快速多叶准直器 ——调强放疗的利器

此篇介绍的准直器，创新点在于：

1、它是一种多层叶片准直器，包括多叶准直器、快速多叶准直器和错层多叶准直器。

2、它的主体是快速多叶准直器，并区分为一次提速、二次提速和三次提速。

3、首次推出错层多叶准直器。

一、对快速多叶准直器的需求

多年以前，作者的公司曾开发过一款可支持（静态）母子野调强的治疗计划系统（TPS），但对后来的动态母子野调强并不十分了解，猜想是这样的过程：

（假设只由一个剂量通量峰值）所有叶片先形成最外围的母野，然后开始照射，此后叶片在规定的时间内变化为缩小的第一个子野，此后再在规定的时间内变化为进一步缩小的第二个子野，以次类推，最后变化为最后的也是最小的子野，此后叶片就不再移动，规定的时间后，加速器停止出束，一个角度的照射完成。

按此原理制作动画时发现，此种方法只是提高了效率，并没有提高精度，某种意义上还降低了精度。

我们通常用等高线代替自然的山峰，这是一种近似处理。现在的情况反过来了，治疗计划给出的是等高线，用自然的山峰代替等高线也是一种近似处理。下面是一组二维显示的一维通量图。

上图是治疗计划的某一维通量图（将二维通量图沿叶片移动方向，按叶片投影宽度分割后的条形图）的二维显示，横轴表示射野的宽度；每个竖线的间隔表示调强单位（等中心平面上剂量通量变化的最小单位，等中心平面是包含射线源旋转中心且与射线源至射线源旋转中心连线相垂直的平面）长边的长度；纵轴表示每个调强单位的通量值，密集的横线表示通量值是可连续变化的。

上图是为进行静态母子野调强而对治疗计划的修正，原计划图中处于横格之间的通量值采用四舍五入的方法处理；上面的折线显示母野和每个子野的宽度，图中有6个子野；从母野开始，每个子野照射一次，母野照射纵向4个格的剂量，此后每个子野照射一个格的剂量（这是简单的处理），一个角度照射7次完成治疗。

上图中的蓝色图是作者理解的实际执行的动态母子野调强的效果。

上图是治疗计划与静态母子野调强的比较，黄线是治疗计划。

上图是治疗计划与动态母子野调强的比较，黄线是治疗计划。

基于上述理解，为提高执行治疗计划的精度，作者提出了另一种调强方法，叫动态调强，以区别于母子野调强，具体方法是，每对可相向移动的叶片独立负责一个一维通量图的调强，与其它叶片的运行无关，展开说明如下。

将一个角度的二维剂量通量图分解为N个一维通量图。

上图是一对叶片对一个一维通量图的调强过程，图中蓝色条纹是叶片的投影，下面绿色立面是逐步生成的剂量“墙”，过程描述如下：

开始照射前，每对可相向移动叶片的投影，从一维通量图的两端（左数第一个条纹）移动至通量图上计划有通量的调强单位边缘处（左数第二个条纹）停下来，然后加速器出束，每对叶片开始处于等待状态，待叶片投影前面的调强单位的射线通量达到计划要求后，叶片（的投影）迅速前进一步（左数第三个条纹），挡住射线，使其不能继续照射该调强单位，然后继续等待，待下一个调强单位的射线通量达到计划要求后，叶片再迅速前进一步（左数第四个条纹），阻挡射线继续照射该调强单位，以此类推，直至该对叶片的投影从相对的方向在通量高点处汇合（右数第1个条纹）,一个一维通量图的调强完成。

动态调强执行计划的结果与计划相比，存在一些误差，原因是，在前述“叶片（的投影）迅速前进一步”的过程中，加速器仍然在出束，使得从调强单位的前端（与叶片投影相连的一端）到另一端，射线通量线性增加。调强单位内通量值不再是均匀的。拿前述通量墙来比喻，实际调强的结果使通量墙上边的平台变成了斜坡，叶片移动的速度越慢，这个斜坡越陡；叶片移动的速度越快，这个斜坡越缓；如果叶片可以瞬间步进，则斜坡近似为平台。有一点斜坡并不是太大的问题。但有一种情况可以放大这个额外的增量，即连续几个调强单位的计划通量基本相同。这就要求叶片一次跨越几个调强单位，累加的额外通量就会很多，多到不能忽略。

结论是，多叶准直器叶片移动速度越快，动态调强执行效果越好。

上图是所有叶片动态调强后的效果，左边是治疗计划，右边是计划的执行结果。为便于比较，再看看单对叶片的例子。

上图是治疗计划与动态调强的比较，黄线是治疗计划。粉色线代表的实际执行结果，与治疗计划已十分接近。

现在总结一下三种执行计划的方法对叶片速度的要求：

静态母子野调强，对叶片速度没有要求，每次照射前叶片到位即可。

动态母子野调强，叶片要达到一定的速度，使叶片在规定的时间内达到下一点。由于下一点的距离是有限的，要求的速度也是有限的。

动态调强，速度没有上限，越快越好。

从执行计划的精度比较，动态调强是最高的。

还有一个现象不能忽视，就是：

无论动态调强还是（作者理解的）动态母子野调强，在一个角度的照射过程中，总有一些相向移动的叶片是先行闭合的，由于叶片的端面是弧面，就会形成一个射线的“漏斗”，这个漏斗必须迅速离开照射区域，见下图。

上图显示，即使叶片闭合也要保持一个可控的间隙，这会增加漏射。

上图显示，即使叶片离开中线一段距离，也不能完全消除漏射。

最好的办法是完全离开射野，见下图。

为在较长距离上，减少叶片离开射野过程中的漏射，需要叶片有很高的速度，也是越快越好。

剂量验证要求，肿瘤靶区内，单点误差不超过5%，整体误差不超过3%，实现这一点还是有难度的。因此，提高叶片速度是个大问题。

本节的结论是，为准确地执行治疗计划，叶片的移动速度越快越好。

二、提高叶片速度的方法

总结此前介绍过的提高叶片速度的方法，有以下几种：

1、叶片采用单边导轨的设计方法，以减小力矩。

在大理石地面上推动一个装满书的纸箱时，从下面推会省力些，从上面推会费力些，这是因为，向下的分力增加了摩擦阻力。

叶片也是一样，当电机和导轨都居于叶片的上部或下部时，会减少力矩，减少摩擦力。

2、为在第一种方法的基础上进一步提高速度，可用滚动摩擦取代滑动摩擦，具体方法是，用导向轴和直线轴承取代单边导轨和导槽。作者称这种方法为一次提速。

3、为在一、二种方法的基础上进一步提高叶片速度，可将一层叶片分拆为双层叶片，从而放大叶片间距，可配置更大直径的丝杆，以增加螺距；配置更大直径的电机，以增加推力。作者称这种方法为二次提速。

一次提速时，螺母的直径略小于同高度叶片物理宽度的3倍，电机直径略小于同高度叶片物理宽度的4倍（电机4排排列）或6倍（电机6排排列）；二次提速时，螺母的直径略小于同高度叶片物理宽度的7倍，电机直径略小于同高度叶片物理宽度的8倍（电机4排排列）。

4、为在一、二和三种方法的基础上进一步提高叶片速度，可用直线电机取代伺服电机，因为速度是直线电机的天然优势，还可省下螺母和丝杆。作者称这种方法为三次提速。

以上四种方法在下面的应用中都会见到，届时进一步说明。

三、快速多叶准直器的应用

为便于说明，此部分划分为四个小节：

第一小节介绍准直器的基础部分，或称共用的部分。

第二小节介绍三种内置调强专用准直器。

第三小节介绍两种外挂调强专用准直器。

第四小节介绍一下配套机架。

（一） X方向常规速度多叶准直器

X方向指与光源旋转平面平行的水平方向，也是治疗床的短边方向。

从初级准直器说起。

上图中，绿色部分是初级准直器，负责将上面黄色加速管发出的射线约束成等中心平面可覆盖400mmX400mm的锥形光束，其下依次是均整器和电离室，拉开点距离是为看着方便。

上图中，机头底端安装一个回旋驱动轴，四个环形立柱之间安排X方向准直器，其下接Y方向准直器。

回旋轴的作用有两个，一是方便X方向准直器的维修；二是改变调强专用准直器叶片移动方向，此两点后面还会说明。

上图是X方向准直器的前视图，上下层的叶片投影行程都大于400mm，其中，为缩短叶片长度，下层叶片的丝杆已深入到叶片屏蔽区域，相应地增加了叶片厚度。两层叶片的前端弧面，按叶片前端距中线正60mm和负200mm确定。

上两图是X方向准直器的左视图，其中下图是放大图，有几点需要说明：

1、这是将一层叶片分拆为两层的双层叶片准直器，上层21对，下层20对，投影宽度均为10mm。

2、与前一篇拙文不同，本准直系统取消了一级矩形准直器，其功能用两组相互垂直的条形挡块取代，其中X方向的两个挡块与下层叶片组合在一起，并与上层边缘叶片有半幅重叠，使最大射野长边（Y方向）确定为400mm。

3、叶片采用了单边导轨设计。

4、上下层均使用了4mm梯形丝杆，上层电机直径为10mm，

下层电机直径为13mm，因为下层叶片无论重量与物理行程都要大于上层叶片，同样丝杆直径的情况下，需要更大的推力。

5、叶片的物理宽度。仔细观察上两图中的下图，叶片的物理宽度加宽了许多，使得叶片间隔很窄，这不是作者随意定的，而是基于消除几何半影的原理自然形成的，见下图。

上图中，假设叶片投影宽度相同，细长绿色的叶片是基于光源是纯粹的点光源；短粗蓝色的叶片是视光源有一定的物理宽度。这种叶片的加宽效应，距光源越近越明显。下面要介绍的类似叶片和叶片中间错位的叶片都是基于此原理确定的，并假设光源的物理宽度为1mm。

上图，由于波导系统前置，据此设计的机头架，准直器电机两侧的前方被封死了，为便于维修和电机的更换，回旋驱动轴可使X方向准直器正负旋转90°或180°。

上图，再在准直器下端封一个厚板，作为下接准直器的安装平台。

这时治疗空间尚有680mm（源轴距1000mm）。

（二） Y方向内置快速多叶准直器

此前的拙文中，外挂式准直器几乎被淘汰了，原因是，多层叶片准直器通过叶片投影二次分割和叶片十字交叉等方法，有效地提高了射野精度，可以满足几乎所有的精度需求。但在写上篇拙文《十字光刀》时，感到问题并不是这么简单。

头部调强时，调强单位很小（小于等于5mmX5mm）,但单靠缩窄叶片投影宽度并不能完全解决问题，如叶片端面的弧度太大，其产生的穿透半影对调强精度还是起破坏作用的，这也反证了双准直多叶准直器的价值所在。在确定单准直准直器叶片端面弧度方面，由于射野大小不同，头部和体部很难统一。故此篇恢复了外挂准直器。本节先介绍三款主要适用体部肿瘤调强的内置准直器。

内置准直器都采用Y方向布置。

1、       一次提速的快速多叶准直器

上图是准直器的前视图，需要说明的是：

1）       两侧两个绿色方块是直线导轨的截面，与前面说过的上面准直器的下连接板连接。

2）       两个粉色的滑块套在直线导轨上，并于叶片箱体连接。

3）       左侧的驱动系统驱动两个叶片箱体前后移动。

4）       上图中最外面是适配架，上与上方准直器相连，下与外挂准直器相连。

上图是准直器叶片的放大图，需要说明的是：

1）上面两侧两个蓝色立销，上与上方准直器的下连接板连接，往下插入两个Y方向条形挡块当中，使挡块相对于上方准直器不动，但可在本层准直器叶片箱体中滑动。

两个Y方向挡块，与前述的上方准直器中两个X方向挡块组成一个完整的矩形准直器，射野为400mmX400mm，为准直器的最大射野。

2）叶片移动采用单边导轨滚动摩擦设计，直线轴承直径8mm， 导向轴直径4mm。

3）叶片40对，等中心平面投影宽度10mm。

4）丝杆直径4mm，电机直径13mm。

上图是准直器的左视图，隐去了叶片组箱体驱动系统，需要说明

的有：

    1）叶片组箱体行程大于100mm，叶片行程160mm。

2）叶片端面的弧面，按距中线正60mm和负100mm两个位置确定。

上图是一个快速移动叶片的驱动原理图，一目了然，不需再说明了。

上图是准直器的完整效果图。

上图是X和Y方向准直器组合后的效果图，这时治疗空间还有544mm。

下面再看看双向准直器组合后的效果。

上图是准直系统的投影图，黄色圆盘是初级准直器的投影；粉色方框是四个条形挡块组成的矩形准直器的投影；左右蓝色条纹是上方X方向准直器叶片的投影；上下绿色条纹是下方Y方向准直器叶片的投影。

上图进一步展现了十字准直器的妙用。

1）屏蔽了叶片间的漏射。上方X方向双层准直器叶片的侧壁是平面，且上下层叶片投影部分重叠，因此没有叶片间漏射。下方Y方向单层准直器叶片上宽下窄，有叶片间漏射。两个准直器重叠后，下方准直器绝大多数叶片间漏射都被屏蔽了，只有肿瘤上方凹陷的一小片区域还有些残余。

2）在下方和右方的肿瘤大部分边界上，组成十字准直器的叶片共同发挥适形的作用，进一步提高了精度。

2、二次提速的快速多叶准直器

上两图是本款准直器的前视图，许多结构与上一款相似，不再重复，主要说明以下参数的变化：

1）上层叶片导向轴直径为4mm，直线轴承直径8mm；下层叶片导向轴直径为5mm，直线轴承直径10mm，还有增加的余地。

2）上下层叶片丝杆直径为6mm，电机直径为16mm，两者均有增加的余地，下层电机直径以20mm为限。

3）上层叶片20对，下层叶片21对，投影宽度均为10mm，与条形挡块组合后，射野宽度为400mm。

上图是准直器的左视图，上层叶片的行程为160mm；下层叶片要与上层叶片一起移动，由于射线发散的关系，行程要增加一些。

上图显示，用四个夹板将两层准直器组合在一起。

上图加装了箱体驱动系统，箱体行程大于100mm。

上图显示的是本款准直器与上方准直器的组合，治疗空间还有457mm。

3、三次提速的快速多叶准直器

上图是本款准直器的前视图，在结构上，与前一款准直器唯一的区别是，用直线电机替下了伺服电机及丝杆和螺母。

事物量变到一定程度就会发生质变，当速度提高到一定程度，快速多叶准直器就可能转变为二进制多叶准直器。为向二进制准直器靠拢，叶片增加到64对，投影宽度为6.26mm，射野宽度400mm，治疗空间仍为457mm，这样就可以进行非等中心治疗模式下的旋转调强了。这种转变为上方X方向准直器赋予了新的功能，即同时搭建两个条形光孔（详见拙文《调强放疗准直器升级计划》）。

上图是本款准直器的左视图，可以发现，图中给出的不是直线电机，而是安装直线电机内芯的空腔，上层空腔的直径为16mm（大致等于直径18mm直线电机的内径），下层空腔直径为20mm。

网上查到了直径20mm的直线电机，清华叶教授的团队已将直直线电机的直径缩小为18mm，据说还可以进一步缩小到16mm。

上图是叶片的移动和驱动结构，与一级提速和二级提速的快速准直器相比，只是用推拉杆取代了丝杆和螺母。相信在在摩擦力级小的情况下，可充分发挥直线电机的速度优势，达到二进制准直器所需的速度。

上图是将双层准直器组合在一起，隐去了电机堵头，可看到电机腔体。

上图是完整的组装图。

（三）Y方向外挂准直器

上三款内置准直器留下了两种高度的治疗空间，一是544mm，一是457mm，先从后者开始。

1、一次提速的外挂准直器

上图是准直器的前视图和左视图，报一下参数：

叶片30对，投影宽度4mm；

射野120mmX120mm；

导向轴直径3mm，直线轴承直径7mm；

丝杆直径4mm，电机直径10mm；

叶片端面弧度按距中线正负50mm位置确定；

治疗空间300mm。

这里再讨论以下叶片端面的弧度。作者按正负50mm的位置确定叶片弧度，已是比射野长度（正负60mm）缩短了一些，能否进一步缩短呢，比如按头部肿瘤的平均长度确定，如平均长度50mm，则弧度可以更小一些，更接近直面，调强的精度就会更高。

准直器两侧上方是四组销和销套，销套置于上方准直器中，将采用自动开锁。

准直器备用时，放置在一个平台上。

上图是外挂准直器安装上去的情况。

2、错层叶片准直器

在本文第一部分说明叶片快速移动的必要性时，提到一种情况，就是在动态调强过程中，先行闭合的叶片应迅速离开射野。其实还有其它方法解决这个问题，就是下面要介绍的错层叶片准直器。

上图是一款双准直的错层叶片准直器，是在构思前一篇拙文《十字光刀》时想到的，没想到在这里能派上用场。当时的想法是，蜗轮蜗杆驱动系统无论放在叶片的上弧面还是下弧面，都会占用纵向空间，电机过度倾斜还会增加叶片弧长，不如上下错开，左右都很方便。此想法过早提出，会显得过于夸张，现在提出恰到好处，见下图。

如上图中的右图所示，叶片闭合时不是无缝紧贴，而是留有适当空隙，以免相撞，能缩到多窄，要看控制水平，总之会有漏射；左图显示，缝隙在离开射野的过程中始终存在，一路洒下剂量，速度越慢漏射越多，下图是解决的方法。

上图显示，使用错层准直器后，相向的叶片闭合时，不必减速，也不必马上停下来，可在上下叶片投影交错后再从容停下来。搞控制的同行也许会喜欢这种方法。准直器左右叶片错层后，还可以把叶片间隙做得更窄，如几个丝，以减少叶片间的漏射，也不必再演示叶片交叉运行的绝技了。

上图是西北效果图，射野边缘加了侧屏蔽板，与上方准直器一起屏蔽射野边缘的射线漏射。

准直器主要参数是，叶片24对，投影宽度5mm，行程大于120mm，射野120mmX120mm。

上图是组装后的效果图。

本款错层准直器包装后的厚度是210mm，按治疗空间300mm设计，与一次提速的内置快速多叶准直器对接时，还要重新设计一个适配架。

这里，对第三部分前三小节的内容做一小结。

以快速多叶准直器为特征的多层叶片准直器经此前的多次讨论，已演变成一种相对固定的样式：

1）       最上层，也是基础层，是一个X方向双层普通速度的多叶准直器，发挥三种功能，一是适形功能；二是屏蔽下方准直器的叶片间漏射；三是与下方三次提速的快速多叶准直器（相当于二进制准直器）对接时，搭建两个条形光孔。

回旋驱动系统使本层准直器的维修更为方便。

2）       第二层准直器也是内置准直器，可分别配置Y方向一次提速、二次提速或三次提速的快速多叶准直器，由它们来专职实施动态调强，如果从X方向行进叶片可以提高调强效率，回旋驱动系统可助其实现。

3）       代替一级矩形准直器功能的四个条形挡快分别与上层和第二层叶片融合在一起，不必单独占用纵向空间。

4）       对体部肿瘤调强和头部肿瘤调强适用不同的精度，体现在叶片投影宽度的宽窄和叶片端面弧度的大小，为此，专门配置了叶片投影宽度更窄，端面弧度更小的外挂式Y方向快速多叶准直器。

5）       首次提出了错层多叶准直器，它不仅适用双准直多叶准直器，也适用单准直多叶准直器。

多层叶片准直器取代了原来以上下钨门为主要特征的准直系统，换取了较大的纵向空间，再以各种多叶准直器的组合，实现我们希望的调强目标。

以上安排并没有穷尽各种变化，依据用户的需求，还可生出各种可能，仅举两例：

A、      外挂二次提速的快速多叶准直器

B、内置一次提速的错层多叶准直器

（四）配套机架

仍然采用拙文《十字光刀》中使用的机架，做了一些小的修改：

1、双支臂的包装由柱面改为球面，只为美观，可能压缩了安装电器设备的空间。

2、增加了治疗床的行进空间。等中心至回旋支撑轴前面圆盘的距离为800mm，为增加治疗床的前伸距离，将圆盘开口下沉了500mm。

3、外挂准直器的安放平台放在了治疗床后面，这样更方便机械手（即六轴治疗床）搬运外挂准直器。