醫(yī)科達(dá)加速器機(jī)器校準(zhǔn)基本原理與實(shí)際應(yīng)用探究

張燦

（1.海軍安慶醫(yī)院放療技術(shù)部；2.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 安慶 246001）

1 前言

醫(yī)科達(dá)數(shù)字化醫(yī)用直線加速器（簡(jiǎn)稱醫(yī)科達(dá)加速器）包括的機(jī)器型號(hào)有：Precise、Synergy、Axesse、Infinity、VersaHD。這些型號(hào)的機(jī)器都采用數(shù)字化控制，機(jī)器結(jié)構(gòu)和控制原理基本相同，因而機(jī)器校準(zhǔn)（Linac Calibration）的原理和方法基本相同，不同之處僅在于功能配置和軟件版本，如表1 所示。

表1 醫(yī)科達(dá)數(shù)字化醫(yī)用直線加速器配置表

2 機(jī)器校準(zhǔn)原理

如表2 所示，醫(yī)科達(dá)加速器控制軟件包含三類Item，共700 多個(gè)，每個(gè)Item 都有一個(gè)編號(hào)和名稱，可被視為控制軟件的一個(gè)子程序，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制各子系統(tǒng)內(nèi)相應(yīng)硬件（如繼電器、傳感器、開(kāi)關(guān)、電位器、電源等）的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)。控制軟件工作原理如圖1 所示，每個(gè)Item 包含有很多Part，每個(gè)Part 都有一個(gè)編號(hào)和名稱，在不同的Item 里，具有相同編號(hào)的Part 含義相同，但是取值不同，Part 可視為Item 內(nèi)的相關(guān)參數(shù)，用于接收、運(yùn)算、傳輸Item 的各種信息，表3 所示為部分常用Part。

圖1 控制軟件工作原理

表2 控制軟件里Item 的分類

表3 部分常用Part

接收類Item 的原理如圖2 所示，來(lái)自于被檢測(cè)硬件（如繼電器、電位器、傳感器等）的模擬信號(hào)首先被傳輸?shù)娇刂茀^(qū)RTU 終端內(nèi)的AI-12（模擬信號(hào)輸入-12位數(shù)值輸出）電路板，AI-12 電路板將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為12 位數(shù)值的數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)輸出到控制電腦。因?yàn)閺腁I-12 電路板輸出的12 位數(shù)值沒(méi)有量綱，為了便于操作者理解，控制軟件里相應(yīng)的接收類Item 內(nèi)Part111（原始值）接收該數(shù)字信號(hào)后，需要對(duì)其進(jìn)行一系列的運(yùn)算處理，轉(zhuǎn)換為采用SI（國(guó)際單位制）基本單位的數(shù)值。在接收類Item 內(nèi)，12 位的原始值（P111）首先與偏移校準(zhǔn)（Part10）相加，生成有效值（Part110）。Part110（有效值）有兩路輸出，一路輸出給相應(yīng)的控制類Item，用以進(jìn)一步的運(yùn)算處理；另一路則乘以增益校準(zhǔn)（P11）并除以比例系數(shù)2048，生成實(shí)際值（Part4）。Part4（實(shí)際值）為采用SI 基本單位的數(shù)值，代表被檢測(cè)硬件的運(yùn)行參數(shù)或狀態(tài)信息。因此，操作者可以在臨床模式（clinical mode）或在維修模式（service mode）通過(guò)查看相關(guān)Item 的Part4 的值，查看機(jī)器的運(yùn)行參數(shù)或狀態(tài)，如水溫、電壓、電流、運(yùn)動(dòng)部件的位置信息等。

圖2 接收類Item 的原理圖

機(jī)器校準(zhǔn)的目的，就是通過(guò)設(shè)定接收類Item 內(nèi)的偏移校準(zhǔn)（Part10）和增益校準(zhǔn)（Part11），使得控制電腦上顯示的實(shí)際值（Part4）與被檢測(cè)硬件客觀的實(shí)際值一致。如圖3 所示，機(jī)器校準(zhǔn)通常采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)的方法。校準(zhǔn)時(shí)，按次序用工具找到兩個(gè)規(guī)定測(cè)量點(diǎn)，并在校準(zhǔn)窗口輸入測(cè)量值，控制軟件會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)接收到的原始值和操作者輸入的測(cè)量值，計(jì)算出偏移校準(zhǔn)（Part10）和增益校準(zhǔn)（Part11），計(jì)算公式如圖4 所示。增益校準(zhǔn)（calibration gain）即校準(zhǔn)曲線的斜率；偏移校準(zhǔn)（calibration offset）即校準(zhǔn)曲線的橫截距。

圖3 機(jī)器校準(zhǔn)曲線

圖4 機(jī)器校準(zhǔn)計(jì)算公式

3 機(jī)器校準(zhǔn)分類

根據(jù)校準(zhǔn)的子系統(tǒng)的不同，機(jī)器校準(zhǔn)大致可以分為三類：電位器系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)。

對(duì)于一些極重要的位置信息，如機(jī)架旋轉(zhuǎn)，治療頭旋轉(zhuǎn)，治療床橫向、縱向、垂直運(yùn)動(dòng)和等中心旋轉(zhuǎn)等，為獲得精準(zhǔn)的讀數(shù)，通常采用三個(gè)電位器來(lái)檢測(cè)位置信息，其中，coarse 電位器和fine 電位器用于檢測(cè)位置信息，check電位器用于校驗(yàn)準(zhǔn)確性。對(duì)于精確度要求不高的位置信息，如治療床自轉(zhuǎn)，移相器（phase shifter）運(yùn)動(dòng)，僅采用coarse 電位器來(lái)檢測(cè)位置信息。無(wú)論采用的是單電位器還是三電位器，均采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)的方法，測(cè)量點(diǎn)選取行程范圍內(nèi)75%和25%的兩個(gè)點(diǎn)。

對(duì)射線能量和劑量有影響的電源系統(tǒng)，如偏轉(zhuǎn)磁鐵、導(dǎo)向線圈、聚焦線圈等的低壓電源（LVPSU）和電離室極化電壓電源，每次維修后應(yīng)進(jìn)行電源校準(zhǔn)，兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)分別選取0V 和電壓最大值處。

對(duì)傳感器系統(tǒng)，如電離室溫度和氣壓傳感器、水溫傳感器，采用的是固定增益（溫度傳感器）或固定偏移（氣壓傳感器）設(shè)計(jì)，校準(zhǔn)時(shí)只需根據(jù)一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，即可算出相對(duì)應(yīng)的偏移或增益。

4 校準(zhǔn)窗口介紹

在維修模式，點(diǎn)擊Service Functions 圖標(biāo)，再點(diǎn)擊Display Service Pages 圖標(biāo)，在Dsiplay Service Pages 窗口點(diǎn)擊Load，在Service Function Selection窗口選Calibration 選項(xiàng)，從而打開(kāi)Calibration（校準(zhǔn)）窗口，如圖5 所示。校準(zhǔn)窗口專用于各類的機(jī)器校準(zhǔn)，表4 所示為校準(zhǔn)窗口內(nèi)常用Item 的介紹。

圖5 校準(zhǔn)窗口

5 機(jī)器校準(zhǔn)應(yīng)用

本節(jié)通過(guò)介紹機(jī)器位置指示校準(zhǔn)、電離室極化電壓校準(zhǔn)和電離室溫度校準(zhǔn)，來(lái)具體說(shuō)明三類機(jī)器校準(zhǔn)的應(yīng)用和方法。

5.1 機(jī)架位置指示校準(zhǔn)

機(jī)架位置信息由三個(gè)電位器實(shí)時(shí)檢測(cè)。機(jī)架位置指示準(zhǔn)確度要求≤0.5°，且屬于放療質(zhì)控月檢項(xiàng)目，當(dāng)月檢不合格或更換位置檢測(cè)電位器后，須進(jìn)行機(jī)架位置指示校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)方法如下：（1）在維修模式打開(kāi)校準(zhǔn)窗口和ASU（自動(dòng)擺位）窗口。（2）先在Cal.item1 內(nèi)選Item 148（Gant ctrl），再在Cal Man/Auto 內(nèi)輸入0（手動(dòng)模式），從而關(guān)閉軟件限位。（3）先在Cal.item1內(nèi)選Item 70(Gantry)，再通過(guò)ASU 或手控盒旋轉(zhuǎn)機(jī)架，并使用水平儀測(cè)量，使機(jī)架位于90±0.5°位置（B 側(cè)），然后在Cal.value 內(nèi)輸入+9000。（4）通過(guò)ASU 或手控盒旋轉(zhuǎn)機(jī)架，并使用水平儀測(cè)量，使機(jī)架位于-90±0.5°位置（A 側(cè)），然后在Cal.value 內(nèi)輸入-9000。（5）點(diǎn)擊Save（保存）圖標(biāo)，然后點(diǎn)擊Save LILAC Calibration（保存機(jī)器校準(zhǔn)）。（6）先在Cal partselect 內(nèi)選Part4，再通過(guò)ASU 或手控盒旋轉(zhuǎn)機(jī)架，并使用水平儀測(cè)量，使機(jī)架位于0±0.5°位置，然后查看Cal part value 值是否為0。如果是0，說(shuō)明顯示的實(shí)際值與客觀的實(shí)際值相同，校準(zhǔn)成功；否則，需從第1 步開(kāi)始，重新校準(zhǔn)。（7）若校準(zhǔn)成功，在Cal.item1內(nèi)選Item 148，然后在Cal Man/Auto 內(nèi)輸入1（自動(dòng)模式），從而啟用軟件限位。（8）在Cal.item1 內(nèi)選0（表示清零）并關(guān)閉校準(zhǔn)窗口，校準(zhǔn)完成。

5.2 電離室極化電壓校準(zhǔn)

如圖6 所示，當(dāng)電離室工作在AB 段(飽和區(qū))時(shí)，信號(hào)電流不隨工作電壓改變而保持恒定。電離室正常工作時(shí)，工作電壓應(yīng)位于飽和區(qū)內(nèi)。醫(yī)科達(dá)電離室極化電壓工作范圍限定于-330 ～-315V，通常取值-320V。

圖6 電離室飽和特性曲線

當(dāng)更換電離室或維修電離室極化電壓電源后，需進(jìn)行電離室極化電壓校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方法如下：（1）在RHCA（輻射治療頭控制區(qū)，12 區(qū)），將T 型BNC 接頭接到插座SK-12FF 和插頭PL12-FF 之間，并將萬(wàn)用表（選直流電壓檔）接到T 型BNC 接頭上。（2）在維修模式打開(kāi)校準(zhǔn)窗口。（3）先在Cal.item1 內(nèi)選Item 189（-320V Monitor），再將T 型BNC 接頭從插座SK-12FF 上斷開(kāi)，此時(shí)，萬(wàn)用表上讀數(shù)為0V，電離室無(wú)極化電壓，然后在Cal value 內(nèi)輸入0。（4）將T 型BNC 接頭接到插座SK-12FF 上，然后將萬(wàn)用表測(cè)量值轉(zhuǎn)換為帶負(fù)號(hào)的四位數(shù)值輸入Cal.value 內(nèi)。例如，測(cè)量值為320.0V 或-320.0V，輸入值應(yīng)為-3200。（5）在Limit high 內(nèi)輸入-3050，在Limit low 內(nèi)輸入-3300，從而設(shè)置電離室極化電壓的限值。（6）點(diǎn)擊Save（保存）圖標(biāo)，然后點(diǎn)擊Save LILAC Calibration（保存機(jī)器校準(zhǔn)）。（7）在Cal.item1 內(nèi)選0（表示清零）并關(guān)閉校準(zhǔn)窗口，校準(zhǔn)完成。（8）移除T 型BNC 接頭，將插頭PL12-FF 接到插座SK-12FF 上。

5.3 電離室溫度校準(zhǔn)

醫(yī)科達(dá)加速器采用的是開(kāi)放電離室，溫度和氣壓變化會(huì)直接影響電離室測(cè)量靈敏度，因此，電離室旁安裝有兩對(duì)溫度和氣壓傳感器，用于檢測(cè)治療頭內(nèi)溫度和氣壓。控制軟件根據(jù)檢測(cè)到的溫度和氣壓，實(shí)時(shí)修正劑量率，從而保證輸出劑量的準(zhǔn)確性。為了準(zhǔn)確地測(cè)量環(huán)境溫度和氣壓，保證劑量準(zhǔn)確，當(dāng)出現(xiàn)電離室溫度或氣壓聯(lián)鎖，以及更換電離室溫度和氣壓傳感器后，須進(jìn)行相應(yīng)校準(zhǔn)。

其中，電離室溫度校準(zhǔn)方法如下：（1）旋轉(zhuǎn)機(jī)架到180±1°位置，拆開(kāi)機(jī)頭罩殼，用溫度計(jì)測(cè)量機(jī)頭內(nèi)溫度并記下讀數(shù)。（2）在維修模式打開(kāi)校準(zhǔn)窗口。（3）在Cal.item1 內(nèi) 選Item 224（Dos.temp1）， 在Cal.item2 內(nèi)選Item 226（Dos.temp2）。（4）將步驟1 中記錄的讀數(shù)轉(zhuǎn)換為四位數(shù)值輸入Cal.value 中。例如，測(cè)量值為26.5℃，輸入值應(yīng)為2650。（5）點(diǎn)擊Save（保存）圖標(biāo)，然后點(diǎn)擊Save LILAC Calibration（保存機(jī)器校準(zhǔn)）。（6）在Cal.item1 內(nèi)選0（表示清零）并關(guān)閉校準(zhǔn)窗口，校準(zhǔn)完成。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，醫(yī)科達(dá)加速器機(jī)器校準(zhǔn)就是通過(guò)采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)的方法，計(jì)算出相關(guān)校準(zhǔn)曲線的斜率（增益校準(zhǔn)）和橫截距（偏移校準(zhǔn)），從而使得加速器在運(yùn)行時(shí)，控制電腦檢測(cè)到的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)（電腦顯示值）與客觀實(shí)際值一致。為保證加速器各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)準(zhǔn)確和運(yùn)行狀態(tài)正常，機(jī)器校準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于維修保養(yǎng)和定期質(zhì)控。盡管各項(xiàng)機(jī)器校準(zhǔn)在操作細(xì)節(jié)上會(huì)有差別，但是，在實(shí)際應(yīng)用中，操作者（尤其是放療物理師和工程師）只要掌握了機(jī)器校準(zhǔn)的基本原理和基本方法，再結(jié)合相應(yīng)的操作說(shuō)明，謹(jǐn)慎操作，就能順利地完成相應(yīng)的校準(zhǔn)，保證機(jī)器準(zhǔn)確、正常地運(yùn)行。