CN104759033B - 转盘式影像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗设备领域内的一种转盘式影像系统，由C臂影像系统（1）和转盘（2）组成；C臂影像系统（1）由C臂基座（3）、C臂架（4）、X射线源（5）和探测板（6）组成；C臂基座（3）安装在转盘（2）的主轴（20）上，C臂架（4）安装在C臂基座（3）上，X射线源（5）和探测板（6）安装在C臂架（4）内壁上。转盘（2）的外缘安装有治疗床（7），治疗床（7）安装于治疗床公转平台（13）上。本发明克服了现有机器人放疗系统中影像系统反映信息不足，治疗范围较小，治疗空间受限等不足，提供的转盘式影像系统可进行大范围肿瘤放疗，结构简单，容易加工。

Description

转盘式影像系统

所属技术领域：

本发明涉及医疗设备领域，具体是一种转盘式影像系统。

背景技术：

放射治疗是进行肿瘤治疗的重要手段之一，对于改善人类健康和增益人类寿命有十分重大的意义。世界卫生组织（WHO）提供的统计数据表明，在可治愈癌症中，手术治愈率为22%，放疗与手术结合的治愈率为6%，放疗治愈率12%，化疗仅为5%。可见，放射治疗是癌症治愈的重要技术手段。

放射治疗是以放射物理、放射生物学、临床放射治疗学为基础，结合临床肿瘤学、外科学、内科学、影像学等知识，利用放射线治疗疾病的手段，主要用来治疗恶性肿瘤。近年来，放射治疗技术发生了巨大变化。传统的常规放疗正向精确放射治疗转变。所谓精确放射治疗技术主要包括三维适形放射治疗(3D-CRT)技术、调强放射治疗(IMRT)技术、立体定向放射治疗(SRT)技术、立体定向放射外科(SRS)、图像引导的放射治疗(IGRT)以及螺旋断层扫描调强治疗（TOMO）等。精确放射治疗技术能明显提高肿瘤的局部控制率，降低正常组织的并发症，从而提高治疗效果。然而，要达到精确放疗，对于放疗设备而言，就需要具有更高的精度、更灵活的机构、更清晰的成像设备等。

随着放射治疗技术的发展，智能放射治疗技术巳成为放射治疗先进和有效的手段之一，如美国Accurary公司的Cyberknife系统，它将机器人技术引入放疗设备中，极大地增加了放射治疗技术的灵活性。但是，Cyberknife系统只能通过双束正交KV成像聚合出靶区的三维坐标位置，而不能在一个位置得到三维的图像数据，因此，成像系统反映的信息不足以描述肿瘤的真实三维物理形状。此外，Cyberknife系统的成像系统中的X射线源和探测板只能在固定的位置和角度获取靶区二维图像，如果需要校正等中心位置，还需要对治疗床进行移动，限制了成像的空间灵活性。同时，Cyberknife系统的常规治疗床不能绕着等中心公转，治疗床与机器人方位相对固定，造成机器人手臂在患者两侧进行治疗时，只能在较小角度的范围内治疗，对于脊椎肿瘤患者、背部肿瘤患者的适用性较差，肿瘤治疗范围较小。

发明内容：

本发明的目的是为了克服现有机器人放疗系统中影像系统反映信息不足，治疗范围较小，治疗空间受限等不足，提供一种可进行大范围肿瘤放疗，结构简单，容易加工的转盘式影像系统。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

本发明的转盘式影像系统，其特征在于所述转盘式影像系统由C臂影像系统（1）和转盘（2）组成；C臂影像系统（1）由C臂基座（3）、C臂架（4）、X射线源（5）和探测板（6）组成； C臂基座（3）安装在转盘（2）的主轴（20）上，C臂架（4）安装在C臂基座（3）上， X射线源（5）和探测板（6）安装在C臂架（4）内壁上。

上述方案中，所述转盘（2）的外缘安装有治疗床（7），治疗床（7）安装于治疗床公转平台（13）上，治疗床公转平台（13）与主轴（20）之间通过连杆(19)连接，连杆(19)与主轴（20）之间为旋转副连接，治疗床公转平台（13）下方安装有弧轨滑块(15)，滑块(15)与弧形轨道(18)配合，同时在治疗床公转平台（13）下方安装有主动麦克纳姆轮（16）和从动麦克纳姆轮（14），主动麦克纳姆轮（16）的轮轴与驱动电机（17）连接。

上述方案中，所述治疗床（7）设置有故障安全装置，在工作中出现断电、事故等意外情况时，治疗床迅速降至安全高度锁死。

上述方案中，所述转盘（2）外缘上设置有指示刻度（8），治疗床（7）绕转盘（2）的主轴（20）旋转时，可以进行位置精度标记和校准。

上述方案中，所述转盘式影像系统与治疗床（7）、治疗系统、呼吸追踪器（9）、治疗计划系统和集成控制系统一起构成转盘式放射治疗系统，其中，治疗系统由紧凑型电子直线加速器（10）、二级准直器（11）和机器人（12）组成，紧凑型直线电子加速器（10）安装于机器人（12）机械臂的末端，二级准直器（11）安装于紧凑型直线电子加速器（10）末端；机器人（12）、治疗床（7）、C臂影像系统（1）、转盘（2）和呼吸追踪器（9）通过工业总线与集成控制系统连接；集成控制系统与治疗计划系统之间通过网络交换机连接。

上述方案中，所述X射线源（5）和探测板（6）为一套kV级X射线源（5）和探测板（6）或两套kV级X射线源（5）和探测板（6）；一套kV级X射线源（5）和探测板（6）时，X射线源（5）和探测板（6）可绕着C臂成像中心自转，进行锥束断层成像（CBCT），得到治疗靶区的三维图像，用于治疗初的图像配准和患者摆位；两套kV级X射线源（5）和探测板（6）时，两套成像方向夹角90度，并可绕着C臂成像中心自转，在治疗初始时可利用任意一套X射线源和探测板获得的信息进行CBCT成像，获得三维图像进行患者摆位，在治疗过程中，可以进行双束X光正交成像，得到靶区的三维坐标，实现快速定位和实时跟踪。

上述方案中，所述二级准直器（11）为固定圆形准直器、可变野圆形准直器、可变野矩形准直器、精细射线准直器、多叶准直器的一种或其组合。

上述方案中，所述呼吸追踪器（9）为红外线引导呼吸调节装置和声音引导呼吸调节装置。

上述方案中，所述治疗计划系统为一种4维治疗计划，由剂量计算模块、治疗计划优化模块、剂量验证模块和自适应放疗计划模块组成。

本发明中，所述CBCT成像进行摆位的方法为：

A. 直接控制治疗床，进行初步摆位；

B. 利用C臂旋转（扫描时间±30秒，旋转范围±110°，1分钟内完成整个220°）均匀间隔采集图像；

（a）C臂首先进行旋转加速，当速度稳定后向影像跟踪系统发送当前角度（初稳角度）、速度和备妥信号，影像跟踪系统即可采集到一系列间隔相同角度的确切度数点的图像（放射治疗计划（TPS）采集图像的间隔时间是一定的，那么以后每一次采集图像的角度即可通过初稳角度、速度和时间计算而得）；

（b）影像系统利用采集到的一系列不同角度对应的图像重建三维模型，与治疗前CT定位数字重建影像（DRR）进行图像融合配准比对；

（c）图像融合配准比对后若未达到要求，存在较大偏差时，由医技人员进入治疗室调整；小偏差则由TPS向集成控制系统发送六维治疗床微调参数（包括：床在X,Y,Z方向的移动和转动）或加速器治疗头微调参数（治疗头在X,Y,Z方向的移动和转动），当摆位达到TPS治疗要求后，整个摆位过程自动完成。

治疗过程中的快速定位方法为：

A．在治疗过程中，集成控制系统控制C臂，并向影像系统发送备妥信号，进行两套X射线成像系统的图像采集；

B. 探测板获取患者靶区两幅正交二维图像，由二维图像坐标计算出靶区标志的三维坐标，并与治疗初始时的CBCT三维图像进行配准；

C．若配准发现靶区有小范围偏移，则将机械手做相应X、Y、Z方向的移动调整（不含三个方向的转动）；若偏移范围较大，则立即存储治疗相关数据（例如机器人治疗到了第几个点、已照射多少剂量等）并停止治疗，由医技人员重新回到治疗室调整，即重复病人刚进治疗时的摆位，待摆位完成后，取出停止前存储的治疗相关数据，继续治疗。

本发明所述的转盘式放射治疗系统，通过灵活的6自由度机器人抓举紧凑型电子直线加速器治疗头，可以构成非等中心、非共面的半球面治疗空间；通过C臂影像系统追踪肿瘤的运动，控制机器人，可以实现对肿瘤的追踪放射治疗，从根本上提升对运动肿瘤的治疗精度，实现了真正意义上的低分割、大剂量的精确放射治疗，为立体定向的调强放射治疗提供了硬件保障。

本发明所述方案的有益效果为：

1. C臂影像系统可根据用户需求配备1-2套X射线源和探测板，增加了C臂的灵活性；同时，C臂的自由度相对于现有自由度只保留至多2个自由度，即C臂架绕C臂基座轴线旋转、C臂架内壁绕C臂成像中心自转，结构简单、容易加工。

2. C臂影像系统同时可以实现三维成像和二维定位的功能，增强了C臂的功能，扩大其适用范围，在治疗过程中都以C臂图像作为配准基准，可以减小累计误差。

3. 采用转盘方案，治疗床可以绕着等中心进行旋转，改变了治疗床、C臂影像系统和治疗机器人之间的方位，使得机器人带动加速器能够达到的治疗空间更大，尤其是能够达到人体两侧，可以更加容易进行脊椎肿瘤、背部肿瘤治疗。

4. 去掉硬件剂量验证系统，采用软件剂量验证系统，减少了成本，提高了剂量验证可靠性和寿命。

5. 采用多种准直器系统，可以更好地适应不同肿瘤的治疗，比如较大肿瘤治疗采用多叶准直器、较小规则肿瘤可采用圆形固定准直器，扩大了本发明所述系统适用范围。

综上所述，本发明克服了现有机器人放疗系统中影像系统反映信息不足，治疗范围较小，治疗空间受限等不足，提供的转盘式影像系统可进行大范围肿瘤放疗，结构简单，容易加工。

附图说明：

图1是本发明的转盘式影像系统示意图。

图2是本发明的转盘式影像系统与治疗床示意图。

图3是本发明的转盘式放射治疗系统示意图。

图4是本发明的治疗床公转平台示意图。

图5是本发明的治疗床公转平台控制系统流程图。

附图中，各数字的含义为：1：C臂影像系统；2：转盘；3：C臂基座；4：C臂架； 5：X射线源；6：探测板；7：治疗床；8：指示刻度；9：呼吸追踪器；10：紧凑型电子加速器；11：二级准直器；12：机器人；13：治疗床公转平台；14：从动麦克纳姆轮；15：弧轨滑块；16：主动麦克纳姆轮；17：驱动电机；18：弧形轨道；19：连杆；20：主轴。

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

本例的转盘式影像系统，如图1、图2和图4所示，由C臂影像系统1和转盘2组成；C臂影像系统1由C臂基座3、C臂架4、X射线源5和探测板6组成； C臂基座3安装在转盘2的主轴20上，C臂架4安装在C臂基座3上， X射线源5和探测板6安装在C臂架4内壁上。

转盘2的外缘安装有治疗床7，治疗床7安装于治疗床公转平台13上，治疗床公转平台13与主轴20之间通过连杆19连接，连杆19与主轴20之间为旋转副连接，治疗床公转平台13下方安装有弧轨滑块15，滑块15与弧形轨道18配合，同时在治疗床公转平台13下方安装有主动麦克纳姆轮（万向轮的一种）16和从动麦克纳姆轮14，主动麦克纳姆轮16的轮轴与驱动电机17连接。

治疗床7具有5个自由度，即患者平躺在治疗床上时，患者左右方向，即X方向的平移自由度；患者纵向方向，即Y方向的平移自由度；治疗床高低位置，即Z方向平移自由度；绕X轴的俯仰旋转自由度和绕Y轴的滚动旋转自由度；或采用具有6个旋转自由度的机器人治疗床，加上围绕转盘2旋转中心的公转，构成7自由度机器人治疗床，运动灵活、运动范围更大，间接增大了治疗空间。

治疗床7设置有故障安全装置，在工作中出现断电、事故等意外情况时，治疗床迅速降至安全高度锁死。

X射线源5和探测板6为一套kV级X射线源5和探测板6，X射线源5和探测板6可绕着C臂成像中心自转，进行锥束断层成像（CBCT），得到治疗靶区的三维图像，用于治疗初的图像配准和患者摆位。

转盘2外缘上设置有指示刻度8，治疗床7绕转盘2的主轴20旋转时，可以进行位置精度标记和校准。

治疗床7的公转原理为：驱动电机17驱动麦克纳姆轮16转动，治疗床公转平台13在连杆19的限制作用下沿着弧形轨道18做圆周运动，连杆19上安装有指示传感器，指示传感器可以读取指示刻度8上的刻度，用于指示治疗床7的公转角度，并能将该读数反馈给控制系统，用于反馈控制、计算治疗床7公转速度、联动控制等。

治疗床7的公转控制系统流程如图5所示：

系统给控制器治疗床公转指令，控制器控制电机17转动，带动主动麦克纳姆轮17转动，进而在连杆19的限制下沿着弧形轨道18做围绕主轴20轴线的转动，连杆上的刻度指示系统读取刻度值反馈给控制器，当实际刻度与指令转动角度刻度误差较大时，控制器给出补偿指令，控制电机转动实现误差补偿。

实施例二

本例的转盘式影像系统，除X射线源5和探测板6为两套kV级X射线源5和探测板6，两套成像方向夹角90度，并可绕着C臂成像中心自转，在治疗初始时可利用任意一套X射线源和探测板获得的信息进行CBCT成像，获得三维图像进行患者摆位，在治疗过程中，可以进行双束X光正交成像，得到靶区的三维坐标，实现快速定位和实时跟踪外，其余同实施例一。

实施例三

本例的转盘式影像系统和治疗床7同实施例一，如图3所示，转盘式影像系统与治疗床7、治疗系统、呼吸追踪器9、治疗计划系统和集成控制系统一起构成转盘式放射治疗系统，其中，治疗系统由紧凑型电子直线加速器10、二级准直器11和机器人12组成，紧凑型直线电子加速器10安装于机器人12机械臂的末端，二级准直器11安装于紧凑型直线电子加速器10末端；机器人12、治疗床7、C臂影像系统1、转盘2和呼吸追踪器9通过工业总线与集成控制系统连接；集成控制系统与治疗计划系统之间通过网络交换机连接。

二级准直器11为固定圆形准直器、可变野圆形准直器、可变野矩形准直器、精细射线准直器、多叶准直器的一种或其组合。

呼吸追踪器9为红外线引导呼吸调节装置和声音引导呼吸调节装置，治疗因呼吸而产生运动的肿瘤靶区，治疗过程中可通过呼吸引导装置调节患者的呼吸运动，规律化的呼吸运动有利与提高呼吸追踪和运动靶区追踪的精度，消除系统误差。

治疗计划系统为一种4D治疗计划，由剂量计算模块、治疗计划优化模块、剂量验证模块和自适应放疗计划模块组成。

Claims (8)

1.一种转盘式影像系统，其特征在于所述转盘式影像系统主要由C臂影像系统（1）和转盘（2）组成；C臂影像系统（1）由C臂基座（3）、C臂架（4）、X射线源（5）和探测板（6）组成； C臂基座（3）安装在转盘（2）的主轴（20）上，C臂架（4）安装在C臂基座（3）上， X射线源（5）和探测板（6）安装在C臂架（4）内壁上；转盘（2）的外缘安装有治疗床（7），治疗床（7）安装于治疗床公转平台（13）上，治疗床公转平台（13）与主轴（20）之间通过连杆(19)连接，连杆(19)与主轴（20）之间为旋转副连接，治疗床公转平台（13）下方安装有弧轨滑块(15)，滑块(15)与弧形轨道(18)配合，同时在治疗床公转平台（13）下方安装有主动麦克纳姆轮（16）和从动麦克纳姆轮（14），主动麦克纳姆轮（16）的轮轴与驱动电机（17）连接。

2.根据权利要求1所述转盘式影像系统，其特征在于所述治疗床（7）设置有故障安全装置。

3.根据权利要求1所述转盘式影像系统，其特征在于所述转盘（2）外缘上设置有指示刻度（8）。

4.根据权利要求1所述转盘式影像系统，其特征在于所述转盘式影像系统与治疗床（7）、治疗系统、呼吸追踪器（9）、治疗计划系统和集成控制系统一起构成转盘式放射治疗系统，其中，治疗系统由紧凑型电子直线加速器（10）、二级准直器（11）和机器人（12）组成，紧凑型直线电子加速器（10）安装于机器人（12）机械臂的末端，二级准直器（11）安装于紧凑型直线电子加速器（10）末端；机器人（12）、治疗床（7）、C臂影像系统（1）、转盘（2）和呼吸追踪器（9）通过工业总线与集成控制系统连接；集成控制系统与治疗计划系统之间通过网络交换机连接。

5.根据权利要求1所述转盘式影像系统，其特征在于所述X射线源（5）和探测板（6）为一套kV级X射线源（5）和探测板（6）或两套kV级X射线源（5）和探测板（6）；一套kV级X射线源（5）和探测板（6）时，X射线源（5）和探测板（6）可绕着C臂成像中心自转，进行锥束断层成像（CBCT），得到治疗靶区的三维图像，用于治疗初的图像配准和患者摆位；两套kV级X射线源（5）和探测板（6）时，两套成像方向夹角90度，并可绕着C臂成像中心自转，在治疗初始时可利用任意一套X射线源和探测板获得的信息进行CBCT成像，获得三维图像进行患者摆位，在治疗过程中，可以进行双束X光正交成像，得到靶区的三维坐标，实现快速定位和实时跟踪。

6.根据权利要求4所述转盘式影像系统，其特征在于所述二级准直器（11）为固定圆形准直器、可变野圆形准直器、可变野矩形准直器、精细射线准直器、多叶准直器的一种或其组合。

7.根据权利要求4所述转盘式影像系统，其特征在于所述呼吸追踪器（9）为红外线引导呼吸调节装置和声音引导呼吸调节装置。

8.根据权利要求4所述转盘式影像系统，其特征在于所述治疗计划系统为一种四维治疗计划，由剂量计算模块、治疗计划优化模块、剂量验证模块和自适应放疗计划模块组成。