利用Stewart機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行跟蹤定位的放療裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域，涉及一種放療裝置，特別是一種用于調(diào)整人體在放療中的位姿的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]手術(shù)中放射治療是腫瘤放射治療的一種新技術(shù)，它是在手術(shù)中，當(dāng)外科醫(yī)生己經(jīng)切除局部腫瘤后，應(yīng)用放射線通過手術(shù)視野照射已切除腫瘤部份的腫瘤床或殘存腫瘤組織，廣泛應(yīng)用在頭頸部腫瘤、胸部、腹部、盆腔腫瘤的聯(lián)合治療中。
[0003]手術(shù)中放射治療起始于本世紀(jì)八十年代，在手術(shù)中應(yīng)用醫(yī)用直線加速器，利用開放的手術(shù)野直接照射組織表面，以殺滅局部殘余的腫瘤細(xì)胞。由于當(dāng)時(shí)尚無專用術(shù)中放療設(shè)備，因此采用放療科的大型醫(yī)用直線加速器來實(shí)施治療，在手術(shù)切除腫瘤后，病人依然處于麻醉狀態(tài)下，傷口用消毒巾覆蓋后，將病人連同手術(shù)床直接送到直線加速器治療室，實(shí)施術(shù)中放療，這種治療方法程序復(fù)雜，操作困難，給臨床醫(yī)生和病人都帶來諸多不便，因此極大地限制了術(shù)中放療的普及和推廣。
[0004]90年代后期，意大利首家推出移動(dòng)式機(jī)械臂術(shù)中放療裝置，較正常電子直線加速器體積明顯縮小，重量減輕，可以直接移動(dòng)至手術(shù)室中進(jìn)行術(shù)中放療，美國專利(專利號:5，635，721)公開的技術(shù)“特別用于術(shù)中放療的電子加速器”詳細(xì)介紹了這種可移動(dòng)型的術(shù)中放療裝置，它采用機(jī)械臂式的裝置來支撐和移動(dòng)電子直線加速器輻射頭，在六個(gè)軸方向自由移動(dòng)，而且通過特別設(shè)計(jì)，大幅減輕電子直線加速器重量和體積，通過自動(dòng)化控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)而驅(qū)動(dòng)電子直線加速器輻射頭移動(dòng)至手術(shù)視野，瞄準(zhǔn)腫瘤床位置，實(shí)施術(shù)中放射治療。
[0005]通過特殊設(shè)計(jì)縮小電子直線加速器體積，并采用機(jī)械臂的方法來移動(dòng)電子直線加速器輻射頭，設(shè)備都應(yīng)用了機(jī)器人技術(shù)，多維多方向機(jī)械臂自動(dòng)控制技術(shù)，以及制造低重量、小體積的電子直線加速器技術(shù)，代表了當(dāng)今最尖端的技術(shù)水平。
[0006]盡管如此，上述技術(shù)仍然存在缺陷，由于為了滿足大幅減少重量和體積的目的，而進(jìn)行的特殊電子加速管設(shè)計(jì)，明顯減低了所能達(dá)到的放射能量，這對于殺滅很多深部組織的腫瘤細(xì)胞是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，由于上述裝置是采用機(jī)械臂來支撐移動(dòng)電子直線加速器輻射頭，而機(jī)械臂可以驅(qū)動(dòng)輻射頭的重量又是有所限制的，所以這種缺陷是上述裝置很難克服的，而在臨床推廣過程中，這又是極其重要的關(guān)鍵，這種缺陷必然會(huì)影響術(shù)中放療技術(shù)的普及和推廣。
[0007]盡管上述裝置明顯減輕了電子直線加速器的體積和重量，上述裝置的重量仍重達(dá)2500鎊，對于靈活移動(dòng)2500鎊重量，多維、多方向運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂的制造成本也必然非常昂貴，因此，術(shù)中放療裝置居高不下的價(jià)格，明顯影響了這種技術(shù)在臨床醫(yī)院的推廣。
[0008]上述裝置另一個(gè)明顯的缺陷是，盡管他們采用了極精密的多維多方向運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂技術(shù)，但是，在臨床應(yīng)用中，缺乏三維立體定向技術(shù)和裝置，僅是依靠臨床外科醫(yī)生和放療科醫(yī)生肉眼觀察來確定位置，既沒有應(yīng)用高精度定位的CT或MR工影像輔助，也沒有讓醫(yī)生有完善的工具確定病灶位置、角度、方向以及與周圍正常組織的關(guān)系，以及對周圍重要器官的影響，從而確定術(shù)中放療電子束入射的最佳路徑、方向、角度，以及據(jù)此而確定的電子束發(fā)射功率、發(fā)射時(shí)間等。
[0009]接下來描述放療裝置的傳統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)狀:
[0010]見中國發(fā)明專利，專利申請?zhí)?200310108091.2，公開了一種手術(shù)中放射治療裝置。該專利披露，在天花板上設(shè)置懸掛式機(jī)架，該懸掛式機(jī)架上設(shè)置有輻射頭，輻射頭具有沿X、Y、Z方向做平動(dòng)及繞Z軸做轉(zhuǎn)動(dòng)的功能。在懸掛式機(jī)架的下方設(shè)置治療床，人體躺于治療床上，該治療床具有沿治療床具有沿Z軸升降移動(dòng)及繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的功能。從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析，該發(fā)明所披露的手術(shù)中放射治療裝置具有4個(gè)自由度，。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)認(rèn)為，空間中，一剛體具有6個(gè)自由度，即:沿X、Y、Z軸的平動(dòng)和繞X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。很明顯，該專利所披露的裝置還缺少2個(gè)自由度，即繞X、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。所以該發(fā)明并不能確保放療中，將病灶部位與輻射頭之間調(diào)整出最佳的位置和角度。
[0011]其次，該專利所披露的放療裝置還存在以下不足:
[0012]a、在天花板上設(shè)置懸掛式機(jī)架，由于懸掛式機(jī)架的位置很高，在安裝、維護(hù)方面帶來了很多困難。
[0013]b、在自由度的設(shè)計(jì)上存在重復(fù)，S卩:輻射頭具有沿X、Y、Z方向做平動(dòng)及繞Z軸做轉(zhuǎn)動(dòng)，治療床具有沿Z軸升降移動(dòng)及繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)的自由度是??沿Z軸升降移動(dòng)及繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使治療床在姿態(tài)調(diào)整中不能得到任意所需的位置和角度；
[0014]C、懸掛式機(jī)架設(shè)置于天花板上，由于輻射頭的重量及懸掛式機(jī)架本身的自重，使得輻射頭及懸掛式機(jī)架存在掉落的風(fēng)險(xiǎn)，如果發(fā)生輻射頭掉落等危險(xiǎn)事件，位于正下方的病人后果將不堪設(shè)想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的在于提供一種利用Stewart機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行跟蹤定位的放療裝置，利用Stewart機(jī)器人平臺(tái)作為承載平臺(tái)，人體躺于Stewart機(jī)器人平臺(tái)上，Stewart機(jī)器人平臺(tái)可以調(diào)整出放療所需要的任意角度和方向，并且尋找最佳的角度和方向，從而達(dá)到完美的放療效果。
[0016]一種利用Stewart機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行跟蹤定位的放療裝置，包括=Stewart機(jī)器人平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)床板、人體；所述Stewart機(jī)器人平臺(tái)的靜平臺(tái)固定于地面上，在所述Stewart機(jī)器人平臺(tái)的動(dòng)平臺(tái)上固連所述運(yùn)動(dòng)床板；所述運(yùn)動(dòng)床板包括底板和十字滑臺(tái)，所述底板和所述動(dòng)平臺(tái)固連，所述十字滑臺(tái)活動(dòng)連接于所述底板；所述人體固連于所述十字滑臺(tái)上。
[0017]優(yōu)選地，所述傳感器布置于所述人體病灶部位的周圍，所述傳感器的數(shù)量為至3個(gè)5。
[0018]和傳統(tǒng)技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下積極作用:
[0019]所述人體固連于所述運(yùn)動(dòng)床板上。
[0020]建立笛卡爾坐標(biāo)系XYZ，所述十字滑臺(tái)活動(dòng)連接于所述底板，所述十字滑臺(tái)可以沿X方向、Y方向運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)所述十字滑臺(tái)沿X方向、Y方向運(yùn)動(dòng)，使所述人體的病灶部位位于所述動(dòng)平臺(tái)的上部中央位置。
[0021]由于所述動(dòng)平臺(tái)可以獲取六個(gè)自由度:沿X、Y、Z軸的移動(dòng)和繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。從而使所述病灶部位調(diào)節(jié)到任意所需要的位置和角度，使電子束可以準(zhǔn)確地照射到所述病灶部位。
[0022]位置的調(diào)節(jié):所述傳感器采集到電子束的照射后，采集到電子束的強(qiáng)弱信號，將該信號傳送至控制器，由控制器調(diào)節(jié)所述Stewart機(jī)器人平臺(tái)的位置和角度，使所述傳感器采集到的電子束信號的強(qiáng)度一致，此時(shí)，所述人體的病灶部位位于電子束的中心位置。
[0023]角度的調(diào)節(jié):繼續(xù)調(diào)節(jié)所述Stewart機(jī)器人平臺(tái)的角度，使電子束正面照射于所述人體的病灶部位。此時(shí)，可以依靠肉眼判斷。
[0024]本發(fā)明，充分發(fā)揮了所述Stewart機(jī)器人平臺(tái)的優(yōu)勢，
[0025]德國Stewart發(fā)明了六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并作為飛行模擬器用于訓(xùn)練飛行員。澳大利亞著名機(jī)構(gòu)學(xué)教授Hunt提出將并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于機(jī)器人手臂。
[0026]由于并聯(lián)機(jī)器人的在線實(shí)時(shí)計(jì)算是要求計(jì)算反解的，這對串聯(lián)機(jī)構(gòu)十分不利，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)卻容易實(shí)現(xiàn)，由于這一系列優(yōu)點(diǎn)，因而擴(kuò)大了整個(gè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。并聯(lián)機(jī)器人通常應(yīng)用于構(gòu)建加工系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)等方面。本發(fā)明將所述Stewart機(jī)器人平臺(tái)引入到放療領(lǐng)域，是一個(gè)偉大的創(chuàng)新發(fā)展和大膽開發(fā)。
[0027]所述Stewart機(jī)器人平臺(tái)的上部布置所述十字滑臺(tái)，利用所述十字滑臺(tái)行程長的特點(diǎn)，將所述人體調(diào)節(jié)到所述Stewart機(jī)器人平臺(tái)的上部，然后發(fā)揮所述Stewart機(jī)器人平臺(tái)精密的調(diào)節(jié)能力，隨病灶部位進(jìn)行精密定位和調(diào)節(jié)角度。從而實(shí)現(xiàn)粗調(diào)和精調(diào)的互補(bǔ)組合，在大范圍內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)對病灶的精密定位。
[0028]國外廣泛采用的將輻射頭安裝到串聯(lián)式機(jī)械臂上，由于受到機(jī)械臂的負(fù)載限制，對輻射頭的重量提出了很高要求。
[0029]本發(fā)明由于引入了所述Stewart機(jī)器人平臺(tái)，為放療設(shè)備的探索開發(fā)打開了一扇大門。很多困擾放療設(shè)備進(jìn)步的困難都將迎刃而解。
[0030]本發(fā)明利用Stewart機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行跟蹤定位的放療裝置將輻射頭固定于某個(gè)裝置上，從而調(diào)整人體的位姿，無需使用機(jī)械臂，從而避免了對輻射頭在重量方面的要求。
[0031]相對于國內(nèi)的懸掛式機(jī)架而言，本發(fā)明將所述Stewart機(jī)器人平臺(tái)放置于地面上，調(diào)節(jié)、安裝、維護(hù)都非常方便，同時(shí)大大提高了放療的安全性，不用擔(dān)心輻射頭掉下來砸傷病人。同時(shí)，落地式的結(jié)構(gòu)方式，所述人體躺在運(yùn)動(dòng)床板上。使得所