一种具有磁共振定位功能的探头系统、定位方法及存储介质与流程

1.本发明涉及一种mri-phifu系统，具体涉及一种具有磁共振定位功能的探头系统、定位方法及存储介质。


背景技术：

2.近10年来，磁共振引导的相控型高强度聚焦超声(mri-phifu)技术在颅内肿瘤、帕金森、特发性震颤、癫痫、子宫肌瘤、子宫腺肌症、乳腺纤维腺瘤、骨肿瘤、甲状腺肿瘤、前列腺肿瘤的治疗和缓解疼痛方面展示出了极大的应用前景。该技术主要利用超声的热效应发挥作用，因此其对人体没有辐射伤害，又被称为“绿色手术”。
3.超声在人体内的穿透性和通过球面相控阵的聚焦性能可以在介质的传导下将能量直接穿过人体组织输送到目标靶点，无需创口，因此是真正意义上的无创治疗。加上近年来磁共振影像学的快速发展以及相控阵超声可灵活关闭和开启任意阵元的优势，为临床上的手术治疗提供了精确的定位，同时也让该技术在肿瘤消融、辅助打开血脑屏障、辅助诱发光敏反应等多个医学应用方面展示出了良好的发展势头。
4.然而mri-phifu技术在不断发展的过程中，问题也不断产生。其一，hifu系统在磁共振的位置需要进行配准，从而确定hifu系统相对于磁共振的位置，根据资料显示，目前临床上里并没有一套精准的配准方法。其二，目前市面上存在的带有线束的相控阵探头大多安装困难，不牢固，超声换能盘基座与超声换能盘组件之间容易松动产生位移，容易导致探头故障，严重影响整体系统的稳定性。
5.因此，mri-phifu领域的现有技术中，存在定位不准，运算复杂，响应速度慢，相控阵探头安装困难，不牢固的问题，需要开发新系统以克服。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种具有磁共振定位功能的探头系统、定位方法及存储介质，以解决现有技术中mri-phifu领域存在的定位不准、运算复杂、响应速度慢，及相控阵探头安装困难、不牢固的问题。
7.本发明的目的通过以下技术方案实现：
8.本发明第一方面公开了一种具有磁共振定位功能的探头系统，包括基座、超声换能装置、磁共振定位支架；
9.所述超声换能装置装配于基座中；
10.所述磁共振定位支架连接于基座外侧壁；所述磁共振定位支架包括连接板、若干对平行于连接板设置的横向柱以及若干对垂直于连接板设置的纵向柱，所述纵向柱连接横向柱与连接板。
11.磁共振定位支架采用交错设置的横向柱与纵向柱，具有明确的相交点，且磁共振定位支架中形成的直线和平面在坐标系转换过程中更容易计算且结果更准确，进而能够确保计算得到的转换矩阵以及坐标转换结果的准确性以及便利性。
12.优选地，所述超声换能装置与所述基座之间通过至少1个限位机构连接。通过限位机构的设置避免超声换能装置在使用过程中发生平动或旋转，保障超声换能装置稳定跟随基座运动，进而保证方向的准确性。
13.优选地，所述限位机构包括：第一定位单元，连接所述第一定位单元的第二定位单元，所述第一定位单元设置于超声换能装置上，所述第二定位单元设置于所述基座上。分布于超声换能装置与基座上的第一定位单元与第二定位单元的联合配合使用，控制超声换能装置稳定装配于基座上。
14.进一步优选地，所述第一定位单元为定位柱，沿超声换能装置周向间隔设置，所述第二定位单元为定位槽，沿基座周向间隔设置。定位柱与定位槽自身结构简单，且两者相互配合后不会占用额外的装置体积，因而采用定位柱与定位槽的配合可在满足限位要求下减少对原结构的改变。
15.优选地，所述探头系统还包括连接于基座外侧壁上的连接支架。连接支架用于与外部结构和/或装置进行装配，使该探头系统具有更广泛的拓展性。
16.进一步优选地，所述连接支架对称于基座设置一对。该对连接支架用于与mri-phifu系统中其他部件实现连接，主要用于与机械手进行配合使用。
17.优选地，所述连接支架通过无磁性的第一固定件连接于基座外侧壁。无磁性的第一固定件不会影响磁共振的进行，同时采取可拆卸的连接方式使得在实际使用时可根据配合不同的连接部件选择对应的连接支架。
18.优选地，所述连接板通过无磁性的第二固定件连接于基座外侧壁；和/或
19.所述基座上还设有出线口，所述出线口贯通基座的侧壁。出线口用于将压电换能器连接的线束统一引出。连接板的存在为横向柱与纵向柱的设置提供参照基础，并且使磁共振定位支架避免受到基座的形状、尺寸等参数的影响。
20.进一步优选地，所述出线口对称于基座设置一对。对称的出线口设置使连接线束能够分流引出，单个用于引出线束的开孔的直径较小，可减小探头系统的整体厚度和尺寸；且线束由靠近的一侧引出，减少线束之间相互缠绕的可能，同时避免线束长度不足的可能。
21.现有技术中mri-phifu系统在有线缆的相控阵换能盘上无法设置出线口、导致安装不牢固，基座与超声换能盘装置之间容易松动产生位移，进而导致探头故障的问题。通过在基座上设计双边出线，大大减缓了线缆张力对机械结构的运动阻碍，实现了和phifu系统其他机械组件之间的牢固连接，大大提高了设备的稳定性，进而保证了mri-phifu系统在进行治疗过程中的可靠性，也进一步保证了计算与实际情况的精准匹配。
22.本发明第二方面公开了一种磁共振定位方法，包括：
23.通过磁共振获取如上任一项所述探头系统至少两个扫描角度的磁共振图像；
24.从所述磁共振图像中获取磁共振定位支架的定位投影点；
25.通过所述定位投影点的位置信息获取纵向柱所在的直线和横向柱所在的定位平面；
26.根据所述直线与所述定位平面的相交信息，获取相交点在磁共振中的位置信息；
27.根据所述相交点在磁共振坐标系中的位置信息和其在乳腺机械手坐标系中的位置信息，计算获取转换矩阵。
28.通过磁共振对磁共振定位支架进行扫描，可获取该磁共振定位支架在磁共振坐标
系中的坐标；由于磁共振定位支架正常使用时本身连接于机械臂上，因而磁共振定位支架在机械臂坐标系中的坐标属于已知信息；通过多个对应点位在两个不同坐标系中的坐标可计算得出两个坐标系的转换矩阵，进而可计算得出探头系统中各点在磁共振坐标系中的坐标，完成精准定位。由于该探头系统的磁共振定位支架具有明确的交点，因而通过磁共振可以方便获取指定坐标，便于简化计算。
29.该探头系统通过连接支架安装于乳腺机械手上，因而此处所述的乳腺机械手坐标系实际与超声坐标系一致。
30.优选地，包括：
31.所述定位投影点，包括横向柱在磁共振扫描的矢状面上形成对应的横向投影点以及纵向柱在磁共振扫描的横断面上形成对应的纵向投影点；和/或
32.所述纵向柱所在的直线，通过至少两张横断面的位置信息计算得出；和/或
33.所述横向柱所在的定位平面，通过至少两张的矢状面的位置信息计算得出；和/或
34.所述相交点，通过计算直线与定位平面的相交位置信息得出；和/或
35.所述转换矩阵，通过基于相交点于磁共振坐标系中的位置信息以及于乳腺机械手坐标系中的位置信息计算得出；
36.根据所述转换矩阵，将磁共振图像中的位置信息转换到多阵元相控高强度聚焦超声系统中。通过计算较为简单的直线和平面及对应的相交点，即可根据其计算获得坐标系之间的转换矩阵，相比于现有技术的球体选点及计算更方便，精度也较高。
37.优选地，
38.在磁共振中任意不共面的4个点的坐标为：
[0039][0040]
磁共振中任意不共面的4个点在乳腺机械手中的坐标为：
[0041][0042]
根据磁共振坐标和乳腺机械手坐标，获取转换矩阵：
[0043][0044]
根据磁共振坐标和转换矩阵，获取多阵元相控高强度聚焦超声系统中对应点的坐标为：
[0045][0046]
如上示出了一种简便的换算方法，通过任意不共面的四点可获取对应的转换矩阵，该四点在两个坐标系中的坐标均可方便得到。
[0047]
本发明第三方面公开了一种计算机存储介质，计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述磁共振定位方法。
[0048]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0049]
现有技术中mri-phifu系统探头坐标系和磁共振坐标系转换矩阵存在不准确、定位误差大的问题。该发明通过磁共振定位支架的设计，利用磁共振带进行2个层面的扫描，可快速获得磁共振定位支架在平面上的投影点，进而获得磁共振和探头之间的相对位置关系。直线方程与定位平面的计算相较而言更为简便、精确，因而由此进行计算更为快捷，得到的转换矩阵更为精准，适用性更强。
附图说明
[0050]
图1为探头系统的结构示意图；
[0051]
图2为超声换能装置与基座的结构示意图；
[0052]
图3为连接支架与基座的结构示意图；
[0053]
图4为去除连接支架后基座的结构示意图；
[0054]
图5为磁共振定位支架与基座的结构示意图；
[0055]
图6为探头系统的俯视结构示意图；
[0056]
图7为探头系统定位时矢状面的示意图；
[0057]
图8为探头系统定位时横断面的示意图；
[0058]
图9为探头系统定位时定位平面的示意图；
[0059]
图中：001-基座；002-超声换能装置；003-连接支架；004-磁共振定位支架；005-第一定位单元；006-第二定位单元；007-连接支架通孔；008-连接支架螺纹孔；009-第一固定件；010-定位支架螺纹孔；011-出线口；012-定位支架通孔；013-第二固定件；014-矢状面；015-横向投影点；016-横向柱；017-横断面；018-纵向投影点；019-纵向柱；020-第一定位平面；021-第二定位平面。
具体实施方式
[0060]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0061]
现有技术中mri-phifu系统探头坐标系和磁共振坐标系转换矩阵存在不准确、定位误差大的问题。该发明通过磁共振定位支架的设计，利用磁共振带进行2个层面的扫描，可快速获得磁共振定位支架在平面上的投影点，进而获得磁共振和探头之间的相对位置关系。
[0062]
实施例1
[0063]
一种具有磁共振定位功能的探头系统，如图1～9所示，包括基座001、超声换能装置002、磁共振定位支架004；超声换能装置002装配于基座001中；磁共振定位支架004连接于基座001外侧壁；磁共振定位支架004包括连接板、若干对平行于连接板设置的横向柱016以及若干对垂直于连接板设置的纵向柱019，纵向柱019连接横向柱016与连接板。
[0064]
磁共振定位支架004包括连接板、若干对平行于连接板设置的横向柱016以及若干对垂直于连接板设置的纵向柱019，纵向柱019连接横向柱016与连接板，具有更加立体的完整结构，相对于采用球形定位标记物：通过圆定位算法确定各球形定位标记物对应的圆的
圆心及边缘点，拟合出球形定位标记物对应的球心作为定位标记点；具有计算方式简单，拟合更加容易的特点。
[0065]
更具体地，本实施例中：
[0066]
该探头系统整体包括基座001、超声换能装置002、连接支架003和磁共振定位支架004，如图1～6所示。超声换能装置002装配于基座001中，连接支架003以及磁共振定位支架004分别装配于基座001的外侧壁上。
[0067]
超声换能装置002为球面结构，如图1和图2所示，其上开设有若干安装压电换能器的安装孔；超声换能装置002于背面(外凸一面)沿周向间隔设置若干第一定位单元005，与之配合的，于基座001内侧沿周向间隔设置若干第二定位单元006，通过第一定位单元005和第二定位单元006的配合连接可使超声换能装置002限位于基座001中。本超声换能装置002可采用超声换能盘，第一定位单元005为定位柱，第二定位单元006为定位槽，定位柱插入定位槽后完成超声换能装置002与基座001的限位。更具体地，超声换能盘采用球面结构，其上分布有若干用于安装压电换能器的安装孔；特别地，本实施例采用可拆卸形式的安装孔，如采用螺纹形式进行连接，以方便对单个压电换能器的更换，可以避免传统的粘接固定方式下存在更换困难，以及当多个压电换能器出现损坏时只能报废处理的情况，提高使用效益。
[0068]
连接支架003用于与mri-phifu系统的其他结构/部件形成连接，如图3、4所示，对称于基座001的设置于基座001两侧，其为可拆卸式结构，通过无磁性的第一固定件009连接于基座001外侧壁。更具体地，在基座001的侧边成型有一块外凸的平面，用于安装连接支架003，在该平面上开设有多个连接支架螺纹孔008；连接支架003对应于连接支架螺纹孔008的位置开设连接支架通孔007，通过无磁性的支架固定螺丝(第一固定件009)穿过连接支架通孔007并与连接支架螺纹孔008螺接固定使连接支架003装配于基座001的外侧壁上。该连接支架003用于与mri-phifu系统的其他结构相连，因而连接支架003采取可拆卸更换的形式，方便适配于不同的连接需求。
[0069]
磁共振定位支架004用于辅助探头系统在磁共振坐标系与乳腺机械手坐标系(超声坐标系)之间的定位转换，如图5所示，其连接于基座001的外侧壁上，通过无磁性的第二固定件013完成装配。更具体地，定位支架由连接板、横向柱016和纵向柱019共同构成，在基座001上成型有与连接板尺寸相匹配的一对凸起，凸起上对称设置定位支架通孔012，连接板的侧边对应于定位支架通孔012的开有定位支架螺纹孔010，通过无磁性的定位支架螺丝(第二固定件013)穿过定位支架通孔012并与定位支架螺纹孔010螺接固定使定位支架牢固装配于基座001的外侧壁上。该定位支架采取衍架结构，由四根横向柱016以及六根纵向柱019形成，横向柱016平行于连接板设置，纵向柱019垂直于连接板设置，且纵向柱019连接横向柱016与连接板，构成一长方体。
[0070]
该探头系统为进一步提高装配稳定性，还设置了用于集中引出线束的出线口011，如图6所示，采用双边出线的结构容许装配于超声换能装置002上的压电换能器连接的大量线束由特定的位置引出，减缓线束张力对探头系统的移动产生的运动阻碍，并保障超声换能装置002在基座001中的牢固安装。该双边出线的出线口011结构同样采取对称结构，其设置于磁共振定位支架004的两侧，出线口011贯通基座001的侧壁且开口朝外设置，使线束引出后可继续延伸至外侧而不影响探头系统以及mri-phifu系统的结构及运动。
[0071]
该探头系统在装配至mri-phifu系统上后，定位支架在乳腺机械手坐标系(超声坐
标系)中的位置信息即可获得，属于已知信息；为获取磁共振坐标系与超声坐标系之间的转换矩阵，需要测定定位支架在磁共振坐标系中的位置信息。具体对于本探头系统，请结合图7～9，通过磁共振扫描可获取矢状面014及横断面017，四根横向柱016在矢状面014上对应形成四个横向投影点015，六根纵向柱019在横断面017上对应形成六个纵向投影点018。因而，通过扫描不同位置的两张横断面017可以求出六根纵向柱019所在的六条直线在磁共振坐标系中各自的方程，通过扫描不同位置的两张矢状面014可以求出四根横向柱016所在的两张定位平面(第一定位平面020和第二定位平面021)的位置信息。上述的六条直线会与两张定位平面相交形成十二个相交点，并可根据前述获取的直线方程与定位平面的位置信息计算求出该十二个相交点的坐标信息。结合定位支架(上述十二个相交点)在热机械手坐标系的坐标信息已知，可计算得出磁共振坐标系与超声坐标系(乳腺机械手坐标系)之间的转换矩阵。直线方程与定位平面的计算相较而言更为简便、精确，因而由此进行计算更为快捷，得到的转换矩阵更为精准，适用性更强。
[0072]
更具体地，选取十二个相交点中任意不同面的四个点，其在磁共振坐标系中的坐标如下式(1)，其在乳腺机械手坐标系中的坐标如下式(2)：
[0073][0074][0075]
由此可获得转换矩阵为式(3)：
[0076][0077]
进而，磁共振坐标系和乳腺机械手坐标系之间的转化关系为式(4)：
[0078][0079]
综上所述，本设计中通过磁共振定位支架004并利用磁共振进行多角度、多层面扫描，进而获取磁共振定位支架004在扫描平面上的投影点及相交点在磁共振坐标系中的位置信息，基于该相交点在乳腺机械手坐标系中的位置信息已知，可计算求得两个坐标系之间的转化关系；相较于其他形状，例如球体标记物，降低了拟合难度，具有计算方式简单，拟合更加容易的特点。
[0080]
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有磁共振定位功能的探头系统，其特征在于，包括基座(001)、超声换能装置(002)、磁共振定位支架(004)；所述超声换能装置(002)装配于基座(001)中；所述磁共振定位支架(004)连接于基座(001)外侧壁；所述磁共振定位支架(004)包括连接板、若干对平行于连接板设置的横向柱(016)以及若干对垂直于连接板设置的纵向柱(019)，所述纵向柱(019)连接横向柱(016)与连接板。2.根据权利要求1所述一种具有磁共振定位功能的探头系统，其特征在于，所述超声换能装置(002)与所述基座(001)之间通过至少1个限位机构连接。3.根据权利要求2所述一种具有磁共振定位功能的探头系统，其特征在于，所述限位机构包括：第一定位单元(005)，连接所述第一定位单元(005)的第二定位单元(006)，所述第一定位单元(005)设置于超声换能装置(002)上，所述第二定位单元(006)设置于所述基座(001)上。4.根据权利要求1所述一种具有磁共振定位功能的探头系统，其特征在于，所述探头系统还包括连接于基座(001)外侧壁上的连接支架(003)。5.根据权利要求4所述一种具有磁共振定位功能的探头系统，其特征在于，所述连接支架(003)通过无磁性的第一固定件(009)连接于基座(001)外侧壁。6.根据权利要求1所述一种具有磁共振定位功能的探头系统，其特征在于，所述连接板通过无磁性的第二固定件(013)连接于基座(001)外侧壁；和/或所述基座(001)上还设有出线口(011)，所述出线口(011)贯通基座(001)的侧壁。7.一种所述磁共振定位方法，其特征在于，包括：通过磁共振获取权利要求1～6任一项所述探头系统至少两个扫描角度的磁共振图像；从所述磁共振图像中获取磁共振定位支架(004)的定位投影点；通过所述定位投影点的位置信息获取纵向柱(019)所在的直线和横向柱(016)所在的定位平面；根据所述直线与所述定位平面的相交信息，获取相交点在磁共振中的位置信息；根据所述相交点在磁共振坐标系中的位置信息和其在乳腺机械手坐标系中的位置信息，计算获取转换矩阵。8.根据权利要求7所述一种磁共振定位方法，其特征在于，包括：所述定位投影点，包括横向柱(016)在磁共振扫描的矢状面(014)上形成对应的横向投影点(015)以及纵向柱(019)在磁共振扫描的横断面(017)上形成对应的纵向投影点(018)；和/或所述纵向柱(019)所在的直线，通过至少两张横断面(017)的位置信息计算得出；和/或所述横向柱(016)所在的定位平面，通过至少两张的矢状面(014)的位置信息计算得出；和/或所述相交点，通过计算直线与定位平面的相交位置信息得出；和/或所述转换矩阵，通过基于相交点于磁共振坐标系中的位置信息以及于乳腺机械手坐标系中的位置信息计算得出；根据所述转换矩阵，将磁共振图像中的位置信息转换到多阵元相控高强度聚焦超声系统中。
9.根据权利要求8所述一种磁共振定位方法，其特征在于，在磁共振中任意不共面的4个点的坐标为：磁共振中任意不共面的4个点在乳腺机械手中的坐标为：根据磁共振坐标和乳腺机械手坐标，获取转换矩阵：根据磁共振坐标和转换矩阵，获取多阵元相控高强度聚焦超声系统中对应点的坐标为：ξrobotp(x,y,z)＝ξmrip(x,y,z)
·
t。10.一种计算机存储介质，其特征在于，计算机程序被处理器执行时实现权利要求7～9任一项所述磁共振定位方法。

技术总结
本发明涉及一种MRI-PHIFU系统，具体涉及一种具有磁共振定位功能的探头系统、定位方法及存储介质，包括基座、超声换能装置、磁共振定位支架；所述超声换能装置装配于基座中；所述磁共振定位支架连接于基座外侧壁；所述磁共振定位支架包括连接板、若干对平行于连接板设置的横向柱以及若干对垂直于连接板设置的纵向柱，所述纵向柱连接横向柱与连接板。与现有技术相比，本发明解决现有技术中MRI-PHIFU领域存在的定位不准、运算复杂、响应速度慢，及相控阵探头安装困难、不牢固的问题。不牢固的问题。不牢固的问题。


技术研发人员：刘德鹏 刘志 崔磊 王健 吴昊 魏博 杨博 吴楠 卢华鑫 温家宝
受保护的技术使用者：南通沈德医疗器械科技有限公司 沈德（宁波）医疗器械科技有限公司
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/8/24