CN105303945A - 一种人体胸腹腔三维呼吸运动模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人体胸腹腔三维呼吸运动模拟装置，通过转动圆盘一、转动圆盘二和转动圆盘三的转动分别带动偏角杆一、偏角杆二和偏角杆三以相同的角速度转动，并通过连杆一、连杆二和连杆三带动肿瘤模拟块产生三维运动；同时分别固连在弧形凹槽一、弧形凹槽二和弧形凹槽三内的导杆一、导杆二和导杆三，在相应转动圆盘带动下与相应转动圆盘以相同角速度转动；导杆一和导杆二通过相应槽杆和燕尾杆推动胸壁模拟块做X和Y方向的水平运动，导杆三通过推动支撑板，使胸壁模拟块做Z方向竖直运动；其优点为可模拟人体呼吸时胸壁与体内肿瘤的关联性三维运动，为精准放疗的呼吸跟踪研究提供原始数据，也可作为实验平台，验证放疗呼吸跟踪方案的有效性。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械辅助模拟装置领域，具体涉及一种人体胸腹腔三维呼吸运动模拟装置。
背景技术
随着环境污染和生活压力的加剧，癌症已成为困扰人类健康的主要难题之一。对于癌症，手术治疗、化疗和放疗是三大手段，其中放疗由于可以治疗特殊位置肿瘤和对病人身体状态要求低而迅速发展，产生了射波刀等影像引导的立体定位放疗设备。由于放射线的强大杀伤力，需要对肿瘤病灶进行精确定位，而患者的呼吸运动是干扰肿瘤精确定位的主要因素。且与体表的运动呈非线性和时滞关系。这使得在放疗时很难确保射束对目标肿瘤的精确覆盖。传统的控制手段有呼吸门控、主动屏气等，但对患者的呼吸和状态要求严格,且治疗准确率较低。
为解决呼吸带来的肿瘤运动问题，保证放疗的精准性，需要进行精准放疗的呼吸跟踪研究，建立呼吸运动模型以及与之相关联的肿瘤运动模型来对肿瘤位置进行精确定位和预测。
发明内容
本发明目的是提供一种人体胸腹腔三维呼吸运动模拟装置，可模拟人体呼吸时胸壁与体内肿瘤的关联性三维运动，为精准放疗的呼吸跟踪研究提供原始数据，也可作为实验平台，验证放疗呼吸跟踪方案的有效性，以作为医疗示教或科研仪器。
本发明的技术方案是：一种人体胸腹腔三维呼吸运动模拟装置，包括底板，垂直固定于所述底板上的支架杆一、支架杆二和支架杆三；一端垂直固定在所述支架杆三中部的连架杆一，一端垂直固定在所述支架杆三顶部的连架杆二；分别与所述支架杆一和所述支架杆二的顶端转动连接的转动圆盘一和转动圆盘二，与所述连架杆一另一端转动连接的转动圆盘三，分别设于所述转动圆盘一、所述转动圆盘二和所述转动圆盘三上的弧形凹槽一、弧形凹槽二和弧形凹槽三；一端分别与所述转动圆盘一、所述转动圆盘二和所述转动圆盘三同轴固定连接的偏角杆一、偏角杆二和偏角杆三；与所述偏角杆一、所述偏角杆二和所述偏角杆三的另一端分别转动连接的连杆一、连杆二和连杆三，与所述连杆一、所述连杆二和所述连杆三转动连接的肿瘤模拟块；一端分别固定于所述弧形凹槽一、所述弧形凹槽二和所述弧形凹槽三内的导杆一、导杆二和导杆三；与所述导杆一和导杆二的另一端滑动连接的槽杆一和槽杆二，与所述导杆三另一端转动连接的支撑板；分别与所述槽杆一和所述槽杆二固定连接的燕尾杆一和燕尾杆二；设于所述支撑板上、且与所述燕尾杆一和燕尾杆二的燕尾部分相配合的胸壁模拟块；以及与所述支撑板通过4根弹簧连接的顶板，所述顶板固定连接于所述连架杆二上。
作为优选的技术方案，在所述胸壁模拟块和肿瘤模拟块上分别设有用于采集所述胸壁模拟块和所述肿瘤模拟块当前位置信号的反光球体。
作为优选的技术方案，所述胸壁模拟块与所述支撑板之间采用平面副方式连接。
作为优选的技术方案，所述燕尾杆一和所述燕尾杆二垂直设置。
作为优选的技术方案，所述槽杆一和所述槽杆二分别与所述燕尾杆一和燕尾杆二垂直固定连接。
作为优选的技术方案，所述槽杆一和所述槽杆二分别与所述导杆一和导杆二的另一端通过螺栓滑动连接。
本发明的具体原理如下：
通过转动圆盘一、转动圆盘二和转动圆盘三的转动分别带动偏角杆一、偏角杆二和偏角杆三以相同的角速度转动，并通过连杆一、连杆二和连杆三带动肿瘤模拟块产生三维运动；同时分别固连在弧形凹槽一、弧形凹槽二和弧形凹槽三内的导杆一、导杆二和导杆三，在相应转动圆盘的带动下与相应的转动圆盘以相同的角速度转动；导杆一和导杆二通过相应的槽杆和燕尾杆推动胸壁模拟块做X和Y方向的水平运动，导杆三通过推动支撑板，使胸壁模拟块做Z方向竖直运动。通过控制导杆一、导杆二和导杆三与分别对应的偏角杆一、偏角杆二和偏角杆三之间的夹角，改变肿瘤模拟块和胸壁模拟块间的相位差，肿瘤模拟块和胸壁模拟块间的幅值关系通过偏角杆一、偏角杆二和偏角杆三的长度和相应的转动圆盘上弧形凹槽到圆心距离之比来控制，因此，肿瘤模拟块和胸壁模拟块在三维运动时具有运动相关性之外，还可拥有一定的相位差与幅值比，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。
本发明的优点是：本发明整体采用刚性连接，使装置结构紧凑严谨，采用转动圆盘一、转动圆盘二和转动圆盘三进行三个方向独立传动，实现了模拟肿瘤和胸壁的关联性三维运动，弥补了现有一维、二维模型的缺陷，同时操作简单方便，为解决肿瘤放疗呼吸跟踪研究提供更为准确的运动模型，以作为医疗示教或科研仪器，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。
附图说明
图1为本发明人体胸腹腔三维呼吸运动模拟装置的结构立体图；
图2为本发明人体胸腹腔三维呼吸运动模拟装置的结构侧视图；
图3为本发明人体胸腹腔三维呼吸运动模拟装置的结构主视图；
其中：1底板，2支架杆一，3支架杆二，4支架杆三，5连架杆一，6连架杆二，7转动圆盘一，8转动圆盘二，9转动圆盘三，10弧形凹槽一，11弧形凹槽二，12弧形凹槽三，13偏角杆一，14偏角杆二，15偏角杆三，16连杆一，17连杆二，18连杆三，19肿瘤模拟块，20导杆一，21导杆二，22导杆三，23槽杆一，24槽杆二，25支撑板，26燕尾杆一，27燕尾杆二，28胸壁模拟块，29弹簧，30顶板。
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至3所示，一种人体胸腹腔三维呼吸运动模拟装置，包括底板1，垂直固定于底板1上的支架杆一2、支架杆二3和支架杆三4；一端垂直固定在支架杆三4中部的连架杆一5，一端垂直固定在支架杆三4顶部的连架杆二6；分别与支架杆一2和支架杆二3的顶端转动连接的转动圆盘一7和转动圆盘二8，与连架杆一5另一端转动连接的转动圆盘三9，分别设于转动圆盘一7、转动圆盘二8和转动圆盘三9上的弧形凹槽一10、弧形凹槽二11和弧形凹槽三12；一端分别与转动圆盘一7、转动圆盘二8和转动圆盘三9同轴固定连接的偏角杆一13、偏角杆二14和偏角杆三15；与偏角杆一13、偏角杆二14和偏角杆三15的另一端分别转动连接的连杆一16、连杆二17和连杆三18，与连杆一16、连杆二17和连杆三18转动连接的肿瘤模拟块19；一端分别固定于弧形凹槽一10、弧形凹槽二11和弧形凹槽三12内的导杆一20、导杆二21和导杆三22；与导杆一20和导杆二21的另一端滑动连接的槽杆一23和槽杆二24，与导杆三22另一端转动连接的支撑板25；分别与槽杆一23和槽杆二24固定连接的燕尾杆一26和燕尾杆二27；设于支撑板25上、且与燕尾杆一26和燕尾杆二25的燕尾部分相配合的胸壁模拟块28；以及与支撑板25通过4根弹簧29连接的顶板30，该顶板30固定连接于连架杆二6上，同时在胸壁模拟块28和肿瘤模拟块19上分别设有用于采集胸壁模拟块28和肿瘤模拟块19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，连续记录肿瘤模拟块和胸壁模拟块的运动轨迹。
本发明的胸壁模拟块28与支撑板25之间采用平面副方式连接，通过燕尾杆一26和燕尾杆二27的推动，胸壁模拟块28可在支撑板25上做水平运动，通过导杆三22的推动，胸壁模拟块28可沿支架杆三4的轴线方向运动。
本发明的燕尾杆一26和燕尾杆二27垂直设置，同时槽杆一23和槽杆二24分别与燕尾杆一26和燕尾杆二27垂直固定连接，且槽杆一23和槽杆二24分别与导杆一20和导杆二21的另一端通过螺栓滑动连接，并引导导杆一20和导杆二21分别沿着槽杆一23和槽杆二24的轴线方向运动。
本发明的转动圆盘一7、转动圆盘二8和转动圆盘三9分别给它们一定的转速，通过机构运动的传递，使肿瘤模拟块19和胸壁模拟块28产生关联性三维运动，通过NDI对反光球体的信号捕捉，并运用计算机进行数据处理，得到肿瘤模拟块19和胸壁模拟块28具体的运动曲线，其具体原理如下：通过转动圆盘一7、转动圆盘二8和转动圆盘三9的转动分别带动偏角杆一13、偏角杆二14和偏角杆三15以相同的角速度转动，并通过连杆一16、连杆二17和连杆三18带动肿瘤模拟块19产生三维运动；同时分别固连在弧形凹槽一10、弧形凹槽二11和弧形凹槽三12内的导杆一20、导杆二21和导杆三22，在相应转动圆盘的带动下与相应的转动圆盘以相同的角速度转动；导杆一20和导杆二21通过相应的槽杆和燕尾杆推动胸壁模拟块28做X和Y方向的水平运动，导杆三22通过推动支撑板25，使胸壁模拟块28做Z方向竖直运动。运动前可手动改变导杆一20、导杆二21和导杆三22在其分别对应的弧形凹槽内的位置，以控制导杆一20、导杆二21和导杆三22与分别对应的偏角杆一13、偏角杆二14和偏角杆三15之间的夹角，改变肿瘤模拟块19和胸壁模拟块28间的相位差，肿瘤模拟块19和胸壁模拟块20间的幅值关系通过偏角杆一13、偏角杆二14和偏角杆三15的长度和相应的转动圆盘上弧形凹槽到圆心距离之比来控制，因此肿瘤模拟块19和胸壁模拟块28在三维运动时具有运动相关性之外，还可拥有一定的相位差与幅值比，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。
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 (6)
1.一种人体胸腹腔三维呼吸运动模拟装置，包括底板，其特征在于，还包括垂直固定于所述底板上的支架杆一、支架杆二和支架杆三；一端垂直固定在所述支架杆三中部的连架杆一，一端垂直固定在所述支架杆三顶部的连架杆二；分别与所述支架杆一和所述支架杆二的顶端转动连接的转动圆盘一和转动圆盘二，与所述连架杆一另一端转动连接的转动圆盘三，分别设于所述转动圆盘一、所述转动圆盘二和所述转动圆盘三上的弧形凹槽一、弧形凹槽二和弧形凹槽三；一端分别与所述转动圆盘一、所述转动圆盘二和所述转动圆盘三同轴固定连接的偏角杆一、偏角杆二和偏角杆三；与所述偏角杆一、所述偏角杆二和所述偏角杆三的另一端分别转动连接的连杆一、连杆二和连杆三，与所述连杆一、所述连杆二和所述连杆三转动连接的肿瘤模拟块；一端分别固定于所述弧形凹槽一、所述弧形凹槽二和所述弧形凹槽三内的导杆一、导杆二和导杆三；与所述导杆一和导杆二的另一端滑动连接的槽杆一和槽杆二，与所述导杆三另一端转动连接的支撑板；分别与所述槽杆一和所述槽杆二固定连接的燕尾杆一和燕尾杆二；设于所述支撑板上、且与所述燕尾杆一和燕尾杆二的燕尾部分相配合的胸壁模拟块；以及与所述支撑板通过4根弹簧连接的顶板，所述顶板固定连接于所述连架杆二上。
2.根据权利要求1所述的人体胸腹腔三维呼吸运动模拟装置，其特征在于，在所述胸壁模拟块和肿瘤模拟块上分别设有用于采集所述胸壁模拟块和所述肿瘤模拟块当前位置信号的反光球体。
3.根据权利要求1所述的人体胸腹腔三维呼吸运动模拟装置，其特征在于，所述胸壁模拟块与所述支撑板之间采用平面副方式连接。
4.根据权利要求1所述的人体胸腹腔三维呼吸运动模拟装置，其特征在于，所述燕尾杆一和所述燕尾杆二垂直设置。
5.根据权利要求1所述的人体胸腹腔三维呼吸运动模拟装置，其特征在于，所述槽杆一和所述槽杆二分别与所述燕尾杆一和燕尾杆二垂直固定连接。
6.根据权利要求1所述的人体胸腹腔三维呼吸运动模拟装置，其特征在于，所述槽杆一和所述槽杆二分别与所述导杆一和导杆二的另一端通过螺栓滑动连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |