一种质子治疗系统CBCT成像旋转机架的制作方法

本发明属于肿瘤放射治疗设备，更具体地涉及一种质子治疗系统cbct成像旋转机架。

背景技术：

1、质子放疗依托布拉格峰独特物理特性，可实现肿瘤靶区剂量高度集中，大幅降低射线对肿瘤周边正常组织的损伤，是现阶段高精度肿瘤放射治疗的核心技术手段。在质子治疗完整临床诊疗流程中，机载cbct（锥形束计算机断层扫描）成像系统承担患者摆位验证、肿瘤靶区定位、分次治疗间解剖形变监测、质子束射程校正等关键工作，是保障质子束照射精准度的核心影像配套设备。而cbct成像系统的核心承载部件为旋转机架结构，用于搭载x射线球管与平板探测器完成360°圆周锥形束扫描成像，机架自身几何精度、运行稳定性、结构集成度、场景适配能力，直接决定cbct成像质量与肿瘤定位准确度，是保障质子治疗临床疗效的基础前提。

2、随着自适应精准质子放疗技术持续发展，临床诊疗场景对cbct旋转机架提出小型化、高重复定位精度、高运行稳定性、多病灶通用适配的严苛使用要求。目前国内外商用质子治疗设备所配套的机载cbct成像系统，普遍采用整体式实心圆环旋转机架+外置分体传动机构+底部固定式支撑滚轮+固定式成像组件的传统旋转机架方案。该现有方案以厚重实心钢结构圆环作为旋转主体，机架外侧独立布置电机、减速箱，并通过皮带、链条等柔性传动结构传递旋转动力；机架底部仅设置两组支撑滚轮，仅能实现径向承载，未配套专用轴向限位结构，同时整机无失电锁止制动结构；x射线球管与平板探测器采用螺栓刚性固定方式安装，无距离伸缩、角度微调模组，整机依靠实心圆环整体旋转完成全角度扫描，以此实现质子治疗术前患者摆位与肿瘤靶区定位。

3、但该主流传统cbct旋转机架方案在实际临床使用过程中，暴露出诸多无法适配高精度质子放疗需求的技术缺陷，具体体现在以下方面：

4、第一，机架整体体积庞大、结构集成度低。传统机架采用实心整体支撑结构，搭配外置分体式传动部件，整机占用设备间空间大，易与患者支撑系统发生空间干涉，设备布局灵活性差。

5、第二，传动与制动精度不足，定位重复度低。传统方案依靠皮带、链条等柔性部件传动，装配间隙不可消除，机架旋转过程中易产生抖动、角度偏移，扭矩输出稳定性差；同时常规支撑结构未设置失电锁止功能，设备断电、待机或突发故障时，机架受外力作用易产生微量位移，直接造成cbct系统sid（x射线源到探测器的距离）、sad（x射线源到旋转轴的距离）核心成像几何参数偏移，最终引发肿瘤定位误差，无法满足质子治疗亚毫米级高精度成像定位标准。

6、第三，限位结构设计不完善，长期运行易产生轴向、径向偏移。现有机架仅依靠底部支撑滚轮实现径向承载，未设置专用双向轴向限位结构；设备长期往复旋转工况下，机架极易出现轴向窜动、径向偏心等问题，造成x射线球管与平板探测器对中精度持续下降，成像伪影增多、图像分辨率降低，干扰医生对肿瘤靶区、危及器官的识别与配准。

7、第四，成像组件适配性差，临床通用性不足。传统机架的球管、平板探测器均为不可调固定式安装，无法根据患者体型差异、肿瘤病灶位置、临床治疗体位调整成像距离与拍摄角度，难以兼顾头颈、胸腹部、四肢不同部位肿瘤的扫描成像需求，临床适配场景受限。

8、第五，整机长期运行稳定性差，设备运维成本高。传统机架传动系统冗余零部件多，长期持续旋转负载工况下易发生结构形变、零部件磨损，设备几何精度会随使用时间持续漂移；为保证成像精度，需频繁停机开展几何校准、零部件检修维护，降低质子治疗设备临床周转效率，同时增加停机损耗与长期运维成本。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术存在的cbct旋转机架存在体积大、定位精度差、运行易偏移、临床适配性弱、稳定性不足、运维成本高等问题，本发明旨在提供一种质子治疗系统cbct成像旋转机架。

2、根据本发明的一种质子治疗系统cbct成像旋转机架，其包括传动组件、旋转机架组件、支撑轮组件、轴向限位轮组件和平板与球管组件；所述传动组件设于旋转机架组件中心并与旋转机架组件刚性固连，输出无间隙旋转驱动力驱动整机回转；所述旋转机架组件为整机承载基体，支撑轮组件、轴向限位轮组件、平板与球管组件均装配于旋转机架组件；所述支撑轮组件成对对称布置于旋转机架组件两侧并贴合旋转机架外圆面，同步实现径向承载、径向偏移限制与失电锁止定位；所述轴向限位轮组件设于旋转机架轴向端面下方并压紧贴合机架前后端面，双向约束机架以消除轴向窜动；所述平板与球管组件对向交叉布置，随机架同步回转完成锥形束扫描成像。本发明通过设置模块化协同布局的五大组件，同时集成径向承载失电锁止结构与双向轴向限位结构，并配置可同步回转的成像组件，能够同步解决传统机架传动存在间隙、机架易径向偏移、轴向窜动、无断电防护、成像器件安装形式固定的多重缺陷，实现高精度、高安全性的cbct锥形束扫描成像。

3、在优选的实施例中，所述传动组件沿单一旋转轴线依次刚性串联设置动力输出件、减速件、刚性连接件、传动轴，传动轴末端与旋转机架组件中心固定，整套传动链无柔性传动间隙。本发明通过构建同轴刚性串联传动链，摒弃皮带、链条类柔性传动形式，能够消除动力传递间隙，避免机架旋转过程中产生抖动与角度偏移，提升旋转定位重复精度。

4、在优选的实施例中，所述旋转机架组件包含外圈前环体、放射状辐条支撑结构、中心连接法兰与成像设备安装支座；外圈前环体位于轴向前侧，放射状辐条支撑结构设于外圈前环体轴向后侧并与外圈前环体固连；放射状辐条支撑结构自带后侧外环，多根辐条呈放射汇聚至圆心，圆心处的中心连接法兰与传动轴固定；成像设备安装支座跨接固定于外圈前环体与放射状辐条支撑结构上，分别承载平板探测器、x射线球管。本发明采用轴向前环体配合后侧辐条外环的双层分体机架结构，配合跨接式成像设备安装支座，能够在保障结构承载刚度的基础上优化机架自重分布，同时为成像组件提供稳定的跨接安装基础。

5、在优选的实施例中，放射状辐条支撑结构采用斜向桁架辐条构型，外圈前环体、放射状辐条支撑结构、中心连接法兰一体化固连形成整体承载基体。本发明通过斜向桁架辐条与一体化承载基体设计，能够均匀传递旋转扭矩，降低机架整体自重，减小传动系统负载，缓解长期往复旋转工况下结构形变与几何精度漂移问题。

6、在优选的实施例中，外圈前环体中部设置贯通中空通道，可供患者支撑系统及患者伸入通道内部完成扫描。本发明通过在外圈前环体中部设置贯通中空通道，能够规避机架与患者支撑系统之间的空间干涉，提升设备临床布置灵活性。

7、在优选的实施例中，每组支撑轮组件集成锁止部件，锁止部件常态释放、断电工况下锁定支撑轮，成对支撑轮共同贴合外圈前环体外周面协同承载。本发明通过在支撑轮组件集成失电锁止部件并成对对称布置，能够同时实现机架径向均衡承载与意外工况锁止防护，稳定维持每次扫描的成像几何基准，规避机架意外转动带来的安全风险。

8、在优选的实施例中，所述轴向限位轮组件配置预紧调节部件与成对限位滚轮，成对限位滚轮分别抵靠外圈前环体前后轴向端面，预紧调节部件持续提供压紧力实现双向限位。本发明通过成对滚轮配合预紧调节部件双向夹持机架端面，能够持续约束机架轴向窜动，维持球管与平板探测器长期对中，减少成像伪影，保障图像分辨率。

9、在优选的实施例中，限位滚轮随外圈前环体回转同步从动滚动，不产生额外旋转阻力。本发明采用可从动滚动式限位滚轮结构，能够在实现轴向约束的前提下，避免限位结构增加机架回转阻力，不干扰正常扫描回转运动。

10、在优选的实施例中，所述平板与球管组件分为平板组件、球管组件，二者对向跨接装配于旋转机架组件；平板组件配置直线伸缩驱动结构与角度调节结构；球管组件配置姿态调节支撑结构。本发明通过分别为平板组件、球管组件配置独立调节结构，能够实现成像器件安装距离、姿态的独立调整，适配多样化临床扫描工况。

11、在优选的实施例中，平板组件、球管组件可同步调节安装距离与安装姿态，匹配标准化成像几何参数。本发明通过平板组件与球管组件协同调节，能够灵活匹配临床所需成像几何参数，适配全体型、不同病灶部位患者的摆位扫描需求，拓宽设备适用场景。

12、本发明通过采用模块化集成布局方案，搭配无间隙刚性传动结构、双层辐条轻量化承载机架、兼具径向承载与失电锁止功能的支撑结构以及双向预紧轴向限位结构，并设置能够调节安装距离与姿态的平板、球管成像组件，有效消除传动间隙，抑制旋转抖动与角度偏移，均衡承载旋转机架并实现故障工况下锁止防护，约束机架轴向窜动，维持成像器件稳定对中，同时灵活适配不同临床扫描工况，克服了现有实心机架自重偏大、长期运行易出现精度漂移、柔性传动带来定位偏差、机架易偏移窜动、缺乏安全防护、成像器件安装形式固定的缺陷，提升整机长期运行稳定性与成像重复定位精度，保障cbct成像质量，满足质子放疗高精度摆位的使用需求。