射頻消融原位滅活過程全程監控等問題，存在明顯的不足。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足及臨床應用的需要，提供一種圖像引導的水冷式射頻消融腫瘤治療一體機，具有性能優良、使用安全、療效顯著、操作科學規範等特點，造福患者。
為實現這樣的目的，本發明的技術方案中應用了射頻消融技術、醫學影像技術、水冷卻技術和智能化控制技術，並將它們有機地融合在一起形成一個計算機集成手術系統。
本發明設計的圖像引導的水冷式射頻消融腫瘤治療一體機包括循環水冷卻裝置、可控射頻功率源、三維定位系統、水冷式針狀消融電極、超聲成像探頭、B型超聲成像系統、計算機網絡系統、智能化監控軟體、治療計劃軟體和人機對話外設。
循環水冷卻裝置通過連接電纜與計算機網絡系統相連接，通過進、出水管與水冷式針狀消融電極相連通。可控射頻功率源通過連接電纜分別與水冷式針狀消融電極、計算機網絡系統相連接。水冷式針狀消融電極安裝在三維定位系統的一號活動臂上，治療時可插入至患者的靶組織內。超聲成像探頭安裝在三維定位系統的二號活動臂上，治療時可與患者靶組織上方的體表相接觸，通過連接電纜與B型超聲成像系統相連接。B型超聲成像系統通過連接電纜與計算機網絡系統相連接。三維定位系統是一個受計算機網絡系統控制的複雜的機電系統，通過連接電纜與計算機網絡系統相連接；人機對話外設包含有鍵盤、滑鼠等，通過各自的連接電纜與計算機網絡系統相連接；智能化監控軟體、治療計劃軟體安裝在計算機網絡系統的存儲器內；計算機網絡系統通過連接電纜分別與循環水冷卻裝置、可控射頻功率源、三維定位系統、B型超聲成像系統相連接；計算機網絡系統還可以通過網絡連接電纜分別讀取術前CT影像數據和術前MR影像數據。
所述循環水冷卻裝置可採用現有設備(參見已公開的發明專利CN1593353，《水冷式射頻腫瘤消融治療系統》。其中的回水管、出水管分別與水冷式針狀消融電極相連通，控制信號線及溫度傳感器均通過連接電纜連接到計算機網絡系統。
所述可控射頻功率源可採用現有電路(參見已公開的發明專利CN1593353，《水冷式射頻腫瘤消融治療系統》)。來自計算機網絡系統的PWM(脈寬調製)信號加至其控制輸入端，其輸出端則相應地輸出受控的射頻功率。
所述水冷式針狀消融電極採用現有裝置(參見已授權的發明專利ZL200310122792.1《單針水冷式射頻消融電極》)。其中的連接電纜通過電纜插頭與主機箱相連接，從可控射頻功率源輸入射頻能量，輸出溫度檢測信號到計算機網絡系統；進、出水管連接至循環水冷卻裝置。水冷式針狀消融電極插入靶組織，引導電極緊貼在患者的臀部或大腿外側，兩者構成射頻迴路，對病灶實施射頻容性加熱。
所述三維定位系統是一個受計算機網絡系統控制的複雜的機電系統，由支架、三維運動臂、一號活動臂、二號活動臂和電磁跟蹤模塊組成。支架固定地安裝在地面上。電磁跟蹤模塊安裝在支架上，電磁跟蹤模塊通過連接電纜與計算機網絡系統和三維運動臂相連，用來跟蹤超聲成像探頭、水冷式針狀消融電極和人體的位置，保證這三者的坐標統一。三維運動臂連接在支架上，可以上下、左右、前後移動，使水冷式針狀消融電極、超聲成像探頭快速地接近靶組織。一號活動臂連接在三維運動臂上，可以作精密的三維運動，運動時所產生的位置誤差不大於1mm。水冷式針狀消融電極可拆卸地安裝在一號活動臂上，借一號活動臂的運動準確地插入到病灶內。二號活動臂也連接在三維運動臂上，除可以作精密的三維運動，使超聲成像探頭準確地朝向靶組織外，還可以通過平行移動，讓超聲成像探頭能獲得靶組織的系列圖像，供重建三維圖像使用。三維定位系統提供了足夠的自由度，且各維運動都受計算機網絡系統控制。
所述超聲成像探頭、B型超聲成像系統採用成熟的產品，它直接把獲取的圖像信息傳送至計算機網絡系統。
所述計算機網絡系統的硬體平臺以高檔微型計算機為核心，配以圖象採集卡、多功能數據採集卡、控制卡、網際網路接口等插卡，PCI和ISA總線，USB接口，存儲器內存儲有智能化監控軟體、治療計劃軟體，作業系統為Windows XP。
所述智能化監控軟體、治療計劃軟體的程式語言為C++。
所述人機對話外設包括鍵盤和滑鼠，用來實現用戶和計算機互動操作，即可以通過人機對話外設進行人工幹預。
計算機網絡系統、人機對話外設、智能化監控軟體和治療計劃軟體構成一個完整的計算機輔助手術系統。
在手術前，首先通過安裝在三維定位系統二號活動臂上的超聲成像探頭和B型超聲成像系統對患者的病灶，即靶組織進行定位。確定靶組織位置後，再進一步獲取病人靶組織的序列斷層圖像，然後通過圖像分割、提取等值面等處理，建立三維模型並使之可視化，同時區分病灶、血管、骨骼等感興趣結構，確定消融範圍。將三維模型，即重建的三維圖像中的各個像素的位置參數x、y、z和色值、色調、飽和度等顏色參數的數據傳送至計算機網絡系統並存儲，並將它作為靶組織的基準模型。據此可以制定治療計劃方案確定水冷式射頻消融電極針的進針位置、射頻劑量、冷卻水溫度等。此外，為達到病人人體坐標和圖像坐標間的聯繫和統一，需要在人體表面設置對超聲敏感的標記。為實現更精確的治療，也可以在術前由CT成像系統或MR成像系統獲取靶組織圖像，並將術前CT影像數據和術前MR影像數據與超聲圖像進行多模態信息融合。
手術時，按制定的治療計劃方案，調整三維定位系統，在超聲圖像引導下向靶組織插入水冷式射頻消融電極針。然後啟動可控射頻功率源和循環水冷卻裝置，前者按制定的治療計劃方案輸出射頻功率即射頻劑量，後者則保持冷卻水溫度在設定值上。同時通過超聲成像探頭和B型超聲成像系統採集病人靶組織的圖像，並與手術前建立的三維模型配準，實時、精確、動態地反映出各個像素的色值、色調、飽和度等顏色參數變化，進而判定病灶的消融狀況，並據此發出相應的指令調控可控射頻功率源的工作參數，即改變射頻輸出的幅度和工作比等，使消融治療處於最佳狀態。如此不斷地採集、調控、再採集、再調控，即不斷地及時更新病人模型、更新手術計劃，直至新的靶組織模型與治療計劃中設定的治療完成時的靶組織模型一致，此時判定消融治療完成，一體機自動終止治療。
在手術後，重新採集病人靶組織的圖像，對治療效果進行最後的評估。
本發明將射頻消融技術與超聲影像技術有機地融合在一起，超聲影像不再是僅僅用來定位靶組織，它還要跟蹤靶組織的組織特性變化，並據此實施射頻消融原位滅活過程的全程監控，確保消融治療安全有效。本發明適用於肝癌、肺癌、腎癌、前列腺癌等病症的臨床治療，有著廣闊的應用前景和市場潛力。
圖1為本發明的系統組成結構示意圖。
圖1中，1為循環水冷卻裝置、2為可控射頻功率源、3為三維定位系統、4為水冷式針狀消融電極、5為超聲成像探頭、6為B型超聲成像系統、7為計算機網絡系統、8為智能化監控軟體、9為治療計劃軟體、10為人機對話外設。
圖2為本發明的三維定位系統示意圖。
圖2中，11為支架、12為三維運動臂、13為一號活動臂、14為二號活動臂、15為電磁跟蹤模塊。
具體實施例方式
為了更好地理解本發明的技術方案，以下結合附圖作進一步的詳細描述。
本發明系統的組成結構如圖1所示。它包括循環水冷卻裝置1、可控射頻功率源2、三維定位系統3、水冷式針狀消融電極4、超聲成像探頭5、B型超聲成像系統6、計算機網絡系統7、智能化監控軟體8、治療計劃軟體9和人機對話外設10。
循環水冷卻裝置1通過連接電纜與計算機網絡系統7相連接，通過進、出水管與水冷式針狀消融電極4相連通；可控射頻功率源2通過連接電纜分別與水冷式針狀消融電極4、計算機網絡系統7相連接；水冷式針狀消融電極4安裝在三維定位系統3的一號活動臂上，治療時可插入至患者的靶組織內；超聲成像探頭5安裝在三維定位系統的二號活動臂上，治療時可與患者靶組織上方的體表相接觸，通過連接電纜與B型超聲成像系統6相連接；B型超聲成像系統6通過連接電纜與計算機網絡系統7相連接；三維定位系統3是一個受計算機網絡系統7控制的複雜的機電系統，通過連接電纜與計算機網絡系統7相連接；人機對話外設10包含有鍵盤、滑鼠等，通過各自的連接電纜與計算機網絡系統7相連接；智能化監控軟體8、治療計劃軟體9安裝在計算機網絡系統7的存儲器內；計算機網絡系統7通過連接電纜分別與循環水冷卻裝置1、可控射頻功率源2、三維定位系統3、B型超聲成像系統6相連接；計算機網絡系統7還可以通過網絡連接電纜分別讀取術前CT影像數據和術前MR影像數據。
所述循環水冷卻裝置採用現有設備，其中的回水管、出水管分別與水冷式針狀消融電極相連通，控制信號線及溫度傳感器均通過連接電纜連接到計算機網絡系統。
所述可控射頻功率源採用現有電路，來自計算機網絡系統的PWM信號加至其控制輸入端，其輸出端則相應地輸出受控的射頻功率。
所述水冷式針狀消融電極採用現有裝置。其中的連接電纜通過電纜插頭與主機箱相連接，從可控射頻功率源輸入射頻能量，輸出溫度檢測信號到計算機網絡系統；進、出水管連接至循環水冷卻裝置。水冷式針狀消融電極插入靶組織，引導電極緊貼在患者的臀部或大腿外側，兩者構成射頻迴路，對病灶實施射頻容性加熱。
所述三維定位系統是一個受計算機網絡系統控制的複雜的機電系統，由支架11、三維運動臂12、一號活動臂13、二號活動臂14和電磁跟蹤模塊15組成。支架11固定地安裝在地面上。電磁跟蹤模塊15安裝在支架11上，電磁跟蹤模塊15通過連接電纜與計算機網絡系統7和三維運動臂12相連，用來跟蹤超聲成像探頭5、水冷式針狀消融電極4和人體的位置，保證這三者的坐標統一。三維運動臂12連接在支架11上，可以上下、左右、前後移動，使水冷式針狀消融電極4、超聲成像探頭5快速地接近靶組織。一號活動臂13連接在三維運動臂12上，可以作精密的三維運動，運動時所產生的位置誤差不大於1mm。水冷式針狀消融電極4可拆卸地安裝在一號活動臂13上，借一號活動臂13的運動準確地插入到病灶內。二號活動臂14也連接在三維運動臂12上，除可以作精密的三維運動，使超聲成像探頭5準確地朝向靶組織外，還可以通過平行移動，讓超聲成像探頭5能獲得靶組織的系列圖像，供重建三維圖像使用。三維定位系統提供了足夠的自由度，且各維運動都受計算機網絡系統控制。
所述超聲成像探頭5、B型超聲成像系統6採用成熟的產品，它直接把獲取的圖像信息傳送至計算機網絡系統7。
所述計算機網絡系統7的硬體平臺以高檔微型計算機為核心，配以圖象採集卡、多功能數據採集卡、控制卡、網際網路接口等插卡，PCI和ISA總線，USB接口，存儲器內存儲有智能化監控軟體、治療計劃軟體，作業系統為Windows XP。
所述智能化監控軟體、治療計劃軟體的程式語言為C++。
所述人機對話外設10包括鍵盤和滑鼠，用來實現用戶和計算機互動操作，即可以通過人機對話外設10進行人工幹預。
計算機網絡系統7、人機對話外設10、智能化監控軟體8和治療計劃軟體9構成一個完整的計算機輔助手術系統。
在手術前，首先通過安裝在三維定位系統3上的二號活動臂14上的超聲成像探頭5和B型超聲成像系統6對患者的病灶，即靶組織進行定位。確定靶組織位置後，再進一步獲取病人靶組織的序列斷層圖像，然後通過圖像分割、提取等值面等處理，建立三維模型並使之可視化，同時區分病灶、血管、骨骼等感興趣結構，確定消融範圍。將三維模型，即重建的三維圖像中的各個像素的位置參數x、y、z和色值、色調、飽和度等顏色參數的數據傳送至計算機網絡系統並存儲，並將它作為靶組織的基準模型。據此可以制定治療計劃方案確定水冷式射頻消融電極針的進針位置、射頻劑量、冷卻水溫度等。此外，為達到病人人體坐標和圖像坐標間的聯繫和統一，需要在人體表面設置對超聲敏感的標記。為實現更精確的治療，也可以在術前由CT成像系統或MR成像系統獲取靶組織圖像，並將術前CT影像數據和術前MR影像數據與超聲圖像進行多模態信息融合。
在手術時，按制定的治療計劃方案，調整三維定位系統，在超聲圖像引導下向靶組織插入水冷式射頻消融電極針。然後啟動可控射頻功率源和循環水冷卻裝置，前者按制定的治療計劃方案輸出射頻功率即射頻劑量，後者則保持冷卻水溫度在設定值上。同時，通過超聲成像探頭和B型超聲成像系統採集病人靶組織的圖像，並與手術前建立的三維模型配準，實時、精確、動態地反映出各個像素的色值、色調、飽和度等顏色參數變化，進而判定病灶的消融狀況，並據此發出相應的指令調控可控射頻功率源的工作參數，即改變射頻輸出的幅度和工作比等，使消融治療處於最佳狀態。如此不斷地採集、調控、再採集、再調控，即不斷地及時更新病人模型、更新手術計劃，直至新的靶組織模型與治療計劃中設定的治療完成時的靶組織模型一致，此時判定消融治療完成，一體機自動終止治療。
在手術後，重新採集病人靶組織的圖像，對治療效果進行最後的評估。
權利要求
1.一種圖像引導的水冷式射頻消融腫瘤治療一體機，其特徵在於由循環水冷卻裝置(1)、可控射頻功率源(2)、三維定位系統(3)、水冷式針狀消融電極(4)、超聲成像探頭(5)、B型超聲成像系統(6)和計算機網絡系統(7)、智能化監控軟體(8)、治療計劃軟體(9)和人機對話外設(10)組成；所述循環水冷卻裝置(1)通過連接電纜與計算機網絡系統(7)相連接，通過進、出水管與水冷式針狀消融電極(4)相連通；可控射頻功率源(2)通過連接電纜分別與水冷式針狀消融電極(4)、計算機網絡系統(7)相連接；水冷式針狀消融電極(4)安裝在三維定位系統(3)的一號活動臂上，治療時插入至患者的靶組織內；超聲成像探頭(5)安裝在三維定位系統的二號活動臂上，治療時與患者靶組織上方的體表相接觸，通過連接電纜與B型超聲成像系統(6)相連接；B型超聲成像系統(6)通過連接電纜與計算機網絡系統(7)相連接；三維定位系統(3)是一個受計算機網絡系統(7)控制的機電系統，通過連接電纜與計算機網絡系統(7)相連接；包含鍵盤、滑鼠的人機對話外設(10)通過連接電纜與計算機網絡系統(7)相連接；智能化監控軟體(8)、治療計劃軟體(9)安裝在計算機網絡系統(7)的存儲器內；計算機網絡系統(7)通過連接電纜分別與循環水冷卻裝置(1)、可控射頻功率源(2)、三維定位系統(3)、B型超聲成像系統(6)相連接；計算機網絡系統(7)還通過網絡連接電纜分別讀取術前CT影像數據和術前MR影像數據。
2.如權利要求1的圖像引導的水冷式射頻消融腫瘤治療一體機，其特徵在於所述三維定位系統(3)由支架(11)、三維運動臂(12)、一號活動臂(13)、二號活動臂(14)和電磁跟蹤模塊(15)組成；支架(11)固定安裝在地面上，電磁跟蹤模塊(15)安裝在支架(11)上，電磁跟蹤模塊(15)通過連接電纜與計算機網絡系統(7)和三維運動臂(12)相連，用來跟蹤超聲成像探頭(5)、水冷式針狀消融電極(4)和人體的位置；三維運動臂(12)連接在支架(11)上，可以上下、左右、前後移動，使水冷式針狀消融電極(4)、超聲成像探頭(5)快速接近靶組織；一號活動臂(13)連接在三維運動臂(12)上，水冷式針狀消融電極(4)可拆卸地安裝在一號活動臂(13)上，借一號活動臂(13)的三維運動準確地插入到病灶內；二號活動臂(14)連接在三維運動臂(12)上，通過三維運動使超聲成像探頭(5)準確地朝向靶組織，並能獲得靶組織的系列圖像，供重建三維圖像使用。
3.如權利要求1的圖像引導的水冷式射頻消融腫瘤治療一體機，其特徵在於所述計算機網絡系統(7)、人機對話外設(10)、智能化監控軟體(8)和治療計劃軟體(9)構成一個完整的計算機輔助手術系統；在計算機網絡系統(7)中存儲有通過超聲成像探頭(5)和B型超聲成像系統(6)獲取病人靶組織的序列斷層圖像並經圖像分割、提取等值面處理後建立的術前基準模型，按制定的治療方案控制手術中的射頻功率和冷卻水溫度，實時採集病人靶組織的圖像，並使之與術前基準模型配準，根據動態反映出的參數變化判定病灶的消融狀況，並據此調控可控射頻功率源(2)的工作參數，即改變射頻輸出的幅度和工作比，使消融治療處於最佳狀態。
全文摘要
本發明涉及一種圖像引導的水冷式射頻消融腫瘤治療一體機，由循環水冷卻裝置、可控射頻功率源、三維定位系統、水冷式針狀消融電極、超聲成像探頭、B型超聲成像系統、計算機網絡系統、智能化監控軟體、治療計劃軟體和人機對話外設組成，將射頻消融技術與超聲影像技術有機融合，結合計算機輔助手術系統，在術前，建立一個包含各個像素的位置參數和色值、色調、飽和度等顏色參數的三維模型並使之可視化；在術中，按制定的治療計劃方案控制射頻功率和冷卻水溫度，實時採集病人靶組織的圖像，動態判定病灶的消融狀況，並據此調控可控射頻功率源的工作參數，使消融治療處於最佳狀態；在術後重新採集病人靶組織的圖像，對治療效果進行最後的評估。
文檔編號A61B8/00GK1961841SQ20061011890
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月30日 優先權日2006年11月30日
發明者陳亞珠, 白景峰, 倪養華 申請人:上海交通大學