束中放療加速器多葉光柵控制系統(tǒng)設計

杜錫九 蔣舸揚 葉 斌 陳廣花 陳建鋒 沈立人

1（廣東中能加速器科技有限公司 東莞 523000）

2（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

束中放療加速器多葉光柵控制系統(tǒng)設計

杜錫九1蔣舸揚2葉 斌1陳廣花2陳建鋒2沈立人2

1（廣東中能加速器科技有限公司 東莞 523000）

2（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

多葉光柵是現(xiàn)代醫(yī)用加速器的重要組成部分之一，其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度直接影響手術中病人的生命安全。但目前國內的多葉光柵無論在穩(wěn)定性還是在精確度上仍與世界先進水平相差甚遠。為滿足國內一臺術中治療加速器的研發(fā)需要，我們在傳統(tǒng)多葉光柵控制基礎上，利用可編程片上系統(tǒng)(System-on-a-Programmable-Chip, SOPC)技術對多葉光柵控制系統(tǒng)進行了軟硬件重構，通過增加功能模塊和改善電磁輻射防護等手段，研制了符合術中治療加速器功能需求和機械安裝尺寸的基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)芯片的全新控制系統(tǒng)。經測試，該控制系統(tǒng)功能完善，雙路位置反饋可靠性高，測試結果滿足國家現(xiàn)行對于多葉光柵系統(tǒng)性能要求，為術中治療加速器的研制提供了可靠保證。

多葉光柵，粒子加速器，現(xiàn)場可編程門陣列，LabVIEW

多葉光柵(Multi Leaf Collimator, MLC)是精確放療必須的輔助設備之一，在適形放療過程中，多葉光柵替代傳統(tǒng)擋鉛，通過動態(tài)調整形成各種不規(guī)則的照射野，使每次治療射束的形狀都與病灶區(qū)的投影一致，并盡量保護周圍正常組織不受照射[1]。傳統(tǒng)放療多采用固定式加速器在腫瘤放射治療部門帶防護屏蔽設計的直線加速器機房進行，隨著放療新技術的發(fā)展，一種專門用于術中放療(Intra-operative Radiation Therapy, IORT)的移動式加速器問世，可以在手術中對未能完全切除腫瘤及周圍淋巴結進行一次大劑量照射，以期減少放療時間和步驟，提高放療效果[2]。和傳統(tǒng)固定式加速器相比，移動式加速器對于多葉光柵移動速度、精度和體積都有著更高的設計要求，傳統(tǒng)固定式加速器的多葉光柵控制已經不能滿足需要。因此研制滿足術中放療加速器需要的多葉光柵控制系統(tǒng)具有極大的臨床價值及現(xiàn)實意義。中國科學院上海應用物理研究所和廣東中能加速器有限公司從2009年起致力于術中治療加速器研究，取得了多項與術中治療技術相關的具有自主知識產權的科研成果。

本研究是國內第一臺術中治療加速器精確放療系統(tǒng)的一部分，根據(jù)機械安裝尺寸需要及控制功能劃分，多葉光柵控制系統(tǒng)被劃分為主控模塊、電機驅動模塊及位置監(jiān)測模塊三部分。由三塊獨立電路實現(xiàn)對應功能，電路板間通過接插件及排線電氣連接方便安裝。和傳統(tǒng)采用單片機控制的多葉光柵控制系統(tǒng)相比，該設計具有如下特點：

(1) 一片672引腳的現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)芯片替代多塊單片機芯片級聯(lián)才能實現(xiàn)功能，減小電路板尺寸，滿足束中治療加速器多葉光柵機械安裝尺寸要求。

(2) FPGA綜合及布局布線后產生硬件電路，提高運行速度。

(3) 電機編碼器脈沖計數(shù)和冗余設計的多葉光柵位置檢測模塊消除多葉光柵定位錯誤的可能。

(4) 獨立模塊設計便于故障診斷，減少設備故障時更換模塊的時間和成本。

1 硬件設計

硬件電路系統(tǒng)主要結構如圖1所示。其中電機驅動模塊采用多路專業(yè)電機驅動芯片A3952SB，可同時控制80路直流伺服電機；主控模塊采用高性價比Cyclone II FPGA核心，通過符合AVALON總線標準IP核設計，利用NIOSII軟核實現(xiàn)多路頻率和脈寬可調的脈寬調制(Pulse-Width Modulation, PWM)波形、電機編碼器脈沖監(jiān)測以實現(xiàn)位置反饋及串口/網絡通信功能；位置檢測模塊通過不斷檢測葉片連接電刷的運動位置，確保葉片移動位置的精確性和可靠性。針對加速器功率源和微波系統(tǒng)可能帶來的電磁輻射問題，額外設計了光電隔離保護電路、濾波電路以及電源層分割等技術，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，符合醫(yī)療設備的穩(wěn)定性要求。

圖1 多葉光柵控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Architecture of multi-leaf collimator control system.

1.1主控模塊供電電路

電源的穩(wěn)定性是整個電路系統(tǒng)能穩(wěn)定工作的關鍵。FPGA的工作電壓是3.3 V和1.5 V，分別供給FPGA的IO模塊和內部模塊，SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory)和FLASH (Fast Large Area Scan Hardware)的工作電壓是3.3 V。從外部引進的5 V直流電源，經過磁珠濾波，最大限度地降低外界對系統(tǒng)電源的干擾。通過穩(wěn)壓器件，將5 V DC轉換為系統(tǒng)工作所需的各種電壓。電源轉換芯片為LT1117和NCP566ST12，其電壓和電流參數(shù)范圍滿足系統(tǒng)需求，其中LT1117將5 V外接電源穩(wěn)壓成FPGA、SDRAM和FLASH所需的3.3 V電壓，NCP566ST12將LT1117穩(wěn)壓的3.3 V再穩(wěn)壓成1.2 V供FPGA所用。由于整個電源系統(tǒng)比較復雜，電路板設計采用多層PCB (Printed Circuit Board)結構，同時利用電源層分割技術、去耦電容、旁路電容等技術，增加了系統(tǒng)的抗干擾性[3]。

1.2串口/網絡通信電路

為滿足上層治療計劃系統(tǒng)(Treatment Planning System, TPS)以及調試軟件和多葉光柵控制系統(tǒng)的交互，系統(tǒng)基于可靠和高效的原則設計了自定義的通信協(xié)議?？紤]到多葉光柵安裝在旋轉治療頭上，通訊距離較長且容易受到射線干擾，同時為避免治療頭內其它高壓組件因為誤操作帶來的高壓串擾，宜采用光纖通信替換一般RS232/485電纜以消除干擾及高壓隔離。為簡化設計，我們采用了市場上較普及且可靠性較高的商業(yè)串口/光纖轉換模塊——臺灣MOXA公司的TCF-142-M-ST。實際使用效果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。此外，光纖外皮采用高壓硅橡膠包裹，在兼顧柔韌性的同時增強了機械強度。為滿足工業(yè)控制領域流行的TCP/IP網絡接口需求及將來的系統(tǒng)擴展，還設計了網絡接口電路，支持以太網通訊。

1.3電機驅動電路

本控制系統(tǒng)的核心是多路電機驅動控制，因此選擇一款穩(wěn)定可靠且價格適中的電機控制芯片尤為重要。經過多方比較和查詢相關文獻，最終選定了Allegro Micro Systems公司生產的A3952SB作為本次控制系統(tǒng)的電機驅動芯片[4-5]。

A3952是一種全橋式脈寬調制芯片，最高支持50 V的驅動電壓，可持續(xù)輸出2 A的驅動電流。同時它具有內部電路保護，包括因滯后引起的過熱關機、電源及充電泵的過壓監(jiān)視及交叉電流保護。芯片控制輸入電平為5 V，芯片內部為H橋結構，主要由4個邏輯輸入引腳決定它的工作狀態(tài)：引腳ENABLE使能芯片、引腳PHASE控制芯片的輸出極性、引腳MODE決定脈寬調制電路的工作模式（快衰減和慢衰減）、引腳BRAKE實現(xiàn)對電機的制動。當ENABLE和BRAKE同時為高電平時，芯片處于休眠模式，以降低功耗。4個邏輯輸入引腳可以組合成多種控制方式。我們采用PHASE引腳作為PWM的輸入端，考慮到光柵葉片并非是大慣性系統(tǒng)，并且采用PHASE引腳作為PWM的輸入端時，系統(tǒng)本身具有制動的效果，因此將BRAKE引腳和MODE引腳直接接地。電機驅動電路如圖2。

圖2 電機芯片驅動電路Fig.2 Circuit of A3952SB.

1.4位置檢測電路

作為一臺醫(yī)療儀器的核心組件，可靠性要求較高。因此位置檢測電路采用兩路冗余的檢測反饋機制，一級反饋是電機脈沖反饋，F(xiàn)PGA通過采集電機編碼器脈沖計數(shù)計算電機的實時位置，同時計算電機的實時速度。高減速比的電機及絲桿帶動葉片的結構使得FPGA能夠更加精確地計算光柵葉片的位置信息。通過計算，光柵葉片的位置精度能夠達到6.7 μm，高于國家檢測要求。二級反饋采用電刷反饋，通過光柵葉片的運動帶動電刷，F(xiàn)PGA對電刷的位置進行實時檢測。電刷的位置采集精度為1mm，二級反饋能夠在一級反饋失效或者錯誤的情況下進行報警，停止加速器出束，保證病人的人身安全。

2 軟件設計

對FPGA的開發(fā)包括硬件和軟件開發(fā)兩部分。硬件開發(fā)在Quartus II中實現(xiàn)，而軟件開發(fā)部分在NIOS IDE中實現(xiàn)。處理器以軟核形式實現(xiàn)，具有高度的靈活性和可配置性。先利用SOPC BUILDER為NIOSII軟核定制合適的CPU和外設，然后利用NIOSII IDE環(huán)境，采用C編程，完成對FPGA外設的控制及完成對通訊協(xié)議的解析。 FPGA通過檢測電機編碼器回讀的實際脈沖數(shù)并計算得到真實位置和目標位置的偏差，由AVALON總線控制 PWM IP核輸出一定幅值和占空比的PWM波形控制電機實現(xiàn)閉環(huán)控制。在此過程中，還需要根據(jù)通信協(xié)議命令格式，將當前葉片的實時位置數(shù)據(jù)反饋給上位機。

2.1 PWM IP核設計

PWM模塊基于Avalon總線中的Avalon Memory Mapped Interface設計。Avalon-MM接口是內存映射系統(tǒng)下的用于主從設備之間的讀寫的接口，Avalon-MM最大的特點是可以根據(jù)自己的需求自由選擇信號線。圖3是利用Verilog語言構建的某一路符合Avalon-MM Slave接口規(guī)范的可以實現(xiàn)PWM電機控制功能的IP核。Avalon總線定義包括了同步時鐘信號、復位信號、片選信號、32位寫數(shù)據(jù)寄存器、32位讀數(shù)據(jù)寄存器、使能控制寄存器、周期設定寄存器以及占空比設置寄存器等。針對80路電機，一共由80個功能相同、引腳不同的PWM模塊組成。

圖3 PWM IP核設計Fig.3 Design of PWM IP core.

2.2 SOPC BUILDER設計

SOPC BUILDER為NIOSII軟核定制了適合的CPU和豐富的外設，包含了SDRAM、EPCS (Erasable programmable configurable serial)、PWM IP核、串口、定時器、基于Avalon-MM定制的計數(shù)器接口和豐富的并行輸入/輸出口，滿足了多葉光柵的控制需求。

2.3控制邏輯

NIOSII軟核中C程序執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 NIOSII軟件流程圖Fig.4 NIOSII software flow chart.

從圖4可以看出，第一次控制器上電初始化時，所有葉片退回到初始化狀態(tài)，此時控制器處于待機狀態(tài)，等待接收上位機控制指令。一旦控制器接收到上位機的控制指令，則控制器執(zhí)行相對應的指令程序。上位機每100 ms查詢一次葉片位置、滑槽架位置及控制器狀態(tài)碼，實現(xiàn)上位機對多葉光柵射野的實時跟蹤。

3 測試

多葉光柵控制系統(tǒng)最終的運行方式是在治療計劃系統(tǒng)的控制下進行工作。為不受治療計劃軟件開發(fā)進度影響和調試方便，我們采用LabVIEW編寫了上位機控制程序模擬TPS系統(tǒng)的光柵控制功能模塊對葉片的運動和位置反饋進行測試[6]。

圖5(a)界面是光柵實時回讀的數(shù)據(jù)，包含了數(shù)字顯示的葉片實時位置、條狀顯示的葉片實時位置及控制器其它回讀狀態(tài)，用戶也可以直接輸入符合多葉光柵自定義規(guī)范的其它通訊指令和控制器進行交互。

為進一步方便調試，圖5(b)采用了基于“傻瓜式”設計，多個按鈕及選值框隱藏了上位機對多葉光柵的控制指令（狀態(tài)查詢指令、位置設置指令、故障查詢指令、位置查詢指令等），用戶不需要了解通訊協(xié)議格式，只需通過直接點擊按鈕即可完成對多葉光柵的位置和運動控制。光柵的位置和狀態(tài)數(shù)據(jù)則在圖5(a)中實時顯示。

圖5 LabVIEW監(jiān)控程序界面(a) 多葉光柵監(jiān)控界面；(b) 多葉光柵控制界面Fig.5 Graphical user interface of LabVIEW control and monitor program.(a) MLC monitor program; (b) MLC control program

在完成多葉光柵控制系統(tǒng)的整體設計后，將控制系統(tǒng)組件和多葉光柵安裝連接到O-MAX系列術中治療加速器整機上進行實際運行和測試，測試采用國標GB 15213-94為參考標準[7]。測試主要內容包括：

(1) 功能測試，通過上位機測試軟件模擬TPS治療系統(tǒng)進行遠程控制，驗證通訊協(xié)議可靠性。

(2) 受控狀態(tài)下多葉光柵運行參數(shù)測量，通過機械測量如游標卡尺和出束拍片等手段獲得。

(3) 長時間穩(wěn)定性測試，為期一個月。

在線測試過程中，我們通過在LabVIEW程序中增加的葉片位置隨機數(shù)產生模塊控制多葉光柵不間斷運行，整個測試周期中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，未發(fā)生功能性錯誤。而實際使用過程中，多葉光柵只在患者開始擺位時進行運動定位，使用頻率和時間遠小于測試條件。此外，通過100次對多葉光柵系統(tǒng)進行整體測試，經出束拍片得到的多葉光柵性能參數(shù)如表1所示[8]。

表1 多葉光柵性能參數(shù)Table1 MLC performance parameters.

4 結語

從測試結果可以看出，本系統(tǒng)結構可靠，配合上位機調試軟件，操作人員可直觀地對多葉光柵進行控制和定位，穩(wěn)定性和精度各項指標滿足了術中治療加速器運行需要，達到了預期設計的目標。

1 胡逸民. 腫瘤放射物理學[M]. 北京: 原子能出版社, 1999: 26-267

HU Yimin. The tumor radiation physics[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1999: 26-267

2 Ralph R, Dobelbauer Jr. Intraoperative radiation therapy[M]. USA: CRC Press Inc, 1989: 167-169

3 Linear Technology. LT1117-3.3 datasheet[EB/OL]. http://www.linear.com/, 2012-12-2

4 Allegro MicroSystems. A3952SB datasheet[EB/OL]. http://www.allegromicro.com, 2011-2-5

5 張莉, 冉蜀陽, 吳章文, 等. 基于LabWindows/CVI的PC機與多葉光柵控制系統(tǒng)的串行通信[J]. 四川大學學報(自然科學版), 2009,46(3): 629-634. DOI: 0490-6756 (2009)03-0629-06

ZHANG Li, RAN Shuyang, WU Zhangwen, et al. The serial communication between PC and multi leaf collimator control system based on LabWindows/CVI[J]. Journal of Sichuan University (Natural Science Edition), 2009,46(3): 629-634. DOI: 0490-6756(2009)03-0629-06

6 GB 15213-94, 醫(yī)用電子加速器性能和試驗方法[S]. 北京: 國家技術監(jiān)督局, 1994 GB 15213-94, Medical electron accelerators-functional performance characteristics and test methods[S]. Beijing: State Bureau of Quality and Technical Supervision, 1994

7 張培仁, 都改欣, 卿志遠, 等. 用DSP及脈寬調制驅動芯片A3952控制倒立擺[J]. 電子技術, 2002,29(1): 57-60. DOI: 10.3969/j.issn.1000-0755.2002.01.020

ZHANG Peiren, DU Gaixin, QING Zhiyuan, et al. Application of DSP and PWM driver A3952 in inverted pendulum control[J]. Electronic Technology, 2002,29(1): 57-60. DOI: 10.3969/j.issn.1000-0755.2002.01.020

8 黃文峰. 多葉光柵(MLC)的設計與研究[J]. 機電工程技術, 2007,36(9): 85-88. DOI: 1009-9492(2007)09-0085-04

HUANG Wenfeng. Study and design for multi leaf collimator (MLC)[J]. Mechanical & Electrical Engineering Technology, 2007,36(9): 85-88. DOI: 1009-9492(2007)09-0085-04

Design of MLC’s control system for IORT accelerators

DU Xijiu1JIANG Geyang2YE Bin1CHEN Guanghua2CHEN Jianfeng2SHEN Liren2

1(SinoPower Accelerator Co.,Ltd.,Dongguan 523000,China)
2(Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Jiading Campus,Shanghai 201800,China)

Background:The multi-leaf collimator (MLC) is one of key components of modern medical accelerators for Intra-operative Radiation Therapy (IORT). The stability and accuracy of MLC’s control system will insure patients’ life security during radiation therapy. Comparing with the world’s top level, domestic MLC technologies falls behind not only in stability but also in accuracy.Purpose:This study aims to design a MLC control system satisfying the requirements of developing the first domestic IORT accelerator and closing the gap with the world advanced level.Methods:The MLC control system was reconfigurated by the System-on-a-Programmable-Chip (SOPC) technique based on the traditional MLC control system. By adding new function model, preventing Electromagnetic Interference (EMI) and other ways, the newly developed MLC control system can fulfill IORT accelerator’s function and mechanical installation requirements.Results and Conclusion:The test results show that the control system possess properties of full functionalities, redundant position feedback, conformity to national standards of medical instruments and insuring the R&D of IORT accelerator.

MLC, Accelerator, FPGA, LabVIEW

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.090502

廣東省引進創(chuàng)新科研團隊計劃(No.201001D0104732255)資助

杜錫九，男，1943年出生，1966年畢業(yè)于南京大學，中國科學院高能物理研究所研究員，廣東中能加速器科技有限公司民用電子加

速器研發(fā)及產業(yè)化創(chuàng)新團隊核心人員

蔣舸揚，E-mail: marco_hair@163.com

2015-06-09，

2015-06-26

CLCTL99