多機械臂式術中放射治療裝置的製作方法

2023-05-18 23:27:47 2

本發明總體上涉及放射治療醫學領域，更特別地，涉及一種多機械臂式術中放射治療裝置。

背景技術：

手術中放射治療(可簡稱術中放療)是腫瘤放射治療技術之一，是指經手術切除腫瘤病灶之後，藉助手術暴露不能切除的病灶，對術後瘤床、殘存灶、淋巴引流區或原發病灶，應用高能電子束射線通過手術視野進行大劑量照射。這種治療方法可用來替代傳統的外放射治療，可廣泛應用於頭頸部、胸部、腹部、盆腔腫瘤的聯合治療中。早期的術中放療都是利用常規加速器進行治療，這需要將已經手術暴露的患者從手術室移動到放療科治療機房接受手術放療，這一過程極大地增加了手術的風險，而且放療機房的環境也增加了手術風險，因此極大地限制了術中放療的普及和推廣。

直到九十年代後期，義大利hitesyss.p.a.首先推出名為novac7的移動式術中放療裝置，題為「anapparatusfortheaccelerationofelectrons,particularlyforintraoperativeradiationtherapy」的美國專利no.5,635,721詳細介紹了該裝置。它採用重量輕、體積小的電子直線加速器，可直接移動至手術室進行術中放療。電子直線加速器輻射頭由機械臂支撐，並且可在六個軸方向上自由移動，通過自動控制技術，機械臂可帶動輻射頭移動至手術視野，瞄準瘤床位置，實施術中放療。

之後，美國intraopmedicalinc.推出了名為mobetron的可移動電子直線加速器，題為「intraoperativeelectronbeamtherapysystemandfacility」的美國專利no.5,321,271詳細介紹了這種專門用於術中放療的可移動電子直線加速器。它採用c形臂支撐和移動直線加速器輻射頭，並通過自動控制方式將輻射頭移動至手術視野，瞄準瘤床進行電子束照射。

題為「手術中放射治療裝置」的中國發明專利zl2003101080912公開了一種新型手術中放射治療裝置。該裝置的特徵是採用ct和mri影像三維重建軟體重建腫瘤病人病灶部位的三維立體圖像，採用模擬放射線入射病灶的模擬技術，確定電子束入射病灶的方向、角度、位置。電子直線加速器的輻射頭通過運動機架固定在手術室的天花板上，通過移動運動機架和手術床，可將輻射頭放置在預先設定的治療位置進行術中放療。

以上公開的幾种放療裝置的特點均是通過特殊設計縮小電子直線加速器的重量和體積，並採用多自由度機械運動裝置實現加速器輻射頭的任意角度照射，涉及到機器人技術，多運動自由度自動控制技術，以及製造低重量、小體積電子直線加速器技術，代表了目前最尖端的技術水平。

儘管如此，上述技術仍存在以下缺陷，首先，在臨床應用中缺乏三維立體定向技術和裝置，僅依靠臨床外科醫生和放療醫生肉眼觀察確定瘤床位置，或手術前通過ct或mri影像輔助確定，無法在瘤床暴露狀態下準確確定病灶位置、角度、方向，以及與周圍正常組織和重要器官的關係，進而無法設定電子束入射的最佳路徑和方向，以及電子束的發射功率和照射時間等。其次，在臨床治療時，需要放療醫生首先手動將限光筒安放在患者需要照射的部位，再通過固定裝置將其固定在手術床上，之後再一邊遙控加速器輻射頭移動，一邊觀察雷射定位標記點，使得射束中軸與限光筒中心軸對準，最後再進行治療，上述步驟複雜繁瑣，工作量大，耗時長，增加了術中放療的風險，且輻射頭定位精度難以保證，不利於實現精確術中放療。

技術實現要素：

本發明的一個方面在於提供一種多機械臂式術中放射治療裝置，該術中放療裝置以超聲或其他成像技術對術中放療進行引導，避免電子線對病人正常組織和重要器官的損傷，能夠更好地實現對病灶的準確定位，更加精確的給定照射劑量和照射時間，有利於減小術中放療併發症和放射性引起的毒副作用。通過多機械臂協同工作，利用自動控制技術，可大幅度減小臨床醫生工作量，並提高直線加速器輻射頭、限光筒的擺位精度，有利於實現精確術中放療。

根據本發明一示例性實施例，一種多機械臂式術中放射治療裝置可包括：基座；主機械臂，安裝於所述基座上，用於移動安裝在其末端的輻射頭；第一機械臂，安裝於所述基座上，具有用於夾持成像設備或治療限光筒的第一機械臂末端夾持器；以及第二機械臂，安裝於所述基座上，具有用於夾持模擬限光筒的第二機械臂末端夾持器。

在一些示例中，所述第一機械臂和所述第二機械臂分別位於所述主機械臂的相對兩側。

在一些示例中，所述基座包括基座主體和固定連接到所述基座主體的兩側的第一支撐腿和第二支撐腿，所述第一支撐腿和所述第二支撐腿上安裝有二維運動平臺，所述二維運動平臺上安裝有射線阻擋器。

在一些示例中，所述基座主體、所述第一支撐腿和所述第二支撐腿下方安裝有四個或更多個腳輪以便於移動所述多機械臂式術中放射治療裝置。

在一些示例中，所述主機械臂、所述第一機械臂和所述第二機械臂中的每個都具有多自由度串聯機械臂架構。

在一些示例中，所述主機械臂、所述第一機械臂和所述第二機械臂中的每個都具有六自由度串聯機械臂架構。

在一些示例中，所述第二機械臂配置為利用第二機械臂末端夾持器夾持模擬限光筒，並且移動所述模擬限光筒以對準手術視野內的預照射區域。

在一些示例中，所述第一機械臂配置為利用第一機械臂末端夾持器夾持成像設備，並且將所述成像設備移動至所述模擬限光筒內以對所述預照射區域進行成像，所獲得的圖像被用於規劃放射治療方案。

在一些示例中，所述第一機械臂還配置為利用第一機械臂末端夾持器夾持治療限光筒，並且根據所規劃的放射治療方案將所述治療限光筒定位於所述模擬限光筒內。

在一些示例中，所述主機械臂配置為根據所規劃的治療方案，移動所述輻射頭以與所述治療限光筒的上端面貼合，從而進行放射治療。

在一些示例中，從成像階段至放射治療階段，所述第二機械臂配置為將所述模擬限光筒保持在固定位置。

根據本發明另一示例性實施例，一種多機械臂式術中放射治療裝置包括：基座；基座主體及固連於基座主體兩側的左支撐腿和右支撐腿；主機械臂的底座固連於所述基座主體上部；直線加速器輻射頭固連在所述主機械臂的末端；左機械臂的底座固連於所述基座主體左側；左機械臂末端夾持器固連於所述左機械臂的末端，用於夾持超聲探頭或其他成像設備；右機械臂的底座固連於所述基座主體右側；以及右機械臂末端夾持器固連於所述右機械臂的末端，用於夾持模擬限光筒。

在一些示例中，所述基座主體底部裝有兩個腳輪，所述左、右支撐腿下方各裝有一個腳輪，所述腳輪為電機驅動的普通腳輪或萬向腳輪，並且由電機驅動將所述多機械臂式術中放射治療裝置平移至任意指定位置並固定。

在一些示例中，所述主機械臂可採用六自由度串聯機械臂架構，所述主機械臂各關節均通過電機驅動，且各關節均裝有位置檢測傳感器，所述主機械臂可帶動所述直線加速器輻射頭運動至任意所需的位置和角度。

在一些示例中，所述左機械臂可採用六自由度串聯機械臂架構，所述左機械臂各關節均通過電機驅動，且各關節均裝有位置檢測傳感器。

在一些示例中，所述左機械臂夾持器可自動或手動更換為夾持治療限光筒，所述左機械臂可帶動所述成像設備或治療限光筒運動至任意所需的位置和角度。

在一些示例中，所述右機械臂可採用六自由度串聯機械臂架構，所述右機械臂各關節均通過電機驅動，且各關節均裝有位置檢測傳感器，所述右機械臂可工作在助力模式，輔助臨床醫生手動將模擬限光筒擺放至任意位置和角度。

在一些示例中，所述多機械臂式術中放射治療裝置還包括：二維運動平臺和射線阻擋器，所述二維運動平臺安裝在基座的兩個支撐腿上，所述射線阻擋器安裝在所述二維運動平臺上，所述二維運動平臺可帶動所述射線阻擋器進行x、y方向的直線運動。

在一些示例中，所述射線阻擋器為具有一定厚度的長方形金屬平板。

在一些示例中，所述多機械臂式術中放射治療裝置還包括：固定在手術室內的治療床，所述治療床可進行升降和旋轉運動。

本發明的有益效果是：在進行術中放療前，可利用機械臂帶動超聲探頭或其他成像設備對瘤床進行三維成像，並以獲得的圖像為基礎準確確定腫瘤靶區位置，以及靶區與周圍正常組織和重要器官的關係，進而通過術中放療計劃系統設計術中放療計劃，更加科學合理的確定電子束照射角度、方向、位置，以及照射劑量和照射時間；由於三個機械臂均安裝在同一基座上，可建立統一的位置坐標系，通過超聲或其他設備成像獲得的腫瘤位置可方便、準確的和直線加速器輻射頭位置建立聯繫，進而引導主機械臂帶動直線加速器輻射頭多方位高精確地對準腫瘤靶區；通過機械臂可輔助完成模擬限光筒、治療限光筒的擺位，省去很多繁雜的手動操作，可大幅度減輕臨床醫生負擔，節省治療時間，降低術中放療的風險。

附圖說明

圖1為根據本發明一實施例的多機械臂式術中放射治療裝置的初始狀態示意圖；

圖2為根據本發明一實施例的多機械臂式術中放射治療裝置的定位狀態示意圖；

圖3為根據本發明一實施例的多機械臂式術中放射治療裝置的成像狀態示意圖；

圖4為根據本發明一實施例的多機械臂式術中放射治療裝置的治療狀態示意圖。

具體實施方式

為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。

圖1示出根據本發明一實施例的多機械臂式術中放射治療裝置，其處於初始的收起狀態，以便於多機械臂式術中放射治療裝置的運送。

如圖1所示，根據本發明一實施例的多機械臂式術中放射治療裝置包括：基座100、主機械臂200、直線加速器輻射頭300、左機械臂401、左機械臂末端夾持器402、右機械臂501、右機械臂末端夾持器502、二維運動平臺601、射線阻擋器602。

基座100包括基座主體101，以及固定連接於基座主體兩側的左支撐腿102和右支撐腿103。優選的，基座主體101底部可以裝有腳輪，例如圖1所示的兩個腳輪104，左、右支撐腿下方各裝有一個腳輪，腳輪可以為電機驅動的普通腳輪或萬向腳輪，醫生可以通過遙控控制四個腳輪的電機，將該多機械臂式術中放射治療裝置運送到手術室內指定的治療位置並固定。

主機械臂200的底座固定連接於基座主體101上部，優選地，主機械臂200採用但不限於六自由度串聯機械臂架構，主機械臂200各關節均通過電機驅動，且各關節處均裝有位置檢測傳感器用於實時監測各關節的轉動角度。

直線加速器輻射頭300固定連接於主機械臂200的末端，通過自動控制技術，主機械臂200可帶動直線加速器輻射頭300運動至任意所需的位置和角度。

左機械臂401的底座固定連接於基座主體101左側，優選地，左機械臂401採用但不限於六自由度串聯機械臂架構，左機械臂401的各關節均可通過電機驅動，且各關節均可裝有位置檢測傳感器，用於實時監測各關節的轉動角度，左機械臂末端夾持器402固定連接於左機械臂401的末端。優選地，左機械臂末端夾持器402可加持超聲探頭403或其他成像設備，也可自動或手動地更換為夾持所述的治療限光筒404。通過自動控制技術，左機械臂401可帶動超聲探頭403或治療限光筒404運動至任意所需的位置和角度。

右機械臂501的底座固定連接於基座主體101右側，優選地，右機械臂501採用但不限於六自由度串聯機械臂架構，右機械臂501的各關節均可通過電機驅動，且各關節處均可裝有位置檢測傳感器，用於實時檢測各關節的轉動角度，右機械臂末端夾持器502固定連接於右機械臂501的末端，用於夾持模擬限光筒503。優選地，右機械臂501可工作在助力模式，輔助臨床醫生手動將模擬限光筒503擺放至所需的任意位置和角度。

雖然上面描述了主機械臂200、左機械臂401和右機械臂501每個均具有六自由度串聯機械臂架構，但是應理解，本發明不限於此。而是，通過位置設計等，每個機械臂均具有多自由度即可，例如2自由度、3自由度、4自由度等，其中3自由度以上是優選的，更優選地4自由度以上，例如6自由度，從而可以實現對相關組件的方便操縱，實現不同的位置、取向等。應理解，機械臂的結構及其精確控制是該技術領域中已知並且成熟的技術，因此這裡不再詳細描述。

二維運動平臺601安裝在基座100的兩個支撐腿上，射線阻擋器602為具有一定厚度的長方形金屬平板，安裝在二維運動平臺601上，二維運動平臺601可帶動射線阻擋器602進行x、y方向的直線運動，使得直線加速器輻射頭300射出的電子束中軸線入射到射線阻擋器602的中心位置處或附近。

如圖1所示，多機械臂式術中放射治療裝置的各機械臂可處於收起狀態，以便於所述術中放射治療裝置的運送，基座100底部的四個輪子104可由電機驅動，醫生可通過遙控各輪子驅動電機的運動，將該術中放射治療裝置運送到手術室內指定的治療位置並固定。

圖2示出根據本發明一實施例的多機械臂式術中放射治療裝置，其處於模擬定位狀態。如圖2所示，右機械臂末端夾持器502可以夾持模擬限光筒503，治療床700固定在手術室內，優選地，治療床700可進行升降和旋轉運動。

在一示例中，人體800被固定在治療床700上，通過移動多機械臂式術中放射治療裝置及轉動或升降治療床700，使人體800處於便於放療的位置。優選地，右機械臂末端夾持器502夾持有模擬限光筒503，右機械臂501的各運動關節有助力電機和關節位置檢測傳感器，醫生可手動操作右機械臂501帶動模擬限光筒503對準人體800手術射野內的預照射範圍，模擬限光筒503末端的位置可由右機械臂501的各關節位置傳感器準確確定。

圖3示出根據本發明一實施例的多機械臂式術中放射治療裝置，其處於成像狀態。

在一示例中，左機械臂末端夾持器402夾持有超聲探頭403或其他成像設備，左機械臂401的各關節可由電機驅動，自動控制系統可根據模擬限光筒503的末端位置參數，驅動左機械臂401帶動超聲探頭403或其他成像設備進入模擬限光筒503內。左機械臂401的各運動關節有位置檢測傳感器，可通過空間位置解算算法，實時確定超聲探頭403或其他成像設備的位置，並進一步確定圖像內腫瘤、正常組織和重要器官等的位置，進而物理師可利用放療計劃系統及獲得的圖像，設計術中放療計劃，確定電子束照射角度、方向、位置，以及照射劑量和照射時間。

優選地，在獲得靶區圖像後，左機械臂401可自動地將超聲探頭403或其他成像設備由模擬限光筒503內移出，並自動或人工地將超聲探頭403或其他成像設備更換為治療限光筒404，以便於接下來的放射治療。優選地，左機械臂末端夾持器402既可夾持超聲探頭403或其他成像設備，也可夾持治療限光筒404。

圖4示出根據本發明一實施例的多機械臂式術中放射治療裝置，其處於治療狀態。

如圖4所示，左機械臂末端夾持器402可夾持超聲探頭403或其他成像設備，也可自動或手動地更換為夾持治療限光筒404，通過自動控制技術，左機械臂401可帶動超聲探頭403或治療限光筒404運動至任意所需的位置和角度。

在一示例中，獲得靶區圖像後，左機械臂夾持器402可自動地將超聲探頭403或其他成像設備由模擬限光筒503內移除，並自動或人工地將超聲探頭403或其他成像設備更換為治療限光筒404，以便於接下來的放射治療。

在一示例中，左機械臂末端夾持器402夾持有治療限光筒404，左機械臂夾持器402可自動的將治療限光筒404放置在模擬限光筒503內，治療限光筒404的擺放角度、方向、位置由術中放療計劃系統確定。優選地，主機械臂201自動地帶動直線加速器輻射頭300按照放療計劃系統確定的照射角度、方向與治療限光筒404上端面貼合。優選地，二維運動平臺601可自動地進行二維平面運動，從而帶動射線阻擋器602運動到一定位置，使得電子線束中心入射到射線阻擋器602的幾何中心位置或其附近，以衰減或阻擋穿過人體和治療床床板的射線。

從上面描述的成像階段至放射治療階段，右機械臂501可以將模擬限光筒503的位置固定不動，並且多機械臂系統可基於模擬限光筒503的位置來建立坐標系，也就是說，從成像階段一直到放射治療階段的各種操作都是在同一坐標系中進行的。這樣可以提高各種操作的一致性，從而改善術中方案的精確度。

優選地，術中放射治療結束後，主機械臂201可自動地將直線加速器輻射頭300返回至圖1所示的待機位置，左機械臂夾持器402可自動地將治療限光筒404從模擬限光筒503中移除，並返回至圖2所示的待機位置。最後，臨床醫生在右機械臂501助力作用下，手動將模擬限光筒503從人體800的手術視野移至待機位置，完成術中放療。

上面已經參照特定實施例描述了本發明的原理。本領域技術人員將理解的是，本發明並不局限於上述實施例，而是在不脫離本發明的思想和範圍的情況下可以進行細節和形式上的許多修改和變化。本發明的範圍由所附權利要求及其等價物定義。