柘江

（江蘇海明醫(yī)療器械有限公司 江蘇省揚(yáng)州市 225101）

隨著科技的日新月異，腫瘤放射治療設(shè)備也在向“精確化”、“數(shù)字化”方向發(fā)展。體現(xiàn)放療精準(zhǔn)化的調(diào)強(qiáng)放射治療（IMRT）和圖像引導(dǎo)放射治療（IGRT）均已經(jīng)進(jìn)入臨床應(yīng)用。這就對(duì)輻射野內(nèi)束流的橫向X 和縱向Y 的對(duì)稱(chēng)性提出來(lái)更高的要求。而醫(yī)用電子直線加速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境中存在高壓、大電流、微波、X 射線等，電磁干擾強(qiáng)，束流對(duì)稱(chēng)性容易受到擾動(dòng)。為適應(yīng)精準(zhǔn)放療需求，江蘇海明醫(yī)療器械有限公司立項(xiàng)對(duì)醫(yī)用電子直線加速器產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。作者結(jié)合平板電離室和束流輸出導(dǎo)向控制部分的特點(diǎn)，在數(shù)字式劑量監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)平板電離室、束流輸出導(dǎo)向等部分進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了一套滿足HM-J-16-Ⅰ型醫(yī)用電子直線加速器要求的輸出束流自動(dòng)對(duì)中控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)加速器輸出的束流著靶位置進(jìn)行自動(dòng)控制，從而確保輸出的束流在輻射野內(nèi)滿足精確放療對(duì)對(duì)稱(chēng)性的要求。

1 系統(tǒng)原理

醫(yī)用電子直線加速器輸出束流自動(dòng)對(duì)中控制系統(tǒng)，用于對(duì)輻射野內(nèi)束流的橫向和縱向?qū)ΨQ(chēng)性進(jìn)行監(jiān)測(cè)和自動(dòng)調(diào)整，使其滿足精確放療的要求。加速器輸出的高能束流轟擊金靶產(chǎn)生X 線或經(jīng)過(guò)散射膜產(chǎn)生電子線。射線通過(guò)充氣透射型平板電離室時(shí)，電離效應(yīng)使平板電離室中的密封氣體產(chǎn)生電離，生成的離子對(duì)（正離子和電子）在外加電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生定向移動(dòng)（電子向正極板運(yùn)動(dòng)，正離子向負(fù)極板運(yùn)動(dòng)），并被電離室的收集極收集，從而形成電離電流信號(hào)。該電流信號(hào)被前置信號(hào)處理板采樣、放大、緩沖后送入輸出束流控制板。再經(jīng)過(guò)箝位、積分保持、A/D 轉(zhuǎn)化后得到劑量率信號(hào)，并送入單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理。處理后得出的信號(hào)去調(diào)整輸出導(dǎo)向電源，改變輸出導(dǎo)向線圈形成的磁場(chǎng)，調(diào)整加速管輸出束流的著靶位置，從而調(diào)節(jié)射束的對(duì)稱(chēng)性，完成束流自動(dòng)對(duì)中工作。

2 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。

2.1 平板電離室的優(yōu)化

電離室采用平板透射型。平板電離室的電極板和收集板是在厚度為0.1mm 的云母片上通過(guò)真空濺射的方式鍍一層鋁箔而成，并在電極區(qū)和收集區(qū)的周?chē)兩弦粚佑糜诮拥氐匿X箔環(huán)，作為減少漏電流的保護(hù)環(huán)。

平板電離室由電極板-收集板-電極板順序疊放組成。三塊極板間隔1mm，在收集板和電極板間加+350V 左右的直流電壓。當(dāng)有射線通過(guò)平板電離室時(shí)，射線使電離室中的密封氣體產(chǎn)生電離，形成帶電離子對(duì)。帶電離子對(duì)在外加電場(chǎng)的作用下，被收集極收集，形成輸出電流。

電離室垂直排列，緊接在X 線均整器或電子散射膜下面。經(jīng)加速管加速后的高能電子束流撞擊金靶或散射模后形成X 射線或電子線，電離室檢測(cè)并輸出均整后的X 線或散射后電子線經(jīng)過(guò)電離室形成的電流信號(hào)。

系統(tǒng)原來(lái)的電離室收集極分成兩個(gè)D 形，如圖2 所示。在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)射束中心位置發(fā)生改變時(shí)，兩個(gè)D 形收集極輸出的信號(hào)變化不明顯，束流對(duì)稱(chēng)度精度不高，考慮到在收集極的中心位置，射束信號(hào)較強(qiáng)，信號(hào)的絕大部分來(lái)自于此，在射束發(fā)生偏移時(shí)，收集極中心的信號(hào)變化較小，雖然收集極的邊緣信號(hào)有較大變化，但由于其所占比重小，所以整個(gè)信號(hào)變化不大，影響調(diào)節(jié)的精度。于是將電離室收集極設(shè)計(jì)成中間O 形加兩個(gè)C 形，如圖3 所示。中間O 形區(qū)域輸出信號(hào)做劑量監(jiān)測(cè)用，兩邊C 形區(qū)域輸出信號(hào)做束流自動(dòng)對(duì)中信號(hào)使用。如此改進(jìn)后，在射束發(fā)生相同變化時(shí)，C 形輸出信號(hào)變化率較D 形輸出變化率高，極大地提高了束流自動(dòng)對(duì)中的調(diào)節(jié)精度。

圖1：束流自動(dòng)對(duì)中控制系統(tǒng)組成框圖

圖2：D 形分區(qū)電離室

圖3：C 形分區(qū)電離室

圖4：輸出導(dǎo)向線圈盒安裝示意圖

圖5：改進(jìn)的輸出導(dǎo)向線圈盒安裝示意圖

2.2 輸出導(dǎo)向部分的優(yōu)化

電子槍安裝在加速管的最后端，電子槍發(fā)射的電子束流通過(guò)輸入導(dǎo)向線圈和束流預(yù)聚焦線圈形成的磁場(chǎng)調(diào)整位置和形狀后注入加速管。電子在加速管中被加速，在加速管出口處通過(guò)輸出導(dǎo)向線圈形成的磁場(chǎng)調(diào)整其出射位置后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)電子束流進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。最終，電子束流按照要求的位置準(zhǔn)確地落在治療頭上的X 射線靶或電子散射膜上，從而在患者治療平面得到符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的射線。

橫向X（或徑向Y）輸出導(dǎo)向線圈由可程控調(diào)節(jié)的雙向恒流電源供電，它可輸出由各自設(shè)定值決定的或正或負(fù)的恒直流電流。在輸出束流自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)參與工作后，橫向X（或徑向Y）輸出導(dǎo)向電源的輸出電流由對(duì)稱(chēng)度誤差信號(hào)進(jìn)行調(diào)控，輸出導(dǎo)向電源給輸出導(dǎo)向線圈供電。輸出導(dǎo)向線圈的作用就是調(diào)節(jié)電子束流從加速管輸出的軌跡和方向，這樣就能夠校正由于安裝和加工所引起的誤差，為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供有力保障。該線圈采用精密程控電源供電，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)直接調(diào)節(jié)線圈電流的大小，方便設(shè)備的生產(chǎn)和調(diào)試。輸出導(dǎo)向線圈繞制在四個(gè)鐵芯上，并分為上下和左右兩組，每一組的兩個(gè)線圈串聯(lián)在一起，并有一只精密程控電源供電，通過(guò)改變線圈中流過(guò)的電流，從而產(chǎn)生上下或左右方向的相應(yīng)磁場(chǎng)來(lái)控制電子束流的輸出位置。上下線圈調(diào)節(jié)電子束流在上下方向的輸出位置；左右線圈調(diào)節(jié)電子束流在左右方向的輸出位置。

四只輸出導(dǎo)向線圈裝在用電工純鐵制作的盒子里，形成磁屏蔽，如圖4，防止內(nèi)外磁路互相干擾。經(jīng)過(guò)加速管加速到接近光速的電子束流通過(guò)束流通道時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出導(dǎo)向線圈中的電流，改變?cè)谑魍ǖ佬纬傻拇艌?chǎng)，調(diào)節(jié)電子束流在相互垂直的兩個(gè)方向上的行進(jìn)方向，使電子束流沿加速管中心軸線傳輸。

在實(shí)際使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在調(diào)節(jié)電子束流一個(gè)方向的出射位置時(shí)，對(duì)束流另一個(gè)方向的位置存在較大的影響，這就給調(diào)試工作帶來(lái)了困難。特別在實(shí)施輸出電子束流自動(dòng)對(duì)中控制時(shí)，兩個(gè)方向的對(duì)中調(diào)試互相影響，很難達(dá)到滿意地調(diào)節(jié)效果?？紤]到原來(lái)的橫向、徑向兩組線圈安裝在一個(gè)平面上，然后裝在一個(gè)電工純鐵制作的盒子里，這樣雖然形成了磁屏蔽，防止了外部磁場(chǎng)的干擾，但內(nèi)部?jī)山M線圈磁路的相互干擾仍不可避免。有鑒于此，將電工純鐵制作的盒子加厚，將兩組線圈分別裝在兩個(gè)安裝平面上，中間用純鐵加上隔板進(jìn)行磁屏蔽，如圖5 所示。這樣不僅避免了內(nèi)外磁路互相干擾，也避免了內(nèi)部?jī)山M線圈磁路的相互干擾，解決了在調(diào)節(jié)電子束流一個(gè)方向的出射位置時(shí)對(duì)電子束流另一個(gè)方向出射位置的影響，給調(diào)試工作，特別是在實(shí)施輸出電子束流自動(dòng)對(duì)中控制時(shí)帶來(lái)了極大的方便。

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用的單片機(jī)為W77E058，控制程序用C51 編寫(xiě)。在加速器不出束時(shí)，將橫向X（或徑向Y）輸出導(dǎo)向電源設(shè)置為最佳值；在加速器出束過(guò)程中，不斷采集電離室的劑量率信號(hào)，計(jì)算劑量率R、L（或G、T）之間誤差，根據(jù)劑量率誤差對(duì)橫向X（或徑向Y）輸出導(dǎo)向電源進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)。根據(jù)加速器多能檔的特點(diǎn)，對(duì)各能檔的劑量率放大信號(hào)，橫向X（或徑向Y）輸出導(dǎo)向電源的初始值、PID 調(diào)節(jié)的P、I、D 系數(shù)進(jìn)行預(yù)先調(diào)節(jié)并設(shè)置，建立數(shù)據(jù)庫(kù)。各能檔參數(shù)存入X5045 中，在加速器切換能檔時(shí)，根據(jù)所處狀態(tài)調(diào)出相應(yīng)能檔的參數(shù)。由于加速器機(jī)架要在±180°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，機(jī)架處于不同角度時(shí)，輸出導(dǎo)向電源的中心值略有不同，因此把機(jī)架分為多個(gè)角度段，在每個(gè)角度段設(shè)置各自的橫向X（或徑向Y）輸出導(dǎo)向電源值，系統(tǒng)根據(jù)加速器機(jī)架的角度狀態(tài)調(diào)取橫向X（或徑向Y）輸出導(dǎo)向電源值。在加速器出束過(guò)程中，系統(tǒng)不斷采集電離室的劑量率信號(hào)，計(jì)算劑量率R、L（或G、T）之間誤差，根據(jù)誤差對(duì)橫向X（或徑向Y）輸出導(dǎo)向電源進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)。在實(shí)施過(guò)程中，根據(jù)具體設(shè)定值，限定橫向X（或徑向Y）輸出導(dǎo)向電源的調(diào)節(jié)范圍，一旦輸出值超出原先設(shè)定的范圍，電源只能工作在允許的極值處并向加速器工控機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

作者使用硬件及軟件相結(jié)合的方法，在原有的自動(dòng)劑量監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)平板電離室和束流輸出導(dǎo)向部分進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一套符合HM-J-16-Ⅰ型醫(yī)用電子直線加速器要求的輸出束流自動(dòng)對(duì)中控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，該系統(tǒng)完全能滿足輸出束流自動(dòng)對(duì)中控制的各項(xiàng)要求以及有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。