醫(yī)用直線加速器自動(dòng)擺位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐濤 楊蕾 孫小楊 楊波 龐皓文 石翔翔 陳仁金

西南醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院腫瘤科，四川瀘州 646000

0 引言

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展對(duì)醫(yī)療設(shè)備的自動(dòng)化和智能化提出了更高的要求，同時(shí)自動(dòng)化技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷促進(jìn)醫(yī)療設(shè)備的現(xiàn)代化進(jìn)程[1]。醫(yī)用直線加速器現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于腫瘤患者的外照射放射治療，并且放射治療已進(jìn)入精確定位、精確計(jì)劃、精確治療的三精時(shí)代[2-3]。精確治療要求計(jì)劃的照射中心和醫(yī)用直線加速器的等中心保持高度一致，這樣才能保證治療計(jì)劃能精確執(zhí)行。這要求技術(shù)人員在對(duì)腫瘤患者實(shí)施擺位時(shí)，能夠精確控制擺位誤差，從而減小照射中心與直線加速器等中心的相對(duì)位移。但是，在當(dāng)前技術(shù)條件下，腫瘤患者擺位最普遍的仍然是人工擺位，即技術(shù)人員將患者帶入治療機(jī)房，并將患者固定在治療床上，通過手動(dòng)方式移動(dòng)治療床使患者治療中心與醫(yī)用直線加速器的等中心重合，醫(yī)用直線加速器圍繞等中心旋轉(zhuǎn)對(duì)患者實(shí)施放射治療。該擺位技術(shù)需要技術(shù)人員反復(fù)操作治療床校準(zhǔn)患者身體坐標(biāo)和直線加速器等中心坐標(biāo)，耗時(shí)費(fèi)力且擺位精度較差[4-5]。人工擺位技術(shù)降低了醫(yī)用直線加速器的使用效率，特別對(duì)于醫(yī)療資源相對(duì)缺乏的地區(qū)，提高醫(yī)用直線加速器使用效率具有重大意義。同時(shí)，在擺位過程中，技術(shù)人員手動(dòng)操作治療床并通過肉眼觀察患者治療中心與醫(yī)用直線加速器等中心重合度方式難免會(huì)導(dǎo)致較大擺位誤差。同時(shí)，技術(shù)人員需要反復(fù)進(jìn)入治療機(jī)房擺位，難免受到過量的輻照。因此，研發(fā)醫(yī)用直線加速器自動(dòng)擺位系統(tǒng)具有實(shí)際價(jià)值。本文簡述醫(yī)用直線加速器自動(dòng)擺位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 自動(dòng)擺位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

醫(yī)用直線加速器自動(dòng)擺位系統(tǒng)的最大特點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)放射治療擺位的自動(dòng)化和智能化，該自動(dòng)擺位系統(tǒng)由導(dǎo)軌、運(yùn)載小車、自動(dòng)擺位床和移動(dòng)托架構(gòu)成。自動(dòng)擺位床能自動(dòng)識(shí)別照射中心在患者體表的標(biāo)記，控制系統(tǒng)記錄該標(biāo)記相對(duì)于床面的空間坐標(biāo)，完成標(biāo)記識(shí)別后通過滑動(dòng)床面將患者拖放到運(yùn)載小車。運(yùn)載小車能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降，并能沿著軌道運(yùn)動(dòng)，將治療患者送入和送出治療機(jī)房。移動(dòng)托架將患者從運(yùn)載小車送入直線加速器治療床實(shí)施治療，并將治療完成的患者送回運(yùn)載小車，由運(yùn)載小車將治療結(jié)束的患者送出機(jī)房。直線加速器根據(jù)自動(dòng)擺位床識(shí)別的坐標(biāo)自動(dòng)與加速器等中心擺位重合，實(shí)施精確放射治療。總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示(已獲國家發(fā)明專利,專利號(hào)：ZL201410765031.6)。

1.2 自動(dòng)擺位床

自動(dòng)擺位床作為固定患者體位和找到患者放射治療等中心的裝置，主要包括床體、床面、擺位固定裝置和激光自動(dòng)擺位裝置。自動(dòng)擺位床通過激光傳感器自動(dòng)找到患者體表標(biāo)記的位置，并將該位置所對(duì)應(yīng)的治療中心作為直線加速器治療時(shí)的照射中心。技術(shù)人員協(xié)助患者在自動(dòng)擺位床保持正確的放療體位，并固定好患者的體位。啟動(dòng)自動(dòng)擺位按鈕，自動(dòng)擺位床床面向前運(yùn)動(dòng)，橫斷激光不斷掃描患者體表，若掃描到體表標(biāo)記，將通過放射的方式探測到橫斷位置信號(hào)，橫斷位置信號(hào)包括了矢狀坐標(biāo)和橫斷坐標(biāo)。此時(shí)擺位床停止運(yùn)動(dòng)，水平擺位激光上下運(yùn)動(dòng)，同樣通過反射激光的方式找到治療中心的水平坐標(biāo)。激光擺位系統(tǒng)將三個(gè)坐標(biāo)信息送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將這三個(gè)坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的空間一點(diǎn)作為放射治療的照射中心。若患者為多中心照射，需要再次啟動(dòng)擺位按鈕，以同樣方式找到其他照射中心。擺位完成后，當(dāng)運(yùn)載小車位于床前方規(guī)定的位置時(shí)，床面將通過擺位床的導(dǎo)軌和小車導(dǎo)軌對(duì)接，將患者送上運(yùn)載小車。

1.3 運(yùn)載小車

運(yùn)載小車升降功能由兩個(gè)電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，電機(jī)通過絲桿螺母傳動(dòng)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，運(yùn)載小車通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)按照預(yù)定軌道運(yùn)動(dòng)?；颊咄瓿勺詣?dòng)擺位后，自動(dòng)擺位床的導(dǎo)軌和運(yùn)載小車導(dǎo)軌結(jié)合，患者和床面一并被運(yùn)送到運(yùn)載小車上，小車沿著軌道運(yùn)動(dòng)到固定位置并停穩(wěn)后，觸發(fā)兩個(gè)同步電機(jī)運(yùn)動(dòng)，將患者升到規(guī)定的高度。

小車沿著導(dǎo)軌將患者送入機(jī)房，待患者進(jìn)入機(jī)房后，將患者運(yùn)送到直線加速器治療床旁軌道規(guī)定的位置，待小車停穩(wěn)并固定后，觸發(fā)移動(dòng)托架的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，小車上升到預(yù)設(shè)高度與機(jī)械手自動(dòng)對(duì)接。對(duì)治療完成的患者，機(jī)械手將患者從治療床轉(zhuǎn)移到運(yùn)載小車，運(yùn)載小車將患者送出機(jī)房，當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)到規(guī)定位置并停穩(wěn)后，與自動(dòng)擺位床軌道對(duì)接，將患者從運(yùn)載小車轉(zhuǎn)移到擺位床。

圖1 自動(dòng)擺位系統(tǒng)總體方案

1.4 軌道

軌道作為運(yùn)載小車運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向裝置，分為雙向軌道，分別作為兩輛運(yùn)載小車進(jìn)出的通道，軌道的作用主要固定運(yùn)載小車的運(yùn)動(dòng)方向。一條軌道負(fù)責(zé)運(yùn)送需要治療的患者，另一條負(fù)責(zé)運(yùn)送治療完成的患者。根據(jù)不同的機(jī)房結(jié)構(gòu)，軌道可設(shè)計(jì)成不同形狀。

1.5 移動(dòng)托架

移動(dòng)托架包括一對(duì)機(jī)械手、移動(dòng)導(dǎo)軌以及置于治療床和導(dǎo)軌兩旁的固定架，機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)對(duì)床面的抓夾功能，并能通過氣缸和導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)上下和水平方向兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)載小車1到達(dá)規(guī)定的位置后，觸發(fā)機(jī)械手動(dòng)作，機(jī)械手先往下運(yùn)動(dòng)到規(guī)定位置，夾持住擺位床床面，將患者和床面上升到一定高度后，機(jī)械手水平移動(dòng)，將患者和治療床面放置于直線加速器治療床上。機(jī)械手將患者移開運(yùn)載小車1后，運(yùn)載小車1自動(dòng)通過導(dǎo)軌駛離機(jī)房，到達(dá)自動(dòng)擺位床前端，為下一個(gè)患者擺位做準(zhǔn)備。治療的患者被送上治療床后，自動(dòng)將患者的治療中心和直線加速器等中心重合，實(shí)施放射治療。當(dāng)對(duì)治療結(jié)束的患者，治療床水平位置歸零，床面后退到機(jī)械手抓夾床面的位置，機(jī)械手向下運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)夾住自動(dòng)擺位床床面將患者從加速器治療床上取出，上升到安全高度后，水平運(yùn)動(dòng)后向下移動(dòng)，將患者安全轉(zhuǎn)移到運(yùn)載小車2上，完成一次治療。系統(tǒng)運(yùn)行過程見圖2。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)擺位系統(tǒng)處理信號(hào)多，并且對(duì)安全性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性的要求較高。為了滿足運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的多信號(hào)處理能力、安全穩(wěn)定性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、運(yùn)算量大的要求，主控芯片應(yīng)選取高速M(fèi)CU，使運(yùn)算和控制速度更快；系統(tǒng)必須具有多個(gè)I/O口，以便設(shè)計(jì)多個(gè)輸入和輸出通道接口便于多路信號(hào)處理和系統(tǒng)擴(kuò)展；為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，輸出端口應(yīng)具備短路保護(hù)和開路診斷功能；為了實(shí)時(shí)監(jiān)控自動(dòng)擺位系統(tǒng)的工作狀態(tài)，控制系統(tǒng)還應(yīng)具備遠(yuǎn)程通訊和遠(yuǎn)程故障診斷能力；同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)擺位系統(tǒng)其他控制子模塊的信息交互，控制系統(tǒng)必須集成CAN2.0B總線接口；集成RS232串口通信接口，方便對(duì)MCU實(shí)施軟件升級(jí)。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，設(shè)計(jì)選取TI公司的F28335DSP作為控制系統(tǒng)的主控芯片，該芯片集成了DSP和微控制器的長處，擁有完成64位的數(shù)據(jù)處理能力，從而在處理任務(wù)時(shí)精度更高，同時(shí)具有88個(gè)通用IO口，能完成多個(gè)信號(hào)的處理[6]?？刂葡到y(tǒng)原理框圖見圖3。

圖3 控制系統(tǒng)原理框圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要模塊有電源模塊電路、脈沖信號(hào)處理電路、模擬信號(hào)處理電路、開關(guān)信號(hào)處理電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)量輸出電路和通訊接口電路。下面對(duì)電源模塊和通訊模塊的設(shè)計(jì)做簡要介紹。

2.1.1 電源模塊設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)采用24 V直流電源供電，而TMS320F28335內(nèi)核和IO口分別采用1.8 V和3.3 V供電，模擬量輸入通道的低通濾波器采用±15 V供電。所以，在電源模塊設(shè)計(jì)時(shí)，首先使用LM5010ASDX芯片將直流24 V轉(zhuǎn)換為5 V，MAX743CWE芯片將5 V轉(zhuǎn)換為±15 V，TPS767D318芯片將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V和1.8 V為DSP供電。同時(shí)，5 V電源還可作為其他芯片的供電電源。電源模塊原理圖如圖4所示。

2.1.2 通訊模塊設(shè)計(jì)

2.1.2.1 串口模塊設(shè)計(jì) 串口通信模塊主要功能為控制器與外部設(shè)備間的信息交換，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)及軟件的下載和更新。F28335處理器提供3個(gè)串口通信接口，并增加了速率自動(dòng)檢測和FIFO緩沖等新功能。該模塊選擇MAX3226EAAE作為串口通訊電平轉(zhuǎn)換芯片，其電路原理圖如圖5。

圖4 電源模塊電路

圖5 串口通訊電路

2.2 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，將不同的功能劃分為不同的控制子模塊，根據(jù)控制需要調(diào)用不同的子程序模塊。軟件設(shè)計(jì)的主要思想是對(duì)小車的運(yùn)送流程和機(jī)械手動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)控制，其軟件控制的主流程圖如圖6所示。

圖6 軟件控制流程圖

軟件系統(tǒng)還包括設(shè)置軟件陷阱、看門狗、多次采樣和程序運(yùn)行狀態(tài)檢測等。只有軟件系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)，再配合硬件抗干擾設(shè)計(jì)，達(dá)到最大限度降低外界干擾對(duì)控制系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)的正常工作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本設(shè)計(jì)的自動(dòng)擺位系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于節(jié)約擺位時(shí)間和提高擺位精度，因此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要分為自動(dòng)擺位時(shí)間和人工擺位時(shí)間的比較，自動(dòng)擺位精度和人工擺位精度的對(duì)比。實(shí)驗(yàn)分別對(duì)頭頸部、胸部、盆腔和乳腺癌術(shù)后放療患者分組進(jìn)行擺位時(shí)間和擺位誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，頭頸部腫瘤選擇南方較常見的鼻咽癌患者作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，患者統(tǒng)一采用發(fā)泡膠配合頭頸部熱塑模同時(shí)固定的方式；胸部腫瘤選擇發(fā)病率高的肺癌患者作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，盆腔腫瘤選擇高發(fā)的宮頸癌作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。胸部和盆腔腫瘤患者統(tǒng)一采用體架配合體部熱塑模同時(shí)固定方式。由于乳腺癌是一種高發(fā)的惡性腫瘤，并且固定方式與其他腫瘤不同，需要選擇特殊的乳腺托架對(duì)患者進(jìn)行固定，因此將乳腺癌術(shù)后患者列入實(shí)驗(yàn)對(duì)象。對(duì)各組分別隨機(jī)選取20人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且每組篩選的患者年齡相差在十歲以內(nèi)，從而減小因年齡相差太大導(dǎo)致擺位時(shí)間差別較大。取其擺位平均時(shí)間作為人工擺位時(shí)間，每組平均擺位誤差作為人工擺位誤差。試驗(yàn)現(xiàn)場圖見圖7。

圖7 自動(dòng)擺位系統(tǒng)試驗(yàn)

擺位技術(shù)員為固定的兩人協(xié)同擺位操作。人工擺位的時(shí)間計(jì)算從前一個(gè)患者結(jié)束到下一個(gè)患者開始治療時(shí)中間的時(shí)間間隔。當(dāng)醫(yī)用直線加速器的最后一個(gè)射野照射結(jié)束，同時(shí)加速器停止出束開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)裝置采用秒表。當(dāng)患者治療完成，同時(shí)直線加速器停止出束作為該患者的人工擺位總時(shí)間。自動(dòng)擺位總時(shí)間的計(jì)算計(jì)時(shí)時(shí)間同樣從前一個(gè)患者結(jié)束到下一個(gè)患者開始治療時(shí)中間的時(shí)間間隔作為自動(dòng)擺位總時(shí)間。但由于采用了自動(dòng)化設(shè)備，自動(dòng)擺位總時(shí)間主要由小車的運(yùn)輸時(shí)間、機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和患者的放射治療時(shí)間組成。由于運(yùn)輸過程為勻速運(yùn)動(dòng)，所以每個(gè)患者的自動(dòng)擺位總時(shí)間的差別主要因放射治療過程中所采用的治療技術(shù)和射野的多少的不同而不同。

擺位精度的實(shí)驗(yàn)主要通過圖像配準(zhǔn)方式比較設(shè)計(jì)的照射中心與實(shí)際的照射中心的位置誤差。在具有圖像引導(dǎo)的直線加速器進(jìn)行放射治療時(shí)，為了提高治療效果，需要通過圖像配準(zhǔn)方式驗(yàn)證設(shè)計(jì)的照射中心與實(shí)際的照射中心是否重合，本文統(tǒng)計(jì)不同部位腫瘤患者的人工擺位誤差，再結(jié)合自動(dòng)擺位系統(tǒng)的理論擺位誤差進(jìn)行對(duì)比，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。由于本實(shí)驗(yàn)只是記錄現(xiàn)有放射治療過程中的相關(guān)參數(shù)，并不會(huì)對(duì)患者任何方面造成影響，所以本文提到的實(shí)驗(yàn)沒有為患者簽署知情同意書。

表1 自動(dòng)擺位時(shí)間和精度與人工擺位時(shí)間和精度比較

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，醫(yī)用直線加速器自動(dòng)擺位系統(tǒng)能顯著節(jié)約擺位時(shí)間并提高擺位精度，從而提高醫(yī)用直線加速器的使用效率并使患者得到更精確的放射治療，得到更好的治療效果。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的自動(dòng)擺位系統(tǒng)在理論上能克服患者在接受放射治療過程中人工擺位所帶來的不便，運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)以提高放射治療的效率和擺位精度，同時(shí)使技術(shù)人員不必反復(fù)進(jìn)入機(jī)房操作治療床，既減輕了技術(shù)人員的工作量，又避免了技術(shù)人員接受到不必要的照射劑量。該自動(dòng)擺位系統(tǒng)基本適用于所有醫(yī)用直線加速器，在不改變原直線加速器機(jī)房結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提高放射治療的效率和擺位精度。

本研究目前還處于設(shè)計(jì)論證和樣機(jī)試制階段，要應(yīng)用到臨床還有很多細(xì)節(jié)問題需要考慮。例如患者并非剛體，在運(yùn)輸?shù)倪^程中身體運(yùn)動(dòng)會(huì)造成照射誤差，怎樣將運(yùn)動(dòng)誤差減小。若臨床試驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求，將具有較大的推廣價(jià)值。