醫科達加速器機器校準基本原理與實際應用探究

張燦

（1.海軍安慶醫院放療技術部；2.安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 安慶 246001）

1 前言

醫科達數字化醫用直線加速器（簡稱醫科達加速器）包括的機器型號有：Precise、Synergy、Axesse、Infinity、VersaHD。這些型號的機器都采用數字化控制，機器結構和控制原理基本相同，因而機器校準（Linac Calibration）的原理和方法基本相同，不同之處僅在于功能配置和軟件版本，如表1 所示。

表1 醫科達數字化醫用直線加速器配置表

2 機器校準原理

如表2 所示，醫科達加速器控制軟件包含三類Item，共700 多個，每個Item 都有一個編號和名稱，可被視為控制軟件的一個子程序，用于實時檢測和控制各子系統內相應硬件（如繼電器、傳感器、開關、電位器、電源等）的運行參數和狀態。控制軟件工作原理如圖1 所示，每個Item 包含有很多Part，每個Part 都有一個編號和名稱，在不同的Item 里，具有相同編號的Part 含義相同，但是取值不同，Part 可視為Item 內的相關參數，用于接收、運算、傳輸Item 的各種信息，表3 所示為部分常用Part。

圖1 控制軟件工作原理

表2 控制軟件里Item 的分類

表3 部分常用Part

接收類Item 的原理如圖2 所示，來自于被檢測硬件（如繼電器、電位器、傳感器等）的模擬信號首先被傳輸到控制區RTU 終端內的AI-12（模擬信號輸入-12位數值輸出）電路板，AI-12 電路板將模擬信號轉換為12 位數值的數字信號，并將數字信號輸出到控制電腦。因為從AI-12 電路板輸出的12 位數值沒有量綱，為了便于操作者理解，控制軟件里相應的接收類Item 內Part111（原始值）接收該數字信號后，需要對其進行一系列的運算處理，轉換為采用SI（國際單位制）基本單位的數值。在接收類Item 內，12 位的原始值（P111）首先與偏移校準（Part10）相加，生成有效值（Part110）。Part110（有效值）有兩路輸出，一路輸出給相應的控制類Item，用以進一步的運算處理；另一路則乘以增益校準（P11）并除以比例系數2048，生成實際值（Part4）。Part4（實際值）為采用SI 基本單位的數值，代表被檢測硬件的運行參數或狀態信息。因此，操作者可以在臨床模式（clinical mode）或在維修模式（service mode）通過查看相關Item 的Part4 的值，查看機器的運行參數或狀態，如水溫、電壓、電流、運動部件的位置信息等。

圖2 接收類Item 的原理圖

機器校準的目的，就是通過設定接收類Item 內的偏移校準（Part10）和增益校準（Part11），使得控制電腦上顯示的實際值（Part4）與被檢測硬件客觀的實際值一致。如圖3 所示，機器校準通常采用兩點校準的方法。校準時，按次序用工具找到兩個規定測量點，并在校準窗口輸入測量值，控制軟件會根據實時接收到的原始值和操作者輸入的測量值，計算出偏移校準（Part10）和增益校準（Part11），計算公式如圖4 所示。增益校準（calibration gain）即校準曲線的斜率；偏移校準（calibration offset）即校準曲線的橫截距。

圖3 機器校準曲線

圖4 機器校準計算公式

3 機器校準分類

根據校準的子系統的不同，機器校準大致可以分為三類：電位器系統、電源系統、傳感器系統。

對于一些極重要的位置信息，如機架旋轉，治療頭旋轉，治療床橫向、縱向、垂直運動和等中心旋轉等，為獲得精準的讀數，通常采用三個電位器來檢測位置信息，其中，coarse 電位器和fine 電位器用于檢測位置信息，check電位器用于校驗準確性。對于精確度要求不高的位置信息，如治療床自轉，移相器（phase shifter）運動，僅采用coarse 電位器來檢測位置信息。無論采用的是單電位器還是三電位器，均采用兩點校準的方法，測量點選取行程范圍內75%和25%的兩個點。

對射線能量和劑量有影響的電源系統，如偏轉磁鐵、導向線圈、聚焦線圈等的低壓電源（LVPSU）和電離室極化電壓電源，每次維修后應進行電源校準，兩個測量點分別選取0V 和電壓最大值處。

對傳感器系統，如電離室溫度和氣壓傳感器、水溫傳感器，采用的是固定增益（溫度傳感器）或固定偏移（氣壓傳感器）設計，校準時只需根據一個測量點，即可算出相對應的偏移或增益。

4 校準窗口介紹

在維修模式，點擊Service Functions 圖標，再點擊Display Service Pages 圖標，在Dsiplay Service Pages 窗口點擊Load，在Service Function Selection窗口選Calibration 選項，從而打開Calibration（校準）窗口，如圖5 所示。校準窗口專用于各類的機器校準，表4 所示為校準窗口內常用Item 的介紹。

圖5 校準窗口

5 機器校準應用

本節通過介紹機器位置指示校準、電離室極化電壓校準和電離室溫度校準，來具體說明三類機器校準的應用和方法。

5.1 機架位置指示校準

機架位置信息由三個電位器實時檢測。機架位置指示準確度要求≤0.5°，且屬于放療質控月檢項目，當月檢不合格或更換位置檢測電位器后，須進行機架位置指示校準。

校準方法如下：（1）在維修模式打開校準窗口和ASU（自動擺位）窗口。（2）先在Cal.item1 內選Item 148（Gant ctrl），再在Cal Man/Auto 內輸入0（手動模式），從而關閉軟件限位。（3）先在Cal.item1內選Item 70(Gantry)，再通過ASU 或手控盒旋轉機架，并使用水平儀測量，使機架位于90±0.5°位置（B 側），然后在Cal.value 內輸入+9000。（4）通過ASU 或手控盒旋轉機架，并使用水平儀測量，使機架位于-90±0.5°位置（A 側），然后在Cal.value 內輸入-9000。（5）點擊Save（保存）圖標，然后點擊Save LILAC Calibration（保存機器校準）。（6）先在Cal partselect 內選Part4，再通過ASU 或手控盒旋轉機架，并使用水平儀測量，使機架位于0±0.5°位置，然后查看Cal part value 值是否為0。如果是0，說明顯示的實際值與客觀的實際值相同，校準成功；否則，需從第1 步開始，重新校準。（7）若校準成功，在Cal.item1內選Item 148，然后在Cal Man/Auto 內輸入1（自動模式），從而啟用軟件限位。（8）在Cal.item1 內選0（表示清零）并關閉校準窗口，校準完成。

5.2 電離室極化電壓校準

如圖6 所示，當電離室工作在AB 段(飽和區)時，信號電流不隨工作電壓改變而保持恒定。電離室正常工作時，工作電壓應位于飽和區內。醫科達電離室極化電壓工作范圍限定于-330 ～-315V，通常取值-320V。

圖6 電離室飽和特性曲線

當更換電離室或維修電離室極化電壓電源后，需進行電離室極化電壓校準，校準方法如下：（1）在RHCA（輻射治療頭控制區，12 區），將T 型BNC 接頭接到插座SK-12FF 和插頭PL12-FF 之間，并將萬用表（選直流電壓檔）接到T 型BNC 接頭上。（2）在維修模式打開校準窗口。（3）先在Cal.item1 內選Item 189（-320V Monitor），再將T 型BNC 接頭從插座SK-12FF 上斷開，此時，萬用表上讀數為0V，電離室無極化電壓，然后在Cal value 內輸入0。（4）將T 型BNC 接頭接到插座SK-12FF 上，然后將萬用表測量值轉換為帶負號的四位數值輸入Cal.value 內。例如，測量值為320.0V 或-320.0V，輸入值應為-3200。（5）在Limit high 內輸入-3050，在Limit low 內輸入-3300，從而設置電離室極化電壓的限值。（6）點擊Save（保存）圖標，然后點擊Save LILAC Calibration（保存機器校準）。（7）在Cal.item1 內選0（表示清零）并關閉校準窗口，校準完成。（8）移除T 型BNC 接頭，將插頭PL12-FF 接到插座SK-12FF 上。

5.3 電離室溫度校準

醫科達加速器采用的是開放電離室，溫度和氣壓變化會直接影響電離室測量靈敏度，因此，電離室旁安裝有兩對溫度和氣壓傳感器，用于檢測治療頭內溫度和氣壓。控制軟件根據檢測到的溫度和氣壓，實時修正劑量率，從而保證輸出劑量的準確性。為了準確地測量環境溫度和氣壓，保證劑量準確，當出現電離室溫度或氣壓聯鎖，以及更換電離室溫度和氣壓傳感器后，須進行相應校準。

其中，電離室溫度校準方法如下：（1）旋轉機架到180±1°位置，拆開機頭罩殼，用溫度計測量機頭內溫度并記下讀數。（2）在維修模式打開校準窗口。（3）在Cal.item1 內 選Item 224（Dos.temp1）， 在Cal.item2 內選Item 226（Dos.temp2）。（4）將步驟1 中記錄的讀數轉換為四位數值輸入Cal.value 中。例如，測量值為26.5℃，輸入值應為2650。（5）點擊Save（保存）圖標，然后點擊Save LILAC Calibration（保存機器校準）。（6）在Cal.item1 內選0（表示清零）并關閉校準窗口，校準完成。

6 結語

綜上所述，醫科達加速器機器校準就是通過采用兩點校準的方法，計算出相關校準曲線的斜率（增益校準）和橫截距（偏移校準），從而使得加速器在運行時，控制電腦檢測到的各項運行參數（電腦顯示值）與客觀實際值一致。為保證加速器各項運行參數準確和運行狀態正常，機器校準廣泛應用于維修保養和定期質控。盡管各項機器校準在操作細節上會有差別，但是，在實際應用中，操作者（尤其是放療物理師和工程師）只要掌握了機器校準的基本原理和基本方法，再結合相應的操作說明，謹慎操作，就能順利地完成相應的校準，保證機器準確、正常地運行。