CN1537657A - 手术中放射治疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型手术中放射治疗装置，利用高能电子束在手术中照射已切除的肿瘤床以及残余肿瘤组织，其特征是采用CT和MRI影像三维重建软件重建肿瘤病人病灶部位的三维立体图像，采用模拟放射线入射病灶的模拟技术，确定电子束入射病灶的方向、角度、位置，应用放射治疗计划***，精确计算入射在病灶表面的放射剂量，在电子直线加速器的辐射头环周加装激光***，指示电子束入射的位置和范围，电子直线加速器的辐射头通过运动机架固定在手术室的天花板，通过移动运动机架和手术床之间相互运动将辐射头置放在治疗计划预定的治疗位置，进行术中放疗，可广泛应用在多种肿瘤手术中。

Description

手术中放射治疗装置

技术领域：

本发明涉及一种新型手术中放射治疗装置，属于一种新型医疗仪器，更具体地说是一种肿瘤放射治疗装置，利用高能电子束在手术中照射已切除的肿瘤床以及残余肿瘤组织，以彻底根治局部肿瘤并防止肿瘤向远处播散。

背景技术：

手术中放射治疗(Intraoperative radiotherapy)是肿瘤放射治疗的一种新技术，它是在手术中，当外科医生已经切除局部肿瘤后，应用放射线通过手术视野照射已切除肿瘤部份的肿瘤床或残存肿瘤组织，广泛应用在头颈部肿瘤、胸部、腹部、盆腔肿瘤的联合治疗中。

手术中放射治疗起始于本世纪八十年代，在手术中应用医用直线加速器，利用开放的手术野直接照射组织表面，以杀灭局部残余的肿瘤细胞。由于当时尚无专用术中放疗设备，因此采用放疗科的大型医用直线加速器来实施治疗，在手术切除肿瘤后，病人依然处于麻醉状态下，伤口用消毒巾覆盖后，将病人连同手术床直接送到直线加速器治疗室，实施术中放疗，这种治疗方法程序复杂，操作困难，给临床医生和病人都带来诸多不便，因此极大地限制了术中放疗的普及和推广。

90年代后期，意大利Hitesys S.P.A.首家推出商品名称为NOVAC7的移动式机械臂术中放疗装置，较正常电子直线加速器体积明显缩小，重量减轻，可以直接移动至手术室中进行术中放疗，美国专利(专利号：5,635,721)公开的技术“特别用于术中放疗的电子加速器”(an apparatus for the acceleration of electrons，particularly for intraoperative radiation therapy)，详细介绍了这种可移动型的术中放疗装置，它采用机械臂式的装置来支撑和移动电子直线加速器辐射头，在六个轴方向自由移动，而且通过特别设计，大幅减轻电子直线加速器重量和体积，通过自动化控制机械臂的运动而驱动电子直线加速器辐射头移动至手术视野，瞄准肿瘤床位置，实施术中放射治疗。

追随其后，美国Intraop Medical Inc.推出原理、结构与上述装置相似，商品名称为“MOBETRON”应用于手术室的可移动电子直线加速器，美国专利(专利号：5,321,271)公开的技术“术中电子束治疗***及装置”(Intraoperative electron beam therapy system andfacility)，详细介绍了这种专门设计用于手术室进行术中放疗的可移动型电子直线加速器，它驱动电子直线加速器辐射头的方法是采用C形臂装置支撑、固定辐射头，并通过自动控制方式移动辐射头至手术视野，瞄准肿瘤床进行电子束照射。

上述两种术中放疗装置是目前国际上已公开的，仅有的两种术中放疗装置，其特点均是通过特殊设计缩小电子直线加速器体积，并采用机械臂的方法来移动电子直线加速器辐射头，上述两种设备都应用了机器人技术，多维多方向机械臂自动控制技术，以及制造低重量、小体积的电子直线加速器技术，代表了当今最尖端的技术水平。尽管如此，上述技术仍然存在缺陷，由于为了满足大幅减少重量和体积的目的，而进行的特殊电子加速管设计，明显减低了所能达到的放射能量，仅能达到4～8Mev，这对于杀灭很多深部组织的肿瘤细胞是远远不够的，由于上述装置是采用机械臂来支撑移动电子直线加速器辐射头，而机械臂可以驱动辐射头的重量又是有所限制的，所以这种缺陷是上述装置很难克服的，而在临床推广过程中，这又是极其重要的关键，这种缺陷必然会影响术中放疗技术的普及和推广。

其次，由于采用了专门设计的电子直线加速器，增加了制造上的难度和增加成本，而这种装置的生产又不能到达批量生产规模，数量很少，因此，使上述装置的价格居高不下，影响了临床推广。

尽管上述装置明显减轻了电子直线加速器的体积和重量，上述装置的重量仍重达2500磅，对于灵活移动2500磅重量，多维、多方向运动机械臂的制造成本也必然非常昂贵，因此，术中放疗装置居高不下的价格，明显影响了这种技术在临床医院的推广。

上述装置另一个明显的缺陷是，尽管他们采用了极精密的多维多方向运动机械臂技术，但是，在临床应用中，缺乏三维立体定向技术和装置，仅是依靠临床外科医生和放疗科医生肉眼观察来确定位置，既没有应用高精度定位的CT或MRI影像辅助，也没有让医生有完善的工具确定病灶位置、角度、方向以及与周围正常组织的关系，以及对周围重要器官的影响，从而确定术中放疗电子束入射的最佳路径、方向、角度，以及据此而确定的电子束发射功率、发射时间等。

发明内容：

本发明的任务是，提出一种新型的手术中放射治疗装置，这种装置专门用于手术中放射治疗，能够很容易安装在手术室，通过自动控制方法，可以很方便地驱动电子直线加速器的辐射头，移动至手术野，而且这种装置配有CT或MRI影像三维立体图形重建的部件，在术中放疗前重建三维影像，让放疗科医生明确病灶的位置以及与周围组织的关系，确定最佳电子束入射角度、方向，制订适合病人病情的手术中放射治疗计划，此外，这种装置在电子直线加速器辐射头上带有激光定位装置，能够准确瞄准医生指定的病灶位置，并且激光束能明确指示电子束照射的部位和范围，同时，这种装置可以装载经过改装的常规电子直线加速器的辐射头，运动机架结构简单、价格便宜，明显降低制造成本。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，采用CT和MRI影像三维重建软件平台，重建病人病灶部位的三维立体图像，确定病灶位置及与周围组织关系，采用模拟放射线入射病灶的模拟技术，结合立体三维图像，从而最终确定电子束入射病灶的方向、角度、位置，应用放射治疗计划***，结合CT和MRI容积扫描数值，精确计算入射在病灶表面的放射剂量，制订明确可靠的术中放疗计划后进行放疗，同时，在电子直线加速器的辐射头环周加装激光***，四个环绕电子直线加速器聚焦装置环周的激光定位管发射的激光束直接照射在病灶表面，通过肉眼就能观察到电子束入射的位置和范围，让医生能再次确认入射线的位置、方向、角度，电子直线加速器的辐射头通过运动机架固定在手术室的天花板。通过移动运动机架来调节辐射头301至指示的位置，水平移动滑轨306通过沿水平固定滑轨及滑块305作X轴方向移动，垂直旋转运动臂304通过水平移动滑块307作Y轴方向移动，垂直伸缩运动臂303沿纵轴Z轴方向作上下运动，从而使辐射头301可以达到运动范围内空间的任何一点，通过垂直旋转运动臂的转动和辐射头301绕水平轴线的摆动，可以调整辐射电子束方向，使电子束准确照射到病灶上。

通过移动治疗床旋转运动臂310在Z轴方向转动，移动治疗床伸缩运动臂311在Y轴方向上下运动驱动治疗床连接器312，带动治疗床313的移动。上述多维方向、多角度移动，可以确保放射源的放射线从医生指定的任何角度射入病灶。

通过运动机架和治疗床相互之间运动，可以使多维运动轴超过多维多方向机械臂。本发明采用悬挂式机架可以提高空间的利用率，减少对运动部件的精度要求，Z轴方向垂直运动采用滚珠丝杠驱动，由于螺旋角的作用，仅需较小的扭矩便可控制Z轴方向运动，辐射头301的重心与垂直旋转臂303的轴线和辐射头301水平轴线的交关重合时，其运动方向上的惯性重量及重力附加载荷恒定不变，运动机架因此容易驱动辐射头301，即使辐射头重量加重，只要加固天花板的载重量就能实现，因而可以直接应用经过改装的普通电子直线加速器的辐射头，可以明显减少制造成本。而且，由于治疗床可以与运动机架相互运动，减少了对辐射头多维运动方向及角度的要求，治疗床重量轻，控制容易实现。因而可以用容易实现的运动机架及可运动的治疗床来替代复杂、精密度高、昂贵的多维多方向机械臂，不仅可以明显降低制造成本，也使操作更简便，维护更容易，更容易实现全自动化控制及管理。

本发明的有益效果是，采用新型手术中放射治疗装置，可以更精准的对病灶定位，并据此制订更科学合理的术中放疗方案，激光定位激光束可以明显指示入射电子束的位置及范围，有利于医生治疗过程中监控，驱动辐射头的运动机架和治疗床相互运动，可以使辐射头更容易、更准确入射目标病灶，采用更为简单的运动装置代替复杂、昂贵的多维机械臂，明显降低成本，可选用多种电子直线加速器的多重选择性，降低了设备制造的难度和成本，降低了术中放疗装置的价格可以使这项技术更容易在临床医院普及，并为更多病人服务。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是新型手术中放射治疗装置示意图

图2是运动机架示意图

图3是治疗床示意图

图4是激光***与辐射头位置示意图

图5是激光***俯视图

图6是辐射头连接示意图

图中，301-电子直线加速器辐射头，302-辐射头连杆，303-垂直伸缩运动臂，304-垂直旋转运动臂，305-水平固定滑轨及滑块，306-水平移动滑轨，307-水平移动滑块，308-辐射头连杆运动关节，309-运动机架，310-治疗床旋转运动臂，311-治疗床伸缩运动臂，312-治疗床连接器，313-治疗床，314-治疗床面，402-电子束聚焦装置，403-激光***，404-激光定位管，405-塑料聚光筒，406-激光管固定盘，407-激光固定器中央孔

具体实施方式：

图1、图2显示的实施例是术中放疗装置运动机架及其相连接的辐射头。本发明的手术中放射治疗装置包括辐射头301及其运动机架309，运动机架309包括相互连接的辐射头连杆运动关节308、垂直伸缩运动臂303、垂直旋转运动臂304、水平固定滑轨及滑块305、水平移动滑轨306、水平移动滑块307。各个部件顺序连接，相互之间自由移动，水平移动滑轨306通过滑块沿水平固定滑轨及滑块305作X轴方向移动，垂直旋转运动臂304通过水平移动滑块307作Y轴移动，垂直伸缩运动臂303沿纵轴Z轴方向作上下运动，从而使辐射头301可以达到运动范围内空间的任何一点，通过垂直旋转运动臂的转动和辐射头301绕水平轴线的摆动，可以调整电子束射线方向，使射线准确照射到病灶上。上述部件相互运动可以是人工移动方式，也可以采用任何动力驱动方式，包括电动机、液动装置，气动装置、磁电装置，控制方式可以是电动控制、数字化程序控制、或无线遥控方式。

图1、图3显示的实施例是运动机架及辐射头与治疗床相互位置及治疗床结构。治疗床313由治疗床旋转运动臂310、治疗床伸缩运动臂311、治疗床连接器312、治疗床面314组成。上述部件顺序连接，相互之间自由移动。通过移动治疗床旋转运动臂310在Z轴方向转动，移动治疗床伸缩运动臂311在Y轴方向上下运动可以驱动治疗床连接器312，从而带动治疗床313的移动，上述多维方向、多角度移动可以确保辐射头的电子束从医生指定的任何角度射入病灶，上述部件相互运动方式、驱动方式和控制方式与运动机架309相同。

图4、图5显示的实施例中，激光***403由激光管固定盘406和激光定位管404组成，4个激光定位管404分别安装在激光管固定盘3点、6点、9点、12点位置，激光定位管固定在激光固定盘的方式可以是任何已知的方式，包括螺丝螺帽固定、固定带固定、粘贴固定、扣板固定、扣环固定方式，激光固定器403被安装在电子束聚焦装置402表面，激光固定器中央孔407正好处于聚焦装置出口，而4个激光定位管正好处于电子束出口的边缘，4个激光定位管放射的激光束位置、方向、角度及其构成的区域、范围，正好代表电子直线加速器辐射头发射的电子束的位置、方向、角度及区域，激光束在靶区形成的指示区域，代表电子束入射的范围和区域。

图6显示的实施例中显示的是电子直线加速器辐射头301与运动机架309相互之间的连接，辐射头连杆运动关节308上端连接垂直旋转运动臂，下端连接辐射头连杆302，辐射头连杆运动关节308，可以沿Z轴方向进行运动，从而驱动辐射头301在Z轴方向自由移动，运动范围120°～180°，可以由人工驱动方式或任何动力方式驱动。

下面是本发明的另一个最佳实施例

病人仰卧在CT扫描床上，做CT和增强扫描，了解病变靶点位置、病灶与相邻器官和血管的空间关系。根据病变位置，用一个带10mm直径圆形铅块的胶布贴置在病变区域上方的表皮上。开始进行CT扫描，采用单层扫描或螺旋扫描方式，扫描层数为6～10层，采集层数越多，可以为三维影像重建提供更多的信息。扫描完毕后，将CT扫描资料通过计算机串行接口232传输至电脑工作站，同时将输入的CT扫描信息，输入三维立体影像重建软件(该软件平台可以应用广泛采用的成像技术，表面投影显示方式或最大密度投影方法自我开发，或者直接购买已经商品化的三维重建影像软件，例如美国“3D Doctor”立体三维影像重建软件)。重新构建三维立体影像在三维立体影像显示器上显示。医生观察三维立体影像，确定病灶位置、深度、角度、方向及与周围重要器官、血管、神经的关系，确定最佳入射路径、角度、方向、深度，并根据CT和MRI扫描容积，及放射治疗计划***，计算入射电子束剂量，制订合理的手术中放射治疗计划。

病人按照预定手术方案进行手术，在手术将要结束前1小时，技术人员预热电子直线加速器，测定装置中各项参数和指标，作好术中放射治疗准备，当手术切除肿瘤后，经外科医生认可，实施手术中放射治疗。

将运动机架309及其相连接的电子直线加速器辐射头移动至治疗床上方，通过移动运动机架来调节辐射头301至医生制订的放疗计划中指示的位置，水平移动滑轨306通过滑块沿水平固定滑轨及滑块305作X轴方向移动，垂直旋转运动臂304通过水平移动滑块307作Y轴方向移动，垂直伸缩运动臂303沿Z轴方向作上下运动，通过垂直旋转运动臂的转动和辐射头301绕水平轴线的摆动，可以调整放射源放射线方向，使射线准确照射到病灶上。

通过移动治疗床旋转运动臂310在Z轴方向转动，移动治疗床伸缩运动臂311在Y轴方向上下运动，驱动治疗床连接器312，带动治疗床313的移动，上述多维方向、多角度移动可以确保放射源的放射线从医生指定的任何角度射入病灶。

当确定已移动辐射头到达指定位置后，开启激光定位灯404，观察4个激光束在病灶部位形成的指示区域，对照三维影像，当确定位置、方向无误后，医务人员离开手术室，以6～12Mev的功率治疗病人，约2～4分钟结束，从而完成了手术中放射治疗。

新型手术中放射治疗装置，可以广泛应用在胸腔、腹腔、盆腔肿瘤切除手术中，

Claims (7)

1.本发明涉及一种新型手术中放射治疗装置，利用高能电子束在手术中照射已切除的肿瘤床以及残余肿瘤组织，其特征是：采用CT和MRI影像三维重建软件平台，重建肿瘤部位的三维立体图像，确定病灶位置及与周围组织关系，采用模拟放射线入射病灶的模拟技术，确定电子束入射病灶的方向、角度、位置，应用放射治疗计划***，精确计算入射在病灶表面的放射剂量，在电子直线加速器的辐射头环周加装激光***，四个环绕电子直线加速器聚焦装置环周的激光定位管发射的激光束直接照射在病灶表面，指示电子束入射的位置和范围，电子直线加速器的辐射头通过运动机架固定在手术室的天花板，通过移动运动机架和手术床之间的相互运动，将辐射头置放在治疗计划预定的治疗位置，进行术中放疗。

2.根据权利要求1所述的新型手术中放射治疗装置，其特征是：应用CT或MRI对肿瘤病灶检查的影像资料，通过采用三维影像重建软件，重建肿瘤局部病灶部位的三维立体图形，明确肿瘤病灶的位置及其与周围组织及重要器官相互关系，采用影像虚拟光标划线技术，模拟电子束入射肿瘤病灶入射路径，结合三维立体影像，确定电子束入射肿瘤病灶的位置、方向、角度、深度，应用放射治疗计划***，结合CT和MRI容积和扫描数值，精确计算入射在病灶表面的放射剂量，依此建立明确、可靠、详细的术中放射治疗计划后进行术中放疗。

3.根据权利要求1所述的新型手术中放射治疗装置，其特征是：通过移动运动机架来调节辐射头301至指示的位置，水平移动滑轨306通过滑块沿水平固定滑轨及滑块305作X轴方向移动，垂直旋转运动臂304通过水平移动滑块307作Y轴方向移动，垂直伸缩运动臂303沿Z轴方向作上下运动，从而使辐射头301可以达到运动范围内空间的任何一点，通过垂直旋转运动臂的转动和辐射头301绕水平轴线的摆动，可以调整辐射电子束方向，使电子束准确照射到病灶上，通过移动治疗床旋转运动臂310在Z轴方向转动，移动治疗床伸缩运动臂311在Y轴方向上下运动可以驱动治疗床连接器312，从而带动治疗床313的移动，上述多维方向、多角度移动，可以确保放射源的放射线从医生指定的任何角度射入病灶。

4.根据权利要求1所述的新型手术中放射治疗装置，其特征是：通过运动机架和治疗床相互之间运动，可以使多维运动轴超过多维多方向机械臂，悬挂式机架可以提高空间的利用率，减少对运动部件的精度要求，Z轴方向垂直运动采用滚珠丝杠驱动，由于螺旋角的作用，仅需较小的扭矩便可控制Z轴方向运动。

5.根据权利要求1所述的新型手术中放射治疗装置，其特征是：治疗床313由治疗床旋转运动臂310、治疗床伸缩运动臂311、治疗床连接器312、治疗床面314组成，上述部件顺序连接，相互之间自由移动，通过移动治疗床旋转运动臂310在Z轴方向转动，移动治疗床伸缩运动臂311在Y轴方向上运动驱动治疗床连接器312，带动治疗床313的移动。

6.根据权利要求1所述的新型手术中放射治疗装置，其特征是：激光***403由激光管固定盘406和激光定位管404组成，4个激光定位管404分别安装在激光管固定盘3点、6点、9点、12点位置，激光定位管固定在激光固定盘的方式可以是任何已知的方式，包括螺丝螺帽固定、固定带固定、粘贴固定、扣板固定、扣环固定方式，激光固定器403被安装在电子束聚焦装置402表面，激光固定器中央孔407正好处于聚焦装置出口，而4个激光定位管正好处于电子束出口的边缘，4个激光定位管放射的激光束位置、方向、角度及其构成的区域、范围，正好代表电子直线加速器辐射头发射的电子束的位置、方向、角度及区域，激光束在靶区形的指示区域，代表电子束入射的范围和区域。

7.根据权利要求1所述的新型手术中放射治疗装置，其特征是：辐射头连杆运动关节308上端连接垂直旋转运动臂下端连接辐射头连杆302，辐射头连杆运动关节308，可以沿Z轴方向进行运动，从而驱动辐射头301在Z轴方向自由移动，运动范围120°～180°，可以由人工驱动方式或任何动力方式驱动。

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