醫(yī)科達加速器的劑量監(jiān)測及控制系統(tǒng)范文

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【摘要】從機器物理和電子工程雙重角度，系統(tǒng)全面地解析醫(yī)科達直線加速器的劑量監(jiān)測與控制系統(tǒng)全貌。剖析電離室的構(gòu)造特征以及與構(gòu)造特征相對應(yīng)的故障發(fā)生機理，闡釋漏電與短路的區(qū)別，極板間灰塵引起尖端放電打火導(dǎo)致極板穿孔與裂紋，極板的耐輻射性與輻照老化導(dǎo)致的裂紋?？偨Y(jié)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(xiàn)象。提出并說明等效靈敏體積的概念，闡釋劑量監(jiān)測與控制的本質(zhì)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(wěn)定機制，闡述完整的劑量學質(zhì)量控制調(diào)整方法和該系統(tǒng)的維護維修方法。

【關(guān)鍵詞】直線加速器；劑量監(jiān)測與控制；電離室；劑量學；束流導(dǎo)向

前言

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。其中最重要有4個方面：一是輻射能量符合射野品質(zhì)規(guī)定；二是保證投照劑量精確可靠，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。醫(yī)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(zhì)量控制工作，本質(zhì)上是利用測試儀器的讀數(shù)對劑量監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)整，而環(huán)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(shù)的物理內(nèi)涵與電子工程之間的聯(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。電離室的功能是將加速器輸出的脈沖輻射轉(zhuǎn)換為脈沖值約10-5A（10μA）、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，因此高壓極為負電位，收集極與高壓極配對出現(xiàn)。電離室的6層極板安裝在4個陶瓷環(huán)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(qū)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(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)，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(jiān)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(nèi)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(dǎo)向極板2RG與2RT對稱配對，橫向位置導(dǎo)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(jiān)控系統(tǒng)的本質(zhì)是維持配對極板的電離電流相等。

2高壓極電源與監(jiān)測分析

12區(qū)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(qū)HTCA和72區(qū)ICCA，都帶-325V直流電源，可調(diào)節(jié)輸出電壓但不穩(wěn)壓，可互換，若市電三相不平衡，可能導(dǎo)致-325V電源過低，過低的極化電壓會使電離曲線在飽和區(qū)以下，因此造成電離室信號不穩(wěn)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(wěn)壓電源［7-10］。新型號板45133903384的原理是20Vac整流后的+22Vdc經(jīng)穩(wěn)壓模塊U1輸出穩(wěn)壓+12Vdc，再經(jīng)DC-DC電源模塊PSU1得到-325V穩(wěn)壓電源。-325V電源進入電離室后依次經(jīng)過高壓極2、3、6極板，3個極板呈串聯(lián)形式。-325V監(jiān)測電壓由5.1MΩ和110kΩ電阻分壓引出，在APCB測試點TP35對應(yīng)電壓為-6.87V。電壓有效范圍為300~350V，因此簡稱“-300V”。監(jiān)測電壓經(jīng)APCB→SCCPCB12A→AIPCB12A生成連鎖項目（item，簡稱i）i189-300VMonitor，讀數(shù)范圍0~-400V。監(jiān)測電壓分別經(jīng)APCB和BPCB生成i506D1Supply和i456D2Supply連鎖。

3劑量通道信號處理分析

劑量監(jiān)測信號是A和B。1通道APCB和2通道BPCB位于12區(qū)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(lián)，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(jīng)I-V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓脈沖并加上60mVDC偏置，再經(jīng)12-bitADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送至場效應(yīng)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(tǒng)（LCS）的校準模塊為積分器提供一個與所選能量相對應(yīng)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(diào)節(jié)i314Doseref1校準1通道的劑量計數(shù)為1MU=1cGy絕對劑量（調(diào)節(jié)i315Doseref2校準2通道的劑量計數(shù)與1通道相同）。當積分值達到校準閾值時就輸出1個計數(shù)脈沖且積分器清零后重新開始積分。每出現(xiàn)64個計數(shù)脈沖，計數(shù)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(shè)定極限（如3MU），則報i366Dosechanneldifference。超劑量率監(jiān)測計數(shù)器防止計數(shù)脈沖超過307個/0.262s（等效劑量率=1099MU/min）使計數(shù)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(shè)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(qū)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(dǎo)向的目的是使電子束垂直地通過靶窗中心，位置導(dǎo)向使電子束精準經(jīng)過靶窗中心點，因此稱為“對中”（centering），角度導(dǎo)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(tǒng)只設(shè)對中（位置）導(dǎo)向線圈2R、2T，而角度導(dǎo)向的功能是借助能量伺服一起完成的。對中導(dǎo)向由線圈是2R、2T控制電子束進入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的軸心位置，實現(xiàn)電子束經(jīng)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(dǎo)向線圈在加速管中部，電子束導(dǎo)向后還將運動較長距離，因此2R、2T還提前補償?shù)卮艌黾叭f有引力等因素對電子束流軌跡的影響，這種補償與機架轉(zhuǎn)角一一對應(yīng)，形成機架旋轉(zhuǎn)補償表2RLUT（Lookuptable）和2TLUT。2R電路閉環(huán)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(huán)控制，i1652TIctrl的part142伺服增益設(shè)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(diào)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(dǎo)向與能量伺服一起完成，內(nèi)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(dǎo)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(dǎo)向。根據(jù)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(shù)與具體加速管構(gòu)造相關(guān)［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(diào)并追蹤標稱電壓的過程，直接伺服電壓即為PFN（脈沖形成網(wǎng)絡(luò)）伺服，而本系統(tǒng)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(chǎn)生的X輻射射野強度的原始分布呈球冠狀，需要經(jīng)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(guān)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(shè)計對應(yīng)于特定能量，這包括材質(zhì)、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(dǎo)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(shù)遠大于導(dǎo)向伺服的時間常數(shù)［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(diào)整槍燈絲電流以保持能量恒定。

5溫度與氣壓的監(jiān)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(zhuǎn)換器PS1將氣壓值刻度成電壓值，轉(zhuǎn)換關(guān)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(jīng)熱敏電阻與R1并聯(lián)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(yīng)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(nèi)阻數(shù)字萬用表測量極間電阻，數(shù)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(jīng)過干燥箱處理就可將電離室恢復(fù)。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(huán)裂紋可造成接線斷路，導(dǎo)電區(qū)中的小裂紋則導(dǎo)致信號不穩(wěn)定。斷路則無信號輸出，會立即觸發(fā)相應(yīng)連鎖；而裂紋引起的信號不穩(wěn)定使故障起伏不定。碳化導(dǎo)致短路或局部短路，表現(xiàn)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(fā)i366連鎖，重新校準后即可恢復(fù)使用，因為本質(zhì)上測量的是相對量，且A、B不作伺服用途。如果發(fā)生在伺服極板，則有可能觸發(fā)i160均勻性連鎖，也可能不觸發(fā)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(shù)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(diào)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(chǎn)生裂紋，這一點和反光鏡出現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)的多數(shù)異常狀態(tài)及故障因素來自于電離室［15-17］，由于電離室采用開放式結(jié)構(gòu)，受潮漏電排在故障第一位。國標［14］規(guī)定加速器工作環(huán)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(diào)機以免周一發(fā)生漏電［18-22］。另外，可能引發(fā)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(fā)現(xiàn)配對極板間的偏差，降低不對稱的風險。由于束流導(dǎo)向建立在正確的偏轉(zhuǎn)磁場（電流）基礎(chǔ)之上，因此劑量監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定還與偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)相關(guān)。對于偏轉(zhuǎn)線圈的關(guān)注要點是銅制空心水冷線圈的溫度，金屬導(dǎo)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(shù)，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(dǎo)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(zhuǎn)電源為穩(wěn)流源，但前提是負載電阻不變。偏轉(zhuǎn)線圈的電阻隨溫度升高而增大，導(dǎo)致電源與負載間的阻抗失配，結(jié)果是輸出電流與電壓均會降低，經(jīng)過一級偏轉(zhuǎn)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(guān)并呈串聯(lián)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(fā)偏轉(zhuǎn)磁鐵超溫連鎖i94BendOT，即偏轉(zhuǎn)線圈允許的電阻變化極限為5%，這與i160的5%相對應(yīng)。如果頻繁出現(xiàn)i94，說明水溫不穩(wěn)定，多為管內(nèi)結(jié)垢后導(dǎo)致水流不足所引起［24-25］，且連鎖前對稱性可能已經(jīng)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(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