基于六軸機(jī)械臂的高強(qiáng)度聚焦超聲治療引導(dǎo)和控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)儀器與設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種基于六軸機(jī)械臂的高強(qiáng)度聚焦超聲治療引導(dǎo)和控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]高強(qiáng)度聚焦超聲(highintensity focused ultrasound，HIFU)作為一種無(wú)創(chuàng)超聲治療技術(shù)，主要利用超聲波良好的組織穿透性、方向性，在機(jī)體組織內(nèi)匯聚成高強(qiáng)度聲場(chǎng)，通過(guò)超聲波的瞬態(tài)高溫效應(yīng)、空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等破化焦域處靶組織，而對(duì)聲路徑上的組織則無(wú)損傷，從而可以達(dá)到無(wú)創(chuàng)治療或外科切除病灶的目的。高強(qiáng)度聚焦超聲焦點(diǎn)尺寸較小，僅為1.lmmX2.lmmX3.2mm大小，遠(yuǎn)小于治療焦域，同時(shí)單次治療時(shí)間僅為I?3s，因此高強(qiáng)度聚焦超聲治療方式需要在I?3s內(nèi)完成單個(gè)點(diǎn)的治療，然后移動(dòng)治療焦點(diǎn)前往下一個(gè)治療焦點(diǎn)，最后逐點(diǎn)、逐線、逐面掃描治療焦域，以達(dá)到體內(nèi)精確切除病變組織的目的，因此系統(tǒng)須滿足兩個(gè)條件，一是要用圖像設(shè)備來(lái)進(jìn)行圖像引導(dǎo)和監(jiān)控；二是治療探頭上要有精確的運(yùn)動(dòng)掃描裝置。
[0003]聚焦超聲目前主要有兩種圖像引導(dǎo)監(jiān)控方式:一種是核磁共振圖像(magneticresonance image,MRI)引導(dǎo)方式，另一種是診斷超聲圖像引導(dǎo)方式。超聲成像方式由于其實(shí)時(shí)性好、成本低、使用方便且易與HIFU治療設(shè)備兼容，是一種比較具有發(fā)展?jié)摿Φ某上穹绞?。目前，臨床HIFU治療過(guò)程中常采用常規(guī)B模式超聲圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。HIFU作用在B超圖上形成的亮斑通常認(rèn)為是損傷和空化微泡的綜合反映。
[0004]在HIFU治療中除了由于焦點(diǎn)小、單次治療時(shí)間短所要求的治療探頭掃描裝置外，由于治療焦域，如腫瘤，其病變所處的器官在人體中分布廣、器官形狀各異、同時(shí)腫瘤發(fā)生在器官中的位置變化性大、腫瘤形狀大小各異等，另一方面HIFU治療所發(fā)射的聲束必須避開(kāi)人體內(nèi)骨骼、腸道等可以產(chǎn)生聲遮擋的部位，因此HIFU治療探頭必須可以在體外大范圍移動(dòng)以使探頭發(fā)射的聲束在不遇到聲遮擋的情況下聚焦于人體不同部位的形狀各異的治療焦域上，因此也對(duì)運(yùn)動(dòng)掃描裝置的運(yùn)動(dòng)范圍和掃描自由度提出了一定的要求。
[0005]重慶Hifu Technology C0.Ltd.公司生產(chǎn)的JC HIFU治療系統(tǒng)含有單陣元和功率驅(qū)動(dòng)控制器、B超圖像引導(dǎo)監(jiān)控子系統(tǒng)、5自由度三維運(yùn)動(dòng)定位子系統(tǒng)等，已成為臨床子宮肌瘤、肝癌、乳腺癌、惡性骨腫瘤等疾病的重要的治療手段。飛利浦公司生產(chǎn)的SonalleveMR-HIFU治療系統(tǒng)其特點(diǎn)在于采用3微MRI圖像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)治療區(qū)域溫度變化。但這些系統(tǒng)所用HIFU治療探頭均安裝于治療床下方，其因空間范圍有限，HIFU治療探頭的可運(yùn)動(dòng)掃描空間有限，同時(shí)治療過(guò)程中HIFU發(fā)射的聲路徑必須避開(kāi)肋骨、腸道等組織、治療焦點(diǎn)完整的覆蓋整個(gè)治療靶區(qū)，因此該系統(tǒng)存在治療焦域掃描不完全等情況，同時(shí)裝置體積龐大、運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、并且由于上述缺陷使得監(jiān)控圖像并不理想，從而影響最終的治療效果。
[0006]另一種常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)控制為手持治療探頭的方式，這種系統(tǒng)通常聚焦方式自由，但缺點(diǎn)也同樣明顯，其焦點(diǎn)控制通過(guò)手動(dòng)控制，難以精確聚焦于治療焦點(diǎn)并維持治療時(shí)間，因此實(shí)用性不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種基于六軸機(jī)械臂的高強(qiáng)度聚焦超聲治療引導(dǎo)和控制系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)能夠在較大的運(yùn)動(dòng)空間范圍和掃描路徑自由度的情況下完成高強(qiáng)度聚焦超聲治療焦點(diǎn)的精確控制，同時(shí)B超診斷換能器可以準(zhǔn)確跟蹤監(jiān)控治療焦域。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0009]基于六軸機(jī)械臂的高強(qiáng)度聚焦超聲治療引導(dǎo)和控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)除包括傳統(tǒng)的高強(qiáng)度聚焦超聲治療系統(tǒng)所包含的高強(qiáng)度聚焦超聲換能器功率驅(qū)動(dòng)模塊、B超圖像采集模塊、主控計(jì)算機(jī)外，還包括運(yùn)動(dòng)掃描模塊以及由位于外側(cè)的環(huán)陣聚焦換能器和位于內(nèi)側(cè)的用于B超圖像采集的B超診斷換能器組成的復(fù)合探頭；所述運(yùn)動(dòng)掃描模塊由電動(dòng)平移臺(tái)以及設(shè)置于電動(dòng)平移臺(tái)上的六軸機(jī)械臂組成；所述復(fù)合探頭與六軸機(jī)械臂相連，所述主控計(jì)算機(jī)分別與六軸機(jī)械臂、電動(dòng)平移臺(tái)、B超圖像采集模塊以及高強(qiáng)度聚焦超聲換能器功率驅(qū)動(dòng)模塊相連，環(huán)陣聚焦換能器與高強(qiáng)度聚焦超聲換能器功率驅(qū)動(dòng)模塊相連。
[0010]所述主控計(jì)算機(jī)將規(guī)劃出的路徑點(diǎn)傳送給六軸機(jī)械臂以驅(qū)動(dòng)六軸機(jī)械臂按照指定的治療路徑運(yùn)動(dòng)，同時(shí)六軸機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中將路徑點(diǎn)的坐標(biāo)傳回主控計(jì)算機(jī)用于監(jiān)控圖像的重建和治療路徑的引導(dǎo)。
[0011]所述系統(tǒng)還包括治療環(huán)境模塊，治療環(huán)境模塊包括治療床、機(jī)械臂支架以及在治療過(guò)程中位于復(fù)合探頭和治療組織中間起到聲耦合作用的密封除氣水囊，機(jī)械臂支架固定安裝于治療床長(zhǎng)軸方向中間位置，所述六軸機(jī)械臂吊裝于電動(dòng)平移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)滑塊上，電動(dòng)平移臺(tái)水平安裝于機(jī)械臂支架的頂端，電動(dòng)平移臺(tái)的可移動(dòng)范圍為lm，加上機(jī)械臂自身的轉(zhuǎn)動(dòng)拾取范圍，可以使機(jī)械臂第六軸上加持的復(fù)合探頭的焦點(diǎn)覆蓋治療床的整個(gè)床面。
[0012]所述B超診斷換能器選用相控陣換能器或一維線陣換能器中的一種或兩種以及二維面陣換能器等，在治療過(guò)程中根據(jù)具體的治療部位與治療環(huán)境確定選用，環(huán)陣聚焦換能器的中心開(kāi)通孔，通孔前端嵌入B超診斷換能器，組成復(fù)合探頭，復(fù)合探頭的驅(qū)動(dòng)線由通孔后端引出。
[0013]運(yùn)動(dòng)掃描模塊與復(fù)合探頭的連接方式為:所述六軸機(jī)械臂末端第六軸上設(shè)置有連接復(fù)合探頭的法蘭盤(pán)，環(huán)陣聚焦換能器上焊接有固定板，固定板上開(kāi)設(shè)有用于復(fù)合探頭的驅(qū)動(dòng)線引出的通孔以及用于安裝螺紋柱的若干個(gè)螺紋孔，螺紋柱一端安裝于固定板上的螺紋孔內(nèi)，另一端安裝于法蘭盤(pán)上的對(duì)應(yīng)螺紋孔內(nèi)，以使前端的復(fù)合探頭與法蘭盤(pán)剛性相連，但之間不接觸，有螺紋柱長(zhǎng)度的間距，可以使復(fù)合探頭的驅(qū)動(dòng)線引出。
[0014]所述高強(qiáng)度聚焦超聲換能器功率驅(qū)動(dòng)模塊包括任意波形發(fā)生器和超聲功率放大器，主控計(jì)算機(jī)的輸出端與任意波形發(fā)生器的輸入端相連，任意波形發(fā)生器的輸出端與超聲功率放大器的輸入端相連，超聲功率放大器的輸出端與環(huán)陣聚焦換能器相連，以完成高強(qiáng)度聚焦超聲的觸發(fā)發(fā)射。
[0015]所述B超圖像采集模塊包括超聲診斷儀和圖像采集卡，主控計(jì)算機(jī)的輸出端與超聲診斷儀相連，超聲診斷儀的B超診斷換能器置于環(huán)陣聚焦換能器的內(nèi)側(cè)，組成復(fù)合探頭，超聲診斷儀采集的圖像經(jīng)圖像采集卡采集傳送回主控計(jì)算機(jī)。
[0016]基于六軸機(jī)械臂的高強(qiáng)度聚焦超聲治療引導(dǎo)和控制方法，包括以下步驟:
[0017](I)初始B超掃描成像階段:設(shè)置復(fù)合探頭內(nèi)的B超診斷換能器為相控陣換能器或一維線陣換能器，然后控制六軸機(jī)械臂以合適的角度和移動(dòng)步長(zhǎng)、姿態(tài)帶動(dòng)復(fù)合探頭內(nèi)的B超診斷換能器掃描治療靶區(qū)，得到治療靶區(qū)的整體的二維掃描圖像，同時(shí)六軸機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中將對(duì)應(yīng)掃描位置的坐標(biāo)傳回主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)根據(jù)二維掃描圖像和六軸機(jī)械臂傳回的相應(yīng)坐標(biāo)重建得到治療靶區(qū)的整體三維圖像；
[0018](2)路徑規(guī)劃階段:主控計(jì)算機(jī)根據(jù)手動(dòng)勾畫(huà)于所述三維圖像上的需要進(jìn)行高強(qiáng)度聚焦超聲治療的多個(gè)位點(diǎn)及治療順序自動(dòng)生成路徑坐標(biāo)；
[0019](3)高強(qiáng)度聚焦超聲作用與監(jiān)控階段:六軸機(jī)械臂按照路徑規(guī)劃進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)復(fù)合探頭內(nèi)的環(huán)陣聚焦換能器的焦點(diǎn)移動(dòng)到指定位點(diǎn)，然后高強(qiáng)度聚焦超聲換能器功率驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)環(huán)陣聚焦換能器發(fā)射高強(qiáng)度聚焦超聲，設(shè)置復(fù)合探頭內(nèi)的B超診斷換能器為二維面陣換能器，B超診斷儀通過(guò)B超診斷換能器采集高強(qiáng)度聚焦超聲作用焦域三維圖像，并傳遞給主控計(jì)算機(jī)，完成高強(qiáng)度聚焦超聲作用效果監(jiān)控；
[0020](4)重復(fù)步驟(3)，直到環(huán)陣聚焦換能器的焦點(diǎn)遍歷路徑規(guī)劃中所有指定位點(diǎn)。
[0021]本發(fā)明具有以下有益的效果:
[0022]本發(fā)明通過(guò)在將內(nèi)側(cè)為B超診斷換能器、外側(cè)為環(huán)陣聚焦換能器的復(fù)合探頭連接于六軸機(jī)械臂上，在保證了 B超診斷換能器可以精確監(jiān)控高強(qiáng)度聚焦超聲治療焦點(diǎn)的同時(shí)，可以通過(guò)加裝于電動(dòng)平移臺(tái)的六軸機(jī)械臂來(lái)保證高強(qiáng)度聚焦超聲治療焦點(diǎn)的精確可控的移動(dòng)，同時(shí)復(fù)合探頭具有大范圍的掃描空間范圍與掃描路徑的自由度，保證足夠的運(yùn)動(dòng)范圍來(lái)完成一次高強(qiáng)度聚焦超聲治療的所有治療焦點(diǎn)的掃描。
[0023]利用本發(fā)明所述系統(tǒng)可以精確的控制HIFU治療焦點(diǎn)的位置與單次治療時(shí)間，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，易于與現(xiàn)有的B超診斷設(shè)備結(jié)合來(lái)完成圖像監(jiān)控，解決高強(qiáng)度聚焦超聲治療系統(tǒng)方面的難題。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中為六軸機(jī)械臂，2為電動(dòng)平移臺(tái)，3為機(jī)械臂支架，4為治療床，5為密封除氣水囊，6為含有治療焦域的人體組織，7為復(fù)合探頭；
[0025]圖2為復(fù)合探頭和機(jī)械臂連接處的示意圖，其中:(a)為法蘭盤(pán)與探頭組裝結(jié)構(gòu)視圖，(b)為連接處分離視圖，(c)為環(huán)陣聚焦換能器俯視圖，(d)為固定板仰視圖，8為B超診斷換能器，9為環(huán)陣聚焦換能器，10為固定板，11為螺紋柱，12為法蘭盤(pán)；
[0026]圖3為系統(tǒng)工作流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。
[0028]參見(jiàn)圖1和圖2，本發(fā)明提出了一種使用六軸機(jī)械臂為運(yùn)動(dòng)掃描控制核心的高強(qiáng)度聚焦超聲治療系統(tǒng)。由于在傳統(tǒng)的高強(qiáng)度聚焦超聲治療系統(tǒng)中，高強(qiáng)度聚焦超聲換能器一般置于治療床下方，導(dǎo)致高強(qiáng)度聚焦超聲換能器的焦點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)掃描范圍有限，因此患者必須被動(dòng)的移動(dòng)身位去適應(yīng)高強(qiáng)度聚焦超聲換能器的位置，而且由于一次高強(qiáng)度聚焦超聲治療需要逐點(diǎn)、逐線、逐面的覆蓋治療靶區(qū)，因此對(duì)高強(qiáng)度聚焦超聲換能器焦點(diǎn)的對(duì)焦路徑提出了很高的要求，要求該對(duì)焦路徑上不能有任何聲遮擋的情況影響治療效果，但傳統(tǒng)的將高強(qiáng)度聚焦超聲換能器置于治療床下方的方式并不能滿足這樣的需求。另一方面不利于B超診斷換能器的集成，不利于高強(qiáng)度聚焦超聲治療的監(jiān)控。因此本發(fā)明提出將內(nèi)側(cè)為B超診斷換能器，外側(cè)為環(huán)陣聚焦換能器的復(fù)合探頭加持于六軸機(jī)械臂第六軸法蘭盤(pán)上，并將該機(jī)械臂吊裝于電動(dòng)平移臺(tái)導(dǎo)軌上，電動(dòng)平移臺(tái)裝于治療床長(zhǎng)軸方向的支架上。因?yàn)榱S機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)特性，因此加持在第六軸法蘭盤(pán)上的環(huán)陣聚焦換能器的焦點(diǎn)在空間對(duì)同一治療點(diǎn)可以有不同的對(duì)焦姿態(tài)，從而可以避免有些對(duì)焦路徑上存在骨頭等聲遮擋的