数字化晨检仪的研制
张咏波a，陈立新b
华南肿瘤学国家重点实验室（中山大学肿瘤防治中心）a.设备科；b.放疗科，广东 广州 510060
[摘 要]目的研制用于直线加速器输出量晨检的数字化晨检仪。方法采用单个平板电离室作为探测器，与PIC16F877单片机处理器等构成数字化检测系统。按照JJG912-2010对治疗型电离室剂量检定的要求，在直线加速器下进行输出剂量测量，对系统的剂量学特性进行测试。结果在常规的跳数检测范围内（50～400 MU），晨检仪的测量剂量线性较好，线性拟合的相关系数均近似为1，最大偏差为0.4%。单次测量中，其测量重复性的最大偏差好于0.3%。对于不同剂量率的响应，其最大偏差小于0.3%。在半年检测过程中，其稳定性好于1%。结论研制晨检仪的剂量特性符合JJG912-2010《治疗水平电离室剂量计》的要求，可用于直线加速器输出量的晨检。
[关键词]放射治疗；直线加速器；电离室；剂量特性；单片机处理器；晨检仪
引言
放射治疗是肿瘤治疗的重要手段之一，其主要放疗设备包括医用电子直线加速器及钴60治疗，对于治疗设备进行剂量学检查是重要的质量保证和质量控制的重要内容，其中，直线加速器的输出量是每天需要检查的重要环节之一[1-3]。对治疗机进行输出量的每日检查时候，传统检测一般采用静电计和电离室，或者采用二维矩阵探测器和电子射野影像装置等测量工具[4-5]。但如果检测过程繁琐，耗时耗力，需要占用太多临床治疗时间，则很难坚持每日在加速器治疗前实施，例如，使用剂量仪和电离室测量时，不但需要复杂的连线和操作，还需要采用专用的水或固体模体，还需要进行细致的摆位等，不利于现场的快速检测。目前，在国内市场上主要包括有LinaCheck（PTW公司，德国）、BeamCheck（Standard Image公司，美国）以及DailyQA（SUN NUCLEAR公司，美国）等产品，主要均为进口产品，并且一部分产品需要连接计算机进行操作[6-9]，但目前国内自主研发的晨检仪的报道较为少见。本文将介绍自主研制的一款能够简便快速检测加速器输出量的晨检仪，主要使用自主研究的平行板空气电离室和单片机组成的检测系统[10-11]，并对其检测剂量的特性进行了分析，包括测量的重复性、线性、稳定性以及剂量率影响等，期望通过该设备可简便快捷检测加速器的输出剂量，减少电缆连接、水箱灌水、仪器设定等各种复杂的操作程序，减少晨检所需要的时间。
1 材料与方法
1.1 电离室设计
系统由电离室探测器和主机两部分组成。电离室为自行设计的气体平板电离室的截面图，见图1。
图1 电离室截面图
电离室的基本原理主要如下[10-11]：在该密封的气体容器内，有两个电极，当外加电压时，在两电极间产生电场。射线入射到电离室的灵敏体积中，产生离子对，在电场作用下正负离子向相应的电极漂移，在外电路中形成电流，外电路收集到的电流就是电离电流。电离室输入输出特性，见表1。
表1 电离室输入输出特性表
电离室主体材料为氧化铝陶瓷和有机玻璃PMMA。保护环直接接系统地，高压极接300 V直流电压，收集极输入到系统的前级输入放大器的输入级，收集极与保护环等电位，间距为1 mm，保护环的作用是有效避免了收集极边缘电场畸变的影响，使收集极边缘处的电场更加均匀，提高电荷收集效率。基座主要成分为氧化铝陶瓷基板，厚度1 mm，绝缘性较好，漏电低。高压极是直径为50 mm的导电圆环，收集极是直径为40 mm的导电圆环，保护环与收集极间距1 mm，导电极是在基座表面做表面处理后的镀金导电层涂层，镀金厚度20～30 µm，使用镀金工艺，导电性好，不易氧化。灵敏体积计算为底面积与高的乘积，约3.4 cm3。
1.2 系统电路设计
检测仪系统结构示意图，见图2。检测器由探测器平板电离室、主机是以PIC16F877A单片机为核心部件构成的检测系统。探测器在高能X射线辐照下，会产生正负粒子，通过外加高压电场收集电荷粒子，在通过前置电流放大电路将小信号放大进行处理，再经过外部高精度AD转换器进行转换，输入到PIC16F877A单片机进行处理，将处理的数据进行保存，最终数字化显示在LCD显示屏。该系统电路中带有温度和气压探测器。当出现较大的温度、气压偏差时，通过系统可进行温度和气压对输出量的修正计算。
系统还包括了输出读数的接口，采用了HC-05的蓝牙模块，可支持XP、Windows 7系统环境下运行稳定，传输距离在空旷的环境下为10 m，在较复杂的环境下一般为5 m以内。
图2 检测仪系统结构图
1.3 软件系统设计
应用C语言开发系统软件，开发环境：MPLAB X IDE，用于PIC单片机开发，控制单片机系统各子模块、采集电离室的输出信号，存储和显示被测量的医用电子直线加速器参数信息，包括：加速器的型号、剂量、误差、温度、气压以及测量时间等参数，计算温度和气压的补偿数值。
1.4 系统测试
将该晨检仪放置于Trilogy加速器（Varian公司，美国）下，设置源皮距为100 cm，射野大小为10 cm的方野，测试能量为6 MV的光子线。在测量过程中，采用剂量仪和0.6 cc指型电离室（PTW30013，PTW公司，德国）作为参考值，该参考电离室由广州辐射剂量检定站提供剂量检定报告。测量前对温度和气压的影响进行了修正。
设置剂量率为400 MU/min，分别给予跳数为50、100、200、300、400 MU，测试晨检仪在大跳数情况下的剂量线性。在相同剂量率下，分别给予跳数为1～10 MU，测试晨检仪在小跳数情况下的剂量线性。在相同剂量率下给予100 MU，先后测量6次，测试该晨检仪的测量稳定性。设置剂量跳数为100 MU，分别设置100、200、300、400、500、600 MU/min共6种剂量率档下，测试不同剂量率对该晨检仪测量准确性的影响。在每个月的质控过程中，采用剂量仪和电离室来检测该晨检仪在固定跳数下的读数，监测该晨检仪检测的长期稳定性，时间为半年。
2 结果
2.1 剂量测量线性
以100 MU的测量结果归一，不同跳数（10～400 MU）下晨检仪的剂量线性监测结果，见图3。从结果来看，采用线性函数拟合时，其R2值近似为1。计算实际测量结果和线性拟合的结果的偏差，其最大偏差小于0.4%。
图3 剂量线性测量结果
2.2 剂量测量的重复性
给出了测量重复性偏差的结果，见图4。与平均值相比较，其最大偏差小于0.3%。
图4 剂量重复性偏差的测量结果
2.3 剂量率对测量结果的影响
以300 MU/min的剂量率的测量结果归一，不同剂量率下测量相同跳数的偏差结果，见图5。从结果来看，其剂量率对测量结果影响较小，其最大偏差小于0.3%。
图5 不同剂量率下测量结果的偏差
2.4 长期稳定性
采用剂量仪器和电离室每月对该晨检仪进行检测和标准数的对比，取前后6个月内的检测结果的平均值作为参考值进行比较，其最大误差小于1%。
3 讨论
由于电离室是检测系统的核心部件，因此对直接影响电离室的性能的材质、厚度、绝缘层、电极板制作工艺以及输出信号线的选择等进行了详细的研制。在本仪器的研究中，探测器部分采用了气体平板电离室。该设备电离室适用于能量为4～25 MV光子线，能量为4～22 MeV电子线，可简单快捷地测量出相对测量值，适用于加速器输出量每天的晨检工作。
在主电路设计过程中，前置放大电路处理的好坏直接影响最终结果。通过采用轨到轨的精密运放，电离室信号输入端的电容电阻与前置放大电路芯片悬空焊接，以减小分布电容的影响，减小漏电流。
电离室探测器自身存在一定的方向性测量偏差，尤其是平板电离室的偏差相对较大[12-14]，但考虑到晨检仪主要是用于每天进行输出量的检测，测量过程中射线均垂直于电离室入射，因此该设备不需要考虑探测器测量方向特性的修正，在实际测量过程中，则尽量保证晨检仪的表面水平，并且与加速器射线入射方向垂直。
按照JJG912-2010关于治疗水平电离室剂量计的要求以及国际电工组织等报告的要求[15-16]，用于测量加速器的绝对剂量的剂量仪和电离室的重复性和线性等指标要求好于0.5%。但对于输出量晨检来说，考虑加速器的稳定性和晨检仪的稳定性，其要求可能会相对较低一些。例如美国医学物理学会的TG142号中规定的加速器的晨检的容差为3%[17]。从自主研制的晨检仪的剂量学特性的检测结果来看，其稳定性等指标不但达到了晨检的要求，并且达到了治疗水平电离室剂量计的要求。
根据对4种进口晨检仪的测量偏差的研究结果来看，其中心点剂量的最大测量偏差大约在0.5%左右[18]，这与本文的稳定性（包括线性和重复性）检测结果近似，因此该自制的晨检设备不但能够满足加速器晨检的临床应用需求，而且其指标特性达到了国外同类产品的水平。
由于电离室的测量结果受到温度和气压的影响，因此该系统还设置了温度、气压探测器，当出现较大的温度、气压偏差时，通过系统可进行剂量测量结果的修正。该系统不但使用可视化的显示屏进行实时数据显示，同时为便于数据处理，还设置了蓝牙无线传输接口，数据可上传到电脑作为管理数据分析使用。
4 结论
本项目研究了一种可用于放射治疗外照射设备射线输出量检测的晨检仪，并且对其剂量学特性的进行了半年检测，结果显示该晨检仪有较好的剂量学特性，并且操作简单、高效，在不需要连接计算机的同时又提供了数字化的显示和操作界面，以及数字化的数据输出接口。为每天进行放射治疗射线输出量的检测提供了一个较好的工具和方法。
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本文编辑 袁隽玲
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
Abstract：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.
Key words：radiation therapy; medical accelerator; ionization chamber; dosimetry characteristics; single chip processor; morning check device
[中图分类号]TH789；TL53
[文献标识码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.04.012
[文章编号]1674-1633(2017)04-0042-04
收稿日期：2017-01-07
修回日期：2017-02-17
基金项目：广东省教育部产学研重点项目（2012B091000144）。
作者邮箱：zhangyb@sysucc.org.cn