癌症治疗前沿丨机器人辅助HIFU系统

来源：中国工程院院刊

1.

HIFU

高强度聚焦超声（high-intensity focused ultrasound，HIFU）是一种很有前景的治疗癌症的方法，它是非介入式超声治疗技术，可以将精确聚焦的超声波束作用于身体内的某一小部分，HIFU波束中的能量可以导致靶组织的热坏死。

最有利的是，该技术可以选择性地破坏深层恶性组织，而对波束路径上的表面组织及其周围的组织几乎没有损伤。

为充分利用HIFU的非介入性，研究者将HIFU技术融入现代图像引导的机器人辅助手术系统模式中。

2.

机器人辅助HIFU系统

通常图像引导机器人辅助系统包括三个主要部分：医学成像系统、机器人治疗系统和医疗导航系统。成像系统与治疗系统分别扩展了外科医生眼睛和手的功能，导航系统与手眼系统的坐标系相关联。因此，导航系统在精准的外科治疗中至关重要。

传统的超声诊断系统仅提供目标区域的二维图像。为了给HIFU治疗方案创建精确的三维图像集，利用机器人系统来收集一系列二维超声图像，并从堆栈中重建出三维超声图像。为此，研究者提出了基于超声引导的机器人辅助HIFU系统，这是一种精确、低成本的乳腺癌治疗解决方案，最终的目标是促进HIFU治疗，并且提高患者的生活质量。

HIFU系统主要由三个部分组成：一是具有控制器单元的HIFU换能器，为治疗提供所需要的能量；二是超声成像系统，为导航系统提供必要的诊断信息；三是定制的五自由度并联机器人系统，可操纵HIFU换能器和改进的超声成像换能器。

两个转换器可以固定安装在机器人系统的末端执行器上。改进的成像换能器的高程焦距为60mm，比普通商用换能器可以获得更好的深度图像分辨率。五自由度机器人系统精准操纵HIFU换能器和成像换能器，进行诊断扫描和治疗定位。

☝  硬件系统组件及其连接关系

PC1为HIFU换能器驱动器配置焦点数据，通过通用串行总线—通用异步接收器/发送器电缆来发送命令。

PC2协调整个HIFU系统，通过通用串行总线—模拟输入输出单元设置HIFU换能器的输出电平，并且利用具有数字视频接口—串口总线接口的视频采集器接收来自超声成像系统的二维超声图像。

PC2还通过局域网电缆与机器人控制器通信，来设置和跟踪机器人的姿态。

机器人控制器使用USB转RS232C电缆连接到控制旋转角度的电机，其他4个电机通过USB—控制器LAN电缆连接到机器人控制器。

3.

HIFU系统治疗步骤

在超声引导的前提下，成功的HIFU治疗需要多个处理步骤：

根据机器人的扫描结果重建三维超声图像，为了将每个体素（三维空间中定义一个点的图像信息的基本单位）与相对于机器人工作空间的位置信息相关联，将机器人的姿态信息与二维图像一并收集；

外科医生检测和分割出目标区域（即肿瘤/恶性组织）；

根据分割结果来确定HIFU治疗点的分布，并计算出机器人到每个治疗点的工作路径；

将路径信息和其他设置发送给机器人，机器人执行处理。

☝  导航系统软件框图

<<请旋转手机查看>>

为了实现高效准确的HIFU治疗，导航系统应该引导患者完成治疗流程，从图像采集到执行治疗。为了获得超声图像空间和机器人工作空间之间的正确空间关系，还需要手眼标定。

在系统评估实验中，拟治疗区域的中心偏离HIFU-消融区域的中心的距离小于2mm，在临床治疗应用中，外科医生通常允许10mm的安全裕度来保证完全治疗。从这个角度来看，目前的超调值远低于允许值，考虑到外科医生设置了治疗超调的界限，这种准确性被认为足以完成治疗，并且该系统是足够准确的。

在今后的工作中，可通过增加治疗方案的灵活性来改进系统，并在三维空间中评估治疗的准确性，还应考虑组织不均匀性引起的非均匀声速的影响。

☟ 改编原文

Tianhan Tang,Takashi Azuma,Toshihide Iwahashi,Hideki Takeuchi,Etsuko Kobayashi,Ichiro Sakuma.A High-Precision US-Guided Robot-Assisted HIFU Treatment System for Breast Cancer[J].Engineering,2018,4(5):702-713.