專利名稱：超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及腫瘤的超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)，尤其涉及高能聚焦超聲波治療設(shè)備的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，人們給予非侵入式(或微創(chuàng)治療)外科治療越來越多的關(guān)注，特別是放射治療，介入等治療方式得到長足的發(fā)展。其中，一種新興的治療方式高能聚焦超聲治療也開始出現(xiàn)并逐漸發(fā)展起來。高能聚焦超聲治療利用聚焦超聲波，安全有效、無創(chuàng)地破壞腫瘤細(xì)胞，治愈病人。
最早的超聲治療設(shè)備沒有運(yùn)動機(jī)構(gòu)，在B超監(jiān)控下，完全憑醫(yī)生手動操作來移動超聲治療頭，通過調(diào)整超聲波的焦點(diǎn)對病灶區(qū)域進(jìn)行掃描治療。這種設(shè)備非常簡單，但治療過程中僅憑醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)確定治療的狀況，很難保證能將整個(gè)腫瘤細(xì)胞完全殺死。此外，由于影響超聲治療的因素很多，治療有效性和安全性也得不到充分的保障。
隨后，人們針對手動操作的設(shè)備，設(shè)計(jì)了使治療頭完成平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的多維的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，由計(jì)算機(jī)控制運(yùn)動機(jī)構(gòu)帶動治療頭運(yùn)動，以代替醫(yī)生的手動操作。在治療過程中，通過B超設(shè)備的探測，獲得病變區(qū)域的平面圖像，從而對施治中的病人進(jìn)行監(jiān)視，同時(shí)通過計(jì)算機(jī)分析軟件用設(shè)備對治療效果進(jìn)行分析。這種設(shè)備改善了手動操作的缺陷，理論上可以完全切除腫瘤，并在安全有效性上得到提高。這種設(shè)備的缺點(diǎn)在于，一方面，通過B超設(shè)備獲得的圖像是平面的，因此不能完整地反映病變區(qū)域的情況；另一方面，由于醫(yī)生采用遙控的方式，通過計(jì)算機(jī)操作平移和旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動機(jī)構(gòu)并通過B超設(shè)備從特定的方向觀察病人的情況，因此很難把握當(dāng)前治療焦點(diǎn)的正確空間位置，治療機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，超聲入射方向，超聲通道與病灶的關(guān)系等復(fù)雜的治療因素，從而很難對治療的有效性、安全性作出準(zhǔn)確的判斷。如果治療超聲波的聲通道上有存在諸如骨骼等阻礙聲傳導(dǎo)的人體組織，而醫(yī)生卻沒有發(fā)現(xiàn)或意識到，超聲波治療就達(dá)不到預(yù)期效果。如果聲通道上有人體的敏感器官，而醫(yī)生沒有發(fā)現(xiàn)或意識到，則這種情況下的治療是非常危險(xiǎn)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)，在整個(gè)超聲治療中，通過對病人情況的三維監(jiān)控，使治療效果和治療時(shí)的狀態(tài)直觀地、完整地展現(xiàn)在醫(yī)生眼前。
本發(fā)明的另一目的是提供一種超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)，通過執(zhí)行基于三維監(jiān)控和醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)生成的程序化的治療計(jì)劃，操縱超聲治療頭對腫瘤進(jìn)行超聲治療，并以三維的方式，真實(shí)、實(shí)時(shí)地表示設(shè)備、治療計(jì)劃、病人、治療效果和治療動作的全過程。
本發(fā)明的另一目的是提供一種使用超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)的方法。
本發(fā)明提供一種超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括，可進(jìn)行多維運(yùn)動的超聲治療機(jī)，該超聲治療機(jī)執(zhí)行醫(yī)生的操作指令，實(shí)施對病人的超聲治療；治療控制計(jì)算機(jī)，支持治療控制軟件的運(yùn)行，并控制超聲治療機(jī)的動作；治療控制軟件，接受醫(yī)生指令，對治療過程進(jìn)行控制；可選的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)圖像工作站與超聲治療機(jī)進(jìn)行連接，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；圖像處理設(shè)備及圖像顯示設(shè)備，圖像處理設(shè)備接受病變區(qū)域的圖像信號，形成病變區(qū)域的圖像并顯示在圖像顯示設(shè)備上；治療系統(tǒng)還包括，超聲治療的三維計(jì)劃系統(tǒng)，用于制作三維超聲治療計(jì)劃；三維監(jiān)控軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、病人、治療效果的三維重建和三維顯示功能；以及，
支持三維計(jì)劃系統(tǒng)和三維監(jiān)控軟件的運(yùn)行并將三維結(jié)果顯示出來的圖像工作站。
其中，來自病變區(qū)域的圖像信號可以是B超探測設(shè)備的信號，CT圖像序列或者M(jìn)RI圖像序列。圖像信號可以按以下步驟進(jìn)行處理將取得的人體序列斷層檢查圖像進(jìn)行分割；標(biāo)出腫瘤、骨骼等組織或器官的邊界；對分割后的序列斷層圖像建立三維圖像。
其中，治療機(jī)的主要部件；諸如病人體位、皮膚、危險(xiǎn)組織、骨骼、腫瘤等信息；諸如聲通道、治療焦點(diǎn)、B超掃描平面的空間位置等超聲治療工作狀態(tài)能以三維的方式分別或以組合的形式顯示在屏幕上。超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)用三維的方式來模擬治療機(jī)的動作，并使其以動態(tài)的形式顯示在屏幕上。
在進(jìn)行治療之前，醫(yī)生可以利用本發(fā)明的控制系統(tǒng)，根據(jù)診斷圖像信息和監(jiān)控的B超圖像信息，利用超聲三維治療計(jì)劃軟件，制作三維治療計(jì)劃，并使用三維治療計(jì)劃實(shí)施治療。
在本發(fā)明生成的三維顯示的提示下，醫(yī)生可以利用本發(fā)明的超聲治療控制系統(tǒng)生成的治療計(jì)劃進(jìn)行自動治療，也可以在醫(yī)生的監(jiān)控下進(jìn)行半自動治療，也可以完全依據(jù)醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行治療。
同時(shí)，在實(shí)施的上述治療的過程中，治療相關(guān)的信息如設(shè)備、人體、運(yùn)動、治療計(jì)劃、治療效果等可以在屏幕上以三維的方式表現(xiàn)出來，并使醫(yī)生可以對治療過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。
依照本發(fā)明，在實(shí)施治療的同時(shí)，對一個(gè)具有多維運(yùn)動機(jī)構(gòu)的治療設(shè)備進(jìn)行三維模擬，將治療設(shè)備的直接參與治療的主要部件如治療床床體、多維運(yùn)動機(jī)構(gòu)、治療頭、B超掃描控頭等進(jìn)行三維重建，并以三維的方式直觀地顯示在屏幕上。
依照本發(fā)明，在實(shí)施治療的同時(shí)，對治療設(shè)備的工作狀態(tài)包括治療超聲通道、治療焦點(diǎn)、治療頭工作狀態(tài)、B超掃描平面及方向等進(jìn)行三維重建，并以三維的方式直觀地顯示在屏幕上。
依照本發(fā)明，在實(shí)施治療的同時(shí)，對治療信息包括多維運(yùn)動，治療計(jì)劃、治療效果等進(jìn)行三維表示，并以三維的方式直觀地顯示在屏幕上。
依照本發(fā)明，在實(shí)施治療的同時(shí)，對病人信息包括體位、重要器官或組織、腫瘤等進(jìn)行三維重建，并以三維的方式直觀地顯示在屏幕上。
依照本發(fā)明，在實(shí)施治療的同時(shí)，對治療全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)從治療機(jī)上獲取運(yùn)動數(shù)據(jù)，狀態(tài)數(shù)據(jù)、治療數(shù)據(jù)，并驅(qū)動相應(yīng)的三維功能，在屏幕上進(jìn)行顯示。
依照本發(fā)明，在實(shí)施治療的同時(shí)，將設(shè)備的主要部件、設(shè)備工作信息、治療信息、病人信息的三維重建信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控集成在一起，可以同時(shí)顯示以上所有的三維信息，也根據(jù)需要可以選擇一部分三維信息進(jìn)行顯示。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)示意圖；其中圖1A為本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)施例1的方案，圖1B為本發(fā)明的另一種系統(tǒng)實(shí)施例2的方案；圖2為本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)框圖；圖4為使用本發(fā)明系統(tǒng)進(jìn)行超聲治療的流程圖；圖5為本發(fā)明系統(tǒng)所顯示的一個(gè)典型的三維監(jiān)控場景；圖6為使用本發(fā)明系統(tǒng)的自動超聲治療流程；圖7為使用本發(fā)明系統(tǒng)的半自動超聲治療流程；圖8為使用本發(fā)明系統(tǒng)的憑醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行治療的流程。
圖9表示了在CT圖像上以手動的方式，勾畫出肝臟輪廓。
圖10A表示利用OpenGL技術(shù)在三維空間中顯示已勾畫好的連續(xù)四個(gè)層面的肝臟輪廓。
圖10B表示用最短距離法從輪廓?jiǎng)?chuàng)建三角形表面。
圖10C表示圖10B所示的三角形表面的著色顯示。
圖10D表示一個(gè)完整的肝臟的三角形三維表面。
圖10E表示完整的肝臟著色表面。
圖11A表示治療頭未工作的狀態(tài)。
圖11B表示治療頭正在工作的狀態(tài)。
圖12表示的是治療控制軟件與三維監(jiān)控軟件分布在兩臺計(jì)算機(jī)上使用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的情況。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合

本發(fā)明的實(shí)施例。
本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)施例1由治療控制計(jì)算機(jī)直接實(shí)現(xiàn)治療與三維監(jiān)控功能。實(shí)施例1的系統(tǒng)組成如圖1A)所示，其具體實(shí)施框圖如圖2所示。
醫(yī)生主要通過鼠標(biāo)和鍵盤(3)的操作，通過治療控制計(jì)算機(jī)(101)來實(shí)現(xiàn)治療控制。也有一部分操作需要醫(yī)生通過操作控制臺(5)上的控制按鈕(2)直接控制治療設(shè)備，當(dāng)危險(xiǎn)情況發(fā)生時(shí)，可以使用操作控制臺(5)上的急停按鈕終止超聲治療。治療控制計(jì)算機(jī)(101)利用治療控制軟件(200)進(jìn)行超聲治療機(jī)(100)的控制。超聲治療機(jī)(100)由多維運(yùn)動系統(tǒng)(10)、能量系統(tǒng)(11)、治療頭(12)、水處理系統(tǒng)(13)、B超監(jiān)控系統(tǒng)(14)、治療床(15)等子系統(tǒng)組成。治療控制軟件(200)對這些子系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對病人(16)的治療。三維計(jì)劃軟件(201)與治療控制軟件(200)建立連接后獲取設(shè)備信息和計(jì)劃有關(guān)的信息，制作三維的治療計(jì)劃，并將制作好的三維計(jì)劃傳回治療控制軟件(200)。三維監(jiān)控軟件(202)與治療控制軟件(200)建立連接后獲取設(shè)備信息，并進(jìn)行三維重建(21)、三維分析(20)，并將這些處理結(jié)果以三維的方式顯示在屏幕上。醫(yī)生可以進(jìn)行三維顯示控制(19)，從不同角度觀看三維結(jié)果。治療過程中，三維監(jiān)控軟件利用三維實(shí)時(shí)監(jiān)控(18)模塊對治療過程進(jìn)行監(jiān)控，并將治療狀況實(shí)時(shí)地以三維方式顯示在屏幕上。
這種方案的特征是節(jié)約成本，由一臺治療控制計(jì)算機(jī)(101)實(shí)現(xiàn)治療系統(tǒng)的控制、制作三維計(jì)劃以及三維監(jiān)控功能?？刂朴?jì)算機(jī)(101)配有高性能顯示卡(7)和專用顯示器(4)，用于三維顯示處理。醫(yī)生主要通過鼠標(biāo)和鍵盤(3)操作在治療功能、三維計(jì)劃功能、三維監(jiān)控功能三者之間進(jìn)行切換。
本發(fā)明的系統(tǒng)實(shí)施例2由治療控制計(jì)算機(jī)(100)通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(102)與圖像工作站(103)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)治療與三維監(jiān)控功能。實(shí)施例2的系統(tǒng)組成如圖1B)所示，其具體實(shí)施的如圖3所示。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于，治療控制計(jì)算機(jī)(100)配置一個(gè)醫(yī)用顯示器(26)；高性能顯示卡(7)和專用顯示器(4)作為像工作站的配置；三維計(jì)劃軟件(201)和三維監(jiān)控軟件(202)作為圖像工作站的軟件配置，運(yùn)行在圖像工作站(103)上；三維計(jì)劃軟件(201)和三維監(jiān)控軟件(202)利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(102)與治療控制軟件(200)建立連接。
這種方案的特征是實(shí)時(shí)顯示三維信息，不需要切換，醫(yī)生在進(jìn)行治療操作的同時(shí)，可以看到治療狀況的三維表示，并且還可減輕治療控制計(jì)算機(jī)(101)的負(fù)荷。
兩種實(shí)施例的操作方案流程相同，如圖4所示。
下面對三維治療系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行詳細(xì)說明。
在治療系統(tǒng)啟動后，治療控制軟件(200)、三維計(jì)劃軟件(201)和三維監(jiān)控軟件(202)都開始運(yùn)行。
治療控制軟件先對病人進(jìn)行B超掃描，獲取腫瘤的相關(guān)信息。獲取B超圖像的可以通過如下的方式進(jìn)行目前的B超機(jī)都有視頻輸出接口，可將動態(tài)的B超圖像實(shí)時(shí)輸出，將一根采集電纜的一端接在B超機(jī)的視頻輸出接口上，另一端接在計(jì)算機(jī)的視頻采集卡。這樣，B超的實(shí)時(shí)圖像就可以傳到采集卡上，通過軟件從采集卡上獲得實(shí)時(shí)B超圖像。
三維計(jì)劃軟件(201)通過通訊接口與治療控制軟件(200)之間建立聯(lián)系，三維計(jì)劃軟件(201)取得治療計(jì)劃所必需要的數(shù)據(jù)，用于制作三維治療計(jì)劃，三維治療計(jì)劃制作好后，三維計(jì)劃軟件(201)將治療計(jì)劃發(fā)送給治療控制軟件(200)，由治療控制軟件(200)實(shí)施治療。
三維監(jiān)控軟件(202)通過通訊接口與治療控制軟件(200)之間建立聯(lián)系。三維監(jiān)控軟件(201)根據(jù)設(shè)備參數(shù)和部件幾何關(guān)系，利用三維重建功能模塊(21)進(jìn)行治療系統(tǒng)的三維重建，如設(shè)備部件的三維重建(22)。主要的設(shè)備部件有多維運(yùn)動機(jī)構(gòu)、治療頭、床體、B超掃描探頭。由于治療設(shè)備多數(shù)不是完全透明的，看不到內(nèi)部的情況，病人躺在治療床上后，醫(yī)生不清楚設(shè)備主要部件的位置及其關(guān)系，用三維的方式在屏幕上表示設(shè)備的主要部件能使醫(yī)生把握治療設(shè)備與病人的位置關(guān)系。
三維軟件利用病人的診斷圖像序列如CT或MRI圖像序列，將這些圖像序列進(jìn)行分割處理，重建出病人的體位、皮膚、組織、危險(xiǎn)器官、腫瘤等實(shí)體，從而實(shí)現(xiàn)病人信息的三維重建(25)。再利用圖像檢查定位裝置與治療設(shè)備的坐標(biāo)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)三維的病人信息在三維治療設(shè)備環(huán)境中的正確的位置關(guān)系。
首先取得CT或MR的序列圖像。CT或MR圖像不是通過實(shí)時(shí)采集的方式獲得，而是當(dāng)CT或MR檢查、成像完成后，CT或MR設(shè)備將其掃描采集到圖像以DICOM(Digital Imaging and Communicationsin Medicine)格式存入文件中，利用CT或MR設(shè)備的USB接口，或DICOM網(wǎng)絡(luò)接口，或者刻錄光盤的方式取得圖像信息。當(dāng)然也可以將圖像打印輸出到膠片(目前的常規(guī)方式)上，不過膠片需要掃描儀掃描成圖像文件后才能輸入治療軟件系統(tǒng)，不如直接取得圖像文件方便快捷。
而后，對取得的序列圖像進(jìn)行分割。序列圖像分割的目的是將需要提取的特征物(例如肝臟等人體器官)從各層圖像中提取出來，用某一種顏色值表示(如255)，而非特征物的區(qū)域用其他顏色值表示。分割可以使用自動的方法或手動的方法。對于邊界清晰的特征物，如骨骼，可以采用自動分割。常用的自動分割方法有域值分割、區(qū)域增長、邊緣檢測等已知的方法。對于特征不明顯的特征物，可以通過手動的方式進(jìn)行分割。例如，用鼠標(biāo)在圖像上勾畫特征物的邊界，完成分割。從圖像上確定特征物的邊界是醫(yī)生或醫(yī)學(xué)影像技術(shù)人員的一般技能。對于序列圖像，手動分割要對每層圖像進(jìn)行處理，本實(shí)例中使用手動分割，圖9所示為手動分割示意。
一般需要對腫瘤、骨骼、皮膚等與治療有密切關(guān)系的組織進(jìn)行分割。對于腫瘤，為保證分割精度，都采用手動分割，也就是用鼠標(biāo)在序列圖像上的腫瘤邊界進(jìn)行勾畫，得到每層圖像上的腫瘤的封閉輪廓。對骨骼和皮膚，可以采用手動分割，也可用自動分割，對于在CT圖像中，骨骼為高亮度值(灰度顏色值＞190)的，可采用域值分割法進(jìn)行自動割，取得每層圖像上的骨骼的多個(gè)輪廓(在CT序列圖像中，尤其在胸部，圖像中往往有多塊骨骼的切面，每一塊骨都會形成一個(gè)封閉的輪廓)，對于皮膚，可使用邊緣檢測法進(jìn)行自動分割，得到皮膚的輪廓。圖9表示了在CT圖像上以手動的方式，用鼠標(biāo)標(biāo)出肝臟的輪廓。圖10A表示，利用OpenGL技術(shù)在三維空間中顯示已勾畫好的連續(xù)四個(gè)層面的肝臟輪廓。
分割完成后，就可以根據(jù)分割結(jié)果建立三維表面圖像，或三維體素圖像。
三維表面重建是利用分割后的組織或器官的邊界，利用不同斷層上邊界的拓補(bǔ)關(guān)系，例如，以已知的最短對角線法，把這些相鄰層面的邊界用三角形連接起來。首先從一個(gè)層面的輪廓開始，依次在輪廓上取兩個(gè)點(diǎn)，兩個(gè)點(diǎn)的間距要適當(dāng)，過大會丟失信息，過小計(jì)算量會很大，然后在相鄰的一層輪廓上找到距離這現(xiàn)兩上點(diǎn)最近的點(diǎn)的兩個(gè)點(diǎn)，這四個(gè)點(diǎn)可構(gòu)成一個(gè)四邊形，四邊形有兩條對角形，取距離較短的連接方法，將四邊形分成兩個(gè)三角形，得到兩個(gè)三角形表面，如此操作，直到所有輪廓都被連接成三角形)，形成表面(一個(gè)復(fù)雜的表面可以由許多小的三角形面連接起來表示)。使用這種方法將腫瘤、骨骼等組織或器官的輪廓表面重建完成后，利用計(jì)算機(jī)的三維圖形表示技術(shù)如OpenGL或Direct3D設(shè)定光照和材質(zhì)，讓重建結(jié)果較真實(shí)地在顯示器上顯示出來。表面重建的結(jié)果只是一個(gè)空殼，沒有內(nèi)部信息，但非常直觀，視覺的真實(shí)感強(qiáng)，如圖10所示。
要在三維重建的結(jié)果中表面內(nèi)部信息，則需要用到三維體素重建。序列斷層像上的每個(gè)象素點(diǎn)都有一定的灰度級(不同的組織或器官在CT或MR等圖像中有不同的灰度特性)。設(shè)定或調(diào)整象素點(diǎn)的透明度和顏色等特性，利用光線投影算法掃描(這是現(xiàn)有技術(shù)，可以參考google上搜索”Volume Rendering With Ray Casting”)，得到三維體重建結(jié)果。這樣得到的結(jié)果包含有組織或器官的內(nèi)部信息，可以通過改變不同灰度級對應(yīng)的透明度來觀看不同的組織。
因?yàn)轶w素重建的運(yùn)算量很大，很難做到實(shí)時(shí)，雖然信息量豐富，但真實(shí)感并不如表面重建。本發(fā)明主要利用三維表面重建技術(shù)進(jìn)行三維的實(shí)時(shí)監(jiān)控。有特殊要求時(shí)，可使用體素重建進(jìn)行觀察。
設(shè)備部件及聲通道是利用三維表面重建技術(shù)，對設(shè)備或聲通道進(jìn)行表面重建。與腫瘤、骨骼等的表面重建不同，設(shè)備的各個(gè)表面及拓補(bǔ)關(guān)系在設(shè)計(jì)時(shí)都已經(jīng)確定，很容易就可以計(jì)算出組成表面的各個(gè)小三角形，得到這些表面的計(jì)算機(jī)三維表示，并利用計(jì)算機(jī)三維圖像顯示技術(shù)，顯示在顯示器上。聲通道重建與設(shè)備部件一樣，其表面由治療頭決定，治療時(shí)，超聲治療頭發(fā)射的超聲是匯聚的，所以，聲通道是以焦點(diǎn)為頂點(diǎn)的兩個(gè)圓錐體。在圖5中有治療頭和聲通道的表示。
三維表面重建完成后，還需要進(jìn)行三維顯示控制，如組織表面的透明度和組織的隱藏控制。如果三維觀察時(shí)，皮膚不透明，則基本上看不到內(nèi)部的骨骼和腫瘤。當(dāng)然也可將皮膚隱藏不顯示。
有了病人與設(shè)備的三維位置關(guān)系，還需要將設(shè)備的工作狀態(tài)表示出來。設(shè)備的工作狀態(tài)也是肉眼不可見的，重建出設(shè)備的工作狀態(tài)才可使醫(yī)生對治療過程有清楚的認(rèn)識。超聲治療設(shè)備的有如下工作狀態(tài)治療超聲通道、治療焦點(diǎn)位置、是否正在施加超聲能量、B超掃描平面等。將這些狀態(tài)以三維的方式表現(xiàn)在屏幕上，實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的三維表示(23)。這些狀態(tài)與設(shè)備主要部件動作和病人相關(guān)，如治療超聲通道，這個(gè)通道由治療頭參數(shù)決定，同時(shí)這個(gè)通道穿過病人身體。治療焦點(diǎn)是超聲通道上能量最集中的一點(diǎn)，施加能量時(shí)這一點(diǎn)應(yīng)該在病人的腫瘤內(nèi)。本發(fā)明中，施加能量的情況可以用治療焦點(diǎn)的顏色變化來表示，如焦點(diǎn)顏色為紅色表示治療頭正在施加能量，焦點(diǎn)顏色為綠色表示治療頭停止工作，如圖11A所示。B超掃描平面由B超探頭的方位確定，掃描平面可表明掃描圖像在病人身體的部位。
這些三維重建的結(jié)果通過高性能顯示卡(7)輸出到顯示器(4)上，給醫(yī)生對治療狀況直觀真實(shí)的感受。
三維監(jiān)控軟件通過TCP/IP協(xié)議與治療軟件建立網(wǎng)絡(luò)連接，建立連接后，治療軟件將治療信息以數(shù)據(jù)包的形式實(shí)時(shí)地發(fā)送給三維監(jiān)控軟件，三維監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)接收治療軟件發(fā)送來的信息，并確定信息種類，如果是狀態(tài)數(shù)據(jù)，則改變?nèi)S模型的顯示狀態(tài)，如果是治療信息，則改變治療信息的三維表示。對于使用一臺計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)所有軟件功能的情況，也可以用這種方式建立網(wǎng)絡(luò)連接，而不一定需要使用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如雙絞線和集線器等)，對于治療控制軟件與三維監(jiān)控軟件分布在兩臺計(jì)算機(jī)上的情況，可以使用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如圖12所示。
三維軟件利用與治療控制軟件的通訊接口，實(shí)時(shí)獲取治療機(jī)的狀態(tài)以及治療數(shù)據(jù)，并以三維的方式表現(xiàn)在屏幕上，實(shí)現(xiàn)三維動態(tài)模擬。如醫(yī)生在控制B超探頭旋轉(zhuǎn)，則可以看到三維顯示屏幕上的B超掃描平面在旋轉(zhuǎn)，又如治療頭在X軸方向運(yùn)動，則三維顯示的屏幕上治療頭的位置也在相應(yīng)地改變。
治療準(zhǔn)備工作完成后，醫(yī)生按已制作好的三維計(jì)劃進(jìn)行治療，同時(shí)治療控制軟件系統(tǒng)也在不停收集治療信息。三維軟件利用通訊接口從治療控制軟件獲取治療計(jì)劃和治療信息，如已治療區(qū)域、已治療區(qū)域的效果，并進(jìn)行三維分析。三維監(jiān)控軟件把這些信息以三維的方式表現(xiàn)在屏幕上，實(shí)現(xiàn)治療信息三維表示(24)。醫(yī)生可以直觀地從屏幕上看到治療的效果，并確定哪些位置還需要進(jìn)一步的治療。
以下敘述三維分析的方法和步驟。
根據(jù)從治療控制軟件上獲取的治療信息，如治療超聲入射方向、治療路線和劑量、治療效果等信息，從治療信息中分析出治療劑量分布圖、治療效果圖、治療效果與劑量的關(guān)系圖。
首先，從治療控制軟件上獲取治療信息，在這些信息中搜索治療路線和劑量，計(jì)算出每一個(gè)空間位置所施加的治療劑量，把劑量大小用不同的標(biāo)定值表示，這些標(biāo)定值在顯示時(shí)表現(xiàn)為不同的亮度，得到劑量分布的三維顯示。在這些信息中搜索治療效果，計(jì)算出每個(gè)位置的效果，以不同的亮度值表示，得到治療效果的三維表示。再利用空間位置關(guān)系，計(jì)算出在不同位置，達(dá)到同樣治療效果與需要的治療劑量的關(guān)系，以不同的亮度值表示同樣的治療效果所需要的治療劑量，這個(gè)關(guān)系也可以用三維的形式表示出來。
在信息中搜索治療路線和劑量的過程如下從治療控制軟件上得到的治療信中包含一系列治療單元，每個(gè)單元對應(yīng)一個(gè)小的治療區(qū)。治療單元由治療路線、使用的劑量及治療時(shí)間等因素組成?？稍谝粋€(gè)空間范圍內(nèi)(如X從-90到90，Y從-80到80，Z從0到100的這樣一個(gè)長方體)進(jìn)行搜索，把經(jīng)過某一空間位置(如某點(diǎn)坐標(biāo)為(20，-20，30))的治療單元的劑量記錄下來，并按某種加權(quán)加在一起，例如有兩個(gè)治療單元的路線經(jīng)過該點(diǎn)，第一個(gè)單元該點(diǎn)的劑量為300焦，第二個(gè)單元該點(diǎn)的劑量為200焦，根據(jù)間隔時(shí)間得出第一個(gè)劑量的加權(quán)為t1，第二個(gè)劑量的加權(quán)為t2，則累計(jì)劑量En為En＝300*t1+200*t2，以同樣的原理，可以得到給定范圍內(nèi)所有點(diǎn)的治療劑量。計(jì)算出劑量后，將不同大小的劑量用不同的顏色或灰度級表示，并使用OpenGL或DirectX技術(shù)將這些具有不同顏色的三維點(diǎn)在計(jì)算機(jī)屏幕上表現(xiàn)出來，得到劑量分布的三維顯示。
以下敘述治療效果的三維表示。
三維監(jiān)控軟件與治療軟件建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接后，可以實(shí)時(shí)從治療控制軟件上獲取治療信息，治療控制軟件在治療過程中，記錄了每個(gè)治療單元的所產(chǎn)生的治療效果(參見《利用超聲圖像灰度變化評價(jià)治療效果的方法》)，這個(gè)效果用數(shù)值加以標(biāo)定(如0表示無效，1表示有較小效果，2表示中等效果，3表示較大效果，4表示最好效果)，治療控制軟件發(fā)給三維監(jiān)控軟件的治療信息中也包含有治療效果的信息。每個(gè)位置的治療效果計(jì)算與劑量分布計(jì)算相似，在一個(gè)給定的空間范圍內(nèi)，進(jìn)行搜索，把經(jīng)過某一空間位置(如某點(diǎn)坐標(biāo)為(20，-20，30))的治療單元的治療效果記錄下來，如果有多個(gè)治療單元的路線經(jīng)過該點(diǎn)，則取治療效果標(biāo)定值最大的作為該點(diǎn)的治療效果的標(biāo)定數(shù)值。同樣，可以計(jì)算出給定空間內(nèi)的每一點(diǎn)的治療效果的數(shù)值表示。全部計(jì)算完成后，使用三維顯示技術(shù)顯示在屏幕上，醫(yī)生便可以看到三維表示的治療效果。
三維的劑量關(guān)系的表示這里的三維劑量關(guān)系是指要達(dá)到滿意的治療效果與需要?jiǎng)┝康年P(guān)系，并在三維空間表示這個(gè)關(guān)系。與前面類似，在上面兩項(xiàng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，在給定的空間范圍內(nèi)搜索，找出每一個(gè)治療效果滿意(治療效果值達(dá)到3以上)的點(diǎn)，并找到每個(gè)空間點(diǎn)上施加的劑量，記錄這個(gè)劑量的大小，以這個(gè)值作為相應(yīng)空間點(diǎn)的標(biāo)定值。將這些空間點(diǎn)的標(biāo)定值使用三維顯示技術(shù)顯示在屏幕上，從而實(shí)現(xiàn)三維的劑量關(guān)系。從這個(gè)三維表示的劑量關(guān)系圖中，醫(yī)生可以直觀看到不同位置，不同深度要達(dá)到好的治療效果所需要的劑量，為以后的治療積累經(jīng)驗(yàn)在實(shí)時(shí)、動態(tài)的三維監(jiān)控中，有時(shí)不需要將所有三維信息都顯示在屏幕上，醫(yī)生可利用三維顯示控制(20)功能，進(jìn)行選擇，如不顯示病人骨骼，或者選擇三維實(shí)體的顯示方式如將病人的皮膚設(shè)為透明方式。有時(shí)需要從不同角度來進(jìn)行觀察，則醫(yī)生還需要調(diào)整觀察角度。一個(gè)典型的三維監(jiān)控場景如圖5所示。
三維監(jiān)控是在治療的同時(shí)自動進(jìn)行的。而三維監(jiān)控下的治療又有如下幾種方式按三維計(jì)劃的自動治療、半自動治療、按醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)治療。
按三維計(jì)劃自動治療的流程如圖6所示。整個(gè)治療過程在治療程序的控制下自動進(jìn)行，醫(yī)生只需要在實(shí)時(shí)對治療效果及病人的反應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控就可以了，如果異常發(fā)生，則停止治療，并由醫(yī)生檢查，異常排除后，繼續(xù)治療。當(dāng)治療程序按計(jì)劃完成治療后，則提示醫(yī)生治療結(jié)束。這種操作方式下，醫(yī)生的勞動強(qiáng)度最低。目前在超聲治療上還有一些不確定的因素，所以這種操作方式的應(yīng)用受到限制，但隨著技術(shù)的完善，自動治療的應(yīng)用會越來越廣泛。這種操作方式目前適用于于腫瘤較大，且位置距離皮膚較遠(yuǎn)，并且腫瘤周圍不存在危險(xiǎn)器官。
另一種治療方式是按三維計(jì)劃進(jìn)行半自動的治療，如圖7所示。當(dāng)程序正在治療時(shí)，醫(yī)生隨時(shí)都可能中斷治療，修改計(jì)劃。當(dāng)程序執(zhí)行完成一個(gè)步驟的治療后，停下來，由醫(yī)生決定是否進(jìn)行補(bǔ)充治療，如果需要補(bǔ)充治療，則由醫(yī)生進(jìn)行補(bǔ)充治療，補(bǔ)充治療完成后，讓程序繼續(xù)執(zhí)下一步治療，如果不需要補(bǔ)充治療，則直接讓程序繼續(xù)執(zhí)行下一步處理。程序再判斷治療是否完成，如果沒有完成，則進(jìn)行下一步治療，如果完成，則結(jié)束治療。這種操作方式下，醫(yī)生的勞動強(qiáng)度適中。這種操作方式將自動與手動操作結(jié)合起來，很快會發(fā)展成為主要的超聲治療方式。這種操作方式適用于于腫瘤較大，且位置距離皮膚較遠(yuǎn)，并且腫瘤周圍可能存在危險(xiǎn)器官。
還有一種治療方式是完全依靠醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行治療。醫(yī)生先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定治療計(jì)劃，然后進(jìn)行治療。再根據(jù)治療效果，修改治療計(jì)劃或制作下一步的治療計(jì)劃，這個(gè)過程反復(fù)進(jìn)行，直到醫(yī)生認(rèn)為治療達(dá)到了滿意的效果為止。這種操作方式，醫(yī)生的勞動強(qiáng)度最大，適用于腫瘤較小，且位置距離皮膚較近。
權(quán)利要求
1.一種超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)，包括，可進(jìn)行多維運(yùn)動的超聲治療機(jī)，該超聲治療機(jī)執(zhí)行醫(yī)生的操作指令，實(shí)施對病人的超聲治療；治療控制計(jì)算機(jī)，支持治療控制軟件的運(yùn)行，并控制超聲治療機(jī)的動作；治療控制軟件，接受醫(yī)生指令，對治療過程進(jìn)行控制；可選的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)圖像工作站與超聲治療機(jī)進(jìn)行連接，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；圖像處理設(shè)備及圖像顯示設(shè)備，圖像處理設(shè)備接受病變區(qū)域的圖像信號，形成病變區(qū)域的圖像并顯示在圖像顯示設(shè)備上；其特征在于還包括超聲治療的三維計(jì)劃系統(tǒng)，用于制作三維超聲治療計(jì)劃；三維監(jiān)控軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、病人、治療效果的三維重建和三維顯示功能；以及圖像工作站，用以支持三維計(jì)劃系統(tǒng)和三維監(jiān)控軟件的運(yùn)行，并將三維結(jié)果顯示出來。
2.如權(quán)利要求1的超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)，其特征在于所說的圖像信號來自B超探測設(shè)備。
3.如權(quán)利要求1的超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)，其特征在于所說的圖像信號來自CT圖像序列。
4.如權(quán)利要求1的超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)，其特征在于所說的圖像信號來自MRI圖像序列。
5.如權(quán)利要求1的超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)，其特征在于所說的圖像信號按以下步驟進(jìn)行處理將取得的人體序列斷層檢查圖像進(jìn)行分割；標(biāo)出腫瘤、骨骼等組織或器官的邊界；對分割后的序列斷層圖像建立三維圖像。
6.如權(quán)利要求1的超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)，其特征在于治療機(jī)的主要部件以三維的方式顯示在屏幕上。
7.如權(quán)利要求1的超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)，其特征在于諸如病人體位、皮膚、危險(xiǎn)組織、骨骼、腫瘤等信息以三維的方式顯示在屏幕上。
8.如權(quán)利要求1的超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)，其特征在于諸如聲通道、治療焦點(diǎn)、B超掃描平面的空間位置等超聲治療工作狀態(tài)以三維的方式顯示在屏幕上。
9.如權(quán)利要求1的超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)，，其特征在于用三維的方式來模擬治療機(jī)的動作，并使其以動態(tài)的形式顯示在屏幕上。
10.如權(quán)利要求1的超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)，其特征在于治療機(jī)的主要部件以三維的方式顯示在屏幕上，且諸如病人體位、皮膚、危險(xiǎn)組織、骨骼、腫瘤等信息以三維的方式同時(shí)顯示在屏幕上，且諸如聲通道、治療焦點(diǎn)、B超掃描平面的空間位置等超聲治療工作狀態(tài)以三維的方式同時(shí)顯示在屏幕上，且用三維的方式來模擬治療機(jī)的動作，并使其以動態(tài)的形式同時(shí)顯示在屏幕上，從而形成組合的三維顯示。
11.一種使用如權(quán)利要求1所述超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)的方法，其特征在于三維監(jiān)控系統(tǒng)下進(jìn)行治療。
12.以權(quán)利要求1為基礎(chǔ)的治療系統(tǒng)，其特征是在三維監(jiān)控系統(tǒng)下，使用三維計(jì)劃系統(tǒng)制作計(jì)劃進(jìn)行治療。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超聲治療設(shè)備的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括，可進(jìn)行多維運(yùn)動的超聲治療機(jī)，治療控制計(jì)算機(jī)，治療控制軟件，可選的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，圖像處理設(shè)備及圖像顯示設(shè)備，以及超聲治療的三維計(jì)劃系統(tǒng)，三維監(jiān)控軟件系統(tǒng)和支持三維計(jì)劃系統(tǒng)和三維監(jiān)控軟件的運(yùn)行并將三維結(jié)果顯示出來的圖像工作站。以便在整個(gè)超聲治療中，通過對病人情況的三維監(jiān)控，使治療效果和治療時(shí)的狀態(tài)直觀地、完整地展現(xiàn)在醫(yī)生眼前，并通過執(zhí)行基于三維監(jiān)控和醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)生成的程序化的治療計(jì)劃，操縱超聲治療頭對腫瘤進(jìn)行超聲治療，以三維的方式，真實(shí)、實(shí)時(shí)地表示設(shè)備、治療計(jì)劃、病人、治療效果和治療動作的全過程。
文檔編號G06F19/00GK1814321SQ20051000498
公開日2006年8月9日 申請日期2005年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月31日
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