CN1456369A - 聚焦超声治疗机的5自由度扫描装置 - Google Patents

Abstract

聚焦超声治疗机的5自由度扫描装置，涉及扫描机构，以相对简单的结构和较低的制造成本实现高精度的5自由度超声焦点运动控制。本发明包括十字工作台和并联扫描机构；十字工作台包括X、Y轴导轨以及X、Y轴驱动电机，并联扫描机构三根驱动轴呈正三角形竖直布置，三个滑台分别装于三根驱动轴并可沿其上下运动，三根等长连杆一端为转动副、安装在滑台上，另一端用球副连接于动平台，十字工作台可安置在并联扫描机构上方，也可以安置在并联扫描机构下方作为后者的基座；本发明所有关键部分均可以方便地选用现成标准件实现，大大降低开发和制造难度，满足高强度聚焦超声治疗的要求。

Description

聚焦超声治疗机的5自由度扫描装置

技术领域

本发明涉及一种用于高强度聚焦超声治疗机的扫描机构。

背景技术

高强度聚焦超声技术是将体外低密度超声能量聚焦于体内肿瘤组织之中，达到“切除”肿瘤的目的，不需要开刀，无须输血，无放射性损害，也不需要穿刺引导，不损伤超声波所经过的组织或靶区外正常组织。国内外许多单位和组织在这方面进行研究，有代表性的有英国帝国大学，美国波士顿大学医学院等。

中国发明专利CN98100283.8“高强度聚焦超声肿瘤扫描治疗系统”就属于这类装置。通过组合探头，将多束超声波能量会聚在焦点上。在伺服系统的作用下完成肿瘤“切除”动作。相应的治疗床扫描机构，中国实用新型专利CN99201009.8“高强度聚焦超声治疗系统中的六坐标扫描装置”具有6个完全的自由度，实现对超声波焦点的空间定位和超声波传导路径的姿态控制。这种形式的扫描机构实质上与传统的6坐标数控机床完全一致。该装置主机座通过中心孔左端面联接板和倾斜机构的外壳联接，倾斜机构左端通过螺孔和四维机构外壳联接，四维机构内有三个互相垂直的直角坐标和一个水平回转坐标。能够实现6个完全的自由度，保障超声波焦点按照任意指定的路径和姿态实现肿瘤“切除”。但是，这种结构形式机械结构复杂，体积笨重，制造和安装成本较高。整个系统的刚度较差，从系统受力的角度来看，薄弱环节较多，不利于精度保持，维护和调整也比较麻烦。

仔细考察高强度聚焦超声治疗过程，事实上，扫描机构并不需要6个完全的自由度。超声波焦点在三维空间中表现为一个尺寸大约为2×2×12mm左右大小的椭球。在做诊疗规划的时候，绕着椭球的中心轴线方向的旋转运动没有实际作用，并未得到使用。对于肿瘤“切除”有效力的，主要是三个平动自由度，和两个主要用于避让或者对正肢体的X，Y轴方向的转动自由度。

中国实用新型专利CN02228120.7“高强度聚焦超声刀中的串并联扫描装置”提供了一种新的思路。该方案将并联机构应用于高强度聚焦超声治疗机，利用并联机构结构简单，刚度大的特点，大大地改善了整个系统的制造难度，可以很大程度的降低扫描机构的制造成本；对于并联机构工作空间有限的问题，则利用了标准的十字工作台来弥补，同时结合了两种不同类型机构的优点，但在具体的实施中，该实用新型所采用的3RPS机构，其伸缩臂仍然需要单独制造，在单件小批量生产模式下，精度仍然不容易得到保障，制造成本仍然有改善的余地，另外，由于伸缩杆本身设计和实现的难度，实际的伸缩杆有效行程远小于希望达到的范围，总体结构仍嫌笨重，安装维护困难，对应的控制器设计中测量传感器的安装空间受限较大，行程限位开关的布置非常困难。

发明内容

本发明聚焦超声治疗机的5自由度扫描装置，其目的在于提供一种高强度聚焦超声肿瘤治疗机中的扫描定位装置。以相对简单的结构和较低的制造成本实现高精度的5自由度超声焦点运动控制。

本发明的一种聚焦超声治疗机的5自由度扫描装置，包括十字工作台和并联扫描机构；十字工作台包括相互垂直的X轴导轨和Y轴导轨以及X轴驱动电机和Y轴驱动电机，十字工作台可以安置在并联扫描机构上方，也可以安置在并联扫描机构下方作为后者的基座；所述并联扫描机构包括三根驱动轴及与其连接的转动副、移动副和球副，其特征在于：所述并联扫描机构中三根驱动轴竖直安装在基座上、呈正三角形布置；三个滑台分别装于三根驱动轴、可沿驱动轴上下运动；三根等长连杆一端为转动副，分别安装在滑台上，仅具有一个转动自由度，其旋转轴分别垂直于对应驱动轴；三根等长连杆另一端用球副连接于动平台，所述球副具有三个转动自由度。

所述的聚焦超声治疗机，其进一步的特征在于连接动平台和等长连杆的三个球副构成正三角形，三根等长连杆的投影落在三根驱动轴所形成的正三角形的角平分线上。

所述的聚焦超声治疗机，所述并联扫描机构的三根驱动轴和相应三个滑台之间的结构可以为液压伺服驱动结构、丝杆螺母结构或直线导轨结构中的一种。

本发明的并联扫描机构是3RPS机构的一种改进，也具有完全相同的三个自由度，既一个Z轴方向上的平动自由度和绕X轴Y轴的两个转动自由度。但是，整个设计方案包括十字工作台在内，都可以直接选用标准的直线导轨。整个扫描装置除了治疗床床面和基座需要单独设计加工之外，其余所有关键部件均可以选用现成的标准件来实现。十字工作台和三根竖直驱动轴也可以采用标准的液压部件来实现，或者采用直线电机实现。

本发明的出发点在于尽量采用标准的部件实现5自由度高强度聚焦超声治疗机扫描装置，尽量简化系统结构，降低系统成本。其核心在于选用了标准化的直线运动装置。当然，也可以独立设计一套直线运动机构用于3PRS或者十字工作台。

本发明十字工作台和并联扫描机构的控制必须完全由计算机完成，同时协调两者之间的运动。在治疗过程之中，高强度聚焦超声焦点相对于并联扫描机构动平台的位置固定，在计算机指令下随动平台产生Z轴上的位移，和分别绕X轴和Y轴的旋转动作。

无论是否工作在大闭环工作模式，或者开环模式下，并联扫描机构输出的角度变化会导致超声波焦点在水平面方向上同时产生偏移，十字工作台必须按照并联扫描机构动平台的实时姿态和位置补偿这一变化。

大闭环模式下，高强度超声波焦点的实时位置依靠B超，在实时B超图像的基础上，人工或者半自动调整高强度超声波焦点在病灶中的实时位置。理论上也可以通过图像处理的办法实现自动操作，但是目前的计算机软件发展水平和人工智能处理能力还不能够胜任这一关键性任务，所以必须有丰富B超临床经验的医生干预。

在开环模式下，高强度聚焦超声治疗机依赖于扫描装置本身的刚性和定位精度，在预先指定的诊疗规划路径上完成高强度超声治疗。其中的高强度超声焦点位置不依赖于实时的B超扫描结果，仅仅与诊疗规划中给出的肿瘤坐标信息有关。因此，开环工作模式下，需要借助于其它一些手段，如CT等，精确对正病人病灶所在的坐标系与治疗机本身所在坐标系的空间位置，保障治疗过程的安全性。治疗过程一旦开始，整个过程即由程序控制自动完成，不需要人工干预。

附图说明

图1为现有技术中的并联扫描机构示意图；

图2为本发明的一种实施方式，十字工作台在并联扫描机构上方；

图3为本发明的另一种实施方式，十字工作台在并联扫描机构下方。

具体实施方式

图1所示现有技术的并联扫描机构，从下至上，其每个支链上所经过的铰链分别为转动副(Rotary)、移动副(Prismatic)和球面副(Spherical)，因此称为3RPS机构。

图2所示，本发明的并联扫描机构的三根驱动轴(7)均竖直安装在基座上，呈三角形分布；滑台(6)沿直线做Z方向的上下运动，带动三根等长连杆(5)；连杆(5)的下端为一个旋转副，仅具有一个转动自由度，其旋转轴垂直于驱动轴(7)，安装在滑台(6)上；连杆(5)的上端为球副，具有三个转动自由度；三个球副的旋转中心恰好构成一个正三角形；球副的中心和旋转副的中心之间的连线，在水平面之内的投影恰好为驱动轴(7)所在正三角形的角平分线上。三根驱动轴可以直接采用成熟的直线导轨标准件实现，也可以自行设计，这种结构可称为3PRS机构。

十字工作台包含了两个独立的驱动电机(1)(3)和两个相互垂直的导轨(2)(4)，以实现X轴和Y轴的进给运动。安装在3PRS机构的正上方，带动治疗床床面(9)在X和Y两个方向上移动，实现两个平动自由度。治疗过程之中，病人躺/趴于治疗床面(9)上，按照程序指定的方式运动，与3PRS机构一起，完成肿瘤的三维扫描“切除”。

本发明的第二种实现方案如图3所示。十字工作台可以作为3PRS机构的基座，将3PRS并联机构安装在十字工作台的上方，治疗床的床面(9)保持固定，相对于地面不动。

Claims (3)

1.一种聚焦超声治疗机的5自由度扫描装置，包括十字工作台和并联扫描机构；十字工作台包括相互垂直的X轴导轨和Y轴导轨以及X轴驱动电机和Y轴驱动电机，十字工作台可以安置在并联扫描机构上方，也可以安置在并联扫描机构下方作为后者的基座；所述并联扫描机构包括三根驱动轴及与其连接的转动副、移动副和球副，其特征在于：所述并联扫描机构中三根驱动轴竖直安装在基座上、呈正三角形布置；三个滑台分别装于三根驱动轴、可沿驱动轴上下运动；三根等长连杆一端为转动副，分别安装在滑台上，仅具有一个转动自由度，其旋转轴分别垂直于对应驱动轴；三根等长连杆另一端用球副连接于动平台，所述球副具有三个转动自由度。

2.如权利要求1所述的聚焦超声治疗机，其特征在于连接动平台和等长连杆的三个球副构成正三角形，三根等长连杆的投影落在三根驱动轴所形成的正三角形的角平分线上。

3.如权利要求1或2所述的聚焦超声治疗机，其特征在于所述并联扫描机构的三根驱动轴和相应三个滑台之间的结构为液压伺服驱动结构、丝杆螺母结构或直线导轨结构中的一种。

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