CN112657074A - 一种基于5g的云端一体化高强度聚焦超声远程手术机器人治疗***装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于5G的云端一体化高强度聚焦超声远程手术机器人治疗***装置及方法。本发明利用了5G大带宽、低时延、高可靠以及网络切片的能力，将控制端迁移到云端，通过5G网络代替传统线缆与治疗端高强度聚焦超声手术机器人实现通讯连接，从而实现医生和患者的空间分离，让医生可以在5G环境下开展与传统高强度聚焦超声手术无差别的远程手术。同时，通过基于5G的云边端一体化，解耦高强度聚焦超声远程手术机器人本体软硬件,从而降低成本，让更多的基层医院有能力购置，使得大规模的部署成为可能。在一定程度上能够合理解决由于医疗资源分布不均衡而导致的“看病难、看病贵”的问题。
Description
技术领域
本发明属于生物医学仪器与设备领域，尤其涉及一种基于5G的云端一体化高强度聚焦超声远程手术机器人治疗***装置及方法。
背景技术
高强度聚焦超声治疗***简称HIFU（High Intensity Focused Ultrasound ），使用高强度聚焦超声治疗***开展的手术称为FUS（Focused Ultrasound Surgery ) 、聚焦超声消融手术（focused ultrasound ablationsurgery，FUAS）或聚焦超声消融（focusedultrasound ablation，FUA）。其原理是是利用超声波在人体组织的良好穿透性，在监控影像的引导下，将超声换能器（治疗头）在人体外产生的超声波精准聚焦于体内病灶靶点，通过将机械效应转化为热效应、空化效应，使病灶产生凝固性坏死，从而可实现无创消融病灶的目的，是近年发展起来的一种非侵入性肿瘤治疗技术。具有不开刀、不流血、绿色无辐射、保留患者器官等优势特点，代表了治疗医学未来的发展方向。
传统高强度聚焦超声设备通常由控制端和治疗端两部分构成。其中控制端为中央控制台，治疗端包括：扫描运动装置、治疗床、超声驱动电源、换能器、水电处理装置。但由于控制端与治疗端各个单元全部采用线缆连接，受制于线缆的长度，医生和患者必须在同一空间开展FUS治疗。
传统高强度聚焦超声设备由于技术和设计因素，体积都比较庞大，重量一般都在1.5吨以上，有的重量超过5吨，不够轻量化，单体设备的造价较高，这使得基层医院根本没有能力购买。同时装机要求空间面积较大，也使得很多大医院即使有财力购买，却因为没有合适的装机场地而选择放弃。
传统高强度聚焦超声设备的维护成本高，尤其是中央控制台的主控计算机部分，随时都有可能由于算力不足、存储空间有限、计算机病毒等问题导致整个设备瘫痪无法使用，设备的恢复大都需要工程师前往现场解决，费用昂贵且耗时。
传统FUS手术治疗时，医生在B超或磁共振图像引导下，凭肉眼观察2D图像来确定病灶组织位置，缺乏精准的3D坐标参数作为治疗的依据。治疗过程中，判定治疗靶区是否凝固性坏死往往通过监控超声影像的灰度变化及超声造影，缺乏量化标准，对于治疗剂量无法做准确描述。
同时，传统FUS手术的治疗高度依赖操作医生个人的水平、经验，并且医生的经验无法数字化，所以，一个FUS手术专家需要至少四年时间，并且要完全依靠自己独立操作才能培养起来，医生的短缺也成为了FUS手术推广普及的最大瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于解决上述一系列问题，提供一种基于5G的云端一体化高强度聚焦超声远程手术机器人治疗***装置及方法。本发明利用了5G大带宽、低时延、高可靠及网络切片的能力，结合虚拟化技术将高强度聚焦超声手术机器人软件与硬件解耦，将控制端上云，采用5G通讯技术代替传统线缆与治疗端高强度聚焦超声手术机器人实现通讯连接，从而实现医生和患者的空间分离，让医生可以在 5G环境下开展与传统高强度聚焦超声手术无差别的远程手术。同时，控制端上移到云端，使得计算、存储等能力可以弹性无限扩容，也使得线下机器人可以更加轻量化，从而大幅降低成本，让更多的基层医院有能力购置。通过磁导航装置（5）和云端图像处理模块、治疗计划模块可以量化治疗计划进而精准的控制焦点完成手术，同时还可以对治疗效果做出精准的量化疗效评价。整个治疗过程可以形成数字化闭环，完整的数据可用于训练人工智能深度学***台不但可以实现远程手术，并且可以实现多点操作同时开展多台远程手术。本发明将在一定程度上解决由于医疗资源分布不均衡而导致的“看病难、看病贵”的问题。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
将传统设备的中央控制台部署在云端，通过5G与治疗端连接。
图1是中央控制平台(控制端)，包括图像处理模块、治疗计划模块、视频语音交互模块。
1、所述图像处理模块用于术前对患者机载超声定位/MR/CT/PET等影像进行3D重建处理，确定病灶与周围结构组织及磁性标记物的毗邻关系及病灶的空间坐标、形状、边缘、容积、密度、硬度、声阻抗等参数，然后将处理过的病灶3D图像及参数与线下磁导航装置（5）、B超图像采集装置（2）上传的患者B超影像及空间坐标参数，通过相同磁性标记物进行配准，将MRI 3D影像坐标系与B超影像、磁导航装置（5）、B超图像采集装置（2）、治疗床（4）、环阵聚焦换能器（1）、7轴协作机器人装置（3）所在的坐标系融合为同一坐标系，最终形成融合图像。
2、所述治疗计划模块是根据配准后的融合3D影像及坐标参数，按5mm*5mm*5mm一个体积元对病灶治疗区域进行划分，对划分好的体积元进行位置编码，形成编好顺序的体积元阵列。其中包括按时间轴划分病灶治疗单元、确定治疗路径、环阵聚焦换能器（1）焦点运动轨迹、位姿、发射超声波的功率、节奏、回数、介质水温度等。治疗计划制定完成后根据经验参数进行病灶辐照虚拟仿真，并对病灶辐照过程包括热量投放总剂量、耗时、NPV、能效因子等做治疗前精确估算，在医生确认后，中央控制台按治疗计划驱动高强度聚焦超声手术机器人完成手术治疗过程。治疗中及治疗后，根据超声声阻抗参数、弹性成像参数、超声造影参数、能效因子、机载超声/MR/CT/PET等图像做出治疗效果影像学评价。
3、所述云桌面模块是将高强度聚焦超声手术机器人主机所包含的CPU、内存、硬盘等组件全部在云端的服务器中虚拟出来，每台线下高强度聚焦超声手术机器人对应一个虚拟主机。医生在瘦客户机及平板等智能终端上安装客户端后通过5G网络访问云端服务器上的虚拟机主机来实现交互式操作。
4、所述视频语音交互模块就是对通过5G网络上传到中央控制平台的经过编码的数字信号进行解码处理并显示，数字信号包括在医疗手术过程中治疗室全景视频、远程医生与患者、远程医生与治疗端医生、护士沟通视频、心电监护画面进行全方位数据采集的多组图像采集设备、语音设备等。
图2是高强度聚焦超声手术机器人(治疗端)，包括磁导航装置(5)、5G网络通讯模块、B超图像采集装置(2)、治疗床(4)、内嵌超声探头的环阵聚焦换能器(1)、高强度聚焦超声换能器功率驱动装置(6)、7轴协作机器人装置(3)、水处理装置(7)、视频语音采集装置。
1、磁导航装置安装于治疗床（4）床面，与B超图像采集装置（2）、治疗床（4）、内嵌超声探头的环阵聚焦换能器（1）、高强度聚焦超声换能器功率驱动装置（6）、7轴协作机器人装置（3）位于同一坐标系，通过传感器获取各装置及患者磁性标记物的空间位置信息，并实时传输给云端控制平台治疗计划模块。
2、所述B超图像采集装置（2）为无线超声探头，包括探头部分、控制模块、发射模块、接收模块、回波信号处理回路、5G通信模组等，通过5G模组与云端的控制端建立通讯连接。
3、所述治疗床（4）为中部嵌入磁导航装置（5）的移动治疗床（4），治疗床（4）为可升降、四轮可锁定，患者采取仰卧位平躺于治疗床（4）之上接受治疗。
4、所述内嵌超声探头的环阵聚焦换能器（1）是安装于7轴协作机器人装置（3）前端，采取中空设计，B超图像采集装置（2）嵌于其中的单阵元或多阵元换能器（1）。
5、所述高强度聚焦超声功率驱动装置（6）是驱动环阵聚焦换能器（1）发射高强度聚焦超声，环阵聚焦换能器（1）的焦点遍历治疗计划中所有指定位点。
6、所述7轴协作机器人装置（3）安装在治疗床（4）侧，B超图像采集装置（2）和环阵聚焦换能器（1）位于7轴协作机器人装置（3）前端，其控制柜（8）位于治疗床（4）下方，控制柜（8）5G模组通过5G网络与云端中央控制台建立通信连接。
7、所述水处理装置（7）是位于治疗床下方，为治疗水囊提供可控温脱气水。
8、所述视频语音采集装置为多组高清视频采集摄像头及全向麦克风。
具体实施方式：
1、治疗前，将磁标记物粘在患者身体表面进行MR扫描，然后将扫描后的MR图像数据通过5G发送给云端图像处理模块进行3D重建处理，并由治疗医生对图像进行边缘勾画，然后将病灶的形状、位置、密度、容积等参数传输给治疗计划模块。
2、患者携带磁性标记物，仰卧于治疗床（4）上，将磁导航装置（5）的传感器与磁性标记物连接，B超图像采集装置（2）对患者病灶部位进行扫描，然后将获得的B超图像以及磁性标记物、B超图像采集装置（2）、环阵聚焦换能器（1）固定焦点在治疗床（4）坐标系中的空间坐标数据，通过5G通信模块上传给云端的治疗计划模块，治疗计划模块根据磁性标记物在MR图像坐标系及治疗床（4）坐标系中的坐标进行图像配准处理，然后将MR图像与超声图像进行融合，此时，MR3D重建图像、病灶、B超图像采集装置（2）、环阵聚焦换能器（1）、7轴协作机器人装置（3）、治疗床（4）、磁导航装置（5）均处在治疗床（4）坐标系中。
3、治疗医生根据配准后的图像，编制患者治疗计划，规划高强度聚焦超声治疗装置的治疗参数，包括焦点起始位置、路径规划、功率设置，回数等参数，并将结果发送给治疗计划模块。
4、治疗计划模块根据治疗医生编制的治疗计划指令，将配准后的融合3D影像，按5mm*5mm*5mm一个体积元对病灶治疗区域进行划分，对划分好的体积元进行位置编码，形成编好顺序的体积元阵列。其中包括按时间轴划分病灶治疗单元、确定治疗路径、环阵聚焦换能器（1）焦点运动轨迹、位姿、发射超声波的功率、节奏、回数、介质水温度等具体指令参数，然后根据已知患者及病灶数据进行辐照虚拟仿真，并对病灶辐照过程包括热量投放总剂量、耗时、NPV、能效因子等做治疗前估算。仿真结果在医生确认后，由中央控制台按治疗计划驱动高强度聚焦超声手术机器人完成手术治疗过程。治疗过程中，高强度聚焦超声手术机器人按治疗计划划分的治疗单元进行治疗，每治疗单元结束后，B超图像采集装置（2）要进行一次扫描，然后将扫描结果发送给云端治疗计划模块进行计划矫正确认，待确认完，继续执行下一个治疗单元，全部治疗结束后，治疗计划模块将实际治疗结果与治疗计划进行全面比对，根据超声声阻抗参数、弹性成像参数、超声造影参数、能效因子、机载超声/MR/CT/PET等做出治疗效果影像学评价。
Claims (22)
1.一种基于5G的云端一体化高强度聚焦超声远程手术机器人治疗***装置及方法。
2.其特征在于：本发明利用5G大带宽、低时延、高可靠、SA网络切片及MEC边缘云的能力，结合云计算技术，采用云边端一体化架构，将控制端迁移上云成为中央控制平台，通过5G网络代替传统线缆与治疗端（高强度聚焦超声手术机器人）实现通讯连接，从而实现控制端与治疗端、医生和患者的空间分离。
3.医生可在任何地方，用云桌面访问云端中央控制平台，通过5G网络，控制线下高强度聚焦超声手术机器人，开展与传统高强度聚焦超声手术无差别的远程手术。
4.中央控制平台（控制端）包括图像处理模块、治疗计划模块、云桌面模块、视频语音交互模块。
5.高强度聚焦超声手术机器人（治疗端）包括磁导航装置（5）、5G网络通讯模块、B超图像采集装置（2）、治疗床（4）、内嵌超声探头的环阵聚焦换能器（1）、高强度聚焦超声换能器功率驱动装置（6）、7轴协作机器人装置（3）、水处理装置（7）、视频语音采集装置。
6.所述中央控制平台（控制端）是部署在云端的云服务器，其计算、存储等能力可弹性无限扩容，中央控制平台可同时与线下多台高强度聚焦超声手术机器人（治疗端）的各装置之间采用5G通讯进行信息交互。
7.所述图像处理模块是将患者术前机载超声定位/MR/CT/PET等图像进行3D重建处理，确定病灶与周围结构组织及磁性标记物的毗邻关系及具体坐标数值，然后进行多模态图像配准，最终形成融合图像。
8.所述治疗计划模块是根据配准后的融合3D影像及坐标参数，按5mm*5mm*5mm一个体积元对病灶治疗区域进行划分，对划分好的体积元进行位置编码，形成编好顺序的体积元阵列。
9.其中包括按时间轴划分病灶治疗单元、确定治疗路径、换能器焦点运动轨迹、换能器位姿、发射超声波的功率、节奏、回数、介质水温度等。
10.治疗计划制定完成后根据经验参数进行病灶辐照虚拟仿真，并对病灶辐照过程包括热量投放总剂量、耗时、NPV、能效因子等做治疗前精确估算，在医生确认后，中央控制台按治疗计划驱动高强度聚焦超声手术机器人完成手术治疗过程。
11.治疗中及治疗后，根据超声声阻抗参数、弹性成像参数、超声造影参数、能效因子、机载超声/MR/CT/PET等图像做出治疗效果影像学评价。
12.所述云桌面模块是将高强度聚焦超声手术机器人主机所包含的CPU、内存、硬盘等组件全部在云端的服务器中虚拟出来，每台线下高强度聚焦超声手术机器人对应一个虚拟主机。
13.医生在瘦客户机及平板等智能终端上安装客户端后通过5G网络访问云端服务器上的虚拟机主机来实现交互式操作。
14.所述视频语音交互模块就是对通过5G网络上传到中央控制平台的经过编码的数字信号进行解码处理并显示，数字信号包括在医疗手术过程中治疗室全景视频、远程医生与患者、远程医生与治疗端医生、护士沟通视频、心电监护画面进行全方位数据采集的多组图像采集设备、语音设备等。
15.磁导航装置（5）安装于治疗床（4）床面，与B超图像采集装置（2）、治疗床（4）、内嵌超声探头的环阵聚焦换能器（1）、高强度聚焦超声换能器功率驱动装置（6）、7轴机械臂装置（3）位于同一坐标系，通过传感器获取各装置及患者磁性标记物的空间位置信息，并实时传输给云端控制平台治疗计划模块。
16.所述B超图像采集装置（2）为无线超声探头，包括探头部分、控制模块、发射模块、接收模块、回波信号处理回路、5G通信模组等，通过5G模组与云端的控制端建立通讯连接。
17.所述治疗床（4）为中部嵌入磁导航装置（5）的移动治疗床，治疗床（4）为可升降、四轮可锁定，患者采取仰卧位平躺于治疗床（4）之上接受治疗。
18.所述内嵌超声探头的环阵聚焦换能器（1）是安装于7轴协作机器人装置（3）前端，采取中空设计，B超图像采集装置（2）嵌于其中的单阵元或多阵元换能器。
19.所述高强度聚焦超声换能器功率驱动装置（6）是驱动环阵聚焦换能器（1）发射高强度聚焦超声，环阵聚焦换能器（1）的焦点遍历治疗计划中所有指定位点。
20.所述7轴协作机器人装置（3）安装在治疗床（4）侧，B超图像采集装置（2）和换能器（1）位于7轴协作机器人装置（3）前端，其控制柜（8）位于治疗床（4）下方，控制柜（8）5G模组通过5G网络与云端中央控制台建立通信连接。
21.所述水处理装置（7）是位于治疗床（4）下方，为治疗水囊提供可控温脱气水。
22.所述视频语音采集装置为多组高清视频采集摄像头及全向麦克风。
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