重离子治疗装置是由中国科学院近代物理研究所研制的中国第一台拥有自主知识产权的医用重离子加速器。重离子治疗装置打破了发达国家对大型高端医疗器械的市场垄断,已经由研究阶段转向市场产业化。国产重离子治疗装置同步环周长仅为50余米,其高能输运线(HEBT)的高差达19米,是目前同类装置中最为紧凑也是高差最大的治疗装置,其元件结构复杂、安装空间狭小、安装工期紧迫、所有关键元件都要求亚毫米量级精度安装。由于其作为医疗器械的特殊性和设计结构的紧凑性,产业化后的重离子治疗装置对准直安装的精度和效率都有更高的要求,准直测量作为一项贯穿于重离子治疗装置建造始终的关键技术,将面临着严峻的挑战。本论文以在建的重离子治疗装置为研究基础,以提升装置安装元件的准直精度、提高准直安装的效率为研究目标,通过对准直精度影响因素的分析研究,以及对准直方法的优化和准直技术的创新,提高了重离子治疗装置元件的准直精度和准直安装效率。论文的主要研究成果及创新包含以下几个方面:1.通过对磁场测量系统的设计结构、测量原理及定位要求的研究,借助于激光跟踪仪等高精度测量仪器与光学仪器的联合测量,提出了一套基于磁铁标定数据的磁场测量定位准直方法,将所有测磁元件在短时间内以优于±0.1mm的精度准直到位,经过验证,准直结果满足了高精度磁场测量系统的定位要求,同时也提高了测磁定位的效率。2.基于对加速器元件的准直精度与束流动力学的关系分析,和对影响其准直精度的因素研究,通过多种途径控制激光跟踪仪的测量误差,及对附有约束条件的控制网测站加权平差等方法,提升了三维控制网的测量精度。针对同步环磁铁轨道的平滑测量,提出了“一站式全覆盖测量”准直同步环磁铁的方法,使同步环所有磁铁准直相对中误差值达到了0.05mm,有效减小了同步环的闭轨,提升了同步环的束流品质。在大高差的HEBT竖向安装磁铁准直工作中,根据磁铁的现场安装姿态构建了异态安装磁铁的标定数据转换模型,克服了垂直终端元件安装时由于标定姿态和安装姿态的不同向而带来的困难,有效地提高了准直安装的工作效率。3.在重离子治疗装置的束诊元件的安装准直工作中,研究了一种使用关节测量臂和准直望远镜内、外组合标定,使用激光跟踪仪精确上线安装的束诊元件准直方法,成功将真空室内部的束诊元件中心转换为真空室的外部标定,克服了传统的真空管道内部元件无法高精度数字化准直的难题。通过多类测量系统联合测量,做到了束流诊断元件在真空室内的精确标定和精密安装,有效地提高了束诊元件对加速器的束流测量精度。4.基于双相机近景摄影测量技术,结合激光跟踪仪三维控制网研究了一种高精度、非接触性的测量方法,用于重离子治疗患者放疗前的引导摆位和放疗过程中的实时靶区监控。通过激光跟踪仪三维控制网和数字摄影测量设备解析数学模型的搭建,使用双相机交会测量患者体表靶区的特征点,结合七参数解算模型,精确标定出患者肿瘤相对于等中心点的位置,完成患者在治疗过程中肿瘤位置相对于治疗等中心点的六自由度参数实时监测。通过双相机近景摄影测量患者摆位系统的设计,引导患者进行摆位和摆位验证,提升患者的摆位可靠性和效率。通过双相机近景摄影测量患者监测系统的设计,在患者治疗过程中通过监测患者体表的编码特征点,建立超差预警机制,保证患者在治疗过程中的辐照精准度,避免正常组织受到辐射,进而可以提升患者的治疗效果。通过上述准直关键技术的研究,解决了重离子治疗装置各种准直安装的技术难题,以上研究内容绝大部分都在武威重离子治疗中心装置和兰州重离子医院装置得以应用。通过工程的实际验证,上述准直技术有效地提高了重离子治疗装置的准直安装效率,缩短了安装工期,关键元件的各向安装误差均优于物理精度要求。武威重离子治疗中心装置已完成临床实验并投入使用;兰州重离子医院装置也开始束流调试,所有束流参数均好于设计目标,这也是对重离子治疗装置准直关键技术的最好验证。