探测器支撑装置、路径规划系统以及放射治疗设备的制作方法

本发明主要涉及基于图像引导的放射治疗设备，尤其涉及一种探测器支撑装置、路径规划系统。

背景技术：

为了实现精准放射治疗，提高肿瘤治疗效率，基于图像引导的放射治疗技术(image-guidedradiationtherapy，igrt)被广泛应用于临床，其中电子射野影像装置(electronicportalimagingdevice，epid)是igrt最常用的图像引导设备，其可以在治疗前或治疗过程中精确定位肿瘤的位置，帮助医生判断患者摆位是否准确、判断肿瘤位置或形状是否发生变化等，以减少正常组织接受照射的可能，降低副作用，提高治疗效率。

目前我国国产和elekta(医科达)生产的医用直线加速器(linearaccelerator，linac)，epid只能在一个固定的sid高度成像，epid平板可以沿着x轴与y轴两个维度的水平方向运动，但不能沿着z轴的垂直方向运动，epid成像区域不能覆盖linac的整个射野区域。varian(瓦里安)设计了一种epid支撑臂，其通过多转轴机器手臂，可以实现epid在不同的sid高度成像，该epid支撑臂的回收停放位置处于linac等中心平面附近。

联影医疗科技有限公司研发出了一种“一体化ct引导直线加速器”，将医用直线加速器与ct扫描定位机(ctsim)集成在一起，在极大的节省设备占用空间的同时，也提供了一种基于fbct(fanbeamct，扇形束ct)图像引导的精准放射治疗功能。对于这种一体化ct引导直线加速器，ct扫描孔占用了linac等中心附近很大的区域，为了避免epid支撑臂的停放位置与ctsim功能相互干涉，epid支撑臂的回收停放位置受到了限制。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种探测器支撑装置及其路径规划系统，探测器支撑装置不会与ctsim功能相互干涉，且可以使得探测器的成像区域可覆盖整个射野区域，具有运动精度高、缩短运动时间等特点。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种探测器支撑装置，适于设置于机架的收容孔中，用于支撑探测器，其包括：伸缩臂，能够沿其长度方向伸缩运动；第一旋转组件，设置于所述收容孔中，并与所述伸缩臂的一端连接，用于带动所述伸缩臂绕所述伸缩臂的长度方向与所述收容孔的深度方向确定的平面的法线方向旋转运动；第一平移组件，用于带动所述第一旋转组件件及所述伸缩臂沿所述收容孔的深度方向运动；探测器承载组件，用于承载所述探测器，其与所述伸缩臂的另一端连接，并能够沿所述伸缩臂的长度方向与所述收容孔的深度方向确定的平面的法线方向移动；以及第二旋转组件，设置于所述探测器承载组件与所述伸缩臂之间，用于带动所述探测器承载组件绕所述伸缩臂的长度方向与所述收容孔的深度方向确定的平面的法线方向旋转运动。

在本发明的一实施例中，探测器支撑装置还包括驱动系统，用于驱动所述伸缩臂、所述第一旋转组件、所述第一平移组件、所述探测器承载组件和所述第二旋转组件中的一者或多者运动，以将探测器移动至目标位置。

在本发明的一实施例中，所述驱动系统包括：通信模块，用于接收所述伸缩臂、所述第一旋转组件、所述第一平移组件、所述探测器承载组件和所述第二旋转组件中的一者或多者的运动轨迹，并根据所述运动轨迹计算所述伸缩臂、所述第一旋转组件、所述第一平移组件、所述探测器承载组件和所述第二旋转组件中的一者或多者运动的驱动信号；以及驱动模块，用于接收所述驱动信号，并根据所述驱动信号驱动所述伸缩臂、所述第一旋转组件、所述第一平移组件、所述探测器承载组件和所述第二旋转组件中的一者或多者运动。

在本发明的一实施例中，所述运动轨迹包括多个节点以及与各节点对应的信息，所述与各节点对应的信息包括：所述伸缩臂、所述第一旋转组件、所述第一平移组件、所述探测器承载组件和所述第二旋转组件中的一者或多者到达所述节点的时间、预设目标位置、预设速度和预设加速度。

在本发明的一实施例中，所述驱动模块还用于监测所述伸缩臂、所述第一旋转组件、所述第一平移组件、所述探测器承载组件和所述第二旋转组件中的一者或多者的实时位置信息。

本发明的另一方面还提供了一种路径规划系统，适用于如上所述的探测器支撑装置，用于控制所述伸缩臂、所述第一旋转组件、所述第一平移组件、所述探测器承载组件和所述第二旋转组件中的一者或多者的运动，以将所述探测器移动至目标位置，所述路径规划系统包括：位移量求解模块，用于根据所述探测器的目标位置确定所述伸缩臂、所述第一旋转组件、所述第一平移组件、所述探测器承载组件和所述第二旋转组件中的一者或多者的位移量；路径规划模块，用于根据所述位移量进行所述探测器支撑装置的运动路径规划；以及防碰撞检测模块，用于根据所述探测器支撑装置与所述收容孔的位置关系建立防碰撞检测模型，并进行防碰撞检测。

在本发明的一实施例中，所述位移量求解模块根据如下原则确定所述位移量：在所述探测器支撑装置不与所述收容孔发生碰撞的条件下，最大化所述探测器支撑装置的刚性。

在本发明的一实施例中，所述路径规划模块执行如下步骤以进行运动路径规划：a.将所述位移量分配到多个子区间，每个所述子区间的边界点作为路径规划的控制节点；b.将所述控制节点对应的位置信息代入所述防碰撞检测模型，检测所述探测器支撑装置是否会与所述收容孔发生碰撞，若会发生碰撞，则返回步骤a，若不会发生碰撞，则将所述控制节点表示的路径作为最佳路径输出。

在本发明的一实施例中，所述路径规划模块执行如下步骤以进行运动路径规划：a.将所述位移量分配到多个子区间，每个所述子区间的边界点作为路径规划的控制节点；b.在每个所述子区间内生成一个或多个轨迹控制小点；c.将规划运动路径上的所有所述轨迹控制小点对应的位置信息均代入所述防碰撞检测模型，检测所述探测器支撑装置是否会与所述收容孔发生碰撞，若会发生碰撞，则返回步骤a，若不会发生碰撞，则将所述规划运动路径作为最佳路径输出。

本发明的又一方面提供了一种放射治疗设备，包括机架、治疗头、探测器，所述治疗头和所述探测器相对地设置于所述机架，所述探测器通过探测器支撑装置安装于所述机架，其特征在于，所述机架上限定有一收容孔，用于收容所述探测器支撑装置。

在本发明的一实施例中，所述探测器支撑装置包括：伸缩臂，能够沿其长度方向伸缩运动；第一旋转组件，设置于所述收容孔中，并与所述伸缩臂的一端连接，用于带动所述伸缩臂绕所述伸缩臂的长度方向与所述收容孔的深度方向确定的平面的法线方向旋转运动；第一平移组件，用于带动所述第一旋转组件件及所述伸缩臂沿所述收容孔的深度方向运动；探测器承载组件，用于承载所述探测器，其与所述伸缩臂的另一端连接，并能够沿所述伸缩臂的长度方向与所述收容孔的深度方向确定的平面的法线方向移动；以及第二旋转组件，设置于所述探测器承载组件与所述伸缩臂之间，用于带动所述探测器承载组件绕所述伸缩臂的长度方向与所述收容孔的深度方向确定的平面的法线方向旋转运动。

在本发明的一实施例中，探测器支撑装置还包括驱动系统，用于驱动所述伸缩臂、所述第一旋转组件、所述第一平移组件、所述探测器承载组件和所述第二旋转组件中的一者或多者运动，以将探测器移动至目标位置。

在本发明的一实施例中，所述驱动系统包括：通信模块，用于接收所述伸缩臂、所述第一旋转组件、所述第一平移组件、所述探测器承载组件和所述第二旋转组件中的一者或多者的运动轨迹，并根据所述运动轨迹计算所述伸缩臂、所述第一旋转组件、所述第一平移组件、所述探测器承载组件和所述第二旋转组件中的一者或多者运动的驱动信号；以及驱动模块，用于接收所述驱动信号，并根据所述驱动信号驱动所述伸缩臂、所述第一旋转组件、所述第一平移组件、所述探测器承载组件和所述第二旋转组件中的一者或多者运动。

在本发明的一实施例中，所述运动轨迹包括多个节点以及与各节点对应的信息，所述与各节点对应的信息包括：所述伸缩臂、所述第一旋转组件、所述第一平移组件、所述探测器承载组件和所述第二旋转组件中的一者或多者到达所述节点的时间、预设目标位置、预设速度和预设加速度。

在本发明的一实施例中，所述驱动模块还用于监测所述伸缩臂、所述第一旋转组件、所述第一平移组件、所述探测器承载组件和所述第二旋转组件中的一者或多者的实时位置信息。

本发明的又一方面提供了一种放射治疗设备，包括机架、治疗头、探测器，所述治疗头和所述探测器相对地设置于所述机架，所述探测器通过探测器支撑装置安装于所述机架，其特征在于，所述放射治疗设备还包括路径规划系统，用于对所述探测器支撑装置的移动路径进行规划。

在本发明的一实施例中，所述机架上限定有一收容孔，所述收容孔用于容纳所述探测器支撑装置的至少部分组件。

在本发明的一实施例中，所述路径规划系统包括防碰撞检测模块，用于检测在所述移动路径中，所述探测器支撑装置是否会与所述收容孔发生碰撞。

在本发明的一实施例中，所述路径规划系统包括防碰撞检测模块，用于检测在所述移动路径中，所述探测器支撑装置是否会与所述放射治疗设备的治疗床发生碰撞。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

在探测器不使用时，可以将探测器支撑装置收回到机架内组件的收容孔中，该收容孔处于ct扫描环型孔下方，因此探测器支撑装置在收回位置不会与ctsim等功能相互干涉。

探测器可以沿x轴、y轴、以及z轴三个维度方向运动，探测器的成像区域可以覆盖linac的整个射野区域。

在探测器支撑装置摆位过程中，对探测器支撑装置各运动组件件的位移分解量进行自动优化，减小重力弹性变形带来的几何误差，提升了摆位精度。

路径规划系统可以对探测器支撑装置的各运动组件件的运动路径进行自动优化，并对摆位过程中的轨迹点进行实时控制，实现探测器支撑装置的各运动组件件同步联动摆位，最小化探测器支撑装置的摆位与回收时间，同时避免探测器支撑装置在摆位过程中与收容孔发生碰撞，提高了探测器支撑装置摆位的工作效率与安全性。

附图说明

图1是本发明一实施例的放射治疗系统的三维立体图。

图2是去除图1所示的放射治疗设备的外壳后的放射治疗系统的三维立体图。

图3是本发明一实施例的探测器支撑装置的侧视图。

图4是本发明一实施例的探测器支撑装置的正视图。

图5是本发明一实施例的探测器支撑装置在收回状态下的侧面透视图。

图6是本发明一实施例的探测器支撑装置在展开状态下的侧面透视图。

图7是本发明一实施例的放射治疗设备的射束的示意图。

图8是本发明一实施例的驱动系统的基本框图。

图9是本发明一实施例的路径规划系统的基本框图。

图10是本发明一实施例的各运动组件位移量的逆向求解方法的基本流程图。

图11是本发明一实施例的路径规划示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

图1是本发明一实施例的放射治疗系统的三维立体图。图2是去除图1所示的放射治疗设备的外壳后的放射治疗系统的三维立体图。请结合参考图1和图2，放射治疗系统1主要包括放射治疗设备10和床组件20。放射治疗设备10包括机架100、放疗组件200、ct成像组件300、基座400，以及覆盖在机架100、放疗组件200、成像组件300和基座400外的外壳1000。机架100为大致圆筒形，其整体设置于基座400上，并可在基座400上转动。机架100限定有通孔110，机架100的转动轴线可以为通孔110的水平中心轴。放疗组件200包括治疗头210和探测器220。探测器220例如可以是x射线平板探测器。本实施例中，探测器220可以为epid。治疗头210和探测器220分别固定至机架100的第一侧，且在放射治疗状态时，治疗头210和探测器220是相对地设置于转动轴线的两侧。成像组件300设置于机架100的第二侧。成像组件300可以是ct成像组件、磁共振(mr)成像组件或正电子放射断层造影(pet)成像组件等，或它们的任意组合。在本实施例中，以放射源中心为原点，以通孔110轴线朝里方向为y轴正方向，以放射源至探测器220方向为z轴正方向建立左手直角坐标系x-y-z，以便于后续的描述。可以理解，坐标系的原点还可以在其它位置，例如等中心点等，且也可以建立右手坐标系，也可以直接使用iec(internationalelectrotechnicalcommission，国际电工委员会)的标准规定中的坐标系，本发明对此并不加以限制。其中，等中心点为机架100的旋转轴和治疗头210的旋转轴的相交点。

图3是本发明一实施例的探测器支撑装置的侧视图。图4是本发明一实施例的探测器支撑装置的正视图。请结合参考图3和图4，探测器支撑装置230包括伸缩臂233、第一旋转组件232、第一平移组件231、探测器承载组件235和第二旋转组件234。探测器支撑装置230适于设置于机架100的收容孔120中，如图5、图6所示。在一实施例中，收容孔120具有高为22cm，宽为28cm的开口。

伸缩臂233可以沿其长度方向(如图3所示的a方向)伸缩运动。在一可选的实施例中，以第一旋转组件232旋转中心为参考零点，伸缩臂233的长度a可以在65cm～95cm之间变化。

第一旋转组件232可以设置于收容孔120中，并与伸缩臂233的一端连接，用于带动伸缩臂232可以绕伸缩臂232的长度方向a与收容孔120的深度方向y确定的平面的法线方向旋转运动，即沿图3中所示的α方向转动。在一可选的实施例中，以第一旋转组件232的旋转轴与y方向确定的平面为参考平面，伸缩臂233的中心轴线与该参考平面的夹角α0的范围可以为1°～44°。

第一平移组件231可以用于带动第一旋转组件232以及伸缩臂233沿收容孔120的深度方向y运动。在一可选的实施例中，以第一平移组件231的前端面231a为参考零点，第一平移组件231带动第一旋转组件232运动的行程范围可以为y＝17cm～52cm。需要说明的是，上述的“前端面”是指第一平移组件231从收容孔120中露出的外侧面。

探测器承载组件235用于承载探测器220，其与伸缩臂233的另一端连接，并能够沿伸缩臂233的长度方向a与收容孔120的深度方向y确定的平面的法线方向(即图4中的x方向)移动。在一可选的实施例中，以探测器220的中心点与伸缩臂233的中心轴线共面时探测器承载组件235的位置为参考零点，探测器220的中心点可以沿着x方向运动的范围为x＝-11cm～11cm。在一实施例中，探测器220可以设置在探测器承载组件235的上表面。在另一实施例中，探测器220可以集成于探测器承载组件235中。

第二旋转组件234设置于探测器承载组件235与伸缩臂233之间，用于带动探测器承载组件235绕伸缩臂233的长度方向a与收容孔120的深度方向y确定的平面的法线方向旋转运动，即沿图3中所示的β方向转动。在一可选的实施例中，以伸缩臂233的中心轴线为基准，探测器承载组件235承载探测器220后的成像平面与该中心轴线的夹角β0的范围可以为0.5°～100°。

图3和图4所示出的探测器支撑装置230可以适用于如图1和图2所示出的放射治疗设备10中，探测器220通过探测器支撑装置230安装于机架100，根据放射治疗设备10的不同状态，展开、收起探测器220，并且可以实现探测器220的三维移动。应可以理解，图3和图4所示出的探测器支撑装置230还可以适用于其它的放射治疗设备中，本发明对此并不加以限制。

图5是本发明一实施例的探测器支撑装置在收回状态下的侧面透视图。请参考图5，探测器支撑装置230在收回状态下，第一旋转组件232以及伸缩臂233与第一旋转组件232连接的一端被移动至收容孔120的深处，且伸缩臂233与参考平面的夹角α0具有较小的值，例如α0<5°，.即在回收状态下，伸缩臂233的大部分横置于收容孔120中。在一实施例中，在收回状态下，探测器承载组件235可以被收回，此时探测器承载组件235与伸缩臂233基本垂直，以避免传感器被放射源直射或长时间照射，而缩短寿命，甚至导致发生损坏。在一优选的实施例中，探测器承载组件235被收回时，其与射束中心轴沿y轴方向具有足够大的距离，例如不小于55cm。

另外，在收回状态下，伸缩臂233的大部分被收容于收容孔120中，探测器承载组件235可以被收回，此时探测器支撑装置230露出于机架100的部件仅占较小的体积，且露出于机架100的部分不与通孔110在轴向上重叠，因此，在收回状态下探测器支撑装置230不会与扫描组件300的ctsim、fbct的功能相互干涉，例如在ctsim扫描时，可以避免探测器支撑装置230与需要沿y方向运动的床组件20的床板发生互相干涉。

图6是本发明一实施例的探测器支撑装置在展开状态下的侧面透视图。请参考图6，在展开状态，伸缩臂233从收容孔120中伸出，第一旋转组件232从收容孔120的深处被移动至前方，同时伸缩臂233、第一旋转组件232、第二旋转组件234和探测器承载组件235分别进行伸缩、旋转和平移，以将探测器移动至目标位置。优选地，在使用状态，探测器承载组件235承载探测器220后的成像平面与放射治疗设备10的等中心平面平行，以利于对射野进行成像。所述等中心平面为通过等中心点且与射束中心轴基本垂直的平面。

如前述，探测器支撑装置230具有第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235，第一平移组件231可以使第一旋转组件232和伸缩臂233沿如图3所示的y方向移动，第一旋转组件232可以使伸缩臂233绕如图3所示的α方向转动，伸缩臂233可以沿其长度方向(如图3所示的a方向)伸缩运动，第二旋转组件234可以使探测器承载组件235绕如图3所示的β方向转动，探测器承载组件235可以沿如图4所示的x方向移动，这五种运动组合起来，即可以实现探测器在射野范围(例如如图7所示的射野范围)内任意三维位置(m_x,m_y,m_z)的摆动，使成像区域可以覆盖射束的整个射野范围。具体来说，探测器承载组件235可以沿x轴方向移动；第一平移组件231可以使伸缩臂233沿如图3所示的y方向移动，第一旋转组件232可以使伸缩臂233绕如图3所示的α方向转动，伸缩臂233可以沿其长度方向(如图3所示的a方向)伸缩运动，这三种运动组合起来，可以驱动探测器承载组件235实现在y轴和z轴方向上的运动。在图7所示的实施例中，等中心平面位于m_z＝100cm的位置处。优选地，探测器承载组件235的移动范围为m_z＝95cm～155cm。

在一实施例中，探测器220的成像区域为40x40cm²。如图7所示，在m_z＝145cm位置，射野范围φ＝58cm，此时，探测器220的中心点与等中心点在z轴方向共线时，探测器220仅能对中心40x40cm区域进行探测，无法对x轴方向上的-29cm～-20cm、20cm～29cm的区域进行探测，也无法对y轴方向上的-29cm～-20cm、20cm～29cm的区域进行探测，因此需要通过第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233和探测器承载组件235相互配合驱动探测器220在x轴、y轴方向分别移动-9cm～9cm，即可使探测器220对整个射野范围进行成像。需要说明的是，该实施例仅是一种示例，并非本发明的唯一实施方式，本领域技术人员应可以根据射野范围的大小来确定探测器220需要移动的范围。

图8是本发明一实施例的驱动系统的基本框图。请参考图8，探测器支撑装置230还可以包括驱动系统236，用于驱动第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中的一者或多者运动，以将探测器220移动至目标位置。驱动系统236可以包括通信模块236a和驱动模块236b。

通信模块236a用于接收第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中的一者或多者的运动轨迹，并根据运动轨迹计算第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中的一者或多者运动的驱动信号。在一可选的实施例中，第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235的运动可以通过电机来实现，此时通信模块236a可以根据轨迹控制小点实现第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中的一者或多者运动的电机的位置环、速度环和电流环控制的pid计算，并输出pwm(pulsewidthmodulation)指令信号。应可以理解，第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235的运动还可以通过气动等形式来实现，本发明对此并不加以限制。在一实施例中，通信模块236a可以通过光纤与进行探测器支撑装置230路径规划的路径规划系统连接，进行相互通信，以实现探测器支撑装置230运动轨迹的控制。可以理解地，通信模块236a还可以通过其它有线方式与路径规划系统连接，例如同轴电缆、双绞线等。通信模块236a还可以通过无线方式与路径规划系统连接，例如wlan、nfc等。优选地，通信模块236a为cnnu(controlnodeunit)控制板卡。

驱动模块236b用于接收通信模块236a输出的驱动信号，并根据驱动信号驱动第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中的一者或多者运动。在一实施例中，驱动模块236b可以接收通信模块236a输出的pwm指令信号，并根据该pwm指令信号驱动实现第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中的一者或多者运动的电机，进而实现第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中的一者或多者的运动。在一实施例中，驱动模块236b可以为多轴驱动板卡，以同步驱动多个直流电机的运动。例如，多轴驱动板卡可以为五轴驱动板卡、六轴驱动板卡、七轴驱动板卡等。例如，驱动模块242为六轴驱动板卡(smcu，sixmotorcontrolunit)，用以驱动五个直流电机的运动，可以实现实现第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中的一者或多者的同步运动。

在一实施例中，驱动模块236b还可以监测第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中一者或多者的实时位置信息。具体来说，驱动模块236b还可以读取各电机的编码器信息，以获取第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中一者或多者的实时位置信息，并将该位置信息反馈给路径规划系统。

图9是本发明一实施例的路径规划系统的基本框图。请参考图9，路径规划系统250适用于如上所述的探测器支撑装置230，主要用于控制第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中一者或多者的运动，以将探测器220移动至目标位置。在一实施例中，路径规划系统250是通过输出控制信号，例如轨迹控制小点，至驱动系统236来实现控制第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中一者或多者的运动的。路径规划系统250可以包括位移量求解模块251、路径规划模块252和防碰撞检测模块253。

位移量求解模块251可以用于根据探测器220的目标位置确定第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中一者或多者的位移量。探测器220的目标位置可以采用如图1中所示的x-y-z坐标系中的坐标(m_x,m_y,m_z)来表示，其中，m_x表示探测器220中心点在x轴方向上的位置，m_y表示探测器220中心点在y轴方向上的位置，m_z表示探测器220中心点在z轴方向上的位置。第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235的位移量可以通过(y、α0、a、β0、x)来表示，其中，y为第一旋转组件232的中心轴与前端面231a的距离，α0为伸缩臂233的中心轴线与以第一旋转组件232的旋转轴与y方向确定的平面的夹角，a为伸缩臂233的长度，β0为探测器承载组件235承载探测器220后的成像平面与伸缩臂233的中心轴线的夹角，x为探测器220的中心点与以探测器220的中心点与伸缩臂233的中心轴线确定的平面的垂直距离。

由图3-图7所示出的各组件间的位置关系可以求得探测器220的目标位置(m_x,m_y,m_z)与第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235的位移量的函数关系，例如根据几何关系得到如下所述：

其中，gantrytoiso为第一平移组件231的参考零点(即前端面231a)到等中心点的y轴方向距离，如图3所示；arm1toiso为第一旋转组件232的中心轴到等中心平面的z轴方向距离，如图3所示；elbowtopanelcenter为第二旋转组件234的中心轴到探测器220中心点的y轴方向距离，如图3所示；elbow2paneltop为第二旋转组件234的中心轴到探测器220探测面的z轴方向距离；l为等中心平面距离放射源中心的距离，优选地为100cm，如图7所示。本领域技术人员应可以理解，还可以通过齐次坐标矩阵计算得到上述函数关系(1)。

由函数关系式(1)可知，探测器220在x轴方向的位置m_x由探测器承载组件235的位移量唯一确定，而探测器220在y轴与z轴方向的位置m_y、m_z由第一平移组件231、第一旋转组件232和伸缩臂233这三个组件的位移量共同确定。因此，对于探测器220的一个目标位置(m_x,m_y,m_z)，由函数关系式1逆向求解出的结果是多解的。

为了得到方程最优解，位移量求解模块251可以依据以下边界条件对计算结果进行自动优化选择：

(1)伸缩臂233不能与收容孔120发生碰撞。如果在收容孔内的伸缩臂233的长度较长的情况下，第一旋转组件232的运动位移量较大时，可能会导致伸缩臂233与收容孔120发生碰撞；

(2)使探测器支撑装置230的几何刚度最大化，以减小重力弹性变形引起的定位误差。探测器支撑装置230的几何刚度主要由伸缩臂233的伸出长度决定，伸缩臂233的伸出长度越短，探测器支撑装置230的几何刚度越大。

图10是本发明一实施例的各运动组件位移量的逆向求解方法的基本流程图。请参考图10，各运动组件位移量的逆向求解方法3包括：

步骤31：接收探测器220的目标位置。

步骤32：检测目标位置是否在射野范围内，若否，则跳转至步骤33；若是，则执行步骤34。

步骤33：优化结束。

步骤34：设定预定位移量a。为使探测器支撑装置230的几何刚度最大化，在首次执行该步骤时，使a取其运动范围的最小值。

步骤35：根据探测器220的坐标与第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235的位移量之间的关系(例如式1)求解(y、α0)，以求得第一平移组件231和第一旋转组件232的位移量。

步骤36：对解析结果(a、y、α0)进行运动范围检测。若解析结果(a、y、α0)不在运动范围，说明解析结果不合理，执行步骤38，以进行下一次的求解；若解析结果(a、y、α0)在运动范围内，说明解析结果合理，执行步骤37，以进行后续的检测。

步骤37：对解析结果(a、y、α0)进行防碰撞检测。若解析结果不能通过检测，说明解析结果不合理，执行步骤38，以进行下一次的求解；若解析结果能够通过检测，说明解析结果合理，执行步骤39。其中防碰撞检测可以利用防碰撞检测模型来进行检测，其可以采用如下原理来实现：根据求解出的位移量(y、a、x、α0、β0)计算探测器支撑装置230的整体外形与收容孔120的内壁的相对位置，以检测是否会发生碰撞。

步骤38：使伸缩臂233的运动位移增加δs，并返回步骤34。此时，a＝a+δs，其中，等号左边的a为下一循环的伸缩臂233的位移量，等号右边的a为当前循环的伸缩臂233的位移量。

步骤39：输出最优解析结果(y、a、x、α0、β0)。其中，根据式1可知，x＝m_x，β0＝α0。

路径规划模块252可以根据位移量求解模块251求解出的位移量进行探测器支撑装置230的运动路径规划。路径规划模块252即用于实现第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235的同步协调运动，以将探测器220移动至目标位置。

在探测器220的实际摆位过程中，如果第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233的运动位置与速度协调不好，会导致伸缩臂233在摆位过程中与收容孔120发生碰撞，损坏探测器支撑装置230。为了避免摆位过程中的碰撞风险，现有的探测器220摆位过程一般采用分步运动控制方式，即先将伸缩臂233从收容孔120内平移出来，然后再控制第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235的运动。这种分步控制方式虽然可以避免碰撞风险，但是会导致探测器220摆位与回收时间过长，影响工作效率。

为了解决上述问题，路径规划模块252可以对第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235的运动路径进行自动优化，并对摆位过程中的轨迹点进行实时控制，实现第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235同步联动摆位，缩小探测器220的摆位与回收时间，同时能够避免探测器支撑装置230与收容孔120发生碰撞。

在一实施例中，路径规划模块252在进行路径规划时可以包括如下步骤：

a.将位移量(y、α0、a、β0、x)分配到m个子区间，m＝1,2,…，每个子区间的边界点为路径规划的控制节点。其中，分配到每个子区间的位移比例可以自适应调整。优选地，可以将位移量(y、α0、a、β0、x)均匀分配到m个子区间。如果规划路径上存在碰撞风险，则增加第一平移组件231与伸缩臂233在前面子区间(即m值较小的子区间)的位移比例权重，并降低第一旋转组件232在前面子区间的位移比例权重。其中，每个控制节点包含的信息有：第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中一者或多者到达节点的时间、预设目标位置、预设速度和预设加速度。

b.将控制节点pi对应的位置信息代入到防碰撞检测模型，检测探测器支撑装置230是否会与收容孔120发生碰撞，若会发生碰撞，则返回步骤a，若不会发生碰撞，则将控制节点pi表示的路径作为最佳路径输出。

在另一实施例中，路径规划模块252在进行路径规划时可以包括如下步骤：

a.将位移量(y、α0、a、β0、x)分配到m个子区间，m＝1,2,…，每个子区间的边界点pi为路径规划的控制节点，如图11所示，其中，分配到每个子区间的位移比例可以自适应调整。优选地，可以将位移量(y、α0、a、β0、x)均匀分配到m个子区间。如果规划路径上存在碰撞风险，则增加第一平移组件231与伸缩臂233在前面子区间(即m值较小的子区间)的位移比例权重，并降低第一旋转组件232在前面子区间的位移比例权重。

b.为了对探测器220摆位过程中的轨迹点进行实时控制，轨迹规划模块252使用连续轨迹控制模式(pt模式)对每个子区间的运动路径进行轨迹规划，即在每个子区间内生成一个或多个轨迹控制小点cpi，如图11所示。优选地，可以每隔20ms在子区间内生成一个轨迹控制小点cpi。每个轨迹控制小点cpi包含的信息有：第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中一者或多者到达轨迹控制小点的时间ti,轨迹控制小点的预设目标位置posi，轨迹控制小点的预设速度veli，轨迹控制小点的预设加速度acci。

c.对探测器220摆位过程中的路径进行防碰撞检测。对于一条规划运动路径，将路径上的所有轨迹控制小点cpi对应的位置信息均代入防碰撞检测模型，检测探测器支撑装置230是否会与收容孔120发生碰撞。如果路径上的所有轨迹控制小点cpi对应的位置信息都能通过防碰撞检测，则认为探测器支撑装置230在进行多组件联动摆位过程中，不会出现碰撞风险，并把当前路径作为最优路径输出；如果防碰撞检测结果失败，则认为当前规划路径存在碰撞风险，不是最优路径，返回步骤a,对探测器支撑装置230的运动路径重新优化分配。

防碰撞检测模块253可以根据探测器支撑装置230与收容孔120的位置关系建立碰撞模型，以检测支撑装置230的规划路径运动时，是否会与收容孔120发生碰撞。在一实施例中，防碰撞检测模型可以采用如下原理来实现：根据求解出的位移量(y、a、x、α0、β0)计算探测器支撑装置230的整体外形与收容孔120的内壁的相对位置，以检测是否会发生碰撞。在另一实施例中，防碰撞检测模块253还可以根据探测器支撑装置230与放疗设备1的治疗床20的位置关系建立碰撞模型，以检测支撑装置230的规划路径运动时，是否会与治疗床20发生碰撞。例如通过计算探测器支撑装置230与治疗床20的位置是否会发生重叠，从而确定是否会发生碰撞。

概括而言，对于探测器220的一个目标位置(m_x,m_y,m_z)，探测器支撑装置230的摆位控制流程如下所示：

1)探测器支撑装置230中第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235位移量的逆向求解与优化：对于探测器220的预设目标位置(m_x,m_y,m_z)，位移量求解模块251确定第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235的最优位移分解量y、α0、a、β0、x；

2)探测器支撑装置230摆位路径自动优化与轨迹规划：在确定第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235各自的最优位移分解量y、α0、a、β0、x后，路径规划模块252确定探测器支撑装置230摆位的最优规划路径，以及优化路径上的轨迹控制参数。在该优化路径下，第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235同步联动摆位，最小化探测器220的摆位与回收时间，同时避免探测器支撑装置230在摆位过程中与收容孔120发生碰撞；

3)实时摆位运动控制：在确定第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235的优化运动路径以及规划路径上的轨迹控制参数后，路径规划系统250开始执行探测器支撑装置230的摆位控制。

3a)探测器支撑装置230摆位过程中，路径规划系统250每隔一预定时间发送一个控制节点或轨迹控制小点cpi给通信模块236a，控制节点和轨迹控制小点cpi分别包含第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235的实时运动控制参数，其中包括预设运动时间，预设目标位置，预设速度，预设加速度；

3b)在得到路径规划系统250下发的控制节点或轨迹控制小点cpi(ti,posi,veli,acci)后，通信模块236a负责根据运动轨迹计算第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中的一者或多者运动的驱动信号，并将驱动信号输出给驱动模块236b，例如执行电机位置环、速度环、电流环控制的pid计算，并输出pwm指令信号给驱动模块236b。

3c)在得到通信模块236a下发的驱动信号后，驱动模块236b负责根据驱动信号驱动第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235中的一者或多者运动，例如输出pwm控制信号，驱动第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235同步运动，完成轨迹控制命令。从而实现控制第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235在ti-ti-1时间间隔内,以预设速度veli、预设加速度acci，到达轨迹预设目标位置posi。

在执行完规划路径上的所有控制节点pi和轨迹控制小点cpi(ti,posi,veli,acci)后，第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235的运动位移分别为y、α0、a、β0、x，此时探测器220正好达到摆位目标位置(m_x,m_y,m_z)，完成探测器220的摆位控制流程。

同样地，在探测器支撑装置230的收回过程时，第一平移组件231、第一旋转组件232、伸缩臂233、第二旋转组件234和探测器承载组件235沿着原优化路径逆向运动，即可以实现探测器支撑装置230多组件件联动同时收回，并避免探测器支撑装置230与收容孔120发生碰撞。

上述路径规划系统250也适于对其它结构的探测器支撑装置的移动路径进行规划。例如，位移量求解模块251根据探测器的目标位置求解探测器支撑装置的各组件的位移量，利用路径规划模块252根据位移量求解模块251求解出的位移量进行探测器支撑装置的路径规划。在需要进行防碰撞检测的情况下，路径规划系统250还可以包括防碰撞检测模块用于防碰撞检测。通过本发明实施例中的路径规划系统250可以实现不同探测器支撑装置的路径规划。

另外需要说明的是，在本申请的上下文中所述的“垂直”、“平行”并非仅限定于理论上的垂直、平行，而是可以根据具体的场景具有一定的偏差，例如存在-0.3°～0.3°、-0.5°～0.5°、-1°～1°、-3°～3°、-5°～5°、-10°～10°的偏差均可以包含在本申请所述的“垂直”、“平行”的范围内。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。