一种带测温功能的高强度聚焦超声诊疗系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种带测温功能的高强度聚焦超声诊疗系统及其控制方法，属于生物医学仪器与设备领域。

背景技术：

高强度聚焦超声治疗技术是一种新型的医疗技术。高强度聚焦超声技术通过从人体外向人体内发射功率超声并汇聚在特定靶区，由此产生一定的人体生物学效应而实现无创治疗的效果。

高强度聚焦超声治疗系统，一般由测位装置、定位装置、介质水处理装置、治疗头、控制电路、系统软件等部分组成。其中测位装置大多使用的b超机，除完成测位功能之外，还用于治疗过程中的安全监测，但由于使用的b超机是一个独立的系统，难以做到b超功能和聚焦超声发射之间很好的控制协调，所以难以做到真正实时的安全监测。另外，基于b超的监测功能是通过观察b超图像的变化来判断是否安全或起到治疗效果，但是由于人体组织在聚焦超声作用下产生的变性并不能很好的在图像上显示出来，特别是变性不严重的情况下，所以导致监测功能无法起到应有的作用。另外定位装置大多使用的床式移动和治疗头移动，非常笨重且操作不灵活，对于安装空间和操作人员的要求较高。而且，超声对于不同的体质会有不同的敏感度，同样声功率在不同体质内产生的治疗效果具有差异性。

当前的高强度聚焦超声治疗系统多为设置恒定的电功率进行超声治疗，这会产生两个问题：一是，由于控制电路、换能器转化效率等的误差，导致相同的电功率产生的声功率会存在误差，从而导致产生的治疗效果不同或不可控；二是，由于不同的体质对超声的敏感度不同，所以进一步加大了治疗效果的不同或不可控。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有缺点的前提下，提供一种带测温功能的高强度聚焦超声诊疗系统及其控制方法，通过将b超系统和聚焦超声控制系统整合为一形成一种新型的诊疗一体化系统，并在系统底层对两部分进行时序管理，实现可视区域可配置的实时b超图像监测。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一方面，本发明提出了一种带测温功能的高强度聚焦超声诊疗系统，其包括主控模块、b超模块、聚焦超声模块、运动模块，组合探头和水处理模块，所述主控模块、b超模块、聚焦超声模块组成系统的主机，所述运动模块包括六自由度机械臂和组合探头内部的一维电机运动模块，所述六自由度机械臂安装在系统主机的机架上，组合探头安装在六自由度机械臂的末端，所述水处理模块作为组成水箱的一部分，水箱由水管连接到组合探头。

进一步的，所述主控模块分别与b超模块、聚焦超声模块、运动模块、组合探头、水处理模块相连，b超模块与聚焦超声模块相连，b超模块和聚焦超声模块同时还与组合探头相连。

进一步的，所述组合探头包括圆形聚焦超声换能器、内置b超探头、外置b超探头、一维电机运动模块、传动装置、传感器模块、储水罐及水囊；所述内置b超探头和外置b超探头均用于监测治疗区域的图像，并且内置b超探头和外置b超探头与b超模块相连，所述圆形聚焦超声换能器与聚焦超声模块相连，所述一维电机运动模块、传感器模块与主控模块相连，并且一维电机运动模块经过传动机构与圆形聚焦超声换能器相连，从而控制聚焦超声换能器上下运动，实现聚焦焦点在人体内的移动；所述传感器模块用于检测组合探头的工作状态，工作状态包括限位状态、水囊压力、一维电机运动的精度、介质水温度，传感器模块将检测到的工作状态传输给主控模块；所述储水罐及水囊用于储存提高超声传导效率的耦合介质水。

更进一步的，所述圆形聚焦超声换能器中心设有开孔，内置b超探头安装在该开孔内，且内置b超探头与圆形聚焦超声换能器之间同轴设置。

更进一步的，所述外置b超探头与组合探头的主体可拆卸连接，且当外置b超探头组装在组合探头上时其轴心穿过聚焦超声换能器的物理焦点，当其拆卸下来时作为常规手持探头使用。

进一步的，所述聚焦超声模块包括正电压功率电源、负电压功率电源、功率放大器、滤波及匹配电路、聚焦超声发射控制模块、安全监测电路；所述聚焦超声发射控制模块包括电压配置逻辑、发射控制逻辑、恒定声功率计算逻辑，同时聚焦超声发射控制模块接收主控模块下发送的发射参数，经内部恒定声功率计算逻辑计算后，配置两路功率电源输出对应的电压，并控制功率放大器以所需的频率和时间进行高压脉冲发射，发射的高压脉冲经聚焦超声换能器进行电声转换，从而完成高强度聚焦超声波的发射；所述安全检测电路包括电压检测、电流检测、功率检测、相位检测，聚焦超声模块依据检测到的参数对发射过程中的电信号进行安全监控。

进一步的，所述聚焦超声模块接收b超模块输出的帧同步、线同步信号，并接收主控模块下发送的可视区域大小的参数，进一步根据该参数和帧同步、线同步信号控制聚焦超声功率的发射，将治疗区域调整在b超画面的非噪声区域，从而实现治疗区域的实时检测。

进一步的，所述b超模块包括成像逻辑模块、脉冲发射/接收模块、数字波束合成模块、b超探头选通控制模块，所述选通控制模块分别与内置b超探头、外置b超探头相连，b超模块通过b超探头发射和接收诊断超声对治疗区域进行成像，并将采集的图像传输给主控模块，同时b超模块与聚焦超声治疗模块相连，并将图像扫描的帧周期和线周期处理成同步信号传输给聚焦超声模块。

进一步的，所述水处理模块包括逻辑控制模块、脱气装置、溶氧检测仪、水循环模块、温控模块，所述逻辑控制模块控制水循环模块将介质水抽入脱气装置，进一步控制脱气后的介质水流入组合探头的储水罐和水囊内，并实时接收溶氧检测仪检测到的含氧量，当含氧量不符合要求时，自动控制水循环模块和脱气装置对介质水进行实时的处理，逻辑控制模块接收主控模块传输的介质水温度，当温度不符合要求时，自动控制水循环模块和温控模块对介质水进行升温或降温控制，并且逻辑控制模块还接收主控模块传输的水囊压力，当压力不符合要求时，自动控制水循环模块对水囊进行补水或抽水控制。

另一方面，本发明还提出了一种带测温功能的高强度聚焦超声诊疗系统的控制方法，其包括以下步骤：

(1)外置b超探头扫描阶段：将外置b超探头从组合探头上拆下来，手持该探头完成治疗区域的初步探查；

(2)内置b超探头扫描阶段：通过机械臂将组合探头移动到治疗区域，接着通过内置b超探头对治疗区域扫描得到当前角度的二维扫描图像，然后再进一步通过机械臂将组合探头旋转90度，对治疗区域再次扫描得到当前角度的二维扫描图像，主控模块将两次扫描得到的二维图像整合成三维图像；

(3)路径规划阶段：主控模块根据手动勾画在所述三维图像上的需要进行高强度聚焦超声治疗的区域，以及手动设置的治疗点移动步长，自动计算生成移动路径的坐标；

(4)路径规划确认阶段：基于安全目的考虑，主控模块会依据上一步生成的坐标进行一次完整的路径移动，该过程不发射高强度聚焦超声，扫描过程中会对路径进行实时二维图像扫描，由此确认当前路径是否安全；扫描完成后，主控模块会控制组合探头回到路径的初始点；

(5)体质测定阶段：主控模块依据系统预置的超声功率控制聚焦超声模块发射聚焦超声，同时b超模块通过内置b超探头或外置b超探头实时对治疗区域进行二维图像扫描，并将图像传给主控模块，然后b超模块进一步将实时的rf数据传输给主控模块；主控模块依据rf数据计算出治疗区域的温度变化曲线，进一步依据发射时间、温度变化曲线、超声功率计算出当前体质下最佳的发射功率；

(6)高强度聚焦超声治疗及监控阶段：主控模块控制机械臂和一维电机运动系统依据步骤(3)规划的路径进行移动，当移动到路径中规划的点时，主控模块依据设置的发射功率，控制聚焦超声模块输出恒定的超声功率对治疗点进行作用；

同时，主控模块依据b超模块传回的rf数据进行温度计算，配合b超模块传回的二维扫描图像对治疗过程进行监控；并且主控模块依据靶区的温度控制聚焦超声模块，当温度达到预设值后开始计时，计时结束后停止对当前点发射高强度聚焦超声；

同时，聚焦超声模块通过其中的安全检测电路对发射过程的电信号进行安全监控；

(7)重复步骤(6)，直到圆形聚焦换能器的焦点遍历规划路径中的所有指定点。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1)系统中设计有基于b超rf数据的测温功能，解决了基于图像变化判断安全性的不可靠问题。另外设计有基于测温功能的体质测定功能，从而解决了不同体质超声敏感度不同导致治疗效果不可控的问题。

2)聚焦超声模块中的恒定声功率计算逻辑可以控制聚焦超声换能器发射恒定的超声功率，解决了现有系统只能控制电功率的问题，解决了由控制电路、换能器转换效率等导致的误差问题。

3)系统设计有6维机械臂运动系统加1维电机运动系统，可实现不同位置的自由治疗，并且不需要床体运动系统，可减小设备的使用安装要求。

4)b超模块将二维图像扫描过程中帧周期、线周期作为同步信号传输给聚焦超声模块，实现可视区域的实时b超图像监测。依据主控模块设置的可视区域大小的参数，可进一步控制可视区域的大小。

5)基于测温功能的体质测定功能，解决了不同体质超声敏感度不同导致治疗效果不佳的问题。

6)水处理模块可以实时监控介质水的状态并进行自动的介质水处理，解决了随着超声作用导致介质水含氧量、温度不合格的问题。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是本发明的各模块的电气连接示意图。

图3是本发明的组合探头结构图，其中(a)为正视图(b)为侧视图。

图4是本发明的聚焦超声模块的架构示意图。

图5是本发明的b超模块的架构示意图。

图6是本发明的水处理模块的架构示意图。

图7是本发明的系统控制方法流程示意图。

图中标记为：1为六自由度机械臂，2为系统主机的机架，3为组合探头，4为水管，5为水箱(由水处理模块组成)，6为系统主机，7为圆形聚焦超声换能器，8为外置b超探头，9为内置b超探头，10为一维电机运动系统，11为传动机构，12为传感器模块，13为储水罐及水囊。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种带测温功能的高强度聚焦超声诊疗系统，包括主控模块、b超模块、聚焦超声模块、运动模块、组合探头、水处理模块。其中，主控模块、b超模块、聚焦超声模块组成系统的主机，六自由度机械臂安装在系统主机的机架上，组合探头安装在六自由度机械臂的末端，水处理模块单独组成水箱，水箱由水管连接到组合探头。

如图2所示，主控模块分别通过rj45与b超模块相连，以接收b超模块传输的二维图像和rf数据；通过uart与聚焦超声模块相连，以控制聚焦超声模块的发射参数、接收其返回的安全状态；通过rj45与机械臂相连，并通过uart与一维电机运动模块相连，以控制组合探头按照规划路径移动；通过uart与传感器模块相连，以接收传感器模块传回的参数；通过uart与水处理模块相连，用来将水温、压力等参数传递给水处理模块，并控制水处理模块的开关。

如图2所示，b超模块通过电气线缆分别与内置b超探头、外置b超探头相连，用来将诊断用高压脉冲信号传递给b超探头，从而转换成诊断超声信号，实现对治疗区域进行超声诊断。聚焦超声模块通过线缆与圆形聚焦超声换能器相连，用来将高强度高压脉冲传递给圆形聚焦超声换能器，实现高强度聚焦超声发射的目的。b超模块与聚焦超声模块之间有同步信号相连。

如图3所示，组合探头包括圆形聚焦超声换能器、内置b超探头、外置b超探头、一维电机运动模块、传动装置、传感器模块、储水罐及水囊。1维电机运动模块经过传动装置与圆形聚焦超声换能器相连，从而控制聚焦超声换能器上下运动，实现聚焦焦点在人体内的移动。圆形聚焦超声换能器中心有开孔，内置b超探头安装到该开孔内，内置b超探头与圆形聚焦超声换能器之间同轴。外置b超探头可以从组合探头上拆卸下来，当外置b超探头组装在组合探头上时其轴心穿过聚焦超声换能器的物理焦点，拆卸下来时可作为常规手持探头使用。储水罐及水囊用于储存耦合介质水，耦合介质水用于超声耦合提高超声传导效率，其中的介质水通过水系统制备。

如图4所示，聚焦超声模块包括正电压功率电源、负电压功率电源、功率放大器、滤波及匹配电路、聚焦超声发射控制模块、安全监测电路。本实例中聚焦超声发射控制模块由fpga实现，内部逻辑划分成电压配置逻辑、发射控制逻辑、恒定声功率计算逻辑三部分。fpga通过uart接收主控模块下发的发射参数，经内部恒定声功率计算逻辑计算后，配置两路功率电源输出对应的电压。fpga内的发射控制逻辑控制功率放大器以所需的频率进行高压脉冲发射，发射的高压脉冲经滤波/匹配电路处理后，传递给聚焦超声换能器进行电声转换，从而完成高强度聚焦超声波的发射。fpga内的发射控制逻辑同时接收b超模块的同步信号，当b超模块对治疗区域扫描时，控制发射停止，当b超模块对非治疗区域扫描时，控制发射开启，从而实现实时监测治疗过程的目的，避免了聚焦超声对治疗区域扫描的干扰。安全检测电路包括电压检测、电流检测、功率检测、相位检测，fpga将检测到的信息通过uart传递给主控模块。

如图5所示，b超模块包括成像逻辑模块、脉冲发射/接收模块、数字波束合成模块、b超探头选通控制模块。本实例中成像逻辑模块由fpga实现。选通控制模块分别与内置b超探头、外置b超探头相连，fpga控制探头的选择。b超模块通过b超探头发射和接收诊断超声对治疗区域进行成像，并将采集的图像通过rj45传输给主控模块。fpga将图像扫描的帧周期和线周期处理成同步信号传输给聚焦超声模块。

如图6所示，水处理模块包括逻辑控制模块、脱气装置、溶氧检测仪、水循环模块、温控模块。本实例中逻辑控制模块由mcu实现。mcu通过uart接收主控模块的进出水指令，进一步控制水循环模块将介质水抽入脱气装置，进一步控制脱气后的介质水流入组合探头的储水罐和水囊内，并实时接收溶氧检测仪检测到的含氧量，当含氧量不符合要求时，自动控制水循环模块和脱气装置对介质水进行实时的处理。mcu通过uart接收主控模块传输的介质水温度，当温度不符合要求时，自动控制水循环模块和温控模块对介质水进行升温或降温控制。mcu通过uart接收主控模块传输的水囊压力，当压力不符合要求时，自动控制水循环模块对水囊进行补水或抽水控制。

如图7所示，系统用于高强度聚焦超声治疗的控制流程为：

1)外置b超探头扫描阶段：将外置b超探头从组合探头上拆下下来，手持该探头完成治疗区域的初步探查；

2)内置b超探头扫描阶段：通过机械臂将组合探头移动到治疗区域，b超模块对治疗区域扫描得到当前角度的二维扫描图像，并将图像传递给主控模块。进一步通过机械部将组合探头旋转90度，对治疗区域再次扫描得到当前角度的二维扫描图像，并将图像传递给主控模块。主控模块将两次扫描得到的二维图像整合成三维图像。

3)路径规划阶段：主控模块根据操作者手动勾画在所述三维图像上的需要进行高强度聚焦超声治疗的区域，以及手动设置的治疗点的行距、列距、层距参数，自动计算生成移动路径的坐标。

4)路径规划确认阶段：基于安全目的考虑，主控模块会依据上一步生成的坐标进行一次完整的路径移动，该过程不发射高强度聚焦超声，扫描过程中会对路径进行实时二维图像扫描，由此确认当前路径是否安全。扫描完成后，主控模块会控制组合探头回到路径的初始点。

5)体质测定阶段：主控模块依据系统预置的超声功率控制聚焦超声模块发射聚焦超声，同时，b超模块通过内置b超探头或外置b超探头实时对治疗区域进行二维图像扫描，并将图像传给主控模块，进一步b超模块将实时的rf数据传输给主控模块。主控模块依据rf数据计算出治疗区域的温度变化曲线，进一步依据发射时间、温度变化曲线、超声功率计算出当前体质下最佳的发射功率。

6)高强度聚焦超声治疗及监控阶段：主控模块根据操作者实际设置的需要治疗的层号，控制机械臂和一维电机运动系统按对应坐标进行移动。当移动到路径中规划的点时，主控模块依据实际设置的超声功率，控制聚焦超声模块输出恒定的超声功率对治疗点进行作用。

同时，主控模块依据b超模块传回的rf数据进行温度计算，配合b超模块传回的二维扫描图像对治疗过程进行监控。

同时，主控模块依据靶区的温度控制聚焦超声模块，当温度达到预设值后开始计时，计时结束后停止对当前点发射高强度聚焦超声。

同时，聚焦超声模块通过其中的安全检测电路对发射过程的电信号进行安全监控。

7)重复步骤6)，直到圆形聚焦换能器的焦点遍历规划路径中的指定点。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。