兰州重离子治癌研究装置的准直测量技术

陈文军 满开第 王少明 蔡国柱 杨胜利 郭艺珍 袁建东

（中国科学院近代物理研究所 兰州 730000）

兰州重离子治癌研究装置的准直测量技术

陈文军 满开第 王少明 蔡国柱 杨胜利 郭艺珍 袁建东

（中国科学院近代物理研究所 兰州 730000）

介绍了中国科学院近代物理研究所重离子治癌装置的安装定位测量技术和方法。利用激光跟踪仪通过控制网的建立，和多重坐标系的转换，使最后的磁铁安装径向相对误差不超过±(0.05–0.1) mm，真空管道的横向及竖向精度也达到了±(0.1–0.2) mm。

重离子治癌装置，三维控制网，激光跟踪仪，准直

重离子治癌一般都在物理研究中心的重离子加速器上实现。美国伯克利实验室(LBL)于1975年首先利用其重离子加速器 BVALAC进行离子治癌临床实验研究，至1992年治疗各种癌症患者2487例。日本、德国于20世纪90年代也相继建成了医用重离子治癌中心[1]。中国科学院近代物理研究所于2006年在兰州重离子装置(HIRFL)上建成了我国第一台重离子浅层肿瘤治疗装置，并对103名肿瘤患者进行治疗，初步临床治疗效果十分显著；利用新建的兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)提供的高能重离子束治疗深层肿瘤装置，也已开始进行临床治疗实验。

随着新建加速器的规模愈来愈大，其安装精度要求也越来越高。在几百米甚至数公里的范围内，要求在横向和高程方向的误差为±(0.1–0.3) mm，传统的光学仪器已无法满足大型加速器的精度要求。高精度电磁波测距仪的测距精度可达微米级，光电测角技术已逐渐取代光学测角。近几年来，激光跟踪仪的出现，使测量精度更上了一个新台阶。HIRFL-CSR重离子治癌装置的定位安装，使用FARO公司生产的 SMX4500激光跟踪仪。本文介绍该装置的安装定位测量。

1 定位准直测量方法

铁、束流诊断探针、真空管道等组成。其中四极铁误差容限为横向(包括高低和左右0.10 mm、纵向0.3 mm，偏转角容限为0.5 mrad)。二极铁误差容限为横向(包括高低和左右0.25 mm、纵向0.5 mm，偏转角容限为0.5 mrad)。我们采用了目前最先进的测量仪器—激光跟踪仪及配套软件来安装，并研究了相应的测量方法。和常规的大科学装置准直测量类似，兰州重离子治癌装置的准直工作主要分为五步：精密控制网的布设和测量、元件标定、相关元件的预准直安装、现场安装准直、复测调整[2]。

1.1 控制网点的布设

控制网是进行各项测量工作的基础，根据HIRFL-CSR与重离子治癌装置的形状特点，兰州重离子治癌装置的控制网分为全局控制网和局部控制网，全局控制网用于各子网的衔接，包括原来的HIRFL控制网、CSR主环控制网。局部网保证了加速器和各实验终端自身相对位置关系的正确。重离子治癌控制网是以CSR主环控制网为基础，进行的控制网沿伸。为了元件的精密调节，我们对主环初级网进行了加密，最终形成了由一百多个网点构成的高级加密的全局控制网[3](图1)。在建立重离子治癌装置局部控制网时，我们先在隧道内均匀地布设网点，用激光跟踪仪恢复主环全局控制网的数据，然后利用激光跟踪仪的转站功能对局部控制网进行数据采集，从而使全局控制网和局部控制网的数据统一化。激光跟踪仪是三维坐标测量仪器，其测得的数据分析处理应有别于传统平面网和高程网相分离的方法。我们采用跟踪仪自带的Insight4.12软件进行数据处理。重离子治癌装置控制网点分布于狭长隧道内，加上仪器的有效测程及障碍物限制，一重离子治疗的特点须精确控制剂量分布，故其磁元件安装和定位病床对准直的要求都比常规放疗严格得多。很多患者选择重离子治疗的原因，就是其肿瘤病灶附近存在很多对辐射很敏感的要紧器官，这些组织接受的剂量必须控制在安全范围之内。因此，重离子治癌装置就需高精度安装定位。兰州离子治癌装置的元件主要有3块二极铁和10块四极个测站无法完成全部网点的测量，需要进行转站联系测量[4]。这样就使全局控制网和重离子治癌装置局部控制网很好的结合在了一起。影响三维控制网精度的因素很多，包括控制网点的分布、仪器的精度、不同观测值的赋权等。综合上述因素，通过多次测量及数据处理，兰州重离子治癌装置的控制网点精度优于0.09 mm。

图1 CSR主环控制网及全局坐标系Fig.1 The network of CSR and global frame.

图2 重离子治癌装置局部控制网Fig.2 Local control network for the facility for heavy ion therapy.

1.2 元件标定及预准直安装

1.2.1 二极铁的粗准直及元件坐标系的建立

首先在待调节磁铁附近架激光跟踪仪，进行预热。在等待期间，利用附近的高程网点，先对磁铁进行水平调节，等到激光束稳定后，对仪器再作补偿，以使测量结果准确可靠。然后测量Level平面和二极铁所在的4个轴线点。建立如下描述的坐标系：以4个轴线点构成的2条直线的交点为坐标原点，以Level平面法矢量为主轴(Y)，以其中的一条沿束流前进方向的直线作为第二坐标轴(Z)，右手定则确定剩余的第三轴(X)。再根据磁铁中心与轴线的图形关系，以Y轴为基准，顺时针或逆时针旋转坐标系11.25º，再沿X轴平移148.9 mm(两条弧切线交点到磁铁中心的距离)。这样用于粗调节二极铁的坐标系 Frame002最终就建立了。将跟踪仪测量小球(SMR)分别置于磁铁顶部测量槽线的两端，记录dX, dZ值，比较两个dZ值，若两个绝对值不等，则沿着数值小的一方平行移动，直至两数大小相等，方向相反；比较两dX的值，如不等，则需要旋转，使得两值相等。将SMR放在槽线中部dZ=0处看dX的值是否为0，若不为0，则说明左右需要平移。每调节好一个位置，要随时查看高程是否还在束流平面，以免造成磁铁歪着身子移动，事倍功半。如此往复，直到磁铁达到误差容限。粗调节完毕后，测量磁铁上焊接的 8个 Nest 坐标值，并保存，以备精细调节用。

1.2.2 四极铁的标定及预准直安装

在将四极铁摆放到现场之前，测量人员要对其进行标定(Fiducial)。即通过测量磁铁上的测量标志以建立元件坐标系。通过测量8个Nest靶标点的坐标以及顶面中央槽线上3个点，利用测磁旋转线圈来测量测铁轴线。以轴线为Z轴，以槽线中点在轴线的投影为原点，连接原点和槽线中点为Y轴，右手定则确定X轴。这样元件坐标系的建立即告完成(图3)。磁铁摆放到现场后，先用水准仪照准磁铁上下两部分的接缝到束流平面，然后用跟踪仪建立磁铁所在的初级网直线，放 SMR于顶面槽线，视X值调节束线左右方向及绕Y轴的旋转，视磁铁两端面的Z值调节元件间距。

图3 Nest点在元件坐标系中的位置Fig.3 The position of Nest points in device frame.

图4 各坐标系关系示意图Fig.4 The relationships among all frames.

2 现场安装准直及复测调整

2.1 二极铁的精细调节

为精细调节二极铁，我们采用 3个坐标系：Frame001—主环坐标系，用于确定磁铁中心在环上的全局坐标；Frame002—转换用中间坐标系，对于不同的二极铁，调节时只须改变中心坐标值；Frame003—元件坐标系，其构造参数只与磁铁的几何形状有关，对所有主环二极铁，参数值均相同。

坐标系建立后在坐标系 Frame002下，首先调节磁铁顶面的靶标点方向(Y)，使之与其在元件坐标系中Y值之差小于容限，并且在调节完每一个方向，都要检查该值，看其是否超出容限，这样不仅保证了Y值，而且也似得绕X、Z轴不会发生旋转。对于Z方向调节，主要看靶标点的Z差值，若Z差值相同则只需平移即可；若两点差值较大，则须绕Y旋转调节。对于X方向可照Z方向如法炮制。最后重离子治癌装置束线上3块二极铁准直结果如表1。

表1 重离子治癌装置束线二极铁调节结果Table 1 The result of dipole adjustment at the facility of treating tumor with heavy ion beams

2.2 四极铁的精细调节

架设跟踪仪、预热、补偿、测量附近的控制网点、Bundle恢复主环局部坐标系，根据数学模型和磁铁的理论坐标，置入适当的坐标编辑参数，得到调节用元件坐标系Frame002，将SMR放在磁铁8个靶标座上，用Watch功能检测，依据前述的“磁铁调节判据”调节磁铁到误差容限内，测量8个Nest坐标值，导入元件坐标系的坐标，进行best-fit拟合，看8个点的综合误差是否在容限之内，若达到则调节完毕，否则继续调节直至达到容限。通过多次测量，获得重离子治癌线 10块四极铁调节后的结果(图 5)。

图5 重离子治癌装置束线四极铁调节结果Fig.5 The results of quadrupole adjustment for heavy ion therapy.

2.3 真空管道的调节

对于真空管道的调节，在磁铁等其它元件调好后，由于它的精度要求不高，沿束流方向一般已经满足要求，只有高低(Y)和左右(X)两个方向需要调节。

高程调节：先在管道附近架设水准仪、调平，将1 m因瓦尺放在二极铁断面上，用水准仪测量，记录读数A，然后将因瓦尺置于可调节位置的法兰上测量，记录读数B，比较A+1/2*法兰直径与B的数值大小，若结果偏小则降低管道，否则升高管道。

左右方向调节：在被调节的管道附近架设激光跟踪仪，测量该段管道所在的直线或者恢复控制网数据，置SMR于管道法兰的上部并滑动，Y最大的点则为法兰最高点，它在束流面的投影为法兰中心，因此测量最高点在X方向的偏离可以代表中心点的偏离，根据测量结果调节其支架。真空管道的横向及竖向精度达到了±(0.1–0.15) mm。

在全部磁元件调节完备后，在短时间内通过几次重复测量，发现每次测量后的数据处理结果在各个方向上的偏差均不超过0.05 mm，重复性良好。

3 结论

运用上述方法在兰州重离子治癌装置安装的所有磁元件，全部达到了实验要求。兰州重离子束治疗深层肿瘤装置的安装调试已经成功，目前已经开始进行临床治疗实验。说明了兰州重离子装置安装测量方法的可行性。由中国科学院近代物理所、甘肃盛达集团股份有限公司、兰州市政府三方联手投资 10亿元建设的兰州重离子治癌中心马上要破土动工了，重离子治癌装置的安装定位测量技术和方法将会在此工程中得以很好的应用，也为以后同类精密工程的定位安装提供了实例。

1 卫增泉. 核技术, 2008, 31(1): 22-27 WEI Zengquan. Nucl Tech, 2008, 31(1): 22-27

2 王少明. 强激光与离子束, 2005, 17(5): 797-800 WANG Shaoming. Intense Laser and Ion Beam, 2005,17(5): 797-800

3 武汉测绘学院、同济大学测量教研室合编. 控制测量学上册. 北京: 测绘出版社, 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

陈文军，男，1980年出生，2005年毕业于西南交通大学测绘工程系，助理工程师，从事加速器测量准直工作

2009-09-15，

2009-11-26

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