中國核動力研究設(shè)計院設(shè)備制造廠 桑國英

激光定位儀的應(yīng)用研究

中國核動力研究設(shè)計院設(shè)備制造廠 桑國英

激光定位儀利用激光光束產(chǎn)生的點、線、十字線進(jìn)行具體位置的確定，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療等單位，傳統(tǒng)的激光定位儀在結(jié)構(gòu)上大同小異，但存在著一定的局限性。基于此，本文提出了一種新型的自動激光定位儀的設(shè)計與應(yīng)用。

激光定位儀；激光光束；自動激光定位儀

引言

激光定位儀是一種激光光束進(jìn)行定位的精密儀器，主要用于醫(yī)學(xué)當(dāng)中，另外在建筑業(yè)、國防工業(yè)當(dāng)中也不可缺少這種儀器。激光定位儀的工作原理在于能夠通過激光光束產(chǎn)生的點、線、十字線進(jìn)行具體位置的確定。激光光束所產(chǎn)生的線“焦距”（寬度）、偏轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、平移和光標(biāo)志中心位置所發(fā)生的變化會對激光光束定位的精度產(chǎn)生影響。激光定位儀在醫(yī)學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用主要是通過可視激光坐標(biāo)系的建立來對人體體位進(jìn)行精準(zhǔn)的定位。傳統(tǒng)的激光定位儀在結(jié)構(gòu)上大同小異，主要的激光燈包含的數(shù)量就是三組，其可以大大提高放射治療的精準(zhǔn)度。但是傳統(tǒng)的激光定位儀存在著一定的局限性，本文在介紹傳統(tǒng)激光定位儀的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的自動激光定位儀的設(shè)計與應(yīng)用。

1.激光定位儀基本結(jié)構(gòu)

激光定位儀采用進(jìn)口高品質(zhì)的激光二極管為核心器件，并使用高精度光學(xué)鏡片，應(yīng)用在醫(yī)療設(shè)備上，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，光線調(diào)節(jié)方便，使用壽命長等特點（如圖1所示）。

圖1 激光定位儀結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備的多種機(jī)構(gòu)調(diào)整均能夠用于激光燈的校準(zhǔn)，由于各方面的原因，激光光線會產(chǎn)生或多或少的漂移，但漂移的范圍必須要能夠在精確放療所需要的范圍內(nèi)。

其工作原理在于專用電源具有很強(qiáng)的抗干擾性、高穩(wěn)定性，抑制浪涌電流及緩啟動等特點；輸出給半導(dǎo)體激光器供電，半導(dǎo)體激光器采用進(jìn)口的激光二極管和光學(xué)系統(tǒng)聚焦發(fā)出光束，經(jīng)專用光學(xué)平面鍍膜反射鏡（平面度：0.02mm）的反射，到光學(xué)半園柱鏡會聚投影，形成明亮細(xì)直的“+”標(biāo)記線和“—”標(biāo)記線，即可以為患者提供準(zhǔn)確的定位標(biāo)志。

通過用十字線的激光亮光來對位置進(jìn)行定位，能夠大大提高光線線寬的精準(zhǔn)度。設(shè)備主要采用的光學(xué)系統(tǒng)包括鏡片鍍膜技術(shù)和柱面鏡組成、激光點光源發(fā)生器及光學(xué)聚焦系統(tǒng)組成。

在激光定位儀具體的工作當(dāng)中，在直線加速器機(jī)房床的兩側(cè)各裝一臺“+”字激光定位儀組件，可投射冠狀線和橫斷線；“一”字型激光定位組件裝在床的垂直對面，可投射一條矢位線，可將治療計劃結(jié)果中的治療等中心點或患者的重要器官參考點的三維坐標(biāo)在體表的對應(yīng)點自動而準(zhǔn)確地投射到皮膚表面，以進(jìn)行體表標(biāo)記，該標(biāo)記即可用作之后的放射治療時的重復(fù)精確定位。左右微調(diào)機(jī)構(gòu)，上下微調(diào)機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)架主要的功用在于保證激光燈在傾斜、位移、自旋方面的調(diào)節(jié)。

2.激光定位儀設(shè)計及其基本參數(shù)

本文提出了一種自動化的激光定位儀，自動激光定位儀設(shè)計需要的零部件包括機(jī)械模塊和電氣控制系統(tǒng)。電氣控制系統(tǒng)主要是用來進(jìn)行對伺服電機(jī)的控制，對光線的偏轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、平移和光標(biāo)志中心位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。激光定位儀的優(yōu)勢在于能夠?qū)燃右钥刂?，因為其本身具有較高的分辨率。激光燈是通過自由度定位來進(jìn)行自動定位的，其優(yōu)勢在于能夠減少機(jī)械震動。為了能夠達(dá)到不同投射距離的光斑亮度需求，激光定位儀設(shè)置專門的遙控進(jìn)行激光定位儀上的微調(diào)機(jī)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。該儀器的角度值最小分辨率為0.02°，位移值最小分辨率為0.2mm。

3.激光定位儀的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用情況

將自動激光定位儀與傳統(tǒng)的手動激光定位儀進(jìn)行對照觀察，分別在不同的機(jī)房安裝上自動激光定位儀系統(tǒng)、手動激光定位儀系統(tǒng)，通過二者在臨床上三個月的對比應(yīng)用，觀察到的結(jié)果如下：

操作的精準(zhǔn)度上：安裝有自動激光定位儀的機(jī)房需要在每天的設(shè)備檢查中進(jìn)行手動的遙控校準(zhǔn)即可；而安裝有手動激光定位儀的機(jī)房在進(jìn)行激光燈自由度的校準(zhǔn)時則需要保證操作人員的經(jīng)驗豐富，而且就算是經(jīng)驗豐富的操作人員也得經(jīng)過反復(fù)調(diào)節(jié)才可以找到平衡的感覺。手動激光定位儀的激光燈校準(zhǔn)之所以繁瑣是因為在進(jìn)行一個自由度調(diào)節(jié)的過程中會對其他的自由度產(chǎn)生影響，所以需要找到各自精準(zhǔn)同時基礎(chǔ)之上的綜合的平衡。自動激光定位儀通過對微調(diào)、中調(diào)、粗調(diào)三種不同的控制分辨率進(jìn)行遙控的操作就可以完成校準(zhǔn)，不過也需要遵循一定的流程，比如先粗調(diào)后微調(diào)。

操作的流程上：自動激光定位儀的激光燈校準(zhǔn)在十五分鐘之內(nèi)就可以完成，所需要的人員為一名；手動激光定位儀的激光燈校準(zhǔn)的時間一般要大于一小時，所需要的人員為兩名。自動激光定位儀的校準(zhǔn)通過遙控器就可以完成各個激光燈的自由度參數(shù)。手動激光定位儀校準(zhǔn)中的兩名人員需要其中一位位于激光燈所處墻邊，另一位位于直線加速器附近，其中前者負(fù)責(zé)激光燈的反復(fù)手動調(diào)節(jié)，后者負(fù)責(zé)觀察激光線投射位置。

3.2 應(yīng)用分析

通過對自動激光定位儀與手動激光定位儀在不同機(jī)房三個月的臨床觀察，發(fā)現(xiàn)二者在操作人員數(shù)量、精準(zhǔn)度、校準(zhǔn)用時等方面具有顯著的不同，如表1所示。

表1 自動激光定位儀與手動激光定位儀校準(zhǔn)比較

可見，自動激光定位儀在各個方面是優(yōu)于手動激光定位儀的。

4.結(jié)語

激光定位儀在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域當(dāng)中扮演著重要角色，傳統(tǒng)的國內(nèi)外激光定位儀都大同小異，而且在實踐當(dāng)中通常都是依靠機(jī)械式手動調(diào)節(jié)的，而經(jīng)過加入伺服電機(jī)自動控制的激光定位儀卻可以彌補手動激光定位儀的調(diào)節(jié)幅度不可控性的缺陷，能夠在較短的時間范圍內(nèi)通過數(shù)字電氣控制來對激光燈進(jìn)行準(zhǔn)確、快速地校準(zhǔn)?？傊詣拥募す舛ㄎ粌x是一項具有創(chuàng)新性的新型儀器，可以大大解放人的雙手，降低工作人員的勞動強(qiáng)度，對于操作流程可以更為簡化，在臨床上的操作應(yīng)用更為實際和簡便，還能保證對患者體位的精準(zhǔn)定位，使患者在治療當(dāng)中收益，是值得推廣的。

[1]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(07)．

[2]鞏漢順,鞠忠建,徐壽平,王連元,黃永杰,王金媛,杜鐳,解傳濱,葛瑞剛,楊濤．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(04)．