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CN109789315A - 机器人术中放疗 - Google Patents

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CN109789315A
CN109789315A CN201780056081.9A CN201780056081A CN109789315A CN 109789315 A CN109789315 A CN 109789315A CN 201780056081 A CN201780056081 A CN 201780056081A CN 109789315 A CN109789315 A CN 109789315A
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radiotherapy
robots arm
treatment
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CN201780056081.9A
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凯尔曼·费雪曼
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Original Assignee
Sensus Healthcare Inc
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Abstract

术中放疗涉及设置在机器人臂的远端上的治疗头。所包括的作为治疗头的一部分的X射线部件产生X射线波长范围内的放疗性放射。至少一个患者运动传感器检测患者身体的呼吸运动。控制系统通过在组成机器人臂的可移动关节中的至少一个中引起位置变化来动态地控制治疗头的位置。该移动被管理为使得治疗头和患者体内的瘤床之间的相对运动最小化。

Description

机器人术中放疗
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年7月13日提交的美国专利申请No.62/361,715的优先权。上述申请的内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明的布置涉及放疗，并且更具体地涉及用于术中放疗的机器人系统和方法。
背景技术
癌症手术可涉及去除癌肿瘤和肿瘤周围的一些正常组织。例如，乳房保留手术(Breast Conserving Surgery,BCS)是一种癌症手术，其中在手术期间去除癌肿块和周围乳房组织的一部分(与整个乳房相对)。手术后通常是中等剂量的放疗，该放疗旨在从瘤床根除任何痕量的癌组织(癌肿瘤周围的血管和基质组织)。放疗技术可涉及使用称为外部束放疗(external beam radiotherapy,EBRT)技术的外部输送放射剂量。但是传统的EBRT会增加错过预期目标体积的风险。为了解决这个问题，有时使用术中放疗(intraoperativeradiotherapy,IORT)。IORT涉及在切除手术期间瘤床被暴露并且可接近时向该区域施加治疗性水平的放射。IORT的好处在于它可以将高剂量的放射精确地输送到目标区域，同时最低限度地暴露于周围组织。IORT还避免与癌组织的手术去除和EBRT之间的时间相关的常见延迟。
当IORT适当时，外科医生将去除癌肿瘤，之后放射肿瘤医师将放射施加器定位在肿瘤先前所在的区域中。传统的IORT方法和系统可涉及使用电子束和/或低能X射线。用于此目的的电子束可以像通常用于EBRT的放疗那样通过线性加速器产生。在此情况下，接受手术的患者被从手术室运送到屏蔽的放疗设施，然后在完成放疗治疗后返回手术室。最近，已经开发出在手术室中使用的专用加速器。
发明内容
本公开涉及用于术中放疗(IORT)的机器人系统。该系统包括由多个可移动关节组成的机器人臂。所述机器人臂第一端固定到基部。在所述机器人臂的远离所述基部的第二端上设置有治疗头。所述治疗头包括至少一个X射线部件，所述至少一个X射线部件被配置为促成X射线波长范围内的放疗性放射的产生。提供至少一个患者运动传感器，用于检测与呼吸相关的患者身体的移动(即，空气进入和离开胸腔的吸气和呼气)。控制系统响应来自所述至少一个患者运动传感器的患者运动数据。所述控制系统被配置为促成对所述治疗头的动态位置控制。其通过选择性地改变组成所述机器人臂的所述可移动关节中至少一个的位置来实现该结果。由所述控制系统促成的这种动态位置控制被配置为在使用所述治疗头进行放射治疗时使所述治疗头和所述患者体内的瘤床之间的相对运动最小化。
根据一个方面，所述控制系统被配置为选择性地控制所述治疗头在三个正交方向上的运动。在一些情况下，这些操作可涉及选择性地控制所述治疗头的位置，以在患者呼吸活动期间使所述治疗头内的放疗性放射的X射线源与瘤床的内表面之间的距离变化最小化。根据另一方面，所述控制系统被配置为选择性地控制所述治疗头的转动，以在与呼吸相关的患者身体移动的情况下使所述放疗性放射的源相对于包括瘤床的表面的位置的角度变化最小化。
在一些情况下，所述患者运动传感器由力传感器组成。所述力传感器可以被配置为感测由于患者移动(例如，与呼吸相关的患者移动)而施加在所述机器人臂上的力。根据一个方面，所述力传感器由至少一个关节传感器组成，所述至少一个关节传感器被配置为感测施加在组成所述机器人臂的所述多个可移动关节中的至少一个上的力。也可以使用其他患者运动传感器。例如，在一些情况下，所述患者运动传感器可以是光学传感器，所述光学传感器被配置为检测至少一个基准标记(例如，置于患者身体上的基准标记)的位置。可以预期，可以使用不止一种类型的感测来促成本文所述的对患者身体移动的检测。
本文描述的机器人臂可以支持多个功用通道以促成IORT功能和操作。这种功用通道可包括流体功用通道、电力功用通道和数据功用通道中的一个或多个。根据另一方面，设置可膨胀球囊构件以至少封闭所述治疗头的远端，所述放疗性放射源自所述远端。在这种情况下，所述流体功用通道被有利地配置为使流体传入和传出所述球囊构件的内部，用于使球囊膨胀和收缩。所述机器人臂或所述治疗头可以支持至少一个成像装置，以促成在切除癌肿瘤后在癌肿瘤留下的腔内对所述治疗头的光学引导。在这种情况下，由所述数据功用通道承载的数据可以包括视频或图像数据。同样，在所述治疗头上可以支持超声探头。所述超声探头或换能器可以促成对切除癌肿瘤之后残留在患者体内的瘤床的超声成像。如果提供这种超声换能器，则所述数据功用通道承载的数据将包括超声成像数据。
本公开还涉及一种用于术中放疗的方法。该方法涉及将治疗头固定在机器人臂的远离机器人臂基部的安装端上。包括至少一个X射线部件作为所述治疗头的一部分；所述X射线部件被配置为促成X射线波长范围内的放疗性放射的产生。所述方法涉及利用至少一个患者运动传感器检测与呼吸相关的患者身体的移动。提供响应患者运动数据的控制系统。所述控制系统通过在组成所述机器人臂的可移动关节中的至少一个中引起位置变化来动态地控制所述治疗头的位置。对所述可移动关节的这种控制被管理为使得所述治疗头和患者体内的瘤床之间的相对运动最小化。可以在使用所述治疗头进行IORT时进行所述动态运动控制。
附图说明
本文的公开内容将参考下面附图，其中在所有附图中相同的附图标记表示相同的项目，并且其中：
图1是用于理解机器人IORT系统的框图。
图2是用于理解使用机器人臂和治疗头的机器人IORT的实施方式的图。
图3是示出设置在图2中的机器人臂上的治疗头的更详细视图的图。
图4是用于理解机器人IORT的过程的图。
图5是用于理解治疗头的替代实施方式的图，其可用于使用机器人臂的机器人IORT。
图6是用于理解可用于促成如本文所述的机器人IORT的控制系统的框图。
具体实施方式
容易理解的是，本文描述的和附图中示出的系统和方法的组成可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，如附图中所表示的以下更详细的描述并不旨在限制本公开的范围，而是仅代表对理解本公开有用的某些示例性情况。虽然在附图中呈现了各个方面，但是除非特别指出，否则附图不一定按比例绘制。
一种低能X射线IORT施加器涉及具有球囊尖端的类似导管的装置。肿瘤被切除之后，将该导管插入肿瘤先前所在的腔内，然后将微型放疗源插入腔内的球囊中，以向瘤床内部输送放射，并用盐水使球囊膨胀，使得膨胀的球囊紧贴在腔内。球囊和盐水溶液用于帮助确保均匀的放射剂量施加到瘤床的所有部分。盐水用于使球囊膨胀并减少如通常在X射线穿过空气时发生的放射衰减。盐水溶液还在球囊内不断循环，以便在治疗期间为X射线微型源提供冗余的冷却剂介质。在一段时间(例如，15分钟)之后，从腔内移除放射源和球囊，并且外科医生闭合切口。
这种传统IORT技术的一个关键方面是微型化的X射线源，其足够小，使得它可以如所描述的那样插入导管内。由于这些装置的尺寸和质量非常小，它们可以设置在柔性导管的端部并支撑在盐水球囊内。这是一个重要的考虑，因为可以预期接受IORT的患者的正常呼吸功能会引起胸腔的物理运动。由于盐水球囊固定在瘤床内，所以球囊和设置在其中的X射线源将随患者移动。这防止X射线源相对于瘤床的治疗表面的移动，并且有助于确保均匀的放射剂量精确地施加到瘤床的所有部分。
从前述内容可以理解，微型X射线源对于IORT可以是有效的。尽管如此，已发现用于此目的的非常小的X射线源具有某些缺点。一个问题是该微型X射线源非常昂贵。第二个问题是它们的使用寿命非常有限。这种有限的使用寿命通常意味着在仅对一个或两个患者进行IORT之后就必须更换X射线源。这两个问题大大增加了IORT用于BCS和其他类型癌症治疗手术的成本。
更大的更传统的X射线源可以容易地克服与微型X射线源相关的花费和短使用寿命的问题。但是这些源在进行IORT时存在不同的问题。在进行IORT时使瘤床的所有组织与放射源保持预定距离是重要的。这确保对整个瘤床的均匀放射暴露。更大的更传统的X射线源通常必须支撑在铰接臂上。铰接臂将X射线源保持在固定位置。相反，患者的呼吸功能意味着胸腔内和周围的组织将持续运动。源和形成瘤床的腔壁之间的这种相对运动使得几乎不可能确保均匀的放射剂量施加到包括瘤床的所有组织。
该问题的解决方案是机器人IORT，其中X射线源设置在机器人臂上。机器人臂的移动与患者的呼吸动作同步，使得X射线源相对于包括瘤床的组织始终具有相同位置。机器人臂支持X射线源并提供所有必要的功用通道以支持IORT功能和操作。例如，机器人臂可以提供用于操作X射线源的主要电力。机器人臂还可包括一个或多个液体管，以便于将盐水输送到可膨胀球囊以及从球囊中排出盐水。机器人臂还可以支持功用功能，以帮助放射肿瘤医师定位X射线源。例如，机器人臂可以支持用于摄像机的光纤，以便于在切除后由癌肿瘤留下的腔内对X射线源的光学引导。替代地(或除此之外)，机器人臂可以支持超声探头以便于在进行放疗之前、期间和之后对瘤床的超声成像。
利用前述布置，可以将更传统的或更大尺寸的X射线源用于IORT来代替微型化的X射线源。传统的X射线源可以提供微型X射线源的所有益处，但没有与微型X射线源相关的额外成本。对患者的功能结果与设置在柔性导管中的微型X射线源相同，但是较大的传统X射线源的耐用性和较低成本将大大降低IORT治疗的总成本。
将关于示例性系统的附图来描述本公开的各个方面，该示例性系统可以通过单个平台提供治疗性IORT功能，以更好地服务于医生和患者并使二者受益。该示例性系统可包括多个成像装置和一个放疗装置，它们被协同使用以根据本公开执行IORT。因此，该系统可以是图像引导的机器人IORT放疗治疗系统。
现在参考图1，示出了机器人IORT系统100的高级框图表示，其对于理解本发明是有用的。示例性系统100可包括具有X射线管101的放疗部件102、具有换能器106的可选超声部件104、具有相关图像捕获装置(ICD)122的光学成像(OI)部件112。该系统还包括机器人臂114、患者运动传感器116和盐水控制部件108。系统控制部件110基于从患者运动传感器部件116、超声部件104、换能器106、OI部件112和ICD 122中的一个或多个获得的图像和数据在IORT操作期间引导机器人臂114。
盐水控制部件可包括泵和一个或多个选择性控制的阀，它们都在与系统控制部件相关的软件和硬件元件的控制下。泵可以连接到盐水溶液的储存器或源。这样，盐水控制部件可以控制盐水流入和流出设置在机器人臂114的端部上的球囊(未示出)。当要进行IORT操作时，将球囊插入已从中去除癌肿瘤的腔中，并用盐水使其膨胀。膨胀后，使用X射线管101和放疗部件102对由瘤床形成的腔壁施加放射。在施加放射期间，盐水控制部件可以监测和维持球囊内的流体循环和压力。在IORT治疗完成之后，盐水控制部件108释放盐水以使球囊收缩并且从腔中抽出球囊。
机器人臂114被有利地选择为机器人系统，其提供围绕多个正交轴(例如，多达七个轴)的运动自由度并且包括轻型力和扭矩传感器(未示出)以确保安全操作于人类而无需安全防护。这种示例性机器人可从各种来源商购获得。例如，德国奥格斯堡的KUKA RoboterGmbH(KUKA)生产一系列能够直接人机协作(human-robot collaboration,HRC)的轻型机器人，其适于直接人机交互。这些机器人包括KUKA生产的LBR iiwa型。这种机器人非常适于本文描述的精细操作，因为它们包括能够检测与物体接触的关节扭矩传感器，并且能够通过立即降低与机器人移动相关的力和速度的水平来响应。
患者运动感测部件116可包括光学传感器、超声传感器、压力传感器、激光传感器或任何其他类型的传感器，用于监测接受IORT治疗的患者的移动。例如，这种移动可包括在IORT期间发生的呼吸运动和/或消化系统运动。患者运动传感器部件可以与机器人臂114分开并且/或者可以集成到机器人臂中以促成这种感测。在一些情况下，来自超声部件104、换能器106、光学成像部件112和图像捕获装置122的数据可用于本文所述的患者运动感测。来自这些传感器的信息可以代替或结合从患者运动传感器部件116获取的感测数据来使用。
系统控制部件110接收患者运动传感器数据并用它来控制机器人臂114。更具体地，在如本文所述的IORT操作期间，根据患者运动感测数据来控制机器人臂的运动，以确保X射线管101与由于呼吸或其他身体功能造成的组织自然移动同步地移动，这将相对于接受放疗的瘤床精确对准X射线源。对X射线管的运动和位置的精确控制可以确保瘤床的所有区域均匀地暴露于所施加的放射。为了实现该结果，机器人臂可以沿着多个运动轴(例如，多达七个运动轴)移动，以保持其在已从中去除癌肿瘤的腔内的相对位置。
放疗部件102用于根据现在已知或将来已知的IORT治疗方法治疗瘤床。X射线管101被有利地选择为X射线光子粒子的各向同性源，以对瘤床执行IORT。此外，有利地选择并有目的地设计X射线管，使得其具有相对小的尺寸，使它适合在已从中去除癌肿瘤的腔内，但它是坚固耐用的并且足够大以经受多期治疗而不会烧掉或失败。这种方法和设计将为可重复使用的IORT X射线源提供经济上高效的解决方案，这种X射线源足够小，以适合在大多数或所有术后瘤床腔中，但不会物理上太小，这意味着寿命非常短和较高的使用成本。
可以是浅表放疗部件的放疗部件102和X射线管101可以一起包括控制电路、用于X射线管的一个或多个冷却元件、电源、一个或多个高压发生器、一个或多个可互换的施加器以及与软件定时器协同工作的一个或多个硬件定时器，用于冗余和其他目的。考虑了在此使用的X射线管被选择为针对IORT与瘤床组织的相互作用而被优化，并且其在较深的组织深度处具有小的影响。例如，传统的浅表放疗(SRT)型X射线单元可用于此目的。可以理解，SRT型X射线单元产生适合于此目的的低能X射线。
在一些情况下，固态X射线束感测部件103可以监测放疗部件102和X射线管101的束输出，以及整个系统的稳定性和良率。固态X射线束感测部件103安装到X射线管100，并且当为了质量控制或整个系统150的诊断目的而需要测试系统150时在该管前面移动。否则，它缩回到其原始位置，远离X射线管101和X射线束，以便在如本文所述的IORT操作期间不干扰。
本公开考虑了，除了在系统100中使用基于X射线的放疗之外或作为其替代，可以在系统100中使用任何其他类型的放疗。因此，可以选择用于放疗的部件，以支持可被确定为合适现在或未来的IORT的基于光子的放疗(例如，X射线和伽马射线)、基于粒子的放疗(例如，电子、质子、中子、碳离子、α粒子和β粒子)或者它们的任何组合。
超声部件104可包括控制电路、系统驱动器、操作控制软件和换能器104，换能器104可以是高频超声换能器，用于瘤床的组织成像。超声部件104经由总线和系统驱动器与系统控制部件110的软件通信。超声部件104和换能器106设置在示例性系统100中，以提供与瘤床相关的结构或解剖学数据，而不使受试者暴露于电离放射。然而，本公开考虑了在系统100中可以利用用于支持也不使用电离放射的任何其他类型的成像技术的部件来替换或补充超声部件104和换能器106。例如，光学相干断层扫描或激光范围扫描(LIDAR)，仅举几例。
超声部件104可以是能够在可接受的带宽内操作的任何超声装置。例如，超声部件和换能器106可以在大约2MHz到大约70MHz的带宽内操作，并且可以用机电或固态换能器来实现。如关于图2和3所讨论的，系统100可以提供至少部分地集成在耦合到数据总线的系统100的外壳内的超声部件104，以及在外壳外部的换能器头106。超声部件104和系统100的其他部件可以与数据总线通信，以便于将图像数据传送到系统控制部件110和/或显示设备113。可以使用适当的接口标准用于此目的，如外围部件互连(PCI/PCIe)、通用串行总线(USB/USBII/USBIII/USB-C)、以太网或Firewire。然而，本公开考虑了可以使用任何其他接口和/或通信标准。
光学成像部件112可包括控制电路、系统驱动器、操作控制软件和一个或多个图像捕获装置122，用于对瘤床成像。根据一个方面，光学成像部件是光谱成像装置。例如，光学成像部件可包括多光谱成像装置，其捕获多个光学频率的图像数据。这种多光谱成像部件可以被配置为利用来自光谱的可见部分的光能用于成像目的，但是也可以利用来自可见光范围之外的频率的光能(例如，红外和近紫外)。或者，光学成像部件可包括高光谱成像装置，其中从捕获图像中的每个像素的电磁谱捕获光学信息。作为另一替代方案，光谱成像装置可以被配置用于拉曼光谱，其捕获单色光中的光子频率的变化，该变化是由与瘤床内的组织的相互作用导致的。作为另一替代方案，光谱成像装置可被配置用于光声成像，其利用非电离激光脉冲或替代光源来对残余的腔组织成像。
光学成像组件112经由总线和系统驱动器与系统控制部件110的软件通信。本公开考虑了可以用支持用于从瘤床组织提取分子或功能信息的任何其他类型的成像技术的部件来替换或补充系统100中的光学成像部件112和图像捕获装置122。例如，可以使用生物标志物来增强本文所述的光学成像方法的有用性。众所周知，生物标志物可涉及引入到组织的物质，以便于识别诸如癌症的疾病。根据一个方面，生物标志物可以包括引入到瘤床组织可以用于诱导视觉上或光学上可检测的变化的任何物质，所述变化可以促进对癌细胞的识别。现在已知或将来已知的任何生物标记都可以与光学成像部件112和一个或多个图像捕获设备122结合使用，只要它可以帮助促进识别与被观察的瘤床组织有关的功能数据即可。
如图2和3所示，提供光学成像部件112可以至少部分地集成在耦合到数据总线的系统100的外壳内，并且一个或多个图像捕获装置122在外壳的外部。光学图像部件112和系统100的其他部件可以利用例如，仅举几例，外围部件互连(PCI/PCIe)、通用串行总线(USB/USBII/USBIII/USB-C)、以太网或Firewire之类的接口标准与数据总线和系统100的各其他部件通信。然而，本公开考虑了可以使用任何其他接口和/或通信标准。
在一些情况下，系统100利用具有换能器106的超声部件104来扫描和成像瘤床，以获得关于感兴趣区域的结构或解剖学信息。该系统还可以利用具有图像捕获装置122的光学成像部件112来扫描和成像相同的体积，以获得与皮肤组织或其部分有关的功能和/或代谢信息。如本文所用，本文提及的功能和/或代谢信息可包括与在特定细胞或细胞群中工作的生物学功能、行为或过程有关的任何信息。下面将更详细地描述超声和光学扫描过程。可以使用配准过程来促进使用超声和光学扫描方法获取的图像数据的对准。在感兴趣的区域被系统100扫描和成像之后，由系统的软件处理图像数据。使用超声和光学扫描方法获取的图像数据可以被配准，然后融合或合并以形成单个图像。在融合的图像中，通过使用超声获取的图像数据基本上叠加在通过使用本文描述的光学扫描方法获取的图像数据上。结果是混合图像，其包括瘤床的详细解剖学和/或结构数据，并叠加了相同组织体积的功能数据。可以在肿瘤切除后使用该处理以帮助识别可能包含癌组织的瘤床的任何部分。
系统100由系统控制部件110控制和操作，系统控制部件110可以包括中央计算机，中央计算机具有运行操作和控制软件的母板和允许其控制、通信和监测系统100的各种子部件和模块的各种平行连接的板。这实现了包括放疗部件102、机器人臂114和患者运动感测部件的三个主要临床部件之间的协调功能。系统控制部件110可以与包括患者数据存储库118和系统数据存储库120的数据存储库通信地连接。
由系统控制部件执行的软件或指令可以控制系统100的功能，验证安全机制以及服务和校准功能。控制系统部件110可以与机器可读介质通信，机器可读介质可以是静态存储器，其上存储有体现本文所述的任何一种或多种方法或功能的一组或多组指令(例如，软件)，包括本文说明的那些方法。在由系统100执行期间，指令还可以完全或至少部分地驻留在系统数据储存库、静态存储器内或处理器内或其组合中。系统数据储存库和患者数据储存库和处理器也可以构成机器可读介质。
患者数据储存库118和系统数据储存库120可以是固态驱动器、硬盘驱动器或其他存储器装置。患者数据储存库118可以存储患者相关数据和治疗参数，如患者病历、治疗各期的细节以及疾病记录和照片。系统数据储存库120存储所有系统相关数据和参数，如系统日志、X射线校准数据和系统诊断结果。患者数据储存库118和系统数据储存库120可以是分立装置或者是物理上组合的。如果存储库118和120是组合的，如单个存储库，则可以使用一个或多个分区。这两个数据存储库都将被镜像并备份到安全且加密的符合HIPAA的云存储介质。
机器人IORT系统200的一个示例在图2中示出。系统200可包括基部单元201，基部单元201上安装有或连接有各种部件。这些部件可包括机器人臂202、放疗疗法治疗装置216、盐水储存库212、盐水控制元件214和系统控制部件210。基部单元还可包括光学成像部件232、超声部件234和用于存储患者和/或系统数据的数据存储装置236。基部单元201有利地是紧凑的单元，如具有30”×30”占地面积的单元，并且可以安装在脚轮211上以便于操纵。基部单元201可以包括电源导线，用于可选地向容纳在或连接到基部单元201的所有部件供电。在这方面，基部单元201可以包含一个或多个计算机217，用于控制系统200和/或分析和处理从系统200的部件获得的数据。监测器218也可以安装到基部单元201以用于用户界面。同样，可以包括终端或诸如键盘或鼠标的输入装置。
在基部单元201上设置有安装件203，用于安装机器人臂202。机器人臂202可包括治疗头224，治疗头224可包括用于施加IORT的可拆卸或可移动的施加器。机器人臂202在系统控制部件210的控制下与适当的机器人关节或关节构件204铰接。尽管未在图2中示出，但是还可以在机器人臂202的不同点处设置额外的关节，以增加放置、定向和移动治疗头224的自由度225的数量。此外，图2中所示的关节点的数量仅是为了便于说明。本公开考虑了可以提供安装件203和治疗头224之间的任何数量的关节点，以便在机器人臂202中提供任何数量的自由度，这可能是相对于患者动态地定位和定向治疗头以补偿患者的身体移动所需要的。盐水管路222可以促进盐水从贮存器212和盐水控制部件214到治疗头224的传送。类似地，功率和/或控制信号可以从放疗疗法治疗装置216传送到治疗头224以控制和促进X射线管(图2中未示出)的操作。
本文所述的患者运动感测和跟踪有利地通过集成物理感测装置、光学感测装置或两者来实现。X射线治疗头224可以直接安装或附接到机器人臂202。因此，可以通过从治疗头传递到机器人臂的直接微小物理压力来感测施加在治疗头上的患者组织移动。这些力可以通过与正交的x、y和z坐标轴对准的相关力矢量来定义。可以通过位于整个机器人臂的若干位置中的任何位置的物理传感器242、244、246、248来促成力感测。例如，在一些情况下，物理传感器可以包括与多个机器人臂关节204中的每一个相关联的扭矩传感器。物理传感器可以是如压电、陀螺仪、固态以及其他机制和材料的一种或多种不同类型的组合。
为了便于跟踪患者运动，可以任选地将一个或多个基准标记226放置在患者身体的部位上。在一些情况下，基准标记可以包括光学类型的基准标记，其有助于光学跟踪与基准标记相关联的位置。基准标记的运动可以由传感器228来监测。传感器228可以设置在机器人臂202的一部分上或设置在传感器支撑结构230上，传感器支撑结构230提供要对其进行IORT的患者的良好可见性。传感器228可包括适于监测患者运动的任何类型的传感器。例如，在基准标记是光学类型的情况下，LIDAR方法可用于精确地检测每个基准标记的位置。当然，实施例在这方面不受限制，并且可以使用任何其他合适类型的基准标记和相关联的感测系统。传感器输出由系统控制部件210监测，并由一个或多个运动分析软件组件(跟踪系统软件)处理。
跟踪系统软件被周期性地提供从物理传感器242、244、246、248接收到的物理传感器信息的更新数据。同时，跟踪系统软件还被有利地提供从一个或多个传感器228产生的基准标记位置信息。跟踪系统软件将使用所接收的反映了患者组织的微小移动的信息来生成针对机器人臂的立即校正x、y、z坐标更新命令。随后，机器人臂移动到新的同步x、y、z坐标/位置以对应于患者的组织运动。该运动校正机制有利地以永久循环回路运行，以不断地感测和跟随由呼吸或其他身体功能产生的患者组织运动。
基于这样的分析，系统控制部件210控制机器人臂202以确保治疗头224与患者运动精确同步地移动。例如，治疗头可随着患者的呼吸动作而上升和下降。
在图3中更详细地示出治疗头224。治疗头可包括由刚性材料形成的细长管状构件304。管状构件304通过包括适当安装装置的基部302固定到机器人臂的一端。球囊306通过套环305或其他适当附接机构固定到管状构件304的治疗端，使得球囊封闭X射线管314。X射线管的电源由穿过密封构件322的导线316提供。端口312a、312b分别促进流体管路310a、310b的附接。流体管路310a允许液体(例如，盐水)流到限定在球囊内的内部空间326。流体管路310b允许液体(例如，盐水)从内部空间326流出。在示例性情况下，可以在机器人臂的与附接基部302的位置相邻的端部上提供用于操作X射线管的电连接件。导线316可以连接到机器人臂上的电连接件，以向X射线管314提供电力。同样，可以在机器人臂上提供盐水流体端口(未示出)。管路310a、310b可以连接到设置在机器人臂上的流体端口，以将盐水流体传送到球囊的内部空间326和从球囊的内部空间326传出。密封构件322防止传送到球囊的盐水流体从远端腔室324逸出，远端腔室324可能与球囊306的内部空间326流体连通。
成像头320可以包括在管状构件上，以提供远程操作或记录治疗。可以在球囊306内设置单独的成像头330。作为另外一种选择或除此之外，可以在管状构件304的内部设置光纤构件318。该光纤可以延伸到内部空间326以在IORT设置和操作期间提供X射线源的可视图像。成像头320、330可包括支持成像模式所需的部件。例如，返回参考图1，可以提供包括图像捕获装置122的第一成像头320。第二成像头330可以包括超声换能器106。然而，本公开还考虑了组合功能。也就是说，单个成像头320、330可以包含超声换能器106和图像捕获装置122。
在一些情况下，包括设置在治疗头上的一个或多个患者运动传感器328可能是有利的，以在IORT操作期间监测患者的运动。然而，一个或多个传感器328不需要存在于治疗头上，而是可以设置在机器人臂或其他结构上以便于监测运动。
现在参考图4的流程图，描述了用于机器人IORT的示例性过程。该过程开始于402并且继续到404，此时治疗人员移动治疗头使得其定位在已从中移除癌组织的组织腔内。然后该过程继续到步骤406，在该步骤中将一个或多个基准标记可选地定位在患者的身体上。基准标记的使用是可选的，但有时可以帮助促成运动跟踪，这取决于感测的类型。在408，可以启动机器人臂的运动跟踪功能，使得治疗头在组织腔内保持所选定的位置。在410，外科医生可以暂时闭合组织腔，以便于机器人IORT。在暂时闭合之后，在412，使用盐水溶液将IORT治疗球囊膨胀至预定压力。此时，外科医生可以使用一个或多个可视化工具，在414核实球囊的壁是否均匀地抵靠由瘤床限定的腔壁。
一旦满足了球囊被适当地膨胀并且放射源处于令人满意的位置，则在416可以激活放射源一段预定的时间。在完成放射治疗后，在418使球囊收缩。在420可以停止运动跟踪，之后在422从组织腔移除治疗头。然后在424该过程可以结束或者可以进行其他治疗。
现在转到图5，示出了可与本文所述的机器人IORT系统一起使用的替代类型的IORT X射线源500。简而言之，该系统包括电子束枪(EBG)502和漂移管504，漂移管504支撑在机器人臂202的远离基部的一端上。IORT X射线治疗头522位于漂移管的远离EBG的一端。漂移管504由诸如不锈钢的导电材料构成。或者，漂移管可以由诸如氧化铝或氮化铝的陶瓷材料构成，并具有导电内衬。漂移管的中空内部部分保持在真空压力(例如，为了本文所述的实施例的目的，适当的真空压力可以在低于约10-5托的范围内或特别是在约10-9托至10-7托的范围内)。
包含电子束的电子e被EBG朝向X射线靶518加速。当这些电子到达漂移管的入口孔时将具有显著的动量。漂移管的中空内部保持在真空压力，并且至少管的内衬保持在地电位。因此，EBG 502赋予电子的动量将继续以非常高的速度(例如，接近光速的速度)弹道地沿着漂移管的长度朝向X射线靶518输送电子。应该理解，在电子沿着漂移管504的长度行进时，它们不再被静电加速。
X射线靶518由横向于电子束行进的方向设置的盘状元件组成。例如，盘状元件可以设置在与电子束行进的方向近似垂直的平面中。在一些实施例中，X射线靶可以封闭漂移管的远离电子枪的端部，以便于维持漂移管内的真空压力。X射线靶518几乎可以是任何材料，但是它由诸如钼、金或钨等具有高原子序数的材料组成是有利的，以便用电子轰击时以相对高的效率产生X射线。
在其他方面，图5中所示的布置类似于本文关于图3描述的布置。在X射线源(即，治疗头522)和伤口腔之间的间隙空间可以用设置在流体囊524内的盐水流体526填充。流体囊可以是弹性球囊状构件，利用诸如盐水的流体526使其膨胀，以便填充X射线源和组织壁530(例如，包括瘤床的组织壁)之间的间隙空间528。设置在机器人臂202中或上的流体管路510、512可以促进流体流入和流出流体囊的内部。这样的布置可以通过将整个组织壁定位成与X射线源均匀的距离，以便于更一致的放射暴露，来帮助对增强瘤床的照射的均匀性。在X射线靶518处产生X射线可产生大量的热。因此，除了填充间隙空间的流体526之外，可以通过冷却剂管路506向治疗头提供单独的冷却剂流。
组成X射线源500的各种部件(例如，EBG 502、漂移管504和治疗头522)可以安装在机器人臂上。可以如参考图1-4所述那样控制X射线源的位置，使得X射线源的移动与正在接受治疗的患者的自然身体运动相协调。当然，机器人IORT的方法不限于上述特定的IORT X射线放射源。相反，现在已知或将来已知的任何适当的X射线源都可用于促成本文所述的机器人IORT方法和系统。
现在参考图6，提供了可用于控制如本文所述的机器人IORT系统的示例性控制系统600的图示。该控制系统可以包括但不限于运行Windows OS的机器(或计算设备)(例如，个人计算机或服务器)。这种机器(或计算设备)在本领域中是公知的，并且本文不再详细描述。但是，应该理解，可以修改这种机器以实现本文所述的方法的全部或部分。这种修改可以包括软件修改、硬件修改或两者的组合。
控制系统600可包括比图6中所示的部件更多或更少的组件。然而，所示的部件足以公开实现本解决方案的说明性实施例。图6的硬件架构表示代表性控制系统或计算设备的一个实施例，其被配置为促成本文描述的IORT跟踪控制操作。
控制系统600的一些或所有部件可以作为硬件、软件和/或硬件和软件的组合来实现。该硬件包括但不限于一个或多个电子电路。该电子电路可以包括但不限于无源部件(例如，电阻器和电容器)和/或有源部件(例如，放大器和/或微处理器)。无源和/或有源部件可以被改编为、布置为和/或编程为执行本文描述的方法、过程或功能中的一个或多个。
如图6中所示，控制系统600包括用户接口602、中央处理单元(“CPU”)606、系统总线610、通过系统总线610连接到计算设备600的其他部分并可由所述其他部分访问的存储器612、以及连接到系统总线610的硬件实体。用户接口可以包括输入装置和输出装置，其便于用户-软件交互以控制计算设备600的操作。输入装置包括但不限于物理和/或触摸键盘650。输入装置可以通过有线或无线连接(例如，连接)连接到计算设备600。输出装置包括但不限于扬声器652、显示器654和/或发光二极管656。
硬件实体614中的至少一些执行涉及访问和使用存储器612、磁盘驱动和/或光盘只读存储器(“CD-ROM”)的动作，存储器612可以是随机访问存储器(“RAM”)。硬件实体614可以包括磁盘驱动单元616，磁盘驱动单元616包括计算机可读存储介质618，在计算机可读存储介质618上存储有一组或多组指令620(例如，软件代码)，该指令被配置为实现本文所描述的方法、过程或功能中的一个或多个。指令620还可以在由计算设备600执行期间完全或至少部分地驻留在存储器612内和/或CPU 606内。存储器612和CPU 606还可以构成机器可读介质。这里使用的术语“机器可读介质”是指存储所述一组或多组指令620的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库和/或相关联的高速缓存和服务器)。这里使用的术语“机器可读介质”还指能够存储、编码或承载由控制系统600执行的一组指令620并且使控制系统600执行任何本公开的一或多种方法的任何介质。
在一些情况下，硬件实体614包括被编程用于促进对机器人臂的控制的电子电路(例如，处理器)。在这方面，应该理解，该电子电路可以访问和运行安装在计算设备600上的应用程序624。
尽管已经关于一个或多个实施方式说明和描述了本发明，但是本领域技术人员在阅读和理解本说明书和附图时将想到等同的改变和修改。另外，尽管可能仅关于若干实施方式中的一个公开了本发明的特定特征，但是这样的特征可以与其他实施方式的一个或多个其他特征组合，这对于任何给定或特定应用可能是期望的和有利的。

Claims (20)

1.一种用于术中放疗的机器人系统，包括：
机器人臂，其由多个可移动关节组成并且第一端固定在基部；
治疗头，其设置在所述机器人臂的远离所述基部的第二端上；
所述治疗头包括至少一个X射线部件，所述至少一个X射线部件被配置为促成产生X射线波长范围内的放疗性放射；
至少一个患者运动传感器，其用于检测与呼吸相关的患者身体的移动；和
控制系统，其由电子电路组成，所述控制系统响应来自所述至少一个患者运动传感器的患者运动数据，并且被配置为通过选择性地改变构成所述机器人臂的所述可移动关节中的至少一个的位置来促成对所述治疗头的动态位置控制，其中所述动态位置控制被配置为在使用所述治疗头进行放射治疗时使所述治疗头和所述患者体内的瘤床之间的相对运动最小化。
2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述控制系统被配置为选择性地控制所述治疗头在三个正交方向上的运动。
3.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述控制系统被配置为选择性地控制所述治疗头的位置，以在与呼吸相关的所述患者身体移动期间，使所述治疗头内的所述放疗性放射的源与所述瘤床的所有表面之间的距离变化最小化。
4.根据权利要求3所述的机器人系统，其中所述控制系统还被配置为选择性地控制所述治疗头的转动，以在与呼吸相关的患者身体移动的条件下，使所述放疗性放射的源相对于包括所述瘤床的表面的位置的角度变化最小化。
5.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述至少一个患者运动传感器由力传感器组成，所述力传感器被配置为感测由于所述患者移动而施加在所述机器人臂上的力。
6.根据权利要求5所述的机器人系统，其中所述力传感器由至少一个关节传感器组成，所述至少一个关节传感器被配置为感测施加在组成所述机器人臂的所述多个可移动关节中的至少一个上的力。
7.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述至少一个患者运动传感器是光学传感器，所述光学传感器被配置为检测至少一个基准标记的位置。
8.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述机器人臂支撑多个功用通道以促成放射治疗功能和操作，所述功用通道选自流体功用通道、电力功用通道和数据功用通道的组。
9.根据权利要求3所述的机器人系统，还包括可膨胀球囊构件，所述可膨胀球囊构件被设置成至少封闭所述治疗头的远端，所述放疗性放射源自所述远端，其中所述流体功用通道被配置为将流体传入和传出所述球囊构件的内部。
10.根据权利要求3所述的机器人系统，还包括至少一个成像装置，所述至少一个成像装置由所述机器人臂或所述治疗头支撑，以促成在切除癌肿瘤后由所述癌肿瘤留下的腔内对所述治疗头的光学引导，并且其中由所述数据功用通道承载的数据包括视频数据。
11.根据权利要求3所述的机器人系统，还包括超声探头，所述超声探头支撑在所述治疗头上，以促成对切除癌肿瘤后剩余的所述患者体内的瘤床的超声成像，其中由所述数据功用通道承载的数据包括超声成像数据。
12.一种用于术中放疗的方法，包括：
将治疗头固定在机器人臂的远离机器人臂基部的安装端上；
包括作为所述治疗头的一部分的至少一个X射线部件，所述至少一个X射线部件被配置为促成X射线波长范围内的放疗性放射的产生；
用至少一个患者运动传感器检测与呼吸相关的患者身体的移动；和
响应于从所述至少一个患者运动传感器接收的患者运动数据，通过用包括电子处理器的控制系统在组成所述机器人臂的可移动关节中的至少一个中引起位置变化来动态地控制所述治疗头的位置，从而在使用所述治疗头进行放射治疗时，所述治疗头和所述患者体内的瘤床之间的相对运动被最小化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述控制系统选择性地控制所述治疗头在三个正交方向上的运动。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述控制系统选择性地控制所述治疗头的位置，以在与呼吸相关的所述患者身体的移动期间使所述治疗头内的放疗性放射的源与瘤床的所有表面之间距离的变化最小化。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述控制系统选择性地控制所述治疗头的转动，以在与呼吸相关的患者身体移动的条件下使所述放疗性放射的源相对于包括所述瘤床的表面的位置的角度变化最小化。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述至少一个患者运动传感器感测由于所述患者移动而施加在所述机器人臂上的力。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述患者运动传感器感测施加在构成所述机器人臂的多个可移动关节中的至少一个上的力。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述至少一个患者运动传感器光学地检测至少一个基准标记的位置。
19.根据权利要求12所述的方法，还包括利用所述机器人臂支撑多个功用通道以促成放射治疗功能和操作，所述功用通道选自流体功用通道、电力功用通道和数据功用通道的组。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括设置可膨胀球囊构件以至少封闭所述治疗头的远端，所述放疗性放射源自所述远端，并且利用所述流体功用通道将流体传入和传出所述球囊构件的内部。
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