一种六自由度活动靶区放疗机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种六自由度活动靶区放疗机器人。

背景技术

立体定向放疗(Stereotactic Radiation Therapy，SRT)是一种高精确性的放射治疗技术，用于治疗小体积的肿瘤或靶向治疗特定区域。它可以通过使用精确的三维空间定位技术提供高度精确的剂量分配，以最大程度地保护周围正常组织。其在放射治疗中具有高精度、非侵入性、精确剂量控制、多功能性和灵活性等优势，是肿瘤治疗的重要工具之一。目前的立体定向放疗设备主要采用大型环状中空旋转底座配合L型臂或者C型臂的结构，这种结构工作空间比较有限，只能在旋转轴的周向运动，在球面治疗过程中，无法进行非共面角度治疗。为了扩展放疗设备的工作角度和工作范围，还有一种方案是采用六自由度机械臂携带治疗头，基于三维立体定位系统，实现在球面坐标系下的规划和定位放射线照射，这种方案具有较大的工作空间和灵活的工作角度，但是若规划失误或控制系统故障有可能对人体产生并造成严重的事故。故亟需研究一种具有高安全性、高精度的用于立体定向放疗的球面放射治疗设备。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种六自由度活动靶区放疗机器人，具有高安全性、高精度性，用于立体定向放疗的球面放射治疗。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种六自由度活动靶区放疗机器人，包括机身、旋转底座、机械臂及四轴治疗头，其中旋转底座安装于机身的前方，旋转底座能够绕y轴旋转；机械臂的根部与旋转底座连接，机械臂的末端与四轴治疗头连接，机械臂能够带动四轴治疗头绕x轴转动；四轴治疗头具有三个转动自由度和一个平移自由度，旋转底座和机械臂驱动四轴治疗头能够绕远心点作球面旋转运动。

所述四轴治疗头包括治疗头俯仰电机、治疗头框架、治疗头、治疗头滚转电机、治疗头偏航驱动机构及治疗头平移驱动机构，其中治疗头框架转动安装在所述机械臂的末端，治疗头俯仰电机设置于所述机械臂上且输出端与治疗头框架连接；治疗头活动安装在治疗头框架内，且末端设有治疗头滚转电机，治疗头滚转电机用于驱动治具绕自身轴线旋转；治疗头俯仰电机用于驱动治疗头进行俯仰动作；治疗头偏航驱动机构和治疗头平移驱动机构相对设置于治疗头框架的两侧，且分别用于驱动治疗头进行偏航和平移动作。

所述治疗头偏航驱动机构包括治疗头偏航电机、轴承I及偏航圆盘滑块Ⅰ，其中偏航圆盘滑块Ⅰ通过轴承I安装所述治疗头框架上，且与所述治疗头滑动连接；偏航圆盘滑块Ⅰ的中心设有内齿圈；治疗头偏航电机设置于所述治疗头框架上，且输出端通过偏航驱动齿轮与偏航圆盘滑块Ⅰ的内齿圈啮合。

所述治疗头平移驱动机构包括治疗头移动电机、治疗头移动齿条、偏航圆盘滑块Ⅱ及轴承Ⅱ，其中偏航圆盘滑块Ⅱ通过轴承Ⅱ安装在所述治疗头框架上，且与所述治疗头滑动连接；偏航圆盘滑块Ⅱ的中心设有通孔，治疗头移动电机设置于所述治疗头框架上，且输出端穿过偏航圆盘滑块Ⅱ中心的通孔与平移驱动齿轮连接，治疗头移动齿条设置于所述治疗头上，且与平移驱动齿轮啮合。

所述治疗头移动电机的输出端通过轴承Ⅲ与所述偏航圆盘滑块Ⅱ中心的通孔转动连接。

所述偏航圆盘滑块Ⅰ和所述偏航圆盘滑块Ⅱ的中心轴线共线。

所述治疗头的相对两侧设有分别与所述偏航圆盘滑块Ⅰ和所述偏航圆盘滑块Ⅱ滑动配合的治疗头移动导轨，治疗头移动导轨与所述治疗头移动齿条平行。

本发明的优点及有益效果是：本发明提供一种六自由度活动靶区放疗机器人，该机器人具备六个自由度，放射治疗时，治疗床保持不动，由机器人根据术前规划进行多角度非共面照射治疗，六个自由度中前三个自由度的远心运动实现对靶区的球面多角度运动，后三个自由度可以对治疗头位姿进行微调，实现对活动靶区的跟踪，因此具有较大的工作空间和灵活的工作角度，实现更精准的靶区治疗。

附图说明

图1为本发明一种六自由度活动靶区放疗机器人的结构示意图；

图2为本发明中四轴治疗头的结构示意图；

图3为本发明中四轴治疗头的前视图；

图4为本发明中四轴治疗头的爆炸图；

图5本发明一种六自由度活动靶区放疗机器人的六自由度示意图；

图6本发明一种六自由度活动靶区放疗机器人的运动机构简图。

图中：1为机身，2为旋转底座，3为机械臂，4为X射线平板探测器，5为X射线球管，6为结构光相机，7为四轴治疗头，7-1为治疗头俯仰电机，7-2为治疗头框架，7-3为治疗头移动电机，7-4为治疗头偏航电机，7-5为治疗头，7-6为治疗头滚转电机，7-7为治疗头移动导轨，7-8为治疗头移动齿条，7-9为轴承I，7-10为偏航圆盘滑块Ⅰ，7-11为轴承Ⅱ，7-12为偏航圆盘滑块Ⅱ，7-13为轴承Ⅲ，8为患者，9为治疗床。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供一种六自由度活动靶区放疗机器人，包括机身1、旋转底座2、机械臂3及四轴治疗头7，其中旋转底座2安装于机身1的前方，旋转底座2能够绕y轴旋转；机械臂3的根部与旋转底座2连接，机械臂3的末端与四轴治疗头7连接，机械臂3能够带动四轴治疗头7绕x轴转动；四轴治疗头7具有三个转动自由度和一个平移自由度，旋转底座2和机械臂3驱动四轴治疗头7能够绕远心点作球面旋转运动。

如图1至图3所示，本发明的实施例中，四轴治疗头7包括治疗头俯仰电机7-1、治疗头框架7-2、治疗头7-5、治疗头滚转电机7-6、治疗头偏航驱动机构及治疗头平移驱动机构，其中治疗头框架7-2转动安装在机械臂3的末端，治疗头俯仰电机7-1设置于机械臂3上且输出端与治疗头框架7-2连接；治疗头7-5活动安装在治疗头框架7-2内，且末端设有治疗头滚转电机7-6，治疗头滚转电机7-6用于驱动治具绕自身轴线旋转；治疗头俯仰电机7-1用于驱动治疗头7-5进行俯仰动作；治疗头偏航驱动机构和治疗头平移驱动机构相对设置于治疗头框架7-2的两侧，且分别用于驱动治疗头7-5进行偏航和平移动作。

如图4所示，本发明的实施例中，治疗头偏航驱动机构包括治疗头偏航电机7-4、轴承I7-9及偏航圆盘滑块Ⅰ7-10，其中偏航圆盘滑块Ⅰ7-10通过轴承I7-9安装治疗头框架7-2上，且与治疗头7-5滑动连接；偏航圆盘滑块Ⅰ7-10的中心设有内齿圈；治疗头偏航电机7-4设置于治疗头框架7-2上，且输出端通过偏航驱动齿轮与偏航圆盘滑块Ⅰ7-10的内齿圈啮合。

如图4所示，本发明的实施例中，治疗头平移驱动机构包括治疗头移动电机7-3、治疗头移动齿条7-8、偏航圆盘滑块Ⅱ7-12及轴承Ⅱ7-11，其中偏航圆盘滑块Ⅱ7-12通过轴承Ⅱ7-11安装在治疗头框架7-2上，且与治疗头7-5滑动连接；偏航圆盘滑块Ⅱ7-12的中心设有通孔，治疗头移动电机7-3设置于治疗头框架7-2上，且输出端穿过偏航圆盘滑块Ⅱ7-12中心的通孔与平移驱动齿轮连接，治疗头移动齿条7-8设置于治疗头7-5上，且与平移驱动齿轮啮合。

具体地，治疗头移动电机7-3的输出端通过轴承Ⅲ7-13与偏航圆盘滑块Ⅱ7-12中心的通孔转动连接，偏航圆盘滑块Ⅰ7-10和偏航圆盘滑块Ⅱ7-12的中心轴线共线。治疗头7-5的相对两侧设有分别与偏航圆盘滑块Ⅰ7-10和偏航圆盘滑块Ⅱ7-12滑动配合的治疗头移动导轨7-7，治疗头移动导轨7-7与治疗头移动齿条7-8平行。

优选地，偏航圆盘滑块Ⅰ7-10和偏航圆盘滑块Ⅱ7-12结构相同，一侧为圆盘形状，通过轴承与治疗头框架7-2连接；偏航圆盘滑块Ⅰ7-10和偏航圆盘滑块Ⅱ7-12的另一侧安装有与治疗头移动导轨7-7滑动配合的四个滑块，并可以沿治疗头移动导轨7-7运动。

本发明的实施例中，在机器人上方，通过顶棚吊装的方式，安装有两个X射线球管5，两个X射线球管5分别置于机器人左右两侧，相应的在地面两个X射线球管5照射位置水平放置X射线平板探测器。同样通过吊装的方式，安装有三个结构光相机6；治疗床9位于机器下方，患者水平躺在治疗床9上。

本发明的实施例中，机械臂3采用平行四边形远心机构，实现绕远心点的旋转运动。本实施例中，采用申请号为202310899827.X，发明名称为一种用于立体定向放疗设备的远心运动装置中的平行四边形远心机构，从而实现自定心功能，在此不再赘述。

如图5、图6所示，本发明提供的一种六自由度活动靶区放疗机器人，共计六个主动自由度：R1、R2、R3、R4、P5、R6，R1是绕机器轴线方向即y轴旋转；R2是平行四边形远心机构根部驱动位置，R2自由度绕远心点旋转；R3是治疗头俯仰自由度；R4是治疗头偏航自由度；P5是沿着治疗头导轨方向直线运动自由度；R6是治疗头末端绕治疗头轴线方向旋转自由度。可以实现对靶区在球面空间内多角度照射，保证精准角度放射治疗，并满足靶区在空间中任意三轴位置和三轴姿态的实时精准跟踪。放射治疗时，首先将患者置于治疗床9的固定位置，并移动治疗床9将治疗靶区位置移动至机器人治疗点位，可以通过视觉辅助定位的方式确定位置。然后根据治疗计划与定位信息确认患者及治疗方案是否正确。最后开始放射治疗，由R1和R2两个自由度为主，分别实现绕人体轴线方向旋转运动与绕靶区非共面角度旋转，这两个运动可以实现对靶区的大非共面角度球面运动，保证多角度照射获得更好治疗效果，同时由结构光摄像头和数字X射线(DR)实时跟踪人体和靶区随呼吸与心跳运动引起的微运动，通过R3、R4、P5、R6四个自由度对靶区移动进行实时位置补偿，实现更精准的靶区治疗。

本发明提供的一种六自由度活动靶区放疗机器人，采用球面运动与微运动补偿相结合的方式，利用平行四边形远心机构与机架360°旋转实现球面运动，利用四自由度治疗头微调机构实现对靶区的高精准动态追踪，在机器人运动过程中，所有零部件的运动空间均与人体完全分离，从原理上避免了机器人与人碰撞的可能性，具有机构本质运动安全性。相比传统六轴串联构型机械臂机器人工作空间与患者重合有碰撞风险而言，安全性显著提高。

本发明六自由度构型可以简化为三轴球坐标机器人与三轴姿态调整机器人，其在放疗运动过程中，没有奇异点，可以实现连续可靠运动。相比传统六轴串联构型机械臂机器人，避免了奇异点位置附近的故障点位，为治疗计划提供更多照射角度可能性。本发明特别适合活动靶区实时跟踪治疗，对患者呼吸等微运动进行实时补偿与跟踪，具体应用于线性加速器、伽马刀、射波刀等放射治疗领域。本发明从原理上避免了机器人与患者碰撞风险，并且避免了奇异点，可以实现连续放射治疗，并在连续放疗过程中通过调节直线加速器与多叶准直器参数实现容积调强，实现照射范围更大，更灵活，更精准，并大幅缩短治疗时间。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。