专利名称:用于断层放疗和动态调强放疗的多叶准直器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及医疗设备技术领域：
，特别是涉及一种用于断层放疗和动态调强放疗的多叶准直器及其控制方法。
背景技术：
体外射线放射治疗的根本目的在于，在肿瘤靶区形成有效剂量，同时减少邻近的正常组织剂量。最初采用少量的圆形、方形等基本形状调制射束，但是对于绝大多数肿瘤靶区这种方法极有可能导致正常组织辐照过量。后来出现了适形放疗技术(ConformalRadiotherapy)，其根本目的在于实现剂量分布与肿瘤形状相适应。其中三维适形放疗技术(3-Dimensional Conformal Radiotherapy, 3DCRT),采用多个射野方向，并且保证各个射野方向靶区与射束形状相适应。三维适形放疗技术的应用，提高了肿瘤的控制率。临床数·据显示，在治疗计划划定靶区中，30%以上的肿瘤具有凹面，对此3DCRT技术无能为力。
后来出现了调强放疗技术(IntensityModulated Radiotherapy, IMRT),其主要原理可概括如下调制入射射束的强度，从不同投射角度投照实现X射线的剂量积累，提高射束与肿瘤靶区的空间适形度，同时避开关键组织器官。
实现调强放射治疗技术的一个关键功能部件是多叶准直器(Multi-leafCollimator, MLC,又称多叶光栅、多叶光阑)。是由一组或多组成套重金属合金(如钨合金)叶片构成，其主要作用是通过叶片的机械运动变化组合形成医疗计划所需要的X射线视野。多叶准直器作为实现调强放疗的关键执行部件，以其通用性和独特的凹形剂量投照分布能力，现已广泛应用于现代直线加速器，并取得了广泛的临床应用。以叶片的运动形式划分，多叶准直器可划分为两大类连续多叶准直器和二元(或开关式)多叶准直器。
采用多叶准直器实现调强放疗的技术中，最常见是固定射野调强放疗法，临床上固定射野放疗方法能在几个固定射野，通过叶片移动阻挡射束形成射野，完成投照。典型的多叶准直器叶片成对相向排列，由计算机控制叶片移动，形成不规则射野，从而达到肿瘤适形，避开正常组织器官的目的。固定射野放疗法主要包括是静态调强放疗(SegmentalIMRT)和动态调强放疗(Dynamic IMRT)方式。
静态调强放射治疗是由逆向治疗计划系统根据临床要求计算得到各个射野角度所需的强度分布，通过多叶准直器将每个照射野分成若干个子野，每个子野内的强度是均勻的。动态调强的技术特点是滑移窗(Sliding Window),即一对相对叶片向同一方向运动，并在运动过程中不断相对叶片各自的速度，当跟随叶片速度小于前进叶片时，滑移窗窗口宽度逐渐边宽，反之则减小，通过叶片位置和速度控制形成变化的子野形状的扫过靶区，实现射野强度调制。
弧形调强放疗(IntensityModulated Arc Therapy, IMAT)最早由 Cedric Yu 在1995年首次提出，最初的设想是采用多弧叠加的方式实现计划剂量分布，其特征在于在治疗过程中，多叶准直器随机架旋转改变射野形状实施投照。但是由于当时缺乏可用的计划软件与之配套，因而早期发展较缓。而单弧调强治疗方式(Single-Arc IMRT)的概念在于，机架旋转一周即可完成治疗，因而速度更快，典型的技术应用包括Varian公司的RapidArc和Elekta公司的VMAT。单弧治疗方式治疗速度快，但治疗计划和剂量优化算法复杂限制了其适用范围。从硬件上讲，传统的固定射野动态调强放疗和单弧调强放疗方式没有本质的区别，两项技术的不同点在于投照过程中，机架是连续旋转还是仅仅停留在离散的几个角度值。因此，采用固定射野调强放疗方式和单弧调强方式，在多叶准直器上没有区别。以下行文中，用于动态调强的多叶准直器指代用于动态调强放射治疗和弧形调强放射治疗中采用的多叶准直器。
T.R. Mackie于1993年提出了另一种调强放疗实现方式一断层放疗系统，它采用类似于CT扫描的扇形束射线，叶片随机架旋转往复运动实现调强投照，其特征在于二元气动准直器的应用，改变了原有的治疗模式，面向断层逐层实施放射治疗。最早的商用断层放疗系统是NOMOS公司的Peacock步进式放疗系统(Segmental Tomotherapy),采用了MIMiC 二元气动多叶准直器，后来发展到TomoTherapy公司的螺旋断层放疗系统(HelicalTomotherapy)0相比弧形调强放疗而言，断层放疗系统的优势在于，能提供更加灵活和准确的射线剂量分布。
在上述多叶准直器应用中，单个多叶准直器仅能实现二元开关运动状态或连续运动状态之一，因此多叶准直器适用面窄，无法根据治疗计划改变放射治疗方式，增加了医院投入，从而间接加重了患者负担。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。
为此，本发明的一个目的在于提出一种可适用于断层放疗加速器和动态调强放疗加速器的多叶准直器。
本发明的另一个目的在于提出一种该多叶准直器的控制方法。
根据本发明实施例的用于断层放疗和动态调强放疗的多叶准直器，包括多对叶片，每一对中的两个叶片的内端沿所述叶片的纵向彼此相对；导轨框，所述导轨框内设有彼此平行的多条导轨，所述多对叶片分别可移动地设在所述多条导轨中；多个直线电机，所述多个直线电机分别与所述叶片一一对应地相连以驱动所述叶片沿所述导轨移动；传感器，所述传感器用于检测所述叶片的位置和速度；以及控制器，所述控制器与所述直线电机和所述传感器相连相连，用于控制所述直线电机移动所述叶片。
由此，根据本发明实施例的多叶准直器可以与断层放疗加速器和动态调强放疗加速器配合使用，因此拓宽了多叶准直器的使用范围，减小医院对设备的投入，从而间接减轻了患者的经济负担。另外，本发明实施例的多叶准直器既能克服二元气动多叶准直器噪音过大的问题，而且减少了普通旋转电机所需要的传动机构，因此提高了工作可靠性。
另外，根据本发明上述实施例的用于断层放疗和动态调强放疗的多叶准直器还可以具有如下附加的技术特征
根据本发明的一个实施例，所述传感器为光栅尺。
根据本发明的一个实施例，还包括信号处理器，所述信号处理器分别与所述传感器和所述控制器相连，所述传感器检测到的叶片的速度信号经所述信号处理器处理后传输给所述控制器；
根据本发明的一个实施例，还包括适于与加速器相连的加速器接口，所述加速器接口包括断层放疗加速器接口和动态调强放疗加速器接口。
根据本发明的一个实施例，还包括与所述控制器相连的治疗计划系统接口。
根据本发明的一个实施例，所述控制器为全闭环伺服驱动器。
根据本发明的一个实施例，所述直线电机通过传动杆驱动所述叶片运动。
根据本发明另一方面实施例的用于断层放疗和动态调强放疗的多叶准直器的控制方法，包括如下步骤
I)将治疗计划指令输入到所述控制器；
2)所述控制器根据所述治疗计划指令控制所述直线电机以驱动所述叶片；以及
3)通过所述传感器检测所述叶片并将检测到的信号传输到所述控制器以形成反馈。
根据本发明的一个实施例，所述治疗计划指令包括叶片的位置指令和速度指令，则所述控制器控制所述直线电机以一定速度且在一定位置范围内驱动所述叶片往复运动。
根据本发明的一个实施例，所述治疗计划指令包括叶片的位置指令，则所述控制器控制所述直线电机驱动所述叶片到指定位置。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中
图I是根据本发明实施例的多叶准直器的控制原理示意图；
图2是根据本发明实施例的多叶准直器在断层调强放射治疗中的工作示意图；
图3是根据本发明实施例的多叶准直器在动态调强放射治疗中的工作示意图；
图4是根据本发明实施例的多叶准直器与断层放疗加速器配合时的立体示意图；以及
图5是根据本发明实施例的多叶准直器与动态调强放疗加速器配合时的立体示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。[0037]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，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触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。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，或仅仅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，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面参考图1-5来描述根据本发明实施例的用于断层放疗和动态调强放疗的多叶准直器。
如图1-3所示，如图根据本发明实施例的用于断层放疗和动态调强放疗的多叶准直器10，包括多对叶片I、导轨框2、多个直线电机3、传感器4和控制器5。
具体而言，每一对中的两个叶片I的内端(即图2和图3中靠近导轨框2的中心的方向)沿叶片I的纵向彼此相对设置。导轨框2是实现直线电机3驱动叶片I运动的导向机构，其内设有彼此平行且沿纵向延伸的多条导轨，多对叶片I分别可移动地设在多条导轨中。换而言之，每对叶片中的两个叶片I的内端沿纵向彼此相对设置在每条导轨中，并可分别在每条导轨中相向或背向移动。导轨框2具有位于中心区域的射野区域，在该射野区域内，通过成对设置的叶片I的移动来形成形状各异的射野。
如图2和图3所示，多个直线电机3分别与叶片I——对应地相连以驱动叶片2沿导轨移动，以形成不同射野。直线电机3可以通过传动杆6或其他刚性连接件驱动叶片I运动。
传感器4用于检测叶片2的位置和速度，控制器5与直线电机3和传感器4相连相连。控制器5根据指令控制直线电机3驱动叶片I到指定位置或驱动叶片I以一定速度在一定范围内连续运动，而传感器4则检测叶片I将检测到的叶片I的位置信号或叶片I的位置和速度信号传输回控制器5，以形成闭环控制。控制器5可采用全闭环伺服驱动器。
如图2所示，本发明实施例的多叶准直器10用于断层放射治疗设备时(即与断层放射治疗加速器配合使用)，直线电机3可以模拟二元气动多叶准直器的驱动方式，将叶片I根据指令高速移动到指定位置。较之二元气动多叶准直器，直线电机3不仅可以调整叶片行程(而不像二元气动多叶准直器那样只能驱动叶片I到打开位置和关闭位置)，且在断层放射治疗加速器采用小层厚照射时叶片切换行程短，有利于实现高速切换。
射线光源(位于图2和图3中多叶准直器的上方)发出的射线经多叶准直器10后照射在中心投影平面101上，以形成如黑白键盘的断层调强放疗射野，其中黑色键代表对应的叶片I移动至射野区域内遮挡住射线而形成的阴影，因此与黑色键对应的叶片I处于关闭状态(即叶片处于关闭位置)，而白色键代表对应的叶片I移出射野区域内以使射线能够照射到中心投影平面101上，因此与白色键对应的叶片I处于开启状态(即叶片处于开启位置)。另外，叶片I还可以处于开启位置和关闭位置之间的任一位置，即处于半开启状态。
传感器4实时检测叶片I的位置，并将检测到的位置信号反馈回控制器5。当传感器4捡到叶片I未到达指定位置，则控制器5命令对应的直线电机3继续驱动该叶片1，直到传感器4捡到该叶片I到达指定位置。当本发明的多叶准直器10随机架旋转而调整射野形状时，在每个投射弧中，叶片开启和关闭时间均是可调的，故具有极强的射线束强度调制能力，提高断层放射治疗效果。
如图3所示，本发明实施例的多叶准直器10用于动态调强放疗加速器时，直线电机3根据指令驱动叶片I以一定速度(通常叶片I以低速运动)、在一定范围内连续运动，以形成动态调强放射治疗射野。较之传统的动态调强多叶准直器10的驱动装置，直线电机3不仅可以省略结构复杂的传动机构，例如丝杠/螺母，齿轮/齿条等传动机构，而且可以提高驱动的可靠性，且减少动力损失。
射线光源发出的射线经多叶准直器10后照射在中心投影平面102上，以形成如黑白键盘的动态调强放射治疗射野，其中黑色键和白色键同样是由对应的叶片I在射野区域内的位置所决定的。
直线电机4可以根据指令驱动成对叶片I按照滑移窗移动模式(即两个叶片I分别沿同一个方向移动)、同时相向移动或同时相背移动。图3中的中心投影平面102所呈现的是动态调强放射治疗射野中的一个瞬间形态，其中可以看出部分叶片I可以移动至过射野区域的中心线(穿过中心投影平面102的虚线)的位置。
传感器4实时检测叶片I的位置和移动速度，并将检测到的位置信号和速度信号反馈回控制器5，以使控制器5判断叶片I是否全部按照各自指令以一定速度、在一定范围内连续运动，以达到形成动态、精准适形射野的目的。
由此，根据本发明实施例的多叶准直器10可以与断层放疗加速器和动态调强放疗加速器配合使用，因此拓宽了多叶准直器10的使用范围，减小医院对设备的投入，从而间接减轻了患者的经济负担。另外，本发明实施例的多叶准直器10既能克服二元气动多叶准直器噪音过大的问题，而且减少了普通旋转电机所需要的传动机构，因此提高了工作可靠性。
根据本发明的一些实施例，传感器4可以是同时检测叶片I的位置和移动速度的任何现有传感器，考虑到本发明实施例的多叶准直器10的结构，传感器4优选采用光栅尺。
为了使控制器5所接收的叶片I的速度信号更精准，本发明实施例的多叶准直器10还可以包括信号处理器7。如图I所示，信号处理器7分别与传感器4和控制器5相连，传感器4检测到的叶片的速度信号经信号处理器7处理后传输给控制器5。
本发明实施例的多叶准直器10还包括适于与加速器相连的加速器接口。加速器接口包括断层放疗加速器接口和动态调强放疗加速器接口，以方便多叶准直器10与不同的放疗设备相连接。
如图4所示，多叶准直器10安装于断层放射治疗设备上，其中多叶准直器10通过断层放疗加速器接口与O形圈加速器(TomoTherapy放疗设备)的加速器头相连。
如图5所示，多叶准直器10安装于动态调强放射治疗设备上，其中多叶准直器10通过动态调强放射治疗加速器接口与C形臂加速器的加速器头相连。
另外，本发明实施例的多叶准直器10可以通过与控制器5相连的治疗计划系统接口，该治疗计划系统接口可以与上位机8建立通讯联系且可以是无线或有线接口，从而从上位机8处接收每位患者的治疗计划指令,即治疗方案。
下面描述根据本发明实施例的用于断层放疗和动态调强放疗的多叶准直器10的控制方法。
根据本发明实施例的用于断层放疗和动态调强放疗的多叶准直器10的控制方法包括如下步骤
首先，将上位机8的治疗计划指令通过治疗计划系统接口输入到控制器5内；
接着，控制器5根据治疗计划指令控制直线电机3以驱动叶片I移动；
最后，通过传感器4检测叶片I并将检测到的信号传输到控制器5以形成反馈。
当患者需要进行断层放射治疗时，治疗计划指令仅包括每个叶片I的位置指令，因此控制器5控制直线电机3驱动叶片I到指定位置，以便依照该治疗计划指令形成射野。
而当患者适用动态调强放射治疗时，治疗计划指令则包括每个叶片I的位置指令和速度指令，其中该位置指令为一个位置范围值。控制器5控制直线电机3以一定速度且在一定位置范围内驱动叶片I往复运动，以便依照该治疗计划指令形成动态射野。
由此，根据本发明实施例的用于断层放疗和动态调强放疗的多叶准直器的控制方法，不仅适用于断层放射治疗和动态调强放射治疗，而且操作简单，可靠性高。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
权利要求
1.一种用于断层放疗和动态调强放疗的多叶准直器，其特征在于，包括 多对叶片，每一对中的两个叶片的内端沿所述叶片的纵向彼此相对； 导轨框，所述导轨框内设有彼此平行的多条导轨，所述多对叶片分别可移动地设在所述多条导轨中； 多个直线电机，所述多个直线电机分别与所述叶片一一对应地相连以驱动所述叶片沿所述导轨移动； 传感器，所述传感器用于检测所述叶片的位置和速度；以及 控制器，所述控制器与所述直线电机和所述传感器相连相连，用于控制所述直线电机移动所述叶片。
2.根据权利要求
I所述的多叶准直器，其特征在于所述传感器为光栅尺。
3.根据权利要求
2所述的多叶准直器，其特征在于还包括信号处理器，所述信号处理器分别与所述传感器和所述控制器相连，所述传感器检测到的叶片的速度信号经所述信号处理器处理后传输给所述控制器。
4.根据权利要求
I所述的多叶准直器，其特征在于还包括适于与加速器相连的加速器接口，所述加速器接口包括断层放疗加速器接口和动态调强放疗加速器接口。
5.根据权利要求
I所述的多叶准直器，其特征在于还包括与所述控制器相连的治疗计划系统接口。
6.根据权利要求
I所述的多叶准直器，其特征在于所述控制器为全闭环伺服驱动器。
7.根据权利要求
I所述的多叶准直器，其特征在于所述直线电机通过传动杆驱动所述叶片运动。
8.—种如权利要求
1-7中任一项所述的用于断层放疗和动态调强放疗的多叶准直器的控制方法，其特征在于包括如下步骤 1)将治疗计划指令输入到所述控制器； 2)所述控制器根据所述治疗计划指令控制所述直线电机以驱动所述叶片；以及 3)通过所述传感器检测所述叶片并将检测到的信号传输到所述控制器以形成反馈。
9.根据权利要求
8所述的控制方法，其特征在于所述治疗计划指令包括叶片的位置指令和速度指令，则所述控制器控制所述直线电机以一定速度且在一定位置范围内驱动所述叶片往复运动。
10.根据权利要求
8所述的控制方法，其特征在于所述治疗计划指令包括叶片的位置指令，则所述控制器控制所述直线电机驱动所述叶片到指定位置。
专利摘要
本发明提出一种既能用于断层放疗又可用于动态调强放疗的多叶准直器及其控制方法，该多叶准直器包括多对叶片，每一对中的两个叶片的内端沿叶片的纵向彼此相对；导轨框，导轨框内设有彼此平行的多条导轨，多对叶片分别可移动地设在多条导轨中；多个直线电机，多个直线电机分别与叶片一一对应地相连以驱动叶片沿导轨移动；传感器，传感器用于检测叶片的位置和速度；以及控制器，控制器与直线电机和传感器相连相连。由此，本发明的多叶准直器可以与断层放疗加速器配合使用，也可以和普通动态调强放疗加速器配合使用，因此拓宽了多叶准直器的使用范围，减小医院对设备的投入，从而间接减轻了患者的经济负担。
文档编号G21K1/02GKCN102755696SQ201210238224
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月9日
发明者叶佩青, 周东, 张震, 王鹏 申请人:清华大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan