專利名稱：一種醫(yī)用三維模擬運動平臺的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及腫瘤放療醫(yī)療設備領域，尤其涉及一種醫(yī)用三維模擬運動平臺。
背景技術：
目前，惡性腫瘤已經對人類健康造成了嚴重的威脅。放射治療技術作為惡性腫瘤的三大治療手段之一，對惡性腫瘤的治愈貢獻度約為40%。然而，傳統(tǒng)放射治療的療效較差，其主要原因是腫瘤病灶的周圍常常會存在一些對放射線較為敏感的危及器官，從而限制了腫瘤區(qū)域放療劑量的進一步提高?，F代腫瘤精確放療技術，例如三維適形放療(3-dimensional conformal radiation therapy, 3DCRT)和調強放療(intensity-modulated radiation therapy, IMRT)可通過精確的腫瘤祀區(qū)勾畫、準確地制定放療計劃，并進行精準地實施放療，在一定程度上提高了放射治療的療效。然而，放療過程中腫瘤區(qū)域的未知運動，如呼吸運動、心臟搏動、胃腸蠕動等不確定因素，是影響放射治療精確實施的重要因素。因此，開發(fā)一種能夠模擬腫瘤或人體內臟器官生理運動的運動模擬系統(tǒng)或模型，并以此來定量研究腫瘤病灶、正常器官和組織的位置變化對放射治療產生的影響，有重要的科學意義和臨床應用價值。腫瘤精確放療中有兩個關鍵點:腫瘤靶區(qū)的精確定義(尤其是胸腹部腫瘤)，腫瘤以及危及器官的受照劑量的準確計算、評估和累積。呼吸運動是嚴重影響胸腹部腫瘤精確放療精度的因素，不僅影響靶區(qū)位置的準確確定，同時對靶區(qū)所在區(qū)域的解剖結構組成有很大的影響(影響相應區(qū)域電子密度組成，進而影響放射治療劑量的計算)。一些學者就如何解決胸腹部腫瘤精確放療中的上述兩方面問題做了大量的研究。但是因目前無法實現活體研究，大部分的研究只能借助于運動模體進行，現在商業(yè)化模體均為二維模體，只能模擬兩個方向上的運動，真正可實現實時三維方向上同步有差異運動的三維運動模體尚未見報道。目前腫瘤精確放療的定位手段主要以CT模擬定位為主，如何從模擬定位階段著手解決胸腹部腫瘤靶區(qū)的精確定位具有非常重要的意義。目前已有很多種CT定位技術應用于臨床，如慢速3D-CT掃描、自由呼吸下的3D-CT，主動呼吸控制輔助的屏氣狀態(tài)下3D-CT掃描、4D-CT等。但是這些技術在臨床應用過程中有各自的適用條件和不足之處，同時目前國內外最常用的仍然是自由呼吸狀態(tài)下的3D-CT掃描，如何檢驗不同定位手段的適用條件和不足之處，如何應用更先進的定位手段去驗證和改進常規(guī)定位是目前腫瘤放射治療學的研究熱點之一。當前對各種CT定位手段不足之處大多通過臨床實踐發(fā)現和評估，尚缺乏一個客觀真實的參照物進行驗證和改進。目前對腫瘤模擬的手段較多，不同的學者尋找了不同的物體進行腫瘤大小和形態(tài)的模擬:比如馬鈴薯等，但是目前采用的腫瘤模擬物大多以剛性物體為主，研究運動對其形狀的影響仍存在很多弊端?，F在已有學者對腫瘤二維運動進行了模擬，制作了呼吸運動的二維模擬運動平臺(申請?zhí)?200610057165.8)。但是二維運動平臺只能局限于二維方 向上的模擬，無法真實反映腫瘤的三維運動情況，及呼吸運動造成的影響。有學者應用4D-CT進行胸腹部腫瘤模擬定位的研究表明腫瘤運動并非直來直去的二維運動而是一種復雜三維運動，且在三維方向上運動的幅度并不一致，其對腫瘤精確放療的影響也是非常復雜的。因此研究如何在三維方向上動態(tài)真實再現腫瘤及危及器官的運動及其帶來的效應具有非常重要的意義。在器官運動模擬系統(tǒng)的開發(fā)方面，中國專利(專利名稱:一種體模運動平臺及進行運動模擬的方法，申請?zhí)?200610057165.8)，公開了一種體模運動平臺。該平臺由運動裝置、步進電機驅動器和控制裝置構成，其運動模擬的方法為:預先設置運動軌跡、振幅和轉速等參數，控制裝置計算所需的頻率，發(fā)送到驅動器，控制步進電機帶動精密數控工作臺進行運動，可以分別設定不同頻率、不同幅度來做直線、菱形和橢圓運動，能夠比較系統(tǒng)地模擬器官的二維運動。然而，一方面，由于人體內的腫瘤以及危及器官通常在三維方向上進行運動，簡單的二維運動雖然可以模擬特定情況下腫瘤或其它臟器的簡單運動，但與大多數情況下臟器三維運動的事實不符；另一方面，隨著腫瘤精確放射治療技術的不斷進步和完善，腫瘤放射治療技術已經步入四維放療時代，因此，簡單的二維運動模擬已經不能滿足臨床需求，迫切需要研究和開發(fā)具有模擬腫瘤以及相關危及器官三維運動能力的運動模擬系統(tǒng)。呼吸運動的真實模擬對評估和改進當前精確放療的各個階段都具有非常重要的意義:靶區(qū)的精確定義、靶區(qū)和危及器官劑量的精確計算以及放射治療過程的監(jiān)測和評估。目前國內外呼吸運動的模擬均基于二維運動，三維運動模體研發(fā)和應用研究鮮有報道。其次三維運動模體可與VARIAN公司的RPM系統(tǒng)相結合實現一種動態(tài)4D運動的模擬和分析，這樣不僅可以對腫瘤精確放療各種成像手段(包括CT、MR1、PET/CT、SPECT及圖像引導放療系統(tǒng)中的CBCT和KV級平片)進行驗證和評估，而且可以就呼吸運動造成的靶區(qū)和器官電子密度改變以及相應的劑量學進行分析，同時以靜態(tài)實物信息作為參考可以對形變配準算法進行驗證和改進。綜上所述，呼吸運動是產生胸腹部腫瘤精確放療各種不確定因素關鍵，如何真實的模擬呼吸運動對腫瘤精確放療的影響具有非常重要的意義。三維運動模體的研發(fā)和應用將會為胸腹部腫瘤的 精確放療工作的開展提供的依據，同時通過三維運動模體對多種成像手段的驗證和改進為不同層次放療機構開展腫瘤的精確放療提供有力的保障。

實用新型內容本實用新型的目的就是為了解決上述問題，提供一種醫(yī)用三維模擬運動平臺，它具有實現三維模擬運動平臺上的三維方向上的精確可控運動優(yōu)點。為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案:一種醫(yī)用三維模擬運動平臺，包括運動裝置、步進電機驅動器和控制裝置，所述運動裝置為精密數控工作臺，在精密數控工作臺的X方向、Y方向和Z方向分別連接有X向步進電機、Y向步進電機和Z向步進電機，X、Y、Z向步進電機分別與Χ、Υ、Ζ向步進電機驅動器連接，X、Y、Z向步進電機驅動器和精密數控工作臺與控制裝置連接。所述控制裝置包括微控制器、存儲模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊，其中存儲模塊、顯示模塊和鍵盤輸入模塊都與微控制器連接。所述控制裝置采用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，STC12C5A60S2單片機為一系列單片機，該系列單片機為40引腳，有2個16位定時器，可用來實現步進電機的調速，同時芯片為單機器周期單片機，指令執(zhí)行頻率等于機器頻率，且該系列單片機個工作頻率可達35MHz，可在較高控制精度的情況下為步進電機驅動器提供很高的控制頻率。該系列單片機不同型號區(qū)別在于存儲空間不同，其他參數相同，具體要求為20K以上Flash存儲空間來存儲程序和2K EEPROM存儲空間用來存儲相關數據。X、Y、Z向步進電機驅動器和控制裝置與變壓器連接，變壓器與220VAC連接，變壓器通過整流、濾波器分別為步進電機驅動器和控制裝置提供24V 80V和5V直流電壓。 控制裝置部分使用+5V標準電壓:由通用的市電AC220V作電源，首先經過開關變壓器降到DC5V，經整流濾波后產生標準電壓+5V，提供給控制裝置，其紋波系數相當小，穩(wěn)定度高，不容易產生干擾。電機驅動器的驅動電壓:電機驅動器在24V 80VDC之間都可以正常工作。采用較高電壓會使電機高速運行力矩保持不下降，低電壓則有助于驅動器降低溫升和增加低速時的運行平穩(wěn)性。本系統(tǒng)采用70V直流電壓，由輸出為70V，額定功率為600W的開關電源提供，所加電源的最大輸出電流為6A，大于電機的額定相電流。所述運動裝置采用直線滾動導軌與滾珠絲杠配合，在每個方向上將步進電機的轉動轉換為直線運動，且運動距離控制精度達到0.025mm。直線滾動導軌與滾珠絲杠均采用了預加載荷，消除了不必要的間隙，提高了接觸剛度和定位精度，在數控系統(tǒng)控制下，通過步進電機驅動，χ-γ-ζ三坐標精密數控工作臺聯動實現平面內任意三維曲線運動軌跡，實現無間隙運動，具有高精度、高效率、壽命長、磨損小、簡潔實用特點。所述步進電機采用型號為60HS44的三臺步進電機，其最小步進角度為1.8度，配合相應的步進電機驅動器的細分功能可實現更小的最小步進角度，可提高控制精度，但會降低步進電機的最高旋轉速度。所述步進電機驅動器采用三臺與步進電機相配套的步進電機驅動器，所述步進電機驅動器均能夠提供整步、2細分、4細分、8細分、16細分、32細分、64細分7種細分運行模式。在整步方式下，一個脈沖將使電機轉動1.8度，則2細分時一個脈沖使電機轉動0.9度，4細分時一個脈沖則使電機轉動0.45度，并依此類推。本實用新型要求單軸電機帶動其所屬軸向工作臺只需要做直線運動，且轉速較高，故采用整步方式。x、y、z三維方向步進電機驅動器和精密數控工作臺與控制裝置連接。步進電機驅動器的接線和輸入信號按以下方式進行連接，輸入信號采用共陽極接線方式，將控制信號的正電源連接到公共端的端子上，信號輸出線連接到相應的信號端子上，當信號輸入端出現低電平時，相對應的內部光I禹開通，將信號輸入步進電機驅動器中，脈沖信號輸入:信號從高到低的下跳變被步進電機驅動器解釋為一個脈沖，此時步進電機驅動器將按照相應的時序驅動步進電機進行運行。一種醫(yī)用三維模擬運動平臺的模擬運動方法，主要包含如下步驟:首先根據腫瘤或人體正常器官的運動規(guī)律提前設定5種不同的運動軌跡分別用數字0、1、2、3、4表示，在設定運動軌跡時通過修改代表不同運動軌跡的數字來實現，操作時的具體步驟如下:步驟(I):將腫瘤或者器官的模擬物放置于系統(tǒng)的掃描區(qū)，然后根據腫瘤或者器官的實際運動特征確定數學曲線或者表格；步驟(2):根據代表模擬物三維運動規(guī)律的數學曲線和表格分別在三維方向上進行解析，使分別形成三個方向上時間運動參數；步驟(3):將三個方向上的時間運動參數載入控制裝置部分；步驟(4):然后接通三維運動驗證系統(tǒng)的總電源，控制裝置將會控制顯示模塊顯示上次使用該系統(tǒng)時所做特定模擬物的運動軌跡曲線；步驟(5):通過鍵盤輸入模塊，選擇本次所要實現的特定模擬運動軌跡；微控制器從存儲器模塊上讀取上次運動的“X向振幅”、“y向振幅”、“Z向振幅”和“轉速”四組參數，通過鍵盤輸入模塊對四組參數進行調整設置；步驟(6):通過鍵盤輸入模塊的“啟動/停止”鍵進行啟動三維驗證平臺，運動軌跡代碼及上一步驟確定的四組參數將會寫入存儲器模塊；步驟(7):微控制器根據運動軌跡代碼及四組參數計算出控制電機運動所需的步進脈沖頻率；微控制器向步進電機驅動器發(fā)送步進脈沖和方向脈沖，控制步進電機運動，從而帶動精密數控工作臺運動；步驟(8):通過鍵盤輸入模塊的“啟動/停止”鍵結束運動，一次三維模擬運動完成。本實用新型的有益效果:I控制系統(tǒng)和運動系統(tǒng)分離,可遠程控制放射治療過程中室內系統(tǒng)的運動,避免操作人員受到放療輻射；2隨時間變化的三維運動曲線可分別在三個方向上解析，形成三維的時間序列。運動軌跡、幅度和速度三組參數可完全控制系統(tǒng)的運動情況。操作人員可在系統(tǒng)運動前設定好這三組參數，并能夠在運動過程中隨時進行更改和更新，直至達到最佳的模擬運動效果; 3考慮到人在自主或者平穩(wěn)呼吸運動時在三個維度上運動的差異性，本三維體模運動驗證平臺系統(tǒng)可通過三個獨立控制的自由度，來實現在三個維度上運動的差異性，實現運動幅度和運動節(jié)律可調。4通過不同狀態(tài)下運動模體的掃描，完成不同靶區(qū)模擬定位手段的模擬和驗證，在圖像獲得過程中盡量模擬各種不同條件下的運動，這樣可以提高模體的應用范圍和應用價值。5依據靜止狀態(tài)下的3D-CT圖像，驗證3D-CT圖像分割的不足之處，進而提出相應的改進策略，從而使3D-CT分割后的圖像更好地反應靶區(qū)的運動以及形態(tài)變化。

圖1為本實用新型的結構示意圖；圖2為本實用新型的控制裝置結構示意圖；圖3 (a)為本發(fā)明的電路連接圖1 ;圖3 (b)為本發(fā)明的電路連接圖2 ；圖4為本實用新型的步進電機驅動器的連接圖；圖5為本實用新型的控制方法流程圖；圖6為本實用新型的具體實施例一；圖7為本實用新型的具體實施例二 ；[0045]圖8為本實用新型的具體實施例三；圖9為本實用新型的具體實施例四。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1、圖2、圖3(a)、圖3(b)、圖4所示，一種醫(yī)用三維模擬運動平臺，包括運動裝置、步進電機驅動器和控制裝置，所述運動裝置為精密數控工作臺，在精密數控工作臺的X方向、Y方向和Z方向分別連接有X向步進電機、Y向步進電機和Z向步進電機，X、Y、Z向步進電機分別與Χ、γ、ζ向步進電機驅動器連接，X、Y、Z向步進電機驅動器和精密數控工作臺與控制裝置連接。所述控制裝置包括微控制器、存儲模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊，其中存儲模塊、顯示模塊和鍵盤輸入模塊都與微控制器連接。所述控制裝置采用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片，STC12C5A60S2單片機為一系列單片機，該系列單片機為40引腳，有2個16位定時器，可用來實現步進電機的調速，同時芯片為單機器周期單片機，指令執(zhí)行頻率等于機器頻率，且該系列單片機個工作頻率可達35MHz，可在較高控制精度的情況下為步進電機驅動器提供很高的控制頻率。該系列單片機不同型號區(qū)別在于存儲空間不同，其他參數相同，具體要求為20K以上Flash存儲空間來存儲程序和2K EEPROM存儲空間用來存儲相關數據。X、Y、Z向步進電機驅動器和控制裝置與變壓器連接，變壓器與220VAC連接，變壓器通過整流、濾波器分別為步進電機驅動器和控制裝置提供24V 80V和5V直流電壓?？刂蒲b置部分使用+5V標準電壓:由通用的市電AC220V作電源，首先經過開關變壓器降到DC5V，經整流濾波后產生標準電壓+5V，提供給控制裝置，其紋波系數相當小，穩(wěn)定度高，不容易產 生干擾。電機驅動器的驅動電壓:電機驅動器在24V 80VDC之間都可以正常工作。采用較高電壓會使電機高速運行力矩保持不下降，低電壓則有助于驅動器降低溫升和增加低速時的運行平穩(wěn)性。本系統(tǒng)采用70V直流電壓，由輸出為70V，額定功率為600W的開關電源提供，所加電源的最大輸出電流為6A，大于電機的額定相電流。所述運動裝置采用直線滾動導軌與滾珠絲杠，在每個軸上將步進電機的轉動轉換為直線運動，且運動距離控制精度可達到0.025mm。直線滾動導軌與滾珠絲杠均采用了預加載荷，消除了不必要的間隙，提高了接觸剛度和定位精度，在數控系統(tǒng)控制下，通過步進電機驅動，X-Y-Z三坐標精密數控工作臺聯動實現平面內任意三維曲線運動軌跡，實現無間隙運動，具有高精度、高效率、壽命長、磨損小、簡潔實用特點。所述步進電機采用型號為60HS44的三臺步進電機，其最小步進角度為1.8度，配合相應的步進電機驅動器的細分功能可實現更小的最小步進角度，可提高控制精度，但會降低步進電機的最高旋轉速度。所述步進電機驅動器采用三臺與步進電機相配套的步進電機驅動器，所述步進電機驅動器均能夠提供整步、2細分、4細分、8細分、16細分、32細分、64細分7種細分運行模式。在整步方式下，一個脈沖將使電機轉動1.8度，則2細分時一個脈沖使電機轉動0.9度，4細分時一個脈沖則使電機轉動0.45度，并依此類推。本實用新型要求單軸電機帶動其所屬軸向工作臺只需要做直線運動，且轉速較高，故采用整步方式。x、y、z三維方向步進電機驅動器和精密數控工作臺與控制裝置連接。步進電機驅動器的接線和輸入信號按以下方式進行連接，輸入信號采用共陽極接線方式，將控制信號的正電源連接到公共端的端子上，信號輸出線連接到相應的信號端子上，當信號輸入端出現低電平時，相對應的內部光I禹開通，將信號輸入步進電機驅動器中，脈沖信號輸入:信號從高到低的下跳變被步進電機驅動器解釋為一個脈沖，此時步進電機驅動器將按照相應的時序驅動步進電機進行運行。三維運動驗證平臺用于精確放療驗證時具體實施方法:呼吸運動是影響胸腹部腫瘤精確放療的重要因素:一方面其影響腫瘤靶區(qū)的精確定位，另一方面影響放療劑量計算的準確性，分析呼吸運動對胸腹部腫瘤精確放療的影響并提出相應的改進策略對提高放療精度和治療效果具有非常重要的意義。因目前無法實現活體實驗的研究，依靠呼吸運動模擬裝置研究呼吸運動對腫瘤靶區(qū)及危及器官產生的效應是一種有效而方便的途徑。本研究所研制的三維運動驗證平臺為胸腹部腫瘤精確放療過程的各個階段進行質量控制和質量保證提供了重要工具:首先，應用三維運動模體對常見胸腹部腫瘤的靶區(qū)確定手段進行驗證，通過與客觀實物的比較，分析各手段存在的不足，研究相應的改進策略；通過模擬腫瘤及危及器官的運動規(guī)律，研究呼吸運動造成的二者形變規(guī)律及其引起的局域電子密度變化對腫瘤照射劑量準確計算的影響，進而為靶區(qū)和危及器官受量的準確評估和累加提供更客觀的依據。現就實現的驗證方法進行闡述。1.放療模擬定位CT掃描條件的優(yōu)化胸部和上腹部腫瘤放療過程中，影響放療精度的一個重要因素是呼吸運動、腸道蠕動等，因此，放療模擬定位CT掃描過程中，掃描條件的設置，例如機架的旋轉速度、球管的曝光條件等直接影響著腫塊、器官運動的包含度、圖像的成像質量和患者的曝光量產生，而且對此后的放療計劃制定和放療實施都有重要影響。因此，放療模擬定位CT掃描條件的優(yōu)化有重要的臨床意義，而此三維運動驗證平臺是胸部和上腹部運動腫瘤放療模擬定位CT掃描條件的優(yōu)化的必要設備。將不同大小和 形狀的體模放置于本實用新型開發(fā)的三維運動驗證平臺的載重區(qū)，模擬不同大小和形狀的腫瘤。令三維運動驗證平臺載重區(qū)按不同軌跡進行運動(一維、二維或三維)，運動狀態(tài)穩(wěn)定后，放療定位CT設置不同的掃描條件，掃描載重區(qū)及其體模，獲得不同體模不同運動軌跡和狀態(tài)下的三維圖像，通過分析不同掃描條件下三維圖像的清晰度、體模CT值失真度、體模體積與體模三維圖像體積之間的差異等優(yōu)化和篩選不同情況下的最佳掃描條件，從而完成模擬定位CT掃描條件的優(yōu)化和驗證，為腫瘤放療臨床提供重要的參考數據。2.研究呼吸運動對放療劑量實施準確度的影響目前，對靶區(qū)和危及器官受量的評估均以計劃系統(tǒng)中靜態(tài)CT為基礎，而這種靜態(tài)劑量的評估無法實現對受呼吸運動影響較大的胸腹部腫瘤劑量的準確評估。以本實用新型設計的三維運動模擬系統(tǒng)為載體，模擬不同部位的腫瘤(肝臟、胰腺、腎臟、肺、食管、乳腺等)以及其鄰近器官的相互關系，研究不同運動狀態(tài)下靶區(qū)和危及器官的受量，進而分析呼吸運動對二者受量的影響。通過輻射劑量儀進行靶區(qū)和危及器官受量的測量和計算，在測量的基礎上用計算機進行劑量分布的模擬和重建，從而獲得靶區(qū)和危及器官動態(tài)的劑量分布。在此基礎上，用建立數學模型的方法分析呼吸運動和靶區(qū)及危及器官受量的關系，建立呼吸運動與二者受量的數學模型，并將此數學模型用于驗證胸腹部腫瘤在實際放射治療中劑量受量情況。3.評估不同呼吸運動控制技術的效能目前，腫瘤放射治療常用的呼吸運動控制技術包括ITV勾畫技術、屏氣技術、門控放療技術和跟蹤放療技術，然而各種呼吸運動控制策略都有其局限性，對于個體患者，其最佳的呼吸運動技術并不明確。利用該三維運動模擬平臺模擬不同腫塊(大小、形狀)不同狀態(tài)(軌跡、速度)的運動，結合四維CT掃描技術，獲得腫塊的四維圖像，利用該圖像研究上述各種呼吸運動策略的優(yōu)劣以及不同腫塊和不同運動狀態(tài)下的最優(yōu)呼吸運動控制技術。另外，可分別完成不同體積大小的腫瘤在不同呼吸條件下(包括呼吸節(jié)律和頻率的不同)的自由呼吸運動狀態(tài)下的3D-CT掃描、主動呼吸控制狀態(tài)下的3D-CT掃描，以及三維運動模體與RPM系統(tǒng)結合下的3D-CT掃描。在獲得不同條件下的CT掃描圖像后，以靜止狀態(tài)的3D-CT圖像為依據，首先研究不同條件下CT圖像治療的差異，然后分析呼吸運動對不同手段進行靶區(qū)確定的影響(大小、形態(tài)、外放邊界)，進而尋求和改進各靶區(qū)確定手段，從而為胸腹部腫瘤的精確放療手段的應用提供指導。驗證方法具體實施方案示意圖:1、如示意圖6所示，步驟(6-1):完成模體由二維運動向三維運動的轉變，然后結合VARIAN公司的RPM系統(tǒng)完成以時間為介質的四維運動的模擬；步驟(6-2):分別完 成自由呼吸狀態(tài)下、主動呼吸控制輔助屏氣狀態(tài)下以及4D-CT的掃描，同時對模體周圍的正常器官的布局進行模擬和分析。2、如示意圖7所示，步驟(7-1):實現不同條件下3D的CT掃描:分別完成自由呼吸狀態(tài)下、主動呼吸控制輔助屏氣狀態(tài)下以及4D-CT的掃描；步驟(7-2):以主動呼吸控制狀態(tài)下的靜態(tài)圖像為依據，分析呼吸運動對不同靶區(qū)確定手段進行靶區(qū)確定的影響，不同靶區(qū)確定手段所確定的靶區(qū)的大小和形態(tài)的差異，探討各種定位手段的不足之處；以自由呼吸控制狀態(tài)下的靜態(tài)圖像為依據，分析自由呼吸狀態(tài)下掃描的弊端；以4D-CT掃描狀態(tài)下的靜態(tài)圖像為依據，分析呼吸運動對不同靶區(qū)確定手段進行靶區(qū)確定的影響和各時相分割圖像的不足之處；步驟(7-3):尋找相應的解決和改進方案，指導不同層次放療機構開展精確放療工作。3、如圖8所示，步驟(8-1):在完成三維運動模體的模擬定位后，依據3D-CT某一時相圖像為依據進行放射治療計劃設計，然后將3D-CT其余時相的圖像通過形變配準算法進行分析，獲得不同時相的靶區(qū)及危機器官受量評估；步驟(8-2):將獲得的靶區(qū)和危及器官的受量與呼吸運動的關系進行數學模型的建立，并將建立好的數學模型在通過模體試驗加以驗證和改進。4、如圖9所示，步驟(9-1):3D運動模塊體的圖像掃描；步驟(9-2):不同條件的CT模擬定位圖像，根據實際需要進入步驟(9-3)或(9-8);[0081]步驟(9-3):形變配準算法的研究；步驟(9-4):形變配準算法的改進和驗證，進入步驟(9-5)、(9-6)、(9-7)、(9-9)；步驟(9-5):CT模擬定位機進行定位，進入步驟(9-10)；步驟(9-6):直線加速器進行加速，進入步驟(9-11)；步驟(9-7):圖像引導放療系統(tǒng)進行引導，進入步驟(9-12)；步驟(9-8):4D-CT掃描，進入步驟(9-9)；步驟(9-9):動態(tài)4D-CT圖像間點對點的形變配準，進入步驟(9_14)；步驟(9-10):呼吸運動和CT圖像驗證，進入步驟(9-13)；步驟(9-11):劑量驗證,進入步驟(9-13)；步驟(9-12):擺位誤差糾正及靶區(qū)和危機器官劑量的評估和驗證，進入步驟(9-13)；步驟(9-13):進行放射治療方案的選擇，結束；步驟(9-14):腫瘤靶區(qū)和危及器官點對點的劑量疊加，結束。結合相應的形變配準數學模型后，通過應用此數學模型實現動態(tài)4D-CT圖像間點對點的形變配準，進而實現腫瘤靶區(qū)和危及器官點對點的劑量疊加。本三維運動驗證平臺在用于放療時驗證獲得的主要技術指標:( I)所研制模體的運動可以實現三維(左右上下前后)且連續(xù)同步有差異性的的運動。各個方向的運動精度可以達到1_，而運動頻率在15-30次/分。與呼吸運動監(jiān)測裝置聯合可以實現四維運動的模擬和分割，并通過CT掃描可以獲得連續(xù)的動態(tài)CT圖像。表1:三維運動模體各軸向運動的參數范圍。
權利要求1.一種醫(yī)用三維模擬運動平臺，包括運動裝置、步進電機驅動器和控制裝置，所述運動裝置為精密數控工作臺，其特征是，在精密數控工作臺的X方向、Y方向和Z方向分別連接有X向步進電機、Y向步進電機和Z向步進電機，X、Y、Z向步進電機分別與Χ、Υ、Ζ向步進電機驅動器連接，χ、υ、ζ向步進電機驅動器和精密數控工作臺與控制裝置連接。
2.如權利要求1所述的一種醫(yī)用三維模擬運動平臺，其特征是，所述控制裝置包括微控制器、存儲模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊，其中存儲模塊、顯示模塊和鍵盤輸入模塊都與微控制器連接；所述控制裝置采用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片。
3.如權利要求1所述的一種醫(yī)用三維模擬運動平臺，其特征是，X、Y、Z向步進電機驅動器和控制裝置與變壓器連接，變壓器與220VAC連接，變壓器通過整流、濾波器分別為步進電機驅動器和控制裝置提供24V 80V和5V直流電壓。
4.如權利要求1所述的一種醫(yī)用三維模擬運動平臺，其特征是，所述運動裝置采用直線滾動導軌與滾珠絲杠配合，在每個方向上將步進電機的轉動轉換為直線運動，且運動距離控制精度達到0.025mm。
5.如權利要求1所述的一種醫(yī)用三維模擬運動平臺，其特征是，所述步進電機采用型號為60HS44的三臺步進電機，其最小步進角度為1.8度。
6.如權利要求1所述的一種醫(yī)用三維模擬運動平臺，其特征是，所述步進電機驅動器采用三臺與步進電機相配套的步進電機驅動器，所述步進電機驅動器均能夠提供整步、2細分、4細分、8細分、16細分、32細分、64細分7種細分運行模式。
7.如權利要求1所述的一種醫(yī)用三維模擬運動平臺，其特征是，步進電機驅動器的接線和輸入信號按以下方式進行連·接，輸入信號采用共陽極接線方式，將控制信號的正電源連接到公共端的端子上，信號輸出線連接到相應的信號端子上，當信號輸入端出現低電平時，相對應的內部光耦開通，將信號輸入步進電機驅動器中，脈沖信號輸入:信號從高到低的下跳變被步進電機驅動器解釋為一個脈沖，此時步進電機驅動器將按照相應的時序驅動步進電機進行運行。
專利摘要本實用新型公開了一種醫(yī)用三維模擬運動平臺，包括精密數控工作臺，在精密數控工作臺的X、Y、Z方向分別連接有X、Y、Z向步進電機，X、Y、Z向步進電機分別與X、Y、Z向步進電機驅動器連接，X、Y、Z向步進電機驅動器和精密數控工作臺與控制裝置連接。驗證方法包括兩部分，首先，應用三維運動模體對常見胸腹部腫瘤的靶區(qū)確定手段進行驗證，通過與客觀實物的比較，分析各手段存在的不足，研究相應的改進策略；其次，通過模擬腫瘤及危及器官的運動規(guī)律，研究呼吸運動造成的二者形變規(guī)律及其引起的局域電子密度變化對腫瘤照射劑量準確計算的影響，進而為靶區(qū)和危及器官受量的準確評估和累加提供更客觀的依據。
文檔編號A61N5/00GK203090271SQ201320095340
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月1日 優(yōu)先權日2013年3月1日
發(fā)明者李登旺, 李寶生, 李洪升, 尹勇, 萬洪林, 張煒, 盧潔, 鞏貫忠 申請人:山東師范大學