Synergy 直线加速器的结构原理与维修分析

2024-01-03肖云飞

设备管理与维修 2023年22期

肖云飞

（德阳市人民医院医工信息部，四川德阳 618000）

0 引言

随着放疗需求的日渐增大，德阳市人民医院（下文简称为“医院”）于2019 年引进医科达Synergy 行波直线加速器，又于2021 年再次引进瓦里安Halcyon 驻波直线加速器。随着两台直线加速器的同时启用，放疗效率飞速提升，极大地减轻了单台加速器的工作负担，设备故障率随之下降。经过2 年多的摸索和使用，总结直线加速器的相关特点。本文以Synergy 直线加速器为例介绍直线加速器的相关内容，以便同行更好地了解设备。

1 直线加速器功能

辐射可以杀伤或杀死身体中的所有细胞，但是肿瘤细胞的辐射敏感度高于正常细胞。放疗正是利用此原理，杀伤或杀灭癌细胞，其杀伤能力超过了癌细胞的自身修复速度。直线加速器可以准确地生成、监控和控制波束，并且使其与计划的靶点相适应，给予癌细胞最大剂量的照射，在杀灭癌细胞的同时保证正常组织所受照射剂量更低。

2 直线加速器工作原理

医用电子直线加速器的加速管末端安装了电子枪，通过加热电子枪里的阴极钨灯丝产生电子，然后射入加速管中。由磁控管形成的脉冲射频波同时进入加速管，与电子枪射入加速管中的电子同步。射频波沿着加速器管加速电子，使其达到光速。当电子撞击扫描架臂末端的钨靶并与其发生作用后，产生X 线束。

此时，整个系统的运行由水冷系统进行温度调节，灯丝温度控制着射入电子的数量，而磁控管控制着射频波的功率与频率，决定了所生成X 线的能量。加速管中有一串铜腔，这些铜腔之间的小孔（谐振腔）可以使电子沿着加速管加速，并利于聚焦射束。为了确保电子束不受其他粒子的影响，腔内会保持真空状态。

加速管被周围两组四极的偏转磁铁围绕，控制带负电荷的电子束的前进路径。另外的两组聚焦线圈进一步限制电子束。电子束离开加速管后进入偏转盒，在偏转盒内电子通过两侧的三组磁铁的作用，沿着回旋路径走行，电子束再次被定向，使其最终在撞击靶面时直径仅为1 mm。

电子的能量转换为光子时，钨靶会朝各个方向发射出高能量光子。初级准直器会侧向吸收传播散射的X 线，最大程度地减少泄漏，同时也限制着临床所照射的最大射野，仅供前进的X 线通过而形成锥形射束。此时射束内的光子并非均匀分布，需在射束的通路中放置均整器。与射束的边缘相比，锥形均整器可以吸收更多的射束中心的光子，从而形成均匀的光子束。均匀的光子束通过电离室接收的剂量测定和射束质量监控。达到所需的光子束后，再经过多叶准直器MLC（它具有多个细小的钨叶片，相互之间可独立运动，从而形成不同的复杂形状）调节出适合病人肿瘤的平面过滤后，最终射向患者病灶区域，实现放疗。直线加速器的工作原理如图1 所示。

图1 直线加速器工作原理

3 直线加速器系统结构

按照设备的主要功能，可将其分为主机治疗系统、TPS 计划系统、信息管理系统3 部分。

3.1 主机治疗系统

主机治疗系统直线加速器最为复杂的部分，主要部件有电子枪、加速管、微波功率源、真空泵、水冷机、均整器、电离室、多叶光栅（MLC）治疗床等。各个部件之间有复杂的报警联锁，只有所有对应条件都正常，设备才能正常出束。实际工作情况下，技师的操作台由XVI、Mosaiq、加速器主机3 部分构成，有时需要同时操作来完成整个放疗过程。

3.2 TPS 计划系统

Monaco 治疗计划系统包含了生物靶区功能、蒙特卡罗剂量算法、多约束条件的优化、灵敏分析度和智能子野优化功能。它是通过一系列的电算化剂量算法，减少了主管医师估算和重复性校验工作，是一款专业调强治疗计划系统。它以多台PC 工作站的形式呈现，是医院物理师、医师使用的重要工具。

3.3 信息管理系统

Mosaiq 信息管理系统将肿瘤治疗的临床应用和过程管理融合，它的数据库涵盖了200 多万例肿瘤病人数据，其结构为网络开放式，与TPS 系统、HIS 系统、PACS 系统等相连接，提高了肿瘤治疗过程中的信息管理、传输和处理效率，是放疗工作人员日常使用的工具。

4 加速管工作原理

4.1 行波加速原理

电磁波在加速管内沿着轴线方向单向传播，到达加速管末端时会被负载吸收，而不会被反射回来。电磁场的强度和方向会随着时间和空间的改变而发生交替变化，如果使电子对于波的相位始终在波峰上，行波在轴线传播过程中，电场不断给电子力的作用来实现加速，每经过一层铜腔小孔时动能就会提高，直至光速。其工作原理如图2 所示，其中t 是电磁波前进的时间，T是电磁波的周期，λ 是电磁波的波长。

图2 行波管工作原理

4.2 驻波加速原理

电磁波在加速管内沿着轴线方向单向传播，到达加速管末端时不会被负载吸收，而是沿轴线方向被反射回来，与前进的电磁波发生重叠，形成一种入射波与反射波相位一致的驻波。电子在一个腔飞跃的时间等于加速管中电磁场振荡的半周期，电子的飞跃时间与加速电场更换方向时间一致（π/2 模式驻波加速）。Z 轴为电子前进的方向，当电子进入1#腔时，电场强度E为正数，则电子加速，2#腔电场强度E 为负数，则电子减速。随着时间t 的变化，电场强度E 增大，电子动能增强，当场强到达峰值（T/4）时，电子刚好在1#腔中间，随后场强下降。电子后半腔飞行时，当场强由正变负的一瞬间，电子刚好飞出1#腔。2#腔电场再次由负变正，又适合电子加速。加速过程在3#腔、4#腔也是如此，循环往复，电子不断获得加速动能。其工作原理如图3 所示，其中t 是电磁波前进的时间，T 是电磁波周期，E 是电场强度。

图3 驻波管工作原理

5 直线加速器的分类及特点

按照电子在加速管中加速方式的不同，可以分为行波直线加速器和驻波直线加速器。行波直线加速器的加速管较长、机架占地面积较大、真空密闭性较低，长时间断电停机容引发真空易泄漏。医科达行波加速器采用二级电子枪，加速管与电子枪灯丝可进行拆卸，可以单独更换电子枪灯丝，维修时较为方便。但系统界面较为分散，操作较为繁琐。而驻波直线加速器加速管相对较短、占地面积较小、真空密闭性较强，相对行波加速器可长时间停机。瓦里安采用三级电子枪，加速管和电子枪为一整体，不可单独更电子枪换灯丝，维修时较为困难。但系统界面高度集成化，操作较为简单。