CN105536154B - 一种基于硬件控制的辐照扫描装置及辐照扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于硬件控制的辐照扫描装置及辐照扫描方法，该装置包括照射控制系统；照射监测系统；加速器定时系统；以及加速器控制系统；其中，所述照射监测系统和所述照射控制系统采用VME架构实现，所述照射控制系统与所述照射监测系统彼此连接，以相互传递事件码指令，从而使得照射控制系统与照射监测系统独立执行任务且两两互换信息以监控整个扫描过程。本发明可实现快速的信息传递和验证，同时控制照射扫描过程，高效的保证了照射扫描算法的快速安全实施和剂量率的提高。

Description

一种基于硬件控制的辐照扫描装置及辐照扫描方法

技术领域

本发明涉及医学治疗领域的一种辐照装置及辐照扫描的方法，更具体地涉及一种基于硬件的快速控制的辐照装置及辐照扫描方法。

背景技术

粒子自身的物理特性相比常规光子和电子有很多的优越性，因而使用粒子进行放射治疗。重离子在贯穿物质时主要是通过与靶原子核外电子的碰撞损失能量，随着离子能量的降低，这种碰撞的几率增大。在离子进入人体的大部分射程里，巨大的初始能量使离子穿过组织速度很快，因而损失的能量较小，形成一个相对低能量的坪区；在射程的末端，随着能量的损失，离子运动速度减慢，与靶电子碰撞的几率增大，最终在射程末端形成一个陡峭的高剂量(能量损失)峰，即Bragg峰，其后剂量迅速跌落。Bragg峰位的深度可以通过改变入射离子的初始能量来调节。治疗时精确地调整展宽的Bragg峰并套住整个肿瘤靶区，使周围正常的组织只受到很小剂量的照射。粒子治疗即是利用粒子回旋加速器或同步加速器产生其特有的Bragg峰，最大程度的实现肿瘤适形治疗，达到肿瘤放射学中病灶区域剂量最大的同时周围正常组织所受到的剂量照射最小的目的。通常肿瘤的大小从几个厘米到几十个厘米不等，加速器引出的粒子束流的尺寸一般在几个毫米，为了适应治疗区域的大小，粒子束在引出之后进入病人身体之前需要通过治疗头进行束流配送。

束流配送可以划分为被动束配系统和主动束配系统。被动束流配送方法主要采用散射和降能的方法使加速器引出的粒子束流在空间上均匀分布，适形于靶区(参见WT Chu，BA Ludewigt，TR Renner等人的非专利文献Instrumentation for treatment of cancerusing proton and light-ion beams)；然而被动束流配送方法在实现对肿瘤区域严格的三维适形以及减小对受侵袭的区域周围的正常组织的影响方面存在着一定的限制。另外，用于束流适形的治疗头设备由于长时间辐照会产生一定的活化作用而造成对人的辐照损伤；而且用于个人的形状适形器在治疗辐照后作为辐射废物需要进行特殊处理。

于是一种更先进的主动束流配送方法应运而生，这种方法直接采用加速器引出束流照射目标组织；通过扫描磁铁改变束流位置，实现在侧向扩展；采用加速器直接调节束流能量，实现在深度方向扩展(参见专利US7,560,715B2和CN103566488A)，这种方法通常称作扫描照射法，使用该方法具有束流利用率高、半影区比较小等优点，但同时需要在短时间内实现快速的射束能量和位置的变更控制以达到对目标组织的三维适形。

在专利CN103566488A所述的扫描照射法中，首先从治疗计划装置中将包含治疗患者所需的照射条件的治疗计划信息从存储装置中读取到一个集中的控制装置中，集中的控制装置再根据照射条件的设定信息从存储装置选择照射所需的能量、各目标照射剂量和照射顺序以及与照射所需的能量对应的控制数据，集中的控制装置同时向定时系统传输包含照射所需要能量信息、照射顺序以及与该能量对应的定时信号的控制数据，集中的控制装置还向加速器控制装置和照射控制装置传输包含照射所需的能量信息、照射顺序以及与该能量对应的各设备的运转控制数据、与运转控制数据对应的定时信号的控制数据等。这种方法存在的问题是所有的数据都由集中控制装置分派，集中控制装置使用软件控制，来回读取时间长，并且所有的任务都需要集中的控制装置处理，还需要等待任务处理的时间。而且从安全性考虑，集中的控制器处理也需要有另外的监视器系统来确保其读写正确和安全。

另外，在现有的扫描照射法中，多种定时信号均由定时系统给出，通过定时系统控制加速器束流工作的时序。在定时系统中，存储有能够进行与运转控制数据同步的输出的定时数据。通常，定时系统与联锁系统、集中的控制装置以及电源控制装置相连接，因此允许对患者照射离子束的出射允许指令、根据照射到患者的离子束的照射经过信息来输出的能量变更指令、根据构成粒子线治疗装置的设备的状态输出的减速控制指令以及表示照射完成的照射指令等需要通过集中的控制装置获得信息，由定时系统和电源控制装置在对当前更新的控制数据进行更新之后，再传递到联锁系统中，联锁系统再将参数变更信息输出到定时系统。这样冗长的逻辑传递和验证并不有利于扫描算法的快速实现和剂量率的提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于硬件控制的辐照扫描装置及辐照扫描方法，从而解决现有技术中不能快速实现扫描算法和剂量率不高的问题。

本发明的一方面提供了一种基于硬件控制的辐照扫描装置，其包括：照射控制系统；照射监测系统；加速器定时系统；以及加速器控制系统，其根据所述加速器定时系统输出的出射控制指令，控制引出设备从环加速器引出束流以照射目标组织；

所述照射控制系统配置为：根据预设的照射条件设定信息以及通过主剂量电离室采集的所述目标组织的不同位置处的主剂量信息，向所述加速器定时系统输出或停止输出含有所述照射条件设定信息的定时触发信号，并向所述照射监测系统输出第一事件码指令，以指示：所述照射控制系统已输出或已停止输出所述定时触发信号；

所述照射监测系统配置为：根据所述第一事件码指令，当所述照射控制系统已停止输出所述定时触发信号时，停止工作，当所述照射控制系统已输出所述定时触发信号时，根据所述照射条件设定信息以及通过一次剂量电离室采集的所述目标组织的不同位置处的次剂量信息和通过位置电离室采集的所述目标组织的不同位置处的束流位置信息，向所述加速器定时系统输出发送束流指令或停止束流指令，并向所述照射控制系统输出第二事件码指令，以指示：所述照射监测系统已输出发送束流指令或停止束流指令；当所述照射监测系统已输出停止束流指令时，所述照射控制系统停止输出所述定时触发信号，并向所述照射监测系统输出所述第一事件码指令；

所述加速器定时系统配置为：当接收到所述定时触发信号以及所述发送束流指令时，输出所述出射控制指令，当接收到所述停止束流指令时，停止输出所述出射控制指令；

其中，所述照射监测系统和所述照射控制系统采用VME架构实现。在上述的基于硬件控制的辐照扫描装置中，所述加速器控制系统配置为：在所述照射控制系统输出所述定时触发信号之前，根据所述照射控制系统输出的所述照射条件设定信息以及照射准备流程启动指令，启动所述环加速器，设置该环加速器以及与该加速器控制系统连接的加速器束流传输设备，控制与该加速器控制系统连接的束流闸开启，并向所述照射控制系统反馈所述束流闸、所述环加速器以及所述加速器束流传输设备的状态参数。

在上述的基于硬件控制的辐照扫描装置中，还包括：慢控制系统，其监测所述主剂量电离室、所述次剂量电离室以及所述位置电离室的运行状态，并向所述照射控制系统输出相应的运行状态信息，以使所述照射控制系统根据该运行状态信息向所述加速器定时系统输出或停止输出所述定时触发信号，并向所述照射监测系统输出所述第一事件码指令。

在上述的基于硬件控制的辐照扫描装置中，还包括：通过扫描磁铁电源与所述照射控制系统连接的X扫描磁铁和Y扫描磁铁；所述照射控制系统还配置为：根据所述照射条件设定信息，通过所述扫描磁铁电源控制所述X扫描磁铁和Y扫描磁铁移动至相应的扫描位置。

在上述的基于硬件控制的辐照扫描装置中，还包括：与所述照射控制系统以及所述照射监测系统连接的联锁控制器，其根据所述照射控制系统和/或所述照射监测系统输出的束流中断或束流继续指令，控制所述环加速器中断产生或继续产生束流。

在上述的基于硬件控制的辐照扫描装置中，还包括：与所述照射控制系统连接的呼吸门控设备。

在上述的基于硬件控制的辐照扫描装置中，还包括：与所述照射控制系统连接的加速器参数测量设备。

在上述的基于硬件控制的辐照扫描装置中，还包括：与所述照射监测系统连接的运动监控装置。

在上述的基于硬件控制的辐照扫描装置中，所述照射控制系统包括照射控制器，所述照射监测系统包括与所述照射控制器连接的照射监测器，所述加速器定时系统包括与所述照射控制器、所述照射监测器、所述加速器控制系统以及所述环加速器连接的定时控制器。

在上述的基于硬件控制的辐照扫描装置中，所述主剂量电离室内设置有主剂量测量模块，其通过多模光纤与所述照射控制系统连接以输出所述主剂量信息。

在上述的基于硬件控制的辐照扫描装置中，所述次剂量电离室内设置有次剂量测量模块，其通过多模光纤与所述照射监测系统连接以输出所述次剂量信息。

在上述的基于硬件控制的辐照扫描装置中，所述位置电离室内设置有位置U测量模块以及位置V测量模块，其中，所述位置U测量模块通过多模光纤与所述照射监测系统连接以输出U方向的所述束流位置信息，所述位置V测量模块通过多模光纤与所述照射监测系统连接以输出V方向的所述束流位置信息。

在上述的基于硬件控制的辐照扫描装置中，所述扫描磁铁电源包括通过多模光纤与所述照射控制系统连接的扫描磁铁电源控制器。

本发明之二所述的一种利用上述的基于硬件控制的辐照扫描装置实现的辐照扫描方法，其特征在于，该方法包括：

步骤S1，利用所述照射控制系统根据所述照射条件设定信息以及所述主剂量信息，向所述加速器定时系统输出或停止输出所述定时触发信号，并向所述照射监测系统输出所述第一事件码指令，以指示：所述照射控制系统已输出或已停止输出所述定时触发信号；

步骤S2，当所述第一事件码指令指示所述照射控制系统已停止输出所述定时触发信号时，所述照射监测系统停止工作；当所述第一事件码指令指示所述照射控制系统已输出所述定时触发信号时，利用所述照射监测系统根据所述照射条件设定信息以及所述次剂量信息和所述束流位置信息，向所述加速器定时系统输出发送束流指令或停止束流指令，并向所述照射控制系统输出第二事件码指令，以指示：所述照射监测系统已输出发送束流指令或停止束流指令；当所述照射监测系统已输出停止束流指令时，所述照射控制系统停止输出所述定时触发信号，并向所述照射监测系统输出所述第一事件码指令；以及

步骤S3，当所述加速器定时系统接收到所述定时触发信号以及所述发送束流指令时，向所述加速器控制系统输出所述出射控制指令，以控制所述引出设备从所述环加速器引出束流以照射目标组织；当所述加速器定时系统接收到所述停止束流指令时，停止输出所述出射控制指令。

在上述辐照扫描方法中，还包括在执行所述步骤S1之前执行步骤S0，其包括：

步骤S01，利用所述加速器控制系统根据所述照射控制系统输出的所述照射条件设定信息和照射准备流程启动指令，启动所述环加速器中预设的粒子加速流程，并查询粒子加速流程是否结束；

步骤S02，当所述粒子加速流程结束后，利用所述加速器控制系统根据所述照射条件设定信息设置所述环加速器，并检测所述环加速器的参数是否达到设置值；

步骤S03，利用所述加速器控制系统根据所述照射条件设定信息向与其连接的加速器束流传输设备输出束流传输参数，并查询该束流传输参数的输入是否有效；

步骤S04，当所述加速器束流传输设备的参数达到设置值，且所述束流传输参数的输入有效时，利用所述加速器控制系统向与其连接的束流闸发送打开指令，请求束流通过，同时检测该束流闸是否打开；以及

步骤S05，当所述束流闸打开后，利用所述加速器控制系统向所述照射控制系统反馈所述束流闸、所述环加速器以及所述加速器束流传输设备的状态参数，以使所述照射控制系统执行所述步骤S1。

在上述辐照扫描方法中，还包括在执行所述步骤S2的同时，执行步骤S4，其包括：

步骤S41，当所述加速器定时系统接收到所述定时触发信号后，根据所述照射条件设定信息，设置所述环加速器照射目标组织当前层所需的参数，以准备照射；

步骤S42，利用所述照射控制系统根据所述照射条件设定信息向所述加速器控制系统输出照射目标组织下一层所需的参数；

步骤S43，利用所述加速器控制系统向所述加速器定时系统、所述环加速器以及所述加速器束流传输设备输出所述照射目标组织下一层所需的参数，并检测所述环加速器的参数能否达到设置值，以及查询所述加速器束流传输设备的参数输入是否有效；

步骤S44，利用所述加速器控制系统向所述照射控制系统反馈所述环加速器以及所述加速器束流传输设备的状态参数。

在上述辐照扫描方法中，所述步骤S1还包括：利用与所述照射控制系统连接的慢控制系统，监测所述主剂量电离室、所述次剂量电离室以及所述位置电离室的运行状态，并向所述照射控制系统输出相应的运行状态信息，以使所述照射控制系统根据该运行状态信息向所述加速器定时系统输出或停止输出所述定时触发信号，并向所述照射监测系统输出所述第一事件码指令。

本发明的辐照扫描装置及辐照扫描方法基于硬件快速控制并且考虑监控控制安全，根据照射需求触发加速器时序控制的点或线扫描照射法来实现剂量率的提高，较之现有的装置和方法其具有下述有益效果：(1)本发明中采用的照射控制系统和照射监测系统采用VME架构，从而可使用完全的硬件化FPGA来实现参数传递，较基于软件的传递方式提高了传递速度，从而提高了扫描的速度；(2)本发明中实现了信息的分级传输，并且更加直接且高效地优化了控制的结构，避免了冗长的逻辑传递和验证，实现了快速的扫描算法，高效实现引出流强时间随照射需求可控，从而提高剂量率；(3)本发明通过照射控制系统和照射监测系统实现了控制中的独立工作并且相互验证，照射监测系统向照射控制系统发送第二事件码指令，同时照射监测系统也接收到照射控制系统输出的第一事件码指令，从而进一步确保了扫描过程中控制的安全性从而达到剂量的安全性。

附图说明

图1是本发明一种基于硬件控制的辐照扫描装置的结构示意图；

图2是本发明一种基于硬件控制的辐照扫描装置的内部具体结构示意图；

图3是本发明一种辐照扫描方法中步骤S0的流程示意图；

图4是本发明一种辐照扫描方法中步骤S4流程示意图；

图5是本发明一种辐照扫描方法的一个实施例的流程示意图；

图6是本发明中环加速器的工作时序图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

如图1所示，本发明之一，即一种基于硬件控制的辐照扫描装置，包括：加速器定时系统1、与加速器定时系统1连接的照射控制系统2、与加速器定时系统1和照射控制系统2连接的照射监测系统3，与加速器定时系统1和照射控制系统2连接的加速器控制系统14，以及与照射控制系统2连接的慢控制系统4，其中：

照射控制系统2分别与扫描磁铁电源8以及主剂量电离室11连接，且其中扫描磁铁电源8分别与X扫描磁铁9和Y扫描磁铁10连接；

照射监测系统3还与次剂量电离室12以及位置电离室13连接；

慢控制系统4还分别与主剂量电离室11、次剂量电离室12和位置电离室13连接；

加速器控制系统14通过引出设备6与环加速器7连接；

环加速器7通过加速器束流传输设备17与束流闸15连接。

具体来说，照射控制系统2配置为：根据预设的照射条件设定信息以及通过主剂量电离室11采集的目标组织的不同位置处的主剂量信息，向加速器定时系统1输出或停止输出含有照射条件设定信息的定时触发信号，并向照射监测系统3输出第一事件码指令，以指示：照射控制系统已输出或已停止输出定时触发信号；另外，照射控制系统2还根据照射条件设定信息，通过扫描磁铁电源8控制X扫描磁铁和Y扫描磁铁移动至相应的扫描位置；

照射监测系统3配置为：根据第一事件码指令，当照射控制系统2已停止输出定时触发信号时，停止工作，当照射控制系统2已输出定时触发信号时，根据照射条件设定信息以及通过次剂量电离室12采集的目标组织的不同位置处的次剂量信息和通过位置电离室13采集的目标组织的不同位置处的束流位置信息，向加速器定时系统1输出发送束流指令或停止束流指令，并向照射控制系统2输出第二事件码指令，以指示：照射监测系统3已输出发送束流指令或停止束流指令；另外，当照射监测系统3已输出停止束流指令时，照射控制系统2停止输出定时触发信号，并向照射监测系统3输出第一事件码指令；

加速器定时系统1配置为：当接收到定时触发信号以及发送束流指令时，向加速器控制系统14输出出射控制指令，当接收到停止束流指令时，停止输出出射控制指令；

加速器控制系统14配置为：在照射控制系统2输出定时触发信号之前，根据照射控制系统2通过CPU网络端口输出的照射条件设定信息以及照射准备流程启动指令，启动环加速器7，设置该环加速器7以及与该加速器控制系统14连接的加速器束流传输设备17，控制与该加速器控制系统14连接的束流闸15开启，并向照射控制系统2反馈束流闸15、环加速器7以及加速器束流传输设备17的状态参数；另外，加速器控制系统14在接收到加速器定时系统1输出的出射控制指令后，控制引出设备6从环加速器7经过加速器束流传输设备17以及束流闸15向X扫描磁铁9和Y扫描磁铁10引出束流以照射目标组织；

慢控制系统4配置为：监测主剂量电离室11、次剂量电离室12以及位置电离室13的运行状态(包括主剂量电离室11、次剂量电离室12以及位置电离室13中需要慢反馈的辅助设施(如与高压和气流相关的辅助设施))，并向照射控制系统2输出相应的运行状态信息，以使照射控制系统2根据该运行状态信息向加速器定时系统1输出或停止输出定时触发信号，并向照射监测系统3输出第一事件码指令。

如图2所示，在本发明中，照射控制系统2和照射监测系统3采用一个VME架构(Versa Module Eurocard)实现，该VME架构中还至少包括2块CPU板21、22，其中一块CPU板21通过网线连接加速器控制系统14以实现与环加速器7的参数传递，另一块CPU板22通过网线连接外围的治疗终端控制系统200以实现治疗终端用户的操作。

再如图2所示，在本发明中，照射控制系统2包括照射控制器20；照射监测系统3包括与照射监测器20连接的照射监测器30；

加速器定时系统1包括与照射控制器20、照射监测器30、加速器控制系统14以及环加速器7连接的定时控制器100；

扫描磁铁电源8包括通过多模光纤与照射控制器20连接的扫描磁铁电源控制器80，其用于接收照射控制器20输出的照射条件设定信息，从而设置扫描电源输出电流；

主剂量电离室11内设置有主剂量测量模块110，其通过多模光纤与照射控制器20连接以输出主剂量信息；

次剂量电离室12内设置有次剂量测量模块120，其通过多模光纤与照射监测器连接以输出次剂量信息；

位置电离室13内设置有位置U测量模块130和位置V测量模块131，其中，位置U测量模块130通过多模光纤与照射监测器30连接以输出U方向的束流位置信息(包括：U方向的束流位置及尺寸数据、U方向扫描磁场数据、位置电离室的高压电源控制与输出监控信息)，位置V测量模块131通过多模光纤与照射监测器30连接以输出V方向的束流位置信息(包括：V方向的束流位置及尺寸数据，V方向扫描磁场数据，位置电离室输出监控信息)。本领域技术人员应当理解，U方向和V方向属于本领域公知常识，在此不再赘述。

另外，再如图2所示，本发明还可以包括运动监控装置132、联锁控制器40、呼吸门控设备50以及加速器参数测量设备60，其中：

运动监控装置132通过多模光纤与照射监测器30连接，其用于连接外围治疗头中的运动控制设备(图中未示)以读取运动监控数据，从而监视运动控制设备的具体运行状态；

联锁控制器40通过多模光纤与照射控制器20以及照射监测器30连接，其根据照射控制器20和/或照射监测器30输出的束流中断或束流继续指令，控制环加速器7中断产生或继续产生束流。例如，当照射控制器20检测到主剂量信息始终无法达到设置值时，向联锁控制器40输出束流中断指令以控制环加速器7中断产生束流；当照射监测器30监测到次剂量电离室12或者位置电离室13或者外围治疗头中的运动控制设备发生错误时，向联锁控制器40输出束流中断指令以控制环加速器7中断产生束流，当错误纠正后，向联锁控制器40输出束流继续指令以控制环加速器7继续产生束流。

呼吸门控设备50通过多模光纤与照射控制器20连接，从而向呼吸门控设备50传输呼吸门控信号以触发束流开关，同时接收呼吸门控设备50传输的呼吸信号数据以用于运动器官治疗；

加速器参数测量设备60通过多模光纤与照射控制器20连接，以用于在照射前验证加速器正常工作下所需的参数值是否正确。

通过以上方式，照射控制系统2可以实现快速的信息传递和验证，高效的保证了照射扫描算法的快速安全实施和剂量率的提高。

下面结合图1-图4，基于辐照扫描装置的上述结构，对本发明的工作原理，即，本发明之二所述的辐照扫描方法，进行详细说明。

本发明的辐照扫描方法包括以下步骤：

步骤S1，利用照射控制系统2根据照射条件设定信息以及主剂量信息，向加速器定时系统1输出或停止输出定时触发信号，并向照射监测系统3输出第一事件码指令，以指示：照射控制系统2已输出或已停止输出定时触发信号；在本实施例中，步骤S1还包括：利用慢控制系统4监测主剂量电离室11、次剂量电离室12以及位置电离室13的运行状态，并向照射控制系统2输出相应的运行状态信息，以使照射控制系统2根据该运行状态信息向加速器定时系统1输出或停止输出定时触发信号，并向照射监测系统3输出第一事件码指令；

步骤S2，当第一事件码指令指示照射控制系统2已停止输出定时触发信号时，照射监测系统3停止工作；当第一事件码指令指示照射控制系统2已输出定时触发信号时，利用照射监测系统3根据照射条件设定信息以及次剂量信息和束流位置信息，向加速器定时系统1输出发送束流指令或停止束流指令，并向照射控制系统2输出第二事件码指令，以指示：照射监测系统3已输出发送束流指令或停止束流指令；当照射监测系统3已输出停止束流指令时，照射控制系统2停止输出定时触发信号，并向照射监测系统3输出第一事件码指令；以及

步骤S3，当加速器定时系统1接收到定时触发信号以及发送束流指令时，向加速器控制系统14输出出射控制指令，以控制引出设备6从环加速器7引出束流以照射目标组织；当加速器定时系统1接收到停止束流指令时，停止输出出射控制指令。

至此，反复执行上述步骤S1-S3，直至依次完成目标组织的每一层的每一行的每一点位置的照射。

在本发明的方法中，还包括在执行上述步骤S1之前执行步骤S0，其包括：

步骤S01，利用加速器控制系统14根据照射控制系统2输出的照射条件设定信息和照射准备流程启动指令(如图3中箭头A’所示)，启动环加速器7中预设的粒子加速流程，并查询粒子加速流程是否结束(如图3中箭头B’所示)；

步骤S02，当粒子加速流程结束后，利用加速器控制系统14根据照射条件设定信息设置环加速器，并检测所述环加速器的参数是否达到设置值(如图3中箭头B’所示)；

步骤S03，利用加速器控制系统14根据照射条件设定信息向与其连接的加速器束流传输设备17输出束流传输参数，并查询该束流传输参数的输入是否有效(如图3中箭头C’所示)；

步骤S04，当加速器束流传输设备17的参数达到设置值，且束流传输参数的输入有效时，利用加速器控制系统14向与其连接的束流闸15发送打开指令，请求束流通过，同时检测该束流闸是否打开(如图3中箭头D’所示)；以及

步骤S05，当束流闸15打开后，利用加速器控制系统14向照射控制系统2反馈束流闸15、环加速器7以及加速器束流传输设备17的状态参数(如图3中箭头E’所示)，以使照射控制系统2执行步骤S1。

在本发明的方法中，还包括在执行上述步骤S2的同时，执行步骤S4，其包括：

步骤S41，当加速器定时系统接1收到定时触发信号后(如图4中箭头A所示)，根据照射条件设定信息设置环加速器7照射目标组织当前层所需的参数，以准备照射(如图4中箭头B所示)；

步骤S42，利用照射控制系统2根据照射条件设定信息向加速器控制系统14输出照射目标组织下一层所需的参数(如图4中箭头C所示)；

步骤S43，利用加速器控制系统14向加速器定时系统1、环加速器7以及加速器束流传输设备17输出照射目标组织下一层所需的参数(如图4中箭头D所示)，并检测环加速器7的参数能否达到设置值，以及查询加速器束流传输设备17的参数输入是否有效；

步骤S44，利用加速器控制系统14向照射控制系统2反馈环加速器7以及加速器束流传输设备17的状态参数(如图4中箭头E所示)。

在本发明的方法的实施过程中，在步骤S1中，利用照射控制系统2通过读取并比对主剂量电离室11内的主剂量测量模块110实时测量的主剂量信息以执行或终止扫描过程。具体来说，当剂量未达到预设剂量时，发送定时触发信号使扫描继续，当剂量在正常扫描情况下达到扫描剂量预设值时，照射控制系统2向加速器定时系统1中的定时控制器100实时传递当前照射信息并发送定时触发信号触发下一个照射时序。

在本发明的方法的实施过程中，在步骤S2中，利用照射监测系统3通过读取次剂量电离室12内的次剂量测量模块120实时测量的次剂量信息以及位置电离室13内位置U测量模块130、位置V测量模块131实时测量的束流位置信息，并与预设的照射条件设定信息比对，从而监视和记录整个扫描过程，最后储存次剂量电离室12和位置电离室13的次剂量信息数值和束流位置信息数值。

进一步地，在本发明的方法的实施过程中，在步骤S3中，当加速器控制系统14接收到出射控制指令后，开始实施照射。当然，在照射开始前，照射控制系统2也可以再次通过加速器控制系统14确认对加速器束流传输设备17的束流传输参数，其中包括重要的表征质子束束流的能量、流强、发射度等信息。确认正确的情况下，开始准备对目标点进行照射。照射控制系统2再次确认U、V方向上的扫描参数；确认完毕打开束流对目标点实施照射。

如图5所示，当主剂量测量模块110的测量值达到预定值时关断束流；同时，次剂量测量模块120测量该点的精确剂量，位置U测量模块130和位置V测量模块131同时测量照射束斑的大小与位置。在确认当前照射点照射完毕后，改变U方向上扫描位置使下一点成为目标点。然后，根据本行照射完成与否改变V方向上的扫描位置，依次开始照射下一行。当确认当前照射层照射结束时，根据目标照射区域的下一层参数改变引出能量，开始照射下一层直至照射流程结束。另外，在本发明中，当主剂量测量模块110失效时，次剂量测量模块120发送停止信号，中止照射。

进一步地，如图6所示，在照射过程中照射控制系统2向加速器定时系统1发出定时触发信号指令后，将从照射控制系统2中输入的参数(如输出束流能量、输出束流强度等)通过参数表转换为同步加速器磁聚焦参数、高能输运线磁聚焦参数和RF-KO强度参数并进行设置，然后开始加速器束流加速周期，一个完整的运行周期如图6所示：在T0时刻，离子源被触发，注入器产生质子束流；在T1时刻，束流经过注入器和低能输运线注入到储能环，同时升能开始；在T2时刻，升能结束；在T3时刻，开始照射；在T4时刻，结束照射；在T5时刻，机器继续升能，其中，升能时间小于1s，如T1时刻至T2时刻的时间为0.7s；引出时间(即从开始照射至下一次升能)可为几秒时间不等，如T2时刻至T5时刻的时间是0.1～10s。

本实施例的特点在于在加速器时序中：T0时刻是由照射控制系统2触发的，对应图4中箭头A；T0–T3的时序和T4–T5的时序根据引出束流能量由加速器定时系统1决定，照射控制系统2不做更改；T3–T4的时序由照射控制系统2确定；从T3时刻开始，照射控制系统2要判断各个加速器参数的状态并进行验证，验证通过之后，才能允许打开束流闸15；T4时刻是由照射控制系统2触发的，对应图4中箭头C；注入器开始工作的触发信号、质子同步加速器开始升能/结束升能的触发信号、同步加速器关闭/打开RF-KO的触发信号和同步加速器开始降能/结束降能的触发信号均由照射控制系统2提供。因此，加速器定时系统1的触发信号发生器放置在照射控制系统2中。在治疗运动器官时，这些触发信号与呼吸门控系统同步。当加速器工作异常时，联锁控制器40发出信号将使加速器关闭质子束流。同时，根据该异常的严重情况，照射控制系统2暂停照射或者停止照射。

在本发明中，照射控制系统2和照射监测系统3分别直接与加速器定时系统1连接以传递参数并实现快速的信息传递和验证，高效的保证了照射扫描算法的快速安全实施和剂量率的提高。

本发明采用VME架构，并使用纯硬件化的FPGA，照射控制器与照射监测器执行和监控整个扫描过程时所需的响应时间在100纳秒级别。而且为了提高系统可靠性，VME板的CPU仅用来上传和下载扫描执行文件和扫描记录，不直接与照射过程发生关系。

在慢控制系统中实现控制不需要快速反应响应时间在毫秒级别的设备，如剂量测量模块与位置测量模块的高压与气流等辅助设施。本发明中的照射所需加速器参数以及照射准备流程启动指令等信息通过网络接口传输至加速器控制系统；加速器定时系统则通过多模光纤直接连接照射控制系统和照射监测系统接收定时触发信号，实现了信息的分级传输，该方法更加直接且高效地优化了控制的结构，避免了冗长的逻辑传递和验证，实现了快速的扫描算法，高效实现引出流强时间随照射需求可控，从而提高剂量率。

另外，加速器定时系统通过直接连接照射控制系统、照射监测系统和束流加速器控制系统以控制治疗开始、暂停和结束。由照射控制系统、照射监测系统和束流加速器控制系统直接连接联锁控制器传递参数以实现快速的信息传递和验证，实现剂量率的提高。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (13)

1.一种基于硬件控制的辐照扫描装置，其包括：照射控制系统；照射监测系统；加速器定时系统；以及加速器控制系统，其根据所述加速器定时系统输出的出射控制指令，控制一引出设备从一环加速器引出束流以照射目标组织；其特征在于，

所述照射控制系统配置为：根据预设的照射条件设定信息以及通过一主剂量电离室采集的所述目标组织的不同位置处的主剂量信息，向所述加速器定时系统输出或停止输出含有所述照射条件设定信息的定时触发信号，并向所述照射监测系统输出第一事件码指令，以指示：所述照射控制系统已输出或已停止输出所述定时触发信号；

所述照射监测系统配置为：根据所述第一事件码指令，当所述照射控制系统已停止输出所述定时触发信号时，停止工作，当所述照射控制系统已输出所述定时触发信号时，根据所述照射条件设定信息以及通过一次剂量电离室采集的所述目标组织的不同位置处的次剂量信息和通过一位置电离室采集的所述目标组织的不同位置处的束流位置信息，向所述加速器定时系统输出发送束流指令或停止束流指令，并向所述照射控制系统输出第二事件码指令，以指示：所述照射监测系统已输出发送束流指令或停止束流指令；当所述照射监测系统已输出停止束流指令时，所述照射控制系统停止输出所述定时触发信号，并向所述照射监测系统输出所述第一事件码指令；

所述加速器定时系统配置为：当接收到所述定时触发信号以及所述发送束流指令时，输出所述出射控制指令，当接收到所述停止束流指令时，停止输出所述出射控制指令；

其中，所述照射监测系统和所述照射控制系统采用一VME架构实现。

2.根据权利要求1所述的基于硬件控制的辐照扫描装置，其特征在于，所述加速器控制系统配置为：在所述照射控制系统输出所述定时触发信号之前，根据所述照射控制系统输出的所述照射条件设定信息以及照射准备流程启动指令，启动所述环加速器，设置该环加速器以及与该加速器控制系统连接的加速器束流传输设备，控制与该加速器控制系统连接的束流闸开启，并向所述照射控制系统反馈所述束流闸、所述环加速器以及所述加速器束流传输设备的状态参数。

3.根据权利要求1所述的基于硬件控制的辐照扫描装置，其特征在于，该装置还包括：慢控制系统，其监测所述主剂量电离室、所述次剂量电离室以及所述位置电离室的运行状态，并向所述照射控制系统输出相应的运行状态信息，以使所述照射控制系统根据该运行状态信息向所述加速器定时系统输出或停止输出所述定时触发信号，并向所述照射监测系统输出所述第一事件码指令。

4.根据权利要求1所述的基于硬件控制的辐照扫描装置，其特征在于，该装置还包括：通过一扫描磁铁电源与所述照射控制系统连接的X扫描磁铁和Y扫描磁铁；所述照射控制系统还配置为：根据所述照射条件设定信息，通过所述扫描磁铁电源控制所述X扫描磁铁和Y扫描磁铁移动至相应的扫描位置。

5.根据权利要求1所述的基于硬件控制的辐照扫描装置，其特征在于，该装置还包括：与所述照射控制系统以及所述照射监测系统连接的联锁控制器，其根据所述照射控制系统和/或所述照射监测系统输出的束流中断或束流继续指令，控制所述环加速器中断产生或继续产生束流。

6.根据权利要求1所述的基于硬件控制的辐照扫描装置，其特征在于，该装置还包括：与所述照射控制系统连接的呼吸门控设备。

7.根据权利要求1所述的基于硬件控制的辐照扫描装置，其特征在于，该装置还包括：与所述照射控制系统连接的加速器参数测量设备。

8.根据权利要求1所述的基于硬件控制的辐照扫描装置，其特征在于，该装置还包括：与所述照射监测系统连接的运动监控装置。

9.根据权利要求1所述的基于硬件控制的辐照扫描装置，其特征在于，所述照射控制系统包括照射控制器，所述照射监测系统包括与所述照射控制器连接的照射监测器，所述加速器定时系统包括与所述照射控制器、所述照射监测器、所述加速器控制系统以及所述环加速器连接的定时控制器。

10.根据权利要求1所述的基于硬件控制的辐照扫描装置，其特征在于，所述主剂量电离室内设置有主剂量测量模块，其通过多模光纤与所述照射控制系统连接以输出所述主剂量信息。

11.根据权利要求1所述的基于硬件控制的辐照扫描装置，其特征在于，所述次剂量电离室内设置有次剂量测量模块，其通过多模光纤与所述照射监测系统连接以输出所述次剂量信息。

12.根据权利要求1所述的基于硬件控制的辐照扫描装置，其特征在于，所述位置电离室内设置有位置U测量模块以及位置V测量模块，其中，所述位置U测量模块通过多模光纤与所述照射监测系统连接以输出U方向的所述束流位置信息，所述位置V测量模块通过多模光纤与所述照射监测系统连接以输出V方向的所述束流位置信息。

13.根据权利要求4所述的基于硬件控制的辐照扫描装置，其特征在于，所述扫描磁铁电源包括通过多模光纤与所述照射控制系统连接的扫描磁铁电源控制器。