CN205145419U - 多叶准直器叶片定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多叶准直器叶片定位装置，每个叶片上均设有两根信号采集光纤，沿平行于叶片长度的方向布线，靠近叶片头部位置的光纤端面垂直对准叶片表面，且光纤端面与叶片上表面之间存在一定的间隙；多叶准直器的每个叶片上表面均设有周期性的沟槽结构，两根信号采集光纤垂直于叶片表面的端部相距1/4个沟槽周期；该装置还包括与每个叶片对应的信号处理电路，该信号处理电路与相应叶片的两根信号采集光纤连接，将采集的光纤信号进行光电转换并处理，输出表示叶片移动方向的脉冲信号，并对其中一根光纤的脉冲信号进行脉冲计数。本实用新型实现了高精度的叶片定位，并保证了定位装置在辐射环境下长期稳定可靠的运行。

Description

多叶准直器叶片定位装置

技术领域

本实用新型涉及叶片定位装置，尤其涉及一种多叶准直器叶片定位装置。

背景技术

在精确放疗中，需要在靶区的投影方向上尽可能精确形成与靶区形状一致的照射野，因此对照射野形状的精确性有较高的要求。

多叶准直器是用来产生适形辐射野的机械运动部件，俗称多叶光栅、多叶光阑等等，广泛应用于医学领域，多叶准直器是目前实现精确放疗射野形状的最主要设备。多叶准直器叶片运动位置的精确程度直接影响照射野形状的精确性。

现有技术中对多叶准直器的定位主要采用电容屏式反馈或者磁栅反馈式，但是接触式定位装置会与叶片接触并发生相对移动，容易造成器件的磨损，因此接触式定位装置的使用寿命短、定位可靠性也较差。非接触式主要采用红宝石配合CCD相机定位方式，该非接触方式由于CCD相机长期处于辐射环境中，CCD芯片容易失效，需要经常更换CCD相机。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于针对现有技术中接触式定位装置的使用寿命短、定位可靠性也较差的缺陷，以及非接触式需要CCD芯片容易失效，需要经常更换CCD相机的缺陷，提供一种非接触式的多叶准直器叶片定位装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种多叶准直器叶片定位装置，每个叶片上均设有两根信号采集光纤，沿平行于叶片长度的方向布线，靠近叶片头部位置的光纤端面垂直对准叶片表面，且光纤端面与叶片上表面之间存在一定的间隙；多叶准直器的每个叶片上表面均设有周期性的沟槽结构，两根信号采集光纤垂直于叶片表面的端部相距1/4个沟槽周期；

该装置还包括与每个叶片对应的信号处理电路，该信号处理电路与相应叶片的两根信号采集光纤连接，将采集的光纤信号进行光电转换并处理，输出表示叶片移动方向的脉冲信号，并对其中一根光纤的脉冲信号进行脉冲计数。

本实用新型所述的装置中，所述两根信号采集光纤贴在原多叶准直器安装电容屏的位置。

本实用新型所述的装置中，所述周期性的沟槽结构的周期为0.01-0.5mm。

本实用新型所述的装置中，光纤端面与叶片上表面之间的间隙为0.01-0.5mm。

本实用新型所述的装置中，所述信号处理电路包括顺次连接的第一整形电路、第一微分电路和第一与门，所述第一整形电路与其中一根信号采集光纤连接；

该信号处理电路还包括第二整形电路、反相电路和第二微分电路，第二整形电路的输入端与另一根信号采集光纤连接，反相电路的输入端与第一整形电路的输出端连接，反相电路的输出端与第二微分电路的输入端连接；

该信号处理电路还包括第二与门，该第二与门的一个输入端与第二微分电路的输出端连接，该第二与门的另一个输入端与第二整形电路的输出端连接；第二整形电路的输出端还与第一与门的输入端连接。

本实用新型所述的装置中，两根信号采集光纤均为抗辐射光纤。

本实用新型产生的有益效果是：本实用新型通过非接触式的叶片定位装置来对多叶准直器的叶片进行定位，从而避免了器件的磨损。通过在叶片表面制作精密的周期性沟槽结构，根据光纤的反射信号记录光纤经过每一个光栅之后所获得的反射光信号的个数，从而得到叶片相对于光纤头的位移量。通过设置相隔一定距离的两个光纤，根据两个光纤的信号可以精确判断叶片的移动方向。从而实现了高精度的叶片定位，并保证了定位装置在辐射环境下长期稳定可靠的运行。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例信号采集光纤安装在多叶准直器上的局部结构示意图；

图2是本实用新型实施例两根信号采集光纤的输出信号对比示意图；

图3是本实用新型实施例信号处理电路的结构示意图；

图4a是本实用新型实施例叶片正向移动时两根光纤脉冲信号波形分析示意图；

图4b是本实用新型实施例叶片反向移动时两根光纤脉冲信号波形分析示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例的多叶准直器叶片定位装置，在每个叶片上均设有两根信号采集光纤，沿平行于叶片长度的方向布线，靠近叶片头部位置的光纤端面垂直对准叶片表面，且光纤端面与叶片上表面之间存在一定的间隙；多叶准直器的每个叶片上表面均设有周期性的沟槽结构，两根信号采集光纤垂直于叶片表面的端部相距1/4个沟槽周期。该装置还包括与每个叶片对应的信号处理电路，该信号处理电路与相应叶片的两根信号采集光纤连接，将采集的光纤信号进行光电转换并处理，输出表示叶片移动方向的脉冲信号，并对其中一根光纤的脉冲信号进行脉冲计数，得到叶片在周期性的沟槽结构上移动的沟槽个数，根据沟槽个数以及沟槽距离，就可以得到叶片移动的距离。

如图1所示，本实用新型的一个较佳实施例中，采取光栅光电读数的方式，通过在叶片4表面制作精密的刻度(即周期性的沟槽结构3)，记录光纤经过每一个光栅之后所获得的反射光信号的个数，从而得到叶片相对于光纤头的位移量。

光纤可安装在原先多叶准直器的电容屏的位置上，以取代电容屏。光纤的端面垂直对准叶片的上表面。传输光纤贴着电容屏位置，并沿着平行于叶片长度的方向走线，到靠近叶片头部位置再向下，垂直对准叶片表面。光纤端面与叶片上表面的距离为0.01-0.5mm，如可设计为0.1mm，以保证反射光被光纤有效的收集。在叶片前后移动时，这个距离尽可能保持不变，防止收集的反射光的强弱变化，形成干扰信号。

叶片上表面的周期性沟槽结构，能够在光纤与叶片相对移动时，使光纤的反射光的光强形成周期性的变化，其周期在0.01-0.5mm之间。

根据整个系统对定位精度的需求，为了实现±0.3mm的重复定位精度，叶片表面的沟槽结构的周期需要尽量的小。由于单模光纤的模场直径(MFD)为10.5±l.0nm，数值孔径(NA)—般为0.14,也就是说光纤的出射光的单边发散角大约为8度。那么对于距离光纤端面0.1mm的地方，光纤的出射光的光斑直径大约为0.028mm。

出射光经过叶片表面反射后，回到光纤端面的位置，部分光被光纤收集，作为反射信号传输到后续的系统。光纤对反射光的收集能力是由光纤的数值孔径(NA)决定的。也就是说，只有在光纤纤芯范围，入射角小于8度的光能被光纤收集。因此，实际上在0.028mm直径的光斑范围内，只有中央的直径小于10.5^111的光斑能够被反射到光纤从而被收集。因此，理论上，只要叶片表面沟槽结构的周期不小于这个值，光纤就可以通过反射光强的变化识别出沟槽的移动。

因此对于通信光纤而言，其能识别0.01mm的光斑变化，因此为了实现±0.3mm的重复定位精度，要将沟槽结构的尺寸做到尽量小于这个值的十倍。

当光纤与叶片发生相对移动的时候，由于叶片表面的沟槽的起伏结构，使得光纤所收集的反射光信号会发生强弱的变化。反射光每到达一个峰值，就表示叶片移动了一个沟槽的周期的距离，如可通过计数的方式来进行叶片的位移测量。但是这样只能获得移动的距离的大小，并不能得到移动方向的信息。

为了能够判别叶片的移动方向，本实用新型实施例采用两根光纤同时采集沟槽反射光的形式。如图1所示，光纤1和光纤2安装时分别对准沟槽结构周期内的不同位置，两者之间的距离相差1/4个沟槽周期。这样当叶片与光纤相对移动时，光纤2所收集的信号总是比光纤1收集的信号有提前或者延后。

如图2所示，当叶片向左移动时，光纤2比光纤1早1/4个信号周期；而当叶片向右移动时，光纤2比光纤1迟1/4个信号周期。利用这样的特点，可以对光纤1和2的输出信号进行处理，从而可以获得移动方向的信息。

光纤1和光纤2所输出的光信号，经过光电转换之后，就可以将光强大小转变为电压或者电流大小。光电接收元件一般为硅光电池或者光电二极管，前者的频率响应约为s量级，后者的频率响应更高，约为s。

两根光纤中的光信号经过光电转换转变成为电信号，由整形电路整形，得到方波。再经过微分电路处理，得到可以供计数器计数用的脉冲信号。如图3的框图所示，所述信号处理电路包括顺次连接的第一整形电路、第一微分电路和第一与门，所述第一整形电路与其中一根信号采集光纤连接；

该信号处理电路还包括第二整形电路、反相电路和第二微分电路，第二整形电路的输入端与另一根信号采集光纤连接，反相电路的输入端与第一整形电路的输出端连接，反相电路的输出端与第二微分电路的输入端连接；

该信号处理电路还包括第二与门，该第二与门的一个输入端与第二微分电路的输出端连接，该第二与门的另一个输入端与第二整形电路的输出端连接；第二整形电路的输出端还与第一与门的输入端连接。

光纤1的信号经过整形、微分之后，与经过整形之后的光纤2的信号输入到第一与门，作为计数器的加法脉冲；而光纤1的信号经过整形、反相、微分之后，与整形之后的光纤2的信号输入到第二与门，作为计数器的减法脉冲。

当叶片向左移动时，输入到第一与门的两个信号同时处于高电位，因此第一与门开启，输出加法脉冲。而输入第二与门的两个信号不同时处于高电位，因此没有信号输出，如图4a的波形分析图所示。

当叶片向右移动时，输入到第二与门的两个信号同时处于高电位，因此输出加法脉冲。而输入第一与门的两个信号不同时处于高电位，因此没有信号输出，如图4b的波形分析图所示。

根据系统总体性能指标，考虑系统冗余系数为4,则叶片移动速度达到80mm/s。如果叶片表面的沟槽结构周期设计为0.01mm，则所产生的反射光的信号频率为8000Hz，而一般的光电二极管的响应频率基本上都在100kHz以上，因此能够很好的探测每个沟槽结构周期产生的信号。

对于叶片所处的伽马射线的辐照环境可能会对光纤器件造成的影响，一方面将原先的电容屏做成辐射保护的材料，另一方面选取抗辐射光纤作为传输光纤，以降低辐射对光纤传输损耗的影响。

目前，长飞(Y〇FC)等公司都具有成熟的抗辐射光纤产品。比如长飞公司的抗辐射单模光纤，根据TIA/EIA455—64标准测试，其在总剂量50krad，剂量率为0.1rad/s的连续脉冲辐照下，在1310nm窗口的附加损耗是小于3dB/km的。这样的光纤对于医用伽马辐射环境，加上相应的辐射保护，可以保证光纤信号传输长期稳定的运作。

本实用新型通过计数的方式来进行叶片的位移测量，其定位的精度主要决定于叶片表面的刻度的精密程度。由于光纤的数值孔径和纤芯模场直径都足够的小，使得光纤在收集入射光时的空间分辨力度较大。如前面所讨论的，单模光纤能分辨0.01mm的光斑。因此，用光纤定位的方式，可以达到0.01mm量级的精度。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种多叶准直器叶片定位装置，其特征在于，每个叶片上均设有两根信号采集光纤，沿平行于叶片长度的方向布线，靠近叶片头部位置的光纤端面垂直对准叶片表面，且光纤端面与叶片上表面之间存在一定的间隙；多叶准直器的每个叶片上表面均设有周期性的沟槽结构，两根信号采集光纤垂直于叶片表面的端部，相距1/4个沟槽周期；

该装置还包括与每个叶片对应的信号处理电路，该信号处理电路与相应叶片的两根信号采集光纤连接，将采集的光纤信号进行光电转换并处理，输出表示叶片移动方向的脉冲信号，并对其中一根光纤的脉冲信号进行脉冲计数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两根信号采集光纤贴在原多叶准直器安装电容屏的位置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述周期性的沟槽结构的周期为0.01-0.5mm。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，光纤端面与叶片上表面之间的间隙为0.01-0.5mm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理电路包括顺次连接的第一整形电路、第一微分电路和第一与门，所述第一整形电路与其中一根信号采集光纤连接；

该信号处理电路还包括第二整形电路、反相电路和第二微分电路，第二整形电路的输入端与另一根信号采集光纤连接，反相电路的输入端与第一整形电路的输出端连接，反相电路的输出端与第二微分电路的输入端连接；

该信号处理电路还包括第二与门，该第二与门的一个输入端与第二微分电路的输出端连接，该第二与门的另一个输入端与第二整形电路的输出端连接；第二整形电路的输出端还与第一与门的输入端连接。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，两根信号采集光纤均为抗辐射光纤。