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【科技成果推介】快速成野多叶光栅

【科技成果推介】快速成野多叶光栅

发布时间:
2020/08/19
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  小编今天为大家带来我院在生医制造与大健康领域的又一科技成果——快速成野多叶光栅。

  快速成野多叶光栅是由我院军民融合智能装备技术研究中心研发,是高端旋转放疗设备中的关键功能部件。下面就请和小编一起来具体了解下吧~

 

【科技研发】

  肿瘤放射治疗是利用放射线治疗肿瘤的一种局部治疗方法。放射线包括放射性同位素产生的α、β、γ射线和各类x射线治疗机或加速器产生的x射线、电子线、质子束及其他粒子束等。放射治疗在肿瘤治疗中的作用和地位日益突出,已成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一。

  在CT影像技术和计算机技术发展帮助下,现在的放疗技术由二维放疗发展到三维放疗、四维放疗技术,放疗剂量分配也由点剂量发展到体积剂量分配,及体积剂量分配中的剂量调强。多叶光栅是高端旋转放疗设备中射线适形调强、剂量精确控制的关键功能部件。

多叶准直器(多叶光栅)

  多叶准直器(Multi Leaf Collimator-MLC)是用来产生适形辐射野的机械运动部件,也被称为多叶光栅、多叶光阑等等。MLC的最初应用时取代传统的挡块,形成期望的射野形状,开展经典适形放疗。与射野挡块相比,MLC适形具有显著优势:能大幅提高适形治疗的效率,操作简便,不会产生有害气体或粉尘。但是,MLC的应用并没有局限在射野适形。它还广泛应用于旋转照射:在放射源旋转过程中,调节射野形状跟随靶区的投影形状;应用于调强放射治疗中:通过控制MLC叶片的运动,实现期望的剂量分布。


多叶光栅工作原理

  纵观其历史发展,多叶准直器主要是围绕着提高适形度、减小透射半影、降低漏射、适应动态与动态楔形板等高级功能展开的。

  叶片的宽度直接决定了多叶准直器所组成的不规则野与计划靶体积(PTV)形状的几何适合度(适形度);叶片越薄,适形度越好,但加工也较困难,驱动电机等机构越多且复杂,造价相应提高,因此必须在适形度和造价之间作合理的折中选择。

  叶片的高度必须能将原射线和辐射强度削弱到点5%以下。由于需保持叶片间低阻力的相对动态移动,叶片间常有一些漏射线,会降低叶片对原射线的屏蔽效果,叶片高度需适当加厚,一般不少于5cm厚的钨合金。如果将漏射线剂量降到2%以下,通常需7.5cm的钨合金厚度。

 

【科技创新】

  我院军民融合智能装备技术研究中心在螺旋放疗、射线精确控制技术研究基础上,以自行开发的微特直线电机为驱动元件创新研制了一种快速成野多叶光栅(F-MLC,Fast Multi Leaf Collimator)。快速成野多叶光栅是高端旋转放疗设备中射线适形调强、剂量精确控制的关键功能部件,保证最大限度杀灭肿瘤细胞并减少对正常组织辐射,是高端精准放疗的使能部件,其性能指标直接决定治疗质量。

主要功能

1.通过F-MLC的扇形束射线,实现射线形状和剂量大小的精确控制,对肿瘤分段层分扇块放疗,满足复杂肿瘤的放疗需求。

2.通过F-MLC的扇形束射线,实现射线形状和剂量大小的精确控制,对肿瘤分段层分扇块放疗,满足复杂肿瘤的放疗需求。

  快速成野多叶光栅基于自主创新研制的微特直线电机驱动技术,兼具目前主流产品连续和二元叶片驱动的优势,能够提高射线利用率;研究开发的F-MLC支持容积-断层调强模式,能够提高放疗效率,降低放疗副作用;基于F-MLC能够补偿因肿瘤运动而引起的误差,从而提高放疗精度。

  快速成野多叶光栅的出现填补了国内空白,叶片速度、加速度等动态性能指标达到国际领先水平。


第一台原理样机

 


产品化试验样机

  快速成野多叶光栅相较于多叶光栅又有哪些优势呢?让我们一起往下看~

快速成野多叶光栅优势

1.结合连续式和开关式多叶光栅的优点,既能实现叶片行程的精确适形控制,又能实现高速、高加速度的二元动态控制。

2.与螺旋断层放射治疗系统(TOMO)二元气动光栅相比,降低噪声、提高直线加速器的射线利用率和效率,提高磁控管寿命,可替代TOMO光栅,降低成本。

3.与常规电动多叶光栅相比,速度快,效率高,噪声小,寿命长。

 

快速成野多叶光栅具体参数

 

自主研发的直线电机

 

 


第一代4轴驱动器   第二代16轴驱动器   第三代8轴驱动器

 


总线多轴控制器

  快速成野多叶光栅已经研制了3型原理样机,获得国家发明专利10项,并新申请发明专利5项,在第二十三届全国发明展览会·一带一路暨金砖国家技能发展与技术创新大赛上荣获发明创业项目金奖。


发改委2018-2019年度“国家优质投资项目“奖

 


2019年第二十三届全国发明展览会金奖

 

【应用价值】

  多叶光栅是旋转放疗设备的核心使能功能部件,是治疗计划完成的关键。多叶光栅的速度、加速度等技术指标对放疗精度、效率等起到至关重要的作用。项目产品在4D放疗技术、束流调制强度效率等方面有重要临床价值。

临床价值

1.更高的治疗精度

  同一等中心高度与相同多叶光栅位置,叶片厚度越薄,理论调制分辨率越高。叶片高速高加速度能够提高射线适形和剂量动态控制精度。

2.治疗效率和动态响应性能高

  高速、高加速度随动性能,允许机架旋转更快,有利于提高治疗效率。

3.射线利用率高

  相比于VMAT调强MLC:高速高加速度可以获得更好的剂量分布调制能力。相比于TOMO二元气动MLC:可以获得更大的射线利用率。

4.肿瘤运动跟踪

  在放射治疗过程中,由于呼吸导致肿瘤运动是产生规划剂量与实际剂量的偏差的重要因素,腹腔和胸腔等部位的肿瘤呼吸运动误差可以达到12~75mm。高速多叶光栅可以对呼吸运动实现更好的跟踪。

5.治疗方式创新

  基于快速成野多叶光栅,创新提出包络断层治疗方式。包络断层算法在精度上媲美采用断层调强的TomoTherapy,在效率上与采用容积旋转调强的医科达的VMAT技术和瓦里安的RapidArc技术相当。

  在产业过程中,部分技术产品将与放疗设备企业进行合作应用,直接产生经济效益。此外,研制的微特直线电机及其伺服驱动、基于高速总线的多轴运动控制和实时数据采集系统等核心技术,将会分别形成特色有竞争力的产品,满足智能制造、机器人、高端制造装备等行业的需要,有广泛的市场需求,通过市场产生直接的经济效益。

 

技术对接、业务洽谈

联系人:叶老师

固话:010-62773269

邮箱:yepq@tsinghua.edu.cn

 

来源|军民融合智能装备技术研究中心

编辑|张澍

以上相关技术最终解释权归军民融合智能装备技术研究中心所有

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