CN105288869B - 一种用于放疗设备旋转的控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于放疗设备旋转的控制装置和方法，该控制装置用于控制放疗设备的各个旋转负载绕旋转轴同步或异步旋转，控制装置与放疗设备形成全闭环结构，包括：监测模块，用于监测放疗设备的各个旋转负载，并且记录发生旋转偏移时的偏移量；控制模块，用于在监测模块监测到放疗设备的各个旋转负载至少其中之一者发生偏移时，根据偏移量产生消除偏移的校正指令；驱动模块，用于驱动放疗设备的各个旋转负载绕旋转轴旋转，并根据控制模块发出的校正指令，驱动发生偏移的旋转负载移动，以消除偏移。本发明通过监测放疗设备旋转部件的真实转动情况，在其转动发生偏移时及时校正，提高放疗设备的安全性和定位精度。

Description

一种用于放疗设备旋转的控制装置和方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，特别是涉及一种用于放疗设备旋转的控制装置和方法。

背景技术

现有的头部伽玛刀放疗设备中，通常采用旋转源体、准直体等方式式以进行放射源的开源及关源。而源体、准直体等同步旋转或异步旋转精度会影响患者病灶对放射性射线实际吸收剂量的准确性以及剂量场均匀性的控制。

现有的头部伽玛刀放疗设备同步旋转或异步旋转多采用半闭环反馈检测技术，就是通过伺服电机自带的编码器来监测头刀的旋转精度。但是，这种检测方法无法准确的反映刀头旋转时的真实位置，因为电机和负载之间是通过减速机、齿轮等多级传动链组成，每一级传动机构都会将旋转误差放大，最终将会大大降低了头刀旋转精度。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种用于放疗设备旋转的控制装置和方法，能够通过监测放疗设备旋转部件的真实转动情况，在其转动发生偏移时及时校正，提高放疗设备的安全性和定位精度。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供用于放疗设备旋转的控制装置，用于控制放疗设备的各个旋转负载绕旋转轴旋转，控制装置与放疗设备形成全闭环结构，该控制装置包括：监测模块，用于监测放疗设备的各个旋转负载并记录发生旋转偏移时的偏移量；控制模块，用于在监测模块监测到放疗设备的各个旋转负载至少其中之一者发生偏移时，根据偏移量产生消除偏移的校正指令；驱动模块，用于驱动放疗设备的各个旋转负载绕旋转轴旋转，并根据控制模块发出的校正指令，驱动发生偏移的旋转负载移动，以消除偏移。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供用于放疗设备旋转的控制方法，包括：设置放疗设备的旋转负载沿转轴进行旋转，并监测旋转负载并记录发生旋转偏移时的偏移量；在监测到放疗设备的各个旋转负载至少其中之一者发生偏移时，根据偏移量产生消除偏移的校正指令；根据校正指令，驱动发生偏移的旋转负载移动，以消除偏移。

区别于现有技术，利用本发明放疗设备旋转的控制装置对头刀旋转设备载源体、准直体及开关体的旋转进行实际位置监测。同步或异步旋转过程中监测到某个旋转轴发生了偏移，通过监测放疗设备旋转部件的真实转动情况，在其转动发生偏移时及时校正，提高放疗设备的安全性和定位精度。

附图说明

图1是本发明提供的一种用于放疗设备旋转的控制装置的第一实施方式的结构示意图；

图2是本发明提供的一种用于放疗设备旋转的控制装置的第二实施方式的结构示意图；

图3是本发明提供的一种用于放疗设备旋转的控制方法的第一实施方式的流程示意图；

图4是本发明提供的一种用于放疗设备旋转的控制方法的第二实施方式的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

全闭环监测系统和半闭环监测系统是目前自动控制领域常见的监控方法。其中，半闭环监测系统监控的是整个系统最终执行环节的驱动环节，对最终执行机构不作监控；全闭环监测系统监控的是整个系统的最终执行环节，可对系统任一环节造成的误差进行补偿。对于放疗设备，头刀的旋转部件作为最终执行机构，其旋转性能的控制精度与放疗设备剂量场的均匀性以及病灶对反射性射线实际吸收剂量的准确性息息相关，因当利用全闭环监控系统对其进行精确控制。

参阅图1，图1是本发明提供的一种用于放疗设备旋转的控制装置的第一实施方式的结构示意图。控制装置100包括监测模块120、控制模块130和驱动模块140，与放疗设备(图未示)的旋转负载110形成全闭环结构。

本实施例中，所述旋转负载110至少包括依次罩合的载源体111、开关体112和准直体113，载源体111、开关体112和准直体113均为碗状结构，且沿垂直穿过各个碗状结构底部的转轴进行同步或异步旋转。在本实施方式中，因载源体111、开关体112和准直体113依次罩合，因此可认为载源体111、开关体112和准直体113沿相同的转轴进行旋转。监测模块120连接旋转负载110，用以监测载源体111、开关体112和准直体113的旋转情况。优选的，监测模块120使用圆光栅进行监控。当载源体111、开关体112和准直体113在旋转过程中其中的一个或几个旋转发生偏差，即可被监测模块120监测到。监测模块120将载源体111、开关体112和准直体113中发生旋转偏移的偏移量发送到控制模块130。控制模块130根据偏移量计算偏移的旋转负载恢复正常旋转所需校正的校正偏移量，并向驱动模块140发送校正指令，驱动模块140用于在正常的治疗过程中驱动旋转负载的各部件进行旋转，以及根据校正指令，使发生旋转偏移的部件消除偏移，恢复正常旋转。

在本实施方式的放疗设备中，载源体111上设置有放疗用的放射性物质，对人体是有害的。只有精确控制载源体111、开关体112和准直体113三者的旋转，才能进行有效治疗，且不会对医务人员及病患的健康部位造成伤害。首先控制模块130设定旋转负载的载源体111、开关体112和准直体113以一定的速率及方向进行旋转，使患者按治疗计划接收放射性射线的照射。在治疗过程中，监测模块120实时监测载源体111、开关体112和准直体113的旋转情况，载源体111、开关体112和准直体113旋转时所沿的轴线的延伸线垂直穿过监测模块120的环状圆心，当源体111、准直体112和开关体113其中一个或几个的旋转发生偏转时，其旋转所沿的转轴相对于正常旋转时的转轴方位也发生了变化，需要说明的是，本发明所述的偏转包括方向偏转和位置偏转，此时监测模块120监测到旋转发生变化的旋转负载110，将偏移量发送到控制模块130。控制模块130向驱动模块140发送校正指令，该校正指令是载源体110、开关体120和准直体130中任意一个或几个的旋转发生偏移时消除该偏移的指令，驱动模块140根据校正指令，消除偏移，使恢复正常的旋转。

区别于现有技术，利用本发明放疗设备旋转的控制装置对头刀旋转设备载源体、准直体及开关体的旋转进行实际位置监测。同步或异步旋转过程中监测到某个旋转轴发生了偏移，通过监测放疗设备旋转部件的真实转动情况，在其转动发生偏移时及时校正，提高放疗设备的安全性和定位精度。

参阅图2，图2是本发明提供的一种用于放疗设备旋转的控制装置的第二实施方式的结构示意图。控制装置200包括监测模块220、控制模块230和驱动模块240，旋转负载210，与放疗设备(图未示)的旋转负载210形成全闭环结构。

旋转负载210至少包括放疗设备(图未示)的依次罩合的载源体211、开关体212和准直体213，均为碗状结构，且沿垂直穿过各个碗状结构底部的转轴进行同步或异步旋转。三个碗状结构的载源体211、开关体212和准直体213依次罩合，利用旋转控制技术使三个转轴旋转。载源体211、开关体212和准直体213是放疗设备用于发射放射线对病人进行治疗的直接部件，通过三者的相对旋转，可根据预定的治疗计划精确控制放疗设备内放射性物质的开源和关源，如果载源体211、开关体212和准直体213的相对旋转发生偏移，可能会造成医疗事故。

监测模块220用于监控载源体211、准直体212和开关体213的旋转情况，包括监测单元221和警报单元222。监测模块220的监测单元221用于监测载源体211、开关体212和准直体213转轴的旋转，当载源体211、开关体212和准直体213中的任意一个或几个旋转发生偏移，监测模块220的监测单元221记录监测模块220监测到的偏移量。本发明中，涉及的偏移包括位置偏移和角度偏移，位置偏移是指载源体211、开关体212和准直体213旋转的转轴的位置发生平行移动，离开初始的位置，角度偏移是指载源体211、开关体212和准直体213旋转的转轴不再垂直穿过监测模块220的环形表面，而是与垂直方向产生一角度。警报单元222在载源体211、开关体212和准直体213中任意1个或几个的旋转发生偏移后，记录偏移的偏移量，发出警报信号，通知控制模块230。该警报信号中包含监测模块220监测得到的偏移误差的偏移量。在本实施方式中，采用圆光栅作为监测模块，可精确反馈旋转偏移误差，对载源体211、准直体212和开关体213旋转的转轴进行数字化控制，使任何时刻转轴的实际位置严格保持固定，从而保证载源体211、开关体212和准直体213的旋转具有很高的动、稳态精度。载源体211、开关体212或准直体213旋转发生位置偏移或角度偏移，其偏移误差值均可被圆光栅准确捕捉，通知控制模块230进行后续的校正。

在本实施方式中，于检测模块220进行监测之前，在控制模块230中设定一虚拟旋转轴233，使之与载源体211、开关体212和准直体213旋转的转轴均为平行或重叠，且虚拟旋转轴233是虚拟的，人眼无法观察，而且其位置固定不变。通过该虚拟旋转轴233，使载源体211、开关体212和准直体213旋转的物理轴分别与之平行设置，最终实现了载源体211、开关体212和准直体213旋转的物理轴平行甚至重叠。

控制模块230包括接收单元231和命令单元232。控制模块230的接收单元231接收该警报信号，根据警报信号解析得到偏移量，命令单元232根据该偏移量生成一校正指令，该校正指令是根据警报信号中包含的偏移量生成的消除偏移的指令，包含控制模块230根据旋转负载210的偏移量计算其恢复正常旋转所需校正的校正偏移量，生成校正指令后命令模块232将该校正指令传输到驱动模块240。

驱动模块240包括第一驱动单元241、第二驱动单元242和第三驱动单元243，第一驱动单元241、第二驱动单元242和第三驱动单元243分别用于驱动载源体211、开关体212和准直体213的旋转，驱动模块240通过一电源(图未示)为其供电。同时在接收到命令单元232传输的校正指令时，第一驱动单元241、第二驱动单元242和第三驱动单元243同时解析该校正指令，确认对应的载源体211、准直体212及开关体213的旋转是否发生偏移，在确认偏移后根据校正指令中的修正方法，消除偏移，使之恢复正常旋转。

进一步，可在第一驱动单元241、第二驱动单元242和第三驱动单元243内部分别设置一监测模块220，本实施方式中监测模块220使用圆光栅，圆光栅为环状结构，且载源体211、准直体212及开关体213旋转时的转轴均垂直于环状结构的圆面，且垂直穿过其圆心。各个圆光栅监测到放疗设备的载源体211、准直体212及开关体213旋转发生偏移时时，向控制模块230发出警报信号，以待控制模块230根据监测模块220得到的偏移量，计算发生偏移的旋转负载恢复正常旋转的校正偏移量，最终由驱动模块240中相应的驱动单元消除偏移。

区别于现有技术，利用本发明放疗设备旋转的控制装置对头刀旋转设备载源体、准直体及开关体的旋转进行实际位置监测。同步或异步旋转过程中监测到某个旋转轴发生了偏移，通过监测放疗设备旋转部件的真实转动情况，在其转动发生偏移时及时校正，提高放疗设备的安全性和定位精度。

参阅图3，图3是本发明提供的一种用于放疗设备旋转的控制方法的第一实施方式的流程示意图。该方法的步骤包括：

S301：设置放疗设备的旋转负载沿转轴进行旋转，并监测旋转负载并记录发生旋转偏移时的偏移量。

放疗设备在正常工作的过程中，载源体、开关体和准直体均为碗状结构，且依次罩合，通过不同的驱动电机控制，三者沿垂直穿过各个碗状结构底部的转轴进行旋转，同时三者之间可进行相对旋转。只有精确控制载源体、开关体和准直体三者的旋转，才能进行有效治疗，可根据预定的治疗计划精确控制放疗设备内放射性物质的开源和关源，而不会对医务人员及病患的健康部位造成伤害。

在载源体、准直体和开关体工作过程中，通过一圆光栅监测三者的旋转情况，圆光栅为环状结构。因载源体、准直体和开关体依次罩合，所以在旋转时，各自旋转所沿的转轴重合于同一直线上。设置该圆光栅环状结构的圆面垂直于载源体、准直体和开关体旋转的转轴所在直线，且该直线垂直穿过圆面的圆心。进入步骤S302。

S302：在监测到放疗设备的各个旋转负载至少其中之一者发生偏移时，根据偏移量产生消除偏移的校正指令。

圆光栅的位置固定不变，当监测到载源体、开关体和准直体旋转的转轴与圆光栅的相对位置发生变化，如载源体、开关体或准直体旋转的转轴所在直线不再垂直于圆光栅环状结构的圆面，或者该直线不垂直穿过圆面的圆心时，可以确定是载源体、开关体或准直体的旋转相较正常工作时发生偏移，需进行校正。圆光栅计算偏移量后，根据偏移量计算得到校正指令，该校正指令是消除偏移的指令，包含通过对比偏移误差信息中转轴相对圆光栅的偏移量及预设的转轴相对圆光栅的位置后确定的修正方法。发出校正指令后，进入步骤S303。

S303：根据校正指令，驱动发生偏移的旋转负载移动，以消除偏移。

发出校正指令后，驱动载源体、开关体及准直体旋转的驱动电机会根据校正指令中的修正方法，消除载源体、开关体及准直体三者旋转过程中发生的偏移，使放疗设备的工作恢复正常。

区别于现有技术，利用本发明放疗设备旋转的控制方法对头刀旋转设备载源体、准直体及开关体的旋转进行实际位置监测。同步或异步旋转过程中监测到某个旋转轴发生了偏移，通过监测放疗设备旋转部件的真实转动情况，在其转动发生偏移时及时校正，提高放疗设备的安全性和定位精度。

参阅图4，图4是本发明提供的一种用于放疗设备旋转的控制方法的第二实施方式的流程示意图。该方法的步骤包括：

S401：设置放疗设备的旋转负载沿转轴进行旋转，并监测旋转负载并记录发生旋转偏移时的偏移量。

与前一实施方式相同，不再赘述。放疗设备进入正常运转后，进入步骤S402。

S402：在监测到放疗设备的各个旋转负载至少其中之一者发生偏移时，发出警报信号。

与前一实施方式相同，利用圆光栅监测放疗设备的载源体、开关体和准直体的旋转情况。圆光栅通过监控虚拟旋转轴与载源体、准直体和开关体旋转所沿的转轴的相对位置，当载源体、准直体和开关体旋转发生偏移时，载源体、准直体和开关体旋转的转轴相对于圆光栅的位置或角度必定发生变化。偏移后，圆光栅确定偏移方式，并计算偏移后的偏移量，向控制器发送警报信号，进入步骤S403。

S403：根据偏移量产生消除偏移的校正指令。

接收到警报信号后，解析该警报信号，得到其中包含的偏移量，根据偏移量生成校正指令。校正指令是在载源体、开关体和准直体至少其中之一者的旋转发生偏移时消除偏移的指令，包含根据偏移量计算偏移的旋转负载恢复正常旋转所需校正的校正偏移量，并附加到校正指令中，将校正指令发送到驱动电机。

S404：根据校正指令，驱动发生偏移的旋转负载移动，以消除偏移。

发出校正指令后，驱动载源体、准直体及开关体旋转的驱动电机会根据校正指令中的校正偏移量，消除载源体、准直体及开关体三者旋转过程中发生的偏移，使放疗设备的工作恢复正常。

区别于现有技术，利用本发明放疗设备旋转的控制方法对头刀旋转设备载源体、准直体及开关体的旋转进行实际位置监测。同步或异步旋转过程中监测到某个旋转轴发生了偏移，通过监测放疗设备旋转部件的真实转动情况，在其转动发生偏移时及时校正，提高放疗设备的安全性和定位精度。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于放疗设备旋转的控制装置，控制放疗设备的各个旋转负载绕旋转轴旋转，所述旋转负载的旋转为同步旋转或异步旋转中的任意一种，其特征在于，所述控制装置与所述放疗设备形成全闭环结构，所述控制装置包括：

监测模块，用于实时监测治疗过程中的所述放疗设备的各个旋转负载并记录所述旋转负载发生旋转偏移时的偏移量；

控制模块，用于在所述监测模块监测到所述放疗设备的各个旋转负载至少其中之一者发生偏移时，根据所述偏移量产生消除所述偏移的校正指令；

驱动模块，用于驱动所述放疗设备的各个旋转负载绕所述旋转轴旋转，并根据所述控制模块发出的所述校正指令，驱动发生偏移的旋转负载移动，以消除偏移。

2.根据权利要求1所述的用于放疗设备旋转的控制装置，其特征在于，所述监测模块包括监测单元和警报单元，所述监测单元用于监测所述旋转负载的旋转轴的旋转；所述警报单元在监测到所述旋转负载至少其中之一者发生偏移时，根据所述偏移量发出警报信号。

3.根据权利要求2所述的用于放疗设备旋转的控制装置，其特征在于，所述控制模块包括接收单元和命令单元，

其中，所述接收单元用于接收所述监测模块发送的警报信号；所述命令单元用于根据所述警报信号，生成校正指令发送到所述驱动模块。

4.根据权利要求3所述的用于放疗设备旋转的控制装置，其特征在于，所述转轴的偏移是位置偏移或角度偏移中的任一种；所述警报信号至少包括发生偏移的转轴的偏移量；所述校正指令是所述控制模块根据所述偏移量，计算发生偏移的旋转负载恢复正常旋转的校正偏移量。

5.根据权利要求4所述的用于放疗设备旋转的控制装置，其特征在于，所述放疗设备的旋转负载包括载源体、开关体和准直体，所述驱动模块至少包括第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元；

所述第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元分别用于驱动所述放疗设备的载源体、开关体和准直体进行同步或异步旋转，且在所述载源体、开关体和准直体至少其中之一者的转轴发生偏移时，根据所述校正指令相应的进行偏移消除。

6.根据权利要求5所述的用于放疗设备旋转的控制装置，其特征在于，所述第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元上分别设置一所述监测模块，其中，所述监测模块为圆光栅。

7.一种用于放疗设备旋转的控制方法，其特征在于，包括：

设置放疗设备的旋转负载沿转轴进行同步或异步旋转，并实时监测治疗过程中的所述旋转负载并记录发生旋转偏移时的偏移量；

在监测到所述放疗设备的各个旋转负载至少其中之一者发生偏移时，根据所述偏移量产生消除所述偏移的校正指令；

根据所述校正指令，驱动发生偏移的旋转负载移动，以消除偏移。

8.根据权利要求7所述的用于放疗设备旋转的控制方法，其特征在于，在监测到所述放疗设备的各个旋转负载至少其中之一者发生偏移时，根据所述偏移量产生消除所述偏移的校正指令的步骤中，在监测到所述放疗设备的旋转负载至少其中之一者发生偏移时，根据所述偏移量向一控制器发出警报信号，所述控制器根据所述警报信号中的所述偏移量生成校正指令，所述校正指令是根据所述偏移量，计算发生偏移的旋转负载恢复正常旋转的校正偏移量。

9.根据权利要求8所述的用于放疗设备旋转的控制方法，其特征在于，所述旋转负载至少其中之一者发生偏移时，偏移的方式是位置偏移和角度偏移的任意一种，计算得到所述偏移的偏移量后随所述警报信号传输到所述控制器，根据所述偏移量计算偏移的旋转负载恢复正常旋转的校正偏移量，以生成所述校正指令。

10.根据权利要求8所述的用于放疗设备旋转的控制方法，其特征在于，通过设置3个圆光栅分别监测所述放疗设备的载源体、开关体和准直体的旋转，并在所述载源体、开关体和准直体其中至少之一者发生偏转时，确定偏转方式并计算偏转量。