精确放疗技术的不断进步与发展，人们对肿瘤靶区的照射剂量的准确性有更高的要求。由于放射治疗的关键设备直线加速器结构复杂，精度非常高，一旦某些元器件发生故障或老化，就会引起加速器输出剂量发生突发的或者缓慢的变化。为保证仪器的正常运行和治疗工作的顺利进行，在放射治疗中进行辐射剂量的质量保证(quality assurance，QA)措施，在给予肿瘤区域尽可能高的剂量同时，尽量使周围正常组织和器官受照射剂量尽可能减少，从而提高肿瘤的治疗效果^[1-2]。因此在放射治疗中的质量保证体系具有非常重要的作用。

用于加速器剂量质控仪器中的探测器主要有电离室和半导体探测器。采用电离室和半导体矩阵探测器还可以实现调强放疗射线质量控制和调强放疗计划系统(TPS)的实时验证。同时它在常规放疗中，加速器QA可以使用灵敏体积较大的探测器提供测量精度，而二维或三维剂量测量时，为提高空间分辨率，必须使用小体积探测器，从而导致信号强度大大降低，同时由于探测器数目众多，使得电路设计复杂，稳定性下降。贺朝晖等使用电荷积分专用集成电路(ASIC)作为前置放大器，设计了二维阵列电离室探测器数据采集系统，其探测器点阵为1024像素^[3]，徐建一等研制了二维半导体面阵列实时剂量验证系统，其探测器点阵为445像素^[4]。研制电路结构简单、高效稳定的阵列探测器是本研究领域中的热点问题。

本论文设计了两种不同尺寸的探测器，并针对直线加速器信号的特点，设计了信号采集系统的电路读出电路，进行了测试，并探讨在面阵剂量测量中的应用。

1 系统结构

本论文设计的电离室探测器信号采集系统包括电离室探测器、放大器和数据采集系统3个部分，如图 1所示。其中电离室探测器为自制的平板型空气电离室，结构简单制作方便，探测效果良好。使用电离室作为辐射测量的探测器，具有灵敏度高，线性范围大，可靠、稳定、工作寿命极长，承受恶劣环境条件能力强，能量响应特性较好等优点。

放大器包括前置放大器和主放大器。前置放大器将电离室信号转化为电压信号，并实现和后续电路的匹配，是决定本测量系统性噪比的关键电路。主放大器的放大倍数可以精密调节，由程序根据实际测量情况进行设置。

数据采集系统包括STM32单片机、A /D转换器、高压和输入输出电路几个部分。在测量过程中，电离室收集空气中的电离电荷，经过前置放大器后转化为电压信号，A /D转换器在STM32的控制下对该信号进行数字转换，经过数据处理后，得到的结果通过LCD显示。传感器包括温、湿度和气体压强探头，输出电压连接至STM32的模拟输入端口。

本文采用了VARIAN600C直线加速器对系统进行了实验，测试环境为气压100.7 kPa，温度20℃，湿度为60%。

2 信号采集系统的设计 2.1 电离室探测器

本文自制的电离室为平板形，工作气体为空气，使用特氟龙材料(塑料王)作为骨架，内壁喷涂薄石墨层作为电极。为研究不同灵敏体积的电离室的响应，采用了两种规格的电离室，收集极设计为圆形，与保护环的距离为1 mm，灵敏体积分别是直径40 mm高3 mm和直径5 mm高3 mm。

2.2 前置放大器

电离室被加速器产生的X射线照射后，所产生的电流比较微弱，前置放大器对于该信号进行放大，转换为幅度适合后续电路处理的电压信号，其线性和信噪比直接决定系统的整体性能。

由于医用直线加速器电子脉冲长度一般介于0.01 ~ 5 μs之间，重复频率为50 ~ 1000 Hz，因此可以认为电离室相当于冲击脉冲的电流源，其脉冲宽度为微秒量级，占空比小于0.1%。

本文针对设计两种规格的电离室分别设计了不同电路参数的前置放大器。图 2是直径40 mm高3 mm电离室的前置放大器原理简图。采用运算放大器LMC 6062构成积分器，对电离室输出电荷进行积分，反馈回路为RC网络。LMC 6062是高精度CMOS运算放大器，其输入阻抗大于10TΩ，适合微弱信号的测量。当加速器输出X射线时，电离室则输出冲击电流，其电荷迅速积累在电容上，之后电容上的电荷通过R1放电，电压下降，所以其输出为锯齿波。

本文采用该电路对上述两种电离室进行了测量，由于灵敏体积的差异较大，因此信号强度也差别很大。通过数字示波器测量得到的两个电离室的信号记录如图 4所示。

采用示波器记录得到的波形，上方为直径40 mm高3 mm电离室的测量数据，下方为直径5 mm高3 mm电离室的测量数据。

由图可见，直径40 mm的电离室的信号幅值较大，而直径5 mm的电离室输出的信号幅值较小，两者之比约为61: 1，即与其灵敏体积之比64: 1相当，反映出电离室测量效率由灵敏体积决定。

由此可见，采用该电路可以较好地与直径40 mm的电离室进行匹配测量，然而测量直径5 mm的电离室时其输出电压幅值太低，不能直接测量。因此针对小体积电离室，我们对电路进行了改进，如图 4所示。采用AD 8066运算放大器，工作噪声极低，输入阻抗高，带宽为145 MHz，特别适合高速处理的场合。同时减小了反馈回路中的电容值，有利于增加放大倍数。图 5中反馈回路中电阻由电子开关Max 326来替代。Max 326具有很低的输入漏电流，对信号影响很小，可以看作理想开关，测量时开关断开，当射线照射电离室时，电离室输出的电流为电容充电，其电压幅值正比于电离室输出电荷，测量完成后由数据采集控制电路使其闭合，将电容上的电荷泄放掉，以进行下一次测量。因此电路输出为矩形波，采用示波器记录其信号波形如图 5所示，上升沿为电离室信号的收集阶段，波形顶部平坦部分则为数据采集阶段，下降沿则是开关放电阶段。

2.3 数据采集控制电路

包括一片STM32F103RCT6单片机、程序控制放大器、16位A /D转换器AD7694、温度、空气压强传感器等。

TM32F103RCT6是意法半导体公司推出的一款32位单片机，其采用的内核为ARM Cortex-M3，最高72 MHz工作频率，功能强大，片内资料非常丰富。AD 7694是一种高速高精度串口模数转换器，转换率250ksps，易于使用。作为系统控制核心，通过16位A /D转换器监测电离室的信号变化，并实时记录。当探测器数据超出系统设定的环境辐射阈值后，则进入测量状态，并根据信号的幅度和变化趋势，设定程控放大器的放大倍数，以实现较大的测量动态范围。TM 32F103 RCT6不仅可以测量剂量值，还可以根据信号的变化情况自动判断加速器照射的跳数、重复频率、照射时间等。

温湿度和空气压强等环境参数由传感器转换为电压信号后，由STM32自带的10位A /D转换器进行获取，用于对读数进行剂量修正。

STM 32还驱动一块480 × 270分辨率的彩色液晶显示器，以显示测量结果和各种参数。

对于两种规格的电离室，采用不同的的数据读取方法:

小体积电离室采用电子开关型前置放大器电路。当电子脉冲结束后，放大器的输出则锁定在某一电压值V_M不再上升，，Q表示收集到的电离电荷。当STM32检测到微分电路传来的信号后，采用16位A /D转换器读取V_M。为提高测量精确度，对该值连续测量10次，剔除最大和最小值后取平均。A /D转换完成后由STM 32发送信号使电子开关Max 326导通，将积分电容放电。

大体积电离室采用RC反馈前置放大器电路。由于不设放电开关，因此采用16位A /D转换器对输出信号连续定时读取，转换速率设定为2 kHz，把读出的数据求和，得到测量结果，因此这种测量模式相对简单。

3 实验结果和讨论

采用VARIAN 600C直线加速器6 MV光子束对系统进行测试，以检验本系统的线性和稳定性。测试时电离室高压为300 V。电离室位于照射野中心，该测量条件下定标为1 MU = 1 cGy。

分别采用了100 MU /min、300 MU /min、400 MU /min等3种剂量率条件对直径40 mm高3 mm和直径5 mm高3 mm的两种电离室进行了剂量线性响应的测试，测量数据如表 1所示，其结果如图 6所示。

从实验结果看出，两种电离室均得到良好的测量效果，具有相当好的剂量线性关系。图 3前置放大电路和大灵敏体积电离室搭配，所采用的读出系统非常简单，成本较低。当使用较小灵敏体积电离室时，提高运放带宽，减小积分电容，以及引入电子开关，以获得较快的信号处理速度和提高放大倍数，可以有效对微弱信号进行处理，从而获得了较好的效果。图 7中不同剂量率的数据点几乎重合，非线性误差小于1%，放射治疗质量控制允许的最大剂量误差为2%，因此本系统可以应用于放射治疗剂量质量控制。本文研究对设计新型放射治疗质控专用集成电路有实际应用价值，在二维阵列探测器中采用小体积电离室的设计方案，既可以实现高位置分辨率，同时获得很高的剂量测量精度。