CN103776375A - 一种检测直线加速器等中心与球体半径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种检测直线加速器等中心与球体半径的方法，通过调整准直器、机架、治疗床的旋转角度分别获取准直器、机架、治疗床上设置的激光定位灯在光电传感器阵列上的第一坐标点、第二坐标点和第三坐标点；通过最小二乘法将所述准直器、机架或治疗床的第一坐标点、第二坐标点和第三坐标点拟合成圆，获取该圆的圆心坐标并将该圆心坐标相应地设定为准直器、机架或治疗床的轴心；根据准直器、机架或治疗床的轴心计算出直线加速器等中心的三维坐标O(x₀，y₀，z₀)与球体半径R。本方法的检测结果精确，检测过程简单快捷。

Description

一种检测直线加速器等中心与球体半径的方法

技术领域

本发明属于医疗设备测量领域，特别是涉及一种检测直线加速器等中心与球体半径的方法。

背景技术

在肿瘤放射治疗领域，随着放疗技术的进步，放疗作用于人体的射线能量越来越高，对放疗设备本身的精度要求就更为严格，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，因此，经常对放射治疗设备进行质量检测与控制就成为放疗物理师必须的工作。

医用直线加速器等中心精度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，则适形放疗、调强放疗等现代精确放射治疗方法无法实现。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。按照国际标准IEC和国家标准，医用放射学术语（GB/T17857-1999）对等中心的定义：在放射学设备中，各种运动的基准轴线围绕一个公共中心点运动，辐射轴从以此点为中心的最小球体内通过，此点即为等中心（如图1所示）。所述球体半径指医用直线加速器的机架旋转轴心、治疗床旋转轴心、准直器旋转轴心相交于一点的范围，此范围的半径，简称为球体半径。该球体的直径即为等中心的精度误差，对常规放射治疗，国家标准允许的精度是±2mm,对适形放疗、调强放疗、立体定向放射治疗等精确放疗技术，对该精度有更高的要求，应在±1mm以内。直线加速器等中心包括三个部分，准直器旋转轴代表线束中心轴，并与治疗床的旋转轴重合，它们与机架旋转轴的交点称为等中心。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，由于设备的运动磨损老化、环境因素、故障维修等原因，使机器的机械精度变差，从而产生一定的误差。同时，由于不同的生产厂商其设备安装方式和安装工程师，以及机器使用频率的不同，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没有可靠的保证，盲目使用适形放疗、调强放疗必定会导致放疗的失败。

但目前在全世界范围内，物理师在检测放疗设备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，这在对目前放疗技术需要的十分之一毫米级精度而言，已远远不能满足临床要求；同时在放射线剂量输出方面也需要多种检测工具，检测操作与计算都较为复杂繁琐，以上检测方面技术的落后已严重阻碍了放疗治疗的效果。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种通过激光定位灯与光电传感器自动检测并计算直线加速器等中心与球体半径的方法。

一种检测直线加速器等中心与球体半径的方法，所述直线加速器包括机架、准直器和治疗床，所述准直器设置于机架的治疗头的下底面，所述治疗床设置于所述治疗头的下方，该方法应用于检测直线加速器旋转中心与球体半径的系统中，所述系统包括所述直线加速度器、激光定位灯以及光电传感器阵列，所述方法包括步骤：S1、将准直器、机架、治疗床中一个的旋转角度调至零位，激光定位灯相应地设置于被调整旋转角度的准直器、机架或治疗床上，光电传感器阵列相对于激光定位灯固定设置于直线加速器以外，根据光电传感器阵列接收激光定位灯发射出来的光线，分析获取到的光线的中心点，并计算此中心点的坐标，记为第一坐标点；S2、将步骤S1中被调整旋转角度的准直器、机架或治疗床旋转任意角度，根据光电传感器阵列再次分析所述激光定位灯的光线的中心点，并计算此中心点的坐标，记为第二坐标点，然后循环步骤S2获取第三坐标点，然后进入步骤S3；S3、通过最小二乘法将所述准直器、机架或治疗床的第一坐标点、第二坐标点和第三坐标点拟合成圆，获取该圆的圆心坐标并将该圆心坐标相应地设定为准直器、机架或治疗床的轴心；S4、当重复步骤S1至S3直至准直器、机架和治疗床的轴心获取完成后，记准直器的轴心为A(x₁，y₁，z₁)，机架的轴心为B(x₂，y₂，z₂)，治疗床的轴心为C(x₃，y₃，z₃)，根据公式

$\left|\begin{array}{cccc}x& y& z& 1\\ x_1& y_1& z_1& 1\\ x_2& y_2& z_2& 1\\ x_3& y_3& z_3& 1\end{array}\right|=0$ 和 $\left\{\begin{array}{c}{R}^2={(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2---\left(1\right)\\ R^2={(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2---\left(2\right)\\ R^2={(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2---\left(3\right)\end{array}\right.$

计算出直线加速器等中心的三维坐标O(x₀，y₀，z₀)与球体半径R。

本发明的有益效果为，本发明通过光电传感器阵列检测设置于准直器、机架和治疗床上的激光定位灯所发出的激光线的坐标，以及将准直器、机架和治疗床调整角度后激光线的坐标，根据所述坐标分别计算出准直器、机架和治疗床的轴心，根据准直器、机架和治疗床的轴心坐标计算出直线加速器等中心的三维坐标0(x₀，y₀，z₀)与球体半径R。与现有技术相比，本发明通过激光定位灯和光电传感器阵列检测直线加速器等中心的三维坐标与球体半径R，取代了人工目测的方式，实现了自动化检测，简化了检测流程，提高了检测时间效率，同时也提高了检测结果精度，避免了人为因素对检测结果的影响。

附图说明

图1为本发明实施方式中直线加速器等中心示意图；

图2为本发明实施方式中激光定位灯、光电传感器阵列以及直线加速器的位置设置关系示意图；

图3为本发明实施方式检测直线加速器等中心与球体半径的方法的流程图。

主要标号说明：

1-机架；2-治疗床；3-准直器；4-光电传感器阵列；5、6、7激光定位灯。

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，为本发明实施方式中直线加速器等中心示意图，所述直线加速器包括机架1、准直器3和治疗2床，所述准直器3设置于机架1的治疗头的下底面，所述治疗床2设置于所述治疗头的下方，本发明实施方式一种检测直线加速器等中心与球体半径的方法，该方法应用于检测直线加速器旋转中心与球体半径的系统中，所述系统包括所述直线加速度器、激光定位灯5、6、7以及光电传感器阵列4，请参阅图3，所述方法包括步骤：

S1、将准直器、机架、治疗床中一个的旋转角度调至零位，激光定位灯相应地设置于被调整旋转角度的准直器、机架或治疗床上，光电传感器阵列相对于激光定位灯固定设置于直线加速器以外，根据光电传感器阵列接收激光定位灯发射出来的光线，分析获取到的光线的中心点，并计算此中心点的坐标，记为第一坐标点；

S2、将步骤S1中被调整旋转角度的准直器、机架或治疗床旋转任意角度，根据光电传感器阵列再次分析所述激光定位灯的光线的中心点，并计算此中心点的坐标，记为第二坐标点，然后循环步骤S2获取第三坐标点，然后进入步骤S3；

S3、通过最小二乘法将所述准直器、机架或治疗床的第一坐标点、第二坐标点和第三坐标点拟合成圆，获取该圆的圆心坐标并将该圆心坐标相应地设定为准直器、机架或治疗床的轴心；

其中，最小二乘法拟合圆曲线方程：R²＝(x-A)²+(y-B)²

可得圆曲线方程的另一个形式：x²+y²+ax+by+c＝0

结合参数a，b，c求得近似拟合圆心半径与坐标点的参数：

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

S4、当重复步骤S1至S3直至准直器、机架和治疗床的轴心获取完成后，记准直器的轴心为A(x₁，y₁，z₁)，机架的轴心为B(x₂，y₂，z₂)，治疗床的轴心为C(x₃，y₃，z₃)，根据公式

$\left|\begin{array}{cccc}x& y& z& 1\\ x_1& y_1& z_1& 1\\ x_2& y_2& z_2& 1\\ x_3& y_3& z_3& 1\end{array}\right|=0$ 和 $\left\{\begin{array}{c}{R}^2={(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2---\left(1\right)\\ R^2={(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2---\left(2\right)\\ R^2={(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2---\left(3\right)\end{array}\right.$

计算出直线加速器等中心的三维坐标O(x₀，y₀，z₀)与球体半径R。

如图2所示，为本发明实施方式中激光定位灯、光电传感器阵列以及直线加速器之间的位置关系示意图，其中，激光定位灯5、6和7分别设置于准直器3、治疗床2和机架1，所述光电传感器阵列4由多个精密光电传感器差分排列组成。其中，激光定位灯5、6和7可以圆点形激光定位灯（即其所产生的激光线为圆点形激光线），为了提高激光定位灯5、6和7所产生的激光线的抗干扰性，所述激光定位灯5、6和7为十字形激光定位灯。光电传感器阵列4获取到激光线后对获取到的数据进行处理，计算出十字形激光灯产生的十字形激光灯的交点，此交点的坐标即为激光定位灯在光电传感器阵列上的位置。

为了检测准直器、治疗床和机架时方便光电传感器阵列的设置，将所述光电传感器阵列4分别设置于一矩形体的顶面、底面和侧面，并根据所述矩形体的外形尺寸建立三个光电传感器阵列的三维坐标关系，分别设置有矩阵式排列的精度光电传感器。在设置激光定位灯时，调整激光定位灯5、6和7的方向使其所发出的激光线分别与准直器3、治疗床2和机架1的轴向平行，同时确保调整准直器3、治疗床2和机架1的旋转角度时激光定位灯5、6和7的激光线不会落在所对应的光电传感器阵列的检测范围以外。设置光电传感器阵列时，使用水平传感器调整光电传感器阵列处于水平面，使激光定位5、6和7分别垂直射入对应的光电传感器阵列4，并且尽量将设有光电传感器阵列4的矩形体设置于直线加速器的等中心处。光电传感器阵列4通过扫描每个光电传感器的状态获取激光定位灯产生的激光线的位置并换算成坐标值，三个光电传感器阵列分别获取激光定位灯5、6和7在不同旋转角度时的坐标值。将所述坐标值作为输入计算直线加速器等中心坐标与球体半径。具体计算方法为：

假设准直器轴心坐标、治疗床轴心坐标、机架轴心坐标分别为空间三点A(x₁，y₁，z₁)，B(x₂，y₂，z₂)，C(x₃，y₃，z₃)，令等中心三维坐标为O(x₀，y₀，z₀)，球体半径为R，空间三点确定的平面方程为：

$\left|\begin{array}{cccc}x& y& z& 1\\ x_1& y_1& z_1& 1\\ x_2& y_2& z_2& 1\\ x_3& y_3& z_3& 1\end{array}\right|=0$

记为A₁x+B₁y+C₁z+D₁＝0   (4)

其中：

A₁＝y₁·z₂-y₁·z₃-z₁·y₂+z₁·y₃+y₂·z₃-y₃·z₂

B₁＝-x₁·z₂+x₁·z₃+z₁·x₂-z₁·x₃-x₂·z₃+x₃·z₂

C₁＝x₁·y₂-x₁·y₃-y₁·x₂+y₁·x₃+x_x·y₃-x₃·y₂

D₁＝-x₁·y₂·z₃+x₁·y₃·z₂+x₂·y₁·z₃-x₃·y₁·z_z-x₂·y₃·z₁+x₃·y₂·z₁

根据圆心到三点的距离都为半径，可列出下列三个方程式：

$\left\{\begin{array}{c}{R}^2={(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2---\left(1\right)\\ R^2={(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2---\left(2\right)\\ R^2={(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2---\left(3\right)\end{array}\right.$

由（1）=（2）得：

$2(x_2-x_1)x+2(y_2-y_1)y+2(z_2-z_1)z+x_1^2+y_1^2+z_1^2-x_2^2-y_2^2-z_2^2=0---\left(5\right)$

记为：A₂x+B₂y+C₂z+D₂＝0

由（1）=（3）得：

$2(x_3-x_1)x+2(y_3-y_1)y+2(z_3-z_1)z+x_1^2+y_1^2+z_1^2-x_3^2-y_3^2-z_3^2=0---\left(6\right)$

记为：A₃x+B₃y+C₃z+D₃＝0

联立（4）、（5）、（6）可得

$\left[\begin{array}{ccc}{A}_1& B_1& C_1\\ A_2& B_2& C_2\\ A_3& B_3& C_3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{D}_1\\ D_2\\ D_3\end{array}\right]=0$

计算出圆心坐标，即等中心三维坐标为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right]=-{\left[\begin{array}{ccc}{A}_1& B_1& C_1\\ A_2& B_2& C_2\\ A_3& B_3& C_3\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{D}_1\\ D_2\\ D_3\end{array}\right]$

计算出圆的半径，即等中心球体半径为：

$R=\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2}.$

因平面中三点确定一个圆，每两个点的夹角角度越大，所确定的圆的精度越高，所以为了提高准直器和治疗床轴心的检测精度，所述准直器的第一坐标点、第二坐标点和第三坐标点分别是当准直器旋转至0°、90°和270°时光电传感器阵列接收到的光线中心点的坐标；所述机架与治疗床的第一坐标点、第二坐标点和第三坐标点分别是当机架与治疗床旋转至0°、60°和120°时光电传感器阵列接收到的光线中心点的坐标。

进一步地，平面中三点确定一个圆，随着点数的增多，所确定的圆的精度就越高，为了提高准直器3、治疗床2和机架1轴心的检测精度，所述步骤S2还包括循环步骤S2获取第四坐标点，然后进入步骤S3；

所述步骤S3还包括通过最小二乘法将所述准直器、机架或治疗床的第一坐标点、第二坐标点、第三坐标点和第四坐标点拟合成圆，获取该圆的圆心坐标并将该圆心坐标相应地设定为准直器、机架或治疗床的轴心。

为了提高检测的自动化程度，本实施方式还包括：

步骤S5、将直线加速器等中心的三维坐标O(x₀，y₀，z₀)和球体半径R与设定的系统容差值进行比较，判断等中心与球体计算是否在标准误差范围内。

还包括步骤S6、显示直线加速器等中心的三维坐标O(x₀，y₀，z₀)和球体半径R以及步骤S5中的判断结果。

综上所述，本发明通过激光定位灯与光电传感器阵列实现准直器、机架和治疗床的轴心坐标检测，并自动根据所述轴心坐标计算出直线加速器的等中心与球体半径，与现有技术相比，本发明通过激光定位灯和光电传感器阵列检测直线加速器等中心的三维坐标与球体半径R，取代了人工目测的方式，实现了自动化检测，简化了检测流程，提高了检测时间效率，同时也提高了检测结果精度，避免了人为因素对检测结果的影响。

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 (9)

1.一种检测直线加速器等中心与球体半径的方法，所述直线加速器包括机架、准直器和治疗床，所述准直器设置于机架的治疗头的下底面，所述治疗床设置于所述治疗头的下方，其特征在于，该方法应用于检测直线加速器等中心与球体半径的系统中，所述系统包括所述直线加速度器、激光定位灯以及光电传感器阵列，所述方法包括步骤：

S1、将准直器、机架、治疗床中一个的旋转角度调至零位，激光定位灯相应地设置于被调整旋转角度的准直器、机架或治疗床上，光电传感器阵列相对于激光定位灯固定设置于直线加速器以外，根据光电传感器阵列接收激光定位灯发射出来的光线，分析获取到的光线的中心点，并计算此中心点的坐标，记为第一坐标点；

S2、将步骤S1中被调整旋转角度的准直器、机架或治疗床旋转任意角度，根据光电传感器阵列再次分析所述激光定位灯的光线的中心点，并计算此中心点的坐标，记为第二坐标点，然后循环步骤S2获取第三坐标点，然后进入步骤S3；

S3、通过最小二乘法将所述准直器、机架或治疗床的第一坐标点、第二坐标点和第三坐标点拟合成圆，获取该圆的圆心坐标并将该圆心坐标相应地设定为准直器、机架或治疗床的轴心；

S4、当重复步骤S1至S3直至准直器、机架和治疗床的轴心获取完成后，记准直器的轴心为A(x₁，y_l，z_l)，机架的轴心为B(x₂，y₂，z₂)，治疗床的轴心为C(x₃，y₃，z₃)，根据公式

$\left|\begin{array}{cccc}x& y& z& 1\\ x_1& y_1& z_1& 1\\ x_2& y_2& z_2& 1\\ x_3& y_3& z_3& 1\end{array}\right|=0$ 和 $\left\{\begin{array}{c}{R}^2={(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2---\left(1\right)\\ R^2={(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_2-z)}^2---\left(2\right)\\ R^2={(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_3-z)}^2---\left(3\right)\end{array}\right.$

计算出直线加速器等中心的三维坐标O(x₀，y₀，z₀)与球体半径R。

2.根据要求1所述的检测直线加速器等中心与球体半径的方法，其特征在于，所述准直器的第一坐标点、第二坐标点和第三坐标点分别是当准直器旋转至0°、90°和270°时光电传感器阵列接收到的光线中心点的坐标。

3.根据要求1所述的检测直线加速器等中心与球体半径的方法，其特征在于，所述机架与治疗床的第一坐标点、第二坐标点和第三坐标点分别是当机架与治疗床旋转至0°、60°和120°时光电传感器阵列接收到的光线中心点的坐标。

4.根据要求1所述的检测直线加速器等中心与球体半径的方法，其特征在于，所述步骤S1还包括在设置光电传感器阵列时，使用水平传感器调整光电传感器阵列处于水平面。

5.根据要求1所述的检测直线加速器等中心与球体半径的方法，其特征在于，

所述步骤S2还包括循环步骤S2获取第四坐标点，然后进入步骤S3；

所述步骤S3还包括通过最小二乘法将所述准直器、机架或治疗床的第一坐标点、第二坐标点、第三坐标点和第四坐标点拟合成圆，获取该圆的圆心坐标并将该圆心坐标相应地设定为准直器、机架或治疗床的轴心。

6.根据要求1所述的检测直线加速器等中心与球体半径的方法，其特征在于，还包括步骤S5、将直线加速器等中心的三维坐标O(x₀，y₀，z₀)和球体半径R与设定的系统容差值进行比较，判断等中心与球体计算是否在标准误差范围内。

7.根据要求1所述的检测直线加速器等中心与球体半径的方法，其特征在于，还包括步骤S6、显示直线加速器等中心的三维坐标O(x₀，y₀，z₀)和球体半径R以及步骤S5中的判断结果。

8.根据要求1所述的检测直线加速器等中心与球体半径的方法，其特征在于，所述激光定位灯为十字形激光定位灯。

9.根据要求1所述的检测直线加速器等中心与球体半径的方法，其特征在于，所述光电传感器阵列由多个精密光电传感器差分排列组成。

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