具有至少一個冗餘關節的7或更多個自由度的機器人操縱器的製作方法

2023-11-05 18:30:57

專利名稱：具有至少一個冗餘關節的7或更多個自由度的機器人操縱器的製作方法
技術領域：
本發明的實施方案屬於用在醫學應用中的機器人操縱器的領域。
背景技術：
常規的機器人設計用來一次次地做完全相同的事情，例如在用於裝配的裝配線上。這些機器人被編程並構造為重複指定的動作以實現特定功能。機器人經常用來實現比人類更加有效且通常更加精確的很多功能。典型地，常規的機器人包括一個或兩個機器人手臂。這些機器人手臂可以具有多個部件來幫助沿不同的自由度(DOF)方便地移動。一些常規的機器人使用計算機通過啟動與相應部件相連的各個步進電機的旋轉來控制機器人手臂的部件。其他設計可以使用液壓或氣動來啟動手臂部件的移動。計算機允許機器人手臂進行精確且可重複的移動。現有技術中的平面關節型機器人手臂(SCARA)機器人用4個或更少的自由度 (「D0F")操作。換句話說，這些機器人手臂設計成沿著4個或更少的軸移動。常規機器人手臂的典型應用是拾放式機器。拾放式機器用於自動化組裝、自動化放置、印刷電路板製造、集成電路拾放、以及其他涉及小物件的自動化工作，例如加工、測量、測試和焊接。這些機器人手臂包括末端執行器，也稱為機器人外圍設備、機器人附件、機器人或者機器人工具、臂端(EOA)工具、或者臂端裝置。末端執行器可以為例如機器人機械爪、衝壓工具、噴漆槍、噴燈、修邊工具、弧焊槍、鑽之類的裝置。這些末端執行器典型地設置在機器人手臂的端部，並且用於上面描述的用途。一個普通的末端執行器是手的簡化版本，其可以抓住並攜帶不同對象。這種末端執行器典型地支撐範圍從3kg-20kg(6. 61-44. 09磅)的最大有效載荷。在輻射治療系統的輻射源的定位中實施的另一種類型的機器人包括鉸接的機器人手臂，以定位輻射源例如線性加速器(LINAC)，所述輻射源安裝在鉸接的機器人手臂的遠端以選擇性地發射輻射，例如如美國專利5，207，223 (Adler)中所述。


本發明的實施方案通過例子而不是限制的方式並結合附圖來解釋，圖中圖1示出機器人治療遞送系統的一個實施方案，其包括具有7個自由度的機器人手臂。圖2示出具有冗餘關節的機器人治療遞送系統的另一實施方案。 圖3A示出機器人治療遞送系統300的一個實施方案，其沿著第一軸在第一位置包括具有7個自由度的垂直安裝的機器人手臂。
圖;3B示出圖3A的機器人治療遞送系統沿著第一軸在第二位置的另一實施方案。圖3C示出機器人治療遞送系統350的另一實施方案，包括水平安裝在用於第七自由度的線性軌道上的具有6個自由度的機器人手臂。圖4A示出在相對於治療床的第一位置的常規機器人治療遞送系統的頂部側視圖。圖4B示出根據一個實施方案在相對於治療床的第一位置的機器人治療系統的頂部側視圖。圖4C示出在相對於治療床的第二位置的圖4A的常規機器人治療遞送系統的頂部側視圖。圖4D示出根據一個實施方案在相對於治療床的第二位置的圖4B的機器人治療遞送系統的頂部側視圖。圖5是示出根據一個實施方案的機器人治療遞送系統的工作空間的透視圖。圖6示出使用機器人操縱器來定位醫學工具的方法的一個實施方案。圖7示出使醫學工具保持在固定位置的方法的另一實施方案。圖8示出可用於進行輻射治療的治療系統的一個實施方案的流程圖，其中可實施本發明的實施方案。
具體實施例方式本文所述具有耦合機器人操縱器的醫學工具的設備，所述機器人操縱器可沿著7 或更多個自由度移動醫學工具，機器人操縱器具有至少一個冗餘關節。在下面的描述中，提出很多具體的細節，例如具體的元件、裝置、方法的例子等，以用於提供徹底理解本發明的實施方案。然而，對於本領域技術人員來講明顯的是，不需要使用這些具體細節來實施本發明的實施方案。在其他情況下，熟知的材料或方法沒有詳細描述，以避免使本發明的實施方案不必要的模糊。機器人操縱器可以沿7或更多個DOF定位附接機器人操縱器的醫學工具。機器人操縱器包括通過關節互連的多個剛性連接以沿7或更多個DOF移動醫學工具。剛性連接中的一種包括附加關節(本文也稱為冗餘關節)。通過關節互連的多個剛性連接允許醫學工具的旋轉或平移位移。在一個實施方案中，7個DOF包括至少一個冗餘D0F。附加關節可用於沿一個冗餘DOF移動醫學工具。例如，通過關節互連的多個剛性連接可用於沿6個DOF 移動醫學工具，並且附加關節可用於沿第七DOF移動醫學工具，第七DOF是冗餘D0F。可替換地，通過關節互連的多個剛性連接可用於沿多於7個DOF移動醫學工具，其中一個剛性連接的兩個附加關節用於沿兩個冗餘DOF移動醫學工具。機器人操縱器可用在機器人治療遞送系統中以在例如治療輻射治療的過程中調節輻射源的位置和取向。機器人治療遞送系統包括機器人操縱器例如鉸接的機器人手臂， 以在三維(3D)空間中定位和取向輻射源例如LINAC。然而，不同於常規機器人治療遞送系統，本文所述的實施方案的機器人操縱器包括一個或多個附加關節(其用在具有6個DOF 的常規機器人手臂中)以沿著第七或更多DOF移動醫學工具。例如，通過在第三軸(A3)和腕部組件之間的連接上增加附加關節，機器人操縱器可定位關節，使得相對於常規機器人手臂，能夠產生更大的移動範圍，而不會使患者或治療床處於和機器人操縱器碰撞的風險中。通過下列方式可實現類似的結果在第一和第二軸仏1和似)的位置處增加第三關節， 以允許機器人操縱器例如朝向地板旋轉機器人操縱器的主體。使用這樣的例子，機器人操縱器可以在多種高度定位醫學工具，例如，機器人操縱器可定位LINAC至用於更高等角點 (isocenter)的低位，或定位至用於低等角點的高位。由於本文所述的實施方案包括7或更多個自由度的一個或多個冗餘D0F，因此本文所述的實施方案比常規6個DOF機器人手臂擁有更多的能力。儘管考慮到特別的自由度機器人操縱器的工作空間實質性增加，但是具有一個或多個冗餘DOF的機器人操縱器對於醫學工具的給定工具姿勢提供無限數量的構造。工作空間表示機器人操縱器的操作環境 (operating envelop)。機器人操縱器的一個或多個冗餘DOF還可允許機器人操縱器移動， 同時工具位置保持不變，以及能夠進行光滑的平面運動。這些附加DOF還可允許機器人避免障礙所要求的運動。本文所述的實施方案可提供更多節點和更多路徑以到達節點(例如現有節點和新的節點)。本文所述的實施方案還可提供路徑的優化以到達節點。例如，本文所述的實施方案可減少穿越節點的時間，以及增加可能的障礙之間的距離邊緣或間隙。本文所述的實施方案還可用於使用機器人操縱器使醫學工具定位在固定點，並且使醫學工具保持在所述固定點，同時移動機器人操縱器。本文所述的實施方案還可用於操縱醫學工具通過限定體積(例如迷宮)，而不會和限定體積外部的對象碰撞。應該注意，在常規系統中通常避免具有多於6個DOF的機器人手臂，因為硬體的複雜性增加並且要求的動力學分析增加。然而，本文所述的實施方案可用於避免障礙，並且機器人操縱器可分解成兩個部件-腕部組件和手臂組件，以簡化工具位置和工具取向的動力學分析。例如，可使用不同的方法來解決各部件的動力學。還應該注意，本文所述的實施方案被示出和描述為耦合LINAC的機器人手臂，然而在其他實施方案中，可以使用其他機器人操縱器和/或其他醫學工具。例如，醫學工具可以是成像器的成像源、手術工具、移植工具、治療床等。圖1示出機器人治療遞送系統200的一個實施方案，其包括具有7個自由度的機器人手臂202。機器人治療遞送系統200包括LINAC 203、和具有腕部組件212與手臂組件的機器人手臂202。腕部組件212被構造為沿3個旋轉DOF (軸5-7)移動LINAC 203，並且手臂組件被構造為沿4個DOF (軸1-4)移動LINAC 203，其中一個是冗餘D0F。手臂組件包括通過關節互連的多個剛性連接，以沿4個D0F、包括冗餘DOF移動LINAC 203。LINAC 203用於產生可定向於靶的輻射束。機器人手臂可以是高度鉸接的機器人手臂，其可具有多個旋轉D0F，以合適地定位和取向LINAC 203，從而使用在開放體積內從多個角度遞送的光束圍繞患者205而輻射靶例如病理解剖學靶。應該注意，患者205可以是人患者，並且可替換地，可以是動物患者。此外，在其他實施方案中，可以使用除了人或動物之外的其他對象。使用機器人治療遞送系統200實施治療可涉及具有單一等角點(會聚點)、多個等角點、或沒有任何特定等角點(即，光束僅需要交織病理靶體積，並且不必會聚在靶內的單一點或等角點上)的光束路徑。而且，治療可以以單次對話(單-分割)或少數對話(低-分割)的方式來遞送，如治療計劃期間所確定的那樣。機器人治療遞送系統 200根據治療計劃來遞送輻射束，而無需使患者固定至剛性外部框架，以使用手術之前治療計劃期的過程中的靶體積的位置來登記為靶體積的手術期間位置。LINAC 203可旋轉地附接腕部組件212，其包括工具偏移關節、工具俯仰關節和工具滾動關節。腕部組件212的工具偏移關節可耦合安裝板(未示出)，其可附接LINAC 203 的底部。可替換地，腕部組件212的工具偏移關節可直接偶合LINAC 203的底部。腕部組件212的工具偏移關節促進LINAC203在沿著ζ-軸的偏移-旋轉中的旋轉運動。工具俯仰關節可耦合工具偏移關節，並促進LINAC 203在沿著y-軸的俯仰-旋轉中的旋轉運動。工具滾動關節可耦合工具俯仰關節，並促進LINAC 203在沿著χ-軸的滾動-旋轉中的旋轉運動。ζ-軸、y-軸和χ-軸可以是機器人手臂202的軸5-7。在示出的實施方案中，手臂組件包括冗餘關節組件211、肘部組件213、第一肩部組件214和第二肩部組件215。冗餘關節組件211耦合腕部組件212的工具滾動關節。冗餘關節組件213可包括3個驅動軸和3個電機以驅動腕部組件212的關節的旋轉運動。在一個實施方案中，本文討論的電機可以是步進電機。可替換地，電機可以是伺服電機或本領域技術人員意識到的其他電機。第一驅動軸可耦合工具偏移關節和第一電機。第一電機和驅動軸驅動LINAC 203沿著偏移軸-軸7旋轉運動。第二驅動軸可耦合工具俯仰關節和第二電機。第二電機和驅動軸驅動LINAC 203沿著俯仰軸-軸6旋轉運動。第三驅動軸可耦合工具-滾動關節和第三電機。第三電機和驅動軸驅動LINAC 203沿著滾動軸-軸5旋轉運動。應該注意，軸可以以軸5-7的其他次序來表示。肘部組件213通過冗餘關節耦合冗餘關節組件211，並且第一肩部組件214通過肘關節耦合肘部組件213。冗餘關節包括齒輪箱，其可被構造為沿旋轉軸-軸4驅動冗餘關節組件211的旋轉運動。肘關節包括肘部齒輪箱，其可被構造為沿旋轉軸-軸3驅動肘部組件213的旋轉運動。肩部組件214包括第一肩關節，其包括齒輪箱，所述齒輪箱可被構造為沿旋轉軸-軸2驅動第一肩部組件214的旋轉運動。附加關節、肘關節和肩關節的齒輪箱可促進LINAC 203在3-D空間中的平移運動。第二肩部組件215通過包括齒輪箱的第二肩關節耦合第一肩部組件214，所述齒輪箱可被構造為沿旋轉軸-軸1驅動第二肩部組件215 的旋轉運動。應該注意，在其他實施方案中，機器人手臂202可包括除了齒輪箱之外的其他類型的運動致動器，以依照來自控制器的方向而移動LINAC 203。在示出的實施方案中，冗餘關節組件211耦合在腕部組件212和肘部組件213之間。可替換地，冗餘關節組件211可耦合在手臂組件的其他組件之間。例如，在另一實施方案中，冗餘關節組件耦合在肘部組件和第一肩部組件之間。在該實施方案中，肘關節耦合腕部組件和肘部組件。肘關節包括肘部齒輪箱以沿旋轉軸-軸4驅動機器人手臂的旋轉運動。此外，冗餘關節耦合肘部組件和第一肩部組件。冗餘關節包括齒輪箱以沿旋轉軸-軸 3驅動機器人手臂的旋轉運動。第一和第二肩部組件包括第一和第二肩關節和相應的齒輪箱，以沿旋轉軸-軸2和軸1驅動機器人手臂的旋轉運動，如上所述。在另一實施方案中， 當肘部組件213直接偶合腕部組件212時，肘部組件包括分別耦合工具偏移關節、工具俯仰關節和工具滾動關節的第一、第二和第三驅動軸，以及第一、第二和第三電機以分別驅動工具-偏移、工具-俯仰和工具滾動關節的旋轉運動。機器人手臂202可通過第二肩關節耦合安裝組件216。安裝組件216可耦合地板、 牆壁、天花板、圓柱等。可替換地，機器人手臂202可直接偶合地板、牆壁、天花板、圓柱等， 而無需使用安裝組件216。在另一實施方案中，第二肩部組件215包括具有第三肩部齒輪箱的第三肩關節， 以沿機器人手臂的第八軸驅動機器人手臂的旋轉運動。在另一實施方案中，安裝組件216耦合軌道安裝組件(其耦合軌道226)。可替換地，第二肩部組件215可耦合軌道安裝組件。 軌道安裝組件和軌道可促進LINAC203沿基本上線性軸的平移運動。軌道可水平取向或垂直取向。該線性軸可以是機器人手臂的8個軸。在另一實施方案中，線性軸是第七D0F，其如上所述取代最後旋轉軸-軸1。在一個實施方案中，基本上線性DOF是7個或8個DOF的第一 D0F，這是指DOF最接近機器人手臂的基端，其相對於機器人手臂的末端執行器端(也稱為使用端)處的最後 D0F,這距離機器人手臂的基端最遠。第一 DOF被構造為移動機器人手臂的其他6個或7個旋轉D0F。即，醫學工具和機器人手臂沿著基本上線性軸在醫學工具運動的整個範圍內移動，而不會使醫學工具沿著旋轉自由度運動。基本上線性DOF包括基本上線性軸，所述基本上線性軸用於使醫學工具沿著ζ-軸 (基本上垂直於互相正交的水平坐標X-和1-軸)的基本上垂直線平移運動，或者使醫學工具沿基本上垂直於Z-軸的互相正交的水平坐標X-和y-軸的基本上水平線平移運動。在一個實施方案中，軌道可垂直取向例如垂直安裝圓柱的垂直側。圓柱可在治療輻射治療的過程中固定或安裝至治療室的地板或地板下的坑中。在另一實施方案中，圓柱可在治療輻射治療的過程中固定或安裝至治療室的天花板。可替換地，軌道可垂直安裝至本領域技術人員已知的其他結構，例如牆壁、基座、塊體或基礎結構。在另一實施方案中，軌道可在治療輻射治療的過程中水平取向例如水平安裝至治療室的地板或地板下的坑中。在另一實施方案中，軌道可在治療輻射治療的過程中固定或安裝至治療室的天花板。可替換地，軌道可水平安裝至本領域技術人員已知的其他結構。在一個實施方案中，控制器(為易於描述未示出)耦合機器人手臂202以沿7或更多個DOF移動機器人手臂和LINAC 203。機器人手臂202可被從控制器接收的運動命令控制。在另一實施方案中，用戶界面單元耦合控制器以沿7或更多個DOF手動移動機器人手臂 202 和 LINAC 203。使用7個旋轉D0F(包括一個冗餘D0F)的腕部組件212、肘部組件213、第一肩部組件214、第二肩部組件215和安裝組件216的上述布置促進LINAC 203的定位。機器人治療遞送系統200的機器人手臂202的7個DOF可在期望治療區域的基本上任何位置(例如機器人手臂202的運動的機械範圍內的工作空間)定位和取向LINAC 203。機器人手臂 202可定位LINAC 203以在工作空間或治療區域內的多個位置中具有工具中心位置(TCP)、 機器中心或等角點。由控制器產生的運動命令信號可控制機器人治療遞送系統200沿多個 DOF的校正運動。在一個實施方案中，LINAC 203相對於治療床206的定位和取向可是已知的，使得可實現協調運動。在一個示例性實施方案中，LINAC 203和治療床206可稱為公共 (或〃房間〃)坐標系。可替換地，機器人手臂202可被構造為促進LINAC 203沿著8個 DOF運動。在一個實施方案中，8個DOF包括2個冗餘D0F。在另一實施方案中，8個DOF包括7個旋轉D0F，包括一個冗餘DOF和一個平移D0F。可替換地，其他構造是可能的。在一個示例性實施方案中，7個DOF包括用於使LINAC 203沿著互相正交的x_、y_和ζ-坐標軸平移運動的4個旋轉軸、和用於使LINAC 203分別圍繞x_、y-和z_軸滾動-、俯仰-和偏移-旋轉的3個旋轉軸。在該實施方案中，4個旋轉軸包括用於LINAC 203的平移運動的一個冗餘旋轉軸。在另一示例性實施方案中，8個DOF包括用於使LINAC 203沿著互相正交的χ-、y-和ζ-坐標軸平移運動的5個旋轉軸、和用於使LINAC 203分別圍繞x_、y-和ζ-軸滾動_、俯仰-和偏移-旋轉的3個旋轉軸。在另一示例性實施方案中，8個DOF包括用於使LINAC 203沿著互相正交的χ-、 y-和ζ-坐標軸平移運動的4個旋轉軸、用於使LINAC 203分別圍繞x-、y-和ζ-軸滾動-、 俯仰-和偏移-旋轉的3個旋轉軸、和基本上線性D0F，所述基本上線性DOF包括基本上線性軸，所述基本上線性軸用於使醫學工具沿著ζ-軸(基本上垂直於互相正交的水平坐標 χ-和y_軸)的基本上垂直線平移運動，或者使醫學工具沿基本上垂直於ζ-軸的互相正交的水平坐標χ-和y-軸的基本上水平線平移運動。可替換地，在其他構造中可使用一個或多個冗餘D0F。機器人治療遞送系統200被構造為使用控制器在治療輻射治療的過程中，在計算機控制下調節LINAC 203在治療室的3D工作空間或操作環境中的定位和取向。控制器可耦合機器人手臂202、運動追蹤系統210、用戶界面、成像系統(包括χ-射線源207和檢測器208)和患者定位系統212，包括治療床206。可替換地，控制器耦合圖1中所示系統的更多或更少的組件。在一個實施方案中，機器人治療遞送系統200可以是使用LINAC的無框、圖像引導的機器人基治療輻射治療系統。可替換地，機器人治療遞送系統200可以是其他類型的機器人基醫學系統。在一個實施方案中，輻射源是LINAC，例如LINAC 203。可替換地，輻射源可以是可安裝至機器人手臂的遠端的其他類型的輻射源。在一個實施方案中，LINAC 203是 χ-射線LINAC。可替換地，LINAC 203可以是本領域技術人員意識到的其他類型的LINAC。在示出的實施方案中，患者定位系統212耦合機器人手臂221的治療床206，機器人手臂221具有腕部組件222、肘部組件223、肩部組件224、軌道安裝組件225和軌道226。 機器人手臂221被構造為沿6個D0F、包括一個基本上線性DOF移動治療床。機器人手臂 221包括通過關節互連的多個剛性連接以沿5個旋轉DOF移動治療床206。機器人手臂221 安裝至軌道226，這促進治療床206沿基本上線性DOF運動。腕部組件222被構造為沿3個旋轉DOF(軸4-6)移動治療床206，並且肘部、肩部和軌道安裝組件223-225與軌道2 被構造為沿3個D0F、2個旋轉DOF和基本上線性DOF移動治療床206。肘部組件223耦合腕部組件222和肩部組件224。軌道安裝組件225耦合軌道2 和肩部組件214的肩關節。在示出的實施方案中，軌道安裝組件225和軌道2 促進LINAC 203沿基本上垂直線性軸平移運動。基本上垂直線性軸(ζ-)可基本上垂直於兩維水平面 (x-，y-)。在一個實施方案中，軌道可垂直取向例如垂直安裝至圓柱的垂直側。圓柱可在治療輻射治療的過程中固定或安裝至治療室的地板或地板下的坑中。在另一實施方案中，圓柱可在治療輻射治療的過程中固定或安裝至治療室的天花板。可替換地，軌道2 可垂直安裝至本領域技術人員已知的其他結構，例如牆壁、基座、塊體或基礎結構。儘管在圖1中治療床206耦合機器人手臂221，但是在其他實施方案中，可以使用其他患者定位系統以相對於機器人治療遞送系統200來定位和取向患者。例如，LINAC 203 可相對未耦合機器人手臂的治療床206定位，例如安裝至架臺、地板、AXUM 治療床(由 California，Sunnyvale的Accuray Inc.開發)或其他患者定位系統的治療床。在一個實施方案中，機器人手臂221耦合與控制機器人手臂202的控制器相同的控制器。控制器可用於協調LINAC 203和治療床206相對於彼此的運動。這可允許LINAC203在另外的位置相對於治療床來定位和取向，所述另外的位置可對於常規系統而言是之前障礙的。在另一實施方案中，機器人手臂202和221耦合單獨的控制器。在另一實施方案中，機器人治療遞送系統200包括χ-射線成像系統。χ-射線成像系統產生圖像數據，其表示靶的一個或多個實時或接近實時圖像。X-射線成像系統可包括一對診斷X-射線源207、和各X-射線成像源關聯的電源、一個或兩個成像檢測器208 (或相機)和控制器。χ-射線成像源207可以成角度分開安裝，例如約90度分開安裝，並且通過治療靶(例如患者內的腫瘤)瞄向檢測器208。可替換地，可以使用單一大型檢測器，其將由各χ-射線源照射。在單一檢測器成像系統中，兩個χ-射線源207可以以小於90度的角度分開定位，以使兩個圖像保持在單一檢測器表面上。檢測器208可放置在治療靶下，例如在地板上，在治療床206上，或在LINAC 203 下方，並且χ-射線成像源207可定位在治療靶上(例如治療室的天花板)，以使圖像的放大倍數、以及因此檢測器208的要求尺寸最小化。在可替換的實施方案中，χ-射線成像源207 和檢測器208的位置可反轉，例如χ-射線成像源207在治療靶下並且檢測器208在治療靶上。在另一實施方案中，檢測器208以這樣的方式布置，使得在LINAC203或治療床206的定位過程中或者在遞送來自LINAC 203的輻射束的過程中，它們移動到用於成像的位置中和從該途徑中移動出來。檢測器208可產生患者的圖像信息，並且將其發送至控制器。控制器進行所有的成像計算以確定相對於期望的治療位置的患者位置，並產生對於各種DOF的校正。校正可以自動施加至機器人治療遞送系統200，以自動對齊LINAC 203，和/或發送至控制器以使用治療床206和機器人手臂212相對於LINAC 203自動調節患者位置，和/或發送至用於用戶的用戶界面單元以使用機器人手臂202和221中的一個或兩個相對於LINAC 206手動調節患者位置。在另一實施方案中，機器人治療遞送系統200的校正運動可以使用控制器以這樣的方式動態協調治療床206和機器人手臂221的運動，該方式為使適用於系統的工作空間最小化。通過使用控制器動態協調治療床206和LINAC 203的運動，治療靶的可用數量增加，因為例如通過治療室內的檢測器208和/或χ-射線成像源207、機器人手臂或其他設備，LINAC 203和治療床206的取向和定位數量增加，這是無障礙的。在該實施方案中， LINAC 203的機器人實施的運動通過治療床206的校正運動補充，使得LINAC 203和治療床 206之間的相對運動確保在整個靶區內遞送期望的輻射圖案。治療床206在治療過程中支撐患者205，並且可定位在成像系統的兩個x_射線相機和它們相應的診斷X-射線源之間。在一個實施方案中，治療床206可由射線可透的材料製成，使得患者能夠通過治療床206成像。成像系統產生實時或接近實時的表示靶在治療坐標框架中的位置和取向的χ射線圖像。控制器可以包含治療計劃和遞送軟體，其可以響應預治療掃描數據CT (和/或MRI 數據、PET數據、超聲掃描數據、和/或螢光透視法成像數據)和用戶輸入，以產生包括期望的連續光束路徑的治療計劃，在每個固定的一組治療位置或節點處，每個光束路徑都具有相關的劑量率和持續時間。響應於控制器的方向，機器人手臂移動且取向LINAC 203連續地且有序地通過每個節點，而LINAC 203如控制器所指導的那樣遞送所需的劑量。預治療掃描數據可以包括例如CT掃描數據、MRI掃描數據、PET掃描數據、超聲掃描數據、和/或螢光透視法成像數據。在治療前，可調節在由成像系統建立的參考框內的患者位置和取向，以與患者在的提供用於計劃治療的圖像的CT (或者MRI或者PET或者螢光透視法)掃描器的參考框內的位置和取向匹配。在一個示例性實施方案中，這種對齊可以在所有DOF的上達到幾十毫米和幾十度內。控制器還可以通信診斷或治療計劃系統，從而接收表示患者內治療靶的一個或多個預治療掃描的預治療掃描數據。預治療掃描可顯示出靶相對於預治療坐標系的位置和取向。控制器還可以從成像系統(χ-射線源207和檢測器208)接收表示靶的實時或接近實時圖像的圖像數據。圖像數據可含有關於靶靶相對於治療坐標系的實時或接近實時的位置和取向的信息。治療坐標系和預治療坐標系通過已知的變換參數而相關聯。控制器可以包括輸入模塊，用於接收1)表示靶的預治療掃描的預治療掃描數據， 以及2)表示靶的實時或者接近實時的圖像的實時或接近實時圖像數據。預治療掃描顯示出靶相對於預治療坐標系的位置和取向。在控制器的命令下由成像系統採集的接近實時圖像顯示出治療靶相對於治療坐標系的位置和取向。治療坐標系和預治療坐標系通過已知的變換參數而相關聯。控制器包括TLS (靶位置系統)處理單元，該處理單元使用預治療掃描數據、實時或接近實時圖像數據、以及預治療坐標系和治療坐標系之間的變換參數來計算治療靶在治療坐標系中的位置和取向。控制器的所述處理單元還可以計算LINAC 203的等角點的位置和取向。運動追蹤系統210可用於檢測LINAC 203和/或治療床206的位置。運動追蹤系統210可以是機器人治療遞送系統200的一部分或和機器人治療遞送系統200分離。控制器可操作地耦合運動追蹤系統210，以基於從從運動追蹤系統接收的數據來計算LINAC 203相對於治療室或其他預定的治療坐標系的位置和取向。控制器可獨立地檢查針對周圍障礙的模型的LINAC的位置和取向，以確保在機器人治療遞送系統200的運動過程中LINAC 203不和障礙碰撞。控制器還可操作以按這樣的方式控制機器人治療遞送系統200的運動， 該方式為在整個治療方案中患者解剖內的治療靶相對於LINAC203是治療光束源保持合適地對齊。控制器還可用於操作治療床206的定位。運動追蹤系統210可以是設置在治療室內以用於檢測相對於治療室或其他治療坐標系的LINAC 203的位置的雷射掃描系統或光學追蹤系統。示例性雷射掃描系統可以以接近60x/秒掃描治療室，以確定LINAC 203的位置。雷射掃描系統可以包括執行單平面掃描、或者兩平面掃描或者多平面掃描的裝置。相應地，控制器可以裝載適於接收來自運動追蹤系統210的信息並計算LIN AC 203以及治療床或治療室中的其他設備的位置的軟體，使得包括控制器的機器人治療遞送系統200總知道LINAC 203的位置。控制器可以被編程以自動或者周期性地將LINAC 203和治療床校準。在可替換的實施方案中，運動追蹤系統210包括用於跟蹤LINAC 203相對於治療坐標系的位置的磁性追蹤系統。磁性追蹤系統優選地包括與LINAC 203附接的至少一個變換器。可替換地，可以使用本領域技術人員意識到的其他傳感器系統，例如附接LINAC 203 的用於傳感LINAC 203的運動的慣性傳感器，分解器基傳感器系統，紅外三角系統，光學編碼器等。應該注意，運動追蹤系統210可用於追蹤機器人手臂202、LINAC 203、機器人手臂 221、治療床206、患者205、或治療室內的其他對象。運動追蹤系統210還可用於追蹤患者205內的靶。通過比較治療靶與LINAC 203的等角點的位置，控制器可以適於檢測由患者的移動造成的治療靶與LINAC 203的等角點的未對齊，並且產生運動命令信號用於實施機器人治療遞送系統200的校正運動，從而使治療靶相對於輻射治療源(例如LINAC 203)對齊。在另一實施方案中，機器人治療遞送系統200的校正運動可以適應多種運動，例如呼吸運動；患者心臟的強心泵運動；打噴嚏、咳嗽或打嗝；以及患者的一個或多個身體部位的肌肉移動。在另一實施方案中，通過比較預治療圖像與實時或接近實時圖像並通過利用機器人手臂202和/或患者(使用治療床)來重新定位LINAC 203，或者通過調節LINAC 203和治療床的位置以與治療計劃對應，包括控制器的機器人治療遞送系統200可以適於檢測和適應可由組織變形引起的腫瘤幾何形狀的改變。控制器包括用於建立和維護與LINAC 203的可靠通信界面的軟體。該軟體使用為 LINAC 203開發的界面說明。控制器進一步包括用於將患者位置和取向信息從成像系統轉換成在LINAC 203的移動能力的DOF內的適當的移動單元的軟體。控制器可以包括用於向治療遞送系統用戶控制臺提供用戶界面單元的軟體，以監測和啟動機器人治療遞送系統 200的運動從而定位患者。控制器200還可以包括用於檢測、報告和處理通信中或者LINAC 203的軟體控制中的錯誤的軟體。控制器可以包括至少一個用戶界面單元以用於能夠使用戶通過實施一個或多個用戶可選擇功能來相互控制機器人治療遞送系統200的運動或校正運動。用戶界面單元可以是手持用戶界面單元或者遠程控制單元。可替換地，用戶界面單元可以是顯示器上的圖形用戶界面(GUI)。控制器和機器人治療遞送系統200的其他組件(例如機器人手臂202、LINAC 203、 運動追蹤系統210、用戶界面、治療床206和成像系統)之間的通信鏈路可以是具有維持可靠和實時通信所必須的帶寬的有線鏈路或者無線鏈路。應該注意，上述實施方案中的附加關節在耦合到腕部組件211和肘部組件213之間的冗餘關節組件中實施，然而，在其他實施方案中，冗餘關節可以在其他構造中實施。在一個實施方案中，機器人手臂包括耦合LINAC 203的腕部組件、耦合腕部組件的手臂組件。 手臂組件可包括一個或多個冗餘關節。一個或多個冗餘關節可聯合一個或多個冗餘關節組件實施，或者實施為手臂組件的其他組件的附加關節。例如，圖1的示出的實施方案描述了腕部組件211和肘部組件213之間的附加關節。在其他實施方案中，附加關節可設置在冗餘關節組件中，所述冗餘關節組件耦合在下列中的任意兩者之間肘部組件213、第一肩部組件214、第二肩部組件215和安裝組件216。在其他實施方案中，附加關節可實施為下列任一種的關節的附加關節肘部組件213、第一肩部組件214和第二肩部組件215。例如，第一和第二肩部組件(聯合安裝組件216可統稱為基礎組件)包括第一和第二肩關節。附加關節可增加在第一和第二軸的位置處(Al和A2)(例如在包括第一和第二肩關節的基礎組件處)。通過在第一和第二肩關節的位置處增加附加關節，手臂組件能夠定位關節，使得相對於常規機器人手臂，能夠產生更大的移動範圍，而不會使患者或治療床處於和機器人手臂或LINAC 203碰撞的風險中。此外，通過在第一和第二肩關節的位置處增加附加關節，手臂組件能夠例如朝向地板旋轉機器人手臂的主體，如圖2中所示。圖2示出具有冗餘關節的機器人治療遞送系統250的另一實施方案。機器人治療遞送系統250包括耦合機器人手臂252的LINAC 203。機器人手臂252包括腕部組件212、 肘部組件213、第一肩部組件214、第二肩部組件215和安裝組件216，如上面參照圖1所述。 不是具有冗餘-關節組件211，機器人手臂252包括在第一和第二肩部組件的位置處的附加關節253。應該注意，機器人手臂202使用第一和第二肩關節以沿著基礎組件的第一和第二旋轉軸(Al和似)移動機器人手臂202，和使用肘部和冗餘關節以沿著第三和第四旋轉軸 (A3和A4)移動機器人手臂202。機器人手臂202的手臂組件包括基礎組件(包括第一和第二肩關節)、通過附加關節互連的3個剛性連接、和肘關節。相反，機器人手臂252使用第一和第二肩關節與附加關節253以沿著基礎組件的第一、第二和第三旋轉軸(A1、A2和A3) 移動機器人手臂252，並且使用肘關節以沿著第四旋轉軸(A4)移動機器人手臂252。機器人手臂252的手臂組件包括基礎組件(包括第一和第二肩關節)、和附加關節253、與通過肘關節互連的兩個剛性連接。如上所述，通過在基礎組件處增加附加關節253，可以例如朝向地板旋轉機器人手臂252的主體。在示出的實施方案中，機器人手臂250從第一位置251(由虛線所示)旋轉至第二位置253(由實線所示)。這兩個位置251和252可用於使LINAC 203定位至高位以治療更低等角點，和定位至地位以治療更高等角點。例如，圖2中的治療床206被示出為設置在高位。這樣，等角點可以是更高等角點。為了使LINAC 203定位在更高等角點下方的某些位置處，機器人手臂252可圍繞附加關節253旋轉以使LINAC 203定位在更高等角點下方，例如在第二位置253。然而當治療床206移動至低位時，機器人手臂252可圍繞附加關節253 旋轉以使LINAC 203定位在低等角點之上，例如在第一位置251。儘管上述實施方案描述為相對於治療床206 (耦合機器人手臂221)移動LINAC 203和機器人手臂202，但是在其他實施方案中，LINAC 203和機器人手臂202可相對於常規治療床106(耦合常規機器人手臂，例如機器人手臂102)或未耦合常規機器人手臂的常規治療床移動。圖1和2的實施方案示出機器人手臂，其水平安裝至安裝組件以及地板。在其他實施方案中，包括一個或多個附加關節的機器人手臂可垂直安裝，例如如圖3A和;3B中所示。圖3A和;3B示出機器人治療遞送系統300的一個實施方案，其包括在沿著第一軸的兩個位置321和323具有7個自由度的垂直安裝的機器人手臂。機器人治療遞送系統300 包括耦合機器人手臂302的LINAC 203。機器人手臂302，如同機器人手臂202和252，包括腕部組件212和手臂組件。如上所述，腕部組件212被構造為沿3個旋轉DOF(軸5_7)移動LINAC 203。圖3A的手臂組件的所示實施方案包括肘部組件313、冗餘關節組件311、肩部組件314、軌道安裝組件316和軌道317。肘部組件313耦合腕部組件212的工具滾動關節。肘部組件313可包括3個驅動軸和3個電機，如上面相對冗餘關節組件211所述。冗餘關節組件311通過肘關節耦合肘部組件313和通過冗餘關節耦合肩部組件314。肩部組件314通過肩關節耦合軌道安裝組件316。肘關節、冗餘關節和肩關節可包括齒輪箱，其可被構造為分別沿第四旋轉軸(軸4)驅動肘部組件313的旋轉運動，沿第三旋轉軸(軸3)驅動冗餘關節組件311的旋轉運動，沿第二旋轉軸(軸幻驅動肩部組件314的旋轉運動。肘關節、冗餘關節和肩關節的齒輪箱可促進LINAC 203在二維水平面內的平移運動，例如，在平行於地板的(x_，y_)面內。軌道安裝組件316和軌道317促進LINAC 203沿基本上垂直線性軸(軸1)平移運動。基本上垂直線性軸(ζ-)可基本上垂直於二維水平面(x-，y_)。
在該實施方案中，軌道317安裝至圓柱318的垂直側。圓柱318可在治療輻射治療的過程中固定或安裝至治療室的地板或地板下的坑中。在另一實施方案中，圓柱318可在治療輻射治療的過程中固定或安裝至治療室的天花板。可替換地，軌道317可垂直安裝至本領域技術人員已知的其他結構，例如牆壁、基座、塊體或基礎結構。控制器201耦合機器人手臂302以沿7個DOF移動機器人手臂302和LINAC 203。 被控制器201控制的機器人手臂302使用6個旋轉DOF和一個平移基本上垂直線性DOF來促進LINAC 203的定位和取向。如同機器人手臂202，機器人治療遞送系統200的機器人手臂302的6個旋轉和一個基本上水平線性DOF可以在期望治療區域的基本上任何位置(例如機器人手臂302的運動的機械範圍內的工作空間)定位LINAC 203。機器人手臂302可定位LINAC 203以在工作空間或治療區域內的多個位置中具有TCP。在一個實施方案中，機器人手臂302被構造為沿著單一軸移動LINAC203，而無需在LINAC 203的運動的整個範圍內沿著其他軸移動LINAC 203。例如，第一 DOF被構造為在機器人手臂的運動的基本上整個範圍內沿著基本上線性軸移動LINAC 203，而無需沿著4、 5或6個旋轉DOF移動LINAC203。第一 DOF是最接近機器人手臂的基端的D0F。基端是機器人手臂302安裝至圓柱318處。可替換地，基端是機器人手臂302安裝至地板、天花板、 牆壁或治療室中的其他安裝位置處。LINAC 203在機器人手臂302的末端執行器端部(也稱為機器人手臂302的使用端)耦合機器人手臂202。在一個實施方案中，控制器201被構造為沿著第一 DOF的第一軸331移動機器人手臂302。第一 DOF被構造為移動機器人手臂302的其餘6個旋轉D0F。控制器沿著軸331 上下移動機器人手臂302至不同位置。例如，機器人手臂302可定位在第一位置321，如圖 3A中所述，並且可定位在第二位置323，如圖;3B中所述。如圖3A和中所述，機器人手臂 302可被構造為沿著基本上垂直線性軸(例如軸331)在LINAC 203的運動的基本上整個範圍內移動LINAC 203以及機器人手臂302，而無需沿著6個旋轉DOF移動LINAC 203。在另一實施方案中，機器人手臂302具有水平的基本上線性D0F。在另一實施方案中，機器人手臂302具有4個旋轉DOF和一個基本上線性D0F，並且第一 DOF是基本上線性 D0F,其被構造為移動機器人手臂的其餘4個旋轉D0F。在該實施方案中，控制器可在LINAC 203的運動的基本上整個範圍內沿著基本上線性軸(例如軸331或水平第一軸)移動LIN AC，而無需沿著4個旋轉DOF移動LINAC 203。在第一 DOF是水平的實施方案中，控制器被構造為在互相正交的水平坐標軸(例如χ-和y_軸)沿著基本上水平線移動LINAC 203，所述水平坐標軸基本上垂直於垂直軸(例如ζ-軸)。在第一 DOF是垂直的實施方案中，控制器被構造為在垂直軸(例如ζ-軸)沿著基本上垂直線移動LINAC 203，所述垂直軸基本上垂直於互相正交的水平坐標軸(例如χ-和y_軸)。圖3C示出機器人治療遞送系統350的另一實施方案，其包括水平安裝在線性軌道 353上用於第七自由度的具有6個自由度的機器人手臂。應該注意，儘管線性軌道353描述為第七D0F，但是線性軌道353也可稱為第一 D0F，因為第一 DOF是典型地最接近機器人手臂352的基端的D0F。線性軌道353允許整個機器人手臂352在治療室中從一個位置移動到另一位置，從而在機器人手臂352的6個DOF中提供第七D0F。機器人治療遞送系統350 包括具有6個自由度的水平安裝的機器人手臂352、和耦合機器人手臂352的LINAC203。機器人手臂352水平安裝至具有例如導軌354的線性軌道353，所述導軌3M允許機器人手臂352沿著線性軸平移。機器人手臂352可耦合軌道安裝組件，所述軌道安裝組件嚙合導軌354以允許機器人手臂352沿著軌道353移動。可替換地，可使用其他類型的機構以允許機器人手臂352沿著軌道353移動，如本領域技術人員意識到的。在另一實施方案中，軌道353是非線性軌道。控制器(未示出)被構造為沿機器人手臂352的7個D0F、包括一個平移DOF (例如基本上水平)和6個旋轉DOF移動機器人手臂352和LINAC 203。控制器可沿著單一軸(或非線性路徑)移動機器人手臂352，而無需在LINAC 203的運動的整個範圍內移動機器人手臂352的其他D0F。實際上，第七DOF允許整個參考框移位。儘管上述實施方案是安裝至地板的水平安裝的6個DOF機器人手臂352，但是其他構造是可能的。例如，線性軌道353可安裝至天花板或地板的坑中。此外，在其他實施方案中，軌道可垂直安裝至圓柱、牆壁等。在其他實施方案中，機器人手臂352包括本文中所述的冗餘自由度。在一個實施方案中，機器人手臂352包括6個自由度(6個中的一個是冗餘 D0F)，並且第七DOF是軌道。在另一實施方案中，機器人手臂352包括7個DOF (7個中的一個是冗餘D0F)，並且第八DOF是軌道。可替換地，機器人手臂352可包括多於一個冗餘D0F。僅使用6個DOF機器人手臂，並表示機器人手臂的操作環境的工作空間可以圍繞患者是非對稱的，這是因為幹擾和可達性問題。例如，如果機器人手臂設置在患者的一側上，LINAC不可以定位在某些位置，因為其將被患者、治療床或房間內的其他對象所阻礙。線性軌道353可能夠使機器人手臂353定位在治療床的兩側上，從而產生對稱的工作空間。線性軌道353還可能夠產生擴大的工作空間，從而允許LINAC 203定位在之前由於鄰近患者而被阻礙或避免的更多位置。線性軌道353還可通過移動機器人手臂353更接近或進一步遠離患者來擴大工作空間。這可類似於某人疲倦地舉起重物，其中該人的手臂延伸出或太接近該人的身體。如果太近，該人可以更遠一步，並且如果太遠，該人可更近對象一步。由於在空間中獨特地定位LINAC203可使用6個DOF完成，因此由第七DOF(例如軌道)提供的撓性可用於使機器人手臂352定位，以對於LINAC 203的給定位置，避免障礙或治療室中的其他幹擾物。第七DOF還可賦予機器人手臂352更期望的位置，例如，以避免到達患者上方或穿過患者。第七DOF還可基於機器人手臂352的位置來優化運行時間。例如，機器人手臂352可沿著線性DOF移動，而不會移動其他D0F。應該注意，所有這些能力可同時進行， 但在一個實施方案中，控制器可根據優先權例如次序表來經歷這些能力的列表。治療遞送系統300和350可聯合成像系統、運動追蹤系統和患者定位系統使用，如參照圖1所述。在一個實施方案中，機器人手臂202或機器人手臂302的組件可以包括在組件外部的觸感材料。在另一個實施方案中，組件外部可以塗覆接觸泡沫。可替換地，可以使用其他材料來防止機器人手臂202或302的組件擠壓或者撞擊操作者。關於本領域技術人員已知的觸感材料和接觸泡沫的具體細節沒有包含在內，以免幹擾對於用材料塗覆機器人手臂 202和302的外部來防止操作者被機器人手臂擠壓或撞擊的討論。在一個實施方案中，圖1、2、3A和;3B的機器人手臂可包括由Germany的KUKA Roboter GmbH製造的組件。可替換地，機器人手臂的組件可包括其他類型的組件。圖4A示出在相對於治療床206的第一位置401的常規機器人治療遞送系統400 的頂部側視圖。常規機器人治療遞送系統400包括耦合機器人手臂102的LINAC 103。機器人手臂102具有通過單一肘關節互連的兩個剛性連接。LINAC 103已經被相對於治療床206定位至第一位置401。在第一位置401，在治療床206與LINAC 103和機器人手臂102 之間存在距離邊緣410。圖4B示出根據一個實施方案在相對於治療床206的第一位置401的機器人治療系統450的頂部側視圖。機器人治療遞送系統450包括耦合機器人手臂402的LINAC 203。 機器人手臂402，不同於機器人手臂102，具有通過兩個關節-肘關節和冗餘關節互連的3 個剛性連接。機器人手102在圖4D中被示出(虛線)以用於比較的目的。LINAC 203已經被相對於治療床206定位至相同第一位置401。在第一位置，在治療床206與LINAC 103和機器人手臂402之間存在距離邊緣420。機器人治療遞送系統450 的距離邊緣420大於常規機器人治療遞送系統400的距離邊緣410。包括冗餘關節的機器人手臂402可定位LINAC 203以增加機器人手臂和治療室中的其他障礙之間的距離邊緣。 不僅距離邊緣420大於距離邊緣410，而且機器人手臂402可定位LINAC 203通過第一路徑至第一位置401，其在障礙(治療床206)和機器人手臂402之間的距離邊緣高於至相同位置401的第二路徑，例如由機器人手臂102採納以定位LINAC 103的路徑。機器人手臂402可定位LINAC 203以在工作空間或者治療區域內的多個位置具有TCP或治療靶。然而，工作空間或者治療區域可以通過定位限制來限制，例如由於LINAC 203、治療床206或者它們相應的具有系統的組件的(LINAC 203、治療床206、成像源207、 檢測器208)的機器人手臂和/或機器人手臂202和302或具有上面提到的這些組件的任意組件的LINAC203的輻射束的障礙中任意之間可能的碰撞而造成的障礙。例如，χ-射線成像源207可以防止LINAC 203被定位在χ-射線成像源207安裝的位置，因為將其定位在這裡將導致可能的碰撞(例如碰撞障礙物)。同樣，由於檢測器208 (例如碰撞障礙物)的布置，LINAC 203不可定位在治療床206下面。定位限制的另一個例子是由於其他組件，例如，檢測器208和/或χ-射線成像源207 (例如光束障礙物)，來自LINAC 203的輻射束的障礙。另一個障礙可由地面引起。使用具有至少一個冗餘關節的機器人手臂，可以克服這些定位限制。通過克服定位限制，工作空間可增加，因為用於定位LINAC 203的更多節點可變得可得，如參照圖5所述。除了增加工作空間中的可利用的節點，具有至少一個冗餘關節的機器人手臂可增加工作空間中已經存在的節點的可得路徑的數量。此外，在LINAC 203 定位到位後，可以移動機器人手臂的一個或多個連接。例如，一個或多個連接可移動以增加機器人手臂和治療室中的障礙(例如治療床206)之間的距離邊緣。另外，使用具有一個或多個冗餘關節的一個或多個連接，機器人手臂可在限定體積內操縱醫學工具，而不會碰撞限定體積外部的障礙。圖4C示出在相對於治療床206的第二位置402的圖4Α的常規機器人治療遞送系統400的頂部側視圖。如果機器人手臂102使LINAC 203定位至第二位置402，將在機器人手臂102和治療床206之間產生碰撞430。這樣，第二位置402是阻礙的位置，並且在工作空間中不可作為可能的節點。圖4D示出根據一個實施方案在相對於治療床206的第二位置402的圖4Β的機器人治療遞送系統450的頂部側視圖。不同於機器人手臂102，機器人手臂402可使LINAC 203定位在第二位置402，該位置被認為是由定位限制引起的之前阻礙的位置，而不會有機器人手臂402和治療床206之間的碰撞。機器人手臂102在圖4D中被示出(虛線)以用於比較的目的。
在另一實施方案中，機器人手臂402和機器人手臂221的運動可動態協調。治療床206和LINAC 203之間的運動的動態協調可增加機器人手臂的運動的機械範圍內治療靶的數量，可在由機器人手臂402的運動的機械範圍內定位限制、或機器人手臂221的運動的機械範圍內定位限制引起的之前阻礙的位置產生治療靶。在一個實施方案中，之前阻礙的位置可由可能的碰撞的阻礙引起，例如，下列中的任意兩種之間的碰撞=LINAC 203、治療床 206、機器人手臂202、機器人手臂221、x-射線成像源207、檢測器208和/或系統的其他組件。可替換地，之前阻礙的位置可由具有下列中任一種的LINAC 203的輻射束的限制引起 機器人手臂202、機器人手臂221、χ-射線成像源207、檢測器208和/或系統的其他組件。 在另一實施方案中，防-碰撞模型可以嵌在控制器內，以保證患者不被定位在可能造成包括患者身體的治療床206和系統400的其他移動部件之間可能的碰撞的取向和/或位置。使用機器人手臂402，LINAC 203可相對於治療床206定位在對稱的位置。相對於治療床206使LINAC 203定位在對稱的位置的能力可導致用於在治療遞送前計算的路徑計劃和避免接觸計劃的簡化的路徑，例如在治療計劃的過程中由治療計劃系統計算。相對於治療床206使LINAC 203定位在對稱的位置的能力可增加工作空間，在該工作空間內LINAC 203可定位以導向輻射至靶。接近以導向輻射至患者的各種位置內的靶可增加，因為工作空間中節點的數量增加。例如，治療床206的一側上的節點也可鏡射到治療床206的另一側上。總的可用表面區域可以表示位置或節點，LINAC 203可以定位在這些位置或節點中，以發射輻射至患者的治療靶。機器人治療遞送系統450的總的可用表面區域，不同於機器人治療遞送系統400的總的可用表面區域，不受上述定位限制的限制。使用機器人手臂 402，定位限制可減少或消除。可替換地，使用機器人手臂202或302，定位限制可減少或消除。應該注意，機器人治療遞送系統400的不可到達的區域不能僅通過安裝機器人手臂102在治療床206的相對側上來解決，因為由於治療床206和機器人手臂102的障礙，相對側然後將具有不可到達的區域。換句話說，因為引起機器人治療遞送系統400的不可到達的區域的障礙，僅將機器人基放射學系統安裝在另一側上不會克服定位限制。圖5是示出根據一個實施方案機器人治療遞送系統200或300的工作空間511 的透視圖。如上所述，空間節點和互連這些空間節點的關聯安全路徑的集合稱為"工作空間"或"節點組"。工作空間表示機器人手臂的操作環境。工作空間511包括一組空間節點511，其位於工作空間511的表面上，輻射源定位於此。各空間節點511由"+"符號(僅標記出一對形式的)表示。空間節點511表示可定位常規治療遞送系統的空間節點。如上所述，工作空間或節點組是空間節點和互連這些空間節點的關聯安全路徑的集合。然而，不同於常規系統的工作空間，工作空間511和空間節點的數量可使用治療遞送系統200或300 來增加。這樣，工作空間511還包括一組另外或增加的空間節點512，示出為虛線〃 +〃。工作空間511的空間節點511和增加的空間節點512的總數大於常規系統的工作空間的空間節點511的總數。通過使用機器人手臂202或302移動LINAC 203，LINAC 203可接近圍繞治療床 206的某些區段(例如空間節點)，所述治療床206在常規系統中之前被阻擋或不可到達。 例如，常規機器人手臂不能圍繞治療床106定位LINAC 103，以使LINAC 103定位在某些位置。然而，這些阻擋的位置對於本文中所述的治療遞送系統200和300是不阻擋的和可到達的。對於這些某些區段(在常規系統中之前被治療床阻擋或不可到達)具有更大的可接近性，這增大了工作空間511 (例如空間節點，在此處LINAC 203可遞送輻射至靶)。而且， 可接近另外的空間節點，因為常規機器人手臂和患者之間的距離邊緣其通過常規機器人手臂無法接近。應該注意，儘管工作空間511是球形的，但是可替換地，工作空間511可具有其他幾何形狀(例如橢圓形)，並且限定用於存在於患者頭部或者患者的其他區域內的V0I。另外，多個工作空間可限定用於患者的不同部分，其均具有不同的半徑或源軸距(SAD)，例如 650mm和800mm。SAD是LINAC203中的準直儀和VOI內的靶之間的距離。SAD限定了工作空間的表面區域。在橢圓形工作空間的一個實施方案中，SAD可以為900mm至1000mm。可以使用其他SAD。空間節點511和增加的空間節點512存在於工作空間511的表面上。空間節點表示LINAC 203被編程以停止和遞送輻射劑量至患者內的VOI的位置。在治療計劃的遞送過程中，機器人手臂202移動LINAC 203至各個和每個空間節點112和412，其中確定待遞送的劑量，然後確定預定的路徑。預定的路徑還可包括一些其中不需要遞送劑量的空間節點 511和512，以簡化機器人手臂202或302的運動。節點組可包括基本上均勻地分布在工作空間511的幾何表面上的空間節點。節點組包括所有編程的空間節點511和412，並且提供可工作數量的空間節點511和512，以有效地計算用於大部分疾病和相關VOI的治療計劃方案。節點組提供適當大數量的空間節點 511和512，使得對於大部分不同VOI可以實現均勻性和適形性閾值，同時提供足夠的優點以避免患者內的關鍵結構。使用本文所述的實施方案，空間節點的數量大於常規系統中空間節點的數量。應該意識到，節點組可包括比所述或所討論更多或更少的空間節點511和 512。例如，處理能力增加，並且獲得的產生治療計劃的經驗，空間節點511和512的平均數量可隨著時間而增加以提供更大的靈活性和更高質量的治療計劃。在輻射治療的過程中，患者休息在治療床206上，同時被操縱以定位含有靶的目標體積(「V0I")至預設的位置或接近LINAC 203的輻射源的操作範圍內。機器人手臂 202或302具有7個D0F，其能夠在其操作環境內在具有幾乎無限數量的位置和取向的情況下定位LINAC 203。如上所述，本文所述的實施方案已經被示出和描述為耦合LINAC的機器人手臂， 然而在其他實施方案中，可以使用其他機器人操縱器和/或其他醫學工具。例如，醫學工具可以是成像器的成像源、手術工具、移植工具、治療床。在治療床的情況下，機器人手臂可定位治療床如上述LINAC，以增加機器人手臂和治療室中的其他障礙之間的距離邊緣，以增加可利用的工作空間等。本文所述的實施方案可允許LINAC 203定位在各個位置以引導一個或多個輻射束朝向治療床上的患者。例如，LINAC 203可定位至第一位置以引導輻射至躺在治療床上的患者頭部內的靶。可替換地，LINAC 203可定位至第二位置以引導輻射至用於臀部治療的患者內的靶。在臀部治療的過程中，在患者躺在治療床上的背臥位。LINAC 203可定位以指向患者並遞送來自後面方向的治療束。通過移動位置和/或相同位置的取向，LINAC 203 還可移動至不同位置或在相同位置的不同取向。例如，機器人手臂可定位和取向LINAC 203在患者上，這使用基本上垂直線性DOF (例如軌道226)和傳統DOF (例如冗餘-關節、肘部和肩部組件)以提供垂直到達，同時腕部組件212提供相對於臀部治療(例如使用腕部組件212的工具偏移關節，圍繞俯仰-軸旋轉LINAC 203)中的靶的LINAC 203的取向。可替換地，LINAC 203可使用機器人手臂202的其他運動相對於臀部治療中的靶而定位和取向。 可替換地，在位置觀3的LINAC 203被構造為引導輻射至其他類型的治療中的靶。圖6示出使用機器人操縱器來定位醫學工具的方法600的一個實施方案。方法600 包括提供耦合機器人操縱器的醫學工具(例如LINAC 203)，所述機器人操縱器具有7或更多個D0F，操作601，以及使用機器人操縱器操作602沿著7或更多個DOF移動醫學工具。沿著7或更多個DOF移動醫學工具包括沿用於使醫學工具沿著互相正交的X-、 y-和ζ-坐標軸平移運動的4個旋轉軸、和沿用於使醫學工具分別圍繞χ-、y-和ζ-軸滾動_、俯仰-和偏移-旋轉的3個旋轉軸移動醫學工具。在一個實施方案中，醫學工具可通過使用4個旋轉軸移動醫學工具、並且使用3個旋轉軸在固定位置取向來定位至固定位置。 醫學工具還可以沿著基本上線性DOF移動。另外，基本上線性DOF可代替上述旋轉DOF中的一種。在一些實施方案中，醫學工具沿著基本上垂直線性DOF移動，所述基本上垂直線性 DOF具有用於使醫學工具沿著ζ-軸(基本上垂直於水平坐標χ-和y_軸)中的基本上垂直線平移運動的基本上線性軸。在另一實施方案中，醫學工具沿著基本上水平線性DOF移動， 所述基本上水平線性DOF具有用於使醫學工具在互相正交的水平坐標χ-和y_軸(基本上垂直於ζ-軸)沿著水平線平移運動的基本上線性軸。醫學工具可沿著基本上線性軸在醫學工具的運動的基本上整個範圍內運動，而無需沿6個(對於7個D0F)或7個(對於8個 D0F)旋轉DOF移動醫學工具。在另一實施方案中，醫學工具可以使用機器人操縱器的工具偏移關節、工具俯仰關節和工具滾動關節圍繞ζ-軸、y_軸和ι-軸旋轉。醫學工具也可以分別使用機器人操縱器的冗餘關節、肘關節和第一肩關節圍繞第一、第二和第三旋轉軸旋轉。醫學工具可使用第二肩關節圍繞第四旋轉軸旋轉，或者使用軌道和用於第七DOF的軌道安裝組件圍繞基本上線性軸平移。在另一實施方案中，醫學工具可使用機器人操縱器定位至固定位置並保持在該固定位置，同時移動機器人操縱器。醫學工具可定位在限定體積內，而不會和限定體積外部的對象碰撞。所述方法還可包括定位醫學工具至之前阻礙的位置，該位置由機器人操縱器和醫學工具的運動的機械範圍內的位置限制引起。在另一實施方案中，醫學工具從第一位置通過第一路徑定位至第二位置，而不是通過由障礙引起的阻礙的路徑定位至相同第二位置。 在另一實施方案中，醫學工具從第一位置通過第一路徑定位至第二位置，第一路徑在障礙與機器人操縱器和醫學工具之間的距離邊緣高於至相同第二位置的第二路徑。圖7示出使醫學工具保持在固定位置的方法的其他實施方案。所述方法包括使用機器人操縱器操作701使醫學工具定位至固定位置；以及使醫學工具保持在該固定位置， 同時移動機器人操縱器操作702。在一個實施方案中，機器人操縱器包括通過關節互連的多個剛性連接。儘管醫學工具保持在固定位置，但是可以移動機器人操縱器的一個或多個剛性連接。醫學工具可定位在限定體積內，而不會和限定體積外部的對象碰撞。在另一實施方案中，所述方法包括提供具有成像觀察區的成像系統；以及對於所有支撐的治療位置使LINAC 203保持在基本上成像觀察區的外部。在一個實施方案中，移動LINAC 203和治療床206可包括使用控制器動態協調 LINAC 203和治療床206的取向和位置。在另一實施方案中，移動LINAC 203和治療床206 包括使LINAC 203的輻射源對齊設置在治療床206上的患者內的治療靶。在另一實施方案中，移動LINAC 203和治療床206還包括定位LINAC 203和治療床206以在機器人手臂202 和LINAC 203的運動的機械範圍內的之前阻礙的位置中產生治療靶。圖8示出治療系統800的一個實施方案的流程圖，其可用於進行輻射治療，其中可實施本發明的實施方案。所示的治療系統800包括診斷成像系統810、治療計劃系統830和治療遞送系統850。在其他實施方案中，治療系統800可包括更少或更多的組件系統。診斷成像系統810表示能夠在患者內產生目標體積(VOI)的醫學診斷圖像的任何系統，該圖像可用於隨後的醫學診斷、治療計劃和/或治療遞送。例如，診斷成像系統810可以是計算機斷層照相(CT)系統、單光子發射計算機斷層照相(SPECT)系統、核磁成像(MRI) 系統、正電子發射斷層照相(PET)系統、近紅外螢光成像系統、超聲系統、或其他類似的成像系統。為了便於討論，本文中任何特定涉及具體成像系統，例如CT、x-射線成像系統(或另一特定系統)的情況通常都表示診斷成像系統810，並且不排除其他成像形式，除非另有說明。示出的診斷成像系統810包括成像源812、成像檢測器814和處理裝置816。成像源812、成像檢測器814和處理裝置816通過通信通道818例如總線彼此耦合。在一個實施方案中，成像源812產生成像束(例如χ-射線、超聲波、射頻波等)，並且成像檢測器814檢測和接收所述成像束。可替換地，成像檢測器814可檢測和接收次級成像束或由來自成像源(例如MRI或PET掃描中)的成像束刺激的發射。在一個實施方案中，診斷成像系統810 可包括兩個或多個診斷成像源812和兩個或多個對應的成像檢測器814。例如，兩個χ-射線源812可圍繞待成像的患者設置，以彼此分開的角度(例如90度、45度等)固定，並且瞄準通過患者朝向相應的成像檢測器814，這可直徑地相對於成像源814。單一大型成像檢測器814或多個成像檢測器814也可被各χ-射線成像源814照射。可替換地，可以使用成像源812和成像檢測器814的其他數量和構造。成像源812和成像檢測器814耦合處理裝置816以控制診斷成像系統810內的成像操作和處理圖像數據。在一個實施方案中，處理裝置816可通信成像源812和成像檢測器 814。處理裝置816的實施方案可包括一個或多個通用處理器(例如微處理器)、專用處理器例如數位訊號處理器(DSP)、或其他類型的裝置例如控制器或場可編程門陣列(FPGA)。 處理裝置816還可包括其他組件(未示出)，例如內存、存儲裝置、網絡適配器等。在一個實施方案中，處理裝置816產生標準格式例如數字成像和通信醫學(DICOM)格式的數字診斷圖像。在其他實施方案中，處理裝置816可產生其他標準或非標準數字圖像格式。另外，處理裝置816可通過數據鏈路860傳遞診斷圖像文件例如DICOM文件至治療計劃系統830。在一個實施方案中，數據鏈路860可以是直接鏈路、區域網路(LAN)鏈路、 廣域網絡(WAN)鏈路例如網際網路、或其他類型的數據鏈路。另外，在診斷成像系統810和治療計劃系統830之間傳遞的信息可以拉過來或推出去數據鏈路860，例如遠程診斷或治療計劃構造。例如，用戶可使用本發明的實施方案來遠程診斷或計劃治療，儘管在系統用戶和患者之間存在物理分離。
示出的治療計劃系統830包括處理裝置832、系統內存裝置834、電子數據存儲裝置836、顯示器裝置838和輸入裝置840。處理裝置832、系統內存834、存儲器836、顯示器 838和輸入裝置840可通過一個或多個通信通道842例如總線耦合在一起。處理裝置832接收和處理圖像數據。處理裝置832還處理治療計劃系統830內的指令和操作。在某些實施方案中，處理裝置832可包括一個或多個通用處理器(例如微處理器)、專用處理器例如數位訊號處理器(DSP)、或其他類型的裝置例如控制器或場可編程門陣列(FPGA)。特別地，處理裝置832可被構造為執行指令以進行本文中討論的治療操作。例如， 處理裝置832可鑑定患者內靶運動的非線性路徑，並且開發運動的非線性路徑的非線性模型。在另一實施方案中，處理裝置832可基於多個位置點和多個方向標來開發非線性模型。 在另一實施方案中，處理裝置832可產生多個相關模型，並且選擇一個模型以驅動靶的位置。另外，處理裝置832可促進有關本文中所述的操作的其他診斷、計劃和治療操作。在一個實施方案中，系統內存834可包括隨機存取存儲器(RAM)或其他動態存儲裝置。如上所述，系統內存834可通過通信通道842耦合處理裝置832。在一個實施方案中，系統內存834存儲待由處理裝置832執行的信息和指令。在處理裝置832執行指令的過程中，系統內存834還可用於存儲臨時可變或其他中間信息。在另一實施方案中，系統內存834還可包括只讀存儲器(ROM)或其他靜態存儲裝置，以用於存儲用於處理裝置832的靜態信息和指令。在一個實施方案中，存儲器836表示一個或多個大容量存儲裝置(例如磁碟驅動、 磁帶驅動、光碟驅動等)以存儲信息和指令。存儲器836和/或系統內存834還可稱為機器可讀介質。在特定實施方案中，存儲器836可存儲指令以進行本文中討論的模擬操作。例如，存儲器836可存儲指令以獲取和存儲數據點，獲取和存儲圖像，鑑定非線性路徑，開發線性和/或非線性相關模型等。在另一實施方案中，存儲器836可包括一個或多個資料庫。在一個實施方案中，顯示器838可以是陰極射線管(CRT)顯示器、液晶顯示器 (IXD)或其他類型的顯示器裝置。顯示器838顯示信息(例如表示VOI的二維或3D信息) 給用戶。輸入裝置840可包括一個或多個用戶界面裝置。例如鍵盤、滑鼠、軌道球或類似裝置。輸入裝置840還可用於通信方向信息，選擇用於處理裝置832的命令，控制在顯示器 838上指針的運動等。儘管本文中描述了治療計劃系統830的一個實施方案，但是所述治療計劃系統 830僅表示示例性治療計劃系統830。治療計劃系統830的其他實施方案可具有不同的構造和架構，並且可包括更少或更多的組件。例如，其他實施方案可包括多個總線，例如外圍總線或專用緩存總線。另外，治療計劃系統830還可包括醫學圖像查看和導入工具(IORIT) 以支撐DICOM導入，使得圖像可被融合，並且圖像描繪在不同系統上然後導入到治療計劃系統830中，以用於計劃和劑量計算。在另一實施方案中，治療計劃系統830還可包括擴大的圖像融合能力，其允許用戶計劃治療和在各種成像形式例如MRI、CT、PET等中任一種上的劑量分布。另外，治療計劃系統830可包括管理治療計劃系統的一個或多個特徵。在一個實施方案中，治療計劃系統830可以使用治療遞送系統850分享存儲器836 上的資料庫，使得治療遞送系統850可在治療遞送之前或過程中進入資料庫。治療計劃系統830可通過數據鏈路870連結治療遞送系統850，其可以是直接鏈路、LAN鏈路、或WAN鏈路，如上面參照數據鏈路860所討論的。如果實施LAN、WAN或其他分布式連接，治療系統 800的任一個組件可在分散的位置，使得個體系統810、830和850可彼此物理遠程。可替換地，診斷成像系統810、治療計劃系統830或治療遞送系統850的一些或所有功能特徵可彼此集成在治療系統800內。示出的治療遞送系統850包括輻射源852、成像系統854、處理裝置856和治療床 858。輻射源852、成像系統854、處理裝置856和治療床858可通過一個或多個通信通道 860彼此耦合。參照圖4A更詳細地示出和描述治療遞送系統850的一個例子。在一個實施方案中，輻射源852是治療或手術輻射源852以依照治療計劃施用預定的輻射劑量至靶體積。在一個實施方案中，輻射源852是LINAC203，如本文中所述。可替換地，輻射源852可以是本領域技術人員意識到的其他類型的輻射源。例如，靶體積可以是內部器官、腫瘤、區域。如上所述，本文中涉及靶、靶體積、靶區、靶區域或內部靶的情況都是指任何全部或部分器官、腫瘤、區域、或為治療計劃的目標的其他描述的體積。在一個實施方案中，治療遞送系統850的成像系統邪4捕獲患者體積(包括靶體積)的內部處理圖像以登記或校對上述診斷圖像，從而相對於輻射源定位患者。類似於診斷成像系統810，治療遞送系統850的成像系統邪4可包括一個或多個源和一個或多個檢測
ο治療遞送系統850還可包括處理裝置856以控制輻射源852、成像系統邪4和治療床858 (表示任何患者支撐裝置)。在一個實施方案中，治療床858是耦合機器人手臂202 或302的治療床206，如本文中所述。在另一實施方案中，治療床858是耦合機器人手臂106 的治療床，如本文中所述。可替換地，可以使用其他類型的患者支撐裝置。在一個實施方案中，輻射源852耦合第一機器人手臂(例如機器人手臂202)，並且治療床858耦合第二機器人手臂(例如機器人手臂221)。第一和第二機器人手臂可耦合相同控制器(例如控制器) 或單獨的控制器。在一個實施方案中，第一和第二機器人手臂是相同機器人手臂。在一個實施方案中，第一和第二機器人手臂均包括4個旋轉DOF和一個基本上線性D0F。在另一實施方案中，第一和第二機器人手臂均包括5個旋轉DOF和一個基本上線性D0F。可替換地，第一和第二機器人手臂均包括6個旋轉DOF和一個基本上線性D0F。可替換地，第一和第二機器人手臂可包括不同數量和類型的D0F。在另一實施方案中，第一和第二機器人手臂是不同類型的機器人手臂。可替換地，僅有第一機器人手臂用於相對於治療床206移動 LINAC 203。處理裝置856可包括一個或多個通用處理器(例如微處理器)、專用處理器例如數位訊號處理器(DSP)、或其他類型的裝置例如控制器或場可編程門陣列(FPGA)。另外，處理裝置856可包括其他組件(未示出)，例如內存、存儲裝置、網絡適配器等。示出的治療遞送系統850還包括用戶界面862和測量裝置864。在一個實施方案中，用戶界面862是用戶界面500。在另一實施方案中，用戶界面862是圖形用戶界面600。 在一個實施方案中，用戶界面862允許用戶面接治療遞送系統850。特別地，用戶界面862 可包括輸入和輸出裝置，例如鍵盤、顯示器屏幕等。測量裝置864可以是測量外部因素(例如上述外部因素)的一種或多個裝置，所述外部因素可影響實際遞送至靶區20的輻射。一些示例性測量裝置包括溫度計以測量周圍溫度，包括溼度計以測量溼度，包括氣壓計以測量氣壓，或包括測量外部因素的任何其他類型的測量裝置。
在前面的說明中，本發明的實施方案已經參考具體示例性實施方案描述。然而，顯然在沒有偏離權利要求確定的本發明是實施方案的更寬的精神和範圍的情況下可以對其進行多種改變和變化。因此，說明書和附圖被認為是解釋性的，而不是限制性的。
權利要求
1.一種設備，包括 醫學工具；和機器人操縱器，其耦合所述醫學工具以沿著7或更多個自由度(DOF)移動所述醫學工具，其中所述7或更多個DOF包括至少一個冗餘D0F。
2.根據權利要求1所述的設備，其中所述機器人操縱器包括通過允許旋轉運動或平移位移的關節互連的多個剛性連接，並且其中所述關節中的至少一個是沿所述至少一個冗餘 DOF移動所述機器人操縱器的冗餘關節。
3.根據權利要求2所述的設備，其中所述機器人操縱器是機器人手臂，並且其中所述機器人操縱器包括腕部組件，其耦合所述醫學工具以沿3個DOF移動所述醫學工具；以及手臂組件，其耦合所述腕部組件以沿4個DOF移動所述醫學工具，其中所述4個DOF包括至少一個冗餘D0F。
4.根據權利要求3所述的設備，其中所述腕部組件包括耦合安裝板的工具偏移關節，所述安裝板支撐所述醫學工具以沿著第一旋轉軸旋轉所述醫學工具；工具俯仰關節，其耦合所述工具偏移關節以沿著第二旋轉軸旋轉所述醫學工具；以及工具滾動關節，其耦合所述工具俯仰關節以沿著第三旋轉軸旋轉所述醫學工具。
5.根據權利要求4所述的設備，其中所述手臂組件包括 肘部組件；耦合在所述腕部組件和所述肘部組件之間的冗餘關節組件； 耦合所述肘部組件的第一肩部組件；以及耦合所述第一肩部組件的第二肩部組件。
6.根據權利要求5所述的設備，還包括耦合所述冗餘關節組件和所述肘部組件的冗餘關節，其中所述冗餘關節包括齒輪箱以沿所述機器人手臂的第四旋轉軸驅動所述機器人手臂的旋轉運動；耦合所述肘部組件和所述第一肩部組件的肘關節，其中所述肘關節包括肘部齒輪箱以沿所述機器人手臂的第五旋轉軸驅動所述機器人手臂的旋轉運動；耦合所述第一肩部組件和所述第二肩部組件的第一肩關節，其中所述第一肩關節包括第一肩部齒輪箱以沿所述機器人手臂的第六旋轉軸驅動所述機器人手臂的旋轉運動；以及耦合所述第二肩部組件和安裝組件的第二肩關節，其中所述第二肩關節包括第二肩部齒輪箱以沿所述機器人手臂的第七旋轉軸驅動所述機器人手臂的旋轉運動。
7.根據權利要求6所述的設備，還包括耦合所述機器人手臂的所述第二肩部組件的軌道安裝組件；以及耦合所述軌道安裝組件的軌道，其中所述軌道被構造為沿著所述機器人手臂的第八平移軸移動所述軌道安裝組件。
8.根據權利要求4所述的設備，其中所述手臂組件包括 耦合所述腕部組件的肘部組件；耦合所述肘部組件的第一肩部組件； 耦合所述第一肩部組件的第二肩部組件；耦合所述肘部組件和所述第一肩部組件的肘關節，其中所述肘關節包括肘部齒輪箱以沿所述機器人手臂的第四旋轉軸驅動所述機器人手臂的旋轉運動；耦合所述第一肩部組件和所述第二肩部組件的第一肩關節，其中所述第一肩關節包括第一肩部齒輪箱以沿所述機器人手臂的第五旋轉軸驅動所述機器人手臂的旋轉運動；耦合所述第二肩部組件和安裝組件的第二肩關節，其中所述第二肩關節包括第二肩部齒輪箱以沿所述機器人手臂的第六旋轉軸驅動所述機器人手臂的旋轉運動；以及耦合所述第一和第二肩部組件的冗餘關節，其中所述冗餘關節包括第三肩部齒輪箱以沿所述機器人手臂的第七旋轉軸驅動所述機器人手臂的旋轉運動。
9.根據權利要求4所述的設備，其中所述手臂組件包括 耦合所述腕部組件的肘部組件；耦合所述肘部組件的第一肩部組件；耦合在所述肘部組件和所述第一肩部組件之間的冗餘關節組件；以及耦合所述第一肩部組件的第二肩部組件。
10.根據權利要求9所述的設備，還包括耦合所述腕部組件和所述肘部組件的肘關節，其中所述肘關節包括肘部齒輪箱以沿所述機器人手臂的第四旋轉軸驅動所述機器人手臂的旋轉運動；耦合所述肘部組件和所述第一肩部組件的冗餘關節，其中所述冗餘關節包括齒輪箱以沿所述機器人手臂的第五旋轉軸驅動所述機器人手臂的旋轉運動；耦合所述第一肩部組件和所述第二肩部組件的第一肩關節，其中所述第一肩關節包括第一肩部齒輪箱以沿所述機器人手臂的第六旋轉軸驅動所述機器人手臂的旋轉運動；以及耦合所述第二肩部組件和安裝組件的第二肩關節，其中所述第二肩關節包括第二肩部齒輪箱以沿所述機器人手臂的第七旋轉軸驅動所述機器人手臂的旋轉運動。
11.根據權利要求1所述的設備，其中所述7或更多個DOF的7個DOF包括 用於所述醫學工具沿著互相正交的χ-、y-和ζ-坐標軸平移運動的4個旋轉軸；以及用於所述醫學工具分別圍繞x-、y_和ζ-軸滾動_、俯仰-和偏移-旋轉的3個旋轉軸。
12.根據權利要求11所述的設備，還包括第八D0F，其中所述第八DOF是基本上線性 D0F，其包括用於所述醫學工具沿著所述基本上線性軸平移運動的基本上線性軸。
13.根據權利要求12所述的設備，其中所述基本上線性DOF是8個DOF的第一D0F，其中所述第一 DOF被構造為移動所述機器人操縱器的其餘7個旋轉D0F，並且其中所述第一 DOF是最接近所述機器人手臂的基端的D0F。
14.根據權利要求1所述的設備，其中所述7或更多個DOF的7個DOF包括 用於所述醫學工具沿著互相正交的χ-、y-和ζ-坐標軸平移運動的3個旋轉軸；用於所述醫學工具分別圍繞x-、y_和ζ-軸滾動_、俯仰-和偏移-旋轉的3個旋轉軸；以及用於所述醫學工具沿著基本上線性軸平移運動的平移軸。
15.根據權利要求1所述的設備，其中所述醫學工具是線性加速器(LINAC)。
16.根據權利要求15所述的設備，其中通過沿著所述7或更多個D0F、包括所述至少一個冗餘DOF移動所述醫學工具，所述機器人操縱器增加所述LINAC的工作空間，並且其中所述工作空間包括多個節點，所述LINAC可定位於此以遞送輻射至靶。
17.根據權利要求1所述的設備，其中所述醫學工具是成像器的成像源。
18.根據權利要求1所述的設備，其中所述醫學工具是手術工具。
19.根據權利要求1所述的設備，其中所述醫學工具是移植工具。
20.根據權利要求1所述的設備，其中所述醫學工具是治療床。
21.根據權利要求1所述的設備，還包括控制器，其耦合所述機器人操縱器以沿所述7 或更多個DOF移動所述機器人操縱器和所述醫學工具。
22.—種方法，包括提供耦合具有7或更多個自由度(DOF)的機器人操縱器的醫學工具，其中所述7個DOF 包括至少一個冗餘DOF ；以及使用所述機器人操縱器沿著所述7或更多個自由度(DOF)移動所述醫學工具。
23.根據權利要求22所述的方法，其中沿著所述7或更多個DOF移動所述醫學工具包括沿用於所述醫學工具沿著互相正交的χ-、y-和ζ-坐標軸平移運動的4個旋轉軸移動所述醫學工具；以及沿用於所述醫學工具分別圍繞x-、y_和ζ-軸滾動_、俯仰-和偏移-旋轉的3個旋轉軸移動所述醫學工具。
24.根據權利要求23所述的方法，還包括通過使用所述4個旋轉軸移動所述醫學工具而使所述醫學工具定位至固定位置；以及通過使用所述3個旋轉軸移動所述醫學工具而使所述醫學工具在所述固定位置處取向。
25.根據權利要求23所述的方法，還包括使用機器人操縱器使所述醫學工具定位至固定位置；以及使所述醫學工具保持在所述固定位置，同時移動所述機器人操縱器。
26.根據權利要求23所述的方法，還包括使所述醫學工具定位至之前阻礙的位置，該位置由所述機器人操縱器和所述醫學工具的運動的機械範圍內的位置限制引起。
27.根據權利要求23所述的方法，還包括通過第一路徑使所述醫學工具從第一位置定位至第二位置，而不是通過由障礙引起的阻礙的路徑定位至相同第二位置。
28.根據權利要求23所述的方法，還包括通過第一路徑使所述醫學工具從第一位置定位至第二位置，其中所述第一路徑在障礙和所述機器人操縱器與所述醫學工具之間的距離邊緣高於至所述相同第二位置的第二路徑。
29.根據權利要求23所述的方法，還包括使所述醫學工具定位在限定體積內，而不和所述限定體積外部的對象碰撞。
30.根據權利要求23所述的方法，還包括沿著基本上線性DOF移動所述醫學工具。
31.一種方法，包括使用機器人操縱器使醫學工具定位至固定位置；以及使所述醫學工具保持在所述固定位置，同時移動所述機器人操縱器。
32.根據權利要求31所述的方法，其中所述機器人操縱器包括通過關節互連的多個剛性連接，並且其中使所述醫學工具保持在所述固定位置包括移動所述機器人操縱器的多個剛性連接中的一個或多個，同時使所述醫學工具保持在所述固定位置。
33.一種設備，包括醫學工具；以及用於沿著7或更多個自由度(DOF)移動所述醫學工具的構件，其中所述7個DOF包括至少一個冗餘D0F。
34.根據權利要求33所述的設備，其中所述醫學工具是線性加速器(LINAC)，並且其中所述設備還包括用於通過沿著所述7或更多個D0F、包括所述至少一個冗餘DOF移動所述 LINAC而增加所述LINAC的工作空間的構件，其中所述工作空間包括多個節點，所述LINAC 可定位於此以遞送輻射至靶。
35.根據權利要求34所述的設備，其中用於增加所述工作空間的構件包括這樣的構件，其用於增加所述LINAC和障礙之間的距離邊緣，同時使所述LINAC定位在節點處以遞送輻射至靶。
36.根據權利要求33所述的設備，其中用於沿著所述至少一個冗餘DOF移動所述醫學工具的構件增加所述醫學工具的運動範圍。
37.根據權利要求33所述的設備，其中用於沿著所述7或更多個D0F、包括所述至少一個冗餘DOF移動所述LINAC的構件允許所述醫學工具定位在限定體積內，而不和所述限定體積外部的對象碰撞。
38.根據權利要求33所述的設備，其中用於沿著所述7或更多個D0F、包括所述至少一個冗餘DOF移動所述LINAC的構件允許通過第一路徑使所述醫學工具從第一位置定位至第二位置，其中所述第一路徑在障礙和用於移動所述LINAC的構件之間的距離邊緣高於至相同第二位置的第二路徑。
39.根據權利要求33所述的設備，還包括用於使所述醫學工具定位至固定位置的構件；以及用於使所述工具保持在所述固定位置、同時移動所述用於定位所述醫學工具的構件的構件。
40.根據權利要求39所述的設備，其中所述用於使所述醫學工具保持在所述固定位置的構件增加多個路徑以使所述醫學工具定位至所述固定位置。
41.一種系統設備，包括線性加速器(LINAC)；耦合所述LINAC的機器人操縱器，所述機器人操縱器被構造為沿至少7個自由度(DOF) 移動所述LINAC，其中所述至少7個DOF包括至少一個冗餘DOF ；控制器，其耦合所述機器人操縱器以控制所述LINAC的運動，從而使所述LINAC的輻射源對齊治療靶；以及產生所述治療靶的多個圖像的成像系統。
42.根據權利要求41所述的系統，其中所述控制器被構造為使所述LINAC定位至接近之前阻礙的位置處的治療靶，該位置由所述機器人操縱器和所述LINAC的運動的機械範圍內的位置限制引起。
43.根據權利要求41所述的系統，其中所述機器人操縱器包括至少一個冗餘關節以沿所述至少一個冗餘DOF移動所述LINAC。
44.根據權利要求41所述的系統，其中所述成像系統包括一對X-射線源；以及一對χ-射線圖像檢測器，其中各圖像檢測器被設置為相對各自的源。
全文摘要
一種機器人治療遞送系統包括線性加速器(LINAC)、和耦合LINAC的機器人操縱器。機器人操縱器被構造為沿7或更多個自由度移動LINAC，所述7個自由度中的至少一個是冗餘自由度。
文檔編號A61B17/00GK102196776SQ200980142231
公開日2011年9月21日 申請日期2009年8月12日 優先權日2008年9月12日
發明者M·P·內勒, S·薩耶伊 申請人:艾可瑞公司