CN110812711A - 一种基于并联机构的放射治疗设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于并联机构的放射治疗设备，其包括CT旋转定位装置、并联传动机构、放射机头以及可移动的床体。本发明能够在线灵活精确调整方位，实现对靶不同部位癌细胞，并且可以根据病变在人体部位灵活调整机头实现沿不相交空间直纹曲面轴线旋转，可以在扫描运动工作中形成空间无相交锥形轨迹，从而在整个扫描过程中减少对正常细胞的辐射，这样不仅可以提高癌细胞的杀伤率，且最大限度保护了正常细胞或健康器官。并且可以根据病变在人体部位不同，提出两种实施例，灵活调整机头实现空间内沿不同方向轴线旋转，相比现有设备更为灵活，给治疗计划系统带来了诸多的便利。

Description

一种基于并联机构的放射治疗设备

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，特别是一种基于并联机构的放射治疗设备。

背景技术

目前，全球癌症死亡人数占总死亡人数的近六分之一，每年有1400多万新发癌症病例，因此肿瘤治疗成为全球关注的重大问题，也是医疗设备发展的高度关注领域。目前肿瘤的治疗手段主要包括外科手术、放射治疗(简称放疗)、化学治疗(简称化疗)三种治疗方法，经调查约70％的恶性肿瘤病人必须通过放射治疗手段才能得到较好的治疗效果。

经对现有放疗设备的检索发现，国内常用的放疗设备钴-60治疗机，以及一些常见的直线加速器如XHA600C、HM-J-16、BJ-6、BJ-14等，其结构形式大多为串联，操作过程是首先通过床体的移动进行定位，再通过设备实现一个定点转动进行放射治疗。目前国内外的放疗设备实现的定点转动是固定轴线的转动，不能够实现根据病患位置在线调整转动轴线位置和方向，相对笨拙，不够灵活，难以在不同位置的病灶之间转换。

在放射治疗过程中，放射机头空间运动的灵活性对患者的治疗及其物理医师制定治疗计划都具有很大的帮助，但是现有的放射治疗设备的空间运动能力较差，并不能灵活精确的调整方向，因此，导致治疗效果存在很大的局限性。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种癌细胞放射治疗设备，其能够在线灵活精确调整方位，实现对靶不同部位癌细胞，并且可以根据病变在人体部位灵活调整机头实现沿不相交空间直纹曲面轴线旋转。

本发明提供的癌细胞放射治疗设备，可以在扫描运动工作中形成“空间无相交锥形轨迹”，从而在整个扫描过程中减少对每个正常细胞的辐射，这样不仅可以提高癌细胞的杀伤率，且最大限度保护了正常细胞或健康器官。运用我们专利中的“全域2转1移3-PUU新机构”，或直接采取6-UPS机构，可以在工作空间高度灵活地选择治疗的靶点，还可以选择任何需要的方向进行旋转，对诸靶点间的直接转换极其简单，易于实现智能化。

具体地，本发明提供一种基于并联机构的放射治疗设备，其包括上位机、CT旋转定位装置、并联传动机构、放射机头以及能移动的床体，

所述CT旋转定位装置包括旋转固定机架、CT旋转检测装置以及并联传动机构旋转定位装置，所述旋转固定机架与地面固定连接，所述旋转固定机架的中心孔与CT旋转检测装置及并联机构旋转定位装置构成同心配合，所述CT旋转检测装置以及并联传动机构旋转定位装置能够绕着所述旋转固定机架的中心轴线进行旋转，所述CT旋转检测装置对体内病灶进行定位，并将病灶位置信息传输至上位机，

所述并联传动机构包括定平台、并联分支和动平台，所述定平台固定连接于所述并联机构旋转定位装置的悬臂外壳内部，所述动平台连接所述放射机头，所述并联分支包括多个相同的分支机构，

所述放射机头包括放射机头外壳、粒子放射初形装置、粒子放射减漏装置和粒子放射控形光栅尺，所述机头外壳与所述动平台的几何中心固定连接，所述机头外壳内部从上至下依次设置有所述粒子放射初形装置、粒子放射减漏装置和粒子放射控形光栅尺，所述粒子放射源通过加速器对粒子加速后发射出粒子，发射的粒子先通过所述粒子放射初型装置，通过所述粒子放射初型装置的粒子进入到粒子放射减漏装置，粒子放射减漏装置的配置用于对粒子束的大小进行控制，并且削减通过粒子放射初形装置漏射掉的粒子，之后粒子通过粒子放射控形光栅尺，放射出粒子束，进行治疗，

所述床体包括床本体、Z向升降装置和Y向进给传动床板，所述Z向升降装置的下部与地面固定连接，所述Z向升降装置的上部与床本体构成移动副，从而对床本体的Z向进行定位，所述床本体上部设置有滑槽，所述滑槽与所述Y向进给床板形成移动单元，从而使所述Y向进给传动床板能够沿着Y轴方向往返运动并对床体进行定位。

优选地，所述并联传动机构为三自由度并联机构，所述并联分支包括三个相同的分支机构，每一个分支机构均包括两个依次连接的万向铰链和一个移动副即P副，其中一个万向铰链即U副连接所述动平台，另一个万向铰链连接所述移动副的第一端，所述移动副的第二端连接所述定平台。

优选地，所述并联传动机构为六自由度并联机构，所述并联分支包括六个相同的分支机构，每一个分支机构包括万向铰链即U副、移动副即P副和球副即S副，所述万向铰链的第一端连接所述定平台，万向铰链的第二端连接所述移动副的第一端，所述移动副的第二端连接所述球副的第一端，所述球副的第二端连接所述动平台。

优选地，所述粒子放射初形装置为长方形铅板，所述铅板的中间开设有直径为40mm的通孔；

所述粒子放射减漏装置为四块能够移动的铅板，四块能够移动的铅板能够形成边长小于40mm的矩形窗口；

所述粒子放射控形光栅尺包括两排尺寸大小相同的可移动铅条。

优选地，所述并联机构的多分支机构对称布置，每一个分支机构的移动副处连接有一个驱动装置，驱动装置的配置用于对动平台的位姿进行调整。

优选地，所述床体Z向升降装置以及Y向进给传动床板的坐标位置信息能够在上位机中显示并进行相应控制。

优选地，所述并联传动机构定位装置能够绕着所述床体进行一周的旋转。

优选地，所述放射治疗设备的运动轨迹为空间无相交锥形轨迹，所述空间无相交锥形轨迹为螺旋倒锥体运动轨迹或三角倒锥体运动轨迹，所述空间无相交锥形轨迹能够保证在扫描的过程中使得正常细胞受到较少辐射，所述空间无相交锥形轨迹由并联传动机构在360度范围内根据治疗需要运动形成。

优选的，所述放射治疗设备能够实现针对人体一定范围内不同部位的病灶进行对靶治疗。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明在结构方面，采用并联机构，继承了并联机构误差累计小，运动精度高，结构紧凑的优点，在运动空间方面，本发明基于能够实现绕其空间中任何点作连续纯转动的3-PUU机构或6-UPS机构，能够实现沿不相交空间直纹曲面轴线旋转，从而可以形成空间无相交锥形轨迹，这种轨迹可以在扫描的过程中使得正常细胞只受到较少辐射，一次放疗的扫描过程中可以最大限度长时间地对靶点施加放疗，大大提高治疗的效率，且最大限度地保护了正常细胞。相比现有只能定轴线转动的设备更为灵活，给治疗带来了诸多便利。

本发明在驱动控制方面，对3-PUU的三个P副进行驱动，对6-UPS的六个P副进行驱动，通过驱动器驱动移动副实现动平台的位姿变化，驱动器安装简单，力和运动反馈控制都非常容易。

附图说明

图1是本发明的总体示意图；

图2是本发明的CT旋转定位装置；

图3是本发明的放射机头的示意图；

图4是本发明的三自由度并联机构并联传动机构的结构示意图；

图5是本发明的床体的结构示意图；

图6是本发明的六自由度并联机构并联传动机构的示意图；

图7a是本发明的放射治疗时的螺旋倒锥体射线运动轨迹示意图；

图7b是本发明的放射治疗时的三角倒锥体射线运动轨迹示意图；

图8a是本发明的第一实施例的全周性放射治疗的治疗方案示意图；

图8b是本发明的第二实施例的非全周性放射治疗的治疗方案示意图；

图9是本发明的形成空间无相交轨迹原理的示意图；

图10a是本发明的3-PUU并联机构针对不同病灶进行对靶示意图；以及

图10b是本发明的6-UPS并联机构针对不同病灶进行对靶示意图。

图中部分附图标记如下：

1-CT旋转定位装置、2-放射机头、3-并联传动机构、4-床体；

101-旋转固定机架、102-CT旋转检测装置、103-并联机构旋转定位装置；

201-机头外壳、202-粒子放射初形装置、203-粒子放射减漏装置、204-粒子放射控形光栅尺；

301-定平台、302-万向铰链(U副)、303-移动副(P副)、304-动平台；(这里不需要特意标注了)

401-Y向进给传动床板、402-床本体、403-Z向升降装置；

301’-定平台、302’-万向铰链(U副)、303’-移动副(P副)、504-球副(S副)、304’-动平台。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方法。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

具体地，本发明提供一种基于并联机构的放射治疗设备，其包括CT旋转定位装置1、放射机头、并联传动机构以及能移动的床体。

在图1、2所示的放疗机的示意图中，旋转固定机架101固定连接于地面，为CT旋转检测装置102以及并联机构旋转定位装置103提供支撑和动力，使得CT旋转检测装置102以及并联机构定位装置103可以绕着中心轴线进行旋转，CT旋转检测装置102对体内病灶进行定位，然后将病灶位置信息传递到上位机，在医疗物理师制定了治疗计划后进行放射治疗，通过对并联机构旋转定位装置103的旋转，将并联传动机构旋转到最佳治疗位置。

如图1至图5所示，放射机头2中的机头外壳201与并联传动机构3的动平台304几何中心固定连接，在机头外壳201中，从上到下依次排布有粒子放射初形装置202、粒子放射减漏装置203、粒子放射控形光栅尺204，整体放射机头如图3所示。粒子通过加速器加速之后，进入到机头呈散射状态，首先通过粒子放射初形装置202，粒子放射初形装置202是一中心开有圆孔的铅版，对粒子进行初步的形状设定，并对散射的粒子进行第一次约束，通过粒子放射初形装置202的粒子进入到粒子放射减漏装置203，粒放射减漏装置203可以调节粒子束的大小，并且削减通过粒子放射初形装置202漏掉的粒子，对散射粒子进行第二次约束，通过粒子放射减漏装置203的粒子进入到粒子放射控形光栅尺204，通过粒子放射控形光栅尺204的移动，得到所需要的粒子放射的最终形状。

机头并联传动机构3的定平台301固定连接于并联机构旋转定位装置103的悬臂外壳里面，定平台301与动平台304通过三个运动分支相连接，每个运动分支从定平台301到动平台304方向依次连接有移动副303和两个万向铰链302,从而形成一个3-PUU的并联机构。

在本实施例中，移动副303为能够调节长度的套管结构，在其余实施例中，移动副303也可以为其它结构，只要能够达到调节并联机构的位姿的目的即可。

并联机构的三个分支对称放置，如图4所示。通过对并联机构的三个移动副施加驱动，可以对动平台的位姿进行调整，使动平台的位姿达到期望效果。

如图5所示，可移动床体4中的Z向升降装置403下端固接于地面，上端与床本体402下端相连接，通过Z向升降装置403带动床本体402进行Z向移动，从而对床身的Z方向进行定位，其相应的坐标位置信息可以在其对应上位机中显示并进行相应控制。床本体402的上部有矩形滑槽，与Y向进给传动床板401形成移动副，使得Y向进给传动床板401可以沿着Y轴方向往返运动并对其进行定位，其位置坐标信息可在上位机中显示并进行相应控制。

图6示出了六自由度并联机构6-UPS示意图，该六自由度并联机构也包括六个对称设置的分支机构，每一个分支机构包括万向铰链302’、移动副303’以及球副504，万向铰链302’的第一端连接定平台301’，万向铰链302’的第二端连接移动副303’的第一端，移动副303’的第二端连接球副504的第一端，球副504的第二端连接动平台304’，从而形成一个六自由度的并联机构。用此机构替代3-PUU机构同样可以作为放疗设备传动机构，它除了可实现3-PUU的所有功能外，还可以有平行于固定平面方向的平移运动，适于需要此方向位置调整的治疗。

实施例1

实施例1采用全周性辐射治疗，整个治疗过程，首先患者躺在Y向进给传动床板401上，进入到CT旋转检测装置102对体内病灶进行定位，然后根据坐标转换，旋转并联机构旋转定位装置103，使得病灶处于放射机头2进行放射治疗的最佳位置。

放射机头2与并联传动机构3的动平台304的几何中心相连接，通过动平台的位姿变化，使得放射机头2对准靶区，通过在线实时调整粒子放射控形光栅尺204，使得粒子放射控形光栅尺204的形状与靶区的形状实时相吻合，达到治疗允许范围内的误差要求，从而进行放射治疗。

实施例1针对病灶处于人体的中的位置，具体如图8a所示，采取全周性辐射治疗，能够有效减少因病灶较厚而未能射穿带来的问题，从而达到更好的治疗效果。

实施例2

实施例2采用非全周性辐射治疗，在实施例1的基础上，保持并联机构旋转定位装置103不动，驱动并联机构的动平台，使得放射机头2处于治疗最佳位姿，从而实时控制动平台，使得放射机头2对准靶细胞，通过在线实时调整粒子放射控形光栅尺204，使得粒子放射控形光栅尺204的形状与靶区的形状实时相吻合，达到治疗允许范围内的误差要求，从而进行放射治疗。

这种实施方式针对肿瘤细胞偏向于人体一侧，具体如图8b所示，可以绕着空间一点进行放射治疗，形成一系列运动轨迹，如螺旋倒锥体运动轨迹，具体如图7a所示，三角倒锥体运动轨迹，具体如图7b所示等，这些运动轨迹可以有效减少对健康细胞的损伤次数。并且该种实施方式可以在不移动床体的前提下，实现对靶人体一定范围内不同部位的癌细胞，如图10a，10b所示分别为3-PUU和6-UPS两种并联机构针对不同部位病灶灵活对靶的示意图。

实施例2也减少了重复定位带来的误差，减少了患者健康细胞的损伤，对提高治疗效果有积极作用。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明在结构方面，采用并联机构，继承了并联机构误差累计小，运动精度高，结构紧凑的优点，运动空间方面，应用一种特殊的能够实现绕其空间中任何点作连续纯转动的3-PUU机构，可以实现沿不相交空间直纹曲面轴线旋转，如图9所示，是一种无伴随运动的两转一移三自由度3-PUU并联机构，它可以绕着指定平面内任意一条轴线转动，那么在指定平面内选定任意一点，动平台可以绕着过该点的一系列轴线转动，也就是可以绕着该点实现纯转动，因此指定平面内的任意点均可作为转动中心。结合放射治疗，可将指定平面设定为病灶所在的水平平面，将病灶的位置设置为转动点，则动平台可以绕着病灶作转动，图9中只展示出了一个平面中动平台绕着该点(病灶)转动的五个位形，实际上这些运动都是连续的，将该特性扩展到360度，就可以得到动平台绕着空间点作转动的运动，可以在其工作空间内形成一部分曲面运动的轨迹，这些轨迹都是处于并联机构的可达空间内，从而可以形成空间无相交锥形轨迹，这种轨迹可以在扫描的过程中使得正常细胞只受到较少辐射，一次放疗的扫描过程中可以最大限度长时间地对靶点施加放疗，大大提高了治疗的效率，且最大限度地保护了正常细胞。相比现有只能定轴线转动的设备更为灵活，给治疗带来诸多便利。

本发明在驱动控制方面，对3-PUU的三个P副进行驱动，对6-UPS的六个P副进行驱动，通过驱动器驱动移动副实现动平台的位姿变化，驱动器安装简单，力和运动反馈控制容易。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于并联机构的放射治疗设备，其特征在于：其包括上位机、CT旋转定位装置、并联传动机构、放射机头以及能移动的床体，

所述CT旋转定位装置包括旋转固定机架、CT旋转检测装置以及并联传动机构旋转定位装置，所述旋转固定机架与地面固定连接，所述旋转固定机架的中心孔与CT旋转检测装置及并联机构旋转定位装置构成同心配合，所述CT旋转检测装置以及并联传动机构旋转定位装置能够绕着所述旋转固定机架的中心轴线进行旋转，所述CT旋转检测装置对体内病灶进行定位，并将病灶位置信息传输至上位机，

所述并联传动机构包括定平台、并联分支和动平台，所述定平台固定连接于所述并联机构旋转定位装置的悬臂外壳内部，所述动平台连接所述放射机头，所述并联分支包括多个相同的分支机构，

所述放射机头包括放射机头外壳、粒子放射初形装置、粒子放射减漏装置和粒子放射控形光栅尺，所述机头外壳与所述动平台的几何中心固定连接，所述机头外壳内部从上至下依次设置有所述粒子放射初形装置、粒子放射减漏装置和粒子放射控形光栅尺，所述粒子放射源通过加速器对粒子加速后发射出粒子，发射的粒子先通过所述粒子放射初型装置，通过所述粒子放射初型装置的粒子进入到粒子放射减漏装置，粒子放射减漏装置的配置用于对粒子束的大小进行控制，并且削减通过粒子放射初形装置漏射掉的粒子，之后粒子通过粒子放射控形光栅尺，放射出粒子束，进行治疗，

所述床体包括床本体、Z向升降装置和Y向进给传动床板，所述Z向升降装置的下部与地面固定连接，所述Z向升降装置的上部与床本体构成移动副，从而对床本体的Z向进行定位，所述床本体上部设置有滑槽，所述滑槽与所述Y向进给床板形成移动单元，从而使所述Y向进给传动床板能够沿着Y轴方向往返运动并对床体进行定位。

2.根据权利要求1所述的基于并联机构的放射治疗设备，其特征在于：所述并联传动机构为三自由度并联机构，所述并联分支包括三个相同的分支机构，每一个分支机构均包括两个依次连接的万向铰链和一个移动副，其中一个万向铰链连接所述动平台，另一个万向铰链连接所述移动副的第一端，所述移动副的第二端连接所述定平台。

3.根据权利要求1所述的基于并联机构的放射治疗设备，其特征在于：所述并联传动机构为六自由度并联机构，所述并联分支包括六个相同的分支机构，每一个分支机构包括万向铰链、移动副和球副，所述万向铰链的第一端连接所述定平台，万向铰链的第二端连接所述移动副的第一端，所述移动副的第二端连接所述球副的第一端，所述球副的第二端连接所述动平台。

4.根据权利要求1所述的基于并联机构的放射治疗设备，其特征在于：所述粒子放射初形装置为长方形铅板，所述铅板的中间开设有直径为40mm的通孔；

所述粒子放射减漏装置为四块能够移动的铅板，四块能够移动的铅板能够形成边长小于40mm的矩形窗口；

所述粒子放射控形光栅尺包括两排尺寸大小相同的可移动铅条。

5.根据权利要求1所述的基于并联机构的放射治疗设备，其特征在于：所述并联机构的多个分支机构对称布置，每一个分支机构的移动副处连接有一个驱动装置，驱动装置的配置用于对分支机构的位姿进行调整,从而驱动动平台实现对动平台上放射机头位姿的调整。

6.根据权利要求1所述的基于并联机构的放射治疗设备，其特征在于：所述床体Z向升降装置以及Y向进给传动床板的坐标位置信息能够在上位机中显示并进行相应控制。

7.根据权利要求5所述的基于并联机构的放射治疗设备，其特征在于：所述并联传动机构定位装置能够绕着所述床体进行一周的旋转。

8.根据权利要求5所述的基于并联机构的放射治疗设备，其特征在于：所述放射治疗设备的运动轨迹为空间无相交锥形轨迹，所述空间无相交锥形轨迹为螺旋倒锥体运动轨迹或三角倒锥体运动轨迹，所述空间无相交锥形轨迹能够保证在扫描的过程中使得正常细胞受到较少辐射，所述空间无相交锥形轨迹由并联传动机构在360度范围内根据治疗需要运动形成。

9.根据权利要求5所述的基于并联机构的放射治疗设备，其特征在于：所述放射治疗设备能够对人体一定范围内不同部位的病灶进行对靶治疗。

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