醫科達加速器的劑量監測及控制系統范文

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【摘要】從機器物理和電子工程雙重角度，系統全面地解析醫科達直線加速器的劑量監測與控制系統全貌。剖析電離室的構造特征以及與構造特征相對應的故障發生機理，闡釋漏電與短路的區別，極板間灰塵引起尖端放電打火導致極板穿孔與裂紋，極板的耐輻射性與輻照老化導致的裂紋。總結電離室漏電、短路、開路、穿孔與裂紋5種因素的原因與故障現象。提出并說明等效靈敏體積的概念，闡釋劑量監測與控制的本質是保持配對收集極板之間的電離電流相等。闡釋劑量均勻性的保證機制和能量穩定機制，闡述完整的劑量學質量控制調整方法和該系統的維護維修方法。

【關鍵詞】直線加速器；劑量監測與控制；電離室；劑量學；束流導向

前言

醫用電子直線加速器（簡稱加速器）的劑量監測與控制系統（簡稱劑量監控系統［1］）由兩部分組成，分別是起監測作用的電離室系統和起控制作用的導向伺服系統，其功能表現在劑量學層面，保證加速器輻射野（或稱照射野，簡稱射野）的品質符合相關國際標準和國家標準的規定。其中最重要有4個方面：一是輻射能量符合射野品質規定；二是保證投照劑量精確可靠，預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。醫科達（Elekta）公司系列加速器采用行波加速，為最多3檔X-輻射能量和6檔電子輻射能量的機型。在加速器的使用過程中，需要定期對加速器進行質量控制工作，本質上是利用測試儀器的讀數對劑量監控系統的參數進行調整，而環境因素和零部件的自然老化可能造成機器故障。本文旨在全面闡述該類加速器劑量學參數的物理內涵與電子工程之間的聯系，以期建立劑量監控系統的質量控制調整方法和維護維修方法。

1電離室分析

電離室是劑量監控系統的監測器件。電離室的功能是將加速器輸出的脈沖輻射轉換為脈沖值約10-5A（10μA）、平均值約10-8A（0.01μA）的微電流，監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計在0電位，因此高壓極為負電位，收集極與高壓極配對出現。電離室的6層極板安裝在4個陶瓷環上，從近靶面依次為伺服信號極板、-325V（以下簡稱V）極板；V、劑量通道DoseA（以下簡稱A）極板；DoseB（以下簡稱B）、V極板。極板間距d=1mm很小是為了在極板間獲得盡量高的電場強度［5］，但氣體間隙存在擊穿電壓，在均勻電場中干燥空氣的擊穿強度約3000V/mm［6］，兼顧到飽和區工作電壓，電離室工作電壓選在325V。A、B分層的目的是為了兩個劑量通道完全獨立，A、B均是圓心位于射野中心的圓形極板，只是直徑不同，B與A在等中心投影半徑分別為222和109mm。電離電流I=aVX，其中a是與特定電離室結構相關的常數，V是氣體的收集體積，X是照射量率［2］。V=Sd，S是收集極面積，SB=4.184SA。伺服信號極板距靶點入射面164.4mm，電離室處監測到的輻射強度約為等中心平面的40倍。考慮輻射強度的平方反比律［4］(fA/fB)2，即收集體積中各點與虛源之間的精確距離，則等效靈敏體積VEB=4VEA。這是A與B配對的機制，即配對極板電流IB=4IA。為討論簡化和方便，直接稱B=4A。圖2為伺服極板的形狀。內駝峰INNERHUMP（以下簡稱I）和外駝峰OUTERHUMP（以下簡稱O）配對，作射野中心劑量與邊緣劑量的比較，配對機制是I=O，等效靈敏體積相等。軸向位置導向極板2RG與2RT對稱配對，橫向位置導向極板2TA與2TB對稱配對。G表示槍端，T表示靶端。配對機制是2RG=2RT=2TA=2TB，為兩兩對稱且收集體積相等。因此該電離室共4對配對極板：1對劑量極板、3對伺服極板。所有加速器劑量監控系統的本質是維持配對極板的電離電流相等。

2高壓極電源與監測分析

12區RHCA的附屬電源板。電源板分新、老型號（以IGRT機型面世為界限），老型號板45133902134共有3塊，其余2塊為16區HTCA和72區ICCA，都帶-325V直流電源，可調節輸出電壓但不穩壓，可互換，若市電三相不平衡，可能導致-325V電源過低，過低的極化電壓會使電離曲線在飽和區以下，因此造成電離室信號不穩定，而且也不能隔離浪涌電壓，容易燒毀電源模塊或造成收集極與極化極之間打火致使電離室損壞。補救措施是用戶配置市電穩壓電源［7-10］。新型號板45133903384的原理是20Vac整流后的+22Vdc經穩壓模塊U1輸出穩壓+12Vdc，再經DC-DC電源模塊PSU1得到-325V穩壓電源。-325V電源進入電離室后依次經過高壓極2、3、6極板，3個極板呈串聯形式。-325V監測電壓由5.1MΩ和110kΩ電阻分壓引出，在APCB測試點TP35對應電壓為-6.87V。電壓有效范圍為300~350V，因此簡稱“-300V”。監測電壓經APCB→SCCPCB12A→AIPCB12A生成連鎖項目（item，簡稱i）i189-300VMonitor，讀數范圍0~-400V。監測電壓分別經APCB和BPCB生成i506D1Supply和i456D2Supply連鎖。

3劑量通道信號處理分析

劑量監測信號是A和B。1通道APCB和2通道BPCB位于12區RHCA，分新老型號，不能混用。APCB信號輸入端匹配150kΩ電阻，BPCB信號輸入端匹配50kΩ電阻與1nF電容并聯，使2個電離電流脈沖信號在處理前的高度與形狀基本相同，兩塊板不能互換。然后電流脈沖經I-V轉換器轉換為電壓脈沖并加上60mVDC偏置，再經12-bitADC轉換成數字信號后送至場效應可編程門控陣列FPGA中的劑量積分器進行采樣、積分。治療開始前，加速器控制系統（LCS）的校準模塊為積分器提供一個與所選能量相對應的電壓閾值Dose_ref，該閾值定義為1MU的1/64。外置水箱與劑量儀，調節i314Doseref1校準1通道的劑量計數為1MU=1cGy絕對劑量（調節i315Doseref2校準2通道的劑量計數與1通道相同）。當積分值達到校準閾值時就輸出1個計數脈沖且積分器清零后重新開始積分。每出現64個計數脈沖，計數器就輸出1個MU信號，由寄存器part152完成。如果兩個通道的累積MU差異超過設定極限（如3MU），則報i366Dosechanneldifference。超劑量率監測計數器防止計數脈沖超過307個/0.262s（等效劑量率=1099MU/min）使計數電路飽和，報i167Doserateerror。實際劑量率分別為i44D/rate1和i45D/rate2。i484Platesum顯示所有極板信號之和，i160Uniformity指示射野均勻度，超過5%則連鎖。在BPCB施加一個仿真劑量電壓，以便在APCB失敗時由BPCB終止治療。將PRF置于6時，板上LED2每秒閃亮1次說明PCB工作正常。針對漏電專門設置60mVDC偏置，補償電離室漏電，同時起延長電離室壽命的作用。劑量A極板在射野中心平坦區域取樣，代表處方劑量，B極板則涵蓋全部射野，表征射野全貌，邊緣不對稱可能造成i366。

4伺服信號處理與伺服過程分析

束流導向的目的是使電子束垂直地通過靶窗中心，位置導向使電子束精準經過靶窗中心點，因此稱為“對中”（centering），角度導向使電子束與靶平面垂直成90°。電子束位置偏差主要影響射野邊緣劑量即對稱性，電子束角度偏差主要影響射野中心劑量即平坦度。該系統只設對中（位置）導向線圈2R、2T，而角度導向的功能是借助能量伺服一起完成的。對中導向由線圈是2R、2T控制電子束進入偏轉系統的軸心位置，實現電子束經過靶窗中心，控制射野的對稱性。2RG、2RT和2TA、2TB用作伺服誤差信號，分別是i127=2RG/2RT和i128=2TA/2TB。由于對中導向線圈在加速管中部，電子束導向后還將運動較長距離，因此2R、2T還提前補償地磁場及萬有引力等因素對電子束流軌跡的影響，這種補償與機架轉角一一對應，形成機架旋轉補償表2RLUT（Lookuptable）和2TLUT。2R電路閉環伺服，修正后的實時誤差信號用于確定i1642RIctrl的part142伺服增益，實時控制2R線圈電流。2T電路開環控制，i1652TIctrl的part142伺服增益設置為0，來自電離室2T的實時誤差信號并不用于控制2T線圈電流，而是用part1加LUT表中的偏置值控制，在調試過程中，part142臨時輸入一個值以形成2TLUT表。2R、2T伺服通道為電離室→SIBPCB→SCCPCB→AIPCB→LCS:i1272RErr(i1282TErr)→LCS:i1642RIctrl(i1652TIctrl)→LCS:i5562RIset(i5572TIset)→UMDPCB→2R（2T）線圈。X輻射的角度導向與能量伺服一起完成，內駝峰I和外駝峰O信號用作誤差信號。電子野直接由電子束散射而來，對中導向后既能保證對稱性也能保證平坦度，因此不再需要角度導向。根據能量-負載線特性V=a-bI，V為名義加速電壓即電子能量，I為負載強度即燈絲電流，a、b為常數與具體加速管構造相關［2］。這是一根處于第一象限的反斜線，截距為a，斜率為-b。要改變能量，既可以在負載線上直接改變電壓V，也可以間接改變電流I來改變電壓。能量伺服是在負載線上工作點的附近（±3%）微調并追蹤標稱電壓的過程，直接伺服電壓即為PFN（脈沖形成網絡）伺服，而本系統采用間接伺服燈絲電流的方法即槍伺服。在X輻射模式，電子束擊靶產生的X輻射射野強度的原始分布呈球冠狀，需要經均整器（FILTER）“削去”球冠部分從而得到平坦的劑量分布曲線。均整器呈360°對稱的圓錐狀，其中心厚而邊緣薄，錐頂位于射野中心線上。無論能量高低，如果電子束垂直于靶窗平面，那么也將垂直于均整圓錐，垂直于圓錐的射線在圓錐中的衰減關于錐頂完全對稱，即得到完全對稱的劑量分布，I=O。如果電子束與靶窗平面不垂直，則射線與圓錐也不垂直，此時O幾乎不變，改變的是I，且I-O≠0。另一方面，不同能量的X射線穿透能力不同，均整器的設計對應于特定能量，這包括材質、直徑、厚度以及錐度等。如果能量偏高，則穿透能力增強，對于固定不變的均整器，則電離電流I-O>0。同理，如果能量偏低則電離電流I-O<0。當且僅當能量完全等于LCS定義的標稱能量時，I-O=0。因此，可以通過伺服能量來伺服平坦度，即達到角度伺服的目的。能量的改變會引起平坦度的改變從而引起導向伺服信號I-O的改變，這種沖突的解決辦法是讓槍伺服的時間常數遠大于導向伺服的時間常數［1］，這由硬件槍伺服模塊完成。I-O的差形成i546GunDiff并生成i538GunISet實時調整槍燈絲電流以保持能量恒定。

5溫度與氣壓的監測與校正分析

氣壓i558Pressure1和溫度i224Dos.temp1信號來自PSB/DPTPCB，而氣壓i559Pressure2和溫度i226Dos.temp2信號來自SIBPCB。PCB上的壓電轉換器PS1將氣壓值刻度成電壓值，轉換關系為（7.58mV±0.19mV）/mBar。溫度傳感器熱敏電阻位于電離室安裝短臂，10V參考電壓經熱敏電阻與R1并聯后再與SIBPCB板上電阻R99分壓得到i226Dos.temp2信號。

6維護與故障辨析

電離室因潮濕漏電時，其電流服從歐姆定律I=V/R，對應于325V電壓、10-8A量級微電流的阻值為1010Ω，即10000MΩ，此時已達電離電流的量級。如果用高內阻數字萬用表測量極間電阻，數值必須是∞。即使漏電達1mA，阻值也達30MΩ，此時DC-DC電源模塊會啟動限流保護，因此不要立即丟棄電離室，也許經過干燥箱處理就可將電離室恢復。如果阻值已在MΩ量級以下，則是局部短路報廢。極板間灰塵引起的尖端放電是電離室打火的主要原因，如果極間空氣潮濕則使打火的幾率上升。打火的直接后果是裂紋、碳化和極板穿孔［11-13］。引線及保護環裂紋可造成接線斷路，導電區中的小裂紋則導致信號不穩定。斷路則無信號輸出，會立即觸發相應連鎖；而裂紋引起的信號不穩定使故障起伏不定。碳化導致短路或局部短路，表現為V丟失，脫開接頭可測到電壓。而小孔則減小收集體積，會使所在極板電流失真減小δ。視小孔所在位置，如果在A或B，會觸發i366連鎖，重新校準后即可恢復使用，因為本質上測量的是相對量，且A、B不作伺服用途。如果發生在伺服極板，則有可能觸發i160均勻性連鎖，也可能不觸發i160但實際劑量曲線的對稱性超3%標準［14］。假定小孔位于2RG極板則其讀數失真減小δ，LCS將給2R線圈在G方向補償，之前劑量曲線通過i1832Rservocontrol在manual時調好，此時置auto實測劑量曲線會改變。輻照老化有可能使聚酯薄膜產生裂紋，這一點和反光鏡出現裂紋原理一致，因為它們都處在主射束路徑上。而小孔、裂紋都使電離室反饋的伺服信號改變，因此電離室的伺服極板在最上層，方便吊起機頭后直觀看到其表面情況。

7討論

實際工作中，劑量監控系統的多數異常狀態及故障因素來自于電離室［15-17］，由于電離室采用開放式結構，受潮漏電排在故障第一位。國標［14］規定加速器工作環境為相對濕度30%~75%，而隨機文件要求小于70%，實際上比國標苛刻，所以在周末停電后需要派人重啟除濕機和空調機以免周一發生漏電［18-22］。另外，可能引發劑量學隱蔽風險的是極板穿孔后有效收集體積的縮小，建議在每周作絕對劑量校準時，順便查看i190~i195這3對伺服極板的顯示值。把握配對極板電流相等的原則，可以盡早發現配對極板間的偏差，降低不對稱的風險。由于束流導向建立在正確的偏轉磁場（電流）基礎之上，因此劑量監控系統的穩定還與偏轉系統相關。對于偏轉線圈的關注要點是銅制空心水冷線圈的溫度，金屬導體的電阻隨溫度升高而增大，電阻R=R0（1+αt），-其中R為溫度t℃的電阻，R0為0℃的電阻，α為電阻溫度系數，t為溫度。而電阻R=ρ(L/S)，ρ是電阻率，L為線圈長度，S為截面積［23］。導電器材用銅的α為0.0038/℃［6］，即溫度每增加1℃，電阻增加約0.4%。偏轉電源為穩流源，但前提是負載電阻不變。偏轉線圈的電阻隨溫度升高而增大，導致電源與負載間的阻抗失配，結果是輸出電流與電壓均會降低，經過一級偏轉的能量“篩選”機制，能譜中心就朝低能端偏移。6個線圈均配有溫度開關并呈串聯方式，加速器正常水溫22℃，允許極限范圍10~35℃，一旦到達高限值，則觸發偏轉磁鐵超溫連鎖i94BendOT，即偏轉線圈允許的電阻變化極限為5%，這與i160的5%相對應。如果頻繁出現i94，說明水溫不穩定，多為管內結垢后導致水流不足所引起［24-25］，且連鎖前對稱性可能已經超標（3%）。

作者：唐志全；蔣澤；彭旭東；李光俊 單位：四川大學華西醫院-腫瘤中心生物治療國家重點實驗室-放射物理技術中心