1 成果簡介

本項目設計并制備一種用于旋轉放療設備的快速寬野動態多葉光柵，研究并實現其機構、傳動和驅動等關鍵技術。研究內容主要由以下三個方面組成，包括多葉光柵機構設計與分析、快速寬野動態多葉光柵精密傳動技術、快速寬野動態多葉光柵驅動技術。 本項目的主要研究內容包括： （ 1） 快速寬野動態多葉光柵機構設計與分析 本項目建議開發的快速寬野動態多葉光柵，可實現放射線束寬野和劑量的實時動態調節，使實施的寬野和劑量分布與計劃劑量相適應。多葉光柵葉片尺寸形狀以及空間位置排布設計，不僅影響多葉光柵整體機械運動性能和多葉光柵使用壽命，而且直接決定多葉光柵適形度和調強能力，從而影響放療劑量分布，并最終主導治療效果。多葉光柵葉片的設計主要是圍繞著提高適形度、減少透射半影、降低漏射、三維適形、動態調強等功能展開。多葉光柵葉片設計主要包括葉片對數、葉片高度、聚焦形式、端面設計、橫截面設計等。另外，為滿足高速高精度運動參數指標要求，葉片輕量化設計意義重大。在葉片的制造方面，如何實現復雜外形鎢合金葉片的高精度加工工藝以及異性材料可靠拼接的復合葉片工藝，將是是本項目研究的重點之一。 （ 2） 快速寬野動態多葉光柵精密傳動技術 本項目建議開發的快速寬野動態多葉光柵，采用高精度輕量化傳動設計，提高葉片運動速度和運動精度，滿足復雜腫瘤的治療需求。該多葉光柵傳動包括直驅傳動及導軌設計。直驅傳動用于驅動葉片直線往復運動，導軌用于精確導向。由于多葉光柵運動往復運動，需要頻繁加減速，實現快速切換能力，為了滿足葉片高速精密運動，需要高速精密的功能部件、高剛度的結構件和結合部以及輕量化的結構件提供保證。 （ 3） 快速寬野動態多葉光柵驅動技術 現有的開關式多葉光柵采用氣壓驅動的方式，葉片通過撞擊停止，降低了機械零件的使用壽命，并產生很大的噪聲，同時氣路傳輸增加整個醫療設備的復雜度。本項目建議開發的快速寬野動態多葉光柵，采用新型高速直線電機驅動單元，可克服氣動驅動方式的缺點，并能實現開關狀態之外，葉片運動過程中的位置和速度的精確控制。在后續研究開展中，葉片中間位置和速度的精確控制可應用于新型螺旋斷層放射治療算法，提高治療效率和治療精度。 本項目的創新點主要包括： （ 1）提出一種新型快速寬野動態多葉光柵 本項目擬開發的快速寬野動態多葉光柵，葉片可快速的實現開關，開或關時間約 30ms，采用直線電機驅動方法以實現每個葉片（共 32 對）的獨立運動，同時要精確控制每個葉片的速度和位置，以實現放射線束強度和區域的實時動態調節，以達到理想的照射劑量分布。擬開發的多葉光柵葉片物理厚度不大于 3mm，葉片高度不小于 100mm，葉片漏射率小于 2%。 （ 2）提出一種快速寬野動態多葉光柵機構傳動方法 本項目建議開發的快速寬野動態多葉光柵，采用直驅傳動技術和高精度輕量化傳動設計，優化導軌受力和精度控制，實現葉片機械到位精度 0.1 mm，葉片機械重復定位精度 0.05mm。 （ 3）提出一種快速寬野動態多葉光柵驅動方法 本項目建議開發的快速寬野動態多葉光柵，采用新型高速直線電機驅動單元，葉片不僅可工作于開關狀態，同時，也可實現葉片運動過程中的位置和速度的精確控制。葉片最大行程不小于 50 mm，葉片最大運動速度大于 500 mm/s，葉片加速度大于 2 g。在上述高速度高加速葉片驅動技術基礎之上，本項目擬開發的多葉光柵可實現工作噪聲低于 70 db。

2 應用說明

現階段快速寬野動態多葉光柵基本成型，處于產業化前期，本項目提出的快速寬野動態多葉光柵，填補了國內二元多葉光柵的空白，性能指標達到國外同類產品的技術水平，且在射線效率、噪聲和壽命等方面更具有優勢。形成的知識產權、技術標準的種類和數量很多，獲得國內發明專利和軟件版權不少于 53 項。目前泰來 1 號產品研發過程中，已經申請的發明專利有 5 項：（ 1）一種多定子多動子陣列式直線電機驅動裝置（ CN 102195439 A）；（ 2）用于醫療設備的 X 射線源在線切換系統及方法（ CN 102283666 A）；（ 3）腫瘤精確靶向放療設備的時鐘同步方法（ CN 102294082 A）；（ 4）用于腫瘤治療的擺臺裝置和精確靶向治療設備（ CN 102188779 A）；（ 5）多驅動單元組成的進給系統（ CN 101618517 B）。已經申請的軟件版權有 10 項，醫療設備直線電機設計軟件；醫用多葉光柵調試軟件；醫用多葉光柵數控加工自動編程軟件；放療多葉準直器控制軟件； TL2012 醫用環形加速器出束控制軟件；環形醫用加速器安全聯鎖軟件；包絡斷層放療算法軟件；醫用加速器環形機架斷層運動控制軟件；醫用加速器調試軟件；醫用腫瘤 3D 建模與數控加工自動編程軟件。

3 效益分析

多葉光柵技術是放療設備的關鍵所在，國外設備由于技術領先占據了國內外的高端市場，但這遠不能滿足市場的需求。據統計，目前全世界每年對放療設備的顧客需求量是 300臺/年，以多葉光柵每臺 30 萬美元計算，且僅占據 1/3 市場，則能夠產生的效益巨大。

4 合作方式

技術轉讓或合作開發，商談。

5 項目所屬行業領域

醫療健康領域。