CN115348882A - 用于放射治疗期间患者定位的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于放射治疗期间对于患者定位的系统和方法。该系统可包括患者支撑结构，该患者支撑结构被配置为在使用放疗源的放疗过程中接收患者，以在患者被定位在患者支撑结构上时向患者递送治疗；患者定位系统，该患者定位系统被配置为调整患者支撑结构相对于放疗源的体位，柔性致动器，该柔性致动器被配置为将患者固定到患者支撑件上并调整患者相对于患者支撑件的体位，以及成像系统，该成像系统被配置为在放疗过程中获取患者、患者支撑件和柔性致动器的成像数据。

Description

用于放射治疗期间患者定位的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年12月2日提交的题为“Robot Systems for Compact ProtonTherapy System(用于紧凑型质子治疗系统的机器人系统)”的美国专利申请第62/942,418号的优先权，该申请通过引用整体并入本文。
关于联邦资助研究的说明
不适用。
背景技术
放射治疗是使用放射线直接或间接(例如通过氧自由基)损伤肿瘤细胞的脱氧核糖核酸(“DNA”)，从而破坏肿瘤细胞或抑制其繁殖的能力的一种肿瘤治疗形式。放射治疗包括使用光子(例如X射线)递送放射线，以及使用粒子(例如质子、电子等)递送放射治疗。通常，粒子放射治疗被认为是放射治疗的最先进、最精确的形式。例如，在质子放射治疗中，穿过物质行进的质子束在其停止之前沉积了其能量中的大部分，其被表征为在穿过物质行进的电离辐射的能量损失的曲线的峰值，该峰值被称为布拉格(Bragg)峰。因此，与常规光子放射治疗相比，粒子放射治疗可减少对健康组织的放射剂量(例如，减少副作用)，同时增加对肿瘤组织的放射剂量。
虽然粒子放射治疗存在相当大的优势，但目前接受放射治疗的患者中只有不到1％接受质子治疗。这种差异的一些原因可归因于所需要的高资本成本和处理系统所需求的大空间占用面积。例如，最先进的质子治疗系统的典型尺寸在200m2到600m2范围内，高度为约12m，该尺寸比其他更传统的基于光子的放射治疗系统大得多。随着这些质子放射治疗系统(以及其他基于粒子的系统)的尺寸和成本的降低，可以为更多的患者提供基于粒子的放射治疗。
此外，植入合适或理想的粒子放射治疗计划是复杂的，需要大量的手动资源。例如，粒子放射治疗系统利用固定源，患者必须相对于该固定源精确定位。也就是说，正确地利用布拉格峰需要对患者进行非常精确的定位，以确保带电粒子在粒子经历布拉格峰时到达肿瘤。这需要仔细的计划，但随后需要大量的手动操作，以确保患者被正确地定位。
光子放射治疗所需的精确度的相对缺少允许使用可围绕患者移动的放射源，甚至患者床的使用也可以移动和调整。也就是说，光子放射治疗没有采用在将单个粒子精确递送到肿瘤中必要的布拉格峰。鉴于所需的精确度的相对缺少，并且为了限制对健康组织的不期望的辐射，已经开发了可以围绕患者移动放射源、甚至调整患者床相对于放射源的体位以允许在光子辐射治疗过程中沿着各种不同的角度递送束的系统。通过移动束相对于患者的体位，可以减少沿着光子辐射束的一个递送体位对齐的健康组织所接收的放射的剂量。
不幸地，在粒子放射治疗中，患者移动，甚至是细微的移动，都可能特别成问题，因为患者移动可能会导致粒子在不适当或不理想的位置经历布拉格峰。因此，患者通常被安置在固定的病床上，并使用条带固定，以便在整个放射治疗过程中将患者固定在固定体位。虽然战略性地使用布拉格峰有助于控制对健康组织的损伤，但并不能改善这种损伤。
无论放射治疗是基于粒子还是基于光子，都期望改进系统和方法，以控制不期望的辐射剂量，并确保放射治疗计划的谨慎实现。
发明内容
本公开通过在放射治疗过程期间提供用于患者定位、患者固定和患者重新定位的系统和方法，克服了上述缺点。本公开的一些方面提供了用于向患者递送放疗的系统和方法，这些系统和方法可以由计算机控制和自动化，以确保正确的患者固定和患者重新定位，即使患者在放射治疗过程(甚至当放射治疗是粒子放射治疗时)中使用可调整或可控制的患者支撑系统重新定位，。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于向患者递送放疗的系统。该系统包括患者支撑结构，该患者支撑结构被配置为在使用放疗源的放疗过程中接收患者，以在所述患者被定位在患者支撑结构上时向患者递送治疗。该系统还包括患者定位系统，该患者定位系统被配置为调整患者支撑结构相对于放疗源的体位，以及柔性致动器，该柔性致动器被配置为将患者固定到患者支撑件上，并且调整患者的至少部分相对于患者支撑件的体位。该系统进一步包括成像系统，该成像系统被配置为在放疗过程中获取患者、患者支撑件和柔性致动器的成像数据，以及计算机系统。计算机系统被配置为控制柔性致动器在至少一个维度上的调整，并接收成像数据，并引导患者定位系统在放疗过程中调整患者支撑结构的体位，并在患者定位系统调整患者体位时引导柔性致动器固定患者，并相对于放疗计划重新定位患者的至少部分。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于向患者递送放疗的系统，该系统包括一个放疗源，该放疗源配置为在放疗过程期间使用固定束向患者递送放疗。该系统还包括患者支撑结构，该患者支撑结构被配置为在放疗过程中接收患者的患者支撑结构；患者定位系统，该患者定位系统被配置为调整患者支撑结构相对于放疗源的体位的，以及柔性致动器，该柔性致动器被配置为将患者固定到患者支撑件上并调整患者的至少部分相对于患者支撑件的体位。该系统进一步包括成像系统，该成像系统被配置为在放疗过程中获取患者、患者支撑件和柔性致动器的成像数据，以及计算机系统。计算机系统被配置为控制柔性致动器在至少一个维度上的调整，以及接收成像数据，并引导患者定位系统在放射治疗过程中调整患者支撑结构的体位，并在患者定位系统调整患者体位时引导柔性致动器固定患者，并相对于放疗计划重新定位患者的至少部分。
根据本公开的又一个方面，提供了一种用于在放疗过程中约束和重新定位患者的方法。方法包括确定患者在患者支撑件上的当前体位，其中，患者被定位为在遵循放疗计划的放疗过程中接收来自放疗源的放疗，放疗计划包括患者相对于放疗源的相对体位。该方法还包括使用患者定位系统在放疗过程中重新定位患者，该患者定位系统配置为调整患者支撑结构相对于放疗源的体位，以及包括控制柔性致动器将患者固定到患者支撑件，并且使用柔性致动器调整患者相对于患者支撑件的体位，以在至少一个维度上调整患者的至少一部分。该方法进一步包括在放疗过程中获取患者、患者支撑件和柔性致动器的成像数据。该方法还包括分析与放疗计划相关的成像数据，以确定患者相对于放疗计划的经更新的体位，以及使用柔性致动器重新定位患者，以使患者的经进一步更新的体位与放疗计划相匹配。
本公开的上述和其他方面及优点将通过以下说明书而显现。在该描述中，参考在此形成其一部分的附图，并且在附图中通过图示的方式显示了一个或多个示例版本。这些版本不一定代表本公开的全部范围。
附图说明
以下附图旨在帮助说明本公开的非限制性示例的各种特征，并不旨在限制本公开的范围或排除替代实现。
图1是提供了根据本公开的放射治疗系统的示意图示的框图。
图2是根据本公开的放射治疗系统的一个非限制性示例的透视图。
图3是根据本公开的患者被定位在包括患者支撑结构、以及图2的患者控制系统和定位系统的的系统中的等距图。
图4A是本公开的柔性致动器在部分展开体位和收缩体位之间进行调整的横截面图。
图4B是本公开的相对于患者部署的柔性致动器的横截面图。
图5是本公开的柔性致动器的支架的一个非限制性示例的等距图。
图6是图5的柔性致动器的支架的俯视图。
图7是根据本公开的阐述了形成在放射治疗过程中约束和重新定位患者的过程的一个非限制性示例的一系列非限制性示例步骤的流程图。
图8是根据本公开的在一个非限制性实验设计中使用的柔性致动器的一个非限制性示例的照片。
图9是根据本公开的一个非限制性实验设计的被设计为用作附接到用于测试的2kN个负载单元的肩部固定和重新定位单元的柔性致动器的实验设置的经修改的照片。
图10是根据本公开的一种非限制性实验设计的不同水平的真空压力下可达到的保持力的图表。
图11A是进行一个非限制性实验设计的志愿者坐在根据本公开的具有由相对于用于右胸上体位监控的感兴趣区域(ROI)的系统控制和监控的柔性制动器的一个非限制性示例的竖直患者椅的照片。
图11B是进行一个非限制性实验设计的志愿者落座在根据本公开的患者定位系统中并且在滚动方向上处于8.6°的倾斜体位的照片，其中柔性致动器与由附接到胸部区域的标记所监控的肩部区域接合。
图12A是进行一个非限制性实验设计的附有标记(星号)的志愿者坐在患者定位系统上的照片。
图12B是图12A的志愿者向上移动身体的照片。
图12C是示出了根据本公开的系统校正志愿者的移动的图12B的志愿者的照片。
图13是在一个非限制性实验研究中评估一个志愿者上的柔性致动器的一系列图表。曲线对应于不具有软性机器人固定和定位设备和具有软性机器人固定和定位设备时的测量。每个图上的黑色水平线为1mm和0.5°的临床定位准确度要求。呼吸模式可被视为高频变化。
图14是来自评估用于一组志愿者的柔性致动器的一个非限制性实验研究中的一系列图表。该数据利用Savitsky-Golay滤波器滤波。同一颜色的线表示不具有(虚线)软固定和定位设备和具有(实线)软固定和定位设备的同一志愿者。
图15是评估了两名志愿者在8.6°倾斜体位的柔性致动器的一个非限制性实验研究的一系列图表。该数据利用Savitsky-Golay滤波器滤波。同一颜色的线表示不具有(虚线)软固定和定位设备和具有(实线)软固定和定位设备的同一志愿者。
图16是在运动校正实验(上图)中研究的和具有志愿者(下图)的3个自由度体位变化的一个非限制性实验研究的一对图表。对于上图表，0.25秒后，标记移动45mm，并在2秒内体位被校正为±1mm。对于下图表，0.5秒后移动标记，并且在4.5秒内，体位被校正在1mm内。
具体实施方式
放射治疗(放疗)包括光子放射治疗和粒子放射治疗两者，是现代医疗中必不可少的工具。然而，如上文所描述的，这些工具的有效性可能基于临床医生可以管理每个系统的限制和约束的程度而异。
除了有效实现粒子放射治疗计划的实际挑战外，重要的是要注意，基于质子的放射治疗的可及性对于大量患者是有限的，即使此类患者可能会从基于质子的放射治疗中受益。为了增加质子治疗的可及性，需要降低质子治疗系统的成本或尺寸。就尺寸而言，一种解决方案旨在将质子治疗系统装配到常规的放射治疗室中，该放射治疗室面积为约50m2，高度为3m。建立装配在常规的治疗室的此类紧凑的质子治疗系统，将使更多的医院能够为患者提供质子治疗。然而，将质子治疗系统从200m2(高度＝12m)大幅缩小到50m2(高度＝3m)是有挑战性的，由于粒子束的特性(例如，布拉格峰)，需要进行放疗目标相对于粒子束定位，并保持较高的定位准确度，定位准确度通常在目标部位(例如，肿瘤)1mm和0.5°范围内。考虑到相对小的空间占用面积，这一点尤其困难，必须装配到空间中的组件包括质子加速器、质子束线和扫描喷嘴、定位和固定系统、成像系统(可选择X射线、磁共振成像(“MRI”)、表面成像、光学成像(例如使用相机)等)。
减少粒子治疗系统占用面积和成本的一种方法是拆除传统台架。例如，可以使用水平固定质子束线而不是移动源进行治疗，将患者相对于固定束移动或调整束位置，而不是使用100吨质子台架来使患者周围的束弯曲以允许束的略有不同的入射方向。虽然台架的移除会释放出相当大的空间，但移除台架也需要更加重视患者的定位和固定。例如，由于患者可能会利用无台架系统(例如，固定束)移动到不同的体位(例如，根据放射治疗计划)，因此至关重要的是，无论体位如何，患者中的(多个)目标都要相对于放射源正确地定位和固定。例如，患者需要可靠地固定，并非常精确地移动到不同的体位，包括例如坐体位、斜倚体位和躺体位。
一些关于固定的常规方法通常不能转化为放射治疗，因此不能解决这个问题。例如，汽车和其他车辆上的安全带可以将患者固定到座椅上，但患者仍然可以懒散或相对于座椅移动。因此，安全带不能为放射治疗提供足够的固定。包括热塑性罩和真空袋其他常规方法通常在患者躺体位期间使用。例如，在躺体位时，可以使用个性化热塑性罩、用于大脑治疗的经修改的Gill-Thomas-Cosman框架或用于固定的真空袋来固定患者。虽然这些设备可以在患者躺着时适当地固定患者，但这些设备不足够，并且对于其他患者体位(例如，坐体位或斜倚体位)或在不同体位之间移动时基本上不可转化。例如，这些设备没有足够的灵活性，不能适应除了躺体位以外的其他体位。事实上，热塑料罩和真空袋是针对每个患者的为单个治疗体位制作的个性化模具。因此，由于许多放射治疗计划，尤其是使用固定束放射系统实现的放射治疗计划要求患者处于多个不同的取向，因此必须有多个此类设备，每个不同体位一个此类设备。例如，需要为每个不同的体位制作和存储多个热塑料罩和真空袋。这种配置有缺点。首先，在治疗的每一天，患者都需要通过改变到不同组的固定设备来重新定位，这增加了附加的时间和复杂性问题(例如，容易出错)。其次，如果在治疗期间(在1天到35天范围内)存在患者的体型改变，则可能需要将常规的固定设备重新塑造成新的体型。
本公开的一些非限制性示例通过为放射治疗期间的患者定位提供改进的系统和方法来为这些问题(和其他问题)提供了优势。例如，本公开的一些非限制性示例提供了一种支撑患者的患者支撑结构、一种用于调整患者支撑结构的系统，以及一种可以将患者固定到患者支撑件上并在(无论是由患者还是由患者支撑结构的移动引起的)移动后重新定位患者的系统。该系统可包括可在至少两个致动方向(或在某些情况下至少一个致动方向)上致动的多个柔性致动器，并且每个柔性致动器通过将每个柔性致动器的相对部分(例如端部)耦合到支撑结构来固定患者的一部分。这些柔性致动器中的每一个柔性致动器都可以将患者的不同部分固定到患者支撑结构上。例如，第一柔性致动器可支撑患者的一个肩膀，第二柔性致动器可支撑患者的相对肩膀，以及第三柔性致动器可支撑患者的腰部(或腹股沟)。流体源可以与柔性致动器的内部体积通信，以驱动柔性致动器的致动。
在一些非限制性示例中，增加提供给给定柔性致动器的致动力提供了至少三个优点。第一，致动力本身的增加将该部分更紧贴地固定到患者支撑结构。第二，致动力的增加为患者提供了触觉响应，从而改善了患者的注意力，这可以通过患者使期望的肌肉弯曲以保持该体位来固定患者。因此，柔性致动器可以帮助防止患者因重力拉动和放松(例如，由于注意力的缺少)而懒散。第三，柔性致动器的多向移动可以用于重新定位患者，以及在一些情况下，患者体内的目标相对于其他器官的重新定位。
图1是根据本公开的放射治疗系统100的示意图。放射治疗系统100可以包括具有放射源104的放疗系统102、成像系统106、具有患者支撑结构110的患者定位系统108、具有柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118的患者控制系统112和计算机系统120。放疗系统102可以以不同的方式实现。例如，放疗系统102可包括可绕一个或多个旋转轴旋转的可旋转台架，该可旋转台架被实现为圆柱形台架、环形台架、C臂台架等。作为另一示例，放疗系统102可以实现为包括机械臂，该机械臂具有与其耦合的放射源104。在这种情况下，机械臂将放射源104移动到不同的位置和取向。作为又一示例，放疗系统102可以实现为无台架放疗系统，其中，放射源104产生固定的辐射束(例如质子束)。在这种情况下，无台架放疗系统可以包括其他组件，诸如粒子加速器(例如回旋加速器、同步加速器、线性加速器(“LINAC”)等)、粒子束线喷嘴(例如，发射放射粒子束)和放射粒子束调整组件，以成形放射粒子束的轨迹，所述其他组件可以包括选择性激活的磁体。
在一些非限制性示例中，放射源104可以以不同的方式实现，这取决于放疗系统102的特定实现。例如，放射源104可以是基于光子的放射束形成器，诸如被配置为发射X射线(例如，X射线束)的X射线束形成部件。在其他情况下，放射源104可被配置为发射(带电)粒子辐射束(例如，电子、质子等)的LINAC，诸如例如，当放疗系统102被实现为包括具有与其耦合的放射源104的机器人臂时。在其他情况下，诸如当放疗系统102被实现为无台架放射治疗系统时，放射源104可以包括一个或多个带电粒子加速器(例如，LINAC、回旋加速器等)，并且可以包括被配置为引导放射粒子束(例如，质子放射束)的束线喷嘴。在这种情况下，放射源104可以包括其他束定向和聚焦组件，诸如放射粒子束弯曲磁体和放射粒子束聚焦磁体。在一些情况下，这些磁体可以是可由计算机系统120选择性激活的电磁体。
在一些非限制性示例中，放射治疗系统100可包括成像系统106，成像系统106可被配置为获取患者、患者支撑件和患者控制系统112(包括柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118)的成像数据。例如，当患者被柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118定位并固定到患者支撑结构110上时，成像系统106被配置为获取包括患者、患者支撑结构110、患者控制系统112(包括柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118中的每一者)的成像数据。在一些情况下，成像系统106获取的成像数据可以是二维(“2D”)成像数据，或三维(“3D”)成像数据。
成像系统106可以以不同的方式实现。例如，成像系统106可以实现为医学成像系统，诸如X射线或荧光透视系统。然而，成像系统106可以是各种成像模态或成像模态的组合中的任何一种，诸如计算机断层扫描(“CT”)成像系统(例如，C臂CT系统)、磁共振成像(“MRI”)成像系统、正电子发射断层扫描(“PET”)成像系统等。在其他情况中，成像系统106可以是基于光学的成像系统，包括一个或多个成像传感器(例如，电荷耦合器件(“CCD”)成像传感器、互补金属氧化物半导体(“CMOS”)成像传感器等)。具体地，成像系统106可以包括一个相机或两个相机(例如，在立体配置中)等。无论成像模态如何，成像系统106可以使用可以放置在患者身上(诸如例如，放置在柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118中的一者或多者上)并由成像系统106使用的多个成像标记(例如，成像基准点)，以适当时跟踪标记相对于标记耦合到的受试者的部分的位置。如图所示，计算机系统120与成像系统106通信。
包括患者支撑结构110的患者定位系统108可以以不同的方式实现。例如，患者支撑结构110可以是类似于椅子的设备,当患者落座在椅子体位中时椅子支撑患者。在这种情况下，例如，椅子可以是椅子的可相对于该椅子的其他部分致动的一个或多个部分。例如，靠背(或座椅)可以相对于座椅(或靠背)枢转。在其他情况下，椅子是可由患者定位系统108移动的刚性结构。在其他情况下，患者支撑结构110可以是当患者处于躺下体位时支撑患者的台。在一些情况下，患者定位系统108可以以三个或更多个自由度(例如，六个自由度)移动患者支撑结构110。例如，患者定位系统108可以包括多个机器人连杆(例如，耦合到致动器的臂)，该多个机器人连杆可以将患者支撑结构110集体移动到不同的位置和取向。在一些情况下，患者定位系统108的传感器(例如，编码器)可以感测支撑结构110的集体体位，计算机系统120可以利用该体位。如图所示，计算机系统120与患者定位系统108通信。因此，计算机系统120可以感测患者支撑结构110的当前体位(和取向)，并且可以将该体位(和取向)与患者关联(例如，将患者定位系统108的坐标系与成像系统106的坐标系配准)。
在一些配置中，计算机系统120还可以使患者定位系统108根据期望(诸如根据放射治疗计划)将患者支撑结构110移动到不同的体位(和取向)。例如，诸如当患者支撑结构110是椅子时，计算机系统120可以使患者定位系统108将患者移动到不同的体位，诸如坐体位、倾斜体位(例如，通过部分致动并因此相对于椅子的座椅枢转椅子的靠背部分)或躺体位(例如，通过完全致动并枢转座椅的靠背部分直到座椅的靠背部分与座椅基本上共面(例如，偏差小于±10％))。
在一些配置中，患者控制系统112将患者固定到患者支撑结构110上，并且可以向患者的特定部分提供可动态调整的固定力。以这种方式并且如将要描述的那样，患者控制系统112实现患者固定和患者定位两者或重新定位。例如，柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118中的每一者都可以将患者的不同部分固定到患者支撑结构110上。具体地，柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118中的每一者的相对端部可固定到患者支撑结构110上，其中，柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118中的每一者的至少一部分(例如主体)封围患者的相对应部分。在一些情况下，柔性致动器114可以固定第一身体部分(例如肩部)，柔性致动器116可以固定与第一身体部分不同的第二身体部分(例如另一肩部)，以及柔性致动器118可以固定与第一身体部分或第二身体部分不同的第三身体部分(例如腰部)。然而，在其他情况下，柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118中的一些可以彼此部分重叠或彼此完全重叠(或基本上完全重叠)。这样，重叠的柔性致动器可以为重叠位置提供更高的固定量。
柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118中的每一者在被致动时，可以在两个维度上(例如，沿x轴和y轴，在平面内等)被压缩，同时在相对的第三维度上被扩展(例如，沿z轴，沿垂直于平面的方向等)。在一些非限制性示例中，当致动被释放时，柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118中的每一者都可以在两个维度中展开，同时在相对的第三维度中收缩。这样，柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118提供的力可以更好地绕由相应柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118封围的特定部分分布。在一些情况下，柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118中的每一者都可以包括密封包壳、位于密封包壳内的柔性的和脊状(例如，沿着弯曲线弯曲)的支架、与密封包壳流体连通的端口、耦合到端口并与密封包壳流体连通的导管、以及耦合到导管的泵。泵在被激活(例如，由计算机系统120激活)时，可以将流体(例如，空气)从密封包壳中抽出，从而导致相应的柔性致动器被致动。位于给定柔性致动器内的流体的量与给定柔性致动器内的压力相关(例如成比例)。因此，对于每个柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118，压力传感器可以与相应的柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118的内部体积流体连通，柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118中的每一者可以与计算机系统120通信。因此，计算机系统120可以确定每个柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118的当前致动力(例如，以确定计算机系统120是否应该调整柔性致动器的力)。在一些情况下，柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118中的每一个的支架都可以穿孔或可以包括孔，以允许层之间更好的流体连通。在一些情况下，柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118中的每一者的支架可以具有2D折叠模式(例如，三浦折叠(Miura folding)模式、在平面内延伸的一系列折叠)，该2D折叠模式可以允许支架的平面内的收缩和在第三维度中的扩展。在其他情况下，柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118中的每一者的支架可以具有3D折叠模式(例如，在平面内延伸以及在垂直于平面的剩余维度内延伸的一系列折叠)。
在一些非限制性示例中，诸如基于根据放射治疗计划的当前患者体位，计算机系统120可以选择性地(例如，通过移除流体，或通过允许或迫使流体经由泵进入柔性致动器)调整柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118中的一者或多者的致动力。通过这种方式，患者可以通过柔性致动器以自身的附加力更被固定(例如，被限制)，同时向患者提供指示患者重新专注和弯曲特定肌肉(例如，靠近柔性致动器的肌肉)的触觉反馈。附加地，在一些情况下，通过计算机系统120协调一个或多个柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118的致动力可以调整患者的定位或患者体内目标相对于其他器官的位置，包括器官的内部定位和限制。例如，当一个柔性致动器置于受试者的腰部，而第二个柔性致动器置于患者的胸部(或肩部)时，两个柔性致动器的致动都可以向下移动器官(诸如肝脏)，并且与没有柔性致动器相比，可以将器官更固定到位。
在一些非限制性示例中，对于给定压缩力，柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118中的每一者可以具有均匀的厚度，这是期望的，至少因为如果放射束穿过柔性致动器的区域，则提供给该区域的放射是均匀的。换言之，因此，从穿过均匀厚度的柔性致动器传送的放射束递送到特定区域的放射线不取决于柔性致动器的厚度。
尽管患者控制系统112已被描述为具有三个柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118，但可使用的柔性致动器数量较少，诸如一个或两个，而在其他情况下，可使用更多个柔性致动器，诸如四个、五个、六个等。在一些非限制性示例中，柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118的尺寸可以不同的方式确定，诸如像毯子一样大，或者像皮带一样小。在一些情况下，多个柔性致动器可以根据模式重叠(例如，柔性致动器的主体可以交叉模式重叠)。在某些情况下，柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118(或其他)中的一者或多者可集成在衣物的一部分(或整个)内，或配置为替代衣物，衣物为诸如裤子、夹克、袜子(或其他鞋)、衬衫、西装(例如，类似于潜水服)等。
在一些非限制性示例中，计算机系统120可以以不同的方式实现。例如，计算机系统120可以包括所使用的典型组件，诸如处理器、存储器、显示器、输入(例如，键盘、鼠标、图形用户界面、触摸屏显示器等)、通信设备等。在一些情况下，计算机系统120可以简单地实现为处理器。计算机系统120可以与其他计算设备和系统通信。在一些非限制性示例中，计算机系统120可以实现下文所描述的过程中的一些或全部。
图2示出了作为放射治疗系统100的具体实现的放射治疗系统150的示例。例如，放射治疗系统150包括放射源152、成像系统154、患者支撑结构156、患者定位系统158、患者控制系统160和与放射源152、患者定位系统158和患者控制系统160通信的计算机系统162。放射源152被实现为束线喷嘴，该束线喷嘴被配置为向患者发射放射粒子束，在这种情况下，放射粒子束是质子束。在此配置中，放射粒子束(例如质子束)是固定束。换句话说，从粒子加速器接收带电粒子(例如质子)的束线喷嘴是固定的，并不会移动。在一些情况下，计算机系统162可以通过选择性激活位于束线喷嘴内的磁体来调整放射粒子束的轨迹。成像系统154被实现为X射线成像系统，其中X射线源164提供穿过患者并可由X射线检测器166检测的X射线束。成像系统154被示为可绕一个或多个轴旋转的C臂。
图3示出了患者支撑结构156支撑的患者的等距视图，其中患者定位系统158与患者支撑结构156接合，并安装了患者控制系统160。患者支撑结构156被实现为具有耦合到座椅170的靠背168和搁脚板172的椅子。靠背168被配置为支撑患者的背部，座椅170被配置为支撑患者的臀部，搁脚板172被配置为支撑患者的脚。尽管椅子显示为刚性的，但在其他配置中，椅子的部分可移动(例如，可致动到椅子的其他部分)。例如，靠背168可以相对于座椅170向后倾斜。该椅子还包括臂支撑件174、臂支撑件176，每个臂支撑件174、臂支撑件176从椅子的不同侧以相对于靠背168的角度延伸。在一些情况下，臂支撑件174、176耦合到靠背168的相对侧。臂支撑件174、臂支撑件176被配置为使得当患者的手臂置于相应的扶手上时，手臂被提升并从患者侧面抬起。在一些情况下，诸如在所示的非限制性示例中，椅子可以包括为患者定位系统158提供安装位置的支撑梁178、支撑梁180。
如图所示，患者定位系统158被实现为机器人系统，该机器人系统具有可以彼此基本上相似的三个致动器部件182、184、186，因此为了简洁起见，将仅描述致动器组件182。致动器部件182包括置于支撑梁178的相对端部的枢轴连杆188、枢轴连杆190。枢轴连杆188、枢轴连杆190中的每一者都可以由相应的电机(例如，电动机)旋转推动。换言之，枢轴连杆188、枢轴连杆190中的每一者都可以旋转地耦合到支撑梁178的端部和与电机一起旋转的组件两者，从而旋转地推进给定的枢轴连杆(例如，通过在枢轴连杆限定的平面内调整其体位和取向)。该推进力迫使支撑梁178调整其取向，从而改变椅子的取向。如图所示，致动器部件184包括可旋转地耦合到支撑梁180的枢轴连杆，并且致动器部件186包括可旋转地耦合到椅子的枢轴连杆(例如，导轨)。因此，致动器组件182、致动器组件184、致动器组件186的整体定位可以调整椅子的体位和取向，从而调整患者的体位和取向。
如图所示，患者控制系统160还包括三个柔性致动器192、柔性致动器194、柔性致动器196。患者控制系统160是患者控制系统112的具体实现，并且柔性致动器114、柔性致动器116、柔性致动器118是柔性致动器192、柔性致动器194、柔性致动器196的具体实现。柔性致动器192、柔性致动器194、柔性致动器196中的每一者固定患者的不同部分。例如，柔性致动器192具有两个相对端部(或更多个端部，诸如对应于柔性致动器194的每个边缘的四个相对端部)，该两个相对端部耦合到椅子，并且更具体地，耦合到椅子的靠背168，患者的第一肩部由柔性致动器192封围。柔性致动器194具有耦合到椅子(例如，椅子的靠背168)的至少两个相对端部，患者的第二相对肩部由柔性致动器194封围。柔性致动器196具有耦合到椅子的至少两个相对端部，患者的腰部(或在一些情况下的腹股沟)由柔性致动器196封围。
每个柔性致动器192、柔性致动器194、柔性致动器196可以具有与各自柔性致动器的内部体积流体连通的导管，并且可以具有(例如，经由导管)与各自柔性致动器的内部体积流体连通的对应泵。每个泵可由计算机系统162控制，以将流体泵入相应的柔性致动器，从而停止相应的柔性致动器(例如，减少柔性致动器向患者的相应部分提供的固定力)，或从相应的柔性致动器中泵出流体，从而致动相应的柔性致动器(例如，增加柔性致动器向患者的相应部分提供的固定力)。如图所示，导管198在一个端部处耦合至柔性致动器196，并且在相对端部处耦合至泵199。导管198与柔性致动器196的内部体积流体连通。当泵199被激活以抽取流体时，来自柔性致动器196的内部体积的流体通过导管198抽出并通过泵199抽出，以增加柔性致动器196提供的致动力，或者换句话说，进一步限制由柔性致动器196封围的部分。当流体被引入回柔性致动器196的内部体积(例如，经由泵199强制地，或通过降低泵199的吸力)时，柔性致动器196提供的致动力减小，以减小柔性致动器196封围的部分的限制。柔性致动器192、柔性致动器194以与柔性致动器196类似的方式操作。
图4A和图4B示出了柔性致动器200的各种示意图，柔性致动器200可以是前面描述的柔性致动器。柔性致动器200包括限定内部体积204的密封包壳202、以至少2D折叠模式折叠的支架206、连接到密封包壳202的相对端部的连接器208、连接器210以及与内部体积204流体连通的端口212。支架206可以具有限定在弯曲线之间的刚性部分，该弯曲线可以沿着每条弯曲线折叠和收缩。在一些情况下，柔性致动器200可以包括被引导穿过刚性部分中的一些(或每个)的穿孔214，或者在其他情况下，支架206可以包括被引导穿过刚性部分中的一些(或每个)的多个孔。孔和穿孔214可以提供流体连通路径，该流体连通路径可以更容易地将流体排出或注入内部体积204。
连接器208、连接器210被图示为从柔性致动器200相对端部延伸的系带或材料的条带。连接器208、连接器210中的每一者可以包括一个或多个紧固件(例如，钩环紧固件、螺纹紧固件，诸如螺栓、粘合剂等)，以将给定的连接器紧固到患者支撑结构上。如图所示，端口212与密封包壳的内部体积204流体连通。在一些情况下，端口212可以提供接口，以更容易地接收导管并将导管耦合到柔性致动器200。
尽管柔性致动器200已被图示为具有单个端口212和两个连接器208、连接器210，但在其他配置中，可以添加更多个端口(例如，利用对应导管连接各个泵或单个泵并与各个泵或单个泵进行流体通信)，并且可以添加更多个连接器，诸如三个、四个、五个等。在一些情况中，密封包壳202为细长板，在这种情况中，连接器可以从板的每一侧延出。
参考图4A，柔性致动器200在致动前以第一配置示出，然后在流体从内部体积204中排出从而致动柔性致动器200(例如，在平面上存在的两个维度中压缩柔性致动器200，同时在垂直于平面的剩余维度中扩展柔性致动器)后被控制移动到第二配置(即收缩或致动配置)。图4B示出了固定在具有环216、环218的患者支撑结构215上的柔性致动器200。具体地，连接器208通过环216接收并紧固到环216，连接器210通过环218接收并紧固到环218。在该配置中，柔性致动器200的多维致动将精确控制的力219递送给患者，力219可用于固定和重新定位患者。
图5示出了支架206的等距图。支架206以2D折叠模式折叠，其中，折叠220、折叠222、折叠224、折叠225沿支架206的x轴226和y轴228(例如，其中，x轴226和y轴相互垂直)延伸。在所示的非限制性示例中，折叠220、折叠222、折叠224、折叠225呈之字形，然而在替代配置中，折叠220、折叠222、折叠224、折叠225可以具有其他形状。具体地，2D折叠模式是三浦折叠模式，然而在其他配置中，可以使用其他2D折叠模式。如图所示，支架206可以包括被引导穿过支架的多个孔230(例如，作为穿孔214的替代物或附加物)。
参考图5和示出支架206俯视图的图6，诸如当流体从内部体积204中排出时，支架206的折叠可以沿着x轴226(例如，通过相邻的折叠(诸如折叠220、折叠222)更紧密地连接)和y轴228(例如，具有沿该方向在其自身上折叠)收缩。附加地，当支架206压缩时，支架206也可沿z轴232(例如，z轴垂直于x轴226和y轴228处)扩展。类似地，当流体被引入回内部体积204时，支架206可(例如，通过展开)沿x轴226和y轴228扩展，而支架206可以沿z轴232收缩。
图7示出了用于在可以使用上述放射治疗系统来实现的放射治疗过程中约束和重新定位患者的过程300的流程图。可使用使用一个或多个计算设备(例如，计算机系统120)来实现过程300的框中的部分或全部。
在302处，过程300可以包括接收针对患者的放射治疗计划的计算设备。在一些情况下，这可以包括接收多个放射束路径，每个放射束路径具有期望的深度、强度和持续时间。在一些情况下，束路径中的每一个束路径可以限定相对应的不同患者取向(例如，相对于放射源)。在一些情况下，放射治疗计划中的每个束路径(或每个患者体位)可以包括针对患者的相对应的目标位置(例如，内部目标位置)。例如，目标位置可以是患者的肿瘤的区域。
在304处，过程300可以包括计算设备根据放射治疗计划，将固定在患者定位系统的患者支撑件上的患者移动到下一体位。例如，计算设备可以使患者定位系统将患者支撑件(从而将患者)移动到下一个期望的患者体位(和取向)。在一些非限制性示例中，在304处，该过程可包括计算设备调整固定系统的柔性致动器的致动力以相对于患者支撑件牢固、固定、约束或重新定位患者(例如，对于根据放射治疗计划的特定体位)。
在306处，过程300可以包括计算设备获取被固定在患者定位系统的患者支撑件上的患者的成像数据(例如，经由成像系统)。在一些情况下，这可以包括计算设备基于成像数据确定患者在件患者支撑上的当前体位的这可以相对于放射源(例如，放射粒子束)确定。除了患者的体位外，这还确定了目标(肿瘤)相对于周围健康组织的位置及其形状。
在308处，过程300可以包括计算设备确定患者的当前体位和患者的期望体位之间的差(或缺少)。在一些情况下，当前体位和期望体位中的每一者都可以相对于放射粒子束、成像标记、成像基准点等。
在310处，过程300可以包括计算设备确定患者是否在移动公差内(例如，1mm)。如果在310处，计算设备确定患者移动在公差内，则过程300可继续至过程300的框314，以使放射源根据该放射束路径和相对应的患者体位的放射治疗计划发射放射束。一旦根据放射治疗计划提供了放射治疗束，过程300可以返回到过程300的框304处，以根据放射治疗计划将患者移动到下一个体位(例如，如果有其他体位)。
如果在310处，计算设备确定患者移动超过阈值，则过程300可以继续到框312。在312处，过程300可包括计算设备确定误差的类型，并基于该误差，通过调整柔性致动器中的一个或多个的致动、移动患者定位系统或移动放射束(例如，放射粒子束)中的一者或多者来重新定位患者。在一些非限制性示例中，这可以包括计算设备基于成像数据来确定误差是表面误差或蒙皮误差，并基于表面误差，调整一个或多个柔性致动器的致动，直到表面误差得到缓解以提供表面校正。在一些非限制性示例中，这可以包括计算设备基于成像数据确定误差是姿态误差(例如，懒散)，并基于姿态误差调整一个或多个柔性致动器的致动(例如，增加致动力)，直到患者的姿态在适当水平内以提供体位校正。在一些非限制性示例中，这可以包括计算设备基于成像数据，确定误差是束误差(或可通过调整束来固定的误差)，并基于束误差，调整放射束的形状和轨迹(例如，当放射源提供放射粒子束时，通过选择性激活磁体)。
在一些非限制性示例中，诸如如果在310处，计算设备确定对于特定体位的目标位置超过阈值，计算设备可以调整一个或多个柔性致动器的致动力，直到目标位置的部分与放射源(例如，固定放射束或发射固定放射束的束喷嘴)对齐。这样，一个或多个柔性致动器可以内部地移动目标部位，目标部位可以是内部器官的肿瘤的部分(例如，通过多个柔性致动器的编排致动)。
在一些情况下，一旦计算设备确定已经进行了所需的移动，过程300可以返回到框306以获取附加的成像数据。
示例
以下示例是为了进一步说明公开的各方面，并不意味着以任何方式限制本公开的范围。以下示例旨在作为本公开的示例，并且这些(以及本公开的其他方面)不受理论的限制。
质子治疗与常规的X射线癌症放射治疗相比，具有显著的物理优势。质子治疗可降低健康组织的放射剂量，从而降低对患者的毒性和副作用。然而，当前高昂的资本成本和所需的空间使质子治疗成为非常有限的资源。在当前质子治疗中，患者被固定在台上，并使用台架来弯曲质子束用于治疗。我们建议改变模型，将患者体内的辐照目标相对于固定的或略微可调整的质子束进行精确移动，而不是相对于患者进行粗略移动。这需要机器人设备来移动患者，并需要强大而灵活的患者控制设备，以确保患者的身体体位在体位变换期间保持准确。我们介绍了使用具有实时表面定位反馈的并行机器人和由软性机器人致动器制成的患者固定控制系统实现紧凑且价格合理的质子治疗的解决方案。对健康志愿者的固定实验表明，我们的原型设备可以按照临床标准定位和将健康志愿者固定为坐体位，并通过反馈回路纠正他们的懒散。软性机器人患者控制设备坚固、柔软、舒适，并且适应体型。表征了患者控制设备可以使用负气动压施加在身体上的力。这种新的患者控制设备和机器人定位系统具有极大的潜力以显著降低质子放射癌症治疗的成本。
将机器人技术和控制技术中的几种先进技术结合起来，提供了对于这个问题的解决方案。在本研究中，我们设计并制造了由软性致动器制成的通用设备，以提供牢固而舒适的患者控制。与被动非电动设备(例如皮带)相比，这种软性机器人设备可以被控制，其施加的力可以针对不同的患者自动调整。附加地，致动器可设计为适合特定身体部位的形状，以优化覆盖范围，从而为患者控制提供自适应力。我们使用了6自由度(DOF)并行机器人控制的椅子，并将其与反馈回路中的表面成像集成，以实现患者在不同治疗体位之间的高精确度和可操作性。更具体地，我们基于流体驱动的、折纸启发的(fluid-driven origami-inspired)人造肌肉(FOAM)概念制作了软性患者控制。我们通过对健康志愿者的实验来评估该系统的有效性。我们的软性致动器、患者控制设备可以减少志愿者的体位变化以及一些志愿者的呼吸运动的幅度。与表面成像集成的控制器对定位准确度的有效性被评估并被确认。
这项研究被设计为建立在质子治疗系统、软性机器人、机器人椅子以及跟踪和定位方面的进展基础上。我们重点标识了这些类别中的每一个类别的最近的相关工作。
哈佛回旋加速器实验室于1973年开始用质子束治疗患者。几十年来，质子治疗一直利用双散射技术递送。近年来发展起来的铅笔束扫描(PBS)技术提供了3D剂量调制，并且因此，即使利用高分辨率PBS递送的单个束，放射剂量整形潜力也非常高。
3个DOF或6个DOF的机器人诊察台已成为患者以躺体位定位的放射治疗中的商业产品。为了达到0.5mm的跟踪准确度，开发了6个DOF的Stewart机器人运动校正研究平台。然而，临床或紧凑型质子治疗系统中尚未应用具有实时跟踪和将患者转移到相对于主束轨迹的多个取向的能力的机器人诊察台。
肿瘤位置跟踪和定位一直是广泛研究的课题。先前的研究开发了闭环动态控制器以使用诊察台跟踪肿瘤呼吸运动。使用算法来预测肿瘤质心位置，并考虑到系统中的延迟。这项研究使用计算机模拟两个商用治疗诊察台示出的最大跟踪误差为1mm。最近的研究使用L-BFGS算法优化了6个DOF的机器人患者诊察台的运动补偿的轨迹。该方法考虑了机械和患者治疗的局限性，并推断出最陡下降轨迹是最佳解决方案。
在我们的研究中，新型软性患者控制是基于流体驱动的、折纸启发的人工肌肉(FOAM)概念设计的。这是易于制作且非常经济高效的设计。为了聚焦开发和评估软性患者控制设备，我们在本研究中使用了具有简单控住器的标准的6个DOF的并行机器人基座。此外，椅子顶部与此软患者控制设备集成，以实现临床所需的体位控制系统。
本研究中开发的系统包括并行的机器人底座、附接软患者控制设备的患者椅子和光学运动跟踪系统。该系统被开发以允许对患者的患者控制，同时提供患者的准确定位。
当为紧凑型质子治疗系统开发与软性患者控制设备相结合的机器人患者定位器时，考虑了以下设计考量：(1)患者控制设备需要(a)薄，即<5cm，以允许靠近放射束喷嘴定位，(b)所有患者通用且可重复使用，(c)对于患者是舒适的，和(d)在每个点和每个治疗处具有可复制的厚度，或放置在治疗束路径外；(2)可位于治疗束轨迹中的机器人系统的部分需要由尽可能少地衰减束的材料制成，例如碳纤维复合材料；(3)与参考体位相比，体位准确度的临床标准必须低于1mm和0.5；(4)系统需要易于使用。
在该研究中，我们聚焦乳腺癌治疗的原型。选择肩部和腹部区域作为患者控制单元的位置，以提供进入乳房区域的通道，同时防止患者在坐体位时出现懒散运动。
开发了新的软性患者控制方法，该方法满足系统的要求。该设备由若干个单独的单元组成以用于患者的身体的不同部位。每个单元都是流体驱动、的折纸启发的人工肌肉(FOAM)(图4A)，具有由负相对气压致动的三浦折叠(图4B)。这种类型的致动器具有良好的耐用性，在30000次使用周期内性能不会下降。之所以选择三浦折叠，是因为三浦折叠具有平面内收缩、在收缩方向围绕对象(例如肩部)轻松弯曲的能力以及其稳固性。虽然通常用于致动，但通过将致动器的端部固定在基座框架上，从而限制横向收缩，垂直于致动器施加力。每个单元都是通过将0.18mm厚的聚酯薄膜以三浦折叠模式折叠制成，以形成致动器的骨架。用激光切割机(Universal laser Systems，Inc.)在塑料薄膜上穿孔，然后用手将其折叠。在下一步中，通过附接塑料空气软管连接器来制备致动器的表皮。然后，由脉冲热封闭器(American International Electric,Co.)将骨架密封在涂层的密封尼龙织物板内。该单元通过将连接器粘到皮肤的两个端部来完成。
参考图8，使用穿孔的塑料薄膜以三浦折叠模式折叠，然后在两个端部处用空气软管连接器和连接条带密封在气密皮肤中，来创建软性患者控制单元的特定实验设计。上图示出的是环境空气中的单元，而下图显示的是收缩的单元，这是由塑料薄膜的折叠模式预定义的。
参考图9，使用Instron 5944(美国Instron)制造负载单元，以测试作为患者控制系统的柔性致动器。定制的木质半圆柱体被用来模拟被单元压下的身体部位。对于压力监测，使用了具有压力传感器的Arduino UNO。
为了描述单个软性患者控制单元的特征，首先通过将该单元排空至(-99±1)kPa来确定该单元的收缩比率。收缩比率达到近似75％。在随后的实验中，研究了保持力与所施加的压力的关系。表示人类肩部区域的模型由板木(半径为(20.0±0.1)cm的半圆)制成，并附接到Instron 5944(美国Instron)万能试验机的负载单元上。患者控制单元连接到真空泵，真空泵上附接有调节器和气压传感器。调节压力以改变设备压力和大气压力之间的压力差，同时监测负载单元。
对于所测试的80个不同的压力差中的每一个，负载单元配准的力如图10中的压力图表所示。在(99±1)kPa处，达到(150±4)N的最大力。压力和力之间呈线性关系，并且存在小的滞后效应。
参考图11A、图11B、图12A、图12B和图12C，本研究中开发的机器人患者定位器使用Gough-Stewart平台和患者椅。设计用于驾驶和飞行模拟的商业Stewart平台(DOFReality，Corp.)被用作患者定位器的基座。该系统的六个旋转致动器成对工作，连接到电机驱动器，每个旋转致动器由微控制器(Arduino UNO，意大利)控制。
对于本研究，安装在Stewart平台的顶部的患者椅子是专门为乳腺癌治疗设计的。该椅子具有用于横向手臂放置的高度可调整的手臂支撑件，该手臂支撑件在手臂下方和腋窝区域提供支撑以防止懒散。塑料头枕附接在椅子靠背的顶部。T型槽铝导轨分别位于椅子的髋部和肩部区域，用作对于患者控制单元的高度和宽度可调整连接点。
我们开发了平台软件插件。它允许MATLAB(MathWorks公司，美国)脚本来控制平台。来自维康跟踪系统(维康运动系统，英国)的数据流在同一脚本中进行了分析。该数据流用作对于比例控制器的反馈，该比例控制器用于准确控制平台的体位。编写了校准例程以用于自动校准系统，并将体位向量从维康坐标系转换到机器人坐标系。
这组实验通过测量所固定的健康志愿者的身体上的选定感兴趣区域(ROI)的移动来评估软性患者控制单元的有效性。实验的第一部分是在马萨诸塞州总医院(MGH)(美国波士顿)的放射治疗室进行的，患者控制设备附接在放置在机柜顶部的患者椅子上。治疗室配备有AlignRT(英国VisionRT)，这是FDA批准的用于放射治疗的光学运动跟踪系统，可评估到亚毫米准确度的6个自由度ROI体位的变化。该系统使用三角测量提供志愿者的3D表面图像。AlignRT系统包括操作计算机和天花板上的三个相机站。相机站中的每一个相机站包含两个立体相机、散斑投影仪和纹理相机。
为了比较系统的有效性，一组坐在患者椅子上的志愿者被安置在等中心点(isocenter)，这是AlignRT具有最高准确度的位置。该组由一名女性和四名男性志愿者组成，他们的身高在160cm到195cm之间，体重在50kg到90kg之间。对于每位志愿者进行两次测量，每次测量15分钟。一次测量使用患者控制设备，一次测量不使用患者控制设备。用胶带将一个泡沫制成并用白色胶带覆盖以提高AlignRT的检测能力的乳房模型贴在志愿者的胸部。志愿者们被要求穿紧身衣服，以确保衣服和身体之间的最小活动。拍摄志愿者身体表面的参考图像，并选择类似于临床程序的ROI。在测量的持续期间，AlignRT以5Hz和6Hz之间的帧速率记录ROI以6个自由度的体位变化。
由于医院治疗室给6个DOF的机器人的空间有限，实验的第二部分在配备维康跟踪系统的房间内进行。机器人患者定位器用于倾斜椅子，使志愿者在横滚方向上的最大角度为8.6°。然后，在不具有患者控制设备的情况下以及在具有患者控制设备打开的情况下进行了15分钟的实验。维康跟踪系统使用具有红外聚光灯以照明其视场的10个红外相机。对系统进行校准，以针对单个反射标记在3个维度上以及针对成组作为对象的多个反射标记在多达6个维度上跟踪到亚毫米准确度的体位。志愿者的胸壁区域由四个反射标记示廓，这些标记成组以测量所有6个自由度的变化。
在本实验中，评估了机器人患者定位器校正体位变化的能力。首先，在没有人类有效载荷的情况下对机器人进行测试，以评估控制器而非硬件在负载下的局限性。通过将维康标记器附接到椅子上并激活被设置以将标记器保持到位的控制器，来模拟体位变化。当控制器移动患者椅子以重新定位标记时，维康跟踪器系统监测标记的体位。
在下一次测试中，志愿者坐在患者椅子上，并在胸部区域附接维康标记。志愿者将身体向上移动，并标记的运动被标记。
图13示出了以直立椅子体位坐着的五个志愿者中中的一个志愿者的固定和重新定位评估地结果。蓝线和粉线分别指示不具有患者控制设备和具有患者控制设备时的体位变化。第一行示出x、y和z方向上的体位变化。x、y和z方向分别沿身体横向方向、前后方向和上下方向。第二行示出俯仰(Rx)、横滚(Ry)和偏航(Rz)方向的旋转变化。每个图中的水平黑色虚线指示临床所需的体位准确度为1mm和0.5特别是在z方向上显示的高频变化是志愿者的呼吸引起的胸壁运动。对于一些志愿者，软性患者控制设备的这种呼吸模式不太突出。
我们对监测数据使用Savitzky-Golay滤波，以获得患者体位的长期趋势。为了更好的比较，图14示出了五名志愿者的体位趋势。对于所有五名志愿者，我们的软性患者控制设备示出，在15分钟内，体位变化有望减少。z方向上的运动比其他方向的运动更显著。z方向是懒散发生的方向。在15分钟的监测期间，只有两个志愿者的体位在z方向上在1mm以内变化。该结果促使我们开发用于机器人定位器的控制器，以进一步校正体位变化，以满足临床要求。所有固定的志愿者在y方向和三个旋转方向上均满足1mm和0.5°的要求。对于x方向，两个志愿者不符合1mm要求。
8.6°横滚角度的倾斜体位的固定和定位评估的结果如图14所示。志愿者在没有患者控制设备的情况下进行的所有平移和旋转的运动都超出了公差。在x方向上具有固定的运动以及围绕y轴和z轴的旋转超出1mm和0.5公差少量。我们可以利用机器人患者定位器上的控制器来校正这种体位变化。
在患者椅子上没有志愿者的实验的第一部分中，在2s内将标记向上移动约45mm，并将控制器校正到1mm，如图15所示。这示出控制器可以以(22.5mm/s)的速度校正并保持3D中标记的体位，所述速度比患者控制设备的评估期间检测到的以(0.05mm/s)的速度进行的懒散移动快得多。
即使志愿者坐在患者椅子上，结果示出了机器人患者定位器能够在±1mm的期望公差范围内，在4.5个截面内校正45mm的体位变化。这指示在V-A段中标识为懒散(具有0.05mms-1的最大懒散运动)的慢漂移可由控制器以平均10mms-1的速度进行校正。实验示出比例控制器足以完成这项任务。
在本研究中，我们通过开发用于患者固定和重新定位的新型软性机器人系统，提出了更紧凑、更实惠的质子治疗系统，该系统可以为患者提供通用、主动控制和自适应系统。我们描述了软病人控制设备的设计和制造方法。本研究中的实验在健康志愿者身上比较了软性机器人患者控制设备和无固定设备之间的性能。这些实验示出，这种设备大大减少了志愿者的懒散运动。将进行更多的实验，将我们的软性患者控制设备与目前临床上使用的热塑料罩和简单的类似安全带的条带进行比较。这些实验还应针对不同的肿瘤部位进行，以确定每个疾病部位的最佳解决方案。例如，将设计和制造用于头颈部和胸部区域的专用软性患者控制设备。此外，将对该设备进行实际患者测试，以评估当前的软性机器人患者控制设备是否适用于可能比健康志愿者虚弱的患者。基于未来的患者测试，可能需要使用不同的折叠模式和材料，以允许更多的患者舒适度。
在本研究中，我们还介绍了提供准确的定位和系统集成的机器人基座和患者椅子原型的开发。本研究中的6个DOF并行机器人系统和控制器是基本系统，提供了对新开发的软性机器人患者控制设备的初步评估的功能。未来将开发更先进的机器人和控制系统，以便与患者控制设备集成以用于下一阶段的原型。例如，需要允许360°偏航旋转的致动回转支承和可适应的靠背倾斜机构。这项研究也为将来开发校正呼吸运动的更复杂的控制器提供了机会。
尽管开发最终产品需要更多的实验和原型迭代，但这项研究示出，软性机器人可用于坐体位和斜倚体位的患者固定，以实现紧凑型无台架质子治疗系统所需的1mm和0.5°的临床定位公差。
本公开已经描述了一个或多个优选非限制性示例，并且应当理解，除了明确说明的那些之外的许多等效例、替代例、变化例和修改例是可能的，并且在本发明的范围内。
应理解，本公开的应用不限于以下描述中或图纸中所描述的组件的构造和布置的细节。本公开能够以其他非限制性示例实施，并且能够以各种方式实践或执行。而且，应当理解的是，本文所使用的措辞和术语是为了描述的目的并且不应被视为限制性的。在本文中，“包括(including)”、“包括(comprising)”或“具有(having)及其变体的使用意味着涵盖之后列出的条目和它们的等效物以及附加的条目。”除非另外指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦合”及其变体被广泛地使用，并且涵盖直接和间接的安装、连接、支撑和耦合。此外，“连接”和“耦合”不限于物理的或机械的连接或耦合。
如本文所用，除非另有限制或定义，特定方向的讨论仅通过示例提供，涉及特定非限制性示例或相关图示。例如，“顶部”、“前部”或“后部”特征的讨论通常仅旨在描述此类特征相对于特定示例或图示的参考框架的取向。相应地，例如，在一些布置或非限制性示例中，“顶部”特征有时可被设置在“底部”特征的下方(等等)。进一步地，对特定旋转或其他运动(例如逆时针旋转)的引用通常仅旨在作为相对于特定示例的参考框架的移动的描述。
在一些非限制性示例中，可使用标准编程或工程技术来将本公开的各方面(包括根据本公开的方法的计算机化实现)实现为系统、方法、装置或制造品，以生产软件、固件、硬件或其任何组合从而控制处理器设备(例如，串行或并行通用或专用处理器芯片，单核或多核芯片，微处理器，现场可编程门阵列，控制单元、算术逻辑单元与处理器寄存器的任何各种组合等等)、计算机(例如，可操作地耦合到存储器的处理器设备)或另一个电子操作的控制器来实现本文详述的各方面。相应地，例如，本公开的非限制性示例可被实现为在非瞬态计算机可读介质上有形地实现的指令集，使得处理器设备能够基于从计算机可读介质读取指令来实现指令。本公开的一些非限制性示例可包括(或利用)控制设备，诸如自动设备、包括各种计算机硬件、软件、固件等的专用或通用计算机，与下文的讨论一致。作为具体示例，控制设备可包括处理器、微控制器、现场可编程门阵列、可编程逻辑控制器、逻辑门等、以及本领域中已知的用于实现适当功能(例如，存储器、通信系统、电源、用户界面和其他输入等)的其他典型组件。
如本文中所使用的，术语“制品”旨在包含可从任何计算机可读设备、载体(例如，非瞬态信号)或介质(例如，非瞬态介质)访问的计算机程序。例如，计算机可读介质可包括但不限于：磁存储设备(例如，硬盘、软盘、磁带等)、光盘(例如，压缩盘(CD)、数字多用盘(DVD)等)、智能卡以及闪存设备(例如，卡、棒等)。此外，将理解的是，可以采用载波来承载计算机可读电子数据，诸如，用于发送和接收电子邮件或用于访问诸如互联网或局域网(LAN)之类的网络的那些计算机可读电子数据。本领域技术人员将认识到，在不脱离所要求保护的主题的范围和精神的情况下，可以对这些配置进行许多修改。
根据本公开的方法的某些操作或执行那些方法的系统的某些操作可在附图中示意性地表示或在本文中另行讨论。除非另有指定或限制，特定操作在附图中以特定空间次序的表示不一定要求这些操作要以与该特定空间次序相对应的特定的顺序执行。相应地，附图中所表示或本文另行公开的某些操作可按照适于本公开的特定非限制性示例的方式、以与明确解说或描述的次序不同的次序来执行。进一步地，在一些非限制性示例中，某些操作可被并行地执行，包括由专用并行处理设备执行，或由被配置为作为大系统的一部分交互操作的分离的计算设备来执行。
如本文在计算机实现的上下文中使用的，除非另外指定或限制，否则术语“组件”、“系统”、“模块”及类似者旨在涵盖包括硬件、软件、硬件和软件的组合、或执行中的软件的计算机相关系统的部分或全部。例如，组件可以是但不限于是处理器设备、正由处理器设备执行(或可由处理器设备执行)的过程、对象、可执行件、执行的线程、计算机程序，或计算机。通过图示的方式，运行在计算机上的应用和该计算机两者均可以是组件。一个或多个组件(或系统、模块等)可以驻留在执行的进程或线程内、可以定位于一个计算机上、可以分布在两个或更多个计算机或其他处理器设备之间、或可以被包括在另一个组件(或系统、模块等)内。
在一些实现方式中，可以使用体现公开方面的方法来利用或安装本文公开的设备或系统。相应地，本文对设备或系统的特定特征、能力或预期目的的描述通常旨在固有地包括为预期目的使用此类特征的方法、实现这些能力的方法以及安装所公开(或其他已知)的组件以支持这些目的或能力的方法的公开。类似地，除非另有指示或限制，否则本文中对制造或使用特定设备或系统的任何方法的讨论(包括安装设备或系统)旨在固有地包括公开，作为本公开的非限制性示例，作为此类设备或系统的所用特征和实现能力。
如本文所使用的，除非另有定义或限制，否则为了参考的方便，本文使用的序号通常基于特定组件在本公开相关部分的呈现顺序。在这方面，诸如“第一”、“第二”等指称通常仅指示引入相关组件进行讨论的顺序，并且通常不指示或要求特定的空间布置、功能或结构优先或顺序。
如本文所用，除非另有定义或限制，否则使用方向术语是为了便于参考，以讨论特定的图或示例。例如，向下(或其他)方向或顶部(或其他)体位的参考可用于讨论特定示例或附图的各个方面，但在所有安装或配置中不一定需要类似的取向或几何形状。
本讨论被呈现以使本领域技术人员能够制作和使用本公开的非限制性示例。对所示出的示例的各种修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且在不脱离本文所公开的原理的情况下，本文中的一般原理可以应用于其他示例和应用。因此，本公开的非限制性示例不旨在受限于所示的非限制性示例，而是旨在被赋予与本文公开的原理和特征以及以下权利要求一致的最广泛的范围。参考附图阅读以下具体实施方式，其中，不同附图中的相同要素具有相同的附图标记。不一定按比例绘制的附图描绘了所选的示例并且不旨在限制本公开的范围。本领域技术人员将认识到，本文中提供的示例具有许多有用的替代方案并且落入公开的范围内。
在所附权利要求中阐述了本公开的各种特征和优点。

Claims (24)

1.一种用于向患者递送放疗的系统，所述系统包括：
患者支撑结构，所述患者支撑结构被配置为在使用放疗源的放疗过程中接收患者，以在所述患者被定位在所述患者支撑结构上时向所述患者递送治疗；
患者定位系统，所述患者定位系统被配置为调整所述患者支撑结构相对于所述放疗源的体位；
柔性致动器，所述柔性致动器被配置为将所述患者固定到患者支撑件上，并且调整所述患者的至少部分相对于所述患者支撑件的体位；
成像系统，所述成像系统被配置为在所述放疗过程中获取所述患者、所述患者支撑件和所述柔性致动器的成像数据；以及
计算机系统，所述计算机系统被配置为：
在至少一个维度上控制所述柔性致动器的调整；
接收所述成像数据，并且引导所述患者定位系统在所述放疗过程中调整所述患者支撑结构的体位，并且在所述患者定位系统调整所述患者支撑结构的体位时引导所述柔性致动器固定所述患者，并相对于放疗计划重新定位所述患者的至少部分。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述放疗计划包括所述患者相对于所述放疗源的定位或粒子束的调整，以在所述放疗过程中利用布拉格峰。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述计算机系统被配置为控制所述柔性致动器在至少两个维度上的调整，以及
进一步包括真空泵，所述真空泵与所述柔性致动器流体连通，并且与控制器电连通，以实现所述柔性致动器在所述至少二维上的调整。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述计算机系统进一步被配置为引导控制器调整所述柔性致动器，以在所述患者定位系统调整所述患者支撑结构相对于所述放疗源的体位时抵消作用在所述患者身上的重力。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述计算机系统进一步被配置为在所述患者定位系统调整所述患者支撑结构相对于所述放疗源的体位时，引导所述控制器调整所述柔性致动器，以重新定位所述患者，以校正作用在所述患者身上的重力。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述放疗源被配置为在放疗过程中使用固定束向所述患者递送放疗，并且其中，所述患者定位系统被配置为在3个自由度、4个自由度、5个自由度或6个自由度上调整所述患者支撑结构相对于所述放疗源的体位。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述柔性致动器延伸靠近所述患者的腰部和所述患者的一个或多个肩部中的一者或多者。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述柔性致动器形成在一个方向上收缩的人造肌肉。
9.如权利要求8所述的系统，其中，形成所述人造肌肉的所述柔性致动器在所述一个方向上收缩，并且同时在另一个方向上扩展。
10.如权利要求1所述的系统，其中，所述柔性致动器包括流体驱动的折纸人造肌肉(FOAM)系统。
11.如权利要求9所述的系统，其中，所述FOAM系统包括三浦折叠。
12.如权利要求1所述的系统，其中，所述计算机系统被配置为控制所述柔性致动器在至少两个维度上的调整，以及
其中，所述柔性致动器形成在所述患者的至少部分上方延伸的条带，并且其中，所述至少两个维度包括跨所述条带的平面内收缩和横跨所述条带的平面内方向的方向。
13.一种用于向患者递送放疗的系统，所述系统包括：
放疗源，所述放疗源被配置为在放疗过程中使用固定束向患者递送放疗；
患者支撑结构，所述患者支撑结构被配置为在所述放疗过程中接收所述患者；
患者定位系统，所述患者定位系统被配置为调整所述患者支撑结构相对于所述放疗源的体位；
柔性致动器，所述柔性致动器被配置为将所述患者固定到所述患者支撑件上，并且调整所述患者的至少部分相对于所述患者支撑件的体位；
成像系统，所述成像系统被配置为在所述放疗过程中获取所述患者、所述患者支撑件和所述柔性致动器的成像数据；以及
计算机系统，所述计算机系统被配置为：
在至少一个维度上控制所述柔性致动器的调整；
接收所述成像数据，并且引导所述患者定位系统在所述放疗过程中调整所述患者支撑结构的体位，并且在所述患者定位系统调整所述患者支撑结构的体位时引导所述柔性致动器固定所述患者，并相对于放疗计划重新定位所述患者的至少部分。
14.如权利要求13所述的系统，其中，所述放疗源为粒子放疗系统。
15.如权利要求13所述的系统，其中，所述计算机系统进一步配置为引导控制器调整所述柔性致动器，以在所述患者定位系统调整所述患者支撑结构相对于所述放疗源的体位时抵消作用在所述患者身上的重力。
16.如权利要求13所述的系统，其中，所述计算机系统进一步被配置为在所述患者定位系统调整所述患者支撑结构相对于所述放疗源的体位时，引导所述控制器调整所述柔性致动器，以重新定位所述患者，以校正作用在所述患者身上的重力。
17.如权利要求13所述的系统，其中，所述柔性致动器形成在一个方向上收缩的人造肌肉。
18.如权利要求17所述的系统，其中，形成所述人造肌肉的所述柔性致动器在所述一个方向上收缩，并且同时在另一个方向上扩展。
19.如权利要求12所述的系统，其中，所述柔性致动器包括流体驱动的折纸人造肌肉(FOAM)系统。
20.如权利要求13所述的系统，其中，所述计算机系统被配置为控制所述柔性致动器在至少两个维度上的调整，以及
其中，所述柔性致动器形成在所述患者的至少部分上方延伸的条带，并且其中，所述至少两个维度包括跨所述条带的平面内收缩和横跨所述条带的平面内方向的方向。
21.如权利要求13所述的系统，其中，所述患者的部分包括所述放疗计划中标识的目标区域。
22.一种用于在放疗过程中约束和重新定位患者的方法，所述方法包括以下步骤：
i)确定患者在患者支撑件上的当前体位，其中，所述患者被定位为在遵循放疗计划的放疗过程中接收来自放疗源的放疗，所述放疗计划包括所述患者相对于放射治疗源的相对体位；
ii)使用患者定位系统在所述放疗过程中重新定位所述患者，所述患者定位系统被配置为调整患者支撑结构相对于所述放疗源的体位；
iii)控制柔性致动器，所述柔性致动器将所述患者固定到所述患者支撑件上，并且使用控制器调整所述患者相对于所述患者支撑件的体位，以控制所述柔性致动器在至少一个维度上的调整；
iv)在所述放疗过程中获取所述患者、所述患者支撑件和所述柔性致动器的成像数据；以及
v)分析与所述放疗计划相关的所述成像数据，以确定所述患者相对于所述放疗计划的经更新的体位；以及
vi)使用所述柔性致动器重新定位所述患者，以使所述患者的经进一步更新的体位与所述放疗计划相匹配。
23.如权利要求22所述的方法，其中，步骤i)至vi)由计算机系统执行。
24.如权利要求22所述的方法，进一步包括在至少两个维度上控制所述柔性致动器的所述调整。
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