機器人放射治療系統的製作方法

2023-09-23 07:52:30 1

專利名稱：機器人放射治療系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及醫療設備領域，具體是一種機器人放射治療系統。
背景技術：
腫瘤放射治療的目的是給腫瘤靶區最大的治療劑量，而使周圍正常組織和器官受的照射劑量最小，以提高腫瘤的局部控制率，減少正常組織的併發症。要達到這個目的，在進行放射治療工作時，必須做到「四精」，即精確診斷、精確設計、精確定位和精確治療。近年來，隨著放射物理學、放射生物學、臨床腫瘤學和醫學影像學等相關學科的發展，放射治療技術發生了巨大變化。傳統的常規放療正向精確放射治療轉變。所謂精確放射治療技術，就是指採用現代化的計算機技術、醫學影像技術、放射生物技術、放射物理技術和臨床腫瘤治療技術為手段，對腫瘤進行「精確診斷、精確定位、精確計劃、精確治療」的一種新的放射治療技術。
精確放射治療技術包括三維適形放射治療(3D-CRT)技術、調強放射治療(IMRT)技術、立體定向放射治療(SRT)技術、立體定向放射外科(SRS)、圖像引導的放射治療(IGRT)以及斷層掃描調強治療(Tomotherapy)和自控刀(如「Cyberknife」)等。精確放射治療技術能明顯提高腫瘤的局部控制率，降低正常組織的併發症，從而提高治療效果。其中，中國專利200410081270.6「自控動態立體定向放射治療系統」將模擬定位、治療計劃、圖像引導、精確照射、適形治療完全集成在一起，具有減少放療設備、縮短治療過程、提高治療精度、降低治療成本的優點，但仍然有可進一步完善的地方。
實用新型內容本實用新型的目的是為了克服現有技術的缺陷，提供一種機器人放射治療系統，將現代放射治療中的模擬定位、治療計劃、圖像引導、精確定位、適形治療、劑量驗證完全集成在一起，以成為真正「智能型」、「一體化」的全身腫瘤精確放射治療系統。
本實用新型的目的是通過下述技術方案來實現的本實用新型的機器人放射治療系統由正、逆向放射治療計劃系統，三維數控治療床，實時影像自動跟蹤系統，機器人系統，射線源，實時劑量驗證系統六大模塊組成，其中，正、逆向放射治療計劃系統通過網絡分別與三維數控治療床、實時影像自動跟蹤系統、機器人系統、射線源、實時劑量驗證系統相連，三維數控治療床與實時影像自動跟蹤系統相連，實時影像自動跟蹤系統與機器人系統相連，機器人系統與射線源相連，射線源與實時劑量驗證系統相連；其特徵在於實時影像自動跟蹤系統由C型臂實時影像系統、紅外自動跟蹤定位儀(13)和電磁自動跟蹤定位儀(14)組成，腫瘤治療靶區吸收劑量實時劑量驗證系統由二維矩陣電離室或非晶矽(硒)EPID(電子射野圖像系統)組成，安裝在二維矩陣劑量儀運動支撐架(8)上。
上述方案中，C型臂實時影像系統由C臂滑軌(1)、C臂轉軸(2)、C臂底座(3)和安裝在C臂滑軌兩端的X射線源(4)、X線探測器(5)組成，C臂滑軌(1)可引導X射線源(4)和X線探測器(5)作大於180°運動，臂深可控制在750mm～1000mm之間，C臂水平軸可旋轉±180°，垂直軸左右擺動±12°；X射線源(4)能量為KV級，在80～150KV之間可調。
上述方案中，X線探測器(5)可為CCD影像增強器或非晶矽(硒)平板探測器，探測器最大有效探測面積可達41cm×41cm。
上述方案中，三維數控治療床由可前、後、左、右、上、下和旋轉運動的數控移動碳纖維床板(7)、帶支架和面罩的頭部固定器(17)、可上、下及360°旋轉運動治療床升降轉軸(9)以及可使二維矩陣電離室或非晶矽(硒)EPID(電子射野圖像系統)作X、Y、Z三維數控運動的二維矩陣劑量儀運動支撐架(8)和控制系統組成；三維數控治療床的控制系統和實時影像自動跟蹤系統、機器人系統以及射線源的控制系統互動連接，在治療過程中，通過控制系統，可以非常精準實現機器人放療系統的射束輸出—靶區—治療體位三位一體的配合。
上述方案中，機器人系統由控制系統和機器人(10)組成。
上述方案中，射線源由控制系統和安裝在機器人(10)的手臂上的6MV X波段水冷直線加速器(11)組成，在直線加速器(11)前端配有變野準直器(12)適配器，根椐病人病情需要選擇不同的準直器。
本實用新型提出的機器人放射治療系統(Robort RadiotherapySystem)(RRTS)，是一種集成(或一體化)放射治療系統。
RRTS系統主要治療的疾病有
頭頸部腫瘤如膠質細胞瘤、神經膠質瘤、顱底腫瘤、轉移瘤、鼻咽癌等；體部實體腫瘤如肺部腫瘤、乳腺腫瘤、胰腺腫瘤、肝臟腫瘤、腎臟腫瘤、乳腺腫瘤；脊髓部位腫瘤、前列腺腫瘤、婦科腫瘤、骨科腫瘤；血管畸形如動靜脈血管畸形和海綿狀血管畸形等；神經系統疾病如三叉神經痛、癲癇、帕金森病、腰神經根病變；良性瘤如腦膜瘤、聽神經瘤、神經鞘膜瘤、垂體瘤、血管母細胞瘤、其它良性腫瘤等；部分心血管疾病。
RRTS系統的特點「RRTS」是利用一個能產生6MV X波段射線、重約150公斤的水冷式輕型直線電子加速器作為治療射線源；該系統配有一個六自由度機械臂，加速器依附在機械臂上，通過計算機軟體運算和操作；採用圖像引導技術獲取的低劑量三維容積圖像(3D Volume Image)追蹤腫瘤位置，運用實時測得的劑量校正引導機器人放射治療系統束流劑量，然後再以準確劑量的放射線來照射腫瘤。計算機控制的機器手的位置重複精度小於0.2毫米，幾乎可以接近傳統立體定位放射外科(X刀、γ刀)所無法達到的所有病變部位。系統既可作常規共面或非共面等中心照射，也可作非等中心照射；既可實現常規圓形射野治療技術，也可實現方野多種調強放射治療技術；完全不使用框架和頭盔，對病人進行無創傷治療，解除了病人的有創定位痛苦和心理壓力，使治療過程更有效地進行；先進的容積影像引導技術和紅外電磁自動跟蹤定位系統可以在治療過程中動態實時追蹤病人和靶目標，對肺、肝、腎、胰等運動組織器官腫瘤可實施高精準「動態放療」，這是目前所有放療設備和技術均作不到的；非等中心照射的優勢可使放射劑量在病變部位達到最佳的均勻分布和適形性，完全消除劑量分布上的冷點和熱點，療效明顯增強；採取可變野的圓形和方形準直器，運用獨創的射野--距離—時間調強技術，解決了在大野照射腫瘤時，自控刀(如「Cyberknife」)不能進行調強放治療的弱點，大大提高了設備的使用效率和應用範圍，這也是RRTS和其它治療技術根本根本不同的地方之一。
配備有實時劑量測量系統，可以即時測定計算出體內腫瘤靶區的受照劑量，保證放療計劃的準確執行，這也是其它治療技術完全不具備的功能。
可提供正向治療計劃，也可提供逆向治療計劃；可單次治療，也可分次治療，兼容放射外科和放射治療兩種功能。
6MV加速器產生的X射線束通過可變野準直器用單束或多束多種調強方式從不同的方向聚焦至病灶點，使病灶點承受高劑量的放射，減少對周圍的組織的放射。
綜上所述，由於RRTS獨有的容積圖像引導的IMRT精確放療和多部位非等中心治療等特性，使之能夠靈活應用於治療常規立體定向放射治療系統(γ刀、X刀)所難以接近的顱內損傷，例如腦膜瘤、鼻咽癌、轉移瘤、腦神經瘤、脊髓瘤特別能夠接近顱部比較低處的孔、凹和頸髓上的損傷部位，以及靠近關鍵部位的顱內病變。尤其是，它能夠對全身大部分器官組織的實體腫瘤進行治療，是真正意義上的圖像引導的人工智慧放射治療和全身放射外科設備。而它的射束具有近乎「雷射制導」的精準和6個自由度的靈巧，因此也為用於外照射預防和治療某些心血管疾病開闢了一條新的途徑。
所以，本實用新型的機器人放射治療系統，將現代放射治療中的模擬定位、治療計劃、圖像引導、精確定位、適形治療、劑量驗證完全集成在一起，成為了真正「智能型」、「一體化」的全身腫瘤精確放射治療系統。


圖1是本實用新型實施例的正面示意圖。
圖2是本實用新型實施例的側面示意圖。
圖3是本實用新型的軟體工作模塊圖。
圖4是本實用新型的工作流程圖。
具體實施方式

以下結合附圖及實施例進一步詳述本實用新型，但本實用新型不僅限於所述實施例。
附圖中，各數字的含義為1C臂滑軌；2C臂轉軸；3C臂底座；4X線射線源；5X線探測器；6病人；7數控移動碳纖維床板；8二維矩陣劑量儀運動支撐架；9治療床升降轉軸；10機器人；11治療放射源；12可變野準直器；13紅外自動跟蹤定位儀；14電磁自動跟蹤定位儀；15體表標記物；16電磁發生器；17頭部固定器。
如圖1和圖2所示，本實用新型的機器人放射治療系統由正、逆向放射治療計劃系統，三維數控治療床，實時影像自動跟蹤系統，機器人系統，射線源，實時劑量驗證系統六大模塊組成，其中，放射治療計劃系統分別與三維數控治療床、實時影像自動跟蹤系統、機器人系統、射線源、實時劑量驗證系統相連，三維數控治療床與實時影像自動跟蹤系統相連，實時影像自動跟蹤系統與機器人系統相連，機器人系統與射線源相連，射線源與實時劑量驗證系統相連；其特徵在於實時影像自動跟蹤系統由C型臂實時影像系統、紅外自動跟蹤定位儀(13)和電磁自動跟蹤定位儀(14)組成，腫瘤治療靶區吸收劑量實時劑量驗證系統由二維矩陣電離室或非晶矽(硒)EPID(電子射野圖像系統)組成，並安裝在二維矩陣劑量儀運動支撐架(8)上，在治療過程中，矩陣電離室或非晶矽(硒)EPID的中心點始終和靶區中心點保持一致。為了進一步提高系統治療精度和自動化程度，本系統針對體內運動器官(如肝、肺、腎、心等)運動造成體位和腫瘤靶區移動誤差，配備了兩套自動定位跟蹤系統採用在體表皮膚放置體表標記物(15)的紅外自動跟蹤定位儀(13)和採用在體內腫瘤組織上放置電磁發生器(16)的電磁自動跟蹤定位儀(14)，在治療過程中，病人的體位和因內部器官運動造成的靶區細小移動，通過這兩種自動跟蹤定位系統監測數據和C型臂實時影像系統數據分析、比較，將修正後經主治醫生確認的數據輸送給機器人(10)的控制系統進行調整。
C型臂實時影像系統由C臂滑軌(1)、C臂轉軸(2)、C臂底座(3)和安裝在C臂滑軌兩端的X射線源(4)、X線探測器(5)組成，C臂滑軌(1)可引導X射線源(4)和X線探測器(5)作大於180°運動，臂深可控制在750mm和1000mm之間，C臂水平軸可旋轉±180°，垂直軸左右擺動±12°；X射線源(4)能量為KV級，在80～150KV之間可調。
X線探測器(5)可為CCD影像增強器或非晶矽(硒)平板探測器，探測器最大有效探測面積可達41cm×41cm。
病人(6)被放置在三維數控治療床上，三維數控治療床由可前、後、左、右、上、下和旋轉運動的數控移動碳纖維床板(7)、帶支架和面罩的頭部固定器(17)、可上、下及360°旋轉運動治療床升降轉軸(9)以及可使二維矩陣電離室或非晶矽(硒)EPID作X、Y、Z三維數控運動的二維矩陣劑量儀運動支撐架(8)和控制系統組成；三維數控治療床的控制系統和實時影像自動跟蹤系統、機器人系統以及射線源的控制系統互動連接。在常規治療過程中，通過控制系統，可以非常精準實現機器人放療系統的射束輸出—靶區—治療體位三位一體的配合。
機器人系統由控制系統和機器人(10)組成。本系統的最主要裝置是機器人(10)，它有6個自由度，手臂最大負重240公斤，最大迴轉半徑大於1米，機器手移動重複精度小於0.2mm，通過控制系統的指令，可以非常靈活地用於放射治療。系統既可作常規共面或非共面等中心照射，也可作非等中心照射，既可實現常規園形射野治療技術，也可實現方野多種調強放射治療技術，並且可以在醫生工作站上虛擬模擬治療全過程。
射線源由控制系統和安裝在機器人(10)的手臂上的6MV X波段水冷直線加速器(11)組成，直線加速器(11)在1米處每分鐘的輸出劑量率大於200MU，最大重量不超過150公斤。在直線加速器(11)前端配有變野準直器(12)適配器，根據病人病情需要選擇不同的準直器。一般說來，對於頭顱、脊柱等部位小於3cm的腫瘤，選用園形準直器，而對於體部較大的實體瘤(如大於6cm)，則選用方形準直器進行調強放射治療。
如圖3和圖4所示，本實用新型的機器人放射治療系統的工作過程如下當病人確診要進行用機器人放射治療系統治療時，醫生首先用存在中心資料庫內病人的CT(X線斷層攝影)、MRI(核磁共振)或PET/CT診斷出來的病灶圖像，根據病情在正、逆向放射治療計劃系統(TPS)中設計出優化的放射治療計劃。初步設計出採用RRTS放射治療的技術方式(常規射束或IMRT)和機器參數，計算和優化出病灶點需接受的放射劑量。
將病人送入治療室安放在治療床上，進行病人體位校準。在治療前，利用C臂三維X線影像採集處理系統追蹤病人體部靶區位置的移動。該系統可以拍X片、連續圖像和X射線容積圖像，獲得病人在治療位置上的三維容積圖像，無需植入標記物，經一次旋轉即可採集到具有和CT一樣的對比度，能夠分辨腫瘤或危險器官等軟組織結構的完整三維圖像。
進行治療時，X線追蹤系統(射線導航系統)也會不斷把治療過程中所獲取的帶有骨型參考點圖像與先前儲存在資料庫內的病灶點圖像相互比較，以便決定腫瘤的正確位置，再把這些數據輸送至機器人機械臂，隨時實時修正，根據放射治療計劃的要求，使射束按要求對準靶區。
RRTS系統的影像引導技術在治療全過程中追蹤靶目標。該系統與放射影像先前獲得的CT掃描圖像進行融合、配準，反覆確定靶目標與骨型參考點解剖結構的關係。如果採集的影像監測到病人靶區的任何位移，RRTS系統的控制系統指示直線加速器根據靶目標反饋回來的信息，重新做出非常精確的二次定位。
由於上述圖像引導自動跟蹤過程只作到了射束照射野與腫瘤靶區的「形似」(即所謂適形)。在治療過程中，腫瘤真實接受到的準確劑量，是由放在病人體後的二維矩陣電離室劑量儀在治療過程中直接測量得到的。對這個實時測量劑量進行重建和TPS計算劑量進行比較，若實時監測所照射治療靶區接受的真實劑量和計劃劑量有差異，當這種差異超過了一定的誤差範圍，系統會自動提示工作人員，或自動修正造成誤差的原因，或修改治療計劃和治療條件，或使機器人中止治療。
在對體內可能運動的臟器如肝、肺、心臟等部位靶區治療時，為了更準確反映靶目標的細小移動，RRTS還配有兩腫自動跟蹤定位儀1).採用在體表皮膚放置體表標記物的紅外自動跟蹤定位儀(被動式)；2).採用在體內腫瘤組織上放置電磁發生器的電磁自動跟蹤定位儀(主動式)。它們捕獲的器官運動位移會即時傳輸給機器人控制系統進行位置修正。
當進行IMRT方式治療時，機器人位置的上下左右移動以及不同位置上變野準直器野的大小和駐留時間都由治療計劃系統TPS軟體和機器人控制程序配合完成。
權利要求1.一種機器人放射治療系統，由正、逆向放射治療計劃系統，三維數控治療床，實時影像自動跟蹤系統，機器人系統，射線源和實時劑量驗證系統六大模塊組成，其中，正、逆向放射治療計劃系統通過網絡分別與三維數控治療床、實時影像自動跟蹤系統、機器人系統、射線源、實時劑量驗證系統相連，三維數控治療床與實時影像自動跟蹤系統相連，實時影像自動跟蹤系統與機器人系統相連，機器人系統與射線源相連，射線源與實時劑量驗證系統相連；其特徵在於實時影像自動跟蹤系統由C型臂實時影像系統、紅外自動跟蹤定位儀(13)和電磁自動跟蹤定位儀(14)組成，腫瘤治療靶區吸收劑量實時劑量驗證系統由二維矩陣電離室或非晶矽電子射野圖像系統組成，安裝在二維矩陣劑量儀運動支撐架(8)上。
2.根據權利要求1所述的機器人放射治療系統，其特徵在於C型臂實時影像系統由C臂滑軌(1)、C臂轉軸(2)、C臂底座(3)和安裝在C臂滑軌兩端的X射線源(4)、X線探測器(5)組成，C臂滑軌(1)引導X射線源(4)和X線探測器(5)作大於180°運動，臂深控制在750mm～1000mm之間，C臂水平軸可旋轉±180°，垂直軸左右擺動±12°；X射線源(4)能量為KV級，在80～150KV之間可調。
3.根據權利要求2所述的機器人放射治療系統，其特徵在於X線探測器(5)可為CCD影像增強器或非晶矽平板探測器，探測器最大有效探測面積可達41cm×41cm。
4.根據權利要求1所述的機器人放射治療系統，其特徵在於三維數控治療床由可前、後、左、右、上、下和旋轉運動的數控移動碳纖維床板(7)、帶支架和面罩的頭部固定器(17)、可上、下及360°旋轉運動治療床升降轉軸(9)以及可使二維矩陣電離室或非晶矽電子射野圖像系統作X、Y、Z三維數控運動的二維矩陣劑量儀運動支撐架(8)和控制系統組成；三維數控治療床的控制系統和實時影像自動跟蹤系統、機器人系統以及射線源的控制系統互動連接。
5.根據權利要求1所述的機器人放射治療系統，其特徵在於機器人系統由控制系統和機器人(10)組成。
6.根據權利要求1所述的機器人放射治療系統，其特徵在於射線源由控制系統和安裝在機器人(10)的手臂上的6MV X波段水冷直線加速器(11)組成，在直線加速器(11)前端配有變野準直器(12)適配器。
專利摘要本實用新型涉及醫療設備領域中的一種機器人放射治療系統，由正、逆向放射治療計劃系統，三維數控治療床，實時影像自動跟蹤系統，機器人系統，射線源，實時劑量驗證系統六大模塊組成，其特徵在於實時影像自動跟蹤系統由C型臂實時影像系統、紅外自動跟蹤定位儀和電磁自動跟蹤定位儀組成，腫瘤治療靶區吸收劑量實時劑量驗證系統由二維矩陣電離室或非晶矽(硒)電子射野圖像系統組成，安裝在二維矩陣劑量儀運動支撐架上。本實用新型的機器人放射治療系統，將現代放射治療中的模擬定位、治療計劃、圖像引導、精確定位、適形治療、劑量驗證完全集成在一起，成為了真正"智能型"、"一體化"的全身腫瘤精確放射治療系統。
文檔編號B25J11/00GK2910255SQ20062000509
公開日2007年6月13日 申請日期2006年2月9日 優先權日2006年2月9日
發明者吳大怡, 吳大可 申請人:吳大怡, 吳大可