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)與應用

許文偉，楊 波，伍 銳，魏 旋，牛道立

目的：設計一種自動放療激光定位儀，降低校準難度，提高其準確性。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的方法和結果進行比較分析。結果：該激光定位儀校準用時更短，校準精度更高，參與人數(shù)也更少。結論：該激光定位儀可減輕技術人員的工作強度，提高校準效率和放療定位精度，可以推廣應用。

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建可視激光坐標系，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。在放射治療領域，激光定位儀是確?；颊叻派渲委煏r體位重復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）間的關系，判斷人體是否躺直。機架兩側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備的機械坐標系，激光線交點即坐標系的原點。

圖1 雙窗口激光燈的內部結構

對于工作中所需要的“一”字型激光定位線，需要調節(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，一共要調節(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[2]。

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

1 自動激光定位儀設計

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)激光燈的調校。激光燈的3個自由度的動作由步進電動機來驅動（如圖3所示）。數(shù)字電氣控制部分控制電動機的運動幅度，校準人員可根據(jù)實際情況選擇相應的幅度參數(shù)來調節(jié)激光燈的運動，以達到使用要求。

圖3 步進電動機驅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顯示屏確認激光燈每個自由度的當前位置；所有自由度定位姿態(tài)參數(shù)均可以保存，并通過內部位置傳感器重復定位。自動激光定位儀能夠充當信息化數(shù)字節(jié)點，并與其他信息化設備通過無線數(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用

2.1 應用情況

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)的校準操作流程與結果做如下比較：

（1）操作流程的比較：自動激光定位儀校準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節(jié)激光燈各個自由度參數(shù)，得到最佳位置后，15 min內便可以完成校準；傳統(tǒng)手動三維激光定位系統(tǒng)校準時需要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，手動調節(jié)微調螺栓，且需要反復調節(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，完成校準需60 min以上[4]。

（2）操作精度的比較：自動激光定位儀校準時對激光燈各個自由度參數(shù)值的調節(jié)分別有微調、中調、粗調3種不同的控制分辨率對應操作。操作順序是先粗調再微調，校準完成后，中心點公差范圍小于0.5 mm。自動激光定位儀具有內部位置傳感器，當位置參數(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)，調節(jié)幅度要盡可能小，才能保證調節(jié)精度。手動調節(jié)某個自由度時通常會影響到另外一個自由度，需要反復調節(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)調節(jié)好的定位精度再次丟失。校準完成后，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，保證患者的治療順利進行。

2.2 應用分析

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

表1 2種激光定位儀校準對比表

3 結語

使用自動激光定位儀可以有效減輕技術人員在做放療激光燈校準時的勞動強度，縮短調校時間，簡化操作流程，提高直線加速器的利用率，提高校準精度，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[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)學學報，2008，10（3）：173-174.

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

[4]于龍珍.紅外定位系統(tǒng)在精確放療中的應用[J].中國醫(yī)學物理學雜志，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備及其臨床應用[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定與驗證[J].實用醫(yī)學影像雜志，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量保證和質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