CN103157192A - 一种医用三维模拟运动平台及其模拟运动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种医用三维模拟运动平台及其模拟运动方法，包括精密数控工作台，在精密数控工作台的X、Y、Z方向分别连接有X、Y、Z向步进电机，X、Y、Z向步进电机分别与X、Y、Z向步进电机驱动器连接，X、Y、Z向步进电机驱动器和精密数控工作台与控制装置连接。验证方法包括两部分，首先，应用三维运动模体对常见胸腹部肿瘤的靶区确定手段进行验证，通过与客观实物的比较，分析各手段存在的不足，研究相应的改进策略；其次，通过模拟肿瘤及危及器官的运动规律，研究呼吸运动造成的二者形变规律及其引起的局域电子密度变化对肿瘤照射剂量准确计算的影响，进而为靶区和危及器官受量的准确评估和累加提供更客观的依据。

Description

一种医用三维模拟运动平台及其模拟运动方法

技术领域

本发明涉及肿瘤放疗医疗设备领域，尤其涉及一种医用三维模拟运动平台及其模拟运动方法。

背景技术

目前，恶性肿瘤已经对人类健康造成了严重的威胁。放射治疗技术作为恶性肿瘤的三大治疗手段之一，对恶性肿瘤的治愈贡献度约为40%。然而，传统放射治疗的疗效较差，其主要原因是肿瘤病灶的周围常常会存在一些对放射线较为敏感的危及器官，从而限制了肿瘤区域放疗剂量的进一步提高。现代肿瘤精确放疗技术，例如三维适形放疗（3-dimensionalconformal radiation therapy,3DCRT）和调强放疗（intensity-modulated radiation therapy,IMRT）可通过精确的肿瘤靶区勾画、准确地制定放疗计划，并进行精准地实施放疗，在一定程度上提高了放射治疗的疗效。

然而，放疗过程中肿瘤区域的未知运动，如呼吸运动、心脏搏动、胃肠蠕动等不确定因素，是影响放射治疗精确实施的重要因素。因此，开发一种能够模拟肿瘤或人体内脏器官生理运动的运动模拟***或模型，并以此来定量研究肿瘤病灶、正常器官和组织的位置变化对放射治疗产生的影响，有重要的科学意义和临床应用价值。

肿瘤精确放疗中有两个关键点：肿瘤靶区的精确定义（尤其是胸腹部肿瘤），肿瘤以及危及器官的受照剂量的准确计算、评估和累积。呼吸运动是严重影响胸腹部肿瘤精确放疗精度的因素，不仅影响靶区位置的准确确定，同时对靶区所在区域的解剖结构组成有很大的影响（影响相应区域电子密度组成，进而影响放射治疗剂量的计算）。一些学者就如何解决胸腹部肿瘤精确放疗中的上述两方面问题做了大量的研究。但是因目前无法实现活体研究，大部分的研究只能借助于运动模体进行，现在商业化模体均为二维模体，只能模拟两个方向上的运动，真正可实现实时三维方向上同步有差异运动的三维运动模体尚未见报道。

目前肿瘤精确放疗的定位手段主要以CT模拟定位为主，如何从模拟定位阶段着手解决胸腹部肿瘤靶区的精确定位具有非常重要的意义。目前已有很多种CT定位技术应用于临床，如慢速3D-CT扫描、自由呼吸下的3D-CT，主动呼吸控制辅助的屏气状态下3D-CT扫描、4D-CT等。但是这些技术在临床应用过程中有各自的适用条件和不足之处，同时目前国内外最常用的仍然是自由呼吸状态下的3D-CT扫描，如何检验不同定位手段的适用条件和不足之处，如何应用更先进的定位手段去验证和改进常规定位是目前肿瘤放射治疗学的研究热点之一。

当前对各种CT定位手段不足之处大多通过临床实践发现和评估，尚缺乏一个客观真实的参照物进行验证和改进。目前对肿瘤模拟的手段较多，不同的学者寻找了不同的物体进行肿瘤大小和形态的模拟：比如马铃薯等，但是目前采用的肿瘤模拟物大多以刚性物体为主，研究运动对其形状的影响仍存在很多弊端。现在已有学者对肿瘤二维运动进行了模拟，制作了呼吸运动的二维模拟运动平台（申请号：200610057165.8）。但是二维运动平台只能局限于二维方向上的模拟，无法真实反映肿瘤的三维运动情况，及呼吸运动造成的影响。有学者应用4D-CT进行胸腹部肿瘤模拟定位的研究表明肿瘤运动并非直来直去的二维运动而是一种复杂三维运动，且在三维方向上运动的幅度并不一致，其对肿瘤精确放疗的影响也是非常复杂的。因此研究如何在三维方向上动态真实再现肿瘤及危及器官的运动及其带来的效应具有非常重要的意义。

在器官运动模拟***的开发方面，中国专利（专利名称：一种体模运动平台及进行运动模拟的方法，申请号：200610057165.8），公开了一种体模运动平台。该平台由运动装置、步进电机驱动器和控制装置构成，其运动模拟的方法为：预先设置运动轨迹、振幅和转速等参数，控制装置计算所需的频率，发送到驱动器，控制步进电机带动精密数控工作台进行运动，可以分别设定不同频率、不同幅度来做直线、菱形和椭圆运动，能够比较***地模拟器官的二维运动。然而，一方面，由于人体内的肿瘤以及危及器官通常在三维方向上进行运动，简单的二维运动虽然可以模拟特定情况下肿瘤或其它脏器的简单运动，但与大多数情况下脏器三维运动的事实不符；另一方面，随着肿瘤精确放射治疗技术的不断进步和完善，肿瘤放射治疗技术已经步入四维放疗时代，因此，简单的二维运动模拟已经不能满足临床需求，迫切需要研究和开发具有模拟肿瘤以及相关危及器官三维运动能力的运动模拟***。

呼吸运动的真实模拟对评估和改进当前精确放疗的各个阶段都具有非常重要的意义：靶区的精确定义、靶区和危及器官剂量的精确计算以及放射治疗过程的监测和评估。目前国内外呼吸运动的模拟均基于二维运动，三维运动模体研发和应用研究鲜有报道。其次三维运动模体可与VARIAN公司的RPM***相结合实现一种动态4D运动的模拟和分析，这样不仅可以对肿瘤精确放疗各种成像手段（包括CT、MRI、PET/CT、SPECT及图像引导放疗***中的CBCT和KV级平片）进行验证和评估，而且可以就呼吸运动造成的靶区和器官电子密度改变以及相应的剂量学进行分析，同时以静态实物信息作为参考可以对形变配准算法进行验证和改进。

综上所述，呼吸运动是产生胸腹部肿瘤精确放疗各种不确定因素关键，如何真实的模拟呼吸运动对肿瘤精确放疗的影响具有非常重要的意义。三维运动模体的研发和应用将会为胸腹部肿瘤的精确放疗工作的开展提供的依据，同时通过三维运动模体对多种成像手段的验证和改进为不同层次放疗机构开展肿瘤的精确放疗提供有力的保障。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种医用三维模拟运动平台及其模拟运动方法，它具有实现三维模拟运动平台上的三维方向上的精确可控运动优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种医用三维模拟运动平台，包括运动装置、步进电机驱动器和控制装置，所述运动装置为精密数控工作台，在精密数控工作台的X方向、Y方向和Z方向分别连接有X向步进电机、Y向步进电机和Z向步进电机，X、Y、Z向步进电机分别与X、Y、Z向步进电机驱动器连接，X、Y、Z向步进电机驱动器和精密数控工作台与控制装置连接。

所述控制装置包括微控制器、存储模块、显示模块、键盘输入模块，其中存储模块、显示模块和键盘输入模块都与微控制器连接。所述控制装置采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，STC12C5A60S2单片机为一系列单片机，该系列单片机为40引脚，有2个16位定时器，可用来实现步进电机的调速，同时芯片为单机器周期单片机，指令执行频率等于机器频率，且该系列单片机个工作频率可达35MHz，可在较高控制精度的情况下为步进电机驱动器提供很高的控制频率。该系列单片机不同型号区别在于存储空间不同，其他参数相同，具体要求为20K以上Flash存储空间来存储程序和2K EEPROM存储空间用来存储相关数据。

X、Y、Z向步进电机驱动器和控制装置与变压器连接，变压器与220VAC连接，变压器通过整流、滤波器分别为步进电机驱动器和控制装置提供24V～80V和5V直流电压。

控制装置部分使用+5V标准电压：由通用的市电AC220V作电源，首先经过开关变压器降到DC5V，经整流滤波后产生标准电压+5V，提供给控制装置，其纹波系数相当小，稳定度高，不容易产生干扰。

电机驱动器的驱动电压：电机驱动器在24V～80VDC之间都可以正常工作。采用较高电压会使电机高速运行力矩保持不下降，低电压则有助于驱动器降低温升和增加低速时的运行平稳性。本***采用70V直流电压,由输出为70V，额定功率为600W的开关电源提供，所加电源的最大输出电流为6A，大于电机的额定相电流。

所述运动装置采用直线滚动导轨与滚珠丝杠配合，在每个方向上将步进电机的转动转换为直线运动，且运动距离控制精度达到0.025mm。直线滚动导轨与滚珠丝杠均采用了预加载荷，消除了不必要的间隙，提高了接触刚度和定位精度，在数控***控制下，通过步进电机驱动，X-Y-Z三坐标精密数控工作台联动实现平面内任意三维曲线运动轨迹，实现无间隙运动，具有高精度、高效率、寿命长、磨损小、简洁实用特点。

所述步进电机采用型号为60HS44的三台步进电机，其最小步进角度为1.8度，配合相应的步进电机驱动器的细分功能可实现更小的最小步进角度，可提高控制精度，但会降低步进电机的最高旋转速度。

所述步进电机驱动器采用三台与步进电机相配套的步进电机驱动器，所述步进电机驱动器均能够提供整步、2细分、4细分、8细分、16细分、32细分、64细分7种细分运行模式。在整步方式下，一个脉冲将使电机转动1.8度，则2细分时一个脉冲使电机转动0.9度，4细分时一个脉冲则使电机转动0.45度，并依此类推。

本发明要求单轴电机带动其所属轴向工作台只需要做直线运动，且转速较高，故采用整步方式。x、y、z三维方向步进电机驱动器和精密数控工作台与控制装置连接。步进电机驱动器的接线和输入信号按以下方式进行连接，输入信号采用共阳极接线方式，将控制信号的正电源连接到公共端的端子上，信号输出线连接到相应的信号端子上，当信号输入端出现低电平时，相对应的内部光耦开通，将信号输入步进电机驱动器中，脉冲信号输入：信号从高到低的下跳变被步进电机驱动器解释为一个脉冲，此时步进电机驱动器将按照相应的时序驱动步进电机进行运行。

一种医用三维模拟运动平台的模拟运动方法，主要包含如下步骤：

首先根据肿瘤或人体正常器官的运动规律提前设定5种不同的运动轨迹分别用数字0、1、2、3、4表示，在设定运动轨迹时通过修改代表不同运动轨迹的数字来实现，操作时的具体步骤如下：

步骤（1）：将肿瘤或者器官的模拟物放置于***的扫描区，然后根据肿瘤或者器官的实际运动特征确定数学曲线或者表格；

步骤（2）：根据代表模拟物三维运动规律的数学曲线和表格分别在三维方向上进行解析，使分别形成三个方向上时间运动参数；

步骤（3）：将三个方向上的时间运动参数载入控制装置部分；

步骤（4）：然后接通三维运动验证***的总电源，控制装置将会控制显示模块显示上次使用该***时所做特定模拟物的运动轨迹曲线；

步骤（5）：通过键盘输入模块，选择本次所要实现的特定模拟运动轨迹；微控制器从存储器模块上读取上次运动的“x向振幅”、“y向振幅”、“z向振幅”和“转速”四组参数，通过键盘输入模块对四组参数进行调整设置；

步骤（6）：通过键盘输入模块的“启动/停止”键进行启动三维验证平台，运动轨迹代码及上一步骤确定的四组参数将会写入存储器模块；

步骤（7）：微控制器根据运动轨迹代码及四组参数计算出控制电机运动所需的步进脉冲频率；微控制器向步进电机驱动器发送步进脉冲和方向脉冲，控制步进电机运动，从而带动精密数控工作台运动；

步骤（8）：通过键盘输入模块的“启动/停止”键结束运动，一次三维模拟运动完成。

本发明的有益效果：

1控制***和运动***分离，可远程控制放射治疗过程中室内***的运动，避免操作人员受到放疗辐射；

2随时间变化的三维运动曲线可分别在三个方向上解析，形成三维的时间序列。运动轨迹、幅度和速度三组参数可完全控制***的运动情况。操作人员可在***运动前设定好这三组参数，并能够在运动过程中随时进行更改和更新，直至达到最佳的模拟运动效果；

3考虑到人在自主或者平稳呼吸运动时在三个维度上运动的差异性，本三维体模运动验证平台***可通过三个独立控制的自由度，来实现在三个维度上运动的差异性，实现运动幅度和运动节律可调。

4通过不同状态下运动模体的扫描，完成不同靶区模拟定位手段的模拟和验证，在图像获得过程中尽量模拟各种不同条件下的运动，这样可以提高模体的应用范围和应用价值。

5依据静止状态下的3D-CT图像，验证3D-CT图像分割的不足之处，进而提出相应的改进策略，从而使3D-CT分割后的图像更好地反应靶区的运动以及形态变化。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的控制装置结构示意图；

图3（a）为本发明的电路连接图1；

图3（b）为本发明的电路连接图2；

图4为本发明的步进电机驱动器的连接图；

图5为本发明的控制方法流程图；

图6为本发明的具体实施例一；

图7为本发明的具体实施例二；

图8为本发明的具体实施例三；

图9为本发明的具体实施例四。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3(a)、图3(b)、图4所示，一种医用三维模拟运动平台，包括运动装置、步进电机驱动器和控制装置，所述运动装置为精密数控工作台，在精密数控工作台的X方向、Y方向和Z方向分别连接有X向步进电机、Y向步进电机和Z向步进电机，X、Y、Z向步进电机分别与X、Y、Z向步进电机驱动器连接，X、Y、Z向步进电机驱动器和精密数控工作台与控制装置连接。

所述控制装置包括微控制器、存储模块、显示模块、键盘输入模块，其中存储模块、显示模块和键盘输入模块都与微控制器连接。所述控制装置采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，STC12C5A60S2单片机为一系列单片机，该系列单片机为40引脚，有2个16位定时器，可用来实现步进电机的调速，同时芯片为单机器周期单片机，指令执行频率等于机器频率，且该系列单片机个工作频率可达35MHz，可在较高控制精度的情况下为步进电机驱动器提供很高的控制频率。该系列单片机不同型号区别在于存储空间不同，其他参数相同，具体要求为20K以上Flash存储空间来存储程序和2K EEPROM存储空间用来存储相关数据。

X、Y、Z向步进电机驱动器和控制装置与变压器连接，变压器与220VAC连接，变压器通过整流、滤波器分别为步进电机驱动器和控制装置提供24V～80V和5V直流电压。

控制装置部分使用+5V标准电压：由通用的市电AC220V作电源，首先经过开关变压器降到DC5V，经整流滤波后产生标准电压+5V，提供给控制装置，其纹波系数相当小，稳定度高，不容易产生干扰。

电机驱动器的驱动电压：电机驱动器在24V～80VDC之间都可以正常工作。采用较高电压会使电机高速运行力矩保持不下降，低电压则有助于驱动器降低温升和增加低速时的运行平稳性。本***采用70V直流电压,由输出为70V，额定功率为600W的开关电源提供，所加电源的最大输出电流为6A，大于电机的额定相电流。

所述运动装置采用直线滚动导轨与滚珠丝杠，在每个轴上将步进电机的转动转换为直线运动，且运动距离控制精度可达到0.025mm。直线滚动导轨与滚珠丝杠均采用了预加载荷，消除了不必要的间隙，提高了接触刚度和定位精度，在数控***控制下，通过步进电机驱动，X-Y-Z三坐标精密数控工作台联动实现平面内任意三维曲线运动轨迹，实现无间隙运动，具有高精度、高效率、寿命长、磨损小、简洁实用特点。

所述步进电机采用型号为60HS44的三台步进电机，其最小步进角度为1.8度，配合相应的步进电机驱动器的细分功能可实现更小的最小步进角度，可提高控制精度，但会降低步进电机的最高旋转速度。

所述步进电机驱动器采用三台与步进电机相配套的步进电机驱动器，所述步进电机驱动器均能够提供整步、2细分、4细分、8细分、16细分、32细分、64细分7种细分运行模式。在整步方式下，一个脉冲将使电机转动1.8度，则2细分时一个脉冲使电机转动0.9度，4细分时一个脉冲则使电机转动0.45度，并依此类推。

本发明要求单轴电机带动其所属轴向工作台只需要做直线运动，且转速较高，故采用整步方式。x、y、z三维方向步进电机驱动器和精密数控工作台与控制装置连接。步进电机驱动器的接线和输入信号按以下方式进行连接，输入信号采用共阳极接线方式，将控制信号的正电源连接到公共端的端子上，信号输出线连接到相应的信号端子上，当信号输入端出现低电平时，相对应的内部光耦开通，将信号输入步进电机驱动器中，脉冲信号输入：信号从高到低的下跳变被步进电机驱动器解释为一个脉冲，此时步进电机驱动器将按照相应的时序驱动步进电机进行运行。

三维运动验证平台用于精确放疗验证时具体实施方法：

呼吸运动是影响胸腹部肿瘤精确放疗的重要因素：一方面其影响肿瘤靶区的精确定位，另一方面影响放疗剂量计算的准确性，分析呼吸运动对胸腹部肿瘤精确放疗的影响并提出相应的改进策略对提高放疗精度和治疗效果具有非常重要的意义。因目前无法实现活体实验的研究，依靠呼吸运动模拟装置研究呼吸运动对肿瘤靶区及危及器官产生的效应是一种有效而方便的途径。本研究所研制的三维运动验证平台为胸腹部肿瘤精确放疗过程的各个阶段进行质量控制和质量保证提供了重要工具：首先，应用三维运动模体对常见胸腹部肿瘤的靶区确定手段进行验证，通过与客观实物的比较，分析各手段存在的不足，研究相应的改进策略；通过模拟肿瘤及危及器官的运动规律，研究呼吸运动造成的二者形变规律及其引起的局域电子密度变化对肿瘤照射剂量准确计算的影响，进而为靶区和危及器官受量的准确评估和累加提供更客观的依据。现就实现的验证方法进行阐述。

1.放疗模拟定位CT扫描条件的优化

胸部和上腹部肿瘤放疗过程中，影响放疗精度的一个重要因素是呼吸运动、肠道蠕动等，因此，放疗模拟定位CT扫描过程中，扫描条件的设置，例如机架的旋转速度、球管的曝光条件等直接影响着肿块、器官运动的包含度、图像的成像质量和患者的曝光量产生，而且对此后的放疗计划制定和放疗实施都有重要影响。因此，放疗模拟定位CT扫描条件的优化有重要的临床意义，而此三维运动验证平台是胸部和上腹部运动肿瘤放疗模拟定位CT扫描条件的优化的必要设备。

将不同大小和形状的体模放置于本发明开发的三维运动验证平台的载重区，模拟不同大小和形状的肿瘤。令三维运动验证平台载重区按不同轨迹进行运动（一维、二维或三维），运动状态稳定后，放疗定位CT设置不同的扫描条件，扫描载重区及其体模，获得不同体模不同运动轨迹和状态下的三维图像，通过分析不同扫描条件下三维图像的清晰度、体模CT值失真度、体模体积与体模三维图像体积之间的差异等优化和筛选不同情况下的最佳扫描条件，从而完成模拟定位CT扫描条件的优化和验证，为肿瘤放疗临床提供重要的参考数据。

2.研究呼吸运动对放疗剂量实施准确度的影响

目前，对靶区和危及器官受量的评估均以计划***中静态CT为基础，而这种静态剂量的评估无法实现对受呼吸运动影响较大的胸腹部肿瘤剂量的准确评估。以本发明设计的三维运动模拟***为载体，模拟不同部位的肿瘤（肝脏、胰腺、肾脏、肺、食管、乳腺等）以及其邻近器官的相互关系，研究不同运动状态下靶区和危及器官的受量，进而分析呼吸运动对二者受量的影响。通过辐射剂量仪进行靶区和危及器官受量的测量和计算，在测量的基础上用计算机进行剂量分布的模拟和重建，从而获得靶区和危及器官动态的剂量分布。在此基础上，用建立数学模型的方法分析呼吸运动和靶区及危及器官受量的关系，建立呼吸运动与二者受量的数学模型，并将此数学模型用于验证胸腹部肿瘤在实际放射治疗中剂量受量情况。

3.评估不同呼吸运动控制技术的效能

目前，肿瘤放射治疗常用的呼吸运动控制技术包括ITV勾画技术、屏气技术、门控放疗技术和跟踪放疗技术，然而各种呼吸运动控制策略都有其局限性，对于个体患者，其最佳的呼吸运动技术并不明确。利用该三维运动模拟平台模拟不同肿块（大小、形状）不同状态（轨迹、速度）的运动，结合四维CT扫描技术，获得肿块的四维图像，利用该图像研究上述各种呼吸运动策略的优劣以及不同肿块和不同运动状态下的最优呼吸运动控制技术。

另外，可分别完成不同体积大小的肿瘤在不同呼吸条件下（包括呼吸节律和频率的不同）的自由呼吸运动状态下的3D-CT扫描、主动呼吸控制状态下的3D-CT扫描，以及三维运动模体与RPM***结合下的3D-CT扫描。在获得不同条件下的CT扫描图像后，以静止状态的3D-CT图像为依据，首先研究不同条件下CT图像治疗的差异，然后分析呼吸运动对不同手段进行靶区确定的影响（大小、形态、外放边界），进而寻求和改进各靶区确定手段，从而为胸腹部肿瘤的精确放疗手段的应用提供指导。

验证方法具体实施方案示意图：

1、如示意图6所示，

步骤（6-1）：完成模体由二维运动向三维运动的转变，然后结合VARIAN公司的RPM***完成以时间为介质的四维运动的模拟；

步骤（6-2）：分别完成自由呼吸状态下、主动呼吸控制辅助屏气状态下以及4D-CT的扫描，同时对模体周围的正常器官的布局进行模拟和分析。

2、如示意图7所示，

步骤（7-1）：实现不同条件下3D的CT扫描：分别完成自由呼吸状态下、主动呼吸控制辅助屏气状态下以及4D-CT的扫描；

步骤（7-2）：以主动呼吸控制状态下的静态图像为依据，分析呼吸运动对不同靶区确定手段进行靶区确定的影响，不同靶区确定手段所确定的靶区的大小和形态的差异，探讨各种定位手段的不足之处；以自由呼吸控制状态下的静态图像为依据，分析自由呼吸状态下扫描的弊端；以4D-CT扫描状态下的静态图像为依据，分析呼吸运动对不同靶区确定手段进行靶区确定的影响和各时相分割图像的不足之处；

步骤（7-3）：寻找相应的解决和改进方案，指导不同层次放疗机构开展精确放疗工作。

3、如图8所示，

步骤（8-1）：在完成三维运动模体的模拟定位后，依据3D-CT某一时相图像为依据进行放射治疗计划设计，然后将3D-CT其余时相的图像通过形变配准算法进行分析，获得不同时相的靶区及危机器官受量评估；

步骤（8-2）：将获得的靶区和危及器官的受量与呼吸运动的关系进行数学模型的建立，并将建立好的数学模型在通过模体试验加以验证和改进。

4、如图9所示，

步骤（9-1）：3D运动模块体的图像扫描；

步骤（9-2）：不同条件的CT模拟定位图像，根据实际需要进入步骤（9-3）或（9-8）；

步骤（9-3）：形变配准算法的研究；

步骤（9-4）：形变配准算法的改进和验证，进入步骤（9-5）、（9-6）、（9-7）、（9-9）；

步骤（9-5）：CT模拟定位机进行定位，进入步骤（9-10）；

步骤（9-6）：直线加速器进行加速，进入步骤（9-11）；

步骤（9-7）：图像引导放疗***进行引导，进入步骤（9-12）；

步骤（9-8）：4D-CT扫描，进入步骤（9-9）；

步骤（9-9）：动态4D-CT图像间点对点的形变配准，进入步骤（9-14）；

步骤（9-10）：呼吸运动和CT图像验证，进入步骤（9-13）；

步骤（9-11）：剂量验证，进入步骤（9-13）；

步骤（9-12）：摆位误差纠正及靶区和危机器官剂量的评估和验证，进入步骤（9-13）；

步骤（9-13）：进行放射治疗方案的选择，结束；

步骤（9-14）：肿瘤靶区和危及器官点对点的剂量叠加，结束。

结合相应的形变配准数学模型后，通过应用此数学模型实现动态4D-CT图像间点对点的形变配准，进而实现肿瘤靶区和危及器官点对点的剂量叠加。

本三维运动验证平台在用于放疗时验证获得的主要技术指标：

（1）所研制模体的运动可以实现三维（左右上下前后）且连续同步有差异性的的运动。各个方向的运动精度可以达到1mm，而运动频率在15-30次/分。与呼吸运动监测装置联合可以实现四维运动的模拟和分割，并通过CT扫描可以获得连续的动态CT图像。

表1：三维运动模体各轴向运动的参数范围。

（2）通过独立控制电路板的设计，运动模体所模拟的呼吸运动的幅度和节律必须为可调，可实现不同参数（频率和幅度）的变换和应用。

（3）运动模体的运动能够被RPM***所识别并能转换为模拟信号，通过将运动模体前后方向的运动与RPM***相结合，实现模体运动可以被跟踪和标记。

（4）运动模体的运动幅度和节律是可调的并且能够模拟不同条件的呼吸运动，通过独立控制电路板的设计，可实现如表1中所示的参数的变换和应用。

（5）运动模体的肿瘤载重区为无金属材料，可以支持2Kg的重量。

（6）运动模体中肿瘤的模拟物必须在形态、质地、密度上与常见肿瘤接近（选用动物的器官或组织），肿瘤的重量在0.1Kg-0.5Kg之间，密度与肌肉组织形似，形态在运动过程中变形较小。

如图5所示，本发明的最佳实施方式：

首先根据肿瘤或人体正常器官的运动规律提前设定5种不同的运动轨迹分别用数字0、1、2、3、4表示，在设定运动轨迹时可通过修改代表不同运动轨迹的数字来实现。操作时的具体步骤如下：

步骤（1）：将肿瘤或者器官的模拟物放置于***的扫描区，然后根据肿瘤或者器官的实际运动特征确定数学曲线或者表格；

步骤（2）：根据代表模拟物三维运动规律的数学曲线和表格分别在三维方向上进行解析，使分别形成三个方向上时间运动参数；

步骤（3）：将三个方向上的时间运动参数载入控制装置部分；

步骤（4）：然后接通三维运动验证***的总电源，控制装置将会控制显示模块显示上次使用该***时所做特定模拟物的运动轨迹曲线；

步骤（5）：通过键盘输入模块，选择本次所要实现的特定模拟运动轨迹；微控制器从存储器模块上读取上次运动的“x向振幅”、“y向振幅”、“z向振幅”和“转速”四组参数，通过键盘输入模块可以对四组参数进行调整设置；

步骤（6）：通过键盘输入模块的“启动/停止”键进行启动三维验证平台，运动轨迹代码及上一步骤确定的四组参数将会写入存储器模块；

步骤（7）：微控制器根据运动轨迹代码及四组参数计算出控制电机运动所需的步进脉冲频率；微控制器向步进电机驱动器发送步进脉冲和方向脉冲，控制步进电机运动，从而带动精密数控工作台运动；

步骤（8）：通过键盘输入模块的“启动/停止”键结束运动，一次三维模拟运动完成。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种医用三维模拟运动平台，包括运动装置、步进电机驱动器和控制装置，所述运动装置为精密数控工作台，其特征是，在精密数控工作台的X方向、Y方向和Z方向分别连接有X向步进电机、Y向步进电机和Z向步进电机，X、Y、Z向步进电机分别与X、Y、Z向步进电机驱动器连接，X、Y、Z向步进电机驱动器和精密数控工作台与控制装置连接。

2.如权利要求1所述的一种医用三维模拟运动平台，其特征是，所述控制装置包括微控制器、存储模块、显示模块、键盘输入模块，其中存储模块、显示模块和键盘输入模块都与微控制器连接；所述控制装置采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片。

3.如权利要求1所述的一种医用三维模拟运动平台，其特征是，X、Y、Z向步进电机驱动器和控制装置与变压器连接，变压器与220VAC连接，变压器通过整流、滤波器分别为步进电机驱动器和控制装置提供24V～80V和5V直流电压。

4.如权利要求1所述的一种医用三维模拟运动平台，其特征是，所述运动装置采用直线滚动导轨与滚珠丝杠配合，在每个方向上将步进电机的转动转换为直线运动，且运动距离控制精度达到0.025mm。

5.如权利要求1所述的一种医用三维模拟运动平台，其特征是，所述步进电机采用型号为60HS44的三台步进电机，其最小步进角度为1.8度。

6.如权利要求1所述的一种医用三维模拟运动平台，其特征是，所述步进电机驱动器采用三台与步进电机相配套的步进电机驱动器，所述步进电机驱动器均能够提供整步、2细分、4细分、8细分、16细分、32细分、64细分7种细分运行模式。

7.如权利要求1所述的一种医用三维模拟运动平台，其特征是，步进电机驱动器的接线和输入信号按以下方式进行连接，输入信号采用共阳极接线方式，将控制信号的正电源连接到公共端的端子上，信号输出线连接到相应的信号端子上，当信号输入端出现低电平时，相对应的内部光耦开通，将信号输入步进电机驱动器中，脉冲信号输入：信号从高到低的下跳变被步进电机驱动器解释为一个脉冲，此时步进电机驱动器将按照相应的时序驱动步进电机进行运行。

8.上述任一权利要求所述的一种医用三维模拟运动平台的模拟运动方法，其特征是，主要包含如下步骤：

首先根据肿瘤或人体正常器官的运动规律提前设定5种不同的运动轨迹分别用数字0、1、2、3、4表示，在设定运动轨迹时通过修改代表不同运动轨迹的数字来实现，操作时的具体步骤如下：

步骤（1）：将肿瘤或者器官的模拟物放置于***的扫描区，然后根据肿瘤或者器官的实际运动特征确定数学曲线或者表格；

步骤（2）：根据代表模拟物三维运动规律的数学曲线和表格分别在三维方向上进行解析，使分别形成三个方向上时间运动参数；

步骤（3）：将三个方向上的时间运动参数载入控制装置部分；

步骤（4）：然后接通三维运动验证***的总电源，控制装置将会控制显示模块显示上次使用该***时所做特定模拟物的运动轨迹曲线；

步骤（5）：通过键盘输入模块，选择本次所要实现的特定模拟运动轨迹；微控制器从存储器模块上读取上次运动的“x向振幅”、“y向振幅”、“z向振幅”和“转速”四组参数，通过键盘输入模块对四组参数进行调整设置；

步骤（6）：通过键盘输入模块的“启动/停止”键进行启动三维验证平台，运动轨迹代码及上一步骤确定的四组参数将会写入存储器模块；

步骤（7）：微控制器根据运动轨迹代码及四组参数计算出控制电机运动所需的步进脉冲频率；微控制器向步进电机驱动器发送步进脉冲和方向脉冲，控制步进电机运动，从而带动精密数控工作台运动；

步骤（8）：通过键盘输入模块的“启动/停止”键结束运动，一次三维模拟运动完成。

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