CN105286998A - 一种由呼吸引起的人体胸腹腔运动模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由呼吸引起的人体胸腹腔运动模拟装置，包括工作台，依次设于工作台上的底座和支架，设于底座上的驱动电机，通过联轴器与驱动电机输出端连接的丝杆，设于丝杆上、并可随丝杆的转动而左右移动的滑块，垂直设置于滑块顶部的推板；设于支架上的针筒筒体，设于针筒筒体内的针筒活塞以及与针筒活塞外部连接的推杆；所述推杆与所述推板固定连接，同时在所述针筒筒体的针嘴处设有模拟体内用气球，在所述模拟体内用气球外侧套有模拟体表用气球；本发明的优点在于，再现人体呼吸时胸壁体表和体内肿瘤的关联性三维运动，为解决肿瘤放疗呼吸跟踪定位研究提供准确的运动模型，并验证呼吸运动补偿对于图像引导的放射疗法的精确定位作用。

Description

一种由呼吸引起的人体胸腹腔运动模拟装置

技术领域

本发明属于医疗器械辅助模拟装置领域，具体涉及一种由呼吸引起的人体胸腹腔运动模拟装置。

背景技术

肿瘤放射治疗是利用放射线治疗肿瘤的一种局部治疗方法，大约70％的癌症患者在治疗癌症的过程中需要用放射治疗，约有40％的癌症可以用放疗根治。放射治疗在肿瘤治疗中的作用和地位日益突出，已成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一。近年来，图像引导的精准放射治疗技术成为肿瘤放射治疗的发展趋势，通过CT、X射线等得到靶区的图像并进行精确配准，大大提高了放射治疗中定位与剂量投放的精确性。

然而在呼吸、心跳及肠胃蠕动等生理因素的影响下，位于胸腹部的肿瘤及其周围组织是动态变化的，这给肿瘤靶区的精准定位带来困难。相关研究表明，胸隔膜在呼吸运动的影响下活动范围达0.5～2.0cm，并且个体的差异性很大。为了减少呼吸运动造成的不利后果，传统解决方案一般采用等中心位移和呼吸门控等手段，这些方法因对患者的呼吸和状态要求严格，治疗效率低，正常组织仍然受到照射伤害而未能得到持续的发展，因此研究胸腹腔体表与体内肿瘤的运动规律并建立联系是解决肿瘤精确定位和放疗导航的最佳手段。

人体胸腹腔运动模拟装置通过运动机构再现胸腹腔体表与体内肿瘤的运动，从而服务于数据获取和模型验证。现有的由呼吸引起的人体胸腹腔运动模拟装置有直线滑台驱动型模拟器、高仿真人体模拟器等。然而高仿真人体模拟器由于内部结构复杂，不方便直接获取内部肿瘤的运动轨迹信号。直线滑台驱动型模拟器，有的只能模拟胸壁的二维运动，有的可以模拟胸壁的三维运动但是无法实现胸壁运动和肿瘤运动的关联。现有的人体呼吸模拟装置均无法准确的模拟胸腹腔体表与体内肿瘤的三维关联性运动。

因此有必要开发一种新型的具有三维运动的胸壁和内部肿瘤运动模拟器，且两者之间的运动具有关联性，为呼吸跟踪准确定位研究提供更为准确的运动模型。

发明内容

本发明目的是提供一种由呼吸引起的人体胸腹腔运动模拟装置，再现人体呼吸时胸壁体表和体内肿瘤的关联性三维运动，为解决肿瘤放疗呼吸跟踪定位研究提供准确的运动模型，并验证呼吸运动补偿对于图像引导的放射疗法的精确定位作用。

本发明的技术方案是：一种由呼吸引起的人体胸腹腔运动模拟装置，包括工作台，依次设于所述工作台上的底座和支架，设于所述底座上的驱动电机，通过联轴器与所述驱动电机输出端连接的丝杆，设于所述丝杆上、并可随丝杆的转动而左右移动的滑块，垂直设置于所述滑块顶部的推板；设于所述支架上的针筒筒体，设于所述针筒筒体内的针筒活塞以及与所述针筒活塞外部连接的推杆；所述推杆与所述推板固定连接，同时在所述针筒筒体的针嘴处设有模拟体内用气球，在所述模拟体内用气球外侧套有模拟体表用气球。

作为优选的技术方案，在所述模拟体内用气球和所述模拟体表用气球上均设有用于采集当前位置信号的反光球体。

作为优选的技术方案，还包括控制装置，所述控制装置包括与所述驱动电机电连接的微控制器，以及与所述微控制器和所述驱动电机连接的电源转换器。

作为优选的技术方案，在所述底座上两对称设置丝杆固定座，在两丝杆固定座上、位于丝杆两侧分别设有两导向杆，所述滑块套装于所述两导向杆上。

作为优选的技术方案，所述驱动电机为步进电机。

本发明的具体原理如下：通过驱动电机控制丝杆转动从而带动滑块进行直线运动，推杆推动针筒活塞对模拟体内用气球进行打气或者吸气，从而控制模拟体内用气球和模拟体表用气球上的反光球体运动，模拟体表用气球上的反光球体用于模拟人体胸壁体表的运动，模拟体内用气球上的反光球体模拟人体体内肿瘤的运动，胸壁运动相位落后于肿瘤的运动，其幅值亦有所衰减，并维持震荡的往复运动，符合真实人体呼吸运动时胸壁体表和体内肿瘤运动的相关规律，由此模拟人体胸壁和体内肿瘤的三维运动，且使两者具有相关性，为后续进行体表和肿瘤运动规律的研究提供了一个更为接近真实的模拟装置，同时模拟肿瘤球体和模拟胸壁球体设计为开放的位置式，更加方便胸壁运动和模拟肿瘤球体运动信号的同步获取。

本发明的优点是：本发明不仅结构简单、操作简单、原理简单，而且克服了现有技术的缺陷，弥补二维、三维直线滑台驱动型模拟器的不足，再现人体呼吸时胸壁体表和体内肿瘤的关联性三维运动，为解决肿瘤放疗呼吸跟踪定位研究提供准确的运动模型和验证工具，以作为医疗示教或科研仪器，并能验证呼吸运动补偿对于图像引导的放射疗法的精确定位作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中：1底座，2支架，3驱动电机，4联轴器，5丝杆，6滑块，7推板，8针筒筒体，9推杆，10模拟体内用气球，11模拟体表用气球，12丝杆固定座，13导向杆。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：参照图1所示，一种由呼吸引起的人体胸腹腔运动模拟装置，包括工作台，依次设于工作台上的底座1和支架2，设于底座1上的驱动电机3(该驱动电机3为步进电机)，通过联轴器4与驱动电机3输出端连接的丝杆5，设于丝杆5上、并可随丝杆5的转动而左右移动的滑块6，垂直设置于滑块6顶部的推板7；设于支架2上的针筒筒体8，设于针筒筒体8内的针筒活塞以及与针筒活塞外部连接的推杆9；该推杆9与推板7固定连接，同时在针筒筒体8的针嘴处设有模拟体内用气球10，在模拟体内用气球10外侧套有模拟体表用气球11，在模拟体内用气球10和模拟体表用气球11上均设有用于采集当前位置信号的反光球体，该反光球体作为NDI光学运动捕捉设备的追踪目标，其运动会被记录。

本发明在底座1上两对称设置丝杆固定座12，在两丝杆固定座12上、位于丝杆5两侧分别设有两导向杆13，滑块6套装于两导向杆13上。

本发明还包括控制装置，该控制装置包括与驱动电机3电连接的微控制器，以及与微控制器和驱动电机3连接的电源转换器，该电源转换器可将220V交流电转换为供微控制器和驱动电机3使用的直流电，该微控制器通过通信接口模块接收上位机的指令，并将其解算成驱动电机3的运动控制信号，最终通过丝杠5将驱动电机3的旋转运动转换为直线运动，其直线运动精度为0.033mm。

本发明的上位机是一台控制器，通过控制丝杆5一个周期(使针筒打气、吸气各一次)的运动位移来模拟人体呼吸一次的呼吸气的量的大小，通过运动位移和运动速度的变化来模拟人体呼吸气一次所需的时间，模拟得出一系列规律或者不规律的体表呼吸运动轨迹，作为由呼吸引起的人体胸腹腔运动模拟装置的运动指令。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种由呼吸引起的人体胸腹腔运动模拟装置，其特征在于：包括工作台，依次设于所述工作台上的底座(1)和支架(2)，设于所述底座(1)上的驱动电机(3)，通过联轴器(4)与所述驱动电机(3)输出端连接的丝杆(5)，设于所述丝杆(5)上、并可随丝杆(5)的转动而左右移动的滑块(6)，垂直设置于所述滑块(6)顶部的推板(7)；设于所述支架(2)上的针筒筒体(8)，设于所述针筒筒体(8)内的针筒活塞以及与所述针筒活塞外部连接的推杆(9)；所述推杆(9)与所述推板(7)固定连接，同时在所述针筒筒体(8)的针嘴处设有模拟体内用气球(10)，在所述模拟体内用气球(11)外侧套有模拟体表用气球。

2.根据权利要求1所述的由呼吸引起的人体胸腹腔运动模拟装置，其特征在于：在所述模拟体内用气球(10)和所述模拟体表用气球(11)上均设有用于采集当前位置信号的反光球体。

3.根据权利要求1所述的由呼吸引起的人体胸腹腔运动模拟装置，其特征在于：还包括控制装置，所述控制装置包括与所述驱动电机(3)电连接的微控制器，以及与所述微控制器和所述驱动电机(3)连接的电源转换器。

4.根据权利要求1所述的由呼吸引起的人体胸腹腔运动模拟装置，其特征在于：在所述底座(1)上两对称设置丝杆固定座(12)，在两丝杆固定座(12)上、位于丝杆(5)两侧分别设有两导向杆(13)，所述滑块(6)套装于所述两导向杆(13)上。

5.根据权利要求1所述的由呼吸引起的人体胸腹腔运动模拟装置，其特征在于：所述驱动电机(3)为步进电机。