一種用于放療設(shè)備的氣囊仿生搖籃床的制作方法
【專利摘要】一種用于放療設(shè)備的氣囊仿生搖籃床，其特征在于，該氣囊仿生搖籃床是在床板的底部床面方向上設(shè)置一個或多個氣囊，和氣囊對應(yīng)的控制開關(guān)及雙向氣泵，該氣泵根據(jù)呼吸的頻率和時相通過對氣囊充氣或抽氣使氣囊仿生搖籃床升、降運動。該搖籃床另外可設(shè)置一個同步多軸控制器，該同步多軸控制器根據(jù)呼吸門控的信號控制組合電機(jī)和氣囊的運動引導(dǎo)氣囊仿生搖籃床同步作與呼吸導(dǎo)致的靶區(qū)運動方向相反的搖籃樣運動，由此，實現(xiàn)控制患者機(jī)體做與呼吸運動相反方向的搖籃樣運動，抵消呼吸運動造成的腫瘤靶區(qū)和器官移位，把一個隨呼吸運動而不斷周期性運動的動態(tài)靶區(qū)變成一個能夠固定在等中心的靜態(tài)靶區(qū)。
【專利說明】一種用于放療設(shè)備的氣囊仿生搖籃床
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種用于放療設(shè)備的氣囊仿生搖籃床，該氣囊仿生搖籃床可根據(jù)呼吸運動的幅度和時相，計算出靶區(qū)在X、Y、Z軸上的三維運動，并通過同步多軸控制器的牽引三維方向的直線電機(jī)和氣囊充氣泵的共同運動，實現(xiàn)控制患者機(jī)體做與呼吸運動相反方向的搖籃樣運動，抵消呼吸運動造成的腫瘤靶區(qū)和器官移位，把一個隨呼吸運動而不斷周期性運動的動態(tài)靶區(qū)變成一個能夠固定在等中心的靜態(tài)靶區(qū)。
【背景技術(shù)】
[0002]胸腹部腫瘤精確放療面臨的主要問題是呼吸運動造成的腫瘤和器官移位造成脫靶，即射線照過去的時候，有部分靶區(qū)因呼吸運動而跑出照射野內(nèi)，而不該照射的地方進(jìn)入照射野內(nèi)受到了照射。也就是說胸部和上腹部靶區(qū)是一個動態(tài)的靶區(qū)，現(xiàn)在世界上尚無法按需要動態(tài)控制呼吸運動，把一個隨呼吸運動的靶區(qū)變成一個靜態(tài)靶區(qū)。最先進(jìn)的呼吸門控技術(shù)也只能是根據(jù)監(jiān)控呼吸頻率和時相，把加速器射野定位于空間腫瘤運動軌跡上的一個點，等待呼吸運動一個周期內(nèi)腫瘤來到該固定空間時立即出束照射，等腫瘤過去后關(guān)機(jī)，相當(dāng)于動態(tài)打靶時給一個提前量，使射出的子彈撞到靶區(qū)目標(biāo)，根本無法連續(xù)出束照射，把機(jī)關(guān)槍連續(xù)攻擊變成了步槍單次打擊。這種靠每個周期捕捉一兩個點照射的方式浪費了90%的以上射線資源因此及其低效，而且每個周期時相腫瘤經(jīng)過這個地方的時間和過程很不確定因此精度上也有問題，相當(dāng)于動態(tài)的靶區(qū)目標(biāo)常常容易偏靶，而靜態(tài)的靶區(qū)才容易對準(zhǔn)。但世界上目前還沒有把一個隨呼吸而運動的動態(tài)靶區(qū)變成一個靜態(tài)靶區(qū)的設(shè)備和方法。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:用氣囊仿生搖籃床代替現(xiàn)在的真空墊或定位板，該氣囊仿生搖籃床是在定位板或真空墊的底部床面方向上設(shè)置一個或一組氣囊，該氣囊接受呼吸門控的信號，根據(jù)呼吸的頻率和時相通過氣囊壓力和體積的變化反方向調(diào)節(jié)氣囊仿生搖籃床的位置:比如吸氣時當(dāng)腫塊受呼吸運動作用上升時，氣囊就抽氣，氣囊內(nèi)壓力下降，整個氣囊仿生搖籃床和包括在其中的機(jī)體下降，抵消了吸氣造成的腫塊上升運動。同時設(shè)置一個同步多軸控制器，該同步多軸控制器通過軟件控制組合電機(jī)及其控制開關(guān)和氣泵引導(dǎo)氣囊仿生搖籃床作與靶區(qū)相反的周期性運動，抵消呼吸運動造成的靶區(qū)移位在水平方向和垂直方向的所有移位，結(jié)果使靶區(qū)相對固定于空間一個位置不再活動。具體而言，本實用新型提供了以下技術(shù)方案:
[0004]1、一種用于放療設(shè)備的氣囊仿生搖籃床，該氣囊仿生搖籃床是在床板的底部床面方向上設(shè)置一個或多個氣囊，優(yōu)選不透氣、耐高壓、彈性小的材料(例如橡膠、聚氨酯材料、聚酰胺材料(尼龍)、聚酯材料等)制做的氣囊、和氣囊對應(yīng)的控制開關(guān)及雙向氣泵，該氣泵根據(jù)呼吸的頻率和時相通過對氣囊充氣或抽氣使氣囊仿生搖籃床升、降運動。該氣囊例如可膠水固定粘接、或粘絲動態(tài)粘接在床板背面。[0005]2.根據(jù)以上第1項所述的氣囊仿生搖籃床，其另外設(shè)置一個同步多軸控制器，該同步多軸控制器根據(jù)呼吸門控的信號控制組合電機(jī)和氣囊的運動引導(dǎo)氣囊仿生搖籃床同步作與呼吸導(dǎo)致的靶區(qū)運動方向相反的搖籃樣運動。
[0006]3、根據(jù)以上第1或2項所述的氣囊仿生搖籃床，該氣囊仿生搖籃床的床板是纖維板或真空墊，并在床板上設(shè)置連接桿和連接關(guān)節(jié)。
[0007]4.根據(jù)以上第2項所述的氣囊仿生搖籃床，其特征在于，組合電機(jī)包括分別實現(xiàn)氣囊仿生搖籃床在X、Y、Z軸方向上的運動的三個電機(jī)，該三個電機(jī)最后的輸出端與床板上設(shè)置的連接關(guān)節(jié)連接。
[0008]5、根據(jù)以上第1-4項的任一項所述的氣囊仿生搖籃床，其特征在于:氣囊仿生搖籃床的每個氣囊有一個通氣管道和控制開關(guān)，每個控制開關(guān)末端接連接雙向氣泵，氣泵都可以根據(jù)呼吸幅度和時相對相應(yīng)的氣囊進(jìn)行定量充氣加壓或抽氣減壓。
[0009]6、根據(jù)以上第2和4項所述的氣囊仿生搖籃床，其特征在于:該同步多軸控制器有輸入端、輸出端和相應(yīng)的軟件組成，輸入端能夠接受呼吸門控和四維CT傳來的信息，并經(jīng)過軟件分析計算，算出當(dāng)前呼吸周期中靶區(qū)在三維空間的X、Y、Z軸上的運動的數(shù)學(xué)模型，然后再算出各個軸上相反方向運動的數(shù)學(xué)模型，輸出并控制相互垂直的X、Y、Z三個軸上的電機(jī)及其氣泵和開關(guān)的運動，實現(xiàn)氣囊仿生搖籃床做與靶區(qū)運動相同幅度和時相、相反方向的同步周期性運動。
[0010]7、根據(jù)以上第2項所述的氣囊仿生搖籃床，其特征在于:先用同步多軸控制器控制氣泵和氣囊的開關(guān)進(jìn)行重量/速度試驗，得出不同重量下每升高一定高度時充氣的速度和量的數(shù)學(xué)模型，然后在應(yīng)用中再根據(jù)患者體重選擇合適的數(shù)學(xué)模型控制氣泵和氣囊的開關(guān)，實現(xiàn)氣囊的升降與Z軸電機(jī)同步的升降運動。
[0011]同步多軸控制器由可以通過對實時呼吸運動的分析計算出靶區(qū)運動的數(shù)學(xué)模型，并且將其賦予負(fù)值后傳輸?shù)接梢粋€或一個以上相互垂直的電機(jī)步進(jìn)電機(jī)或直線電機(jī)組成的組合電機(jī)、控制開關(guān)和氣泵，組合電機(jī)、控制開關(guān)和氣泵的共同運動牽引氣囊仿生床實現(xiàn)與靶區(qū)相反的周期性運動，抵消呼吸運動造成的靶區(qū)移位。
[0012]本實用新型的有益效果是:由于氣囊仿生搖籃床的氣囊不僅提供了一個幾乎不影響射線束性質(zhì)的最簡單、穩(wěn)定、空間占位最小的動力傳輸介質(zhì)，而且還在床的中心和重心下面設(shè)置了一個支點，結(jié)果在以下三個方面受益:1、非但使機(jī)體的垂直運動不必磨損機(jī)器設(shè)備而且動力傳輸不對線束造成任何影響就能達(dá)到；2、更重要的是當(dāng)囊仿生搖籃床懸空在氣囊表面時猶如懸浮在水面上一樣，水平運動也失去摩擦阻力，變成一個很小的氣囊的形變阻力，一般為1OmmHg至1OOmmHg之間的壓強(qiáng)下的氣囊的形變阻力，因而極其容易實現(xiàn)和控制；3、由于提供了一個中心支點而使得支點兩側(cè)的重力在各方向的旋轉(zhuǎn)運動中都能夠相互抵消。
[0013]呼吸運動是一個三維運動，事實上腫瘤靶區(qū)運動就是一個與呼吸同頻率、時相和幅度相關(guān)的一個三維空間的一個周期性運動。用門控和四維CT的方法我們甚至可以用數(shù)學(xué)模型描述出這個運動的周期、幅度和時相，并且在時間/位置坐標(biāo)中將其分解為Χ、Y、Z三維方向上的三個相同頻率，不同時相和幅度的運動數(shù)學(xué)模型。靶區(qū)在三維方向上的三個周期運動的頻率和呼吸運動頻率完全相同，但運動的時相與幅度各不相同，而且可以通過四維CT的分析獲得靶區(qū)在Χ、Υ、Ζ三個軸向上各自的運動的時相和幅度，從而計算出該方向的周期性運動的數(shù)學(xué)模型，它們的數(shù)學(xué)模型是和呼吸運動頻率相同，時相和幅度與呼吸運動有關(guān)聯(lián)的周期性運動。我們可以根據(jù)四維CT找出它們之間的關(guān)聯(lián)函數(shù)，這樣反過來我們也可以根據(jù)呼吸運動的數(shù)學(xué)模型通過關(guān)聯(lián)函數(shù)分別求出靶區(qū)運動在X、Y、Z軸上的運動的數(shù)學(xué)模型。
[0014]理論上加速器的床和六維床均可以實現(xiàn)三維運動，但加速器床是靠床軸的剪切力來調(diào)節(jié)靶區(qū)運動，床軸力臂太短，不到靶區(qū)中心的力臂的四分之一，60公斤體重(包括輔助設(shè)備)，傳輸?shù)郊铀倨鞔驳妮S上最小需要200多公斤的剪切力才能做到。一般床結(jié)構(gòu)難以承受這么大的剪切力，長期反復(fù)的承重運動不僅精度達(dá)不到，而且容易損害床的穩(wěn)定性和精確度，還可能因為床的移位而造成旋轉(zhuǎn)的加速器頭部碰到床板或人體。即使現(xiàn)在的六維床也有兩個缺陷:首先是床板較長當(dāng)以兩端為著力點抬高時中間容易變形，其次是以一端為軸心、另一端為著力點抬高時需要付出最小一半重力的動力。而利用氣囊仿生搖籃床不僅對線束的影響最小，而且各個方向時由于氣囊提供了一個中心軸，所有方向的重力相互抵消結(jié)果運動時付出的動力最小。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是單個氣囊的氣囊仿生搖籃床背面示意圖。
[0016]圖2是兩個氣囊的氣囊仿生搖籃床背面示意圖。
[0017]圖3是帶有一個氣囊矩陣的氣囊仿生搖籃床背面示意圖。
[0018]圖4是氣囊仿生搖籃床在同步多軸控制器作用下運動的示意圖。
[0019]圖5是氣囊仿生搖籃床向右側(cè)旋轉(zhuǎn)示意圖。
[0020]圖6是利用同步多軸控制器抵消呼吸運動造成的靶區(qū)移位的控制的數(shù)學(xué)模型示意圖。
[0021]圖7是氣囊充氣狀態(tài)的氣囊仿生搖籃床示意圖。
【具體實施方式】
[0022]以下參照附圖來詳細(xì)說明本實用新型。其中，在不同的圖中，相同的部件給予相同的附圖標(biāo)記。
[0023]圖1示出了單個氣囊的氣囊仿生搖籃床背面示意圖，其中I是真空墊或纖維床板，在其下方設(shè)置有氣囊2、氣囊導(dǎo)管上的三通控制開關(guān)3和雙向氣泵4 ；5是床板或真空墊四個角的連接桿。6是連接桿與搖籃式門控器連接的連接關(guān)節(jié)，通過該連接關(guān)節(jié)可以將氣囊仿生搖籃床的連接桿和搖籃式門控器螺接、卡接或粘接，優(yōu)選萬向輪卡接。
[0024]圖2示出了兩個氣囊的氣囊仿生搖籃床背面示意圖，其中I是氣囊仿生搖籃床板，2代表一個中心氣囊和其導(dǎo)管上的控制開關(guān)3及氣泵4。20代表圍繞氣囊2的邊緣設(shè)置的一個氣囊圈及其導(dǎo)管上的控制開關(guān)30，并且該開關(guān)也和氣泵4相連。5是床板或真空墊四個角的連接桿。6是連接桿與搖籃式門控器連接的連接關(guān)節(jié)，通過該連接關(guān)節(jié)可以將氣囊仿生搖籃床的連接桿和搖籃式門控器螺接、卡接或粘接，優(yōu)選萬向輪卡接。
[0025]圖3示出了帶有一個氣囊矩陣的氣囊仿生搖籃床背面示意圖。在本例中采用3行X 3列的一個9氣囊組成的氣囊矩陣，分別是氣囊列(200、201、202)及其控制開關(guān)300，氣囊列(210、211、212)及其控制開關(guān)310和氣囊列(220、221、222)及其控制開關(guān)320。三個控制開關(guān)均通向雙向氣泵4。5是床板或真空墊四個角的連接桿。6是連接桿與搖籃式門控器連接的連接關(guān)節(jié)，通過該連接關(guān)節(jié)可以將氣囊仿生搖籃床的連接桿和搖籃式門控器螺接、卡接或粘接，優(yōu)選萬向輪卡接。
[0026]圖4示出了氣囊仿生搖籃床在同步多軸控制器作用下運動的示意圖:900表示同步多軸控制器，910表示同步多軸控制器的輸入端，920表示同步多軸控制器的幾個輸出端:包括輸出到各個三軸電機(jī)的輸出端和輸出到氣囊及各個氣囊導(dǎo)管控制開關(guān)的輸出端。901是兩個直線電機(jī)的定子，它們有一個共同的動子902，在同步多軸控制器得控制下，它們的運動結(jié)合氣囊的充氣或排氣就可以實現(xiàn)Z軸方向上的運動；903是固定在902上的一個直線電機(jī)的定子，它有一個動子904，它們的運動可以實現(xiàn)Y軸方向上的運動；905是固定在904上的兩個定子，其兩個動子906的末端分別與兩個連接關(guān)節(jié)6螺接、卡接或粘接，優(yōu)選萬向輪卡接，904的運動可以實現(xiàn)X軸方向上的運動；這幾個電機(jī)合稱為組合電機(jī)，組合電機(jī)通過連接關(guān)節(jié)可以將動力傳導(dǎo)到氣囊仿生搖籃床的連接桿，配合氣囊的同步升降運動實現(xiàn)精確的三維運動控制。
[0027]圖5示出了氣囊仿生搖籃床向右側(cè)旋轉(zhuǎn)示意圖。如果需要旋轉(zhuǎn)一個角度10,則控制氣囊一定的充其量，為床板的旋轉(zhuǎn)提供了一個旋轉(zhuǎn)的中心軸，重力正好位于氣囊中心，同步多軸控制器控制左側(cè)的床板升高，右側(cè)的床板降低，兩側(cè)的高度差為7，兩個連接關(guān)節(jié)的距離為8，只需要控制7/8=sin (10)就可以了。由于氣囊中心軸兩側(cè)的各個對稱點的重力相互抵消，左側(cè)抬高和右側(cè)下壓的力量幾乎是零。所以非常容易實現(xiàn)精確控制。
[0028]圖6示出了利用同步多軸控制器抵消呼吸運動造成的靶區(qū)移位的控制示意圖。圖中11表呼吸的周期性運動，每個周期的其幅度和時相可能會有不同，我們可以通過呼吸門控實時測到呼吸周期，并且通過CT的分析獲得靶區(qū)在每個不同的時相幅度呼吸條件下靶區(qū)在X、Y、Z三個軸向上各自的運動的時相和幅度，如12代表X軸上與11同等呼吸時相和幅度下的靶區(qū)運動的時相幅度，13代表Y軸上與11同等呼吸時相和幅度下的靶區(qū)運動的時相幅度，14代表Z軸上與11同等呼吸時相和幅度下的靶區(qū)運動的時相幅度。從而計算出各個軸方向的周期性運動的數(shù)學(xué)模型，它們的數(shù)學(xué)模型是和呼吸運動頻率相同，時相和幅度與呼吸運動有關(guān)聯(lián)的周期性運動。我們可以根據(jù)四維CT找出他們之間的關(guān)聯(lián)函數(shù)，這樣反過來我們也可以根據(jù)呼吸運動的數(shù)學(xué)模型通過關(guān)聯(lián)函數(shù)分別求出靶區(qū)運動在X、Y、Z軸上的運動的數(shù)學(xué)模型。
[0029]反過來，在治療過程中，可以通過監(jiān)測呼吸運動，獲得實時的呼吸運動的數(shù)學(xué)模型，再根據(jù)計算得到此周期時相時的靶區(qū)在X、Y、Z軸上的位置的運動的數(shù)學(xué)模型。并將這個模型的正負(fù)數(shù)值互換后輸給三軸運動控制器的輸入端，經(jīng)過三軸控制器數(shù)據(jù)處理器處理，在輸出端變?yōu)槟軌蚩刂浦本€電機(jī)、氣泵和開關(guān)運動的實時定量電流，分別控制X、Y、Z三個軸上的直線電機(jī)、氣泵和控制開關(guān)，實現(xiàn)實時三軸控制器控制下的氣囊仿生搖籃床的精確運動。由于數(shù)學(xué)模型中的正負(fù)數(shù)值的互換，最后引起的氣囊仿生搖籃床的運動正好在三維空間上與靶區(qū)運動周期時相和幅度一致、方向相反的運動，這個運動抵消了靶區(qū)運動，結(jié)果將一個動態(tài)靶區(qū)便成立一個靜態(tài)靶區(qū)。
[0030]圖7為氣囊充氣狀態(tài)的氣囊仿生搖籃床示意圖。當(dāng)要求仿生搖籃床按速度上升一定高度時，氣囊2的充氣速度和充氣量必須根據(jù)每個人的不同體重進(jìn)行調(diào)整，方法是:先進(jìn)行重量/速度試驗，得出不同重量下充氣的速度和量的數(shù)學(xué)模型，然后治療時再根據(jù)患者體重選擇合適的模型。
[0031]以上就優(yōu)選方案對本實用新型進(jìn)行了具體說明。但應(yīng)該理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以按照不偏離本實用新型的主旨和范圍的許多變型來實施本實用新型，這些變型也應(yīng)當(dāng)包括在本申請的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于放療設(shè)備的氣囊仿生搖籃床，其特征在于，該氣囊仿生搖籃床是在床板的底部床面方向上設(shè)置一個或多個氣囊，和氣囊對應(yīng)的控制開關(guān)及雙向氣泵，該氣泵根據(jù)呼吸的頻率和時相通過對氣囊充氣或抽氣使氣囊仿生搖籃床升、降運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣囊仿生搖籃床，其特征在于，其另外設(shè)置一個同步多軸控制器，該同步多軸控制器根據(jù)呼吸門控的信號控制組合電機(jī)和氣囊的運動引導(dǎo)氣囊仿生搖籃床同步作與呼吸導(dǎo)致的靶區(qū)運動方向相反的搖籃樣運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I或2所述的氣囊仿生搖籃床，該氣囊仿生搖籃床的床板是纖維板或真空墊，并在床板上設(shè)置連接桿和連接關(guān)節(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣囊仿生搖籃床，其特征在于，組合電機(jī)包括分別實現(xiàn)氣囊仿生搖籃床在X、Y、Z軸方向上的運動的三個電機(jī)，該三個電機(jī)的最后輸出端與床板上設(shè)置的連接關(guān)節(jié)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的氣囊仿生搖籃床，其特征在于:氣囊仿生搖籃床的每個氣囊有一個通氣管道和控制開關(guān)，每個控制開關(guān)末端接連接雙向氣泵，氣泵都可以根據(jù)呼吸幅度和時相對相應(yīng)的氣囊進(jìn)行定量充氣加壓或抽氣減壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求書2和4所述的氣囊仿生搖籃床，其特征在于:該同步多軸控制器有輸入端、輸出端和相應(yīng)的軟件組成，輸入端能夠接受呼吸門控和四維CT傳來的信息，并經(jīng)過軟件分析計算，算出當(dāng)前呼吸周期中靶區(qū)在三維空間的X、Y、Z軸上的運動的數(shù)學(xué)模型，然后再算出各個軸上相反方向運動的數(shù)學(xué)模型，輸出并控制相互垂直的X、Y、Z三個軸上的電機(jī)及其氣泵和開關(guān)的運動，實現(xiàn)氣囊仿生搖籃床做與靶區(qū)運動相同幅度和時相、相反方向的同步周期性運動。
7.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的氣囊仿生搖籃床，其特征在于:先用同步多軸控制器控制氣泵和氣囊的開關(guān)進(jìn)行重量/速度試驗，得出不同重量下每升高一定高度所需要充氣的速度和量的數(shù)學(xué)模型，然后在治療過程中再根據(jù)患者體重選擇合適的數(shù)學(xué)模型控制氣泵和氣囊的開關(guān)，實現(xiàn)氣囊的升降與Z軸電機(jī)同步的升降運動。
【文檔編號】A61N5/00GK203609760SQ201320800761
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】劉苗生, 江波, 戈偉強(qiáng), 李潤森, 姬青山, 李桂君, 王國民, 胡逸民, 殷芳芳, 施飛, 周云云, 王碩, 臧冰冰, 劉泰華, 王崇宇, 范永斌 申請人:劉苗生