專利名稱：聚焦超聲治療機的5自由度掃描裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種用于高強度聚焦超聲治療機的掃描機構(gòu)。
背景技術(shù)：
高強度聚焦超聲技術(shù)是將體外低密度超聲能量聚焦于體內(nèi)腫瘤組織之中，達到“切除”腫瘤的目的，不需要開刀，無須輸血，無放射性損害，也不需要穿刺引導，不損傷超聲波所經(jīng)過的組織或靶區(qū)外正常組織。國內(nèi)外許多單位和組織在這方面進行研究，有代表性的有英國帝國大學，美國波士頓大學醫(yī)學院等。
中國發(fā)明專利CN98100283.8“高強度聚焦超聲腫瘤掃描治療系統(tǒng)”就屬于這類裝置。通過組合探頭，將多束超聲波能量會聚在焦點上。在伺服系統(tǒng)的作用下完成腫瘤“切除”動作。相應的治療床掃描機構(gòu)，中國實用新型專利CN99201009.8“高強度聚焦超聲治療系統(tǒng)中的六坐標掃描裝置”具有6個完全的自由度，實現(xiàn)對超聲波焦點的空間定位和超聲波傳導路徑的姿態(tài)控制。這種形式的掃描機構(gòu)實質(zhì)上與傳統(tǒng)的6坐標數(shù)控機床完全一致。該裝置主機座通過中心孔左端面聯(lián)接板和傾斜機構(gòu)的外殼聯(lián)接，傾斜機構(gòu)左端通過螺孔和四維機構(gòu)外殼聯(lián)接，四維機構(gòu)內(nèi)有三個互相垂直的直角坐標和一個水平回轉(zhuǎn)坐標。能夠?qū)崿F(xiàn)6個完全的自由度，保障超聲波焦點按照任意指定的路徑和姿態(tài)實現(xiàn)腫瘤“切除”。但是，這種結(jié)構(gòu)形式機械結(jié)構(gòu)復雜，體積笨重，制造和安裝成本較高。整個系統(tǒng)的剛度較差，從系統(tǒng)受力的角度來看，薄弱環(huán)節(jié)較多，不利于精度保持，維護和調(diào)整也比較麻煩。
仔細考察高強度聚焦超聲治療過程，事實上，掃描機構(gòu)并不需要6個完全的自由度。超聲波焦點在三維空間中表現(xiàn)為一個尺寸大約為2×2×12mm左右大小的橢球。在做診療規(guī)劃的時候，繞著橢球的中心軸線方向的旋轉(zhuǎn)運動沒有實際作用，并未得到使用。對于腫瘤“切除”有效力的，主要是三個平動自由度，和兩個主要用于避讓或者對正肢體的X，Y軸方向的轉(zhuǎn)動自由度。
中國實用新型專利CN02228120.7“高強度聚焦超聲刀中的串并聯(lián)掃描裝置”提供了一種新的思路。該方案將并聯(lián)機構(gòu)應用于高強度聚焦超聲治療機，利用并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，剛度大的特點，大大地改善了整個系統(tǒng)的制造難度，可以很大程度的降低掃描機構(gòu)的制造成本；對于并聯(lián)機構(gòu)工作空間有限的問題，則利用了標準的十字工作臺來彌補，同時結(jié)合了兩種不同類型機構(gòu)的優(yōu)點，但在具體的實施中，該實用新型所采用的3RPS機構(gòu)，其伸縮臂仍然需要單獨制造，在單件小批量生產(chǎn)模式下，精度仍然不容易得到保障，制造成本仍然有改善的余地，另外，由于伸縮桿本身設計和實現(xiàn)的難度，實際的伸縮桿有效行程遠小于希望達到的范圍，總體結(jié)構(gòu)仍嫌笨重，安裝維護困難，對應的控制器設計中測量傳感器的安裝空間受限較大，行程限位開關的布置非常困難。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種聚焦超聲治療機的5自由度掃描裝置，克服上述裝置的缺點，以相對簡單的結(jié)構(gòu)和較低的制造成本實現(xiàn)高精度的5自由度超聲焦點運動控制。
本實用新型的一種聚焦超聲治療機的5自由度掃描裝置，包括十字工作臺和并聯(lián)掃描機構(gòu)；十字工作臺包括相互垂直的X軸導軌和Y軸導軌以及X軸驅(qū)動電機和Y軸驅(qū)動電機，十字工作臺可以安置在并聯(lián)掃描機構(gòu)上方，也可以安置在并聯(lián)掃描機構(gòu)下方作為后者的基座；所述并聯(lián)掃描機構(gòu)包括三根驅(qū)動軸及與其連接的轉(zhuǎn)動副、移動副和球副，其特征在于所述并聯(lián)掃描機構(gòu)中三根驅(qū)動軸豎直安裝在基座上、呈正三角形布置；三個滑臺分別裝于三根驅(qū)動軸、可沿驅(qū)動軸上下運動；三根等長連桿一端為轉(zhuǎn)動副，分別安裝在滑臺上，僅具有一個轉(zhuǎn)動自由度，其旋轉(zhuǎn)軸分別垂直于對應驅(qū)動軸；三根等長連桿另一端用球副連接于動平臺，所述球副具有三個轉(zhuǎn)動自由度。
所述的聚焦超聲治療機，其進一步的特征在于連接動平臺和等長連桿的三個球副構(gòu)成正三角形，三根等長連桿的投影落在三根驅(qū)動軸所形成的正三角形的角平分線上。
所述的聚焦超聲治療機，所述并聯(lián)掃描機構(gòu)的三根驅(qū)動軸和相應三個滑臺之間的結(jié)構(gòu)可以為液壓伺服驅(qū)動結(jié)構(gòu)、絲桿螺母結(jié)構(gòu)或直線導軌結(jié)構(gòu)中的一種。
本實用新型的并聯(lián)掃描機構(gòu)是3RPS機構(gòu)的一種改進，也具有完全相同的三個自由度，既一個Z軸方向上的平動自由度和繞X軸Y軸的兩個轉(zhuǎn)動自由度。但是，整個設計方案包括十字工作臺在內(nèi)，都可以直接選用標準的直線導軌。整個掃描裝置除了治療床床面和基座需要單獨設計加工之外，其余所有關鍵部件均可以選用現(xiàn)成的標準件來實現(xiàn)。十字工作臺和三根豎直驅(qū)動軸也可以采用標準的液壓部件來實現(xiàn)，或者采用直線電機實現(xiàn)。
本實用新型的出發(fā)點在于盡量采用標準的部件實現(xiàn)5自由度高強度聚焦超聲治療機掃描裝置，盡量簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本。其核心在于選用了標準化的直線運動裝置。當然，也可以獨立設計一套直線運動機構(gòu)用于3PRS或者十字工作臺。
本實用新型十字工作臺和并聯(lián)掃描機構(gòu)的控制必須完全由計算機完成，同時協(xié)調(diào)兩者之間的運動。在治療過程之中，高強度聚焦超聲焦點相對于并聯(lián)掃描機構(gòu)動平臺的位置固定，在計算機指令下隨動平臺產(chǎn)生Z軸上的位移，和分別繞X軸和Y軸的旋轉(zhuǎn)動作。
無論是否工作在大閉環(huán)工作模式，或者開環(huán)模式下，并聯(lián)掃描機構(gòu)輸出的角度變化會導致超聲波焦點在水平面方向上同時產(chǎn)生偏移，十字工作臺必須按照并聯(lián)掃描機構(gòu)動平臺的實時姿態(tài)和位置補償這一變化。
大閉環(huán)模式下，高強度超聲波焦點的實時位置依靠B超，在實時B超圖像的基礎上，人工或者半自動調(diào)整高強度超聲波焦點在病灶中的實時位置。理論上也可以通過圖像處理的辦法實現(xiàn)自動操作，但是目前的計算機軟件發(fā)展水平和人工智能處理能力還不能夠勝任這一關鍵性任務，所以必須有豐富B超臨床經(jīng)驗的醫(yī)生干預。
在開環(huán)模式下，高強度聚焦超聲治療機依賴于掃描裝置本身的剛性和定位精度，在預先指定的診療規(guī)劃路徑上完成高強度超聲治療。其中的高強度超聲焦點位置不依賴于實時的B超掃描結(jié)果，僅僅與診療規(guī)劃中給出的腫瘤坐標信息有關。因此，開環(huán)工作模式下，需要借助于其它一些手段，如CT等，精確對正病人病灶所在的坐標系與治療機本身所在坐標系的空間位置，保障治療過程的安全性。治療過程一旦開始，整個過程即由程序控制自動完成，不需要人工干預。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的并聯(lián)掃描機構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型的一種實施方式，十字工作臺在并聯(lián)掃描機構(gòu)上方；圖3為本實用新型的另一種實施方式，十字工作臺在并聯(lián)掃描機構(gòu)下方。
具體實施方式
圖1所示現(xiàn)有技術(shù)的并聯(lián)掃描機構(gòu)，從下至上，其每個支鏈上所經(jīng)過的鉸鏈分別為轉(zhuǎn)動副(Rotary)、移動副(Prismatic)和球面副(Spherical)，因此稱為3RPS機構(gòu)。
圖2所示，本實用新型的并聯(lián)掃描機構(gòu)的三根驅(qū)動軸(7)均豎直安裝在基座上，呈三角形分布；滑臺(6)沿直線做Z方向的上下運動，帶動三根等長連桿(5)；連桿(5)的下端為一個旋轉(zhuǎn)副，僅具有一個轉(zhuǎn)動自由度，其旋轉(zhuǎn)軸垂直于驅(qū)動軸(7)，安裝在滑臺(6)上；連桿(5)的上端為球副，具有三個轉(zhuǎn)動自由度；三個球副的旋轉(zhuǎn)中心恰好構(gòu)成一個正三角形；球副的中心和旋轉(zhuǎn)副的中心之間的連線，在水平面之內(nèi)的投影恰好為驅(qū)動軸(7)所在正三角形的角平分線上。三根驅(qū)動軸可以直接采用成熟的直線導軌標準件實現(xiàn)，也可以自行設計，這種結(jié)構(gòu)可稱為3PRS機構(gòu)。
十字工作臺包含了兩個獨立的驅(qū)動電機(1)(3)和兩個相互垂直的導軌(2)(4)，以實現(xiàn)X軸和Y軸的進給運動。安裝在3PRS機構(gòu)的正上方，帶動治療床床面(9)在X和Y兩個方向上移動，實現(xiàn)兩個平動自由度。治療過程之中，病人躺/趴于治療床面(9)上，按照程序指定的方式運動，與3PRS機構(gòu)一起，完成腫瘤的三維掃描“切除”。
本實用新型的第二種實現(xiàn)方案如圖3所示。十字工作臺可以作為3PRS機構(gòu)的基座，將3PRS并聯(lián)機構(gòu)安裝在十字工作臺的上方，治療床的床面(9)保持固定，相對于地面不動。
權(quán)利要求1.一種聚焦超聲治療機的5自由度掃描裝置，包括十字工作臺和并聯(lián)掃描機構(gòu)；十字工作臺包括相互垂直的X軸導軌和Y軸導軌以及X軸驅(qū)動電機和Y軸驅(qū)動電機，十字工作臺可以安置在并聯(lián)掃描機構(gòu)上方，也可以安置在并聯(lián)掃描機構(gòu)下方作為后者的基座；所述并聯(lián)掃描機構(gòu)包括三根驅(qū)動軸及與其連接的轉(zhuǎn)動副、移動副和球副，其特征在于所述并聯(lián)掃描機構(gòu)中三根驅(qū)動軸豎直安裝在基座上、呈正三角形布置；三個滑臺分別裝于三根驅(qū)動軸、可沿驅(qū)動軸上下運動；三根等長連桿一端為轉(zhuǎn)動副，分別安裝在滑臺上，僅具有一個轉(zhuǎn)動自由度，其旋轉(zhuǎn)軸分別垂直于對應驅(qū)動軸；三根等長連桿另一端用球副連接于動平臺，所述球副具有三個轉(zhuǎn)動自由度。
2.如權(quán)利要求1所述的聚焦超聲治療機的5自由度掃描裝置，其特征在于連接動平臺和等長連桿的三個球副構(gòu)成正三角形，三根等長連桿的投影落在三根驅(qū)動軸所形成的正三角形的角平分線上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的聚焦超聲治療機的5自由度掃描裝置，其特征在于所述并聯(lián)掃描機構(gòu)的三根驅(qū)動軸和相應三個滑臺之間的結(jié)構(gòu)為液壓伺服驅(qū)動結(jié)構(gòu)、絲桿螺母結(jié)構(gòu)或直線導軌結(jié)構(gòu)中的一種。
專利摘要聚焦超聲治療機的5自由度掃描裝置，涉及掃描機構(gòu)，以相對簡單的結(jié)構(gòu)和較低的制造成本實現(xiàn)高精度的5自由度超聲焦點運動控制。本實用新型包括十字工作臺和并聯(lián)掃描機構(gòu)；十字工作臺包括X、Y軸導軌以及X、Y軸驅(qū)動電機，并聯(lián)掃描機構(gòu)三根驅(qū)動軸呈正三角形豎直布置，三個滑臺分別裝于三根驅(qū)動軸并可沿其上下運動，三根等長連桿一端為轉(zhuǎn)動副、安裝在滑臺上，另一端用球副連接于動平臺，十字工作臺可安置在并聯(lián)掃描機構(gòu)上方，也可以安置在并聯(lián)掃描機構(gòu)下方作為后者的基座；本實用新型所有關鍵部分均可以方便地選用現(xiàn)成標準件實現(xiàn)，大大降低開發(fā)和制造難度，滿足高強度聚焦超聲治療的要求。
文檔編號A61B18/04GK2638767SQ0325437
公開日2004年9月8日 申請日期2003年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月6日
發(fā)明者李培根, 喻道遠, 李小平, 范良志, 丑武勝 申請人:華中科技大學