CN101802931A - 具有旋转机电电机的多叶准直器和操作方法 - Google Patents

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Abstract

多叶准直器包括导向架(1)，该导向架具有以可移位方式布置的多个金属板(3)，借助于此每个单独金属板可借助电机(M)被移位，电机(M)是具有机电致动器的旋转机电电机(M)，该旋转机电电机根据形状配合原理操作。

Description

具有旋转机电电机的多叶准直器和操作方法
技术领域
本发明涉及多叶准直器(MLC)/多板准直器，该准直器是用于放射治疗的大型设备中的功能限定的元件。
背景技术
由X射线源(例如线性加速器)产生的高能量辐射，如伽马射线、X射线或光子辐射，被可调膜片系统(该系统一般由钨板组成)屏蔽，形成射束截面，即所谓的“射束成形”，使得目标区域，例如肿瘤，被暴露至最大量的辐射，而周围的健康组织被暴露至最小量的辐射。为获得到目标区域的射束截面的最佳可能调整，多叶准直器由多个，例如几百个，可调的薄单独板组成。放射治疗设备中的辐射路径由产生并发射高能量辐射的高能量辐射源组成，例如线性加速器。第一个简单的用电可调XY膜片系统限制了辐射路径，使得辐射路径中的邻近多叶准直器完全受到辐照。多叶准直器随后建立射束截面，使得精确预定区域被辐射。
放射治疗中的最优问题在于最小化健康组织遭受的辐射剂量，至少维持该辐射剂量在有害阈值以下，同时将癌组织暴露给显著有害的辐射剂量。放射治疗的方法从而非常不同，并历经不断发展。这里值得提及的示例是：
-适形放射治疗(CRT)，
-调强放射治疗(IMRT)，
-图像引导放射治疗(IGRT)
门控治疗，
-高精度放射治疗和放射外科(SRT/SRS)，
-未来先进的适应性治疗，例如剂量引导放射治疗(DGRT)，当它们变得可用时。
本文的目标是增加选择性，扩展应用带宽，如辐射移动目标区域，如增加操作可靠性，如增加/延长保养间隔并缩短疗程，例如通过“滑动窗口”。特别是，后面的方法不仅降低了健康组织的辐射暴露，而且还影响了大型设备的工作流程和效率。由此导致多叶准直器的以下要求轮廓：
-钨板的高定位精度(以前类型0.1mm)，
-钨板的高移动速度(以前类型18mm/s)，
-钨板的高加速度(以前类型38mm/s2)，
-高操作可靠性/维护间隔(寿命周期成本)。
带前侧行星齿轮的DC电机当前被用作多叶驱动器，该驱动器具有例如1：275的减速比和在最大0.44rps处的0.84Nm扭矩，所述DC电机被布置在40型电机的组中，并驱动斜齿螺旋小齿轮之上的钨膜。每个膜存在两个线性电位器，以便控制并监测位置。在等量点中定位精度达0.5mm，其对应于0.25mm板的控制精度。
现有技术包括使用所谓的“步进扫描”策略从不同空间方向辐射癌组织。该系统因此因为每个新的调整而暂停。以这种方法，空间方向被移位，多叶准直器被设定以产生最佳射束截面，并根据事先确定的辐射剂量辐射，下一个位置被移位且多叶准直器被再次设定等等。由于个体辐照的增加的设定时间，导致了极长的疗程。
目的是使用旋转架/框和具有“滑动窗口”的动态可变多叶准直器连续辐射。对于下一代设备，瞄准大于20mm/s的更高调整速度，同时改善板的定位精度大于0.10mm。使用当前驱动技术，这些要求不受限制，或仅被限制到最低程度，并且能够成本很高地显示。
使用电机移位金属板所涉及的问题在于转子的高惯性力矩、高转子速度和因此高旋转能量，从而导致低动态特征。因为这个原因，金属板的制动或移动方向反转与相对大的延迟时间相关联。为了将高转子速度从10000rpm类型降低至60rpm的典型输出速度，电机还需要多级齿轮。由于不可避免的齿轮箱间隙，事实上还当附加传感器被用于定位探测目的时，输出的定位精度受到限制。
发明内容
因此，本发明的目标是要描述一种多叶准直器，该准直器具有如本领域所知的实质增加的定位精度。
这个目标借助独立权利要求的各个特征的组合实现。有利的实施方式由从属权利要求显现。
根据图2的形状配合操作的机电旋转电机M具有较低的惯性力矩和较少的存储旋转能量。
图2所示的机电电机体现为压电电机M是有利的，因此可能实现移动中非常快的改变，例如停止、加速、反转移动方向。
作为齿轮不存在和形状配合的动力传输的结果，借助于驱动环与电机轴6之间的微齿，这种电机获得非常高的定位精度，而为此无需线性传感器。
通过根据图2的电机，在每个实例中，正弦和余弦电压被施加给至少两个压电致动器7、8，该两个致动器布置成彼此成直角并根据纵向效应操作，以产生波旋转。电机轴6的精确位置是正弦和余弦驱动电压的绝对相位的函数。从而该位置通过非常小的电子支出可被极为精确地控制，并在在任何时间既可静态地也可动态地被精确地移位。
附图说明
下面参考示意附图说明示例性的实施方式，其中：
图1显示了多叶准直器的导向架1，导向架1具有接受金属板3的多个导向槽2，
图2示意性地显示了作为真实模型的一种形状配合操作的压电旋转电机M，
图3显示了齿，还有螺旋齿，
图4显示了多叶准直器的完成设计，该准直器由导向架1，多个导向结构2和金属板3以及电机M组成，
图5显示了多叶准直器的完整设计，该准直器由图4所示两个构造的镜面反转装置组成，
图6显示了控制计算机，该计算机通过信息路径10控制。
具体实施方式
图1显示了多叶准直器的导向架1，该导向架具有多个接收金属板3的导向槽2。金属板的特征是位于沿移动方向定位的导向表面上的齿4，电驱动器可接合到齿4中，以便移位导向架中的金属板。
根据图2的形状配合操作的压电旋转电机M具有低惯性力矩和很小的存储旋转能量。因此，图2中所示的压电电机M能够进行移动中非常快的变化，例如停止、加速、反转移动方向。
作为齿轮不存在和借助于驱动环5与电机轴6之间的微齿的形状配合动力传输的结果，这种电机获得非常高的定位精度，而为此无需线性传感器。
通过根据图2的电机，在每个实例中，正弦和余弦电压被施加给至少两个压电致动器7、8，该两个致动器布置成彼此成直角并根据纵向效应操作，以产生轴旋转。驱动环5在这里以环形方式被移动，电机轴6以形状配合方式沿驱动环5内表面滚动。
电机轴6的精确位置是正弦和余弦驱动电压的绝对相位的函数。因此，该位置通过非常小的电子支出可被极为精确地控制，并在任何时间既可静态地也可动态地被精确地移位。
将电机轴旋转6转换为金属板3的线性移动由固定至电机轴的带齿的轮9执行，所述带齿的轮接合进入金属板的线性齿，见图3。为了最优化可用空间，相应的齿也可是螺旋齿，例如如图3至图5所示。
图4显示了多叶准直器的完成设计，这种类型准直器由导向架1、多个导向结构2、金属板3以及压电电机M组成，在每个实例中压电电机驱动金属板3。压电电机3，如图4所示，被直接固定至导向架1，以便接收反作用力。但是它们也可被固定至承载架，并作为完整子系统被预组装，该子系统随后就其部分来说连接至多叶准直器的导向架或外壳。
图5显示了多叶准直器的完整设计，该准直器由图4所示两个构造的镜面反转装置组成。在直径A×B的窗口中，图5所示的多叶准直器通过根据金属板宽度的横向分辨率和根据金属板定位精度的纵向分辨率能使射束截面成形。
形状配合压电电机的高绝对精度致使复杂控制过程是多余的，作为结果控制问题被减少至纯电机控制。
在图6中附图标记13图示了控制计算机，根据治疗计划，所述计算机通过信息路径10接收目标区域的数据，并通过信息路径12接收辐射源的延迟角度。计算机13使用此数据计算单独金属板的最佳位置，以便调整射束轮廓。每个金属板(从而每个压电电机M)的目标值以数字或模拟形式通过数据总线，从计算机13被发送至电机控制器14。每个电机控制器14使用目标值计算相应压电电机M的必要模拟控制信号。该模拟电机控制信号从电机控制器14被传送至线驱动器15，该驱动器提供了驱动压电电机M所需的控制动力。该模拟电机控制信号借助多条长度L的线被传送至多叶准直器中的压电电机M。由于没有调节回路且电机控制信号显示了高功率，在压电致动器、特别是高电压振幅的情况下，压电电机M与控制电子器件13、14、15之间的连接线可被设计成比较长。电子器件系统因此可被定位距离辐射源很大的距离，从而显著提高服务寿命、可靠性和保养间隔。
一种多叶准直器可被设置在每个金属板3上，以便使用机械地联接的至少一个电线性传感器(例如线性电位计)监测位置。

Claims (12)

1.一种多叶准直器，包括具有多个金属板(3)的导向架(1)，所述金属板以可移位的方式布置，借助于此使用电机(M)每个单独金属板可被移位，其特征在于：电机(M)是具有机电致动器的旋转机电电机(M)，其根据形状配合原理操作。
2.如权利要求1所述的多叶准直器，其特征在于：压电致动器选自由压电致动器、电致伸缩致动器或磁致伸缩致动器组成的机电致动器组。
3.如权利要求2所述的多叶准直器，其特征在于：压电电机(M)由至少两个机电压电致动器(7，8)、内部带齿驱动环(5)和外部带齿轴(6)组成，所述内部带齿驱动环可被机电致动器的冲程激发至循环位移移动，所述外部带齿轴可附接至驱动环(6)，使得轴(6)可借助于驱动环(5)的位移移动被旋转。
4.如权利要求2至3之一所述的多叶准直器，其特征在于：多个压电致动器、驱动环和轴被布置在电机外壳中。
5.如权利要求2至4之一所述的多叶准直器，其特征在于：压电电机的轴和金属板包括相互啮合的齿系统(4)，使得轴(6)的旋转可被转换成金属板(3)的线性移动。
6.如权利要求1至5之一所述的多叶准直器，其特征在于：金属板(3)的定位可用电控制。
7.如权利要求1至6之一所述的多叶准直器，其特征在于：每个金属板(3)被机械地联接至至少一个电线性传感器，用于位置监测目的。
8.如权利要求7之一所述的多叶准直器，其特征在于：通过被用作控制信号的每个金属板的所述至少一个电线性传感器的信号，金属板的定位用电控制。
9.如权利要求2至8之一所述的多叶准直器，其特征在于：控制电子系统远离压电发动机，使得它被布置在辐射剂量低于压电电机辐射剂量的区域中。
10.操作如权利要求1至9之一所述的多叶准直器的一种方法，其特征在于：压电电机的压电致动器的充电信号用于功能监测目的。
11.操作如权利要求1至9之一所述的多叶准直器的所述方法，其特征在于：金属板可被单独移动，以及根据单独移动轮廓被同时移动。
12.操作如权利要求1至9之一所述的多叶准直器的所述方法，其特征在于：压电致动器(7，8)被布置成彼此成直角，并根据纵向效应操作，并在每个实例中使用正弦/余弦电压控制。
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