自动放疗激光定位仪的开发与应用

许文伟，杨 波，伍 锐，魏 旋，牛道立

自动放疗激光定位仪的开发与应用

许文伟，杨 波，伍 锐，魏 旋，牛道立

目的：设计一种自动放疗激光定位仪，降低校准难度，提高其准确性。方法：利用机械模块和电气控制系统来实现激光灯的调校，由单人远距离遥控即可完成，并将其与传统三维激光定位灯拟合等中心校准的方法和结果进行比较分析。结果：该激光定位仪校准用时更短，校准精度更高，参与人数也更少。结论：该激光定位仪可减轻技术人员的工作强度，提高校准效率和放疗定位精度，可以推广应用。

自动激光定位仪；数字电气控制系统；定位精度；拟合等中心

0 引言

激光定位系统是一种在放射治疗过程中构建可视激光坐标系，以校正人体体位并确定放疗中心点的装置，通常由3组激光灯组成。在放射治疗领域，激光定位仪是确保患者放射治疗时体位重复性和提高放射治疗精度的有效工具[1]。激光定位仪在放疗摆位时可呈现靶区中心在体表的位置。机架正前方的中央激光灯发射“一”字型纵轴激光线Y，其作用主要是校正人体纵轴，通过它与人体矢面（sagittal plane）间的关系，判断人体是否躺直。机架两侧墙壁上各有一组双窗口激光灯（如图1所示），每组射出竖轴线X和横轴线Z的双线激光，2个线相互正交形成“十”字型激光定位光斑。竖轴线可以校正人体横断面（transverse plane）是否与计划图像在同一平面，横轴线可以校正人体冠状面（coronal plane）是否与计划图像在同一平面。3组激光灯可模拟出放疗设备的机械坐标系，激光线交点即坐标系的原点。

图1 双窗口激光灯的内部结构

对于工作中所需要的“一”字型激光定位线，需要调节产生它的激光灯的3个自由度（即位移、倾斜和自旋）来保证照射姿态的稳定（如图2所示）。而整个激光系统有5个“一”字型激光灯，如果需要对它们都进行校准，一共要调节限制15个自由度。

图2 激光灯3个自由度示意图

在激光定位仪的使用过程中，由于地基震动、墙体变形、热胀冷缩、重力下垂、机械磨损等原因，激光线会产生漂移，如果物理师在做质量保证时检查出激光线等中心的偏移数值超出精确放疗所允许的范围，则需对激光灯进行校准[2]。

目前，国内放疗设备机房所安装的激光定位灯大部分是机械式的，校准时需手动调节，调节的幅度缺乏可控性，需要反复进行调节才能达到要求，耗时较长[3]。为了使激光灯的校准更快速、简便和准确，现在设计出一种数字电气控制的激光灯，并在相关公司的技术支持与合作下研制出自动激光定位仪。经过反复测试，该激光定位仪能达到设计及实际应用要求，目前已投入到临床使用。

1 自动激光定位仪设计

与传统的激光定位仪相比，自动激光定位仪用机械模块和电气控制系统来实现激光灯的调校。激光灯的3个自由度的动作由步进电动机来驱动（如图3所示）。数字电气控制部分控制电动机的运动幅度，校准人员可根据实际情况选择相应的幅度参数来调节激光灯的运动，以达到使用要求。

图3 步进电动机驱动激光灯运动原理图

该定位仪激光灯的3个自由度定位姿态调节可全部由单人远距离遥控完成，既节省人力，又可有效避免操作人员与激光灯部件直接接触所产生的外力干扰及机械震动。该定位仪具有高分辨率定位控制精度，角度值最小分辨率为0.02°，位移值最小分辨率为0.2 mm。仪器上横向和竖向2只激光灯的亮度可以分别通过遥控器调节，以满足不同投射距离的光斑亮度需求；其焦距也可以分别通过遥控器调节，以使激光线显示得清晰细致。操作人员可以通过自动激光定位仪上的LED显示屏确认激光灯每个自由度的当前位置；所有自由度定位姿态参数均可以保存，并通过内部位置传感器重复定位。自动激光定位仪能够充当信息化数字节点，并与其他信息化设备通过无线数字交换激光灯定位信息。

2 自动激光定位仪在放疗精确定位中的应用

2.1 应用情况

现有甲和乙2个直线加速器机房，甲机房安装自动激光定位仪系统，乙机房安装传统手动三维激光定位系统。经过6个月的临床使用，对上述2处激光灯定位系统的校准操作流程与结果做如下比较：

（1）操作流程的比较：自动激光定位仪校准时只需要一个操作人员站在直线加速器等中心附近，通过遥控器远距离调节激光灯各个自由度参数，得到最佳位置后，15 min内便可以完成校准；传统手动三维激光定位系统校准时需要2名人员配合操作，一个人站在直线加速器等中心附近观察激光线投射位置，另一个人站在激光灯所处墙边，打开激光灯外壳，用六角扳手松开激光灯各自由度姿态锁定螺钉，手动调节微调螺栓，且需要反复调节，并与站在等中心附近的操作人员交流，找到最佳位置后，拧紧激光灯各自由度姿态锁定螺钉，重新盖上并固定激光灯防尘外壳，完成校准需60 min以上[4]。

（2）操作精度的比较：自动激光定位仪校准时对激光灯各个自由度参数值的调节分别有微调、中调、粗调3种不同的控制分辨率对应操作。操作顺序是先粗调再微调，校准完成后，中心点公差范围小于0.5 mm。自动激光定位仪具有内部位置传感器，当位置参数存储后，随时可将该组参数提取出来，让激光灯姿态快速回归到前一次储存的位置，可避免操作人员按错按键导致的位置偏移。对于传统手动三维激光定位系统，需要操作人员在调节激光灯自由度时经验性比较强，力度要保持平稳，调节幅度要尽可能小，才能保证调节精度。手动调节某个自由度时通常会影响到另外一个自由度，需要反复调节找到平衡。在拧紧锁定螺钉和盖激光灯防尘外壳时用力要轻微，以防止与激光灯接触所产生的外力干扰以及机械震动使已经调节好的定位精度再次丢失。校准完成后，中心点公差范围一般为1mm。

甲机房安装自动激光定位仪后，每天设备晨检时如果发现激光系统等中心有偏离，使用遥控器就能快捷地对其进行校准，保证患者的治疗顺利进行。

2.2 应用分析

在6个月内分别对上述2种激光灯进行了40次校准，校准后进行激光灯拟合等中心的验证，对比2种激光灯校准所需要的参与人数、用时及校准后等中心的误差，见表1。通过对比可知，使用自动激光定位仪做校准可以减少操作人员数量、缩短校准时间、提高校准精度。

表1 2种激光定位仪校准对比表

3 结语

使用自动激光定位仪可以有效减轻技术人员在做放疗激光灯校准时的劳动强度，缩短调校时间，简化操作流程，提高直线加速器的利用率，提高校准精度，为精确放疗和正常人体组织及危及器官的射线防护提供更有力度的保障，对临床治疗效果的改善有重大意义，能为患者的治疗带来更多积极的影响[5-6]。

[1]胡逸民.肿瘤放射物理学[M].北京：原子能出版社，1999：618-621.

[2]于修怀，李胜元，任哗，等.激光定位系统的检验与校正[J].总装

（►►►►）（◄◄◄◄）备部医学学报，2008，10（3）：173-174.

[3]胡志纲.直线加速器激光定位灯的验证和调整方法[J].现代肿瘤医学，2013，21（7）：1 596-1 598.

[4]于龙珍.红外定位系统在精确放疗中的应用[J].中国医学物理学杂志，2010，27（4）：1 993-1 994.

[5]巩汉顺，鞠忠建，徐寿平，等.G4 CyberKnife——全新式立体定向放疗设备及其临床应用[J].医疗卫生装备，2013，34（4）：127-129.

[6]赵忠仁，陈保民，张树平.X线立体定向放射治疗等中心点的调定与验证[J].实用医学影像杂志，2001，2（1）：55-56.

（收稿：2014-10-15 修回：2015-01-12）

Development and application of automatic laser positioning device for radiation therapy

XU Wen-wei,YANG Bo,WU Rui,WEI Xuan,NIU Dao-li
（Department of Radiation Oncology,the First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University,Guangzhou 510230,China）

ObjectiveTo reduce the difficulty of calibration for the laser location lamp in radiotherapy room,and to improve the calibration efficiency and the location accuracy of conformal radiotherapy.MethodsDigital electric control system was used to calibrate the fitting center of automatic laser location device,then the automatic laser location device method and the traditional calibration method were compared and analyzed for calibration course and location result.ResultsThe device saved the time and labor consumed while gained high calibration accuracy.ConclusionThe device can decrease the workload and increase the calibration efficiency and location accuracy,and thus is worthy popularizing practically.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（7）：40-41，112]

automatic laser location device;digital electric control system;positioning accuracy;fitting iso-center

R318.6；TH776

A

1003-8868（2015）07-0040-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.07.040

广东省科技计划项目（粤科社字[2011]106）

许文伟（1977—），男，助理工程师，主要从事放射治疗的质量保证和质量控制方面的研究工作，E-mail：wenweixu@126.com。

510230广州，广州医科大学附属第一医院放疗科（许文伟，杨波，伍 锐，魏 旋，牛道立）

牛道立，E-mail：Daoliniu@163.com