KR20130134206A

KR20130134206A - Smart bed for radiation cancer treatment

Info

Publication number: KR20130134206A
Application number: KR1020120057559A
Authority: KR
Inventors: 김승호; 이성욱; 정경민; 정승호
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-12-10

Abstract

The present invention relates to a smart bed for cancer radiotherapy which comprises: a link means connected to multiple axes on a post(21); a bed(40) which is installed on the end part of the link means and allows the penetration of upward radiation beam; and a control device(50) which controls the direction and position of the bed by disposing the link means. Therefore, accurate and safe radiotherapy can be ensured for patients receiving long-term treatments, old and feeble patients and critically ill patients by implementing active movements through interaction with robot arms. The present invention carries out a new concept of bed, escaping from the conventional concept of bed.

Description

Smart bed for radiation cancer treatment

본 발명은 방사선 암치료용 스마트 베드에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고정된 개념의 침상에서 벗어나 로봇 아암과 상호 작용하여 능동적인 움직임을 구현하여 장기치료환자, 노약자, 중환자에 대한 정밀하고 안전한 치료를 조력하기 위한 방사선 암치료용 스마트 베드에 관한 것이다.The present invention relates to a smart bed for radiation cancer treatment, and more specifically, to move away from a fixed concept bed bed and to interact with a robot arm to implement active movements for precise and safe treatment of long-term patients, the elderly and the intensive care patients. It relates to a smart bed for radiation cancer treatment to help.

통상적으로 베드(침상)는 인간을 안정되고 편안한 상태로 위치시키는 재래의 가구 형태로서, 병원에서 사용되는 의료용 베드의 경우 이에 더하여 이동 편의성을 요하기도 한다. 이에 더하여 단순하게 상하/전후 이동만 가능한 구성에서 탈피하여 방사선 암치료와 같은 정밀 치료에 적용될 수 있는 스마트 베드 시스템의 개념을 도입하려는 시도가 이어지고 있다. Typically, the bed (bed) is in the form of conventional furniture to place the human in a stable and comfortable state, in the case of a medical bed used in the hospital in addition to the convenience of movement. In addition, attempts have been made to introduce the concept of a smart bed system that can be applied to precise treatments such as radiation cancer treatment by simply moving up and down / front and rear.

이와 관련되는 선행특허로서, 한국 공개특허공보 제2006-0135063호는 로봇식 위치 조정 장치상 로드된 환자를 지지 및 이동시키며 5개 이상의 자유도에서 상기 환자를 이동시킬 수 있는 로봇식 위치조정장치를 포함하는 구성을 제안하고, 한국 공개특허공보 제1995-7003890호는 빔경로를 횡단하는 미리 정해진 비원형 및 비선형 경로를 따라 로봇 팔 및 빔 발생장치를 움직이고 동시에 상기 빔경로는 타겟 영역내로 지향되도록 하는 수단을 이용하는 구성을 제안하고, 미국 공개특허공보 제2010/0237257호는 회전 지원 장체에 연결되는 팔 조립체, 방사선 소스를 사용하는 방사선 치료를 위한 5개 자유도를 갖는 구성을 제안하고, 미국 공개특허공보 제2009/0070936호는 5자유도를 갖고 이중 중복 커플링 시스템 및 특정 장치 충돌 회피의 안전 기능을 포함하는 구성을 제안한다.As a related patent, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2006-0135063 includes a robotic positioning device capable of supporting and moving a patient loaded on a robotic positioning device and moving the patient in five or more degrees of freedom. Korean Patent Laid-Open Publication No. 1995-9003890 proposes a means for moving a robotic arm and a beam generator along a predetermined non-circular and nonlinear path traversing a beam path and simultaneously directing the beam path into a target area. US Patent Publication No. 2010/0237257 proposes a configuration having an arm assembly connected to a rotating support body, a configuration having five degrees of freedom for radiation treatment using a radiation source, and US Patent Application Publication No. 2009/0070936 has a 5 degree of freedom and provides a configuration that includes a double redundant coupling system and safety features of specific device collision avoidance. No.

그러나, 상기한 선행특허에 의하면 방사선 치료나 기타 다른 정밀 시술을 수행하는 과정에서 병약한 환자가 베드에 오르고 내리는데 불편을 초래하기도 하고 베드가 시술기구와 상호간에 간섭이 일어나 원하는 치료동작을 구현하기가 어려운 단점을 지닌다. However, according to the above-mentioned patent, it is inconvenient for the sick patient to get up and down the bed in the course of performing radiation therapy or other precise procedures, and it is difficult for the bed to interfere with the surgical instruments to implement the desired treatment. It has a hard disadvantage.

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 고정된 개념의 침상에서 벗어나 로봇 아암과 상호 작용하여 능동적인 움직임을 구현하여 장기치료환자, 노약자, 중환자에 대한 정밀하고 안전한 치료를 조력하기 위한 방사선 암치료용 스마트 베드를 제공하는 데 있다.The object of the present invention for improving the conventional problems as described above, to assist in the long-term care patient, elderly and intensive care patients to implement active movement by interacting with the robot arm to escape from the fixed bed of the concept of help To provide a smart bed for radiation cancer treatment to.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 로봇 아암과 연계하여 방사선 치료에 사용되는 스마트 베드에 있어서: 포스트 상에 다축으로 연결되는 링크수단; 상기 링크수단의 단부에 설치되고, 방사선 상향빔의 투과를 허용하는 베드; 및 상기 링크수단을 개재하여 베드의 방향과 위치를 제어하는 제어기;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a smart bed used for radiation therapy in conjunction with a robot arm comprising: link means connected to the multi-axis on the post; A bed installed at an end of the link means and allowing the transmission of the radiation upward beam; And a controller for controlling the direction and the position of the bed via the link means.

또, 본 발명에 따르면 상기 링크수단은 포스트 상에 상부링크, 하부링크, 하부지지대, 상부지지대를 개재하여 연결되어 베드의 6자유도 운동을 구현하는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the link means is connected via an upper link, a lower link, a lower support, an upper support on the post, characterized in that six degrees of freedom of movement of the bed.

이때, 상기 링크수단은 병렬구조의 4절기구를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.At this time, the link means is characterized in that it comprises a four section mechanism of a parallel structure.

또, 본 발명에 따르면 상기 베드는 중앙에 개방된 공간을 형성하는 구조의 프레임과, 상기 프레임의 공간에 설치되는 시트를 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the bed is characterized by having a frame having a structure that forms an open space in the center, and a seat installed in the space of the frame.

이때, 상기 시트는 수지, 탄소섬유, 알루미늄 합금 중에서 선택된 하나 이상의 재질을 이용하여 네트 형태로 구성하는 것을 특징으로 한다.In this case, the sheet is characterized in that it is configured in a net form using one or more materials selected from resins, carbon fibers, aluminum alloys.

또, 본 발명에 따르면 상기 제어기는 베드의 수직 방향 이동을 제어하는 높이조절부와, 베드의 수평 방향 이동을 제어하는 이송조절부와, 베드의 자세를 미세하게 제어하는 이미지매칭부를 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, according to the present invention, the controller includes a height adjusting unit for controlling the vertical movement of the bed, a feed adjusting unit for controlling the horizontal movement of the bed, and an image matching unit for finely controlling the attitude of the bed. It is done.

이때, 상기 이미지매칭부는 기저장된 CT이미지와 현재 상태를 매칭하도록 0.5~2˚ 범위내의 롤링(rolling), 피칭(pitching), 요잉(yawing)을 수행하는 것을 특징으로 한다.In this case, the image matching unit may perform rolling, pitching, and yawing within a range of 0.5 to 2 ° to match the pre-stored CT image with the current state.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 고정된 개념의 침상에서 벗어나 로봇 아암과 상호 작용하여 능동적인 움직임을 구현하여 장기치료환자, 노약자, 중환자에 대한 정밀하고 안전한 치료를 조력하는 효과가 있다.As described above, the present invention has an effect of assisting precise and safe treatment for long-term care patients, the elderly and the intensive care patients by implementing active movements by interacting with the robot arm to get out of the fixed concept bed.

도 1은 본 발명에 따른 스마트 베드의 전체 시스템을 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 스마트 베드를 확대하여 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 스마트 베드의 진료 상태를 나타내는 구성도
도 4는 본 발명에 따른 스마트 베드의 주요회로 연결을 나타내는 블록도1 is a block diagram showing an entire system of a smart bed according to the present invention
2 is a configuration diagram showing an enlarged smart bed according to the present invention
3 is a block diagram showing a medical condition of the smart bed according to the present invention
Figure 4 is a block diagram showing the main circuit connection of the smart bed according to the present invention

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 로봇 아암(10)과 연계하여 방사선 치료에 사용되는 스마트 베드에관련된다. 로봇 아암(10)을 이용한 치료 시스템의 일예로 사이버나이프(CyberKnife)는 영상 추적기술을 이용함으로써 베드 상에 고정틀을 배제하여 환자의 불편을 경감하고 치료에 걸리는 시간도 단축시킨다. 로봇 아암(10)의 단부에 설치되는 선형가속기(15)는 치료에 필요한 방사선을 만들어 내는 장치이다. 스마트 베드는 노인이나 장애가 있는 환자들이 암치료를 받기 위해 올라가거나 내려오는 동작을 편하게 하고, 치료과정에서 로봇 아암(10)과 연계되면서 주변의 상황에 맞추어 치료의 정확성과 안정성을 높인다. The present invention relates to a smart bed used for radiation therapy in conjunction with a robot arm (10). As an example of a treatment system using the robot arm 10, CyberKnife eliminates the fixing frame on the bed by using image tracking technology to reduce patient discomfort and shorten the time required for treatment. The linear accelerator 15 installed at the end of the robot arm 10 is a device for generating radiation for treatment. The smart bed makes it easy for the elderly or disabled patients to move up or down to receive cancer treatment, and in conjunction with the robot arm 10 during the treatment process, it improves the accuracy and stability of treatment according to the surrounding situation.

본 발명에 따르면 포스트(21) 상에 링크수단이 다축으로 연결되는 구조를 지닌다. 스마트 베드 시스템을 구현하기 위한 링크수단은 로봇과 유사한 다자유도를 기반으로 하여 환자의 승하차 용이성과 치료위치 보정의 신속/정확성을 보장하는 요체의 하나이다. 로봇 아암(10)이 베드의 상부는 물론 하부에 복수로 설치되는 설계를 고려하여 링크수단은 포스트(21)를 중심으로 하는 외팔보 구조로 한다.According to the present invention has a structure in which the link means on the post 21 is connected in multiple axes. The link means for implementing the smart bed system is one of the main elements to ensure the ease of getting on and off the patient and the quick / accuracy of treatment position correction based on the multiple degree of freedom similar to the robot. The link means has a cantilever structure centering on the post 21 in consideration of the design in which the robot arm 10 is installed in plural in the upper part as well as the lower part of the bed.

이때, 상기 링크수단은 포스트(21) 상에 상부링크(22), 하부링크(23), 하부지지대(24), 상부지지대(25)를 개재하여 연결되어 베드(40)의 6자유도 운동을 구현한다. 포스트(21)는 상하운동 가능하도록 제1축(31)을 구비하고, 상부링크(22)는 포스트(21)에 제2축(32)을 개재하여 연결되고, 하부링크(23)는 상부링크(22)에 제3축(33)을 개재하여 연결되고, 하부지지대(24)는 하부링크(23)에 제4축(34)을 개재하여 연결되고, 상부지지대(25)는 하부지지대(24)에 제5축(35)을 개재하여 연결되고, 상부지지대(25)의 상측으로 베드(40)가 제6축(36)을 개재하여 연결된다. 이와 같은 구성의 스마트 베드 시스템은 비교적 작은 설치공간을 점하면서 6자유도를 구현함이 적절하나, 어떤 위치나 방향으로 이동하는 속도보다 하중(관성)에 의한 안정성(오차보정)이 요구된다.At this time, the link means is connected via the upper link 22, the lower link 23, the lower support 24, the upper support 25 on the post 21 to exercise the six degrees of freedom of the bed (40) Implement The post 21 has a first shaft 31 to enable vertical movement, the upper link 22 is connected to the post 21 via the second shaft 32, the lower link 23 is the upper link It is connected to the 22 via the third shaft 33, the lower support 24 is connected to the lower link 23 via the fourth shaft 34, the upper support 25 is the lower support 24 ) Is connected via a fifth shaft 35, and the bed 40 is connected to the upper side of the upper support 25 via the sixth shaft 36. The smart bed system of such a configuration is suitable to implement 6 degrees of freedom while having a relatively small installation space, but stability (error correction) by load (inertia) is required rather than moving in any position or direction.

한편, 상기 링크수단은 병렬구조의 4절기구를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 특히 제4축(34), 제4축(34), 제5축(35)에 병렬구조의 4절기구를 적용하는 것이 좋으나 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 병렬기구를 구성하는 경우 모든 축이 동시에 연계적으로 운동하여 큰 관성에 대응한 오차보정의 정확성과 신속성을 높일 수 있다.On the other hand, the link means is characterized in that it comprises a four section mechanism of parallel structure. In particular, the four-axis mechanism of the parallel structure is preferably applied to the fourth shaft 34, the fourth shaft 34, and the fifth shaft 35, but is not necessarily limited thereto. In the case of a parallel mechanism, all axes move together in parallel to increase the accuracy and speed of error correction for large inertia.

또, 본 발명에 따르면 방사선 상향빔의 투과를 허용하는 베드(40)가 상기 링크수단의 단부에 설치된다. 베드(40)와 상부지지대(25)의 결합 위치는 하측의 로봇 아암(10)과 간섭되지 않으면서 베드(40)의 벤딩모멘트를 최소로 하는 지점을 택한다. 하측의 로봇 아암(10)의 선형가속기(15)에서 조사되는 상향빔이 베드(40)를 통과하는 투과율을 설정된 범위로 유지하는 요건을 요한다.In addition, according to the present invention, a bed 40 allowing the transmission of the radiation upward beam is provided at the end of the link means. The combined position of the bed 40 and the upper support 25 is taken to minimize the bending moment of the bed 40 without interfering with the robot arm 10 at the lower side. The upward beam irradiated from the linear accelerator 15 of the lower robot arm 10 is required to maintain the transmittance through the bed 40 in the set range.

이때, 상기 베드(40)는 중앙에 개방된 공간을 형성하는 구조의 프레임(42)과, 상기 프레임(42)의 공간에 설치되는 시트(45)를 구비한다. 프레임(42)은 베드(40)의 전체적인 강도를 지탱하는 부분으로서 상부지지대(25)와 결합되는 부분을 포함한다. 프레임(42)에서 환자의 치료에 필요한 개방 공간 상에 환자를 지지하는 시트(45)를 구비한다. 프레임(42)은 방사선의 투과성을 요하지 않으나 시트(45)는 높은 방사선 투과성을 요한다.At this time, the bed 40 is provided with a frame 42 having a structure that forms an open space in the center, and the seat 45 is installed in the space of the frame 42. The frame 42 includes a portion that engages the upper support 25 as a portion that supports the overall strength of the bed 40. In the frame 42 is provided a seat 45 for supporting the patient on an open space for the treatment of the patient. The frame 42 does not require radiation, but the sheet 45 requires high radiation.

한편, 상기 시트(45)는 수지, 탄소섬유, 알루미늄 합금 중에서 선택된 하나 이상의 재질을 이용하여 네트 형태로 구성한다. 수지는 저렴한 아크릴을 사용할 수 있고, 필요에 따라 탄소섬유를 병용할 수 있으며, 적어도 부분적으로 알루미늄 합금을 사용할 수 있다. 어느 경우에나 베드(40)로서의 강도유지와 중량감소 외에 방사선(감마선, 속중성자선)의 투과성을 고려한다. On the other hand, the sheet 45 is configured in a net form using one or more materials selected from resins, carbon fibers, and aluminum alloys. The resin may be inexpensive acrylic, carbon fiber may be used in combination if necessary, and at least partially aluminum alloy may be used. In either case, in addition to maintaining the strength and reducing the weight as the bed 40, the transmission of radiation (gamma rays, fast neutron beams) is considered.

또, 본 발명에 따르면 제어기(50)가 상기 링크수단을 개재하여 베드(40)의 방향과 위치를 제어한다. 베드(40)는 치료 중에 흔들림이 없는 상태를 유지할 정도의 강성을 지니지만, 이동시 환자들에게 멀미 및 구토 등의 증상을 유발하지 않을 정도의 정숙성을 요하고, 환자들의 자세가 변하는 조건에 대응하여 치료를 위한 안정성도 유지해야 한다. 이와 같은 동작의 구현은 제어기(50)가 로봇 아암(10)을 제어하는 아암구동부(52)의 알고리즘과 연계하여 수행한다.In addition, according to the present invention, the controller 50 controls the direction and position of the bed 40 via the link means. The bed 40 is rigid enough to maintain a steady state during treatment, but requires quietness so as not to cause symptoms such as motion sickness and vomiting during movement, and in response to a condition in which the posture of the patients changes. Stability for treatment should also be maintained. The implementation of such an operation is performed in conjunction with the algorithm of the arm driver 52 in which the controller 50 controls the robot arm 10.

이때, 상기 제어기(50)는 베드(40)의 수직 방향 이동을 제어하는 높이조절부(54)와, 베드(40)의 수평 방향 이동을 제어하는 이송조절부(56)와, 베드(40)의 자세를 미세하게 제어하는 이미지매칭부(58)를 구비한다. 높이조절부(54)는 제1축(31)을 구동하는 부분으로서 환자가 베드(40)에 쉽게 올라가고 내려오는 외에 치료 위치로 이송 시에도 작동한다. 이송조절부(56)는 제2축(32)과 제3축(33)을 구동하는 부분으로서 베드(40)를 치료 위치로 이송 시에 작동한다. 이미지매칭부(58)는 제4축(34), 제5축(35), 제6축(36)을 구동하는 부분으로서 베드(40)와 환자의 자세를 미세하게 조절한다. 제어기(50)는 아암구동부(52), 높이조절부(54), 이송조절부(56), 이미지매칭부(58)의 알고리즘을 설정된 조건으로 구현하면서 충돌(간섭) 등의 비상상황에 대비한 우선순위를 참조한다.At this time, the controller 50 is a height adjusting unit 54 for controlling the vertical movement of the bed 40, a feed adjusting unit 56 for controlling the horizontal movement of the bed 40, and the bed 40 It is provided with an image matching unit 58 for finely controlling the posture of. The height adjusting part 54 is a part for driving the first shaft 31 and also operates when the patient is easily moved up and down on the bed 40 and is transferred to the treatment position. The feed adjusting unit 56 is a part for driving the second shaft 32 and the third shaft 33 and operates when the bed 40 is transferred to the treatment position. The image matching unit 58 drives the fourth shaft 34, the fifth shaft 35, and the sixth shaft 36 to finely adjust the position of the bed 40 and the patient. The controller 50 implements the algorithm of the arm driving unit 52, the height adjusting unit 54, the feed adjusting unit 56, and the image matching unit 58 under the set conditions to prepare for an emergency situation such as a collision (interference). See priority.

한편, 상기 이미지매칭부(58)는 기저장된 CT이미지와 현재 상태를 매칭하도록 0.5~2˚ 범위내의 롤링(rolling), 피칭(pitching), 요잉(yawing)을 수행한다. 이미지매칭부(58)는 암치료 전에 촬영한 CT 이미지와 암치료 시스템에서 치료를 받기 위해 위치 검출 시의 X-ray 영상과 매칭이 되지 않아 초기에 암치료 시스템을 셋팅함에 장시간이 소요되는 것을 보완하기 위함이다. 제4축(34)은 롤링, 제5축(35)은 피칭, 제6축(36)은 요잉을 수행하며, 각각의 작동 범위가 미세하게 설정되어도 로봇 아암(10)과 연계하여 이미지 매칭의 정확성을 확보할 수 있다. The image matching unit 58 performs rolling, pitching, and yawing within a range of 0.5 to 2 degrees to match the pre-stored CT image with the current state. The image matching unit 58 does not match the CT image taken before the cancer treatment and the X-ray image at the position detection in order to receive treatment in the cancer treatment system, so that it takes a long time to initially set the cancer treatment system. To do this. The fourth axis 34 is rolling, the fifth axis 35 is pitching, and the sixth axis 36 is yawing, and even if the respective operating ranges are finely set, the image matching is performed in conjunction with the robot arm 10. Accuracy can be secured.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It is therefore intended that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.

10: 로봇 아암 15: 선형가속기
21: 포스트 22: 상부링크
23: 하부링크 24: 하부지지대
25: 상부지지대 31~36: 제1축~제6축
40: 베드 42: 프레임
45: 시트 50: 제어기
52: 아암구동부 54: 높이조절부
56: 이송조절부 58: 이미지매칭부10: robot arm 15: linear accelerator
21: Post 22: Top link
23: lower link 24: lower support
25: upper support 31 to 36: 1st axis ~ 6th axis
40: bed 42: frame
45: sheet 50: controller
52: arm drive unit 54: height adjustment unit
56: feed control unit 58: image matching unit

Claims

In the smart bed used for radiation therapy in conjunction with the robot arm (10):
Link means connected in multiple axes on the post 21;
A bed (40) installed at the end of the link means and allowing transmission of the radiation upward beam; And
Smart bed for cancer treatment, characterized in that it comprises a; controller for controlling the direction and position of the bed 40 via the link means.

The method of claim 1,
The link means is connected via the upper link 22, the lower link 23, the lower support 24, the upper support 25 on the post 21 to implement the six degrees of freedom movement of the bed (40) Smart bed for radiation cancer treatment, characterized in that.

3. The method of claim 2,
The link means is a smart bed for cancer treatment, characterized in that it comprises a four-section mechanism of parallel structure.

The method of claim 1,
The bed 40 is a smart bed for radiation cancer treatment, characterized in that it comprises a frame 42 of the structure forming an open space in the center, and the seat 45 is installed in the space of the frame 42.

5. The method of claim 4,
The sheet 45 is a smart bed for radiation cancer treatment, characterized in that configured in the form of a net using one or more materials selected from resin, carbon fiber, aluminum alloy.

The method of claim 1,
The controller 50 includes a height adjusting unit 54 for controlling the vertical movement of the bed 40, a feed adjusting unit 56 for controlling the horizontal movement of the bed 40, and a posture of the bed 40. Smart bed for cancer treatment, characterized in that it comprises an image matching unit 58 for fine control.

The method according to claim 6,
The image matching unit 58 performs rolling, pitching, yawing in a range of 0.5 to 2 degrees to match the pre-stored CT image with the current state. Bed.