MRI影像引导精确放射治疗系统的制作方法

本实用新型涉及一种肿瘤精确放射治疗系统，尤其涉及磁共振 (MRI)影像引导精确放射治疗系统，属于医疗仪器技术领域。

背景技术：

MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像)具有非常好的软组织对比度，可以提供高质量的肿瘤软组织影像且无电离辐射风险，因此在放射治疗中具有明显的优势。MRI可以直接对靶区成像，而无需植入不透辐射的标记。MRI是一种非电离模式，这就意味着每次治疗都可以执行实时成像而不会给正常组织增加额外的剂量。某些器官如肝、乳腺和颅内，实质内肿瘤或肿瘤术后瘤床在其他影像中很难显示清楚，但在MRI影像中可能显示较好。因此，如果能够有效地将MRI 整合到放疗过程中，将开创一个影像引导的新局面。

Dempsey等(2005)、Fallone等(2007)、Lagendijk等(2008) 将放射诊断用的MRI设备直接安装到放疗设备的对面，先利用MRI成像进行引导摆位，然后退出MRI再进行放射治疗。2012年，美国ViewRay 公司研发的MRI影像引导的放疗系统ViewRay获得美国FDA510(K) 认证，2016年8月，完成CFDA产品注册。2017年，在维也纳举办的第36界Estro大会上，瑞典Elekta公布MRI影像引导的放疗系统 UNITY。目前，全球MRI引导的放疗设备已装机7台，待安装的约20 台。MRI影像引导是放疗发展的趋势，是现有X线、超声影像引导的重要补充。

现有技术中，将MRI设备直接装到加速器放疗室，治疗前MRI成像引导摆位，然后退到原来位置，治疗中无法影像检测。同时，这种布置占用房间空间较大，坐标系也不统一，容易引入更多的误差。美国ViewRay公司研发的MRI影像引导的放疗系统，是将钴-60、加速器固定安装到环形机架上，只能绕环运动，同时基座也无法旋转，无法实现立体定向运动和非共面照射，功能单一。瑞典Elekta的UNITY 放疗系统，治疗头固定在环形机架上，照射只能围绕患者进行共面照射，灵活性差。同时该系统只配备了多叶准直器，无法有效开展立体定向放射治疗。

肿瘤是全身性的，因此入射空间越大越好。由于肺、肝脏、胰腺等部位肿瘤受呼吸运动影响，治疗头需要灵活运动来追踪肿瘤。头部、神经系统肿瘤，需要利用圆形准直器开展立体定向放疗系统，因此要求治疗头的准直器可换。这几种设备均不具备这个功能。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种用于肿瘤精确放射治疗的MRI影像引导精确放射治疗系统。

为了实现上述技术目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种MRI影像引导精确放射治疗系统，包括环形机架、多自由度机械臂和治疗头，还包括连接在所述环形机架一侧的磁共振影像系统；

其中，所述环形机架包括内环和外环；

所述多自由度机械臂的固定端固定在所述内环的顶部内侧，所述多自由度机械臂的自由端设置有治疗头；

所述外环的底部设置有旋转轴，所述旋转轴设置在基座上；

所述内环可在所述外环内绕所述环形机架的中心旋转，并且，所述环形机架可整体绕所述旋转轴旋转；

所述磁共振影像系统呈环形布置，所述磁共振影像系统与所述外环固定；在所述环形机架的内环发生自转时，所述磁共振影像系统不发生旋转；当所述环形机架整体绕所述旋转轴旋转时，所述磁共振影像系统与所述环形机架一并旋转。

其中较优地，所述磁共振影像系统通过连接环与所述外环的侧面固定。

其中较优地，环形机架还包括均匀设置在所述内环和所述外环之间的多个滚珠。

其中较优地，还包括光学追踪系统，所述光学追踪系统用于获取体表标记的运动信息，建立体表运动模型。

其中较优地，所述光学追踪系统包括红外光学相机或激光扫描相机。

其中较优地，所述多自由度机械臂具有3到6自由度。

其中较优地，所述治疗头是钴-60治疗头或是产生高能X射线、高能电子线、质子、重离子的加速器。

其中较优地，还包括多自由度机器人治疗床。

其中较优地，所述多自由度机器人治疗床具有三个平移和三个旋转的自由度。

其中较优地，在所述治疗头和所述多自由度机器人治疗床上安装有用于避碰的激光雷达。

本实用新型所提供的MRI影像引导精确放射治疗系统，把磁共振影像系统、环形机架、多自由度机械臂和治疗头整合到一个系统中，用于在4π入射空间中实施MRI影像引导下的常规放疗和立体定向放疗等精确放射治疗。环形机架中的内环可以绕中心自转，并且环形机架整体可以绕旋转轴公转，具有两个自由度。多自由度机械臂与整个环形机架相连构成组合运动机构，多自由度机械臂有多个关节，可以很灵活和精准的到达指定位置。MRI具有3维容积成像和2维平面成像功能，在治疗过程中能够连续成像和监测肿瘤的动度，为精确放射治疗提供影像引导。这种治疗系统，将MRI影像系统与环形机架构成一个整体，不仅占用空间小，而且，成像系统和治疗设备都设置在同一个坐标系中，可以有效避免两个独立设备使用时造成的系统误差，更突出的优势是可以实现治疗中的实时和监测成像。

附图说明

图1是MRI影像引导精确放射治疗系统的结构示意图；

图2是四维影像的生成过程流程图；

图3是四维精确放疗过程的原理性示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术内容做进一步地详细说明。

本实用新型所提供的磁共振(MRI)影像引导精确放射治疗系统，用于在MRI影像引导下，在4π入射空间中实施肿瘤的图像引导调强放射治疗、容积调强放射治疗、立体定向放射治疗、4D放射治疗、自适应放射治疗等精确放射治疗。MRI影像系统具有3维容积成像和2维平面成像功能，可以引导摆位，在治疗过程中能够连续成像和监测肿瘤的动度，为精确放射治疗提供影像引导。

如图1所示，本实用新型所提供的MRI影像引导精确放射治疗系统包括环形机架、设置在环形机架上的多自由度机械臂1、治疗头2 和设置在环形机架一侧的磁共振影像系统3；磁共振影像系统3呈环形布置，磁共振影像系统3与环形机架的外环5连接，并且，磁共振影像系统3和外环5组成两个连接在一起的环。该MRI影像引导精确放射治疗系统还包括多自由度机器人治疗床12和光学追踪系统11。其中，环形机架5设置在多自由度机器人治疗床12的床头位置，光学追踪系统11设置在多自由度机器人治疗床12的床尾位置。

环形机架具有双重功能，一是内置磁共振成像系统3，实现MRI 成像；二是作为一个可以自转和公转运动的治疗机架，携带治疗头2 实现4π入射空间中的运动。具体来说，环形机架包括前后两部分，其中，前半部分包括由内环15、外环5和滚珠6组成的轴承结构，用于承载多自由度机械臂1和治疗头2；后半部分用于承载磁共振成像系统3；磁共振成像系统3和外环5通过连接环7实现连接。

如图1所示，环形机架包括竖直设置的内环15、外环5和均匀设置在内环15和外环5之间的多个滚珠4，内环15、多个滚珠4和外环 5整体构成一个类似于轴承的结构。内环15可以在外环5内部绕环形机架的中心轴发生±180°旋转，实现自转。内环15具有超出外环5 的部分，并且，在内环15超出外环5的部分的外圆周表面设置有一圈外齿6，在环形机架的外部设置有电机8和驱动齿轮，驱动齿轮设置在电机8的驱动轴上，并与设置在内环15外圆周表面的外齿6啮合，从而驱动内环15发生旋转。电机8可以通过电机支架与外环5机械连接。环形机架通过竖直设置的旋转轴9与基座10连接，旋转轴9设置在外环5的底部，旋转轴9设置在基座10上。环形机架(包括内环 15、外环5、滚珠及驱动内环15自转的电机8等)可整体绕旋转轴9 旋转(实现公转)。在基座10的内部或底部安装有小型电机、减速器、齿轮或传动带等驱动装置，用于驱动旋转轴9带动环形机架实现公转。

环形机架用于支撑多自由度机械臂1和治疗头2，多自由度机械臂1的固定端固定在内环15的顶部内侧，多自由度机械臂1的自由端设置有治疗头2。多自由度机械臂1具有多个关节，可以实现伸缩、旋转等多种运动，具有非常好的灵活性，多自由度机械臂1联合环形机架运动，可以将治疗头2送达指定位置。多自由度机械臂1可以自由调整治疗头2的入射方向，任意一角度拉弧运动，4π空间离散式节点运动，极大地增大了入射的范围、角度、灵活性。此外，多自由度机械臂1可以伸展到外侧，更换准直器。同时，多自由度机械臂1可以灵活、高速的动态运动，也可以按照数学模型追踪动态肿瘤。

环形机架具有2个自由度，环形机架的内环15可以绕环形机架的中心实现自转，并且，环形机架整体可以绕旋转轴9实现公转。这样环形机架可携带治疗头2绕中心轴的共面和非共面运动，实现常规C 臂加速器的照射功能。环形机架与多自由度机械臂1相结合构成运动机构控制治疗头2的运动，可以实现非常多的照射方式，治疗范围覆盖全身。选用紧凑型治疗头2，体积小，可以更加灵活地到达指定位置和完成高度复杂的运动。结合环形机架和多自由度机械臂的综合运动，治疗头2可以在4π空间中定点入射、任意角度拉弧照射(绕患者360°)、任意角度容积调强、4π空间立体定向照射、动态追踪照射。

多自由度机械臂1与环形机架相连，环形机架可绕旋转轴9旋转和多自由度机械臂1可节点、拉弧运动，解决了治疗头多2功能和灵活运动的问题，既实现常规加速器的绕轴旋转运动功能，又实现类似射波刀、伽马刀、X刀立体定向放射治疗的功能。多自由度机械臂1 有多个关节，特点是灵活、重复精度高、可靠。多自由度机械臂1与 MRI影像系统3结合，实现MRI影像引导下的立体定向放射治疗。多自由度机械臂1与小型治疗头2相连，可以携带治疗头2实现节点式照射、拉弧照射、动态追踪照射。多自由度机械臂1的引入，大大增加了照射的灵活性和运动范围，实现核磁引导下的机器人放射治疗。多自由度机械臂1可以灵活的抓取物体，实现准直器的机械臂自动更换。环形机架与机械臂联合运动，范围达到4π。

治疗头2固定在多自由度机械臂1的前端，体积小，运动灵活。治疗头2可以是Co-60治疗头，也可以是用于产生高能X射线、高能电子线、质子、重离子的小型加速器。治疗头2设置有准直器系统，用于形成所需的射野大小和形状，如圆形射野、矩形射野，可以开展基于圆形准直器的立体定向放射治疗，也可以开展基于多叶准直器的静态调强、动态调强、容积调强、断层放疗、弧形照射等。

磁共振影像系统3设置在环形机架的一侧，具体来说，磁共振影像系统3通过连接环7与环形机架的外环5的侧面固定。磁共振影像系统3具有3维容积成像和2维平面成像功能，可以引导摆位，在治疗过程中能够连续成像和监测肿瘤的动度，为精确放射治疗提供影像引导。磁共振影像系统3与环形机架5的外环固定，在环形机架5的内环发生自转时，磁共振影像系统3不发生旋转；当环形机架5整体绕旋转轴9旋转时，磁共振影像系统3与环形机架5一并旋转。在环形机架的带动下，磁共振影像系统3可以实现MRI多角度成像。这种将磁共振影像系统3和环形机架结合的设计，使得环形机架的结构十分紧凑，同时将成像系统和治疗设备都设置在同一个坐标系中，可以有效避免两个独立设备使用时造成的系统误差，更突出的优势是可以实现治疗中的实时和监测成像。

光学追踪系统11包括红外光学相机或激光扫描相机等，用于获取设置在肿瘤病变位置的体表标记(也称光学标记)的运动信息，追踪体表标记的运动，检测患者动度和建立体表运动模型。光学追踪系统 11与MRI影像系统3配合，完成4D影像的获取和4D动态追踪照射。

4D影像的获取过程如图2所示，光学追踪系统11获取光学标记的运动信息和时间信息，并提供带有时间信息的体表运动模型，同时环形机架旋转带动磁共振影像系统3获取患者体内标记的三维影像信息，两者同步将获取的信息传输给影像处理单元，并使信息相关联，从而得到一个带有时间信息的三维影像，即获得4D影像。影像系统的应用，免去了使用框架和有创颅钉固定患者，同时大大提高了精度。 4D动态追踪照射的实现过程如图3所示，结合上述4D影像，环形机架和多自由度机械臂1带动治疗头2到达指定位置，实施4D精确放疗。

如图1所示，该MRI影像引导精确放射治疗系统还包括多自由度机器人治疗床12。多自由度机器人治疗床12具有多个自由度，例如具有4、5、6个自由度。多自由度机器人治疗床12包括用于对床板进行升降、平移和旋转处理的多关节支撑杆13，可以实现6自由度(三个平移和三个旋转)、灵活的移动和位置误差修正。患者平躺在床板上保持不动，多自由度机器人治疗床12用于患者精确摆位。结合光学追踪系统11和MRI影像系统获得的4D影像，环形机架和多自由度机械臂1可带动治疗头2，对平躺在床板上的患者实现精确放射治疗。在治疗头2和/或多自由度机器人治疗床12的多个位置可以安装用于避碰的激光雷达，用于保护患者和设备免受碰撞，激光雷达是一种主动安全装置。

综上所述，本实用新型所提供的MRI影像引导精确放射治疗系统，通过将环形机架和多自由度机械臂组合实现治疗头在4π空间中的灵活、大范围运动，配备MRI影像引导，可以实施肿瘤的图像引导调强放射治疗、容积调强放射治疗、立体定向放射治疗、4D放射治疗、自适应放射治疗等精确放射治疗。在上述治疗系统中，将MRI影像系统集成到环形机架内，与治疗系统构成一个整体，不仅占用空间小，而且，成像系统和治疗设备都设置在同一个坐标系中，可以有效避免两个独立设备使用时造成的系统误差，更突出的优势是可以实现治疗中的实时和监测成像。MRI能够提供三维的容积成像和平面成像，引导摆位。并且，MRI影像无辐射性，在治疗过程可以不间断连续成像，实时监测肿瘤的位置和动度。

以上对本实用新型所提供的MRI影像引导精确放射治疗系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本实用新型实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本实用新型专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。