專利名稱：聚焦超聲治療機(jī)的5自由度掃描裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于高強(qiáng)度聚焦超聲治療機(jī)的掃描機(jī)構(gòu)。
中國發(fā)明專利CN98100283.8“高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤掃描治療系統(tǒng)”就屬于這類裝置。通過組合探頭，將多束超聲波能量會(huì)聚在焦點(diǎn)上。在伺服系統(tǒng)的作用下完成腫瘤“切除”動(dòng)作。相應(yīng)的治療床掃描機(jī)構(gòu)，中國實(shí)用新型專利CN99201009.8“高強(qiáng)度聚焦超聲治療系統(tǒng)中的六坐標(biāo)掃描裝置”具有6個(gè)完全的自由度，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波焦點(diǎn)的空間定位和超聲波傳導(dǎo)路徑的姿態(tài)控制。這種形式的掃描機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上與傳統(tǒng)的6坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床完全一致。該裝置主機(jī)座通過中心孔左端面聯(lián)接板和傾斜機(jī)構(gòu)的外殼聯(lián)接，傾斜機(jī)構(gòu)左端通過螺孔和四維機(jī)構(gòu)外殼聯(lián)接，四維機(jī)構(gòu)內(nèi)有三個(gè)互相垂直的直角坐標(biāo)和一個(gè)水平回轉(zhuǎn)坐標(biāo)。能夠?qū)崿F(xiàn)6個(gè)完全的自由度，保障超聲波焦點(diǎn)按照任意指定的路徑和姿態(tài)實(shí)現(xiàn)腫瘤“切除”。但是，這種結(jié)構(gòu)形式機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積笨重，制造和安裝成本較高。整個(gè)系統(tǒng)的剛度較差，從系統(tǒng)受力的角度來看，薄弱環(huán)節(jié)較多，不利于精度保持，維護(hù)和調(diào)整也比較麻煩。
仔細(xì)考察高強(qiáng)度聚焦超聲治療過程，事實(shí)上，掃描機(jī)構(gòu)并不需要6個(gè)完全的自由度。超聲波焦點(diǎn)在三維空間中表現(xiàn)為一個(gè)尺寸大約為2×2×12mm左右大小的橢球。在做診療規(guī)劃的時(shí)候，繞著橢球的中心軸線方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)沒有實(shí)際作用，并未得到使用。對(duì)于腫瘤“切除”有效力的，主要是三個(gè)平動(dòng)自由度，和兩個(gè)主要用于避讓或者對(duì)正肢體的X，Y軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
中國實(shí)用新型專利CN02228120.7“高強(qiáng)度聚焦超聲刀中的串并聯(lián)掃描裝置”提供了一種新的思路。該方案將并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于高強(qiáng)度聚焦超聲治療機(jī)，利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，剛度大的特點(diǎn)，大大地改善了整個(gè)系統(tǒng)的制造難度，可以很大程度的降低掃描機(jī)構(gòu)的制造成本；對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間有限的問題，則利用了標(biāo)準(zhǔn)的十字工作臺(tái)來彌補(bǔ)，同時(shí)結(jié)合了兩種不同類型機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但在具體的實(shí)施中，該實(shí)用新型所采用的3RPS機(jī)構(gòu)，其伸縮臂仍然需要單獨(dú)制造，在單件小批量生產(chǎn)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，由于伸縮桿本身設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的難度，實(shí)際的伸縮桿有效行程遠(yuǎn)小于希望達(dá)到的范圍，總體結(jié)構(gòu)仍嫌笨重，安裝維護(hù)困難，對(duì)應(yīng)的控制器設(shè)計(jì)中測量傳感器的安裝空間受限較大，行程限位開關(guān)的布置非常困難。
本發(fā)明的一種聚焦超聲治療機(jī)的5自由度掃描裝置，包括十字工作臺(tái)和并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)；十字工作臺(tái)包括相互垂直的X軸導(dǎo)軌和Y軸導(dǎo)軌以及X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)和Y軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)，十字工作臺(tái)可以安置在并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)上方，也可以安置在并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)下方作為后者的基座；所述并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)包括三根驅(qū)動(dòng)軸及與其連接的轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副和球副，其特征在于所述并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)中三根驅(qū)動(dòng)軸豎直安裝在基座上、呈正三角形布置；三個(gè)滑臺(tái)分別裝于三根驅(qū)動(dòng)軸、可沿驅(qū)動(dòng)軸上下運(yùn)動(dòng)；三根等長連桿一端為轉(zhuǎn)動(dòng)副，分別安裝在滑臺(tái)上，僅具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其旋轉(zhuǎn)軸分別垂直于對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)軸；三根等長連桿另一端用球副連接于動(dòng)平臺(tái)，所述球副具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
所述的聚焦超聲治療機(jī)，其進(jìn)一步的特征在于連接動(dòng)平臺(tái)和等長連桿的三個(gè)球副構(gòu)成正三角形，三根等長連桿的投影落在三根驅(qū)動(dòng)軸所形成的正三角形的角平分線上。
所述的聚焦超聲治療機(jī)，所述并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)的三根驅(qū)動(dòng)軸和相應(yīng)三個(gè)滑臺(tái)之間的結(jié)構(gòu)可以為液壓伺服驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、絲桿螺母結(jié)構(gòu)或直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)中的一種。
本發(fā)明的并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)是3RPS機(jī)構(gòu)的一種改進(jìn)，也具有完全相同的三個(gè)自由度，既一個(gè)Z軸方向上的平動(dòng)自由度和繞X軸Y軸的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。但是，整個(gè)設(shè)計(jì)方案包括十字工作臺(tái)在內(nèi)，都可以直接選用標(biāo)準(zhǔn)的直線導(dǎo)軌。整個(gè)掃描裝置除了治療床床面和基座需要單獨(dú)設(shè)計(jì)加工之外，其余所有關(guān)鍵部件均可以選用現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)件來實(shí)現(xiàn)。十字工作臺(tái)和三根豎直驅(qū)動(dòng)軸也可以采用標(biāo)準(zhǔn)的液壓部件來實(shí)現(xiàn)，或者采用直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)在于盡量采用標(biāo)準(zhǔn)的部件實(shí)現(xiàn)5自由度高強(qiáng)度聚焦超聲治療機(jī)掃描裝置，盡量簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本。其核心在于選用了標(biāo)準(zhǔn)化的直線運(yùn)動(dòng)裝置。當(dāng)然，也可以獨(dú)立設(shè)計(jì)一套直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于3PRS或者十字工作臺(tái)。
本發(fā)明十字工作臺(tái)和并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)的控制必須完全由計(jì)算機(jī)完成，同時(shí)協(xié)調(diào)兩者之間的運(yùn)動(dòng)。在治療過程之中，高強(qiáng)度聚焦超聲焦點(diǎn)相對(duì)于并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的位置固定，在計(jì)算機(jī)指令下隨動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生Z軸上的位移，和分別繞X軸和Y軸的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。
無論是否工作在大閉環(huán)工作模式，或者開環(huán)模式下，并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)輸出的角度變化會(huì)導(dǎo)致超聲波焦點(diǎn)在水平面方向上同時(shí)產(chǎn)生偏移，十字工作臺(tái)必須按照并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的實(shí)時(shí)姿態(tài)和位置補(bǔ)償這一變化。
大閉環(huán)模式下，高強(qiáng)度超聲波焦點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置依靠B超，在實(shí)時(shí)B超圖像的基礎(chǔ)上，人工或者半自動(dòng)調(diào)整高強(qiáng)度超聲波焦點(diǎn)在病灶中的實(shí)時(shí)位置。理論上也可以通過圖像處理的辦法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，但是目前的計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展水平和人工智能處理能力還不能夠勝任這一關(guān)鍵性任務(wù)，所以必須有豐富B超臨床經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生干預(yù)。
在開環(huán)模式下，高強(qiáng)度聚焦超聲治療機(jī)依賴于掃描裝置本身的剛性和定位精度，在預(yù)先指定的診療規(guī)劃路徑上完成高強(qiáng)度超聲治療。其中的高強(qiáng)度超聲焦點(diǎn)位置不依賴于實(shí)時(shí)的B超掃描結(jié)果，僅僅與診療規(guī)劃中給出的腫瘤坐標(biāo)信息有關(guān)。因此，開環(huán)工作模式下，需要借助于其它一些手段，如CT等，精確對(duì)正病人病灶所在的坐標(biāo)系與治療機(jī)本身所在坐標(biāo)系的空間位置，保障治療過程的安全性。治療過程一旦開始，整個(gè)過程即由程序控制自動(dòng)完成，不需要人工干預(yù)。
圖2所示，本發(fā)明的并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)的三根驅(qū)動(dòng)軸(7)均豎直安裝在基座上，呈三角形分布；滑臺(tái)(6)沿直線做Z方向的上下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)三根等長連桿(5)；連桿(5)的下端為一個(gè)旋轉(zhuǎn)副，僅具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其旋轉(zhuǎn)軸垂直于驅(qū)動(dòng)軸(7)，安裝在滑臺(tái)(6)上；連桿(5)的上端為球副，具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；三個(gè)球副的旋轉(zhuǎn)中心恰好構(gòu)成一個(gè)正三角形；球副的中心和旋轉(zhuǎn)副的中心之間的連線，在水平面之內(nèi)的投影恰好為驅(qū)動(dòng)軸(7)所在正三角形的角平分線上。三根驅(qū)動(dòng)軸可以直接采用成熟的直線導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)現(xiàn)，也可以自行設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)可稱為3PRS機(jī)構(gòu)。
十字工作臺(tái)包含了兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)(1)(3)和兩個(gè)相互垂直的導(dǎo)軌(2)(4)，以實(shí)現(xiàn)X軸和Y軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。安裝在3PRS機(jī)構(gòu)的正上方，帶動(dòng)治療床床面(9)在X和Y兩個(gè)方向上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)平動(dòng)自由度。治療過程之中，病人躺/趴于治療床面(9)上，按照程序指定的方式運(yùn)動(dòng)，與3PRS機(jī)構(gòu)一起，完成腫瘤的三維掃描“切除”。
本發(fā)明的第二種實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。十字工作臺(tái)可以作為3PRS機(jī)構(gòu)的基座，將3PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)安裝在十字工作臺(tái)的上方，治療床的床面(9)保持固定，相對(duì)于地面不動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種聚焦超聲治療機(jī)的5自由度掃描裝置，包括十字工作臺(tái)和并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)；十字工作臺(tái)包括相互垂直的X軸導(dǎo)軌和Y軸導(dǎo)軌以及X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)和Y軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)，十字工作臺(tái)可以安置在并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)上方，也可以安置在并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)下方作為后者的基座；所述并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)包括三根驅(qū)動(dòng)軸及與其連接的轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副和球副，其特征在于所述并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)中三根驅(qū)動(dòng)軸豎直安裝在基座上、呈正三角形布置；三個(gè)滑臺(tái)分別裝于三根驅(qū)動(dòng)軸、可沿驅(qū)動(dòng)軸上下運(yùn)動(dòng)；三根等長連桿一端為轉(zhuǎn)動(dòng)副，分別安裝在滑臺(tái)上，僅具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其旋轉(zhuǎn)軸分別垂直于對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)軸；三根等長連桿另一端用球副連接于動(dòng)平臺(tái)，所述球副具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
2.如權(quán)利要求1所述的聚焦超聲治療機(jī)，其特征在于連接動(dòng)平臺(tái)和等長連桿的三個(gè)球副構(gòu)成正三角形，三根等長連桿的投影落在三根驅(qū)動(dòng)軸所形成的正三角形的角平分線上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的聚焦超聲治療機(jī)，其特征在于所述并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)的三根驅(qū)動(dòng)軸和相應(yīng)三個(gè)滑臺(tái)之間的結(jié)構(gòu)為液壓伺服驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、絲桿螺母結(jié)構(gòu)或直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)中的一種。
全文摘要
聚焦超聲治療機(jī)的5自由度掃描裝置，涉及掃描機(jī)構(gòu)，以相對(duì)簡單的結(jié)構(gòu)和較低的制造成本實(shí)現(xiàn)高精度的5自由度超聲焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制。本發(fā)明包括十字工作臺(tái)和并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)；十字工作臺(tái)包括X、Y軸導(dǎo)軌以及X、Y軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)三根驅(qū)動(dòng)軸呈正三角形豎直布置，三個(gè)滑臺(tái)分別裝于三根驅(qū)動(dòng)軸并可沿其上下運(yùn)動(dòng)，三根等長連桿一端為轉(zhuǎn)動(dòng)副、安裝在滑臺(tái)上，另一端用球副連接于動(dòng)平臺(tái)，十字工作臺(tái)可安置在并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)上方，也可以安置在并聯(lián)掃描機(jī)構(gòu)下方作為后者的基座；本發(fā)明所有關(guān)鍵部分均可以方便地選用現(xiàn)成標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)現(xiàn)，大大降低開發(fā)和制造難度，滿足高強(qiáng)度聚焦超聲治療的要求。
文檔編號(hào)A61B18/04GK1456369SQ0312811
公開日2003年11月19日 申請(qǐng)日期2003年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月6日
發(fā)明者李培根, 喻道遠(yuǎn), 李小平, 范良志, 丑武勝 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)