CN109621229B - 一种成人胸腹部剂量验证动态体模 - Google Patents

一种成人胸腹部剂量验证动态体模 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种成人胸腹部剂量验证动态体模，包括胸腹部模体和运动测控系统；胸腹部模体采用与人体CT值等效材料制作而成，包括人体肌肉组织、脊柱骨组织和肺组织，其整体是由切片组合而成，在切片与切片之间可夹装EBT3放射量测定免冲洗胶片，通过多张胶片获得感兴趣位置的剂量空间分布；在肺组织中设置有肺部运动插杆，运动插杆包含有模拟肿瘤插杆、4维CT质控插杆等；运动测控系统包括插杆运动平台和胸壁运动平台，由上位机控制驱动器件，驱动器件与插杆连接，产生相应的动作，来模拟人体的3D呼吸运动和胸壁上下运动。该体模可以为临床研究运动器官的放疗剂量分布和剂量验证提供研究工具。

Description

一种成人胸腹部剂量验证动态体模
技术领域
本发明属于医疗器械辅助模拟装置，具体涉及用于放射治疗模拟呼吸运动的剂量验证体模。
背景技术
放射治疗己进入高精度放疗时代，其实施技术和流程日趋复杂，放疗过程中患者面临的剂量出错风险也在加大，剂量验证作为放疗质量保证的重要组成部分变得越来越重要。剂量验证的目的是避免靶区的错误照射造成的欠剂量或剂量不均匀，保护正常组织所受剂量在耐受范围内。目前剂量验证方法是将静态体模(固体水、水模体、以及密度非均匀的仿人体结构剂量验证模体)按照与患者定位时相同条件进行CT扫描，再将患者的治疗计划导入到模体CT图像序列进行计算，得到理论剂量分布，然后以模体代替患者将放疗计划在加速器上执行，将实测的剂量分布与计划系统计算的剂量分布进行比较。
当前放疗验证普遍的模式是建立在目标位置和形状是己知而且是保持静止的基础上，这样的刚性关系在某些情况下是不成立的，例如胸腔会受到呼吸和心跳等运动的影响，在放射治疗过程中目标区会随着运动器官一起运动，这就造成了治疗计划中的剂量分布和目标实际接受的剂量分布存在较大差异。
对于胸腹部肿瘤，心肺器官的运动干扰是放疗计划剂量验证的行业难题。随着四维(4D)CT的出现并在临床上的应用，放射治疗中补偿目标位置随时间变化在临床应用生成为可能，目前基于4DCT的治疗计划在临床上处于初级阶段，4DCT图像与真实器官运动的关系是未知的，存在不确定性。此外，当前放疗验证主要采用Gamma通过率来判断验证计划的通过与否，Gamma通过率只是一个统计值，不包含空间信息。而实际临床中在某些时刻更关注Gamma值没有通过点的空间位置，比如高热点是否位于脊髓区域等。因此，迫切需要具有运动关系已知、能够提供空间信息的仿生、仿真数字人体运动模型。
为提供探究呼吸运动对放疗的剂量分布和剂量验证的研究工具，近年来CRIS公司和Modus医疗设备公司先后开发出了胸部动态模体(Model 008A)和QUASAR呼吸运动模体。虽然这两款体模能够模拟3D呼吸运动，但是胸部动态模体(Model 008A)存在组织材料非等效，使得剂量衰减与真实人体有差距较大，以及该体模仅能测量运动插件内有限的点剂量，不能对其他感兴趣点(如骨髓或其他肌肉组织)或空间进行剂量测量等缺点，而QUASAR呼吸运动模体除了存在以上缺点外，其最大的缺陷是其电机负载能力非常有限，同时带动呼吸传感器和运动插件时经常出现卡死现象。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在提供一种成人胸腹部剂量验证动态体模，基于目前放疗验证模体、剂量验证方法，提出新的模拟呼吸运动的数字人体胸腹部剂量验证动态体模，从组织材料、模体功能结构和运动测控方面进行研制，解决组织材料等效和空间剂量测量的难题，可以应用于研究在呼吸运动状态下的剂量空间分布，让感兴趣点和空间分析变成可能，以指导放疗医生靶区勾画，特别是靶区外扩距离的指导，也可以应用于对相关剂量验证软件系统作符合性评价。
本发明的技术方案如下：
一种成人胸腹部剂量验证动态体模，包括胸腹部模体和运动测控系统。所述胸腹部模体采用与人体CT值等效材料制作而成，包括人体肌肉组织、位于所述人体肌肉组织内与实体成人脊柱骨组织位置对应的脊柱骨组织、位于所述人体肌肉组织内与实体成人肺组织位置对应的肺组织。
所述人体肌肉组织、脊柱骨组织和肺组织组成的整体是由等厚度的切片组合而成，在切片与切片之间夹装EBT3放射量测定免冲洗胶片，通过多张胶片获得感兴趣位置的剂量空间分布。
在所述肺组织中设置有肺部运动插杆，为满足临床实际应用，运动插杆包含有模拟肿瘤插杆、4维(D)CT质控插杆等。模拟肿瘤插杆专门设置有放置电离室的空间。
在所述人体肌肉组织中有插杆预留插孔，插杆预留插孔主要是考虑后期的功能扩展，可用研究两个相对运动组织的剂量分布、剂量验证等。
所述运动测控系统包括插杆运动平台和胸壁运动平台，由上位机控制的驱动器件，驱动器件与插杆或升降平台连接，产生相应的动作，来模拟人体的呼吸3D运动和胸壁上下运动。
具体地，所述模拟肿瘤插杆带有球形的模拟肿瘤靶体，靶体分有φ1cm、φ2cm、φ3cm球体，CT值大于肺组织CT值，可放置电离室。
具体地，成人胸腹部模体作为放疗的对象，它与真实人体器官的等效性非常重要，因此制作成人胸腹部模体要求采用等效材料(CT值或电子能密度等效材料)，其中，人体肌肉组织的外轮廓的CT值设计为20-80HU，脊柱骨组织的CT值设计要求大于600HU，肺组织的CT值设计为-800--1000HU。
具体地，所述插杆运动平台由上位机控制驱动器件，同时实现前后运动和旋转运动功能，驱动器件通过电机连接杆带动肺部运动插杆进行3D运动，用来模拟腹式呼吸运动。
进一步，所述插杆运动平台是由一组直流伺服电机和减速机组合作为驱动器件实现前后运动，采用直线运动模组作为传动元件和导向元件，保证直线运动的直线度和高速往复运动；由另一组直流伺服电机和减速机组合作为驱动器件实现旋转运动，采用深沟球和角接触的组合来保证旋转的圆度和高速运动。
具体地，所述胸壁运动平台由上位机控制驱动器件，实现上下运动，模拟人体肺部随着吸气和呼气做3D往复呼吸运动，用于在CT扫描定位时采集病人的胸廓呼吸信号。
进一步，所述胸壁运动平台由直流伺服电机、同步组件和导向光轴构成驱动器件，驱动升降平台进行升降运动。
上位机控制电机运动的信号有正弦、三角等基础波形外，还有自定义控制波形或来自第三方机器采集的真实人体呼吸信号。
本发明提出的成人胸腹部剂量验证动态体模通过胸腹部模体模拟正常成人的胸廓结构组成、比例大小，采用与人体CT值等效材料制作而成，运动测控系统利用上位机控制三组电机组件产生相应的动作，来模拟人体的呼吸3D运动和胸壁上下运动，能够正确模拟人体的运动关系，提供空间信息，解决了组织材料等效性和空间剂量测量的问题。本发明通过将胸腹部模体设计为多个切片构成的组合结构，在切片之间夹装胶片，可以根据需要定向获得感兴趣位置的剂量空间分布，获得的信息更为准确，让感兴趣点和空间分析变成可能，以指导放疗医生靶区勾画，特别是靶区外扩距离的指导。
经测试，其运动效果达标，能较真实模拟了腹式呼吸运动和胸式呼吸运动，模体组织材料与人体组织CT值具有等效性，相比其他模体更接近于人体组织，成像效果良好，能满足临床放疗的需求。该体模可以为临床研究运动器官的放疗剂量分布和剂量验证提供研究工具。
附图说明
图1是成人胸腹部剂量验证动态体模的总体结构示意图；
图2是胸腹部模体结构示意图；
图2A是图2的A-B截面图；
图3是运动插杆运行示意图；
图4是胸壁平台运动示意图；
图5是插杆运动平台结构示意图；
图6是胸壁平台结构示意图；
图7是运动测控流程框图；
图8是运动状态界面；
图9是运行显示界面。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的详细内容：
如图1所示，成人胸腹部剂量验证动态体模由成人胸腹部模体和运动测控系统两部分组成。胸腹部模体模拟正常成人的胸廓结构组成、比例大小，采用与人体CT值等效材料制作而成。运动测控系统是利用上位机控制三组电机组件产生相应的动作，来模拟人体的呼吸3D运动和胸壁上下运动。
一、成人胸腹部模体
成人胸腹部模体作为放疗的对象，它与真实人体器官的等效性非常重要，因此制作成人胸腹部模体要求采用等效材料(CT值或电子能密度等效材料)。
如图2所示，成人胸腹部模体的主要组成结构分为四部分：肺组织1，其CT值设计为-800--1000HU；等效人体肌肉组织2的外轮廓，其CT值设计为20-80HU；等效脊柱骨组织3，CT值设计为大于600HU；圆柱形肺部运动插杆4。
为满足临床实际应用，运动插杆包含有模拟肿瘤插杆、4维(D)CT质控插杆等。其中模拟肿瘤插杆为附带有球形的模拟肿瘤靶体(分有φ1cm、φ2cm、φ3cm球体，CT值大于肺组织CT值)，可放置电离室。
关键的是，如图2A所示，上述人体肌肉组织2、脊柱骨组织3和肺组织1组成的整体是由等厚度平行的切片7组合而成，在切片与切片之间夹装EBT3放射量测定免冲洗胶片6，即在成人胸腹部模体内设置有胶片夹层，胶片夹层用来放置胶片，通过多张胶片可获得感兴趣位置的剂量空间分布。
进一步，成人胸腹部模体的人体肌肉组织中还设有插杆预留插孔5，主要是考虑后期的功能扩展，可用研究两个相对运动组织的剂量分布、剂量验证等。
成人胸腹部模体通过组织等效材料制备，胸部结构仿真设计，胸部结构制备及组织器官一体化集成等制作流程，及采用注模和切割工艺制成。其中肌肉组织等效材料由聚氨基甲酸脂合成，肺部组织等效材料由微孔聚氨基甲酸脂合成，脊骨等效组织由不饱和聚酯树脂和超微磷酸钙合成，经测试这些组织的CT值与人体相应组织CT值相符。
二、运动测控系统
1、运动平台
运动平台包括有插杆运动平台,和胸壁运动平台。插杆运动平台和胸壁运动平台设计的运动(呼吸)频率为0-60次/min，运动幅度为0-50mm，以及插杆运动平台的旋转幅度最大为±60°，参见图3和图4。
插杆运动平台3D运动测控的参见图5，插杆运动平台由两个电机组构成，能同时实现前后运动和旋转运动功能，两个电机组通过电机连接杆带动肺部运动插杆进行3D运动，用来模拟腹式呼吸运动。前后运动部分是由直流伺服电机和减速机组合作为位移驱动器件，采用直线运动模组作为传动元件和导向元件，既能保证直线运动的直线度，也能保证高速地往复运动。旋转运动部分也采用直流伺服电机和减速机组合作为驱动器件，采用深沟球和角接触的组合来保证旋转的圆轴度和高速运动。插杆运动平台8具体结构包括旋转驱动电机81、联轴器82、轴承座83、旋转支撑座84、连接杆85、辅助支撑座86、航插连接件87、安装底板88、电机传动装置89、伸缩电机810、直线位移模组811和支撑角架812。其中旋转驱动电机81通过联轴器82带动连接杆85做旋转运动，连接杆85用于与肺部运动插杆连接。伸缩电机810通过直线位移模组811带动旋转运动驱动组件做直线往复运动，从而实现往复加旋转的3D呼吸运动。
胸壁运动平台由一个电机组构成，能实现上下运动，其设计的主要目的是在CT扫描定位时采集病人的胸廓呼吸信号，具体结构实现参见图6，包括置物平台91、导向元件92、丝杆93、升降电机94、轴承座95、电机转向装置96、航插连接件97和安装底板98。其中升降电机94通过丝杆93和导向元件92带动置物平台91上下运动，模拟胸壁上下运动。
为能模拟真实人体的呼吸运动，控制电机运动的信号除了正弦、三角等基础波形外，还允许上载自定义控制波形或来自第三方机器采集的真实人体呼吸信号。
本系统中电机均采用直流伺服电机。
2、运动测控流程：
成人胸腹部剂量验证动态体模运动测控流程如图7所示，程序启动后先要对硬件进行连接，硬件连接后电机回到初始状态(即0点位置)，然后选择运动控制信号，可选标准曲线或载入自定义/第三方呼吸曲线两种方式。当选择标准曲线(正弦波形或三角波形)时，需对三个电机的频率、幅度或角度等参数进行设置；当选择载入自定义或第三方曲线时，由于频率和幅度已定，只需对循环次数和间隔时间进行设置。参数设置完毕，载入和保存电机运动曲线数据，启动后各电机将按照预设的运动曲线进行运动，通过采集电机的运动参数，换算后实时显示运动曲线，可通过设置运行时间或手动点击结束。
本发明可以基于PMAC Executive Pro2Suite平台开发软件系统，如图8和图9所示。该软件系统具有以下特点：a.电机控制信号可以选择正弦、三角等标准波形，也可以允许上载来自第三方的波形，支持多种文件格式，如Varian RPM v 1.6(*.VXP)、Respisens数据(*.CSV)、Philips Bellows文件(*.DCM)、CyberKnife Marker文件(*.LOG)、Siemens(*.IMA)等；b.可对电机控制信号进行时序(同步或异步)调节、频率、幅度编辑，以及对载入波形进行滤波、降噪处理等；c.电机或位移信号反馈，闭环控制，保证位移精度；d.支持测试结果的导入，具有统计分析模块；e.简洁的软件界面。
3、体模集成与测试
将成人胸腹部模体和运动测控系统两部分进行集成，集成后的体模的运动频率范围：0-60bpm，运动幅度范围：0-50mm、角度：-60°-60°，经测试体模的运动参数达到设计要求。然后再在CT机上进行测试，测量点的肺组织CT值为(-860.0±4.8)HU，肌肉组织CT值为(33.3±8.4)HU，脊骨CT值为(693.8±42.1)HU，空气CT值为(-1000.2±5.8)HU，可以看出，体模各组织的CT值与真实人体的CT值相符，符合设计要求。

Claims (10)

1.一种成人胸腹部剂量验证动态体模，包括胸腹部模体和运动测控系统；其特征在于，所述胸腹部模体采用与人体CT值等效材料制作而成，包括人体肌肉组织、位于所述人体肌肉组织内并与实体成人脊柱骨组织位置对应的脊柱骨组织、位于所述人体肌肉组织内并与实体成人肺组织位置对应的肺组织；
所述人体肌肉组织、脊柱骨组织和肺组织组成的整体是由多片切片组合而成，在切片与切片之间夹装EBT3放射量测定免冲洗胶片，通过多张胶片获得感兴趣位置的剂量空间分布；
在所述肺组织中设置有肺部运动插杆，运动插杆包含有模拟肿瘤插杆、4维CT质控插杆，插杆内置电离室；
所述运动测控系统包括插杆运动平台和胸壁运动平台，由上位机控制驱动器件，驱动器件与插杆或升降平台连接，产生相应的动作模拟人体的呼吸3D运动和胸壁上下运动。
2.根据权利要求1所述的成人胸腹部剂量验证动态体模，其特征在于，所述切片为等距离平行切出的切片。
3.根据权利要求1所述的成人胸腹部剂量验证动态体模，其特征在于，所述模拟肿瘤插杆带有球形的模拟肿瘤靶体，靶体分有φ1cm、φ2cm、φ3cm球体，其CT值大于肺组织CT值。
4.根据权利要求1所述的成人胸腹部剂量验证动态体模，其特征在于，所述人体肌肉组织的外轮廓的CT值为20 - 80HU，所述脊柱骨组织的CT值大于600HU，所述肺组织的CT值为-800- -1000HU。
5.根据权利要求1所述的成人胸腹部剂量验证动态体模，其特征在于，在所述人体肌肉组织中有插杆预留插孔。
6.根据权利要求1所述的成人胸腹部剂量验证动态体模，其特征在于，所述插杆运动平台由上位机控制驱动器件，同时实现前后运动和旋转运动功能，驱动器件通过电机连接杆带动肺部运动插杆进行3D运动，用来模拟腹式呼吸运动。
7.根据权利要求6所述的成人胸腹部剂量验证动态体模，其特征在于，所述插杆运动平台是由一组直流伺服电机和减速机组合作为驱动器件实现前后运动，采用直线运动模组作为传动元件和导向元件，保证直线运动的直线度和高速往复运动；由另一组直流伺服电机和减速机组合作为驱动器件实现旋转运动，采用深沟球和角接触的组合来保证旋转的圆轴度和高速运动。
8.根据权利要求1所述的成人胸腹部剂量验证动态体模，其特征在于，所述胸壁运动平台由上位机控制驱动器件，实现上下运动，模拟人体胸廓随吸气和呼气做上下往复呼吸运动，用于在CT扫描定位时采集病人的胸廓呼吸信号。
9.根据权利要求8所述的成人胸腹部剂量验证动态体模，其特征在于，所述胸壁运动平台由直流伺服电机、同步组件和导向光轴构成驱动器件，驱动升降平台进行升降运动。
10.根据权利要求1-9任一项所述的成人胸腹部剂量验证动态体模，其特征在于，上位机控制电机运动的信号有正弦、三角波形外，还有自定义控制波形或来自第三方机器采集的真实人体呼吸信号。
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