大型立式准直太阳模拟器研制关键技术

针对立式容器结构的综合辐照舱对太阳辐照环境模拟的需求,研制了一套大型立式太阳模拟器,其采用了立式离轴准直型光学系统,能够精准模拟满足辐照度、辐照均匀性、准直性和太阳光谱分布的空间太阳辐照环境。在设备研制过程中,完成了大型立式离轴光机结构设计、结构变形影响分析、大尺寸单体金属镜加工、准直镜柔性支撑设计、集成冷却设计和氙灯快速装校等关键技术研究。大气环境和真空低温环境下的测试结果表明,该太阳模拟器实现了在真空低温环境下辐照面ϕ1000 mm,辐照度2.3个太阳常数(最高可扩展至5个太阳常数),面辐照不均匀度±4.86%,准直角±1.83°的光学指标。

高边缘视场光学效率的衍射波导准直投影镜头设计

随着微型发光二极管(micro-light emitting diode,Micro-LED)微型图像源被应用于增强现实(augmented reality,AR)显示技术,AR显示系统朝着超小型化方向发展。然而Micro-LED图像源发光角度大,准直投影镜头要求体积小且像质高,其产生的渐晕现象也导致视场(field of view,FOV)边缘处光学效率低、照度不均匀,这对AR光学系统设计造成了挑战。为了解决上述问题,该文基于增加计算得到的非球面场镜,设计了一种照度均匀性高、边缘视场光学效率较高的衍射光栅波导准直投影镜头。对场镜理论进行详细分析,从而确定焦距区间,最终求解其面型参数,设计出照度相对均匀的镜头。设计的新型准直投影镜头对角线FOV为41.2°,F#为1.87,调制传递函数在125 lp/mm处大于0.5。仿真结果表明,系统照度均匀性相对提高了14%,边缘FOV的光学效率相对提高了15%,具有良好的成像性能,该镜头可应用于超小型AR衍射光栅波导头戴显示系统中。

不同准直器角度组合对鼻咽癌VMAT计划质量的影响

目的:比较不同准直器角度组合对双弧VMAT鼻咽癌计划质量的影响,为临床选择提供参考依据。方法:本研究纳入10例鼻咽癌患者,设计不同准直器角度组合的双弧VMAT计划,用于对计划质量进行评价。结果:调整准直器角度能够提升靶区PGTV和GTVnd的适形指数,而对PTV的影响不显著。在重要器官方面,旋转准直器角度可以降低其中部分器官的最大受照剂量,但对平均受照剂量的影响则不明显。此外,调整准直器角度并不会导致MU和射束时间增加,执行效率与准直器角度为(0°,0°)的方案相当。综合考量计划质量,以准直器角度为(10°,350°)的放疗计划在总体质量得分方面表现最佳(SD:0.12),相较之下,准直器角度为(0°,0°)的得分最低(SD:1.2)。结论:不同准直器角度组合对鼻咽癌放疗计划的剂量分布有显著影响,但执行效率相当。在测试的准直器角度组合中,(10°,350°)总体计划质量表现最优,推荐临床使用。

基于银膜的自准直光纤法布里-珀罗腔设计及声源定位研究

提出一种基于银膜的自准直外腔式光纤法布里-珀罗(EFPI)干涉仪声传感器阵列,用于中低频声信号的检测以及二维平面声源定位。传感器阵列由三个相同结构的EFPI组成,结构简单、制作简便。银膜的应用和准直器的引入提高了传感器的声压灵敏度,扩大了声源定位范围。实验结果表明:单个传感器声压灵敏度为185 mV/Pa,最小可探测声压为52.7μPa/Hz^(1/2)@500 Hz。在声源指向性实验中,声源设置在传感器正前方时,其声压灵敏度达到185 mV/Pa,声源设置在传感器侧面(90°,270°)时,其声压灵敏度衰减仅为4.5%。传感器阵列结合到达时间差技术,成功实现高精度的声源定位,系统的理论空间分辨率为0.71 cm,最大定位误差不超过2.8 cm,定位范围为200 cm×200 cm,具有成本低、实用性高等优点。

蒙特卡罗模拟机架和多叶准直器误差对旋转放疗剂量的影响

研究在常规直线加速器实施快速旋转调强放疗(IMAT)治疗过程中,内置多叶准直器(MLCs)和机架旋转误差对放疗剂量的影响。随机选择7例脑胶质瘤患者,并在常规直线加速器Varian 23EX上设计IMAT计划,对MLCs和机架分别引入不同大小误差。通过不一致指数和剂量体积直方图(DVH)评估引入误差对IMAT放疗临床剂量的影响。对于单侧MLCs随机误差,当MLCs随机误差达2 mm时计划靶体积平均剂量(PTV-Dmean)增加了约2.7%。当MLCs一侧外扩MLC-1 mm、MLC-2 mm、MLC-rnd时导致其PTV-Dmean平均偏差分别为1.12%、2.15%和1.15%,晶体的平均剂量偏差分别为5.25%、9.97%和5.49%。对于MLC两组叶片分别偏移±2 mm时导致PTV平均剂量的最大偏差为0.8%,晶体和脑干的最大剂量和平均剂量分别增加了11.4%、15.8%和1.99%、1.07%。引入机架角度误差,计划靶体积最小剂量(PTV-Dmin)和PTV-Dmean最大剂量分别降低了2.75%和0.35%。导致危及器官(OAR)的DVH的剂量学偏差变化较大,尤其对于晶体当机架偏差为(−2°)时晶体的最大剂量和平均剂量分别偏高达16.9%和38.5%。机架和MLCs误差对OAR的受量均产生较大剂量偏差。随机误差导致的MLCs剂量偏差受叶片位移误差的大小以及在特定弧段处的射束子野权重影响,MLCs误差(−2 mm或+2 mm)时产生的剂量偏差最大。机架旋转误差对靶区PTV剂量分布的影响不大,但是对于OAR会产生较大的剂量偏差。

针孔准直器在甲状旁腺显像诊断中的增益价值

目的探讨针孔准直器平面显像在甲状旁腺显像诊断中的增益价值。方法回顾性分析2017年2月-2020年7月临床诊断为甲状旁腺功能亢进症(hyperparathyroidism,HPT)且均行手术治疗的患者55例。所有患者均行99m锝-甲氧基异丁基异腈(99m Tc-sestamibi,99m Tc-MIBI)双时相平面显像(针孔准直器、平行孔准直器)联合延迟相单光子发射计算机断层显像/计算机断层显像(single photon emission computed tomography/computed tomography,SPECT/CT)。以手术病理结果为“金标准”,采用SPSS 26.0统计软件分别计算平行孔平面显像(A组)、SPECT/CT(B组)、平行孔+SPECT/CT(C组)、针孔平面显像(D组)、针孔+平行孔+SPECT/CT(E组)5组检查方法检出甲状旁腺病灶的灵敏度、特异度及准确率,采用χ2检验比较各组的诊断效能。结果55例HPT患者术后病理共发现甲状旁腺病灶79个,其中40例为单发病灶,15例为多发病灶。79个甲状旁腺病灶包含腺瘤29个、腺瘤样增生15个、增生35个;其中2个为异位病灶(1个胸骨后腺瘤,1个胸骨后增生)。有11例患者合并甲状腺病灶11个,伴甲状腺乳头状癌4个,甲状腺腺瘤2个,甲状腺腺瘤样增生1个,结节性甲状腺肿4个。C组共发现阳性病灶53个,加用针孔平面显像后额外发现阳性病灶14个。E组的灵敏度及准确率均明显高于A组(χ2=64.168,P<0.001;χ2=45.182,P<0.001)、B组(χ2=50.452,P<0.001;χ2=36.847,P<0.001)和C组(χ2=43.636,P<0.001;χ2=20.502,P<0.001);E组与D组的灵敏度及准确率差异均无统计学意义(P>0.05);5组的特异度差异均无统计学意义(P>0.05)。结论加用针孔准直器平面显像能提高甲状旁腺显像诊断的灵敏度及准确率。

激光准直测量中的空气随机扰动影响抑制

鉴于准直光束在空气中传播,受空气随机扰动影响,如温度、湿度和压强的随机变化,激光直线测量基准存在随机抖动,从而影响激光准直测量的稳定性和准确性。从激光准直信号滤波的角度出发,提出了结合经验模态分解(EMD)-最小二乘(LS)拟合的空气随机扰动影响抑制方法;构建了激光准直信号分解、重构和校正的信号处理方案,以滤除空气随机扰动引起的干扰信号;开展了所提出方法在不同条件下对激光直线基准的空气扰动影响抑制实验,并比较不同方法对激光准直信号的处理效果。实验结果表明,所提方法对激光漂移补偿后的激光准直信号处理后,其在水平方向和竖直方向的波动标准偏差分别为0.01μm和0.02μm,有效解决了激光准直测量中的空气随机扰动对直线测量基准稳定性影响问题。

用于高精度准直测量的鱼眼相机标定方法

为了扩展准直测量的应用领域,提高测量范围是最为有效的手段之一,因此用于准直测量的鱼眼相机应运而生。针对准直测量用鱼眼相机标定精度不高的问题,提出了一种基于插值形式的径向粗标定及基于栅格形式的补偿精标定的两步式准直测量用鱼眼相机标定方法。该方法使用插值而并非构建成像模型,能够有效避免模型不准确及参数设置不合理而引入的系统误差,并且可以在一定程度上抑制镜片加工的非对称性及光学系统装调所带来的偏差。区别于图像评价的峰值信噪比(PSNR)以及结构相似性(SSIM)等性能指标,该方法选择的平均重投影误差(MRE)这一指标能够更有效地衡量准直测量使用条件下相机标定结果的优劣。仿真对比实验结果表明该方法在4种虚拟鱼眼相机模型上的标定效果皆优于传统标定方法,与传统的方法相比,标定的不确定度最大能够改善82.63%。样机标定实验结果表明,该方法能够有效标定真实的准直测量用鱼眼相机,在搭建的真实样机上应用该标定方法后,样机的入射矢量解算的不确定度能够提升至角秒级。

基于分子准直效应的超快脉冲Serrodyne非线性展宽与移频

超快光学的发展推动了光-物质相互作用研究进入了强场、高能的极端光学条件。然而,许多创新和应用需要专用的激光参数,包括波长、强度、脉冲长度、重复频率等。尤其是波长,这是一个非常重要但调控不太灵活的参数。报告了分子准直效应导致的超快脉冲的Serrodyne非线性展宽与频率转换,实现了对光波长的精确移频。通过研究脉冲形状与瞬态频率的关系,解析了Serrodyne效应在引发非线性动力学过程中的作用机制。与克尔非线性不同,在分子准直体系下,光谱移频的大小受分子响应时间和脉宽的共同影响,为在超快光源调控中引入新的自由度提供了可能性。

准直器角度对局部中晚期中上段食管鳞状细胞癌患者动态容积调强放射治疗计划剂量的影响

目的探讨不同准直器角度对局部中晚期中上段食管鳞状细胞癌患者行动态容积调强放射治疗(VMAT)时剂量的影响,为放射治疗计划的设计提供参考。方法选取2020年1月至2021年8月于医院行VMAT的18例局部中晚期中上段食管鳞状细胞癌患者,在其他治疗参数不变的情况下,设置准直器角度为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°,设计11个计划。以准直器角度0°为参考,比较各计划的计划靶区(planning target volum,PTV)评价指标[D_(98)、D_(2)、D_(mean)、均匀性指数(HI)、适形性指数(CI)及机器跳数(monitor unit,MU)]和危及器官评价指标[双肺V_(5)、V_(15)、V_(20),心脏V_(30)、V_(40),脊髓D_(max)和脊髓规划风险量(PRV)(脊髓外扩0.40 cm得到)D_(max)]。结果准直器角度为15°时,靶区的HI、CI均最接近1,表明此时靶区的均匀性和适形性最佳。准直器角度为20°时,靶区的HI相比0°时变化明显(t=2.406,P<0.05),双肺的V_(5)、V_(15)相比0°时变化明显(t=2.959、3.003,P<0.05)。准直器角度为45°时,MU相比0°时明显增大(t=-3.444,P<0.05)。结论局部中晚期中上段食管鳞状细胞癌患者行VMAT时,15°为相对合适的准直器角度,可在保证靶区剂量分布的同时更好地保护危及器官,提高治疗效率。

基于BLOB区域和边缘特征分析的准直图像双光学目标识别方法

针对光路对接准直目标识别算法对双目标粘连状态无法判别的问题,提出了基于二进制大对象(Binary Large Object,BLOB)区域和边缘特征分析的准直图像双光学目标识别方法。首先,对二值化图像进行数字形态学处理,计算全图各BLOB区域的面积、中心、轴长、区域、有效BLOB区域个数等信息。其次,对有效BLOB区域个数大于1的完全分离双目标准直图像,统计各BLOB区域中心分别为位于两个面积最大的BLOB区域内的BLOB数量,数量小的候选BLOB区域为主激光目标,数量大的候选BLOB区域为模拟光目标。然后,对于有效BLOB区域个数等于1的待识别图像,从左、右、上、下4个方向分别提取模板边缘图像的有效坐标序列和待识别边缘图像坐标序列,搜索有效坐标序列和待识别边缘图像坐标序列的最大相关系数对应的有效坐标序列。当4个方向的相关系数全部大于0.95时,待识别图像为模拟光目标;当4个方向的相关系数都小于0.95时,待识别图像为主激光目标;否则待识别图像为粘连图像。实验结果表明:提出的双光学目标识别算法,不仅能够识别完全分离的模拟光目标和主激光目标,误差小于3个像素,处理时间小于1 s,而且能够判别处于粘连状态的光学目标和单个独立的光学目标,满足光路对接准直图像识别算法对于自适应性、精度和效率的要求。

闪烁体光束准直光学系统设计

为更好地实现对闪烁光的高效率收集和高质量准直,提升探测效果,便于进行后续的闪烁体光束控制或偏转等实验,分别提出了同轴光束准直系统和离轴光束准直系统,设计优化了该系统中的自由曲面透镜、二次曲面反射镜等器件的参数。采用光学软件LightTools对闪烁体光束准直系统进行仿真。结果表明:所设计的同轴光束准直系统和离轴光束准直系统均能有效地实现对闪烁光的准直,其中自由曲面透镜离轴反射镜系统将光束发散角从±40°压缩为±5°,光能利用率可达96%以上,光束角内光能利用率达83%以上,实现了对光束传播方向的调控,提高了闪烁光的收集效率。

基于概率神经网络的放疗加速器多叶准直器系统故障识别诊断研究

目的随着当前医院肿瘤患者放疗数量的日益增长,对放疗设备持续稳定治疗的要求越来越高。放疗直线加速器是放射治疗的主要设备,多叶准直器(multileaf collimator,MLC)是调强放疗最为频繁的系统之一,但其故障发生率较高,一旦发生故障宕机,不仅影响患者治疗效果,还会给医院带来经济损失。因此,快速准确识别并排除故障,对保障MLC系统的正常运行具有重要意义。本文提出一种基于概率神经网络(probabitistic neural network,PNN)的MLC系统故障识别诊断方法,为MLC系统的不同故障现象和类型提供维修依据。方法结合复旦大学附属肿瘤医院医科达放疗加速器故障维修经验及日常报错记录,整理分析MLC系统构成及常见故障现象共140例,统计研究常见故障下设备状态的各项参数数据。选取能够表征故障特征的信息作为输入向量和故障分类输出向量,用不同特征输入向量的组合代表不同的故障类型。数据归一化乱序处理后,创建PNN神经网络模型并进行训练。最后对比分析故障的实际分类和预测分类结果。结果通过分类结果对比和混淆矩阵可知,训练集样本一共98个,预测对比精确度为100%;测试集样本一共42个,预测对比精确度为97.619%,训练总时间为4.626 s。结论基于PNN概率神经网络的MLC系统故障识别诊断模型具有训练速度快、容错性好、识别诊断精准度高等优势。

EAST准直测量基准控制网升级改造方案的设计及实施

为了获得更高等离子体运行参数和更长的运行时间,对EAST装置进行了升级改造。介绍了在EAST性能升级改造过程中,准直测量基准控制网改造升级方案。增加了基准点的数量,优化了基准点的布局,采用水准仪和多台站激光跟踪仪对内外基准控制网进行多路径测量,并利用SA软件进行统一空间测量网络(USMN)的三维平差分析计算。通过测量数据分析,获得准直测量基准控制网的实测平均测量不确定度为0.039mm,最大测量不确定度为0.176mm,优于设计要求平均测量不确定0.15mm和最大测量不确定度0.20mm,满足了EAST升级改造后新型偏滤器及关键部件的安装需求。

基于准直激光的跟踪合作目标小范围二维姿态测量方法研究

为了解决远距离激光跟踪合作目标的高精度二维姿态测量问题,提出了一种基于准直激光的跟踪合作目标小范围二维姿态高精度测量方法。首先,详细阐述了角锥棱镜的光学特性与基于角锥棱镜的激光跟踪原理;其次提出了一种利用开孔角锥棱镜和光电探测器的二维姿态测量方法,并分析了激光光束向量、开孔角锥棱镜、光电探测器与合作目标的数学关系,建立了姿态解算模型,并设计了一款合作目标靶标;最后构建了高精度姿态测量系统,进行了实验数据采集与参数模型标定,并通过验证实验进行了精度分析与评价。实验结果表明,本文所提出的测量装置精巧实用,在±5°的工作范围内测角误差不超过0.011°,满足高精度的工程应用需求。

基于三点激光准直原理的轨道几何参数测量技术

针对既有激光准直系统存在激光弦抖动现象和人工测量无法直接检测轨道中长波平顺性的问题,为进一步提高轨道几何参数测量精度,结合捣固车现场实际作业模式,提出发射车+接收车+接收车的“一发两收”模式,开展基于三点激光准直原理的轨道测量技术研究。通过激光弦、轨距、超高、里程计等多传感器数据融合,测量轨道内部几何参数;构建三点式激光准直矢距测量模型,解决了激光弦抖动漂移误差问题;采用接收车跟随自走行技术,提高了测量效率。现场试验结果表明:使用三点弦技术方案测量得到的轨向、高低、正矢、轨距、超高等轨道内部几何参数满足现场使用的误差要求,可为数字化、智能化捣固提供数据支撑。

模场直径可调的光纤微准直器

针对传统光纤准直器的输出模场直径单一问题,提出了一种模场直径可调的光纤微准直器,将单模光纤与不同的2段多模光纤组合,形成“三明治”结构;通过调整中间段光纤的长度,实现模场直径的任意可调,并构建了仿真实验模型,制备了多个尺寸不同的光纤微准直器样品。实验结果表明:该结构在1 550 nm波段下,能实现输出模场直径在20~40μm范围内的可调性。该光纤准直器制备方法简便、结构紧凑,并能根据需求灵活调整光场的模场直径,以适应不同的应用场景。

不同机架角度和多叶准直器角度对多叶准直器叶片机械到位精度的影响

目的探讨不同机架角度和多叶准直器(MLC)角度对容积旋转调强放射治疗(VMAT)及静态调强放射治疗(IMRT)MLC叶片机械到位精度的影响。方法在Eclipse 15.5治疗计划系统上导入并编辑对应的MLC叶片机械到位精度测试计划,并在瓦里安TrueBeam直线加速器上进行以下投照测试:直接采用与直线加速器匹配的Picket Fence测试计划进行VMAT的MLC叶片机械到位精度测试,测试机架角度包括0°、90°、180°和270°;设置机架角度分别为0°、90°、180°和270°,MLC角度为0°,进行IMRT的MLC叶片机械到位精度测试;设置机架角度分别为90°和270°,MLC角度分别为10°、20°和30°,进行IMRT的MLC叶片机械到位精度测试。采用电子射野影像装置(EPID,针对VMAT和IMRT所有测试)和胶片(仅针对IMRT测试)对测试计划进行投照成像,采用DoseLab Version 7.0软件(针对VMAT和IMRT所有测试数据)和RIT complete Version 6.10软件(仅针对IMRT测试数据)导入并分析EPID影像的MLC叶片机械到位精度,采用Film QA Pro Version 4.0软件分析胶片的MLC叶片机械到位精度。结果DoseLab Version 7.0软件针对EPID影像的分析结果显示,4种机架角度下VMAT的MLC叶片机械到位精度平均偏差均<0.20 mm,设置到位精度容差为0.50 mm,栅栏野通过率为100%;4种机架角度下IMRT的MLC叶片机械到位精度平均偏差均≤0.50 mm,且均大于VMAT的MLC叶片机械到位精度平均偏差,设置到位精度容差为0.50 mm,栅栏野通过率>95%。RIT complete Version 6.10软件针对EPID影像的分析结果及Film QA Pro Version 4.0软件针对胶片的分析结果均显示,机架角度为90°和270°时,不同MLC角度的MLC叶片机械到位精度平均偏差均<1 mm,符合美国医学物理学家协会(AAPM)TG-142报告要求;且机架角度90°和270°的MLC叶片机械到位精度偏差呈相反趋势。结论不同机架角度和MLC角度下,VMAT和IMRT的MLC叶片机械到位精度均符合标准。但MLC叶片机械到位精度测试对于放射治疗计划剂量的精准投照至关重要,因此需要严格按照相关标准定期进行质量控制测试,检查叶片到位的精度及重复性。

一种真空激光准直监测系统精度校核装置的设计及应用

为保证大坝安全监测数据的有效性,提高大坝安全监测水平,保障水电站安全运行,本文设计并研制了一种真空激光准直监测系统的精度校核装置,可通过控制器从测点箱外部控制测点箱内的波带片进行直线移动,从而检验系统的测量精度。文中详细介绍了精度校核装置的测量原理、电机选型及结构组成,并将其应用于某水利枢纽大坝工程上进行了现场测试,其测试结果表明该方法可方便可靠的进行真空激光准直系统测量精度的检验,为确保系统测量数据的准确可靠提供了强有力的检验技术支撑。

铁路大型养路机械JZT型激光准直系统应用分析与研究

捣固车的JZT型激光系统(以下称激光准直系统)的技术研究和产品的完善、发展已经历了20多年的艰辛历程,其间得到了各铁路相关单位广泛使用,为国产激光系统的技术不断进步、产品质量稳步提高起到重要作用。本次写作主要从激光准直系统作业的工作原理分析、基准点的标定、故障的举例及维修技术研究分析的角度,来展开对激光准直系统的研究与应用进行阐述。