用于精准放疗的快速成野多叶准直器基础研究

With the development of precision electromechanical control technology, the cure rate of tumor radiotherapy is getting higher and higher. Multileaf collimator is the core enabling component of radiotherapy equipment, and its performance directly determines the forming accuracy and dose distribution accuracy of radiography. It is one of the determinants of radiotherapy efficiency and quality of treatment. Based on self-developed micro special linear motor, research team innovatively develope a fast wild-field multleaf collimator. Based on this, researching single-axis parameter identification and multi-axis synchronous control of linear motor, aiming at the variation of thrust fluctuation and load of motor, a parameter setting strategy that takes into account both single-axis tracking performance and multi-axis synchronization performance is proposed. Under the premise of meeting the treatment accuracy, a time-optimal trajectory planning algorithm based on dynamic characteristics of transmission system is proposed to achieve the optimal treatment efficiency. In order to solve the baseline drift and state mutation caused by respiration, a tumor movement prediction model is established and studied to realize the tumor motion compensation for leaf linkage real-time control Algorithm. The research project lays a theoretical foundation for improving the Fast Wide-field Multileaf Collimator's radiocontraction and dose control precision and accelerating the rapid development of innovative multi-leaf collimators for clinical application.

随着精密机电控制技术发展，肿瘤放疗治愈率越来越高。多叶准直器是放疗设备的核心使能部件，其性能直接决定射线的成形精度和剂量分布精度，是放疗效率和治疗质量的决定因素之一。研究团队基于自主研制的微特直线电机，创新研发了一种快速成野多叶准直器。本课题在此基础上，针对电机推力波动和负载变化，研究直线电机的单轴参数辨识和多轴同步控制，提出满足单轴跟踪性能和多轴同步性能的参数整定策略；为提高治疗精度和效率，提出一种基于传动系统动力学特性的时间最优轨迹规划算法，在满足治疗精度的前提下实现治疗效率最优；为解决呼吸引起的基线漂移和状态突变，建立肿瘤运动预测模型，研究实现肿瘤运动补偿的叶片联动实时控制算法。课题研究为提高快速成野多叶准直器的射线适形和剂量控制精度奠定理论基础，促进创新开发的快速成野多叶准直器实现临床应用。

多叶准直器（也称多叶光栅）是高端放疗设备中射线适形调强、剂量精确控制的关键功能部件，其性能直接决定放疗质量。研究团队在精准放疗、射线精确控制技术的研究基础上，创新研制了一种以微特直线电机为驱动元件的快速成野多叶光栅（FW-MLC）。.为提高FW-MLC在放射治疗过程中的射线适形和剂量控制精度，本项目研究团队在FW-MLC技术研发的基础上开展了以下研究：①在直线电机运动耦合长度变化基础上，建立了精确单轴电机电感参数解析模型；②提出了带温度补偿的霍尔传感器位置检测方法，提升了模型辨识效率，同时抑制了温度变化导致的位置检测误差；③提出了叶片跃度有界的时间最优滑移窗轨迹规划算法，实现了调强放疗轨迹规划中叶片加速度与跃度的约束，降低了FW-MLC叶片高速运动情况下的位置跟踪误差和注量误差；④提出了肿瘤靶区呼吸运动的预测和补偿方法，提高了呼吸明显漂移和状态突变情况下的预测精度，并提高了静态治疗和动态调强治疗方式下的肿瘤空间运动补偿精度。.本项目研究难度大，多个研究内容取得重要结果，叶片速度加速度等指标达到国际领先水平。技术含量高，创新范围广，在提高束流调制强度效率、产生新放疗模式等方面有重要临床价值。.在本项目的资助下，共发表SCI/EI学术研究论文10篇；授权发明专利5项（含国际专利2项）；获得软件著作权2项；项目荣获第23届全国发明展览会金奖、2018-2019年度国家优质投资项目奖；完成FW-MLC研究样机2台，获得项目技术论证报告1份；培养博士生3人，硕士研究生2名，博士后1人。.在产业成果转化方面，中资资产评估有限公司评估：研究团队拥有的11项与“多叶光栅技术”相关发明专利及软著所有权价值评估金额2509万元（本项目研究成果涉及其中4项发明专利和1项软件著作权，评估价值869.78万元）。本项目研究团队以该知识产权作为投入，与中国同辐股份有限公司合作成立了科技创新型企业——江苏高同装备有限公司（注册资本6109万），成功实现了项目研究成果转化，为高端医疗装备关键部件自主可控继续贡献力量。