一种医用三维模拟运动平台及其模拟运动方法技术

本发明专利技术公开了一种医用三维模拟运动平台及其模拟运动方法，包括精密数控工作台，在精密数控工作台的X、Y、Z方向分别连接有X、Y、Z向步进电机，X、Y、Z向步进电机分别与X、Y、Z向步进电机驱动器连接，X、Y、Z向步进电机驱动器和精密数控工作台与控制装置连接。验证方法包括两部分，首先，应用三维运动模体对常见胸腹部肿瘤的靶区确定手段进行验证，通过与客观实物的比较，分析各手段存在的不足，研究相应的改进策略；其次，通过模拟肿瘤及危及器官的运动规律，研究呼吸运动造成的二者形变规律及其引起的局域电子密度变化对肿瘤照射剂量准确计算的影响，进而为靶区和危及器官受量的准确评估和累加提供更客观的依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及肿瘤放疗医疗设备领域，尤其涉及。
技术介绍
目前，恶性肿瘤已经对人类健康造成了严重的威胁。放射治疗技术作为恶性肿瘤的三大治疗手段之一，对恶性肿瘤的治愈贡献度约为40%。然而，传统放射治疗的疗效较差，其主要原因是肿瘤病灶的周围常常会存在一些对放射线较为敏感的危及器官，从而限制了肿瘤区域放疗剂量的进一步提高。现代肿瘤精确放疗技术，例如三维适形放疗(3-dimensional conformal radiation therapy, 3DCRT)和调强放疗(intensity-modulated radiation therapy, IMRT)可通过精确的肿瘤祀区勾画、准确地制定放疗计划，并进行精准地实施放疗，在一定程度上提高了放射治疗的疗效。然而，放疗过程中肿瘤区域的未知运动，如呼吸运动、心脏搏动、胃肠蠕动等不确定因素，是影响放射治疗精确实施的重要因素。因此，开发一种能够模拟肿瘤或人体内脏器官生理运动的运动模拟系统或模型，并以此来定量研究肿瘤病灶、正常器官和组织的位置变化对放射治疗产生的影响，有重要的科学意义和临床应用价值。肿瘤精确放疗中有两个关键点:肿瘤靶区的精确定义(尤其是胸腹部肿瘤)，肿瘤以及危及器官的受照剂量的准确计算、评估和累积。呼吸运动是严重影响胸腹部肿瘤精确放疗精度的因素，不仅影响靶区位置的准确确定，同时对靶区所在区域的解剖结构组成有很大的影响(影响相应区域电子密度组成，进而影响放射治疗剂量的计算)。一些学者就如何解决胸腹部肿瘤精确放疗中的上述两方面问题做了大量的研究。但是因目前无法实现活体研究，大部分的研究只能借助于运动模体进行，现在商业化模体均为二维模体，只能模拟两个方向上的运动，真正可实现实时三维方向上同步有差异运动的三维运动模体尚未见报道。目前肿瘤精确放疗的定位手段主要以CT模拟定位为主，如何从模拟定位阶段着手解决胸腹部肿瘤靶区的精确定位具有非常重要的意义。目前已有很多种CT定位技术应用于临床，如慢速3D-CT扫描、自由呼吸下的3D-CT，主动呼吸控制辅助的屏气状态下3D-CT扫描、4D-CT等。但是这些技术在临床应用过程中有各自的适用条件和不足之处，同时目前国内外最常用的仍然是自由呼吸状态下的3D-CT扫描，如何检验不同定位手段的适用条件和不足之处，如何应用更先进的定位手段去验证和改进常规定位是目前肿瘤放射治疗学的研究热点之一。当前对各种CT定位手段不足之处大多通过临床实践发现和评估，尚缺乏一个客观真实的参照物进行验证和改进。目前对肿瘤模拟的手段较多，不同的学者寻找了不同的物体进行肿瘤大小和形态的模拟:比如马铃薯 等，但是目前采用的肿瘤模拟物大多以刚性物体为主，研究运动对其形状的影响仍存在很多弊端。现在已有学者对肿瘤二维运动进行了模拟，制作了呼吸运动的二维模拟运动平台(申请号:200610057165.8)。但是二维运动平台只能局限于二维方向上的模拟，无法真实反映肿瘤的三维运动情况，及呼吸运动造成的影响。有学者应用4D-CT进行胸腹部肿瘤模拟定位的研究表明肿瘤运动并非直来直去的二维运动而是一种复杂三维运动，且在三维方向上运动的幅度并不一致，其对肿瘤精确放疗的影响也是非常复杂的。因此研究如何在三维方向上动态真实再现肿瘤及危及器官的运动及其带来的效应具有非常重要的意义。在器官运动模拟系统的开发方面，中国专利(专利名称:一种体模运动平台及进行运动模拟的方法，申请号:20061 0057165.8)，公开了一种体模运动平台。该平台由运动装置、步进电机驱动器和控制装置构成，其运动模拟的方法为:预先设置运动轨迹、振幅和转速等参数，控制装置计算所需的频率，发送到驱动器，控制步进电机带动精密数控工作台进行运动，可以分别设定不同频率、不同幅度来做直线、菱形和椭圆运动，能够比较系统地模拟器官的二维运动。然而，一方面，由于人体内的肿瘤以及危及器官通常在三维方向上进行运动，简单的二维运动虽然可以模拟特定情况下肿瘤或其它脏器的简单运动，但与大多数情况下脏器三维运动的事实不符；另一方面，随着肿瘤精确放射治疗技术的不断进步和完善，肿瘤放射治疗技术已经步入四维放疗时代，因此，简单的二维运动模拟已经不能满足临床需求，迫切需要研究和开发具有模拟肿瘤以及相关危及器官三维运动能力的运动模拟系统。呼吸运动的真实模拟对评估和改进当前精确放疗的各个阶段都具有非常重要的意义:靶区的精确定义、靶区和危及器官剂量的精确计算以及放射治疗过程的监测和评估。目前国内外呼吸运动的模拟均基于二维运动，三维运动模体研发和应用研究鲜有报道。其次三维运动模体可与VARIAN公司的RPM系统相结合实现一种动态4D运动的模拟和分析，这样不仅可以对肿瘤精确放疗各种成像手段(包括CT、MR1、PET/CT、SPECT及图像引导放疗系统中的CBCT和KV级平片)进行验证和评估，而且可以就呼吸运动造成的靶区和器官电子密度改变以及相应的剂量学进行分析，同时以静态实物信息作为参考可以对形变配准算法进行验证和改进。综上所述，呼吸运动是产生胸腹部肿瘤精确放疗各种不确定因素关键，如何真实的模拟呼吸运动对肿瘤精确放疗的影响具有非常重要的意义。三维运动模体的研发和应用将会为胸腹部肿瘤的精确放疗工作的开展提供的依据，同时通过三维运动模体对多种成像手段的验证和改进为不同层次放疗机构开展肿瘤的精确放疗提供有力的保障。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题，提供，它具有实现三维模拟运动平台上的三维方向上的精确可控运动优点。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案:一种医用三维模拟运动平台，包括运动装置、步进电机驱动器和控制装置，所述运动装置为精密数控工作台，在精密数控工作台的X方向、Y方向和Z方向分别连接有X向步进电机、Y向步进电机和Z向步进电机,X、Y、Z向步进电机分别与X、Y、Z向步进电机驱动器连接，X、Y、Z向步进电机驱动器和精密数控工作台与控制装置连接。所述控制装置包括微控制器、存储模块、显示模块、键盘输入模块，其中存储模块、显示模块和键盘输入模块都与微控制器连接。所述控制装置采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，STC12C5A60S2单片机为一系列单片机，该系列单片机为40引脚，有2个16位定时器，可用来实现步进电机的调速，同时芯片为单机器周期单片机，指令执行频率等于机器频率，且该系列单片机个工作频率可达35MHz，可在较高控制精度的情况下为步进电机驱动器提供很高的控制频率。该系列单片机不同型号区别在于存储空间不同，其他参数相同，具体要求为20K以上Flash存储空间来存储程序和2K EEPROM存储空间用来存储相关数据。X、Y、Z向步进电机驱动器和控制装置与变压器连接，变压器与220VAC连接，变压器通过整流、滤波器分别为步进电机驱动器和控制装置提供24V 80V和5V直流电压。控制装置部分使用+5V标准电压:由通用的市电AC220V作电源，首先经过开关变压器降到DC5V，经整流滤波后产生标准电压+5V，提供给控制装置，其纹波系数相当小，稳定度高，不容易产生干扰。电机驱动器的驱动电压:电机驱动器在24V 80VDC之间都可以正常工作。采用较高电压会使电机高速运行力矩保持不下降，低电压则有助于驱动器降低温升和增加低速时的运行平稳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种医用三维模拟运动平台，包括运动装置、步进电机驱动器和控制装置，所述运动装置为精密数控工作台，其特征是，在精密数控工作台的X方向、Y方向和Z方向分别连接有X向步进电机、Y向步进电机和Z向步进电机，X、Y、Z向步进电机分别与X、Y、Z向步进电机驱动器连接，X、Y、Z向步进电机驱动器和精密数控工作台与控制装置连接。

【技术特征摘要】
1.一种医用三维模拟运动平台，包括运动装置、步进电机驱动器和控制装置，所述运动装置为精密数控工作台，其特征是，在精密数控工作台的X方向、Y方向和Z方向分别连接有X向步进电机、Y向步进电机和Z向步进电机，X、Y、Z向步进电机分别与Χ、Υ、Ζ向步进电机驱动器连接，χ、υ、ζ向步进电机驱动器和精密数控工作台与控制装置连接。2.如权利要求1所述的一种医用三维模拟运动平台，其特征是，所述控制装置包括微控制器、存储模块、显示模块、键盘输入模块，其中存储模块、显示模块和键盘输入模块都与微控制器连接；所述控制装置采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片。3.如权利要求1所述的一种医用三维模拟运动平台，其特征是，X、Y、Z向步进电机驱动器和控制装置与变压器连接，变压器与220VAC连接，变压器通过整流、滤波器分别为步进电机驱动器和控制装置提供24V 80V和5V直流电压。4.如权利要求1所述的一种医用三维模拟运动平台，其特征是，所述运动装置采用直线滚动导轨与滚珠丝杠配合，在每个方向上将步进电机的转动转换为直线运动，且运动距离控制精度达到0.025mm。5.如权利要求1所述的一种医用三维模拟运动平台，其特征是，所述步进电机采用型号为60HS44的三台步进电机，其最小步进角度为1.8度。6.如权利要求1所述的一种医用三维模拟运动平台，其特征是，所述步进电机驱动器采用三台与步进电机相配套的步进电机驱动器，所述步进电机驱动器均能够提供整步、2细分、4细分、8细分、16细分、32细分、64细分7种细分运行模式。7.如权利要求1所述的一种医用三维模拟运动平台，其特征是，步进电机驱动器的接线和输入信号按以下方式进行连接，输入信号采用共阳极接线方式，将控制信号的正电源连接到公共端的端子上，信号输出线连接到...

【专利技术属性】
技术研发人员：李登旺，李宝生，李洪升，尹勇，万洪林，张炜，卢洁，巩贯忠，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：