LUNATM-260型伽玛刀的原理与升级改造

李巍，荆斌，查玉华，唐剑飞

解放军第307医院 医学工程科，北京 100071

LUNATM-260型伽玛刀的原理与升级改造

李巍，荆斌，查玉华，唐剑飞

解放军第307医院 医学工程科，北京 100071

目的 解决LUNATM-260型伽玛刀在工作过程中，因线缆随机器运动磨损而发生的故障；为确保病人的安全，避免在治疗过程中治疗头与病人发生碰撞。方法 分析伽玛刀的工作原理，按照整个系统的机械布局，加装拖链与滑轨，达到了保护线缆的目的；更换C轴的减速电机，有效预防了治疗头与病人碰撞危险的发生。结果 通过对LUNATM-260型伽玛刀的升级改造，有效地避免了线缆损坏和治疗头与病人碰撞出现危险的问题。结论 通过滑轨与拖链的使用，避免了线缆的磨损；新型C轴减速电机的应用，在很大程度上有效预防了治疗头与病人碰撞危险的发生。

伽玛刀；治疗头；滑轨；拖链

1 简介

LUNATM-260型伽玛射线立体定向回转聚焦放疗机，为大型机电一体化系统，集核物理、核医学、计算机、自动化控制和精密机械等专业技术于一身，属于大型高科技放射医疗设备，执行注册产品标准YZB/国0341—2003。系统结构，见图1。

工作原理：利用60Co在衰变过程中发射γ射线对生物肌体的破坏作用来实现对病变细胞的杀伤功能，达到损毁病灶的治疗目的。采用了42枚源回转聚焦于一点，从而在焦点处形成一个足够强的剂量场以损毁病灶并且边缘清晰，对周围正常组织的伤害相对要小很多。基本组成：设备主体结构、电气控制系统、立体定位系统、治疗计划系统（TPS）以及安全防护系统。配套设施有:摄像监视系统、对讲系统、剂量监测报警系统等。

2 LUNATM-260型伽玛射线立体定向回转聚焦放疗机机械系统分析

LUNATM-260型伽玛射线立体定向回转聚焦放疗机机械系统，主要由机座、机架、治疗头、三维治疗床4部分组成。机械系统布局示意图，见图2。

2.1 机座作用与结构

机座主要用于支撑机架和安装治疗头驱动及传动装置。机座安装在机房预留的地坑内，用地脚螺栓固定于地面，机架与机座间以螺栓联接，三维治疗床通过升降机构与机座联接。安装好后机座表面盖上金属铁板，铁板与地面齐平。机架示意图与实物图，见图3。

2.2 机架作用与结构

机架是大型的铸造件，用于支撑治疗头，并能使治疗头在其圆弧滚动导轨上作回转运动。

机架上安装有精密圆弧滚动导轨，治疗头安装固定在精密圆弧滚动导轨的滑块上，在C轴电机和链条的带动下，治疗头可在机架上作0°～ -180°的回转运动，实现动态聚焦。机架示意图与实物图，见图4。

2.3 治疗头作用与结构

治疗头内部装有42枚60Co源。在50°范围内按中心线对称均分44个位，去掉中间2个位，共设置42个位置放钴源。准直体在伺服电机驱动下可做直线往复运动。在驱动装置出现运行故障时，备有手动应急装置，以便关闭放射源。治疗头通过链轮传动装置可在机架的圆弧导轨上作180°回转运动，实现动态聚焦。示意图与实物图，见图5。

治疗头由60Co放射源、钴源匣、屏蔽体、快门、快门驱动装置及治疗头防撞保护装置组成。治疗头整体可绕等中心在0°～180°范围内的回转运动，实现动态聚焦。快门装置由两级准直器组成，分别是预准直器和准直器。治疗头内由快门驱动装置带动快门沿W轴作直线往复运动，当W轴运动使得准直孔对准放射源时，放射源处于出束状态。由于治疗头整体可以绕等中心作回转运动，所以为了保证治疗过程中的安全性，在治疗头的下部设计安装了一对防撞保护装置。在治疗过程中，如果治疗头防撞板受压，就会触发防撞保护开关。此时治疗头会立即停止运动，放射源回到关束状态，治疗过程随之中断。治疗头绕等中心的回转运动是通过C轴交流伺服电机、谐波减速器、联轴套、驱动链轮及链条，由链条拖动治疗头来完成。

2.4 治疗床的作用与结构

治疗床也叫三维运动床，三维运动床的作用是支撑治疗床及承载患者，并能根据治疗计划的要求，通过X、Y、Z三个方向和B轴的运动将患者送到指定位置，即将患者病灶部位的预选靶点送到等中心处。三维运动床由三维运动床回转机构、三维运动床升降机构、固定床身、移动床面组成。结构图，见图6。三维运动床回转机构在地平面以下，通过传动机构可以带动三维运动床整体绕B 轴在水平面180°范围内回转；移动床面由固定床身上的轨道面支撑，通过电气控制系统，可实现床身进退（Z轴方向）、平移（X轴方向）、升降（Y轴方向）。

3 升级改造

为了清楚地描述LUNATM-260型伽玛刀各运动轴之间的关系, 所以对每个运动轴的名称和正方向及不同坐标系的名称和正方向均作了相应的规定。固定坐标系f；三维运动床坐标系s；患者头部定位坐标系h；患者体部定位坐标系b；治疗头坐标系r；当各个坐标系在零位时：① X轴：三维运动床宽度方向直线运动轴；② Y轴：三维运动床高度方向直线运动轴；③ Z轴：三维运动床长度方向直线运动轴；④ B轴：三维运动床绕等中心回转轴；⑤ C轴：治疗头绕等中心回转轴；⑥ W轴：快门的直线运动轴。

3.1 加装治疗头C轴拖链机构，加装三维运动床Z轴拖链机构

打开C型机架两侧的外壳，可以看到在机架的侧面是治疗头的连接电缆走线位置。在治疗头运动过程中，电缆会随着治疗头的运动，在机架和机壳之间的缝隙内做往复运动；机器长期使用后，由于摩擦会导致电缆的外护套黑色螺旋软管发生断裂，对内部的电缆起不到保护作用。电缆的外护套管采用的是黑色橡胶制成的螺纹管。这种螺纹管易出现断裂的现象，一方面是由于材质老化变硬，另一方面是由于与机架和外壳磨损所造成的。

加装治疗头C轴拖链机构，采用的是工程塑料拖链。这种拖链适合于使用在往复运动的场合，能够对内置的电缆起到牵引和保护作用。拖链每个链节都可以打开，便于安装和维修。运动时噪音比较低、耐磨、可高速运动。拖链的结构、拖链外形似坦克链，由众多单元链节组成，链节之间转动自如。相同系列的拖链内高、外高、节距相同。拖链内高、弯曲半径R可有不同的选择。单元链节由左右链板和上下盖板组成，拖链每节都能打开，装拆方便，不必穿线，打开盖板后即可把电缆放入拖链内。材料采用增强尼龙，具有高的压力和抗拉负荷，良好的韧性高弹性耐磨性阻燃。高低温变化时性能稳定，可以使用在室外。抗耐性好，具有一定的耐酸、耐碱能力。运行速度和加速度，最高速度可达5m/s，最高加速度可达5m/s（具体速度、加速度视运行情况而定）。运行寿命长，不需要反复更换，在正常架空使用情况下，可达500万次的往复运动次数。C轴拖链滑轨设计图，见图7。

图7 C轴拖链滑轨设计图

图8 C轴拖链滑轨安装前后对比图

图9 三维运动床Z轴拖链滑轨设计图

在C型机架上安装的弧形滑轨，可以有效地防止拖链脱出。采用拖链与滑轨相配合的方式，即加强了对电缆的保护，同时也降低了机器运行时产生的噪音，有效地避免了故障的发生。C轴拖链滑轨安装前后对比图，见图8。

三维运动床的移动床面分为4层，在电气控制系统的控制下，可以实现X向、Z向两个方向上的平移运动。Z向滚珠丝杠和交流伺服电机安装在第2层床面上。交流伺服电机通过弹性联轴节直接驱动Z向滚珠丝杠，带动第3层床面运动，并通过安装在第3层床面上的钢带，带动第4层床面运动，实现三维治疗床在Z方向上800mm的行程。三维运动床Z轴拖链滑轨设计图，见图9。

在治疗床下方的线缆缺乏固定装置，极易悬空挂在床体下，从治疗床的外壳下露出，见图10。所以当三维运动床整体绕B 轴在水平面180°范围内回转时，线缆会与地面接触磨损，常常造成治疗床突然无法运动的故障。

三维运动床的底层床板上加装拖链滑轨装置，既保护了线缆不受磨损，也从根本上杜绝了治疗床下方的线缆从治疗床的外壳中脱出的可能。

3.2 更换C轴减速机

治疗头绕等中心的回转运动是通过C轴交流伺服电机、谐波减速器、联轴套、驱动链轮及链条，由链条拖动治疗头来完成。C轴传动电机构造与实物对照图，见图11。链条会因长期使用而伸长时，可以调节机座内链条支架的位置，以便使链条重新绷紧。在治疗过程中，由于治疗头的运动轨迹与病人的位置很接近，为了保证治疗过程中的安全性，在治疗头的下部设计安装了一对防撞保护装置。为了进一步防止在治疗过程中，治疗头与病人身体碰撞发生危险，在C轴交流伺服电机处，更换C轴减速机。C轴减速电机的构造与实物对照图，见图12。

4 结论

对LUNATM-260型伽玛刀进行的升级改造，极大地避免了机器故障的发生；并在很大程度上防止了治疗头与病人身体发生碰撞，保证了病人的人身安全。应根据实际使用情况，进一步在细微处改进，降低机器的故障率，提高利用率。

[1] 李巍,查玉华,荆斌.LUNATM-260型伽玛刀故障维修2例[J].中国医学装备,2011,8(2):60-61.

[2] 周振山,王军良,段小萍.LUNATM-260型伽玛射线立体定向回转聚焦放疗机质量控制[J].医疗卫生装备,2011,32(3):69-70.

[3] 刘峰,马颖颖,韩俊庆.伽马射线立体定向放疗机的发展[J].中国医疗设备,2010,25(9):61.

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[6] 方林.伽玛介绍[J].中国医疗装备,2011,26(1):111-112,108.

Principle and Upgrading of LUNATM-260 Gamma Knife

LI Wei, JING Bin, ZHA Yu-hua, TANG Jian-fei
Medical Engineering Department, No.307 Hospital of PLA, Beijing 100071, China

Objectivective To solve the problem of fray due to cable’s movement followed by LUNATM-260 gamma knife itself and collision by treatment of head to ensure patient safety in the process of therapy. Methodsthods According to the mechanical layout of the entire system, install the towline and rail instead of the gear motor C-axis to protect the cable and reduce the risk of collision with the patient. Resultssults By upgrade of Gamma Knife LUNATM-260, to reduce the risk of cable’s damage and danger of collision with the patient. Conclusionusion The use of rail and towline, avoid the cable wear and new gear motor C-axis applications largely effective in preventing the treatment head and patient risk of collision occurred.

gamma knife; treatment head; slide rail; towline

R742.1

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.05.036

1674-1633(2012)05-0104-04

投稿日期：2011-12-08

作者邮箱：lw_307_hospital@163.com