4π多模态影像引导精确放射治疗系统的制作方法

本发明涉及一种肿瘤精确放射治疗系统，尤其涉及一种4π多模态影像引导精确放射治疗系统，属于放射治疗仪器技术领域。

背景技术

近一百年来，随着科学技术的不断发展，出现了很多针对肿瘤的精确放射治疗技术。例如，1915年出现了机械旋转聚焦照射，1951年医科达公司的伽玛刀采用固定角度入射实施立体定向放射治疗，1958年第一台具有影像引导功能的x-otronco-60治疗机问世，1994年安科锐公司将机械臂与紧凑型治疗头结合的射波刀系统投入临床应用，2001年基于常规治疗头的立体定向放疗设备brainlabnovalis投放市场，2003年医科达、瓦里安各自开发出容积调强设备，2003断层放疗设备tomotherapy出现，2007年带有ct功能的西门子治疗头问世，2017年，viewray核磁引导的治疗头临床应用。

在肿瘤精确放射治疗方面，有诸多需求需要满足。例如，由于肿瘤是全身性的，因此入射空间越大越好，空间大可以更好的安排射束。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。肿瘤位置、形状、大小各异，容积调强(体部肿瘤)和立体定向照射(头部、神经系统肿瘤)根据需求来定。此外，肿瘤周围是正常器官，在肿瘤治疗时，需要影像引导，避免对正常器官造成损伤。

在肿瘤的放射治疗方面，上述治疗设备各有优点，但同时也均存在不足。伽玛刀采用固定角度入射，灵活度很差，需要框架固定，并且只能照射头部肿瘤。射波刀的机械臂使其无法像治疗头那样实现容积调强和拉弧照射，落地式正交成像系统无法进行容积成像，机械臂运动范围限制和影像板怕高能射线照射等原因使治疗头的运动范围有限。医科达和瓦里安的机架只有一个旋转面，虽能开展容积调强，但灵活度差，非共面照射非常麻烦，同时治疗过程中无法实时监测成像。tomotherapy断层治疗，无法实现非共面、多角度入射，没有实时成像和运动管理功能。西门子带有ct功能的治疗头采用共轨分离式设计，治疗中无法成像，灵活度差，非共面照射不容易实现。viewray核磁引导的治疗头，采用环形机架，没有非共面入射，治疗头只有一个旋转面无法灵活修正射束和追踪照射肿瘤。

技术实现要素：

本发明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4π多模态影像引导精确放射治疗系统。

为了实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种4π多模态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，

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。

其中较优地，还包括设置在所述环形机架内侧的影像系统。

其中较优地，所述影像系统包括两个球管和两个影像板，两个球管分别设置在所述治疗头两侧；两个所述影像板分别设置在所述环形机架的底部内侧，并分别与所述球管正对。

其中较优地，所述影像系统是x光机、dr、ct、mri或pet中的任意一种或多种。

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治疗头或是用于产生高能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，在所述治疗头和/或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。

本发明所提供的4π多模态影像引导精确放射治疗系统中，环形机架中的内环可以绕环形机架的中心自转，并且环形机架可以整体绕旋转轴公转，多自由度机械臂联合环形机架运动可以自由达到指定位置，从而实现治疗头在4π空间中的灵活、大范围运动。此外，通过将影像系统固定在环形机架上并随环形机架旋转，多自由度机器人治疗床灵活、精准摆位，配合光学追踪系统，实现治疗头在4π空间中灵活运动和任意角度容积调强、拉弧照射、离散照射、四维照射、动态追踪等功能，以及影像系统的容积成像、交叉成像、四维成像、追踪成像等功能，可以实施四维高精确放疗，并且治疗范围可以覆盖全身各部位。

附图说明

图1是4π多模态影像引导精确放射治疗系统的结构示意图；

图2是图1所示4π多模态影像引导精确放射治疗系统中，环形机架的结构示意图；

图3是生成四维影像的流程图；

图4是四维精确放疗过程的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步地详细说明。

本发明所提供的4π多模态影像引导精确放射治疗系统，用于在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。

如图1所示，该4π多模态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3及影像系统，还包括多自由度机器人治疗床和光学追踪系统12。其中，环形机架设置在多自由度机器人治疗床的床头位置，光学追踪系统12设置在多自由度机器人治疗床的床尾位置。

具体来说，如图2所示，环形机架包括竖直设置的内环7、外环4和均匀设置在内环7和外环4之间的多个滚珠6，内环7、多个滚珠6和外环4整体构成一个类似于轴承的结构。内环7可以在外环4内部绕环形机架的中心轴发生±180°旋转，实现自转。内环7具有超出外环4的部分，并且，在内环7超出外环4的部分的外圆周表面设置有一圈外齿5，在环形机架的外部设置有电机9和驱动齿轮，驱动齿轮设置在电机9的驱动轴上，并与设置在内环7外圆周表面的外齿5啮合，从而驱动内环7发生旋转。电机9可以通过电机支架与外环4机械连接。环形机架通过竖直设置的旋转轴10与基座11连接，旋转轴10设置在外环4的底部，旋转轴10设置在基座上。环形机架(包括内环、外环、轴承及驱动内环自转的电机等)可整体绕旋转轴10旋转(实现公转)。在基座11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10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、治疗头3和影像系统，多自由度机械臂1的固定端固定在内环7的顶部内侧，多自由度机械臂1的自由端设置有治疗头3。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3送达指定位置。多自由度机械臂1可以自由调整治疗头3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7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10实现公转。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3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3，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3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。

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。

影像系统分布在环形机架中内环7的内侧，实现多模态成像，用于治疗前的影像引导摆位、治疗中的实时追踪，以及为剂量计算提供三维、四维容积影像。在图1和图2所示的实施例中，在内环7的内侧设置有两个球管2和两个影像板8，两个球管2分别设置在治疗头3两侧；两个影像板8分别设置在内环7的底部内侧，并分别与球管2正对。影像系统可以是x光机、dr、ct、mri或pet中的任意一种或多种。影像系统既可以随环形机架旋转实现容积成像，也可以固定在某一角度实现交叉成像。容积成像可以用于摆位、自适应放疗、剂量预测等，交叉成像可以用于摆位和治疗中的快速成像监测。

光学追踪系统12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12与影像系统配合，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3所示，光学追踪系统12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影像系统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4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3到达指定位置，实施4d精确放疗。

如图1所示，该4π多模态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。多自由度机器人治疗床具有多个自由度，例如具有4、5、6个自由度。多自由度机器人治疗床包括用于对床板13进行升降、平移和旋转处理的多关节支撑杆14，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13上保持不动，多自由度机器人治疗床用于患者精确摆位。结合光学追踪系统12和影像系统获得的4d影像，环形机架和多自由度机械臂1可带动治疗头3，对平躺在床板13上的患者实现精确放射治疗。在治疗头3和/或多自由度机器人治疗床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，本发明所提供的4π多模态影像引导精确放射治疗系统，通过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，配备多模态影像引导，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。

以上对本发明所提供的4π多模态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，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。