CN102538675B - 一种利用附加光源的光学检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公告了一种利用附加光源的光学检测系统，用于放射、放疗设备等中心点的检测，包括检测主机和可控微型激光发生器，所述可控微型激光发生器包括激光灯及其发射窗口，所述定位检测主机包括底座和安装在底座上的视觉探头，所述视觉探头上安装有光斑感应屏，所述光斑感应屏可以在底座上移动，所述可控微型激光发生器射出的光线射向光斑感应屏。本发明将可控微型激光发生器作为附加光源，配合检测主机进行放射、放疗设备等中心点的检测，容易操作，极大地方便了检测工作，不用移动检测系统就可以构建光柱的空间直线方程，得到设备的等中心点，检测精度高，设备重量轻、体积小，检测时间短。适用于医学放疗设备的物理等中心点的检测。

Description

一种利用附加光源的光学检测系统

本案是以下发明专利的分案申请：申请号：201010546220.6申请日：2010年11月16日发明名称：一种放射、放疗设备等中心点的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种利用附加光源对光线放射相关设备，尤其是医学放射、放疗设备进行等中心点检测的光学检测系统。

背景技术

很多大型设备都需要在空间用光束来模拟其自身的定位坐标系，通过交叉光束来确定坐标原点的空间位置，以此保证其它相关配套设备在空间定位和相对运动时的准确性和精确性。尤其，在医学放射检查和放射治疗领域，放射检查设备(例如：CT、x线模拟定位机等)和放射治疗设备(例如：医用直线加速器、多叶光栅准直器、γ刀、Co60治疗机等)都是通过三维激光定位灯在空间拟合出这些设备的治疗中心轴和空间定位坐标系，利用射野模拟灯照射出的光斑位置和形状拟合出病人的照射靶区(疑似病灶检查区域或病灶治疗区域)位置和形状，然后再由医生遥控射线束照射靶区。在这种情况下，如果三维激光定位灯拟合出来的空间坐标系和这些设备的现实机械空间坐标系相比误差过大，或者，射野模拟灯照射出的光斑位置和形状与TPS(治疗计划系统)软件规划好的射线照射靶区数字坐标位置和形状不一致，则会对正常人体组织和OAR(危及器官)产生过量射线照射，后果是非常严重的。

目前，在医院使用环境下，去确定这些大型医疗设备物理等中心点在空间的位置并没有什么高效可靠的方法，通常医生会在小机头上安装探杆，利用探杆端部标识等中心，然后旋转大机头，肉眼观察探杆端部的位置跳动情况，估算出最大的偏移量，然后查看行业设备精度指导手册，判断这个最大偏移量是否超差。

如图1所示，以医用直线加速器等中心点检测为例，说明现有的检测方法和流程。为了保证直线加速器的射线精确三维定向照射目标靶区(病灶区域)，就必须保证目标靶区在直线加速器103的大机头(Gantry)104的机械回转中心轴B_5轴与直线加速器103的小机头(Collimator)106的机械回转中心轴B_4轴的空间交汇点(即物理等中心点)处，由于等中心点在临床工作中是一切治疗定位的坐标原点，使用非常频繁，通常由左侧墙壁105上的激光定位灯101和右侧墙壁108上的激光定位灯107以及前侧墙壁110上的激光定位灯109共同构成三位交叉激光定位，它们射出的“十字”激光线在空间交汇，用这个交汇点虚拟出等中心点来。医生需要经常检测激光线虚拟出来的等中心点(B_1轴、B_2轴和B_3轴的交汇点)是否与物理等中心点(B_4轴和B_5轴的交汇点)吻合，或者判断偏移量是否在公差带允许范围内。

现有的检测方法及其流程如下步骤。

1)在直线加速器103的小机头106上安装探杆102，探杆102在安装时通过卡榫和螺丝定位，尽量保证与小机头106同轴(亦即与B_4轴同轴)，探杆102主体为细长型，设计长度使下端部正好达到理论上等中心点的位置。

2)在直线加速器103的治疗床111上放置参考标志杆100，参考标志杆100主体也为细长型，参考标志杆100的位置由目测三位交叉激光定位灯射出的激光线(亦即B_1轴、B_2轴和B_3轴)人工定位，使参考标志杆100的端部位于三条激光线的交汇点位置。

3)这样，参考标志杆100前端部的位置就代表了通过三位交叉激光定位灯虚拟出的等中心点位置；探杆102下端部的位置就代表了通过直线加速器103的大机头104机械回转轴(B_5轴)和小机头106机械回转轴(B_4轴)空间交汇而得到的物理等中心点位置。通过操控大机头104绕B_5轴旋转，人工观察此时探杆102的端部相对于参考标志杆100的端部的位置跳动量，人工估算出最大的偏移量，然后查看行业设备精度指导手册，判断这个最大偏移量是否超差。

整个检测过程需要安装校准探杆102和参考标志杆100，人工观察并计算测量偏差，检测完后要拆卸探杆102和参考标志杆100，使直线加速器恢复到治疗工作准备状态。探杆102和参考标志杆100为钢结构，重量比较重，安装时需要两个人协助完成。探杆102和参考标志杆100的直线度为整个检测过程的重要测量基准，因此要轻拿轻放探杆，并恒温保存探杆102和参考标志杆100，以防因应力释放或者外力作用导致细杆端部的挠度产生较大变化。目前，整个检测时间需要4个小时以上，导致现有检测频率为每三个月至半年检测一次。

以上检测方法和流程所存在的问题是：

1.安装、拆卸探杆102的流程十分繁琐，费时费力。需要先将探杆102定位到小机头106，然后旋紧四个固定螺栓，最后还要校验与B 4轴的同轴度公差。测量完后，需要卸下探杆102，小心保存探杆，以防弯曲变形。

2.使用多次定位、间接测量的检测方法，容易叠加新的误差。如探杆102的安装位置误差、探杆102的长度和挠度误差、小机头106的挠度误差等，它们均会对最后等中心点的校验偏移量造成影响。

3.手工检测工序多、耗费时间长、易出错，对操作人员的经验要求高，不能满足严格的日常检测频率。

4.只能定性，不能定量检测，不能把检测出的误差数字化显示，不能追踪误差变动的历史过程，而且每个人对于误差现象的理解不尽相同，容易导入主观因素偏差。

使用上述方法，医生对相关设备进行定位精度验证的过程会变的十分繁琐和劳累。我国的医疗行业管理机制正在逐步完善之中，国家对大型医疗设备的运行质量保证体系也发布了相应的精度指导规范，广大医疗机构迫切需要一种经济的、智能的、高效的、可靠的方法及其系统来满足更高频率的临床检测需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服以上缺陷，提出一种利用附加光源的光学检测系统，用于放射、放疗设备等中心点的检测，简化检测操作、缩短检测时间、提高检测精度。

本发明的技术问题是通过以下技术方案予以解决的。

本发明提出的这种利用附加光源的光学检测系统，用于放射、放疗设备等中心点的检测，其包括检测主机和可控微型激光发生器，所述检测主机包括底座和安装在底座上的视觉探头，所述视觉探头上安装有光斑感应屏，所述光斑感应屏可以在底座上移动，所述可控微型激光发生器包括激光灯及其发射窗口，所述可控微型激光发生器射出的光线射向光斑感应屏。

所述检测主机还包括竖直滑轨、转动滑轨，所述视觉探头还包括视觉传感器阵列和光学镜头组；所述底座上安装有第一驱动机构，所述第一驱动机构与竖直滑轨的底端连接，并驱动竖直滑轨绕底座的竖直轴线水平旋转；所述竖直滑轨上安装有第二驱动机构，所述第二驱动机构与转动滑轨连接，并驱动转动滑轨绕竖直滑轨上端的横向轴线在设定角度范围内转动；所述转动滑轨上安装有第三驱动机构，所述第三驱动机构与视觉探头一端部连接，并驱动视觉探头沿转动滑轨的轴线平行移动。

所述第一驱动机构包括安装在底座上的第一伺服电机、与第一伺服电机输出端固定的第一传动机构；所述竖直滑轨包括竖直滑轨架和固定在竖直滑轨架底端的旋转杆，所述第一传动机构的输出端与旋转杆固定。

所述第二驱动机构包括安装在竖直滑轨架上的第二伺服电机、由第二伺服电机驱动旋转的竖直丝杆、与竖直丝杆螺纹配合的竖直滑块、与竖直滑块铰接的连杆；所述转动滑轨包括转动滑轨架，所述转动滑轨架与竖直滑轨架通过连接轴铰接，所述连杆的另一端与转动滑轨架铰接。

所述第三驱动机构包括安装在转动滑轨架上的第三伺服电机、由第三伺服电机驱动旋转的转动丝杆、与转动丝杆螺纹配合的转动滑块；所述转动滑块与视觉探头一端部连接。

所述检测主机上还设装有定位指示激光光源。

所述检测主机上还设装有用于遥控可控微型激光发生器的遥控模块，所述可控微型激光发生器设有无线通讯模块。

所述可控微型激光发生器的外表面设有定位刻度线。

所述可控微型激光发生器设有锂离子电池为工作电源。

本发明与现有技术对比所具有的有益效果是：

1.本系统操作简单，降低了物理等中心点检测的复杂性，有效提高了日常临床检测的频率和效率，完善了临床治疗质量管理体系，且通过安装可控微型激光发生器作为附加光源，可以对自身不发射光线的设备进行检测，极大扩展了应用领域。

2.可控微型激光发生器外壳上有定位刻度线，可与检测主机发出的激光线对齐，确认可控微型激光发生器的安装位置。

3.可控微型激光发生器内置有无线通讯信号收发系统，可由检测主机遥控开、关。

4.可由一台检测主机和一至多个可控微型激光发生器共同组建定位信号发生与接收系统，定位信号介质为激光。

5.可快速定位、安装，实现被测设备运行时无接触式测量机械回转轴空间位置的目的。

6.可直接得到物理等中心点的空间位置数字坐标，滤除人工测量时的主观干扰因素，提高检测精度。

7.重量轻、体积小、检测时间短、智能化程度高，在临床设备校验中由一个人操作即可完成对物理等中心点的检测，有力地保障了临床治疗质量管理体系的建设，增加了一种快速、无接触式、动态检测机械回转中心轴空间位置及其相关医疗设备物理等中心点的系统。

附图说明

图1为现有技术中检测等中心点的设备布置示意图；

图2为本发明具体实施方式的检测等中心点的设备布置示意图；

图3为图2中的检测设备立体图；

图4为图3中的检测主机的立体结构图；

图5为图4的部件装配图；

图6为图4的电子模块布置图；

图7为图4检测主机的电气控制结构框图；

图8为图3中的可控激光发生器的立体结构图；

图9为本发明具体实施方式中测得旋转轴直线方程的流程图；

图10为具体实施方式中旋转轴心拟合示意图。

具体实施方式

一种用于医疗放射相关设备等中心点的光学检测系统，如图3至图8所示，包括检测主机和可控微型激光发生器5，其中，可控微型激光发生器5为附加光源，能够配合检测主机对自身不发射光线的设备的等中心点进行光学检测。

如图3、图4、图5所示，检测主机包括底座1、竖直滑轨2、转动滑轨3和视觉探头4。底座1上设有通讯接口11与外接PC机连接。竖直滑轨2可以围绕主机底座1的中心轴A-1轴线旋转360°角度a1；转动滑轨3可以围绕竖直滑轨2上的旋转轴A-2(垂直于图5中的纸面)旋转角度a2(a2为0度到95度)；机器视觉探头4可以沿转动滑轨3的中心轴A-3在a3范围内轴向平行移动，该移动可以使得视觉探头4的光斑感应屏40与外部激光光束有不同的交点。A_2轴在空间永远垂直于A_1轴和A_3轴。当a2角度(即A-1轴与A-3轴夹角)为零时，A_1轴与A_3轴在空间上重合；当a2角度为90度时，A_1轴与A_3轴在空间上垂直相交。底座1上还设有显示屏10，在测量工作状态下，用户可以通过该液晶显示屏10读出测量的实时机械位置数据，而光斑图像数据则实时通过缆线上传到通用便携式PC机。

如图5所示，主机底座1内部装设有第一伺服电机12和由第一伺服电机12带动的第一传动机构，第一传动机构包括与第一伺服电机轴固定的小齿轮18、与小齿轮啮合的大齿轮17、主轴20，大齿轮17和主轴20固定连接，主轴20因此在第一伺服电机带动下绕A 1轴转动。主轴20通过轴承15同轴安装在主轴座13内部，主轴20上面的各种线缆通过主轴20内部的导电滑环14与主机底座1内部的设置的控制主板相连。

竖直滑轨2包括竖直滑轨架25，竖直滑轨架25下端通过旋转杆28与主轴20固定相连，这样当主轴20转动时，竖直滑轨架25也随之绕A_1轴转动。竖直滑轨架25上安装有第二伺服电机21，第二伺服电机21的输出轴连接有竖直丝杆22，第二伺服电机21可带动竖直丝杆22绕自身轴线旋转。竖直丝杆22上通过螺纹配合装设有竖直滑块23，这样当竖直丝杆22旋转时，竖直滑块23将沿竖直丝杆22轴线上下平行移动。竖直滑块23与连杆24的一端通过圆柱销铰接。

转动滑轨3包括转动滑轨架33，转动滑轨架33的下部与竖直滑轨架25的上端通过圆柱销铰接连接，该铰接轴26即为A_2轴。连杆24的另一端与转动滑轨架33的下部也通过圆柱销铰接连接。这样，当第二伺服电机21工作时，竖直滑块23的上下移动带动连杆24和转动滑轨3运动，转动滑轨3就可以随之绕竖直滑轨架25上的圆柱销铰接轴26(A_2轴)转动设定的角度。转动滑轨架33上安装有第三伺服电机30，第三伺服电机的输出轴连接有转动丝杆31，第三伺服电机30可带动转动丝杆31绕自身轴线旋转。转动丝杆31上通过螺纹配合安装有转动滑块32，转动滑块32与视觉探头4一端固定连接，这样当转动丝杆31旋转时，转动滑块32将沿转动丝杆31轴线平行移动，从而带动视觉探头4在设定的距离a3范围内移动。

视觉探头4包括光斑感应屏40和二维视觉传感器阵列和光学镜头组41。外部光线依次经过光斑感应屏、光学镜头组、二维视觉传感器阵列，物距为前两者间的距离，像距为后两者间的距离。

定位检测主机的内部传感器和电子模块布置如图6所示，水平传感器19安装在主机底座1内部，用来测量“定位仪”放置平面相对于水平面的绝对角度偏差，此偏差数据用于将该测量系统内部的相对空间坐标系转换为外部的绝对空间坐标系。主机的控制主板也安装在底座1内部。另外设有定位指示激光光源35，安装在转动滑轨3的后端，并与A_3轴同轴，用它产生的指示光斑可以指导用户安装外置的可控微型激光发生器5，用于本身不发光设备的定位检测。遥控模块安装在竖直滑轨2的前部内侧，用于遥控外置的可控微型激光发生器。另外还设有三个位置原点传感器16(见图5)，分别用于位置检测，从而控制第一伺服电机12、第二伺服电机21、第三伺服电机30的运动位置精度。

定位检测主机的电气模块的连接如图7所示。位置原点传感器16的信号连接控制主板；二维视觉传感器阵列的信号经过视觉信号处理电路连接控制主板；控制主板连接驱动器控制第一伺服电机12、第二伺服电机21、第三伺服电机30的运动；控制主板控制显示屏(例如LCD显示模块10)、遥控模块(例如红外线遥控模块27)、定位指示激光光源35的工作。控制主板通过USB控制总线与外接PC机连接，用户使用通用便携式PC电脑，经过USB控制总线，控制检测各种采样姿态。通过二维视觉传感器阵列及光学镜头组41得到采样光斑信息后，经过视觉信号集成处理电路处理，将光斑图像的数字信号仍然通过USB总线上传到通用便携式PC电脑中，在专用三维图形分析软件中，计算分析得到各种测量结果。

如图3和图8所示，可控微型激光发生器的结构包括激光灯及其发射窗口51、锂电池仓55、无线通讯模块及其发射窗口56、“十字”定位刻度线52、手动开关53等。按住锂电池仓55上的锁扣54，锂电池仓55就可以沿轴线C_1平移拉出，更换了锂电池后，将锂电池仓55再次沿轴线C_1平移推到与可控微型激光光源5外壳平面平齐，锁扣54自动锁死锂电池仓55。可控微型激光发生器采用低功耗运行、锂电池长效供电的工作方式。在保持可控微型激光发生器安装基准位置不变的情况下，锂电池可抽屉式拉出更换或者充电。为了保证测量旋转轴轴心位置的准确性，在设计工艺上，需要对激光灯及其发射窗口51射出的激光线(如图3，A_5轴线方向)与安装基准面6(即可控微型激光发生器5的底座底面)的垂直度公差进行控制。本实施方式通过附加固定可控微型激光发生器到被检测设备上，就可以达到利用检测主机配合上述附加光源自动检测不发光目标设备的定位精度的目的。

如图2和图9、图10所示，采用上述系统对医用直线加速器的物理等中心点进行检测的方法步骤如下。

(1)将可控微型激光发生器5安装在被测设备103的大机头104回转轴B_5法向参考基准面6上，位置在回转轴B_5的轴心附近。对于本身就有光束发生的被测设备，可以利用被测设备本身的光束，就无需安装可控微型激光发生器。安装时，由定位检测主机上的定位指示激光光源35所产生的“十字”光斑照射到安装基准面6上，将可控微型激光发生器5外壳表面上的“十字”定位刻度线52与“十字”光斑对齐，即可确定可控微型激光发生器5的具体安装位置。

(2)通过遥控开启可控微型激光发生器5，产生激光束向定位检测主机方向照射，定位检测主机通过旋转调节竖直滑轨2和转动滑轨3的角度，使其光斑感应屏40与激光线A_5得到一次光斑交点；然后使机器视觉探头4沿转动滑轨3的中心轴A_3轴向平行移动，进而得到二次光斑交点。根据这两次光斑交点，拟合出激光线A_5的空间直线方程，然后通过旋转微调竖直滑轨2和转动滑轨3的角度，使光斑感应屏40与激光线入射方向A 5垂直。这样，光斑感应屏40与安装基准面6(亦即机械回转轴的法向面)空间上互相平行。

(3)旋转被测设备103的大机头104，分别得到可控微型激光光源5入射过来的三个光斑位置，如图10所示，采用最小二乘法将三个光斑的质心位置拟合成一个圆，通过该圆心并垂直于光斑感应屏40的直线即为大机头104旋转轴(B_5)的空间直线方程。

(4)安装上述步骤(1)至步骤(3)的方式，可以通过在小机头106上安装可控微型激光发生器5，得到小机头106旋转轴(B_4)的空间直线方程。

(5)由两个旋转轴的空间直线方程，从而计算出被测设备103的物理等中心点。

上述系统及其方法适用于对医用直线加速器、X线模拟定位机、γ刀、Co60治疗机等医学放射检查和治疗相关设备的机械回转轴空间位置和物理等中心点的自动测量。在实践工作中，亦可用本发明系统及其方法去非接触式测量其它类似的大型设备机械回转轴空间位置。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种放射、放疗设备等中心点的检测系统，其特征在于：包括定位检测主机和可控微型激光发生器，所述可控微型激光发生器包括激光灯及其发射窗口，所述定位检测主机包括底座和安装在底座上的视觉探头，所述视觉探头上安装有视觉传感器阵列和光学镜头组、光斑感应屏，所述视觉探头可以在底座上移动，所述可控微型激光发生器射出的光线射向光斑感应屏，

所述检测主机还包括竖直滑轨、转动滑轨；所述底座上安装有第一驱动机构，所述第一驱动机构与竖直滑轨的底端连接，并驱动竖直滑轨绕底座的竖直轴线水平旋转；所述竖直滑轨上安装有第二驱动机构，所述第二驱动机构与转动滑轨连接，并驱动转动滑轨绕竖直滑轨上端的横向轴线在设定角度范围内转动；所述转动滑轨上安装有第三驱动机构，所述第三驱动机构与视觉探头一端部连接，并驱动视觉探头沿转动滑轨的轴线平行移动。

2.如权利要求1所述的放射、放疗设备等中心点的检测系统，其特征在于：所述第一驱动机构包括安装在底座上的第一伺服电机、与第一伺服电机输出端固定的第一传动机构；所述竖直滑轨包括竖直滑轨架和固定在竖直滑轨架底端的旋转杆，所述第一传动机构的输出端与旋转杆固定。

3.如权利要求2所述的放射、放疗设备等中心点的检测系统，其特征在于：所述第二驱动机构包括安装在竖直滑轨架上的第二伺服电机、由第二伺服电机驱动旋转的竖直丝杆、与竖直丝杆螺纹配合的竖直滑块、与竖直滑块铰接的连杆；所述转动滑轨包括转动滑轨架，所述转动滑轨架与竖直滑轨架通过连接轴铰接，所述连杆的另一端与转动滑轨架铰接。

4.如权利要求3所述的放射、放疗设备等中心点的检测系统，其特征在于：所述第三驱动机构包括安装在转动滑轨架上的第三伺服电机、由第三伺服电机驱动旋转的转动丝杆、与转动丝杆螺纹配合的转动滑块；所述转动滑块与视觉探头一端部连接。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的放射、放疗设备等中心点的检测系统，其特征在于：所述检测主机上还设装有定位指示激光光源。

6.如权利要求5所述的放射、放疗设备等中心点的检测系统，其特征在于：所述检测主机上还设装有用于遥控可控微型激光发生器的遥控模块，所述可控微型激光发生器设有无线通讯模块。

7.如权利要求6所述的放射、放疗设备等中心点的检测系统，其特征在于：所述遥控模块为红外线遥控模块。

8.如权利要求1至4中任意一项所述的放射、放疗设备等中心点的检测系统，其特征在于：所述可控微型激光发生器的外表面设有定位刻度线。

9.如权利要求1至4中任意一项所述的放射、放疗设备等中心点的检测系统，其特征在于：所述可控微型激光发生器设有锂离子电池为工作电源。

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