專利名稱:用于斷層放療和動態調強放療的多葉準直器及其控制方法
技術領域：
本發明涉及醫療設備技術領域：
，特別是涉及一種用于斷層放療和動態調強放療的多葉準直器及其控制方法。
背景技術：
體外射線放射治療的根本目的在于，在腫瘤靶區形成有效劑量，同時減少鄰近的正常組織劑量。最初采用少量的圓形、方形等基本形狀調制射束，但是對于絕大多數腫瘤靶區這種方法極有可能導致正常組織輻照過量。后來出現了適形放療技術(ConformalRadiotherapy)，其根本目的在于實現劑量分布與腫瘤形狀相適應。其中三維適形放療技術(3-Dimensional Conformal Radiotherapy, 3DCRT),采用多個射野方向，并且保證各個射野方向靶區與射束形狀相適應。三維適形放療技術的應用，提高了腫瘤的控制率。臨床數·據顯示，在治療計劃劃定靶區中，30%以上的腫瘤具有凹面，對此3DCRT技術無能為力。
后來出現了調強放療技術(IntensityModulated Radiotherapy, IMRT),其主要原理可概括如下調制入射射束的強度，從不同投射角度投照實現X射線的劑量積累，提高射束與腫瘤靶區的空間適形度，同時避開關鍵組織器官。
實現調強放射治療技術的一個關鍵功能部件是多葉準直器(Multi-leafCollimator, MLC,又稱多葉光柵、多葉光闌)。是由一組或多組成套重金屬合金(如鎢合金)葉片構成，其主要作用是通過葉片的機械運動變化組合形成醫療計劃所需要的X射線視野。多葉準直器作為實現調強放療的關鍵執行部件，以其通用性和獨特的凹形劑量投照分布能力，現已廣泛應用于現代直線加速器，并取得了廣泛的臨床應用。以葉片的運動形式劃分，多葉準直器可劃分為兩大類連續多葉準直器和二元(或開關式)多葉準直器。
采用多葉準直器實現調強放療的技術中，最常見是固定射野調強放療法，臨床上固定射野放療方法能在幾個固定射野，通過葉片移動阻擋射束形成射野，完成投照。典型的多葉準直器葉片成對相向排列，由計算機控制葉片移動，形成不規則射野，從而達到腫瘤適形，避開正常組織器官的目的。固定射野放療法主要包括是靜態調強放療(SegmentalIMRT)和動態調強放療(Dynamic IMRT)方式。
靜態調強放射治療是由逆向治療計劃系統根據臨床要求計算得到各個射野角度所需的強度分布，通過多葉準直器將每個照射野分成若干個子野，每個子野內的強度是均勻的。動態調強的技術特點是滑移窗(Sliding Window),即一對相對葉片向同一方向運動，并在運動過程中不斷相對葉片各自的速度，當跟隨葉片速度小于前進葉片時，滑移窗窗口寬度逐漸邊寬，反之則減小，通過葉片位置和速度控制形成變化的子野形狀的掃過靶區，實現射野強度調制。
弧形調強放療(IntensityModulated Arc Therapy, IMAT)最早由 Cedric Yu 在1995年首次提出，最初的設想是采用多弧疊加的方式實現計劃劑量分布，其特征在于在治療過程中，多葉準直器隨機架旋轉改變射野形狀實施投照。但是由于當時缺乏可用的計劃軟件與之配套，因而早期發展較緩。而單弧調強治療方式(Single-Arc IMRT)的概念在于，機架旋轉一周即可完成治療，因而速度更快，典型的技術應用包括Varian公司的RapidArc和Elekta公司的VMAT。單弧治療方式治療速度快，但治療計劃和劑量優化算法復雜限制了其適用范圍。從硬件上講，傳統的固定射野動態調強放療和單弧調強放療方式沒有本質的區別，兩項技術的不同點在于投照過程中，機架是連續旋轉還是僅僅停留在離散的幾個角度值。因此，采用固定射野調強放療方式和單弧調強方式，在多葉準直器上沒有區別。以下行文中，用于動態調強的多葉準直器指代用于動態調強放射治療和弧形調強放射治療中采用的多葉準直器。
T.R. Mackie于1993年提出了另一種調強放療實現方式一斷層放療系統，它采用類似于CT掃描的扇形束射線，葉片隨機架旋轉往復運動實現調強投照，其特征在于二元氣動準直器的應用，改變了原有的治療模式，面向斷層逐層實施放射治療。最早的商用斷層放療系統是NOMOS公司的Peacock步進式放療系統(Segmental Tomotherapy),采用了MIMiC 二元氣動多葉準直器，后來發展到TomoTherapy公司的螺旋斷層放療系統(HelicalTomotherapy)0相比弧形調強放療而言，斷層放療系統的優勢在于，能提供更加靈活和準確的射線劑量分布。
在上述多葉準直器應用中，單個多葉準直器僅能實現二元開關運動狀態或連續運動狀態之一，因此多葉準直器適用面窄，無法根據治療計劃改變放射治療方式，增加了醫院投入，從而間接加重了患者負擔。
發明內容
本發明旨在至少在一定程度上解決上述技術問題之一或至少提供一種有用的商業選擇。
為此，本發明的一個目的在于提出一種可適用于斷層放療加速器和動態調強放療加速器的多葉準直器。
本發明的另一個目的在于提出一種該多葉準直器的控制方法。
根據本發明實施例的用于斷層放療和動態調強放療的多葉準直器，包括多對葉片，每一對中的兩個葉片的內端沿所述葉片的縱向彼此相對；導軌框，所述導軌框內設有彼此平行的多條導軌，所述多對葉片分別可移動地設在所述多條導軌中；多個直線電機，所述多個直線電機分別與所述葉片一一對應地相連以驅動所述葉片沿所述導軌移動；傳感器，所述傳感器用于檢測所述葉片的位置和速度；以及控制器，所述控制器與所述直線電機和所述傳感器相連相連，用于控制所述直線電機移動所述葉片。
由此，根據本發明實施例的多葉準直器可以與斷層放療加速器和動態調強放療加速器配合使用，因此拓寬了多葉準直器的使用范圍，減小醫院對設備的投入，從而間接減輕了患者的經濟負擔。另外，本發明實施例的多葉準直器既能克服二元氣動多葉準直器噪音過大的問題，而且減少了普通旋轉電機所需要的傳動機構，因此提高了工作可靠性。
另外，根據本發明上述實施例的用于斷層放療和動態調強放療的多葉準直器還可以具有如下附加的技術特征
根據本發明的一個實施例，所述傳感器為光柵尺。
根據本發明的一個實施例，還包括信號處理器，所述信號處理器分別與所述傳感器和所述控制器相連，所述傳感器檢測到的葉片的速度信號經所述信號處理器處理后傳輸給所述控制器；
根據本發明的一個實施例，還包括適于與加速器相連的加速器接口，所述加速器接口包括斷層放療加速器接口和動態調強放療加速器接口。
根據本發明的一個實施例，還包括與所述控制器相連的治療計劃系統接口。
根據本發明的一個實施例，所述控制器為全閉環伺服驅動器。
根據本發明的一個實施例，所述直線電機通過傳動桿驅動所述葉片運動。
根據本發明另一方面實施例的用于斷層放療和動態調強放療的多葉準直器的控制方法，包括如下步驟
I)將治療計劃指令輸入到所述控制器；
2)所述控制器根據所述治療計劃指令控制所述直線電機以驅動所述葉片；以及
3)通過所述傳感器檢測所述葉片并將檢測到的信號傳輸到所述控制器以形成反饋。
根據本發明的一個實施例，所述治療計劃指令包括葉片的位置指令和速度指令，則所述控制器控制所述直線電機以一定速度且在一定位置范圍內驅動所述葉片往復運動。
根據本發明的一個實施例，所述治療計劃指令包括葉片的位置指令，則所述控制器控制所述直線電機驅動所述葉片到指定位置。
本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中
圖I是根據本發明實施例的多葉準直器的控制原理示意圖；
圖2是根據本發明實施例的多葉準直器在斷層調強放射治療中的工作示意圖；
圖3是根據本發明實施例的多葉準直器在動態調強放射治療中的工作示意圖；
圖4是根據本發明實施例的多葉準直器與斷層放療加速器配合時的立體示意圖；以及
圖5是根據本發明實施例的多葉準直器與動態調強放療加速器配合時的立體示意圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。[0037]此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征 在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面參考圖1-5來描述根據本發明實施例的用于斷層放療和動態調強放療的多葉準直器。
如圖1-3所示，如圖根據本發明實施例的用于斷層放療和動態調強放療的多葉準直器10，包括多對葉片I、導軌框2、多個直線電機3、傳感器4和控制器5。
具體而言，每一對中的兩個葉片I的內端(即圖2和圖3中靠近導軌框2的中心的方向)沿葉片I的縱向彼此相對設置。導軌框2是實現直線電機3驅動葉片I運動的導向機構，其內設有彼此平行且沿縱向延伸的多條導軌，多對葉片I分別可移動地設在多條導軌中。換而言之，每對葉片中的兩個葉片I的內端沿縱向彼此相對設置在每條導軌中，并可分別在每條導軌中相向或背向移動。導軌框2具有位于中心區域的射野區域，在該射野區域內，通過成對設置的葉片I的移動來形成形狀各異的射野。
如圖2和圖3所示，多個直線電機3分別與葉片I——對應地相連以驅動葉片2沿導軌移動，以形成不同射野。直線電機3可以通過傳動桿6或其他剛性連接件驅動葉片I運動。
傳感器4用于檢測葉片2的位置和速度，控制器5與直線電機3和傳感器4相連相連。控制器5根據指令控制直線電機3驅動葉片I到指定位置或驅動葉片I以一定速度在一定范圍內連續運動，而傳感器4則檢測葉片I將檢測到的葉片I的位置信號或葉片I的位置和速度信號傳輸回控制器5，以形成閉環控制。控制器5可采用全閉環伺服驅動器。
如圖2所示，本發明實施例的多葉準直器10用于斷層放射治療設備時(即與斷層放射治療加速器配合使用)，直線電機3可以模擬二元氣動多葉準直器的驅動方式，將葉片I根據指令高速移動到指定位置。較之二元氣動多葉準直器，直線電機3不僅可以調整葉片行程(而不像二元氣動多葉準直器那樣只能驅動葉片I到打開位置和關閉位置)，且在斷層放射治療加速器采用小層厚照射時葉片切換行程短，有利于實現高速切換。
射線光源(位于圖2和圖3中多葉準直器的上方)發出的射線經多葉準直器10后照射在中心投影平面101上，以形成如黑白鍵盤的斷層調強放療射野，其中黑色鍵代表對應的葉片I移動至射野區域內遮擋住射線而形成的陰影，因此與黑色鍵對應的葉片I處于關閉狀態(即葉片處于關閉位置)，而白色鍵代表對應的葉片I移出射野區域內以使射線能夠照射到中心投影平面101上，因此與白色鍵對應的葉片I處于開啟狀態(即葉片處于開啟位置)。另外，葉片I還可以處于開啟位置和關閉位置之間的任一位置，即處于半開啟狀態。
傳感器4實時檢測葉片I的位置，并將檢測到的位置信號反饋回控制器5。當傳感器4撿到葉片I未到達指定位置，則控制器5命令對應的直線電機3繼續驅動該葉片1，直到傳感器4撿到該葉片I到達指定位置。當本發明的多葉準直器10隨機架旋轉而調整射野形狀時，在每個投射弧中，葉片開啟和關閉時間均是可調的，故具有極強的射線束強度調制能力，提高斷層放射治療效果。
如圖3所示，本發明實施例的多葉準直器10用于動態調強放療加速器時，直線電機3根據指令驅動葉片I以一定速度(通常葉片I以低速運動)、在一定范圍內連續運動，以形成動態調強放射治療射野。較之傳統的動態調強多葉準直器10的驅動裝置，直線電機3不僅可以省略結構復雜的傳動機構，例如絲杠/螺母，齒輪/齒條等傳動機構，而且可以提高驅動的可靠性，且減少動力損失。
射線光源發出的射線經多葉準直器10后照射在中心投影平面102上，以形成如黑白鍵盤的動態調強放射治療射野，其中黑色鍵和白色鍵同樣是由對應的葉片I在射野區域內的位置所決定的。
直線電機4可以根據指令驅動成對葉片I按照滑移窗移動模式(即兩個葉片I分別沿同一個方向移動)、同時相向移動或同時相背移動。圖3中的中心投影平面102所呈現的是動態調強放射治療射野中的一個瞬間形態，其中可以看出部分葉片I可以移動至過射野區域的中心線(穿過中心投影平面102的虛線)的位置。
傳感器4實時檢測葉片I的位置和移動速度，并將檢測到的位置信號和速度信號反饋回控制器5，以使控制器5判斷葉片I是否全部按照各自指令以一定速度、在一定范圍內連續運動，以達到形成動態、精準適形射野的目的。
由此，根據本發明實施例的多葉準直器10可以與斷層放療加速器和動態調強放療加速器配合使用，因此拓寬了多葉準直器10的使用范圍，減小醫院對設備的投入，從而間接減輕了患者的經濟負擔。另外，本發明實施例的多葉準直器10既能克服二元氣動多葉準直器噪音過大的問題，而且減少了普通旋轉電機所需要的傳動機構，因此提高了工作可靠性。
根據本發明的一些實施例，傳感器4可以是同時檢測葉片I的位置和移動速度的任何現有傳感器，考慮到本發明實施例的多葉準直器10的結構，傳感器4優選采用光柵尺。
為了使控制器5所接收的葉片I的速度信號更精準，本發明實施例的多葉準直器10還可以包括信號處理器7。如圖I所示，信號處理器7分別與傳感器4和控制器5相連，傳感器4檢測到的葉片的速度信號經信號處理器7處理后傳輸給控制器5。
本發明實施例的多葉準直器10還包括適于與加速器相連的加速器接口。加速器接口包括斷層放療加速器接口和動態調強放療加速器接口，以方便多葉準直器10與不同的放療設備相連接。
如圖4所示，多葉準直器10安裝于斷層放射治療設備上，其中多葉準直器10通過斷層放療加速器接口與O形圈加速器(TomoTherapy放療設備)的加速器頭相連。
如圖5所示，多葉準直器10安裝于動態調強放射治療設備上，其中多葉準直器10通過動態調強放射治療加速器接口與C形臂加速器的加速器頭相連。
另外，本發明實施例的多葉準直器10可以通過與控制器5相連的治療計劃系統接口，該治療計劃系統接口可以與上位機8建立通訊聯系且可以是無線或有線接口，從而從上位機8處接收每位患者的治療計劃指令,即治療方案。
下面描述根據本發明實施例的用于斷層放療和動態調強放療的多葉準直器10的控制方法。
根據本發明實施例的用于斷層放療和動態調強放療的多葉準直器10的控制方法包括如下步驟
首先，將上位機8的治療計劃指令通過治療計劃系統接口輸入到控制器5內；
接著，控制器5根據治療計劃指令控制直線電機3以驅動葉片I移動；
最后，通過傳感器4檢測葉片I并將檢測到的信號傳輸到控制器5以形成反饋。
當患者需要進行斷層放射治療時，治療計劃指令僅包括每個葉片I的位置指令，因此控制器5控制直線電機3驅動葉片I到指定位置，以便依照該治療計劃指令形成射野。
而當患者適用動態調強放射治療時，治療計劃指令則包括每個葉片I的位置指令和速度指令，其中該位置指令為一個位置范圍值。控制器5控制直線電機3以一定速度且在一定位置范圍內驅動葉片I往復運動，以便依照該治療計劃指令形成動態射野。
由此，根據本發明實施例的用于斷層放療和動態調強放療的多葉準直器的控制方法，不僅適用于斷層放射治療和動態調強放射治療，而且操作簡單，可靠性高。
在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
權利要求
1.一種用于斷層放療和動態調強放療的多葉準直器，其特征在于，包括 多對葉片，每一對中的兩個葉片的內端沿所述葉片的縱向彼此相對； 導軌框，所述導軌框內設有彼此平行的多條導軌，所述多對葉片分別可移動地設在所述多條導軌中； 多個直線電機，所述多個直線電機分別與所述葉片一一對應地相連以驅動所述葉片沿所述導軌移動； 傳感器，所述傳感器用于檢測所述葉片的位置和速度；以及 控制器，所述控制器與所述直線電機和所述傳感器相連相連，用于控制所述直線電機移動所述葉片。
2.根據權利要求
I所述的多葉準直器，其特征在于所述傳感器為光柵尺。
3.根據權利要求
2所述的多葉準直器，其特征在于還包括信號處理器，所述信號處理器分別與所述傳感器和所述控制器相連，所述傳感器檢測到的葉片的速度信號經所述信號處理器處理后傳輸給所述控制器。
4.根據權利要求
I所述的多葉準直器，其特征在于還包括適于與加速器相連的加速器接口，所述加速器接口包括斷層放療加速器接口和動態調強放療加速器接口。
5.根據權利要求
I所述的多葉準直器，其特征在于還包括與所述控制器相連的治療計劃系統接口。
6.根據權利要求
I所述的多葉準直器，其特征在于所述控制器為全閉環伺服驅動器。
7.根據權利要求
I所述的多葉準直器，其特征在于所述直線電機通過傳動桿驅動所述葉片運動。
8.—種如權利要求
1-7中任一項所述的用于斷層放療和動態調強放療的多葉準直器的控制方法，其特征在于包括如下步驟 1)將治療計劃指令輸入到所述控制器； 2)所述控制器根據所述治療計劃指令控制所述直線電機以驅動所述葉片；以及 3)通過所述傳感器檢測所述葉片并將檢測到的信號傳輸到所述控制器以形成反饋。
9.根據權利要求
8所述的控制方法，其特征在于所述治療計劃指令包括葉片的位置指令和速度指令，則所述控制器控制所述直線電機以一定速度且在一定位置范圍內驅動所述葉片往復運動。
10.根據權利要求
8所述的控制方法，其特征在于所述治療計劃指令包括葉片的位置指令，則所述控制器控制所述直線電機驅動所述葉片到指定位置。
專利摘要
本發明提出一種既能用于斷層放療又可用于動態調強放療的多葉準直器及其控制方法，該多葉準直器包括多對葉片，每一對中的兩個葉片的內端沿葉片的縱向彼此相對；導軌框，導軌框內設有彼此平行的多條導軌，多對葉片分別可移動地設在多條導軌中；多個直線電機，多個直線電機分別與葉片一一對應地相連以驅動葉片沿導軌移動；傳感器，傳感器用于檢測葉片的位置和速度；以及控制器，控制器與直線電機和傳感器相連相連。由此，本發明的多葉準直器可以與斷層放療加速器配合使用，也可以和普通動態調強放療加速器配合使用，因此拓寬了多葉準直器的使用范圍，減小醫院對設備的投入，從而間接減輕了患者的經濟負擔。
文檔編號G21K1/02GKCN102755696SQ201210238224
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月9日
發明者葉佩青, 周東, 張震, 王鵬 申請人:清華大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan