医科达加速器机器校准基本原理与实际应用探究

张灿

（1.海军安庆医院放疗技术部；2.安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 安庆 246001）

1 前言

医科达数字化医用直线加速器（简称医科达加速器）包括的机器型号有：Precise、Synergy、Axesse、Infinity、VersaHD。这些型号的机器都采用数字化控制，机器结构和控制原理基本相同，因而机器校准（Linac Calibration）的原理和方法基本相同，不同之处仅在于功能配置和软件版本，如表1 所示。

表1 医科达数字化医用直线加速器配置表

2 机器校准原理

如表2 所示，医科达加速器控制软件包含三类Item，共700 多个，每个Item 都有一个编号和名称，可被视为控制软件的一个子程序，用于实时检测和控制各子系统内相应硬件（如继电器、传感器、开关、电位器、电源等）的运行参数和状态。控制软件工作原理如图1 所示，每个Item 包含有很多Part，每个Part 都有一个编号和名称，在不同的Item 里，具有相同编号的Part 含义相同，但是取值不同，Part 可视为Item 内的相关参数，用于接收、运算、传输Item 的各种信息，表3 所示为部分常用Part。

图1 控制软件工作原理

表2 控制软件里Item 的分类

表3 部分常用Part

接收类Item 的原理如图2 所示，来自于被检测硬件（如继电器、电位器、传感器等）的模拟信号首先被传输到控制区RTU 终端内的AI-12（模拟信号输入-12位数值输出）电路板，AI-12 电路板将模拟信号转换为12 位数值的数字信号，并将数字信号输出到控制电脑。因为从AI-12 电路板输出的12 位数值没有量纲，为了便于操作者理解，控制软件里相应的接收类Item 内Part111（原始值）接收该数字信号后，需要对其进行一系列的运算处理，转换为采用SI（国际单位制）基本单位的数值。在接收类Item 内，12 位的原始值（P111）首先与偏移校准（Part10）相加，生成有效值（Part110）。Part110（有效值）有两路输出，一路输出给相应的控制类Item，用以进一步的运算处理；另一路则乘以增益校准（P11）并除以比例系数2048，生成实际值（Part4）。Part4（实际值）为采用SI 基本单位的数值，代表被检测硬件的运行参数或状态信息。因此，操作者可以在临床模式（clinical mode）或在维修模式（service mode）通过查看相关Item 的Part4 的值，查看机器的运行参数或状态，如水温、电压、电流、运动部件的位置信息等。

图2 接收类Item 的原理图

机器校准的目的，就是通过设定接收类Item 内的偏移校准（Part10）和增益校准（Part11），使得控制电脑上显示的实际值（Part4）与被检测硬件客观的实际值一致。如图3 所示，机器校准通常采用两点校准的方法。校准时，按次序用工具找到两个规定测量点，并在校准窗口输入测量值，控制软件会根据实时接收到的原始值和操作者输入的测量值，计算出偏移校准（Part10）和增益校准（Part11），计算公式如图4 所示。增益校准（calibration gain）即校准曲线的斜率；偏移校准（calibration offset）即校准曲线的横截距。

图3 机器校准曲线

图4 机器校准计算公式

3 机器校准分类

根据校准的子系统的不同，机器校准大致可以分为三类：电位器系统、电源系统、传感器系统。

对于一些极重要的位置信息，如机架旋转，治疗头旋转，治疗床横向、纵向、垂直运动和等中心旋转等，为获得精准的读数，通常采用三个电位器来检测位置信息，其中，coarse 电位器和fine 电位器用于检测位置信息，check电位器用于校验准确性。对于精确度要求不高的位置信息，如治疗床自转，移相器（phase shifter）运动，仅采用coarse 电位器来检测位置信息。无论采用的是单电位器还是三电位器，均采用两点校准的方法，测量点选取行程范围内75%和25%的两个点。

对射线能量和剂量有影响的电源系统，如偏转磁铁、导向线圈、聚焦线圈等的低压电源（LVPSU）和电离室极化电压电源，每次维修后应进行电源校准，两个测量点分别选取0V 和电压最大值处。

对传感器系统，如电离室温度和气压传感器、水温传感器，采用的是固定增益（温度传感器）或固定偏移（气压传感器）设计，校准时只需根据一个测量点，即可算出相对应的偏移或增益。

4 校准窗口介绍

在维修模式，点击Service Functions 图标，再点击Display Service Pages 图标，在Dsiplay Service Pages 窗口点击Load，在Service Function Selection窗口选Calibration 选项，从而打开Calibration（校准）窗口，如图5 所示。校准窗口专用于各类的机器校准，表4 所示为校准窗口内常用Item 的介绍。

图5 校准窗口

5 机器校准应用

本节通过介绍机器位置指示校准、电离室极化电压校准和电离室温度校准，来具体说明三类机器校准的应用和方法。

5.1 机架位置指示校准

机架位置信息由三个电位器实时检测。机架位置指示准确度要求≤0.5°，且属于放疗质控月检项目，当月检不合格或更换位置检测电位器后，须进行机架位置指示校准。

校准方法如下：（1）在维修模式打开校准窗口和ASU（自动摆位）窗口。（2）先在Cal.item1 内选Item 148（Gant ctrl），再在Cal Man/Auto 内输入0（手动模式），从而关闭软件限位。（3）先在Cal.item1内选Item 70(Gantry)，再通过ASU 或手控盒旋转机架，并使用水平仪测量，使机架位于90±0.5°位置（B 侧），然后在Cal.value 内输入+9000。（4）通过ASU 或手控盒旋转机架，并使用水平仪测量，使机架位于-90±0.5°位置（A 侧），然后在Cal.value 内输入-9000。（5）点击Save（保存）图标，然后点击Save LILAC Calibration（保存机器校准）。（6）先在Cal partselect 内选Part4，再通过ASU 或手控盒旋转机架，并使用水平仪测量，使机架位于0±0.5°位置，然后查看Cal part value 值是否为0。如果是0，说明显示的实际值与客观的实际值相同，校准成功；否则，需从第1 步开始，重新校准。（7）若校准成功，在Cal.item1内选Item 148，然后在Cal Man/Auto 内输入1（自动模式），从而启用软件限位。（8）在Cal.item1 内选0（表示清零）并关闭校准窗口，校准完成。

5.2 电离室极化电压校准

如图6 所示，当电离室工作在AB 段(饱和区)时，信号电流不随工作电压改变而保持恒定。电离室正常工作时，工作电压应位于饱和区内。医科达电离室极化电压工作范围限定于-330 ～-315V，通常取值-320V。

图6 电离室饱和特性曲线

当更换电离室或维修电离室极化电压电源后，需进行电离室极化电压校准，校准方法如下：（1）在RHCA（辐射治疗头控制区，12 区），将T 型BNC 接头接到插座SK-12FF 和插头PL12-FF 之间，并将万用表（选直流电压档）接到T 型BNC 接头上。（2）在维修模式打开校准窗口。（3）先在Cal.item1 内选Item 189（-320V Monitor），再将T 型BNC 接头从插座SK-12FF 上断开，此时，万用表上读数为0V，电离室无极化电压，然后在Cal value 内输入0。（4）将T 型BNC 接头接到插座SK-12FF 上，然后将万用表测量值转换为带负号的四位数值输入Cal.value 内。例如，测量值为320.0V 或-320.0V，输入值应为-3200。（5）在Limit high 内输入-3050，在Limit low 内输入-3300，从而设置电离室极化电压的限值。（6）点击Save（保存）图标，然后点击Save LILAC Calibration（保存机器校准）。（7）在Cal.item1 内选0（表示清零）并关闭校准窗口，校准完成。（8）移除T 型BNC 接头，将插头PL12-FF 接到插座SK-12FF 上。

5.3 电离室温度校准

医科达加速器采用的是开放电离室，温度和气压变化会直接影响电离室测量灵敏度，因此，电离室旁安装有两对温度和气压传感器，用于检测治疗头内温度和气压。控制软件根据检测到的温度和气压，实时修正剂量率，从而保证输出剂量的准确性。为了准确地测量环境温度和气压，保证剂量准确，当出现电离室温度或气压联锁，以及更换电离室温度和气压传感器后，须进行相应校准。

其中，电离室温度校准方法如下：（1）旋转机架到180±1°位置，拆开机头罩壳，用温度计测量机头内温度并记下读数。（2）在维修模式打开校准窗口。（3）在Cal.item1 内 选Item 224（Dos.temp1）， 在Cal.item2 内选Item 226（Dos.temp2）。（4）将步骤1 中记录的读数转换为四位数值输入Cal.value 中。例如，测量值为26.5℃，输入值应为2650。（5）点击Save（保存）图标，然后点击Save LILAC Calibration（保存机器校准）。（6）在Cal.item1 内选0（表示清零）并关闭校准窗口，校准完成。

6 结语

综上所述，医科达加速器机器校准就是通过采用两点校准的方法，计算出相关校准曲线的斜率（增益校准）和横截距（偏移校准），从而使得加速器在运行时，控制电脑检测到的各项运行参数（电脑显示值）与客观实际值一致。为保证加速器各项运行参数准确和运行状态正常，机器校准广泛应用于维修保养和定期质控。尽管各项机器校准在操作细节上会有差别，但是，在实际应用中，操作者（尤其是放疗物理师和工程师）只要掌握了机器校准的基本原理和基本方法，再结合相应的操作说明，谨慎操作，就能顺利地完成相应的校准，保证机器准确、正常地运行。