专利名称：记忆合金驱动辐射调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电离辐射调制技术，特别是由记忆合金驱动的动态物 理调制技术和装置。
背景技术：
辐射调制是有效利用电离辐射的重要技术。被广泛使用的辐射治 癌，为了争取肿瘤的最大疗效和对正常组织的最小损伤，必须将辐射 剂量尽可能地控制在治疗靶区内，这就需要对射束进行调制。对于放 射治疗最常用的光子辐射(X线、Y线)治疗，需要根据三维剂量分 布的要求改变射束的强度分布，即对射束的强度进行调制，称调强放 疗。对于带电粒子辐射治疗，如电子、质子、离子射线治疗，需要根 据三维靶区的要求改变射束的射程分布，即对射束的能量进行调制， 称调能放疗。光子辐射治疗一直是放射治疗的主要形式，调强技术正 在迅速发展成放疗技术的主流。迄今实现调强的主要方法是使用多叶准直器。它通过多组成对的 准直器叶片运动，将射野分割为多数子野单元并控制其开闭，从而改 变各单元的积分通量达到调强效果。叶片由各自电机驱动，程控运行， 使调强放疗可以全程精确地自动化操作，这是多叶准直器调强的主要 优点，符合现代放疗精准化和规范化的要求，被各国放疗中心普遍接 受。多叶准直器调强被视为调强放疗的主流形式。但是，多叶准直 器调强实际是注量调制，并非强度调制。受单元开闭动作的限制，大 量子野被遮闭，辐射利用率低，照射时间长，辐射防护恶化，设备消 耗增加，还存在叶片间漏射等问题，这些都是多叶准直器调强的固有 缺点，致使调强放疗成为一种代价高昂的选择。另一种调强方式是使用补偿板(或调强板)，通称物理调强。调强 板是置于射野中的在二维分布上的变厚度衰减物实体。它通过衰减物厚度的变化，使射线相应衰减，调制射野强度。这种调强是辐射通量 调制，在射野内同时实现二维强度调制，因而效率高，照射时间短， 设备消耗低，且便于剂量验证。但是，调强板是静态的，需要为每个射野(通常5至9野)加工相应的调强板，并在每次治疗中依次安装 与更换。这些操作难于满足现代放疗精准化、规范化要求。尽管物理 调强优点突出，但加工与操作不便造成实施困难，迄今全世界只有个 别放疗中心采用。调强板数控加工和多板一体技术有利于物理调强的实施，但并未 消除其操作不便的根本缺点。以一组活塞塑型可变形混合物的技术，使调强板可调，但尚不能实现动态调强，且存在稳定性问题。 一种通 过压力调节注入低密度液体以改变毛细管内汞柱高度的方法能够实现 稳定的动态调强，但射线在毛细管壁的吸收或透射都会使放射剂量分 布变坏。此技术的发明者还提出了以放射低衰减棒组没入汞池，调节 棒的高度改变汞液厚度实现调强，虽然免除了管壁影响，但棒的形状 和运动的非发散性使射线半影增加，剂量分布变差，且驱动结构也比 较复杂，实施不易。显然，需要一种既具有高效调强性能又能实现全自动化操作的新 的调强技术方案和装置。发明内容为了消除多叶准直器调强的效率低下和叶间漏射等固有缺点，同 时完全避免静态物理调强的加工与更换等困难，消除物理调强技术的 上述缺点，本发明设计一种记忆合金驱动的动态物理调制器，既能实 现射野强度的高效调制，又属程控运行，实现全自动化操作，并能获 得较好的调强品质。本发明采用的技术方案包括1.液态调制用液体取代固体做射线衰减材料。利用液态调制 体形械辨可塑性使静态的固体调强变成动态的液体调强，完全免除了静态调强板的加工与更换困难问题。2. 固液界面整体塑型用射线透明的固体材料制成长棱柱体占 位棒。紧密组合的占位棒阵列端面与调强液密接形成固液界面。各占 位棒轴向受控位移，形成调强液塑型。由于是调强液整体塑型，没有 调制单元间的分割，不存在叶间漏射或子野间衰减而造成的放射剂量 不均匀。3. 射野发散模拟占位棒的形状、位置以及移动方向都按照放 射野的发散特性参数确定。采用发散模型可以减小半影，改善调强照 射剂量分布品质。4. 记忆合金驱动占位棒的轴向位移采用记忆合金驱动。记忆 合金驱动效率高、体积小、功耗低、可靠性高，适于组成大阵列程序 控制运行。5. 子野内集成设计调制子野的调制单元和驱动机构的全部器 件集成在子野本身的空间内，组成简单、紧凑的调制器结构。本发明所述动态物理调制器，能够实现射野场的高效能、全自动 调制。采用动态物理调制器做调强放疗或调能治疗，照射时间短、设 备利用率高、调制品质好，能够满足现代放疗对精准和操作规范化要 求，有利于调制放疗的推广。
下面结合附图对本发明进一步说明。图1是医用电子直线加速器配备辐射调制器侧视图。图2是外置式调制器结构示意图。 图3是滑轮阵列示意图 图4是调制单元组成示意图。 图5是调制器操作流程图。
具体实施方式
本发明所述动态物理调制器，是实现射野二维动态调制的一种新 的技术方案和装置，适用于应用电离辐射需要调制其辐射场强度分布 或辐射场射程分布的广泛场合。以下说明用于直线加速器放疗的外置 式调制器的具体实施方式
。对于其他应用场合，采用动态物理调制器 将有不同的具体实施方式
，不影响本发明主张的权利要求。1. 图1示外置式调制器用于光子射线调强治疗示意图。外置式调制器本体(10)通过适配器(11)装于医用电子直线加速器(12)机 头下，加速器固有准直器(13)远侧。加速靶(14)发出的光子射线 均匀射束(15)，经调制器后转变成调强射束(16)。本发明调制器也 可以制成内置式，位于加速器固有准直器近侧，并可以取代加速器的 固有准直器(13)的一层和补偿器(17)。2. 调制器本体(图2)包括以下主要部分顶板(21)、底版(22)、 调制单元(23)、驱动机构(24)、模式选择机构(25)、调强液(26)、 缓冲槽(27)及外壳(28)。3. 顶板和底板由耐辐射、高强度的硬质高分子材料制成。顶板和 底板及其连接构成调制器的刚性骨架。顶板和底板的中心区为滑轮阵 列(图3)，用以支持调制单元和驱动机构(图4)的空间排布。滑轮 阵列为蜂巢式平面排布(图3)。滑轮位于六角形过顶角中分线中心， 各滑轮相互平行排列。3.调制单元(图4)包括占位棒(41)和传动链(42)。占位棒 (41)由放射透明的弹性固体材料制成的六角棱柱体，略带锥度(依 射野发散参数确定)。占位棒的长度取决于剂量调制深度和调强液密 度，典型长度为50-70毫米。占位棒的截面尺寸取决于调强空间分辨 率。棒远端六角边长推荐值为2毫米，相当于投射到加速器等中心约 5"亳米分辨率。占位棒沿长轴近外缘处有相对的两个孔道， 一个将传 动链固定其中(43)，另一个供传动链自由通过(44)。传动链是由耐辐射高分子材料制成的闭环，穿过占位棒后，近侧环(48)和远侧环 (49)分别套在顶板和底版的对应滑轮槽中，由此确定占位棒的空间 位置和运动方向。4. 驱动机构(图4)包括记忆合金丝(45)、弹簧(46)及耦合 柱(47)。记忆合金丝安装在充硅油的导热绝缘材料管内，远端固定在 底板(22)某蜂巢单元中心，近端和弹簧串接后固定在顶板(21)的 相应蜂巢单元中心，组成驱动元件。驱动元件在脉冲驱动电流的作用 下做伸縮往复运动，每步行程3至6毫米。耦合柱(47)安装在串接 点，但能在传动链环平面方向移动使耦合柱偏右(传动链近侧环固定 端)或偏左(近侧环折反端)。耦合柱具有模式选择(下述)和单向传动 双重功能。单向传动是指当记忆合金丝收縮时耦合柱带动与之耦合的 传动链向远侧运动，记忆合金丝(在弹簧作用下)伸张时，耦合柱不 带动与之耦合的传动链运动。5. 每一子野的调制单元和驱动机构同轴配置，驱动机构处于轴 心，调制单元套轴滑动运行，全部器件集成在本子野的空间内。6. 模式选择可选择调制模式或复位模式。前者用于调制设置， 使占位棒前移(向远侧)；后者使占位棒后移(向近侧)，直至全部占 位棒返回零位，射野关闭。具体实施方法之一是采用模式选择板(25)。 模式选择板紧贴顶板(21)的下方(远侧)，与驱动机构耦合柱(47) 齐平。模式板厚度稍大于单步驱动行程，其中心区有与顶板对应的蜂 巢阵列通孔，驱动机构的耦合柱(47)和调制单元的传动链近侧环穿 行其中。模式板有调制和复位两档，前者使全部耦合柱偏右，后者使 全部耦合柱偏左，二者移位行程推荐值0.5至1.5毫米。7. 调制液调制器内腔下部(远侧)充满调制液(26)。用于调 强治疗的调制液为高密度流体，可选常温下液态的金属、合金、及复 合物，如汞、镓、铟、镓铟合金及钨粉混合液等。用于调能治疗的调 制液依射线种类和射线能量选择适当有效原子序数和密度的液体。8. 调制液存贮在液槽(27)内，液槽由耐辐射高分子材料制成。液槽密封底面(远侧)与底板(22)合为一体，能承受调制液压力并密封防漏；顶面中央部与占位棒(41)远段紧密配合，由棒体膨胀 压力防止调制液漏出。液槽具有缓冲结构，能抵消因调制状态改变，占 位棒突入调制液内的数量和深度变化，造成的压力改变，维持调制液 恒压。9. 驱动电路为了对可能多达64K的驱动机构进行选择性供电驱 动，采用矩阵电路，即对驱动机构矩阵的纵列单元与横行单元分别安 装线性开关电路，二者组成逻辑电路进行程控，可以显著降低控制量 和功耗。10. 本实施方式对一次n个射野的调强治疗过程如图5所示启 动调制器(Gl);输入各射野的调制目标数据矩阵Mi[x，y]，其中[x，y] 为子束单元的而维坐标，i为射野序号，i=l n (G2); Mi[x，y]经调制 器的控制电脑生成该射野的调制液厚度值矩阵ti [x，y]，再转换成该 野的驱动步数矩阵Si [x， y] (G3);调制治疗开始，调入i射野Si [x， y]， 模式选择转换至调制模式(G4);电脑扫描Si[x，y]，对于S〉0的单 元，驱动电路定点发出S个电流脉冲至相应调制单元的驱动机构(G5); 相应的SMA做S次往复动作(G6);占位棒向远侧(深入调制液)移动 S个步距(G7);驱动完成后，进入验证程序(G8);认可后启动照射，至预定放射量，加速器关断，本射野照射结束(G9);调制器自动转换至复位模式，启动复位操作，使全部占位棒向近侧移至零位，射野关闭，进入待命状态(G10);加速器机架辨至下一射野角，重复G4至G10， 催次进行下一財野调制照射，直至完成全部射野， 一次调制治疗结束。
权利要求
1. 一种记忆合金驱动的动态物理调制器，对电离辐射场进行二维动态调制；其特征是采用液态调制、固液界面整体塑型、射束发散模拟、记忆合金驱动、以及子束内集成设计。
2. 根据权利1所述的动态物理调制器，其特征是液态调制使用的 调强液为高密度流体，可选用常温下液态的金属、合金、及复合物。
3. 根据权利1所述的动态物理调制器，其特征是固液界面整体塑 型由射线透明的占位棒组与高密度的调强液组成可塑型的固液界面，生 成无分割整体调强体。
4. 根据权利1所述的动态物理调制器，其特征是按照放射束的发 散特性设计占位棒的形状、位置以及移动方向，以优化剂量调制品质， 实现发散射野调制。
5. 根据权利4所述的动态物理调制器，其特征是占位棒为略带锥 度的六角棱柱体。占位棒尺寸按调制分辨率确定，棱柱体锥度依射束发 散几何参数确定。
6. 根据权利4所述的动态物理调制器，其特征是占位棒由低密度 耐辐射弹性高分子固体材料制成。占位棒用泡沬材料制成实体，或用低 密高强材料制成空心体或蜂窝体。占位棒具有压縮/膨胀性，体积变形不 少于10%。
7. 根据权利4所述的动态物理调制器，其特征是占位棒经由传动 链与顶板和底板之相应滑轮连接。顶板和底板之蜂巢式滑轮阵列的排布 决定占位棒的空间位置和运动方向。
8. 根据权利1所述的动态物理调制器，其特征是记忆合金驱动采 用记忆合金主动器件与拮抗件组成驱动元件。驱动元件的主动器件是记 忆合金丝或记忆合金弹簧；拮抗件是记忆合金(丝或弹簧)或机械弹簧。
9. 根据权利要求8所述的动态物理调制器，其特征是，记忆合 金驱动元件以等步长的多步运动完成位移；耦合柱将驱动元件的往复 运动转变成单向运动并通过模式选择盘转变为占位棒的前移或返回。
10. 根据权利要求1所述的动态物理调制器，其特征是，子束内 集成设计将调制子束的调制单元和驱动单元同轴配置，全部器件集成 在子束本身的空间内。
全文摘要
本发明涉及电离辐射调制技术。调强治疗是当前放疗技术的主流，但现行的多叶准直器调强效能低，而静态物理调强操作不便不实用。本发明提出一种记忆合金驱动的液态塑型动态物理调强器，能够全自动、高效能运行。主要技术方案包括放射透明占位棒阵列与高密度调强液组成可变形固液界面，通过记忆合金程控驱动，实现液态调制体的无分割整体塑型；调制单元和驱动机构集成于其子野的空间内组成紧凑结构，并模拟发散射束以减小半影，提高调制高品质。本发明用于放射治疗射野调制，包括光子射线的调强治疗和带电粒子射线的调能治疗。
文档编号A61N5/10GK101271740SQ200710087128
公开日2008年9月24日 申请日期2007年3月22日 优先权日2007年3月22日
发明者曾宪文 申请人:曾宪文