MRI引導的相控型HIFU系統框架設計與軟件開發

馬銳鋒，沈國峰，喬杉，魏博，陳晟，陳亞珠

1 上海交通大學生物醫學工程學院生物醫學儀器研究所，上海市，200030

2 上海交通大學Med-X研究院，上海市，200030

0 引言

相控型高強度聚焦超聲（Phased High Intensity Focused Ultrasound,P-HIFU）采用電子聚焦方式，將低聲強的聲束在靶區聚焦，使焦域溫度在很短時間（0.1～10）s達到65oC以上，使靶區組織發生凝固性壞死，具有焦點定位準確，移動快速等優點，是治療腫瘤的熱門技術之一[1-2]。

由于HIFU治療的腫瘤位于體內，不能直接觀察，因此精確的影像定位對聚焦超聲治療具有重要意義。此外，HIFU治療腫瘤采用熱消融方式，精確的溫度控制同樣重要。MRI在空間分辨率和溫度對比度方面的優勢使其成為引導HIFU進行治療的首選工具[3-4]。

1 MRI引導P-HIFU治療流程和信息交互

MRI在引導P-HIFU治療過程中，核心作用是對靶區圖像的采集和治療區域溫度的監控。術前，MRI掃描靶區并將獲取的圖像發送給P-HIFU，P-HIFU根據圖像制定治療路徑規劃；術中，P-HIFU將當前治療點的位置信息告知MRI，MRI獲取實時的靶區影像信息和治療點溫度信息，反饋給P-HIFU，用于完成治療過程的PID控制；術后，MRI再次掃描靶區，在P-HIFU中完成靶區影像的三維重建，對治療效果進行評估。

圖1 MRI引導P-HIFU治療流程Fig.1 Work flow of MRI guided P-HIFU therapy

MRI引導P-HIFU治療流程如圖1所示（縱軸為時間軸）。該流程中，兩套系統之間需要不斷地進行信息交互，才能實現MRI對P-HIFU治療過程的引導。它們間的信息交互內容如圖2所示。信息交互通過在軟件上開發通信模塊，采用網絡傳輸實現。

圖2 MRI與P-HIFU信息交互Fig.2 Information transfer between MRI and P-HIFU

2 MRI-PHIFU系統整體框架

通過分析MRI引導P-HIFU的治療流程，結合MRI和P-HIFU的硬件架構，考慮到系統的安全性、穩定性和準確性，MRI引導的P-HIFU系統在結構上分為圖像處理機，P-HIFU工控機和系統主控機三個部分。每一部分都由單獨的電腦來控制，并需要開發配套的軟件完成其功能，見圖3所示。軟件之間還需要進行一些信息交互，因此通過在每個軟件上設置通信模塊來實現這個功能，也就是說又將這三部分合為一體，共同完成MRI引導的P-HIFU治療。

2.1 圖像處理機

圖像處理機負責處理與圖像相關的內容，包括完成治療計劃的制定，二維縮略圖和三維重建圖像的顯示，P-HIFU探頭定位，繪制溫度曲線等。此外，與MRI交互的工作也由圖像處理機來完成。由于圖像處理需要占用大量的系統資源，對電腦硬件配置的要求較高，為了不影響系統的穩定性，也為了方便操作人員，將此部分功能分離出來，單獨開發軟件。

2.2 P-HIFU工控機

P-HIFU工控機直接對P-HIFU進行控制。它根據接收到的治療焦點隊列計算對應的相位，并向下位機發送幅值信息和相位信息。P-HIFU工控機需要完成的功能比較簡單，但穩定性要求高。由于是直接控制P-HIFU，安全、穩定是重中之重，即使其他控制端出現問題，該部分依然能按照以前制定好的計劃完成治療或者在必要時中斷治療。所以在軟件開發上，除了實現控制下位機的相關功能外，還需做一些安全檢查和突發情況的控制。

圖3 系統整體框架Fig.3 Framework of the whole system

2.3 系統主控機

系統主控機控制系統的整體運行和治療流程。系統主控機根據MRI發送的病人信息，給每個病人建立存檔，用于記錄治療過程；根據治療計劃的制定情況，決定是否開始治療；設置治療參數，比如治療時間、間隔時間、治療模式和治療方向等需在開始治療前在主控機上完成。系統主控機還根據靶區的溫度信息，對治療過程進行PID控制，結束治療后需要通知MRI做術后檢查評估。

3 軟件設計與開發

按照系統框架的設計，圖像處理機、P-HIFU工控機和系統主控機三部分都需要獨立的軟件支持完成各自的功能，軟件通信模塊將這三部分組合為一個整體的系統，實現數據交互。軟件開發語言使用C++，集成開發環境為Visual Studio 2005，并根據不同軟件的需求，引入了一些第三方庫。

3.1 圖像處理軟件設計與開發

圖4 圖像處理機軟件功能結構圖Fig.4 Structure of image processing module software

圖像處理機軟件主要完成三個功能：圖像顯示、圖像操作和MRI與系統主控機交互。圖像處理軟件功能模塊設計框圖如圖4所示。

圖像顯示部分包括二維顯示和三維顯示。二維顯示是將一組MRI圖像以縮略圖的形式展示，方便用戶查看與選擇所要操作的圖像，此外，還需繪制溫度曲線。三維顯示需要重建靶區圖像并顯示。

圖像顯示采用VTK實現。VTK（Visualization Toolkit）是一款開源免費的第三方庫，用于三維計算機圖形學、圖像處理和可視化等，可以很方便的實現圖像的二維顯示和三維重建。還可以加入交互功能，比如通過鼠標拖動來改變圖像的窗寬、窗位，或者鼠標滾輪的滾動來做放大和縮小的圖像處理等。VTK還提供了一些常見的重建算法，如光線投射法。圖像顯示模塊實現的效果如圖5所示。

圖5 圖像處理機軟件的圖像顯示功能Fig.5 Image show of image processing module software

圖像操作部分包括P-HIFU探頭在MRI中的定位。定位是依賴于MRI掃描探頭的圖像，根據探頭上的定位標記點計算定位信息。圖像操作部分的另一個重要功能是治療路徑規劃。選取MRI掃描的靶區圖像，采用圖形學中常用的掃描線種子區域填充算法和Bresenham直線生成算法計算治療的焦點，再根據定位信息，計算實際物理坐標。

圖像處理機與系統主控機的交互，通過通信模塊實現，內容包括接收主控機同步信息、當前治療點信息和治療控制指令、發送探頭定位信息、治療計劃和MRI返回的溫度信息等。圖像處理機與MRI的交互內容，包括接收MRI掃描探頭和靶區的圖像，監控區域的溫度信息，發送給MRI同步信息，當前治療點的信息和監控需求信息。

3.2 P-HIFU控制軟件設計

圖6 P-HIFU工控機軟件功能結構圖Fig.6 Structure of P-HIFU control software

P-HIFU工控機軟件功能模塊如圖6所示。此軟件功能模塊需要完成與系統控制機交互、幅值控制、治療控制和安全控制四個功能。工控機軟件接收系統發送的治療焦點序列、治療時間參數以及治療起停的指令，返回對下位機的監控信息和當前的治療信息。幅值控制是通過串口通信實現。治療控制需要根據接收到的焦點序列計算相應的相位信息，并根據治療序列調整治療點的加熱順序，在治療開始時將相位信息發往P-HIFU。相位計算采用偽逆矩陣算法[5]，在Matlab中實現，然后將Matlab程序編譯為動態鏈接庫，供P-HIFU控制機軟件調用。

P-HIFU工控機直接與P-HIFU交互，安全性和穩定性相當重要，所以通過安全控制模塊，檢測P-HIFU工控機的運行狀況、功放的工作狀態、主控機軟件的連接以及軟件本身運行的狀況等。

3.3 系統主控軟件

系統主控軟件結構功能如圖7所示，主要完成治療控制、治療過程記錄以及圖像處理軟件與P-HIFU控制軟件交互三種功能。

治療控制部分將圖像機軟件上制定的治療計劃發送到P-HIFU控制軟件，根據溫度信息對治療過程進行PID控制；同時提供治療時間、治療模式等參數的設置和治療起停的控制。

治療記錄是系統主控軟件的一個重要功能，可記錄病人信息、治療計劃、設置的治療參數以及在治療過程中的操作等，以供術后的評估和手術過程的再現。

圖7 系統主控軟件功能結構圖Fig.7 Structure of main-control software

系統主控軟件不斷地與圖像控制軟件和P-HIFU控制軟件交互。P-HIFU控制軟件將當前正在治療的焦點坐標發送給系統主控機，由主控軟件直接發送給圖像處理軟件，并在主控軟件上記錄。P-HIFU控制軟件發送功放輸出值給主控機軟件，記錄和判斷功放是否工作正常。圖像處理軟件將監控區域的溫度信息發送給主控軟件，判斷是否調整治療點。主控軟件將同時給P-HIFU控制軟件和圖像處理軟件發送開始或者停止等治療控制指令以及同步信息。

4 實驗及結論

為了驗證軟件設計和開發的可行性，進行了試驗。試驗采用112路陣元的換能器，每路換能器激勵頻率為1.36 MHz，控制電壓為10 V。選離體的豬里脊肉作為試驗材料。首先在系統控制機軟件上手動加入試驗的焦點坐標值，設定治療路徑為直徑2.5 cm的圓，如圖8(a)所示，治療平面為焦平面，治療模式為單焦點加熱，每個點加熱1 s時間。將治療參數發送給P-HIFU工控機軟件，進行治療后，結果如圖8(b)所示。

圖8 離體實驗及實驗結果Fig.8 Experiment and result

從試驗結果可以看出，采用這個架構的設計，可以完成對P-HIFU的控制，實現適形加熱。

MRI引導P-HIFU技術是治療超聲發展的趨勢。本文將MRI廠商提供的接口與自主研制的P-HIFU治療系統進行融合，設計了系統的軟件框架并開發了相應的軟件。通過實際的系統部署、軟件測試和離體試驗驗證，證明該軟件能很好的滿足MRI引導P-HIFU系統適形治療的需求。

[1] Ji X,Shen GF,Bai JF,et al.Multi-element ultrasound phased array applicator for the ablation of deep-seated tissue[J].J Shanghai Jiaotong Univ (Science),2011,16(1):55-60.

[2] Ma Y,Symonds-Tayler R,Rivens IH,et al.A new clinical HIFU system (Teleson II)[C].Proc AIP,2007,911:87-91.

[3] 沈潔,申俊玲,鄒建中.核磁共振監控高強度聚焦超聲治療的研究進展[J].臨床超聲醫學雜志,2007,9(8):486-488.

[4] Hynynen,K.MRI-guided focused ultrasound treatment[J].Ultrasonics,2010,50(2):221-229.

[5] 張勝發,沈國峰,吉翔,等.相控型HIFU系統軟件的開發與應用[J].中國醫療器械雜志,2010,34(4):255-257.