浙江省計量院為全省醫療機構電子加速器開展計量性能評估

2021-01-07 儀器網

腫瘤放射治療是利用放射線治療腫瘤的一種局部治療方法。放射線包括放射性同位素產生的α、β、γ射線和各類x射線治療機或加速器產生的x射線、電子線、質子束及其他粒子束等。在CT影像技術和計算機技術發展幫助下,現在的放療技術由二維放療發展到三維放療、四維放療技術,放療劑量分配也由點劑量發展到體積劑量分配,及體積劑量分配中的劑量調強。

日前,浙江省計量科學研究院對全省11個地市共20家醫療機構的在用醫用電子加速器進行了為期2個月的計量性能評估調研工作。浙江省計量院專家現場幫助醫療機構對醫用電子加速器進行調試,向醫院質控物理師講解醫用電子加速器專業知識,強調定期檢定、日常質控的重要性等。

醫用加速器是生物醫學上的一種用來對腫瘤進行放射治療的粒子加速器裝置。帶電粒子加速器是用人工方法藉助不同形態的電場,將各種不同種類的帶電粒子加速到更高能量的電磁裝置,常稱「粒子加速器」,簡稱為「加速器」。 要使帶電粒子獲得能量,就必須有加速電場。依據加速粒子種類的不同,加速電場形態的不同,粒子加速過程所遵循的軌道不同被分為各種類型加速器。目前國際上,在放射治療中使用最多的是電子直線加速器。

醫用直線加速器按照微波傳輸的特點分為行波和駐波兩類,其基本結構和系統,它包括電子槍、微波功率源(磁控管或者速調管)、波導管〔隔離器、RF(射頻微波源)監測器、移相器、RF吸收負載、RF窗等〕、DC直流電源(射頻發生器、脈衝調製器、電子槍發射延時電路等)、真空系統〔真空泵(鈦泵)〕、伺服系統(聚焦線圈、對中線圈)、偏轉系統(偏轉室、偏轉磁鐵)、劑量監測系統、均整系統、射野形成系統等,分別安裝於治療頭、固定機架、旋轉機架、治療床、控制臺等處。

電子直線加速器是利用具有一定能量的高能電子(速度達到亞光速)與大功率微波的微波電場相互作用,從而獲得更高的能量。這時電子的速度增加不大,主要是質量不斷變大。(愛因斯坦相對論)。電子直接引出,可作電子線治療。電子打擊重金屬靶,產生韌致輻射,發射X射線,作X線治療。(原理與X光機相似,加速器使用透射靶。)一個最簡單的電子直線加速器至少要包括,一個加速場所(加速管),一個大功率微波源和波導系統,控制系統,射線均整和防護系統。當然市場上作為商品的設備要遠比這些複雜,但這些基本部件都是必不可少的。

電子直線加速器涉及諸多學科和技術,如加速器物理、核物理、無線電、電工學、電子學、自動化控制、電磁學、微波技術、機械、精密加工、電子計算機、製冷、流體力學等。這裡只簡單介紹醫用電子直線加速器的一般結構。不論是行波醫用電子直線加速器,還是駐波醫用電子直線加速器;不論是低能醫用電子直線加速器,還是中高能醫用電子直線加速器,儘管在結構上各有千秋,但基本結構是一致的。主要包括加速管、脈衝調製器、電子槍、微波系統、真空系統、穩頻、溫控及充氣系統、射線束引出系統、治療頭、治療床。

1.電子槍

電子槍是產生、加速及會聚高能量密度電子束流的裝置,它發射出具有一定能量、一定束流以及速度和角度的電子束(又稱電子注)。電子槍是電子發射系統的核心器件,電子注參數的好壞直接影響到加速管質量的高低。加速管對電子槍除要求其發射的電子注必須具有很好的層流外,還要求其發射的電子注具有一定的注入流強、注入電壓、足夠的射程以及一定的注入角和注腰半徑等。

2.微波系統

電子直線加速器的微波系統由微波功率源和微波傳輸系統組成。微波源提供加速管建立加速場所需的射頻功率,醫用電子直線加速器一般採用S波段2998 MHz或2856 MHz的微波頻率。作為微波源使用的有磁控管和速調管。行波醫用電子直線加速器和低能駐波醫用電子直線加速器使用磁控管作為微波功率源。磁控管是微波自激振蕩器,體積小、重量輕、工作電壓低,但其工作頻率易漂移,因此需採用自動穩頻系統,提高頻率穩定度。中高能駐波醫用電子直線加速器使用速調管作為功率源。速調管是微波功率放大器,可以提供更高的微波輸入功率,但是其設備體積大,工作電壓高,需要配置有低功率的微波激勵源來驅動。雖然其工作頻率比較穩定,但也需自動調頻系統使其與負載變化保持一致。

3.束流傳輸系統

束流傳輸系統是為了電子在加速過程中的束流聚焦、束流導向和束流偏轉移除而設置的自動控制系統。它可分為聚焦系統、導向系統和偏轉系統三部分。

4.穩頻、溫控及充氣系統

微波系統的附屬系統有自動穩頻系統,自動溫控系統和波導充氣系統。

微波自動穩頻系統是為了協調微波源與加速管之間電磁振蕩頻率一致的重要環節。電子直線加速器應用的自動穩頻系統一般有4種基本結構形式:晶振型、單腔型、雙腔型和鎖相型。

自動控溫系統也是醫用電子直線加速器中重要的組成部分,因為在醫用電子直線加速器中,有許多的部件在工作時都要發出不同的熱量,而這些部件只有在恆溫條件下才能保證穩定工作。溫度控制方式一般採用水循環強制冷卻自動恆溫系統。

波導充氣系統是指給微波傳輸系統充以一定壓強的特定氣體的一套裝置。充氣的目的是為了增加波導管內氣體分子的密度,以縮短氣體分子的平均自由程,從而提高波導管的擊穿強度閾值。防止微波功率傳輸時可能發生的波導管內打火現象。

5.真空系統

真空系統可以保持電子運動區域和加速管內的高度真空狀態,一方面可以防止電子槍陰極中毒、鎢絲材料的熱子或燈絲氧化,另一方面可以避免加速管內放電擊穿,還可以減少電子與殘餘氣體的碰撞損失。

6.高壓脈衝調整系統

在使用微波電場加速電子的加速器中,為了得到儘可能高的加速電場,瞬時微波功率很大,達到MW量級,因此微波源都是脈衝工作的。脈衝調製器是向這種微波源提供脈衝功率的電源,其工作原理是利用儲能放電的原理形成高壓脈衝,經脈衝調製器將該電壓進一步放大後供微波功率源使用。

7.輻射系統

輻射系統的作用是按照需要對電子束進行X線轉換和均整輸出,或直接均整後輸出電子射線,並對輸出的X線或電子射線進行實時監測和限束照射。輻射頭的基本結構:加速管安裝在輻射頭的上部,緊貼加速管引出窗的是靶,接下來分別是初級準直器、束流均整過濾器或散射箔、電離室、輻射野光學模擬系統、一對上準直器、一對下準直器、附件盤。

8.劑量監測系統

劑量監測系統由劑量監測電離室、劑量監測電路組成。

電子直線加速器最為廣泛使用的劑量監測儀是永久性安裝在加速器裡的透射電離室劑量儀。電離室位於輻射系統之內,安裝在均整濾過器或散射箔與光子線的次級準直器之間,由若干片極片構成,其中有兩對用於監測輻射野內相互垂直的兩個方向的均整度,有一片用於監測輻射的能量變化,有兩片用於檢測輻射的吸收劑量。多數使用平板電離室,其大小應覆蓋整個治療射野,少數使用指形電離室。其功能是監測X射線、電子束的劑量率、積分劑量和射野的對稱性、平坦度。

9.機械系統

機械系統是醫用電子直線加速器的支撐機構,由基座、旋轉機架、輻射頭、治療床等結構組成。現代醫用電子直線加速器採用等中心原則的運動系統,即機架、輻射頭及治療床三者的旋轉軸線交於一點,該點稱為等中心,要求中心誤差在±2 mm以內。

10.控制系統控制系統由以下幾部分組成:

①各種電源。②連鎖保護:包括水流、水溫、水壓、高壓過載、微波功率源打火等各種保護。③自動控制:包括自動頻率控制、自動劑量率控制、自動均整度控制、自動楔形過濾器控制、弧形旋轉控制等。④正常治療的程序控制:包括待機、預置、準備、出束、晨檢等幾種狀態的程序控制。⑤安全連鎖:保證設備安全的安全連鎖、控制射線的安全連鎖等。⑥安全接地和幹擾屏蔽:電屏蔽、磁場屏蔽、電磁屏蔽等。

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