一种医用直线加速器机械参数测量分析系统

2019-06-06方川葛云黄晓林陈颖金建华蔡晶储开岳

中国医学物理学杂志 2019年5期

方川，葛云，黄晓林，陈颖，金建华，蔡晶，储开岳

1.南京大学电子科学与工程学院，江苏南京210023；2.南通市肿瘤医院放疗科，江苏南通226361

前言

直线加速器作为放射治疗的主要医疗设备，其等中心精度的大小直接影响放射治疗质量，等中心的一点偏差，都有可能造成患者治疗靶区偏移并危害正常器官［1-3］。等中心的精度是由加速器各组成部分的机械参数所决定的，虽然医用直线加速器在安装时已经达到临床使用要求，但随着日常使用磨损、器件老化、设备故障维修，难免使得加速器的等中心和机械精度下降［4-5］。因此，医用直线加速器的质量保证和质量控制方法显得尤为重要［6-9］。

本研究设计一种简单、直观、实用的半自动化测量方法，能够有效针对医用直线加速器完成日常检测工作［10］。

1 等中心及机械参数测量方法

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，辐射轴从此点为中心的最小球体内通过，此点即为等中心。具体而言，一般把机架旋转轴线、准直器旋转轴线和治疗床旋转轴线的交点记为加速器的机械等中心。理论上，治疗床旋转轴与准直器旋转轴重合，如图1所示。

图1 等中心示意图Fig.1 Diagram of isocenter

实际测量中，由于机械误差和计算误差，计算得到的两个旋转轴不能交于一点，作机架旋转轴和治疗床旋转轴之间的共垂线（图1），垂足分别记为DA=(xA,yA,zA)和DB=(xB,yB,zB)，则医用直线加速器等中心三维坐标为：

参数λ 的取值由操作者定义。λ 默认取值为0.5，即以公垂线中点选取为加速器等中心坐标。

本设计采用在加速器各部件上贴放定位小球，双目相机跟踪定位小球空间位置的方法来追踪加速器运动，软件利用定位小球的坐标拟合加速器运动参数，从而得到加速器各部件机械参数［11］。具体步骤如下：（1）使用水平注册仪注册水平面，完成相机坐标系到加速器坐标系转换。（2）治疗床上固定一个定位小球，运动治疗床。软件利用最小二乘法拟合治疗床的运动平面圆方程和XYZ 3个轴向位移。（3）机架上固定一个定位小球，运动机架。软件拟合机架运动平面圆方程。（4）注册笔记录当前激光等中心［12］、光野等中心位置。（5）生成测量报告，得到机械等中心坐标，各等中心之间距离，机架和治疗床的平均运动速度、平均运动误差等。

上文只介绍了最简单的测量步骤，用户还可以测量准直器的运动、CBCT 的运动及CBCT 面板位置。

2 系统框架

本系统由硬件和软件两部分组成，每个部分又包含不同模块，对应完成不同的功能。下面详细阐述各模块功能及其实现方法。

2.1 硬件

硬件主要由双目相机和配套工具组成，包括水平注册仪、定位小球、注册笔。主要介绍双目相机、注册笔和水平注册仪。

2.1.1 双目相机双目相机采用加拿大Northern Digital Incorporated公司的Ploaris系列光学测量相机（图2a）。Ploaris 相机内部发射850 nm 的红外光，定制的小球会反射红外光在图像中形成很亮的圆斑，利用空间三角关系得到定位小球的空间坐标，从而达到跟踪定位的目的［13］。

2.1.2 注册笔注册笔（图2b）可用于记录笔尖点的空间位置，在本系统中笔者使用它来注册激光等中心、光野中心，并辅助判断CBCT面板位置。

2.1.3 水平注册仪如图2c 所示，水平注册仪是本系统的一个重要模块，本研究使用它来确定加速器的水平面。因为双目相机获取的定位小球坐标是在相机坐标系中的坐标，而机械等中心、激光等中心、光野中心都是在加速器坐标系中描述的。笔者在水平注册仪上安装3个定位小球，利用不共线的空间3点确定一个平面的原理，使用水平注册仪来确定加速器的水平面，从而确定相机坐标系到加速器坐标系的齐次变换矩阵。注意，双目相机和水平仪摆放好之后，变换矩阵被唯一确定，后续操作不得移动相机，否则需要重新注册水平面。

从相机坐标系转换到加速器坐标系是一个三维空间到三维空间的变换［14］，一个平移操作和一个旋转操作即可完成（图3）。可以用式（2）表示：

图2 双目系统光学测量套件Fig.2 Binocular system optical measurement kit

图3 相机坐标系与加速器坐标系转换图Fig.3 Diagram of conversion from camera coordinate to accelerator coordinate

本系统中，将水平注册仪上的3个定位小球坐标分别定为 XA=(-dA,0,0) 、 XB=(0,0, -dB) 、XC=(dC,0,0)，点B 到直线AC 的垂足设为坐标原点，dA、dB、dC为每个点到原点的距离。

2.2 软件

软件设计采用模块化结构化设计思想。该软件可分为相机驱动模块、界面显示模块、用户交互模块、算法逻辑模块。

2.2.1 相机驱动模块相机作为本系统的视觉传感器，是系统正常工作的基础。本设计将相机SDK 进行良好封装，独立于软件逻辑层应用。启动时会检测相机连接（图4a）。如果相机未连接，不可以进行任何测量操作，必须重新连接相机。

2.2.2 界面显示模块该软件的显示面板有4 个：3D显示面板（图4b）、图表显示面板（图4c）、报告显示面板（图4d）、文字显示面板。

图4 系统软件界面Fig.4 Software interfaces

3D显示面板负责加速器三维模型的渲染和显示［15］，3D模型实时更新加速器的角度、位移信息，图表面板主要用来记录和显示加速器各部件的历史运动参数，包括角度、角速度、3 个轴向位移和速度。同时，用户可以将图表导出以提供分析依据。

报告显示面板=在用户点击“生成报告”按钮后，会计算报告中的各个指标条目，并显示在报告上，用户可以导出报告。

2.2.3 用户交互模块交互模块实则为控制面板，用户按步骤对加速器各部件进行测量，最后点击生成报告，在报告显示面板即可看到报告内容。加速器复位可以清空各模块的历史数据，重新测量各部件。2.2.4 算法逻辑模块为了便于扩展和修改，本软件为每个部件创建一个Handler 类，负责该部件的逻辑业务处理。如校准机架的GantryHandler 类，计算机架旋转的空间圆参数，将得到的参数传递给中心逻辑处理模块，中心逻辑处理模块负责将这些信息传递给显示模块。

这些逻辑模块只做对应的逻辑业务处理，独立于图形界面，符合软件模块设计高内聚、低耦合的原则。

3 实验结果

经医院放射科要求，本研究将两个医院分别定义为A 医院和B 医院。A 医院和B 医院的直线加速器测试参数表见表1和表2。其中平均误差指软件得到的角度、位移值与加速器系统值之间的误差；垂直度和水平度指的是机架或治疗床旋转平面与注册水平面之间的夹角；重复测量误差指软件在多次旋转或平移到同一位置时的解算值之间的误差。