高强度聚焦超声设备中计算机分析与控制系统的研制

摘要

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)是近年来发展较快的肿瘤无创治疗技术.它利用超声波良好的组织穿透性、方向性及聚焦性能,将超声波聚焦于靶区组织,使靶区组织温度在短时间内上升到65℃以上,最终导致组织凝固性坏死,从而达到肿瘤治疗的目的.但是这种治疗方式对正常组织及靶区周围组织不损伤或损伤很小.高强度聚焦超声治疗系统是一个集自动控制、机械、医学图像处理、计算机技术和生物医学效应等多种技术为一体的综合系统.它包括计算机分析与控制系统、HIFU发生系统、功率放大器及功率转换系统、机械运动系统、水处理系统等部分.本文根据用户实际需求,分析了现有HIFU系统的特点及不足,并以此为基础完成了计算机分析与控制系统总体方案设计.计算机分析与控制系统是HIFU的核心部分,其图像处理以及软件设计是关键.在图像处理方面,作者提出了双阈值图像分割算法,并且结合改进的snake算法,实现了图像边缘的半自动识别.然后设计了PLC端控制程序以及PC端用户程序,并且基于MODBUS协议完成了PC和PLC间的通信设计,实现了肿瘤图像的实时显示,肿瘤边缘的识别,肿瘤图像的三维重建,运动机构的实时控制.最后对系统进行了功能测试,并且分析了系统的性能.本文改进了原有超声图像处理的算法,并开发了相应的软件,使HIFU系统精确度得到了较大的提升,为HIFU系统的进一步完善作出了贡献.

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及本论文使用授权说明

第1章绪论

§1.1引言

§1.2高强度聚焦超声技术的发展背景与现状

§1.3高强度聚焦超声治疗的基本原理与机理

§1.4高强度聚焦超声治疗的关键技术

§1.5课题的提出及内容安排

第2章高强度聚焦超声系统设计

§2.1高强度聚焦超声系统的总体架构

2.1.1计算机分析与控制系统

2.1.2 HIFU发生系统

2.1.3功率放大器及功率转换系统

2.1.4机械运动系统

2.1.5水处理系统

§2.2软硬件环境

2.2.1硬件环境

2.2.2软件环境

第3章计算机中央控制子系统关键技术

§3.1计算机中央控制子系统

§3.2图像边缘提取

3.2.1手动识别轮廓的原理

§3.3半自动识别

3.3.1计算机图像分割方法简介

3.3.2图像分割的流程

3.3.3初始轮廓形成

§3.4动态轮廓模型

3.4.1经典snake模型

3.4.2改进的Snake模型

§3.5图像三维处理

§3.6数值转换

第4章PLC控制子系统关键技术

§4.1 PLC控制子系统

§4.2 PLC可编程逻辑控制器简介

4.2.1 PLC内部结构

4.2.2 PLC工作原理

4.2.3 PLC编程环境

§4.3 PLC用户程序设计

§4.4 PC-PLC通信设计

4.4.1 MODBUS协议

4.4.2 PC-PLC通信指令的设计

第5章软件设计

§5.1计算机图像处理系统的实现

5.1.1图像实时显示的实现

5.1.2图像边缘识别的实现

5.1.3图像三维重建的实现

§5.2 PC端串口通信的实现

第6章结果与讨论

§6.1实验环境

§6.2系统功能测试

§6.3性能讨论

§6.4结论与展望

参考文献

作者攻读学位期间公开发表的学术论文

致谢