摘 要： 針對醫(yī)用直線加速器劑量監(jiān)測系統(tǒng)普遍應用的壓頻轉換電路的缺點，介紹了湯姆遜平衡法檢測電流的原理，并基于此原理提出了新的醫(yī)用直線加速器劑量監(jiān)測系統(tǒng)中的設計方法及注意事項。
關鍵詞： 湯姆遜平衡法；醫(yī)用直線加速器；劑量監(jiān)測系統(tǒng)
醫(yī)用直線加速器在放射治療中應用日益廣泛，而放療設備中劑量監(jiān)測系統(tǒng)的精確性與穩(wěn)定性直接影響到放療的質量，電離室與檢測電路是劑量監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，而電離室本身特性一般都是非常穩(wěn)定的，所以主要矛盾就集中在檢測電路上了。
目前，國內外很多醫(yī)用直線加速器劑量監(jiān)測系統(tǒng)所采用的檢測電路都基于壓頻轉換原理，即通過前級電路將電離室的電流信號轉換為電壓信號，然后通過壓頻轉換電路將其轉換為一定頻率的脈沖信號，最后用計數(shù)器對脈沖信號進行計數(shù)，得到劑量監(jiān)測值。
傳統(tǒng)的基于壓頻轉換原理劑量監(jiān)測系統(tǒng)的組成如圖1所示，由4部分組成：電離室、高壓電路、劑量檢測電路以及計數(shù)器。高壓電路供給電離室直流電壓，當射線照射到電離室上時，電離室產生一微弱電流，電流被劑量檢測電路轉換為脈沖信號，計數(shù)器對脈沖信號進行計數(shù)，此計數(shù)值即對應系統(tǒng)劑量值。這種電路存在的缺點是：電路中存在多級運放，每一級運放的增益變化、零點變化均對測量結果帶來極大影響，甚至有可能超出容許范圍。醫(yī)院實際使用過程中，需要對其定期校準，以保證放療質量，而這種檢測電路的調整是比較繁瑣的，每一級運放的偏置等參數(shù)都需要仔細調整。
參考文獻
[1] 馬國華.4πγ高壓電離室活度測量國家標準.現(xiàn)代計量測試，2002(3).
而基于湯姆遜平衡法的劑量檢測電路，從原理上克服了上述電路的缺點。沈陽東軟醫(yī)療有限公司將此法應用于醫(yī)用直線加速器的劑量監(jiān)測系統(tǒng)，不僅提升了檢測精度，方便了使用，而且對放療質量的提高提供了有力的保證。
1 湯姆遜平衡法小電流檢測原理
湯姆遜平衡法[1]檢測電路框圖如圖2所示。圖中，Imsr為被測電流，Cblance為配平電容，Vblance為配平電源。電路的主要工作原理是：控制器根據(jù)比較器的輸出狀態(tài)控制開關K1利用電源Vblance為電容Cblance充電，使其電壓維持在一定范圍之內，也就是說，Vblance對Cblance充入的電荷始終可以抵消Imsr對Cblance所充的電荷，在控制器中通過相應電路將對K1進行控制轉換為脈沖信號，由計數(shù)器對此脈沖信號進行計數(shù)，在單位時間內的計數(shù)值即為被測信號Imsr的電流值。
2 電路設計原理
實際應用中在某些應用場合下，湯姆遜平衡法電路對電流的檢測精度可達皮安(pA)級，在本例中根據(jù)系統(tǒng)需求，測量精度達到納安（nA）級即可。
在本應用中，劑量檢測電路部分采用湯姆遜平衡原理的小電流測量方法，并對該方法進行了一些改進，使得電路具有更寬的量程，更好的可調節(jié)性。
2.1 配平電源
配平電源由DAC數(shù)模轉換器與運算放大器組成，如圖3所示。DAC提供可供調節(jié)的參考電壓，通過運算放大器組成的跟隨器提高電流驅動能力。根據(jù)系統(tǒng)需求，配平電源提供電流在mA級即可，運算放大器的輸出完全可以滿足要求。由于配平電源的穩(wěn)定性將影響到電路最終的測量精度，在芯片選擇上，DAC與運算放大器皆選擇穩(wěn)定性好的型號，器件的溫漂系數(shù)盡量小一些。另外DAC選用外部電壓參考源。
2.2 放大與比較電路
在實際電路中，Cblance兩端電壓要經過放大然后再通過比較器進行比較，比較器采用滯回比較方式。根據(jù)分析，放大電路與比較電路的精度及穩(wěn)定性等因素對系統(tǒng)的測量精度影響不大，但是運算放大器的的偏置電流要盡量選小，這要根據(jù)被測電源的等級決定，在本應用中被測電流實際在微安(μA)級，故運算放大器選擇偏置電流小于pA級的器件即可。
2.3 開關
開關的漏電流將直接影響到測量精度，故開關選擇的主要原則是漏電流值要盡量小一些。在本應用中選擇pA級的器件。
2.4 配平電容
配平電容在本電路中屬于關鍵性器件，根據(jù)本應用中電流測量范圍在μA級的要求，選擇pA級漏電流的電容即可，這種電容選擇余地較大，一般的聚酯蒲膜電容或瓷介電容都可滿足要求。
2.5 控制器
控制器由可編程邏輯器件組成，其原理如圖4所示。圖中，GATE信號即為圖2中比較器OP1的輸出，此信號直接輸出控制開關K1為配平電容充電；GATE信號與時鐘信號CLOCK“相與”輸出fout信號，此信號的頻率即反映了被測信號電流的大??；WORK信號為工作信號，在準備工作時，此信號經單穩(wěn)觸發(fā)器后輸出信號KM2，對開關K2進行控制，將配平電容放電，使之電位為零。
3 電路調節(jié)
在放療應用中，劑量系統(tǒng)要定期調節(jié)，以保證放療的質量與安全，通過調節(jié)電路參數(shù)使加速器的劑量系統(tǒng)測量值與標準劑量儀的測量值小于規(guī)定誤差要求。在本電路中只需要調節(jié)DAC的輸出電壓，而DAC是受計算機系統(tǒng)控制的，在本應用中調節(jié)過程為半自動化，當?shù)?次系統(tǒng)出束結束時，將絕對劑量儀的讀數(shù)人工輸入到計算機中，計算機將自動計算并輸出DAC合適的輸入值，在第2次出束進行驗證即可。僅需2次出束即可完成校準，整個校準過程僅需要3～5 min。
4 注意事項及誤差分析
湯姆遜平衡法可適用于微弱電流的檢測。當測量微弱電流時要注意器件以及板基的漏電流問題，另外要注意屏蔽問題，信號電纜可采用三同軸類型的，電路板最好裝入金屬屏蔽盒中。
關于測量誤差的問題，這里主要分析放大電路與比較電路的影響。在本應用中，測量電流的原理核心在電荷配平上，也就是始終控制配平電源為配平電容反向充電，以抵消被測電流對其的充電。從理論上，就是要始終保持配平電容上的電位為零，但實際中是做不到的。在實際應用中選用了滯回比較器，因而只能保證配平電容上的電位在一定范圍內波動，也就是說此電路從原理角度上是存在誤差的，但是這個誤差不會累積，隨著測量時間的加長，其相對影響會越來越小，這也就是為什么前文曾說過放大電路與比較電路的精度及穩(wěn)定性等因素對系統(tǒng)的測量精度影響不大的原因所在。當然如果在某些應用場合非常關心瞬時電流的測量精度，可以加入A/D轉換電路對配平電容的電壓進行測量，再根據(jù)電路參數(shù)推算一下電流即可。
本應用是在加速器劑量監(jiān)測系統(tǒng)中引入了湯姆遜平衡法，利用該方法優(yōu)點并結合產品系統(tǒng)特點進行了必要的改進，與傳統(tǒng)電路比較，無論是穩(wěn)定性，還是測量精度以及使用的方便性都有了極大的改善。