一种基于激光跟踪仪折射补偿的三维水箱定位精度检测方法与流程

1.本发明涉及涉及一种基于激光跟踪仪折射补偿的三维水箱定位精度检测方 法，属于医疗设备检测技术领域。该方法还可适用于所有激光跟踪仪在平行多 介质下的测量场合。


背景技术：

2.近年来，放射治疗已成为治疗癌症的三大手段之一，医用直线加速器作为 实施肿瘤精确放疗的主要临床设备，其放疗剂量的准确与否关系到患者的治疗 效果与生命安全。在医用直线加速器周期检定和验收以及治疗计划系统数据采 集工作中，三维水箱是不可替代的质控工具，它是通过三维驱动机构移动探测 器实现射线束水吸收剂量分布的自动测量，其测量结果对于放疗剂量的验证、 治疗计划的制定和实施具有重要意义。在测量过程中，探测器在水中位置的准 确性会对测量结果产生较大的影响，如何精确且无损地检测三维水箱的定位精 度成为一项必要的工作，现有的检测方法主要是通过测量探测器运动轨迹延长 装置的位移量来检测定位精度，而该方法会对运动导轨产生较大的负重，不仅 造成测量误差，且容易损伤运动导轨。


技术实现要素：

3.本发明为了解决现有技术存在的上述问题，提供了一种基于激光跟踪仪折 射补偿的三维水箱定位精度检测方法。
4.本发明采用的技术方案是：一种基于激光跟踪仪折射补偿的三维水箱定位 精度检测方法，其特征在于，包括：
5.步骤(1)：采用激光跟踪仪按照常规方法测量靶球在充满水的三维水箱内 的位移量；
6.步骤(2)：对激光跟踪仪测量的该位移量进行误差修正；
7.步骤(3)：计算三维水箱定位精度。
8.本发明的有益效果是：通过建立折射补偿模型，补偿由玻璃和水的折射率 引起的测量误差，最终可得到靶球实际的位置坐标，实现对三维水箱的定位精 度进行高精度的非接触式水下检测，为解决三维水箱定位精度的计量需求和量 值溯源问题提供一种有效的方法，有利于减少整个放射治疗流程中包括模拟定 位、计划设计、治疗实施等过程中的不确定度，从而提高放射治疗的准确性和 疗效。
附图说明
9.图1是本发明三维水箱定位精度检测方法的架构图；
10.图2是本发明的检测原理示意图；
11.图3是本发明靶球位置动态测量过程靶球位置动态测量过程及激光束路径 变化情况示意图；
12.图4是本发明adm相位法测距折射补偿原理示意图；
13.图5是本发明ifm干涉法测距折射补偿原理示意图；
14.图6是本发明靶球位置坐标求解方法流程图。
15.附图标记说明：1、激光跟踪仪，2、三脚支架，3、三维水箱，4、靶球，5、 运动导轨，6、推车，7、空气中激光束，8、水中adm激光束，9、水中ifm 激光束，10、水面，11、分光镜，12、参考光束，13、空气，14、玻璃，15、 水。
具体实施方式
16.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 用以解释本发明，并不用于限定本发明。
17.结合图1和图2所示，本发明一种基于激光跟踪仪折射补偿的三维水箱定 位精度检测方法，首先采用激光跟踪仪1按照常规方法测量靶球4在充满水的 三维水箱3内的位移量；然后分别建立adm折射补偿模型和建立ifm折射补 偿模型；然后求解靶球位置坐标，计算三维水箱定位精度。
18.如图2所示，在进行三维水箱定位精度检测时，激光跟踪仪1安装在三脚 支架2上，靶球4固定在三维水箱3的运动导轨5上，三维水箱3则安装在推 车6上。在测量过程中，靶球4在激光跟踪仪1的鸟巢位置初始化后，首先在 三维水箱3的玻璃壁的外侧断光，在无水状态下，靶球4固定在运动导轨5上 并续光，续光时由adm测量绝对距离，以此作为基准距离；然后在三维水箱3 内加水(水面没过靶球4)，由于adm与ifm使用的是不同波长的激光，此时， adm将偏离靶球4的中心，不再参与测量；随后，由ifm测量靶球4在三维 水箱3中相对坐标原点o的位移量。
19.如图3所示，靶球4在p0位置时，即为靶球4的初始位置，(从o点发出 的)激光束经空气、玻璃和水到达靶球4的位置，对应的光路为ob0—b0c0— c0p0，q0为ob0延长线上的点，若将oq0的长度等效为激光跟踪仪1的测量距 离，则激光跟踪仪1的实际测量值为q0点坐标值。根据adm相位法测距原理， 如图4所示，激光束由发射处o到反射处p0再反射回o'，发射处o与反射处 p0的距离为l，则有：
[0020][0021]
在真空中的光速为c，adm对应的空气折射率为n
a_adm
，玻璃折射率为 n
g_adm
，水折射率为n
w_amd
，激光往返的时间为t，则有：
[0022][0023]
将δφ拆分成在ob0间往返的相位差b0c0间往返的相位差和 c0p0间往返的相位差则有：
[0024]
[0025]
式(3)中，f为激光频率，n为相位变化量中包含2π的整数倍，δφ1为 不足周期波的余相位。
[0026]
由式(3)可求解l为：
[0027][0028]
而激光跟踪仪的adm是使用空气折射率计算l，这将产生测量误差， adm实际测得的距离oq0为：
[0029][0030]
由式(4)和(5)可求得adm的测量误差为：
[0031][0032]
当靶球在水中随三维水箱的运动从点p0移动到p1时，由ifm测量靶球相 对于坐标原点的位移量，q1为激光跟踪仪实际测量的位置坐标，根据干涉法测 距原理，如图5所示，在p0位置时，测量光与参考光的光程差为：
[0033][0034]
式(7)中，分别为ifm光束在玻璃和水中的传播距离。
[0035]
靶球从p0到p1相对于坐标原点移动了δd1，则此时的光程差为：
[0036][0037]
在该过程中，光程差的变化量为：
[0038][0039]
光的干涉条纹明暗交替变化一次，其光程差变化一个波长，设激光在真 空中的波长为λ0，可知干涉条纹明暗交替的变化次数为：
[0040][0041]
激光跟踪仪将按空气中激光的波长计算靶球移动的距离，则实际计算得 到的靶球移动距离为：
[0042][0043]
由式(11)可以看出，ifm距离测量误差为：
[0044][0045]
以此类推，当i》2时，在pi位置ifm距离测量误差为：
[0046][0047]
在得到adm和ifm的测距误差后，可进一步求解靶球位置坐标，靶球 位置坐标的求解过程如图6所示，结合图3，激光跟踪仪测得qi坐标为 则oqi的方向向量为
[0048]
测量得到玻璃外表面的平面方程为：
[0049]
ax by cz d＝0
ꢀꢀꢀ
(14)
[0050]
其法向量为n＝(a,b,c)，玻璃内表面与外表面平行，测量得到玻璃的厚 度为h，若n为单位向量，则玻璃内表面的平面方程为：
[0051]
ax by cz d h＝0
ꢀꢀꢀ
(15)
[0052]
设bi的坐标为由玻璃外表面平面方程和oqi方向向量可求 得oqi与玻璃外表面的交点bi以及与法线的夹角
[0053][0054][0055]ei
为bi在玻璃内表面上的投影点，o、ei、bi可构成折射平面，设ei的坐 标为b
iei
向量e与n平行，且ei在玻 璃内表面上，即：
[0056][0057]
由式(18)可求解ei坐标，从而确定折射平面的法向量，obi向量则折射平面的法向量t为e与b的外积。
[0058]
t＝e
×bꢀꢀꢀ
(19)
[0059]
即为入射角，根据折射率，可求得折射角和当i＝0时，na＝n
a_adm
， ng＝n
g_adm
；当i》0时，na＝n
a_ifm
，ng＝n
g_ifm
。
[0060][0061][0062]
玻璃的厚度为h，进而可求得光在玻璃中的传播距离：
[0063][0064]
设ci的坐标为则oci向量与t垂直，ci满足以 下方程组：
[0065][0066]
由式(23)，可求解ci坐标。
[0067]
由adm和ifm的测量误差可知，当i＝0时，cipi的长度为：
[0068][0069]
当i》0时，cipi的长度为：
[0070][0071]
设靶球位置坐标为则cipi的方向向量为 则pi满足以下方程组：
[0072][0073]
由式(26)，可求解靶球位置坐标pi。
[0074]
最后通过比较经补偿后的相邻靶球位置间距和三维水箱的移动指令来确定 三维水箱的定位精度。若设三维水箱的移动指令为li，则定位精度可表示为：
[0075][0076]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明 保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上， 本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明 的保护范围以内。