CN109701168B

CN109701168B - 一种伽马放射的肿瘤治疗系统

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Publication number: CN109701168B
Application number: CN201811619580.7A
Authority: CN
Inventors: 成植温; 董宁霞; 程飞; 王峰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: CN109701168A

Abstract

本发明公开了一种伽马放射的肿瘤治疗系统，包括CT机、超声仪、电磁定位器、治疗床、光学手术导航仪、伽马放射治疗设备、固定转台、控制台，伽马放射治疗设备放置在固定转台上，固定转台设置在CT机上，实现对肿瘤的放疗，CT机则实时监控手术的进展状况；治疗床外设置有电磁定位器和光学手术导航仪，电磁定位器结合超声探头的切片图像以及电磁定位器的位姿图像，构建肿瘤的三维图像，光学手术导航仪通过图像识别定位肿瘤的精确定位，控制台接收来自CT机、超声仪、电磁定位器、光学手术导航仪的数据信号，控制伽马放射治疗设备、固定转台进行相应的动作，伽马放射治疗设备包括：放射准直系统、屏蔽门、翻转机构。

Description

一种伽马放射的肿瘤治疗系统

技术领域

本发明涉及肿瘤治疗技术领域，具体涉及一种伽马放射的肿瘤治疗系统。

背景技术

肿瘤是人体因为遗传因素或者某些外界刺激而导致正常的细胞发生不正常的增生。它和人体中正常的组织细胞不同，肿瘤细胞增生速度很快，体免疫系统很难控制其生长。随着中国工业的发展，空气、水污染问题越来越严重，导致癌症发病率逐年增高。伽马放射治疗作为治疗肿瘤的一个重要方式，从瑞典人提出放射治疗的理念开始就在不断完善进步。但是目前的伽马放射治疗存在定位精确度不断提高，静态治疗容易造成大量辐射，不能对肿瘤部位进行全方位的照射。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种伽马放射的肿瘤治疗系统，详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种伽马放射的肿瘤治疗系统，包括CT机、超声仪、电磁定位器、治疗床、光学手术导航仪、伽马放射治疗设备、固定转台、控制台，伽马放射治疗设备放置在固定转台上，固定转台设置在CT机上，实现对肿瘤的放疗，CT机则实时监控手术的进展状况；治疗床外设置有电磁定位器和光学手术导航仪，电磁定位器结合超声探头的切片图像以及电磁定位器的位姿图像，构建肿瘤的三维图像，光学手术导航仪通过图像识别定位肿瘤的精确定位，控制台接收来自CT机、超声仪、电磁定位器、光学手术导航仪的数据信号，控制伽马放射治疗设备、固定转台进行相应的动作，伽马放射治疗设备包括：放射准直系统、屏蔽门、翻转机构。

有益效果在于：

1、通过可移动的治疗床以及可转动的转台实现伽马放射对肿瘤部位的全范围覆盖；

2、通过超声仪、电磁定位器构建肿瘤的三维图像，实现肿瘤的精确放疗；

3、伽马放射治疗设备的放射准直系统实现了辐射的有效聚焦，屏蔽门则实现了辐射的安全防护，翻转机构则实现了治疗范围扩大；

4、通过光学引导实现对放疗的精确引导；

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的总体构成图；

图2是本发明的摄像机视觉系统的图像处理流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

参见图1-图2所示，本发明提供了一种伽马放射的肿瘤治疗系统，包括CT机、超声仪、电磁定位器、治疗床、光学手术导航仪、伽马放射治疗设备、固定转台、控制台，

伽马放射治疗设备放置在固定转台上，固定转台设置在CT机上，实现对肿瘤的放疗，CT机则实时监控手术的进展状况；

治疗床外设置有电磁定位器和光学手术导航仪，电磁定位器结合超声探头的切片图像以及电磁定位器的位姿图像，构建肿瘤的三维图像，光学手术导航仪通过图像识别定位肿瘤的精确定位，

控制台接收来自CT机、超声仪、电磁定位器、光学手术导航仪的数据信号，控制伽马放射治疗设备、固定转台进行相应的动作。

伽马放射治疗设备包括：放射准直系统、屏蔽门、翻转机构，

放射准直系统由屏蔽体、射源体和准直体组成，屏蔽体用于容纳伽马射线和防止辐射泄漏的保护装置，屏蔽体上开有小门，用于更换放射源用，不更换放射源时用专门屏蔽的阶梯挡块堵起来；射源体是一个半球形的壳体，射源体上均匀布置有36个径向通孔，底下还有一个定位销孔，供与准直体配合时使用，在射源体的下面设有环形槽，里面填充重金属铅，用来防止伽马射线辐射对人体造成伤害，为了使伽马射线集中照射于肿瘤位置，使肿瘤位置的照射剂量最大，射源体与准直体一起旋转，形成36个非共面的圆锥弧，使射线束收敛到一点，构成类似于放大镜的聚光功能，内部装有旋转传感器，确保治疗时准直体和射源体旋转的同步性；准直体是由内外两套准直孔直径不同的部分组成，用于在治疗不同肿瘤之间切换也可以在治疗同一种肿瘤的过程中切换，并且治疗过程中出现断电情况，附加电源提供电力驱动准直体旋转来关闭射源体，出于安全可靠性角度考虑，即使附加电源也失效了，还可以手动旋转准直体来关闭射源体上伽马射线照射，准直体内容纳有治疗肿瘤的治疗空间；

屏蔽门是两扇平拉式的门，是用铸铁材料铸造而成，内部灌重金属铅来屏蔽伽马射线的辐射伤害，用电机、减速器和齿轮齿条传动来驱动屏蔽门开和关，两个屏蔽门是同时相对运动的，每个屏蔽门用四个滚柱导轨来支撑和导向，滑块之间装有严格尺寸的挡块，保证屏蔽门密封足够好，最大程度的避免辐射泄漏，屏蔽门上有手摇装置，用于前期的安装调试和治疗过程中的紧急处理；

翻转机构通过伺服电机带动齿轮，经过一级减速，驱动旋转型螺母副旋转，从而带动丝杠往复运动，驱动整个伽马放射治疗设备翻转，翻转机构转动轴的位置放在伽马放射治疗设备的重心位置，减少翻转时的转矩。

有了翻转机构，伽马放射治疗设备扩大了治疗范围，使设备得到了充分利用。

其中，固定转台包括圆弧转动台、平移模块和角度调整模块三部分，圆弧转动台的弧形板结构覆盖在患者身体外侧，弧形板位于了患者与CT机的腔体之间，平移模块利用弧形板下方的齿轮齿条机构和离合机构转动到弧形板侧面的任意角度，使伽马放射治疗设备能够从侧面不同角度完成放疗。

该设计结构紧凑，体积小质量轻，具有创新性。

圆弧转动台是固定转台的支撑部分，包括前端离合器、不完全内齿轮、主轴、手轮、前端竖向面板、内啮小齿轮、弧形板、后端竖向面板、后端离合器，圆弧转动台的圆弧支架上的转动功能由两个不完全内齿轮与两个内啮小齿轮的啮合传动实现，调整角度时，圆弧转动台前端离合器分离，手轮沿主轴拉出，使后端离合器分离，转动手轮，为主轴提供转动扭矩，驱动主轴转动，使内啮小齿轮绕不完全内齿轮转动，从而带动平移模块和角度调整模块一起绕弧形板转动，转角达到设定值时，将手轮沿主轴推回，使后端离合器接合，将主轴锁固在后端竖向主板上，使其不能转动，完成自锁，前端离合器接合，将主轴锁固在前端竖向主板上，使其不能转动。

平移模块包括三个丝杠、驱动器和安装支架，采用串联结构，安装支架上设置相互垂直的三个方向的平移由丝杠螺母运动副实现伽马放射治疗设备的空间位置调节，驱动器为丝杠末端联接的步进电机，定位时，驱动横向丝杠带动角度调整模块进行左右位置调整，到达既定位置后，驱动纵向丝杠带动角度调整模块进行前后位置调整，驱动升降丝杠带动角度调整模块完成定位。

角度调整模块安装伽马放射治疗设备，包括旋转从动齿轮、摆动滑块、托板、进给丝杠、铰链轴、摆动丝杠、摆动连杆、旋转驱动轴以及旋转主动齿轮，实现三个自由度运动，分别是托板绕摆动丝杠的转动自由度、托板绕铰链轴的转动自由度和伽马放射治疗设备的进给自由度。

前端离合器的设置能够使主轴的受力平衡情况更佳，机械臂的整体结构稳定性更好。此设计极大的扩展了末端执行器的可达工作空间，为医生术前的路径规划提供了更多的进针路线选择。

治疗床包括X轴部件、Y轴部件、Z轴部件、翻转部件和回转工作台，Z轴部件用于承载病人，通过治疗床伸入伸出将病人送到指定工作位置，包括CT扫描位置、伽马放射治疗位置，X轴部件用于病人的左右横向移动，Y轴部件用于病人的头脚竖直方向移动，Z轴部件用于病人的升降移动，将治疗床升降到所需高度位置，翻转部件用于开始病人上到治疗床上时，将治疗床翻转，便于病人趴到治疗床上，回转工作台主要用于CT扫描、伽马放射治疗时，驱动治疗床旋转到所需位置。

控制台包括上位机、下位机、手控盒、RS485接口、USB接口、CAN转换接口、变频器、机架使能和刹车使能模块、两个数据电位器、A/D转换器、I/0接口、地址逻辑器、逻辑条理器、D/F模块、F/D模块、RAM、差分驱动、输入、输出开关量电平转换以及闪存，当手控盒关闭时，上位机接收来自CT机、超声仪、电磁定位器、光学手术导航仪的数据信号，并生成控制指令发送给下位机，当手控盒打开时，下位机只接收手控盒的控制指令，下位机接收上位机或手控盒的指令后，通过RS485转换通信接口发出相应得指令给离合器、各个步进电机、永磁同步伺服电机。

上位机为计算机，下位机为PLC，利用专门编程软件，进行控制系统的编程，通过专用传输线路进行数据与信号的传输，将编制好的计算机程序向PLC的内存存储器进行传送，使PLC产生脉冲信号和PWM信号，从而控制步进电机。

通过对PLC的编程，使其输出固定频率的脉冲信号，来控制步进电机的转速，同时通过对控制方向信号的输出，控制步进电机的正转以及反转，在PLC与步进电机之间安装步进电机驱动器，输出电流以驱动步进电机，步进电机驱动器负责将PLC输出的电脉冲进行放大，转化为步进电机的角位移，每当步进电机驱动器接收到一个PLC发出的脉冲信号后，步进电机会按照设定的方向转动固定的设置角度。

步进电机是通过PLC所发出的脉冲进行驱动控制的，输出的脉冲频率决定了步进电机的输出转速，同时，PLC输出的方向信号决定了步进电机的转向。

超声仪为全数字黑白超声仪，包括主机、探头以及黑白图像采集卡，黑白图像采集卡将黑白超声仪的二维图像采集到控制台。

电磁定位器包括电磁发射器、电磁接收器以及电子单元，电磁发射器和电磁接收器都连接到电子单元，电磁接收器相对于电磁发射器的位姿信息通过USB或RS232传输给控制台，在手术中，电磁发射器固定在治疗床，电磁接收器分别固定于探头末端，固定在探头上的电磁接收器是用来确定二维超声图像中的像素在三维晶格中的空间位置，固定在伽马放射治疗设备末端的电磁接收器是用来实时监控伽马放射治疗设备的位姿。

光学手术导航仪采用摄像机视觉系统，RGB摄像机作为图像输出设备，通过将光信号转换为电信号来完成图像采集并输出，主要包括三个模块：光学成像部分、光电转化部分和电子电路部分，光学成像部分包括光学镜头和成像平面，当投射到病灶上的光线反射经过光学镜头折射后，病灶的影像投影到RGB摄像机的成像平面上，通过光电转化部分将光信号转为电信号，电子电路部分放大微弱的电信号通过USB接口上传到控制台，控制台图像处理获取病灶靶点位置。

其中，使用图像处理获取病灶靶点的具体过程如下：

步骤1，获取病灶周边组织和病灶的原始图像，RGB摄像机的镜头光轴与病灶保持平行；

步骤2，图像增强，对原始图像中的RGB值分别进行滤波去噪。对原始图像的进行滤波去噪，噪声包括设备噪声、椒盐噪声、量化噪声，噪声的滤波过程如下式所示：

其中，以原始图像的中心为原点建立直角坐标系x-0-y，f_R(x，y)、f_G(x，y)、f_B(x，y)分别为原始图像中位于坐标(x，y)的像素的R、G、B值函数，其中x＝(0，1，L L 255)，y∈(0，1，L L 255)，而F_R(x，y)、F_G(x，y)、F_B(x，y)为滤波后的R、G、B值函数，N×N为表示截取的窗口的尺寸，N＝(3，5，7......)，优选为N＝3，P表示窗口内的像素组成的点集；

该滤波方式对像素的RGB值分别进行滤波，抑制无用信息，很好的保留了原始图片的色彩的信息；

步骤，3，图像分割，获取病灶目标图像。

步骤3.1，对RGB颜色空间进行转换，生成新的颜色空间U₁U₂U₃。

经过滤波后的F_R(x，y)、F_G(x，y)、F_B(x，y)经过下述转换变为相应的系数函数：

其中，U₁(x，y)为红绿相关函数，U₂(x，y)为红蓝相关函数，U₃(x，y)为绿蓝相关函数；

步骤3.2，病灶与病灶周边组织的区分。

构建病灶与病灶周边组织的分割函数G_S(x，y)，使用U₁(x，y)、U₂(x，y)作为判断条件：

其中，T_S为分割阈值；

分割阈值T_S可以为预先设定的固定值，例如T_S＝4。

步骤4，图像去噪。

经过运算得到目标病灶的图像，但是不可避免的存在一些小面积的噪声，即图像上的斑点噪声，这些斑点噪声显然不是病灶的图像，需要滤除，这里使用数学形态学的开运算和闭运算进行去噪

步骤4.1，构建二值分割函数G′_A(x，y)，在运算前首先将分割函数G_A(x，y)进行二值化，二值分割函数为：

步骤4.2，使用开运算，先对二值图像进行腐蚀运算然后在进行膨胀运算；

步骤4.3，使用闭运算。先对二值图像进行膨胀运算然后在进行腐蚀运算；

步骤4.4，生成最终的病灶目标函数G_F(x，y)。经过开合运算后的二值图像与分割函数G′_A(x，y)构成的二值图像进行与运算，在1值的区域将G_A(x，y)的值按照坐标逐一赋值，构成最终的病灶目标函数G_F(x，y)；

步骤5，获取病灶的中心位置(x_cen，y_cen)。让伽马放射治疗设备能够定位病灶的位置，进而实现放射治疗。

运用高斯滤波器获取图像中的最大响应值，进而确定图像中目标的中心位置，构建高斯响应值函数为：

其中，δ为尺度因子，可根据实际情况设定；

对G_F(x，y)进行卷积计算，得到高斯卷积响应函数：

h(x，y)＝G_F(x，y)*g(x，y)，

计算当h(x，y)的最大值时的坐标，即病灶的中心位置(x_cen，y_cen)。

以上所述实施方式仅表达了本发明的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种伽马放射的肿瘤治疗系统，包括CT机、超声仪、电磁定位器、治疗床、光学手术导航仪、伽马放射治疗设备、固定转台、控制台，伽马放射治疗设备放置在固定转台上，固定转台设置在CT机上，实现对肿瘤的放疗，CT机则实时监控手术的进展状况；治疗床外设置有电磁定位器和光学手术导航仪，电磁定位器结合超声探头的切片图像以及电磁定位器的位姿图像，构建肿瘤的三维图像，光学手术导航仪通过图像识别定位肿瘤的精确定位，控制台接收来自CT机、超声仪、电磁定位器、光学手术导航仪的数据信号，控制伽马放射治疗设备、固定转台进行相应的动作，伽马放射治疗设备包括：放射准直系统、屏蔽门、翻转机构；

屏蔽门是两扇平拉式的门，是用铸铁材料铸造而成，内部灌重金属铅来屏蔽伽马射线的辐射伤害，用电机、减速器和齿轮齿条传动来驱动屏蔽门开和关，两个屏蔽门是同时相对运动的，每个屏蔽门用四个滚柱导轨来支撑和导向，滑块之间装有挡块，保证屏蔽门密封，避免辐射泄漏，屏蔽门上有手摇装置，用于前期的安装调试和治疗过程中的紧急处理；

翻转机构通过伺服电机带动齿轮，经过一级减速，驱动旋转型螺母副旋转，从而带动丝杠往复运动，驱动整个伽马放射治疗设备翻转，翻转机构转动轴的位置放在伽马放射治疗设备的重心位置，减少翻转时的转矩；

固定转台包括圆弧转动台、平移模块和角度调整模块三部分，圆弧转动台的弧形板结构覆盖在患者身体外侧，弧形板位于患者与CT机的腔体之间，平移模块利用弧形板下方的齿轮齿条机构和离合机构转动到弧形板侧面的任意角度，使伽马放射治疗设备能够从侧面不同角度完成放疗；

圆弧转动台是固定转台的支撑部分，包括前端离合器、不完全内齿轮、主轴、手轮、前端竖向面板、内啮小齿轮、弧形板、后端竖向面板、后端离合器，圆弧转动台的圆弧支架上的转动功能由两个不完全内齿轮与两个内啮小齿轮的啮合传动实现，调整角度时，圆弧转动台前端离合器分离，手轮沿主轴拉出，使后端离合器分离，转动手轮，为主轴提供转动扭矩，驱动主轴转动，使内啮小齿轮绕不完全内齿轮转动，从而带动平移模块和角度调整模块一起绕弧形板转动，转角达到设定值时，将手轮沿主轴推回，使后端离合器接合，将主轴锁固在后端竖向主板上，使其不能转动，完成自锁，前端离合器接合，将主轴锁固在前端竖向主板上，使其不能转动;

平移模块包括三个丝杠、驱动器和安装支架，采用串联结构，安装支架上设置相互垂直的三个方向的平移由丝杠螺母运动副实现伽马放射治疗设备的空间位置调节，驱动器为丝杠末端联接的步进电机，定位时，驱动横向丝杠带动角度调整模块进行左右位置调整，到达既定位置后，驱动纵向丝杠带动角度调整模块进行前后位置调整，驱动升降丝杠带动角度调整模块完成定位;

角度调整模块安装伽马放射治疗设备，包括旋转从动齿轮、摆动滑块、托板、进给丝杠、铰链轴、摆动丝杠、摆动连杆、旋转驱动轴以及旋转主动齿轮，实现三个自由度运动，分别是托板绕摆动丝杠的转动自由度、托板绕铰链轴的转动自由度和伽马放射治疗设备的进给自由度；

控制台包括上位机、下位机、手控盒、RS485接口、USB接口、CAN转换接口、变频器、机架使能和刹车使能模块、两个数据电位器、A／D转换器、I／O接口、地址逻辑器、逻辑条理器、D／F模块、F／D模块、RAM、差分驱动、输入、输出开关量电平转换以及闪存，当手控盒关闭时，上位机接收来自CT机、超声仪、电磁定位器、光学手术导航仪的数据信号，并生成控制指令发送给下位机，当手控盒打开时，下位机只接收手控盒的控制指令，下位机接收上位机或手控盒的指令后，通过RS485转换通信接口发出相应得指令给离合器、各个步进电机、永磁同步伺服电机；

2.根据权利要求1所述一种伽马放射的肿瘤治疗系统，其特征在于使用图像处理获取病灶靶点的具体过程如下：

步骤2，图像增强，对原始图像中的RGB值分别进行滤波去噪，对原始图像的进行滤波去噪，噪声包括设备噪声、椒盐噪声、量化噪声；

步骤3，图像分割，获取病灶目标图像；

步骤4，图像去噪，使用数学形态学的开运算和闭运算进行去噪；

步骤5，获取病灶的中心位置，让伽马放射治疗设备能够定位病灶的位置，进而实现放射治疗。