專利名稱:具有旋轉(zhuǎn)機電電機的多葉準(zhǔn)直器和操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多葉準(zhǔn)直器(MLC)/多板準(zhǔn)直器，該準(zhǔn)直器是用于放射治療的大型設(shè) 備中的功能限定的元件。
背景技術(shù)：
由X射線源(例如線性加速器)產(chǎn)生的高能量輻射，如伽馬射線、X射線或光子輻 射，被可調(diào)膜片系統(tǒng)(該系統(tǒng)一般由鎢板組成)屏蔽，形成射束截面，即所謂的“射束成形”， 使得目標(biāo)區(qū)域，例如腫瘤，被暴露至最大量的輻射，而周圍的健康組織被暴露至最小量的輻 射。為獲得到目標(biāo)區(qū)域的射束截面的最佳可能調(diào)整，多葉準(zhǔn)直器由多個，例如幾百個，可調(diào) 的薄單獨板組成。放射治療設(shè)備中的輻射路徑由產(chǎn)生并發(fā)射高能量輻射的高能量輻射源組 成，例如線性加速器。第一個簡單的用電可調(diào)XY膜片系統(tǒng)限制了輻射路徑，使得輻射路徑 中的鄰近多葉準(zhǔn)直器完全受到輻照。多葉準(zhǔn)直器隨后建立射束截面，使得精確預(yù)定區(qū)域被 輻射。
放射治療中的最優(yōu)問題在于最小化健康組織遭受的輻射劑量，至少維持該輻射劑 量在有害閾值以下，同時將癌組織暴露給顯著有害的輻射劑量。放射治療的方法從而非常 不同，并歷經(jīng)不斷發(fā)展。這里值得提及的示例是
-適形放射治療(CRT)，
-調(diào)強放射治療(IMRT)，
-圖像引導(dǎo)放射治療(IGRT)
門控治療，
-高精度放射治療和放射外科(SRT/SRS)，
-未來先進(jìn)的適應(yīng)性治療，例如劑量引導(dǎo)放射治療(DGRT)，當(dāng)它們變得可用時。
本文的目標(biāo)是增加選擇性，擴展應(yīng)用帶寬，如輻射移動目標(biāo)區(qū)域，如增加操作可靠 性，如增加/延長保養(yǎng)間隔并縮短療程，例如通過“滑動窗口”。特別是，后面的方法不僅降 低了健康組織的輻射暴露，而且還影響了大型設(shè)備的工作流程和效率。由此導(dǎo)致多葉準(zhǔn)直 器的以下要求輪廓
-鎢板的高定位精度(以前類型0.Imm),
-鎢板的高移動速度(以前類型18mm/s)，
-鎢板的高加速度(以前類型38mm/s2)，
-高操作可靠性/維護(hù)間隔(壽命周期成本)。
帶前側(cè)行星齒輪的DC電機當(dāng)前被用作多葉驅(qū)動器，該驅(qū)動器具有例如1 :275的減 速比和在最大0.44rps處的0. 84Nm扭矩，所述DC電機被布置在40型電機的組中，并驅(qū)動 斜齒螺旋小齒輪之上的鎢膜。每個膜存在兩個線性電位器，以便控制并監(jiān)測位置。在等量 點中定位精度達(dá)0. 5mm，其對應(yīng)于0. 25mm板的控制精度。
現(xiàn)有技術(shù)包括使用所謂的“步進(jìn)掃描”策略從不同空間方向輻射癌組織。該系統(tǒng) 因此因為每個新的調(diào)整而暫停。以這種方法，空間方向被移位，多葉準(zhǔn)直器被設(shè)定以產(chǎn)生最佳射束截面，并根據(jù)事先確定的輻射劑量輻射，下一個位置被移位且多葉準(zhǔn)直器被再次設(shè) 定等等。由于個體輻照的增加的設(shè)定時間，導(dǎo)致了極長的療程。
目的是使用旋轉(zhuǎn)架/框和具有“滑動窗口”的動態(tài)可變多葉準(zhǔn)直器連續(xù)輻射。對于下一代設(shè)備，瞄準(zhǔn)大于20mm/s的更高調(diào)整速度，同時改善板的定位精度大于0. 10mm。使 用當(dāng)前驅(qū)動技術(shù)，這些要求不受限制，或僅被限制到最低程度，并且能夠成本很高地顯示。
使用電機移位金屬板所涉及的問題在于轉(zhuǎn)子的高慣性力矩、高轉(zhuǎn)子速度和因此高 旋轉(zhuǎn)能量，從而導(dǎo)致低動態(tài)特征。因為這個原因，金屬板的制動或移動方向反轉(zhuǎn)與相對大的 延遲時間相關(guān)聯(lián)。為了將高轉(zhuǎn)子速度從IOOOOrpm類型降低至60rpm的典型輸出速度，電機 還需要多級齒輪。由于不可避免的齒輪箱間隙，事實上還當(dāng)附加傳感器被用于定位探測目 的時，輸出的定位精度受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目標(biāo)是要描述一種多葉準(zhǔn)直器，該準(zhǔn)直器具有如本領(lǐng)域所知的實 質(zhì)增加的定位精度。
這個目標(biāo)借助獨立權(quán)利要求
的各個特征的組合實現(xiàn)。有利的實施方式由從屬權(quán)利 要求顯現(xiàn)。
根據(jù)圖2的形狀配合操作的機電旋轉(zhuǎn)電機M具有較低的慣性力矩和較少的存儲旋
轉(zhuǎn)能量。
圖2所示的機電電機體現(xiàn)為壓電電機M是有利的，因此可能實現(xiàn)移動中非?？斓?改變，例如停止、加速、反轉(zhuǎn)移動方向。
作為齒輪不存在和形狀配合的動力傳輸?shù)慕Y(jié)果，借助于驅(qū)動環(huán)與電機軸6之間的 微齒，這種電機獲得非常高的定位精度，而為此無需線性傳感器。
通過根據(jù)圖2的電機，在每個實例中，正弦和余弦電壓被施加給至少兩個壓電致 動器7、8，該兩個致動器布置成彼此成直角并根據(jù)縱向效應(yīng)操作，以產(chǎn)生波旋轉(zhuǎn)。電機軸6 的精確位置是正弦和余弦驅(qū)動電壓的絕對相位的函數(shù)。從而該位置通過非常小的電子支出 可被極為精確地控制，并在在任何時間既可靜態(tài)地也可動態(tài)地被精確地移位。


下面參考示意
示例性的實施方式，其中
圖1顯示了多葉準(zhǔn)直器的導(dǎo)向架1，導(dǎo)向架1具有接受金屬板3的多個導(dǎo)向槽2，
圖2示意性地顯示了作為真實模型的一種形狀配合操作的壓電旋轉(zhuǎn)電機M，
圖3顯示了齒，還有螺旋齒，
圖4顯示了多葉準(zhǔn)直器的完成設(shè)計，該準(zhǔn)直器由導(dǎo)向架1，多個導(dǎo)向結(jié)構(gòu)2和金屬 板3以及電機M組成，
圖5顯示了多葉準(zhǔn)直器的完整設(shè)計，該準(zhǔn)直器由圖4所示兩個構(gòu)造的鏡面反轉(zhuǎn)裝 置組成，
圖6顯示了控制計算機，該計算機通過信息路徑10控制。
具體實施方式
圖1顯示了多葉準(zhǔn)直器的導(dǎo)向架1，該導(dǎo)向架具有多個接收金屬板3的導(dǎo)向槽2。 金屬板的特征是位于沿移動方向定位的導(dǎo)向表面上的齒4，電驅(qū)動器可接合到齒4中，以便 移位導(dǎo)向架中的金屬板。
根據(jù)圖2的形狀配合操作的壓電旋轉(zhuǎn)電機M具有低慣性力矩和很小的存儲旋轉(zhuǎn)能 量。因此，圖2中所示的壓電電機M能夠進(jìn)行移動中非?？斓淖兓?，例如停止、加速、反轉(zhuǎn)移 動方向。
作為齒輪不存在和借助于驅(qū)動環(huán)5與電機軸6之間的微齒的形狀配合動力傳輸?shù)?結(jié)果，這種電機獲得非常高的定位精度，而為此無需線性傳感器。
通過根據(jù)圖2的電機，在每個實例中，正弦和余弦電壓被施加給至少兩個壓電致 動器7、8，該兩個致動器布置成彼此成直角并根據(jù)縱向效應(yīng)操作，以產(chǎn)生軸旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動環(huán)5 在這里以環(huán)形方式被移動，電機軸6以形 狀配合方式沿驅(qū)動環(huán)5內(nèi)表面滾動。
電機軸6的精確位置是正弦和余弦驅(qū)動電壓的絕對相位的函數(shù)。因此，該位置通過非 常小的電子支出可被極為精確地控制，并在任何時間既可靜態(tài)地也可動態(tài)地被精確地移位。
將電機軸旋轉(zhuǎn)6轉(zhuǎn)換為金屬板3的線性移動由固定至電機軸的帶齒的輪9執(zhí)行， 所述帶齒的輪接合進(jìn)入金屬板的線性齒，見圖3。為了最優(yōu)化可用空間，相應(yīng)的齒也可是螺 旋齒，例如如圖3至圖5所示。
圖4顯示了多葉準(zhǔn)直器的完成設(shè)計，這種類型準(zhǔn)直器由導(dǎo)向架1、多個導(dǎo)向結(jié)構(gòu)2、 金屬板3以及壓電電機M組成，在每個實例中壓電電機驅(qū)動金屬板3。壓電電機3，如圖4 所示，被直接固定至導(dǎo)向架1，以便接收反作用力。但是它們也可被固定至承載架，并作為完 整子系統(tǒng)被預(yù)組裝，該子系統(tǒng)隨后就其部分來說連接至多葉準(zhǔn)直器的導(dǎo)向架或外殼。
圖5顯示了多葉準(zhǔn)直器的完整設(shè)計，該準(zhǔn)直器由圖4所示兩個構(gòu)造的鏡面反轉(zhuǎn)裝 置組成。在直徑AXB的窗口中，圖5所示的多葉準(zhǔn)直器通過根據(jù)金屬板寬度的橫向分辨率 和根據(jù)金屬板定位精度的縱向分辨率能使射束截面成形。
形狀配合壓電電機的高絕對精度致使復(fù)雜控制過程是多余的，作為結(jié)果控制問題 被減少至純電機控制。
在圖6中附圖標(biāo)記13圖示了控制計算機，根據(jù)治療計劃，所述計算機通過信息路 徑10接收目標(biāo)區(qū)域的數(shù)據(jù)，并通過信息路徑12接收輻射源的延遲角度。計算機13使用此 數(shù)據(jù)計算單獨金屬板的最佳位置，以便調(diào)整射束輪廓。每個金屬板(從而每個壓電電機M) 的目標(biāo)值以數(shù)字或模擬形式通過數(shù)據(jù)總線，從計算機13被發(fā)送至電機控制器14。每個電 機控制器14使用目標(biāo)值計算相應(yīng)壓電電機M的必要模擬控制信號。該模擬電機控制信號 從電機控制器14被傳送至線驅(qū)動器15，該驅(qū)動器提供了驅(qū)動壓電電機M所需的控制動力。 該模擬電機控制信號借助多條長度L的線被傳送至多葉準(zhǔn)直器中的壓電電機M。由于沒有 調(diào)節(jié)回路且電機控制信號顯示了高功率，在壓電致動器、特別是高電壓振幅的情況下，壓電 電機M與控制電子器件13、14、15之間的連接線可被設(shè)計成比較長。電子器件系統(tǒng)因此可 被定位距離輻射源很大的距離，從而顯著提高服務(wù)壽命、可靠性和保養(yǎng)間隔。
一種多葉準(zhǔn)直器可被設(shè)置在每個金屬板3上，以便使用機械地聯(lián)接的至少一個電 線性傳感器(例如線性電位計)監(jiān)測位置。
權(quán)利要求
一種多葉準(zhǔn)直器，包括具有多個金屬板(3)的導(dǎo)向架(1)，所述金屬板以可移位的方式布置，借助于此使用電機(M)每個單獨金屬板可被移位，其特征在于電機(M)是具有機電致動器的旋轉(zhuǎn)機電電機(M)，其根據(jù)形狀配合原理操作。
2.如權(quán)利要求
1所述的多葉準(zhǔn)直器，其特征在于壓電致動器選自由壓電致動器、電致 伸縮致動器或磁致伸縮致動器組成的機電致動器組。
3.如權(quán)利要求
2所述的多葉準(zhǔn)直器，其特征在于壓電電機(M)由至少兩個機電壓電 致動器(7，8)、內(nèi)部帶齒驅(qū)動環(huán)(5)和外部帶齒軸(6)組成，所述內(nèi)部帶齒驅(qū)動環(huán)可被機電 致動器的沖程激發(fā)至循環(huán)位移移動，所述外部帶齒軸可附接至驅(qū)動環(huán)(6)，使得軸(6)可借 助于驅(qū)動環(huán)(5)的位移移動被旋轉(zhuǎn)。
4.如權(quán)利要求
2至3之一所述的多葉準(zhǔn)直器，其特征在于多個壓電致動器、驅(qū)動環(huán)和 軸被布置在電機外殼中。
5.如權(quán)利要求
2至4之一所述的多葉準(zhǔn)直器，其特征在于壓電電機的軸和金屬板包 括相互嚙合的齒系統(tǒng)(4)，使得軸(6)的旋轉(zhuǎn)可被轉(zhuǎn)換成金屬板(3)的線性移動。
6.如權(quán)利要求
1至5之一所述的多葉準(zhǔn)直器，其特征在于金屬板(3)的定位可用電 控制。
7.如權(quán)利要求
1至6之一所述的多葉準(zhǔn)直器，其特征在于每個金屬板(3)被機械地 聯(lián)接至至少一個電線性傳感器，用于位置監(jiān)測目的。
8.如權(quán)利要求
7之一所述的多葉準(zhǔn)直器，其特征在于通過被用作控制信號的每個金 屬板的所述至少一個電線性傳感器的信號，金屬板的定位用電控制。
9.如權(quán)利要求
2至8之一所述的多葉準(zhǔn)直器，其特征在于控制電子系統(tǒng)遠(yuǎn)離壓電發(fā) 動機，使得它被布置在輻射劑量低于壓電電機輻射劑量的區(qū)域中。
10.操作如權(quán)利要求
1至9之一所述的多葉準(zhǔn)直器的一種方法，其特征在于壓電電機 的壓電致動器的充電信號用于功能監(jiān)測目的。
11.操作如權(quán)利要求
1至9之一所述的多葉準(zhǔn)直器的所述方法，其特征在于金屬板可 被單獨移動，以及根據(jù)單獨移動輪廓被同時移動。
12.操作如權(quán)利要求
1至9之一所述的多葉準(zhǔn)直器的所述方法，其特征在于壓電致動 器(7，8)被布置成彼此成直角，并根據(jù)縱向效應(yīng)操作，并在每個實例中使用正弦/余弦電壓 控制。
專利摘要
多葉準(zhǔn)直器包括導(dǎo)向架(1)，該導(dǎo)向架具有以可移位方式布置的多個金屬板(3)，借助于此每個單獨金屬板可借助電機(M)被移位，電機(M)是具有機電致動器的旋轉(zhuǎn)機電電機(M)，該旋轉(zhuǎn)機電電機根據(jù)形狀配合原理操作。
文檔編號G21K1/04GKCN101802931SQ200780100658
公開日2010年8月11日 申請日期2007年9月25日
發(fā)明者A·卡佩爾, B·戈特利爾, B·沃納, C·瓦倫豪爾, D·梅德拉爾, F·迪勞夫, M·德勒 申請人:西門子公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan