CN107174753A - 多机械臂式术中放射治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多机械臂式术中放射治疗装置，可包括：基座；主机械臂，安装于所述基座上，用于移动安装在其末端的辐射头；第一机械臂，安装于所述基座上，具有用于夹持成像设备或治疗限光筒的第一机械臂末端夹持器；以及第二机械臂，安装于所述基座上，具有用于夹持模拟限光筒的第二机械臂末端夹持器。本发明能在术中放疗前利用机械臂带动成像装置对瘤床进行三维成像，并以此为基础准确确定靶区位置以及靶区与周围正常组织和重要器官的关系，更精确地确定照射剂量和时间，有利于减小术中放疗并发症和放射性引起的毒副作用。通过多机械臂协同工作，利用自动控制技术，可大幅度减小临床医生工作量，提高摆位精度，有利于实现精确术中放疗。

Description

多机械臂式术中放射治疗装置

技术领域

本发明总体上涉及放射治疗医学领域，更特别地，涉及一种多机械臂式术中放射治疗装置。

背景技术

手术中放射治疗(可简称术中放疗)是肿瘤放射治疗技术之一，是指经手术切除肿瘤病灶之后，借助手术暴露不能切除的病灶，对术后瘤床、残存灶、淋巴引流区或原发病灶，应用高能电子束射线通过手术视野进行大剂量照射。这种治疗方法可用来替代传统的外放射治疗，可广泛应用于头颈部、胸部、腹部、盆腔肿瘤的联合治疗中。早期的术中放疗都是利用常规加速器进行治疗，这需要将已经手术暴露的患者从手术室移动到放疗科治疗机房接受手术放疗，这一过程极大地增加了手术的风险，而且放疗机房的环境也增加了手术风险，因此极大地限制了术中放疗的普及和推广。

直到九十年代后期，意大利Hitesys S.P.A.首先推出名为NOVAC7的移动式术中放疗装置，题为“AN APPARATUS FOR THE ACCELERATION OF ELECTRONS,PARTICULARLY FORINTRAOPERATIVE RADIATION THERAPY”的美国专利No.5,635,721详细介绍了该装置。它采用重量轻、体积小的电子直线加速器，可直接移动至手术室进行术中放疗。电子直线加速器辐射头由机械臂支撑，并且可在六个轴方向上自由移动，通过自动控制技术，机械臂可带动辐射头移动至手术视野，瞄准瘤床位置，实施术中放疗。

之后，美国Intraop Medical Inc.推出了名为MOBETRON的可移动电子直线加速器，题为“INTRAOPERATIVE ELECTRON BEAM THERAPY SYSTEM AND FACILITY”的美国专利No.5,321,271详细介绍了这种专门用于术中放疗的可移动电子直线加速器。它采用C形臂支撑和移动直线加速器辐射头，并通过自动控制方式将辐射头移动至手术视野，瞄准瘤床进行电子束照射。

题为“手术中放射治疗装置”的中国发明专利ZL2003101080912公开了一种新型手术中放射治疗装置。该装置的特征是采用CT和MRI影像三维重建软件重建肿瘤病人病灶部位的三维立体图像，采用模拟放射线入射病灶的模拟技术，确定电子束入射病灶的方向、角度、位置。电子直线加速器的辐射头通过运动机架固定在手术室的天花板上，通过移动运动机架和手术床，可将辐射头放置在预先设定的治疗位置进行术中放疗。

以上公开的几种放疗装置的特点均是通过特殊设计缩小电子直线加速器的重量和体积，并采用多自由度机械运动装置实现加速器辐射头的任意角度照射，涉及到机器人技术，多运动自由度自动控制技术，以及制造低重量、小体积电子直线加速器技术，代表了目前最尖端的技术水平。

尽管如此，上述技术仍存在以下缺陷，首先，在临床应用中缺乏三维立体定向技术和装置，仅依靠临床外科医生和放疗医生肉眼观察确定瘤床位置，或手术前通过CT或MRI影像辅助确定，无法在瘤床暴露状态下准确确定病灶位置、角度、方向，以及与周围正常组织和重要器官的关系，进而无法设定电子束入射的最佳路径和方向，以及电子束的发射功率和照射时间等。其次，在临床治疗时，需要放疗医生首先手动将限光筒安放在患者需要照射的部位，再通过固定装置将其固定在手术床上，之后再一边遥控加速器辐射头移动，一边观察激光定位标记点，使得射束中轴与限光筒中心轴对准，最后再进行治疗，上述步骤复杂繁琐，工作量大，耗时长，增加了术中放疗的风险，且辐射头定位精度难以保证，不利于实现精确术中放疗。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种多机械臂式术中放射治疗装置，该术中放疗装置以超声或其他成像技术对术中放疗进行引导，避免电子线对病人正常组织和重要器官的损伤，能够更好地实现对病灶的准确定位，更加精确的给定照射剂量和照射时间，有利于减小术中放疗并发症和放射性引起的毒副作用。通过多机械臂协同工作，利用自动控制技术，可大幅度减小临床医生工作量，并提高直线加速器辐射头、限光筒的摆位精度，有利于实现精确术中放疗。

根据本发明一示例性实施例，一种多机械臂式术中放射治疗装置可包括：基座；主机械臂，安装于所述基座上，用于移动安装在其末端的辐射头；第一机械臂，安装于所述基座上，具有用于夹持成像设备或治疗限光筒的第一机械臂末端夹持器；以及第二机械臂，安装于所述基座上，具有用于夹持模拟限光筒的第二机械臂末端夹持器。

在一些示例中，所述第一机械臂和所述第二机械臂分别位于所述主机械臂的相对两侧。

在一些示例中，所述基座包括基座主体和固定连接到所述基座主体的两侧的第一支撑腿和第二支撑腿，所述第一支撑腿和所述第二支撑腿上安装有二维运动平台，所述二维运动平台上安装有射线阻挡器。

在一些示例中，所述基座主体、所述第一支撑腿和所述第二支撑腿下方安装有四个或更多个脚轮以便于移动所述多机械臂式术中放射治疗装置。

在一些示例中，所述主机械臂、所述第一机械臂和所述第二机械臂中的每个都具有多自由度串联机械臂架构。

在一些示例中，所述主机械臂、所述第一机械臂和所述第二机械臂中的每个都具有六自由度串联机械臂架构。

在一些示例中，所述第二机械臂配置为利用第二机械臂末端夹持器夹持模拟限光筒，并且移动所述模拟限光筒以对准手术视野内的预照射区域。

在一些示例中，所述第一机械臂配置为利用第一机械臂末端夹持器夹持成像设备，并且将所述成像设备移动至所述模拟限光筒内以对所述预照射区域进行成像，所获得的图像被用于规划放射治疗方案。

在一些示例中，所述第一机械臂还配置为利用第一机械臂末端夹持器夹持治疗限光筒，并且根据所规划的放射治疗方案将所述治疗限光筒定位于所述模拟限光筒内。

在一些示例中，所述主机械臂配置为根据所规划的治疗方案，移动所述辐射头以与所述治疗限光筒的上端面贴合，从而进行放射治疗。

在一些示例中，从成像阶段至放射治疗阶段，所述第二机械臂配置为将所述模拟限光筒保持在固定位置。

根据本发明另一示例性实施例，一种多机械臂式术中放射治疗装置包括：基座；基座主体及固连于基座主体两侧的左支撑腿和右支撑腿；主机械臂的底座固连于所述基座主体上部；直线加速器辐射头固连在所述主机械臂的末端；左机械臂的底座固连于所述基座主体左侧；左机械臂末端夹持器固连于所述左机械臂的末端，用于夹持超声探头或其他成像设备；右机械臂的底座固连于所述基座主体右侧；以及右机械臂末端夹持器固连于所述右机械臂的末端，用于夹持模拟限光筒。

在一些示例中，所述基座主体底部装有两个脚轮，所述左、右支撑腿下方各装有一个脚轮，所述脚轮为电机驱动的普通脚轮或万向脚轮，并且由电机驱动将所述多机械臂式术中放射治疗装置平移至任意指定位置并固定。

在一些示例中，所述主机械臂可采用六自由度串联机械臂架构，所述主机械臂各关节均通过电机驱动，且各关节均装有位置检测传感器，所述主机械臂可带动所述直线加速器辐射头运动至任意所需的位置和角度。

在一些示例中，所述左机械臂可采用六自由度串联机械臂架构，所述左机械臂各关节均通过电机驱动，且各关节均装有位置检测传感器。

在一些示例中，所述左机械臂夹持器可自动或手动更换为夹持治疗限光筒，所述左机械臂可带动所述成像设备或治疗限光筒运动至任意所需的位置和角度。

在一些示例中，所述右机械臂可采用六自由度串联机械臂架构，所述右机械臂各关节均通过电机驱动，且各关节均装有位置检测传感器，所述右机械臂可工作在助力模式，辅助临床医生手动将模拟限光筒摆放至任意位置和角度。

在一些示例中，所述多机械臂式术中放射治疗装置还包括：二维运动平台和射线阻挡器，所述二维运动平台安装在基座的两个支撑腿上，所述射线阻挡器安装在所述二维运动平台上，所述二维运动平台可带动所述射线阻挡器进行x、y方向的直线运动。

在一些示例中，所述射线阻挡器为具有一定厚度的长方形金属平板。

在一些示例中，所述多机械臂式术中放射治疗装置还包括：固定在手术室内的治疗床，所述治疗床可进行升降和旋转运动。

本发明的有益效果是：在进行术中放疗前，可利用机械臂带动超声探头或其他成像设备对瘤床进行三维成像，并以获得的图像为基础准确确定肿瘤靶区位置，以及靶区与周围正常组织和重要器官的关系，进而通过术中放疗计划系统设计术中放疗计划，更加科学合理的确定电子束照射角度、方向、位置，以及照射剂量和照射时间；由于三个机械臂均安装在同一基座上，可建立统一的位置坐标系，通过超声或其他设备成像获得的肿瘤位置可方便、准确的和直线加速器辐射头位置建立联系，进而引导主机械臂带动直线加速器辐射头多方位高精确地对准肿瘤靶区；通过机械臂可辅助完成模拟限光筒、治疗限光筒的摆位，省去很多繁杂的手动操作，可大幅度减轻临床医生负担，节省治疗时间，降低术中放疗的风险。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的多机械臂式术中放射治疗装置的初始状态示意图；

图2为根据本发明一实施例的多机械臂式术中放射治疗装置的定位状态示意图；

图3为根据本发明一实施例的多机械臂式术中放射治疗装置的成像状态示意图；

图4为根据本发明一实施例的多机械臂式术中放射治疗装置的治疗状态示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

图1示出根据本发明一实施例的多机械臂式术中放射治疗装置，其处于初始的收起状态，以便于多机械臂式术中放射治疗装置的运送。

如图1所示，根据本发明一实施例的多机械臂式术中放射治疗装置包括：基座100、主机械臂200、直线加速器辐射头300、左机械臂401、左机械臂末端夹持器402、右机械臂501、右机械臂末端夹持器502、二维运动平台601、射线阻挡器602。

基座100包括基座主体101，以及固定连接于基座主体两侧的左支撑腿102和右支撑腿103。优选的，基座主体101底部可以装有脚轮，例如图1所示的两个脚轮104，左、右支撑腿下方各装有一个脚轮，脚轮可以为电机驱动的普通脚轮或万向脚轮，医生可以通过遥控控制四个脚轮的电机，将该多机械臂式术中放射治疗装置运送到手术室内指定的治疗位置并固定。

主机械臂200的底座固定连接于基座主体101上部，优选地，主机械臂200采用但不限于六自由度串联机械臂架构，主机械臂200各关节均通过电机驱动，且各关节处均装有位置检测传感器用于实时监测各关节的转动角度。

直线加速器辐射头300固定连接于主机械臂200的末端，通过自动控制技术，主机械臂200可带动直线加速器辐射头300运动至任意所需的位置和角度。

左机械臂401的底座固定连接于基座主体101左侧，优选地，左机械臂401采用但不限于六自由度串联机械臂架构，左机械臂401的各关节均可通过电机驱动，且各关节均可装有位置检测传感器，用于实时监测各关节的转动角度，左机械臂末端夹持器402固定连接于左机械臂401的末端。优选地，左机械臂末端夹持器402可加持超声探头403或其他成像设备，也可自动或手动地更换为夹持所述的治疗限光筒404。通过自动控制技术，左机械臂401可带动超声探头403或治疗限光筒404运动至任意所需的位置和角度。

右机械臂501的底座固定连接于基座主体101右侧，优选地，右机械臂501采用但不限于六自由度串联机械臂架构，右机械臂501的各关节均可通过电机驱动，且各关节处均可装有位置检测传感器，用于实时检测各关节的转动角度，右机械臂末端夹持器502固定连接于右机械臂501的末端，用于夹持模拟限光筒503。优选地，右机械臂501可工作在助力模式，辅助临床医生手动将模拟限光筒503摆放至所需的任意位置和角度。

虽然上面描述了主机械臂200、左机械臂401和右机械臂501每个均具有六自由度串联机械臂架构，但是应理解，本发明不限于此。而是，通过位置设计等，每个机械臂均具有多自由度即可，例如2自由度、3自由度、4自由度等，其中3自由度以上是优选的，更优选地4自由度以上，例如6自由度，从而可以实现对相关组件的方便操纵，实现不同的位置、取向等。应理解，机械臂的结构及其精确控制是该技术领域中已知并且成熟的技术，因此这里不再详细描述。

二维运动平台601安装在基座100的两个支撑腿上，射线阻挡器602为具有一定厚度的长方形金属平板，安装在二维运动平台601上，二维运动平台601可带动射线阻挡器602进行x、y方向的直线运动，使得直线加速器辐射头300射出的电子束中轴线入射到射线阻挡器602的中心位置处或附近。

如图1所示，多机械臂式术中放射治疗装置的各机械臂可处于收起状态，以便于所述术中放射治疗装置的运送，基座100底部的四个轮子104可由电机驱动，医生可通过遥控各轮子驱动电机的运动，将该术中放射治疗装置运送到手术室内指定的治疗位置并固定。

图2示出根据本发明一实施例的多机械臂式术中放射治疗装置，其处于模拟定位状态。如图2所示，右机械臂末端夹持器502可以夹持模拟限光筒503，治疗床700固定在手术室内，优选地，治疗床700可进行升降和旋转运动。

在一示例中，人体800被固定在治疗床700上，通过移动多机械臂式术中放射治疗装置及转动或升降治疗床700，使人体800处于便于放疗的位置。优选地，右机械臂末端夹持器502夹持有模拟限光筒503，右机械臂501的各运动关节有助力电机和关节位置检测传感器，医生可手动操作右机械臂501带动模拟限光筒503对准人体800手术射野内的预照射范围，模拟限光筒503末端的位置可由右机械臂501的各关节位置传感器准确确定。

图3示出根据本发明一实施例的多机械臂式术中放射治疗装置，其处于成像状态。

在一示例中，左机械臂末端夹持器402夹持有超声探头403或其他成像设备，左机械臂401的各关节可由电机驱动，自动控制系统可根据模拟限光筒503的末端位置参数，驱动左机械臂401带动超声探头403或其他成像设备进入模拟限光筒503内。左机械臂401的各运动关节有位置检测传感器，可通过空间位置解算算法，实时确定超声探头403或其他成像设备的位置，并进一步确定图像内肿瘤、正常组织和重要器官等的位置，进而物理师可利用放疗计划系统及获得的图像，设计术中放疗计划，确定电子束照射角度、方向、位置，以及照射剂量和照射时间。

优选地，在获得靶区图像后，左机械臂401可自动地将超声探头403或其他成像设备由模拟限光筒503内移出，并自动或人工地将超声探头403或其他成像设备更换为治疗限光筒404，以便于接下来的放射治疗。优选地，左机械臂末端夹持器402既可夹持超声探头403或其他成像设备，也可夹持治疗限光筒404。

图4示出根据本发明一实施例的多机械臂式术中放射治疗装置，其处于治疗状态。

如图4所示，左机械臂末端夹持器402可夹持超声探头403或其他成像设备，也可自动或手动地更换为夹持治疗限光筒404，通过自动控制技术，左机械臂401可带动超声探头403或治疗限光筒404运动至任意所需的位置和角度。

在一示例中，获得靶区图像后，左机械臂夹持器402可自动地将超声探头403或其他成像设备由模拟限光筒503内移除，并自动或人工地将超声探头403或其他成像设备更换为治疗限光筒404，以便于接下来的放射治疗。

在一示例中，左机械臂末端夹持器402夹持有治疗限光筒404，左机械臂夹持器402可自动的将治疗限光筒404放置在模拟限光筒503内，治疗限光筒404的摆放角度、方向、位置由术中放疗计划系统确定。优选地，主机械臂201自动地带动直线加速器辐射头300按照放疗计划系统确定的照射角度、方向与治疗限光筒404上端面贴合。优选地，二维运动平台601可自动地进行二维平面运动，从而带动射线阻挡器602运动到一定位置，使得电子线束中心入射到射线阻挡器602的几何中心位置或其附近，以衰减或阻挡穿过人体和治疗床床板的射线。

从上面描述的成像阶段至放射治疗阶段，右机械臂501可以将模拟限光筒503的位置固定不动，并且多机械臂系统可基于模拟限光筒503的位置来建立坐标系，也就是说，从成像阶段一直到放射治疗阶段的各种操作都是在同一坐标系中进行的。这样可以提高各种操作的一致性，从而改善术中方案的精确度。

优选地，术中放射治疗结束后，主机械臂201可自动地将直线加速器辐射头300返回至图1所示的待机位置，左机械臂夹持器402可自动地将治疗限光筒404从模拟限光筒503中移除，并返回至图2所示的待机位置。最后，临床医生在右机械臂501助力作用下，手动将模拟限光筒503从人体800的手术视野移至待机位置，完成术中放疗。

上面已经参照特定实施例描述了本发明的原理。本领域技术人员将理解的是，本发明并不局限于上述实施例，而是在不脱离本发明的思想和范围的情况下可以进行细节和形式上的许多修改和变化。本发明的范围由所附权利要求及其等价物定义。

Claims (11)

1.一种多机械臂式术中放射治疗装置，包括：

基座(100)；

主机械臂(200)，安装于所述基座上，用于移动安装在其末端的辐射头(300)；

第一机械臂(401)，安装于所述基座上，具有用于夹持成像设备(403)或治疗限光筒(404)的第一机械臂末端夹持器(402)；以及

第二机械臂(501)，安装于所述基座上，具有用于夹持模拟限光筒(503)的第二机械臂末端夹持器(502)。

2.如权利要求1所述的多机械臂式术中放射治疗装置，其中，所述第一机械臂和所述第二机械臂分别位于所述主机械臂的相对两侧。

3.如权利要求1所述的多机械臂式术中放射治疗装置，其中，所述基座(100)包括基座主体(101)和固定连接到所述基座主体的两侧的第一支撑腿(102)和第二支撑腿(103)，所述第一支撑腿和所述第二支撑腿上安装有二维运动平台(601)，所述二维运动平台上安装有射线阻挡器(602)。

4.如权利要求3所述的多机械臂式术中放射治疗装置，其中，所述基座主体、所述第一支撑腿和所述第二支撑腿下方安装有四个或更多个脚轮以便于移动所述多机械臂式术中放射治疗装置。

5.如权利要求1所述的多机械臂式术中放射治疗装置，其中，所述主机械臂、所述第一机械臂和所述第二机械臂中的每个都具有多自由度串联机械臂架构。

6.如权利要求5所述的多机械臂式术中放射治疗装置，其中，所述主机械臂、所述第一机械臂和所述第二机械臂中的每个都具有六自由度串联机械臂架构。

7.如权利要求1所述的多机械臂式术中放射治疗装置，其中，所述第二机械臂配置为利用第二机械臂末端夹持器夹持模拟限光筒，并且移动所述模拟限光筒以对准手术视野内的预照射区域。

8.如权利要求7所述的多机械臂式术中放射治疗装置，其中，所述第一机械臂配置为利用第一机械臂末端夹持器夹持成像设备，并且将所述成像设备移动至所述模拟限光筒内以对所述预照射区域进行成像，所获得的图像被用于规划放射治疗方案。

9.如权利要求8所述的多机械臂式术中放射治疗装置，其中，所述第一机械臂还配置为利用第一机械臂末端夹持器夹持治疗限光筒，并且根据所规划的放射治疗方案将所述治疗限光筒定位于所述模拟限光筒内。

10.如权利要求9所述的多机械臂式术中放射治疗装置，其中，所述主机械臂配置为根据所规划的治疗方案，移动所述辐射头以与所述治疗限光筒的上端面贴合，从而进行放射治疗。

11.如权利要求10所述的多机械臂式术中放射治疗装置，其中，从成像阶段至放射治疗阶段，所述第二机械臂配置为将所述模拟限光筒保持在固定位置。