CN205516039U - Mri引导的机器人精确放疗系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种MRI引导的机器人精确放疗系统，包括X/γ-射线源，还包括在线磁共振成像设备，所述在线磁共振成像设备设有用于形成磁场的分体式/圆筒式超导磁体，所述X/γ-射线源安装在机器人的机械臂上，由所述机器人带动其运动，使所述X/γ-射线源发出的放疗束流能够经过磁极间的间隙和/或磁极上的孔隙射入位于分体式超导体两磁极之间或圆筒式超导体内的病灶成像区。本实用新型在开放型磁共振成像设备的引导下，由一个或多个机器人的机械臂操纵一个或多个治疗头，向肿瘤病灶照射X/γ-射线，从而使得X/γ-射线治疗机具有对病人更多的治疗功能、更快的治疗速度和更强治疗能力和更好的治疗效果。

Description

MRI引导的机器人精确放疗系统

技术领域

本实用新型涉及一种MRI（磁共振成像）引导的机器人精确放疗系统，特别是采用电子直线加速器/⁶⁰Co γ-射线的放疗系统，属医疗器械技术领域。

背景技术

电子直线加速器是利用具有一定能量的电子与微波电场相互作用，从而获得更高的能量，形成具有一定能量的电子束流，将电子束流从电子枪直接引出轰击肿瘤等目标靶区，即为电子线放疗，以电子束流轰击重金属靶（例如钨靶），产生韧致辐射，发射X-射线，以X-射线照射肿瘤等目标靶区，即为X-射线放疗，这种能够产生X-射线束的放疗设备，可称为X-射线源。类似，适当寿命、能量和强度的γ-射线源也能起到通过电离辐射治疗癌症的目的，也可以用于作为放疗的辐射源。本专利涉及的就是这种X-射线源或γ-射线源构成的放疗机。

要保证X/γ-射线束照射在目标靶区，需要一定的成像设备进行实时引导，现有放疗中的影像引导方法大多采用錐束CT（CBCT）或者平面X-射线成像设备进行引导，这里统称X-射线成像引导的放疗，其缺点是：（1）病人从诊断开始到治疗结束，多次接受X-射线成像仪的X-射线扫描，不仅病灶区，包括非病灶区都会接受额外的电离辐射剂量，这些累积剂量已经远远超过对正常人的每年允许剂量，会造成病人致癌或者造成新的致病问题，尤其是妇女儿童为甚；（2）现在的X-射线成像引导的放疗，还不是实时的，很难在三维空间实时跟踪治疗情况，需要用其它辅助手段才能建立三维空间坐标对治疗情况跟踪，例如用金粒植入的有创方法和平面X-射线成像联合，才能实现对病灶的跟踪（例如Cyberknife技术），而多数采用锥束CT引导的放疗，把锥束CT系统固定在X-射线源旋转支架上，由于机架的旋转速度很慢，旋转的角度只限制在很小的范围内，在实施放疗的过程中不能对病灶和靶区形成完全角度重建的CT数据集，从而不能在三维空间实时引导放疗；（3）X-射线成像对软组织分辨力差，不能很好地分辨肿瘤与正常组织的边界；（4）X-射线成像对软组织的对比度单一，只能根据肿瘤的大小变化来判断治疗的效果，但是一个疗程下来往往看不出肿瘤大小的变化；离线的磁共振成像设备具有分子成像等多种比度差，使用专门配套的软件和方法实现早期判断疗效的工作。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提供了一种MRI引导的机器人精确放疗系统，这种放疗系统以磁共振成像对放疗进行引导，避免了X-射线对病人正常组织的损伤，提高了对软组织的分辨力，增加了新的多种对比度，能够更好地实现对病灶的准确定位、实时位置跟踪和功能评估，有利于实现精确放疗，生物学引导的放疗，有利于减小放疗并发症和放射性引起的毒副作用。

本实用新型所采用的技术方案是：一种MRI引导的机器人精确放疗系统，包括X/γ-射线源，还包括在线磁共振成像设备，所述在线磁共振成像设备设有用于构成磁场的磁体，所述磁体为分体式超导磁体或圆筒式超导磁体，所述分体式超导磁体包括相互对应的两个磁极，所述两极之间留有间隙，所述圆筒式超导磁体包括超导线圈并设有轴向孔洞，所述X/γ-射线源安装在机器人的机械臂上，由所述机器人携带其运动。

本实用新型的有益效果是：由于设置了在线磁共振成像设备，可以在放疗时进行磁共振成像，以磁共振成像为基础进行放射引导，由此充分发挥了MRI在显示肿瘤靶区和周围敏感组织的高分辨率、高对比度以及动态跟踪靶区运动的能力，同时避免了因X-射线扫描和成像给病人正常组织带来的额外损伤，而采用机器人带动X/γ-射线源运动，能够多角度、非共面的多方位高精确地控制治疗机实现对病灶靶区的定位和治疗，机器人顶端的电子直线加速器可以在强磁场环境下快速、准确递送放疗束流到指定的照射位置，从而使得X/γ-射线源具有对病人更多的治疗功能、更强治疗能力和更好的治疗效果，由于具有更小的对非肿瘤组织的辐射剂量和更为准确的对肿瘤靶区的定义，因而具有更好的生物学效应，有利于推进放疗技术进入新时代。

附图说明

图1是本实用新型一种实施方式的结构示意图；

图2是本实用新型另一种实施方式的结构示意图；

图3是本实用新型分体式超导磁体的结构示意图。

具体实施方式

参见图1-3，本实用新型提供了一种MRI引导的机器人精确放疗系统，包括X/γ-射线源（包括它们的准直器系统）10，还包括在线磁共振成像设备，所述在线磁共振成像设备设有用于形成磁场的磁体，所述磁体优选超导磁体，所述超导磁体可以为分体式超导磁体，也可以为圆筒式超导磁体40，所述分体式超导磁体主要由相互对应的两个磁极31、32构成，所述两磁极之间留有间隙（间距）33，所述圆筒式超导磁体包括超导线圈并设有轴向孔洞42，所述X/γ-射线源安装在机器人的机械臂上，由所述机器人带动其运动（改变位置和/或方向）。对于采用分体式超导磁体的在线磁共振成像设备，所述X/γ-射线源发出的放疗束流（X-射线束或者γ-射线束等）能够经过所述两磁极之间的间隙和/或所述磁极极线圈的孔隙312射入位于所述两磁体片之间的成像区；对于圆筒式超导磁体，所述X/γ-射线源发出的放疗束流能够经过圆筒式超导磁体的筒壁上的入射窗口41和/或圆筒式超导磁体的轴向孔洞射入位于所述轴向空洞内的成像区，由此，对位于成像区内的病灶进行放射治疗。

优选的，所述机器人采用具有6个自由度的串联机械臂架构21，所述X/γ-射线源安装在所述串联机械臂架构的顶端，以使所述X/γ-射线源处于所需的任意位置和任意角度。

优选的，所述机器人还设有行走机构，所述行走机柜包括用于安装所述串联机械臂架构的机器人底座22和安装在所述机器人底座下面的机器人行走轮23，还包括用于驱动机器人行走轮运动的行走驱动机构，由此，可以通过行走机构控制机器人的稳定行走，使X/γ-射线源处于有效或最佳位置。

可选的，所述在线磁共振成像设备周围环绕有与所述机器人行走轮配套的轨道，由此使机器人能够围绕在线磁共振成像设备。

优选的，所述机器人的机械臂使用磁兼容的高强度元器件，以适应工作时所在的磁场环境。

所述X/γ-射线源的数量可以为一个，也可以为多个，以适应相应的放疗需要。

优选的，当所述X/γ-射线源为多个时，所述多个X/γ-射线源分别安装在各自的机器人上，由各机器人分别控制各X/γ-射线源的位置和角度，多个机器人共同照射病灶形成一个优化的治疗照射剂量场，满足精确、快速和优化治疗病灶的需要。

所述X/γ-射线源可以采用任意适宜的现有技术，包括必要的附属装置，以形成能够用于相应放射治疗的射线束流。

优选的，X/γ-射线源采用电子直加速器或者⁶⁰Coγ-射线源，以实现整体设备的小型化。

例如，所述X-射线源可以包括电子直线加速器，所述电子直线加速器是产生X-射线的源，所述电子直线加速器主要由加速管、相应的微波功率源和微波传输系统构成。

优选的，所述加速管为S波段的加速管或者X波段的加速管，其能量和束流强度满足提高和改善放疗效果的要求。

又如，所述γ-射线源可以包括⁶⁰Coγ-射线源及相应的射线准直系统。

相应的，所述电子直线加速器设有适宜于X/S波段微波的加速管和用于产生X/S波段微波的磁控管，所述磁控管通过波导将其产生的微波传入所述加速管，所述波导可以采用任意适宜的能够引导或传送相应微波的装置，可以是柔性的，也可以是硬质的，以适应实际操作和运动需要。

通常，所述磁体可以包括大小相同且上下分布的两个磁极（分体式），也可以是围绕在一个封闭的圆筒内由螺旋管形成的磁体（圆筒式），无论是分体式还是圆筒式都能与治疗床很好配合，方便治疗床进入或退出位于分体式超导磁体两磁极之间的成像和治疗空间或位于圆筒式超导磁体的周向孔洞内的成像和治疗空间。

所述分体式磁体的两磁极之间可以设有一个或多个（例如三个）支撑立柱38, 三个支撑立柱支点连线呈等边三角形分布在两磁极之间。

通常，所述磁体应包括磁体壳体及附属部件，满足磁共振成像的要求，但是结构上尽可能避开照射的射线束，减少壳体对射线的吸收。

例如，所述磁体可以包括磁体壳体311，所述磁体壳体优选为环形壳体，相应地，采用总体形状为环形的超导线圈，当磁体包括两个磁极时，各磁极均设有各自的磁体壳体。

优选的，特别是在采用分体式磁体时，所述环形壳体的中央为能够穿过放疗束流的孔隙312，在环形壳体中央的孔隙中不设置超导线圈及其他妨碍放疗束流通过的装置，以便于在需要时使X/γ-射线源射出的放疗束流通过该孔隙射入位于两磁极之间的治疗空间。

优选的，当采用圆筒式磁体时，可以在圆筒侧壁上设置穿透圆筒侧壁的径向通孔，以所述径向通孔为X/γ-射线的入射窗口，入射窗口的形状和大小应与放射治疗要求相适应，例如，当需要从多个角度入射时，可以使入射窗口呈具有一定角度的扇形或者呈环形。

所述磁体壳体内可以设有用于产生磁场的超导线圈330，以超导线圈产生具有所需的磁场。超导线圈的设置可以依据现有技术，可以包括用于产生均匀主磁场的超导线圈、梯度线圈和射频线圈等，所述两磁极内的对应线圈相互配合，共同在两磁体片之间形成相应的磁场，由此使在线磁共振成像设备对位于两磁极之间成像区域内的人体进行磁共振成像。将病人身体上的治疗靶区设置在磁共振成像设备的成像区域，就可以在放疗同时进行实时成像，跟踪靶区的移动，以便对X/γ-射线源进行实时引导，避免放疗束流偏离照射靶区。

通常，所述超导线圈可以设置在所述磁体壳体内的制冷腔321内，所述制冷腔通过制冷剂供管和制冷剂回流管323连接制冷机(机组)322，所述制冷腔通过制冷剂管道及相应的冷头的压缩机使得制冷剂循环使用，形成由制冷机出口、制冷剂供管、制冷腔、制冷剂回流管、制冷机回流进口的制冷剂循环压缩管路。

所述在线磁共振成像设备和/或离线磁共振成像设备通常采用固定式，设有底座35和安装在底座上的支架34，所述两磁极均安装在所述支架上。

所述在线磁共振成像设备和/或离线磁共振成像设备配套通常还配有相应的治疗床50，优选的，所述在线磁共振成像设备和/或离线磁共振成像设备适应于相同的医疗床，以方便病人的转移。

这种放疗系统还可以设有用于制订放疗计划的离线磁共振成像设备，所述离线磁共振成像设备为空间分辨率和解剖学结构成像对比度均高于所述在线磁共振成像设备的磁共振成像设备，具有大于普通诊断用磁共振成像设备的人孔，能够在使用对病人的各种辅助固定件的情况下对病人进行定位并且具备用于评价肿瘤疗效的功能。由此利用离线磁共振成像设备的高质量成像作为制定放疗计划时的病人数据和治疗参数，离线病人的治疗计划用图像可以作为在线实时图像的参考图像，它不仅具有高分辨率的解剖学结构图像，又有生理参数成像和脑功能成像的数据，对治疗计划的制定更加具有指导意义，另外离线和在线MR图像之间的配准属于同模态图像的配准，准确度更高，系统误差更小。

本实用新型的关键点是：在开放型磁共振成像设备的引导下，由一个或多个机器人的机械臂操纵一个或多个治疗头，向肿瘤病灶区照射X或γ-射线束，实现磁共振引导的机器人放疗全过程。

本实用新型的放疗系统具有下列特点：

（1）设置用于引导放疗在线和离线两种磁共振成像设备（或称磁共振成像仪），其中在线磁共振成像仪主要用于在线引导X/γ-射线源完成治疗任务，离线磁共振成像仪用于离线成像，满足指定放疗计划的需要。

（2）用于在线实时引导放疗的在线MRI设备，由超导磁体（超导线圈）和其它硬件以及配套软件组成，超导磁体的设计考虑机器人放疗机X-射线源或者⁶⁰Coγ-射线源在治疗过程会受到磁场的影响，采用磁场屏蔽等技术措施进行磁场屏蔽，该MRI设备的软件和硬件配置使得该设备能够为治疗提供治疗靶区的外轮廓、质心运动及与其周围组织及器官的相互关系信息，提供病灶区的准确位置和运动信息的精度可达到或者优于1mm水平，满足放疗机X/γ-射线源实时动态跟踪靶区并进行有效治疗的需要。

（3）用于放疗治疗计划用的离线磁共振成像设备，一般采用高场超导成像系统，除了一般临床诊断MRI设备具有的功能外，组成该系统的磁体的人孔内必须足于摆放制定放疗计划所需的固定病人的辅助器具，必须同时满足解剖学结构和功能成像（生理参数成像和脑功能成像）的需要。其软件包括分割病灶并实现动态三维显示，其解剖学结构图像在1mm精度内的三维配准和显示等功能，还要有定量的药物分子增强动态成像能力，可以用于对治疗靶区的疗效进行评估。

（4）为了满足把病人从制定放疗计划用的离线MRI设备在1mm的精度范围内移动到治疗用的在线MRI设备内，需要设计和配套相应的治疗床，该治疗床满足放疗过程中让病人具有的舒适度，以缓解患者的紧张的心情，还要满足治疗X-射线穿过治疗床时带来的对X-射线治疗场的各种干扰，以利于为排除和减少这些干扰的校正算法提供准确的数据。

（5）为了保证机器人和放疗机X/γ-射线源具有足够的灵活性以及加速器提供的X-射线治疗强度不低于现在电子直线加速器水平，本实用新型优选采用X波段6.5MV电子直线加速器，但是S波段电子直线加速器也可以安装使用，总之采用体积小、重量轻的加速管和磁控管等，是为了保证MRI引导的机器人放疗机系统能够正常工作，包括对电子加速过程中可能受到的磁场干扰进行屏蔽，以及在剂量计算过程中考虑X-射线和人体在治疗靶区的相互作用产生的二次电子受到磁场影响造成的剂量场分布改变的问题。

（6）由于电子动能转换为X光能的效率很低（～5%），大量的热能沉积在阳极钨盘上。由于阳极钨盘一般是在真空中高速旋转，不能直接冷却，只能间接冷却真空室壁。间接冷却效率较低，冷却系统较大，不利于机器人操控。本实用新型采用直接油冷方式对阳极钨盘进行冷却，钨盘的一面是真空或空气，另一面是冷却剂，如水或油，钨盘绕轴心旋转，高能电子将通过钛金属窗（50～150微米）从真空进入非真空，入射到钨靶并由此产生X-射线。

（7）用可规划的多中心多角度射线束分布代替有限的等中心旋转射线束分布，大大降低对射线束位置及方向的约束，提高适形精度和剂量控制精度；

（8）可以实现对治疗靶区的立体定位追踪，包括但是不限于跟踪患者的呼吸和心跳对靶区运动的影响，易于完成更为准确的实施补偿，避免因靶区移位而中断治疗，并且可以根据影像信息自动完成脊柱、肺部和腹部其它敏感脏器和组织运动的跟踪，又可以避免用金属植入作为定位基准点对病人造成的伤害

（9）为了满足机器人放疗机治疗过程的灵活性要求，本实用新型采用6个自由度串联机械臂架构设计的机器人，在满足MRI引导的放疗计划系统软件的控制下，机器人携带电子直线加速器的X -射线源，或者⁶⁰Co γ-射线源满足从多个优化的方向照射病灶的需要。为了排除MRI系统强磁场干扰的需要，该机器人的机械臂使用磁兼容的高强度元器件，并可以选配多个机器人分别控制多个治疗头从不同方向同时照射，以显著缩短治疗时间。

本实用新型所称X/γ-射线源是指X-射线源和/或γ-射线源。

本实用新型所称分体式/圆筒式超导磁体是指分体式超导磁体和/或圆筒式超导磁体。

本实用新型所称X/S波段微波是指X波段微波和/或S波段微波。

本实用新型公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。

Claims (15)

1.一种MRI引导的机器人精确放疗系统，包括X/γ-射线源，其特征在于还包括在线磁共振成像设备，所述在线磁共振成像设备设有用于构成磁场的磁体，所述磁体为分体式超导磁体或圆筒式超导磁体，所述分体式超导磁体包括相互对应的两个磁极，所述两磁极之间留有间隙，所述圆筒式超导磁体包括超导线圈并设有轴向孔洞，所述X/γ-射线源安装在机器人的机械臂上，由所述机器人携带其运动。

2.如权利要求1所述的放疗系统，其特征在于所述机器人采用具有6个自由度的串联机械臂架构，所述X/γ-射线源安装在所述机械臂架构的顶端。

3.如权利要求2所述的放疗系统，其特征在于所述机器人还设有行走机构，所述行走机柜包括用于安装所述串联机械臂架构的机器人底座和安装在所述机器人底座下面的机器人行走轮，还包括用于驱动所述机器人行走轮运动的行走驱动机构。

4.如权利要求3所述的放疗系统，其特征在于所述机器人的机械臂使用磁兼容的高强度元器件。

5.如权利要求1、2、3或4所述的放疗系统，其特征在于所述X/γ-射线源的数量为一个或多个，当所述X/γ-射线源为多个时，所述多个X/γ-射线源分别安装在各自的机器人上。

6.如权利要求5所述的放疗系统，其特征在于所述X-射线源包括电子直线加速器，所述电子直线加速器是产生X-射线的源，所述电子直线加速器主要由加速管、相应的微波功率源和微波传输系统构成，所述加速管为S波段的加速管或者X波段的加速管。

7.如权利要求5所述的放疗系统，其特征在于所述γ-射线源包括⁶⁰Coγ-射线源及相应的射线准直系统。

8.如权利要求7所述的放疗系统，其特征在于所述磁体包括磁体壳体及附属部件，满足磁共振成像的要求，但是结构上尽可能避开照射的射线束，减少壳体对射线的吸收。

9.如权利要求8所述的放疗系统，其特征在于所述磁体壳体内设有用于产生相应磁场的超导线圈，所述超导线圈设置在所述磁体壳体内的制冷腔内，所述制冷腔通过制冷剂管道及相应冷头的压缩机使得制冷剂循环使用，形成由制冷机，制冷机出口、制冷剂供管、制冷腔、制冷剂回流管、制冷机回流进口的制冷剂循环压缩管路。

10.如权利要求1、2、3或4所述的放疗系统，其特征在于还包括用于制订放疗计划的离线磁共振成像设备，所述离线磁共振成像设备为空间分辨率和解剖学结构成像对比度均高于所述在线磁共振成像设备的磁共振成像设备，具有大于普通诊断用磁共振成像设备的人孔，能够在使用对病人的各种辅助固定件的情况下对病人进行定位并且具备用于评价肿瘤疗效的功能。

11.如权利要求5所述的放疗系统，其特征在于还包括用于制订放疗计划的离线磁共振成像设备，所述离线磁共振成像设备为空间分辨率和解剖学结构成像对比度均高于所述在线磁共振成像设备的磁共振成像设备，具有大于普通诊断用磁共振成像设备的人孔，能够在使用对病人的各种辅助固定件的情况下对病人进行定位并且具备用于评价肿瘤疗效的功能。

12.如权利要求6所述的放疗系统，其特征在于还包括用于制订放疗计划的离线磁共振成像设备，所述离线磁共振成像设备为空间分辨率和解剖学结构成像对比度均高于所述在线磁共振成像设备的磁共振成像设备，具有大于普通诊断用磁共振成像设备的人孔，能够在使用对病人的各种辅助固定件的情况下对病人进行定位并且具备用于评价肿瘤疗效的功能。

13.如权利要求7所述的放疗系统，其特征在于还包括用于制订放疗计划的离线磁共振成像设备，所述离线磁共振成像设备为空间分辨率和解剖学结构成像对比度均高于所述在线磁共振成像设备的磁共振成像设备，具有大于普通诊断用磁共振成像设备的人孔，能够在使用对病人的各种辅助固定件的情况下对病人进行定位并且具备用于评价肿瘤疗效的功能。

14.如权利要求8所述的放疗系统，其特征在于还包括用于制订放疗计划的离线磁共振成像设备，所述离线磁共振成像设备为空间分辨率和解剖学结构成像对比度均高于所述在线磁共振成像设备的磁共振成像设备，具有大于普通诊断用磁共振成像设备的人孔，能够在使用对病人的各种辅助固定件的情况下对病人进行定位并且具备用于评价肿瘤疗效的功能。

15.如权利要求9所述的放疗系统，其特征在于还包括用于制订放疗计划的离线磁共振成像设备，所述离线磁共振成像设备为空间分辨率和解剖学结构成像对比度均高于所述在线磁共振成像设备的磁共振成像设备，具有大于普通诊断用磁共振成像设备的人孔，能够在使用对病人的各种辅助固定件的情况下对病人进行定位并且具备用于评价肿瘤疗效的功能。