CN111603691A - 一种多核素mri引导的hifu聚焦探头定位装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种多核素MRI引导的HIFU聚焦探头定位装置及其使用方法，定位装置包括多自由度机械臂和聚焦探头，多自由度机械臂一端设置有夹持装置，夹持装置用于固定聚焦探头，另一端设置于升降机构上，升降机构滑动设置于治疗床上，多自由度机械臂为七轴机械臂，七轴机械臂的各节机械臂之间均设有关节模块，所述关节模块包括超声波电机，超声波电机用于控制对应机械臂的旋转角度。本发明实现了基于超声波电机驱动的多自由度机械臂固定的聚焦探头，实现了聚焦探头6自由度的精准定位控制，即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度，具有运动范围大、对MRI装置干涉较少及治疗效果好等优势。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是指一种多核素MRI引导的HIFU聚焦探头定位装置及其使用方法。
背景技术
高强度聚焦超声(HIFU)治疗作为一种高效、无创的肿瘤热消融技术展现出巨大的研究应用潜力。基于高能超声波聚焦于靶组织区域内，使靶区产生高温，致使组织凝固坏死的工作原理，可实现对肿瘤组织的精准治疗，而不损伤周围正常组织。高强度聚焦超声实现精准治疗的前提是对体内病灶的精确定位，对HIFU***的声输出进行精准的时空控制以及对靶组织的温度变化进行全程实时监测和引导。
相比于其他影像学检查方法，磁共振成像(MRI)具有无电离辐射，灵敏度高，软组织分辨率高以及多参数成像等优点，尤其是可实现三维实时定位成像及治疗过程中的实时温度监测等优势，对HIFU精准高效治疗、实时监测治疗疗效及精准判断肿瘤预后具有重要意义。因此，基于MRI引导的HIFU治疗***目前已广泛应用于子宫肌瘤、骨肿瘤、***癌及乳腺癌等实体肿瘤的临床治疗，成为国内外研究的热点。
HIFU聚焦探头与肿瘤部位的定位关系直接影响到治疗的安全性和有效性。HIFU治疗***存在着焦点小及单次治疗时间短等固有缺陷，以及肿瘤的异质性、异型性和肿瘤的位置变化性大等因素限制其临床应用。因此，迫切需要研制出一种精确且多自由度的HIFU聚焦探头控制、定位装置。
在现有技术中，MRI引导的HIFU聚焦探头控制、定位装置主要存在以下不足：
(1)下置型治疗方式的聚焦超声治疗***通过聚焦探头和MRI装置配合完成治疗，需要多次定位，过程相对复杂繁琐；并且由于MRI治疗床下有限的可移动空间，限制了聚焦探头及其定位装置的运动范围，从而影响最终的治疗效果。
(2)在定位控制装置的驱动下，聚焦探头的运动形式单一，无法满足肿瘤或其他疾病治疗时多方位的要求，因此无法实现HIFU精准高效的治疗。
(3)手持式聚焦探头虽可实现多自由度定位聚焦，但需手动操作，无法精准控制治疗焦点及维持治疗时间，从而无法充分满足临床发展需求。
(4)目前安装在MRI装置孔隙中的基于传统电机驱动的定位控制装置会对MRI***的磁场产生干扰。为避免上述情况发生，有专利对定位控制装置进行高要求的无磁化设计和处理，或将其置于MRI装置孔隙外部，不仅会增加技术难度和成本，还会占用较大的空间，均存在一定的局限性。
(5)基于机械臂的定位装置多采用金属材料构成，容易产生金属伪影，最终会对图像产生干扰；此外，在机械臂中作为执行元件的电磁型电机受其工作原理与结构的限制，难以达到所要求的体积小、响应速度快和定位精度高的标准。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多核素MRI引导的HIFU聚焦探头定位装置及其使用方法，基于超声波电机驱动的多自由度机械臂固定的聚焦探头，实现了聚焦探头6自由度的精准定位控制，即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度，具有运动范围大、对MRI装置干涉较少及治疗效果好等优势。此外，基于多核素MRI引导的HIFU治疗***，可实现治疗前精准定位、实时温度监测、早期疗效评价及精准预后评估。
本发明的技术方案是这样实现的：一种多核素MRI引导的HIFU聚焦探头定位装置，包括多自由度机械臂和聚焦探头，多自由度机械臂一端设置有夹持装置，夹持装置用于固定聚焦探头，另一端设置于升降机构上，升降机构滑动设置于治疗床上，多自由度机械臂为七轴机械臂，七轴机械臂的各节机械臂之间均设有关节模块，所述关节模块包括超声波电机，超声波电机用于控制对应机械臂的旋转角度。
进一步地，七轴机械臂包括基座、第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂、第四机械臂、第五机械臂和第六机械臂，基座与第一机械臂之间、相邻机械臂之间以及第六机械臂端部均设置关节模块，关节模块依次定义为第一关节模块、第二关节模块、第三关节模块、第四关节模块、第五关节模块、第六关节模块和第七关节模块，第一关节模块驱动第一机械臂绕Z轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至360°，第二关节模块可驱动第二机械臂进行绕Y轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至90°～120°；第三关节模块可驱动第三机械臂进行绕X轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至120°～150°；第四关节模块可驱动第四机械臂进行绕Y轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至120°～150°；第五关节模块可驱动第五机械臂进行绕X轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至90°～120°；第六关节模块可驱动第六机械臂进行绕Y轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至90°～120°；第七关节模块可驱动夹持装置固定的聚焦探头进行绕X轴方向以及Y轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至40°～90°。
进一步地，第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂、第四机械臂、第五机械臂及第六机械臂的臂长比为3:2:5:5:2:1。
进一步地，治疗床的两侧均设置有滑轨，升降机构包括与七轴机械臂相连的支撑板，支撑板下端的两侧均设置有顶升伸缩杆，顶升伸缩杆的下端设置有沿滑轨滑动的滑轮。
进一步地，所述夹持装置为三爪机械手。
进一步地，所述聚焦探头的前端连接有充盈脱气水的准直器。
进一步地，七轴机械臂还包括与关节模块一一对应的控制器，关节模块与对应的控制器相连，控制器与操作手柄相连。
一种多核素MRI引导的HIFU聚焦探头定位装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)初始MRI扫描成像，确定需要进行HIFU治疗的病灶；
(2)确定病灶后，通过升降机构将七轴机械臂调整至所需高度，升降机构沿滑轨移动，将七轴机械臂沿治疗床平行移动到靠近的病灶位置处；
(3)预设聚焦探头移动路径，并将预设路径输入各个控制器，通过控制器控制对应关节模块的运动：通过第一关节模块的绕Z轴方向的转动调节七轴机械臂的初始位置，并联合第二关节模块、第四关节模块、第六关节模块的绕Y轴方向的转动以及第三关节模块、第五关节模块的绕X轴方向的转动，最后通过调节第七关节模块的绕X轴、Y轴方向的转动，确定聚焦探头的焦点位于病灶中心，并带动聚焦探头定位至病灶治疗靶区；
(4)HIFU治疗病灶阶段，同时利用MRI梯度回波序列实施实时监测聚焦探头的焦点温度变化图，照射后进行MRI T2扫描和T1增强扫描。
进一步地，步骤(1)中，初始MRI扫描成像具体步骤如下：患者被安置于MRI装置的治疗床上，使患者的病灶位于磁共振成像区域内，利用MRI线圈接受成像信息，并将接收到的信息传递给磁共振床体上的成像信息接收单元，最后成像信息接收单元将该信息传输到信息处理单元进行处理，信息处理单元处理后，将需要进行HIFU治疗的病灶建立的二维图像通过显示器呈现给操作者。
本发明达到的有益技术效果如下：
(1)聚焦探头在多自由度机械臂末端，实现了6自由度的精准定位控制，即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度，满足多方位的治疗需求，从而实现精准高效的治疗。此外，多自由度机械臂整体结构紧凑，稳定性好，动能性强，占用空间小，与磁共振线圈摆放不产生冲突，适用范围广。
(2)基于超声波电机驱动的定位控制装置安装在MRI装置孔隙中，所有组件均为无磁材料构成，具有装置体积小、响应速度快、定位精度高、运动范围大、对MRI装置干涉较少及治疗效果好等优势。
(3)升降机构能够带动多自由度机械臂固定的聚焦探头进行平行于MRI治疗床方向的运动，实现从头部到足部的全身范围治疗；同时升降机构通过顶升伸缩杆实现整个定位控制装置沿Z方向的移动，满足不同体型患者的治疗需求。
(4)基于多核素MRI引导的HIFU治疗***，可实现治疗前精准定位、实时温度监测、早期疗效评价及精准预后评估。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的定位装置结构示意图；
图2为本发明的定位装置工作流程示意图；
图3为本发明多自由度机械臂的结构示意图；
图4为本发明超声波电机的结构示意图；
图5为本发明三爪机械手的结构示意图；
图6为本发明升降机构的结构示意图；
图7为本发明顶升伸缩杆的结构示意图。
1—MRI装置，2—治疗台，3—治疗床，4—滑轨，5—滑轮，6—顶升伸缩杆，7—支撑板，8—基座，9—第一机械臂，10—第二机械臂，11—第三机械臂，12—第四机械臂，13—第五机械臂，14—第六机械臂，15—三爪机械手，16—聚焦探头，17—电机定子，18—电机转子，19—压电陶瓷，20—压力缸，21—活塞杆，22—活塞，23—密封导向套，24—填充物，25—可控气弹簧，26—准直器，J1—第一关节模块，J2—第二关节模块，J3—第三关节模块，J4—第四关节模块，J5—第五关节模块，J6—第六关节模块，J7—第七关节模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，一种多核素MRI引导的HIFU聚焦探头定位装置，包括多自由度机械臂、关节模块、超声波电机、升降机构、夹持装置、聚焦探头16，所述多自由度机械臂为七轴机械臂，所述七轴机械臂的各节机械臂之间均设有关节模块，所述关节模块包括超声波电机，超声波电机用于控制对应机械臂的旋转角度，所述七轴机械臂一端安装于所述升降机构上，另一端安装有所述夹持装置，所述夹持装置用于固定聚焦探头16，所述升降机构底部可滑动的设置于治疗床3上，使其沿平行于治疗床3的方向移动，治疗床3置于治疗台2上，所述全部组件均为无磁材料构成。
实施例2：
如图3所示，七轴机械臂包括基座8，第一机械臂9、第二机械臂10、第三机械臂11、第四机械臂12、第五机械臂13及第六机械臂14。基座与第一机械臂之间、相邻机械臂之间以及第六机械臂端部均设置关节模块。具体的，基座8通过第一关节模块J1与第一机械臂9相连，第一机械臂9通过第二关节模块J2与第二机械臂10相连，第二机械臂10通过第三关节模块J3与第三机械臂11相连，第三机械臂11通过第四关节模块J4与第四机械臂12相连，第四机械臂12通过第五关节模块J5与第五机械臂13相连，第五机械臂13通过第六关节模块J6与第六机械臂14相连，第六机械臂14末端连有第七关节模块J7。如图1所示，基座8安装于升降机构的上端。
七轴机械臂是多关节、多自由度的机器臂，动作多，变化灵活。七轴机械臂有更多的“行动自由度”，所述多自由度机械臂的第一关节模块J1可驱动第一机械臂9进行绕Z轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至360°；多自由度机械臂的第二关节模块J2可驱动第二机械臂10进行绕Y轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至90°～120°；多自由度机械臂的第三关节模块J3可驱动第三机械臂11进行绕X轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至120°～150°；多自由度机械臂的第四关节模块J4可驱动第四机械臂12进行绕Y轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至120°～150°；多自由度机械臂的第五关节模块J5可驱动第五机械臂13进行绕X轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至90°～120°；多自由度机械臂的第六关节模块J6可驱动第六机械臂14进行绕Y轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至90°～120°；多自由度机械臂的第七关节模块J7可驱动夹持装置固定的聚焦探头16进行绕X轴方向以及Y轴方向的旋转运动，旋转角度范围均为0至40°～90°。综上，聚焦探头16在七轴机械臂末端，实现了6自由度的精准定位控制，即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度，满足多方位的治疗需求，从而实现精准高效的治疗。
所述第一机械臂9、所述第二机械臂10、所述第三机械臂11、所述第四机械臂12、所述第五机械臂13及所述第六机械臂14的臂长比为3:2:5:5:2:1；该比例的机械臂可保证足够的臂长及覆盖范围，同时也保证了机械臂整体的灵活性以及完成复杂动作的准确性，也能够提高机械臂在狭窄空间中的应用效果。
所述多自由度机械臂整体结构简单紧凑、精准定位、静音、稳定性好、动能性强、占用空间小，与磁共振线圈摆放不产生冲突，具备柔性特点，适用范围广，可实现高精度、高灵活性的定位控制。
如图4所示第一～七关节模块J1-7包括超声波电机，所述超声波电机包括电机定子17和电机转子18。其中第七关节模块J7为两自由度球形超声波电机，主要由两个定子和一个球形转子组成，每个定子可以驱动球形转子绕X、Y轴线旋转。电机定子17包括弹性体和压电陶瓷19。超声波电机是利用压电陶瓷19的逆压电效应，使定子17在超声频段内产生振动，通过定子17、转子18之间的摩擦获得运动和扭矩，通过超声电机的驱动，可以控制机械臂任意角度的运动。所述超声波电机具备结构简单，体积小，重量轻，承载能力大，运动精度高，运动平稳，传动效率高等优点。
如图5所示，优选的是，所述多自由度机械臂的第七关节模块J7末端安装有所述夹持装置，所述夹持装置为三爪机械手15，可绕第七关节模块J7转动，七轴机械臂还包括与关节模块一一对应的控制器，关节模块与对应的控制器相连，控制器与操作手柄相连，通过控制器控制并带动聚焦探头16沿预设轨迹运动。
优选的是，所述夹持装置用于固定聚焦探头16，所述聚焦探头16的前端连接有充盈脱气水的准直器26装置。
优选的是，所述全部组件均为无磁材料构成。
实施例3：
如图1和6所示，治疗床3的两侧均安装有滑轨4，升降机构包括与基座8相连的支撑板7，支撑板7下端的两侧均设置有顶升伸缩杆6，顶升伸缩杆6的下端安装有沿滑轨4滑动的滑轮5。
如图7所示，所述顶升伸缩杆6均为可升降的液压伸缩缸，所述顶升伸缩杆6包括压力缸20、活塞杆21、活塞22、密封导向套23、填充物24(惰性气体或者油气混合物)和可控气弹簧25。
所述升降机构能够带动多自由度机械臂固定的聚焦探头16进行平行于MRI治疗床方向的运动，实现从头部到足部的全身范围治疗；同时升降机构通过顶升伸缩杆6实现整个定位控制装置沿Z方向的移动，满足不同体型患者的治疗需求。
实施例四
如图2所示，实施例一至三所述的多核素MRI引导的HIFU聚焦探头定位装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)初始MRI扫描成像阶段：患者被安置于MRI装置的治疗床上，使患者的病灶位于磁共振成像区域内，利用MRI线圈接受成像信息，并将接收到的信息传递给磁共振床体上的成像信息接收单元，最后成像信息接收单元将该信息传输到信息处理单元进行处理，信息处理单元处理后，将需要进行HIFU治疗的病灶建立的二维图像通过显示器呈现给操作者。
(2)精准定位控制阶段：确定病灶后，将置于升降机构上的多自由度机械臂通过滑轮5的滑动和顶升伸缩杆6的升降调整到病灶所在的大致水平面上，并根据机械臂长度调节支撑装置在治疗床3上的位置，随后进行定位操作：预设聚焦探头16移动路径，并将预设路径输入控制器，通过第一关节模块J1的绕Z轴方向的转动调节机械臂的初始位置，并联合第二关节模块J2、第四关节模块J4、第六关节模块J6的绕Y轴方向的转动以及第三关节模块J3、第五关节模块J5的绕X轴方向的转动，最后通过调节第七关节模块J7的绕X轴、Y轴方向的转动，确定聚焦探头16的焦点位于病灶中心。基于各个关节模块中的超声波电机控制机械臂以合适的角度和移动步长、姿态带动聚焦探头16定位至病灶治疗靶区。
(3)HIFU治疗阶段与MRI温度监控阶段：高强度聚焦超声换能器功率驱动模块驱动聚焦换能器发射高强度聚焦超声波，开始HIFU治疗病灶阶段；同时，利用MRI梯度回波序列实施实时监测焦点温度变化图，照射后进行MRI T2扫描和T1增强扫描，对指导治疗方案和精准判断预后有重要意义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多核素MRI引导的HIFU聚焦探头定位装置，其特征在于：包括多自由度机械臂和聚焦探头，多自由度机械臂一端设置有夹持装置，夹持装置用于固定聚焦探头，另一端设置于升降机构上，升降机构滑动设置于治疗床上，多自由度机械臂为七轴机械臂，七轴机械臂的各节机械臂之间均设有关节模块，所述关节模块包括超声波电机，超声波电机用于控制对应机械臂的旋转角度。
2.根据权利要求1所述的一种多核素MRI引导的HIFU聚焦探头定位装置，其特征在于：七轴机械臂包括基座、第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂、第四机械臂、第五机械臂和第六机械臂，基座与第一机械臂之间、相邻机械臂之间以及第六机械臂端部均设置关节模块，关节模块依次定义为第一关节模块、第二关节模块、第三关节模块、第四关节模块、第五关节模块、第六关节模块和第七关节模块，第一关节模块驱动第一机械臂绕Z轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至360°，第二关节模块可驱动第二机械臂进行绕Y轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至90°～120°；第三关节模块可驱动第三机械臂进行绕X轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至120°～150°；第四关节模块可驱动第四机械臂进行绕Y轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至120°～150°；第五关节模块可驱动第五机械臂进行绕X轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至90°～120°；第六关节模块可驱动第六机械臂进行绕Y轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至90°～120°；第七关节模块可驱动夹持装置固定的聚焦探头进行绕X轴方向以及Y轴方向的旋转运动，旋转角度范围为0至40°～90°。
3.根据权利要求2所述的一种多核素MRI引导的HIFU聚焦探头定位装置，其特征在于：第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂、第四机械臂、第五机械臂及第六机械臂的臂长比为3:2:5:5:2:1。
4.根据权利要求1所述的一种多核素MRI引导的HIFU聚焦探头定位装置，其特征在于：治疗床的两侧均设置有滑轨，升降机构包括与七轴机械臂相连的支撑板，支撑板下端的两侧均设置有顶升伸缩杆，顶升伸缩杆的下端设置有沿滑轨滑动的滑轮。
5.根据权利要求1所述的一种多核素MRI引导的HIFU聚焦探头定位装置，其特征在于：所述夹持装置为三爪机械手。
6.根据权利要求1所述的一种多核素MRI引导的HIFU聚焦探头定位装置，其特征在于：所述聚焦探头的前端连接有充盈脱气水的准直器。
7.根据权利要求1或2所述的一种多核素MRI引导的HIFU聚焦探头定位装置，其特征在于：七轴机械臂还包括与关节模块一一对应的控制器，关节模块与对应的控制器相连，控制器与操作手柄相连。
8.一种权利要求1-7之一所述的多核素MRI引导的HIFU聚焦探头定位装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)初始MRI扫描成像，确定需要进行HIFU治疗的病灶；
(2)确定病灶后，通过升降机构将七轴机械臂调整至所需高度，升降机构沿滑轨移动，将七轴机械臂沿治疗床平行移动到靠近的病灶位置处；
(3)预设聚焦探头移动路径，并将预设路径输入各个控制器，通过控制器控制对应关节模块的运动：通过第一关节模块的绕Z轴方向的转动调节七轴机械臂的初始位置，并联合第二关节模块、第四关节模块、第六关节模块的绕Y轴方向的转动以及第三关节模块、第五关节模块的绕X轴方向的转动，最后通过调节第七关节模块的绕X轴、Y轴方向的转动，带动聚焦探头定位至病灶治疗靶区，确定聚焦探头的焦点位于病灶中心；
(4)HIFU治疗病灶阶段，同时利用MRI梯度回波序列实施实时监测聚焦探头的焦点温度变化图，照射后进行MRI T2扫描和T1增强扫描。
9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，步骤(1)中，初始MRI扫描成像具体步骤如下：患者被安置于MRI装置的治疗床上，使患者的病灶位于磁共振成像区域内，利用MRI线圈接受成像信息，并将接收到的信息传递给磁共振床体上的成像信息接收单元，最后成像信息接收单元将该信息传输到信息处理单元进行处理，信息处理单元处理后，将需要进行HIFU治疗的病灶建立的二维图像通过显示器呈现给操作者。
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