CN104689479B - 一种用于放疗设备的气囊仿生摇篮床 - Google Patents

Abstract

一种用于放疗设备的气囊仿生摇篮床，其特征在于，该气囊仿生摇篮床是在床板的底部床面方向上设置一个或多个气囊，和气囊对应的控制开关及双向气泵，该气泵根据呼吸的频率和时相通过对气囊充气或抽气使气囊仿生摇篮床升、降运动。该摇篮床另外可设置一个同步多轴控制器，该同步多轴控制器根据呼吸门控的信号控制组合电机和气囊的运动引导气囊仿生摇篮床同步作与呼吸导致的靶区运动方向相反的摇篮样运动，由此，实现控制患者机体做与呼吸运动相反方向的摇篮样运动，抵消呼吸运动造成的肿瘤靶区和器官移位，把一个随呼吸运动而不断周期性运动的动态靶区变成一个能够固定在等中心的静态靶区。

Description

一种用于放疗设备的气囊仿生摇篮床

技术领域

本发明涉及一种用于放疗设备的气囊仿生摇篮床，该气囊仿生摇篮床可根据呼吸运动的幅度和时相，计算出靶区在X、Y、Z轴上的三维运动，并通过同步多轴控制器的牵引三维方向的直线电机和气囊充气泵的共同运动，实现控制患者机体做与呼吸运动相反方向的摇篮样运动，抵消呼吸运动造成的肿瘤靶区和器官移位，把一个随呼吸运动而不断周期性运动的动态靶区变成一个能够固定在等中心的静态靶区。

背景技术

胸腹部肿瘤精确放疗面临的主要问题是呼吸运动造成的肿瘤和器官移位造成脱靶，即射线照过去的时候，有部分靶区因呼吸运动而跑出照射野内，而不该照射的地方进入照射野内受到了照射。也就是说胸部和上腹部靶区是一个动态的靶区，现在世界上尚无法按需要动态控制呼吸运动，把一个随呼吸运动的靶区变成一个静态靶区。最先进的呼吸门控技术也只能是根据监控呼吸频率和时相，把加速器射野定位于空间肿瘤运动轨迹上的一个点，等待呼吸运动一个周期内肿瘤来到该固定空间时立即出束照射，等肿瘤过去后关机，相当于动态打靶时给一个提前量，使射出的子弹撞到靶区目标，根本无法连续出束照射，把机关枪连续攻击变成了步枪单次打击。这种靠每个周期捕捉一两个点照射的方式浪费了90%的以上射线资源因此及其低效，而且每个周期时相肿瘤经过这个地方的时间和过程很不确定因此精度上也有问题，相当于动态的靶区目标常常容易偏靶，而静态的靶区才容易对准。但世界上目前还没有把一个随呼吸而运动的动态靶区变成一个静态靶区的设备和方法。

发明内容

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：用气囊仿生摇篮床代替现在的真空垫或定位板，该气囊仿生摇篮床是在定位板或真空垫的底部床面方向上设置一个或一组气囊，该气囊接受呼吸门控的信号，根据呼吸的频率和时相通过气囊压力和体积的变化反方向调节气囊仿生摇篮床的位置：比如吸气时当肿块受呼吸运动作用上升时，气囊就抽气，气囊内压力下降，整个气囊仿生摇篮床和包括在其中的机体下降，抵消了吸气造成的肿块上升运动。同时设置一个同步多轴控制器，该同步多轴控制器通过软件控制组合电机及其控制开关和气泵引导气囊仿生摇篮床作与靶区相反的周期性运动，抵消呼吸运动造成的靶区移位在水平方向和垂直方向的所有移位，结果使靶区相对固定于空间一个位置不再活动。具体而言，本发明提供了以下技术方案：

1、一种用于放疗设备的气囊仿生摇篮床，该气囊仿生摇篮床是在床板的底部床面方向上设置一个或多个气囊，优选不透气、耐高压、弹性小的材料（例如橡胶、聚氨酯材料、聚酰胺材料（尼龙）、聚酯材料等）制做的气囊、和气囊对应的控制开关及双向气泵，该气泵根据呼吸的频率和时相通过对气囊充气或抽气使气囊仿生摇篮床升、降运动。该气囊例如可胶水固定粘接、或粘丝动态粘接在床板背面。

2.根据以上第1项所述的气囊仿生摇篮床，其另外设置一个同步多轴控制器，该同步多轴控制器根据呼吸门控的信号控制组合电机和气囊的运动引导气囊仿生摇篮床同步作与呼吸导致的靶区运动方向相反的摇篮样运动。

3、根据以上第1或2项所述的气囊仿生摇篮床，该气囊仿生摇篮床的床板是纤维板或真空垫，并在床板上设置连接杆和连接关节。

4.根据以上第2项所述的气囊仿生摇篮床，其特征在于，组合电机包括分别实现气囊仿生摇篮床在X、Y、Z轴方向上的运动的三个电机，该三个电机最后的输出端与床板上设置的连接关节连接。

5、根据以上第1-4项的任一项所述的气囊仿生摇篮床，其特征在于：气囊仿生摇篮床的每个气囊有一个通气管道和控制开关，每个控制开关末端接连接双向气泵，气泵都可以根据呼吸幅度和时相对相应的气囊进行定量充气加压或抽气减压。

6、根据以上第2和4项所述的气囊仿生摇篮床，其特征在于：该同步多轴控制器有输入端、输出端和相应的软件组成，输入端能够接受呼吸门控和四维CT传来的信息，并经过软件分析计算，算出当前呼吸周期中靶区在三维空间的X、Y、Z轴上的运动的数学模型，然后再算出各个轴上相反方向运动的数学模型，输出并控制相互垂直的X、Y、Z三个轴上的电机及其气泵和开关的运动，实现气囊仿生摇篮床做与靶区运动相同幅度和时相、相反方向的同步周期性运动。

7、根据以上第2项所述的气囊仿生摇篮床，其特征在于：先用同步多轴控制器控制气泵和气囊的开关进行重量/速度试验，得出不同重量下每升高一定高度时充气的速度和量的数学模型，然后在应用中再根据患者体重选择合适的数学模型控制气泵和气囊的开关，实现气囊的升降与Z轴电机同步的升降运动。

同步多轴控制器由可以通过对实时呼吸运动的分析计算出靶区运动的数学模型，并且将其赋予负值后传输到由一个或一个以上相互垂直的电机步进电机或直线电机组成的组合电机、控制开关和气泵，组合电机、控制开关和气泵的共同运动牵引气囊仿生床实现与靶区相反的周期性运动，抵消呼吸运动造成的靶区移位。

本发明的有益效果是：由于气囊仿生摇篮床的气囊不仅提供了一个几乎不影响射线束性质的最简单、稳定、空间占位最小的动力传输介质，而且还在床的中心和重心下面设置了一个支点，结果在以下三个方面受益：1、非但使机体的垂直运动不必磨损机器设备而且动力传输不对线束造成任何影响就能达到；2、更重要的是当囊仿生摇篮床悬空在气囊表面时犹如悬浮在水面上一样，水平运动也失去摩擦阻力，变成一个很小的气囊的形变阻力，一般为10mmHg至100mmHg之间的压强下的气囊的形变阻力，因而极其容易实现和控制；3、由于提供了一个中心支点而使得支点两侧的重力在各方向的旋转运动中都能够相互抵消。

呼吸运动是一个三维运动，事实上肿瘤靶区运动就是一个与呼吸同频率、时相和幅度相关的一个三维空间的一个周期性运动。用门控和四维CT的方法我们甚至可以用数学模型描述出这个运动的周期、幅度和时相，并且在时间/位置坐标中将其分解为X、Y、Z三维方向上的三个相同频率，不同时相和幅度的运动数学模型。靶区在三维方向上的三个周期运动的频率和呼吸运动频率完全相同，但运动的时相与幅度各不相同，而且可以通过四维CT的分析获得靶区在X、Y、Z三个轴向上各自的运动的时相和幅度，从而计算出该方向的周期性运动的数学模型，它们的数学模型是和呼吸运动频率相同，时相和幅度与呼吸运动有关联的周期性运动。我们可以根据四维CT找出它们之间的关联函数，这样反过来我们也可以根据呼吸运动的数学模型通过关联函数分别求出靶区运动在X、Y、Z轴上的运动的数学模型。

理论上加速器的床和六维床均可以实现三维运动，但加速器床是靠床轴的剪切力来调节靶区运动，床轴力臂太短，不到靶区中心的力臂的四分之一，60公斤体重（包括辅助设备），传输到加速器床的轴上最小需要200多公斤的剪切力才能做到。一般床结构难以承受这么大的剪切力，长期反复的承重运动不仅精度达不到，而且容易损害床的稳定性和精确度，还可能因为床的移位而造成旋转的加速器头部碰到床板或人体。即使现在的六维床也有两个缺陷：首先是床板较长当以两端为着力点抬高时中间容易变形，其次是以一端为轴心、另一端为着力点抬高时需要付出最小一半重力的动力。而利用气囊仿生摇篮床不仅对线束的影响最小，而且各个方向时由于气囊提供了一个中心轴，所有方向的重力相互抵消结果运动时付出的动力最小。

附图说明

图1是单个气囊的气囊仿生摇篮床背面示意图。

图2是两个气囊的气囊仿生摇篮床背面示意图。

图3是带有一个气囊矩阵的气囊仿生摇篮床背面示意图。

图4是气囊仿生摇篮床在同步多轴控制器作用下运动的示意图。

图5是气囊仿生摇篮床向右侧旋转示意图。

图6是利用同步多轴控制器抵消呼吸运动造成的靶区移位的控制的数学模型示意图。

图7是气囊充气状态的气囊仿生摇篮床示意图。

具体实施方式

以下参照附图来详细说明本发明。其中，在不同的图中，相同的部件给予相同的附图标记。

图1示出了单个气囊的气囊仿生摇篮床背面示意图，其中1是真空垫或纤维床板，在其下方设置有气囊2、气囊导管上的三通控制开关3和双向气泵4；5是床板或真空垫四个角的连接杆。6是连接杆与摇篮式门控器连接的连接关节，通过该连接关节可以将气囊仿生摇篮床的连接杆和摇篮式门控器螺接、卡接或粘接，优选万向轮卡接。

图2示出了两个气囊的气囊仿生摇篮床背面示意图，其中1是气囊仿生摇篮床板，2代表一个中心气囊和其导管上的控制开关3及气泵4。20代表围绕气囊2的边缘设置的一个气囊圈及其导管上的控制开关30，并且该开关也和气泵4相连。5是床板或真空垫四个角的连接杆。6是连接杆与摇篮式门控器连接的连接关节，通过该连接关节可以将气囊仿生摇篮床的连接杆和摇篮式门控器螺接、卡接或粘接，优选万向轮卡接。

图3示出了带有一个气囊矩阵的气囊仿生摇篮床背面示意图。在本例中采用3行×3列的一个9气囊组成的气囊矩阵，分别是气囊列（200、201、202）及其控制开关300，气囊列（210、211、212）及其控制开关310和气囊列（220、221、222）及其控制开关320。三个控制开关均通向双向气泵4。5是床板或真空垫四个角的连接杆。6是连接杆与摇篮式门控器连接的连接关节，通过该连接关节可以将气囊仿生摇篮床的连接杆和摇篮式门控器螺接、卡接或粘接，优选万向轮卡接。

图4示出了气囊仿生摇篮床在同步多轴控制器作用下运动的示意图：900表示同步多轴控制器，910表示同步多轴控制器的输入端，920表示同步多轴控制器的几个输出端：包括输出到各个三轴电机的输出端和输出到气囊及各个气囊导管控制开关的输出端。901是两个直线电机的定子，它们有一个共同的动子902，在同步多轴控制器得控制下，它们的运动结合气囊的充气或排气就可以实现Z轴方向上的运动；903是固定在902上的一个直线电机的定子，它有一个动子904，它们的运动可以实现Y轴方向上的运动；905是固定在904上的两个定子，其两个动子906的末端分别与两个连接关节6螺接、卡接或粘接，优选万向轮卡接，904的运动可以实现X轴方向上的运动；这几个电机合称为组合电机，组合电机通过连接关节可以将动力传导到气囊仿生摇篮床的连接杆，配合气囊的同步升降运动实现精确的三维运动控制。

图5示出了气囊仿生摇篮床向右侧旋转示意图。如果需要旋转一个角度10，则控制气囊一定的充其量，为床板的旋转提供了一个旋转的中心轴，重力正好位于气囊中心，同步多轴控制器控制左侧的床板升高，右侧的床板降低，两侧的高度差为7，两个连接关节的距离为8，只需要控制7/8=sin（10）就可以了。由于气囊中心轴两侧的各个对称点的重力相互抵消，左侧抬高和右侧下压的力量几乎是零。所以非常容易实现精确控制。

图6示出了利用同步多轴控制器抵消呼吸运动造成的靶区移位的控制示意图。图中11表呼吸的周期性运动，每个周期的其幅度和时相可能会有不同，我们可以通过呼吸门控实时测到呼吸周期，并且通过CT的分析获得靶区在每个不同的时相幅度呼吸条件下靶区在X、Y、Z三个轴向上各自的运动的时相和幅度，如12代表X轴上与11同等呼吸时相和幅度下的靶区运动的时相幅度，13代表Y轴上与11同等呼吸时相和幅度下的靶区运动的时相幅度，14代表Z轴上与11同等呼吸时相和幅度下的靶区运动的时相幅度。从而计算出各个轴方向的周期性运动的数学模型，它们的数学模型是和呼吸运动频率相同，时相和幅度与呼吸运动有关联的周期性运动。我们可以根据四维CT找出他们之间的关联函数，这样反过来我们也可以根据呼吸运动的数学模型通过关联函数分别求出靶区运动在X、Y、Z轴上的运动的数学模型。

反过来，在治疗过程中，可以通过监测呼吸运动，获得实时的呼吸运动的数学模型，再根据计算得到此周期时相时的靶区在X、Y、Z轴上的位置的运动的数学模型。并将这个模型的正负数值互换后输给三轴运动控制器的输入端，经过三轴控制器数据处理器处理，在输出端变为能够控制直线电机、气泵和开关运动的实时定量电流，分别控制X、Y、Z三个轴上的直线电机、气泵和控制开关，实现实时三轴控制器控制下的气囊仿生摇篮床的精确运动。由于数学模型中的正负数值的互换，最后引起的气囊仿生摇篮床的运动正好在三维空间上与靶区运动周期时相和幅度一致、方向相反的运动，这个运动抵消了靶区运动，结果将一个动态靶区便成立一个静态靶区。

图7为气囊充气状态的气囊仿生摇篮床示意图。当要求仿生摇篮床按速度上升一定高度时，气囊2的充气速度和充气量必须根据每个人的不同体重进行调整，方法是：先进行重量/速度试验，得出不同重量下充气的速度和量的数学模型，然后治疗时再根据患者体重选择合适的模型。

以上就优选方案对本发明进行了具体说明。但应该理解的是，本领域技术人员可以按照不偏离本发明的主旨和范围的许多变型来实施本发明，这些变型也应当包括在本申请的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种用于放疗设备的气囊仿生摇篮床，其特征在于，该气囊仿生摇篮床是在床板的底部床面方向上设置一个或多个气囊、和气囊对应的控制开关及双向气泵，该双向气泵根据呼吸的频率和时相通过对气囊充气或抽气使气囊仿生摇篮床升、降运动，其另外设置一个同步多轴控制器，该同步多轴控制器根据呼吸门控的信号控制组合电机和气囊的运动引导气囊仿生摇篮床同步作与呼吸导致的靶区运动方向相反的周期性运动。

2.根据权利要求书1所述的气囊仿生摇篮床，其特征在于，所述气囊为不透气、耐高压、弹性小的材料制做的气囊。

3.根据权利要求书1或2所述的气囊仿生摇篮床，其特征在于，该气囊仿生摇篮床的床板是纤维板或真空垫，并在床板上设置连接杆和连接关节。

4.根据权利要求1所述的气囊仿生摇篮床，其特征在于，组合电机包括分别实现气囊仿生摇篮床在X、Y、Z轴方向上的运动的三个电机，该三个电机的最后输出端与床板上设置的连接关节连接。

5.根据权利要求书1或2所述的气囊仿生摇篮床，其特征在于，气囊仿生摇篮床的每个气囊有一个通气管道和控制开关， 每个控制开关末端接连接双向气泵，双向气泵都可以根据呼吸幅度和时相对相应的气囊进行定量充气加压或抽气减压。

6.根据权利要求书1、2或4所述的气囊仿生摇篮床，其特征在于，该同步多轴控制器由输入端、输出端和相应的软件组成，输入端能够接受呼吸门控和四维CT传来的信息，并经过软件分析计算，算出当前呼吸周期中靶区在三维空间的X、Y、Z轴上的运动的数学模型，然后再算出各个轴上相反方向运动的数学模型，输出并控制相互垂直的X、Y、Z三个轴上的电机及其双向气泵和控制开关的运动，实现气囊仿生摇篮床做与靶区运动相同幅度和时相、相反方向的同步周期性运动。

7.根据权利要求书1或2所述的气囊仿生摇篮床，其特征在于，先用同步多轴控制器控制双向气泵和气囊的开关进行重量/速度试验，得出不同重量下每升高一定高度所需要充气的速度和量的数学模型，然后在治疗过程中再根据患者体重选择合适的数学模型控制双向气泵和气囊的开关，实现气囊的升降与Z轴电机同步的升降运动。