CN116531680A - 直观高精度多轴运动机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直观高精度多轴运动机械臂，其属于医疗器械技术领域。它解决了现有技术中传统加速器存在的无法提供满足体部的全周球面立体定向放疗的缺陷。其主体结构包括旋转机架，所述旋转机架上设置有固定架和用于驱动固定架横向移动的横向移动机构，固定架上设置有微波系统、用于驱动微波系统纵向移动的纵向移动机构和用于驱动微波系统旋转的旋转机构，固定架与横向移动机构滑动连接，纵向移动机构分别与微波系统和旋转机构连接。本发明主要用于立体定向放疗上。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体地说，尤其涉及一种直观高精度多轴运动机械臂。
背景技术
立体定向放射治疗始于20世纪50年代，最早由瑞典神经外科专家Lars Leksell提出“放射外科”，为了治疗颅内良性病变，通过一次放射治疗给予照射靶区的肿瘤细胞，以产生与外科手术类似的效果。这种单次大剂量精准照射技术称之为“立体定向放射外科(SRS)”。20世纪60年代末，首台伽马射束立体定向治疗设备开始在临床试用，80年代开始在医用加速器上采用等中心非共面多弧旋转来实现X射线的SRS治疗，并将应用范围逐步由治疗颅内良性病变扩展到治疗颅内恶性肿瘤。
随着SRS在全球的推广应用，一些放疗中心开始使用少分次的大分割剂量照射模式，并将这种治疗方式定义为“立体定向放射治疗(SRT)”。20世纪90年代初，SRT技术开始应用到颅外肿瘤的治疗，如肺、肝上的恶性肿瘤，研究发现：少数几个分次内给予大剂量照射的方式，可以有效控制胸腹部以及椎体和椎旁的一些早期原发肿瘤和骨转移瘤，于是，“体部立体定向放射治疗(SBRT)”逐步被认识并开始在临床广泛开展，而与颅内肿瘤不同的是，胸腹部肿瘤受体内器官运动的影响较大，为了精准地照射肿瘤靶区，逐步又发展了图像引导设备、体内器官运动控制管理系统。
立体定向放疗(SBRT)是将射线源产生的X射线从各个方向聚焦到肿瘤靶区进行照射，肿瘤靶区的剂量可以做得非常高，对周围正常组织又让剂量变得非常低，是一种全新的立体定向放疗(SBRT)的实现方式。
现有的立体定向放疗技术(SBRT)有以下几种：
1)、伽马刀：优势在于头部肿瘤的照射，但其存在的缺点是：对于体部运动肿瘤相对困难；
2)、C形臂加速器：两个进口厂商均采用多射束高能加速器作为SBRT加速器技术平台，系统复杂，针对SBRT，只有6MV X射束使用，造成系统浪费和设计非最优化；可以通过转动床来实现非共面照射，由多个非共面照射弧构成；由于现在的加速器安装了CBCT影像引导系统，转动角度受限制，并且转动床后患者监控不方便，位置精度难以保证，容易出错，效率低；从效率和安全考虑，临床一般只使用共面照射模式，缺少实用的实时影像手段(calypso相对复杂，应用面还较窄)；
3)、赛博刀模式：能够实现球面照射；但其存在的缺点是：机械臂运动受床限制，床下方的角度无法照射，最大为水平线下22度；影像引导系统没有3D图像，对于复杂靶区定位受影响，并且机头有时会遮挡平板图像采集。
综上所述，目前现有加速器都无法提供满足体部的全周球面立体定向放疗。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种直观高精度多轴运动机械臂，其实现了加速器全周球面SBRT技术，解决了现有设备床下角度不能投照的问题，提升放疗技术水平，提高肿瘤局部控制率和降低毒副作用，使更多患者治愈，提高生活质量。
为了实现上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：
一种直观高精度多轴运动机械臂，包括旋转机架，所述旋转机架上设置有固定架和用于驱动固定架横向移动的横向移动机构，固定架上设置有微波系统、用于驱动微波系统纵向移动的纵向移动机构和用于驱动微波系统旋转的旋转机构，固定架与横向移动机构滑动连接，纵向移动机构分别与微波系统和旋转机构连接。通过本发明可以将微波系统产生的X射线从各个方向聚焦到肿瘤靶区进行照射，肿瘤靶区的剂量可以做得非常高，对周围正常组织又让剂量变得非常低，从而达到精确放疗的目的，提高肿瘤的治愈率。
优选地，所述旋转机架的一侧设有固定机架，固定机架通过驱动机构与旋转机架连接。
优选地，所述驱动机构包括设置在固定机架上的驱动电机和设置在固定机架上的回转支承，驱动电机通过齿轮与回转支承的齿圈啮合传动，回转支承还通过螺栓与旋转机架连接。
优选地，所述横向移动机构包括设置在旋转机架一侧面的横向电机、与横向电机传动连接的横向丝杠丝母机构和设置在旋转机架另一侧面的横向导轨，横向导轨上设置有滑块二，固定架的后端面通过滑块二与横向导轨滑动连接，且横向丝杠丝母机构上的丝母还与固定架的后端面连接。
优选地，所述微波系统包括底板，底板上设置有功率源和射线源，功率源通过波导和换流器与射线源连接，射线源的一侧设置有准直器。
优选地，相互连接的波导、换流器和射线源呈U型结构。
优选地，所述纵向移动机构包括纵向移动支撑架、设置在纵向移动支撑架上的纵向丝杠丝母机构和与纵向丝杠丝母机构传动连接的纵向电机，纵向移动支撑架上设置有纵向导轨，底板通过滑块与纵向导轨滑动连接，且纵向丝杠丝母机构的丝母与底板连接。
优选地，所述旋转机构包括设置在固定架上的旋转驱动机构和连杆机构，连杆机构的一端与旋转驱动机构滑动连接，另一端通过旋转轴与纵向移动支撑架连接。
优选地，所述旋转驱动机构包括旋转驱动电机、与旋转驱动电机传动连接的旋转丝杠丝母机构和设置在固定架上的导轨，连杆机构包括主动连杆和被动连杆，主动连杆的一端通过滑块一与导轨滑动连接，且旋转丝杠丝母机构上的丝母与滑块一连接，主动连杆的另一端通过铰链与被动连杆铰接连接，被动连杆通过旋转轴与纵向移动支撑架上的耳座连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、当需要射线束在平面内需要围绕等中心点旋转时，可以将旋转运动分解为横向运动和纵向运动的组合来实现，横向运动由横向移动机构来实现，旋转机架上的横向电机驱动横向丝杠丝母机构，使固定架、以及固定架上的旋转机构、纵向移动机构、微波系统一块沿着横向导轨的方向做横向运动，纵向运动是由微波系统下面的纵向移动机构来实现，纵向移动支撑架上的纵向电机驱动纵向丝杠丝母机构进行直线运动，使底板沿着纵向导轨做纵向运动，从而底板带动射线源做纵向运动；当调整到位后，射线束的方向偏离了等中心点，需要旋转机构调整射线束的方向，如图所示，旋转机构上的旋转驱动电机驱动旋转丝杠丝母机构做直线运动，从而带动主动连杆的一端做直线运动，通过主动连杆与被动连杆旋转运动的配合，实现被动连杆连接旋转轴的旋转运动，使纵向移动支撑架与其上面的微波系统一块旋转到射线束照射到等中心位置；通过这三个运动的配合实现了半圆平面内射线束的圆弧照射；
2、当需要调整源轴距(SAD)时，只需要控制纵向移动机构来实现，纵向移动支撑架的底部纵向电机驱动纵向丝杠丝母机构进行直线运动，使微波系统沿着纵向导轨进行直线运动，此时靶点到等中心的距离就会变化，实现源轴距(SAD)可调，本发明通过微波系统的纵向移动、横向移动、旋转运动的配合，实现射线源靶点在不同的源轴距(SAD)下，实现全周球面的放疗功能；
3、旋转机架一侧为固定机架，固定机的一侧设置有驱动机构，驱动旋转机架进行旋转，从而实现旋转机架内部所有的运动机构与微波系统进行旋转360度，半圆平面内射线束的圆弧照射旋转360度，就形成了可变SAD全周球面放疗加速器；
综上所述，本发明实现了加速器全周球面SBRT技术，解决了现有设备床下角度不能投照的问题，提升放疗技术水平，使更多肿瘤患者，享受SBRT先进放疗技术，提高肿瘤局部控制率和降低毒副作用，使更多患者治愈，提高生活质量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中横向移动机构、旋转机构和纵向移动机构安装时的结构示意图；
图3为本发明中微波系统旋转一定角度时的结构示意图；
图4为本发明中微波系统的结构示意图；
图5为本发明中纵向移动机构和微波系统的结构示意图一；
图6为本发明中纵向移动机构和微波系统的结构示意图二；
图7为本发明中旋转机构的结构示意图；
图8为本发明中横向移动机构的结构示意图一；
图9为本发明中横向移动机构的结构示意图二；
图10为本发明中固定机架的结构示意图一；
图11为本发明中固定机架的结构示意图二。
图中：1、固定机架；2、旋转机架；3、横向移动机构；4、旋转机构；5、纵向移动机构；6、微波系统；7、固定架；8、功率源；9、波导；10、换流器；11、射线源；12、准直器；13、底板；14、射线束；15、横向电机；16、横向丝杠丝母机构；17、横向导轨；18、纵向移动支撑架；19、纵向电机；20、纵向丝杠丝母机构；21、纵向导轨；22、旋转驱动电机；23、旋转丝杠丝母机构；24、主动连杆；25、被动连杆；26、铰链；27、旋转轴；28、驱动机构；29、滑块二；30、导轨；31、滑块一；32、回转支承；33、驱动电机；34、齿轮；35、耳座。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1、图2所示，一种直观高精度多轴运动机械臂，包括旋转机架2，所述旋转机架2上设置有固定架7和用于驱动固定架7横向移动的横向移动机构3，固定架7上设置有微波系统6、用于驱动微波系统6纵向移动的纵向移动机构5和用于驱动微波系统6旋转的旋转机构4，固定架7与横向移动机构3滑动连接，纵向移动机构5分别与微波系统6和旋转机构4连接。
通过本发明可以将微波系统6产生的X射线从各个方向聚焦到肿瘤靶区进行照射，肿瘤靶区的剂量可以做得非常高，对周围正常组织又让剂量变得非常低，从而达到精确放疗的目的，提高肿瘤的治愈率。
实施例2：
一种直观高精度多轴运动机械臂，所述旋转机架2的一侧设有固定机架1，固定机架1通过驱动机构28与旋转机架2连接。
如图10、图11所示，所述驱动机构28包括设置在固定机架1上的驱动电机33和设置在固定机架1上的回转支承32，驱动电机33通过齿轮34与回转支承32的齿圈啮合传动，回转支承32还通过螺栓与旋转机架2连接。
如图8、图9所示，所述横向移动机构3包括设置在旋转机架2一侧面的横向电机15、与横向电机15传动连接的横向丝杠丝母机构16和设置在旋转机架2另一侧面的横向导轨17，横向导轨17上设置有滑块二29，固定架7的后端面通过滑块二29与横向导轨17滑动连接，且横向丝杠丝母机构16上的丝母还与固定架7的后端面连接。
如图4所示，所述微波系统6包括底板13，底板13上设置有功率源8和射线源11，功率源8通过波导9和换流器10与射线源11连接，射线源11的一侧设置有准直器12；相互连接的波导9、换流器10和射线源11呈U型结构。
微波系统6由功率源8产生一定频率的微波能量，微波能量通过由波导9、换流器10、射线源11组成的U型通道建立起能量场，加速射线源11里面的电子打靶产生X射线，X射线通过准直器12产生需要的射线束14。
如图5、图6所示，所述纵向移动机构5包括纵向移动支撑架18、设置在纵向移动支撑架18上的纵向丝杠丝母机构20和与纵向丝杠丝母机构20传动连接的纵向电机19，纵向移动支撑架18上设置有纵向导轨21，底板13通过滑块与纵向导轨21滑动连接，且纵向丝杠丝母机构20的丝母与底板13连接。
如图7所示，所述旋转机构4包括设置在固定架7上的旋转驱动机构和连杆机构，连杆机构的一端与旋转驱动机构滑动连接，另一端通过旋转轴27与纵向移动支撑架18连接。
所述旋转驱动机构包括旋转驱动电机22、与旋转驱动电机22传动连接的旋转丝杠丝母机构23和设置在固定架7上的导轨30，连杆机构包括主动连杆24和被动连杆25，主动连杆24的一端通过滑块一31与导轨30滑动连接，且旋转丝杠丝母机构23上的丝母与滑块一31连接，主动连杆24的另一端通过铰链26与被动连杆25铰接连接，被动连杆25通过旋转轴27与纵向移动支撑架18上的耳座35连接。其他部分与实施例1相同。
本发明的工作原理为：
当需要射线束14在平面内需要围绕等中心点旋转时，可以将旋转运动分解为横向运动和纵向运动的组合来实现，横向运动由横向移动机构3来实现，如图8所示，旋转机架2上的横向电机15驱动横向丝杠丝母机构16，使固定架7、固定架7上的旋转机构4、纵向移动机构5、微波系统6一块沿着横向导轨17的方向做横向运动，如图5所示，纵向运动是由微波系统6下面的纵向移动机构5来实现，同横向移动机构3的原理一样，纵向移动支撑架18上的纵向电机19驱动纵向丝杠丝母机构20进行直线运动，使底板13沿着纵向导轨21做纵向运动，从而底板13带动射线源11做纵向运动；当调整到位后，射线束14的方向偏离了等中心点，需要旋转机构4调整射线束14的方向，如图3所示，旋转机构4上的旋转驱动电机22驱动旋转丝杠丝母机构23做直线运动，从而带动主动连杆24的一端做直线运动，主动连杆24与被动连杆25之间采用铰链26连接，通过主动连杆24与被动连杆25旋转运动的配合，实现被动连杆25连接旋转轴27的旋转运动，由于旋转轴27连接纵向移动支撑架18上的耳座35，使纵向移动支撑架18与其上面的微波系统6一块旋转到射线束14照射到等中心位置。通过这三个运动的配合实现了半圆平面内射线束的圆弧照射，当需要调整源轴距(SAD)时，只需要控制纵向移动机构5来实现，纵向移动支撑架18的底部纵向电机19驱动纵向丝杠丝母机构20进行直线运动，使微波系统6沿着纵向导轨21进行直线运动，此时靶点到等中心的距离就会变化，实现源轴距(SAD)可调。旋转机架2一侧为固定机架1，固定机架1的一侧设置有驱动机构28，驱动旋转机架2进行旋转，从而实现旋转机架2内部所有的运动机构与微波系统6进行旋转360度，半圆平面内射线束14的圆弧照射旋转360度，就形成了可变SAD全周球面放疗加速器。
本发明实现了加速器全周球面SBRT技术，解决了现有设备床下角度不能投照的问题，提升放疗技术水平，使更多肿瘤患者，享受SBRT先进放疗技术，提高肿瘤局部控制率和降低毒副作用，使更多患者治愈，提高生活质量。
Claims (9)
1.一种直观高精度多轴运动机械臂，其特征在于：包括旋转机架(2)，所述旋转机架(2)上设置有固定架(7)和用于驱动固定架(7)横向移动的横向移动机构(3)，固定架(7)上设置有微波系统(6)、用于驱动微波系统(6)纵向移动的纵向移动机构(5)和用于驱动微波系统(6)旋转的旋转机构(4)，固定架(7)与横向移动机构(3)滑动连接，纵向移动机构(5)分别与微波系统(6)和旋转机构(4)连接。
2.根据权利要求1所述的直观高精度多轴运动机械臂，其特征在于：所述旋转机架(2)的一侧设有固定机架(1)，固定机架(1)通过驱动机构(28)与旋转机架(2)连接。
3.根据权利要求2所述的直观高精度多轴运动机械臂，其特征在于：所述驱动机构(28)包括设置在固定机架(1)上的驱动电机(33)和设置在固定机架(1)上的回转支承(32)，驱动电机(33)通过齿轮(34)与回转支承(32)的齿圈啮合传动，回转支承(32)还与旋转机架(2)连接。
4.根据权利要求1所述的直观高精度多轴运动机械臂，其特征在于：所述横向移动机构(3)包括设置在旋转机架(2)一侧面的横向电机(15)、与横向电机(15)传动连接的横向丝杠丝母机构(16)和设置在旋转机架(2)另一侧面的横向导轨(17)，横向导轨(17)上设置有滑块二(29)，固定架(7)通过滑块二(29)与横向导轨(17)滑动连接，且横向丝杠丝母机构(16)上的丝母还与固定架(7)连接。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的直观高精度多轴运动机械臂，其特征在于：所述微波系统(6)包括底板(13)，底板(13)上设置有功率源(8)和射线源(11)，功率源(8)通过波导(9)和换流器(10)与射线源(11)连接，射线源(11)的一侧设置有准直器(12)。
6.根据权利要求5所述的直观高精度多轴运动机械臂，其特征在于：相互连接的波导(9)、换流器(10)和射线源(11)呈U型结构。
7.根据权利要求6所述的直观高精度多轴运动机械臂，其特征在于：所述纵向移动机构(5)包括纵向移动支撑架(18)、设置在纵向移动支撑架(18)上的纵向丝杠丝母机构(20)和与纵向丝杠丝母机构(20)传动连接的纵向电机(19)，纵向移动支撑架(18)上设置有纵向导轨(21)，底板(13)通过滑块与纵向导轨(21)滑动连接，且纵向丝杠丝母机构(20)的丝母与底板(13)连接。
8.根据权利要求7所述的直观高精度多轴运动机械臂，其特征在于：所述旋转机构(4)包括设置在固定架(7)上的旋转驱动机构和连杆机构，连杆机构的一端与旋转驱动机构滑动连接，另一端通过旋转轴(27)与纵向移动支撑架(18)连接。
9.根据权利要求8所述的直观高精度多轴运动机械臂，其特征在于：所述旋转驱动机构包括旋转驱动电机(22)、与旋转驱动电机(22)传动连接的旋转丝杠丝母机构(23)和设置在固定架(7)上的导轨(30)，连杆机构包括主动连杆(24)和被动连杆(25)，主动连杆(24)的一端通过滑块一(31)与导轨(30)滑动连接，且旋转丝杠丝母机构(23)上的丝母与滑块一(31)连接，主动连杆(24)的另一端通过铰链(26)与被动连杆(25)铰接连接，被动连杆(25)通过旋转轴(27)与纵向移动支撑架(18)上的耳座(35)连接。
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2023
- 2023-05-18 CN CN202310572553.3A patent/CN116531680A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication |