Synergy 直線加速器的結(jié)構(gòu)原理與維修分析

肖云飛

（德陽市人民醫(yī)院醫(yī)工信息部，四川德陽 618000）

0 引言

隨著放療需求的日漸增大，德陽市人民醫(yī)院（下文簡稱為“醫(yī)院”）于2019 年引進(jìn)醫(yī)科達(dá)Synergy 行波直線加速器，又于2021 年再次引進(jìn)瓦里安Halcyon 駐波直線加速器。隨著兩臺直線加速器的同時啟用，放療效率飛速提升，極大地減輕了單臺加速器的工作負(fù)擔(dān)，設(shè)備故障率隨之下降。經(jīng)過2 年多的摸索和使用，總結(jié)直線加速器的相關(guān)特點(diǎn)。本文以Synergy 直線加速器為例介紹直線加速器的相關(guān)內(nèi)容，以便同行更好地了解設(shè)備。

1 直線加速器功能

輻射可以殺傷或殺死身體中的所有細(xì)胞，但是腫瘤細(xì)胞的輻射敏感度高于正常細(xì)胞。放療正是利用此原理，殺傷或殺滅癌細(xì)胞，其殺傷能力超過了癌細(xì)胞的自身修復(fù)速度。直線加速器可以準(zhǔn)確地生成、監(jiān)控和控制波束，并且使其與計劃的靶點(diǎn)相適應(yīng)，給予癌細(xì)胞最大劑量的照射，在殺滅癌細(xì)胞的同時保證正常組織所受照射劑量更低。

2 直線加速器工作原理

醫(yī)用電子直線加速器的加速管末端安裝了電子槍，通過加熱電子槍里的陰極鎢燈絲產(chǎn)生電子，然后射入加速管中。由磁控管形成的脈沖射頻波同時進(jìn)入加速管，與電子槍射入加速管中的電子同步。射頻波沿著加速器管加速電子，使其達(dá)到光速。當(dāng)電子撞擊掃描架臂末端的鎢靶并與其發(fā)生作用后，產(chǎn)生X 線束。

此時，整個系統(tǒng)的運(yùn)行由水冷系統(tǒng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，燈絲溫度控制著射入電子的數(shù)量，而磁控管控制著射頻波的功率與頻率，決定了所生成X 線的能量。加速管中有一串銅腔，這些銅腔之間的小孔（諧振腔）可以使電子沿著加速管加速，并利于聚焦射束。為了確保電子束不受其他粒子的影響，腔內(nèi)會保持真空狀態(tài)。

加速管被周圍兩組四極的偏轉(zhuǎn)磁鐵圍繞，控制帶負(fù)電荷的電子束的前進(jìn)路徑。另外的兩組聚焦線圈進(jìn)一步限制電子束。電子束離開加速管后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)盒，在偏轉(zhuǎn)盒內(nèi)電子通過兩側(cè)的三組磁鐵的作用，沿著回旋路徑走行，電子束再次被定向，使其最終在撞擊靶面時直徑僅為1 mm。

電子的能量轉(zhuǎn)換為光子時，鎢靶會朝各個方向發(fā)射出高能量光子。初級準(zhǔn)直器會側(cè)向吸收傳播散射的X 線，最大程度地減少泄漏，同時也限制著臨床所照射的最大射野，僅供前進(jìn)的X 線通過而形成錐形射束。此時射束內(nèi)的光子并非均勻分布，需在射束的通路中放置均整器。與射束的邊緣相比，錐形均整器可以吸收更多的射束中心的光子，從而形成均勻的光子束。均勻的光子束通過電離室接收的劑量測定和射束質(zhì)量監(jiān)控。達(dá)到所需的光子束后，再經(jīng)過多葉準(zhǔn)直器MLC（它具有多個細(xì)小的鎢葉片，相互之間可獨(dú)立運(yùn)動，從而形成不同的復(fù)雜形狀）調(diào)節(jié)出適合病人腫瘤的平面過濾后，最終射向患者病灶區(qū)域，實(shí)現(xiàn)放療。直線加速器的工作原理如圖1 所示。

圖1 直線加速器工作原理

3 直線加速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按照設(shè)備的主要功能，可將其分為主機(jī)治療系統(tǒng)、TPS 計劃系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)3 部分。

3.1 主機(jī)治療系統(tǒng)

主機(jī)治療系統(tǒng)直線加速器最為復(fù)雜的部分，主要部件有電子槍、加速管、微波功率源、真空泵、水冷機(jī)、均整器、電離室、多葉光柵（MLC）治療床等。各個部件之間有復(fù)雜的報警聯(lián)鎖，只有所有對應(yīng)條件都正常，設(shè)備才能正常出束。實(shí)際工作情況下，技師的操作臺由XVI、Mosaiq、加速器主機(jī)3 部分構(gòu)成，有時需要同時操作來完成整個放療過程。

3.2 TPS 計劃系統(tǒng)

Monaco 治療計劃系統(tǒng)包含了生物靶區(qū)功能、蒙特卡羅劑量算法、多約束條件的優(yōu)化、靈敏分析度和智能子野優(yōu)化功能。它是通過一系列的電算化劑量算法，減少了主管醫(yī)師估算和重復(fù)性校驗(yàn)工作，是一款專業(yè)調(diào)強(qiáng)治療計劃系統(tǒng)。它以多臺PC 工作站的形式呈現(xiàn)，是醫(yī)院物理師、醫(yī)師使用的重要工具。

3.3 信息管理系統(tǒng)

Mosaiq 信息管理系統(tǒng)將腫瘤治療的臨床應(yīng)用和過程管理融合，它的數(shù)據(jù)庫涵蓋了200 多萬例腫瘤病人數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)開放式，與TPS 系統(tǒng)、HIS 系統(tǒng)、PACS 系統(tǒng)等相連接，提高了腫瘤治療過程中的信息管理、傳輸和處理效率，是放療工作人員日常使用的工具。

4 加速管工作原理

4.1 行波加速原理

電磁波在加速管內(nèi)沿著軸線方向單向傳播，到達(dá)加速管末端時會被負(fù)載吸收，而不會被反射回來。電磁場的強(qiáng)度和方向會隨著時間和空間的改變而發(fā)生交替變化，如果使電子對于波的相位始終在波峰上，行波在軸線傳播過程中，電場不斷給電子力的作用來實(shí)現(xiàn)加速，每經(jīng)過一層銅腔小孔時動能就會提高，直至光速。其工作原理如圖2 所示，其中t 是電磁波前進(jìn)的時間，T是電磁波的周期，λ 是電磁波的波長。

圖2 行波管工作原理

4.2 駐波加速原理

電磁波在加速管內(nèi)沿著軸線方向單向傳播，到達(dá)加速管末端時不會被負(fù)載吸收，而是沿軸線方向被反射回來，與前進(jìn)的電磁波發(fā)生重疊，形成一種入射波與反射波相位一致的駐波。電子在一個腔飛躍的時間等于加速管中電磁場振蕩的半周期，電子的飛躍時間與加速電場更換方向時間一致（π/2 模式駐波加速）。Z 軸為電子前進(jìn)的方向，當(dāng)電子進(jìn)入1#腔時，電場強(qiáng)度E為正數(shù)，則電子加速，2#腔電場強(qiáng)度E 為負(fù)數(shù)，則電子減速。隨著時間t 的變化，電場強(qiáng)度E 增大，電子動能增強(qiáng)，當(dāng)場強(qiáng)到達(dá)峰值（T/4）時，電子剛好在1#腔中間，隨后場強(qiáng)下降。電子后半腔飛行時，當(dāng)場強(qiáng)由正變負(fù)的一瞬間，電子剛好飛出1#腔。2#腔電場再次由負(fù)變正，又適合電子加速。加速過程在3#腔、4#腔也是如此，循環(huán)往復(fù)，電子不斷獲得加速動能。其工作原理如圖3 所示，其中t 是電磁波前進(jìn)的時間，T 是電磁波周期，E 是電場強(qiáng)度。

圖3 駐波管工作原理

5 直線加速器的分類及特點(diǎn)

按照電子在加速管中加速方式的不同，可以分為行波直線加速器和駐波直線加速器。行波直線加速器的加速管較長、機(jī)架占地面積較大、真空密閉性較低，長時間斷電停機(jī)容引發(fā)真空易泄漏。醫(yī)科達(dá)行波加速器采用二級電子槍，加速管與電子槍燈絲可進(jìn)行拆卸，可以單獨(dú)更換電子槍燈絲，維修時較為方便。但系統(tǒng)界面較為分散，操作較為繁瑣。而駐波直線加速器加速管相對較短、占地面積較小、真空密閉性較強(qiáng)，相對行波加速器可長時間停機(jī)。瓦里安采用三級電子槍，加速管和電子槍為一整體，不可單獨(dú)更電子槍換燈絲，維修時較為困難。但系統(tǒng)界面高度集成化，操作較為簡單。

6 直線加速器使用前的準(zhǔn)備流程

放療前有一個復(fù)雜的準(zhǔn)備流程，它與加速器的TPS 計劃系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)相關(guān)，消耗了醫(yī)務(wù)人員的大量精力。為來確保放療的科學(xué)性和安全性，本文對準(zhǔn)備工作的9 個步驟進(jìn)行具體介紹。

（1）定位面（體）膜的制作。精確放療需要患者盡可能保持體位固定。

（2）定位CT 掃描。患者佩戴體膜后，定位CT 掃描用于生成患者影像資料。

（3）靶區(qū)及正常器官勾畫?，F(xiàn)代精確放療都是在患者實(shí)際影像基礎(chǔ)上進(jìn)行，需要醫(yī)師在CT 圖像上勾畫出需要治療的區(qū)域和需要保護(hù)的器官。

（4）放療計劃設(shè)計。物理師根據(jù)醫(yī)師勾畫的靶區(qū)和正常器官，按照臨床劑量需求，進(jìn)行全方位的優(yōu)化選擇相應(yīng)的技術(shù)進(jìn)行放療計劃的設(shè)計。

（5）放療計劃確認(rèn)。醫(yī)師通過計劃治療系統(tǒng)（TPS）評估物理師設(shè)計的放療計劃，是否符合臨床需求。

（6）放療計劃驗(yàn)證。放療計劃確認(rèn)以后，為了保證照射的準(zhǔn)確性，需要物理師在直線加速器機(jī)房通過驗(yàn)證系統(tǒng)，進(jìn)行最后的測量和評估。

（7）放療前擺位。患者的放療計劃驗(yàn)證通過以后，需要在CT室或模擬定位機(jī)進(jìn)行擺位，畫出治療標(biāo)記。

（8）放療計劃上網(wǎng)。由物理師將患者的治療數(shù)據(jù)通過專門的放療網(wǎng)絡(luò)上傳至直線加速器。

（9）開始放療?；颊唠S工作人員安排，接受治療，技師開始使用直線加速器。

7 注意事項(xiàng)

（1）關(guān)注內(nèi)循環(huán)水情況，水壓一般在9～11 psi（1 psi=6.895 kPa），氣壓一般在0.75～0.85 bar（1 bar=0.1 MPa）。

（2）每日早晨開機(jī)后應(yīng)該按照劑量率從低到高出束預(yù)熱。

（3）如果出現(xiàn)劑量率波動，應(yīng)該考慮調(diào)節(jié)槍伺服，并檢查治療室溫、濕度是否正常。

（4）遇到長時間停電，真空容易故障。需要提前關(guān)閉真空開關(guān)，防止突然來電產(chǎn)生的浪涌損壞真空。應(yīng)在來電穩(wěn)定后再開啟真空開關(guān)，并關(guān)注真空恢復(fù)情況，旋轉(zhuǎn)機(jī)架觀察真空是否穩(wěn)定，再低劑量出束訓(xùn)真空。

（5）檢查水冷機(jī)是否工作正常，水冷機(jī)的冷卻水是否足夠，保證加速器水溫維持在28 ℃左右。

8 直線加速器故障統(tǒng)計及分析

醫(yī)院的Synergy 直線加速器設(shè)備2021 年度報修27 次，故障維修21 次；2022 年度報修21 次，故障維修16 次（表3）。根據(jù)表3 數(shù)據(jù)分析、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)：

表3 故障情況匯總

（1）可根據(jù)工作人員實(shí)際的使用情況，加強(qiáng)對直線加速器各個功能的使用培訓(xùn)，制定設(shè)備功能使用流程圖，防止誤操作導(dǎo)致的宕機(jī)。例如表中的“機(jī)頭壓到床板，不能正常使用”“XVI 內(nèi)存將滿，如何增加存儲空間”故障，均屬于可避免的故障。

（2）通過故障案例可看出直線加速器的多葉光柵（MLC）、XVI、機(jī)架運(yùn)動、劑量率方面故障較為頻繁，可向維保公司提出加大設(shè)備易損部件的維護(hù)頻率，例如多葉光柵的校準(zhǔn)、劑量率的調(diào)校以及備份XVI 系統(tǒng)參數(shù)等。

（3）充分利用好直線加速器的遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，可提前做好配件更換安排，減少停機(jī)時間。例如“更換電子槍燈絲”故障，可通過查看Gun l ctrl 數(shù)據(jù)獲得相關(guān)信息。

（4）放療網(wǎng)絡(luò)是直接影響直線加速器放療的基礎(chǔ)，如果不能準(zhǔn)確上傳病人資料，會嚴(yán)重影響治療安全。因此，在工作日前一天需要對Monaco、Mosaiq 方面進(jìn)行測試傳輸，測試其工作是否正常。最好在PC 前貼上相應(yīng)的標(biāo)識，并記錄相應(yīng)的密碼、IP 信息便于維護(hù)使用。

（5）直線加速器故障時，設(shè)備使用人員應(yīng)輔助維修工程師，以提高維修效率，并了解設(shè)備部件的技術(shù)性特性，以便做好相關(guān)故障分析，總結(jié)使用經(jīng)驗(yàn)，提高使用效能。

（6）根據(jù)設(shè)備的相關(guān)特性，制作定設(shè)備操作流程與安全巡檢，記錄設(shè)備機(jī)房環(huán)境運(yùn)行環(huán)境，查看設(shè)備內(nèi)循環(huán)水漏液，水壓和氣壓是否正常，劃分相關(guān)責(zé)任制度。

9 結(jié)束語

直線加速器是一種復(fù)雜的系統(tǒng)性設(shè)備，涉及多方面的技術(shù)與知識。要想充分發(fā)揮直線加速器的效能，只有在不斷嘗試中總結(jié)使用經(jīng)驗(yàn)，深入了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理，結(jié)合其相關(guān)特性合理利用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備效用的最大化。