[摘要] 目的：研制具有一维数显功能的水模体，以提高日常射线校验工作的效率和质量。方法：制作一个有机玻璃水模体；使用聚四氟乙烯制作一个电离室支架；在支架齐平电离室主轴处，安装一对“触水”电极，用作水平面传感器；在水模体中垂直安装一个螺距为1 mm的螺杆，并通过轴套与电离室支架相连，旋转螺杆就能同步使电离室垂直位移；与螺杆同轴安装一个8421BCD编码盘，并以盘轴为中心，呈发散状均匀打出10组码孔，经红外光电头读取、模数转换及单片机处理，就能将螺杆的旋转数据即电离室的垂直位移距离以数字屏显示。结果：该数显水模体能按照设计要求运行，调节误差≤0.1 mm；与标准水模体相比，数显水模体所采集的数据离散性明显较小，且全套射线校验时间节省近60%。结论：使用该设计的数显水模体能够高效、精准地完成日常射线剂量校验工作。
[关键词] 水模体；电离室；“触水”电极；螺杆；8421BCD编码盘；数字屏
0 引言
定期校验直线加速器的射线剂量，是放射治疗物理师必做的日常工作，所使用的基本测量工具为国际标准水模体和射线剂量探测仪。水模体是射线剂量校验的标准设备，是一尺寸为300mm×300mm× 300 mm的、带有水位刻度的、有机玻璃板粘接的箱式制成品[1-4]，模体中电离室水平固定安置在“0”水位刻度处的中心平面处，刻度从此处向上至102 mm。在测量不同质的射线束时，电离室必须定位在不同的校准深度[5-9]（电离室中心轴与模体水平面的距离），如使用0.6 mL指形电离室，测量6 MV的X线时，校准深度为（50+1.9）mm；测量15 MV的X线时，校准深度为（100+1.9）mm。电子线则依射线机的不同（我院使用Siemens ONCOR和Varian Clinac iX 2种型号的直线加速器）而异，对应6～22 MeV电子线，校准深度15～35mm不等。
按照国际测量标准的要求，射线源到模体水平面的距离，即源皮距（source skin distance，SSD）必须为100 cm[5-9]，而校准深度的调节会改变模体内水平面的高度，SSD随之发生变化，需通过垂直升、降整个模体使SSD恢复。
可见，由于标准水模体结构的制约，每测一个射线质，物理师必须调节校准深度和SSD这2个参数。上述过程不仅耗时，且易因人为观察的疲劳而产生误差影响测量精度。
本文拟研制一具水模体，特点是只需调节一个参数，即：固定SSD，调节校准深度。整个系统通过安装“触水”电极来引入自动复位、校“0”功能，以旋钮垂直移动电离室来完成校准深度的调节，其位移距离经8421BCD（binary code decinal）码作模数转换，再经光电读码、单片机（micro control unit，MCU）译码，最终以数字屏显示校准深度的数值。
1 材料与方法
1.1 材料
（1）水箱制作材料：厚度为10 mm的有机玻璃板材（C5O2H8）n，质量密度为1.2 g/cm3[4，7，9]；（2）电离室支架制作材料：聚四氟乙烯（PTFE）；（3）为了减少散射线干扰测量精度，本设计中尽量采用铝合金[9]、铜和少量不锈钢；（4）以CPU芯片AT89C2051为主的各种电子元件[10-11]；（5）PTW 0.125 mL的防水型指形电离室。
1.2 方法
1.2.1 水模体
使用厚度为10 mm的有机玻璃按照图1中的尺寸制成一个箱体，并按照图中位置在箱体侧面刻上水位线，在箱体底部刻上射野中心标线。
图1 数显射线测量水模体结构示意图
1.有机玻璃水模体；2.水位线；3.射野中心标线；4.电离室；5.电离室电缆；6.电离室支架；7.“触水”电极；8.精密螺杆；9.铜轴套；10.旋钮；11.引导杆；12.编码盘；13.红外光电读取头；14.数据微处理器及显示器
1.2.2 电离室支架
电离室支架的加工精度与测量精度及稳定性密切相关，因此，需要使用热稳定性好的材料；同时，为了消除对水平面传感器（“触水”电极）的干扰，要求材料具有疏水性，因此，使用聚四氟乙烯。
支架的基本尺寸如图2所示，一端的电离室固定卡圈其内径应与所使用的电离室外径相匹配，以便固定牢固。
1.2.3“触水”电极
此为本设计的一个要点。为了实现计数电路的自动复位，即电离室在浸入水的过程中，中轴一旦与水面齐平，电极即刻感触到水，并触发计数电路复位，表现为数显屏显示为“0”。因此，电极的安装必须与电离室的中轴处于同一水平线（如图2所示）。
图2 电离室支架侧视图
1.引导杆孔；2.丝杆轴套孔；3.“触水”电极；4.电离室固定卡圈；5.电离室；6.电离室测量中心；7.电离室中心轴
电极使用不锈钢针制作。在制作工艺上，除了针尖以外，电极及其连接导线都密封在支架体内。
1.2.4 精密螺杆和垂直位移结构
用铝合金制作一个螺距为1 mm的螺杆（如图1所示），垂直安装在水模体中。电离室支架通过铜制轴套与螺杆相连，轴套与螺杆之间以螺纹相契合，转动螺杆时，轴套与其固定的电离室支架及电离室即能作垂直位移。安装到位时，电离室测量中心的投影与水模体的射野中心将完全重合。
引导杆用不锈钢制作，作用是使电离室支架在垂直位移时更平稳，并始终保持水平状态。
1.2.5 电离室位移距离的模数转换
1.2.5.1 8421BCD编码盘
电离室的位移与螺杆的旋转是同步的，螺杆的螺距是1 mm，旋转360°，电离室垂直位移1 mm，这是一个模拟量，而MCU需要输入数字量[10-12]，因此，要作模数转换——将螺杆旋转这个模拟量转换成二进制数。具体方法如下：与螺杆同轴安装一个编码盘，当螺杆转动时，盘同步旋转。将编码盘分成10等分（如图3所示），以轴为中心，呈发散状分布了10组孔，每一组包括5个孔——1个计数启动孔和4个BCD码孔。计数孔的作用是当读到该孔时，计数器即开启计数通道；而码孔是按“8421”码打孔，分别代表十进制数的0～9[11-12]，其对应关系见表1。编码盘用铜板制作，并镀黑。
图3 编码盘示意图
1.编码盘中心轴；2.计数启动孔；3.“8421”码孔
1.2.5.2 信号的读取、译码和显示
使用红外光电头读取盘上的“孔”信息。光电头有5组红外光发射、接收对，与盘上的孔一一相对应，读取的“孔”信息经过MCU处理，按照程序执行“翻译码”的任务[10-11]，再以数字屏显示，最终将螺杆的旋转量——电离室的垂直位移距离以数字方式直观地显示出来，单位为mm。
表1 编码盘上开孔与BCD码及序号数的对应关系
注：●为该位置无孔，表示数字“0”；○为该位置有孔，表示数字“1”
精密螺杆的螺距是1 mm，即旋转一周，电离室支架及电离室上升或下降1 mm；而编码盘相邻2组码孔的夹角是36°，为一圆周的1/10，表现为电离室同步升高或下降0.1 mm，因此，垂直位移距离的分辨率为0.1 mm。
转动螺杆时，编码盘上的某一组码孔通过红外光电读取头，当读到启动孔信号，计数器就计数一次，其过程由MCU处理。首先作二～十数码转换[10]，然后再按照置入的程序[11-12]作步进累计，结果是在原有的显示屏数值上加或减0.1 mm，其根据是转动螺杆、编码盘时，光电读取头扫过的相邻2组BCD码所对应的十进制数值是渐大还是渐小，若渐大，则计数累加0.1 mm，否则递减0.1 mm。
2 结果
2.1 数显水模体的运行
向模体内注水至水位线，调SSD至100 cm，在整个测量过程中无须再调。
手动旋转精密螺杆将电离室移出水面，然后再反向缓慢地转动螺杆，让电离室支架逐渐接近水面。当支架上的“触水”电极刚触到水面时，水体的导电信号送入MCU使得计数器复位、记“0”，并开启计数通道，此时水平面与电离室纵轴齐平。由于聚四氟乙烯材料的疏水性，因此只要电离室支架一离开水面，“触水”电极即刻“脱水”，且计数器停止计数。
调节旋钮螺杆，电离室在水中上下移动，数显屏显示数字范围为0～110 mm，以0.1 mm步阶计数。
由于整个机械运动机构的精度由各部分零件的加工精度来保证，经实际测量，系统机械误差≤±0.06 mm，而模数转换过程中，编码盘2组码孔之间计数不变，因此，整体系统误差可控制在0.1 mm以内。使用游标卡尺验证了上述结果。
2.2 数显水模体与标准水模体使用结果比对
2.2.1 作X线测量比对
测量条件见参考文献[5-9]。射线源：Varian Clinac iX直线加速器；照射野：FSZ=10 cm×10 cm；SSD=100 cm；校准深度：X线6 MV为5 cm，X线15 MV为10 cm；电离室：标准水模体使用PTW30013（0.6 mL），数显水模体使用PTW 31010（0.125 mL）圆柱形电离室；剂量率：400 MU/min，射线机输出剂量100 MU；剂量仪：FARMER NE 2570。
2种水模体各测量5次，记录剂量仪读数，以标准差作比对，结果见表2和表3。
表2 2种水模体对X线6 MV测量结果比对
表3 2种水模体对X线15 MV测量结果比对
2.2.2 射线剂量校验耗时对比
全套校验包括对直线加速器的X线6、15 MV以及电子线6、9、12、15 MeV的剂量校验。
记录10次校验耗时，分别为标准水模体耗时约90～115min，平均105 min；数显水模体耗时约42～54 min，平均46 min，仅为上述耗时的44%。
2.3 结果分析
本数显水模体能完成所有设计功能。上述测量使用的是同一个射线源，2个不同的水模体对比结果主要反映了测量数据离散性指标——标准差（SD）有差别，数显水模体的SD明显较小，即所测数据的离散型较小。究其原因：
（1）数显水模体在测量的整个过程中，SSD一次调整到位即可，而标准水模体则需要多次调整，由此会引入误差；
（2）数显水模体通过“触水”电极能自动校准“0”位，且校准深度以旋钮调节、以数字屏显示，比标准水模体既直观又简便；
（3）数显水模体的电离室位移精度可达0.1 mm，而人工调节时用肉眼是很难分辨的；
（4）测量每一个射线质时，标准水模体需逐个调
（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）节校验深度和SSD这2个项目，而数显水模体只需调节校验深度一个项目，且读数一目了然，无需用肉眼仔细分辨，故耗时减少近60%。
3 结论
本研究水模体安装了自动校“0”、复位功能，具有很好的操作性。其校准精度以机械加工精度予以保证，稳定可靠，且调节数据以数字显示，清晰明了，经实际使用，能达到预期设计目标。作为进一步的改进措施，如果使用步进电动机来操作电离室的位移，不仅能进一步减小系统误差，还能实现水模体的遥控、遥测功能。
