CN101364453A

CN101364453A - 电动多叶光栅校零复位及解决叶片死锁的方法

Info

Publication number: CN101364453A
Application number: CNA200710049690XA
Authority: CN
Inventors: 徐红兵; 邹见效; 郑宏; 张健; 谢华; 郑刚
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2009-02-11

Abstract

本方法应用于解决调强放射治疗出现的叶片死锁故障和校零限位，现有技术只能拆机退出死锁和校零。本发明采用对射式光电检测实现叶片的校零与限位；采用多级切换使叶片退出死锁状态。采用软件控制使系统恢复正常工作。对射式光电检测是在多叶光栅的两端分别布置一窄长红外线束。红外线接收端将叶片尾端位于红外线的边沿处的设置设为零点，限制叶片位置。同时将每一叶片的零点位置编码并与电机的编码器编码相对应。多级切换是通过电控元件控制带编码器的微电机实现，系统控制部分根据电机编码器返回的叶片位置检测是否发生死锁。若是，向电机驱动部分发出控制信号，令其逐级增大控制电压，使驱动芯片的驱动力逐渐增大，从而使叶片退出死锁状态。

Description

电动多叶光栅校零复位及解决叶片死锁的方法

所属技术领域

本发明属医疗器械的放射治疗领域，提供一种用于调强放射治疗的电动多叶光栅叶片的校零复位及其运动时发生死锁的解决方法。

背景技术

放射治疗是利用电离辐射来治疗肿瘤的一种方法。随着放射治疗技术的发展，调强放射治疗(IMRT)由于能够提高放疗的治疗增益比，被越来越广泛地应用于临床治疗，治疗增益比的提高能够最大限度的将放射剂量集中到病变(靶区内)，杀灭肿瘤细胞，且使周围正常组织和器官少受或免受不必要的照射，有效提高了肿瘤的局部控制率，减少了正常组织的并发症，改善了患者治疗后的生存质量，因此调强放疗技术，尤其是通过电动多叶光栅(DMLC)来实施的调强放疗技术已成为21世纪放射治疗技术的主流。

DMLC具备了传统放射器械的全部优点：能够实现三维适形放疗，动态调强治疗；能实现多角度放射，对不规则的病灶，有更好的适形度；可以通过常规分割、超分割、加速超分割，以及低速分割等治疗方式来完成目前一般的常规放疗机所不能完成的任务。但是由于人体呼吸引起肿瘤在治疗时运动，DMLC所带来的好处就大打折扣了，因此对肿瘤运动的管理成了采用DMLC进行放射治疗的瓶颈问题。

目前，最活跃的管理呼吸引起的运动的方法是4D CT，它能够优化出平均的肿瘤位置，肿瘤的运动范围以及它与周围其它器官位置关系的变化。基于DMLC的4D IMRT是：首先将4D CT优化出的各个点在不同相位的形状传入DMLC，建立查找表；在投放时，利用神经网络对呼吸信号进行预测后传入DMLC，DMLC根据先前建立的查找表，实时控制叶片位置，完成投放。该技术能够根据肿瘤关键组织的位置、组织的不均匀性、射野数目等因数，针对所有时刻，同时优化每个射野在各个不同时刻的强度分布，实施跟踪治疗，从而达到对肿瘤的最优治疗。

开发基于DMLC的4D IMRT以及其它通过DMLC来实施的调强放疗技术，DMLC将起到关键性作用，但现有的DMLC仍具有很多不完善的地方，在实际应用中，可能会因为定位精度不够而影响电动DMLC的适形度，治疗不能达到最优效果。而相对叶片在运动过程中如果出现死锁，则需要拆机恢复等人工处理，使用非常不便。

发明内容

本发明的目的是提供叶片校零与限位的方法，提高叶片的定位精度，使治疗计划(4D投放)可以顺利进行；同时提供自动解决电动多叶光栅相对叶片在运行过程中发生死锁的方法，提高了电动多叶光栅的自动化程度与治疗肿瘤的效率，为医院的使用带来方便。本发明的目的是这样实现的：

采用对射式光电检测的方法实现叶片的校零与限位；采用多级切换的方法使叶片退出死锁。

所述对射式光电检测是在多叶光栅的两端分别布置一窄长红外线束。每次多叶光栅复位时，叶片将自动向红外线处运动，当叶片尾端退至红外线处，红外线接收端将此信号传至系统控制部分，系统控制部分此时对叶片位置进行微调，令叶片尾端位于红外线的边沿处，并设置此时的位置作为零点，同时将每一叶片的零点位置进行位置编码并与电机的编码器编码相对应。

所述多级切换是通过电控元件的控制来实现的。系统控制部分根据电机编码器返回的叶片位置信号判断叶片是否到达指定位置，当检测到叶片发生死锁，向电机驱动部分发出控制信号，令其按照预先设定的基数逐级增大控制电压，使驱动芯片的驱动力逐渐增大，从而使叶片退出死锁状态。

电控元件包括监控机、系统控制部分、信息管理和控制部分、信息通道和功能扩展部分、电机驱动和控制部分、编码器。

所述多级切换使叶片退出死锁的流程是：系统控制部分根据电机编码器返回的叶片位置信号判断叶片是否到达指定位置，如果是，则继续执行命令，否则执行分级切换命令，电机驱动部分按照预先设置的电压增大基数逐级增大电机驱动电压，并循环检查电机的电压与电流值是否小于电机所能忍受的最大值，如果是则继续逐级增加驱动电压，否则退出多级切换，并报错。

叶片复位过程中如果发生死锁，采用多级切换使叶片复位的流程是：在系统控制部分发出复位命令后，它会将叶片位置信息与光电检测相结合，以此来判断叶片是否正确复位，若是，等待执行命令，若不是，开始执行分级切换命令，并循环检查叶片是否正确复位。

本发明的优点是：

1安全性，采用了多级切换的方法来逐级增大电机的驱动力，在电机容忍最大电压、电流范围内直至叶片退出死锁状态，从而对电机的损害达到最小。

2、采用了对射式光电检测技术来实现叶片校零与限位，提高了叶片定位精度，放射治疗计划得到进一步保证，治疗效果更为理想。

3、叶片发生死锁时通过软件控制便可恢复系统正常工作，提升了多叶光栅的自动化程度与治疗效率，给医院使用多叶光栅带来方便。

4、通过光电检测与多级切换技术的结合，实现了叶片等中心平面定位精度达到0.3mm及叶片等中心平面最大速度达到29.8mm/s等技术指标。

附图说明

图1是本电动多叶光栅的结构示意图，图中1-1、1-2是红外线束，2是叶片，3是丝杆，4是带编码器的微电机，5是底盘。

图2是调强治疗系统的控制示意图。

图3是叶片自动退出死锁的流程图。

图4是叶片复位的流程图。

具体实施方式

参见附图1。

电动多叶光栅由钨合金叶片，微电机，传动丝杆，电控元件和底盘构成。在多叶光栅的两端分别布置一窄长红外线束，红外线定位具有抗干扰性能强，稳定性好，定位测量数据更精确等特点，非常适合用于医疗系统。每次多叶光栅复位时，叶片将自动向红外线处运动，当叶片尾端退至红外线处，红外线接收端将此信号传至系统控制部分，系统控制部分此时对叶片位置进行微调，令叶片尾端位于红外线的边沿处，并设置此时的位置作为零点，以此作为叶片校零与限位的依据。采用光电检测实现校零、限位与传统的机械碰撞方法相比具有更高的灵敏度与精确度，并可减小对叶片的损伤。

]钨合金叶片是构成多叶光栅的基础单元，它是一厚度为1.5mm-3.5mm，密度为18g/cm3的钨合金矩形片，在任意两叶片间有台阶或沟糟，可避免漏射线。传动丝杆用以驱动钨合金叶片往复运动。底盘支撑和固定电动多叶光栅内部器件，并与加速器治疗头连接。

参见图2。

微电机接至电控元件，电控元件是电动多叶光栅的核心，控制、驱动微电机的运动；输入输出数据，与治疗计划计算机保持数据通讯，实施有效治疗。包括监控机、系统控制部分、信息管理和控制部分、信息通道和功能扩展部分、电机驱动和控制部分。

1、监控机：

主要作用：准确读取计划系统给出的叶片位置文件，自动转换为实际叶片运动的位置，稳定的与核心控制部分进行通讯，响应手动命令调节叶片位置。

2.系统控制部分：

主要作用：与监控机通讯，接收叶片位置信号；根据接收到的治疗计划数据，来控制叶片的位置和速度；通过叶片的控制信号，对电机进行驱动，使之控制叶片形成所要的肿瘤形状；对信息通道和功能扩展部分返回的叶片位置数据和速度数据进行处理。

3.信息管理和控制部分

主要作用：控制监控机和系统控制部分的通信时序，使两者之间有效地进行数据传输；实时的把回传的叶片数据进行储存，并使系统控制部分实现掉电存取功能；实现监控机和系统控制部分以及系统控制部分和下层电机的信息交换；实时回传叶片的位置数据，将其送至监控机；实现对外部电路信号，驱动板上的控制信号等的传输和处理。

4.信息通道和功能扩展部分

主要作用：接收叶片的数据，叶片起动和方向信号；扩充电路的I/O通道；接收电机编码器返回的叶片位置编码信号、方向信号，接收红外线信号，并将以上信号返回至系统控制部分；对叶片运动进行测速，将数据返回至系统控制部分；

5.电机驱动部分

主要作用：根据系统控制部分的电机控制信号，以PWM方式产生电机驱动电压。

6.编码器

根据系统控制部分发送给电机驱动和控制部分的控制信号，对叶片位置进行编码，并将电机编码器产生的反馈信号回传至系统控制部分。

电控元件保证多级切换的完成：电控元件的系统控制部分根据接收到的治疗计划数据，来控制叶片的位置和速度，根据叶片启动信号、方向信号与电机编码器产生的叶片位置编码判断是否发生死锁。若发生死锁，则向电机驱动部分发出分级切换的命令，电机驱动部分按照预先设置的基数逐级增大电机驱动力矩，同时检查电机的电压与电流值是否小于电机所能忍受的最大值。同时，若叶片在复位过程中发生死锁，将发出复位命令。退出死锁程序流程参见图3，在叶片复位过程中发生死锁，复位的程序流程参见图4。

Claims

1.一种电动多叶光栅校零复位及解决叶片死锁的方法，其特征在于：采用对射式光电检测的方法实现叶片的校零与限位；采用多级切换的方法使叶片退出死锁状态；

所述对射式光电检测是在多叶光栅的两端分别布置一窄长红外线束，每次多叶光栅复位时，叶片将自动向红外线处运动，当叶片尾端退至红外线处，红外线接收端将此信号传至系统控制部分，系统控制部分此时对叶片位置进行微调，令叶片尾端位于红外线的边沿处，并设置此时的位置作为零点，同时将每一叶片的零点位置进行位置编码并与电机的编码器编码相对应；

所述多级切换是通过电控元件的控制来实现的，系统控制部分根据电机编码器返回的叶片位置信号判断叶片是否到达指定位置，当检测到叶片发生死锁，向电机驱动部分发出控制信号，令其按照预先设定的基数逐级增大控制电压，使驱动芯片的驱动力逐渐增大，从而使叶片退出死锁状态。

2.如权利要求1所述的光栅校零复位及解决叶片死锁的方法，其特征在于：所述实现多级切换的电控元件包括监控机、系统控制部分、信息管理和控制部分、信息通道和功能扩展部分、电机驱动和控制几部分。

3.如权利要求1或2所述的光栅校零复位及解决叶片死锁的方法，其特征在于：

多级切换使叶片退出死锁的流程是：检测叶片是否到达指定位置，如果是，则继续执行命令，否则执行分级切换命令，电机驱动部分按照预先设置的基数逐级增大电机驱动电压，并循环检查电机的电压与电流值是否小于电机所能忍受的最大值，如果是，则继续逐级增加驱动电压，否则退出多级切换，并报错。

4.如权利要求1或2所述的光栅校零复位及解决叶片死锁的方法，其特征在于：叶片复位过程中如果发生死锁，采用多级切换使叶片复位的流程是：在系统控制部分发出复位命令后，检测、判断叶片是否正确复位，若是，等待执行命令，若不是，开始执行分级切换命令，并循环检查叶片是否正确复位。