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【摘要】從機(jī)器物理和電子工程雙重角度,系統(tǒng)全面地解析醫(yī)科達(dá)直線加速器的劑量監(jiān)測(cè)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(duì)應(yīng)的故障發(fā)生機(jī)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。總結(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(cè)與控制的本質(zhì)是保持配對(duì)收集極板之間的電離電流相等。闡釋劑量均勻性的保證機(jī)制和能量穩(wěn)定機(jī)制,闡述完整的劑量學(xué)質(zhì)量控制調(diào)整方法和該系統(tǒng)的維護(hù)維修方法。
【關(guān)鍵詞】直線加速器;劑量監(jiān)測(cè)與控制;電離室;劑量學(xué);束流導(dǎo)向
前言
醫(yī)用電子直線加速器(簡(jiǎn)稱加速器)的劑量監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱劑量監(jiān)控系統(tǒng)[1])由兩部分組成,分別是起監(jiān)測(cè)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(xué)層面,保證加速器輻射野(或稱照射野,簡(jiǎn)稱射野)的品質(zhì)符合相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。其中最重要有4個(gè)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(duì)稱性和平坦度符合標(biāo)準(zhǔn);四是安全預(yù)防措施,包括第1通道失靈時(shí)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(dá)(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(jī)型。在加速器的使用過程中,需要定期對(duì)加速器進(jìn)行質(zhì)量控制工作,本質(zhì)上是利用測(cè)試儀器的讀數(shù)對(duì)劑量監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,而環(huán)境因素和零部件的自然老化可能造成機(jī)器故障。本文旨在全面闡述該類加速器劑量學(xué)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(hù)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(cè)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(cè)射野的強(qiáng)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(hù)極。收集極連接測(cè)量裝置,高壓極提供極化電壓[3]。保護(hù)極的作用是防止漏電流到達(dá)收集極并定義靈敏體積范圍,對(duì)平板電離室來說,保護(hù)環(huán)防止收集極邊緣電場(chǎng)過分外凸彎曲[4]。一般將收集電子的收集極設(shè)計(jì)在0電位,因此高壓極為負(fù)電位,收集極與高壓極配對(duì)出現(xiàn)。電離室的6層極板安裝在4個(gè)陶瓷環(huán)上,從近靶面依次為伺服信號(hào)極板、-325V(以下簡(jiǎn)稱V)極板;V、劑量通道DoseA(以下簡(jiǎn)稱A)極板;DoseB(以下簡(jiǎn)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(chǎng)強(qiáng)度[5],但氣體間隙存在擊穿電壓,在均勻電場(chǎng)中干燥空氣的擊穿強(qiáng)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(gè)劑量通道完全獨(dú)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(hào)極板距靶點(diǎn)入射面164.4mm,電離室處監(jiān)測(cè)到的輻射強(qiáng)度約為等中心平面的40倍。考慮輻射強(qiáng)度的平方反比律[4](fA/fB)2,即收集體積中各點(diǎn)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(duì)的機(jī)制,即配對(duì)極板電流IB=4IA。為討論簡(jiǎn)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(jiǎn)稱I)和外駝峰OUTERHUMP(以下簡(jiǎn)稱O)配對(duì),作射野中心劑量與邊緣劑量的比較,配對(duì)機(jī)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(duì)稱配對(duì),橫向位置導(dǎo)向極板2TA與2TB對(duì)稱配對(duì)。G表示槍端,T表示靶端。配對(duì)機(jī)制是2RG=2RT=2TA=2TB,為兩兩對(duì)稱且收集體積相等。因此該電離室共4對(duì)配對(duì)極板:1對(duì)劑量極板、3對(duì)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(duì)極板的電離電流相等。
2高壓極電源與監(jiān)測(cè)分析
12區(qū)RHCA的附屬電源板。電源板分新、老型號(hào)(以IGRT機(jī)型面世為界限),老型號(hào)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(huì)使電離曲線在飽和區(qū)以下,因此造成電離室信號(hào)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(bǔ)救措施是用戶配置市電穩(wěn)壓電源[7-10]。新型號(hào)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(jìn)入電離室后依次經(jīng)過高壓極2、3、6極板,3個(gè)極板呈串聯(lián)形式。-325V監(jiān)測(cè)電壓由5.1MΩ和110kΩ電阻分壓引出,在APCB測(cè)試點(diǎn)TP35對(duì)應(yīng)電壓為-6.87V。電壓有效范圍為300~350V,因此簡(jiǎn)稱“-300V”。監(jiān)測(cè)電壓經(jīng)APCB→SCCPCB12A→AIPCB12A生成連鎖項(xiàng)目(item,簡(jiǎn)稱i)i189-300VMonitor,讀數(shù)范圍0~-400V。監(jiān)測(cè)電壓分別經(jīng)APCB和BPCB生成i506D1Supply和i456D2Supply連鎖。
3劑量通道信號(hào)處理分析
劑量監(jiān)測(cè)信號(hào)是A和B。1通道APCB和2通道BPCB位于12區(qū)RHCA,分新老型號(hào),不能混用。APCB信號(hào)輸入端匹配150kΩ電阻,BPCB信號(hào)輸入端匹配50kΩ電阻與1nF電容并聯(lián),使2個(gè)電離電流脈沖信號(hào)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(hào)后送至場(chǎng)效應(yīng)可編程門控陣列FPGA中的劑量積分器進(jìn)行采樣、積分。治療開始前,加速器控制系統(tǒng)(LCS)的校準(zhǔn)模塊為積分器提供一個(gè)與所選能量相對(duì)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?jī)x,調(diào)節(jié)i314Doseref1校準(zhǔn)1通道的劑量計(jì)數(shù)為1MU=1cGy絕對(duì)劑量(調(diào)節(jié)i315Doseref2校準(zhǔn)2通道的劑量計(jì)數(shù)與1通道相同)。當(dāng)積分值達(dá)到校準(zhǔn)閾值時(shí)就輸出1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖且積分器清零后重新開始積分。每出現(xiàn)64個(gè)計(jì)數(shù)脈沖,計(jì)數(shù)器就輸出1個(gè)MU信號(hào),由寄存器part152完成。如果兩個(gè)通道的累積MU差異超過設(shè)定極限(如3MU),則報(bào)i366Dosechanneldifference。超劑量率監(jiān)測(cè)計(jì)數(shù)器防止計(jì)數(shù)脈沖超過307個(gè)/0.262s(等效劑量率=1099MU/min)使計(jì)數(shù)電路飽和,報(bào)i167Doserateerror。實(shí)際劑量率分別為i44D/rate1和i45D/rate2。i484Platesum顯示所有極板信號(hào)之和,i160Uniformity指示射野均勻度,超過5%則連鎖。在BPCB施加一個(gè)仿真劑量電壓,以便在APCB失敗時(shí)由BPCB終止治療。將PRF置于6時(shí),板上LED2每秒閃亮1次說明PCB工作正常。針對(duì)漏電專門設(shè)置60mVDC偏置,補(bǔ)償電離室漏電,同時(shí)起延長(zhǎng)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(duì)稱可能造成i366。
4伺服信號(hào)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(zhǔn)經(jīng)過靶窗中心點(diǎn),因此稱為“對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)中導(dǎo)向由線圈是2R、2T控制電子束進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的軸心位置,實(shí)現(xiàn)電子束經(jīng)過靶窗中心,控制射野的對(duì)稱性。2RG、2RT和2TA、2TB用作伺服誤差信號(hào),分別是i127=2RG/2RT和i128=2TA/2TB。由于對(duì)中導(dǎo)向線圈在加速管中部,電子束導(dǎo)向后還將運(yùn)動(dòng)較長(zhǎng)距離,因此2R、2T還提前補(bǔ)償?shù)卮艌?chǎng)及萬有引力等因素對(duì)電子束流軌跡的影響,這種補(bǔ)償與機(jī)架轉(zhuǎn)角一一對(duì)應(yīng),形成機(jī)架旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償表2RLUT(Lookuptable)和2TLUT。2R電路閉環(huán)伺服,修正后的實(shí)時(shí)誤差信號(hào)用于確定i1642RIctrl的part142伺服增益,實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)誤差信號(hào)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(shí)輸入一個(gè)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(hào)用作誤差信號(hào)。電子野直接由電子束散射而來,對(duì)中導(dǎo)向后既能保證對(duì)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(fù)載線特性V=a-bI,V為名義加速電壓即電子能量,I為負(fù)載強(qiáng)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(fù)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(fù)載線上工作點(diǎn)的附近(±3%)微調(diào)并追蹤標(biāo)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(qiáng)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(duì)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(duì)稱,即得到完全對(duì)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(shí)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(jì)對(duì)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(qiáng),對(duì)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(dāng)且僅當(dāng)能量完全等于LCS定義的標(biāo)稱能量時(shí),I-O=0。因此,可以通過伺服能量來伺服平坦度,即達(dá)到角度伺服的目的。能量的改變會(huì)引起平坦度的改變從而引起導(dǎo)向伺服信號(hào)I-O的改變,這種沖突的解決辦法是讓槍伺服的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于導(dǎo)向伺服的時(shí)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(shí)時(shí)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(cè)與校正分析
氣壓i558Pressure1和溫度i224Dos.temp1信號(hào)來自PSB/DPTPCB,而氣壓i559Pressure2和溫度i226Dos.temp2信號(hào)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(hào)。
6維護(hù)與故障辨析
電離室因潮濕漏電時(shí),其電流服從歐姆定律I=V/R,對(duì)應(yīng)于325V電壓、10-8A量級(jí)微電流的阻值為1010Ω,即10000MΩ,此時(shí)已達(dá)電離電流的量級(jí)。如果用高內(nèi)阻數(shù)字萬用表測(cè)量極間電阻,數(shù)值必須是∞。即使漏電達(dá)1mA,阻值也達(dá)30MΩ,此時(shí)DC-DC電源模塊會(huì)啟動(dòng)限流保護(hù),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(jí)以下,則是局部短路報(bào)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(hù)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(hào)不穩(wěn)定。斷路則無信號(hào)輸出,會(huì)立即觸發(fā)相應(yīng)連鎖;而裂紋引起的信號(hào)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(cè)到電壓。而小孔則減小收集體積,會(huì)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(huì)觸發(fā)i366連鎖,重新校準(zhǔn)后即可恢復(fù)使用,因?yàn)楸举|(zhì)上測(cè)量的是相對(duì)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(shí)際劑量曲線的對(duì)稱性超3%標(biāo)準(zhǔn)[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(bǔ)償,之前劑量曲線通過i1832Rservocontrol在manual時(shí)調(diào)好,此時(shí)置auto實(shí)測(cè)劑量曲線會(huì)改變。輻照老化有可能使聚酯薄膜產(chǎn)生裂紋,這一點(diǎn)和反光鏡出現(xiàn)裂紋原理一致,因?yàn)樗鼈兌继幵谥魃涫窂缴稀6】住⒘鸭y都使電離室反饋的伺服信號(hào)改變,因此電離室的伺服極板在最上層,方便吊起機(jī)頭后直觀看到其表面情況。
7討論
實(shí)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(guó)標(biāo)[14]規(guī)定加速器工作環(huán)境為相對(duì)濕度30%~75%,而隨機(jī)文件要求小于70%,實(shí)際上比國(guó)標(biāo)苛刻,所以在周末停電后需要派人重啟除濕機(jī)和空調(diào)機(jī)以免周一發(fā)生漏電[18-22]。另外,可能引發(fā)劑量學(xué)隱蔽風(fēng)險(xiǎn)的是極板穿孔后有效收集體積的縮小,建議在每周作絕對(duì)劑量校準(zhǔn)時(shí),順便查看i190~i195這3對(duì)伺服極板的顯示值。把握配對(duì)極板電流相等的原則,可以盡早發(fā)現(xiàn)配對(duì)極板間的偏差,降低不對(duì)稱的風(fēng)險(xiǎn)。由于束流導(dǎo)向建立在正確的偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(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(duì)于偏轉(zhuǎn)線圈的關(guān)注要點(diǎn)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(zhǎng)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(fù)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(fù)載間的阻抗失配,結(jié)果是輸出電流與電壓均會(huì)降低,經(jīng)過一級(jí)偏轉(zhuǎn)的能量“篩選”機(jī)制,能譜中心就朝低能端偏移。6個(gè)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(dá)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(duì)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(duì)稱性可能已經(jīng)超標(biāo)(3%)。
作者:唐志全;蔣澤;彭旭東;李光俊 單位:四川大學(xué)華西醫(yī)院-腫瘤中心生物治療國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-放射物理技術(shù)中心