CN104225807A - 一种立体定向放疗设备及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种立体定向放疗设备及其实现方法，通过八个电机实现电气控制，从而克服了现有伽玛射线立体定向放射治疗装置结构复杂、调试难度大的弱点，同时还具有装置简单、成本较低、实用性强、精度高、调试维护简单、治疗过程传递剂量小等优点，是对放射外科学治疗领域的一个重大贡献，必将为控制肿瘤、减少副作用、提高患者生活质量做出巨大贡献。

Description

一种立体定向放疗设备及其实现方法

技术领域

本发明涉及大型医疗设备技术领域，尤其涉及一种立体定向放疗设备及其实现方法。  

背景技术

自1895年伦琴发现X线和1898年居里夫妇发现镭并用于治疗恶性肿瘤以来，肿瘤的放射治疗（放疗）已经走过了一个多世纪。在这100多年的历史中，随着科学的进步，肿瘤放射治疗进步非常迅速，并已日趋成熟。放射治疗已经成为目前治疗肿瘤的三大主要手段（手术、放疗、化疗）之一， 对挽救患者生命、提高患者的生活质量具有非常重大的意义。据世界卫生组织（WHO）20世纪90年代的统计数字：45％的恶性肿瘤可以治愈，其中22％为手术治愈，18％为放射治疗治愈，5％为药物和其他方法治愈。目前70％左右的肿瘤病人在病程的不同阶段需要接受放射治疗。由此可见放疗在肿瘤治疗中地位之重要。 

在现有放疗设备中，伽玛射线立体定向放射治疗设备（The Leksell Gamma Knife 也称，伽玛刀）凭借其高精度、高疗效、低损伤的优势，已经成为肿瘤放射治疗的主要工具。其采用能产生伽玛射线的钴-60作为放射源，利用射线的几何聚焦原理，在精确立体定位的情况下，将经过规划的大剂量伽玛线集中照射于体内预选靶点（病灶），即可在短时间内将病变组织摧毁，而在焦点以外的正常组织则因只收到瞬间照射而基本不受损伤，从而达到安全治疗的目的。 

伽玛射线立体定向放射治疗设备一般由四部分组成：一是主机（即机械系统），其包括：三维床、机架、准直装置等；二是立体定位系统；三是电气控制系统；四是治疗计划系统（硬件平台和治疗计划软件及网络）。其中，主机是伽玛射线立体定向放射治疗设备的基础，决定其治疗精度。从目前来看，现有的伽玛射线立体定向放射治疗设备都不同程度存在结构复杂、安装调试、维护难度大等缺陷。 

因此，现有技术还有待于改进和发展。 

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种立体定向放疗设备的伺服控制系统及实现方法，旨在解决现有伽玛射线立体定向放射治疗设备存在的结构复杂、安装调试、维护难度大等问题。 

本发明的技术方案如下： 

一种立体定向放疗设备，包括机身，所述机身上设置有三维床、源体、准直体、头盔、前门和后门；其中，所述立体定向放疗设备由8个电机驱动控制；所述8个电机分别为：

用于控制三维床运动的X轴电机、Y轴电机和Z轴电机；

分别用于控制源体、准直体和头盔进行伺服运动的源体电机、准直体电机和头盔电机；

前门电机和后门电机。

优选地，所述立体定向放疗设备，其中，所述后门电机设置在头盔上，用于带动头盔沿水平方向作直线运动实现后门的开启和关闭。 

优选地，所述立体定向放疗设备，其中，所述伺服运动中，以源体电机作为主动轴，准直体电机作为从动轴。 

优选地，所述立体定向放疗设备，其中，所述伺服运动中，以源体电机作为主动轴，准直体电机和头盔电机同时作为从动轴。 

优选地，所述立体定向放疗设备，其中，所述准直体包括适合三种体部治疗所需辐射量的准直体准直器；头盔包括适合四种头部治疗所需辐射量的头盔准直器。 

一种所述立体定向放疗设备的实现方法，其中，包括步骤： 

S1、前门电机控制前门开启，同时，X轴电机、Y轴电机和Z轴电机控制三维床至目标位置；

S2、定位完成后，读取治疗计划，准直体旋转实现开源，头盔旋转选择头部准直器；

S3、以源体电机作为主动轴，准直体电机为从动轴，进行跟随主动轴的运动，用于保证准直体相对源体的静止运动，以达到准直放射源射线的均匀、恒定的分布，来控制稳定的照射剂量和照射时间；

或以源体电机作为主动轴，准直体的伺服电机和头盔电机同时作为从动轴，进行跟随主动轴的运动，用于保证头盔和准直体相对源体的静止运动，以达到准直放射源射线的均匀、恒定的分布，来控制稳定的照射剂量和照射时间；

S4、治疗时间到后，关闭同步，源体电机、准直体电机和头盔电机分别控制源体、准直体和头盔各自回原位。

优选地，所述的实现方法，其中，所述步骤S3中以源体电机作为主动轴，准直体电机作为从动轴时；数字控制系统模块的位置控制单元向源体伺服运动控制回路和准直体伺服运动控制回路同时发出位置伺服运动指令，源体伺服运动控制回路和准直体伺服运动控制回路的位置反馈装置发出的反馈信号除了送回各自的伺服驱动器比较外，还送入数字控制系统模块内部的数字比较器进行差值比较，所述差值送入准直体伺服运动控制回路的输入端，与数字控制系统模块的位置控制单元发来的位置伺服指令进行比较，两个位置反馈装置的反馈信号差值即源体电机和准直体电机的同步误差，当差值为零时，表明两个轴的位置完全同步。 

优选地，所述的实现方法，其中，所述步骤S3中以源体电机作为主动轴，准直体的伺服电机和头盔电机同时作为从动轴时；数字控制系统模块的位置控制单元同时向源体伺服运动控制回路、准直体伺服运动控制回路和头盔伺服运动控制回路发出位置伺服运动指令；源体伺服运动控制回路、准直体伺服运动控制回路和头盔伺服运动控制回路的位置反馈装置的反馈信号除了送回各自的伺服驱动器比较外，还送入数字控制系统模块内部的数字比较器进行差值两两比较，将两从动轴差值分别送入对应的从动轴伺服控制回路的输入端，与数字控制系统模块位置的控制单元发来的位置伺服指令各自分别进行比较，两两位置反馈装置的反馈信号差值就是主动轴分别与两从动轴的同步误差，当两两差值为分别零时，表明两两从动轴与主轴的位置完全同步。 

优选地，所述的实现方法，其中，所述步骤S1中还包括：当进行头部治疗时，设置在头盔上的后门电机带动头盔沿水平方向作直线运动实现后门的开启。 

优选地，所述的实现方法，其中，还包括步骤S5： Z轴电机控制三维床从屏蔽体内沿着Z轴方向退出。 

有益效果：本发明的立体定向放疗设备及其实现方法，通过八个电机实现电气控制，从而克服了现有伽玛射线立体定向放射治疗装置结构复杂、调试难度大的弱点，同时还具有装置简单、成本较低、实用性强、精度高、调试维护简单、治疗过程传递剂量小等优点，是对放射外科学治疗领域的一个重大贡献，必将为控制肿瘤、减少副作用、提高患者生活质量做出巨大贡献。 

附图说明

图1为本发明的立体定向放疗设备的实施例的机械结构的示意图。 

图2a、图2b和图2c分别为本发明的立体定向放疗设备的实施例的不同角度的示意图。 

图3为本发明的立体定向放疗设备的实现方法的流程图。 

图4a为本发明的立体定向放疗设备的实施例的头部治疗的示意图。 

图4b为本发明的立体定向放疗设备的实施例的体部治疗的示意图。 

具体实施方式

本发明提供一种立体定向放疗设备及其实现方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

请参阅图1，其为本发明的立体定向放疗设备的较佳实施例的示意图。如图所示，所述立体定向放疗设备包括：源体4、准直体6和头盔1；其中，源体4、准直体6和头盔1同轴设置；且以源体4作为主动轴，绕同一轴线做旋转运动（图中示出：准直体轴承2、源体轴承3和头盔轴承7），并在运动过程中保持相对静止，屏蔽体5在治疗时处于屏蔽状态。 

本发明的伽玛射线全身立体定向放射治疗系统的构成主要分为机械部分和电气部分。机械部分主要采用套筒式结构，传动上采用同轴轴承，通过伺服电机分别驱动，其装配简单、稳定性好，运动部件不容易变形。电气部分通过自主开发的人机界面作为显示和控制的终端，利用人机界面实现设备的各种运动控制功能。其中，机械部分包括屏蔽体5、源体4、准直体6、头盔1、屏蔽门和三维治疗床。电气部分包括上位控制机、电柜（运动控制器）、源体、准直体、头盔及其相应的伺服电机与伺服驱动器等构成。 

其中，伽玛射线全身立体定向放射治疗系统的准直系统分三段，即源体准直通道，简称源体，主要作用是发射射线与预准直射线；开关体准直通道，简称准直体，主要作用是准直射线，也是体部治疗准直器；头盔准直通道，简称头盔，其主要作用是头部治疗时进一步准直射线。准直体准直器有3组，以适合3种体部治疗所需辐射量，头盔准直器有4组，以适合4种头部治疗所需辐射量。无论头部治疗还是体部治疗，通过准直器变换，可改变治疗中所选择的辐射野，形成适合病灶性质和形状的剂量及剂量分布。 

本发明的伽玛射线全身立体定向放射治疗系统的关键之处在于，通过8个电机驱动控制；请一并参阅图2a、图2b和图2c，所述8个电机分别为： 

用于控制三维床运动的X轴电机100、Y轴电机200和Z轴电机300；分别用于控制源体、准直体和头盔进行伺服运动的源体电机400、准直体电机500和头盔电机600；以及前门电机700和后门电机800。

具体来说，所述后门电机设置在头盔上，用于带动头盔沿水平方向作直线运动实现后门的开启和关闭。 

另外，在本发明的立体定向放疗设备中，所述伺服运动包括两种：（1）以源体电机作为主动轴，准直体电机作为从动轴；（2）以源体电机作为主动轴，准直体电机和头盔电机同时作为从动轴。 

下面分别通过双伺服运动控制和三伺服运动控制来说明本发明的立体定向放疗设备的伺服控制系统。 

（1）双伺服运动控制 

当实现双伺服运动时，以源体电机作为主动轴，准直体电机作为从动轴时；数字控制系统模块的位置控制单元向源体伺服运动控制回路和准直体伺服运动控制回路同时发出位置伺服运动指令，源体伺服运动控制回路和准直体伺服运动控制回路的位置反馈装置发出的反馈信号除了送回各自的伺服驱动器比较外，还送入数字控制系统模块内部的数字比较器进行差值比较，所述差值送入准直体伺服运动控制回路的输入端，与数字控制系统模块的位置控制单元发来的位置伺服指令进行比较，两个位置反馈装置的反馈信号差值即源体电机和准直体电机的同步误差，当差值为零时，表明两个轴的位置完全同步。

进一步地，在发出位置伺服运动指令之前，首先通过治疗计划程序的读取判别来控制控制后门将头盔准直体送入到特定位置，头盔准直体选择相应组准直器开孔与体部准直体当前原位基准进行相对位置的对接定位，实现机械上的固定使二者在运动过程中成为一个整体运动，然后头盔准直体电机去使能后，将头盔准直体的运动交由体部准直体电机来完成，体部准直体选择相应组准直器开孔与源体进行相对位置的对接定位。 

（2）三伺服运动控制 

以源体电机作为主动轴，准直体的伺服电机和头盔电机同时作为从动轴时；数字控制系统模块的位置控制单元同时向源体伺服运动控制回路、准直体伺服运动控制回路和头盔伺服运动控制回路发出位置伺服运动指令；源体伺服运动控制回路、准直体伺服运动控制回路和头盔伺服运动控制回路的位置反馈装置的反馈信号除了送回各自的伺服驱动器比较外，还送入数字控制系统模块内部的数字比较器进行差值两两比较，将两从动轴差值分别送入对应的从动轴伺服控制回路的输入端，与数字控制系统模块位置的控制单元发来的位置伺服指令各自分别进行比较，两两位置反馈装置的反馈信号差值就是主动轴分别与两从动轴的同步误差，当两两差值为分别零时，表明两两从动轴与主轴的位置完全同步。

进一步地，通过治疗计划程序的读取判别来控制体部准直体选择相应组准直器开孔与源体进行相对位置的对接定位，待定位完成后控制后门将头盔准直体送入到特定位置，头盔准直体选择相应组准直器开孔与体部准直体当前对应开孔进行相对位置的对接定位。 

基于上述系统，本发明还提供一种所述立体定向放疗设备的伺服控制系统的实现方法，如图3所示，包括步骤： 

S1、前门电机控制前门开启，同时，X轴电机、Y轴电机和Z轴电机控制三维床至目标位置；

S2、定位完成后，读取治疗计划，准直体旋转实现开源，头盔旋转选择头部准直器；

S3、以源体电机作为主动轴，准直体电机为从动轴，进行跟随主动轴的运动，用于保证准直体相对源体的静止运动，以达到准直放射源射线的均匀、恒定的分布，来控制稳定的照射剂量和照射时间；或者以源体电机作为主动轴，准直体的伺服电机和头盔电机同时作为从动轴，进行跟随主动轴的运动，用于保证头盔和准直体相对源体的静止运动，以达到准直放射源射线的均匀、恒定的分布，来控制稳定的照射剂量和照射时间。

进一步地，治疗可以分为头部治疗和体部治疗，在头部治疗的时候，如图4a所示，准直体旋转实现开源，头盔旋转选择头部准直器，头部准直器选择完成后，此时源体、准直体与头盔的通道已经对准完成，然后开启同步：源体作为主动轴，准直体与头盔作为从动轴跟随源体同步顺时针旋转运动，实现三轴同步同向旋转（其具体运动过程上面已经介绍过了），并在运动过程中保持相对静止。请继续参阅图4b，其为体部治疗的示意图，在体部治疗过程中，头盔起到后门的作用。其治疗过程可以参考头部治疗，这里就不多做赘述。 

S4、治疗时间到后，关闭同步，源体电机、准直体电机和头盔电机分别控制源体、准直体和头盔各自回原位。 

进一步地，所述步骤S1中还包括：当进行头部治疗时，设置在头盔上的后门电机带动头盔沿水平方向作直线运动实现后门的开启。此时，头盔起到了后门的作用，通过后门电机（也可以称为头盔上的直线运动电机）带动头盔沿水平方向作直线运动实现了后门的开启和关闭。 

更进一步地，所述的实现方法中，还包括步骤S5：Z轴电机控制三维床从屏蔽体内沿着Z轴方向退出。 

综上所述，本发明的立体定向放疗设备及其实现方法，通过八个电机实现电气控制，从而克服了现有伽玛射线立体定向放射治疗装置结构复杂、调试难度大的弱点，同时还具有装置简单、成本较低、实用性强、精度高、调试维护简单、治疗过程传递剂量小等优点，是对放射外科学治疗领域的一个重大贡献，必将为控制肿瘤、减少副作用、提高患者生活质量做出巨大贡献。 

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。  

Claims (10)

1.一种立体定向放疗设备，包括机身，所述机身上设置有三维床、源体、准直体、头盔、前门和后门；其特征在于，所述立体定向放疗设备由8个电机驱动控制；所述8个电机分别为：

用于控制三维床运动的X轴电机、Y轴电机和Z轴电机；

分别用于控制源体、准直体和头盔进行伺服运动的源体电机、准直体电机和头盔电机；

前门电机和后门电机。

2.根据权利要求1所述立体定向放疗设备，其特征在于，所述后门电机设置在头盔上，用于带动头盔沿水平方向作直线运动实现后门的开启和关闭。

3.根据权利要求2所述立体定向放疗设备，其特征在于，所述伺服运动中，以源体电机作为主动轴，准直体电机作为从动轴。

4.根据权利要求2所述立体定向放疗设备，其特征在于，所述伺服运动中，以源体电机作为主动轴，准直体电机和头盔电机同时作为从动轴。

5.根据权利要求2所述立体定向放疗设备，其特征在于，所述准直体包括适合三种体部治疗所需辐射量的准直体准直器；头盔包括适合四种头部治疗所需辐射量的头盔准直器。

6.一种如权利要求1所述立体定向放疗设备的实现方法，其特征在于，包括步骤：

S1、前门电机控制前门开启，同时，X轴电机、Y轴电机和Z轴电机控制三维床至目标位置；

S2、定位完成后，读取治疗计划，准直体旋转实现开源，头盔旋转选择头部准直器；

S3、以源体电机作为主动轴，准直体电机为从动轴，进行跟随主动轴的运动，用于保证准直体相对源体的静止运动，以达到准直放射源射线的均匀、恒定的分布，来控制稳定的照射剂量和照射时间；

或以源体电机作为主动轴，准直体的伺服电机和头盔电机同时作为从动轴，进行跟随主动轴的运动，用于保证头盔和准直体相对源体的静止运动，以达到准直放射源射线的均匀、恒定的分布，来控制稳定的照射剂量和照射时间；

S4、治疗时间到后，关闭同步，源体电机、准直体电机和头盔电机分别控制源体、准直体和头盔各自回原位。

7.根据权利要求6所述的实现方法，其特征在于，所述步骤S3中以源体电机作为主动轴，准直体电机作为从动轴时；数字控制系统模块的位置控制单元向源体伺服运动控制回路和准直体伺服运动控制回路同时发出位置伺服运动指令，源体伺服运动控制回路和准直体伺服运动控制回路的位置反馈装置发出的反馈信号除了送回各自的伺服驱动器比较外，还送入数字控制系统模块内部的数字比较器进行差值比较，所述差值送入准直体伺服运动控制回路的输入端，与数字控制系统模块的位置控制单元发来的位置伺服指令进行比较，两个位置反馈装置的反馈信号差值即源体电机和准直体电机的同步误差，当差值为零时，表明两个轴的位置完全同步。

8.根据权利要求6所述的实现方法，其特征在于，所述步骤S3中以源体电机作为主动轴，准直体的伺服电机和头盔电机同时作为从动轴时；数字控制系统模块的位置控制单元同时向源体伺服运动控制回路、准直体伺服运动控制回路和头盔伺服运动控制回路发出位置伺服运动指令；源体伺服运动控制回路、准直体伺服运动控制回路和头盔伺服运动控制回路的位置反馈装置的反馈信号除了送回各自的伺服驱动器比较外，还送入数字控制系统模块内部的数字比较器进行差值两两比较，将两从动轴差值分别送入对应的从动轴伺服控制回路的输入端，与数字控制系统模块位置的控制单元发来的位置伺服指令各自分别进行比较，两两位置反馈装置的反馈信号差值就是主动轴分别与两从动轴的同步误差，当两两差值为分别零时，表明两两从动轴与主轴的位置完全同步。

9.根据权利要求6所述的实现方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括：当进行头部治疗时，设置在头盔上的后门电机带动头盔沿水平方向作直线运动实现后门的开启。

10.根据权利要求6所述的实现方法，其特征在于，还包括步骤S5：Z轴电机控制三维床从屏蔽体内沿着Z轴方向退出。