CN110433398A - 一种模拟放疗时呼吸运动对肺部肿瘤位置影响的模型 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模拟放疗时的呼吸运动对肺部肿瘤位置影响的模型，其设有支撑底板，支撑底板顶面的左右两侧分别固定安装有人体上身模拟框架和呼吸模拟机构，在支撑底板之外还配有一台简易自动呼吸机。本发明通过模拟人体呼吸，在呼吸气囊工作时，肿瘤模拟物在水囊中的相对位置会改变，水囊在气囊中的相对位置也会改变，由此可以实现精确模拟放疗时呼吸运动对肺部肿瘤位置影响。和常规模型相比，本模型的使用更简单，模拟更直观，通过对该模型中肿瘤模拟物的运动轨迹进行三维位置追踪，并对追踪数据进行分析，根据分析结果对肺部肿瘤患者放疗时的临床摆位误差和计划靶区外放边界进行校正，从而可制定出更为精确的肺部肿瘤放疗方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种医用模型，具体是一种模拟放疗时的呼吸运动对肺部肿瘤位置影响的模型，属于医用器械技术领域。
背景技术
目前放射治疗已成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一，大约70%的肿瘤患者在治疗过程中需要进行放射治疗，而精确放射治疗是放射治疗的发展目标，其要求做到肿瘤的精确定位，进而可以减少靶区周围正常组织并发症概率，提高肿瘤区照射剂量, 增加肿瘤控制率。
对于肺部肿瘤的患者，由于呼吸运动造成的肺部扩张与收缩会对肺部肿瘤的位置产生很大的影响，因此要实现对肿瘤的精确定位很难。中国专利201410089373.0公开了一种头颈胸腹部肿瘤放疗模拟及检测结构的模具，其通过对单片机系统编程，同时控制两步进电机使肿瘤模拟物做不同频率和幅度的运动来模拟呼吸运动导致肿瘤在三维方向上的运动，并对运动进行多参数设定调节，同时，对肿瘤模拟物进行特定设计，使其具有空间定点及射野几何验证功能，其可以用来分析摆位误差，及呼吸运动对摆位误差的影响。此专利主要针对的是呼吸时的胸廓节律性扩张与缩小对头颈胸腹部肿瘤位置的影响，属于宏观上的模拟，对于微观上的模拟并不适用，比如要精确模拟呼吸运动中人体肺部的扩张和收缩对肺部肿瘤位置的影响，对单片机系统编程的难度极高，而且该专利的技术方案由于缺乏对应的肺部和胸腔的模拟物，仅靠两步进电机使肿瘤模拟物做不同频率和幅度的运动，模拟不够直观。
为此我们希望能开发一种使用更简单、模拟更直观并能精确模拟放疗时呼吸运动对肺部肿瘤位置影响的模型，通过对该模型中肿瘤模拟物的运动轨迹进行三维位置追踪，并对追踪数据进行分析，根据分析结果对肺部肿瘤患者放疗时的临床摆位误差和计划靶区外放边界进行校正，从而可制定出更为精确的肺部肿瘤放疗方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用更简单、模拟更直观并能精确模拟放疗时呼吸运动对肺部肿瘤位置影响的模型，为了实现此目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种模拟放疗时的呼吸运动对肺部肿瘤位置影响的模型，其设有支撑底板，支撑底板顶面的左右两侧分别固定安装有人体上身模拟框架和呼吸模拟机构，在支撑底板之外还配有一台简易自动呼吸机。
所述人体上身模拟框架设有躯干部分和头颈部分，躯干部分为一个矩形壳体，头颈部分固定连接在躯干部分的左侧，躯干部分的后侧面和右侧面为敞口面，躯干部分的底板贴合放置在支撑底板顶面的左侧，支撑底板上设有锁扣装置将人体上身模拟框架固定在支撑底板上。
所述呼吸模拟机构设有水平纵向移动的Y轴滑台，Y轴滑台固定安装在支撑底板顶面的右侧，Y轴滑台的纵移滑块上固定连接有向左侧水平伸出的支托板，支托板的左端伸入人体上身模拟框架躯干部分的壳体内并延伸至躯干部分肺部的位置，支托板顶面右侧固定安装有水平横向移动的X轴滑台，X轴滑台的横移滑块上固定连接有L形托架，L形托架的上部设有纵向朝上的U形拨叉。
所述支托板顶面中部设有立置的固定座，固定座左侧面设有大凸台，大凸台上还设有小凸台；支托板顶面左侧支承有一个用于模拟胸腔的透明气囊，气囊内部还设有一个用于模拟肺部的独立的透明水囊，气囊和水囊的开口通过弹性绑带分别绑定在固定座的大凸台和小凸台上；固定座上还设有分别与气囊和水囊相连通的充气管路和充水管路；水囊内还设有一个呼吸气囊，呼吸气囊的进气管路经固定座向外引出并与简易自动呼吸机的供气嘴连接，由简易呼吸机对呼吸气囊进行交替式充气和排气。
所述固定座在对应小凸台的位置设有横向贯穿的滑套，滑套右端从固定座右侧面向外伸出一段距离，滑套内活动套接有一根可转动和横移的长套管，长套管左段设置在水囊内，长套管右段穿过滑套向右侧伸出；滑套右端管壁外侧设有套管锁定螺钉；长套管的左管口上方设有一个纵向的门形槽，门形槽的下槽口与长套管内腔相连通，门形槽内滑动连接有齿面朝下的纵向齿条，纵向齿条的其中一个端头上通过短绳系有一个可在水中上浮的塑料小球作为肿瘤模拟物；长套管右段外侧在靠右的位置设有一圈环形凹槽，长套管通过环形凹槽可转动的卡接在L形托架的U形拨叉内，长套管的右端头外侧连接有套管旋转手把；长套管内还活动套接有可转动的中轴，中轴的左端头设有小齿轮，小齿轮与长套管门形槽内的纵向齿条相啮合，由小齿轮带动纵向齿条在门形槽内前后移动；中轴的右端伸出长套管外并在末端设有中轴旋转手把，长套管右段管壁外侧还设有中轴锁定螺钉。
本发明通过在人体上身模拟框架内部对应肺部的位置架设一个气囊用于模拟人体胸腔，并在气囊内部设置一个水囊用于模拟人体肺部，然后在水囊内部设置一个用短绳牵拉且位置可调的肿瘤模拟物，水囊内部还设有与外部简易自动呼吸机相连接的呼吸气囊，调整好肿瘤模拟物在水囊中的相对位置后，启动简易自动呼吸机对呼吸气囊进行交替式充气和排气，模拟人体呼吸，在呼吸气囊工作时，水囊中的水会形成周期性波动，导致肿瘤模拟物在水囊中的相对位置改变，水囊在气囊中的相对位置也会改变，由此可以实现精确模拟放疗时呼吸运动对肺部肿瘤位置影响。和常规模型相比，本模型的使用更简单，模拟更直观，通过对该模型中肿瘤模拟物的运动轨迹进行三维位置追踪，并对追踪数据进行分析，根据分析结果对肺部肿瘤患者放疗时的临床摆位误差和计划靶区外放边界进行校正，从而可制定出更为精确的肺部肿瘤放疗方案。
附图说明
图1为本发明模型的整体结构示意图。
图2为支撑底板的结构示意图。
图3为人体上身模拟框架的结构示意图。
图4为呼吸模拟机构的结构示意图。
图5为图4的正面剖面视图。
图6为图4去除气囊和水囊后的示意图。
图7为长套管上的装配部件的零件分解图。
图8为水囊的结构示意图。
图9为气囊的结构示意图。
图中：1-支撑底板，2-人体上身模拟框架，2a-躯干部分，2b-头颈部分，3-呼吸模拟机构，4-简易自动呼吸机，5-锁扣装置，5a-卡板，5b-紧定螺钉，6-Y轴滑台，6a-纵移滑块，7-支托板，8-X轴滑台，8a-横移滑块，9-L形托架，10-固定座，10a-大凸台，10b-小凸台，11-气囊，12-水囊，13-弹性绑带，14-充气管路，15-充水管路，16-单向止回阀，17-呼吸气囊，18-滑套，19-长套管，19a-门形槽，19b-环形凹槽，19c-套管旋转手把，20-套管锁定螺钉，21-纵向齿条，22-短绳，23-肿瘤模拟物，24-中轴，24a-小齿轮，24b-中轴旋转手把，25-中轴锁定螺钉，26-挡水胶圈。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明。
如图1-9所示，本模拟放疗时的呼吸运动对肺部肿瘤位置影响的模型设有支撑底板1，支撑底板1顶面的左右两侧分别固定安装有人体上身模拟框架2和呼吸模拟机构3，在支撑底板1之外还配有一台简易自动呼吸机4。
所述人体上身模拟框架2设有躯干部分2a和头颈部分2b，躯干部分2a为一个矩形壳体，头颈部分2b固定连接在躯干部分2a的左侧，躯干部分2a的后侧面和右侧面为敞口面，躯干部分2a的底板贴合放置在支撑底板1顶面的左侧，支撑底板1上设有锁扣装置5将人体上身模拟框架2固定在支撑底板1上。进一步的，所述锁扣装置5由向左弯折的卡板5a和从卡板5a向下伸出的紧定螺钉5b组成，躯干部分2a的底板右侧边沿顶靠在卡板5a的卡口内，由紧定螺钉5b对躯干部分2a的底板进行锁定。所述人体上身模拟框架2的躯干部分2a和头颈部分2b均采用透明材料制成，躯干部分2a的内壁上设有相互垂直的三维坐标，用于标记肿瘤模拟物23的X，Y，Z 坐标值。
所述呼吸模拟机构3设有水平纵向移动的Y轴滑台6，Y轴滑台6固定安装在支撑底板1顶面的右侧，Y轴滑台6的纵移滑块6a上固定连接有向左侧水平伸出的支托板7，支托板7的左端伸入人体上身模拟框架躯干部分2a的壳体内并延伸至躯干部分2a肺部的位置，支托板7顶面右侧固定安装有水平横向移动的X轴滑台8，X轴滑台8的横移滑块8a上固定连接有L形托架9，L形托架9的上部设有纵向朝上的U形拨叉。进一步的，所述X轴滑台8和Y轴滑台6可以采用如图4所示的曲柄摇杆来手动控制其滑块的移动，也可以采用步进电机来电动控制其滑块的移动。
所述支托板7顶面中部设有立置的固定座10，固定座10左侧面设有大凸台10a，大凸台10a上还设有小凸台10b；支托板7顶面左侧支承有一个用于模拟胸腔的透明气囊11，气囊11内部还设有一个用于模拟肺部的独立的透明水囊12，气囊11和水囊12的开口通过弹性绑带13分别绑定在固定座10的大凸台10a和小凸台10b上；固定座10上还设有分别与气囊11和水囊12相连通的充气管路14和充水管路15；为了方便控制，充气管路14和充水管路15上均设有单向止回阀16。水囊12内还设有一个呼吸气囊17，呼吸气囊17的进气管路经固定座10向外引出并与简易自动呼吸机4的供气嘴连接，由简易呼吸机4对呼吸气囊17进行交替式充气和排气。
所述固定座10在对应小凸台10b的位置设有横向贯穿的滑套18，滑套18右端从固定座10右侧面向外伸出一段距离，滑套18内活动套接有一根可转动和横移的长套管19，长套管19左段设置在水囊12内，长套管19右段穿过滑套18向右侧伸出；滑套18右端管壁外侧设有套管锁定螺钉20；长套管19的左管口上方设有一个纵向的门形槽19a，门形槽19a的下槽口与长套管19内腔相连通，门形槽19a内滑动连接有齿面朝下的纵向齿条21，纵向齿条21的其中一个端头上通过短绳22系有一个可在水中上浮的塑料小球作为肿瘤模拟物23；长套管19右段外侧在靠右的位置设有一圈环形凹槽19b，长套管19通过环形凹槽19b可转动的卡接在L形托架9的U形拨叉内，长套管19的右端头外侧连接有套管旋转手把19c；长套管19内还活动套接有可转动的中轴24，中轴24的左端头设有小齿轮24a，小齿轮24a与长套管门形槽19a内的纵向齿条21相啮合，由小齿轮24a带动纵向齿条21在门形槽19a内前后移动；中轴24的右端伸出长套管19外并在末端设有中轴旋转手把24b，长套管19右段管壁外侧还设有中轴锁定螺钉25。为了防止运动时漏水，在滑套18靠近左侧的内管壁上设有多道挡水胶圈26与长套管19的外管壁相贴合，在长套管19靠近左侧的内管壁上也设有多道挡水胶圈26与中轴24的轴身相贴合。
本模拟放疗时的呼吸运动对肺部肿瘤位置影响的模型的使用方法，包括以下步骤：
（1）、通过充水管路15向水囊12充入适量的水，使水囊12膨胀，水囊12用于模拟人体肺部；再通过充气管路14向气囊11充入适量的空气，水囊12和气囊11的下侧均受到支托板7的支托，且水囊12在气囊11靠下的位置受气体的支托呈轻微浮动状态，气囊11用于模拟人体人体胸腔。
（2）、驱动Y轴滑台6的纵移滑块6a移动，使支托板7纵向移动到人体上身模拟框架躯干部分2a的左肺或右肺的位置，与患者的患侧肺相对应。
（3）、驱动X轴滑台8的横移滑块8a移动，使L形托架9的U形拨叉驱动长套管19在滑套18内横向移动，直至长套管19左侧的门形槽19a到达合适的位置，然后手动旋转套管旋转手把19c使长套管19在滑套18内旋转至合适的角度，并通过套管锁定螺钉20锁定，再手动旋转中轴旋转手把24b使中轴24左端的小齿轮24a带动长套管门形槽19a内的纵向齿条21纵向移动至合适位置，并通过中轴锁定螺钉25锁定，使肿瘤模拟物23达到三维坐标中的一个固定位置，该位置与患者肺部肿瘤的位置相对应。
（4）、启动简易自动呼吸机4对水囊11内的呼吸气囊17进行交替式充气和排气，调整简易自动呼吸机4的参数以实现模拟人体呼吸；呼吸气囊17工作时，水囊11内周期性波动的水会对肿瘤模拟物23在水囊12中的相对位置产生影响，也会对水囊12在气囊11中的相对位置产生影响。
（5）、通过通过影像设备对呼吸气囊17工作前静止状态的肿瘤模拟物23和呼吸气囊17工作后运动状态的肿瘤模拟物23 进行CT 扫描，根据扫描结果进行分析计算，由此得到肿瘤模拟物23在呼吸气囊17模拟人体呼吸时在三维坐标上的偏离值，对此偏离值进行统计学分析，根据分析结果对肺部肿瘤患者放疗时的临床摆位误差和计划靶区外放边界进行校正，从而制定出更为精确的肺部肿瘤放疗方案。
上述图例仅为本发明的典型实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改或等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种模拟放疗时的呼吸运动对肺部肿瘤位置影响的模型，其特征是：所述模型设有支撑底板，支撑底板顶面的左右两侧分别固定安装有人体上身模拟框架和呼吸模拟机构，在支撑底板之外还配有一台简易自动呼吸机；
所述人体上身模拟框架设有躯干部分和头颈部分，躯干部分为一个矩形壳体，头颈部分固定连接在躯干部分的左侧，躯干部分的后侧面和右侧面为敞口面，躯干部分的底板贴合放置在支撑底板顶面的左侧，支撑底板上设有锁扣装置将人体上身模拟框架固定在支撑底板上；
所述呼吸模拟机构设有水平纵向移动的Y轴滑台，Y轴滑台固定安装在支撑底板顶面的右侧，Y轴滑台的纵移滑块上固定连接有向左侧水平伸出的支托板，支托板的左端伸入人体上身模拟框架躯干部分的壳体内并延伸至躯干部分肺部的位置，支托板顶面右侧固定安装有水平横向移动的X轴滑台，X轴滑台的横移滑块上固定连接有L形托架，L形托架的上部设有纵向朝上的U形拨叉；
所述支托板顶面中部设有立置的固定座，固定座左侧面设有大凸台，大凸台上还设有小凸台；支托板顶面左侧支承有一个用于模拟胸腔的透明气囊，气囊内部还设有一个用于模拟肺部的独立的透明水囊，气囊和水囊的开口通过弹性绑带分别绑定在固定座的大凸台和小凸台上；固定座上还设有分别与气囊和水囊相连通的充气管路和充水管路；水囊内还设有一个呼吸气囊，呼吸气囊的进气管路经固定座向外引出并与简易自动呼吸机的供气嘴连接，由简易呼吸机对呼吸气囊进行交替式充气和排气；
所述固定座在对应小凸台的位置设有横向贯穿的滑套，滑套右端从固定座右侧面向外伸出一段距离，滑套内活动套接有一根可转动和横移的长套管，长套管左段设置在水囊内，长套管右段穿过滑套向右侧伸出；滑套右端管壁外侧设有套管锁定螺钉；长套管的左管口上方设有一个纵向的门形槽，门形槽的下槽口与长套管内腔相连通，门形槽内滑动连接有齿面朝下的纵向齿条，纵向齿条的其中一个端头上通过短绳系有一个可在水中上浮的塑料小球作为肿瘤模拟物；长套管右段外侧在靠右的位置设有一圈环形凹槽，长套管通过环形凹槽可转动的卡接在L形托架的U形拨叉内，长套管的右端头外侧连接有套管旋转手把；长套管内还活动套接有可转动的中轴，中轴的左端头设有小齿轮，小齿轮与长套管门形槽内的纵向齿条相啮合，由小齿轮带动纵向齿条在门形槽内前后移动；中轴的右端伸出长套管外并在末端设有中轴旋转手把，长套管右段管壁外侧还设有中轴锁定螺钉。
2.根据权利要求1所述的模拟放疗时的呼吸运动对肺部肿瘤位置影响的模型，其特征是：所述锁扣装置由向左弯折的卡板和从卡板向下伸出的紧定螺钉组成，躯干部分的底板右侧边沿顶靠在卡板的卡口内，由紧定螺钉对躯干部分的底板进行锁定。
3.根据权利要求1所述的模拟放疗时的呼吸运动对肺部肿瘤位置影响的模型，其特征是：所述人体上身模拟框架的躯干部分和头颈部分均采用透明材料制成，躯干部分的内壁上设有相互垂直的三个标尺，用于标记肿瘤模拟物的X，Y，Z 坐标值。
4.根据权利要求1所述的模拟放疗时的呼吸运动对肺部肿瘤位置影响的模型，其特征是：所述X轴滑台和Y轴滑台采用曲柄摇杆来手动控制其滑块的移动或采用步进电机来电动控制其滑块的移动。
5.根据权利要求1所述的模拟放疗时的呼吸运动对肺部肿瘤位置影响的模型，其特征是：所述充气管路和充水管路上均设有单向止回阀。
6.根据权利要求1所述的模拟放疗时的呼吸运动对肺部肿瘤位置影响的模型，其特征是：在所述滑套靠近左侧的内管壁上设有多道挡水胶圈与长套管的外管壁相贴合，在长套管靠近左侧的内管壁上也设有多道挡水胶圈与中轴的轴身相贴合。
7.一种如权利要求1所述的模拟放疗时的呼吸运动对肺部肿瘤位置影响的模型的使用方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）、通过充水管路向水囊充入适量的水，使水囊膨胀，水囊用于模拟人体肺部；再通过充气管路向气囊充入适量的空气，水囊和气囊的下侧均受到支托板的支托，且水囊在气囊靠下的位置受气体的支托呈轻微浮动状态，气囊用于模拟人体人体胸腔；
（2）、驱动Y轴滑台的纵移滑块移动，使支托板纵向移动到人体上身模拟框架躯干部分的左肺或右肺的位置，与患者的患侧肺相对应；
（3）、驱动X轴滑台的横移滑块移动，使L形托架的U形拨叉驱动长套管在滑套内横向移动，直至长套管左侧的门形槽到达合适的位置，然后手动旋转套管旋转手把使长套管在滑套内旋转至合适的角度，并通过套管锁定螺钉锁定，再手动旋转中轴旋转手把使中轴左端的小齿轮带动长套管门形槽内的纵向齿条纵向移动至合适位置，并通过中轴锁定螺钉锁定，使肿瘤模拟物达到三维坐标中的一个固定位置，该位置与患者肺部肿瘤的位置相对应；
（4）、启动简易自动呼吸机对水囊内的呼吸气囊进行交替式充气和排气，调整简易自动呼吸机的参数以实现模拟人体呼吸；呼吸气囊工作时，水囊内周期性波动的水会对肿瘤模拟物在水囊中的相对位置产生影响，也会对水囊在气囊中的相对位置产生影响；
（5）、通过通过影像设备对呼吸气囊工作前静止状态的肿瘤模拟物和呼吸气囊工作后运动状态的肿瘤模拟物进行CT 扫描，根据扫描结果进行分析计算，由此得到肿瘤模拟物在呼吸气囊模拟人体呼吸时在三维坐标上的偏离值，对此偏离值进行统计学分析，根据分析结果对肺部肿瘤患者放疗时的临床摆位误差和计划靶区外放边界进行校正，从而制定出更为精确的肺部肿瘤放疗方案。
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