CN109224324A - 一种基于堆叠式串行运动学结构的六自由度动态验证装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于堆叠式串行运动学结构的六自由度动态验证装置，包括绕X轴旋转的弧形滑台(1)、绕Y轴旋转的弧形滑台(2)、延Z轴平移的升降台(3)、绕Z轴旋转的旋转平台(4)、延X轴平移运动的水平滑台(5)、延Y轴平移运动的水平滑台(6)、步进电机(7)、步进电机驱动器(8)、驱动控制器(9)、供电电源(10)、运动控制程序(11)和承重支撑平台(12)。本发明运动平台搭载探测器、固体水等可组成动态剂量验证装置，可验证不同方向的呼吸运动对放疗剂量的影响；该运动平台搭载肿瘤模体可验证不同方向的呼吸运动对肿瘤靶区勾画的影响。
Description
技术领域
本发明属于医学器械的技术领域，具体涉及一种基于堆叠式串行运动学结构的六自由度动态验证装置。
背景技术
放射治疗是肿瘤治疗的主要手段之一，而人体的各种生理运动尤其呼吸运动会造成患者实际接收的放疗剂量与放疗计划设计的剂量的差异，最终影响治疗疗效。因此，精确的验证呼吸运动对放疗剂量的影响在放射治疗中是非常重要。
目前，国内外市面上存在各种动态剂量验证装置。根据运动维度，这些动态验证装置分非六自由度运动模体、六自由度运动模体。非六自由度运动模体不能较好的描述肿瘤运动，而六自由度运动模体又有并行和串行两种方式实现六自由度。医科达HexaPod六维治疗床机械精度和运动精度都非常高，使用该装置研究呼吸运动对剂量的影响，需要制造商开放控制接口，而且非专业操作容易造成六维床机械精度损伤，影响放射实施的精度，最重要的是六维治疗床不可移动，无法从放射治疗室运送到CT模拟定位室进行CT扫描。斯图尔特-高夫原型也是一种并行的集成度较高的六自由度运动模体，但其最大不足之处是该模体的金属结构与仿真头模共轴不能进行CT扫描和旋转治疗验证。串行机械结构的六自由度机械臂末端需承载运动模体和探测器，对机械臂的负载能力和连接关节的力矩精度要求高，设计和搭建成本太高。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术无法同时精准评估运动对靶区勾画和放疗剂量验证的影响，提供一种可实现六自由度运动的平台装置，通过堆叠式串行运动学结构实现平台在三维水平方向(X(左右)，Y(前后)，Z(上下))及绕X，Y，Z三维旋转方向(Rx,Ry,Rz)的六个自由度运动。该运动平台搭载探测器、固体水等组成动态剂量验证装置，可验证不同方向的呼吸运动对放疗剂量的影响；该运动平台搭载肿瘤模体可验证不同方向的呼吸运动对肿瘤靶区勾画的影响。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于堆叠式串行运动学结构的六自由度动态验证装置，包括绕X轴旋转的弧形滑台、绕Y轴旋转的弧形滑台、延Z轴平移的升降台、绕Z轴旋转的旋转平台、延X轴平移运动的水平滑台、延Y轴平移运动的水平滑台、步进电机、步进电机驱动器、驱动控制器、供电电源、运动控制程序和承重支撑平台，由绕X轴旋转的弧形滑台、绕Y轴旋转的弧形滑台、延Z轴平移的升降台、绕Z轴旋转的旋转平台、延X轴平移运动的水平滑台、延Y轴平移运动的水平滑台通过堆叠的方式组成六自由度的运动平台，且绕X轴旋转的弧形滑台、绕Y轴旋转的弧形滑台、延Z轴平移的升降台、绕Z轴旋转的旋转平台、延X轴平移运动的水平滑台、延Y轴平移运动的水平滑台分别与步进电机相连，并且步进电机与步进电机驱动器相连，步进电机驱动器与驱动控制器相连，并通过运动控制程序控制六个自由度方向即绕X轴旋转的弧形滑台、绕Y轴旋转的弧形滑台、延Z轴平移的升降台、绕Z轴旋转的旋转平台、延X轴平移运动的水平滑台和延Y轴平移运动的水平滑台运动，所述的绕X轴旋转的弧形滑台和绕Y轴旋转的弧形滑台上下堆叠在一起，上面的为绕X轴旋转的弧形滑台，下面为绕Y轴旋转的弧形滑台，分别产生绕X轴和绕Y轴旋转的旋转运动及其延X、Y和Z方向的水平位移，绕X轴旋转的速度为5.33°/s,最大运动幅度为10°，绕Y轴旋转的速度为6°/s，最大运动幅度为10°，绕X轴旋转的弧形滑台的旋转误差为0.01mm，绕Y轴旋转的弧形滑台的旋转误差为0.09mm。
其中，所述的延Z轴平移的升降台，运动速度为35mm/s，最大运动幅度为20mm，运动误差为-0.006mm。
其中，所述的绕Z轴旋转的旋转平台，绕Z轴旋转的速度为15°/s，最大旋转幅度为30°，旋转误差为-0.11mm。
其中，延X轴平移运动的水平滑台和能产生延Y轴平移运动的水平滑台，运动速度都为50mm/s，运动幅度都为150mm，运动误差为分别为0.13mm和-0.10mm。
其中，所述的步进电机为两相四线的步进电机，需要电压为24V，步进角为1.8°。
其中，所述的步进电机驱动器是一款两相混合式步进电机驱动器，通过六位拨码开关设定七中细分和八档输出电流，步进电机驱动器一端与步进电机连接，另一端与驱动控制器相连，采用共阳极接法；步进电机驱动器把控制器的5V脉冲信号转换为步进电机所需的24V的驱动信号，保证六个自由度可同时工作。
其中，所述的供电电源与步进电机驱动器和驱动控制器相连，为步进电机驱动器提供24V电压，为驱动控制器提供24V和5V电压。
其中，所述的运动控制程序与驱动控制器相连，接口使用COMM串口通信控制类作为和驱动控制器通信的接口类。
其中，所述承重支撑平台为聚氯乙烯板，长100cm，宽35cm，并且前后左右对称装配在运动平台的顶端。
本发明与现有技术相比的区别和优点在于：
(1)呼吸运动会引起相关组织形变，进而产生各个自由度方向的位移，每个方向的位移幅度不同。目前市面上的呼吸运动模体仅能模拟几个自由度的运动，还没出现可同时提供验证呼吸运动对放疗剂量和靶区勾画影响的六个自由度运动模体。为了更好的贴近临床及验证各个自由度呼吸运动对放疗剂量和靶区勾画的影响，本发明在前人研究的基础上通过堆叠式串行运动学结构发明了可实现六个自由度独立或者同步复合运动的动态验证装置，即此运动平台可实现在三维水平方向(X，Y，Z)及绕X，Y，Z三维旋转方向(Rx,Ry,Rz)的六个自由度运动。
(2)为了研究呼吸运动对靶区勾画的影响，但呼吸运动平台底部的金属结构会造成强烈的金属伪影，所以我们把承重支撑面进行延伸，使之承载肿瘤模体的部分能够远离机械底座，避免了金属伪影。为了保证延伸出去的平板的刚性和承载能力，本发明中使用了长100cm，宽35cm的聚氯乙烯板，并且前后左右对称装配在运动平台的顶端。对比其他运动模体，本发明的运动模体既可以方便的研究呼吸运动对放疗剂量的影响，又可以研究呼吸运动对靶区勾画的影响。因此，本发明可研究呼吸运动对整个放疗流程的影响。
(3)此外，本发明采用的机械结构及材料使得各个自由度的测量精度可满足临床研究的要求，且成本低。因此，本发明的装置既经济又实用。
附图说明
图1为本发明的一种基于堆叠式串行运动学结构的六自由度动态验证装置示意图。
图中：1为绕X轴旋转的弧形滑台，2为绕Y轴旋转的弧形滑台，3为延Z轴平移的升降台，4为绕Z轴旋转的旋转平台，5为延X轴平移运动的水平滑台，6为延Y轴平移运动的水平滑台，7为步进电机，8为步进电机驱动器，9为驱动控制器，10为供电电源，11为运动控制程序，12为承重支撑平台。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的一种基于堆叠式串行运动学结构的六自由度动态验证装置，包括：绕X轴旋转的弧形滑台1、绕Y轴旋转的弧形滑台2、延Z轴平移的升降台3、绕Z轴旋转的旋转平台4、延X轴平移运动的水平滑台5、延Y轴平移运动的水平滑台6、步进电机7、步进电机驱动器8、驱动控制器9、供电电源10、运动控制程序11和承重支撑平台12。六自由度的运动平台主要有绕X轴旋转的弧形滑台1、绕Y轴旋转的弧形滑台2、延Z轴平移的升降台3、绕Z轴旋转的旋转平台4、延X轴平移运动的水平滑台5、延Y轴平移运动的水平滑台6通过堆叠的方式组成；步进电机7由步进电机驱动器8驱动，步进电机驱动器8与驱动控制器9相连，并通过运动控制程序11控制绕X轴旋转的弧形滑台1、绕Y轴旋转的弧形滑台2、延Z轴平移的升降台3、绕Z轴旋转的旋转平台4、延X轴平移运动的水平滑台5和延Y轴平移运动的水平滑台6运动。
所述的延X轴平移运动的水平滑台5和延Y轴平移运动的水平滑台6组合在一起，是整个运动装置的底座；所述的绕Z轴旋转的旋转平台4堆叠在延X轴平移运动的水平滑台5上面；所述的延Z轴平移的升降台3堆叠在绕Z轴旋转的旋转平台4上面；所述的绕X轴旋转的弧形滑台1和绕Y轴旋转的弧形滑台2堆叠在延Z轴平移的升降台3上面；所述的承重支撑平台12堆叠在绕X轴旋转的弧形滑台1上面。承重支撑平台12为聚氯乙烯板。
实现六个自由度运动的平台中绕X轴旋转的弧形滑台1、绕Y轴旋转的弧形滑台2、延Z轴平移的升降台3、绕Z轴旋转的旋转平台4、延X轴平移运动的水平滑台5和延Y轴平移运动的水平滑台6分别与相应的步进电机7相连，所述的步进电机7与其对应的步进电机驱动器8相连，所述步进电机驱动器8与驱动控制器9相连，并被运动控制程序11控制，同时供电电源10为步进电机驱动器8和驱动控制器9提供所需电压。
为了验证六个自由度的运动对放疗剂量影响，本发明可选择一个临床放疗计划作为研究对象，按照临床放疗计划质控流程，利用运动控制软件，采集验证六个自由度方向单独及其联合运动对放疗剂量结果的影响。
为了验证六个自由度的运动对靶区勾画的影响，本发明利用CT模拟定位机和肿瘤模体，通过运动控制软件，采集验证六个自由度方向单独运动及其联合运动对肿瘤靶区勾画的影响。
Claims (10)
1.一种基于堆叠式串行运动学结构的六自由度动态验证装置，其特征在于：包括绕X轴旋转的弧形滑台(1)、绕Y轴旋转的弧形滑台(2)、延Z轴平移的升降台(3)、绕Z轴旋转的旋转平台(4)、延X轴平移运动的水平滑台(5)、延Y轴平移运动的水平滑台(6)、步进电机(7)、步进电机驱动器(8)、驱动控制器(9)、供电电源(10)、运动控制程序(11)和承重支撑平台(12)，由绕X轴旋转的弧形滑台(1)、绕Y轴旋转的弧形滑台(2)、延Z轴平移的升降台(3)、绕Z轴旋转的旋转平台(4)、延X轴平移运动的水平滑台(5)、延Y轴平移运动的水平滑台(6)通过堆叠的方式组成六自由度的运动平台，且绕X轴旋转的弧形滑台(1)、绕Y轴旋转的弧形滑台(2)、延Z轴平移的升降台(3)、绕Z轴旋转的旋转平台(4)、延X轴平移运动的水平滑台(5)、延Y轴平移运动的水平滑台(6)分别与步进电机(7)相连，并且步进电机(7)与步进电机驱动器(8)相连，步进电机驱动器(8)与驱动控制器(9)相连，并通过运动控制程序(11)控制六个自由度方向即绕X轴旋转的弧形滑台(1)、绕Y轴旋转的弧形滑台(2)、延Z轴平移的升降台(3)、绕Z轴旋转的旋转平台(4)、延X轴平移运动的水平滑台(5)和延Y轴平移运动的水平滑台(6)运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于堆叠式串行运动学结构的六自由度动态验证装置，其特征在于：所述的绕X轴旋转的弧形滑台(1)和绕Y轴旋转的弧形滑台(2)上下堆叠在一起，上面的为绕X轴旋转的弧形滑台(1)，下面为绕Y轴旋转的弧形滑台(2)，分别产生绕X轴和绕Y轴旋转的旋转运动及其延X、Y和Z方向的水平位移，绕X轴旋转的速度为5.33°/s，最大运动幅度为10°，绕Y轴旋转的速度为6°/s，最大运动幅度为10°，绕X轴旋转的弧形滑台(1)的旋转误差为0.01mm，绕Y轴旋转的弧形滑台(2)的旋转误差为0.09mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于堆叠式串行运动学结构的六自由度动态验证装置，其特征在于：所述的延Z轴平移的升降台(3)，运动速度为35mm/s，最大运动幅度为20mm，运动误差为-0.006mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于堆叠式串行运动学结构的六自由度动态验证装置，其特征在于：所述的绕Z轴旋转的旋转平台(4)，旋转的速度为15°/s，最大旋转幅度为30°，旋转误差为-0.11mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于堆叠式串行运动学结构的六自由度动态验证装置，其特征在于：延X轴平移运动的水平滑台(5)和延Y轴平移运动的水平滑台(6)，运动速度都为50mm/s，运动幅度都为150mm，运动误差为分别为0.13mm和-0.10mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于堆叠式串行运动学结构的六自由度动态验证装置，其特征在于：所述的步进电机(7)为两相四线的步进电机，需要电压为24V，步进角为1.8°。
7.根据权利要求1所述的一种基于堆叠式串行运动学结构的六自由度动态验证装置，其特征在于：所述的步进电机驱动器(8)是一款两相混合式步进电机驱动器，通过六位拨码开关设定七中细分和八档输出电流，步进电机驱动器一端与步进电机连接，另一端与驱动控制器(9)相连，采用共阳极接法；步进电机驱动器(8)把控制器(9)的5V脉冲信号转换为步进电机所需的24V的驱动信号，保证六个自由度可同时工作。
8.根据权利要求1所述的一种基于堆叠式串行运动学结构的六自由度动态验证装置，其特征在于：所述的供电电源(10)与步进电机驱动器(8)和驱动控制器(9)相连，为步进电机驱动器(8)提供24V电压，为驱动控制器(9)提供24V和5V电压。
9.根据权利要求1所述的一种基于堆叠式串行运动学结构的六自由度动态验证装置，其特征在于：所述的运动控制程序(11)与驱动控制器(9)相连，接口使用COMM串口通信控制类作为和驱动控制器通信的接口类。
10.根据权利要求1所述的一种基于堆叠式串行运动学结构的六自由度动态验证装置，其特征在于：所述承重支撑平台(12)为聚氯乙烯板，长100cm，宽35cm，并且前后左右对称装配在运动平台的顶端。
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