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重离子治疗肿瘤点扫描控制系统

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为了实现重离子治疗肿瘤点扫描,对扫描磁铁进行相应的控制.治疗计划进行剂量与肿瘤适形数据的生成,并传输至点扫描控制器与剂量控制器.同时也向点扫描控制器中存入事例数据,以纳入整个加速器控制时序,等待同步时间事例系统的事例触发.点扫描控制器根据剂量控制器的脉冲控制换点治疗操作以及进行换点治疗的扫描磁铁插值算法平滑处理.剂量控制器对气体电离室前端电子学已经刻度的剂量脉冲进行计数.当达到治疗剂量时,控制法拉第筒来阻挡束流,实现点扫描安全治疗.实验证明在现有的电源与磁铁等设备条件以及束流品质下,点扫描控制系统能实现2 mm点间距扫描.

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V01．26，NO．1

Jan．，2014

第26卷第1期

2014年1月

强激光

与

HIGH P()WER I。ASER AND PARTICLE BEAMS

粒子束

重离子治疗肿瘤点扫描控制系统+

刘伍丰1，

黄继江!，

乔卫民3，

敬

岚3，

(1．河南工业大学电气]：程学院，郑州450001；

2．中国科学院软件研究所，北京100190； 3．巾罔科学院近代物理研究所．兰州730000)

刘楠蟠1，

张

玮3，

张世杰1

摘

要：

为了实现重离子治疗肿瘤点扫描，对扫描磁铁进行相应的控制。治疗汁划进行剂量与肿瘤适形

数据的牛成，并传输至点扫描控制器与剂量控制器。同时也向点扫描控制器中存人事例数据．以纳入整个加速

器控制时序，等待同步时问事例系统的事例触发。点扫描控制器根据剂量控制器的脉冲控制换点治疗操作以

及进行换点治疗的扫描磁铁插值算法平滑处理。剂量控制器对气体电离室前端电子学已经刻度的剂量脉冲进

行计数。当达到治疗剂量时。控制法拉第筒来阻挡束流，实现点扫描安全治疗。实验证明在现有的电源与磁铁

等设备条件以及束流品质下，点扫描控制系统能实现2 Illrll点间距扫描。

关键词：

点扫描控制系统；点扫描控制器；剂量控制器；重离子治疗

TI，56

中图分类号：

TI。503．6；

文献标志码：

doi：10．3788／"HPl．PB201426．015105

重离子治疗肿瘤主动式扫描(即点扫描)由于减少了射程移位器以及体表补偿器等能量吸收材料的使用，

束流的损失降低了同时也减轻了中子辐射污染；点扫描治疗方式为主动适形，所以可以治疗任何规则的肿瘤靶

区，既便捷又高效；点扫描能最大限度地减少正常组织的受照体积，提高了重离子治疗的增益比。在已有加速

器慢引出技术。1’的基础上，点扫描控制系统配合现有的虚拟加速器一8。进行加速器主动变能，以实现三维点扫

描治疗。治疗计划根据肿瘤病灶生成剂量数据与治疗适形数据(一个治疗深度上分为z轴(横轴)、y轴(纵

轴)上的二组数据)，点扫描控制系统把这些数据传输至点扫描控制器与剂量控制器，并且点扫描控制器通过适

形数据先从中心点换至开始点等待加速器治疗束流。点扫描控制器根据剂量控制器的脉冲控制换点治疗操作

以及换点治疗时的扫描磁铁电源电压的插值算法平滑处理。当治疗达到治疗剂量时，点扫描控制系统触发控

制法拉第筒来阻挡多余的束流，实现这次治疗。重离子治疗肿瘤点扫描控制系统主要包含硬件部分与软件部

分，本文分别从这两个部分对点扫描控制系统进行阐述。

点扫描控制系统硬件部分

点扫描控制系统主要的任务就是根据剂量数据与病灶靶区适形数据来控制扫描磁铁电源，以达到控制束

流的目的。在高能束运线的末端对两组扫描二极磁铁进行控制，也就是x，Y扫描磁铁电源进行控制。从二维

平面来说，对其进行“弓”字形扫描。点扫描控制系统需与加速器控制系统。“’进行相互通信，根据治疗计划相

应地改变束流的能量，从而实现i维重离子治疗肿瘤。

点扫描控制系统的前端服务器通过网口连人整个加速器控制系统的控制以太网。点扫描控制器由两块控

制板卡组成，一块为ARM控制器，一块为DSP波形发生器。其中ARM控制器通过网口连入控制以太网；

ARM控制器与DSP波形发生器通过VME背板总线进行通信；DSP波形发生器连接X或Y扫描磁铁电源；

DSP波形发生器同时也通过光纤接口与剂量控制器进行连接。剂量控制器连接气体电离室的前端电子学，通

过光纤接口连接I)SP波形发生器。从而实现对剂量的敏感而进行相应的换点操作。由于深层重离子治疗肿瘤

是在兰州重离子加速器冷却存储环验收后不久便进行实验，在最快的时间内进行点扫描的实现则是采用原有

的ARM控制器与DSP波形发生器；同时DSP波形发生器本来就具有相应的预留功能。采用原有的ARM控

制器与DSP波形发生器，也是为了尽快地进入这个领域进行研究与探索。ARM控制器与DSP波形发生器在

文献[11—12]中有论述。点扫描控制系统硬件部分如图l所示。

剂量控制器连接气体电离室的前端电子学与DSP波形发生器。剂量控制器是DSP波形发生器的触发

源。剂量控制器是一块Alteral

K50核心芯片，其中包含了一块SDRAM，3个光纤接口，2个TTI．电平接口。

3()4

修订日期：2()1：{()8

*收稿日期：201

25；

基金项目：旧家自然科学基金项目(11005l

36)；校高层次人才基金sO¨ j(2012BS036)；中科院两郎之光人才培养计划项目(Y107130XBB)

983

作者简介：刘伍f(1

)．男．高级r程师，博士，从事加速器控制、控制f：程、数据获取等方面的研究；．COFll。

015105—1

万方数据

强

激

光

与

粒

子

束

0racle

timmg^event

GUI

centraldatabase

system

～～ L

一

一L～

．．．一

ethernet

tlmmg

front．end server

VME

PXI front．end

SerVer

DSP

ARM

waveform

DSP

ARM

waveform

contr01ler

controller

dose controller

generator

front—end

electroniCS

x_s

ionization

gas

chamber

powercsupply

cannin唧g m山agnet

agn毗l

Hardware structure

control

spot scanning system

diagram

Fig．1

图1 点扫描控制系统硬件结构示意图

所有治疗剂量数据表都保存于SDRAM之中。重离子治疗肿瘤的治疗剂量精度由多方面决定：一方面有气体

电离室自身方面的因素；另一方面还有着前端电子学方面的因素。未来的可能性是剂量控制器与电离室的前

端电子学进行相互操作。现剂量控制器的主要任务是对每个治疗点的剂量进行统计并与治疗计划的剂量计划

进行比较，照射剂量与治疗剂量相符时，则进行一个点位的工作(剂量控制器向X，Y扫描磁铁电源DSP波形

发生器产生触发脉冲，让DSP波形发生器换点进行治疗)，直至完成整个治疗。剂量控制器结构示意图如图2

所示。

厂一 ‘一一

一一

I一，一一一一．一一．一一．一一．一一．一一．一一一一．一一．一一．一一．一一．一一．_‘

Hardware struclure

of dose controller

diagram

Fig．2

图2剂量控制器结构示意图

万方数据

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