【发明授权】一种任意曲面放射治疗床系统_华南理工大学_201910001501.4 

申请/专利权人:华南理工大学

申请日:2019-01-02

发明/设计人:杨荣骞;鲍凯扬;郑凌翔;李春田

公开(公告)日:2020-11-24

代理机构:广州市华学知识产权代理有限公司

公开(公告)号:CN109621234B

代理人:冯炳辉

主分类号:A61N5/10(20060101)

地址:510640 广东省广州市天河区五山路381号

分类号:A61N5/10(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.11.24#授权;2019.05.10#实质审查的生效;2019.04.16#公开

摘要:本发明公开了一种任意曲面放射治疗床系统,包括上位机软件、下位机控制系统和治疗床体,其中,所述治疗床体是由若干升降电机模组拼装而成的立体机动装置,经上位机软件和下位机控制系统联合控制后,该治疗床体顶部能够形变出任意曲面。本发明用于放射治疗中受治疗者局部位姿的调整和稳定,调整出照射效率最高,对人体正常组织放射毒性最小的位姿。

主权项:1.一种任意曲面放射治疗床系统,包括上位机软件、下位机控制系统和治疗床体,其特征在于:所述治疗床体是由若干升降电机模组拼装而成的立体机动装置,经上位机软件和下位机控制系统联合控制后,该治疗床体顶部能够形变出任意曲面;所述上位机软件具有图形用户界面,方便操作,其包括以下功能模块:医学图像三维重建显示模块,用于将同一序列号的单张医学图像切片重建成三维立体图形,然后提取该立体图形的表面,并将体表面显示于立体图形显示窗口;立体图像位姿调整模块,用于在立体图像显示窗口内调整重建好的立体图形位姿,位姿调整方向及方式包括:±x轴、±y轴、±z轴平移以及绕任意轴的顺、逆时针旋转;电机模组上升路径计算模块,用于计算立体图形显示窗口中虚拟床体平面中每台电机模组平顶的几何中心到三维立体图形表面的距离,并在图形窗口中显示出每台电机模组平顶的几何中心到三维立体图形表面的垂线段;串口通讯模块,用于将计算好的虚拟床体平面中每台电机模组平顶的几何中心到三维立体图形表面的距离数据通过串口通信方式发送给下位机控制系统;通过上位机软件的图形用户界面提示操作鼠标,将医学图像数据三维可视化显示出来和计算出治疗床体形变所需的相关数据并下发给下位机控制系统。

全文数据:一种任意曲面放射治疗床系统技术领域本发明涉及医疗器械设备的技术领域,尤其是指一种任意曲面放射治疗床系统。背景技术对在放射治疗系统中,治疗床摆位的精准稳定与否,对最终的放射治疗效果有着至关重要的影响,目前市场上的放射治疗床的托床部分多是整个的平板结构,并通过各种不同的气动装置或者六轴并联的机械结构来实现托床在三维空间内任意移动的六自由度控制,且精度良好。虽然大多治疗床已经可以控制整个治疗床在或大或小的三维空间内配合射线照射枪任意移动,但是具体到受治疗者局部位姿的调整与放射治疗过程中治疗床移动时对病人位姿的稳定保持,普通的治疗床并不能胜任。由于对病人局部位姿的调整与稳定可以让放射枪更好的锁定照射靶区,减少对正常组织的放射毒性尤其是被人体关节夹、挡住的肿瘤,对该区域需要更长时间的照射,才能对里面的肿瘤有良好的治疗效果,这就不得不对正常组织造成了过多的放射毒性和更多的提高射线枪的照射效率,本发明设计出了一种可以产生任意曲面的治疗床系统,以期在原来的六自由度治疗床的基础上,再加入更细微的对病人局部位姿的调整。发明内容本发明的目的在于克服现有放射治疗床的不足,提出了一种可以根据不同三维体数据形变出任意曲面的任意曲面放射治疗床系统,用于放射治疗中受治疗者局部位姿的调整和稳定,调整出照射效率最高,对人体正常组织放射毒性最小的位姿。为实现上述目的,本发明所提供的技术方案为:一种任意曲面放射治疗床系统,包括上位机软件、下位机控制系统和治疗床体,其中,所述治疗床体是由若干升降电机模组拼装而成的立体机动装置,经上位机软件和下位机控制系统联合控制后,该治疗床体顶部能够形变出任意曲面。进一步,所述上位机软件具有图形用户界面,方便操作,其包括以下功能模块:医学图像三维重建显示模块,用于将同一序列号的单张医学图像切片重建成三维立体图形,然后提取该立体图形的表面,并将体表面显示于立体图形显示窗口;立体图像位姿调整模块,用于在立体图像显示窗口内调整重建好的立体图形位姿,位姿调整方向及方式包括:±x轴、±y轴、±z轴平移以及绕任意轴的顺、逆时针旋转;电机模组上升路径计算模块,用于计算立体图形显示窗口中虚拟床体平面中每台电机模组平顶的几何中心到三维立体图形表面的距离,并在图形窗口中显示出每台电机模组平顶的几何中心到三维立体图形表面的垂线段;串口通讯模块,用于将计算好的虚拟床体平面中每台电机模组平顶的几何中心到三维立体图形表面的距离数据通过串口通信方式发送给下位机控制系统;通过软件的图形用户界面提示操作鼠标,依次行使上述软件功能,即可将医学图像数据三维可视化显示出来和计算出治疗床体形变所需的相关数据并下发给下位机控制系统。进一步,所述下位机控制系统置于治疗床体下方,由开关电源模块、控制电路模块、线性电源模块以及电机驱动电路模块组成;所述开关电源模块能够输入220V交流电压,输出24V直流电压,此24V直流电压分别接入线性电源模块的输入端和电机驱动电路模块的电机驱动电平引脚,获得为主控MCU供电的3.3V稳定电压和为电路中其它芯片供电的5V稳定电压以及用来驱动电机的24V直流电压;考虑到电机数量多,且要独立控制,需要多路独立PWM波信号,一片MCU的资源远远不够用;于是所述控制电路模块采用了多片能够输出频率可调的PWM波的MCU进行控制操作,并区分主、从部MCU,主部MCU同时负责与PC端上位机的数据通信和与从部MCU间的串口数据通信,数据通信内容主要是床体形变所需的每台电机模组上的滑块运动距离;从部MCU只负责和主、从部MCU间的数据通信,PC端上位机与主、从部MCU之间的通信方式皆为串口通信,将MCU的多路PWM波输出信道接入每一台电机模组对应的电机驱动芯片的输入信号引脚,从而实现对每一台电机模组的独立控制;所述电机驱动电路模块由多块电机驱动芯片构成,每一块驱动芯片及其外围电路构成一台电机模组的驱动模块,单个驱动模块数量与电机模组数量一致,且为了方便接口连接,驱动模块集中布局于电机模组的正下方,每个驱动模块正上方即对应一台电机模组。进一步,所述电机模组包括步进电机、螺杆、推杆、滑块、支撑块及带有直线导轨的滑台,所述滑台垂直安装在铁质框架中,所述螺杆安装在滑台上,并与直线导轨平行,所述滑块套装在螺杆上,由步进电机带动螺杆旋转,进而带动滑块在直线导轨上上下滑动,所述支撑块通过推杆与滑块连接,位于滑块的上方,并外伸出铁质框架顶部,在滑块的带动下实现支撑块的位移变化,进而使得治疗床体的所有电机模组的支撑块能够一起形成精准放射治疗所需的摆位曲面;所述电机模组能够完成1自由度的高精度直线运动,为使治疗床体形成贴合度尽可能高的任意曲面,将多个电机模组按m×n方阵竖直整齐排列,并通过螺丝固定于铁质框架内部的顶面留有的装配孔上;其中,m为治疗床体俯视图中较长一边的电机模组个数,n为治疗床体俯视图中较短一边的电机模组个数;初始状态时,每台电机模组上的滑块运动距离均为0mm,从而整个床体呈现出一个平面,待上位机软件调整设置好并计算出每台电机模组需要运动的距离后,下位机控制系统接收数据并控制每台电机模组的滑块上升到指定的距离,由此形成精准放射治疗所需的摆位曲面。本发明与现有技术相比,具有如下优点与有益效果:1、贴合身体曲面的床体可以更稳地固定体位,不易出现摇晃、抖动造成的位置偏差。2、可以调整局部位姿,从而达到更精确的摆位效果。3、对于关节处的肿瘤,可以调整关节的屈弓程度来使目标肿瘤最大范围的暴露在射野。附图说明图1是任意曲面放射治疗床系统操作流程图。图2是直线运动电机模组结构图。图3是床体内部结构图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。参见图1至图3所示,本实施例所提供的任意曲面放射治疗床系统,包括上位机软件1、下位机控制系统2和治疗床体3,其中,所述治疗床体3是由若干升降电机模组31拼装而成的立体机动装置,经上位机软件1和下位机控制系统2联合控制后,该治疗床体3顶部能够形变出任意曲面。所述上位机软件1具有图形用户界面,方便操作,其包括以下功能模块:医学图像三维重建显示模块,用于将同一序列号的单张医学图像切片重建成三维立体图形,然后提取该立体图形的表面,并将体表面显示于立体图形显示窗口;立体图像位姿调整模块,用于在立体图像显示窗口内调整重建好的立体图形位姿,位姿调整方向及方式包括:±x轴、±y轴、±z轴平移以及绕任意轴的顺、逆时针旋转;电机模组上升路径计算模块,用于计算立体图形显示窗口中虚拟床体平面中每台电机模组平顶的几何中心到三维立体图形表面的距离,并在图形窗口中显示出每台电机模组平顶的几何中心到三维立体图形表面的垂线段;串口通讯模块,用于将计算好的虚拟床体平面中每台电机模组平顶的几何中心到三维立体图形表面的距离数据通过串口通信方式发送给下位机控制系统。通过软件的图形用户界面提示操作鼠标,依次行使上述软件功能,即可将医学图像数据三维可视化显示出来和计算出治疗床体形变所需的相关数据并下发给下位机控制系统。所述下位机控制系统置于治疗床体下方,由开关电源模块具体功率数值依电机模组数量而定、控制电路模块、线性电源模块以及电机驱动电路模块组成;所述开关电源模块能够输入220V交流电压,输出24V直流电压,此24V直流电压分别接入线性电源模块的输入端和电机驱动电路模块的电机驱动电平引脚,获得为主控MCU供电的3.3V稳定电压和为电路中其它芯片供电的5V稳定电压以及用来驱动电机的24V直流电压;考虑到电机数量较多,且要独立控制,需要多路独立PWM波信号,一片MCU的资源远远不够用;于是所述控制电路模块采用了多片能够输出频率可调的PWM波的MCU进行控制操作,并区分主、从部MCU,主部MCU同时负责与PC端上位机的数据通信和与从部MCU间的串口数据通信,数据通信内容主要是床体形变所需的每台电机模组上的滑块运动距离;从部MCU只负责和主、从部MCU间的数据通信,PC端上位机与主、从部MCU之间的通信方式皆为串口通信,将MCU的多路PWM波输出信道接入每一台电机模组对应的电机驱动芯片的输入信号引脚,从而实现对每一台电机模组的独立控制;所述电机驱动电路模块由多块电机驱动芯片构成,每一块驱动芯片及其外围电路构成一台电机模组的驱动模块,单个驱动模块数量与电机模组数量一致,且为了方便接口连接,驱动模块集中布局于电机模组的正下方,每个驱动模块正上方即对应一台电机模组。所述电机模组31包括步进电机311、螺杆312、推杆313、滑块314、支撑块315及带有直线导轨的滑台316,所述滑台316垂直安装在铁质框架32中,所述螺杆312安装在滑台316上,并与直线导轨平行,所述滑块314套装在螺杆312上,由步进电机311带动螺杆312旋转,进而带动滑块314在直线导轨上进行上下滑动,所述支撑块315通过推杆313与滑块314连接,位于滑块314的上方,并外伸出铁质框架32顶部,在滑块314的带动下实现支撑块315的位移变化,进而使得治疗床体3的所有电机模组31的支撑块315能够一起形成精准放射治疗所需的摆位曲面;电机模组能够完成1自由度的高精度单位为毫米直线运动,为使治疗床体形成贴合度尽可能高的任意曲面,将多个电机模组按m×nm为治疗床体俯视图矩形中较长一边的电机模组个数,n为治疗床体俯视图矩形中较短一边的电机模组个数方阵竖直整齐排列,并通过螺丝固定于铁质框架内部的顶面留有的装配孔上。初始状态时,每台电机模组上的滑块运动距离均为0mm,从而整个床体呈现出一个平面,待上位机软件调整设置好并计算出每台电机模组需要运动的距离后,下位机控制系统接收数据并控制每台电机模组的滑块上升到指定的距离,由此形成精准放射治疗所需的摆位曲面。下面为本实施例上述任意曲面放射治疗床系统的操作方法,具体如下:操作上位机软件图形用户界面,先获取到医学图像数据,然后点击三维重建功能按钮,将图像进行三维重建;立体图像重建好显示在图形显示窗口后,操作位姿调整滑动条调整立体图像位姿位于虚拟床体平面正上方;然后点击电机模组上升路径计算按钮,计算出每台电机模组的滑块上升距离;继续操作,点击串口通讯功能按钮,将计算好的运动路径数据下发给下位机。下位机控制系统接入市电220V交流电压后,输出24V直流电压,此24V直流电压分别接入线性电源模块输入端和电机驱动电路的电机驱动电平引脚,获得为MCU供电的3.3V稳定电压和为电路中其他芯片供电的5V稳定电压以及用来驱动电机的24V直流电压;供电系统正常后,下位机控制系统的主部MCU开始接受上位机发送的数据,接收数据完毕后,分配数据给从部MCU,主、从部MCU分别输出多路独立且与每台电机模组一一对应的PWM波信号至若干驱动电路模块中驱动电路芯片的输入信号引脚。至此,每一个驱动电路模块的输出电平处留有的接口会产生驱动步进电机正常转动的电平。最后,上述电机驱动电路的输出端口接入与治疗床体中的电机模组的输入端口相连接,待上位机软件调整设置好并计算出每台电机模组需要运动的距离后,下位机接收数据并控制每台电机模组的滑块上升到指定的距离,整个床体由初始状态时的一个平面形成精准放射治疗所需的摆位曲面。以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例,并非以此限制本发明的实施范围,故凡依本发明之形状、原理所作的变化,均应涵盖在本发明的保护范围内。

权利要求:1.一种任意曲面放射治疗床系统,包括上位机软件、下位机控制系统和治疗床体,其特征在于:所述治疗床体是由若干升降电机模组拼装而成的立体机动装置,经上位机软件和下位机控制系统联合控制后,该治疗床体顶部能够形变出任意曲面。2.根据权利要求1所述的一种任意曲面放射治疗床系统,其特征在于:所述上位机软件具有图形用户界面,方便操作,其包括以下功能模块:医学图像三维重建显示模块,用于将同一序列号的单张医学图像切片重建成三维立体图形,然后提取该立体图形的表面,并将体表面显示于立体图形显示窗口;立体图像位姿调整模块,用于在立体图像显示窗口内调整重建好的立体图形位姿,位姿调整方向及方式包括:±x轴、±y轴、±z轴平移以及绕任意轴的顺、逆时针旋转;电机模组上升路径计算模块,用于计算立体图形显示窗口中虚拟床体平面中每台电机模组平顶的几何中心到三维立体图形表面的距离,并在图形窗口中显示出每台电机模组平顶的几何中心到三维立体图形表面的垂线段;串口通讯模块,用于将计算好的虚拟床体平面中每台电机模组平顶的几何中心到三维立体图形表面的距离数据通过串口通信方式发送给下位机控制系统;通过软件的图形用户界面提示操作鼠标,依次行使上述软件功能,即可将医学图像数据三维可视化显示出来和计算出治疗床体形变所需的相关数据并下发给下位机控制系统。3.根据权利要求1所述的一种任意曲面放射治疗床系统,其特征在于:所述下位机控制系统置于治疗床体下方,由开关电源模块、控制电路模块、线性电源模块以及电机驱动电路模块组成;所述开关电源模块能够输入220V交流电压,输出24V直流电压,此24V直流电压分别接入线性电源模块的输入端和电机驱动电路模块的电机驱动电平引脚,获得为主控MCU供电的3.3V稳定电压和为电路中其它芯片供电的5V稳定电压以及用来驱动电机的24V直流电压;考虑到电机数量多,且要独立控制,需要多路独立PWM波信号,一片MCU的资源远远不够用;于是所述控制电路模块采用了多片能够输出频率可调的PWM波的MCU进行控制操作,并区分主、从部MCU,主部MCU同时负责与PC端上位机的数据通信和与从部MCU间的串口数据通信,数据通信内容主要是床体形变所需的每台电机模组上的滑块运动距离;从部MCU只负责和主、从部MCU间的数据通信,PC端上位机与主、从部MCU之间的通信方式皆为串口通信,将MCU的多路PWM波输出信道接入每一台电机模组对应的电机驱动芯片的输入信号引脚,从而实现对每一台电机模组的独立控制;所述电机驱动电路模块由多块电机驱动芯片构成,每一块驱动芯片及其外围电路构成一台电机模组的驱动模块,单个驱动模块数量与电机模组数量一致,且为了方便接口连接,驱动模块集中布局于电机模组的正下方,每个驱动模块正上方即对应一台电机模组。4.根据权利要求1所述的一种任意曲面放射治疗床系统,其特征在于:所述电机模组包括步进电机、螺杆、推杆、滑块、支撑块及带有直线导轨的滑台,所述滑台垂直安装在铁质框架中,所述螺杆安装在滑台上,并与直线导轨平行,所述滑块套装在螺杆上,由步进电机带动螺杆旋转,进而带动滑块在直线导轨上上下滑动,所述支撑块通过推杆与滑块连接,位于滑块的上方,并外伸出铁质框架顶部,在滑块的带动下实现支撑块的位移变化,进而使得治疗床体的所有电机模组的支撑块能够一起形成精准放射治疗所需的摆位曲面;所述电机模组能够完成1自由度的高精度直线运动,为使治疗床体形成贴合度尽可能高的任意曲面,将多个电机模组按m×n方阵竖直整齐排列,并通过螺丝固定于铁质框架内部的顶面留有的装配孔上;其中,m为治疗床体俯视图中较长一边的电机模组个数,n为治疗床体俯视图中较短一边的电机模组个数;初始状态时,每台电机模组上的滑块运动距离均为0mm,从而整个床体呈现出一个平面,待上位机软件调整设置好并计算出每台电机模组需要运动的距离后,下位机控制系统接收数据并控制每台电机模组的滑块上升到指定的距离,由此形成精准放射治疗所需的摆位曲面。

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