鄭立夫，許僑洋，方川，葛云，黃曉林，陳穎

1. 北京市醫(yī)療器械檢驗所 機電二室，北京 101111；2. 南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023

引言

電子射野影像裝置（Electronic Portal Imaging Device，EPID）是一種放射治療輔助裝置，于20世紀(jì)50年代開始應(yīng)用于臨床，最初的設(shè)計目的是檢驗和校正擺位誤差[1]。隨著相關(guān)軟硬件的不斷開發(fā)和進步，EPID的使用不斷普及，應(yīng)用范圍也不斷擴大，目前已成為放射治療質(zhì)量保證的重要環(huán)節(jié)[2-4]。

EPID置通常由射線探測器和射野影像處理系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。使用EPID進行放射治療時，輻射束照射靶區(qū)，在出射方向采用電子技術(shù)獲取影像。根據(jù)探測方式可分為熒光探測器、液體電離室探測器和固體探測器三種類型[5-7]。其中，固體探測器系統(tǒng)體積小，分辨率高，運動范圍大，效率高，圖像質(zhì)量優(yōu)異，是目前EPID開發(fā)的熱點，已成為主流的EPID成像技術(shù)[8]。美國Varian公司的PortalVision系統(tǒng)、英國Elekta公司的iViewGT系統(tǒng)、德國Siemens公司的PotiVue系統(tǒng)都屬于非晶硅EPID固體探測器。

EPID最初的設(shè)計目的是在放射治療過程中驗證和校準(zhǔn)患者的擺位誤差，但隨著其應(yīng)用的普及，醫(yī)生和學(xué)者越來越關(guān)注其劑量學(xué)特性，如用EPID測量靶區(qū)、非均勻組織和敏感器官的劑量及照射范圍的變化等[9]，或者從出射影像中獲取劑量分布的信息，用以自動設(shè)計補償器[10-12]。

EPID影像質(zhì)量受到多種因素影響，比如加速器源大小、源到探測器距離、探測器和放大器的靈敏度、加速器脈沖信號、探測器水平程度等等[8,13]。EPID機械位置在安裝時雖已達到臨床使用要求，但隨著日常使用、設(shè)備故障維修、機械器件老化，EPID機械精度可能會有所下降，其標(biāo)定誤差影響著放療擺位、加速器質(zhì)量控制和劑量驗證的結(jié)果。為保證EPID正常發(fā)揮功能，臨床上需要進行相應(yīng)的質(zhì)量保證與控制措施[14-16]。本文提出了一種新的EPID機械精度精確檢測方法。

1 材料與方法

檢測系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件包括定位小球、注冊筆、水平儀和紅外雙目相機，軟件部分包括機械等中心獲取、EPID影像等中心測量和平板打開角度測量。

1.1 硬件部分

1.1.1 紅外雙目相機

本系統(tǒng)使用加拿大Northern Digital Incorporated（NDI）公司生產(chǎn)的Ploaris系列光學(xué)測量相機（圖1）。相機內(nèi)部發(fā)射850 nm紅外光，根據(jù)反射物形成的亮斑，利用空間三角關(guān)系計算空間坐標(biāo)，從而實現(xiàn)跟蹤定位。

圖1 紅外雙目相機

1.1.2 定位小球

測量過程中需要在被測物體上進行標(biāo)記，為了解決自然光易被外界環(huán)境干擾的問題，系統(tǒng)使用球形標(biāo)記物作為特征點，標(biāo)記物如圖2所示，稱為定位小球。定位小球直徑為3.5 cm，表面由大量微小的“全反射鏡”構(gòu)成，全反射鏡表面鍍有一層特殊物質(zhì)，對光線的反射效果更好。在紅外光源的照射下，這些“全反射鏡顆?！笨梢蕴岣吖饩€的反射率，最終大幅提高成像質(zhì)量，提高定位精度。小球下方的黑色底座可以將小球固定在加速器機架、治療床和EPID平板上。在本系統(tǒng)中，定位小球用于記錄加速器機架和治療床的運動軌跡。經(jīng)大量實驗證明，使用NDI紅外雙目相機讀取小球球心坐標(biāo)時，誤差在1 mm以內(nèi)。

1.1.3 注冊筆

注冊筆如圖3所示，由3個小球、黑色支架和金屬筆尖組成。三個小球的球心與筆尖位于一條直線上，小球與筆尖之間的相對位置關(guān)系由支架固定，通過小球的三維坐標(biāo)可以精確計算注冊筆筆尖的空間位置。在本系統(tǒng)中我們用它來測量EPID平板位置，測量的同時注冊筆與EPID平板之間幾乎不產(chǎn)生相互作用力，能有效防止EPID平板因受力產(chǎn)生的形變和角度變化。

圖2 定位小球

圖3 注冊筆

1.1.4 水平注冊儀

水平注冊儀如圖4所示，用于確定加速器系統(tǒng)的水平面。水平注冊儀上固定有3個定位小球，利用“不共線的三點可以確定一個平面”的原理，確定加速器系統(tǒng)的水平面，從而計算相機坐標(biāo)系到加速器坐標(biāo)系的齊次變換矩陣。

水平注冊儀上的三個小球都位于水平儀外側(cè)圓的圓周上，順次連接形成直角三角形，如圖5所示，此三角形的斜邊與水平儀的橫軸刻度線在一條直線上，該直線作為x軸，另一個小球到此直線的垂線作為z軸，兩軸交點即為原點，過原點垂直于水平儀的直線作為y軸，由此可以建立加速器坐標(biāo)系。三個小球在加速器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為PA=(-a,0,0)，PB=(b,0,0)，PC=(0,0,-c)。

圖4 水平注冊儀

圖5 加速器坐標(biāo)系

紅外雙目相機根據(jù)自身位置建立相機坐標(biāo)系，相機坐標(biāo)系下三個小球的坐標(biāo)分別為RA、RB、RC。相機坐標(biāo)系和加速器坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換可以拆分為一個旋轉(zhuǎn)操作和一個平移操作。

其中，Px、Py、Pz表示加速器坐標(biāo)系下小球坐標(biāo)，Rx、Ry、Rz表示相機坐標(biāo)系下小球坐標(biāo)，T表示旋轉(zhuǎn)矩陣，Cx、Cy、Cz表示加速器坐標(biāo)系原點在相機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

需要注意的是，完成水平儀注冊后，變換矩陣由注冊時相機位置和水平儀位置唯一確定，后續(xù)測量操作過程中不得移動相機。

1.2 獲取機械等中心坐標(biāo)

將定位小球固定于加速器機架（A）和治療床（B）上，將機架、治療床分別旋轉(zhuǎn)至任意角度，利用紅外雙目相機實時獲取小球坐標(biāo)。其中機架旋轉(zhuǎn)N次，治療床旋轉(zhuǎn)M次，每次旋轉(zhuǎn)角度不同，得到的兩組小球坐標(biāo)分別記為:

其中，A、B分別表示隨機架、治療床旋轉(zhuǎn)而變化的特征點三維坐標(biāo)集合，i表示機架的第i次旋轉(zhuǎn)，j表示治療床的第j次旋轉(zhuǎn)。理論上，不共線的三個點即可確定一個圓，但考慮到僅用三個點擬合圓則測量過程中的誤差可能會對擬合結(jié)果有較大影響，本文對機架和治療床進行多次旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)多個測量點擬合小球運動軌跡圓。

對于機架來說，根據(jù)“集合中空間點到旋轉(zhuǎn)軸的距離之差最小”原則，求解公式為式(4)：

使得f取值最小的(xc,yc,zc)和R分別為機架上小球運動軌跡擬合圓的圓心和半徑。從擬合得到的圓周上任意選三個點hA1、hA2和hA3，令hA1分別與hA2和hA3做向量，得到向量和，根據(jù)公式(5)：

同理可計算得到治療床旋轉(zhuǎn)軸lB。

理論上lA、lB兩軸的交點即為加速器等中心。但在實際測量中，由于機械磨損、計算誤差等原因，兩軸不一定交于一點，需要計算兩條軸線間公垂線的兩垂足（圖6），分別記為DA=(xA,yA,zA)和DB=(xB,yB,zB)，則加速器機械等中心坐標(biāo)估計為式(7)：

參數(shù)λ是比例系數(shù)，取值由操作者定義，默認取值為0.5，即兩垂足的中點。

圖6 機械等中心

1.3 EPID影像等中心測量

EPID影像等中心測量過程分為以下四個步驟：① 將定位小球固定于治療床上，調(diào)整治療床位置，使小球中心位于1.2中計算出來的機械等中心位置；② 將加速器機架調(diào)整至0°，打開EPID平板，關(guān)閉治療室隔離門，調(diào)取方型野，設(shè)置影像大小為20 cm×20 cm，方型野內(nèi)小球影像與小球?qū)嶋H大小比例為1:1，采集EPID影像P1（圖7）；③ 將加速器機架旋轉(zhuǎn)90°，再次采集EPID影像P2；④ 分別根據(jù)圖像P1和P2中小球圓周輪廓計算EPID影像上機械等中心位置。取圓周輪廓上任意三點，設(shè)三個點坐標(biāo)分別為(x1,y1)、(x2,y2)和(x3,y3)，則可得到式(8)，根據(jù)合并三個公式即可計算出圓心位置(x0,y0)。對圖像P1執(zhí)行上述計算，得到圓心(xp1,yp1)，對圖像P2執(zhí)行上述計算，得到圓心(xp2,yp2)，則EPID影像上機械等中心坐標(biāo)為(xp1,yp2,y1)；⑤EPID影像的正中心為影像等中心，根據(jù)影像P1測量機械等中心與影像等中心水平方向距離(dx,dz)，根據(jù)影像P2測量垂直方向距離dy，從而可以計算出影像等中心與機械等中心之間的距離d如式(9)。

圖7 EPID影像

1.4 EPID平板角度測量

EPID平板角度測量分為以下三個步驟：① 利用注冊筆測量EPID平板上任意三個點的坐標(biāo)，分別記為Q1、Q2和Q3；② 根據(jù)三點確定平面原理 ，計算得到平板法向量；③ 由加速器坐標(biāo)系下豎直方向法向量，計算得到兩向量的夾角。各參數(shù)計算公式，見式(10)(11)和(12)。

2 試驗結(jié)果

本系統(tǒng)在三所醫(yī)院的放療科進行了測試試驗，對每臺EPID重復(fù)3次試驗，每次試驗記錄機械等中心坐標(biāo)、影像等中心偏差、EPID平板角度等數(shù)據(jù)。

A醫(yī)院三次試驗結(jié)果如表1所示。檢測結(jié)果顯示該機器機械等中心與影像等中心偏差在1.3 mm以內(nèi)，三次測量平均偏差為1.103 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.103 mm；平板傾斜角度在1.1°以內(nèi)，三次測量平均傾斜角度為0.907°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.103°。

B醫(yī)院三次試驗結(jié)果如表2所示。檢測結(jié)果顯示該機器機械等中心與影像等中心偏差在1.1 mm以內(nèi)，三次測量平均偏差為0.94 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.080 mm；平板傾斜角度在1°以內(nèi)，三次測量平均傾斜角度為0.813°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.116°。C醫(yī)院三次試驗結(jié)果如表3所示。檢測結(jié)果顯示該機器機械等中心與影像等中心偏差在1 mm以內(nèi)，三次測量平均偏差為0.847 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.130 mm；平板傾斜角度在1°

表1 A醫(yī)院EPID測試數(shù)據(jù)

表2 B醫(yī)院EPID測試數(shù)據(jù)

以內(nèi)，三次測量平均傾斜角度為0.783°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.133°。

表3 C醫(yī)院EPID測試數(shù)據(jù)

實驗結(jié)果證明本文提出的測量方法具有良好的重復(fù)性，可以用于臨床儀器檢測。

3 討論

本文對服役于三家醫(yī)院的三臺EPID分別重復(fù)進行三次機械精度檢測，每臺EPID三次檢測結(jié)果基本一致，通過三次檢測得到的影像等中心位置誤差浮動在1 mm以內(nèi)，平板打開角度誤差浮動在2°以內(nèi)，試驗結(jié)果表明該方法具有良好的重復(fù)性，能夠精確計算EPID的機械精度誤差。

本文提出的EPID機械精度檢測方法具有操作方便快捷，原理及計算過程簡單明確等優(yōu)點，易于醫(yī)護人員及機械師理解和操作。同時，多組實驗證明本文所述方法計算結(jié)果精確，數(shù)據(jù)重復(fù)性好，能夠滿足臨床使用要求。但該方法在測量影像等中心偏差時，使用手工測量方法，該方法可能引入人工誤差，今后的研究中，將考慮使用計算機算法根據(jù)EPID影像自動提取影像等中心偏差，從而進一步控制誤差范圍。

EPID結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從安裝、調(diào)試、驗收到應(yīng)用、維修、質(zhì)檢過程都需要嚴(yán)格的質(zhì)量保證和控制措施，在熟悉設(shè)備原理和操作方法的基礎(chǔ)上，定期進行質(zhì)量保證和質(zhì)量控制可以保證EPID功能的正常發(fā)揮，本文提出的EPID機械精度檢測方法操作簡單、結(jié)果精準(zhǔn)，具有良好的重復(fù)性，極大地方便了EPID的日常質(zhì)量保證和控制工作，將復(fù)雜的質(zhì)控過程數(shù)字化、自動化，對相關(guān)技術(shù)人員以及醫(yī)務(wù)人員提供指導(dǎo)。