人体放疗辐射场检测系统研制*

赵 虎，宁文波，蒙亚杰，曾亚征，李 雪，贺强强

（1.北方民族大学电气信息工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏回族自治区大气环境遥感探测重点实验室，宁夏 银川 750021）

0 引 言

放疗是临床治疗肿瘤时最常用的方法之一，在放疗过程中使用电子直线加速器产生X射线、电子束可以对病灶区域实现定向放射，可精准、有效地杀死肿瘤细胞并且减少对其他组织细胞的损伤。在对放疗设备释放的射线进行质检时通常选用三维水箱作为人体等效模型［1］。

放疗水箱作为放疗辐射场检测设备，用于检测医用直线加速器放射线在空间的剂量分布，国外相关产品价格昂贵，国产化是降低成本的有效手段。程金生等人［2］研制出了二维自动扫描测量水箱系统，可在水平和竖直2 个方向上扫描射线束在水中的剂量分布；徐子海等人［3］通过增加辅助水箱，实现测量水箱的水位电动控制。检测放射性射线的方法主要有电离室轮胶片法、热释光和半导体等方法，其中电离室法是主要用于直线加速器的辐射场吸收剂量的检测与校准的方法。李东等人［4］通过胶片法探讨了螺旋新层放疗系统中靶的耗损过程伴随的剂量学参数变化之间的关系；王志鹏等人［5］对电离法测量医用加速器高能光子束水吸收剂量和不确定度进行了分析。

本文设计了三维水箱辐射场检测系统，可以检测直线加速器发射的X射线和电子束的辐射场分布情况。现场测试了能量为6 MV的X射线在10 cm×10 cm的光野辐射场下和能量为6 MeV的电子束在15 cm×15 cm光野辐射场下的百分深度剂量（percentage depth dose，PDD）和离轴比（off-axis ratio，OAR）曲线，并对检测结果进行了对比分析。

1 系统构成与工作原理

1.1 系统结构

系统的设计结构如图1所示。硬件部分主要由数据采集卡、步进电机及驱动模块、电源模块、信号检测及放大模块构成。软件部分基于C ＋＋的微软基础类库（Microsoft Foundation Classes，MFC）编程设计了可视化实时显示界面，由PDD 数据采集、PDD 数据显示、OAR 数据采集、OAR 数据显示和系统设置5个部分组成。

系统工作流程：用户通过PC的控制软件进行系统设定，可设置采样步长，并校准扫描电离室零点位置，并在软件程序中做好扫描电离室运动路径规划。数据采集卡通过3路DI通道接收X，Y，Z三轴定位传感器的输出信号，通过6 路DO通道向X，Y，Z三轴驱动器发送步进脉冲和方向脉冲，从而控制水箱中滑块的位置，使电离室在水箱内按预定路径运动，同时探测射线并完成数据采集，形成对应剂量曲线。

系统设计结构如图1所示。

1.2 系统硬件设计

放疗辐射场检测系统实物如图2所示。

图2 系统实物

图3 微电流测量电路仿真

1）数据采集卡

本文选用USB接口的数据采集卡作为控制核心，利用双端2路的12位模拟量输入通道作为参考探头和移动探头的数据采集、利用16路数字量输出作为三维水箱移动探头步进电机的控制接口。6个数字量输出端口分别用于控制X，Y，Z轴3 个步进电机驱动器；3 个数字量输入端口分别采集X，Y，Z三轴对应的定位传感器；2 个模拟量输入端口采集经信号放大模块处理过的扫描电离室和参考电离室输出信号。

2）步进电机和驱动器

本文使用多细分闭环步进电机控制滚珠丝杠的结构，该结构增加了系统运行稳定性，减小了电离室探头运动中的抖动，同时也增加了电离室移动探头的定位准确性。为了适配水箱上安装电机的位置，水箱的X，Z两轴采用57EBP105ALC闭环两相步进电机，Y轴采用42EBP79ALC闭环两相步进电机。同时选用数字式步进伺服驱动器适配42电机、闭环步进电机驱动器适配57 步进电机。通过57步进电机可控制丝杆（Z轴）转动，控制滑块沿Z轴移动，42和57两个步进电机固定联轴器和丝杠（X轴、Y轴）用于驱动滑块在XOY平面位移。

3）微电流测量电路

电离室输出仅有10-10A 数量级的微电流信号，综合电阻式I／V变换法和电容式I／V变换法，设计了一种微电流测量电路。完成pA级电流到电压的转换、稳流的过程。通过Multisim14.0软件对I／V转换和后端滤波电路进行仿真，结果如3所示。

4）放疗辐射场检测原理

系统需使用2个参考电离室用于监测加速器机头出束的稳定性，扫描电离室用于采集PDD曲线和OAR曲线。

PDD曲线能够反映射线进入人体后中心轴处不同深度的相对剂量分布特性，能明确剂量随深度变化趋势和幅度［6］。其定义为：在射野中心轴上模体内某一深度处的吸收剂量Dd与最大剂量点处的剂量Dm的百分比，PDD ＝Dd／Dm×100%。根据PDD曲线可得到入射剂量Ds、最大剂量点剂量Dm、最大剂量点深度R100、有效治疗深度R85、半峰值深度R50、D20／D10等参数。D20／D10表示在源皮距为100 cm、射野大小为10 cm ×10 cm时，水模体中深度20 cm和10 cm 处的剂量之比，通过该参数可以得到组织体模比TPP20，10，即射线辐射质［7］。二者关系可表示为TPR20，10＝1.266 1 ×PDD20，10-0.059 5，其中，PDD20，10为D20／D10的值。射线辐射质可用于计算绝对剂量，6 MV能量X射线质参考值为67.5%，误差允许范围为±2%。射野离轴比定义为在射野中心轴上的任意一点对应平面的剂量率D（x，y，z）与该平面射野中心轴的剂量率D（0，0，d）之比，OAR（x，y，z）＝D（x，y，z）／D（0，0，d）×100%。OAR曲线表示射野内的射线均整度和对称性，用于评价医用加速器的性能指标和输出特性［8］。根据OAR 曲线可分别按照对称性＝(Dx／D（-x）)max×100%（其中，Dx和D（-x）分别为距中心距离为xmm和-xmm处的吸收剂量）和均整度＝Dmax／Dmin×100%（其中，Dmax和Dmin分别为吸收剂量的最大值和最小值）计算出当前检测条件下的对称性和均整度［9］。

电离室有效测量点在水模体中校准深度处的吸收剂量Dw测量原理为Dw＝M·ND·Sw，air·Pu。其中，M为静电计读数；ND为电离室校准因子；Sw，air为水和空气对射线的阻止本领比；Pu为扰动修正因子。在系统中，测量在同一环境下进行，因此，静电计读数M则是电离室检测值。

在临床实际检测时，为了避免电离室响应的辐射质相关性造成的误差，电离室和剂量计要定期送交国家基准实验室或次级标准实验室，根据鉴定证书得到水吸收剂量校准因子ND［10］。

系统研究的主要目的是在临床上运用，因此引入了参考电离室对进行校准。参考电离室信号校准后的PDD、OAR（x，y，z）计算公式如下

1.3 系统软件设计

系统使用VisioStudio 2019软件基于C ＋＋的MFC编程设计，通过MFC框架的GDI绘图类绘制网格线，使用C ＋＋的多线程、信号量、容器类等实现采集数据实时、同步显示。系统软件设计框架如图4所示。在PDD和OAR 采集界面，需在加速器出束之前进行设置参数。扫描过程中可实时监控采集位置，采集结束后，通过保存按钮将获得的PDD 曲线或OAR 数据保存到. txt和.csv格式的文件。PDD 曲线数据显示界面可以读取PDD历史数据并显示曲线。OAR 曲线数据显示界面可以读取OAR历史数据并显示曲线，同时经程序分析，可显示射线类型、均整度、对称性、左右半影等数据，可用于制定临床治疗计划、分析加速器束流作参考。

图4 系统软件设计框架

2 系统测试与结果分析

2.1 系统现场测试

本文现场测试的加速器型号为Varian Clinac IX，电离室选用了德国PTW 公司生产的TW30013 和QF125 型号的指形电离室，其中，TW30013 作为参考电离室，QF123 作为扫描电离室。结合系统对6 MV能量的X射线在射野为10 cm × 10 cm 时和能量为6 MeV 的电子束在射野15 cm×15 cm时的PDD 曲线、OAR曲线指标进行了现场测试。测试均采用临床标准的固定源皮距（SSD 为100 cm），扫描范围均大于照射野范围5 cm。

2.2 结果分析

能量为6 MV的X射线在10 cm×10 cm射野下剂量分布的PDD和OAR曲线测量结果如图5所示。

图5 10 cm×10 cm射野6 MV X射线剂量分布

对6 MV X 射线10 组有效测量数据进行主要参数分析，结果如表1所示。

表1 6 MV X射线测量数据

根据10组有效的X射线6 MV射野10 cm×10 cm方形射野的PDD曲线数据，分析得到表面入射剂量D0.05 为49.90% ±2.15%，最大剂量点深度Rmax＝1.6 cm±0.1 cm，射线质指数TPR20，10为67.32% ±0.68%，有效治疗深度R85在5.6 cm以内。根据OAR曲线数据，分析得到均整度为102.78% ±0.95%、对称性为101.91% ±0.88%，测试结果均在规范要求的变化范围内，符合临床标准。

能量为6 MeV的电子束在15 cm×15 cm射野下剂量分布的PDD和OAR曲线数据如图6所示。

图6 15 cm×15 cm射野6 MeV电子束剂量分布

对6 MeV电子束10 组有效测量数据进行主要参数分析，结果如表2所示。

表2 6 MeV电子束测量数据

根据10 组有效的电子束6 MeV 射野为15 cm ×15 cm的PDD 数据，分析得到表面入射剂量D0.05 为79.63% ±1.23%，半峰值R50为2.85 cm±0.05 cm，根据R50计算表面平均入射能量可进一步得到参考深度处的水吸收剂量［11］。OAR数据经分析得到对称性为102.39% ±0.36%、均整度为103.11% ±0.35%，说明射线剂量分布较为均匀，且符合临床要求。

3 结 论

本文设计了一种放疗辐射场检测系统。该系统可检测直线加速器发射的X 射线和电子束的辐射相对剂量。通过硬件系统进行数据采集，由软件系统计算分析，可实时得到PDD曲线和OAR曲线和最大剂量点深度、均整度、对称性、半高宽、半影等放疗辐射场的重要参数和指标。该系统通过现场测试，检测了10 cm×10 cm射野下6 MV的X射线和15 cm×15 cm射野下6 MeV的电子束的辐射场分布。实验结果表明：该系统满足放疗设备辐射场的检测要求，为放疗设备的质控检定和肿瘤放射治疗提供可靠的数据支撑。