CN104689489A - 直线摆臂式机器人治疗床 - Google Patents

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吴大可
张兵
周付根
李超
孙华
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韦崇高
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Abstract

本发明涉及医疗设备领域内的一种直线摆臂式机器人治疗床,由治疗床板(1)和直线摆臂式机器人(2)组成;直线摆臂式机器人(2)由升降摆转动力系统(3)、升降摆转机体(4)、摆转导轨臂(5)和可三自由度旋转的机械托臂(6)组成;升降摆转动力系统(3)由升降机构(7)、摆转机构(8)和升降摆转动力离合器(9)构成。本发明克服了现有治疗床治疗空间受限,不适应放射治疗要求的不足,提供的直线摆臂式机器人治疗床运动灵活、运动范围大,可用于任何精确放疗系统。

Description

直线摆臂式机器人治疗床
所属技术领域:
本发明涉及医疗设备领域,具体是一种直线摆臂式机器人治疗床。
背景技术:
放射治疗是进行肿瘤治疗的最重要手段之一,放射治疗的目的是给靶区最大的照射剂量,而避免周围正常组织过多接受照射,这就要求放射治疗的各个环节能够做到“精确”。现在放疗设备中,患者主要采用仰卧式治疗模式,对于患者的支撑与定位最重要的部件是治疗床,因此,治疗床的精确性至关重要。一般来讲,治疗床的主要功能体现在:强度刚度达到要求,能够对于患者进行承载;配合治疗过程中的影像系统,进行患者靶区的精确定位;配合治疗头,满足不同部位肿瘤靶区治疗时所需的空间方位。
传统的立柱式治疗床整体笨重,灵活性差,治疗空间受限,不是精确放疗设备的最佳选择;而后发展的剪式升降床,改变了传统单柱式的力学特性,但依然没有改善其运动空间范围,治疗空间依然受限;一些常规的机器人技术用于放射治疗设备中进行患者定位,灵活性、运动范围和治疗空间都得到改善,但常规机器人的承载方式和受力特性不适应放射治疗对于患者定位的要求,因此研发专用的机器人治疗床对于治疗设备的发展有很大的促进作用。
发明内容:
本发明的目的是为了克服现有治疗床治疗空间受限,不适应放射治疗要求的不足,提供一种运动灵活、运动范围大,可用于任何精确放疗系统的直线摆臂式机器人治疗床。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的:
本发明的直线摆臂式机器人治疗床由治疗床板(1)和直线摆臂式机器人(2)组成;其特征在于直线摆臂式机器人(2)由升降摆转动力系统(3)、升降摆转机体(4)、摆转导轨臂(5)和可三自由度旋转的机械托臂(6)组成;其中,治疗床板(1)与可三自由度旋转的机械托臂(6)之间通过法兰连接,可三自由度旋转的机械托臂(6)与摆转导轨臂(5)之间通过导轨滑块机构连接,摆转导轨臂(5)与升降摆转机体(4)之间为转动副连接;升降摆转动力系统(3)由升降机构(7)、摆转机构(8)和升降摆转动力离合器(9)构成;升降机构(7)和摆转机构(8)均连接在摆转导轨臂(5)与升降摆转机体(4)之间的转动副上,升降摆转动力离合器(9)一端与升降动力源(14)连接,另一端与升降机构(7)或摆转机构(8)配合,实现动力分配,进而驱动摆转机构(8)摆转或升降机构(7)升降。
上述方案中,所述可三自由度旋转的机械托臂(6)与摆转导轨臂(5)之间通过导轨滑块机构连接的具体方式为:可三自由度旋转的机械托臂(6)上安装有滑块(10),摆转导轨臂(5)上安装有导轨(11),导轨(11)与滑块(10)配合;实现机械托臂(6)在摆转导轨臂(5)上直线运动的传动机构为丝杠螺母或者直线电机。
上述方案中,所述可三自由度旋转的机械托臂(6)的三个自由度分别为:绕治疗床板(1)纵向的旋转,绕治疗床板(1)横向的旋转和绕治疗床板(1)高度方向的旋转,并带有动力源。
上述方案中,所述摆转导轨臂(5)纵截面呈现梯形结构,表现为靠近升降摆转机体(4)端的截面高度大于远离升降摆装机体(4)端截面高度。
上述方案中,所述升降机构(7)、摆转机构(8)和升降摆转动力离合器(9)均为齿轮装置;其中,升降摆转动力离合器(9)中设有升降输出齿轮(9-1)和摆转输出齿轮(9-2);升降机构(7)为一个丝杠螺母机构,螺母固结在摆转导轨臂(5)与升降摆转机体(4)之间的转动副上;丝杠(7-2)两端通过轴承固定,丝杠(7-2)只能自转,丝杠(7-2)上部固结一个齿轮(7-1),齿轮(7-1)与升降摆转动力离合器(9)的升降输出齿轮(9-1)啮合;摆转机构(8)为一个齿轮,齿轮固定安装在摆转导轨臂(5)与升降摆转机体(4)之间的转动副上,并与升降摆转动力离合器(9)的摆转输出齿轮(9-2)啮合;同一时刻,升降输出齿轮(9-1)和摆转输出齿轮(9-2)只有一个处于啮合状态。
上述方案中,所述治疗床板(1)和直线摆臂式机器人(2)上安装有防碰撞检测传感器,用于实时检测,避免治疗床与放疗设备其他硬件发生碰撞干涉。
上述方案中,所述治疗床板(1)下方安装有剂量验证电离室,可以在治疗过程中实时进行剂量验证。
上述方案中,所述治疗床板(1)或直线摆臂式机器人(2)上安装有主动呼吸引导装置,具体为具有LED(发光二极管)灯光引导、语音提示功能的呼吸引导设备,用于调节患者呼吸稳定。
上述方案中,所述摆转导轨臂(5)前端或直线摆臂式机器人治疗床支撑座上安装有C臂架(12),C臂架(12)上配置有两组影像系统,每组有一个kV级X射线源和一个平板探测器,平板探测器安装在C臂架(12)内壁,并且距离C臂架(12)中心的径向距离可调;两组影像系统可以实现CBCT(锥束断层成像)三维成像和双目成像;通过影像系统获取患者靶区的位置与摆位时的偏差,反馈给治疗床控制系统,修正治疗床位置,实现靶区位置的精确校准与追踪。
本发明所述的直线摆臂式机器人治疗床,可用于任何精确放疗系统中,包括远距离直线加速器系统,近距离放射治疗系统,质子放射治疗系统。通过三自由度机械托臂实现三个末端自由度,机械托臂与摆转导轨臂之间通过导轨滑块机构实现机械托臂的平移自由度,通过升降摆转动力离合器与升降机构或摆转机构配合,实现摆转导轨臂的升降自由度和摆转导轨臂相对于升降摆转机体的旋转自由度,构成六自由度直线摆臂式机器人治疗床,运动灵活、运动范围大;采用升降摆转动力离合器实现升降机构或摆转机构动作,只需要采用一个动力源即可,这样实现一个动力源对于两个自由度的顺序控制,节省成本,对于治疗床运动分析和运动规律的控制带来方便。
综上所述,本发明克服了现有治疗床治疗空间受限,不适应放射治疗要求的不足,提供的直线摆臂式机器人治疗床运动灵活、运动范围大,可用于任何精确放疗系统。
附图说明:
图1是本发明所述直线摆臂式机器人治疗床示意图。
图2是本发明中直线摆臂式机器人结构的示意图。
图3是本发明中升降摆转动力系统结构的示意图。
图4是本发明升降摆转动力离合器的示意图。
图5是本发明实施例五的示意图。
图6是本发明实施例六的示意图。
附图中,各数字的含义为:1:治疗床板;2:直线摆臂式机器人;3:升降摆转动力系统;4:升降摆转机体;5:摆转导轨臂;6:可三自由度旋转的机械托臂;7:升降机构;7-1:齿轮;7-2:丝杠;8:摆转机构;9:升降摆转动力离合器;9-1:升降输出齿轮;9-2:摆转输出齿轮;10:滑块;11:导轨;12:C臂架;13:直线加速器;14:升降动力源。
具体实施方式:
下面结合附图及实施例进一步详述本发明,但本发明不仅限于所述实施例。
实施例一
本例的直线摆臂式机器人治疗床如图1、图2、图3和图4所示,由治疗床板1和直线摆臂式机器人2组成;直线摆臂式机器人2由升降摆转动力系统3、升降摆转机体4、摆转导轨臂5和可三自由度旋转的机械托臂6组成;其中,治疗床板1与可三自由度旋转的机械托臂6之间通过法兰连接,可三自由度旋转的机械托臂6与摆转导轨臂5之间通过导轨滑块机构连接,摆转导轨臂5与升降摆转机体4之间为转动副连接;升降摆转动力系统3由升降机构7、摆转机构8和升降摆转动力离合器9构成;升降机构7和摆转机构8均连接在摆转导轨臂5与升降摆转机体4之间的转动副上,升降摆转动力离合器9一端与升降动力源14连接,另一端与升降机构7或摆转机构8配合,实现动力分配,进而驱动摆转机构8摆转或升降机构7升降。
可三自由度旋转的机械托臂6与摆转导轨臂5之间通过导轨滑块机构连接的具体方式为:可三自由度旋转的机械托臂6上安装有滑块10,摆转导轨臂5上安装有导轨11,导轨11与滑块10配合;实现机械托臂6在摆转导轨臂5上直线运动的传动机构为丝杠螺母或者直线电机。
摆转导轨臂5上与导轨11平行方向安装有两个轴承座,丝杠两端通过轴承安装在轴承座中,这样丝杠相对于摆转导轨臂5的位置不改变,只是在轴承座中可以转动,丝杠一端连接驱动电机(与升降动力源独立的驱动电机),滑块座上固结有螺母,螺母与丝杠配合传动。
当驱动电机驱动丝杠转动时,因螺母固结于滑块座上,螺母便会沿着丝杠方向移动,带动机械托臂6沿着摆转导轨臂5上的导轨11方向实现直线运动。
可三自由度旋转的机械托臂6的三个自由度分别为:绕治疗床板1纵向的旋转,绕治疗床板1横向的旋转和绕治疗床板1高度方向的旋转,并带有动力源。
摆转导轨臂5纵截面呈现梯形结构,表现为靠近升降摆转机体4端的截面高度大于远离升降摆装机体4端截面高度。
所述升降机构7、摆转机构8和升降摆转动力离合器9均为齿轮装置;其中,升降摆转动力离合器9中设有升降输出齿轮9-1和摆转输出齿轮9-2;升降机构7为一个丝杠螺母机构,螺母固结在摆转导轨臂5与升降摆转机体4之间的转动副上;丝杠7-2两端通过轴承固定,丝杠7-2只能自转,丝杠7-2上部固结一个齿轮7-1,齿轮7-1与升降摆转动力离合器9的升降输出齿轮9-1啮合;当升降摆转动力离合器9的动力输出通过升降输出齿轮9-1与齿轮7-1时,会带动丝杠7-2旋转,由于丝杠7-2在纵向固定,因此螺母即可在丝杠7-2纵向上实现上下升降运动,并带动摆转导轨臂5与升降摆转机体4之间的转动副以及摆转导轨臂5实现上下升降运动。
摆转机构8为一个齿轮,齿轮固定安装在摆转导轨臂5与升降摆转机体4之间的转动副上,并与升降摆转动力离合器9的摆转输出齿轮9-2啮合;当升降摆转动力离合器9的动力输出通过输出齿轮9-2与摆转机构齿轮时,可以带动固结在摆转导轨臂5与升降摆转机体4之间的转动副旋转,即实现了摆转导轨臂5的摆转。
同一时刻,升降输出齿轮9-1和摆转输出齿轮9-2只有一个处于啮合状态。
实施例二
本例的直线摆臂式机器人治疗床除治疗床板1和直线摆臂式机器人2上安装有防碰撞检测传感器,用于实时检测,避免治疗床与放疗设备其他硬件发生碰撞干涉外,其余同实施例一。
实施例三
本例的直线摆臂式机器人治疗床除治疗床板1下方安装有剂量验证电离室,可以在治疗过程中实时进行剂量验证外,其余同实施例一。
实施例四
本例的直线摆臂式机器人治疗床除治疗床板1或直线摆臂式机器人2上安装有呼吸引导装置,具体为具有LED(发光二极管)灯光引导、语音提示功能的呼吸引导设备,用于调节患者呼吸稳定外,其余同实施例一。
实施例五
本例的直线摆臂式机器人治疗床如图5所示,除摆转导轨臂5前端安装有C臂架12,C臂架12上配置有两组影像系统,每组有一个kV级X射线源和一个平板探测器,平板探测器安装在C臂架12内壁,并且距离C臂架12中心的径向距离可调;两组影像系统可以实现CBCT(锥束断层成像)三维成像和双目成像;通过影像系统获取患者靶区的位置与摆位时的偏差,反馈给治疗床控制系统,修正治疗床位置,实现靶区位置的精确校准与追踪外,其余同实施例一。
本例的直线摆臂式机器人治疗床与治疗执行系统组合成放射治疗系统。治疗执行系统为机器人放射治疗头,具体为机器人系统末端配置直线加速器13,直线加速器13前端配置可变野准直器或多叶准直器。
治疗床板1、影像系统和机器人放射治疗头的空间方位可为0度摆位,也可为45°摆位,即治疗床板1位于影像系统与机器人放射治疗头连线的45°方位
实施例六
本例的直线摆臂式机器人治疗床如图6所示,除直线摆臂式机器人治疗床支撑座上安装有C臂架12外,其余同实施例五。
实施例七
本例的直线摆臂式机器人治疗床除驱动机械托臂6在摆转导轨臂5上直线运动的传动机构为直线电机,直线电机固定在摆转导轨臂5上,其输出轴直接与机械托臂6上的滑块座连接,电机直接推动机械托臂6沿着摆转导轨臂5上的导轨11方向实现直线运动外,其余同实施例一。

Claims (9)

1.一种直线摆臂式机器人治疗床,由治疗床板(1)和直线摆臂式机器人(2)组成;其特征在于直线摆臂式机器人(2)由升降摆转动力系统(3)、升降摆转机体(4)、摆转导轨臂(5)和可三自由度旋转的机械托臂(6)组成;其中,治疗床板(1)与可三自由度旋转的机械托臂(6)之间通过法兰连接,可三自由度旋转的机械托臂(6)与摆转导轨臂(5)之间通过导轨滑块机构连接,摆转导轨臂(5)与升降摆转机体(4)之间为转动副连接;升降摆转动力系统(3)由升降机构(7)、摆转机构(8)和升降摆转动力离合器(9)构成;升降机构(7)与升降摆转机体(4)连接,摆转机构(8)连接在摆转导轨臂(5)与升降摆转机体(4)之间的转动副上,升降摆转动力离合器(9)一端与升降动力源(14)连接,另一端分别与升降机构(7)或摆转机构(8)配合,实现动力分配,进而驱动摆转机构(8)摆转或升降机构(7)升降。
2.根据权利要求1所述直线摆臂式机器人治疗床,其特征在于所述可三自由度旋转的机械托臂(6)与摆转导轨臂(5)之间通过导轨滑块机构连接的具体方式为:可三自由度旋转的机械托臂(6)上安装有滑块(10),摆转导轨臂(5)上安装有导轨(11),导轨(11)与滑块(10)配合;实现机械托臂(6)在摆转导轨臂(5)上直线运动的传动机构为丝杠螺母或者直线电机。
3.根据权利要求1所述直线摆臂式机器人治疗床,其特征在于所述可三自由度旋转的机械托臂(6)的三个自由度分别为:绕治疗床板(1)纵向的旋转,绕治疗床板(1)横向的旋转和绕治疗床板(1)高度方向的旋转,并带有动力源。
4.根据权利要求1所述直线摆臂式机器人治疗床,其特征在于所述摆转导轨臂(5)纵截面呈现梯形结构,表现为靠近升降摆转机体(4)端的截面高度大于远离升降摆装机体(4)端截面高度。
5.根据权利要求1所述直线摆臂式机器人治疗床,其特征在于所述升降机构(7)、摆转机构(8)和升降摆转动力离合器(9)均为齿轮装置;其中,升降摆转动力离合器(9)中设有升降输出齿轮(9-1)和摆转输出齿轮(9-2);升降机构(7)为一个丝杠螺母机构,螺母固结在摆转导轨臂(5)与升降摆转机体(4)之间的转动副上;丝杠(7-2)两端通过轴承固定,丝杠(7-2)只能自转,丝杠(7-2)上部固结一个齿轮(7-1),齿轮(7-1)与升降摆转动力离合器(9)的升降输出齿轮(9-1)啮合;摆转机构(8)为一个齿轮,齿轮固定安装在摆转导轨臂(5)与升降摆转机体(4)之间的转动副上,并与升降摆转动力离合器(9)的摆转输出齿轮(9-2)啮合;同一时刻,升降输出齿轮(9-1)和摆转输出齿轮(9-2)只有一个处于啮合状态。
6.根据权利要求1所述直线摆臂式机器人治疗床,其特征在于所述治疗床板(1)和直线摆臂式机器人(2)上安装有防碰撞检测传感器。
7.根据权利要求1所述直线摆臂式机器人治疗床,其特征在于所述治疗床板(1)下方安装有剂量验证电离室。
8.根据权利要求1所述直线摆臂式机器人治疗床,其特征在于所述治疗床板(1)或直线摆臂式机器人(2)上安装有呼吸引导装置。
9.根据权利要求1所述直线摆臂式机器人治疗床,其特征在于所述摆转导轨臂(5)前端或直线摆臂式机器人治疗床支撑座上安装有C臂架(12),C臂架(12)上配置有两组影像系统,每组有一个kV级X射线源和一个平板探测器,平板探测器安装在C臂架(12)内壁,并且距离C臂架(12)中心的径向距离可调。
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