一種高強度聚焦超聲治療儀的製作方法

2023-12-08 06:29:46 1

專利名稱：一種高強度聚焦超聲治療儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種醫療儀器，特別涉及一種利用超聲波進行腫瘤治療的高強度聚焦超聲治療儀，屬於醫療儀器領域。
背景技術：
「高強度聚焦超聲治療」是一種新興的腫瘤無創技術。這種技術的基本原理是:通過一定的聚焦方式，將體外超聲源發出的低能量超聲波聚焦於生物體內，在組織內形成一個聲強較高的區域，即焦域，使位於焦域的局部組織瞬間內可以達到65 100°C的高溫，同時，聯合超聲波的空化效應、機械效應、熱效應、免疫效應等綜合作用，導致組織瞬間凝固性壞死，而周圍組織並無顯著損傷。凝固性壞死組織可逐漸被吸收或瘢痕化。通過對腫瘤進行如此由點到線、由線到面、由面到體逐點掃描的固化治療，使得整個腫瘤組織固化，達到治療的目的。在高強度聚焦超聲治療過程中，影響治療效果的關鍵因素是焦點定位的準確性、安全性、有效性，因此，對靶區準確定位和實時監控非常重要，以確保治療能量準確達到靶區組織而避免鄰近正常組織受到損傷。在中國發明專利「高強度聚焦超聲治療裝置和方法」(CN1803224A)中，其治療裝置具有通常的超聲換能器、圖像採集裝置、用於驅動超聲換能器的驅動單元以及使超聲換能器和圖像採集裝置移動的運動機構。該治療裝置中，由於採用通常的超聲換能器，受複雜的生物機體組織影響，治療時，固定的幾何焦點通常並不是人體組織升溫最高的點，即幾何焦點與生物焦點不重合，導致治療靶位不準確，影響治療效果。而在圖像採集和監控中，採用治療前接收、存儲靶區原始圖像，在治療過程中某一時刻再次接收並存儲靶區圖像，通過圖像對比來判斷治療效果的方法，不僅實時性差，而且圖像灰度變化在某一個切面可能不明顯，給療效判斷的全面性和準確性帶來嚴重影響。在中國發明專利「一種影像設`備引導的高強度聚焦超聲治療系統」(CN101130126A)中，影像設備採用二維成像的非超聲影像設備，如具有二維成像功能的CT機或MRI設備，雖然CT成像圖像逼真，但CT掃描圖像坐標系統與超聲波治療坐標系統準確融合較困難，診斷圖像不具有實時性，治療焦點難以準確定位，並且長時間X射線照射危害人體健康。而MRI圖像雖然具有很高的組織分辨能力，較容易區分正常組織和腫瘤組織，確定腫瘤邊界,並能實現診療部位立體成像。但應用MRI成像實時監控成本很高，並且MRI成像時磁場穩定性要求較高，對超聲治療儀器需進行無磁化設計，給系統結合帶來極大難度。近年來，B超斷層電子扇形掃描，即相控陣掃描技術有了長足的發展，其使用陣列換能器，並通過調整各陣元發射/接收信號的相位延遲，控制合成波陣面的曲率、指向、孔徑等，達到波束聚焦、偏轉、波束形成等多種相控效果。在醫學領域中，其採用尺寸較小的多陣元換能器發射和接收聲束，使聲束很容易通過胸部肋骨小窗口透入體內作扇形掃描，達到電子線性掃描無法探測的生物體部位，如心臟、肝臟右葉等。並且，通過多次扇形掃描還可以得到生物體檢查部位不同位置、深度的斷層圖像，結合後續數字圖像處理，可以對正常組織和病變組織進行三維重建，即定量分析。其應用前景廣闊，並受到醫療領域技術人員的
普遍重視。如何利用現有技術的發展，提高高強度聚焦超聲治療儀的使用性能，就成為本發明想要解決的問題。

發明內容
鑑於上述現有技術的不足，本發明旨在提供一種焦點定位準確、可靠，操控方便、靈活，能對治療過程實時、有效監控的高強度聚焦超聲治療儀，以滿足實際治療需要，保證治療效果。本發明是通過以下技術方案來實現的:一種高強度聚焦超聲治療儀，包括組合治療頭、超聲發射/接收主機、五自由度機械手臂和工作站，組合治療頭連接在五自由度機械手臂上，超聲發射/接收主機與組合治療頭連接；工作站分別控制五自由度機械手臂和超聲發射/接收主機工作。組合治療頭包括位置相對精確固定的B超探頭和一組治療探頭；B超探頭採用電子扇形掃描方式進行斷層位置和深度的相控掃描；一組治療探頭組成可獨立控制的大功率超聲束髮射陣，並通過相控陣方式進行發射後，在目標區域形成HIFU生物焦點；一組治療探頭與B超探頭位於同一平面內，一組治療探頭對稱分布在B超探頭的左右兩側。超聲發射/接收主機，用於控制組合治療頭中的B超探頭，以實現B超影像超聲波發射與影像信號採集，同時，實現治療探頭超聲束髮射和控制。五自由度機械手臂，用於模擬人體手臂的運動功能，攜帶安裝其上的組合治療頭進行位置和形態調整。工作站，用於控制五自由度機械手臂和超聲發射/接收主機工作，並保證B超影像二維圖像斷面與大功率超聲束治療斷面重合；同時，對B超二維影像進行後續處理，實現正常組織和病變組織的三維重建，完成人機互動和系統信息管理。超聲發射/接收主機包括相互順序連接的探頭選擇與發射/接收多路器模塊、發射/接收模塊、數字波束形成模塊、二維信號處理模塊和顯示器，以及分別與二維信號處理模塊和探頭選擇與發射/接收多路器模塊分別連接的通訊模塊，並為上述各模塊和顯示器提供電力的電源模塊。探頭選擇與發射/接收多路器模塊，負責B超探頭及治療探頭的連接與切換，控制B超探頭及治療探頭各陣元工作狀態，並進行相應掃描斷面或治療焦域的位置調整。發射/接收模塊，負責產生、發射高壓脈衝信號，接收探頭微弱回波信號，並經信號放大後進行AD模數轉換。數字波束形成模塊，負責數位訊號的合成，以及超聲前端的控制。二維信號處理模塊，負責 對二維灰度信號進行質量提高處理，並進行數字掃描變換。顯示器，用於實時顯示B超影像。通訊模塊，向工作站反饋超聲發射/接收主機的工作狀態，接受工作站的工作指令。本發明所述的一種高強度聚焦超聲治療儀的有益效果包括:
(1)大功率超聲束以相控陣方式進行發射，在目標區域形成高強度聚焦超聲治療的生物焦點，焦點溫度可達65 100°C，焦點區域組織在瞬間形成凝固性壞死，實現了無損傷快速治療。(2)組合治療頭中B超探頭與治療探頭採用精確組合，並通過電子方式進行相控掃描和相控治療位置的調控，使二維B超圖像斷面與大功率超聲束治療斷面有效重合，保證了治療準確性和可靠性，以及實時觀察的有效性。(3)五自由度機械手臂通過模擬人體手臂的運動功能，使其安裝在手臂上的組合治療頭可以進行靈活、準確地定位，方便了患者，保證了治療過程的舒適性，特別是對長時間治療過程提供了有利保障。(4)能夠對組織器官進行斷層掃描、矢量切割、三維重建等超聲影像建立，方便了後續觀察，提高了診斷準確性。(5)整個治療儀體積小、重量輕、操作方便，定位圖像清晰度高，使用靈活，患者無需進行麻醉或只須進行淺度麻醉即可進行長時間治療。(6)特別適合對乳腺、肝臟、腎臟、子宮、前列腺等器官的病變組織進行無創高強度聚焦超聲治療。


圖1為本發明的結構示意圖；圖2為本發明中超聲發射/接收主機的結構示意框圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步的描述:如圖1所示，本發明所述的一種高強度聚焦超聲治療儀，包括組合治療頭3、超聲發射/接收主機6、五自由度機械手臂2和工作站I。其中，組合治療頭3連接在五自由度機械手臂2上，通過五自由度機械手臂2的位置調整，使組合治療頭3能更好的與患者的患處對應，保證定位方便、準確。超聲發射/接收主機6與組合治療頭3連接，以實現組合治療頭3的超聲波發射和接收，實現治療過程。工作站I分別與五自由度機械手臂2和超聲發射/接收主機6連接，控制五自由度機械手臂2和超聲發射/接收主機6工作的同時，完成對超聲發射/接收主機6工作狀態的監控，並實現人機互動和信息交流。各部分具體結構為:組合治療頭3包括位置相對精確固定的B超探頭4和一組治療探頭5。一組治療探頭5與B超探頭4位於同一平面內，且對稱分布在B超探頭4的左右兩側。為保證治療過程準確、可靠，B超探頭4和治療探頭5的位置相對固定精確，以形成穩定、可靠的配合。每個治療探頭5可進行獨立控制的大功率超聲束髮射，一組治療探頭5則組成可獨立控制的大功率超聲束髮射陣，並在相控陣發射方式的控制下，在目標區域形成HIFU生物焦點。而B超探頭4採用電子扇形掃描方式進行斷層位置和深度的相控掃描。B超探頭4和治療探頭5各陣元工作狀態以電子方式受超聲發射/接收主機6控制，以對掃描和治療位置及超聲功率進行精確調整，實現B超影像二維圖像斷面與大功率超聲束治療斷面的重合，保證治療和觀察效果。
超聲發射/接收主機6的工作內容包括兩部分，其一控制組合治療頭3中B超探頭4實現B超影像超聲波發射與影像信號採集，其二完成組合治療頭3中治療探頭5超聲束的發射和控制。如圖2所示，超聲發射/接收主機包括順序連接的探頭選擇與發射/接收多路器模塊、發射/接收模塊、數字波束形成模塊、二維信號處理模塊和顯示器，以及分別與二維信號處理模塊和探頭選擇與發射/接收多路器模塊分別連接的通訊模塊，並為上述各模塊和顯示器提供電力的電源模塊。其中，探頭選擇與發射/接收多路器模塊負責B超探頭及治療探頭的連接與切換，控制B超探頭及治療探頭各陣元工作狀態，並進行相應掃描斷面或治療焦域的位置調整，是實現B超掃描和治療過程的關鍵調整部件。發射/接收模塊負責產生、發射高壓脈衝信號，接收探頭微弱回波信號，並經放大器信號放大後完成AD模數轉換，以形成後續數字波束形成模塊可有效使用的數位訊號。數字波束形成模塊負責數位訊號的合成，以及超聲前端的控制。二維信號處理模塊負責對二維灰度信號的檢波及平滑、幀相關等一系列有利於提高圖像質量的處理，以及進行數字掃描變換，並最終在顯示器上實現B超影像的實時顯示，保證使用靈活性，提高使用質量。而通訊模塊則負責向工作站反饋超聲發射/接收主機的工作狀態，同時接受工作站的工作指令，實現超聲發射/接收主機與工作站間的數據交換。如圖1所示，五自由度機械手臂2主要用於模擬人體手臂的運動功能，攜帶安裝其上的組合治療頭3進行治療位置和形態的調整，使治療過程能順利、方便地進行。五自由度機械手臂2在工業製造、醫學治療、娛樂服務、軍事以及太空探索等領域都能見到它的身影。本例中，五自由度機械手臂2通過接受指令，精確定位到三維或二維空間上的某一點，實現組合治療頭3在生物體外靈活、準確的定位，大大縮短了治療時間，治療過程無需移動治療床，定位精度高，重複性好，治療體位舒適，患者無需麻醉或只需進行淺度麻醉就可進行治療，尤其是在長時間治療過程中，能有效保證治療的準確性。工作站I負責控制五自由度機械手臂2和超聲發射/接收主機6工作，並通過超聲發射/接收主機6保證B超影像二維圖像斷面與大功率超聲束治療斷面重合，同時，對B超二維影像進行後續處理，完成正常組織和病變組織的三維重建，實現人機互動和系統信息管理。其具體功能包括: (I)醫務人員根據病變組織形態與位置，選擇確定治療方案及參數。(2)根據治療參數計算相控陣超聲波束髮射/接收聚焦法則。(3)向五自由度機械手臂發送指令，控制五自由度機械手臂對組合治療頭實施五維精確定位，即沿X軸、Y軸和Z軸的平移，以及繞X軸和Y軸的旋轉。(4)向超聲發射/接收主機發送指令，控制工作模式與工作狀態。(5)根據治療前後目標區生物組織灰度變化進行灰度運算，判斷治療程度與效果。(6)通過B超探頭不同深度的斷層掃描，得到生物組織的立體影像數據，工作站依據三維影像數據進行矢量切割和三維重建等處理，實現對治療效果的多方位分析和評估。(7)負責治療過程中所有故障與中斷處理。(8)負責系統文檔管理，包含並不局限於各種文本、圖形、圖像、影視、聲音格式，包含並不局限於對文檔編輯、存儲、搜索、複製、移動、刪除等功能。(9)負責系統輸入/輸出，以及輸入/輸出接口(I/O接口),輸出方式包含並不局限於視頻顯示、照相膠片、印表機、投影儀等，輸入方式包含並不局限於鍵盤、滑鼠、觸控螢幕
坐寸O(10)與超聲發射/接收主機和五自由度機械手臂保持通訊，甚至可通過區域網或網際網路與外界保持通訊等。具體治療時，首先，B超對靶區進行治療前斷層掃描，工作站I進行三維圖像重建與存儲，醫務人員根據存儲的圖像信息制定治療方案與工作參數；接著，五自由度機械手臂2接收工作站I指令，對組合治療頭3進行精確定位，工作站I根據工作參數和組合治療頭3位置參數，計算相控陣超聲波束髮射/接收聚焦法則，然後，超聲發射/接收主機6接收工作站I指令，對B超探頭4和治療探頭5進行參數配置，使B超影像二維圖像斷面與大功率超聲束治療斷面重合；再接著，超聲發射/接收主機6根據工作站I指令控制治療探頭5發射超聲束，指向靶區進行治療，同時，B超探頭4對靶區進行實時斷面掃描；最後，超聲發射/接收主機6對實時掃描斷面圖像進行前端處理，並將數據傳送至工作站1，工作站I對接收的圖像信息進行灰度運算、圖像輸出並存儲，醫務人員根據輸出圖像判斷是否在本次治療位置繼續進行治療，或改變位置進行治療，如果否，則工作站I對治療前後B超斷面掃描數據做數字圖像處理，並進行三維重建、存儲，針對治療前後影像文件進行療效分析及評價，一次治療過程完 成。
權利要求
1.一種高強度聚焦超聲治療儀，其特徵在於，包括組合治療頭、超聲發射/接收主機、五自由度機械手臂和工作站，所述組合治療頭連接在五自由度機械手臂上，超聲發射/接收主機與組合治療頭連接；所述工作站分別控制五自由度機械手臂和超聲發射/接收主機工作； 所述組合治療頭包括位置相對精確固定的B超探頭和一組治療探頭；所述B超探頭採用電子扇形掃描方式進行斷層位置和深度的相控掃描；所述一組治療探頭組成可獨立控制的大功率超聲束髮射陣，並通過相控陣方式進行發射後，在目標區域形成HIFU生物焦點；所述一組治療探頭與B超探頭位於同一平面內，一組治療探頭對稱分布在B超探頭的左右兩側； 所述超聲發射/接收主機，用於控制組合治療頭中的B超探頭，以實現B超影像超聲波發射與影像信號採集，同時，實現治療探頭超聲束髮射和控制； 所述五自由度機械手臂，用於模擬人體手臂的運動功能，攜帶安裝其上的組合治療頭進行位置和形態調整； 所述工作站，用於控制五自由度機械手臂和超聲發射/接收主機工作，並保證B超影像二維圖像斷面與大功率超聲束治療斷面重合；同時，對B超二維影像進行後續處理，實現正常組織和病變組織的三維重建，完成人機互動和系統信息管理。
2.根據權利要求1所述的一種高強度聚焦超聲治療儀，其特徵在於，所述超聲發射/接收主機包括相互順序連接的探頭選擇與發射/接收多路器模塊、發射/接收模塊、數字波束形成模塊、二維信號處理模塊和顯示器，以及分別與二維信號處理模塊和探頭選擇與發射/接收多路器模塊分別連接的通訊模塊，並為上述各模塊和顯示器提供電力的電源模塊； 探頭選擇與發射 /接收多路器模塊:負責B超探頭及治療探頭的連接與切換，控制B超探頭及治療探頭各陣元工作狀態，並進行相應掃描斷面或治療焦域的位置調整； 發射/接收模塊:負責產生、發射高壓脈衝信號，接收探頭微弱回波信號，並經信號放大後進行AD模數轉換； 數字波束形成模塊:負責數位訊號的合成，以及超聲前端的控制； 二維信號處理模塊:負責對二維灰度信號進行質量提高處理，並進行數字掃描變換； 顯示器:用於實時顯示B超影像； 通訊模塊:向工作站反饋超聲發射/接收主機的工作狀態，接受工作站的工作指令。
全文摘要
本發明公開了一種高強度聚焦超聲治療儀，包括組合治療頭、超聲發射/接收主機、五自由度機械手臂和工作站，組合治療頭包括位置相對精確固定的B超探頭和一組治療探頭，組合治療頭連接在五自由度機械手臂上，工作站分別控制五自由度機械手臂和超聲發射/接收主機工作。其治療過程採用電子方式進行相控影像掃描和相控治療位置的調整，使二維B超圖像斷面與大功率超聲束治療斷面有效重合，保證了治療和實時觀察的準確性及可靠性，五自由度機械手臂定位準確、操控靈活，三維重建使掃描圖像更直觀、清晰，方便了後續觀察和診斷，其治療儀特別適合對乳腺、肝臟、腎臟、子宮、前列腺等器官的病變組織進行無創高強度聚焦超聲治療。
文檔編號A61N7/00GK103143125SQ20131009762
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月25日 優先權日2013年3月25日
發明者蔡慶生, 劉伯濤, 胡巧燕 申請人:廣州多浦樂電子科技有限公司