醫(yī)用直線加速器劑量監(jiān)測與控制系統(tǒng)的技術(shù)分析

王明槐 唐志全

[文章編號(hào)] 1672-8270(2017)05-0027-07 [中圖分類號(hào)] R812 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

醫(yī)用直線加速器劑量監(jiān)測與控制系統(tǒng)的技術(shù)分析

王明槐①唐志全②*

[文章編號(hào)] 1672-8270(2017)05-0027-07 [中圖分類號(hào)] R812 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

目的：對(duì)醫(yī)用直線加速器的劑量監(jiān)測與控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)分析，探討劑量學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量保證調(diào)試方法以及日常維護(hù)維修中需要熟練掌握的機(jī)器物理邏輯和解決方案。方法：從醫(yī)用直線加速器的機(jī)電工程學(xué)角度，系統(tǒng)解析醫(yī)科達(dá)Precise加速器和瓦里安高能加速器的劑量監(jiān)測與控制系統(tǒng)，提出質(zhì)量保證及維護(hù)措施。結(jié)果：在機(jī)器物理內(nèi)涵和機(jī)電工程具體實(shí)現(xiàn)之間，建立以電離室監(jiān)測為中心的質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，明確開放式和密封式電離室的異同，以及Precise加速器不用PFN伺服的原理。結(jié)論：在分析醫(yī)用直線加速器電離室構(gòu)造原理的基礎(chǔ)上，提出劑量學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量保證調(diào)試方法，為進(jìn)而建立劑量學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量保證體系和維護(hù)維修工程學(xué)流程提供參考依據(jù)。

醫(yī)用直線加速器；劑量監(jiān)測與控制；電離室；劑量學(xué)；束流導(dǎo)向

[First-author’s address]Department of Medical Equipment, Red Cross Hospital of Yulin City, Yulin 537000,China.

醫(yī)用電子直線加速器的劑量監(jiān)測與控制系統(tǒng)[1]由質(zhì)量保證層面的劑量學(xué)系統(tǒng)和工程層面的導(dǎo)向伺服系統(tǒng)組成，其主要作用體現(xiàn)在劑量學(xué)層面，以保證加速器輻射野(即照射野，簡稱射野)的品質(zhì)符合相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[2-4]；主要參數(shù)為：①輻射能量符合射野品質(zhì)規(guī)定；②保證投照劑量(delivered dose)精確可靠，預(yù)防并杜絕超劑量或欠劑量；③保證射野劑量分布的均勻性，即對(duì)稱性與平坦度符合標(biāo)準(zhǔn)；④安全預(yù)防措施，包括第1通道失靈時(shí)第2通道終止治療，過劑量率連鎖及射野均勻性連鎖等。

醫(yī)科達(dá)公司Precise系列的加速器采用行波加速，全系列均為最多3檔X射線輻射能量和6檔電子輻射能量的機(jī)型。瓦里安公司的Clinac系列高能加速器采用駐波加速，全系列均為2檔X射線輻射能量和6檔電子輻射能量的機(jī)型。兩類加速器的劑量監(jiān)控系統(tǒng)盡管在電離室結(jié)構(gòu)、相關(guān)電路及導(dǎo)向伺服等方面有許多差異，但工作目標(biāo)與作用完全一致。在加速器的使用過程中，需要定期對(duì)加速器進(jìn)行質(zhì)量保證工作，本質(zhì)上是利用測試儀器測量的參數(shù)值對(duì)劑量監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，而環(huán)境因素和機(jī)器的自然老化可能會(huì)造成機(jī)器故障。

為此，本研究對(duì)醫(yī)科達(dá)Precise(Elekta，瑞典)及瓦里安Clinac 2300CD(Varian，美國)兩型加速器所配備的劑量監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)分析，探討劑量學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量保證調(diào)試方法以及日常維護(hù)維修中需要熟練掌握的機(jī)器物理邏輯和維護(hù)方案，以用于建立質(zhì)量保證調(diào)整流程和維護(hù)維修流程。

1 技術(shù)分析與質(zhì)量保證及維護(hù)方案

1.1 電離室

電離室是劑量監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測器件，其功能是將加速器輸出的脈沖輻射轉(zhuǎn)換為脈沖值，約10-5A(10 μA)、平均值約10-8A(0.01 μA)的微電流，監(jiān)測射野的強(qiáng)度和位置[5]。

電離室的基本組成包括收集電子的收集極、高壓極和兩極間的氣體間隙以及與收集極等電位的保護(hù)極，所有的“極”均覆蓋良導(dǎo)體材料，收集極區(qū)域與高壓極之間的間隙形成收集電荷的靈敏體積。收集極連接測量裝置，高壓極提供極化電壓[6]。一般將收集極板設(shè)計(jì)在零電位，因此高壓極板為負(fù)電壓。收集極板與高壓極板配對(duì)出現(xiàn)，這是電離室中的極板對(duì)數(shù)。一個(gè)收集極板可以只有1個(gè)收集極，也可以有多個(gè)收集極，圓形高壓極板整體為導(dǎo)電區(qū)。保護(hù)極的作用是防止漏電流到達(dá)收集極并定義靈敏體積的范圍，對(duì)平板電離室來說，保護(hù)環(huán)還防止收集極邊緣電場過分外凸彎曲[7]。每個(gè)收集極都有一條1 mm寬的保護(hù)環(huán)，保護(hù)環(huán)與收集極絕緣隔開1～2 mm并與收集極串聯(lián)。收集極配對(duì)出現(xiàn)，每個(gè)收集極產(chǎn)生1個(gè)電離信號(hào)(Precise機(jī)的Outer Hump信號(hào)為一圓環(huán)，但因其他收集極引線的需要，被隔開成2個(gè)收集極)，而每對(duì)收集極監(jiān)測1個(gè)或一類參數(shù)。

Precise機(jī)與Clinac 2300CD機(jī)的電離室均是X射線輻射和電子輻射共用的透射式平板電離室，各個(gè)極板分層疊加，都要區(qū)分近靶面和患者面。兩種電離室的能量響應(yīng)均為監(jiān)測型電離室，隨著能量增大電離電流增大但非線性，因此不同能量需要單獨(dú)進(jìn)行校準(zhǔn)。

電離室因輻射產(chǎn)生的電離電流I=aVX，其中a為與特定電離室結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)，V為氣體的靈敏體積，X為照射量率[5]。劑量監(jiān)控系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)是在設(shè)計(jì)制造上使每對(duì)靈敏體積的電離電流相等，并利用電離室實(shí)時(shí)反饋進(jìn)行伺服，補(bǔ)償因相關(guān)器件熱效應(yīng)等因素引起的參數(shù)漂移，維持其相等或相差最小至劑量學(xué)參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。因此，當(dāng)配對(duì)靈敏體積不在同一收集極板上時(shí)，或收集極雖在同一層極板，但卻關(guān)于射束中心不對(duì)稱時(shí)，相同體積的電離量并不相等，需要根據(jù)靈敏體積中各點(diǎn)距離靶點(diǎn)入射面的距離，考慮輻射強(qiáng)度的平方反比律(f12/f22)[7]對(duì)靈敏體積大小進(jìn)行修正，使配對(duì)靈敏體積的等效靈敏體積相等，從而使配對(duì)靈敏體積的電離電流相等。

1.1.1 電離室相關(guān)參數(shù)比較

為了在極板間獲得較高的電場強(qiáng)度，極板間距都很小(1 mm)，但小的氣體間隙容易被擊穿拉弧(在均勻電場中干燥空氣的擊穿強(qiáng)度為3000 V/mm[8])，再兼顧到飽和區(qū)工作電壓。因此，Precise機(jī)與Clinac 2300CD機(jī)電離室工作電壓分別選在325 V和500 V。兩機(jī)電離室的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 電離室相關(guān)參數(shù)比較

1.1.2 Precise機(jī)電離室

電離室分為6層3對(duì)極板，從近靶面開始依次為伺服信號(hào)極板、325 V；325 V、DOSE A極板；DOSE B極板、325 V。DOSE A與DOSE B極板均為圓形極板形成一對(duì)靈敏體積，是1通道和2通道的劑量監(jiān)測極板，在等中心投影半徑分別為109 mm和222 mm，由于不在同一層，真實(shí)靈敏體積比為1∶4.184，等效靈敏體積比為1∶4。伺服信號(hào)極板共有3對(duì)收集極：①最外一圈圓環(huán)狀弧形極板Outer Hump，是唯一分成2個(gè)區(qū)域的一個(gè)收集極，中心是圓形極板INNER HUMP，由于關(guān)于射束中心不對(duì)稱，等效靈敏體積為1∶1；②軸向R方向的一對(duì)弧形伺服極板，分別是槍端2RG和靶端2RT，由于在一層極板上且關(guān)于射束中心對(duì)稱，靈敏體積為1∶1；③橫向T方向的一對(duì)弧形伺服極板，分別是右側(cè)2TA和左側(cè)2TB，與軸向相同，靈敏體積為1∶1。

Precise機(jī)采用開放式電離室，靈敏體積空氣與大氣連通。對(duì)于Precise機(jī)的開放式電離室，工作環(huán)境的相對(duì)濕度和潔凈度要求很高，使用中要防潮、防塵。防潮是因?yàn)闀?huì)有漏電，因此加速器機(jī)房必須配備足夠功率的空調(diào)和除濕機(jī)；防塵是為防止電離室極板間打火。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)GB15213-94[4]規(guī)定，加速器的工作環(huán)境相對(duì)濕度為30%～75%，而Precise機(jī)的隨機(jī)文件要求用戶的環(huán)境相對(duì)濕度＜70%，實(shí)際上比國際標(biāo)準(zhǔn)苛刻。周末停電后需要派人重啟除濕機(jī)和空調(diào)機(jī)，此外，操作電離室要帶防靜電手帶，禁止觸摸極板表面，因?yàn)榱粼诒砻娴挠≯E會(huì)降低電離室性能，且輻照后可能一碰即裂。

1.1.3 Clinac 2300CD機(jī)電離室

電離室分為4層2對(duì)極板，從近靶面開始依次為500 V、軸向極板；500 V、橫向極板。近靶面和患者面裝配成2個(gè)單獨(dú)的腔室，即靶面軸向腔室和患者面橫向腔室，2個(gè)腔室成90°正交疊加在一起。軸向與橫向收集極的形狀與功能完全一樣。中心大部分面積為一對(duì)D形區(qū)形成一個(gè)圓，2個(gè)D的外面是一對(duì)弧形區(qū)。D形區(qū)的信號(hào)既是劑量信號(hào)也是伺服信號(hào)，而弧形區(qū)的信號(hào)僅作伺服信號(hào)。其中軸向2個(gè)D形區(qū)為A、B，2個(gè)弧形區(qū)為E、F。由于距離靶點(diǎn)入射面距離相同且關(guān)于射束中心對(duì)稱，配對(duì)靈敏體積A∶B=1∶1，E∶F=1∶1。橫向2個(gè)D形區(qū)為C、D，2個(gè)弧形區(qū)為G、H，配對(duì)靈敏體積C∶D=1∶1，G∶H=1∶1。1通道和2通道劑量信號(hào)分別為A+B和C+D。

Clinac 2300CD機(jī)采用封閉式電離室，靈敏體積充有約1.5個(gè)大氣壓的稀有氣體He氣。選擇He氣的原因是因?yàn)樵谙嗤某錃鈮毫ο?，He氣的飽和電壓最低，并可獲得比同體積空氣更高的電離率[9]。但密封He氣存在自然泄漏，最大泄漏率為1×10-7cc/sec。電離室腔體用紫銅經(jīng)精密車床加工而成，2個(gè)腔室之間是一個(gè)銅板圓環(huán)，圓環(huán)內(nèi)圈是2層焊接在銅板上的密封銅箔，分別與外表面的銅箔形成密封氣室。2個(gè)腔室合攏后，用8顆緊固螺絲緊固，兩腔室內(nèi)的一圈圓環(huán)端面與2個(gè)腔室之間的銅板圓環(huán)緊配合，從而使兩腔室隔離并密封。密封后同時(shí)抽真空處理后再同時(shí)充He氣，兩邊充氣到相等氣壓后將各自充氣管剪斷，同時(shí)熱焊密封。因此，在未知電離室是否正常時(shí)，不可松動(dòng)8顆緊固螺絲以免漏氣。當(dāng)軸向與橫向電離室泄漏均勻時(shí)，或即使泄漏不均勻但He氣壓力足夠使電離量仍舊相等時(shí)，不影響正常使用。但當(dāng)2個(gè)電離室He氣泄漏不均勻且電離率與He氣壓力成正比時(shí)，比如軸向泄漏較大，則He氣密度比橫向電離室低，MU1計(jì)數(shù)將＜MU2，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)DS12連鎖。如果用劑量儀校準(zhǔn)MU1和MU2后不能保持一周，則必須更換電離室。1.1.4 電離室質(zhì)量保證與維護(hù)

(1)環(huán)境溫度與氣壓校正。兩種電離室的最大差異在于靈敏體積的氣體種類和封裝形式，E機(jī)為開放式電離室，需要作環(huán)境溫度與氣壓校正。

(2)潮濕漏電。無論是開放式還是密封式電離室，在電離室因潮濕產(chǎn)生漏電流時(shí)，無輻射也會(huì)有漏電流計(jì)數(shù)，都服從漏電流I=V/R，對(duì)應(yīng)于102V(325 V和500 V)數(shù)量級(jí)電壓、10-8A(0.01 μA)電流，其阻值為1010Ω，即10000 MΩ。因此，如果用高內(nèi)阻數(shù)字萬用表測量極板間電阻，數(shù)值必須是∞，即使受潮漏電，阻值也必然在MΩ數(shù)量級(jí)以上，否則(如100 kΩ)均為極間已短路損壞。

(3)打火。由于極板間距只有1 mm，板間的灰塵會(huì)造成打火，因此Precise機(jī)需要環(huán)境空氣潔凈。對(duì)于Clinac 2300CD機(jī)電離室，雖然制造過程中已排出電離室內(nèi)的大多數(shù)灰塵，可以有效避免打火，但畢竟不能做到絕對(duì)無塵，故還會(huì)有偶然打火。打火的碳化體會(huì)造成極間短路，大多數(shù)電離室為短路損壞[10-11]。打火也可能造成保護(hù)環(huán)或極板上的引線斷路[12]。打火還會(huì)造成極板穿孔，其結(jié)果是打火處所在靈敏體積變小，電離電流會(huì)失真變小。

(4)輻照裂紋。Precise機(jī)極板基片為聚酯薄膜，導(dǎo)電區(qū)為光蝕刻的石墨涂層，相對(duì)耐輻射能力較弱，因輻射可致極板產(chǎn)生裂紋。Clinac 2300CD機(jī)極板基片為薄云母片，導(dǎo)電區(qū)為絲網(wǎng)印刷鍍金，相對(duì)耐輻射能力較強(qiáng)，不會(huì)因輻射使極板產(chǎn)生裂紋。裂紋所產(chǎn)生的影響是電離信號(hào)不穩(wěn)定，尤其是伺服信號(hào)。由于Precise機(jī)伺服信號(hào)極板裸露在表面最上層，將機(jī)頭吊起即可查看是否有裂紋。

1.2 高壓極電源與監(jiān)測

1.2.1 Precise機(jī)電源與監(jiān)測

12區(qū)RHCA的附屬電源板。電源板分新、老型號(hào)，老型號(hào)板4513 390 2134共有3塊，其他用途的2塊在16區(qū)HTCA和72區(qū)ICCA，都帶-325 V直流電源，可調(diào)節(jié)輸出電壓但不穩(wěn)壓，可互換，若市電電源三相不平衡，可能導(dǎo)致-325 V電源過低，過低的極化電壓會(huì)使電離曲線在飽和區(qū)以下，因此造成機(jī)器故障，所以必須配備市電穩(wěn)壓器[13]。新型號(hào)板4513 390 3384則是20 Vac整流后的+22 Vdc經(jīng)穩(wěn)壓模塊U1輸出穩(wěn)壓+12 Vdc，再經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換器PSU1得到-325 V穩(wěn)壓電源。-325 V電源進(jìn)入電離室后依次經(jīng)過高壓極2、3、6的3個(gè)極板呈串聯(lián)形式。-325 V監(jiān)測電壓由5.1 M和110 K電阻分壓引出，在DOS-A PCB測試點(diǎn)TP35對(duì)應(yīng)電壓為-6.87 V。電壓有效范圍為300～350 V。監(jiān)測電壓經(jīng)DOS-A PCB→SCC PCB12A→AI PCB12A生成連鎖項(xiàng)目(item，簡稱i)i189-300 V Monitor，讀數(shù)范圍0～-400 V。監(jiān)測電壓分別經(jīng)DOS-A PCB和DOS-B PCB生成i506 D1 Supply和i456 D2 Supply連鎖。

1.2.2 Clinac 2300CD機(jī)電源與監(jiān)測

電源板位于機(jī)架側(cè)面與真空電源一起構(gòu)成VACION電源盒，包括控制器板和HV PS電源板。軸向和橫向電離室獨(dú)立供電監(jiān)測，兩路完全相同。來自控制器板的穩(wěn)壓±12 Vdc在電源板經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換器得到穩(wěn)壓-500 Vdc，經(jīng)電離室高壓極后返回，再經(jīng)10 M與100 k電阻分壓得到-5 Vdc監(jiān)測電壓，測試點(diǎn)在控制器板TP9和TP10。監(jiān)測電壓經(jīng)比較器U4與-4 V參考電壓比較，若絕對(duì)值＜4 V，則熄滅VACION面板綠燈DS11或DS12，指示高壓極電壓＜400 V并觸發(fā)連鎖ION1或ION2。

1.2.3 高壓極電源質(zhì)量保證與維護(hù)

Precise機(jī)的3個(gè)高壓極呈串聯(lián)形式，只用1個(gè)電源統(tǒng)一供電，若電源故障則整個(gè)電離室不工作。Clinac 2300CD機(jī)的2個(gè)高壓極分屬2個(gè)電離室，用2個(gè)電源單獨(dú)供電。對(duì)于DC-DC轉(zhuǎn)換器，當(dāng)漏電流達(dá)1 mA左右時(shí)即觸發(fā)其過流保護(hù)功能，此時(shí)電離室的泄漏電阻在100 kΩ數(shù)量級(jí)。所以，在電壓丟失時(shí)，兩類機(jī)型均需要脫開電離室空載測量，區(qū)分是電源損壞還是電離室短路。Precise機(jī)脫開SK12 FF，Clinac 2300CD機(jī)脫開P9。

1.3 劑量通道信號(hào)處理

1.3.1 Precise機(jī)劑量通道信號(hào)處理

1通道DOS-A PCB和2通道DOS-B PCB位于12區(qū)RHCA，分新、老型號(hào)，不能混用。DOS-A PCB信號(hào)輸入端匹配150 k電阻，DOS-B PCB信號(hào)輸入端匹配50 k電阻與1 nF電容并聯(lián)，使2個(gè)電離電流脈沖信號(hào)在處理前的高度與形狀基本相同，2塊板不能互換。然后電流脈沖經(jīng)I-V轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換為電壓脈沖并加上60 mV DC偏置，再經(jīng)12-bit ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送至場效應(yīng)可編程門控陣列FPGA中的劑量積分器進(jìn)行采樣、積分。治療開始前，加速器控制系統(tǒng)(LCS)的校準(zhǔn)模塊為積分器提供一個(gè)與所選能量相對(duì)應(yīng)的電壓閾值Dose_ref，該閾值定義為1 MU的1/64。外置水箱與劑量儀，調(diào)節(jié)i314 Dose ref 1校準(zhǔn)1通道的劑量計(jì)數(shù)為1 MU=1 cGy絕對(duì)劑量(調(diào)節(jié)i315 Dose ref 2校準(zhǔn)2通道的劑量計(jì)數(shù)與1通道相同)。當(dāng)積分值達(dá)到校準(zhǔn)閾值時(shí)就輸出1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖且積分器清零后重新開始積分。每出現(xiàn)64個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)器就輸出1個(gè)MU信號(hào)。如果2個(gè)通道的累積MU差異超過設(shè)定極限(如3 MU)，則報(bào)i366 Dose channeldifference。超劑量率監(jiān)測計(jì)數(shù)器防止計(jì)數(shù)脈沖＞307個(gè)/0.262 s(等效劑量率=1099 MU/min)使計(jì)數(shù)電路飽和，報(bào)i167 Dose rate error。實(shí)際劑量率分別為i44 D/rate1和i45 D/rate2。i484 Plate sum顯示所有極板信號(hào)之和，i160 Uniformity指示射野均勻度，＞5%則終止治療。在DOS-B PCB施加一個(gè)仿真劑量(Dummy Dose)電壓，以便在DOS-A PCB失敗時(shí)由DOS-B PCB終止治療。將PRF置于6時(shí)，板上LED2每秒閃亮1次表明PCB工作正常。

1.3.2 Clinac 2300CD機(jī)劑量通道信號(hào)處理

所有電路板均位于控制臺(tái)，且測試點(diǎn)(TP)在電路板外沿，方便在線測量。1通道和2通道積分器板B15和B16相同，束流位置伺服板B19和B20相同，2個(gè)通道共用B18板處理超劑量和對(duì)稱性。來自電離室極板A、B的電離電流脈沖信號(hào)，在B15分別經(jīng)I-V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓脈沖TP1和TP2，求和放大(A+B)TP3，放大給1通道劑量率顯示TP4，積分平滑成dc電壓TP7，V-F轉(zhuǎn)換成1%MU(centiMU)的脈沖頻率cMU1 TP6，再經(jīng)Timer Interface PCB緩沖送至Control Timer PCB計(jì)數(shù)成累積劑量MU1。

每檔能量配置1塊編程板(Program PCB)，外置水箱與劑量儀，調(diào)整編程板上的MU1電位器R15，改變B15板上劑量率放大器U8的增益，校準(zhǔn)劑量1通道，使1通道的1 MU計(jì)數(shù)等于絕對(duì)劑量1 cGy。然后調(diào)整編程板上的MU2電位器R16，校準(zhǔn)劑量2通道，使2通道的1 MU等于1通道的1 MU。然后分別調(diào)整編程板上的ION1電位器R13和ION2電位器R14，編程電壓分別在VACION控制器板上生成施加到極板A、B、C、D上的模擬輻射電流IONACAL、IONBCAL以及IONCCAL、IONDCAL(IA∶IB=IC∶ID=1∶10)，使ION1和ION2的計(jì)數(shù)為200。在臨床模式每次治療前的校準(zhǔn)和(或)檢查序列(CAL/CHECK sequence)中給電離室極板A、B、C、D施加這一編程電流，檢查劑量通道的性能，當(dāng)計(jì)數(shù)相差±3則不能通過校準(zhǔn)和(或)檢查序列。如果MU1、MU2、ION1及ION2調(diào)整均起作用，但維持不到GBZ126-2011[10]規(guī)定的“每周”檢測周期，就有可能是前述的電離室He氣泄漏不均勻故障，一般是“運(yùn)氣非常好”使用很長時(shí)間的電離室。

B15板上的(A-B)信號(hào)在B19板上與(E-F)相加送至對(duì)稱性表頭SYM=(A-B)+(E-F)和B18板EXQ1，EXQ1為SYM＞2%。在B18板，Q2飽和導(dǎo)通點(diǎn)亮CR10指示1通道超劑量連鎖EXQ1=[(A或B)+(A+B)]，即不超過正常值的150%；Q4飽和導(dǎo)通點(diǎn)亮CR11指示軸向超劑量和對(duì)稱性連鎖(1/2) EXQT={[(A或B)+(A+B)]與(A-B)+(E-F)}，即≤800 MU/min。這是EXQ1具有三重意義的原因。2通道的C、D、G、H處理同理。在Control Timer PCB生成DOS1、XDP1，DOS2、XDP2和DS12連鎖。

1.3.3 劑量通道信號(hào)質(zhì)量保證與維護(hù)

Precise機(jī)針對(duì)開放電離室專門由60 mV DC偏置補(bǔ)償電離室漏電，同時(shí)延長電離室壽命。Clinac 2300CD機(jī)電離室封閉，不考慮漏電補(bǔ)償。Precise機(jī)劑量極板為圓形單片極板，DOS-A極板在射野中心平坦區(qū)域取樣，代表處方劑量，DOS-B極板則涵蓋全部射野，表征射野均勻性全貌，邊緣不對(duì)稱可能造成i366。Clinac 2300CD機(jī)采用D形雙片極板，射野不平坦可以造成對(duì)稱性連鎖EXQ。

如果極板有裂紋(僅Precise機(jī))，則相應(yīng)劑量通道信號(hào)不穩(wěn)定，如果不穩(wěn)定持續(xù)不斷，在排除電路原因以后，要考慮裂紋的可能，但因DOSE A與DOSE B極板處于第4和第5層，外觀看不到，需要更換電離室試驗(yàn)。

如果極板有穿孔，視穿孔尺寸δ占信號(hào)總靈敏體積之比，則相應(yīng)劑量通道的讀數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)比值的失真變小。對(duì)于Precise機(jī)，i366會(huì)變大，而i44 D/rate1與i45 D/rate2不再完全相等。對(duì)于Clinac 2300CD機(jī)，MU1與MU2之差會(huì)變大。即使劑量通道極板出現(xiàn)小穿孔，由于每周進(jìn)行劑量校準(zhǔn)，且2個(gè)通道監(jiān)測的仍是相對(duì)量，不會(huì)造成劑量學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，δ＜1%時(shí)也難于發(fā)現(xiàn)。但對(duì)于Clinac 2300CD機(jī)而言，因劑量信號(hào)同時(shí)也是伺服信號(hào)，則會(huì)對(duì)劑量均勻性造成影響。

1.4 伺服信號(hào)處理與伺服過程

1.4.1 Precise機(jī)伺服信號(hào)處理與伺服過程

電離室信號(hào)2RG、2RT和2TA、2TB伺服導(dǎo)向線圈2R、2T，控制電子束進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的軸心位置，實(shí)現(xiàn)電子束經(jīng)過靶窗中心，控制射野的對(duì)稱性和平坦度。2R、2T還補(bǔ)償?shù)卮艌黾叭f有引力等因素對(duì)電子束流軌跡的影響，這種補(bǔ)償與機(jī)架轉(zhuǎn)角一一對(duì)應(yīng)，形成機(jī)架旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償表2R LUT(Lookup table)和2T LUT。2R、2T誤差信號(hào)分別是2RG/2RT和2TA/2TB之比。2R電路閉環(huán)伺服，修正后的實(shí)時(shí)誤差信號(hào)用于確定i164 2R I ctrl的part 142伺服增益，實(shí)時(shí)控制2R線圈電流。2T電路開環(huán)控制，i165 2T I ctrl的part 142伺服增益設(shè)置為0，來自電離室2T的實(shí)時(shí)誤差信號(hào)并不用于控制2T線圈電流，而是用part 1加LUT表中的偏置值控制，在調(diào)試過程中，part 142臨時(shí)輸入一個(gè)值以形成2T LUT表。2R、2T伺服通道為電離室→SIB PCB→SCC PCB→AI PCB→LCS：i127 2R Err(i128 2T Err)→LCS：i164 2R I ctrl(i165 2T I ctrl)→LCS：i556 2R I set(i557 2T I set)→UMD PCB→2R(2T)線圈。

內(nèi)駝峰(Inner Hump)和外駝峰(Outer Hump)信號(hào)伺服電子槍燈絲電流。在X輻射模式控制燈絲電流恒定，從而保持X輻射能量恒定，在電子輻射模式微調(diào)燈絲電流從而保持電子輻射劑量率恒定。在X輻射模式，電子束擊靶產(chǎn)生的X射線射野強(qiáng)度的原始分布呈球冠狀，經(jīng)均整器得到均勻的射野分布。均整器呈平坦圓錐狀，其中心厚而邊緣薄，不同能量的X射線穿透特定均整器的本領(lǐng)不同。如果能量偏高則電離電流IInnerHump＞IOuterHump，根據(jù)能量-負(fù)載特性V=ABI，V為名義加速電壓即電子能量，I為負(fù)載強(qiáng)度即燈絲電流，A、B為常數(shù)與具體加速管構(gòu)造相關(guān)[5]。在特定微波注入功率的前提下，此時(shí)應(yīng)增加槍電流來降低能量。如果能量偏低則電離電流IInnerHump＜IOuterHump，此時(shí)要減小槍電流來提升能量。只有在能量正確時(shí)才能得到平坦度符合要求的射野分布。反之，能量的改變也會(huì)引起平坦度的改變，從而引起導(dǎo)向伺服信號(hào)的改變，這種沖突的解決辦法是讓槍伺服的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于導(dǎo)向伺服的時(shí)間常數(shù)[1]。IInnerHump-IOuterHump的差形成i546 Gun Diff，并生成i538 Gun I Set實(shí)時(shí)調(diào)整槍燈絲電流以保持能量恒定。在電子輻射模式，照射野由電子束直接散射而來，束流強(qiáng)度只有X輻射模式下的1%數(shù)量級(jí)，槍電流的改變不會(huì)明顯改變電子能量，但會(huì)明顯改變電子野的劑量率[1]。表征劑量率的IInnerHump信號(hào)i190與預(yù)置參考電壓i187 Dose level(電壓值與相應(yīng)電子能量對(duì)應(yīng))比較形成誤差信號(hào)i546并生成i538。槍燈絲伺服通道為電離室→SIB PCB→SCC PCB→AI PCB→LCS：i546 Gun Diff→LCS：i327 Gun I ctrl→LCS：i538 Gun I set→UPD PCB→燈絲變壓器。

1.4.2 Clinac 2300CD機(jī)伺服信號(hào)處理與伺服過程

電離室信號(hào)用作位置(POS)導(dǎo)向線圈、角度(ANG)導(dǎo)向線圈及PFN伺服。POS線圈位于加速管末端，導(dǎo)向電子束進(jìn)入偏轉(zhuǎn)(Bend)磁鐵的中心位置，即最后打擊在靶窗中心。電子束位置偏差(垂直入射但不在靶窗中心)主要影響射野邊緣劑量(對(duì)稱性)。由于電子射野直接由電子束散射而來，因此POS伺服只施加于X輻射模式，POS R、POS T線圈的伺服信號(hào)分別是(E-F)和(G-H)。ANG線圈在偏轉(zhuǎn)磁鐵內(nèi)，ANG T位于一級(jí)偏轉(zhuǎn)前，ANG R代替二級(jí)偏轉(zhuǎn)?！?%能量裂縫位于一級(jí)偏轉(zhuǎn)后，因此ANG R線圈的調(diào)節(jié)范圍就是名義能量的±3%。電子束角度偏差(電子束流在靶窗中心但不垂直于靶平面)主要影響射野中心劑量(平坦度)。ANG R、ANG T線圈的伺服信號(hào)分別是(A-B)和(C-D)。導(dǎo)向線圈伺服誤差信號(hào)處理分成R通道和T通道，(A-B)和(C-D)分別在B15、B16板生成。(E-F)和(G-H)分別在B19、B20板生成。編程板上4個(gè)電位器R6、R7、R8及R9分別調(diào)整ANG R、ANG T、POS R及POS T，分別在B15、B16、B19及B20板上開關(guān)S1處與誤差信號(hào)相加后作為脈寬調(diào)制(PWM)激勵(lì)電源的輸入信號(hào)以控制各個(gè)線圈的電流。調(diào)整時(shí)S1接地不加誤差信號(hào)，外置水箱掃描儀，將實(shí)際劑量曲線調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。工作時(shí)誤差信號(hào)閉環(huán)伺服并微調(diào)線圈電流，保持電子束無位置和角度偏差。PMW電源有相同4塊，位于立架(stand)上的附加電子柜，每塊板有4個(gè)通道Ch，XA3插槽的Ch2、Ch1和XA2插槽的Ch2、Ch1分別激勵(lì)線圈ANG R、ANG T和POS R、POS T。每個(gè)線圈均串接1個(gè)0.1 Ω電阻以實(shí)時(shí)監(jiān)測線圈電流。

PFN伺服根據(jù)1通道劑量脈沖cMU1調(diào)整PFN電壓PFN V，補(bǔ)償因相關(guān)部件熱效應(yīng)所引起的微波功率變化，優(yōu)化加速管輸出，保持能量恒定、正確。PFN V的伺服范圍是能量-負(fù)載特性上工作點(diǎn)的±3%，對(duì)應(yīng)于偏轉(zhuǎn)磁鐵中的±3%能量裂縫。64個(gè)AFC觸發(fā)脈沖為cMU1的一個(gè)采樣周期，前后32個(gè)AFC觸發(fā)脈沖各為一個(gè)采樣間隔，前半段的采樣計(jì)數(shù)從1遞增，后半段的采樣計(jì)數(shù)從前半段的計(jì)數(shù)值遞減，每個(gè)采樣周期結(jié)束后計(jì)數(shù)器清零并開始下一周期計(jì)數(shù)。若輻射強(qiáng)度減小，則后半段計(jì)數(shù)不過0，若輻射強(qiáng)度增加，則后半段計(jì)數(shù)過0。伺服開始，PFN伺服電壓PFN PROG置于中間值5.5 Vdc并以每個(gè)計(jì)數(shù)周期0.1 V步距逐漸減小，直至輻射強(qiáng)度開始減小，然后反轉(zhuǎn)以每個(gè)計(jì)數(shù)周期0.156 V步距增大PFN PROG，直至輻射強(qiáng)度開始增大時(shí)又反轉(zhuǎn)減小PFN PROG。當(dāng)PFN PROG達(dá)到均衡時(shí)，繼續(xù)在最大劑量點(diǎn)上下波動(dòng)。最大劑量點(diǎn)的PFN編程電壓PFN V PROG來自編程板的電位器R1，調(diào)試時(shí)PFN伺服板上開關(guān)S1接地，劑量率最高點(diǎn)即是最大劑量點(diǎn)。正常工作時(shí)，PFN V PROG與PFN PROG相加生成PFN控制信號(hào)PROG VOLTS，此信號(hào)在調(diào)制器的PFN DeQ放大器板與實(shí)時(shí)PFN V的3000：1取樣值比較，一旦取樣值等于PROG VOLTS則產(chǎn)生觸發(fā)脈沖使DeQ閘流管導(dǎo)通從而停止向PFN充電。

1.4.3 伺服信號(hào)質(zhì)量保證與維護(hù)

Precise機(jī)的2R、2T屬于位置導(dǎo)向，由于導(dǎo)向后電子還要被加速較長距離，因此引入LUT表，又由于在機(jī)架角0°時(shí)，T方向萬有引力等因素的影響忽略不計(jì)，所以2T采用開環(huán)控制，避免機(jī)架轉(zhuǎn)角時(shí)難于生成LUT表。Precise機(jī)不設(shè)角度導(dǎo)向，在X射線輻射模式運(yùn)用均整器特性，通過槍伺服使能量恒定，保證電子束垂直入射靶平面，從而保證了射野的平坦度，所以不用PFN伺服。位置導(dǎo)向的作用是使電子束通過靶窗中心，因此Clinac 2300CD機(jī)在電子輻射模式脫開了位置導(dǎo)向。對(duì)射野均勻度的調(diào)節(jié)，在X射線輻射，Precise機(jī)是通過調(diào)整位置導(dǎo)向和槍電流來調(diào)整對(duì)稱性和平坦度，而Clinac 2300CD機(jī)則分別調(diào)整位置導(dǎo)向和角度導(dǎo)向。在電子輻射，只需電子束垂直通過靶窗而無論其是否在中心位置，Precise機(jī)調(diào)整位置導(dǎo)向而Clinac 2300CD機(jī)調(diào)整角度導(dǎo)向。針對(duì)能量恒定，兩類機(jī)型均在能量-負(fù)載線上伺服，但Precise機(jī)間接伺服負(fù)載，而Clinac 2300CD機(jī)直接伺服能量。照射野的均勻度包括平坦度和對(duì)稱性，兩者并不絕對(duì)，在量化參數(shù)上會(huì)互相影響。

針對(duì)Precise機(jī)的極板裂紋或穿孔，可通過吊起機(jī)頭查看伺服極板情況。以辨析的角度，應(yīng)從配對(duì)靈敏體積電離電流相等的原則出發(fā)進(jìn)行診斷。選6X射線能量，分別將i181 Gun servo control、i183 2R servo control和i184 2T servo control置于manual，用類似MapCheck的快速掃描儀，將對(duì)稱性和平坦度調(diào)整到最佳且合標(biāo)，查看i166、i190和i191；i192和i193；i194和i195，看是否穩(wěn)定或相等。

對(duì)于Clinac 2300CD機(jī)的極板穿孔，會(huì)出現(xiàn)斷開伺服可以將對(duì)稱性調(diào)整到2%以內(nèi)，而加上伺服后的實(shí)際劑量曲線對(duì)稱性反而超標(biāo)且不報(bào)連鎖EXQ。此時(shí)電離室已不能使用，但關(guān)鍵是如何發(fā)現(xiàn)這種情況，否則會(huì)出現(xiàn)對(duì)稱性長期偏差過大的劑量學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，建議每周對(duì)6X射線能量作對(duì)稱性監(jiān)測，而不是GBZ 126-2011所規(guī)定的6個(gè)月[14]。

1.5 溫度與氣壓的監(jiān)測校正

Precise機(jī)采用開放式電離室，需要作環(huán)境溫度與大氣壓強(qiáng)校正。氣壓i558 Pressure 1和溫度i224 Dos.temp 1信號(hào)來自PSB/DPT PCB，而氣壓i559 Pressure 2和溫度i226 Dos.temp 2信號(hào)來自SIB PCB。PCB上的壓電轉(zhuǎn)換器PS1將氣壓值刻度成電壓值，轉(zhuǎn)換關(guān)系為(7.58±0.19)mV/mBar。溫度傳感器熱敏電阻位于電離室安裝短臂，10 V參考電壓經(jīng)熱敏電阻與R1并聯(lián)后再與SIB PCB板上電阻R99分壓得到i226 Dos.temp2信號(hào)。

2 討論

醫(yī)用直線加速器的能量特性屬于劑量學(xué)特性，參數(shù)為X射線輻射百分深度劑量曲線的dMAX和電子輻射的電離深度，但都無直接相關(guān)的劑量學(xué)連鎖項(xiàng)目[2-3]。本研究分析了劑量監(jiān)控系統(tǒng)中的能量穩(wěn)定機(jī)制，即Precise機(jī)中基于電離室信號(hào)Outer Hump和Inner Hump的槍伺服，Clinac 2300CD機(jī)中基于電離室信號(hào)A+B的PFN伺服，以及ANG R線圈代替二級(jí)偏轉(zhuǎn)的伺服機(jī)制。實(shí)際上都是基于射野均勻性連鎖項(xiàng)目，對(duì)于標(biāo)稱能量E0微小波動(dòng)的穩(wěn)定，機(jī)制上都是對(duì)射束偏轉(zhuǎn)后出射角度的糾正。偏轉(zhuǎn)電源電流精度達(dá)1/1000(0.1%)，表明偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的作用不僅是能量篩選，也是最重要的能量穩(wěn)定機(jī)制。反之，如果出現(xiàn)射野均勻性連鎖，而劑量監(jiān)控系統(tǒng)正常，則要從偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)查找故障原因。

3 結(jié)語

本研究在分析醫(yī)用直線加速器電離室構(gòu)造原理的基礎(chǔ)上，提出劑量學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量保證調(diào)試方法，進(jìn)而為建立劑量學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量保證體系和維護(hù)維修工程學(xué)流程提供參考依據(jù)。

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Technological analysis and comparison for dose monitoring and control systems of two types of linear accelerators/WANG Ming-huai, TANG Zhi-quan//China Medical Equipment,2017,14(5):27-33.

Objective:To analyze and compare the dose monitoring and control systems of two types of medical linear accelerator systematically from the view of mechanical and electrical engineering, and establish the method of the quality assurance of the dosimetry system and the solution in the routine maintenance.Methods:To systematically compare and analyze the system of dose monitoring and control for two types of linear accelerators (Precise Elekta and C-series of Varian Medical Systems) from twofold aspects that included machine physics and electric engineering of medical linear accelerators.Results:The monitoring system that took ionization chamber as center was established between connotation of machine physics and concrete realization of electromechanical engineering, and explained the difference and similarity between open type and sealed type of ionization chamber, and the theory that Precise series needn't be serviced by PFN.Conclusion:Based on the analysis of ionization chambers structure of medical linear accelerators on the principle of quality assurance system, proposed dosimetric testing and adjustment method, and provide reference for the establishment of quality assurance system and technical procedures of the maintenance engineering.

Medical linear accelerator; Dose monitoring and control; Ionization chamber; Dosimetry; Beam steering

王明槐,男,(1973- ),本科學(xué)歷，工程師。玉林市紅十字會(huì)醫(yī)院設(shè)備科，從事醫(yī)療設(shè)備管理和醫(yī)用直線加速器維修工作。

2016-12-08

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.05.008

①玉林市紅十字會(huì)醫(yī)院設(shè)備科 廣西 玉林 537000

②四川大學(xué)華西醫(yī)院腫瘤中心 生物治療國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 放射物理技術(shù)中心 四川 成都 610041

*通訊作者：tangzhiq@163.com