自動放療激光定位儀的開發(fā)與應(yīng)用

許文偉，楊 波，伍 銳，魏 旋，牛道立

自動放療激光定位儀的開發(fā)與應(yīng)用

許文偉，楊 波，伍 銳，魏 旋，牛道立

目的：設(shè)計一種自動放療激光定位儀，降低校準(zhǔn)難度，提高其準(zhǔn)確性。方法：利用機械模塊和電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)激光燈的調(diào)校，由單人遠距離遙控即可完成，并將其與傳統(tǒng)三維激光定位燈擬合等中心校準(zhǔn)的方法和結(jié)果進行比較分析。結(jié)果：該激光定位儀校準(zhǔn)用時更短，校準(zhǔn)精度更高，參與人數(shù)也更少。結(jié)論：該激光定位儀可減輕技術(shù)人員的工作強度，提高校準(zhǔn)效率和放療定位精度，可以推廣應(yīng)用。

自動激光定位儀；數(shù)字電氣控制系統(tǒng)；定位精度；擬合等中心

0 引言

激光定位系統(tǒng)是一種在放射治療過程中構(gòu)建可視激光坐標(biāo)系，以校正人體體位并確定放療中心點的裝置，通常由3組激光燈組成。在放射治療領(lǐng)域，激光定位儀是確保患者放射治療時體位重復(fù)性和提高放射治療精度的有效工具[1]。激光定位儀在放療擺位時可呈現(xiàn)靶區(qū)中心在體表的位置。機架正前方的中央激光燈發(fā)射“一”字型縱軸激光線Y，其作用主要是校正人體縱軸，通過它與人體矢面（sagittal plane）間的關(guān)系，判斷人體是否躺直。機架兩側(cè)墻壁上各有一組雙窗口激光燈（如圖1所示），每組射出豎軸線X和橫軸線Z的雙線激光，2個線相互正交形成“十”字型激光定位光斑。豎軸線可以校正人體橫斷面（transverse plane）是否與計劃圖像在同一平面，橫軸線可以校正人體冠狀面（coronal plane）是否與計劃圖像在同一平面。3組激光燈可模擬出放療設(shè)備的機械坐標(biāo)系，激光線交點即坐標(biāo)系的原點。

圖1 雙窗口激光燈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

對于工作中所需要的“一”字型激光定位線，需要調(diào)節(jié)產(chǎn)生它的激光燈的3個自由度（即位移、傾斜和自旋）來保證照射姿態(tài)的穩(wěn)定（如圖2所示）。而整個激光系統(tǒng)有5個“一”字型激光燈，如果需要對它們都進行校準(zhǔn)，一共要調(diào)節(jié)限制15個自由度。

圖2 激光燈3個自由度示意圖

在激光定位儀的使用過程中，由于地基震動、墻體變形、熱脹冷縮、重力下垂、機械磨損等原因，激光線會產(chǎn)生漂移，如果物理師在做質(zhì)量保證時檢查出激光線等中心的偏移數(shù)值超出精確放療所允許的范圍，則需對激光燈進行校準(zhǔn)[2]。

目前，國內(nèi)放療設(shè)備機房所安裝的激光定位燈大部分是機械式的，校準(zhǔn)時需手動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的幅度缺乏可控性，需要反復(fù)進行調(diào)節(jié)才能達到要求，耗時較長[3]。為了使激光燈的校準(zhǔn)更快速、簡便和準(zhǔn)確，現(xiàn)在設(shè)計出一種數(shù)字電氣控制的激光燈，并在相關(guān)公司的技術(shù)支持與合作下研制出自動激光定位儀。經(jīng)過反復(fù)測試，該激光定位儀能達到設(shè)計及實際應(yīng)用要求，目前已投入到臨床使用。

1 自動激光定位儀設(shè)計

與傳統(tǒng)的激光定位儀相比，自動激光定位儀用機械模塊和電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)激光燈的調(diào)校。激光燈的3個自由度的動作由步進電動機來驅(qū)動（如圖3所示）。數(shù)字電氣控制部分控制電動機的運動幅度，校準(zhǔn)人員可根據(jù)實際情況選擇相應(yīng)的幅度參數(shù)來調(diào)節(jié)激光燈的運動，以達到使用要求。

圖3 步進電動機驅(qū)動激光燈運動原理圖

該定位儀激光燈的3個自由度定位姿態(tài)調(diào)節(jié)可全部由單人遠距離遙控完成，既節(jié)省人力，又可有效避免操作人員與激光燈部件直接接觸所產(chǎn)生的外力干擾及機械震動。該定位儀具有高分辨率定位控制精度，角度值最小分辨率為0.02°，位移值最小分辨率為0.2 mm。儀器上橫向和豎向2只激光燈的亮度可以分別通過遙控器調(diào)節(jié)，以滿足不同投射距離的光斑亮度需求；其焦距也可以分別通過遙控器調(diào)節(jié)，以使激光線顯示得清晰細致。操作人員可以通過自動激光定位儀上的LED顯示屏確認(rèn)激光燈每個自由度的當(dāng)前位置；所有自由度定位姿態(tài)參數(shù)均可以保存，并通過內(nèi)部位置傳感器重復(fù)定位。自動激光定位儀能夠充當(dāng)信息化數(shù)字節(jié)點，并與其他信息化設(shè)備通過無線數(shù)字交換激光燈定位信息。

2 自動激光定位儀在放療精確定位中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用情況

現(xiàn)有甲和乙2個直線加速器機房，甲機房安裝自動激光定位儀系統(tǒng)，乙機房安裝傳統(tǒng)手動三維激光定位系統(tǒng)。經(jīng)過6個月的臨床使用，對上述2處激光燈定位系統(tǒng)的校準(zhǔn)操作流程與結(jié)果做如下比較：

（1）操作流程的比較：自動激光定位儀校準(zhǔn)時只需要一個操作人員站在直線加速器等中心附近，通過遙控器遠距離調(diào)節(jié)激光燈各個自由度參數(shù)，得到最佳位置后，15 min內(nèi)便可以完成校準(zhǔn)；傳統(tǒng)手動三維激光定位系統(tǒng)校準(zhǔn)時需要2名人員配合操作，一個人站在直線加速器等中心附近觀察激光線投射位置，另一個人站在激光燈所處墻邊，打開激光燈外殼，用六角扳手松開激光燈各自由度姿態(tài)鎖定螺釘，手動調(diào)節(jié)微調(diào)螺栓，且需要反復(fù)調(diào)節(jié)，并與站在等中心附近的操作人員交流，找到最佳位置后，擰緊激光燈各自由度姿態(tài)鎖定螺釘，重新蓋上并固定激光燈防塵外殼，完成校準(zhǔn)需60 min以上[4]。

（2）操作精度的比較：自動激光定位儀校準(zhǔn)時對激光燈各個自由度參數(shù)值的調(diào)節(jié)分別有微調(diào)、中調(diào)、粗調(diào)3種不同的控制分辨率對應(yīng)操作。操作順序是先粗調(diào)再微調(diào)，校準(zhǔn)完成后，中心點公差范圍小于0.5 mm。自動激光定位儀具有內(nèi)部位置傳感器，當(dāng)位置參數(shù)存儲后，隨時可將該組參數(shù)提取出來，讓激光燈姿態(tài)快速回歸到前一次儲存的位置，可避免操作人員按錯按鍵導(dǎo)致的位置偏移。對于傳統(tǒng)手動三維激光定位系統(tǒng)，需要操作人員在調(diào)節(jié)激光燈自由度時經(jīng)驗性比較強，力度要保持平穩(wěn)，調(diào)節(jié)幅度要盡可能小，才能保證調(diào)節(jié)精度。手動調(diào)節(jié)某個自由度時通常會影響到另外一個自由度，需要反復(fù)調(diào)節(jié)找到平衡。在擰緊鎖定螺釘和蓋激光燈防塵外殼時用力要輕微，以防止與激光燈接觸所產(chǎn)生的外力干擾以及機械震動使已經(jīng)調(diào)節(jié)好的定位精度再次丟失。校準(zhǔn)完成后，中心點公差范圍一般為1mm。

甲機房安裝自動激光定位儀后，每天設(shè)備晨檢時如果發(fā)現(xiàn)激光系統(tǒng)等中心有偏離，使用遙控器就能快捷地對其進行校準(zhǔn)，保證患者的治療順利進行。

2.2 應(yīng)用分析

在6個月內(nèi)分別對上述2種激光燈進行了40次校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后進行激光燈擬合等中心的驗證，對比2種激光燈校準(zhǔn)所需要的參與人數(shù)、用時及校準(zhǔn)后等中心的誤差，見表1。通過對比可知，使用自動激光定位儀做校準(zhǔn)可以減少操作人員數(shù)量、縮短校準(zhǔn)時間、提高校準(zhǔn)精度。

表1 2種激光定位儀校準(zhǔn)對比表

3 結(jié)語

使用自動激光定位儀可以有效減輕技術(shù)人員在做放療激光燈校準(zhǔn)時的勞動強度，縮短調(diào)校時間，簡化操作流程，提高直線加速器的利用率，提高校準(zhǔn)精度，為精確放療和正常人體組織及危及器官的射線防護提供更有力度的保障，對臨床治療效果的改善有重大意義，能為患者的治療帶來更多積極的影響[5-6]。

[1]胡逸民.腫瘤放射物理學(xué)[M].北京：原子能出版社，1999：618-621.

[2]于修懷，李勝元，任嘩，等.激光定位系統(tǒng)的檢驗與校正[J].總裝

（????）（????）備部醫(yī)學(xué)學(xué)報，2008，10（3）：173-174.

[3]胡志綱.直線加速器激光定位燈的驗證和調(diào)整方法[J].現(xiàn)代腫瘤醫(yī)學(xué)，2013，21（7）：1 596-1 598.

[4]于龍珍.紅外定位系統(tǒng)在精確放療中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2010，27（4）：1 993-1 994.

[5]鞏漢順，鞠忠建，徐壽平，等.G4 CyberKnife——全新式立體定向放療設(shè)備及其臨床應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（4）：127-129.

[6]趙忠仁，陳保民，張樹平.X線立體定向放射治療等中心點的調(diào)定與驗證[J].實用醫(yī)學(xué)影像雜志，2001，2（1）：55-56.

（收稿：2014-10-15 修回：2015-01-12）

Development and application of automatic laser positioning device for radiation therapy

XU Wen-wei,YANG Bo,WU Rui,WEI Xuan,NIU Dao-li
（Department of Radiation Oncology,the First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University,Guangzhou 510230,China）

ObjectiveTo reduce the difficulty of calibration for the laser location lamp in radiotherapy room,and to improve the calibration efficiency and the location accuracy of conformal radiotherapy.MethodsDigital electric control system was used to calibrate the fitting center of automatic laser location device,then the automatic laser location device method and the traditional calibration method were compared and analyzed for calibration course and location result.ResultsThe device saved the time and labor consumed while gained high calibration accuracy.ConclusionThe device can decrease the workload and increase the calibration efficiency and location accuracy,and thus is worthy popularizing practically.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（7）：40-41，112]

automatic laser location device;digital electric control system;positioning accuracy;fitting iso-center

R318.6；TH776

A

1003-8868（2015）07-0040-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.07.040

廣東省科技計劃項目（粵科社字[2011]106）

許文偉（1977—），男，助理工程師，主要從事放射治療的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制方面的研究工作，E-mail：wenweixu@126.com。

510230廣州，廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放療科（許文偉，楊波，伍 銳，魏 旋，牛道立）

牛道立，E-mail：Daoliniu@163.com