張詠波，陳立新

華南腫瘤學(xué)國家重點實驗室（中山大學(xué)腫瘤防治中心）a.設(shè)備科；b.放療科，廣東 廣州 510060

數(shù)字化晨檢儀的研制

張詠波a，陳立新b

華南腫瘤學(xué)國家重點實驗室（中山大學(xué)腫瘤防治中心）a.設(shè)備科；b.放療科，廣東 廣州 510060

目的研制用于直線加速器輸出量晨檢的數(shù)字化晨檢儀。方法采用單個平板電離室作為探測器，與PIC16F877單片機處理器等構(gòu)成數(shù)字化檢測系統(tǒng)。按照JJG912-2010對治療型電離室劑量檢定的要求，在直線加速器下進行輸出劑量測量，對系統(tǒng)的劑量學(xué)特性進行測試。結(jié)果在常規(guī)的跳數(shù)檢測范圍內(nèi)（50～400 MU），晨檢儀的測量劑量線性較好，線性擬合的相關(guān)系數(shù)均近似為1，最大偏差為0.4%。單次測量中，其測量重復(fù)性的最大偏差好于0.3%。對于不同劑量率的響應(yīng)，其最大偏差小于0.3%。在半年檢測過程中，其穩(wěn)定性好于1%。結(jié)論研制晨檢儀的劑量特性符合JJG912-2010《治療水平電離室劑量計》的要求，可用于直線加速器輸出量的晨檢。

放射治療；直線加速器；電離室；劑量特性；單片機處理器；晨檢儀

引言

放射治療是腫瘤治療的重要手段之一，其主要放療設(shè)備包括醫(yī)用電子直線加速器及鈷60治療，對于治療設(shè)備進行劑量學(xué)檢查是重要的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制的重要內(nèi)容，其中，直線加速器的輸出量是每天需要檢查的重要環(huán)節(jié)之一[1-3]。對治療機進行輸出量的每日檢查時候，傳統(tǒng)檢測一般采用靜電計和電離室，或者采用二維矩陣探測器和電子射野影像裝置等測量工具[4-5]。但如果檢測過程繁瑣，耗時耗力，需要占用太多臨床治療時間，則很難堅持每日在加速器治療前實施，例如，使用劑量儀和電離室測量時，不但需要復(fù)雜的連線和操作，還需要采用專用的水或固體模體，還需要進行細致的擺位等，不利于現(xiàn)場的快速檢測。目前，在國內(nèi)市場上主要包括有LinaCheck（PTW公司，德國）、BeamCheck（Standard Image公司，美國）以及DailyQA（SUN NUCLEAR公司，美國）等產(chǎn)品，主要均為進口產(chǎn)品，并且一部分產(chǎn)品需要連接計算機進行操作[6-9]，但目前國內(nèi)自主研發(fā)的晨檢儀的報道較為少見。本文將介紹自主研制的一款能夠簡便快速檢測加速器輸出量的晨檢儀，主要使用自主研究的平行板空氣電離室和單片機組成的檢測系統(tǒng)[10-11]，并對其檢測劑量的特性進行了分析，包括測量的重復(fù)性、線性、穩(wěn)定性以及劑量率影響等，期望通過該設(shè)備可簡便快捷檢測加速器的輸出劑量，減少電纜連接、水箱灌水、儀器設(shè)定等各種復(fù)雜的操作程序，減少晨檢所需要的時間。

1 材料與方法

1.1 電離室設(shè)計

系統(tǒng)由電離室探測器和主機兩部分組成。電離室為自行設(shè)計的氣體平板電離室的截面圖，見圖1。

圖1 電離室截面圖

電離室的基本原理主要如下[10-11]：在該密封的氣體容器內(nèi)，有兩個電極，當外加電壓時，在兩電極間產(chǎn)生電場。射線入射到電離室的靈敏體積中，產(chǎn)生離子對，在電場作用下正負離子向相應(yīng)的電極漂移，在外電路中形成電流，外電路收集到的電流就是電離電流。電離室輸入輸出特性，見表1。

表1 電離室輸入輸出特性表

電離室主體材料為氧化鋁陶瓷和有機玻璃PMMA。保護環(huán)直接接系統(tǒng)地，高壓極接300 V直流電壓，收集極輸入到系統(tǒng)的前級輸入放大器的輸入級，收集極與保護環(huán)等電位，間距為1 mm，保護環(huán)的作用是有效避免了收集極邊緣電場畸變的影響，使收集極邊緣處的電場更加均勻，提高電荷收集效率?；饕煞譃檠趸X陶瓷基板，厚度1 mm，絕緣性較好，漏電低。高壓極是直徑為50 mm的導(dǎo)電圓環(huán)，收集極是直徑為40 mm的導(dǎo)電圓環(huán)，保護環(huán)與收集極間距1 mm，導(dǎo)電極是在基座表面做表面處理后的鍍金導(dǎo)電層涂層，鍍金厚度20～30 μm，使用鍍金工藝，導(dǎo)電性好，不易氧化。靈敏體積計算為底面積與高的乘積，約3.4 cm3。

1.2 系統(tǒng)電路設(shè)計

檢測儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，見圖2。檢測器由探測器平板電離室、主機是以PIC16F877A單片機為核心部件構(gòu)成的檢測系統(tǒng)。探測器在高能X射線輻照下，會產(chǎn)生正負粒子，通過外加高壓電場收集電荷粒子，在通過前置電流放大電路將小信號放大進行處理，再經(jīng)過外部高精度AD轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，輸入到PIC16F877A單片機進行處理，將處理的數(shù)據(jù)進行保存，最終數(shù)字化顯示在LCD顯示屏。該系統(tǒng)電路中帶有溫度和氣壓探測器。當出現(xiàn)較大的溫度、氣壓偏差時，通過系統(tǒng)可進行溫度和氣壓對輸出量的修正計算。

系統(tǒng)還包括了輸出讀數(shù)的接口，采用了HC-05的藍牙模塊，可支持XP、Windows 7系統(tǒng)環(huán)境下運行穩(wěn)定，傳輸距離在空曠的環(huán)境下為10 m，在較復(fù)雜的環(huán)境下一般為5 m以內(nèi)。

圖2 檢測儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

應(yīng)用C語言開發(fā)系統(tǒng)軟件，開發(fā)環(huán)境：MPLAB X IDE，用于PIC單片機開發(fā)，控制單片機系統(tǒng)各子模塊、采集電離室的輸出信號，存儲和顯示被測量的醫(yī)用電子直線加速器參數(shù)信息，包括：加速器的型號、劑量、誤差、溫度、氣壓以及測量時間等參數(shù)，計算溫度和氣壓的補償數(shù)值。

1.4 系統(tǒng)測試

將該晨檢儀放置于Trilogy加速器（Varian公司，美國）下，設(shè)置源皮距為100 cm，射野大小為10 cm的方野，測試能量為6 MV的光子線。在測量過程中，采用劑量儀和0.6 cc指型電離室（PTW30013，PTW公司，德國）作為參考值，該參考電離室由廣州輻射劑量檢定站提供劑量檢定報告。測量前對溫度和氣壓的影響進行了修正。

設(shè)置劑量率為400 MU/min，分別給予跳數(shù)為50、100、200、300、400 MU，測試晨檢儀在大跳數(shù)情況下的劑量線性。在相同劑量率下，分別給予跳數(shù)為1～10 MU，測試晨檢儀在小跳數(shù)情況下的劑量線性。在相同劑量率下給予100 MU，先后測量6次，測試該晨檢儀的測量穩(wěn)定性。設(shè)置劑量跳數(shù)為100 MU，分別設(shè)置100、200、300、400、500、600 MU/min共6種劑量率檔下，測試不同劑量率對該晨檢儀測量準確性的影響。在每個月的質(zhì)控過程中，采用劑量儀和電離室來檢測該晨檢儀在固定跳數(shù)下的讀數(shù)，監(jiān)測該晨檢儀檢測的長期穩(wěn)定性，時間為半年。

2 結(jié)果

2.1 劑量測量線性

以100 MU的測量結(jié)果歸一，不同跳數(shù)（10～400 MU）下晨檢儀的劑量線性監(jiān)測結(jié)果，見圖3。從結(jié)果來看，采用線性函數(shù)擬合時，其R2值近似為1。計算實際測量結(jié)果和線性擬合的結(jié)果的偏差，其最大偏差小于0.4%。

圖3 劑量線性測量結(jié)果

2.2 劑量測量的重復(fù)性

給出了測量重復(fù)性偏差的結(jié)果，見圖4。與平均值相比較，其最大偏差小于0.3%。

圖4 劑量重復(fù)性偏差的測量結(jié)果

2.3 劑量率對測量結(jié)果的影響

以300 MU/min的劑量率的測量結(jié)果歸一，不同劑量率下測量相同跳數(shù)的偏差結(jié)果，見圖5。從結(jié)果來看，其劑量率對測量結(jié)果影響較小，其最大偏差小于0.3%。

圖5 不同劑量率下測量結(jié)果的偏差

2.4 長期穩(wěn)定性

采用劑量儀器和電離室每月對該晨檢儀進行檢測和標準數(shù)的對比，取前后6個月內(nèi)的檢測結(jié)果的平均值作為參考值進行比較，其最大誤差小于1%。

3 討論

由于電離室是檢測系統(tǒng)的核心部件，因此對直接影響電離室的性能的材質(zhì)、厚度、絕緣層、電極板制作工藝以及輸出信號線的選擇等進行了詳細的研制。在本儀器的研究中，探測器部分采用了氣體平板電離室。該設(shè)備電離室適用于能量為4～25 MV光子線，能量為4～22 MeV電子線，可簡單快捷地測量出相對測量值，適用于加速器輸出量每天的晨檢工作。

在主電路設(shè)計過程中，前置放大電路處理的好壞直接影響最終結(jié)果。通過采用軌到軌的精密運放，電離室信號輸入端的電容電阻與前置放大電路芯片懸空焊接，以減小分布電容的影響，減小漏電流。

電離室探測器自身存在一定的方向性測量偏差，尤其是平板電離室的偏差相對較大[12-14]，但考慮到晨檢儀主要是用于每天進行輸出量的檢測，測量過程中射線均垂直于電離室入射，因此該設(shè)備不需要考慮探測器測量方向特性的修正，在實際測量過程中，則盡量保證晨檢儀的表面水平，并且與加速器射線入射方向垂直。

按照JJG912-2010關(guān)于治療水平電離室劑量計的要求以及國際電工組織等報告的要求[15-16]，用于測量加速器的絕對劑量的劑量儀和電離室的重復(fù)性和線性等指標要求好于0.5%。但對于輸出量晨檢來說，考慮加速器的穩(wěn)定性和晨檢儀的穩(wěn)定性，其要求可能會相對較低一些。例如美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)會的TG142號中規(guī)定的加速器的晨檢的容差為3%[17]。從自主研制的晨檢儀的劑量學(xué)特性的檢測結(jié)果來看，其穩(wěn)定性等指標不但達到了晨檢的要求，并且達到了治療水平電離室劑量計的要求。

根據(jù)對4種進口晨檢儀的測量偏差的研究結(jié)果來看，其中心點劑量的最大測量偏差大約在0.5%左右[18]，這與本文的穩(wěn)定性（包括線性和重復(fù)性）檢測結(jié)果近似，因此該自制的晨檢設(shè)備不但能夠滿足加速器晨檢的臨床應(yīng)用需求，而且其指標特性達到了國外同類產(chǎn)品的水平。

由于電離室的測量結(jié)果受到溫度和氣壓的影響，因此該系統(tǒng)還設(shè)置了溫度、氣壓探測器，當出現(xiàn)較大的溫度、氣壓偏差時，通過系統(tǒng)可進行劑量測量結(jié)果的修正。該系統(tǒng)不但使用可視化的顯示屏進行實時數(shù)據(jù)顯示，同時為便于數(shù)據(jù)處理，還設(shè)置了藍牙無線傳輸接口，數(shù)據(jù)可上傳到電腦作為管理數(shù)據(jù)分析使用。

4 結(jié)論

本項目研究了一種可用于放射治療外照射設(shè)備射線輸出量檢測的晨檢儀，并且對其劑量學(xué)特性的進行了半年檢測，結(jié)果顯示該晨檢儀有較好的劑量學(xué)特性，并且操作簡單、高效，在不需要連接計算機的同時又提供了數(shù)字化的顯示和操作界面，以及數(shù)字化的數(shù)據(jù)輸出接口。為每天進行放射治療射線輸出量的檢測提供了一個較好的工具和方法。

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本文編輯 袁雋玲

Development of the Digital Morning Check Device

ZHANG Yong-boa, CHEN Li-xinb
a.Department of Equipment; b.Department of Radiotherapy, State Key Laboratory of Oncology in Southern China (Cancer Center of Sun Yat-sen University), Guangzhou Guangdong 510060, China

ObjectiveTo develop a digital device for measuring the dose output of medical accelerator in the morning check.MethodsIt was constructed by a single tablet ionization chamber and PIC16F877 single chip processor. The measurement of output dose under the medical accelerator was performed according to the document of JJG912-2010, and the dosimetry characteristics of the medical accelerator was tested by morning check device.ResultsIn the range of 50～400 MU, the measured dose was linear. The correlation coeff i cients of linear fi tting were approximately 1.00 and the maximum deviation was smaller than 0.4%. In a single measurement, the maximum deviation of measurement repeatability was better than 0.3%. The maximum deviation was less than 0.3% for different dose rates. In the long-term (half-year) testing process, the reproducibility of device was better than 1%.ConclusionDosimetry characteristics of the device can meet the requirements of JJG912-2010 Verif i cation Regulation of Ion Chamber Dosimeters Used in Radiotherapy. The research and development of the device can be used to measure the relative dose of the Linac in daily tests.

radiation therapy; medical accelerator; ionization chamber; dosimetry characteristics; single chip processor; morning check device

TH789；TL53

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.04.012

1674-1633(2017)04-0042-04

2017-01-07

2017-02-17

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研重點項目（2012B091000144）。

作者郵箱：zhangyb@sysucc.org.cn