一種磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統的製作方法
2023-12-05 19:31:16
專利名稱：一種磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種腫瘤病灶靶區溫度測控系統，尤其是涉及一種磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統。
背景技術：
腫瘤的發病率和死亡率居高不下，傳統的治療方法包括手術、放療和化療等有創治療方法。但對於晚期病人，手術創傷大，過度的放、化療會損傷人體重要器官和組織，所以無創、微創的腫瘤治療方法顯得尤為重要。利用超聲溫熱治療法(包括超聲熱療與放、化療結合)治療腫瘤，是一種綠色無 倉IJ、安全有效的腫瘤治療方法。超聲溫熱治療原理是利用超聲將病灶加熱到43°C，持續加熱30至100分鐘左右，使腫瘤細胞發生不可逆轉的凋亡，而正常組織細胞在停止加熱後，可以重新吸收水分並恢復正常功能。對深度小於5-8cm的人體淺表腫瘤，採用超聲溫熱治療或者溫熱治療聯合局部化、放療，將全身化療改為局部給藥化療，減少化療藥物對人體的損傷，同時具有對化、放療進行增敏效果，對於腫瘤患者，尤其是中、晚期患者，是一種很好的治療方式。但是，傳統的超聲溫熱治療方法無法實現對人體內部溫度的無損測量，而熱療溫度又是保證超聲溫熱治療方法安全性和有效性的關鍵因素，因此無損測溫問題一直制約著超聲溫熱治療方法的推廣應用。磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging-MRI)技術是通過外加梯度磁場檢測所發射出的電磁波，據此可以繪製成物體內部的結構圖像，在物理、化學、醫療、石油化工、考古等方面獲得了廣泛的應用。人們可以利用MRI對人體內部溫度進行無損、精確、快速的測量。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種可無損、實時、精確地對淺表腫瘤進行治療、安裝簡單、成本低的磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統，該系統將診斷MRI與超聲溫熱治療技術融合，利用超聲溫熱治療無輻射、無副作用的優勢，結合MRI的精確定位和無損、精確測溫優勢，實現對淺表腫瘤安全有效的治療。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現—種磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統，用於對淺表腫瘤的病灶靶區進行溫度測控，該系統包括主控單元、功率超聲換能器激勵單元、冷卻單元、超聲換能器、MRI掃描單元和MRI溫度處理單元，所述的主控單元分別連接功率超聲換能器激勵單元、冷卻單元、MRI掃描單元和MRI溫度處理單元，所述的功率超聲換能器激勵單元依次連接超聲換能器、病灶靶區、MRI掃描單元和MRI溫度處理單元，所述的冷卻單元與超聲換能器連接；主控單元根據治療參數向功率超聲換能器激勵單元發送控制信號，功率超聲換能器激勵單元根據控制信號向超聲換能器發送輸出信號，驅動超聲換能器對病灶靶區進行加熱，主控單元控制MRI掃描單元對病灶靶區掃描定位，MRI掃描單元將掃描獲得的圖像發送給MRI溫度處理單元，MRI溫度處理單元對獲得的圖像進行處理後得到實時的三維溫度信息反饋給主控單元，主控單元根據MRI溫度處理單元反饋的三維溫度信息對功率超聲換能器激勵單元的輸出信號進行調整，同時主控單元控制冷卻單元的水溫保持在設定值，對超聲換能器進行冷卻。所述的治療參數包括治療持續時間、治療電壓和病灶區域加熱目標溫度，所述的控制信號包括輸出信號的頻率、佔空比和電壓值。所述的功率超聲換能器激勵單元包括可控高頻功率源、控制電壓發生電路和諧振式功率放大器，所述的諧振式功率放大器分別連接可控高頻功率源、控制電壓發生電路和超聲換能器，所述的可控高頻功率源和控制電壓發生電路均與主控單元連接；可控高頻功率源根據主控單元計算得到的頻率和的佔空比控制信號，調節輸出信號的頻率和佔空比，控制電壓發生電路根據主控單元計算得到的輸出信號的電壓值輸出可調的電壓，諧振式功率放大器根據接收到的頻率、佔空比和電壓向超聲換能器輸出功率驅動信號，驅動超聲換能器工作。
所述的可控高頻功率源為可生成頻率為I. OMHZ或3. 3MHZ正弦振蕩高頻功率源。所述的冷卻單元包括水循環冷卻子單元和冷卻水溫度測量電路，所述的水循環冷卻子單元的輸入端與主控單元連接，輸出端分別連接超聲換能器和冷卻水溫度測量電路的輸入端，所述的冷卻水溫度測量電路的輸出端與主控單元連接；冷卻水溫度測量電路測得水循環冷卻子單元內冷卻循環水的溫度，經過數字量化後反饋至主控單元，主控單元根據反饋信息，控制水循環冷卻子單元的冷卻循環水的溫度保持在設定值。所述的冷卻水溫度測量電路中設置有熱電偶。所述的超聲換能器由無磁性的材料製成。所述的無磁性的材料包括壓電陶瓷。該系統工作時，所述的主控單元、功率超聲換能器激勵單元和冷卻單元放置在屏蔽房間外，所述的超聲換能器、MRI掃描單元和MRI溫度處理單元放置在屏蔽房間內，所述的功率超聲換能器激勵單元通過絕緣屏蔽信號線與超聲換能器連接。與現有技術相比，本發明具有以下優點I)本發明所提供的MRI和超聲溫熱治療技術融合治療腫瘤的系統，基於診斷MRI結構，設計合適的超聲溫熱治療系統，實現了 MRI和超聲溫熱治療技術的融合，為腫瘤的治療提供了一種更安全、有效的無創治療方法。2)本發明系統可以在不改變MRI設備結構情況下，實現MRI和超聲溫熱治療技術的融合，MRI不僅對組織有良好的解剖定位能力，可進行準確的術前、術中引導，而且可無損、實時、精確的監控治療過程中靶區組織溫度，從而可以量化、實時、精確地控制超聲熱療的治療過程，也提高了超聲熱療的安全性。3)本發明最大化的利用了 MRI床體上的空間，在不改造原有的MRI診斷設備的前提下，將MRI與超聲溫熱治療系統融合，降低了成本，簡化了裝置，同時，安裝簡單、使用方便。
圖I為本發明的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。實施例如圖I所示，一種磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統，用於對淺表腫瘤的病灶靶區進行溫度測控，該系統將MRI與超聲溫熱治療技術融合，利用MRI精確定位病灶，通過超聲溫熱治療系統對體內病灶進行加熱，同時利用MRI無損測量體內病灶的溫度，並反饋給超聲溫熱治療系統，超聲溫熱治療系統通過主控單元接收溫度信息，通過溫度控制算法改變輸出電壓、頻率和佔空比等參數調節諧振式功率放大器的輸出功率，使病灶溫度 在加熱過程中保持在43°C，同時，針對不同深度的腫瘤病灶，控制與人體接觸的水囊內循環冷卻水的溫度，避免皮膚因超聲加熱升溫而被灼傷，實現了精確定位、無損測溫、精確溫控，可以解決制約超聲溫熱治療過程的瓶頸技術問題。本系統包括主控單元I、功率超聲換能器激勵單元2、冷卻單元3、超聲換能器4、MRI掃描單元5和MRI溫度處理單元6，所述的主控單元I分別連接功率超聲換能器激勵單元2、冷卻單元3、MRI掃描單元5和MRI溫度處理單元6，所述的功率超聲換能器激勵單元2依次連接超聲換能器3、病灶靶區7、MRI掃描單元5和MRI溫度處理單元6，所述的冷卻單元3與超聲換能器連接。其中，所述的功率超聲換能器激勵單元2包括可控高頻功率源21、控制電壓發生電路22和諧振式功率放大器23，所述的諧振式功率放大器23分別連接可控高頻功率源21、控制電壓發生電路22和超聲換能器4，所述的可控高頻功率源21和控制電壓發生電路22均與主控單元I連接。所述的冷卻單元3包括水循環冷卻子單元31和冷卻水溫度測量電路32，所述的水循環冷卻子單元31的輸入端與主控單元I連接，輸出端分別連接超聲換能器4和冷卻水溫度測量電路32的輸入端，所述的冷卻水溫度測量電路32的輸出端與主控單元I連接。本發明最大化的利用了 MRI床體上的空間，合理的布置了超聲溫熱治療的超聲換能器、冷卻單元等裝置，在不改造原有的MRI診斷設備的前提下，將MRI與超聲溫熱治療系統融合，降低了成本，簡化了裝置，同時，安裝簡單、使用方便。上述磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統的工作原理為主控單元I根據治療前制定的治療參數，如治療時間、治療電壓、病灶區域加熱目標溫度等信息，通過PID算法計算輸出信號的頻率、佔空比和電壓值，以此作為控制信號分別發送到可控高頻功率源21與控制電壓發生電路22，產生的信號經過諧振式功率放大器23放大後驅動超聲換能器4，對病灶進行加熱；主控單元I控制MRI掃描單元5對病灶掃描定位，獲得包含溫度信息的病灶圖像，MRI溫度處理單元6對病灶圖像進行處理，獲得靶區三維溫度信息，並將靶區三維溫度信息反饋至主控單元1，主控單元I根據反饋的三維溫度信息來調整可控高頻功率源21輸出的頻率與佔空比信號，以及控制電壓發生電路22輸出可調電壓信號，調節諧振式功率放大器23的輸出功率，使病灶溫度在加熱過程中保持在43°C ;主控單元I針對不同深度的腫瘤病灶，通過冷卻水溫度測量電路32測得循環水冷卻子單元31內冷卻循環水的溫度，經過數字量化後反饋至主控單元I ;主控單元I根據冷卻循環水的設定溫度和實際溫度，計算溫度差值，當差值大於0°C時，啟動水冷卻子單元31，開始對循環水的冷卻，當差值小於0°C時，關閉水冷卻子單元31，停止對循環水的冷卻，使冷卻循環水溫保持在設定值，避免皮膚因超聲加熱升溫而被灼傷。本實施例中，可控高頻功率源21用來生成頻率為I. OMHZ或3. 3MHZ的正弦振蕩，並根據主控單元信號頻率和佔空比控制信號，調節輸出信號的頻率和佔空比；控制電壓發生電路22接受主控單元通過算法計算得到的輸出電壓值，據此輸出可調的電壓，用以精確控制諧振式功率放大器23輸出的驅動電壓的幅度，從而控制超聲功率輸出；諧振式功率放大器23分別接收可控高頻功率源21輸出的頻率與佔空比信號，以及控制電壓發生電路22輸出的可調電壓信號，通過諧振式原理輸出規定頻率、佔空比和電壓幅度的功率驅動信號，通過絕緣屏蔽信號線驅動超聲換能器工作。本實施例中，MRI掃描單元5在主控單元的控制下對靶區掃描定位，同時採用對溫度敏感的序列，將實時掃描病灶靶區獲得的圖像輸送至MRI溫度處理單元6。本實施例中，MRI溫度處單元6對MRI掃描單元5掃描的包含溫度信息的病灶圖像進行處理，獲得靶區三維溫度信息，並將靶區三維溫度信息反饋至主控單元1，主控單元 I根據反饋的靶區三維溫度信息來調整可控高頻功率源21輸出的頻率與佔空比信號，以及控制電壓發生電路22輸出的可調電壓信號，實現治療靶區溫度的精確反饋控制。MRI有效的溫度測量和反饋控制保證了超聲熱療的安全性，幫助醫生更好地實施超聲熱療。本實施例中，冷卻水溫度測量電路32通過熱電偶測得水循環冷卻子單元31內循環冷卻水的溫度，經過數字量化後反饋至主控單元1，主控單元I根據冷卻循環水的設定溫度和實際溫度，計算溫度差值，當差值大於0°C時，啟動水冷卻子單元31，開始對循環水的冷卻，當差值小於0°C時，關閉水冷卻子單元31，停止對循環水的冷卻，使冷卻循環水溫保持在設定值，本實施例中，超聲換能器是由壓電陶瓷(PZT-8)等無磁性材料製作的一片直徑為5cm的換能器，無磁性幹擾，共可提供I. 0M,3. 3M兩種諧振頻率，可以根據腫瘤深度的不同採用不同的頻率。上述磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統工作時，主控單元I、可控高頻功率源21、控制電壓發生電路22、諧振式功率放大器23、水循環冷卻子單元31、冷卻水溫度測量電路32均放置於MRI的屏蔽房間外。諧振式功率放大器23輸出的驅動信號通過長度為15m左右的絕緣屏蔽信號線傳輸到超聲換能器4。超聲換能器4等部件均由無磁性的材料製成，絕緣屏蔽信號線也不會干擾磁場。因此整個系統中有幹擾的部分全部被放置於屏蔽間外，屏蔽間內的裝置均無電磁幹擾，所以整個系統對MRI成像幾乎無幹擾作用。本發明所提供的MRI和超聲溫熱治療技術融合治療腫瘤的系統，基於診斷MRI結構，設計合適的超聲溫熱治療系統，實現了 MRI和超聲溫熱治療技術的融合。系統可以在不改變MRI設備結構情況下，實現MRI和超聲溫熱治療技術的融合。超聲溫熱治療利用超聲無輻射、無副作用的特性，MRI不僅對組織有良好的解剖定位能力，可進行準確的術前、術中引導，而且可無損、實時、精確的監控治療過程中靶區組織溫度，從而可以量化、實時、精確地控制超聲熱療的治療過程，也提高了超聲熱療的安全性。結合MRI和超聲熱療的諸多優點，實現兩者的融合，為腫瘤的治療提供了一種更安全、有效的無創治療方法，此外還可以將熱療與放/化療結合，達到綜合治療腫瘤的目的，為更多腫瘤患者帶來福音。
權利要求
1.一種磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統，用於對淺表腫瘤的病灶靶區進行溫度測控，其特徵在於，該系統包括主控單元、功率超聲換能器激勵單元、冷卻單元、超聲換能器、MRI掃描單元和MRI溫度處理單元，所述的主控單元分別連接功率超聲換能器激勵單元、冷卻單元、MRI掃描單元和MRI溫度處理單元，所述的功率超聲換能器激勵單元依次連接超聲換能器、病灶靶區、MRI掃描單元和MRI溫度處理單元，所述的冷卻單元與超聲換能器連接；主控單元根據治療參數向功率超聲換能器激勵單元發送控制信號，功率超聲換能器激勵單元根據控制信號向超聲換能器發送輸出信號，驅動超聲換能器對病灶靶區進行加熱， 主控單元控制MRI掃描單元對病灶靶區掃描定位，MRI掃描單元將掃描獲得的圖像發送給 MRI溫度處理單元，MRI溫度處理單元對獲得的圖像進行處理後得到實時的三維溫度信息反饋給主控單元，主控單元根據MRI溫度處理單元反饋的三維溫度信息對功率超聲換能器激勵單元的輸出信號進行調整，同時主控單元控制冷卻單元的水溫保持在設定值，對超聲換能器進行冷卻。
2.根據權利要求I所述的一種磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統，其特徵在於，所述的治療參數包括治療持續時間、治療電壓和病灶區域加熱目標溫度，所述的控制信號包括輸出信號的頻率、佔空比和電壓值。
3.根據權利要求2所述的一種磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統，其特徵在於，所述的功率超聲換能器激勵單元包括可控高頻功率源、控制電壓發生電路和諧振式功率放大器，所述的諧振式功率放大器分別連接可控高頻功率源、控制電壓發生電路和超聲換能器，所述的可控高頻功率源和控制電壓發生電路均與主控單元連接；可控高頻功率源根據主控單元計算得到的頻率和的佔空比控制信號，調節輸出信號的頻率和佔空比，控制電壓發生電路根據主控單元計算得到的輸出信號的電壓值輸出可調的電壓，諧振式功率放大器根據接收到的頻率、佔空比和電壓向超聲換能器輸出功率驅動信號，驅動超聲換能器工作。
4.根據權利要求3所述的一種磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統，其特徵在於，所述的可控高頻功率源為可生成頻率為I. OMHZ或3. 3MHZ正弦振蕩高頻功率源。
5.根據權利要求I所述的一種磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統，其特徵在於，所述的冷卻單元包括水循環冷卻子單元和冷卻水溫度測量電路，所述的水循環冷卻子單元的輸入端與主控單元連接，輸出端分別連接超聲換能器和冷卻水溫度測量電路的輸入端，所述的冷卻水溫度測量電路的輸出端與主控單元連接；冷卻水溫度測量電路測得水循環冷卻子單元內冷卻循環水的溫度，經過數字量化後反饋至主控單元，主控單元根據反饋信息，控制水循環冷卻子單元的冷卻循環水的溫度保持在設定值。
6.根據權利要求5所述的一種磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統，其特徵在於，所述的冷卻水溫度測量電路中設置有熱電偶。
7.根據權利要求I所述的一種磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統，其特徵在於，所述的超聲換能器由無磁性的材料製成。
8.根據權利要求7所述的一種磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統，其特徵在於，所述的無磁性的材料包括壓電陶瓷。
9.根據權利要求I所述的一種磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統，其特徵在於，該系統工作時，所述的主控單元、功率超聲換能器激勵單元和冷卻單元放置在屏蔽房間夕卜，所述的超聲換能器、MRI掃描單元和MRI溫度處理單元放置在屏蔽房間內，所述的功率超聲換能器激勵單元通過絕緣屏蔽信號線與超聲換能器連接。
全文摘要
本發明涉及一種磁共振引導的淺表腫瘤超聲溫熱治療系統，用於對淺表腫瘤的病灶靶區進行溫度測控，該系統包括主控單元、功率超聲換能器激勵單元、冷卻單元、超聲換能器、MRI掃描單元和MRI溫度處理單元，所述的主控單元分別連接功率超聲換能器激勵單元、冷卻單元、MRI掃描單元和MRI溫度處理單元，所述的功率超聲換能器激勵單元依次連接超聲換能器、病灶靶區、MRI掃描單元和MRI溫度處理單元，所述的冷卻單元與超聲換能器連接，該系統將MRI和超聲溫熱治療技術融合，可以量化、實時、精確地控制超聲熱療的治療過程。與現有技術相比，本發明具有可無損、實時、精確地對淺表腫瘤進行治療、安裝簡單、成本低等優點。
文檔編號A61N7/02GK102921116SQ201210451659
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月12日 優先權日2012年11月12日
發明者沈國峰, 陳亞珠 申請人:上海交通大學