CN107362464A - 精准立体定向放射外科治疗装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于医疗设备领域内的一种精准立体定向放射外科治疗装置，由辐射装置***、六维机器人治疗床1和治疗计划***组成；辐射装置***由机架12和C形机臂5构成，机架12上设置有转轴10，转轴10与导轨9连接并控制导轨9的转动，C形机臂5安装在导轨9上并沿导轨9进行弧形运动；C形机臂5一端安装有射线源2，射线源2底端安装有小机头3，小机头3底端安装有准直器4；C形机臂5另一端安装有可伸缩电子射野影像装置7和活动屏蔽防护配重块8；靶器官定位探测装置6安装在六维机器人治疗床1床面侧方或下方。本装置辐射治疗头可以绕X轴作90度(或 ±45度)旋转运动，使得射线能在一个4π非共面的轨迹上发射。

Description

精准立体定向放射外科治疗装置
技术领域
本发明属于医疗设备领域，具体涉及一种精准立体定向放射外科治疗装置。
背景技术
立体定向精确放射治疗技术采用多射束、非共面、高剂量率、小野照射，在肿瘤病灶中心进行集朿聚焦，通过束流强度调整，使得剂量分布在靶体积边缘亚毫米级范围内迅速递减，降低了对周围正常组织的损伤，拓展了放射治疗的适应性，显著提升了患者疗效。但是，该项技术的实施对治疗设备精度、计划精度、摆位精度、治疗精度提出了更高的要求。现有以加速器为辐射源的立体定向放射治疗装置是以机架旋转轴Y和治疗床旋转轴Z垂直交叉构成旋转运动***，加速器辐射治疗头只能隨大机架绕Y轴作360度旋转运动和绕平行于Z轴的小机头轴自转。一般都是机架围绕通过等中心的枪—靶方向的Y轴旋转，治疗床则围绕通过等中心的转盘Z轴旋转，辐射治疗头在对Z轴倾斜方向即W方向无法运动，辐射源射束在4π非共面空间照射范围受到极大限制。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有加速器立体定向放射治疗装置辐射治疗头只能隨大机架绕Y轴旋转和隨小机头平行于Z轴自转，辐射源射束空间照射范围受到极大限制的不足，提供一种辐射治疗头除了可以隨大机架绕Y轴旋转和隨小机头平行于Z轴自转外，还可以绕X轴作90度(或 ±45度)旋转运动，使得射线能在一个4π非共面空间轨迹上发射的精准立体定向放射外科治疗装置。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：
本发明的精准立体定向放射外科治疗装置，主要由辐射装置***、六维机器人治疗床1和治疗计划***组成；其特征在于所述辐射装置***由机架12和C形机臂5构成，机架12上设置有转轴10，转轴10与导轨9连接并控制导轨9的转动，C形机臂5安装在导轨9上并沿导轨9进行弧形运动；C形机臂5一端安装有射线源2，射线源2底端安装有小机头3，小机头3底端安装有准直器4；C形机臂5另一端安装有可伸缩电子射野影像装置（EPID）7和活动屏蔽防护配重块8；靶器官定位探测装置6安装在六维机器人治疗床1床面侧方或下方。
上述方案中，所述机架12上设置有射线源辅助件11。
上述方案中，所述射线源2的加速管为C波段加速管或X波段；所述准直器4为圆形准直器或多叶准直器（MLC）。
上述方案中，所述靶器官定位探测装置6为X线图像跟踪、引导、定位装置或非X线图像跟踪、引导、定位装置。
上述方案中，所述非X线图像跟踪、引导、定位装置为三维电解剖标测***与三维心腔内超声的融合***和磁导航自动定位***。
上述方案中，所述治疗计划***为心脏放射外科治疗计划***或/和肿瘤治疗计划***。
上述方案中，所述心脏放射外科治疗计划***其步骤为：
心律失常信号无创获取及定位；通过心脏内部三维空间的电生理活动，逆向计算确定发生心律失常的病灶靶区源位置；
对源位置处的心肌组织进行定点辐射消融；
实时监控定点辐射消融点的参数，所传送的集束X射线相关的物理参数及心脏组织参数，并根据反馈的参数进行引导，调整或者优化集束X射线剂量的传送，以使得心律失常的治疗更准确高效；
提供心律失常评价***；通过无创方式激发心脏产生电信号，以帮助确定在进行定点辐射消融之前心脏是否存在异常的电生理信号活动，或者评价针对心律失常的起源位置处的心肌组织所作的定点辐射消融是否确实有效。
上述方案中，所述心律失常信号无创获取及定位步骤，具体为：
采用三维电解剖标测***（如：Carto***）与三维心腔内超声（ICE）的融合（CartoSound） 方法或采用体表多点无创采集电生理信号处理***和4D心脏超声成像方法。
上述方案中，所述采用三维电解剖标测***与三维心腔内超声的融合方法为：
将通过三维电解剖标测***中三维心腔内超声（ICE）探头置于心脏房间隔的右房侧，绕其长轴旋转探头，所获得的心脏不同扇面的断层结构，进行自动识别，或人工勾边，依靠相关软件，重建出心腔的立体轮廓。
上述方案中，所述采用体表多点无创采集电生理信号处理***和4D心脏超声成像方法为：
获取放于体表位置处的电极所检测到的体表电生理活动信号，通过逆向计算方法求出心脏内部三维空间的电生理活动，确定心律失常的发生位置；
确定装置机架、六维机器人治疗床、集束X射线的相关物理参数和实施辐射消融的最优路径；
将通过4D超声成像装置获取的心脏图像，经过多模态图像融合处理***，配合患者已有的CT、CB CT、PET/CT、MRI、US的图像，进行图像重建，构建出患者的立体心脏和躯干的三维解剖模型和VR场景。
上述方案中，所述肿瘤治疗计划***分为以下部分：
速度满足临床要求的高精度剂量计算方法(包括蒙特卡洛方法)；
基于人工智能的自动轮廓勾画；
基于大数据经验的快速计划；
4π 非共面多野聚焦计划逆向设计***；
4D 自适应计划。
本发明的精准立体定向放射外科治疗装置工作过程为：
转轴带动导轨和C形机臂以及射线源围绕通过等中心的方向的Y轴作360度(或±190度)旋转运动，小机头带动射线源和准直器围绕通过等中心的Z轴作360度(或±190度)旋转运动，C形机臂带动射线源沿导轨绕X轴作90度(或 ±45度)旋转运动，构成相互垂直二轴旋转***，对应于C形臂倾斜的某角度 ɑ，机架旋转某个角度 φ，直线加速器辐射头的放射线束就会扫出聚焦到等中心点的圆锥扇面，使得射线能在一个锥形的轨迹上发射。六维机器人治疗床可实现自动摆位、定位，能够进行X、Y、Z方向的移动和绕Z轴的旋转，倾斜和扭转，可高精度（重复定位精度为±0.2mm）六自由度运动，运行平稳、可靠，极其灵活配合射线源完成对各种不同病灶靶区的4π非共面无创放射外科照射治疗，使患者病灶在100%的立体角范围内可获得精准照射，大大提高了4π非共面治疗等中心精度。
传统放疗医用电子直线加速器和普通X-刀装置，其机架仅绕枪—靶方向的水平Y轴旋转，机架的机械平衡配重问题较易解决。本发明的精准立体定向放射外科治疗装置除机架上转轴带动导轨和C形机臂以及射线源绕Y轴作φ向旋转外，机架上导轨内的C形机臂还要绕X轴向方向作 ɑ 角度旋转。这就使其机械平衡配重问题变为复杂化，既有φ向旋转的失衡问题又有ɑ 向旋转的失衡问题。本发明采用在C形机臂与射线源相对的一端设置可伸缩活动屏蔽防护配重块来解决C形机臂运动时的动平衡，同时还解决了屏蔽防护问题，可降低对机房的屏蔽要求。
本发明的精准立体定向放射外科治疗装置还有以下特点：
1. 可改变集束射束剂量(调X波段/C波段加速器剂量率)。
2. 可灵活改变射野分布大小(改变圆形准直器孔径大小或MLC子野)。
3. 可改变集束射束空间4π立体入射角度。
4. 可改变集束射束入射平面(机器人床任意布置无限多非共面)。
5. 可改变集束射束等中心位置，特别是在心胸外无创外科手术多靶点和移动消融治疗中优势更加明显。
6. 大大缩短了治疗时间，提高了精准度，保护了正常组织，提高了治疗效果。
因此，本发明的精准立体定向放射外科治疗装置通过调节集束射线的剂量强度，使用多个高剂量射束照射，并且按病灶大小恰当地扩展集束射线的宽度 (在4π非共面上)，可使高剂量区集中在不同深度和不同大小的病灶部位，在提高病灶剂量的同时，大大降低了正常组织的照射剂量，可提高病灶局部控制率及降低正常组织并发症；当单个集束线越多、病灶靶区剂量峰越尖锐，剂量越高，通过辐射源机头旋转大机架和六维机器人治疗床的协调一致运动，并结合术前与术中采集的多模态图像、实时4D运动管控人工智能( AI )等技术，实现全新的非共面照射技术，它能够让线束流在4π立体空间几乎任意方向入射，在更加注重保护患者正常组织器官的条件下进行照射。
综上所述，本发明克服了现有加速器立体定向放射治疗装置辐射治疗头只能隨大机架绕Y轴旋转和隨小机头平行于Z轴自转，辐射源射束空间照射范围受到极大限制的不足，提供的精准立体定向放射外科治疗装置辐射治疗头除了可以隨大机架绕Y轴旋转和隨小机头平行于Z轴自转外，还可以绕X轴作90度(或 ±45度)旋转运动，使得射线能在一个4π非共面的轨迹上发射。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的三维集束照射示意图。
附图中，各数字的含义为：1：六维机器人治疗床；2：射线源；3：小机头；4：准直器；5：C形机臂；6：靶器官定位探测装置；7：可伸缩电子射野影像装置；8：活动屏蔽防护配重块；9：导轨；10：转轴；11：射线源辅助件；12：机架。
具体实施方式：
下面结合附图及实施例进一步详述本发明，但本发明不仅限于所述实施例。
实施例一
本例的精准立体定向放射外科治疗装置，如图1和图2所示，用于心脏疾病(如房颤，肥厚型心肌病等) 或脑外科治疗，由辐射装置***、六维机器人治疗床1和治疗计划***组成；所述辐射装置***由机架12和C形机臂5构成，机架12上设置有转轴10，转轴10与导轨9连接并控制导轨9的转动，C形机臂5安装在导轨9上并沿导轨9进行弧形运动；C形机臂5一端安装有射线源2，射线源2底端安装有小机头3，小机头3底端安装有准直器4；C形机臂5另一端安装有可伸缩电子射野影像装置（EPID）7和活动屏蔽防护配重块8；靶器官定位探测装置6安装在六维机器人治疗床1床面侧方或下方。
机架12上设置有射线源辅助件11。
射线源2为6MV C波段加速管，准直器4为圆形准直器。
靶器官定位探测装置6为非X线图像跟踪、引导、定位装置。
非X线图像跟踪、引导、定位装置为三维电解剖标测***与三维心腔内超声的融合***和磁导航自动定位***。
治疗计划***为心脏放射外科治疗计划***。
心脏放射外科治疗计划***其步骤为：
心律失常信号无创获取及定位；通过心脏内部三维空间的电生理活动，逆向计算确定发生心律失常的病灶靶区源位置；
对源位置处的心肌组织进行定点辐射消融；
实时监控定点辐射消融点的参数，所传送的集束X射线相关的物理参数及心脏组织参数，并根据反馈的参数进行引导，调整或者优化集束X射线剂量的传送，以使得心律失常的治疗更准确高效；
提供心律失常评价***；通过无创方式激发心脏产生电信号，以帮助确定在进行定点辐射消融之前心脏是否存在异常的电生理信号活动，或者评价针对心律失常的起源位置处的心肌组织所作的定点辐射消融是否确实有效。
心律失常信号无创获取及定位步骤，具体为：
采用三维电解剖标测***（如：Carto***）与三维心腔内超声（ICE）的融合（CartoSound） 方法或采用体表多点无创采集电生理信号处理***和4D心脏超声成像方法。
采用三维电解剖标测***与三维心腔内超声的融合方法为：
将通过三维电解剖标测***中三维心腔内超声（ICE）探头置于心脏房间隔的右房侧，绕其长轴旋转探头，所获得的心脏不同扇面的断层结构，进行自动识别，或人工勾边，依靠相关软件，重建出心腔的立体轮廓。
采用体表多点无创采集电生理信号处理***和4D心脏超声成像方法为：
获取放于体表位置处的电极所检测到的体表电生理活动信号，通过逆向计算方法求出心脏内部三维空间的电生理活动，确定心律失常的发生位置；
确定装置机架、六维机器人治疗床、集束X射线的相关物理参数和实施辐射消融的最优路径；
将通过4D超声成像装置获取的心脏图像，经过多模态图像融合处理***，配合患者已有的CT、CB CT、PET/CT、MRI、US的图像，进行图像重建，构建出患者的立体心脏和躯干的三维解剖模型和VR场景。
本例的精准立体定向放射外科治疗装置配有智能仿真模拟与安全保护***。
本例的精准立体定向放射外科治疗装置采用非X线图像自动跟踪，虛拟现实仿真（VR）和自动导航定位技术，即三维电解剖标测***与三维心腔内超声融合***，配合CT及MRI四维图像融合技术，在检查确定引起心动过速的异常结构的位置，或基于体表心电信号获得心脏电活动的源信息，采用VR技术和心电仿真模型参数解的心电逆向计算方法精准定位异常电位病灶靶区，配合六自由度机器人高精度灵活定位***，把精准准直器从数百个空间4π立体方位辐射出的极细束射线，在很小的确定范围内产生很高的辐射剂量，集聚在病灶靶区。由于辐射生物效应，使心脏局部组织纤维化坏死，达到治疗目的。由于射线对心肌局部造成损伤非常局限，可控在约毫米级的直径范围及深度，不会影响周围正常心肌组织。不开刀，不麻醉，故患者术中一般无明显不适。治疗过程大约半小时左右完成，留观1至2天即可出院。与国外CyberHeart***采用X射线图像定位装置完全不同，对病人的损伤更小，更安全可靠和精准。治疗费用低廉，可在有条件的基层医院大量推广使用。
实施例二
本例的精准立体定向放射外科治疗装置，用于***，除射线源2为6MV X波段加速管，准直器4为多叶准直器（MLC），靶器官定位探测装置6为X线图像跟踪、引导、定位装置，治疗计划***为肿瘤治疗计划***外，其余同实施例一。
肿瘤治疗计划***分为以下部分：
速度满足临床要求的高精度剂量计算方法(包括蒙特卡洛方法)；
基于人工智能的自动轮廓勾画；
基于大数据经验的快速计划；
4π非共面多野聚焦计划逆向设计***；
4D 自适应计划。
实施例三
本例的精准立体定向放射外科治疗装置，用于心脏疾病(如房颤，肥厚型心肌病等) 或脑外科治疗或用作X刀，除治疗计划***为心脏放射外科治疗计划***和肿瘤治疗计划***外，其余同实施例一。
肿瘤治疗计划***分为以下部分：
速度满足临床要求的高精度剂量计算方法(包括蒙特卡洛方法)；
基于人工智能的自动轮廓勾画；
基于大数据经验的快速计划；
4π非共面多野聚焦计划逆向设计***；
4D 自适应计划。

Claims (10)

1.一种精准立体定向放射外科治疗装置，主要由辐射装置***、六维机器人治疗床（1）、靶器官定位探测装置（6）和治疗计划***组成；其特征在于所述放射***由机架（12）和C形机臂（5）构成，机架（12）上设置有转轴（10），转轴（10）与导轨（9）连接并控制导轨（9）的转动，C形机臂（5）安装在导轨（9）上并沿导轨（9）进行弧形运动；C形机臂（5）一端安装有射线源（2），射线源（2）底端安装有小机头（3），小机头（3）底端安装有准直器（4）；C形机臂（5）另一端安装有可伸缩电子射野影像装置（7）和活动屏蔽防护配重块（8）；靶器官定位探测装置（6）安装在六维机器人治疗床（1）床面侧方或下方。
2.根据权利要求1所述精准立体定向放射外科治疗装置，其特征在于所述机架（12）上设置有射线源辅助件（11）。
3.根据权利要求1所述精准立体定向放射外科治疗装置，其特征在于所述射线源（2）的加速管为C波段或X波段；所述准直器（4）为圆形准直器或多叶准直器。
4.根据权利要求1所述精准立体定向放射外科治疗装置，其特征在于所述靶器官定位探测装置（6）为X线图像跟踪、引导、定位装置或非X线图像跟踪、引导、定位装置；其中，非X线图像跟踪、引导、定位装置为三维电解剖标测***与三维心腔内超声的融合***和磁导航自动定位***。
5.根据权利要求1所述精准立体定向放射外科治疗装置，其特征在于所述治疗计划***为心脏放射外科治疗计划***或/和肿瘤治疗计划***。
6.根据权利要求5所述精准立体定向放射外科治疗装置，其特征在于所述心脏放射外科治疗计划***其步骤为：
心律失常信号无创获取及定位；通过心脏内部三维空间的电生理活动，逆向计算确定发生心律失常的病灶靶区源位置；
对源位置处的心肌组织进行定点辐射消融；
实时监控定点辐射消融点的参数，所传送的集束X射线相关的物理参数及心脏组织参数，并根据反馈的参数进行引导，调整或者优化集束X射线剂量的传送，以使得心律失常的治疗更准确高效；
提供心律失常评价***；通过无创方式激发心脏产生电信号，以帮助确定在进行定点辐射消融之前心脏是否存在异常的电生理信号活动，或者评价针对心律失常的起源位置处的心肌组织所作的定点辐射消融是否确实有效。
7.根据权利要求6所述精准立体定向放射外科治疗装置，其特征在于所述心律失常信号无创获取及定位步骤，具体为：
采用三维电解剖标测***与三维心腔内超声的融合方法或采用体表多点无创采集电生理信号处理***和4D心脏超声成像方法。
8.根据权利要求7所述精准立体定向放射外科治疗装置，其特征在于所述采用三维电解剖标测***与三维心腔内超声的融合方法为：
将通过三维电解剖标测***中三维心腔内超声探头置于心脏房间隔的右房侧，绕其长轴旋转探头，所获得的心脏不同扇面的断层结构，进行自动识别，或人工勾边，依靠相关软件，重建出心腔的立体轮廓。
9.根据权利要求7所述精准立体定向放射外科治疗装置，其特征在于所述采用体表多点无创采集电生理信号处理***和4D心脏超声成像方法为：
获取放于体表位置处的电极所检测到的体表电生理活动信号，通过逆向计算方法求出心脏内部三维空间的电生理活动，确定心律失常的发生位置；
确定装置机架、六维机器人治疗床、集束X射线的相关物理参数和实施辐射消融的最优路径；
将通过4D超声成像装置获取的心脏图像，经过多模态图像融合处理***，配合患者已有的图像，进行图像重建，构建出患者的立体心脏和躯干的三维解剖模型和VR场景。
10.根据权利要求5所述精准立体定向放射外科治疗装置，其特征在于所述肿瘤治疗计划***分为以下部分：
速度满足临床要求的高精度剂量计算方法(包括蒙特卡洛方法)；
基于人工智能的自动轮廓勾画；
基于大数据经验的快速计划；
4 π非共面多野聚焦计划逆向设计***；
4D 自适应计划。
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