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一种聚焦式调强适形放射治疗机

阅读：1013发布：2020-11-09

IPRDB可以提供一种聚焦式调强适形放射治疗机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种聚焦式调强适形放射治疗机，包括机架、三维扫描定位床、用于针对病灶发射放疗能量的聚焦治疗头；用于驱动三维扫描定位的电控装置床；用于控制聚焦治疗头进行连续分层扫描病灶的数据处理装置。本发明由数据处理装置控制扫描定位床进行三轴联动，使聚焦焦点分层以直线方向扫描或沿等剂量线扫描照射病人的肿瘤病灶并不断改变瞬时扫描速度，实现照射剂量的适形分布和调强。本发明将聚焦照射增益比高的特点和调强适形控制的优点结合起来，具有实现方便、增益比高等优点。，下面是一种聚焦式调强适形放射治疗机专利的具体信息内容。

权利要求

1、一种聚焦式调强适形放射治疗机，包括机架(1)、聚焦治疗头(2)、三维扫描定位床(3)、电控装置(4)和数据处理装置(5)，聚焦治疗头 (2)固定在机架(1)上，并位于三维扫描定位床(3)上方，聚焦治疗头(2)用于针对病灶发射放疗能量；电控装置(4)与三维扫描定位床 (3)电缆连接，用于驱动三维扫描定位床(3)进行三维移动；数据处理装置(5)与聚焦治疗头(2)电缆连接，用于控制聚焦治疗头(2)进行连续分层扫描病灶。

2、根据权利要求1所述的治疗机，其特征在于：聚焦治疗头(2) 采用的能量束为伽玛射线、X射线或超声波。

3、根据权利要求1或者2所述的治疗机，其特征在于：控制装置(4) 由人机接口(4-1)、治疗头控制器(4-2)、治疗头驱动器(4-3)、扫描定位床控制器(4-4)和扫描定位床各轴驱动器(4-5)组成，其中人机接口(4-1)用于连接治疗头控制器(4-2)、扫描定位床控制器与数据处理装置(5)，并用于完成人机交互和治疗机参数设置，治疗头控制器(4-2)根据从数据处理装置(5)所得到的信息，将聚焦式治疗头 (2)的控制参数转化为控制信号，传送给治疗头驱动器(4-3)，治疗头驱动器(4-3)驱动聚焦式治疗头(2)完成预定运动；扫描定位床控制器(4-4)根据从数据处理装置(5)所得到的信息，将扫描定位床(3) 的控制参数转化为控制信号，传送给定位床各轴驱动器(4-5)，扫描定位床各轴驱动器(4-5)驱动扫描定位床(3)完成预定运动。

4、根据权利要求3所述的治疗机，其特征在于：数据处理装置(5) 完成影像数据处理、标志点检测、轮廓提取、三维重建、分层处理、强度分布计算和设计，再进行分区处理、扫描轨迹规划、调强控制参数计算、适形控制参数计算，根据上述计算所获得的参数控制扫描定位床(3) 进行调强运动或适形运动，完成调强适形照射；控制装置(4)根据数据处理装置(5)提供的参数控制聚焦治疗头(2)采用直线扫描方式或分区扫描方式进行扫描。

说明书全文

技术领域

本发明涉及一种聚焦式调强适形放射治疗机，特别是涉及一种采用伽玛射线、超声波等能量束聚焦照射实现调强适形放射治疗机。

背景技术

理想的放射治疗应满足：a.在照射方向上，射野形状(包括聚焦焦点扫描形状)与靶区形状一致；b.每个射野内诸点照射强度能按照要求进行调整，以达到最佳照射效果。这种照射方式被称为调强适形照射。
调强适形照射的一般实现过程是：使用具有逆向计划设计功能的计划系统对影像数据进行处理，得到照射目标的几何参数和物理参数，然后根据照射要求，通过逆向设计方法，计算出每个射野的强度分布及调强控制参数，再将调强控制参数传递给执行结构，完成调强适形照射。
自20世纪70年代Bjarngard提出调强适形的概念以来，已提出了多种调强适形装置和治疗机。归纳起来有以下几类：(1)使用二维物理补偿器：由计划系统提供二维补偿器组织的厚度分布参数，输出给计算机控制的补偿器制作装置制作二维补偿器。照射时，通过二维补偿器遮挡、吸收射线，实现射野适形及强度调制。(2)多叶光栅(MLC)静、动态调强：MLC 有两组叶片，各组叶片相向排列安装于托架上，叶片可以在托架上运动，运动的方向与射线束轴线方向垂直，每个叶片可独立驱动。光栅叶片的大小、片数和位置决定了照射野大小和形状近似的精确度。计划系统输出MLC 各叶片的位置、运动速度等参数，通过调节射野形状和各野照射时间实现调强适形照射。(3)断层照射：利用特殊设计的MLC形成扇形束绕目标旋转照射，床体步进，完成各切片的照射。Peakcock公司设计的NOMOS系统就是一种典型的断层照射系统。(4)电磁扫描调强：Scanditronix MM50是典型的电磁扫描调强治疗机，其照射头上装有偏转磁铁，由计算机控制偏转电流大小，改变电子束射出或击靶方向，产生方向不同，强度各异的射线笔形束，笔形束扫描照射患者，形成要求的强度分布。
上述几种调强适形治疗装置都是大射野调强适形，或将大野分割成了野或小野，各野强度叠加形成要求的总体强度分布，均未涉及聚焦式照射的调强适形。
采用聚焦照射方式的治疗机以多束能量束沿不同路径聚焦到中心，形成高强度焦点，杀灭肿瘤细胞，使健康组织受到的伤害较少，得到了保护。由于聚焦式照射具有照射增益比高、射线能量和穿透力强、皮肤受量小、旁散射小、经济、可靠、维护方便等优点，得到了广泛应用。国内已开发出旋转聚焦式头部伽玛刀和全身伽玛刀，进一步提高了照射增益比。但原有聚焦式治疗机都是对目标进行单焦点照射，完成一焦点照射后，床体移动，对下一个焦点进行照射，最后所有焦点照射完毕，完成照射。这种“焦点填充式”的照射方式类似于小野叠加，也未涉及调强的概念。

发明内容

本发明目的是克服已有技术的缺点，将聚焦式照射增益比高的特点和调强适形控制的优点结合起来，提出一种聚焦式调强适形放射治疗机。
本发明的聚焦式调强适形放射治疗机，包括机架、聚焦治疗头、三维扫描定位床、电控装置和数据处理装置，聚焦治疗头固定在机架上，并位于三维扫描定位床的上方，聚焦治疗头用于针对病灶发射放疗能量；电控装置与三维扫描定位床电缆连接，用于驱动三维扫描定位床进行三维移动；数据处理装置与聚焦治疗头电缆连接，用于控制聚焦治疗头进行连续分层扫描病灶。
上述的治疗机，所说的聚焦治疗头采用的能量束为伽玛射线、X射线或超声波。
本发明与原有调强适形治疗装置相比突出的优点有：
(1)将聚焦式照射增益比高的特点和调强适形控制的优点结合起来，由计算机控制照射焦点扫描病灶，实现照射剂量调强适形，具有治疗精度高，实现方便，成本低廉等优点。与之相较，原有调强适形治疗装置都是大照野照射治疗，治疗增益比较低。MLC价格昂贵，控制复杂。电磁扫描调强只能使用加速器，且价格昂贵。而使用补偿器需要补偿器制作装置，不同射野还需制作不同补偿器。
(2)无需任何人工参与，减轻工作人员的劳动强度。而使用补偿器调强，需要根据不同射野人工更换补偿器，操作麻烦。MLC结构复杂，操作繁琐。
(3)利用聚焦式照射强度集中的特点，直接连续扫描目标，剂量分布理想，克服了原有调强适形治疗装置小野拼接相邻区强度分布不均的缺点。

附图说明

附图1为本发明放射治疗机的结构示意图。
附图2为本发明放射治疗机的结构框图。
附图3为本发明放射治疗机的治疗过程的流程图。
附图4为数据处理装置的模型分层调强原理图(以采用直线扫描方式为例)，(1)目标表面模型示意图；(2)模型分层示意图，δ为层厚，D为焦点直径；(3)强度计算示意图，虚线L为等强度线，实线C为体廓；(4) 扫描路径规划示意图，R为扫描路径，O为扫描方向；(5)调强扫描示意图， F为聚焦焦点，O为扫描方向；(6)强度分布实现示意图。
附图5为控制装置的分区原理及扫描方式示意图，(1)为直线扫描方式，V为焦点运动速度，F为聚焦焦点，各区标注的数字为该区强度与本层射野中心强度百分比；(2)为分区扫描方式，V为焦点运动速度，F为聚焦焦点。

具体实施方式

如图1所示，聚焦式治疗机由机架1，聚焦式治疗头2，扫描定位床3、控制装置4和数据处理装置5组成。聚焦式治疗头2安装在机架上1，用于将伽玛射线、X射线或超声波等能量束聚焦到一个高能量密度的焦点。扫描定位床3用于承载病人，并在控制装置4的控制下进行相应的运动。数据处理装置5用于对治疗计划进行规划，完成病灶三维模型重建、模型分层处理、强度分区等功能。并将规划参数传递给控制装置4，控制装置4将规划参数转化为运动控制参数，控制扫描定位床3完成治疗。
在附图2中，控制装置4由人机接口4-1、治疗头控制器4-2、治疗头驱动器4-3、扫描定位床控制器4-4、扫描定位床各轴驱动器4-5组成。其中人机接口4-1完成人机交互功能，完成治疗机参数的设置。治疗头控制器4-2根据从数据处理装置5所得到的信息，将相关聚焦式治疗头 2的控制参数转化为控制信号，通过治疗头驱动器4-3驱动聚焦式治疗头 2完成预定运动。扫描定位床控制器4-4根据从数据处理装置5所得到的信息，将相关扫描定位床3的控制参数转化为控制信号，通过扫描定位床各轴驱动器4-5驱动扫描定位床3完成预定运动。
在附图3中，数据处理装置5用于完成影像数据处理、标志点检测、轮廓提取、三维重建、分层处理、强度分布计算和设计等功能，再由控制装置4进行分区处理、扫描轨迹规划、调强控制参数计算、适形控制参数计算，并根据计算获得的参数控制扫描定位床3进行调强运动或适形运动，完成调强适形照射。上述各步骤的具体实现说明如下：
轮廓提取(尤其是目标轮廓和敏感组织轮廓)采用人机交互方式手工勾画，以排除全自动轮廓勾画可能出现的意想不到的结果。一般由人工拾取控制点，计算机进行曲线拟合，逼近目标或组织形状。
三维重建以二维轮廓数据为基础，进行三角面片的划分，得到的数据以STL文件形式存储。通过光照、消隐、着色等处理，可将人体三维结构显示在计算机屏幕上。
本发明可实现任意方向的分层扫描，分层厚度与焦点直径相同。以垂直于Y方向和Z方向的分层为例：对垂直于Z方向的分层可不通过STL文件，直接对二维轮廓线进行插值，得到各层轮廓信息。对于垂直于Y方向的分层，由计划系统对表面模型进行分层处理，求出各层轮廓信息。分层处理是用一系列平行的截平面(可沿任意方向)截交表面模型，形成由小段折线构成的封闭多边形边界，该边界即为实体在该方向的一个轮廓投影。分层处理目的就是得到目标轮廓投影的几何数据，其数学实质是以截平面截交三角形网格，求出各截面与网格棱边的交点，该层所有交点的连线构成一个封闭多边形。
分区处理是由数据处理装置5设计出强度分布，得到各层等强度线，据此将辐照区域分成等级不同的等强度区，区内强度视为相等。控制装置4 依据各区强度大小，换算出焦点扫描过该区的速度。分区处理实质就是对强度分布进行离散化，各区扫描速度不同，实现强度调制和射野适形。
本发明提供了两种扫描轨迹规划方式：直线扫描方式和分区扫描方式。直线扫描方式的扫描轨迹为直线，逐行进行扫描，照射焦点通过不同强度区时调整扫描速度。分区扫描方式的扫描轨迹一般沿等强度线方向，同一强度区焦点扫描速度不变，完成一区扫描后，调整扫描速度转到下一区进行扫描。扫描路径也要考虑避开敏感组织。
最后，控制装置4对焦点运动速度、轨迹等参数进行处理，生成NC代码，控制扫描定位床3完成聚焦焦点分层扫描调强适形照射。
在附图4中，数据处理装置5对病灶目标三维模型进行了分层处理。分层处理是可沿任意方向用一系列平行的截平面，截交表面模型，形成由小段折线或圆弧构成的封闭边界，该边界即为实体在该方向的一个分层截面轮廓，从而得到目标轮廓投影的几何数据，以截平面截交三角形网格，求出各截面与网格棱边的交点，该层所有交点的连线构成一个封闭轮廓。目标模型的分层厚度与焦点直径相同。以垂直于Y方向和Z方向的分层为例：对垂直于Z方向的分层可直接对二维轮廓线进行插值，得到各层轮廓信息。对于垂直于Y方向的分层，由计划系统对表面模型进行分层处理，求出各层轮廓信息。
在附图5中，控制装置4根据数据处理装置5得到的强度分布，计算各层等强度线，将照射区域分成等级不同的等强度区(如附图5(1)所示 A1、A2…)，区内强度视为相等。然后依据各区强度大小，换算出焦点扫描过该区的速度，然后采取直线扫描方式或分区扫描方式对扫描定位床3进行控制。直线扫描方式的扫描轨迹为直线，逐行进行扫描，照射焦点通过不同强度区时调整扫描速度，分区扫描方式的扫描轨迹一般沿等强度线方向，同一强度区焦点扫描速度不变，完成一区扫描后，自动调整扫描速度并转到下一区进行扫描。扫描路径也要考虑避开敏感组织。分区处理实质就是对强度分布进行离散化，各区扫描速度不同，实现强度调制和射野适形。

标题	发布/更新时间	阅读量
放射治疗仪-专利编号CN104771839A	2020-05-12	517
放射治疗仪-专利编号CN101842133B	2020-05-12	269
放射治疗仪-专利编号CN101472649A	2020-05-12	718
放射治疗仪-专利编号CN104771839B	2020-05-13	462
放射治疗仪-专利编号CN102728005B	2020-05-11	986
放射治疗仪-专利编号CN101472649B	2020-05-13	395
基于生物等效剂量的放射治疗计划设计方法和设计系统-专利编号CN104225806A	2020-05-13	779
放射治疗仪-专利编号CN102728005A	2020-05-11	446
放射治疗仪-专利编号CN101842133A	2020-05-11	95
一种放射治疗定位装置-专利编号CN210078637U	2020-05-11	1016

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