CN210873787U - 一种肿瘤放疗实时剂量和位置监测同步采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了机械自动化及光学技术领域的一种肿瘤放疗实时剂量和位置监测同步采集装置，包括机械承载与同步运动子系统、CLI采集装置、轮廓采集系统，同步运动子系统包括直线滑轨机构、承载机构、环形滑轨机构和同步运动控制模块，轮廓采集系统包括红外摄像头和红外投影仪；本实用新型通过采用CLI数据采集装置同步对放疗靶区成像，采用轮廓采集系统对体表轮廓成像，从而实现在放疗过程中对放疗靶区的剂量、位置的全方位监测，同时利用环形导轨为CLI和轮廓采集装置提供机械承载实现剂量图像采集及轮廓信息采集，并和加速器旋转机架同步运动，便于后续的放疗剂量和位置定量。

Description

一种肿瘤放疗实时剂量和位置监测同步采集装置

技术领域

本实用新型涉及机械自动化及光学技术领域，具体涉及一种肿瘤放疗实时剂量和位置监测同步采集装置。

背景技术

切伦科夫辐射(Cerenkov Radiation，CR)是指高速带电粒子在非真空介质穿行过程中,粒子速度大于光在该介质中运行速度时，在运动路径的方向产生局部极化，并在回到平衡态的过程中能够释放可见光和近红外光子。当放射线粒子进入生物组织中也会出现CR现象。Robertson等首次将切伦科夫辐射应用于生物医学成像领域并提出切伦科夫光发光成像(Cerenkov Luminescence Imaging，CLI)这一概念。切伦科夫发光成像(CLI)已广泛应用于肿瘤放疗过程中体表位置成像和治疗过程的质量保证。由于该技术具有成像速度快、无辐射和操作简单等优点，在肿瘤放疗中拥有广阔的应用前景，但也面临着许多挑战。例如，由于ICCD探测器一般置于治疗加速器一旁，在使用先进肿瘤发射治疗技术(例如IMRT和VMAT)过程中，机架头的位置易遮挡切伦科夫光子，使之无法到达探测器成像。这限制了CLI在肿瘤放疗中的应用。

美国DoseOptics公司生产的C-Dose产品是当前唯一一款CLI应用于肿瘤放射治疗的切伦科夫发光成像设备。目前该设备已应用于乳腺癌治疗的研究之中。C-Dose针对放疗切伦科夫辐射微弱光和脉冲式的特点，将像增强器和CMOS相机结合，开发出具有与放疗射线同步、高增益和高帧率的切伦科夫辐射探测器。但其在应用过程中暴露出一些突出问题：首先，肿瘤放射治疗过程中，治疗角度多且连续变化， CLI信号会被治疗机头遮挡而无法成像，限制了其在肿瘤放射治疗剂量成像中的应用。其次，C-Dose以固定角度探测放疗靶区的切伦科夫辐射，放射线方向与C-Dose探测方向的不一致，导致采集到的切伦科夫辐射在放射靶区具有不一致性，从而为定量放射剂量带来困难。最后，由于放疗射线经过生物组织所产生切伦科夫辐射是一种非常微弱的光信号，容易被淹没在治疗室的照明光和周围环境杂散光之中，最终导致计算出的放射剂量存在一定误差。尤其是对于患者体表曲率较大的区域，C-Dose获得的放射剂量和真实放射剂量存在较大误差

总之，CLI在肿瘤放疗中应用前景广泛，但面临许多问题，亟待进一步研究。基于此，本实用新型设计了一种基于CLI和结构光的肿瘤放疗实时剂量和位置监测同步采集装置，以解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种肿瘤放疗实时剂量和位置监测同步采集装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种肿瘤放疗实时剂量和位置监测同步采集装置，包括机械承载与同步运动子系统、 CLI采集装置、轮廓采集系统，所述同步运动子系统包括两组直线滑轨机构、承载机构、环形滑轨机构和同步运动控制模块，所述轮廓采集系统包括红外摄像头和红外投影仪，所述承载机构的底部左右两侧分别与两组直线滑轨机构滑动卡接，所述环形滑轨机构位于承载机构的下表面内壁，所述环形滑轨机构的滑槽内腔滑动连接有CLI采集装置，所述承载机构的右侧面内壁顶部中央分别设有红外摄像头和红外投影仪。

优选的，所述直线滑轨机构上设有驱动机构。

优选的，所述承载机构是连接直线运动和环形运动的支撑。

优选的，所述环形滑轨机构包括环形机构承载架、环形导轨安装环、环形滑轨组件，驱动和数字化读出组件、CLI支撑及调节架支撑和轮廓采集装置的支撑架，所述承载机构的顶部焊接有环形机构承载架，所述环形机构承载架的前表面通过环形导轨安装环固定设有环形滑轨组件，所述环形机构承载架的前表面顶部中央等间距一体成型设有三组轮廓采集装置的支撑架，所述环形机构承载架的前表面中央螺接有驱动和数字化读出组件，所述驱动和数字化读出组件的表面螺接有CLI 支撑及调节架支撑。

优选的，所述CLI采集装置为1个ICCD探测器。

优选的，所述同步运动控制模块应用MCU板和CAN通讯协议与机械承载机构的伺服控制装置进行同步通讯。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、面向精准放疗的临床问题，基于放疗切伦科夫光这一长期被人忽略的物理现象，开发高灵敏度的实时监测设备、实现剂量定量和放疗定位的精准监测，研究思路新颖清晰。

2、设计轮廓采集系统，集成轮廓采集装置和滑轨机械承载与同步运动子系统，将其按照相应的角度分布依附于滑轨机械承载与同步运动装置中通过时序信号触发，利用结构光原理采集体表轮廓图像信息。

3、设计剂量和位置联合成像的信号采集方案，采用CLI数据采集装置同步对放疗靶区成像，采用轮廓采集系统对体表轮廓成像，从而实现在放疗过程中对放疗靶区的剂量、位置的全方位监测。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型机械承载与同步运动装置内部结构示意图。

图3为本实用新型采集时序示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-环形机构承载架，2-.环形导轨安装环，3-环形滑轨组件，4-驱动和数字化读出组件，5-CLI支撑及调节架支撑，6-轮廓采集装置的支撑架，7-CLI采集装置，8-直线滑轨机构，9-承载机构，10-环形滑轨机构， 11-红外摄像头，12-红外投影仪。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案：一种肿瘤放疗实时剂量和位置监测同步采集装置，包括机械承载与同步运动子系统、CLI 采集装置7、轮廓采集系统，所述同步运动子系统包括直线滑轨机构8、承载机构9、环形滑轨机构10和同步运动控制模块，所述轮廓采集系统包括红外摄像头11和红外投影仪12，所述承载机构9的底部左右两侧分别与两组直线滑轨机构8滑动卡接，所述环形滑轨机构10位于承载机构9的下表面内壁，所述环形滑轨机构10的滑槽内腔滑动连接有 CLI采集装置7，所述承载机构9的右侧面内壁顶部中央分别设有红外摄像头11和红外投影仪12。

其中，直线滑轨机构8上设有驱动机构。

承载机构9是连接直线运动和环形运动的支撑。

环形滑轨机构10包括环形机构承载架1、环形导轨安装环2、环形滑轨组件3，驱动和数字化读出组件4、CLI支撑及调节架支撑5和轮廓采集装置的支撑架6，承载机构的顶部焊接有环形机构承载架1，环形机构承载架1的前表面通过环形导轨安装环2固定设有环形滑轨组件3，环形机构承载架1的前表面顶部中央等间距一体成型设有三组轮廓采集装置的支撑架6，环形机构承载架1的前表面中央螺接有驱动和数字化读出组件4，驱动和数字化读出组件4的表面螺接有CLI支撑及调节架支撑5。

CLI采集装置7为1个ICCD探测器。

同步运动控制模块应用MCU板和CAN通讯协议与机械承载机构的伺服控制装置进行同步通讯。

机械承载与同步运动子系统、CLI采集系统、轮廓采集系统组成装置的测量方法包括以下步骤：

第一步，设计开发时序同步装置，实现加速器出束、CLI数据采集和体表轮廓采集三者的同步，当加速器出束时，CLI采集装置与和放疗加速器同步，从而保证CLI采集装置只在加速器射线出射时打开像增强器，加速器射线出射约3μs，采集高能射线与生物组织相互作用产生的切伦科夫光；当加速器无射线出射时，CLI采集装置的像增强器处于关闭状态，避免外界杂散光进入，同时触发体表轮廓采集装置模块的时序控制信息，实现体表位置信号监测；

第二步，轮廓采集系统集成轮廓采集装置和滑轨机械承载与同步运动子系统，轮廓采集装置包括红外摄像头与红外投影仪，将其按照相应的角度分布依附于滑轨机械承载与同步运动装置中通过时序信号触发，利用结构光原理采集体表轮廓图像信息；

第三步，设计剂量和位置联合成像的信号采集方案，采用CLI采集装置同步对放疗靶区成像，采用轮廓采集系统对体表轮廓成像，从而实现在放疗过程中对放疗靶区的剂量、位置的全方位监测。

本实施例的一个具体应用为：整套环形运动机构由环形机构承载架、环形导轨安装环、环形滑轨组件、驱动和数字化读出组件、CLI 采集装置的支撑及调节架、轮廓采集装置的支撑架6部分组成，再辅以电器限位、机械限位来保证运动的安全性；通过各个机构的位置微调达到无间隙传动，从而达到CLI采集装置的运动平稳、准确的目的，以保证最终的成像精度。

环形机构承载架：通过高强度钢折弯加工并添加加强筋构成，主要承载整套环形机构，为环形机构顺利平稳运行提供稳定平台；

环形导轨安装环：焊接在环形机构承载架上的半圆环，焊后加工平面，为导轨的安装提供高平面度的安装平面；

环形滑轨组件：高精度环形滑轨，包含导轨、滑座、齿条，齿条和导轨在同一半圆环上，最大程度减少因为安装等原因导致的驱动轨迹和运动轨迹不同心情况，从而保证CLI采集装置的高精度平稳运动；驱动和数字化读出组件：包括涡轮箱驱动组件、电位器读出装置、编码器读出装置，三者通过同步带进行联系，通过调整涡轮箱位置使其齿轮与环形导轨上的齿条完美啮合，再通过编码器、电位器双路位置验证来保证CLI采集装置的运动与加速器运动的精确联系；

CLI采集装置的支撑及调节架：支撑CLI采集装置的，将CLI采集装置的与环形导轨的滑座链接，可微调CLI采集装置的角度以弥补由于各种机械安装以及机械加工所导致的位置误差；

轮廓采集装置的支撑架：支撑轮廓采集装置，将轮廓采集装置与环形机构承载架链接，可微调轮廓采集装置的角度以弥补由于各种机械安装以及机械加工所导致的位置误差。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种肿瘤放疗实时剂量和位置监测同步采集装置，包括机械承载与同步运动子系统、CLI采集装置(7)、轮廓采集系统，其特征在于：所述同步运动子系统包括两组直线滑轨机构(8)、承载机构(9)、环形滑轨机构(10)和同步运动控制模块，所述轮廓采集系统包括红外摄像头(11)和红外投影仪(12)，所述承载机构(9)的底部左右两侧分别与两组直线滑轨机构(8)滑动卡接，所述环形滑轨机构(10)位于承载机构(9)的下表面内壁，所述环形滑轨机构(10)的滑槽内腔滑动连接有CLI采集装置(7)，所述承载机构(9)的右侧面内壁顶部中央分别设有红外摄像头(11)和红外投影仪(12)。

2.根据权利要求1所述的一种肿瘤放疗实时剂量和位置监测同步采集装置，其特征在于：所述直线滑轨机构(8)上设有驱动机构。

3.根据权利要求1所述的一种肿瘤放疗实时剂量和位置监测同步采集装置，其特征在于：所述承载机构(9)是连接直线运动和环形运动的支撑。

4.根据权利要求1所述的一种肿瘤放疗实时剂量和位置监测同步采集装置，其特征在于：所述环形滑轨机构(10)包括环形机构承载架(1)、环形导轨安装环(2)、环形滑轨组件(3)，驱动和数字化读出组件(4)、CLI支撑及调节架支撑(5)和轮廓采集装置的支撑架(6)，所述承载机构的顶部焊接有环形机构承载架(1)，所述环形机构承载架(1)的前表面通过环形导轨安装环(2)固定设有环形滑轨组件(3)，所述环形机构承载架(1)的前表面顶部中央等间距一体成型设有三组轮廓采集装置的支撑架(6)，所述环形机构承载架(1)的前表面中央螺接有驱动和数字化读出组件(4)，所述驱动和数字化读出组件(4)的表面螺接有CLI支撑及调节架支撑(5)。

5.根据权利要求1所述的一种肿瘤放疗实时剂量和位置监测同步采集装置，其特征在于：所述CLI采集装置(7)为1个ICCD探测器。

6.根据权利要求1所述的一种肿瘤放疗实时剂量和位置监测同步采集装置，其特征在于：所述同步运动控制模块应用MCU板和CAN通讯协议与机械承载机构的伺服控制装置进行同步通讯。

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