醫用直線加速器劑量監測與控制系統的技術分析

王明槐 唐志全

[文章編號] 1672-8270(2017)05-0027-07 [中圖分類號] R812 [文獻標識碼] A

醫用直線加速器劑量監測與控制系統的技術分析

王明槐①唐志全②*

[文章編號] 1672-8270(2017)05-0027-07 [中圖分類號] R812 [文獻標識碼] A

目的：對醫用直線加速器的劑量監測與控制系統進行技術分析，探討劑量學系統的質量保證調試方法以及日常維護維修中需要熟練掌握的機器物理邏輯和解決方案。方法：從醫用直線加速器的機電工程學角度，系統解析醫科達Precise加速器和瓦里安高能加速器的劑量監測與控制系統，提出質量保證及維護措施。結果：在機器物理內涵和機電工程具體實現之間，建立以電離室監測為中心的質量監控系統架構，明確開放式和密封式電離室的異同，以及Precise加速器不用PFN伺服的原理。結論：在分析醫用直線加速器電離室構造原理的基礎上，提出劑量學系統的質量保證調試方法，為進而建立劑量學系統質量保證體系和維護維修工程學流程提供參考依據。

醫用直線加速器；劑量監測與控制；電離室；劑量學；束流導向

[First-author’s address]Department of Medical Equipment, Red Cross Hospital of Yulin City, Yulin 537000,China.

醫用電子直線加速器的劑量監測與控制系統[1]由質量保證層面的劑量學系統和工程層面的導向伺服系統組成，其主要作用體現在劑量學層面，以保證加速器輻射野(即照射野，簡稱射野)的品質符合相關國際標準和國家標準的規定[2-4]；主要參數為：①輻射能量符合射野品質規定；②保證投照劑量(delivered dose)精確可靠，預防并杜絕超劑量或欠劑量；③保證射野劑量分布的均勻性，即對稱性與平坦度符合標準；④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等。

醫科達公司Precise系列的加速器采用行波加速，全系列均為最多3檔X射線輻射能量和6檔電子輻射能量的機型。瓦里安公司的Clinac系列高能加速器采用駐波加速，全系列均為2檔X射線輻射能量和6檔電子輻射能量的機型。兩類加速器的劑量監控系統盡管在電離室結構、相關電路及導向伺服等方面有許多差異，但工作目標與作用完全一致。在加速器的使用過程中，需要定期對加速器進行質量保證工作，本質上是利用測試儀器測量的參數值對劑量監控系統的參數進行調整，而環境因素和機器的自然老化可能會造成機器故障。

為此，本研究對醫科達Precise(Elekta，瑞典)及瓦里安Clinac 2300CD(Varian，美國)兩型加速器所配備的劑量監控系統進行技術分析，探討劑量學系統的質量保證調試方法以及日常維護維修中需要熟練掌握的機器物理邏輯和維護方案，以用于建立質量保證調整流程和維護維修流程。

1 技術分析與質量保證及維護方案

1.1 電離室

電離室是劑量監控系統的監測器件，其功能是將加速器輸出的脈沖輻射轉換為脈沖值，約10-5A(10 μA)、平均值約10-8A(0.01 μA)的微電流，監測射野的強度和位置[5]。

電離室的基本組成包括收集電子的收集極、高壓極和兩極間的氣體間隙以及與收集極等電位的保護極，所有的“極”均覆蓋良導體材料，收集極區域與高壓極之間的間隙形成收集電荷的靈敏體積。收集極連接測量裝置，高壓極提供極化電壓[6]。一般將收集極板設計在零電位，因此高壓極板為負電壓。收集極板與高壓極板配對出現，這是電離室中的極板對數。一個收集極板可以只有1個收集極，也可以有多個收集極，圓形高壓極板整體為導電區。保護極的作用是防止漏電流到達收集極并定義靈敏體積的范圍，對平板電離室來說，保護環還防止收集極邊緣電場過分外凸彎曲[7]。每個收集極都有一條1 mm寬的保護環，保護環與收集極絕緣隔開1～2 mm并與收集極串聯。收集極配對出現，每個收集極產生1個電離信號(Precise機的Outer Hump信號為一圓環，但因其他收集極引線的需要，被隔開成2個收集極)，而每對收集極監測1個或一類參數。

Precise機與Clinac 2300CD機的電離室均是X射線輻射和電子輻射共用的透射式平板電離室，各個極板分層疊加，都要區分近靶面和患者面。兩種電離室的能量響應均為監測型電離室，隨著能量增大電離電流增大但非線性，因此不同能量需要單獨進行校準。

電離室因輻射產生的電離電流I=aVX，其中a為與特定電離室結構相關的常數，V為氣體的靈敏體積，X為照射量率[5]。劑量監控系統的出發點是在設計制造上使每對靈敏體積的電離電流相等，并利用電離室實時反饋進行伺服，補償因相關器件熱效應等因素引起的參數漂移，維持其相等或相差最小至劑量學參數符合標準規定。因此，當配對靈敏體積不在同一收集極板上時，或收集極雖在同一層極板，但卻關于射束中心不對稱時，相同體積的電離量并不相等，需要根據靈敏體積中各點距離靶點入射面的距離，考慮輻射強度的平方反比律(f12/f22)[7]對靈敏體積大小進行修正，使配對靈敏體積的等效靈敏體積相等，從而使配對靈敏體積的電離電流相等。

1.1.1 電離室相關參數比較

為了在極板間獲得較高的電場強度，極板間距都很小(1 mm)，但小的氣體間隙容易被擊穿拉弧(在均勻電場中干燥空氣的擊穿強度為3000 V/mm[8])，再兼顧到飽和區工作電壓。因此，Precise機與Clinac 2300CD機電離室工作電壓分別選在325 V和500 V。兩機電離室的相關參數見表1。

表1 電離室相關參數比較

1.1.2 Precise機電離室

電離室分為6層3對極板，從近靶面開始依次為伺服信號極板、325 V；325 V、DOSE A極板；DOSE B極板、325 V。DOSE A與DOSE B極板均為圓形極板形成一對靈敏體積，是1通道和2通道的劑量監測極板，在等中心投影半徑分別為109 mm和222 mm，由于不在同一層，真實靈敏體積比為1∶4.184，等效靈敏體積比為1∶4。伺服信號極板共有3對收集極：①最外一圈圓環狀弧形極板Outer Hump，是唯一分成2個區域的一個收集極，中心是圓形極板INNER HUMP，由于關于射束中心不對稱，等效靈敏體積為1∶1；②軸向R方向的一對弧形伺服極板，分別是槍端2RG和靶端2RT，由于在一層極板上且關于射束中心對稱，靈敏體積為1∶1；③橫向T方向的一對弧形伺服極板，分別是右側2TA和左側2TB，與軸向相同，靈敏體積為1∶1。

Precise機采用開放式電離室，靈敏體積空氣與大氣連通。對于Precise機的開放式電離室，工作環境的相對濕度和潔凈度要求很高，使用中要防潮、防塵。防潮是因為會有漏電，因此加速器機房必須配備足夠功率的空調和除濕機；防塵是為防止電離室極板間打火。根據國際標準GB15213-94[4]規定，加速器的工作環境相對濕度為30%～75%，而Precise機的隨機文件要求用戶的環境相對濕度＜70%，實際上比國際標準苛刻。周末停電后需要派人重啟除濕機和空調機，此外，操作電離室要帶防靜電手帶，禁止觸摸極板表面，因為留在表面的印跡會降低電離室性能，且輻照后可能一碰即裂。

1.1.3 Clinac 2300CD機電離室

電離室分為4層2對極板，從近靶面開始依次為500 V、軸向極板；500 V、橫向極板。近靶面和患者面裝配成2個單獨的腔室，即靶面軸向腔室和患者面橫向腔室，2個腔室成90°正交疊加在一起。軸向與橫向收集極的形狀與功能完全一樣。中心大部分面積為一對D形區形成一個圓，2個D的外面是一對弧形區。D形區的信號既是劑量信號也是伺服信號，而弧形區的信號僅作伺服信號。其中軸向2個D形區為A、B，2個弧形區為E、F。由于距離靶點入射面距離相同且關于射束中心對稱，配對靈敏體積A∶B=1∶1，E∶F=1∶1。橫向2個D形區為C、D，2個弧形區為G、H，配對靈敏體積C∶D=1∶1，G∶H=1∶1。1通道和2通道劑量信號分別為A+B和C+D。

Clinac 2300CD機采用封閉式電離室，靈敏體積充有約1.5個大氣壓的稀有氣體He氣。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，并可獲得比同體積空氣更高的電離率[9]。但密封He氣存在自然泄漏，最大泄漏率為1×10-7cc/sec。電離室腔體用紫銅經精密車床加工而成，2個腔室之間是一個銅板圓環，圓環內圈是2層焊接在銅板上的密封銅箔，分別與外表面的銅箔形成密封氣室。2個腔室合攏后，用8顆緊固螺絲緊固，兩腔室內的一圈圓環端面與2個腔室之間的銅板圓環緊配合，從而使兩腔室隔離并密封。密封后同時抽真空處理后再同時充He氣，兩邊充氣到相等氣壓后將各自充氣管剪斷，同時熱焊密封。因此，在未知電離室是否正常時，不可松動8顆緊固螺絲以免漏氣。當軸向與橫向電離室泄漏均勻時，或即使泄漏不均勻但He氣壓力足夠使電離量仍舊相等時，不影響正常使用。但當2個電離室He氣泄漏不均勻且電離率與He氣壓力成正比時，比如軸向泄漏較大，則He氣密度比橫向電離室低，MU1計數將＜MU2，此時會出現DS12連鎖。如果用劑量儀校準MU1和MU2后不能保持一周，則必須更換電離室。1.1.4 電離室質量保證與維護

(1)環境溫度與氣壓校正。兩種電離室的最大差異在于靈敏體積的氣體種類和封裝形式，E機為開放式電離室，需要作環境溫度與氣壓校正。

(2)潮濕漏電。無論是開放式還是密封式電離室，在電離室因潮濕產生漏電流時，無輻射也會有漏電流計數，都服從漏電流I=V/R，對應于102V(325 V和500 V)數量級電壓、10-8A(0.01 μA)電流，其阻值為1010Ω，即10000 MΩ。因此，如果用高內阻數字萬用表測量極板間電阻，數值必須是∞，即使受潮漏電，阻值也必然在MΩ數量級以上，否則(如100 kΩ)均為極間已短路損壞。

(3)打火。由于極板間距只有1 mm，板間的灰塵會造成打火，因此Precise機需要環境空氣潔凈。對于Clinac 2300CD機電離室，雖然制造過程中已排出電離室內的大多數灰塵，可以有效避免打火，但畢竟不能做到絕對無塵，故還會有偶然打火。打火的碳化體會造成極間短路，大多數電離室為短路損壞[10-11]。打火也可能造成保護環或極板上的引線斷路[12]。打火還會造成極板穿孔，其結果是打火處所在靈敏體積變小，電離電流會失真變小。

(4)輻照裂紋。Precise機極板基片為聚酯薄膜，導電區為光蝕刻的石墨涂層，相對耐輻射能力較弱，因輻射可致極板產生裂紋。Clinac 2300CD機極板基片為薄云母片，導電區為絲網印刷鍍金，相對耐輻射能力較強，不會因輻射使極板產生裂紋。裂紋所產生的影響是電離信號不穩定，尤其是伺服信號。由于Precise機伺服信號極板裸露在表面最上層，將機頭吊起即可查看是否有裂紋。

1.2 高壓極電源與監測

1.2.1 Precise機電源與監測

12區RHCA的附屬電源板。電源板分新、老型號，老型號板4513 390 2134共有3塊，其他用途的2塊在16區HTCA和72區ICCA，都帶-325 V直流電源，可調節輸出電壓但不穩壓，可互換，若市電電源三相不平衡，可能導致-325 V電源過低，過低的極化電壓會使電離曲線在飽和區以下，因此造成機器故障，所以必須配備市電穩壓器[13]。新型號板4513 390 3384則是20 Vac整流后的+22 Vdc經穩壓模塊U1輸出穩壓+12 Vdc，再經DC-DC轉換器PSU1得到-325 V穩壓電源。-325 V電源進入電離室后依次經過高壓極2、3、6的3個極板呈串聯形式。-325 V監測電壓由5.1 M和110 K電阻分壓引出，在DOS-A PCB測試點TP35對應電壓為-6.87 V。電壓有效范圍為300～350 V。監測電壓經DOS-A PCB→SCC PCB12A→AI PCB12A生成連鎖項目(item，簡稱i)i189-300 V Monitor，讀數范圍0～-400 V。監測電壓分別經DOS-A PCB和DOS-B PCB生成i506 D1 Supply和i456 D2 Supply連鎖。

1.2.2 Clinac 2300CD機電源與監測

電源板位于機架側面與真空電源一起構成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測，兩路完全相同。來自控制器板的穩壓±12 Vdc在電源板經DC-DC轉換器得到穩壓-500 Vdc，經電離室高壓極后返回，再經10 M與100 k電阻分壓得到-5 Vdc監測電壓，測試點在控制器板TP9和TP10。監測電壓經比較器U4與-4 V參考電壓比較，若絕對值＜4 V，則熄滅VACION面板綠燈DS11或DS12，指示高壓極電壓＜400 V并觸發連鎖ION1或ION2。

1.2.3 高壓極電源質量保證與維護

Precise機的3個高壓極呈串聯形式，只用1個電源統一供電，若電源故障則整個電離室不工作。Clinac 2300CD機的2個高壓極分屬2個電離室，用2個電源單獨供電。對于DC-DC轉換器，當漏電流達1 mA左右時即觸發其過流保護功能，此時電離室的泄漏電阻在100 kΩ數量級。所以，在電壓丟失時，兩類機型均需要脫開電離室空載測量，區分是電源損壞還是電離室短路。Precise機脫開SK12 FF，Clinac 2300CD機脫開P9。

1.3 劑量通道信號處理

1.3.1 Precise機劑量通道信號處理

1通道DOS-A PCB和2通道DOS-B PCB位于12區RHCA，分新、老型號，不能混用。DOS-A PCB信號輸入端匹配150 k電阻，DOS-B PCB信號輸入端匹配50 k電阻與1 nF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，2塊板不能互換。然后電流脈沖經I-V轉換器被轉換為電壓脈沖并加上60 mV DC偏置，再經12-bit ADC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1 MU的1/64。外置水箱與劑量儀，調節i314 Dose ref 1校準1通道的劑量計數為1 MU=1 cGy絕對劑量(調節i315 Dose ref 2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。如果2個通道的累積MU差異超過設定極限(如3 MU)，則報i366 Dose channeldifference。超劑量率監測計數器防止計數脈沖＞307個/0.262 s(等效劑量率=1099 MU/min)使計數電路飽和，報i167 Dose rate error。實際劑量率分別為i44 D/rate1和i45 D/rate2。i484 Plate sum顯示所有極板信號之和，i160 Uniformity指示射野均勻度，＞5%則終止治療。在DOS-B PCB施加一個仿真劑量(Dummy Dose)電壓，以便在DOS-A PCB失敗時由DOS-B PCB終止治療。將PRF置于6時，板上LED2每秒閃亮1次表明PCB工作正常。

1.3.2 Clinac 2300CD機劑量通道信號處理

所有電路板均位于控制臺，且測試點(TP)在電路板外沿，方便在線測量。1通道和2通道積分器板B15和B16相同，束流位置伺服板B19和B20相同，2個通道共用B18板處理超劑量和對稱性。來自電離室極板A、B的電離電流脈沖信號，在B15分別經I-V轉換器轉換為電壓脈沖TP1和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轉換成1%MU(centiMU)的脈沖頻率cMU1 TP6，再經Timer Interface PCB緩沖送至Control Timer PCB計數成累積劑量MU1。

每檔能量配置1塊編程板(Program PCB)，外置水箱與劑量儀，調整編程板上的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計數等于絕對劑量1 cGy。然后調整編程板上的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的計數為200。在臨床模式每次治療前的校準和(或)檢查序列(CAL/CHECK sequence)中給電離室極板A、B、C、D施加這一編程電流，檢查劑量通道的性能，當計數相差±3則不能通過校準和(或)檢查序列。如果MU1、MU2、ION1及ION2調整均起作用，但維持不到GBZ126-2011[10]規定的“每周”檢測周期，就有可能是前述的電離室He氣泄漏不均勻故障，一般是“運氣非常好”使用很長時間的電離室。

B15板上的(A-B)信號在B19板上與(E-F)相加送至對稱性表頭SYM=(A-B)+(E-F)和B18板EXQ1，EXQ1為SYM＞2%。在B18板，Q2飽和導通點亮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≤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。

1.3.3 劑量通道信號質量保證與維護

Precise機針對開放電離室專門由60 mV DC偏置補償電離室漏電，同時延長電離室壽命。Clinac 2300CD機電離室封閉，不考慮漏電補償。Precise機劑量極板為圓形單片極板，DOS-A極板在射野中心平坦區域取樣，代表處方劑量，DOS-B極板則涵蓋全部射野，表征射野均勻性全貌，邊緣不對稱可能造成i366。Clinac 2300CD機采用D形雙片極板，射野不平坦可以造成對稱性連鎖EXQ。

如果極板有裂紋(僅Precise機)，則相應劑量通道信號不穩定，如果不穩定持續不斷，在排除電路原因以后，要考慮裂紋的可能，但因DOSE A與DOSE B極板處于第4和第5層，外觀看不到，需要更換電離室試驗。

如果極板有穿孔，視穿孔尺寸δ占信號總靈敏體積之比，則相應劑量通道的讀數會發生相應比值的失真變小。對于Precise機，i366會變大，而i44 D/rate1與i45 D/rate2不再完全相等。對于Clinac 2300CD機，MU1與MU2之差會變大。即使劑量通道極板出現小穿孔，由于每周進行劑量校準，且2個通道監測的仍是相對量，不會造成劑量學風險，δ＜1%時也難于發現。但對于Clinac 2300CD機而言，因劑量信號同時也是伺服信號，則會對劑量均勻性造成影響。

1.4 伺服信號處理與伺服過程

1.4.1 Precise機伺服信號處理與伺服過程

電離室信號2RG、2RT和2TA、2TB伺服導向線圈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，控制射野的對稱性和平坦度。2R、2T還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2R LUT(Lookup table)和2T LUT。2R、2T誤差信號分別是2RG/2RT和2TA/2TB之比。2R電路閉環伺服，修正后的實時誤差信號用于確定i164 2R I ctrl的part 142伺服增益，實時控制2R線圈電流。2T電路開環控制，i165 2T I ctrl的part 142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part 1加LUT表中的偏置值控制，在調試過程中，part 142臨時輸入一個值以形成2T LUT表。2R、2T伺服通道為電離室→SIB PCB→SCC PCB→AI PCB→LCS：i127 2R Err(i128 2T Err)→LCS：i164 2R I ctrl(i165 2T I ctrl)→LCS：i556 2R I set(i557 2T I set)→UMD PCB→2R(2T)線圈。

內駝峰(Inner Hump)和外駝峰(Outer Hump)信號伺服電子槍燈絲電流。在X輻射模式控制燈絲電流恒定，從而保持X輻射能量恒定，在電子輻射模式微調燈絲電流從而保持電子輻射劑量率恒定。在X輻射模式，電子束擊靶產生的X射線射野強度的原始分布呈球冠狀，經均整器得到均勻的射野分布。均整器呈平坦圓錐狀，其中心厚而邊緣薄，不同能量的X射線穿透特定均整器的本領不同。如果能量偏高則電離電流IInnerHump＞IOuterHump，根據能量-負載特性V=ABI，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[5]。在特定微波注入功率的前提下，此時應增加槍電流來降低能量。如果能量偏低則電離電流IInnerHump＜IOuterHump，此時要減小槍電流來提升能量。只有在能量正確時才能得到平坦度符合要求的射野分布。反之，能量的改變也會引起平坦度的改變，從而引起導向伺服信號的改變，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]。IInnerHump-IOuterHump的差形成i546 Gun Diff，并生成i538 Gun I Set實時調整槍燈絲電流以保持能量恒定。在電子輻射模式，照射野由電子束直接散射而來，束流強度只有X輻射模式下的1%數量級，槍電流的改變不會明顯改變電子能量，但會明顯改變電子野的劑量率[1]。表征劑量率的IInnerHump信號i190與預置參考電壓i187 Dose level(電壓值與相應電子能量對應)比較形成誤差信號i546并生成i538。槍燈絲伺服通道為電離室→SIB PCB→SCC PCB→AI PCB→LCS：i546 Gun Diff→LCS：i327 Gun I ctrl→LCS：i538 Gun I set→UPD PCB→燈絲變壓器。

1.4.2 Clinac 2300CD機伺服信號處理與伺服過程

電離室信號用作位置(POS)導向線圈、角度(ANG)導向線圈及PFN伺服。POS線圈位于加速管末端，導向電子束進入偏轉(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線圈的伺服信號分別是(E-F)和(G-H)。ANG線圈在偏轉磁鐵內，ANG T位于一級偏轉前，ANG R代替二級偏轉。±3%能量裂縫位于一級偏轉后，因此ANG R線圈的調節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線圈的伺服信號分別是(A-B)和(C-D)。導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及R9分別調整ANG R、ANG T、POS R及POS T，分別在B15、B16、B19及B20板上開關S1處與誤差信號相加后作為脈寬調制(PWM)激勵電源的輸入信號以控制各個線圈的電流。調整時S1接地不加誤差信號，外置水箱掃描儀，將實際劑量曲線調整到標準以內。工作時誤差信號閉環伺服并微調線圈電流，保持電子束無位置和角度偏差。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電阻以實時監測線圈電流。

PFN伺服根據1通道劑量脈沖cMU1調整PFN電壓PFN V，補償因相關部件熱效應所引起的微波功率變化，優化加速管輸出，保持能量恒定、正確。PFN V的伺服范圍是能量-負載特性上工作點的±3%，對應于偏轉磁鐵中的±3%能量裂縫。64個AFC觸發脈沖為cMU1的一個采樣周期，前后32個AFC觸發脈沖各為一個采樣間隔，前半段的采樣計數從1遞增，后半段的采樣計數從前半段的計數值遞減，每個采樣周期結束后計數器清零并開始下一周期計數。若輻射強度減小，則后半段計數不過0，若輻射強度增加，則后半段計數過0。伺服開始，PFN伺服電壓PFN PROG置于中間值5.5 Vdc并以每個計數周期0.1 V步距逐漸減小，直至輻射強度開始減小，然后反轉以每個計數周期0.156 V步距增大PFN PROG，直至輻射強度開始增大時又反轉減小PFN PROG。當PFN PROG達到均衡時，繼續在最大劑量點上下波動。最大劑量點的PFN編程電壓PFN V PROG來自編程板的電位器R1，調試時PFN伺服板上開關S1接地，劑量率最高點即是最大劑量點。正常工作時，PFN V PROG與PFN PROG相加生成PFN控制信號PROG VOLTS，此信號在調制器的PFN DeQ放大器板與實時PFN V的3000：1取樣值比較，一旦取樣值等于PROG VOLTS則產生觸發脈沖使DeQ閘流管導通從而停止向PFN充電。

1.4.3 伺服信號質量保證與維護

Precise機的2R、2T屬于位置導向，由于導向后電子還要被加速較長距離，因此引入LUT表，又由于在機架角0°時，T方向萬有引力等因素的影響忽略不計，所以2T采用開環控制，避免機架轉角時難于生成LUT表。Precise機不設角度導向，在X射線輻射模式運用均整器特性，通過槍伺服使能量恒定，保證電子束垂直入射靶平面，從而保證了射野的平坦度，所以不用PFN伺服。位置導向的作用是使電子束通過靶窗中心，因此Clinac 2300CD機在電子輻射模式脫開了位置導向。對射野均勻度的調節，在X射線輻射，Precise機是通過調整位置導向和槍電流來調整對稱性和平坦度，而Clinac 2300CD機則分別調整位置導向和角度導向。在電子輻射，只需電子束垂直通過靶窗而無論其是否在中心位置，Precise機調整位置導向而Clinac 2300CD機調整角度導向。針對能量恒定，兩類機型均在能量-負載線上伺服，但Precise機間接伺服負載，而Clinac 2300CD機直接伺服能量。照射野的均勻度包括平坦度和對稱性，兩者并不絕對，在量化參數上會互相影響。

針對Precise機的極板裂紋或穿孔，可通過吊起機頭查看伺服極板情況。以辨析的角度，應從配對靈敏體積電離電流相等的原則出發進行診斷。選6X射線能量，分別將i181 Gun servo control、i183 2R servo control和i184 2T servo control置于manual，用類似MapCheck的快速掃描儀，將對稱性和平坦度調整到最佳且合標，查看i166、i190和i191；i192和i193；i194和i195，看是否穩定或相等。

對于Clinac 2300CD機的極板穿孔，會出現斷開伺服可以將對稱性調整到2%以內，而加上伺服后的實際劑量曲線對稱性反而超標且不報連鎖EXQ。此時電離室已不能使用，但關鍵是如何發現這種情況，否則會出現對稱性長期偏差過大的劑量學風險，建議每周對6X射線能量作對稱性監測，而不是GBZ 126-2011所規定的6個月[14]。

1.5 溫度與氣壓的監測校正

Precise機采用開放式電離室，需要作環境溫度與大氣壓強校正。氣壓i558 Pressure 1和溫度i224 Dos.temp 1信號來自PSB/DPT PCB，而氣壓i559 Pressure 2和溫度i226 Dos.temp 2信號來自SIB PCB。PCB上的壓電轉換器PS1將氣壓值刻度成電壓值，轉換關系為(7.58±0.19)mV/mBar。溫度傳感器熱敏電阻位于電離室安裝短臂，10 V參考電壓經熱敏電阻與R1并聯后再與SIB PCB板上電阻R99分壓得到i226 Dos.temp2信號。

2 討論

醫用直線加速器的能量特性屬于劑量學特性，參數為X射線輻射百分深度劑量曲線的dMAX和電子輻射的電離深度，但都無直接相關的劑量學連鎖項目[2-3]。本研究分析了劑量監控系統中的能量穩定機制，即Precise機中基于電離室信號Outer Hump和Inner Hump的槍伺服，Clinac 2300CD機中基于電離室信號A+B的PFN伺服，以及ANG R線圈代替二級偏轉的伺服機制。實際上都是基于射野均勻性連鎖項目，對于標稱能量E0微小波動的穩定，機制上都是對射束偏轉后出射角度的糾正。偏轉電源電流精度達1/1000(0.1%)，表明偏轉系統的作用不僅是能量篩選，也是最重要的能量穩定機制。反之，如果出現射野均勻性連鎖，而劑量監控系統正常，則要從偏轉系統查找故障原因。

3 結語

本研究在分析醫用直線加速器電離室構造原理的基礎上，提出劑量學系統的質量保證調試方法，進而為建立劑量學系統質量保證體系和維護維修工程學流程提供參考依據。

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[14]中華人民共和國衛生部.GBZ 126-2011電子加速器放射治療放射防護要求[S].中華人民共和國衛生部，2011-11-30.

Technological analysis and comparison for dose monitoring and control systems of two types of linear accelerators/WANG Ming-huai, TANG Zhi-quan//China Medical Equipment,2017,14(5):27-33.

Objective:To analyze and compare the dose monitoring and control systems of two types of medical linear accelerator systematically from the view of mechanical and electrical engineering, and establish the method of the quality assurance of the dosimetry system and the solution in the routine maintenance.Methods:To systematically compare and analyze the system of dose monitoring and control for two types of linear accelerators (Precise Elekta and C-series of Varian Medical Systems) from twofold aspects that included machine physics and electric engineering of medical linear accelerators.Results:The monitoring system that took ionization chamber as center was established between connotation of machine physics and concrete realization of electromechanical engineering, and explained the difference and similarity between open type and sealed type of ionization chamber, and the theory that Precise series needn't be serviced by PFN.Conclusion:Based on the analysis of ionization chambers structure of medical linear accelerators on the principle of quality assurance system, proposed dosimetric testing and adjustment method, and provide reference for the establishment of quality assurance system and technical procedures of the maintenance engineering.

Medical linear accelerator; Dose monitoring and control; Ionization chamber; Dosimetry; Beam steering

王明槐,男,(1973- ),本科學歷，工程師。玉林市紅十字會醫院設備科，從事醫療設備管理和醫用直線加速器維修工作。

2016-12-08

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.05.008

①玉林市紅十字會醫院設備科 廣西 玉林 537000

②四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 四川 成都 610041

*通訊作者：tangzhiq@163.com