基于串口的MOSFET劑量采集自動(dòng)觸發(fā)系統(tǒng)的研究

【作者】羅廣文 ，祁振宇

1 中山大學(xué)腫瘤防治中心，廣州市，510060

2 華南腫瘤學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州市，510060

0 引言

隨著放射治療技術(shù)的發(fā)展，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET(metallic oxide semiconductor field effect transistor) 探測(cè)器近幾年開始應(yīng)用于放射治療劑量監(jiān)測(cè)。MOSFET探測(cè)器具有體積小，靈敏度高，易于通過人體的自然腔道置于人體內(nèi)，有利于應(yīng)用MOSFET探測(cè)器在治療過程中對(duì)體內(nèi)吸收劑量進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1-5]。MOSFET劑量系統(tǒng)一般由劑量?jī)x，MOSFET探頭和采集計(jì)算機(jī)組成，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、顯示和數(shù)據(jù)存貯。目前MOSFET劑量系統(tǒng)一般與放射治療設(shè)備（醫(yī)用加速器或后裝治療機(jī)）之間沒有直接的通信連接，MOSFET劑量采集啟動(dòng)與停止需人工手動(dòng)方式進(jìn)行操作，而人工操作方式不能保證每次劑量采集時(shí)刻的一致性。為了MOSFET劑量系統(tǒng)與放射治療設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)輻射與采集同步，獲得采集起始時(shí)刻一致的測(cè)量數(shù)據(jù)，更好地科學(xué)分析輻射劑量規(guī)律，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?qū)OSFET劑量?jī)x和放射治療設(shè)備相連接的采集觸發(fā)系統(tǒng)解決上述問題。

為了實(shí)現(xiàn)MOSFET劑量系統(tǒng)與核通高劑量率后裝放射治療機(jī)（microSelectron-HDR）關(guān)聯(lián)連接，提出了一種無需下位機(jī)的接口電路連接，計(jì)算機(jī)通過軟件監(jiān)測(cè)后裝治療機(jī)輻射狀態(tài)，在輻射啟動(dòng)的特定時(shí)間段進(jìn)行劑量采集。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括硬件和軟件兩個(gè)部分，硬件部分為串口接口電路的設(shè)計(jì)和制作，軟件部分為串口檢測(cè)和采集觸發(fā)功能的程序設(shè)計(jì)。

1 材料和方法

研究中所使用MOSFET探測(cè)器和劑量讀數(shù)儀由澳大利亞Wollongong(伍倫貢)大學(xué)醫(yī)學(xué)放射物理研究中心研制。MOSFET探頭通過一個(gè)六針接口與專用劑量讀數(shù)儀相連，劑量讀數(shù)儀由4節(jié)1號(hào)電池供電。劑量?jī)x外接計(jì)算機(jī)后，讀數(shù)軟件可對(duì)探測(cè)器進(jìn)行實(shí)時(shí)讀數(shù)，并能記錄多個(gè)通道數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)保存為Excel格式文檔，方便數(shù)據(jù)處理與分析。

核通后裝放射治療機(jī)(Nucletron)具有18通道，是采用高劑量率銥-192為放射源的近距離照射治療機(jī)。該機(jī)具有放射源位置檢測(cè)電路，后裝放射源的輻射狀態(tài)由檢測(cè)電路獲取，通過光電隔離后輸送給后裝機(jī)控制計(jì)算機(jī)。

1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)核通后裝機(jī)對(duì)MOSFET劑量測(cè)量系統(tǒng)的觸發(fā)控制，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)通信通路，由后裝治療機(jī)將輻射信號(hào)傳遞給MOSFET劑量測(cè)量系統(tǒng)，控制劑量系統(tǒng)的采集啟停。核通后裝機(jī)的輻射狀態(tài)可以由檢測(cè)電路中獲得，本文采用計(jì)算機(jī)通過串口檢測(cè)后裝機(jī)的輻射狀態(tài)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，由于劑量?jī)x與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信使用了串口1（COM1），COM1為劑量采集通道，因此增加COM2為后裝機(jī)輻射狀態(tài)檢測(cè)通道。根據(jù)圖1的設(shè)計(jì)框架，RS232接口電路與串口檢測(cè)在觸發(fā)程序協(xié)同下進(jìn)行劑量采集系統(tǒng)與后裝機(jī)之間的通信，實(shí)現(xiàn)MOSFET劑量測(cè)量系統(tǒng)采集與后裝機(jī)治療的同步。

圖1 MOSFET劑量測(cè)量和觸發(fā)系統(tǒng)框圖Fig.1 The block diagram of MOSFET dose measurement and trigger system

1.2 接口電路設(shè)計(jì)

RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的全稱是EIA-RS-232C，其規(guī)定了連接電纜、機(jī)械和電氣特性、信號(hào)電平和引腳功能、傳送過程等。串口DB-9接頭的各針腳定義如表1。

表1 串口各針腳定義Tab.1 The pin definition of the serial port

在9個(gè)引腳中，TXD、DTR和RTS可以作為輸出控制，DCD、RXD、DSR、CTS和RI可以作為輸入檢測(cè)。串口邏輯電平規(guī)定：邏輯1電壓為-3 V～-15 V，邏輯0電壓為+3～＋15V。RTS、CTS、DSR、DTR、RI、DCD電壓為正時(shí)信號(hào)有效，GND為各引腳電平的參考地[6-7]。當(dāng)輸入引腳的電平發(fā)生變化時(shí)，可以通過計(jì)算機(jī)檢測(cè)到該變化。

基于后裝機(jī)的輻射狀態(tài)表現(xiàn)為開關(guān)信號(hào)，開關(guān)狀態(tài)完全可以通過輸入引腳的邏輯電平進(jìn)行檢測(cè)，因此本文采用DCD電平狀態(tài)實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)。

1.3 串口檢測(cè)及觸發(fā)軟件設(shè)計(jì)

MOSFET劑量采集系統(tǒng)的軟件基于Qt 4.7進(jìn)行開發(fā)，Qt是一個(gè)基于C++的跨平臺(tái)應(yīng)用程序和UI開發(fā)框架。因此，輻射檢測(cè)和觸發(fā)功能的設(shè)計(jì)，需要在MOSFET劑量采集軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)。輻射檢測(cè)和觸發(fā)的模塊的工作流程如圖2。程序啟動(dòng)后首先進(jìn)入初始化界面，用戶通過界面設(shè)置串口號(hào)、延遲時(shí)間等，串口初始化后進(jìn)入DCD狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。當(dāng)DCD電壓由低變高時(shí)（即后裝放射源進(jìn)入輻射治療狀態(tài)），進(jìn)入計(jì)時(shí)器倒計(jì)時(shí)子程序，在計(jì)時(shí)完成后觸發(fā)MOSFET劑量采集子程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觸發(fā)采集功能[8,9]。

圖2 程序工作流程圖Fig.2 The program flow chart

2 結(jié)果

2.1 串口接口電路

根據(jù)上文串口工作原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的串口檢測(cè)接口電路，實(shí)現(xiàn)后裝機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信連接，串口接口電路如圖3所示。DCD引腳作為信號(hào)輸入點(diǎn)，后裝機(jī)輻射狀態(tài)信號(hào)接入DCD引腳，計(jì)算機(jī)檢測(cè)串口DCD引腳電壓狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)后裝機(jī)的放射源到位的檢測(cè)。

圖3 .串口DCD檢測(cè)接口電路Fig.3 The interface circuit for serial port DCD detection

圖3中，開關(guān)S1代表后裝機(jī)輻射狀態(tài)的開關(guān)。當(dāng)放射源在安全位置時(shí)開關(guān)閉合，1腳（DCD）與5腳（GND）相連通，處于低電位；當(dāng)放射源離開安全位置進(jìn)入治療位置時(shí)，1腳（DCD）的電壓由7腳（RTS）輸出正電壓而處于高電位。本電路由串口供電。由MOSFET劑量?jī)x的計(jì)算機(jī)（軟件）監(jiān)測(cè)DCD腳的電壓狀態(tài)，若由低變高，則啟動(dòng)MOSFET的劑量采集；若由高變低，則采集停止。

2.2 串口檢測(cè)及觸發(fā)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)接口電路信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)定以及串口檢測(cè)觸發(fā)工作流程，在Qt平臺(tái)編寫程序并進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果系統(tǒng)能按要求工作。

系統(tǒng)硬件及軟件部分按照上述設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試檢驗(yàn)，證明系統(tǒng)工作正常，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3 討論

一般而言，在具有開關(guān)量輸入輸出的應(yīng)用系統(tǒng)中，通常是采用上位機(jī)和下位機(jī)的結(jié)構(gòu)模式，下位機(jī)一般采用具有通信功能的單片機(jī)來處理串口數(shù)據(jù)，但是采用下位機(jī)的方式有其不足：當(dāng)下位機(jī)的處理能力不足或受到干擾時(shí)，會(huì)發(fā)生系統(tǒng)的穩(wěn)定性差、實(shí)時(shí)性差、控制復(fù)雜、誤動(dòng)作多和效率低等問題。在放射治療的輻射檢測(cè)條件下，大部分的放射治療設(shè)備本身均有輻射啟動(dòng)信號(hào)，因此較為容易獲得。所以，與采用下位機(jī)的方法相比，采用串口接口電路更為簡(jiǎn)易，無需外部供電，減少了不必要的下位機(jī)設(shè)計(jì)，因此更加方便、穩(wěn)定和可靠。

目前在醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用中，例如在劑量?jī)x與輻射治療機(jī)之間，在呼吸門控裝置與CT相連進(jìn)行4維CT掃描，以及門控裝置與醫(yī)用加速器進(jìn)行呼吸門控治療，建立兩者之間同步工作時(shí)，都可采用本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

本研究通過設(shè)計(jì)一個(gè)MOSFET劑量系統(tǒng)與后裝治療機(jī)之間的串口自動(dòng)檢測(cè)和觸發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)MOSFET劑量采集與放射治療機(jī)輻射同步的功能。經(jīng)測(cè)試證明，通過串口檢測(cè)接口電路實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)后裝機(jī)放射源輻射狀態(tài)的方法，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)刻的一致性，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)后期分析具有重要意義。本設(shè)計(jì)思路亦可推廣到其他醫(yī)療設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和觸發(fā)信號(hào)獲取方面的應(yīng)用。

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