Varian高能加速器的劑量監(jiān)測與維護

Varian高能加速器的劑量監(jiān)測與維護

【作 者】唐志全1，王明槐2

1 四川大學(xué)華西醫(yī)院腫瘤中心-生物治療國家重點實驗室-放射物理技術(shù)中心，成都市，610041 2 玉林市紅十字會醫(yī)院，玉林市，537000

從機器物理和機電構(gòu)造雙重角度，該文系統(tǒng)全面地解析了瓦里安C-系列高能直線加速器的劑量監(jiān)測與控制系統(tǒng)全貌，剖

析了電離室的構(gòu)造特征和束流導(dǎo)向的具體實現(xiàn)，闡述了完整的劑量學(xué)質(zhì)量控制調(diào)整方法和該系統(tǒng)的維修維護方法。

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

0 引言

醫(yī)用電子直線加速器（簡稱加速器）的劑量監(jiān)測與控制系統(tǒng)（簡稱劑量監(jiān)控系統(tǒng)）[1]由兩部分組成，分別是起監(jiān)測作用的電離室系統(tǒng)和起控制作用的導(dǎo)向伺服系統(tǒng)，其功能表現(xiàn)在劑量學(xué)層面，保證加速器輻射野（或稱照射野，簡稱射野）的品質(zhì)符合相關(guān)國際標準和國家標準的規(guī)定。其中最重要的四個方面是：一是輻射能量符合射野品質(zhì)規(guī)定；二是保證投照劑量（Delivered Dose）精確可靠，預(yù)防并杜絕超劑量或欠劑量；三是保證射野劑量分布的均勻性，即對稱性和平坦度符合標準；四是安全預(yù)防措施，包括第1通道失靈時第2通道終止治療，過劑量率連鎖及射野均勻性連鎖等。

在加速器的使用過程中，針對電參數(shù)的漂移，需要定期利用測試儀器的讀數(shù)或結(jié)果對劑量監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)整。而機器老化可能造成該系統(tǒng)的故障，故障修復(fù)以后還必須調(diào)整檢測以符合上述四個方面。瓦里安（Varian）公司C系列高能加速器采用駐波加速，全系列均為2檔X能量和6檔電子能量的機型。本文旨在全面闡述該類加速器劑量學(xué)參數(shù)的物理內(nèi)涵與機電原理之間的聯(lián)系，以期建立劑量監(jiān)控系統(tǒng)的質(zhì)量控制調(diào)整方法和維護維修方法。

1 電離室分析

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(0.01μA)的微電流，監(jiān)測射野的強度和位置[2]。電離室的基本組成包括收集極、高壓極和兩極間的氣體以及與收集極等電位的保護極。收集極連接測量裝置，高壓極提供極化電壓[3]。保護極的作用是防止漏電流到達收集極并定義靈敏體積范圍，對平板電離室來說，保護環(huán)防止收集極邊緣電場過分外凸彎曲[4]。一般將收集電子的收集極設(shè)計在0電位，因此高壓極為負電壓，收集極與高壓極配對出現(xiàn)。

該電離室是X輻射和電子輻射共用的透射式平板電離室，要區(qū)分近靶面和病人面，安裝時近靶面面向靶點，病人面面向病人。電離室特征參見表1。

選擇He氣的原因，是因為在相同的充氣壓力下，He氣的飽和電壓最低[5]并可獲得比同體積空氣更高的電離率。極板間距很?。? mm），是為了在極板間獲得較高的電場強度，而小的極板間距對極板基片的平整度和極板間的平行度要求都非常高[6]，否則會造成靈敏體積不對稱。氣體間隙存在擊穿電壓，兼顧到飽和區(qū)工作電壓，電離室工作電壓選在500 V。

電離電流I=aVX，其中a是與特定電離室構(gòu)造和氣體種類相關(guān)的常數(shù)，V是氣體的靈敏體積，X是照射量率[7]。由此可知，電離室正常時VA=VB=VC=VD，VE=VF=VG=VH；從而IA=IB=IC=ID，IE=IF=IG=IH。

電離室腔體用紫銅由精密車床加工而成，軸向與橫向電離室各為一半，靶面與病人面分別焊上對電子輻射衰減很小的圓形密封銅箔，側(cè)面分別焊上充氣管和引線接頭。將全部組件清潔后，再將一對極板安裝在支撐柱上。起密封作用的是一個圓環(huán)形銅板，圓環(huán)內(nèi)事先焊好兩層密封銅箔，將銅板置于兩半腔室之間，腔室內(nèi)的一圈很窄的圓環(huán)形凸起端面就會與圓環(huán)形銅板緊配合，緊固8顆均勻分布的收緊螺絲，就形成2個各自密封的腔室空間。2根充氣管分別連接三通閥，同時對兩個腔室抽真空，最大限度將殘留灰塵抽出，關(guān)閉真空閥。然后是極板間加1 000 V高電壓的打火試驗、漏電流試驗以及密封性檢測等試驗。最后，同時向氣室內(nèi)充入He氣到所需相同氣壓，用帶熱焊作用的鉗子將充氣管剪斷。新電離室的兩面銅箔有明顯外凸，因此正常電離室8顆螺絲不可打開。

即使采用了復(fù)雜精密的工藝流程，造成電離室損壞的原因仍是極間打火、He氣的泄漏以及因輻照引起的極板皸裂等。打火會造成極板間短路或局部短路[8]，也可能導(dǎo)致極板接線斷路[9]，還可能造成極板局部變形或穿孔[10]從而引起相應(yīng)靈敏體積的改變。

表1 電離室特征Tab.1 Characteistics of ion chamber

2 高壓極電源與監(jiān)測分析

電源板位于機架側(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立供電監(jiān)測，兩路完全相同，以下只描述1通道。來自控制器板的穩(wěn)壓±12 Vdc在電源板經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換器PS4得到非穩(wěn)壓－500 Vdc，經(jīng)電離室高壓極后返回，再經(jīng)10 MΩ與100 kΩ電阻分壓得到－5 Vdc監(jiān)測電壓，測試點在控制器板TP9。監(jiān)測電壓經(jīng)比較器U4與－4 V參考電壓比較，若絕對值＜4 V（包括斷路則為0 V），則U4輸出高電平，熄滅VACION面板綠燈DS11指示電壓低于400 V，同時光電耦合器U1截止從而斷開－12 V連鎖電壓，觸發(fā)連鎖ION1。

PS4的輸出匹配電阻R27為470 kΩ、2 W，斷開電離室空載時的負載電流I=V/R，即1.06 mA。脫開P9用大頭針插入J9-1測量其對機殼（屏蔽地）電壓就可判斷有無500 V[11]。漏電時對應(yīng)于500 V電壓、10-8A(0.01 μA)電流，其阻值R=V/I=109Ω，即1 000 MΩ。對比限流電阻R23設(shè)計為10 MΩ，可知即使漏電，極間阻值也在數(shù)十兆歐量級。

3 劑量通道信號處理分析

1、2通道積分器板B15和B16相同，束流位置伺服板B19、B20相同，兩個通道共用B18板處理超劑量和對稱性。來自極板A、B的電流脈沖信號，在B15分別經(jīng)I-V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓脈沖TP1、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計數(shù)成累積劑量MU1。

每檔能量配置一塊編程板（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，校準劑量1通道，使1通道的1 MU計數(shù)等于絕對劑量1 cGy。然后調(diào)整編程板上的MU2電位器R16，校準劑量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的計數(shù)為200。在臨床模式每次治療前的校準/檢查序列（CAL/CHECK sequence）中給極板A、B、C、D施加這一編程電流，檢查劑量通道的性能，當(dāng)計數(shù)相差200±3則不能通過校準/檢查序列，并觸發(fā)ION1或ION2連鎖。所以當(dāng)出現(xiàn)ION1或ION2連鎖時的檢查順序是：①校準/檢查序列是否為200個計數(shù)→②500 Vdc電源→③電離室極板電阻。校準/檢查序列的局限性是只能提示極間電阻為短路或斷路。

B15板上的（A-B）信號在MU1調(diào)整前經(jīng)由B19板與（E-F）相加送至對稱性表頭SYM=(A-B)+(E-F)和B18板EXQ1，EXQ1為SYM超過2%。在B18板，Q2飽和導(dǎo)通點亮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)通點亮CR11指示軸向超劑量和對稱性連鎖(1/2)EXQT={[(A或B)+(A+B)]與(A-B)+(E-F)}，即不超過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。

2300CD隱性故障一例。根據(jù)GBZ 126-2011[12]規(guī)定，“劑量監(jiān)測系統(tǒng)校準控制”穩(wěn)定性檢測周期為“每周”，本質(zhì)就是校準MU1的1 MU等于絕對劑量1 cGy。正常時每周幾乎不用調(diào)整，一段時間以后，調(diào)整時MU1總是99，再后來校準后不到一周，第五天到第幾個病人時，能通過校準/檢查序列，但治療過程中出現(xiàn)DS12連鎖，必須重新校準，校準后又維持3～4天。由于沒有任何其它故障，且連續(xù)數(shù)周有明顯規(guī)律性，根據(jù)前述I=aVX，推斷目前IA+IB小于IC+ID，判斷是軸向電離室的aV項在逐漸變小。極板間體積“逐漸”變小的可能性不大，只剩下兩電離室He氣泄漏不均勻的可能，即軸向電離室He氣泄漏大且500 V電壓已不足以使其處于飽和區(qū)，此時電離量和氣體分子密度成正比。換上新電離室，故障消除。廢電離室拆下后，兩側(cè)均已明顯內(nèi)凹。

4 伺服信號處理與伺服過程分析

電離室信號用作位置（POS）導(dǎo)向線圈、角度(ANG)導(dǎo)向線圈及PFN伺服（本文不述及PFN）。POS線圈位于加速管末端，導(dǎo)向電子束進入偏轉(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線圈的誤差信號分別是(E-F)和(G-H)。ANG線圈在偏轉(zhuǎn)磁鐵內(nèi)，ANG T位于一級偏轉(zhuǎn)前，ANG R代替二級偏轉(zhuǎn)?！?%能量裂縫位于一級偏轉(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線圈的誤差信號分別是(A-B)和(C-D)。導(dǎo)向線圈伺服誤差信號處理分成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個電位器R6、R7、R8、R9分別編程ANG R、ANG T、POS R、POS T控制電壓，作為脈寬調(diào)制（PWM）激勵電源的輸入信號以提供各個線圈的電流，調(diào)整時S1接地不加誤差信號，外置水箱掃描儀，將實際劑量曲線的對稱性調(diào)整到2%以內(nèi)。正常工作時，將S1開關(guān)置于ON，將誤差信號電壓加在編程電壓上，閉環(huán)伺服并微調(diào)線圈電流。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個通道Ch，XA3插槽的Ch2、Ch1和XA2插槽的Ch2、Ch1分別激勵線圈ANG R、ANG T和POS R、POS T。每個線圈均串接1個0.1 Ω電阻在維修面板實時監(jiān)測線圈電流。

2300CD隱性故障一例。用MapCheck進行對稱性檢查，不作任何調(diào)整先正常伺服掃描一次，結(jié)果T方向小于2%，而R方向為3.5%，明顯為槍端高而靶端低，超過2%，但在此之前并未出現(xiàn)過對稱性連鎖EXQ1。斷開伺服，先將T方向調(diào)整到最佳，再將R方向調(diào)整到2%以內(nèi)，左右兩側(cè)完全均高。加伺服，結(jié)果又是T方向符合，R方向大于3%。由于在伺服開環(huán)時各導(dǎo)向線圈調(diào)整與工作均正常，問題只能來源于伺服閉環(huán)時所加電離室的反饋信號。由前述I=aVX和SYM=(A-B)+(E-F)，說明A比B或E比F收集電流變小了。不加伺服和加伺服，分別在維修面板觀察，對稱性表頭T方向SYM TRN幾乎不變，而R方向SYM RDL數(shù)值有所增大；各個線圈電流幾乎不變，但ANGLE RD增大了一點。綜合分析是電流IA失真變小了，閉環(huán)伺服根據(jù)此差值作出補償改變了ANG R線圈電流，結(jié)論是因某種原因致使收集極A的靈敏體積變小了，根據(jù)電離室特性推斷，只有極板間偶然打火造成變形或穿孔等，才會造成靈敏體積縮小一點（不到2%）。更換電離室后故障消除。

注：對稱性小于2%是瓦里安的設(shè)計與驗收標準，GB 15213-94[13]規(guī)定的對稱性標準為3%。

5 結(jié)語

本文建立了瓦里安高能加速器劑量監(jiān)控系統(tǒng)全貌，提示電離室的隱性故障存在對稱性超標的風(fēng)險。

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Dose Monitoring and Maintain of Varian High Energy Linear Accelerators

【 Writers 】TANG Zhiquan1, WANG Minghuai2
1 Division of Radiation Physics, State Key Laboratory of Biotherapy Cancer Center, West China Hospital, Sichuan University, Chengdu, 610041 2 Red Cross Hospital of Yulin City, Yulin, 537000

linear accelerator, dose monitoring and control, ion chamber, dosimetry, beam steering

TH774

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.04.021

1671-7104(2017)04-0309-04

2016-12-14

王明槐，E-mail: ylrh183@163.com

【 Abstract 】The paper analyzes the dose monitoring and control system of Varian C-series high energy linear accelerators systematically from twofold view of machine physics and electromechanical structure. It dissects the structure characteristics of chamber and implementation method of beam steering. It expounds the complete methods of quality control adjustment and troubleshooting.