同步加速器束流能量自動(dòng)切換控制系統(tǒng)

劉伍豐，喬衛(wèi)民，敬 嵐，劉相滿，何前磊

(1.河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.中國(guó)科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

為開(kāi)展帶電粒子放射治療3D主動(dòng)治療方式[1-4]的研究，同步加速器控制系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)主動(dòng)多級(jí)束流能量間切換控制。一般加速器采用以10 MeV為步長(zhǎng)在50～500 MeV束流能量間[5]進(jìn)行束流能量切換(也有Hitachi公司實(shí)驗(yàn)采用5 MeV的步長(zhǎng)[6]進(jìn)行束流能量切換)。本文將采用一些加速器裝置[7-10]和加速器治療裝置[11-13]的通用加速器控制系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)同步加速器束流能量切換控制系統(tǒng)，如需同步時(shí)間系統(tǒng)[14]的同步事例信息對(duì)各設(shè)備進(jìn)行同步觸發(fā)控制，也將發(fā)展一套高效的數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)[15]和自動(dòng)切換控制機(jī)制。

1 束流能量切換控制機(jī)制

在整個(gè)束流能量切換控制機(jī)制中，同步事例數(shù)據(jù)C05A2001(同步事例數(shù)據(jù)的格式定義，1個(gè)同步事例數(shù)據(jù)為32位：第0～7位是波形號(hào)；第8～11位是預(yù)留位；第12～15位是時(shí)間補(bǔ)償、更新響應(yīng)標(biāo)識(shí)位；第16～23位是事例功能標(biāo)識(shí)位，如5A事例；第24～31位是同步標(biāo)識(shí)位)為數(shù)據(jù)切換功能事例。當(dāng)這個(gè)事例觸發(fā)時(shí)，各系統(tǒng)按事例給出的波形號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)切換更新操作，如事例數(shù)據(jù)C05A0001，需切換更新第1號(hào)波形數(shù)據(jù)。因?yàn)橥绞吕龜?shù)據(jù)的格式定義中第0～7位是波形號(hào)，所以系統(tǒng)可切換0～254號(hào)波形數(shù)據(jù)(其中第255號(hào)為系統(tǒng)預(yù)留)；系統(tǒng)設(shè)定第0號(hào)波形數(shù)據(jù)是束流能量為50 MeV的控制數(shù)據(jù)，第254號(hào)波形數(shù)據(jù)是束流能量為500 MeV的控制數(shù)據(jù)，則可實(shí)現(xiàn)255級(jí)步長(zhǎng)為1.77 MeV的束流能量切換控制。實(shí)際上使用步長(zhǎng)為10 MeV的束流能量切換控制，系統(tǒng)設(shè)定第0號(hào)波形數(shù)據(jù)是束流能量為50 MeV的控制數(shù)據(jù)；第1號(hào)波形數(shù)據(jù)是束流能量為60 MeV的控制數(shù)據(jù)，依此類推。

圖1 束流能量切換控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural block diagram of control system for beam energy variation

加速器控制系統(tǒng)中存在不同的被控對(duì)象，如同步電源、掃描磁鐵電源、高頻設(shè)備、靜電偏轉(zhuǎn)板及高壓設(shè)備等。因此，同步加速器束流能量切換控制機(jī)制主要由3種類別的數(shù)據(jù)切換控制機(jī)制組成：掃描磁鐵電源的波形數(shù)據(jù)切換控制機(jī)制，主要部件是ARM控制器、DSP波形發(fā)生器和劑量計(jì)數(shù)器；加速器的同步電源和高頻控制系統(tǒng)中的波形數(shù)據(jù)切換控制機(jī)制，主要部件是ARM控制器和DSP波形發(fā)生器；加速器中靜電偏轉(zhuǎn)板和高壓設(shè)備等控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)切換控制機(jī)制，主要部件是同步事例接收器。圖1為3種機(jī)制類別的束流能量切換控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

1) 掃描磁鐵電源的數(shù)據(jù)切換控制機(jī)制

當(dāng)同步事例時(shí)間系統(tǒng)的控制界面給事例發(fā)生器錄入并使其發(fā)出切換數(shù)據(jù)事例(如C05A2001事例：事例數(shù)據(jù)的第16～23位為5A，它包含更新波形數(shù)據(jù)的控制操作功能)時(shí)，劑量計(jì)數(shù)板則中斷觸發(fā)前端服務(wù)器上的COM組件；當(dāng)COM組件及應(yīng)用程序得知是需切換數(shù)據(jù)操作，則從事例中讀出需切換的數(shù)據(jù)波形號(hào)。然后，COM組件從治療計(jì)劃系統(tǒng)中的Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)讀出所需的劑量數(shù)據(jù)并更新至劑量計(jì)數(shù)板。當(dāng)DSP波形發(fā)生器接收到事例信號(hào)時(shí)，先解析事例信號(hào)，讀出數(shù)據(jù)波形號(hào)，同時(shí)觸發(fā)ARM控制器。當(dāng)ARM控制器中的SDRAM中存有該波形號(hào)數(shù)據(jù)(該波形數(shù)據(jù)對(duì)病灶切面實(shí)施點(diǎn)掃描)時(shí)，則更新至DSP波形發(fā)生器。若ARM控制器中的SDRAM中沒(méi)有該波形號(hào)數(shù)據(jù)，則通過(guò)COM組件更新中央Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)記錄的MARK位。使得觸發(fā)器觸發(fā)運(yùn)行后，傳輸該波形號(hào)的波形數(shù)據(jù)至ARM控制器并更新DSP波形發(fā)生器的SDRAM內(nèi)存空間，然后等待波形輸出的同步事例信號(hào)。當(dāng)其他事例信號(hào)(第16～23位為5A以外的事例，如EE事例，事例數(shù)據(jù)的第16～23位為EE，它包含響應(yīng)并運(yùn)行的控制操作功能)從同步事例時(shí)間系統(tǒng)上發(fā)出時(shí)，劑量計(jì)數(shù)板判斷是否為開(kāi)始計(jì)數(shù)操作的事例；DSP波形發(fā)生器判斷是否為波形輸出的事例。如果是上述事例，則DSP波形發(fā)生器按上次5A事例已更新的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行波形輸出。同時(shí)，劑量計(jì)數(shù)板則從寄存器空間中讀出要計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)，等待劑量計(jì)數(shù)板完成要求的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)時(shí)，再發(fā)出1個(gè)脈沖信號(hào)給DSP波形發(fā)生器，DSP波形發(fā)生器則停止波形輸出。這樣就完成了1個(gè)束流能量切換的閉環(huán)控制。掃描磁鐵電源的數(shù)據(jù)切換控制機(jī)制流程在圖2所示的束流能量切換控制機(jī)制流程中可見(jiàn)，ARM控制器和DSP波形發(fā)生器的數(shù)據(jù)流在圖3所示的束流能量切換控制機(jī)制數(shù)據(jù)流中可見(jiàn)。

圖2 束流能量切換控制機(jī)制流程圖Fig.2 Flowchart of control mechanism for beam energy variation

圖3 束流能量切換控制機(jī)制數(shù)據(jù)流示意圖Fig.3 Data flow diagram of control mechanism for beam energy variation

2) 同步加速器中磁鐵電源和高頻控制系統(tǒng)中的波形數(shù)據(jù)切換控制機(jī)制

當(dāng)同步事例時(shí)間系統(tǒng)的控制界面給事例發(fā)生器錄入并使其發(fā)出切換數(shù)據(jù)事例(如C05A2001)時(shí)，DSP波形發(fā)生器對(duì)事例信息進(jìn)行接收并解析。DSP波形發(fā)生器通過(guò)FPGA同步事例接收與處理邏輯電路對(duì)事例數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并判斷是否為切換波形數(shù)據(jù)的功能事例。如果是5A事例，則DSP波形發(fā)生器中斷ARM控制器，然后ARM控制器讀出數(shù)據(jù)波形號(hào)(ARM控制器的SDRAM中存儲(chǔ)了在DSP波形發(fā)生器的內(nèi)存空間中的各波形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址和長(zhǎng)度)。這時(shí)ARM控制器告知DSP波形發(fā)生器該波形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)首地址及長(zhǎng)度；然后，DSP波形發(fā)生器從SDRAM中讀出該波形數(shù)據(jù)并通過(guò)插值算法進(jìn)行插值。當(dāng)事例信號(hào)(第16～23位為5A以外的事例，如EE事例)從同步事例時(shí)間系統(tǒng)上發(fā)出時(shí)，DSP波形發(fā)生器收到該事例信號(hào)則打開(kāi)DAC，并對(duì)上次已更新的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。高頻控制系統(tǒng)波形數(shù)據(jù)切換控制機(jī)制與磁鐵電源數(shù)據(jù)切換控制機(jī)制相同。磁鐵電源和高頻控制的數(shù)據(jù)切換控制機(jī)制流程圖和ARM控制器、DSP波形發(fā)生器和RF控制器的數(shù)據(jù)流亦可見(jiàn)圖2、3。

3) 加速器中靜電偏轉(zhuǎn)板和高壓設(shè)備等控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)切換控制機(jī)制

靜電偏轉(zhuǎn)板和高壓等系統(tǒng)由于對(duì)于同步性要求不高，所以靜電偏轉(zhuǎn)板和高壓等系統(tǒng)采用了硬同步中斷轉(zhuǎn)為軟同步中斷來(lái)觸發(fā)系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)切換機(jī)制為：當(dāng)事例發(fā)生器錄入同步事例時(shí)間系統(tǒng)的控制界面并發(fā)出切換數(shù)據(jù)事例(如C05A2001)時(shí)，同步事例接收解析器對(duì)同步事例信息進(jìn)行接收與解析，并中斷告知COM組件及應(yīng)用程序。COM組件及應(yīng)用程序通過(guò)CPCI總線對(duì)事例信息進(jìn)行讀取并判斷是否為切換數(shù)據(jù)的事例。如果是切換數(shù)據(jù)的事例，則COM組件及應(yīng)用程序從Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中讀出相應(yīng)的值并即時(shí)傳輸至控制器。當(dāng)事例信號(hào)(第16～23位為5A以外的事例，如EE事例)從同步事例時(shí)間系統(tǒng)上發(fā)出時(shí)，事例解析器對(duì)事例信息進(jìn)行接收與解析，并中斷告知COM組件及應(yīng)用程序。然后，COM組件及應(yīng)用程序通過(guò)CPCI總線對(duì)事例信息進(jìn)行讀取并發(fā)送命令信息告知控制器，控制器按照上次更新的數(shù)據(jù)控制被控設(shè)備。靜電偏轉(zhuǎn)板和高壓等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)切換控制機(jī)制流程和多功能控制器的數(shù)據(jù)流亦可見(jiàn)圖2、3。

2 自動(dòng)變能控制周期

自動(dòng)變能控制周期決定了同步加速器束流能量自動(dòng)切換控制系統(tǒng)的控制時(shí)序邏輯。通過(guò)設(shè)定同步加速器束流能量自動(dòng)切換控制系統(tǒng)的控制時(shí)序，同步加速器就可按設(shè)定操作和運(yùn)行周期連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行。自動(dòng)變能控制周期也是同步事例數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、傳輸、接收和處理的周期；發(fā)送同步事例信號(hào)是自動(dòng)變能控制周期中的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。當(dāng)同步事例發(fā)生器激活并產(chǎn)生1個(gè)控制周期的控制時(shí)序，每個(gè)DSP波形發(fā)生器以及每個(gè)事例接收解析器會(huì)對(duì)同步事例發(fā)生器發(fā)送的事例數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。比如同步事例發(fā)生器發(fā)出1個(gè)束流運(yùn)行周期的事例數(shù)據(jù)C05A2101(事例數(shù)據(jù)的第16～23位為5A，它包含更新波形數(shù)據(jù)的控制操作功能)和C0EE0001(事例數(shù)據(jù)的第16～23位為EE，它包含響應(yīng)并運(yùn)行的控制操作功能)，若DSP波形發(fā)生器中的事例接收解析器中有5A字段事例數(shù)據(jù)信息則自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀出1號(hào)波形數(shù)據(jù)，并更新至DSP內(nèi)存(SDRAM)空間或其他控制器中；如果沒(méi)有5A字段事例數(shù)據(jù)信息，DSP波形發(fā)生器或事例接收解析器則不進(jìn)行數(shù)據(jù)的更換操作。隨后EE字段事例數(shù)據(jù)的到來(lái)會(huì)使DSP波形發(fā)生器或事例接收解析器對(duì)事例數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)并進(jìn)行波形數(shù)據(jù)輸出以達(dá)到同步控制；如果DSP波形發(fā)生器或事例接收解析器中沒(méi)有該事例數(shù)據(jù)則不進(jìn)行任何操作。這就是通過(guò)同步事例發(fā)生器來(lái)設(shè)置和激活1個(gè)自動(dòng)變能控制周期。在1個(gè)自動(dòng)變能控制周期內(nèi)，如果DSP波形發(fā)生器或事例接收解析器中沒(méi)有同步事例發(fā)生器發(fā)送的事例數(shù)據(jù)，則不進(jìn)行任何操作，這樣系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)各被控設(shè)備的分時(shí)分段控制；當(dāng)DSP波形發(fā)生器或事例接收解析器中有同步事例發(fā)生器發(fā)送的同步事例數(shù)據(jù)，則它們按相應(yīng)的事例數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的功能操作，這樣系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備的同步控制，并實(shí)現(xiàn)各被控設(shè)備的獨(dú)立自主操作。圖4為自動(dòng)變能控制周期示意圖。

圖4 自動(dòng)變能控制周期示意圖Fig.4 Control cycle of beam energy variation

3 束流能量自動(dòng)切換運(yùn)行與測(cè)試

圖5 ARM控制器和DSP波形發(fā)生器控制數(shù)據(jù)的自動(dòng)切換Fig.5 Automatical change of control data of ARM controller and DSP wave generator

多級(jí)束流能量自動(dòng)切換控制是同步加速器應(yīng)用于放射治療中3D主動(dòng)治療方式的重要技術(shù)之一。多級(jí)束流能量自動(dòng)切換控制可實(shí)現(xiàn)同步加速器主動(dòng)變能或繼續(xù)維持1個(gè)能量級(jí)的束流控制。1個(gè)能量級(jí)的束流控制有著相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，不同能量級(jí)束流的切換，就要實(shí)現(xiàn)不同波形數(shù)據(jù)的切換。測(cè)試中，通過(guò)模擬3個(gè)控制周期進(jìn)行3個(gè)能量級(jí)的束流連調(diào)，系統(tǒng)應(yīng)輸出3個(gè)不同的波形信號(hào)作用于磁鐵電源。圖5所示的控制數(shù)據(jù)的自動(dòng)切換，當(dāng)事例C05A0100信號(hào)來(lái)時(shí)即要切換第0號(hào)波形數(shù)據(jù)，第0號(hào)波形數(shù)據(jù)為束流能量為50 MeV的控制數(shù)據(jù)；當(dāng)事例C05A0101信號(hào)來(lái)時(shí)即切換第1號(hào)波形數(shù)據(jù)，第1號(hào)波形數(shù)據(jù)為束流能量為60 MeV的控制數(shù)據(jù)；當(dāng)事例C05A0102信號(hào)來(lái)時(shí)即切換第2號(hào)波形數(shù)據(jù)，第2號(hào)波形數(shù)據(jù)為束流能量為70 MeV的控制數(shù)據(jù)。圖6a為根據(jù)第0號(hào)波形數(shù)據(jù)系統(tǒng)輸出的波形信號(hào)；圖6b為根據(jù)第2號(hào)波形數(shù)據(jù)系統(tǒng)輸出的波形信號(hào)。圖7為3個(gè)能量級(jí)束流連調(diào)時(shí)的波形切換。在測(cè)試中，2個(gè)能量級(jí)間的周期時(shí)間為4 s(圖5的事例觸發(fā)信號(hào)設(shè)置為4 s)，波形數(shù)據(jù)的周期時(shí)間為20 ms。由圖7可清楚地看出，3個(gè)能量級(jí)間自動(dòng)切換時(shí)，第1個(gè)能量級(jí)(50 MeV)的波形與第2個(gè)能量級(jí)的波形相隔4 s；第2個(gè)能量級(jí)(60 MeV)的波形與第3個(gè)能量級(jí)(70 MeV)的波形相隔4 s。

a——第1個(gè)能量級(jí)的波形；b——第3個(gè)能量級(jí)的波形圖6 能量級(jí)切換中的DSP波形發(fā)生器的信號(hào)輸出Fig.6 Signals for beam energy variation from DSP waveform generator

圖7 同步加速器3個(gè)能量級(jí)間連調(diào)Fig.7 Three beam energy stages automatic change for synchrotron

4 結(jié)論

同步加速器多能量級(jí)束流自動(dòng)切換控制機(jī)制的實(shí)現(xiàn)是同步加速器應(yīng)用于放射治療的3D主動(dòng)治療方式的關(guān)鍵技術(shù)之一。同步加速器實(shí)現(xiàn)束流不同能量級(jí)間的自動(dòng)切換控制以及束流維持在同一能量級(jí)的控制，從而實(shí)現(xiàn)了放射治療的3D主動(dòng)治療方式的不同深度照射。同步加速器多能量級(jí)束流自動(dòng)切換控制對(duì)控制數(shù)據(jù)和同步事例數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式化定義以及特定的控制機(jī)制處理，讓同步事例數(shù)據(jù)中包含了控制數(shù)據(jù)的索引號(hào)。其中，同步事例數(shù)據(jù)的格式定義提高了束流能量自動(dòng)切換的效率；擁有大存儲(chǔ)空間的控制器增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。同步事例數(shù)據(jù)包含了3個(gè)重要信息：同步觸發(fā)信息、束流能量控制數(shù)據(jù)的索引信息和控制數(shù)據(jù)的切換操作信息。這3個(gè)重要信息可讓同步加速器控制系統(tǒng)在上個(gè)同步加速器的平臺(tái)周期內(nèi)根據(jù)控制需求更新被控設(shè)備的控制數(shù)據(jù)。這樣就可根據(jù)束流調(diào)試情況隨時(shí)更新任意被控設(shè)備的控制數(shù)據(jù)，也讓加速器束流調(diào)試變得更為便利。系統(tǒng)根據(jù)特定的控制需求可實(shí)現(xiàn)255級(jí)不同能量級(jí)束流的自動(dòng)切換控制，完全能滿足以10 MeV為步長(zhǎng)在50～500 MeV能量級(jí)間進(jìn)行束流能量切換控制。