一种用于放射治疗机的多叶准直器的制作方法

1.本实用新型属于放射治疗设备领域，具体涉及一种放射治疗当中使用的多叶准直器。


背景技术：

2.多叶准直器一般由多对钨制的叶片组成，通过计算机控制电机驱动各叶片运动，形成放疗计划设计的各种射野形状。多叶准直器是目前高端医用直线加速器的标准配置，也是实现包括调强放射治疗(imrt)和容积旋转调强放疗(vmat)在内的各种先进放疗技术的基础。多叶准直器的叶片宽度、叶片速度、半影宽度、穿射和漏射等性能显著影响放疗计划的质量，其中多叶准直器叶片端面的设计是影响束流半影宽度的重要因素。早期的多叶准直器叶片是直立端面。为保证射野半影基本不随叶片位置变化，叶片需沿以射线源为中心的圆弧型轨迹运动，从而使得无论处于任何位置，其叶片端面总是与原射线相切。上述圆弧形运动的自动控制较为困难，且需占用更多宝贵的机头空间，减小了加速器的治疗空间。
3.目前多叶准直器端面多采用弧形设计，叶片沿垂直于射线中心轴方向运动。通过合理地选择端面的曲率半径，可在叶片的全部直线运动行程中，使射线与端面的切弦长度近似保持不变，这样就可使射野半影基本上不随叶片位置变化而保持常数。
4.然而，对于这种多叶准直器叶片弧形端面设计，为了防止相对叶片的碰撞，通常会设置一个最小的叶片间隙，相对叶片无法闭合(最小叶片间隙的宽度因制造商而异。例如elekta agility多叶准直器投影到等中心平面的间隙为5mm，varian hd多叶准直器为0.5mm)。减小此最小间隙会增加相对叶片的碰撞风险，增大此最小间隙会导致相对叶片间辐射泄漏的增加。即使不考虑叶片碰撞风险，将此最小叶片间隙设置为零，相对叶片端面尖端能接触。但由于叶片的弧形端面设计，相对叶片对缝处的有效屏蔽厚度也远小于叶片本体，对缝下方的正常组织仍会接受不必要的照射。虽然照射野外这些叶片间隙可以被垂直于多叶准直器运动方向的次级准直器遮挡覆盖，但照射野内的这些无法遮挡或消除的叶片间隙会使间隙下方的正常组织接受不必要的照射。这种由于多叶准直器在射野内无法完全闭合造成下方正常组织受到不必要照射的情况在imrt，特别是vmat放疗计划中较为常见，限制了计划质量的进一步提高。
5.为减轻或避免这种问题，出现了多种新型多叶准直器设计，如双层/多层多叶准直器，由于不同层叶片可以相互交错叠合，可以使用下层叶片实现对上层闭合叶片对缝处的遮挡。但该设计相当于多个单层多叶准直器的组合，结构复杂，制造成本成倍增加，同时占用了更多的治疗头高度，减少了患者治疗摆位空间；另一种与此相关的多叶准直器设计是端面凸凹结构的多叶准直器，二者相对叶片端面都采用了互补的z型结构或偏置的凸凹结构，可以在叶片需要闭合时形成插指结构闭合，且结构相对简单，易于加工制造。然而，正是由于其相对叶片端面采用了互补的z型结构或偏置的凸凹结构，破坏了原有的对称的弧形端面，显著扩大照射野半影宽度，实用价值不高。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型提供了一种结构简单、制造成本低的新型多叶准直器系统，当一对叶片打开时能够自动保持叶片弧形端面，而当叶片闭合时又能让相对的叶片端面完全闭合，从而在不牺牲打开时多叶准直器半影性能的同时，有效克服闭合状态下多叶准直器叶片端面漏射的问题。
7.根据一示例性实施例，提供一种多叶准直器，其包括叶片驱动机构、叶片托架和多组准直器叶片，其中，所述叶片驱动机构配置为驱动所述准直器叶片进行运动，所述叶片托架为具有上下两层的结构，在所述叶片托架内设置有与所述叶片驱动机构耦合的套管运动滑孔并且在所述叶片托架的表面设置有与所述准直器叶片耦合的叶片运动滑槽，所述多组准直器叶片中的每个准直器叶片包括位于叶片尾部的叶片本体和位于叶片前部的多层结构，所述多层结构包括至少一个固定层和一个伸缩层，其中，所述固定层与所述叶片本体成为一体或与所述叶片本体刚性固定，所述伸缩层与所述叶片本体通过弹簧进行连接。
8.在一些实施例中，所述叶片驱动机构包括叶片驱动电机、具有外螺纹的叶片丝杆和具有内螺纹的叶片套管，其中，所述叶片驱动电机固定在所述叶片托架上，所述叶片丝杆一端穿过所述叶片套管嵌入到所述叶片托架的套管运动滑孔中，另一端与所述叶片驱动电机刚性连接，所述叶片丝杆的外螺纹与所述叶片套管的内螺纹相互啮合。
9.在一些实施例中，所述叶片套管包括套管主体和突出部分，所述套管主体配置为在所述套管运动滑孔内进行滑动，所述突出部分从所述叶片运动滑槽内伸出所述叶片托架表面，并嵌入到所述准直器叶片的叶片本体凹槽内。
10.在一些实施例中，所述准直器叶片的上下侧设置有运动导向结构，所述运动导向结构可嵌入所述叶片托架的上下两层中相应的叶片运动滑槽中并在所述叶片驱动机构的驱动下沿着所述叶片运动滑槽进行运动。
11.在一些实施例中，位于所述多叶准直器同一侧的相邻的两个准直器叶片分别由固定在上层叶片托架的叶片驱动机构和固定在下层叶片托架的叶片驱动机构进行驱动。
12.在一些实施例中，所述多组准直器叶片包括相对设置的多组叶片对，每组叶片对包括可进行相对运动的第一叶片和第二叶片，并且所述第一叶片的伸缩层和固定层分别与所述第二叶片的固定层和伸缩层互为补充。如果第一叶片的伸缩层位于固定层上方，则第二叶片的伸缩层位于固定层下方；反之亦然。
13.在一些实施例中，所述固定层一侧设置有运动滑槽结构，所述伸缩层一侧设置有运动导向结构，所述伸缩层的运动导向结构可嵌入到所述固定层的运动滑槽结构内并可沿所述运动滑槽结构进行运动。
14.在一些实施例中，在所述固定层一侧的运动滑槽结构设置有机械限位，使得所述伸缩层在所述弹簧的弹力作用下最大能运动到该机械限位所处的限位位置。
15.在一些实施例中，所述固定层的末端在射线源与多叶准直器中心的连线方向具有第一厚度，所述末端以外的固定层具有第二厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度。
16.在一些实施例中，所述叶片前部的多层结构包括多于2层的固定层和伸缩层，并且，所述固定层的整体厚度和伸缩层的整体厚度相等。
17.在采用了上述技术方案后，将准直器叶片的前部分层为固定层和伸缩层的多层结构，同时伸缩层与叶片本体通过弹簧进行柔性连接。在一对叶片从闭合到打开状态的转换
过程中，对侧固定层与本侧伸缩层脱离接触，本侧伸缩层在弹簧弹力的作用下自动向多叶准直器叶片前端方向运动，直到机械限位停止，从而在打开状态下多叶准直器叶片端面能自动保持与常规多叶准直器一样的弧形端面。在一对叶片从打开到闭合的转换过程中，本侧伸缩层与对侧固定层发生接触，伸缩层后端的弹簧可有效避免相对的固定层和伸缩层发生硬碰撞，对侧固定层将挤压本侧伸缩层后退，伸缩层后端的弹簧被压缩，相对叶片形成插指结构，叶片端面对缝至固定层前端增加的屏蔽范围内，从而有效降低闭合状态下多叶准直器叶片端面漏射。该技术方案简化了多叶准直器的整体结构，降低了制造成本，同时，这种包含叶片伸缩层的设计兼顾了多叶准直器叶片打开时的半影性能和闭合时的闭合屏蔽性能。
附图说明
18.通过结合附图对本实用新型实施例进行更详细的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同的部件。应该理解，图中显示的部件的尺寸和大小并不必然按比例绘制，它们可与这里显示的用于实施的实施例中的不同。此外，一些实施例可以结合来自两个或更多个附图的特征的任何合适组合。
19.图1示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器整体装配结构示意图；
20.图2示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器整体装配结构俯视图；
21.图3示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的叶片托架的结构示意图；
22.图4示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的叶片驱动机构的结构示意图；
23.图5示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的各部件装配结构侧视图；
24.图6示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的叶片的结构示意图；
25.图7示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的各对叶片打开时的结构状态侧视图；
26.图8示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的各对叶片打开时的结构状态俯视图；
27.图9示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的各对叶片打开时的立体结构示意图；
28.图10示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的各对叶片闭合时的结构状态侧视图；
29.图11示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的各对叶片闭合时的结构状态俯视图；
30.图12示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的各对叶片闭合时的立体结构示意图；
31.图13示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的各对叶片打开时的示意图；
32.图14示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的各对叶片闭合时的示意图。
具体实施方式
33.下面，将参考附图详细地描述根据本实用新型的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本技术的一部分实施例，而不是本技术的全部实施例，应理解，本技术不受这里描述的示例实施例的限制。
34.图1示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的结构示意图，图2示出相应准直器结构的俯视图。如图1和图2所示，多叶准直器包括相对设置的两个叶片组，其一般安装在放射治疗机的治疗机头内。一侧的准直器包括叶片托架100、叶片驱动机构200和多组准直器叶片300。相对侧的准直器包括叶片托架110、叶片驱动机构210和多组准直器叶片310。其中，叶片驱动机构200、210可配置为驱动准直器叶片300、310中的每个叶片单独运动，从而可根据不同的照射计划在等中心平面形成不同的射野。在一实施例中，准直器叶片300、310的末端具有弧形端面，保证其在叶片驱动机构210的驱动下进行直线运动时射野半影可保持恒定。叶片托架100同时与叶片驱动机构200和准直器叶片300耦合连接，以对驱动机构200和叶片300进行固定或运动支撑，从而实现射野轮廓的精确控制。
35.从图1-2可以看出，叶片托架具有前后两个托架部分，其通过螺母连接而构成一体的托架系统。图3示出了本实用新型一实施例的多叶准直器的叶片托架的前侧部分的结构示意图，结合图1和图3，可以看出，叶片托架100具有上下两层的结构，其包括上层叶片托架101和下层叶片托架102，并且在上下两层的叶片托架的内侧表面设置有与准直器叶片300耦合的叶片运动滑槽105、106，运动滑槽的内壁可加工为具有光滑表面，多叶准直器叶片300通过叶片上下侧的导向结构与相应运动滑槽105、106进行耦合连接并在滑槽内进行直线运动。类似地，叶片托架110包括上层叶片托架103和下层叶片托架104，并在上下两层的叶片托架的内侧表面设置有与准直器叶片310耦合的叶片运动滑槽107、108。同时，结合图1可以看出，多叶准直器的叶片托架的后侧部分也分为上下两层，并且在内侧表面也设置有叶片运动滑槽。此外，在叶片托架内还设置有与叶片驱动机构200耦合的套管运动滑孔，该套管运动滑孔沿着叶片运动方向贯通后侧叶片托架，其具体结构将在后面进行描述。
36.图4示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的叶片驱动机构的结构示意图。如图4所示，叶片驱动机构200包括叶片驱动电机201、叶片丝杆202和叶片套管203。其中，叶片驱动电机201固定在相应的叶片托架100上，叶片丝杆202具有外螺纹，其一端刚性固定连接到叶片驱动电机201并可随叶片驱动电机201在电脑等控制器的控制下按照一定的转速旋转，另一端可穿过叶片套管203而嵌入到叶片托架203的套管运动滑孔中。叶片套管203具有内螺纹，叶片丝杆202从叶片套管203内穿过并且叶片丝杆202的外螺纹与叶片套管203的内螺纹相互啮合，从而可将叶片丝杆202的旋转运动转化为叶片套管203的直线运动。
37.在一实施方式中，如图4所示，叶片套管可包括套管主体部分203和从一侧突出的套管突出部分204，套管主体部分203可配置为在套管运动滑孔内进行滑动，例如套管主体203的外径设置为与套管运动滑孔的内径相同，所述突出部分204可从叶片运动滑槽内伸出叶片托架表面，并与准直器叶片300的叶片本体302连接，例如该突出部分204嵌入到设置于叶片本体302中的凹槽内。采用这种结构，叶片套管203的直线运动将同时带动准直器叶片300进行运动。
38.图5示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的各部件装配结构侧视图。如图5所示，叶片托架300的上下层中设置有多个套管运动滑孔106，叶片丝杆202和叶片套管203
可组合置于叶片托架的相应套管运动滑孔106内。叶片套管的外侧突出部分204从叶片运动滑槽内伸出，并嵌入到多叶准直器叶片尾部的叶片本体302上部的凹槽内相互固定，从而将叶片驱动电机201和叶片丝杆202的旋转运动转化为叶片300的直线运动。通过调节叶片驱动电机201的旋转方向、速度和圈数，可对多叶准直器叶片本体302的运动方向、速度和运动距离进行精确控制。
39.图6示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的叶片的三维结构示意图，图中同时示出了驱动电机、丝杆和叶片套管的立体结构，各部件的装配关系可参考图4。如图6所示，每个准直器叶片包括叶片尾部的叶片本体302和叶片前部的多层结构，该多层结构至少包括固定层303和伸缩层304，其中，固定层303与叶片本体302刚性固定，或者固定层303与叶片本体302成为一体(例如一体成型加工得到)，伸缩层304与叶片本体302通过弹簧305进行连接。如图所示，伸缩层304的后端通过弹簧305在叶片尾部与叶片本体302连接，因此伸缩层在受到挤压力时(例如，相对的叶片闭合时)其将沿着叶片本体方向进行移动，而在挤压力消失时(例如，相对的叶片打开时)弹簧305将恢复至原始状态，并在该过程中伸缩层304在弹簧推力下向外移动。虽然图6中只示出了一个固定层303和一个伸缩层304，但本实用新型不限于此，叶片前部也可包括多个固定层和多个伸缩层，这将在后面进行描述。
40.为了控制伸缩层304的运动，在一实施例中，伸缩层304可沿着固定层303进行相对移动，如图6所示，在固定层303的一侧(即与运动导向结构301相对的一侧)可设置有运动滑槽结构308，同时在伸缩层304的一侧(下侧)设置有运动导向结构307，伸缩层304的运动导向结构307可嵌入到固定层303的运动滑槽结构308内并可沿所述运动滑槽结构308进行直线运动。
41.在一实施例中，在准直器叶片300的上下侧可设置有运动导向结构301，具体地，如图6所示，可在固定层303的下侧(即与相应叶片托架下层相邻的一侧)与伸缩层304上侧(即与相应叶片托架上层相邻的一侧)设置导轨等导向结构301，该运动导向结构301可嵌入叶片托架300的上下两层中相应的叶片运动滑槽中并在叶片驱动机构200的驱动下沿着叶片运动滑槽进行直线运动。
42.在一实施例中，固定层303的末端在射线源与多叶准直器中心的连线方向具有第一厚度，所述末端以外的固定层具有第二厚度，其中第一厚度大于所述第二厚度。如图6所示，固定层303的前端形成为加厚部分312，该加厚部分可为相对叶片闭合时提供额外的屏蔽。同时结合图1，该加厚部分的前端面与固定层303的端面形成一个平滑的弧形，并且其后端面呈和前端面呈现镜像的弧形。在一实施方式中，加厚厚度的最大厚度可以是固定层厚度的两倍，其长度应能覆盖一对叶片闭合时叶片所有伸缩层从叶片端面退回的最大距离，从而保证所有伸缩层与对侧固定层的端面对缝完全处于该加厚部的覆盖范围内，减少因端面对缝造成的屏蔽不足和穿射增加。
43.虽然图6中示出了伸缩层304位于固定层303的上方，本技术不限于此，根据伸缩层和固定层的相对位置设置，本技术的多叶准直器叶片有两种类型，一种伸缩层设置在上方，另一种则是固定层设置在上方，无论何种类型，固定层303和伸缩层304的厚度可设置为相等，以保证准直器在闭合和打开时相对的叶片各层之间不会发生冲突。在一实施例中，同一侧多叶准直器两种型号的叶片交替设置，对侧多叶准直器两种型号的叶片也是交替设置，并与相对的叶片形成互补关系，例如a侧奇数号叶片为伸缩层在上，偶数号叶片为固定层在
上，则b侧奇数号叶片为固定层在上，偶数号叶片为伸缩层在上。具体地，返回参照图5，位于同一侧的相邻的两个准直器叶片分别由固定在上层叶片托架的叶片驱动机构和固定在下层叶片托架的叶片驱动机构进行驱动。另外，返回参照图1，对于相对设置的多组叶片对中的每组叶片对，为了描述方便，每组叶片对包括可进行相对运动的第一叶片和第二叶片。该第一叶片的伸缩层和固定层分别与第二叶片的固定层和伸缩层互为补充，如图所示，位于a侧的第一叶片的伸缩层位于固定层上方，而相对的b侧的第二叶片的伸缩层位于固定层下方，反之亦然，即位于a侧的第一叶片的伸缩层位于固定层下方，则相对的b侧的第二叶片的伸缩层位于固定层上方。
44.继续参照图6，在一实施例中，在固定层303一侧的运动滑槽结构308的顶部设置有机械限位309，使得伸缩层304在弹簧305的弹力作用下最大能运动到该机械限位309所处的限位位置。具体地，相邻的伸缩层304与固定层303通过运动滑槽结构308和运动导向机构307连接，从而伸缩层304能在相邻的固定层303的运动滑槽结构308内进行直线运动，且伸缩层向叶片端面运动最大只能达到此限位位置，此时伸缩层304的端面311与固定层303端面310可以形成一个平滑的弧形端面。可以理解，弹簧腔的安装位置应保证叶片各层在任何情况下都嵌入到上下叶片托架的叶片滑槽中。即当叶片伸出至最大位置时，弹簧腔仍位于同侧叶片托架前端后侧。满足上述要求时，弹簧腔始终处于最大射野范围外，无需考虑弹簧腔所占用的空间所造成屏蔽不足和穿射增加。在满足上述条件的情况下，弹簧腔可尽量靠近叶片前端安装，从而减小伸缩层体积和重量，减少伸缩层在滑动过程中的摩擦阻力，减少对弹簧弹力的要求。
45.通过这种结构设计，在一对叶片从闭合到打开的转换过程中，例如对侧固定层与本侧伸缩层脱离接触，本侧伸缩层将受到弹簧弹力的作用，自动向多叶准直器叶片前端方向运动，直到机械限位位置停止，从而在叶片打开状态下多叶准直器叶片端面能自动保持与常规多叶准直器一样的弧形端面，即不会牺牲叶片打开时多叶准直器的半影性能。同时，在一对叶片从打开到闭合的转换过程中，本侧伸缩层与对侧固定层发生接触，伸缩层后端的弹簧将避免相对的固定层和伸缩层发生硬碰撞，对侧固定层将挤压本侧伸缩层后退，伸缩层后端的弹簧被压缩，相对叶片形成插指结构，叶片端面对缝至固定层前端增加的屏蔽范围内，从而有效降低叶片闭合状态下多叶准直器叶片端面漏射。
46.以下参照图7-12来对本实用新型的多叶片准直器的工作过程进行描述。图7示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的各对叶片打开时的结构状态侧视图，图8-9则分别示出相应的多叶准直器的各对叶片打开时的结构状态俯视图和立体结构示意图。如图7、8、9所示，在准直器的相对端的一对或多对叶片打开的情况下，两侧相对叶片300脱离接触，各自叶片300的伸缩层304在弹簧305的弹力作用下自动向叶片前端运动，并在机械限位309的作用下停止在叶片前端，并与固定层303端面共同形成平滑的弧形端面。弧形端面可使得在叶片的直线运动行程中射线与叶片端面的切弦长度近似保持不变，这样就获得较好的半影性能。
47.图10示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的各对叶片闭合时的结构状态侧视图，图11-12则分别示出相应的多叶准直器的各对叶片闭合时的结构状态俯视图和立体结构示意图。如图10、11、12所示，在准直器的相对端的一对或多对叶片闭合的情况下，一侧的伸缩层304将与对侧的固定层303发生接触，伸缩层304后端的弹簧305的缓冲性将避免
相对的固定层303和伸缩层304发生硬碰撞，对侧固定层303将挤压本侧伸缩层304后退，伸缩层304后端的弹簧被压缩，此时，相对叶片形成插指结构，叶片端面对缝至固定层前端增加的屏蔽范围312内，从而有效降低叶片闭合状态下多叶准直器叶片端面漏射。
48.图13示出根据本实用新型另一实施例的多叶准直器的各对叶片打开时的示意图，图14示出根据本实用新型一实施例的多叶准直器的各对叶片闭合时的示意图。不同于图1-12所示出的准直器的叶片结构，在该实施例中，准直器叶片300的前部的多层结构包括大于2层的固定层和伸缩层，固定层和伸缩层交替分布。如图13、14所示，固定层、伸缩层可配置为三明治结构，即叶片的前部从上到下具有固定层、伸缩层和固定层，并且每个叶片的分层和对侧叶片的分层形成互补，即对侧叶片相应分为固定层-伸缩层-固定层的排布。同时，单个固定层与单个伸缩层的厚度可以不同，为了保证相对叶片能够进行闭合、打开操作，固定层的整体厚度可设置为和伸缩层的整体厚度相等。
49.以上结合具体实施例描述了本技术的基本原理，但是，需要指出的是，在本技术中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本技术的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本技术为必须采用上述具体的细节来实现。
50.本文中，诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
51.以上仅为本实用新型的较佳排布方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。