摘 要： 針對醫用直線加速器劑量監測系統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用直線加速器劑量監測系統中的設計方法及注意事項。
關鍵詞： 湯姆遜平衡法；醫用直線加速器；劑量監測系統
醫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測系統的精確性與穩定性直接影響到放療的質量，電離室與檢測電路是劑量監測系統的重要組成部分，而電離室本身特性一般都是非常穩定的，所以主要矛盾就集中在檢測電路上了。
目前，國內外很多醫用直線加速器劑量監測系統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，最后用計數器對脈沖信號進行計數，得到劑量監測值。
傳統的基于壓頻轉換原理劑量監測系統的組成如圖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，計數器對脈沖信號進行計數，此計數值即對應系統劑量值。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。沈陽東軟醫療有限公司將此法應用于醫用直線加速器的劑量監測系統，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：控制器根據比較器的輸出狀態控制開關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，由計數器對此脈沖信號進行計數，在單位時間內的計數值即為被測信號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，在本例中根據系統需求，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，更好的可調節性。
2.1 配平電源
配平電源由DAC數模轉換器與運算放大器組成，如圖3所示。DAC提供可供調節的參考電壓，通過運算放大器組成的跟隨器提高電流驅動能力。根據系統需求，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定性好的型號，器件的溫漂系數盡量小一些。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。根據分析，放大電路與比較電路的精度及穩定性等因素對系統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小；WORK信號為工作信號，在準備工作時，此信號經單穩觸發器后輸出信號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
在放療應用中，劑量系統要定期調節，以保證放療的質量與安全，通過調節電路參數使加速器的劑量系統測量值與標準劑量儀的測量值小于規定誤差要求。在本電路中只需要調節DAC的輸出電壓，而DAC是受計算機系統控制的，在本應用中調節過程為半自動化，當第1次系統出束結束時，將絕對劑量儀的讀數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定性等因素對系統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，再根據電路參數推算一下電流即可。
本應用是在加速器劑量監測系統中引入了湯姆遜平衡法，利用該方法優點并結合產品系統特點進行了必要的改進，與傳統電路比較，無論是穩定性，還是測量精度以及使用的方便性都有了極大的改善。