CN116510193A - 一种在射线治疗中利用激光引导的闭环纠偏的定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物医疗技术领域，涉及一种在射线治疗中利用激光引导的闭环纠偏的定位系统，包括射线治疗仪、定位头模、光线靶板及控制器；定位头模包括可拆卸连接的左模、右模及后模；射线治疗仪放置在患者的头部位置，左模和右模上分别安装有激光器，且两个激光器对称安装；光线靶板设有两个且对称设置在激光器的前方，用于接收对应激光器发射的光线，并给出光斑位置坐标；在后模的外壁对称设有驱动结构，控制器内存储有偏离阈值。控制器接收光线靶板提供的位置坐标信息并与待定位目标点的零位数据相对比，当位置偏移量大于偏离阈值时，控制器启动驱动结构来调整待定位目标点位置，将坐标待定位目标点位置维持在偏差范围内。

Description

一种在射线治疗中利用激光引导的闭环纠偏的定位系统

技术领域

本发明属于生物医疗技术领域，特别涉及一种在射线治疗中利用激光引导的闭环纠偏的定位系统。

背景技术

目前，随着伽马刀、射波刀、质子刀等射线治疗手段的日益成熟和完善，对于不适合做传统外科手术的肿瘤患者群体，特别是颅内肿瘤，开颅风险高，开颅医生资源缺乏，患者等待时间长等因素制约，射线治疗无疑已经成为一种更优的治疗方案选择。

射线治疗的基本工作原理是利用多束高能射线的聚焦效应来消融目标组织，如同放大镜对阳光的聚焦可以产生高温焦点一样，多束射线的焦点为高能量密度的空间点，利用该焦点的高能量密度可以在不进行外科开颅手术的前提下对目标组织进行消融，从而达到治疗的目的，患者损伤小，治疗风险低。然而，射线治疗也有其天然的优缺点，通过对相关医院射线诊疗科室的走访及深入了解，射线治疗颅内肿瘤的瓶颈问题在于患者头部的定位以及定位头模的制作，原因是高能射线焦点能否精准的定位于目标组织，直接影响射线治疗的疗效及治疗安全性。

现有的射线治疗颅内肿瘤的定位方法主要采用手工热塑膜制作，制作过程要对热塑膜进行加热并在患者面部压制成型，该热塑膜因为要进行手工塑形，因此厚度不能过厚，人工塑形后强度较小，定位精度低。这种方法对定位头模制作技师个人水平要求较高，需要经验丰富的技师才能完成定位头模的制作，人为干涉因素较大，不确定因素较多。同时需要患者进行物理配合，对患者造成二次物理伤害甚至精神伤害，不符合现代化精准医疗的基本要求，同时，该方法技术落后，对人工依赖较大。

患者在进入射线治疗舱的治疗时间一般约为20-40分钟，期间不能有任何位移及抖动，如果患者因为身体不适及心理因素等影响，导致定位头模偏移，有可能引起治疗效果不佳，甚至导致射线高能焦点对正常组织产生不可逆转的损伤进而危及生命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在射线治疗中利用激光引导的闭环纠偏的定位系统，解决了定位头模偏移可能引起治疗效果不佳的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种在射线治疗中利用激光引导的闭环纠偏的定位系统，包括射线治疗仪、定位头模、光线靶板及控制器；

定位头模包括可拆卸连接的左模、右模及后模；

使用时，射线治疗仪放置在患者的头部位置，左模和右模上分别安装有激光器，且两个激光器对称安装，激光器用于发射位置反馈光线；

光线靶板设有两个，且对称设置在激光器的前方，用于接收对应激光器发射的光线，并给出光斑位置坐标；光线靶板与控制器连接；

在后模的外壁对称设有两个驱动结构，驱动结构与控制器连接，控制器内存储有偏离阈值。

进一步，驱动结构采用电动伸缩缸。

进一步，左模、右模及后模三者相互连接处设有安装槽，安装槽处用于安装连接件，连接件包括连接挂钩和两个连接柱，连接挂钩上开有圆孔和敞开的槽体，其中一个连接柱位于圆孔中，另一个连接柱位于敞开的槽体中，相连接的两部分头模通过连接挂钩连接。

进一步，左模和右模的外侧位置上分别设有用于安装激光器的第一安装平台。

进一步，在后模的外壁上预制有用于安装驱动结构的第二安装平台。

进一步，定位头模的材质为聚乳酸。

进一步，定位头模采用3D打印制成。

进一步，后模与手术台连接处的固定点为P1，后模与驱动结构的连接处为浮动点，分别命名为P2和P3，P1,P2,P3三点构成一个空间唯一面；

设Q点为待定位的目标点，由于面(P1,P2,P3)为刚性面，Q点距离P1,P2,P3的距离L1,L2,L3固定不变，从而Q点的位置由面(P1,P2,P3)的空间位置所决定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种在射线治疗中利用激光引导的闭环纠偏的定位系统，包括射线治疗仪、定位头模、光线靶板、控制器；使用时，射线治疗仪放置在患者的头部位置，定位头模包括可拆卸连接的左模、右模及后模；左模和右模上分别安装有激光器，光线靶板设有两个，且对称设置在激光器的前方，用于接收对应激光器发射的光线，在后模的外壁对称设有两个驱动结构，光线靶板、驱动结构均与控制器连接。控制器接收光线靶板所提供的位置坐标信息并与待定位目标点的零位数据相对比，当位置偏移量大于偏离阈值时，控制器启动驱动结构来调整待定位目标点位置，同时激光器所发射的光线会发生变动，并通过光线靶板将位置坐标信息再次反馈给控制器，循环以上步骤，便可将坐标待定位目标点位置维持在偏差范围内。

进一步，聚乳酸材料为生物可降解材料，使用后可进行无公害降解处理，对环境不造成污染，满足环保要求。由于该应用场景为个性化应用，因此，该定位头模不能重复利用，不仅不能在不同患者之间重复利用，即使同一患者的不同治疗阶段，因为头部特征的变化，也有可能需要二次制作定位头模。因此，定位头模使用后的无污染处理依然非常重要，聚乳酸材料可降解的特性使其在制备、生产及后处理过程中均不对环境造成污染，因此是制作定位头模的优选材料。

进一步，左模、右模及后模均采用3D打印技术完成制作，由于每个患者头部特征都具有特异性，所以定位头模的制作不能用传统的加工方式进行批量生产，采用3D打印技术，不仅能够制造复杂的人体个性化曲面特征，同时具有制作效率高，制作精度高，成本低等特点。3D打印技术制作定位头模直接利用患者医学检查(CT/MRI)时所生成三维数据进行设计制作，不需要患者进行物理配合，减少了对患者的二次伤害，后期设计中可以根据不同患者的实际情况调整设计路线，例如耳朵、嘴、头发等位置预留空位，头皮有肿块或者伤口部位，可进行镂空结构处理，使患者在治疗过程中更加舒适，依从性更好，这些都是传统手工制作头模的技术所不能做到的。

附图说明

图1为射线治疗原理图；

图2为定位头模立体图；

图3为左模结构示意图；

图4为右模结构示意图；

图5为后模结构示意图；

图6为激光引导纠偏系统结构示意图；

图7为激光引导纠偏系统原理图；

图8闭环纠偏系统的工作过程。

其中，1、射线治疗仪；2、手术台；3、定位头模；4、激光器；5、光线靶板；6、电动伸缩缸；7、控制器；

3-1、左模；3-2、右模；3-3、后模；3-4、安装槽；3-5、第一安装平台；3-6、连接柱；3-7、连接挂钩；3-8、第二安装平台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。

如图1所示，射线治疗的原理为射线治疗仪1将若干束高能射线聚焦到目标点上产生高能焦点，消融目标组织，达到治疗目的。然而，射线治疗的瓶颈问题在于目标点的定位，该目标点在颅内，并不能实际观察到，只能提前做好定位，治疗过程中不能调整，如果在治疗过程中头部发生偏移，就会导致射线焦点消融正常组织，造成不可逆的损伤，甚至危机生命。因此，在整个射线治疗过程中，需要对治疗部位进行准确定位。

如图6所示，本发明公开了一种在射线治疗中利用激光引导的闭环纠偏的定位系统，包括射线治疗仪1、定位头模3、激光器4、光线靶板5、电动伸缩缸6、控制器7。

所述射线治疗仪1用于产生高能射线焦点，对目标组织进行消融，达到治疗目的；

所述手术台2用于固定和移动患者身体；

所述定位头模3用于精准定位患者头部。

所述激光器4用于发射位置反馈光线；

所述光线靶板5用于接收光线，并给出光斑位置坐标；

所述电动伸缩缸6用于执行伸缩动作，达到调整位置的目的；

所述控制器7用于采集反馈信号，并与零位进行比较，超出阈值范围后，驱动电动伸缩缸6进行位置纠偏。

如图2所示，所述的定位头模3包括左模3-1、右模3-2、后模3-3、连接柱3-6、连接挂钩3-7。左模3-1与患者左侧面部特征相贴合，右模3-2与患者右侧面部特征相贴合，后模3-3与患者枕骨及顶骨等后脑特征相贴合。

如图3所示，左模3-1上预制有安装槽3-4，用于安装连接柱3-6，通过连接挂钩3-7与右模3-2及后模3-3连接，还包含一个用于安装激光器4的第一安装平台3-5。

如图4所示，右模3-2上预制有安装槽3-4，用于安装连接柱3-6，通过连接挂钩3-7与左模3-1及后模3-3连接，还包含一个用于安装激光器4的第一安装平台3-5。

如图5所示，后模3-3上预制有安装槽3-4，用于安装连接柱3-6，通过连接挂钩3-7与左模3-1及右模3-2连接，还包含两个用于连接电动伸缩缸6的第二安装平台3-8，通过2个电动伸缩缸6调节定位头模3的位置；后模3-3的底部还包含一组用于连接手术台2的连接孔。

所述定位头模3的制作过程为：

1)通过提取患者CT等医学诊断工具所扫描的三维数据；

2)对三维图进行设计，得到定位头模3的立体三维图模型；

3)对头模的三维模型进行分割，生成左模3-1、右模3-2和后模3-3，并在左模3-1、右模3-2和后模3-3上设计连接柱安装面3-4用于安装连接柱3-6，在左模3-1、右模3-2上设计第一安装平台3-5，在后模3-3上设计用于连接电动伸缩缸6的第二安装平台3-8。

4)通过3D打印机对设计好的左模3-1、右模3-2和后模3-3进行打印制作。

打印材料为聚乳酸PLA，PLA为生物可降解材料，方便使用后的无污染处理。将提前制备好的标准元件连接柱3-6和连接挂钩3-7安装在定位头模3的相应位置，左模3-1、右模3-2和后模3-3连接成一个完整的定位头模3。

定位头模3的制作材料均采用聚乳酸PLA材料，该材料经过射线测试，通过对87.3mGy强度的射线进行遮挡，通过强度为87.20mGy，射线衰减率为0.16％，该衰减率小于医学射线衰减率要求，完全可以用于射线治疗。

左模3-1、右模3-2及后模3-3均采用3D打印技术完成制作，由于每个患者头部特征都具有特异性，所以定位头模3的制作不能用传统的加工方式进行批量生产，采用3D打印技术，不仅能够制造复杂的人体个性化曲面特征，同时具有制作效率高，制作精度高，成本低等特点。3D打印技术制作定位头模3直接利用患者医学检查(CT/MRI)时所生成三维数据进行设计制作，不需要患者进行物理配合，减少了对患者的二次伤害，后期设计中可以根据不同患者的实际情况调整设计路线，例如耳朵、嘴、头发等位置预留空位，头皮有肿块或者伤口部位，可进行镂空结构处理，使患者在治疗过程中更加舒适，依从性更好，这些都是传统手工制作头模的技术所不能做到的。

如图7所示，定位的原理为：三点确定一个平面，图中P1点为后模3-3与手术台2连接处的简化固定点，P2和P3为连接电动伸缩缸6的简化浮动点，此三点构成一个空间唯一面(P1,P2,P3)。设Q点为需要定位的目标点，由于面(P1,P2,P3)为刚性面，Q点距离P1,P2,P3的距离L1,L2,L3固定不变，从而Q点的位置由面(P1,P2,P3)的空间位置所决定，也就是说，P1为固定点，Q点的位置由2个电动伸缩缸6的伸缩位置所决定。

所有材料或者结构都存在一定的弹性，实际应用时会有一定的偏移量，一般在1-2mm范围内，目视观察不到，但是对治疗影响很大，有可能射线焦点会辐射到正常组织，对正常组织或神经造成不可逆损伤，所以需要用光线放大原理对偏移量进行放大测量，并通过闭环调整进行校准。

当面(P1,P2,P3)的空间位置发生微小变动后，通过光线放大后，光线靶板5会将变动后的坐标信息传输至闭环控制器7，控制器7收到坐标信息后与零点位置进行对比，得出Q点的偏移量，从而驱动电动伸缩缸6反向动作，使Q点回到零位。此过程在毫秒级时间范围完成，实际上是在时时刻刻进行微调，始终保证Q点处于微小扰动范围内，进而保证治疗效果。

如图8所示，具体实施过程为：

S1、提取患者CT等医学诊断工具所扫描的三维数据；设计左模3-1、右模3-2和后模3-3；打印左模3-1、右模3-2和后模3-3，打印材料为PLA。

S2、将后模3-3与手术台2的连接点相连，两个电动伸缩缸6通过球头安装平台与后模3-3连接，此时后模3-3为一个理论确定平面。

S3、患者头部枕于后模3-3上,将左模3-1、右模3-2与后模3-3通过若干个连接挂钩3-7连接称一个完整的定位头模3，定位头模3上的两个第一安装平台3-5，各安装一个激光器。

S4、两个激光器4开启，两束光线照射至手术台2两侧的两个光线靶板5上，光线靶板5根据光线斑点生成位置坐标信息并传送至闭环控制器7，此时闭环控制器7读取光线初始位置，并将改位置作为零点清零。

S5、手术台2将固定好的患者送至射线治疗仪1的治疗舱中进行射线治疗，一般持续时间为20-40分钟。

S6、在治疗过程中，如果患者头部因为各种因素发生微小位移，通过激光器4的光线放大原理，光斑会在光线靶板5上产生一个较大位移，当光斑位移达到设定的误差阈值时，闭环控制器7驱动两个电动伸缩缸6产生伸缩动作，使患者头部主动向反方向偏移，从而纠正偏移量，直至光斑回到零位。上述整个闭环控制过程单循环在毫秒级范围内完成，实际上就是在时时刻刻进行动态闭环微调，保证整个治疗过程偏移量在一个允许阈值范围内。

S7、治疗结束，拆除定位头模3上的所有连接挂钩3-7，将左模3-1和右模3-2从定位头模3上分解，患者移出后模3-3，将后模3-3拆除。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种在射线治疗中利用激光引导的闭环纠偏的定位系统，其特征在于，包括射线治疗仪(1)、定位头模(3)、光线靶板(5)及控制器(7)；

定位头模(3)包括可拆卸连接的左模(3-1)、右模(3-2)及后模(3-3)；

使用时，射线治疗仪(1)放置在患者的头部位置，左模(3-1)和右模(3-2)上分别安装有激光器(4)，且两个激光器(4)对称安装，激光器(4)用于发射位置反馈光线；

光线靶板(5)设有两个，且对称设置在激光器(4)的前方，用于接收对应激光器(4)发射的光线，并给出光斑位置坐标；光线靶板(5)与控制器(7)连接；

在后模(3-3)的外壁对称设有两个驱动结构，驱动结构与控制器(7)连接，控制器(7)内存储有偏离阈值。

2.根据权利要求1所述的一种在射线治疗中利用激光引导的闭环纠偏的定位系统，其特征在于，驱动结构采用电动伸缩缸(6)。

3.根据权利要求1所述的一种在射线治疗中利用激光引导的闭环纠偏的定位系统，其特征在于，左模(3-1)、右模(3-2)及后模(3-3)三者相互连接处设有安装槽(3-4)，安装槽(3-4)处用于安装连接件，连接件包括连接挂钩(3-7)和两个连接柱(3-6)，连接挂钩(3-7)上开有圆孔和敞开的槽体，其中一个连接柱(3-6)位于圆孔中，另一个连接柱(3-6)位于敞开的槽体中，相连接的两部分头模通过连接挂钩(3-7)连接。

4.根据权利要求1所述的一种在射线治疗中利用激光引导的闭环纠偏的定位系统，其特征在于，左模(3-1)和右模(3-2)的外侧位置上分别设有用于安装激光器(4)的第一安装平台(3-5)。

5.根据权利要求1所述的一种在射线治疗中利用激光引导的闭环纠偏的定位系统，其特征在于，在后模(3-3)的外壁上预制有用于安装驱动结构的第二安装平台(3-8)。

6.根据权利要求1所述的一种在射线治疗中利用激光引导的闭环纠偏的定位系统，其特征在于，定位头模(3)的材质为聚乳酸。

7.根据权利要求1所述的一种在射线治疗中利用激光引导的闭环纠偏的定位系统，其特征在于，定位头模(3)采用3D打印制成。

8.根据权利要求1所述的一种在射线治疗中利用激光引导的闭环纠偏的定位系统，其特征在于，后模(3-3)与手术台(2)连接处的固定点为P1，后模(3-3)与驱动结构的连接处为浮动点，分别命名为P2和P3，P1,P2,P3三点构成一个空间唯一面；

设Q点为待定位的目标点，由于面(P1,P2,P3)为刚性面，Q点距离P1,P2,P3的距离L1,L2,L3固定不变，从而Q点的位置由面(P1,P2,P3)的空间位置所决定。