专利名称：热疗刀的制作方法
技术领域：
本发明属于医学领域，具体涉及一种热疗刀，即基于波在椭圆内反射模型的三维立体定向加温治疗方法及设备。
利用放射线治疗肿瘤已有数十年的历史，其中包括X线治疗机，各种粒子加速器，各种放射性同位素治疗系统，各种热疗机(以往的热疗主要使用微波加热，因此，习惯上常常把加温治疗也归入放疗范畴)，以及近年来出现的X刀、γ刀等。各种技术的原理总的来说(除利用电子、中子轰击肿瘤外)主要是以各种波长的电磁波和机械波将能量传输到肿瘤部位，以达到杀死肿瘤组织的作用。
传统的放疗设备主要存在以下缺点1、高能射线(指频率范围高于X射线的电磁波)能有效穿透人体达到肿瘤组织，但射线在杀死肿瘤细胞的同时也对正常组织造成一定的伤害，如何有效地降低放疗并发症，同时减少电离辐射对操作人员和环境的影响，仍旧是难解的课题。
2、X刀、γ刀能有效降低患者正常组织的受量，但γ刀价格昂贵，操作复杂，防护困难，而且要定期换源，维护起来相当困难；X刀则依赖于高性能的加速器，精确的治疗计划系统，它对治疗的质量保证和质量控制提出了非常高的要求，总之，X刀、γ刀系统在广大的基层医院推广受到诸多因素的限制。
3、热疗仪是利用微波、射频电流、超声波加热肿瘤组织的设备，但接触式的治疗探头只能作用于浅表的肿瘤组织，当它作用于深部时会引起严重的全身反应。
本发明的目的在于设计一种热疗刀，克服上述放疗设备存在的缺陷，从理论到实践上找到一种确实可行的方法，研制一种质优价廉，高效无害的治疗设备，为人类战胜肿瘤提供一种新的手段。
放疗的原理是将波的能量传送到肿瘤组织，使肿瘤组织发生一系列理化反应并导致其细胞死亡，以往的放疗让射线束穿透人体，因此，作用于肿瘤组织的射线能量只是射线总能量的一小部分。设想有一种装置，能够将辐射源的能量集中于很小的区域，这样，就可以有效杀死肿瘤，同时避免对正常组织的伤害。为此，研制一种数学模型，用于显示辐射源在一特定装置内其能量经多次弹性反射后的分布情况。经研究，发现当辐射源处于椭圆内部的某点时，其能量经过椭圆内壁反射，可汇聚于一点，形成一个能量相对集中的区域。
具体过程如下1、建立数学模型的前提1.1能量源均匀地向四周辐射，能量的衰减和距离的平方成反比；1.2这种波和物质的相互作用遵循弹性反射的原理；1.3假设波在均匀的介质内传输。
2、根据以上原则，用以下的数学语言表达源和椭圆形反射体。
假设辐射源所在的位置为(x,y)，过该点的每束射线为f(x,y)，那么，源可描述为 假设椭圆的内壁光滑，射线的入射角(指入射方向和该点切线的夹角)和反射角相等，我们可确定如下关系椭圆的长轴a，短轴b，焦点e，那么，椭圆可以表达为(x-x0)^2a^2+(y-y0)^2b^2=1......(2)]]>可以证明，过椭圆任何一点切线的斜率为k=-b.ctgθ/a(sinθ◇0)……(3)(证明过程略)，根据以上3式，可以得到在椭圆内任意一点的放射源所发出的射线同椭圆发生弹性反射后的运行轨迹，如
图1所示。
基于上述理论，用计算机编程，模拟辐射源和椭圆的相互关系，如图2所示。
改变辐射源的位置，观察基于不同位置的源反射后的能量分布情况，如图3、图4、图5、图6所示。
其中图3辐射源位于(330,250)时，能量的分布情况图4源位于(210,280)时，反射能散布于椭圆的右上角图5源位于(320,240)时，能量的分布情况图6源位于椭圆左焦点(200,240)时，能量集中于右焦点由图6可知，当辐射源处于椭圆的焦点时，能量集中于椭圆的另外一个焦点。假设这种波能够穿透人体，把照射靶区定位于椭圆的焦点处，另外一个焦点为辐射源，就可以有效地将辐射源能量集中于肿瘤部位。
3、源的选择波长大于紫外线的高能射线能有效穿透人体，但它和反射面的相互作用并不遵循可见光的反射定律，而是发生光电效应、康普顿散射和电子对效应；紫外线和可见光不能穿透人体，因此不能作用于深部组织；微波有一定的穿透性，遵循反射定律，热效应好，易于防护，因此，工作于300-500MHZ的微波是较好的能量源，缺点是微波的穿透深度不大，聚焦性能相对较差；超声的深部穿透性和能量聚焦性好，频率范围在0.5-5MHZ的起声已经被用于肿瘤的加温治疗，因此，超声是理想的能量源，但超声的最大局限是不能对有骨头和空气的部位有效加热。
通过控制源的辐射角度，可以任意改变靶区的形状，以适用于不同形状的肿瘤。
4、椭圆反射照射器的设计上述研究可使辐射源的能量汇聚于一点，其优点是可对深部肿瘤进行加热，同时避免周围组织的反应，但它加温面积有限，易产生热点引起局部疼痛。鉴于这种原因，椭圆反射照射器的内表面不应是球面，而是按一定规律排列的截面，每一截面反射的一束波近似平行地射向焦点方向，而不是汇聚于焦点，这样，就可以在焦点的周围得到能量相对集中、均匀的“焦斑”，能够有效克服局部热点的产生。图7反映的是焦斑的能量分布情况。
图7经过插值和钝化处理，通过该图可以清晰地表明，焦斑为右边深灰色区域，这一区域能量集中、均匀，不会形成高热点。
改变椭圆截面的大小可得到不同直径的焦斑，肿瘤的直径通常在0-20cm之间，考虑到亚临床灶的因素，在2cm以下的焦斑是没有意义的，因此，可以预先做好不同焦斑直径的反射环，从2cm开始，每隔0.5cm做一个，直到30cm，每个反射环宽0.5cm，然后把这样大约60个反射环压在一起，根据TPS的要求，在电脑的控制下切换不同直径焦斑的反射环。
上述反射照射器的设计方案采用椭圆柱体的反射器，其优点是工艺简单，在治疗过程中易于控制和处理；还可以采用椭球体的设计方案，椭球体的反射照射器可以进一步地将能量集中于一球形区域，同时减少对周围组织的影响，但球形的照射器制造工艺复杂，控制和对热剂量的处理相对较难。
5、测温系统精确的组织内无创测温技术还没有解决，加温热剂量学也有待于深入地研究。该系统用体模测出在不同功率、频率的辐射源照射下，不同时间、不同深度、不同组织的温度参数，从而得出一套经验公式，输入TPS系统，以决定肿瘤组织达到所需温度时，系统各部分的状态。
本发明的技术方案设计一个椭圆反射照射器，其中一焦点处安装辐射源，另一焦点处为照射靶区，三维治疗床将人体病灶区运动入照射靶区，控制系统根据治疗计划系统TPS给出的数据控制辐射源的开启、功率大小、辐射角度，不同焦斑反射环的切换以及治疗床的运动和在每一种状态下的驻留时间。
图1射线在椭圆内运行的示意2辐射源和椭圆的数学模型图3辐射源位于(330,250)时，能量的分布情况图4源位于(210,280)时，反射能散布于椭圆的右上角图5源位于(320,240)时，能量的分布情况图6源位于椭圆左焦点(200,240)时，能量集中于右焦点图7焦斑的能量分布图8本发明的示意图。
图中1辐射源(超声发生器和微波发生器)、2椭圆反射照射器、3三维治疗床、4控制系统。
下面结合附图介绍本发明的实施方法热疗刀采用三维立体定向的治疗方式，它通过“切片步进”的方式达到三维立体定向治疗的目的，具体实施方法如下控制系统(4)输入详细的患者资料，从CT或MRI中提取患者体层所有的信息，包括肿瘤中心、范围，体表轮廓，周围组织轮廓等；TPS根据这些信息决定治疗床(3)的位置和在该体层的驻留时间，以及辐射源(1)的辐射角度、不同直径焦斑的椭圆环(2)的切换，一旦该体层肿瘤温度达到预定要求即进入下一层的治疗状态。
本发明具有以下优点1、能有效杀死肿瘤，同时降低对正常组织的损伤。以往的放疗设备，无论是外照还是近距离照射，主要能量被正常组织吸收，到达肿瘤组织的能量很少；而热疗刀利用椭圆反射聚焦虚拟了另外一个能量源，这样就可以不受放射源外形的限制，通过合理的治疗计划，将虚拟的能量源放在肿瘤的位置，实现理想的适形治疗；高能射线同样破坏正常组织的细胞结构，给接触射线的人带来难以预料的远期效果，而微波、超声波和物质的作用主要以热效应为主，除了治疗过程中的全身反应外，没有明显的副作用。
2、方案确实可行，制造成本低。热疗刀所涉及的各个系统都有成熟的技术可以采用，微波、超声波的产生与控制远比高能射线的产生要简单，因此可以极大的降低制造成本。
3、防护简单，对环境的污染小。相对于高能射线的防护标准，非常简单的屏蔽就可以防止微波和超声波的辐射，因此不会给周围环境造成污染。
权利要求
1.一种热疗刀，其特征在于利用椭圆反射聚焦虚拟另外一个能量源，将虚拟的能量源放在肿瘤的位置。
2.根据权利要求1所述的一种热疗刀，其特征在于选用微波和超声波作为辐射源。
3.根据权利要求1所述的一种热疗刀，其特征在于它由辐射源(1)、椭圆反射照射器(2)、三维治疗床(3)、控制系统(4)组成，辐射源(1)位于椭圆反射照射器(2)的其中一焦点，照射器(2)的另一焦点为照射靶区，控制系统(4)连接辐射源(1)、椭圆反射照射器(2)和三维治疗床(3)。
4.根据权利要求2所述的一种热疗刀，其特征在于辐射源(1)包括微波发生器和超声发生器。
5.根据权利要求3所述的一种热疗刀，其特征在于控制系统(4)控制辐射源(1)的切换，反射照射器(2)的切换，治疗床(3)的运动。
全文摘要
本发明利用椭圆反射聚焦虚拟了另外一个能量源,不受放射源外形的限制,将虚拟的能量源放在肿瘤的位置,通过合理的治疗计划实现理想的适形治疗,有效杀死肿瘤,降低对正常组织的损伤。另外微波、超声波的产生与控制比高能射线的产生要简单,因此可极大的降低制造成本,并且简单的屏蔽就可以防止微波和超声辐射,不会给周围环境造成污染。
文档编号A61N7/00GK1307910SQ00112130
公开日2001年8月15日 申请日期2000年3月9日 优先权日2000年3月9日
发明者胡晓平 申请人:胡晓平