CN103736211B - 放疗设备的旋转部的检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种放疗设备的旋转部的检测方法，该检测方法包括步骤：S1、将激光感应装置固定于放疗设备的可旋转部位的旋转轴心处，将三个激光定位灯分别放置于激光感应装置的两侧和顶侧；S2、计算机根据激光感应装置接收到的激光信号计算出激光定位灯的十字线的交点坐标；S3、可旋转部位根据预设角度进行旋转；S4、重复步骤S2和S3至少两次后，根据得到的至少三组的交点坐标通过最小二乘法拟合圆的方程式计算出圆心坐标与半径；S5、检测半径间的夹角与预设角度的差值、圆心坐标与旋转轴心的平面坐标的差值是否在标准误差范围内。其有益效果是：完全取代人工目测的方式，使检测过程更加快速、检测结果更加精确。

Description

放疗设备的旋转部的检测方法和装置

技术领域

本发明涉及医疗设备测量技术领域，尤其涉及一种放疗设备的旋转部的检测方法和装置。

背景技术

随着科学技术和现代工业的发展，在肿瘤放射治疗领域，医用直线加速器，模拟定位机等医疗设备的旋转机械向着大型、高速和自动化方向发展，且放疗作用于人体的射线能量越来越高，这对旋转机械状态监测和故障诊断提出了更高的要求，稍有不慎造成放射线漏射、偏射与肿瘤位置有偏差，都会导致高能射线照射到人体正常组织或器官从而对患者产生致命的影响。

旋转部的轴心作为旋转机械的一个重要的状态特征参量，能简单、直观、形象地反映设备的运行状况。放疗设备中的直线加速器的等中心精度的大小是现代放射肿瘤学治疗质量的关键因素，它的准确测量和调整是一个放射治疗单位质量保证和质量控制的首要因素，如果这个问题没有解决好，适形放疗、调强放疗等现代精确放射治疗方法就无法实现。直线加速器等中心精度的变化将直接影响患者放射治疗计划中靶区和危及器官的定位，虽然机器在安装时已通过验收并达到临床要求，但在每天的使用中，设备由于运动磨损老化、环境因素、故障维修等原因，机械精度变差从而产生一定的误差。同时，由于不同的生产商的设备安装方式、安装工程师和机器使用频率不同，在一定程序上也会影响直线加速器等中心的精度。如果等中心精度的大小无可靠的保证，盲目使用适形放疗、调强放疗必定会导致放疗失败。

由于以上原因，放疗设备在使用中需要经常进行旋转部的质量检测与控制，但目前放疗物理师在检测放疗设备的旋转部的机械与几何精度时，仍然要利用角尺、水平尺、坐标纸等原始辅助工具进行观察目测，通过人工计算与经验判断来检测设备精度是否达标，这对需要0.1毫米级精度的放疗技术而言，已远远不能满足要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种放疗设备的旋转部的检测方法，该检测方法包括步骤：

S1、将激光感应装置固定于放疗设备的旋转部的旋转轴心处，所述激光感应装置包括光电传感器；将三个激光定位灯分别放置于激光感应装置的两侧和顶侧，位于激光感应装置两侧的激光定位灯和光电传感器这三者的位置在同一直线上；

S2、激光感应装置接收到激光定位灯发射的激光后根据激光信号计算出激光定位灯的十字线的交点坐标；

S3、所述旋转部根据预设角度进行旋转并带动位于旋转轴心处的激光感应装置一起旋转；

S4、重复步骤S2和S3至少两次后，根据得到的至少三组的交点坐标通过最小二乘法拟合圆的方程式计算出圆心坐标与半径；

S5、根据计算出的圆心坐标与半径结合上述多组交点坐标对旋转部的旋转轴心、旋转角度和旋转轴心的跳动半径进行检测。

本发明采用的另一个技术方案是：提供一种放疗设备的旋转部的检测装置，包括：激光感应装置，用于固定于放疗设备的旋转部的旋转轴心处，所述激光感应装置包括光电传感器；激光定位灯，用于分别放置于激光感应装置的两侧和顶侧，位于激光感应装置两侧的激光定位灯和光电传感器这三者的位置在同一直线上；激光感应装置还用于接收到激光定位灯发射的激光后根据激光信号计算出激光定位灯的十字线的交点坐标；旋转部，用于根据预设角度进行旋转并带动位于旋转轴心处的激光感应装置一起旋转；拟合模块，用于根据得到的至少三组的交点坐标通过最小二乘法拟合圆的方程式计算出圆心坐标与半径；检测模块，用于根据计算出的圆心坐标与半径结合上述多组交点坐标对旋转部的旋转轴心、旋转角度和旋转轴心的跳动半径进行检测。

本发明的有益效果是：采用激光对放疗设备的旋转部的旋转轴心、旋转角度和旋转轴心的跳动半径进行检测，可完全取代人工目测的方式，使检测过程 更加快速、检测结果更加精确。

附图说明

图1是本发明的放疗设备的旋转轴心和旋转角度的检测方法的一个实施方式的执行流程图；

图2是本发明的放疗设备的旋转轴心和旋转角度的检测装置的一个实施方式的结构示意图；

图3是本发明的一个实施方式中光电传感器的转盘感应面上激光定位灯照射的最佳位置示意图；

图4是本发明的一个实施方式中旋转轴心的跳动半径的检测示意图。

主要元件符号说明：

100、医用直线加速器治疗床；10、床体；11、床体旋转轴心；20、准直器；21、准直器旋转轴心；30、机架；31、机架旋转轴心；41、第一激光定位灯；42、第二激光定位灯；43、第三激光定位灯；50、激光感应装置。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，本实施方式为一种放疗设备的旋转部的检测方法，该检测方法包括步骤：

S1、将激光感应装置固定于放疗设备的旋转部的旋转轴心处，所述激光感应装置包括光电传感器；将三个激光定位灯分别放置于激光感应装置的两侧和顶侧，位于激光感应装置两侧的激光定位灯和光电传感器这三者的位置在同一直线上；

S2、激光感应装置接收到激光定位灯发射的激光后根据激光信号计算出激光定位灯的十字线的交点坐标；

S3、所述旋转部根据预设角度进行旋转并带动位于旋转轴心处的激光感应装置一起旋转；

S4、重复步骤S2和S3至少两次后，根据得到的至少三组的交点坐标通过最小二乘法拟合圆的方程式计算出圆心坐标与半径；

S5、根据计算出的圆心坐标与半径结合上述多组交点坐标对旋转部的旋转轴心、旋转角度和旋转轴心的跳动半径进行检测。

交点坐标的组数获取得越多，计算出的圆心坐标就越精确。一般在日常检测中会获取三组交点坐标来进行计算，当检测要求提高时，会获取三组以上的交点坐标来进行计算。

进一步地，在一个优选的实施方式中，放疗设备包括医用直线加速器治疗床、计算机断层扫描模拟定位机治疗床、放射治疗模拟定位机治疗床和医用伽玛刀治疗床，这些设备的旋转部包括床体、准直器和机架。

进一步地，在一个优选的实施方式中，激光感应装置还包括原点传感器、水平传感器、激光定位灯图像采集器和计算模块，所述原点传感器用于辅助光电传感器接收激光信号时确定坐标系的原点位置，所述水平传感器用于辅助光电传感器在绝对水平面接收激光信号。

在本实施方式中，步骤S2具体包括：

光电传感器将接收到的激光信号的光阈值电压转化为模拟信号；

激光定位灯图像采集器将模拟信号转化为数字信号形成二值化图像；

计算模块将二值化图像拟合十字线形成坐标点集合数据，并以坐标点集合数据为输入量，通过最小二乘组合算法拟合计算出激光定位灯十字线的交点坐标。

进一步地，在一个优选的实施方式中，步骤S4中的“根据得到的至少三组的交点坐标通过最小二乘法拟合圆的方程式计算出圆心坐标与半径”具体包括：

根据交点坐标{(X_i，Y_i)}(i=0，1，…，m）在取定的函数类Φ中求p(x)∈Φ使误差的平方和E²最小，E²=∑[P(X_i)-Y_i]²，该算式的几何意义表示寻求与给定点{(X_i，Y_i)}(i=0，1，…，m）的距离平方和为最小的曲线y=p(x)，函数p(x)为最小二乘解，近似拟合圆的圆心坐标为（A，B），半径为R，则：

最小二乘法拟合圆的曲线方程为：R²=(x-A)²+(y-B)²；

圆的曲线方程的另一个形式为：x²+y²+ax+by+c=0；

结合参数a、b、c，求得近似拟合圆的圆心坐标和半径的参数为：

$A=\frac{a}{-2},$ $B=\frac{b}{-2},$ $R=\frac{\sqrt{a^2+b^2-4c}}{2}.$

进一步地，在一个优选的实施方式中，步骤S5中对旋转部的旋转轴心、旋转角度和旋转轴心的跳动半径的检测具体包括：

检测所述圆心坐标与所述旋转轴心的理论平面坐标的差值是否在标准误差范围内；

将所述圆心坐标与至少三组交点坐标相连后形成半径，检测半径间的夹角与所述预设角度的差值是否在标准误差范围内；

将多个所述交点坐标作为圆心形成旋转轴心的轨迹，对旋转部的跳动半径进行定量提取，检测跳动半径的变换趋势。

本发明的实施方式还包括一种放疗设备的旋转部的检测装置，包括：激光感应装置、激光定位灯、旋转部、拟合模块和检测模块。

所述激光感应装置用于固定于放疗设备的旋转部的旋转轴心处，所述激光感应装置包括光电传感器。

所述激光定位灯用于分别放置于激光感应装置的两侧和顶侧，位于激光感应装置两侧的激光定位灯和光电传感器这三者的位置在同一直线上。

所述激光感应装置还用于接收到激光定位灯发射的激光后根据激光信号计算出激光定位灯的十字线的交点坐标。

所述旋转部用于根据预设角度进行旋转并带动位于旋转轴心处的激光感应装置一起旋转。

所述拟合模块用于根据得到的至少三组的交点坐标通过最小二乘法拟合圆的方程式计算出圆心坐标与半径。

所述检测模块用于根据计算出的圆心坐标与半径结合上述多组交点坐标对旋转部的旋转轴心、旋转角度和旋转轴心的跳动半径进行检测。

具体地，在一个优选实施方式中，所述激光感应装置还包括原点传感器、水平传感器、激光定位灯图像采集器和计算模块。所述原点传感器用于辅助光电传感器接收激光信号时确定坐标系的原点位置。所述水平传感器用于辅助光 电传感器在绝对水平面接收激光信号。所述光电传感器用于将接收到的激光信号的光阈值电压转化为模拟信号。所述激光定位灯图像采集器用于将模拟信号转化为数字信号形成二值化图像。所述计算模块将二值化图像拟合十字线形成坐标点集合数据，并以坐标点集合数据为输入量，通过最小二乘组合算法拟合计算出激光定位灯十字线的交点坐标。

具体地，在一个优选实施方式中，所述拟合模块还用于根据交点坐标{(X_i，Y_i)}(i=0，1，…，m）在取定的函数类Φ中求p(x)∈Φ使误差的平方和E²最小，E²=∑[P(X_i)-Y_i]²，该算式的几何意义表示寻求与给定点{(X_i，Y_i)}(i=0，1，…，m）的距离平方和为最小的曲线y=p(x)，函数p(x)为最小二乘解，近似拟合圆的圆心坐标为（A，B），半径为R，则：

最小二乘法拟合圆的曲线方程为：R²=(x-A)²+(y-B)²；

圆的曲线方程的另一个形式为：x²+y²+ax+by+c=0；

结合参数a、b、c，求得近似拟合圆的圆心坐标和半径的参数为：

$A=\frac{a}{-2},$ $B=\frac{b}{-2},$ $R=\frac{\sqrt{a^2+b^2-4c}}{2}.$

具体地，在一个优选实施方式中，所述检测模块具体包括旋转轴心检测单元、旋转角度检测单元和旋转轴心的跳动半径检测单元。所述旋转轴心检测单元用于检测所述圆心坐标与所述旋转轴心的理论平面坐标的差值是否在标准误差范围内。所述旋转角度检测单元用于将所述圆心坐标与至少三组交点坐标相连后形成半径，检测半径间的夹角与所述预设角度的差值是否在标准误差范围内。所述旋转轴心的跳动半径检测单元用于将多个所述交点坐标作为圆心形成旋转轴心的轨迹，对旋转部的跳动半径进行定量提取，检测跳动半径的变换趋势。

本发明的有益效果是：采用激光对放疗设备的旋转部的旋转轴心、旋转角度和旋转轴心的跳动半径进行检测，可完全取代人工目测的方式，使检测过程更加快速、检测结果更加精确。

以下列举的是本发明在实际中的典型实施方式。

请参阅图2，图2包括医用直线加速器治疗床100，其旋转部为床体10、准 直器20和机架30，床体10具有床体旋转轴心11，准直器20具有准直器旋转轴心21，机架30具有机架旋转轴心31。本实施方式还包括第一激光定位灯41，第二激光定位灯42、第三激光定位灯43以及激光感应装置50，激光感应装置50包括光电传感器、原点传感器、水平传感器、激光定位灯图像采集器和计算模块。激光感应装置50固定于床体10的床体旋转轴心11处，第一激光定位灯41设于激光感应装置50的顶侧，第二激光定位灯42和第三激光定位灯43设于激光感应装置50的两侧并与激光感应装置50中的光电传感器位于同一直线上。

检测开始后，三个激光定位灯向激光感应装置50发射激光，光电传感器将接收到的激光信号的光阈值电压转化为模拟信号，激光定位灯图像采集器将模拟信号转化为数字信号形成二值化图像，计算模块将二值化图像拟合十字线形成坐标点集合数据，并以坐标点集合数据为输入量，通过最小二乘组合算法拟合计算出激光定位灯十字线的第一组交点坐标（X₁，Y₁）。然后，床体10带动激光感应装置50以床体旋转轴心11旋转两次，得到第二组交点坐标（X₂，Y₂）和第三组交点坐标（X₃，Y₃）。

计算机根据得到的三组交点坐标通过最小二乘法拟合圆的方程式计算出圆心坐标与半径，根据交点坐标{（X₁，Y₁）,（X₂，Y₂）,（X₃，Y₃）}在取定的函数类Φ中求p(x)∈Φ使误差的平方和E²最小，E²=∑[P(X_i)-Y_i]²，该算式的几何意义表示寻求与三组交点坐标的距离平方和为最小的曲线y=p(x)，函数p(x)为最小二乘解，近似拟合圆的圆心坐标为（A，B），半径为R，则：

最小二乘法拟合圆的曲线方程为：R²=(x-A)²+(y-B)²；

圆的曲线方程的另一个形式为：x²+y²+ax+by+c=0；

结合参数a、b、c，求得近似拟合圆的圆心坐标和半径的参数为：

$A=\frac{a}{-2},$ $B=\frac{b}{-2},$ $R=\frac{\sqrt{a^2+b^2-4c}}{2}.$

计算出参数后，可分别对旋转部的旋转轴心、旋转角度和旋转轴心的跳动半径进行检测。检测旋转轴心时，检测所述圆心坐标与所述旋转轴心的理论平面坐标的差值是否在标准误差范围内。检测旋转角度时，将所述圆心坐标与至少三组交点坐标相连后形成半径，检测半径间的夹角与所述预设角度的差值是 否在标准误差范围内。检测旋转轴心的跳动半径时，将多个所述交点坐标作为圆心形成旋转轴心的轨迹，对旋转部的跳动半径进行定量提取，检测跳动半径的变换趋势。

其中，激光定位灯在光电传感器上构成的圆圈要具有适当的大小，太大会超出光电传感器的转盘感应面导致无法检测，而太小则会影响精度，如图3所示的A区域表示转盘感应面上激光定位灯照射的最佳位置。

其中，在检测旋转轴心的跳动半径时可多取几组交点坐标。如图4所示，图4中包括四组交点坐标A,B,C,D，根据四组交点坐标已拟合出圆心。其中，多个交叠在一起的大圆即为以A,B,C,D为圆心形成的旋转轴心轨迹，可根据这些轨迹与拟合出的圆心的不同距离来提取跳动半径，从而检测出跳动半径的变换趋势。

对准直器20和机架30的检测与上述方法相同。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种放疗设备的旋转部的检测方法，其特征在于，该检测方法包括步骤：

S1、将激光感应装置固定于放疗设备的旋转部的旋转轴心处，所述激光感应装置包括光电传感器、原点传感器、水平传感器、激光定位灯图像采集器和计算模块，所述原点传感器用于辅助光电传感器接收激光信号时确定坐标系的原点位置，所述水平传感器用于辅助光电传感器在绝对水平面接收激光信号；将三个激光定位灯分别放置于激光感应装置的两侧和顶侧，位于激光感应装置两侧的激光定位灯和光电传感器这三者的位置在同一直线上；

S2、激光感应装置接收到激光定位灯发射的激光后根据激光信号计算出激光定位灯的十字线的交点坐标；

所述步骤S2具体包括：

光电传感器将接收到的激光信号的光阈值电压转化为模拟信号；

激光定位灯图像采集器将模拟信号转化为数字信号形成二值化图像；

计算模块将二值化图像拟合十字线形成坐标点集合数据，并以坐标点集合数据为输入量，通过最小二乘组合算法拟合计算出激光定位灯十字线的交点坐标；

S3、所述旋转部根据预设角度进行旋转并带动位于旋转轴心处的激光感应装置一起旋转；

S4、重复步骤S2和S3至少两次后，根据得到的至少三组的交点坐标通过最小二乘法拟合圆的方程式计算出圆心坐标与半径；

S5、根据计算出的圆心坐标与半径结合上述多组交点坐标对旋转部的旋转轴心、旋转角度和旋转轴心的跳动半径进行检测。

2.根据权利要求1所述的放疗设备的旋转部的检测方法，其特征在于，所述放疗设备包括医用直线加速器治疗床、计算机断层扫描模拟定位机治疗床、放射治疗模拟定位机治疗床和医用伽玛刀治疗床；所述旋转部包括床体、准直器和机架。

3.根据权利要求1所述的放疗设备的旋转部的检测方法，其特征在于，步骤S4中所述的“根据得到的至少三组的交点坐标通过最小二乘法拟合圆的方程式计算出圆心坐标与半径”具体包括：

根据交点坐标{(X_i，Y_i)}(i＝0，1，…，m)在取定的函数类Φ中求p(x)∈Φ使误差的平方和E²最小，E²＝∑[P(X_i)-Y_i]²，该算式的几何意义表示寻求与给定点{(X_i，Y_i)}(i＝0，1，…，m)的距离平方和为最小的曲线y＝p(x)，函数p(x)为最小二乘解，近似拟合圆的圆心坐标为(A，B)，半径为R，则：

最小二乘法拟合圆的曲线方程为：R²＝(x-A)²+(y-B)²；

圆的曲线方程的另一个形式为：x²+y²+ax+by+c＝0；

结合参数a、b、c，求得近似拟合圆的圆心坐标和半径的参数为：

4.根据权利要求1所述的放疗设备的旋转部的检测方法，其特征在于，步骤S5中对旋转部的旋转轴心、旋转角度和旋转轴心的跳动半径的检测具体包括：

检测所述圆心坐标与所述旋转轴心的理论平面坐标的差值是否在标准误差范围内；

将所述圆心坐标与至少三组交点坐标相连后形成半径，检测半径间的夹角与所述预设角度的差值是否在标准误差范围内；

将多个所述交点坐标作为圆心形成旋转轴心的轨迹，对旋转部的跳动半径进行定量提取，检测跳动半径的变换趋势。

5.一种放疗设备的旋转部的检测装置，其特征在于，包括：

激光感应装置，用于固定于放疗设备的旋转部的旋转轴心处，所述激光感应装置包括光电传感器；

所述激光感应装置还包括原点传感器、水平传感器、激光定位灯图像采集器和计算模块；

所述原点传感器用于辅助光电传感器接收激光信号时确定坐标系的原点位置；

所述水平传感器用于辅助光电传感器在绝对水平面接收激光信号；

所述光电传感器用于将接收到的激光信号的光阈值电压转化为模拟信号；

所述激光定位灯图像采集器用于将模拟信号转化为数字信号形成二值化图像；

所述计算模块将二值化图像拟合十字线形成坐标点集合数据，并以坐标点集合数据为输入量，通过最小二乘组合算法拟合计算出激光定位灯十字线的交点坐标；

激光定位灯，用于分别放置于激光感应装置的两侧和顶侧，位于激光感应装置两侧的激光定位灯和光电传感器这三者的位置在同一直线上；

激光感应装置还用于接收到激光定位灯发射的激光后根据激光信号计算出激光定位灯的十字线的交点坐标；

旋转部，用于根据预设角度进行旋转并带动位于旋转轴心处的激光感应装置一起旋转；

拟合模块，用于根据得到的至少三组的交点坐标通过最小二乘法拟合圆的方程式计算出圆心坐标与半径；

检测模块，用于根据计算出的圆心坐标与半径结合上述多组交点坐标对旋转部的旋转轴心、旋转角度和旋转轴心的跳动半径进行检测。

6.根据权利要求5所述的放疗设备的旋转部的检测装置，其特征在于，所述放疗设备包括医用直线加速器治疗床、计算机断层扫描模拟定位机治疗床、放射治疗模拟定位机治疗床和医用伽玛刀治疗床；所述旋转部包括床体、准直器和机架。

7.根据权利要求5所述的放疗设备的旋转部的检测装置，其特征在于，所述拟合模块还用于根据交点坐标{(X_i，Y_i)}(i＝0，1，…，m)在取定的函数类Φ中求p(x)∈Φ使误差的平方和E²最小，E²＝∑[P(X_i)-Y_i]²，该算式的几何意义表示寻求与给定点{(X_i，Y_i)}(i＝0，1，…，m)的距离平方和为最小的曲线y＝p(x)，函数p(x)为最小二乘解，近似拟合圆的圆心坐标为(A，B)，半径为R，则：

最小二乘法拟合圆的曲线方程为：R²＝(x-A)²+(y-B)²；

圆的曲线方程的另一个形式为：x²+y²+ax+by+c＝0；

结合参数a、b、c，求得近似拟合圆的圆心坐标和半径的参数为：

8.根据权利要求5所述的放疗设备的旋转部的检测装置，其特征在于，所述检测模块具体包括：

旋转轴心检测单元，用于检测所述圆心坐标与所述旋转轴心的理论平面坐标的差值是否在标准误差范围内；

旋转角度检测单元，用于将所述圆心坐标与至少三组交点坐标相连后形成半径，检测半径间的夹角与所述预设角度的差值是否在标准误差范围内；

旋转轴心的跳动半径检测单元，用于将多个所述交点坐标作为圆心形成旋转轴心的轨迹，对旋转部的跳动半径进行定量提取，检测跳动半径的变换趋势。