蘭州重離子治癌研究裝置的準(zhǔn)直測量技術(shù)

陳文軍 滿開第 王少明 蔡國柱 楊勝利 郭藝珍 袁建東

（中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

蘭州重離子治癌研究裝置的準(zhǔn)直測量技術(shù)

陳文軍 滿開第 王少明 蔡國柱 楊勝利 郭藝珍 袁建東

（中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

介紹了中國科學(xué)院近代物理研究所重離子治癌裝置的安裝定位測量技術(shù)和方法。利用激光跟蹤儀通過控制網(wǎng)的建立，和多重坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，使最后的磁鐵安裝徑向相對誤差不超過±(0.05–0.1) mm，真空管道的橫向及豎向精度也達到了±(0.1–0.2) mm。

重離子治癌裝置，三維控制網(wǎng)，激光跟蹤儀，準(zhǔn)直

重離子治癌一般都在物理研究中心的重離子加速器上實現(xiàn)。美國伯克利實驗室(LBL)于1975年首先利用其重離子加速器 BVALAC進行離子治癌臨床實驗研究，至1992年治療各種癌癥患者2487例。日本、德國于20世紀90年代也相繼建成了醫(yī)用重離子治癌中心[1]。中國科學(xué)院近代物理研究所于2006年在蘭州重離子裝置(HIRFL)上建成了我國第一臺重離子淺層腫瘤治療裝置，并對103名腫瘤患者進行治療，初步臨床治療效果十分顯著；利用新建的蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)(HIRFL-CSR)提供的高能重離子束治療深層腫瘤裝置，也已開始進行臨床治療實驗。

隨著新建加速器的規(guī)模愈來愈大，其安裝精度要求也越來越高。在幾百米甚至數(shù)公里的范圍內(nèi)，要求在橫向和高程方向的誤差為±(0.1–0.3) mm，傳統(tǒng)的光學(xué)儀器已無法滿足大型加速器的精度要求。高精度電磁波測距儀的測距精度可達微米級，光電測角技術(shù)已逐漸取代光學(xué)測角。近幾年來，激光跟蹤儀的出現(xiàn)，使測量精度更上了一個新臺階。HIRFL-CSR重離子治癌裝置的定位安裝，使用FARO公司生產(chǎn)的 SMX4500激光跟蹤儀。本文介紹該裝置的安裝定位測量。

1 定位準(zhǔn)直測量方法

鐵、束流診斷探針、真空管道等組成。其中四極鐵誤差容限為橫向(包括高低和左右0.10 mm、縱向0.3 mm，偏轉(zhuǎn)角容限為0.5 mrad)。二極鐵誤差容限為橫向(包括高低和左右0.25 mm、縱向0.5 mm，偏轉(zhuǎn)角容限為0.5 mrad)。我們采用了目前最先進的測量儀器—激光跟蹤儀及配套軟件來安裝，并研究了相應(yīng)的測量方法。和常規(guī)的大科學(xué)裝置準(zhǔn)直測量類似，蘭州重離子治癌裝置的準(zhǔn)直工作主要分為五步：精密控制網(wǎng)的布設(shè)和測量、元件標(biāo)定、相關(guān)元件的預(yù)準(zhǔn)直安裝、現(xiàn)場安裝準(zhǔn)直、復(fù)測調(diào)整[2]。

1.1 控制網(wǎng)點的布設(shè)

控制網(wǎng)是進行各項測量工作的基礎(chǔ)，根據(jù)HIRFL-CSR與重離子治癌裝置的形狀特點，蘭州重離子治癌裝置的控制網(wǎng)分為全局控制網(wǎng)和局部控制網(wǎng)，全局控制網(wǎng)用于各子網(wǎng)的銜接，包括原來的HIRFL控制網(wǎng)、CSR主環(huán)控制網(wǎng)。局部網(wǎng)保證了加速器和各實驗終端自身相對位置關(guān)系的正確。重離子治癌控制網(wǎng)是以CSR主環(huán)控制網(wǎng)為基礎(chǔ)，進行的控制網(wǎng)沿伸。為了元件的精密調(diào)節(jié)，我們對主環(huán)初級網(wǎng)進行了加密，最終形成了由一百多個網(wǎng)點構(gòu)成的高級加密的全局控制網(wǎng)[3](圖1)。在建立重離子治癌裝置局部控制網(wǎng)時，我們先在隧道內(nèi)均勻地布設(shè)網(wǎng)點，用激光跟蹤儀恢復(fù)主環(huán)全局控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)，然后利用激光跟蹤儀的轉(zhuǎn)站功能對局部控制網(wǎng)進行數(shù)據(jù)采集，從而使全局控制網(wǎng)和局部控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一化。激光跟蹤儀是三維坐標(biāo)測量儀器，其測得的數(shù)據(jù)分析處理應(yīng)有別于傳統(tǒng)平面網(wǎng)和高程網(wǎng)相分離的方法。我們采用跟蹤儀自帶的Insight4.12軟件進行數(shù)據(jù)處理。重離子治癌裝置控制網(wǎng)點分布于狹長隧道內(nèi)，加上儀器的有效測程及障礙物限制，一重離子治療的特點須精確控制劑量分布，故其磁元件安裝和定位病床對準(zhǔn)直的要求都比常規(guī)放療嚴格得多。很多患者選擇重離子治療的原因，就是其腫瘤病灶附近存在很多對輻射很敏感的要緊器官，這些組織接受的劑量必須控制在安全范圍之內(nèi)。因此，重離子治癌裝置就需高精度安裝定位。蘭州離子治癌裝置的元件主要有3塊二極鐵和10塊四極個測站無法完成全部網(wǎng)點的測量，需要進行轉(zhuǎn)站聯(lián)系測量[4]。這樣就使全局控制網(wǎng)和重離子治癌裝置局部控制網(wǎng)很好的結(jié)合在了一起。影響三維控制網(wǎng)精度的因素很多，包括控制網(wǎng)點的分布、儀器的精度、不同觀測值的賦權(quán)等。綜合上述因素，通過多次測量及數(shù)據(jù)處理，蘭州重離子治癌裝置的控制網(wǎng)點精度優(yōu)于0.09 mm。

圖1 CSR主環(huán)控制網(wǎng)及全局坐標(biāo)系Fig.1 The network of CSR and global frame.

圖2 重離子治癌裝置局部控制網(wǎng)Fig.2 Local control network for the facility for heavy ion therapy.

1.2 元件標(biāo)定及預(yù)準(zhǔn)直安裝

1.2.1 二極鐵的粗準(zhǔn)直及元件坐標(biāo)系的建立

首先在待調(diào)節(jié)磁鐵附近架激光跟蹤儀，進行預(yù)熱。在等待期間，利用附近的高程網(wǎng)點，先對磁鐵進行水平調(diào)節(jié)，等到激光束穩(wěn)定后，對儀器再作補償，以使測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。然后測量Level平面和二極鐵所在的4個軸線點。建立如下描述的坐標(biāo)系：以4個軸線點構(gòu)成的2條直線的交點為坐標(biāo)原點，以Level平面法矢量為主軸(Y)，以其中的一條沿束流前進方向的直線作為第二坐標(biāo)軸(Z)，右手定則確定剩余的第三軸(X)。再根據(jù)磁鐵中心與軸線的圖形關(guān)系，以Y軸為基準(zhǔn)，順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系11.25o，再沿X軸平移148.9 mm(兩條弧切線交點到磁鐵中心的距離)。這樣用于粗調(diào)節(jié)二極鐵的坐標(biāo)系 Frame002最終就建立了。將跟蹤儀測量小球(SMR)分別置于磁鐵頂部測量槽線的兩端，記錄dX, dZ值，比較兩個dZ值，若兩個絕對值不等，則沿著數(shù)值小的一方平行移動，直至兩數(shù)大小相等，方向相反；比較兩dX的值，如不等，則需要旋轉(zhuǎn)，使得兩值相等。將SMR放在槽線中部dZ=0處看dX的值是否為0，若不為0，則說明左右需要平移。每調(diào)節(jié)好一個位置，要隨時查看高程是否還在束流平面，以免造成磁鐵歪著身子移動，事倍功半。如此往復(fù)，直到磁鐵達到誤差容限。粗調(diào)節(jié)完畢后，測量磁鐵上焊接的 8個 Nest 坐標(biāo)值，并保存，以備精細調(diào)節(jié)用。

1.2.2 四極鐵的標(biāo)定及預(yù)準(zhǔn)直安裝

在將四極鐵擺放到現(xiàn)場之前，測量人員要對其進行標(biāo)定(Fiducial)。即通過測量磁鐵上的測量標(biāo)志以建立元件坐標(biāo)系。通過測量8個Nest靶標(biāo)點的坐標(biāo)以及頂面中央槽線上3個點，利用測磁旋轉(zhuǎn)線圈來測量測鐵軸線。以軸線為Z軸，以槽線中點在軸線的投影為原點，連接原點和槽線中點為Y軸，右手定則確定X軸。這樣元件坐標(biāo)系的建立即告完成(圖3)。磁鐵擺放到現(xiàn)場后，先用水準(zhǔn)儀照準(zhǔn)磁鐵上下兩部分的接縫到束流平面，然后用跟蹤儀建立磁鐵所在的初級網(wǎng)直線，放 SMR于頂面槽線，視X值調(diào)節(jié)束線左右方向及繞Y軸的旋轉(zhuǎn)，視磁鐵兩端面的Z值調(diào)節(jié)元件間距。

圖3 Nest點在元件坐標(biāo)系中的位置Fig.3 The position of Nest points in device frame.

圖4 各坐標(biāo)系關(guān)系示意圖Fig.4 The relationships among all frames.

2 現(xiàn)場安裝準(zhǔn)直及復(fù)測調(diào)整

2.1 二極鐵的精細調(diào)節(jié)

為精細調(diào)節(jié)二極鐵，我們采用 3個坐標(biāo)系：Frame001—主環(huán)坐標(biāo)系，用于確定磁鐵中心在環(huán)上的全局坐標(biāo)；Frame002—轉(zhuǎn)換用中間坐標(biāo)系，對于不同的二極鐵，調(diào)節(jié)時只須改變中心坐標(biāo)值；Frame003—元件坐標(biāo)系，其構(gòu)造參數(shù)只與磁鐵的幾何形狀有關(guān)，對所有主環(huán)二極鐵，參數(shù)值均相同。

坐標(biāo)系建立后在坐標(biāo)系 Frame002下，首先調(diào)節(jié)磁鐵頂面的靶標(biāo)點方向(Y)，使之與其在元件坐標(biāo)系中Y值之差小于容限，并且在調(diào)節(jié)完每一個方向，都要檢查該值，看其是否超出容限，這樣不僅保證了Y值，而且也似得繞X、Z軸不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。對于Z方向調(diào)節(jié)，主要看靶標(biāo)點的Z差值，若Z差值相同則只需平移即可；若兩點差值較大，則須繞Y旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。對于X方向可照Z方向如法炮制。最后重離子治癌裝置束線上3塊二極鐵準(zhǔn)直結(jié)果如表1。

表1 重離子治癌裝置束線二極鐵調(diào)節(jié)結(jié)果Table 1 The result of dipole adjustment at the facility of treating tumor with heavy ion beams

2.2 四極鐵的精細調(diào)節(jié)

架設(shè)跟蹤儀、預(yù)熱、補償、測量附近的控制網(wǎng)點、Bundle恢復(fù)主環(huán)局部坐標(biāo)系，根據(jù)數(shù)學(xué)模型和磁鐵的理論坐標(biāo)，置入適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)編輯參數(shù)，得到調(diào)節(jié)用元件坐標(biāo)系Frame002，將SMR放在磁鐵8個靶標(biāo)座上，用Watch功能檢測，依據(jù)前述的“磁鐵調(diào)節(jié)判據(jù)”調(diào)節(jié)磁鐵到誤差容限內(nèi)，測量8個Nest坐標(biāo)值，導(dǎo)入元件坐標(biāo)系的坐標(biāo)，進行best-fit擬合，看8個點的綜合誤差是否在容限之內(nèi)，若達到則調(diào)節(jié)完畢，否則繼續(xù)調(diào)節(jié)直至達到容限。通過多次測量，獲得重離子治癌線 10塊四極鐵調(diào)節(jié)后的結(jié)果(圖 5)。

圖5 重離子治癌裝置束線四極鐵調(diào)節(jié)結(jié)果Fig.5 The results of quadrupole adjustment for heavy ion therapy.

2.3 真空管道的調(diào)節(jié)

對于真空管道的調(diào)節(jié)，在磁鐵等其它元件調(diào)好后，由于它的精度要求不高，沿束流方向一般已經(jīng)滿足要求，只有高低(Y)和左右(X)兩個方向需要調(diào)節(jié)。

高程調(diào)節(jié)：先在管道附近架設(shè)水準(zhǔn)儀、調(diào)平，將1 m因瓦尺放在二極鐵斷面上，用水準(zhǔn)儀測量，記錄讀數(shù)A，然后將因瓦尺置于可調(diào)節(jié)位置的法蘭上測量，記錄讀數(shù)B，比較A+1/2*法蘭直徑與B的數(shù)值大小，若結(jié)果偏小則降低管道，否則升高管道。

左右方向調(diào)節(jié)：在被調(diào)節(jié)的管道附近架設(shè)激光跟蹤儀，測量該段管道所在的直線或者恢復(fù)控制網(wǎng)數(shù)據(jù)，置SMR于管道法蘭的上部并滑動，Y最大的點則為法蘭最高點，它在束流面的投影為法蘭中心，因此測量最高點在X方向的偏離可以代表中心點的偏離，根據(jù)測量結(jié)果調(diào)節(jié)其支架。真空管道的橫向及豎向精度達到了±(0.1–0.15) mm。

在全部磁元件調(diào)節(jié)完備后，在短時間內(nèi)通過幾次重復(fù)測量，發(fā)現(xiàn)每次測量后的數(shù)據(jù)處理結(jié)果在各個方向上的偏差均不超過0.05 mm，重復(fù)性良好。

3 結(jié)論

運用上述方法在蘭州重離子治癌裝置安裝的所有磁元件，全部達到了實驗要求。蘭州重離子束治療深層腫瘤裝置的安裝調(diào)試已經(jīng)成功，目前已經(jīng)開始進行臨床治療實驗。說明了蘭州重離子裝置安裝測量方法的可行性。由中國科學(xué)院近代物理所、甘肅盛達集團股份有限公司、蘭州市政府三方聯(lián)手投資 10億元建設(shè)的蘭州重離子治癌中心馬上要破土動工了，重離子治癌裝置的安裝定位測量技術(shù)和方法將會在此工程中得以很好的應(yīng)用，也為以后同類精密工程的定位安裝提供了實例。

1 衛(wèi)增泉. 核技術(shù), 2008, 31(1): 22-27 WEI Zengquan. Nucl Tech, 2008, 31(1): 22-27

2 王少明. 強激光與離子束, 2005, 17(5): 797-800 WANG Shaoming. Intense Laser and Ion Beam, 2005,17(5): 797-800

3 武漢測繪學(xué)院、同濟大學(xué)測量教研室合編. 控制測量學(xué)上冊. 北京: 測繪出版社, 1986. 98-100

Wuhan Survey Institute and Tongji University Teaching Survey Joint Prepared. Control Surveying the book.Beijing: Mapping Press, 1986. 98-100

4 SpatialMetriX Corporation. SMX Tracker 4000/4500 Operator’s Guide

CLCTL56

Survey and alignment for the heavy ion therapy facility at IMP

CHEN Wenjun MAN Kaidi WANG Shaoming CAI Guozhu YANG Shengli GUO Yizhen YUAN Jiandong
(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

This paper mainly described the alignment for the facility of heavy ion therapy at Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences. We set up the control network by laser tracker and transform multi-coordinate frame. The accuracy of adjusting magnets has reached ±(0.05–0.1) mm, and accuracy of the horizontal and vertical vacuum pipes has reached ±(0.1–0.2) mm.

The facility of treating tumor with heavy ion beams, 3D control survey network, Laser Tracker,Collimation

TL56

陳文軍，男，1980年出生，2005年畢業(yè)于西南交通大學(xué)測繪工程系，助理工程師，從事加速器測量準(zhǔn)直工作

2009-09-15，

2009-11-26

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