东软NMSR600医用电子直线加速器的研制与特点介绍

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东软NMSR600医用电子直线加速器的研制与特点介绍

一、 引言
   沈阳东软医疗系统有限公司自1998年成立以来，研制生产大型医疗设备为主，建有国际一流的CT、MRI、X线机、超声等医疗设备生产线；公司同时为医院数字化提供全面解决方案；是中国目前唯一的“国家数字化医学影像设备工程技术研究中心”建设依托单位，也是中国目前唯一的“国家医用磁共振成像系统产业化示范工程”、“国家螺旋CT高技术产业化示范工程”项目的建设依托单位。
   2004年7月，东软与全球著名500强企业——荷兰皇家飞利浦电子集团共同投资组建了“东软飞利浦医疗设备系统有限责任公司”，将此合资公司作为双方共同的医疗设备研发生产基地。
   作为此合资公司的母公司之一，也因此急需要另外研发新的大型医疗项目，开辟新的生产线，以利于和影像设备一起提供给用户从影像诊断到治疗的一系列解决方案。医用电子直线加速器就是东软公司这个系列解决方案中的重要研发项目之一。
   从2004年立项研发决定研发医用加速器开始，现已经完成两台样机的研制、测试和两家大型医院的临床验证。目前产品注册材料已经通过国家药监局技术审评，相信不久以后可以进入批量生产阶段。  
二、 主要特点
   东软公司从机械上、电气上、软件以及设备外型上对加速器进行了精心设计，不但采用了进口轴承确保机架运转的高精度，而且配置了高精度的精确治疗床、升降地板、高精度的绝对编码器位置监测系统、可翻页液晶显示屏、剂量率伺服系统、独立运行PLC控制高稳定度高压脉冲调制器、经过优化配置的三端隔离器微波系统、外缠绕线方式的治疗头、独立光阑系统、windows操作界面软件控制系统、MiniRIS系统等等，使得该产品具有设计完美、操作方便、运行平稳可靠、指标优良等特色。
   2.1 精心设计的高精度机架旋转装置
   采用从法国进口的高精度回转轴承，合理分配尺寸链公差，从而保障了机架运行的稳定性和机架等中心的精确度。
   旋转机架采用了刚性和焊接性能好的钢材，焊接时，采用合理的去应力措施，而且采用数控一次性装卡多工位加工，以保证加工后最小的变形量。确保等中心精度≤±1mm。
   目前在机架结构的设计中已取得了2个实用新型专利。
   2.2 精确治疗床
   精确控制治疗床的设计要求可安全舒适的承载患者，且能配合适形放射治疗和X刀等精确放射治疗。治疗床床体的两侧还提供了两个床边控制盒。通过控制盒，提供自动、手动两种操作方式，在手动状态下，只提供床面板的横向、纵向操作；在自动状态下则不仅提供使能状态下的手控电动操作，而且能接受控制台发出的运动指令，通过软件控制治疗床的各种运动及定位，同时床控盒还能控制激光、光野灯、光距尺，室灯的开关。
   治疗床面采用碳素纤维板，床面悬臂支撑采用碳素纤维梁提供支撑，不但保证了等中心精度和整个床体的刚度，而且保证了床面对射线的衰减最小。
   治疗床床身主体大部分材料采用铝合金，大大减轻的床身的重量。床体的水平运动部分采用了德国进口的直线导轨及瑞士进口伺服电机增加了治疗床的使用寿命和运行精度。
   治疗床升降系统采用双剪刀结构，驱动部分应用高精度进口滚柱丝杠，配合编码器定位系统的运用，保证了治疗床的运行定位误差≤0.1mm。 2.3 升降地板
   由于医用加速器采用的是大剂量率的直束式驻波加速管，其长度比一般的低能加速管略长，为了保证加速器等中心为1300mm，特将公转盘设计了一个升降地板，平时该地板升至和地面平齐的高度，当机架顺时针旋转至90°或逆时针旋转至270°的时候，地板开始下降至设定的－170mm深度，以免治疗头碰触地板。反之地板回复到地平面高度。
   2.4 高精度的绝对高精度的绝对编码器位置编码器位置编码器位置监测监测监测系统系统
所有的位置检测装置均采用的是德国HENGSTLER数字绝对型光学编码器。相对于传统电位器位置检测方式而言，有数个量级以上的位置检测精度、近十倍以上的使用寿命、特性稳定，不因使用而磨损和降低精度。
    业内大部分厂家生产的直线加速器采用的是电位器。电位器的精度低，一般只的有0.5%，精度高的也只有0.05%～0.1%，以检测角度为例，电位器在理论上就存在着0.2~0.4度的误差；在我们的系统应用中，由于采用的是绝对编码器，从控制的角度上来讲定位误差小于0 .004度。 另外由于电位器在使用过程中，不断被磨损从而影响寿命，还会导致其电气线性度下降，影响其定位精度。而对于绝对编码器而言不存在磨损问题，其寿命主要取决于其内部电子元件的寿命，相较电位器的寿命则要长的多。
    2.5 可翻页液晶显示屏
   传统医用加速器基本上是在机架中间安装一个数码管显示屏用以显示机架角度、治疗头角度、四个光阑的位置信息及其合成野大小信息，国外进口产品还在治疗室另外安装一个数据显示器用以显示治疗床及其床面位置信息、治疗床高度信息以及公转盘角度信息。
   东软加速器则舍弃数据显示器装置，采用电脑控制的液晶显示屏来提供上述信息，通过手控盒上的翻页按钮，液晶显示屏不但可以在治疗模式下提供给操作者需要的治疗头、机架、光阑等运动机械部件位置信息资料，而且还可以在维修模式下提供系统所有运动部件的位置信息、工作状态物理参数和系统运行连锁状态信息。
   2.6 剂量率伺服系统
   在Varian、Siemens和Elekta公司的加速器上均具有剂量率自动伺服系统。东软加速器的调制器触发脉冲的基频保持在300HZ；在此基础上控制和调整PPS在50ms内的脉冲个数，可以达到改变剂量率、快速稳定剂量率等的目的，和AFC系统以及AFC调谐电机位置预置功能配合使用，使得加速器达到峰值剂量率的时间由原来的10s左右缩短为1s左右，完全达到了调强治疗所需要的条件。这一点是以往国产加速器所不具备的能力。
   2.7 外缠绕线方式外缠绕线方式治疗头治疗头国产加速器大部分都采用Varian系统的方式，治疗头上机械件的控制、驱动电源、位置反馈、电离室电源及其剂量信号等电缆线都是通过内缠绕的方式连接到旋转机架的相关部件上。带来的问题：
   a) 治疗头内缠绕线缆较多，容易磨损
    b) 维护这些故障时需要吊装治疗头，多有不便
    加速器治疗头内除了电离室电源及其剂量信号线以外，其余都通过外缠绕的方式较好的解决了上述问题，为维护提供了最好的便利条件。目前该设计已经申请实用性专利。
    2.8 独立光阑系统独立光阑系统和动态楔和动态楔
   加速器能够利用Y光阑在等中心平面形成过中线10cm的野，X光阑不能过中线；四个光阑独立，有自己的驱动装置。
   同时，加速器除了提供四个固定楔形板（固定楔形板四周各有一排共6个编码孔，一共可以组成256组识别码）之外，还利用独立光阑技术研制开发了动态楔系统，因此可以为用户提供15°、20°、25°、30°、45°、60°的动态楔形野。
   2.9 PLC控制控制独立式结构设计的独立式结构设计的独立式结构设计的高压脉冲调制器高压脉冲调制器
   高压脉冲调制器采用PLC控制，不但提高了调制器系统的抗干扰能力，保障了调制器运行的可靠性，而且使得调制器运行故障率得以大幅度的降低。
高压调制器的独立式结构设计，使得高压器件在绝缘距离、散热效果、潮湿和多尘环境方面的条件大为改善，同时免除了维护设备时在机架上的上下攀爬，方便、安全，同时提升了工作效率。
    2.10 优化配置的微波系统
   采用英国E2V的2.6MW的磁控管MG5193和三端环流器，一方面降低微波传输损耗，提高微波传输效率，从而增加了加速管入口微波功率，能有效保障大剂量率的加速管的稳定运行和X射线的深度特性；另一方面使得微波系统结构简单明了，缩短了机架悬臂的长度，提高了机架旋转中心的精度。
    2.11 控制系统
   本系统的控制方案以国际知名品牌的STD总线单板机为控制核心，通过STD总线板卡组以及信号调理板卡组与外部信号接口，完成对系统的全部自动控制功能。目前加速器系统临床参数的设定、常规治疗、旋转治疗、楔形治疗的控制和核对、安全连锁、所有运动部件的自动运动，均实现了计算机智能化自动控制和精确显示，大大简化了加速器的操作和监控，不但便于维护，而且易于实现对病人的精确治疗。
   2.12 Windows控制界面操作系统
   加速器系统的管理和控制是安全、高效实施放射治疗的重要环节。东软加速器操作控制软件系统采用面向对象的分层控制结构，前端执行部件控制、命令分派、命令传递、数据通信、模数转换、操作接口、外部子系统接口等各个组成部分都作了精心的对象化分层设计，有效地隔离了不同层次的故障，避免了故障交叉所产生的指数效应，从而在设计上保证了在研发和运行阶段可以最大程度地发现、解决、预防各种可能出现的问题，从根本上保证了产品的可靠性和稳定性。
   另一方面，东软加速器系统对调强治疗、动态治疗过程分析、网络化治疗计划接口等部分实施了可裁减模块化设计，有助于适应不同用户在放疗系统需求上的差异。
   Windows的操作系统和界面显示，提供了一个人性化的操作平台，运动部件的软件自动控制、加速器系统的治疗操作、联锁的反馈与刷新、系统部件工作状态信息、运动部件位置信息、治疗信息等等一目了然。为使用和维护提供了极大的便利。
   2.13 单机版的Mini RIS系统
   鉴于目前建立放疗信息系统的需要，我们目前在加速器软件系统中研发了一个单机版的Mini RIS系统，其功能主要为：
   a 病人档案管理系统File Management System
   b 治疗记录系统Treatment Result Record
   c R&V系统：记录验证系统等等，
   d DICOM  RT接口
  该系统不仅可以实现和TPS的无缝数据传输，还可以对患者的信息进行存储、记录和验证，初步实现整个治疗过程的透明性、可靠性、安全性。为了实现真正的放疗信息系统的建立，达到Varian以及Siemens等国际知名公司的放疗信息系统的完善和先进程度，我们正在继续探索。
   三、 主要性能指标
   样机研发成功后，我特别购置了德国PTW生产的剂量仪UNIDOS T10002以及瑞典的RFA300自动三维水箱等等设备，对系统的各项性能指标和安全指标分别按照GB15213-94、GB9706.5-1992以及GB9706.1-2007进行了所有适应项和不适应项的测试，测试的所有结果合乎系统指标要求。主要的技术指标如下表：  
   项目内容
   指标参数
   射线类型 X射线 标称能量 6MV 源轴距 100cm
   最大剂量率
   10cm×10cm野不小于300cGy/min
   照射野
   矩形对称和非对称照射野，四个独立运动光阑，且Y方向光阑能过等中心。对称方式成野0cm×0cm到40cm×40cm；非对称方式成野时，上光阑能过中线最大可达10cm。
   对称性 ≤1.03 平坦度≤1.06 40cm×40cm辐射野下相对表面吸收剂量 ≤59% 源托距（托盘下表面到源的距离） 636mm 等中心距离地面距离 1300mm
   四、 研制总结
   由于东软医疗系统有限公司以前一直从事的都是影像类产品，加上所有的研发人员没有医用加速器方面的相关经验，所以立项时所确定的目标即东软加速器系统就是单能的6MV医用加速器，经过2年多的研发，先后推出了两台样机，安装在两家大型医院进行了共计一年半的临床验证，在整个验证过程中发现问题和解决问题，并在一年半之内有针对性的进行了两次系统的工艺改进，，并在此基础上模拟医院的工作状态（日均60野）进行了长达5个月时间的抗疲劳性试验，平均无故障率时间达到500小时，从事验证了系统稳定和可靠运行的设计目标；同时系统控制软件也根据临床医院的使用需求进行了功能调整和界面优化，基本上可以满足医院放疗工作的使用需求。
   经过两台样机研发和两台加速器小批量的生产，研发人员积累了大量的有关加速器系统特性、测试、电气控制、软件以及工艺、调试方面的经验，为今后的下一步的工作目标打下了坚实的基础。