利用多传感器进行三维射束分析仪的摆位误差修正方法
阅读说明：本技术 利用多传感器进行三维射束分析仪的摆位误差修正方法 (Method for correcting positioning error of three-dimensional beam analyzer by using multiple sensors ) 是由 杨国涛 熊秋锋 龚岚 黄成刚 华夏 于 2020-05-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用多传感器进行三维射束分析仪的摆位误差修正方法,通过三维射束分析仪的扫描支架,并配合液位传感器,获取扫描平面内四个点的液位差值,通过立体几何计算,完成扫描面与水平面的之间的夹角计算,最终换算为三维射束分析仪的X,Y,Z三轴与放疗设备的GT,AB,CF三个轴的水平变换；再通过三维射束分析仪的扫描支架,并配合环形线阵光敏CCD,中心光敏电阻,获取三维射束分析仪X,Y轴在水平面内的投影与放疗设备GT,AB的夹角,通过几何计算,最终换算为三维射束分析仪的X,Y轴与放疗设备的GT,AB轴的角度变换。本发明方法有效的避免了人为摆位中人眼观察和估读引起的误差,提高了剂量检测是准确性。(The invention discloses a method for correcting the positioning error of a three-dimensional beam analyzer by utilizing multiple sensors, which comprises the steps of acquiring a liquid level difference value of four points in a scanning plane through a scanning bracket of the three-dimensional beam analyzer and matching with a liquid level sensor, completing the calculation of an included angle between the scanning plane and a horizontal plane through solid geometry calculation, and finally converting the included angle into the horizontal transformation of three axes of X, Y and Z of the three-dimensional beam analyzer and three axes of GT, AB and CF of radiotherapy equipment; and acquiring included angles between projections of X and Y axes of the three-dimensional beam analyzer in a horizontal plane and GT and AB axes of the radiotherapy equipment by a scanning bracket of the three-dimensional beam analyzer in cooperation with the annular linear array photosensitive CCD and the central photosensitive resistor, and finally converting the included angles into angle transformation between the X and Y axes of the three-dimensional beam analyzer and the GT and AB axes of the radiotherapy equipment by geometric calculation. The method of the invention effectively avoids errors caused by human eye observation and estimation reading in artificial positioning, and improves the accuracy of dose detection.)
技术领域
本发明涉及三维射束分析仪测试领域，特别是一种利用多传感器进行三维射束分析仪的摆位误差修正方法。
背景技术
2015年恶性肿瘤发病约392.9万人，死亡约233.8万人约占居民全部死因的23.91％。平均每天超过1万人被确诊为癌症，每分钟有7.5个人被确诊为癌症。与历史数据相比，癌症负担呈持续上升态势。近10多年来，恶性肿瘤发病率每年保持约3.9％的增幅，死亡率每年保持2.5％的增幅。根据WHO数据显示，大约70％的癌症患者在治疗过程中需要进行放射治疗，其中40％的人可以得到根治。
2017年，国家癌症中心发布了《放射治疗质量控制基本指南》，在此基础上，2017年启动了本次发布的5部放疗专项指南的撰写工作，经过两年的评审、修改，今年正式对外发布。发布了《医用电子直线加速器质量控制指南》、《后装治疗机的质量控制和质量保证》、《螺旋断层放疗系统的质量保证》、《放射治疗记录与验证系统质量控制指南》和《调强放疗剂量验证实践指南》5部放疗质控指南，这是我国首次发布针对不同放疗技术和设备的指南。
三维射束分析仪也称三维水箱，是对医用电子直线加速器(或60Co治疗机)输出的射线三维剂量分布进行测量和分析的大型仪器。是加速器厂商在生产过程中，对加速器各项参数进行调试的必须工具，也是治疗计划系统(TPS)所需参数的测量工具。不管是加速器的生产，还是临床的放射治疗过程，都需要该系统测量的数据。因此，三维水箱在保证放射治疗质量中起着非常重耍的作用。
为了对放疗设备进行质量检测，必须对放疗设备的各项关键剂量参数进行检测。而在对放疗设备这一些关键剂量参数进行量值检测中，需要对射束分析仪进行摆位工作，目的是：1、确保三维射束分析仪的扫描支架的X轴与放疗设备的GT轴平行或重合。2、确保保证三维射束分析仪的扫描支架的Y轴与放疗设备的AB轴平行或重合。3、确保三维射束分析仪的扫描支架的Z轴与放疗设备的CF轴平行或重合。
目前在放疗设备的检测中，为保证放疗设备中放疗设备存在三个轴方向，分别为AB，GT，CF轴，AB为水平面内垂直于放疗床板方向，GT为水平面内平行于放疗床板方向，CF为铅锤方向(垂直于水平面)；三维射束分析仪的扫描支架有个有三个轴方向，分别为X，Y，Z轴。X，Y为在一个水平面内，Z轴垂直于X，Y轴形成的平面。X，Y，Z三个轴平行和重合均采用人工摆位和人工观察，估读的方法。在医院加速器周围会有对应于GT方向的激光线，而三维射束分析仪水箱箱体上也会有对应于X轴的刻度线(刻线位于Y轴的行程中心)，通过人工摆位并配合人眼观察，当激光线以刻度线平行或者重合就认为可以了。在医院加速器周围会又对应于AB方向的激光线，而三维射束分析仪水箱箱体上也会有对应于Y轴的刻度线(刻线位于X轴的行程中心)，通过人工摆位并配合人眼观察，当激光线以刻度线平行或者重合就认为可以了。在医院加速器是经过调试的理论上CF是垂直于水平面的，所以通过调整三维射束分析仪水箱箱体地面(或者顶面)与水平面平行也，那么Z轴就与CF轴平行了，通过人工人眼观察水平尺中的水平泡(或者数显水平尺)，当人眼观察到水平泡位于中心即可。
但是目前采用的都是人工摆位，人眼观察和估读，存在一下问题：1、人眼观察放疗设备的GT方向激光是否与三维射束仪的X轴行程中心刻度线平行，人眼判断误差为0.1mm～0.5mm。2、人眼观察放疗设备的AB方向激光是否与三维射束仪的Y轴行程中心刻度线平行，人眼判断误差为0.1mm～0.5mm。3、三维射束分析仪Z轴与放疗设备CF的平行与重合，是通过利用读水平尺调整箱体平面与水平面平行来实现的，误差为0.2°，但是投影到XY平面就会引起X轴或Y轴方向，正负1mm的定位误差。这些误差会影响检测结果的准确性，如果是最终转换到患者的治疗过程中，那么就会对患者的正常细胞和组织造成伤害，导致治疗失败或者死亡。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用多传感器进行三维射束分析仪的摆位误差修正方法，减小利用三维射束分析仪检测放疗设备水中剂量分布过程中的人为摆位误差，并满足《YYT 1538-2017放射治疗用自动扫描水模体系统性能和试验方法》规定的定位精度，提高剂量分布检测结果的准确性，降低对放疗患者的身体伤害。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种利用多传感器进行三维射束分析仪的摆位误差修正方法，包括以下步骤：
步骤1：利用液位传感器，测量扫描平面内四个不同点的液位差，计算出水平面与XY平面的夹角，换算为各轴的修正参数；
具体为：
直线加速器三个轴方向，分别为水平AB、水平GT、竖直CF，三维射束分析仪扫描支架三个轴方向，分别为X轴、Y轴、Z轴；通过三维射束分析仪扫描支架分别沿着Y轴，X轴运动形成正方形扫描平面AEFG，A点为液位检测起始点，G点为Y轴运动测量的下一个点，F为A的对角点，E点为G的对角点；
定义平面ABCD为水面，平面AEFG为扫描面，AG＝EF为Y轴方向扫描距离，AE＝FG为X轴方向扫描距离，BE，FC，GD为相对于A点的液位高度差且垂直于平面ABCD，I为EF延长线与BC延长线的交点，H为CD延长线与FG延长线的交点，J为F点垂直于直线IH的垂足，K为C点垂直于直线FJ的垂足；各方向修正如下：
Y轴方向实际扫描距离为AD：AD＝AGcos(arcsin(GD/AG))
X轴方向实际扫描距离为AB：AB＝AEcos(arcsin(EB/AE))
移动Z轴，实际扫描距离为Z：
Y轴方向实际扫描距离为X1：X1＝AD-Zsin∠CBK
Z轴方向实际扫描距离为Y1：Y1＝AB-Zsin∠CDK
水面与扫描平面夹角∠θ：∠θ＝arcsin(FC/FJ)
假设Z轴扫描距离为Z0，那么Z＝Z0cosθ；
通过以上计算完成各个轴的水平走位修正；
步骤2：利用环形线阵光敏CCD(Charge Coupled Device，电荷藕合器件图像传感器)，配合位于圆心的光敏电阻测量X轴、Y轴与GT轴、AB轴在水平面内的夹角；
具体为：
将3600个光敏电阻，按照顺时针编号为C0-C3599，C0与C1799在一条直径上，并通过中心光敏电阻，通过机械结构保证C0与C1799的直径与扫描支架X轴平行，控制扫描支架，带着光敏电阻板移动，当中心光敏电阻经过GT轴暗线时，记录AB，GT轴与环形线阵光敏电阻交点，及被遮挡的光敏电阻，分别记为：CY1，CY2，CX1，CX2，C后面为光敏电阻编号，X轴与GT轴夹角计算如下：
∠φ＝(360/3600)*X1＝0.1*X1
X轴方向实际扫描距离为AD：X＝X1cos∠φ
Y轴方向实际扫描距离为AB：Y＝Y1cos(90°-0.1*(2*Y1-899-X1))
通过以上计算，修正X轴、Y轴与GT轴、AB轴的夹角。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：有效的避免了人为摆位中人眼观察和估读引起的误差，提高了剂量检测是准确性。
附图说明
图1是水箱液位扫描示意图。
图2是水平修正的计算原理图。
图3是加速器野灯特点。
图4是环形线阵光敏CCD。
图5是水平面内的修正的计算原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明是为了解决利用三维射束分析仪检测放疗设备剂量分布过程中的摆位误差问题，提供了一种利用多传感器进行三维射束分析仪的摆位误差修正系统。该系统主要分成两个部分：水平修正、水平面内的修正。
如图1所示：1为三维射束分析仪Y轴，2为Z轴，3为X轴，4为液位传感器，A点位液位检测起始点，G点为沿着Y轴运动测量的下一个点，F为A的对角点，E点为G的对角点，AEFG形成了一个正方形的扫描平面。液位传感器采用磁性液位传感器，测量范围20mm，精度±0.1mm。如图2所示，平面ABCD为水平面，平面AEFG为图1所示的扫描后形成的扫描面，AG＝EF为Y轴方向扫描距离，AE＝FG为X轴方向扫描距离，BE，FC，GD为相对于A点的液位高度差且垂直于平面ABCD，I为EF延长线与BC延长线的交点，H为CD延长线与FG延长线的交点，J为F点垂直于直线IH的垂足，K为C点垂直于直线FJ的垂足。各方向修正如下：
Y轴方向实际扫描距离为AD：AD＝AGcos(arcsin(GD/AG))
X轴方向实际扫描距离为AB：AB＝AEcos(arcsin(EB/AE))
移动Z轴，实际扫描距离为Z：
Y轴方向实际扫描距离为X1：X1＝AD-Zsin∠CBK
Z轴方向实际扫描距离为Y1：Y1＝AB-Zsin∠CDK
水面与扫描平面夹角∠θ：∠θ＝arcsin(FC/FJ)
假设Z轴扫描距离为Z0，那么Z＝Z0cosθ；
通过以上计算完成各个轴的水平走位修正，解决检测过程中水平摆位误差，及三维射束分析仪Z轴与放疗设备的CF竖直轴平行误差，将误差缩减到满足国标要求，有效的提高精度，降低人为误差。
水平面内修正，X，Y轴在水平面内的投影会和放疗设备的GT，AB轴存在夹角，因此需要修正。由图3所示为加速器野灯特点，有明暗变化，形成一个“田”字，“田”字的外圈为暗区，中间有两条十字交叉的暗线和四个亮区。而十字交叉的暗线正是放疗设备的AB，GT轴。
本发明利用环形线阵光敏CCD，配合位于圆心的光敏电阻完成三维射束分析仪X，Y轴与放疗设备的GT，AB轴在水平面内的夹角的测量。如图4所示为环形线阵光敏传感器，外圈为环形线阵光敏CCD，由3600个敏二极管组成，半径为R，中心为一个光敏电阻。如图5所示为计算原理图，将3600个光敏电阻，按照顺时针编号为C0-C3599，C0与C1799在一条直径上，并通过中心光敏电阻，通过机械结构保证C0与C1799的直径与扫描支架X轴平行，控制扫描支架，带着光敏电阻板移动，当中心光敏电阻经过GT轴暗线时，记录AB，GT轴与环形线阵光敏电阻交点，及被遮挡的光敏电阻，分别记为：CY1，CY2，CX1，CX2，C后面为光敏电阻编号，X轴与GT轴夹角计算如下：
∠φ＝(360/3600)*X1＝0.1*X1
X轴方向实际扫描距离为AD：X＝X1cos∠φ
Y轴方向实际扫描距离为AB：Y＝Y1cos(90°-0.1*(2*Y1-899-X1))
通过以上计算，解决放射治疗水中剂量分布测试中水平面内，X,Y轴与加速器射野GT，AB平行问题，降低人为误差，保证测量的准确性。最终完成了利用三维射束分析仪进行放疗设备水中剂量分布检测中人为摆位误差的修正。