一种用于射波刀计划验证的呼吸运动模拟平台及使用方法与流程

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1.本发明涉及放射计划验证设备领域，特别是一种用于射波刀动态呼吸跟踪计划验证的呼吸运动模拟平台及使用方法。

背景技术：

2.射波刀以其独特的机械结构和设计原理，完美实现了肿瘤病人的立体定向放射外科手术，能够对肿瘤实施单次或多次大剂量射线照射。射波刀通过放置于病人胸腹部体表的三个红外线标志，对胸腹部的体表呼吸起伏运动连续监控并记录呼吸时相，同时拍摄x线影像以确定呼吸运动时相与肿瘤三维空间位置的连锁关系，能够提前预测肿瘤运动趋势并监测对照肿瘤运动位置，使得在过程中射线束时刻跟随肿瘤运动照射，最大限度地降低了肿瘤的外扩边界，减少放射对正常组织的损伤，确保剂量真实准确的投照到需要的肿瘤部位。对随呼吸而移动的肿瘤，如肺癌、肝癌和胰腺癌等具有独有的优势。
3.对肿瘤单次或多次大剂量照射的放疗技术，对放疗计划的质量保证提出了更高的要求，在对病人实施计划以前，必须严格验证该计划实际输出剂量分布与计划系统计算剂量分布的重合度。目前主要通过胶片动态计划验证以及模体验证两种方式进行射波刀的动态呼吸跟踪计划。然而胶片动态计划验证存在慢感光胶片昂贵、受外界环境的影像因素较多等缺点，从而验证结果不确定性增大，很难获得准确的验证结果，且需要物理师进行重复验证；模体验证未考虑射波刀的动态呼吸跟踪模式，只能在静止的状态下采集数据，并不能模拟整个计划的动态实施过程，忽略了病人呼吸运动对结果的不确定性。因此，如何实现动态呼吸跟踪、减少物理师工作量，降低高值耗材的使用量同时提高射波刀计划验证的准确性是亟需解决的问题。

技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种用于射波刀计划验证的呼吸运动模拟平台及使用方法。
5.本发明的技术方案是：一种用于射波刀计划验证的呼吸运动模拟平台，包括平台底板、调速器、双轴蜗轮蜗杆减速组件、直线伸缩运动机构、偏心滚轮、模体托盘以及呼吸运动体表起伏模拟机构。
6.所述平台底板的底部设有四个水平调节螺母，平台底板的上表面设有两个平行的安装座，安装座中间设有固定呼吸运动体表起伏模拟机构的安装孔。
7.所述双轴蜗轮蜗杆减速组件包括减速箱外壳、l型底座、直流减速电机和蜗轮蜗杆结构，减速箱外壳固定于平台底板上，直流减速电机和蜗轮蜗杆结构固定于l型底座上，直流减速电机的第一输出轴与蜗轮蜗杆结构连接，l型底座、直流减速电机和蜗轮蜗杆结构均安装于减速箱外壳内。
8.所述直线伸缩运动机构包括连接杆、直线轴承、平行相向设置的两根直线导轨、设
置于直线导轨上的滑块，连接杆的末端设有第一固定孔，连接杆沿着直线轴承做往复运动，滑块在导轨上自由滑动。所述模体托盘底部设有与伸缩杆的第一固定孔配合固定连接的托盘钩。
9.所述呼吸运动体表起伏模拟机构包括固定杆、直线滑块、起伏横杆和复位弹簧，起伏横杆的底部设有突出部，起伏横杆上设有第二固定孔，固定杆通过直线滑块安装于起伏横杆上的第二固定孔，复位弹簧的一端固定于起伏横杆的底部。
10.所述调速器的输出端与双轴蜗轮蜗杆减速组件中直流减速电机的输入端连接，直流减速电机的第二输出轴与偏心滚轮的输入端连接，偏心滚轮的输出端与呼吸运动体表起伏模拟机构中起伏横杆的突出部连接，复位弹簧的另一端固定于平台底板上表面；蜗轮蜗杆结构的输出端与连接杆连接，连接杆末端的第一固定孔与托模体托盘的盘钩固定连接，模体托盘固定于直线伸缩运动机构的滑块上。
11.本发明进一步的技术方案是：所述模体托盘的上表面分别设有两个高精度水平气泡仪。
12.本发明再进一步的技术方案是：所述直流减速电机的最大转速为28转每分钟，转速可调。
13.本发明提供的另一技术方案是：前述的一种用于射波刀计划验证的呼吸运动模拟平台的使用方法，包括如下步骤，a、模拟平台的安装与调节：将模拟平台放置在射波刀标准床上，调节平台底板底部的四个水平调节螺母，使得模体托盘上的高精度水平气泡仪处于水平位置，将待验证模体放置于模体托盘上并固定。
14.b、呼吸运动模型的建立：直流减速电机通电后，起伏横杆做上下往复运动，将射波刀的三个红光标志通过尼龙搭扣固定于起伏横杆上，通过射波刀的三个红外摄像头采集红光标志在起伏横杆上运动时的起伏信号，建立呼吸周期时相波形图，然后在呼吸周期的多个时间点拍摄实时模体影像，获取在每个时间点时模体的空间位置，通过软件耦合，建立模体随呼吸运动的模型。
15.c、体表呼吸运动模拟：调速器的输出端与直流减速电机连接，带动偏心滚轮滚动，当偏心滚轮顶点由最小半径转到最大半径位置时，偏心滚轮推动其上方的起伏横杆向上运动，复位弹簧拉伸；偏心滚轮由最大半径转动到最小半径时，起伏横杆向下运动，复位弹簧缩短，如此反复实现起伏横杆的上下起伏运动。
16.d、模体伸缩运动模拟：调速器的输出端与直流减速电机连接，在蜗轮蜗杆结构、连接杆的作用下，连接杆沿着直线轴承运动，带动模体托盘沿着直线导轨往复移动。
17.本发明再进一步的技术方案是：还包括步骤e，呼吸运动频率调节：根据呼吸运动的频率调节调速器的输入以控制直流减速电机的转速，实现对起伏横杆的上下起伏运动和模体托盘往复运动频率的调节。
18.本发明与现有技术相比具有如下特点：（1）本发明通过模拟平台的设置使得射波刀动态呼吸跟踪计划的验证更接近实际病人状态，为计划的完美实施提供了更准确的测量数据，进一步验证了射波刀设备的优势和可信度。
19.（2）本发明放弃了传统的慢感光胶片的使用，使射波刀动态呼吸跟踪计划的动态
验证成本降低，不用再继续购买高昂的验证设备或者研发更昂贵的动态模体，且进一步减少了资源浪费和环境污染，减少了高值耗材的使用量。
20.（3）本发明通过同时体表呼吸运动模拟和模体往复运动模拟，提高了射波刀动态呼吸跟踪计划验证效率，为物理师节省工作时间，进一步减少了射波刀设备的开机时间。
21.以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
附图说明
22.附图1为本发明模拟平台的结构示意图；附图2为双轴蜗轮蜗杆减速组件和直线伸缩运动机构的结构示意图；附图3为模体托盘安装的仰视图；附图4为呼吸运动体表起伏模拟机构的结构示意图；附图5为本发明模拟平台各部件的连接示意图。
具体实施方式
23.实施例一，如附图1-5所示，一种用于射波刀计划验证的呼吸运动模拟平台，包括平台底板1、调速器、双轴蜗轮蜗杆减速组件3、直线伸缩运动机构4、偏心滚轮5、模体托盘6以及呼吸运动体表起伏模拟机构7。
24.所述平台底板1的底部设有四个水平调节螺母1-1，通过微调四个水平调节螺母1-1能够调节平台底板1处于水平状态；平台底板1的上表面设有两个平行的安装座1-2，安装座1-2中间设有固定呼吸运动体表起伏模拟机构7的安装孔1-2-1。
25.所述双轴蜗轮蜗杆减速组件3包括减速箱外壳3-1、l型底座3-2、直流减速电机3-3和蜗轮蜗杆结构3-4。减速箱外壳3-1固定于平台底板1上，直流减速电机3-3和蜗轮蜗杆结构3-4固定于l型底座3-2上，直流减速电机3-3的第一输出轴与蜗轮蜗杆结构3-4连接，l型底座3-2、直流减速电机3-3和蜗轮蜗杆结构3-4均安装于减速箱外壳3-1内。直流减速电机3-3能够实现每分钟最大28转。
26.所述直线伸缩运动机构4包括连接杆4-1、直线轴承4-2、平行相向设置的两根直线导轨4-3、设置于直线导轨4-3上的滑块4-4，连接杆4-1的末端设有第一固定孔4-1-1，连接杆4-1沿着直线轴承4-2做往复运动，滑块4-4能够在导轨4-3上自由滑动。所述模体托盘6底部设有与伸缩杆的第一固定孔4-1-1配合固定连接的托盘钩6-1，模体托盘6的上表面分别设有两个高精度水平气泡仪6-2。
27.所述呼吸运动体表起伏模拟机构7包括固定杆7-1、直线滑块7-2、起伏横杆7-3和复位弹簧7-4，起伏横杆7-3的底部设有突出部7-3-1，起伏横杆7-3上设有第二固定孔7-3-2，固定杆7-1通过直线滑块7-2安装于起伏横杆7-3上的第二固定孔7-3-2，复位弹簧7-4的一端固定于起伏横杆7-3的底部。
28.所述调速器（图中未示出）的输出端与双轴蜗轮蜗杆减速组件3中直流减速电机3-3的输入端连接，直流减速电机3-3的第二输出轴与偏心滚轮5的输入端连接，偏心滚轮5的输出端与呼吸运动体表起伏模拟机构7中起伏横杆7-3的突出部7-3-1连接，在偏心滚轮5转动的同时，起伏横杆7-3在直线滑块7-2和复位弹簧7-4的共同作用下做上下起伏运动。
29.蜗轮蜗杆结构3-4的输出端与连接杆4-1连接，连接杆4-1末端的第一固定孔4-1-1
与托模体托盘6的盘钩6-1固定连接，模体托盘6固定于直线伸缩运动机构4的滑块4-4上，连接杆4-1在蜗轮蜗杆结构3-4运动过程中带动模体托盘6沿着直线导轨4-3移动。
30.实施例二，如附图5所示，前述用于射波刀计划验证的呼吸运动模拟平台的使用方法，包括如下步骤：a、模拟平台的安装与调节：将模拟平台放置在射波刀标准床上，调节平台底板1底部的四个水平调节螺母1-1，使得模体托盘6上的高精度水平气泡仪6-2处于水平位置，将待验证模体放置于模体托盘6上并固定。
31.b、呼吸运动模型的建立：直流减速电机3-3通电后，起伏横杆7-3做上下往复运动，将射波刀的三个红光标志通过尼龙搭扣固定于起伏横杆7-3上，通过射波刀的三个红外摄像头采集红光标志在起伏横杆7-3上运动时的起伏信号，建立呼吸周期时相曲线图，然后在呼吸周期的15个时间点拍摄实时模体影像，获取在每个时间点时模体的空间位置，通过软件耦合，建立模体随呼吸运动的模型。
32.c、体表呼吸运动模拟：调速器的输出端与直流减速电机3-3连接，直流减速电机3-3的第二输出轴与偏心滚轮5的输入端连接，带动偏心滚轮5顶点由最小半径转动到最大半径位置时，偏心滚轮5推动其上方的起伏横杆7-3向上运动，复位弹簧7-4拉伸；偏心滚轮5顶点由最大半径滚动最小半径的位置时，起伏横杆7-3在复位弹簧7-4的作用下向下运动；如此反复实现起伏横杆7-3的上下起伏运动，实现对病人体表呼吸起伏运动的模拟。
33.d、模体往复运动模拟：调速器的输出端与直流减速电机3-3连接，直流减速电机3-3的第一输出轴与蜗轮蜗杆结构3-4连接，蜗轮蜗杆结构3-4的输出端与连接杆4-1连接，连接杆4-1末端的第一固定孔4-1-1与托模体托盘6的盘钩6-1固定连接，模体托盘6固定于直线伸缩运动机构4的滑块4-4上，连接杆4-1在蜗轮蜗杆结构3-4运动过程中带动模体托盘6沿着直线导轨4-3移动。
34.由于不同状态或不同性别的病人的呼吸频率可能存在些许差异，当针对不同状态或不同性别的病人进行呼吸相模拟时，需要通过调速器的控制来进行呼吸运动频率的调节，此时还包括如下步骤：e、呼吸运动频率调节：调节调速器的输入以控制直流减速电机3-3的转速，从而调节呼吸运动的频率，实现对起伏横杆7-3的上下起伏运动和模体托盘6往复运动频率的调节。
35.通过调速器和直流减速电机3-3的共同驱动作用，实现了体表呼吸运动模拟和模体往复运动模拟运动时间的一致性，直流减速电机3-3旋转一周模拟了一个呼吸周期过程中体表的起伏和体内解剖结构的运动规律，提高了射波刀动态呼吸跟踪计划模体验证效率，为物理师节省工作时间，进一步减少了射波刀设备的开机时间。

技术特征：

1.一种用于射波刀计划验证的呼吸运动模拟平台，其特征是：包括平台底板、调速器、双轴蜗轮蜗杆减速组件、直线往复运动机构、偏心滚轮、模体托盘以及体表呼吸运动模拟机构；所述平台底板的底部设有四个水平调节螺母，平台底板的上表面设有两个平行的安装座，安装座中间设有固定呼吸运动体表起伏模拟机构的安装孔；所述双轴蜗轮蜗杆减速组件包括减速箱外壳、l型底座、直流减速电机和蜗轮蜗杆结构，减速箱外壳固定于平台底板上，直流减速电机和蜗轮蜗杆结构固定于l型底座上，l型底座固定于平台地板上，直流减速电机的第一输出轴与蜗轮蜗杆结构连接，l型底座、直流减速电机和蜗轮蜗杆结构均安装于减速箱外壳内；所述直线伸缩运动机构包括连接杆、直线轴承、平行相向设置的两根直线导轨、设置于直线导轨上的滑块，连接杆的末端设有第一固定孔，连接杆沿着直线轴承做往复运动，滑块在导轨上自由滑动；所述模体托盘底部设有与伸缩杆的第一固定孔配合固定连接的托盘钩；所述呼吸运动体表起伏模拟机构包括固定杆、直线滑块、起伏横杆和复位弹簧，起伏横杆的底部设有突出部，起伏横杆上设有第二固定孔，固定杆通过直线滑块安装于起伏横杆上的第二固定孔，复位弹簧的一端固定于起伏横杆的底部；所述调速器的输出端与双轴蜗轮蜗杆减速组件中直流减速电机的输入端连接，直流减速电机的第二输出轴与偏心滚轮的输入端连接，偏心滚轮的输出端与呼吸运动体表起伏模拟机构中起伏横杆的突出部连接，复位弹簧的另一端固定于平台底板上表面；蜗轮蜗杆结构的输出端与连接杆连接，连接杆末端的第一固定孔与托模体托盘的盘钩固定连接，模体托盘固定于直线伸缩运动机构的滑块上。2.如权利要求1所述的用于射波刀计划验证的呼吸运动模拟平台，其特征是：所述模体托盘的上表面分别设有两个高精度水平气泡仪。3.如权利要求1所述的用于射波刀计划验证的呼吸运动模拟平台，其特征是：所述直流减速电机的最大转速为28转每分钟。4.权利要求1-3任一项所述的用于射波刀计划验证的呼吸运动模拟平台的方法，其特征是：包括如下步骤，a、模拟平台的安装与调节：将模拟平台放置在射波刀标准床上，调节平台底板底部的四个水平调节螺母，使得模体托盘上的高精度水平气泡仪处于水平位置，将待验证模体放置于模体托盘上并固定；b、呼吸运动模型的建立：直流减速电机通电后，起伏横杆做上下往复运动，将射波刀的三个红光标志通过尼龙搭扣固定于起伏横杆上，通过射波刀的三个红外摄像头采集红光标志在起伏横杆上运动时的起伏信号，建立呼吸周期时相，然后在呼吸周期的多个时间点拍摄实时模体影像，获取在每个时间点时模体的空间位置，通过软件耦合，建立模体随呼吸运动位置的模型；c、体表呼吸运动模拟：调速器的输出端与直流减速电机连接，带动偏心滚轮顶点由最小半径滚动到最大半径位置时，偏心滚轮推动其上方的起伏横杆向上运动，复位弹簧拉伸；偏心滚轮顶点由最大半径滚动到最小半径位置时，起伏横杆在复位弹簧的作用下向下运动，如此反复实现起伏横杆的上下起伏运动；
d、模体往复运动模拟：调速器的输出端与直流减速电机连接，在蜗轮蜗杆结构、连接杆的作用下，连接杆沿着直线轴承运动，带动模体托盘沿着直线导轨往复移动。5.如权利要求4所述的用于射波刀动态呼吸跟踪计划验证的模拟平台的方法，其特征是：还包括步骤e，呼吸运动频率调节：根据呼吸运动的频率调节调速器的输入以控制直流减速电机的转速，实现对起伏横杆的上下起伏运动和模体托盘往复运动频率的调节。

技术总结

一种用于射波刀计划验证的呼吸运动模拟平台及使用方法，包括平台底板、调速器、双轴蜗轮蜗杆减速组件、直线伸缩运动机构、偏心滚轮、模体托盘以及体表呼吸运动模拟机构。调速器、双轴蜗轮蜗杆减速组件、偏心滚轮、呼吸运动体表起伏模拟机构依次连接；双轴蜗轮蜗杆减速组件、连接杆、模体托盘、直线伸缩运动机构依次固定连接。通过调速器控制双轴蜗轮蜗杆减速组件，由偏心滚轮带动呼吸运动体表起伏模拟机构模拟呼吸时相运动，以及通过连接杆运动带动模体托盘沿着直线导轨移动模拟模体伸缩运动。本发明结构简单，操作方便，提高了射波刀计划验证的准确性和便捷性，降低了研发成本，减少了高值耗材的使用量，进一步减少了资源浪费和环境污染。境污染。境污染。