CN109770902B - 一种面向核磁共振环境下的肿瘤自动定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种面向核磁共振环境下的肿瘤自动定位系统，包括支撑结构、软组织夹持装置和定位装置，支撑结构由底板、顶板、支撑柱和扶手组成；软组织夹持装置设置于顶部上；定位装置包括旋转模块、姿态调整模块和抬升模块，旋转模块由底部连接板、轴承内固定圈、第一陶瓷轴承、轴承外固定圈、大转盘、光学编码器、编码器连接件和大转盘索鞘组成，姿态调整模块由第二陶瓷轴承、第三陶瓷轴承、第四陶瓷轴承、第五陶瓷轴承、顶部小转盘和底部小转盘、支撑圆柱、支撑板、上板和小转盘索鞘组成，抬升模块由螺旋杆件、抬升板、索套架、针座、穿刺针组成。本发明可提高医生粒子植入手术的精度和成功率；可作为医生进行活检和内放疗粒子植入的辅助设备。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，属于机械与医学放疗领域交叉的前沿学科，特别是涉及一种面向核磁共振环境下的肿瘤自动定位系统。
背景技术
近年来比较成熟的医学成像技术有超声成像(US)、X射线成像(X-ray)、计算机断层扫描(CT)和核磁共振成像(MRI)。相比较其他成像技术，核磁共振成像可以提供高质量的软组织对比度和清晰的解剖结构细节，并且没有电离辐射，特别是对于一些年轻病人或者孕妇的检查，起到不可替代的作用。正是由于核磁共振成像的众多优势，使得磁共振仪在医疗中的应用越来越广泛。
在体部肿瘤的治疗中，作为一种重要的治疗方式，近距离放射治疗越来越受到重视。放射性125I粒子植入被越来越多应用到临床治疗并取得非常好的疗效。相较于传统的远距离照射治疗，粒子植入式的放射治疗具有许多优点：1.粒子被精确植入肿瘤内部，减少了放射性核素对周围正常组织的放射性损伤，不会造成例如外照射对体表皮肤等组织的永久性伤害。2.由于粒子被永久性植入肿瘤组织，因此其照射野固定，可随患者移动，对肿瘤组织可造成持续性伤害，疗效也更加明显。3.植入粒子数目可根据患者具体情况变动，具有更大的灵活性。通过控制粒子数目以及粒子位置，较好地包围治疗靶区，达到较理想的放射剂量分布，因此并发症较少。通过各大医院使用放射性粒子植入式治疗肿瘤的情况，粒子的精确植入至关重要，其关系到肿瘤靶区的剂量分布，直接关系到内放疗疗效。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种面向核磁共振环境下的肿瘤自动定位系统，可以提高医生粒子植入手术的精度和成功率；结合核磁图像，实时显示肿瘤具体位置，可作为医生进行活检和内放疗粒子植入的辅助设备，精准实施相应检查和肿瘤放疗粒子的植入。有效解决现有技术中外科手术中软组织病变部分的判断不准确、并发症较多的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种面向核磁共振环境下的肿瘤自动定位系统，包括支撑结构、软组织夹持装置和定位装置，所述支撑结构由底板、顶板、支撑柱和扶手组成，所述支撑柱放置于底板和顶板之间，顶板设置为贴合人体俯身时曲线的曲面结构，所述底板的下表面设置为弧形结构用于贴合磁共振床，所述扶手设置于底板上表面的顶部；所述软组织夹持装置设置于顶板上，所述定位装置位于软组织夹持装置下方且与所述底板上表面固定；
所述软组织夹持装置由圆环形的骨架和中空管路组成，骨架四周均匀分布设有固定板，所述骨架的下表面通过所述中空管路相互贯通连接形成有半球形网状结构，所述中空管路中装有硫酸铜水溶液，所述骨架的上表面设有用于定位的标记线，可通过调整定位装置的位置，使标定线与磁共振仪发射出的两条互相垂直的红色十字线重合，建立定位装置坐标系与核磁图像坐标系之间的关系，完成定位过程；
所述定位装置包括旋转模块、姿态调整模块和抬升模块，所述旋转模块由底部连接板、轴承内固定圈、第一陶瓷轴承、轴承外固定圈、大转盘、光学编码器、编码器连接件和大转盘索鞘组成，底部连接板固定在底板上，大转盘索鞘和轴承内固定圈通过螺钉固定于底部连接板上，轴承内固定圈和第一陶瓷轴承内圈、大转盘和第一陶瓷轴承外圈均通过过盈配合连接，轴承外固定圈固定于大转盘上，编码器连接件固定于轴承外固定圈上，光学编码器的外壳通过螺钉固定于编码器连接件上，光学编码器的轴通过过渡配合固定于轴承内固定圈内部的圆孔处；通过上述连接方式可实现旋转模块的顺时针和逆时针旋转，并通过光学编码器实时反馈旋转角度；
所述姿态调整模块由第二陶瓷轴承、第三陶瓷轴承、第四陶瓷轴承、第五陶瓷轴承、顶部小转盘和底部小转盘、支撑圆柱、支撑板、上板和小转盘索鞘组成，所述抬升模块由螺旋杆件、抬升板、索套架、针座、穿刺针组成；
小转盘索鞘和支撑板均固定在大转盘上，所述螺旋杆件和支撑圆柱设置于底部小转盘和顶部小转盘之间，顶部小转盘的上方还设有上板，第二陶瓷轴承的内圈、外圈分别固定在底部小转盘和大转盘上，第三陶瓷轴承的内圈、外圈分别固定在螺旋杆件的底端和底部小转盘上，第四陶瓷轴承内圈、外圈分别固定于顶部小转盘和上板上，第五陶瓷轴承的内圈、外圈分别固定于螺旋杆件的顶端和顶部小转盘上，支撑圆柱的两端分别固定于底部小转盘和顶部小转盘上；
所述上板和支撑板顶端通过螺钉相互连接，所述索套架与两个支撑圆柱之间通过过盈配合连接，索套架上设有用于固定套索的套索安装孔，所述抬升板中心孔设有与螺旋杆件配合连接的内螺纹，抬升板上设有和支撑圆柱活动连接的通孔，通过螺旋杆件的旋转实现带动抬升板的上下移动，抬升板与针座通过螺钉固定连接，所述针座上设有用于固定穿刺针的通孔，可实现穿刺针沿着固定方向进行穿刺移动。
进一步的，所述软组织夹持装置的中空管路中设置有经纬线。
进一步的，所述软组织夹持装置放置于顶板的中心位置处，顶板上还设置有头枕垫、胸垫、支撑垫和脚垫。
进一步的，所述定位装置中的所有零部件均采用工程塑料加工制造而成。
进一步的，中空管路中硫酸铜水溶液的浓度为1g/L，
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.采用拓扑和布局设计方法，设计病患支撑结构，使得狭小的磁共振仪在扫描过程中能同时容纳病患和定位装置，同时又预留出足够的空间，用于医生在床的两侧进行手术，满足临床需求，为医生的操作提供便捷；
2.本发明能够克服手术过程中成像效果不及时和轨迹规划难的弊端，能够在很大程度上减轻病患的痛苦，有效减小手术时间，使手术过程变得简单易操作，降低手术难度，提高手术精度，增加手术成功率，从而大大提高病人的治愈率和生存质量，进而能够广泛应用在临床手术中，同时减弱放射性药物对医生的伤害。
3.对于超声影像检查未能发现的以及检查发现但不可触及的肿瘤病变，本发明将发挥着无法替代的作用，本发明是在核磁图像引导下的自动定位装置，核磁共振成像可以提供高质量的软组织对比度和清晰的解剖结构细节，可以检查到超声影像检查未能发现的肿瘤病变，并且通过自动定位装置的运动，可以实现一种全方位、多角度的穿刺手术，使得穿刺针可以达到软组织的任何位置。因此本发明的应用具有良好的社会效益和应用前景，并且能够在一定程度上促进核磁共振环境下软组织微创手术技术的发展。
4.本发明结构新颖、便捷，通过独特的设计可以实现驱动电机部分和自动定位装置分开，实现一种远程驱动，提高系统的核磁兼容性，可以应用到在核磁共振环境下；通过独特的结构设计可以实现一种全方位、多角度的穿刺过程，只需医生手持穿刺针沿着固定方向穿刺即可，方便临床操作。
附图说明
图1是支撑结构的结构示意图。
图2是软组织夹持装置的结构示意图。
图3-1是定位装置的结构示意图。
图3-2是定位装置中旋转模块的结构示意图。
图3-3是定位装置中姿态调整模块和抬升模块的结构示意图。
图4是套索驱动的结构示意图。
附图标记：1-支撑柱，2-头枕垫，3-顶板，4-软组织夹持装置，4-1-经线，4-2-纬线，4-3-标记线，4-4-中空管路，5-脚垫，6-支撑垫，7-底板，8-胸垫，9-扶手，10-底部连接板，11-大转盘索鞘，12-轴承内固定圈，13-大转盘，14-第一陶瓷轴承，15-轴承外固定圈，16-光学编码器，17-编码器连接件，18-小转盘索鞘，19-第二陶瓷轴承，20-底部小转盘，21-第三陶瓷轴承，22-螺旋杆件，23-支撑板，24-索套架，25-支撑圆柱，26-上板，27-第四陶瓷轴承，28-顶部小转盘，29-第五陶瓷轴承，30-穿刺针，31-抬升板，32-针座
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明自动定位系统整体外观结构图如图1所示，将6个支撑柱1通过过盈配合安装在底板7上，随后通过过盈配合安装顶板3和扶手9，之后将软组织夹持装置4放置在顶板的中心位置处，并在顶板上的指定位置处摆放头枕垫2、胸垫8、支撑垫6和脚垫5，定位装置通过在固定位置处安装螺钉的方式固定在底板7上，完成整个定位装置的装配。
本实施例中，顶板3进行独特的曲面设计，很好地贴合人体，使病患能够以一种舒服的姿态俯卧在顶板3的上面。相比较其他的肿瘤定位装置，例如对于乳腺肿瘤，病患只需将病灶所在乳房软组织放置于软组织夹持装置中，健康完好的乳房软组织放置于特制的海绵垫中，从而可以帮助医生实现一种全方面、多角度的穿刺过程，并且穿刺针尖点可以达到软组织的任何位置，实现精准的穿刺手术过程；支撑柱1放置于顶板和底板之间，用于支撑顶板和俯卧在顶板上的病患的重量，根据静力学分析结果将支撑柱放置于顶板和底板之间的特定位置处，实现良好支撑功能，同时可以使顶板的变形量最小；底板7为左右对称结构，其底面弧形的设计可以很好地贴合磁共振床，使得底板可以很好地固定在磁共振床上，可以实现在磁共振床的移动过程中始终保持和磁共振床的相对静止状态，有效避免了因为磁共振床的移动带来的误差；扶手进行独特的曲线设计，可以实现在手术过程中，病患以一种舒服的姿态握住扶手，开展手术过程。
如图2所示，该软组织夹持装置4通过3D打印制作完成，具有完全的核磁兼容性。根据每个人软组织尺寸大小不同，设计一系列不同规格的软组织夹持装置，实现对软组织的夹紧、固定，减少在粒子植入手术或者活检手术过程中软组织的移动和变形。根据核磁共振成像原理可知，MRI是利用射频脉冲对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振，用感应线圈采集磁共振信号，按一定数学方法进行处理而建立的一种数字图像。普通3D打印材料无法在核磁图像上显像，本软组织夹持装置的创新之处在于设计了一款可以在核磁图像中显像的软组织夹持装置。软组织夹持装置4的内部设计有中空管路4-4，中空管路4-4之间相互连接、贯通，中空管路4-4中装有硫酸铜水溶液，溶液浓度为1g/L，构成了整个夹持装置。本软组织夹持装置4的圆环形骨架上表面设计有用于定位的标记线4-3，通过调整定位装置的位置，使标定线与磁共振仪发射出的两条互相垂直的红色十字线重合，建立定位装置坐标系与核磁图像坐标系之间的关系，完成定位过程。为使医生能够准确定位肿瘤位置，本软组织夹持装置4中还设置有一定数量的经线4-1和纬线4-2，通过核磁图像中实时显示的夹持装置的经纬线信息，可以精确定位到夹持装置与软组织肿瘤的相对位置，从而可以实现准确定位病灶位置，提高诊断和治疗的准确率，并实现精准粒子植入手术过程。
定位装置内部结构如图3-1至图3-3所示，底部连接板10通过螺钉连接固定在底板7上，大转盘索鞘11和轴承内固定圈12通过螺钉连接固定在底部连接板10上，轴承内固定圈12和第一陶瓷轴承14内圈通过过盈配合连接、大转盘13和第一陶瓷轴承14外圈通过过盈配合连接，轴承外固定圈15通过螺钉连接固定在大转盘13上，编码器连接件17通过螺钉连接固定在轴承外固定圈15上，光学编码器16的外壳通过螺钉连接固定在编码器连接件17上，光学编码器16的轴通过过渡配合固定在轴承内固定圈12内部的圆孔处；通过上述的连接方式实现旋转模块的顺时针和逆时针旋转，并通过编码器实时反馈旋转角度。
小转盘索鞘18和支撑板23通过螺钉连接固定在大转盘13上，第二陶瓷轴承19内圈、外圈分别通过过盈配合固定在底部小转盘20和大转盘13上，第三陶瓷轴承21内圈、外圈分别通过过盈配合固定在螺旋杆件22的底端和底部小转盘20上，支撑圆柱25的两端通过过盈配合固定在底部小转盘20和顶部小转盘28上，第四陶瓷轴承27内圈、外圈分别通过过盈配合固定在顶部小转盘28和上板26上，第五陶瓷轴承29的内圈、外圈分别固定于螺旋杆件22的顶端和顶部小转盘28上；通过小转盘的旋转来实现局部姿态的调整；上板26和支撑板23之间通过螺钉紧密连接。
索套架24与两个支撑圆柱25之间通过过盈配合连接，索套架24上设有用于固定套索的套索安装孔，抬升板31中心孔设有与螺旋杆件配合连接的内螺纹，抬升板31上设计有两个通孔可以实现和两个支撑圆柱25通过间隙配合光滑连接，从而可以实现通过螺旋杆件22的旋转来带动抬升板31的上下移动。抬升板31与针座32通过螺钉固定连接，所述针座32上设计有用于固定穿刺针30的通孔，医生可以手持穿刺针30并沿着针座32的固定方向进行粒子植入手术。通过大转盘13、底部小转盘20的旋转，以及抬升板31的上下平移来实现对肿瘤的精确定位任务。
大转盘13、底部小转盘20的驱动方式，如图4所示，套索从转盘的进索鞘进入，沿着转盘外表面缠绕，从转盘出索鞘出，套索的另外两端绕在电机轴上，从而实现电机的旋转通过套索驱动带动转盘的旋转。螺旋杆件22的驱动方式，如图4所示，套索从索套架24的进索孔进入，沿着螺旋杆件22下端缠绕，从索套架24的出索孔出，套索的另外两端绕在电机轴上，实现电机的旋转通过套索驱动带动螺旋杆件的旋转，进而带动抬升板31的上下平移。套索驱动的方式不仅具有高精度，驱动线性良好，扭矩可调等优点，还可以实现电机动力系统远离核磁仪成像区域，从而减轻金属在磁共振仪成像中产生伪影的影响，提高磁共振仪图像的清晰度。
具体的，在实现放射性粒子125I植入或者软体组织活检微创手术治疗过程中，首先需要将软组织夹持装置安放在磁共振床上，并通过标记线与磁共振仪进行标定，完成定位过程。随后需要患者以俯卧的姿态通过特制的海绵垫固定在顶板上，并将病灶所在软组织放置在夹持装置中。然后对病患进行磁共振扫描，定义肿瘤靶区，确定病灶位置。本发明的定位装置软件通过对核磁图像中加持装置的经纬线位置判断以及对刺入肿瘤区域的穿刺针轨迹进行预规划，从而确定穿刺针的刺入角度、位置，使得定位装置在电机的驱动下自动旋转到固定位置处，然后由医生手动完成粒子植入手术。
具体的，在材料方面，考虑到磁共振仪器在使用过程中会产生高强度磁场，因此导致任何铁磁性和顺磁性材料会对成像产生巨大的干扰，导致图像变形，因此定位装置全部零部件采用工程塑料进行加工制造；在空间结构方面，考虑到封闭式磁共振仪的内径尺寸很小，大约在600mm，因此在整体结构的设计要求上要满足磁共振仪的空间限制要求。
综上，本发明定位系统可以完全实现对肿瘤的自动定位功能，并在床的两侧留有足够的空间和时间，用于医生手动完成粒子植入手术过程。病患支撑结构可以实现对病患体位的固定，避免了由于在手术过程中由于病人身体移动所带来的误差；软组织夹持装置可以很好地实现对软组织的固定，减小软组织的变形，并且能够在核磁图像中准确定位肿瘤位置；定位装置可以根据核磁图像反馈信息自动旋转到可以针刺到肿瘤的最佳位置，方便医生进行下一步的手术工作。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种面向核磁共振环境下的肿瘤自动定位系统，其特征在于，包括支撑结构、软组织夹持装置和定位装置，所述支撑结构由底板、顶板、支撑柱和扶手组成，所述支撑柱放置于底板和顶板之间，顶板设置为贴合人体俯身时曲线的曲面结构，所述底板的下表面设置为弧形结构用于贴合磁共振床，所述扶手设置于底板上表面的顶部；所述软组织夹持装置设置于顶板上，所述定位装置位于软组织夹持装置下方且与所述底板上表面固定；
所述软组织夹持装置由圆环形的骨架和中空管路组成，骨架四周均匀分布设有固定板，所述骨架的下表面通过所述中空管路相互贯通连接形成有半球形网状结构，所述中空管路中装有硫酸铜水溶液，所述骨架的上表面设有用于定位的标记线，可通过调整定位装置的位置，使标定线与磁共振仪发射出的两条互相垂直的红色十字线重合，建立定位装置坐标系与核磁图像坐标系之间的关系，完成定位过程；
所述定位装置包括旋转模块、姿态调整模块和抬升模块，所述旋转模块由底部连接板、轴承内固定圈、第一陶瓷轴承、轴承外固定圈、大转盘、光学编码器、编码器连接件和大转盘索鞘组成，底部连接板固定在底板上，大转盘索鞘和轴承内固定圈通过螺钉固定于底部连接板上，轴承内固定圈和第一陶瓷轴承内圈、大转盘和第一陶瓷轴承外圈均通过过盈配合连接，轴承外固定圈固定于大转盘上，编码器连接件固定于轴承外固定圈上，光学编码器的外壳通过螺钉固定于编码器连接件上，光学编码器的轴通过过渡配合固定于轴承内固定圈内部的圆孔处；通过上述连接方式可实现旋转模块的顺时针和逆时针旋转，并通过光学编码器实时反馈旋转角度；
所述姿态调整模块由第二陶瓷轴承、第三陶瓷轴承、第四陶瓷轴承、第五陶瓷轴承、顶部小转盘和底部小转盘、支撑圆柱、支撑板、上板和小转盘索鞘组成，所述抬升模块由螺旋杆件、抬升板、索套架、针座、穿刺针组成；
小转盘索鞘和支撑板均固定在大转盘上，所述螺旋杆件和支撑圆柱设置于底部小转盘和顶部小转盘之间，顶部小转盘的上方还设有上板，第二陶瓷轴承的内圈、外圈分别固定在底部小转盘和大转盘上，第三陶瓷轴承的内圈、外圈分别固定在螺旋杆件的底端和底部小转盘上，第四陶瓷轴承内圈、外圈分别固定于顶部小转盘和上板上，第五陶瓷轴承的内圈、外圈分别固定于螺旋杆件的顶端和顶部小转盘上，支撑圆柱的两端分别固定于底部小转盘和顶部小转盘上；
所述上板和支撑板顶端通过螺钉相互连接，所述索套架与两个支撑圆柱之间通过过盈配合连接，索套架上设有用于固定套索的套索安装孔，所述抬升板中心孔设有与螺旋杆件配合连接的内螺纹，抬升板上设有和支撑圆柱活动连接的通孔，通过螺旋杆件的旋转实现带动抬升板的上下移动，抬升板与针座通过螺钉固定连接，所述针座上设有用于固定穿刺针的通孔，可实现穿刺针沿着固定方向进行穿刺移动，所述软组织夹持装置的中空管路中设置有经纬线，所述软组织夹持装置放置于顶板的中心位置处，顶板上还设置有头枕垫、胸垫、支撑垫和脚垫，中空管路中硫酸铜水溶液的浓度为1g/L。
2.根据权利要求1所述一种面向核磁共振环境下的肿瘤自动定位系统，其特征在于，所述定位装置中的所有零部件均采用工程塑料加工制造而成。
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