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去年夏末秋初，拜访了清华的叶教授和康泰的刘总，并参观了他们的研发成果和产品，由此激起的创作热情持续至今，非常感谢他们提供了思考的课题和研究的方向！
此前还拜访了胡逸民教授，汇报了矩阵调强准直器的研发进展，也答应就胡教授的宝贵建议尽快给与回馈，但由于整个思路都被“快速多叶准直器”和“多层叶片准直器”的概念吸引，拖延至今。今天将给大家介绍的宽带射野矩阵调强准直器就是答复胡教授建议的作业题。
一、宽带射野矩阵调强准直器
此前给大家介绍的“屏蔽体多层排列的矩阵调强准直器”，最大射野120㎜×200㎜，看着是一个矩形，调强单位（射野中射线通量变化的最小单位）10㎜×6.25㎜，如下图。
胡教授的建议是，不能忽略了准直器的矩阵调强功能(我已转到拉弧调强方向去了)；而对头部多角度照射而言，调强单位至少要精确到5㎜×5㎜；能否做成两个区域，精确区内调强单位可小一点，非精确区内调强单位可大一点。
这个课题难度很大，特别是第三项，至今都没有想出好的办法。但我知道了问题所在和改善的方向，即要把精度放在第一位。
本人想到了一种变通的做法，即按头部肿瘤治疗设置精度，不再区分头部肿瘤和体部肿瘤，精度上一视同仁，效率取决于肿瘤大小。依此想法，调整后的最大射野和调强单位如下图。
图中上图是调整前的射野，下图是调整后的射野。调整后的最大射野为60㎜×200㎜，调强单位为5㎜×5㎜。如再将这样的射野称为矩形射野，有点勉强，本人改称它为“宽带射野”。
现在，调强单位也由384个增加至480个。这480个调强单位的射线通量由同等数量分6层排列的屏蔽体负责控制，见下图。
每个屏蔽体的驱动原理，可参见拙文“调强放疗准直器之矩阵调强准直器（屏蔽体多层排列）”，这里不再重复。需要说明的是调强方法的转变，见下图。
上两图显示，由于射线发散的关系，最上层叶片的物理宽度和长度都在缩小，特别是长度的缩小使抗撞击能力下降，这决定了这种宽带准直器不再适合做拉弧调强，只能用来做矩阵调强，回归了矩阵调强准直器的最初用途。此前拙文中，多次提到矩阵调强，矩阵的含义可能难以理解，说说它的出处就明白了。
多年以前，一次向胡逸民教授汇报补偿器调强的研发情况，胡教授翻开了那本著名的《放射物理学》，翻倒一页，有一张图，图中有许多方格，方格中有数字，数字表示的数量都不同。胡教授指着这些数字说，能否通过机械的方式，做到各点独立调强。这对我来说就是课题。也是在同一本书中，见到了那个极具创意但中途夭折的“国际象棋棋盘”式准直器，很受启发。黑白相间的国际象棋棋盘是不是很像一个矩阵，矩阵调强准直器的名称由此而来。屏蔽体同层排列的矩阵调强准直器，也支持棋盘式调强，只是制作过于复杂，与多个条形射野组成的准直器相比并不占优势，故作罢，留下个名称，以为纪念。回到正题。
矩阵调强和拉弧调强对屏蔽体换位速度的要求是不同的，拉弧调强要求屏蔽体换位有很高的速度，以实现在光源快速旋转的情况下，清晰地界定射野边界，并在一个较短的弧段内按比例控制射线通量；矩阵调强不要求那么快的速度，只要实现快速开关即可，量化一点说，就是要求实现的二维剂量通量图三维显示的上表面接近平面即可，不要就是绝对的平面。
为降低系统对屏蔽体换位速度的要求，拉长了光源至等中心的距离。如果在材料学方面想些办法，还可提高屏蔽体的强度，本设计预留了空间，细心观察会发现，屏蔽体逐层增加了高度。
下面说说宽带射野的使用，见下图。
上图显示，宽带射野可分别从正交的方向，依据肿瘤的大小和长宽比例，进行拼接覆盖照射，目的是尽量减少每个角度的照射次数，不用拼接时，一个角度调强照射一次；拼接一次照射两次；两次拼接照射三次，最多可拼接三次，覆盖面积达到240㎜×200㎜。再增加拼接次数是可以做到的，但射野长端两侧的调强单位会出现偏移。
与屏蔽体同层排列的矩阵调强准直器的多个条形射野对接不同，宽带射野的射野拼接要简单得多，几次试验就可找到最佳摆动角度，而不必做物理改动。
偶然发现，宽带射野准直器或可解决肿瘤随呼吸的移动问题，方法是，小肿瘤时，宽带射野全覆盖，随着肿瘤的有规律移动，肿瘤边界的调强单位改变开门或关门的状态；肿瘤较大时，宽带射野可从合时的方向，以一个恒定的速度，从肿瘤的一侧扫向另一侧，其间，肿瘤边界的调强单位改变开门或关门的状态。
还有，宽带射野是为满足头部肿瘤治疗精度需要，以治疗空间为300㎜确定的，如是体部肿瘤治疗，治疗空间可调到400㎜、450㎜或500㎜，相应地射野面积也会适当放大。
这又引来了效率问题，因为增加源轴距，会降低等中心平面单位面积的射线通量，相应的会增加照射时间，降低了治疗效率。
在此就效率问题再谈点看法。现在调强方法追求效率，是因为患者太多，为此要提高设备的使用效率。如高端的调强效率太低，低端的适形放疗就会取而代之，因为几次适形的取费要超过调强的取费。按我国现在的发展速度，用不了多少年，加速器就会接近饱和状态，并快速接近发达国家的配置水平，那时效率已不是主要矛盾，对精度需求会更加突出。那么，什么样的效率算合适呢。本人有过站桩的经验，开始很轻松，时间久了就会有疲劳感，会自发出一些动作疏解这种疲劳感。我想放疗患者躺在床上也是一样，如在患者产生疲劳感之前结束治疗就是合适的效率。如治高质量的放疗应从容进行。但若疗时间拖到半小时，甚至一小时以上，患者肯定受不了，医生也会很劳累，那就不从容了。
二、立柱式机械手机架
要满足宽带射野的工作原理，机架要满足四个条件，一是光源可以X轴为轴心向后摆动；准直器可以光源为圆心向两个正交方向摆动；三是，准直器可以点光源至等中心的连线为轴心自旋；四是源轴距可调，以满足头部肿瘤和体部肿瘤对治疗空间的需求。
满足以上条件的机架，非机械手莫属。本人采用的是直线轴与旋转轴组合的立柱式机械手，如下图。
上两张图是倒立式立柱机架的西南效果图和左视线图。
设备的主体是个五轴系统，X\Y\Z 轴确定光源在空间的位置，重复位置精度可小于0.5㎜；两个旋转轴控制光速的照射方向。这是一个放大的五轴雕刻机（或3D打印机）的结构，成熟技术。
准直器增加了一个自旋周，使系统增为六轴系统，如下图。
图中，中间的绿色部件是回旋驱动轴，可驱动准直器自旋。
本人对X-波段小机头不甚了解，只给出它可能占用的空间。
准直器的上三层与下三层的屏蔽体驱动机构有些区别，分别划出最上层和最下层，详细结构可参见拙文“调强放疗准直器之矩阵调强准直器（屏蔽体多层排列）”。
本设计将影像系统与机架组为一体，采用容积CT定位方法。为此，增加了一个立柱自旋轴和一个影像X-光机自旋轴，系统增至八轴系统，别担心系统复杂会影响精度，因为机架主体还是五轴系统，位置精度主要由它决定。如采用正交拍片方式影像定位方式，就可将影像系统与主机分离，回到六轴系统。
本设计的旋转轴驱动，除准直器用的回旋驱动轴外，其它四轴均采用了伺服电机加皮带轮的设计，且两个皮带轮是由小驱动大，进一步增加精度。
为什么要采用倒立设计呢。因为，无论对X轴和Y轴怎样精细包装（一为防尘，二为美观），整机怎么看都像个机床，故把它倒立起来，更像个医疗设备，下面的空间也变得宽敞。
下图是直立式设计。
上两张图是直立式立柱机架的西南效果图和左视线图。
担心有人说，倒立式设计过于夸张，又增加一款直立式设计。
为了美观，并加点科技感，采用了磁联动设计，将X轴和Y轴全部封闭起来，能看到的只是一个立柱在一个平板上滑动。关于联动方式，曾见到一款平面直线电机采用过这种设计，借来一用，见下图。
图中，一个非导磁材料的金属平板介于上下矩阵排列的永磁铁块之间，磁铁块横向之间极性相反，纵向之间极性相同。为在尽量小的间隙下，将磁铁与非导磁板隔开，使用了上下矩阵排列的顶针轴承。
不要小看了磁铁的力量，安装完成后，立柱是推不倒的。
在磁力作用下，平板上下部分会即时紧紧相随，不会影响精度。
加上磁联动后，主机被分为上下两部分，X轴和Y周在下，如X轴和Y 轴的机械部分坏了，属大修，但不会经常发生。电器部分主要有，电机、编码器、光栅尺和限位器，设计时考虑到方便更换就可以了。
治疗床仍然采用五轴系统，使床板三维可调，这是假定了固定等中心的存在。如取消固定等中心，则治疗床可取消负责床板左右移动的两个旋转轴。
下面以一段早期制作的动画，演示了立柱式机架的影像定位和球面多角度照射的过程，不涉及适形和调强。
此动画为刚学动画时的拙作，很多技巧还没学会，实在粗糙。但重新作画，还要慢慢回忆制作方法，也很麻烦，凑合用吧，见笑。
不知这样的作业，胡教授能否满意，也请大家品评，指正。
2018.1.5
连卫东
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