CN111408069B - 一种用于超导质子治疗笔形束治疗头控制台装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于超导质子治疗笔形束治疗头控制台装置，包括控制面板、输入输出接口、硬件电路模块及上位监控系统。控制面板实现束流的准备、请求、终止等命令发送；输入输出接口能够同外部设备进行通信，能接收外来剂量脉冲信号，还能够执行一些触发事件；硬件电路模块实现数据监测、控制及状态监测、故障诊断、安全联锁等功能，控制台监控软件及外部设备进行通信；上位监控系统能够同硬件电路及扫描剂量系统进行通信，能够实时监测当前治疗状态、剂量信息及基本参数信息。本发明为超导质子治疗设备笔形束扫描治疗头提供一种操作及监测装置，旨在治疗过程中提供一个更加方便可视化的设备，并提高整个系统的安全可靠性。

Description

一种用于超导质子治疗笔形束治疗头控制台装置

技术领域

本发明涉及超导质子医疗设备技术领域，尤其涉及一种用于超导质子治疗笔形束治疗头控制台装置。

背景技术

传统的治疗癌症的手段包括化疗和放疗，治疗过程中，杀死癌细胞的同时，癌细胞周围的健康细胞也会受到伤害。质子治疗能够精准地杀死癌细胞并对周围健康细胞不造成伤害，是目前国际公认的治疗癌症最有效的手段，国际上质子设备厂商主要集中在美国、日本和欧洲等地区，我国质子重离子治疗的起步相对较晚。虽然质子治疗的优越性已经得到世界的认可，但造价贵、占地大、建设周期长。质子治疗系也统被国外垄断，其核心关键技术对中国封锁，亟待国产化、小型化，降低成套装置造价。

笔形束扫描技术是一种创新且极其精准的质子治疗方式。在治疗过程中，质子束可以更加精确打击在定位肿瘤的位置上，提高肿瘤的控制率同时降低漫散射和出束剂量对周围组织器官造成的副作用。笔形束将绝大多数剂量集中在肿瘤处，根据肿瘤的深度一层一层地“喷涂”，周围组织几乎不受照射。笔形束扫描治疗头是质子治疗的终端设备，承载着将质子束流传送到病人肿瘤处的功能。它的照射野范围、扫描点位置、剂量精度、安全防护措施、数据信息监测等都至关重要，目前，国内关于笔形束扫描治疗头的研发只是刚刚起步。

现有技术(CN107158583A)公开一种笔形束适形调强治疗头系统及实现方法，包括超导回旋加速器、能量选择系统、束斑调节装置、偏转二极铁、治疗头；所述超导回旋加速器引出固定能量的质子束，并调节质子束流强；所述能量选择系统将固定能量的质子束调节为治疗肿瘤所需的能量和能散，实现质子束在肿瘤中的纵向射程调节；所述质子束到达束斑调节装置，调节质子束的截面尺寸；所述质子束再经偏转二极铁到达治疗头，对质子束进行横向扩展。本发明将束流经过治疗头，可以减少因核碰撞产生二次辐射，提高束流在传输过程中利用率，照射野尺寸相对较大；通过协同控制扫描磁铁、能量选择系统和超导回旋加速器可以实现肿瘤整个区域的三维适形调强治疗。但是，目前关于超导质子治疗笔形束治疗头控制台装置鲜有报道，无法方便治疗头的控制操作及监测，治疗过程不够方便可视化，使得超导质子治疗系统的安全可靠性低。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种用于超导质子治疗笔形束治疗头控制台装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种用于超导质子治疗笔形束治疗头控制台装置，包括控制面板、输入输出接口、硬件电路模块、上位监控系统；

其中，控制面板用于实现束流的准备、请求、终止命令的发送；输入输出接口用于笔形束治疗头控制台装置与外部设备的通信，并接受外来剂量脉冲信号，执行触发事件；硬件电路模块用于与控制台监控软件及外部设备进行通信，实现数据监测、控制及状态监测、故障诊断、安全联锁；上位监控系统用于与硬件电路及扫描剂量系统进行通信，实时监测当前治疗状态、剂量信息及基本参数信息；剂量信息包括未经抑制的脉冲计数值、抑制后的脉冲计数值、计数阈值、剂量率；基本参数信息包括网络设置、版本信息、音频信息、连接信息；

输入输出接口包括以太网接口、光纤接口、脉冲计数接口、脉冲抑制接口、联锁接口；以太网接口用于笔形束治疗头控制台装置与局域网中扫描剂量系统与加速器接口模块的相互通信，光纤接口用于上传笔形束治疗头控制台装置的实时状态，脉冲计数接口用于接收束流剂量信息转换形成的TTL脉冲信号，脉冲抑制接口用于抑制无效脉冲，联锁接口用于触发外部动作；

硬件电路模块包括处理器模块、脉冲计数及脉冲抑制模块、指示灯模块、继电器模块；处理器模块用于读取脉冲计数值、执行上位监控系统发送的指令、监测各按钮状态、同上位监控系统及外部设备通信、自我诊断。

作为本发明进一步的方案，所述硬件电路模块包括控制板单片机、脉冲信号及脉冲抑制信号处理电路、联锁设备、蜂鸣器、光纤转换模块、工控机、按钮及旋钮、指示灯，控制板单片机与工控机、光纤转换模块通过串口连接，按钮及旋钮、指示灯、蜂鸣器、脉冲信号及脉冲抑制信号处理电路与控制板单片机信号连接，联锁设备与控制板单片机通过联锁继电器连接。

作为本发明进一步的方案，所述控制板单片机用于与上位监控系统进行实时信息交互，将硬件电路模块状态实时传送给上位监控系统，接收来自上位监控系统的计数阈值信息，并接收上位监控系统的其它指令，然后处理执行；剂量脉冲信号经过脉冲输入口，再由硬件电路处理后，计数值返回控制板单片机。

作为本发明进一步的方案，脉冲计数及脉冲抑制模块包括一路脉冲计数和两路脉冲抑制，经过电路转换得到未经抑制的脉冲计数值和经过抑制的脉冲计数值。

作为本发明进一步的方案，脉冲计数及脉冲抑制模块的具体处理方法为：一个脉冲输入口和两个脉冲抑制口经过电路处理得到两个数据，一个数据是未经抑制的脉冲称作未滤波脉冲，另一个数据是经过抑制的脉冲称作滤波脉冲；两个脉冲计数值输入至控制板单片机，并由控制板单片机发送给上位监控系统。

作为本发明进一步的方案，所述联锁接口包括紧急停止系统继电器触点、开启或暂停继电器触点、计数溢出继电器触点、三位旋钮开关继电器触点。

作为本发明进一步的方案，所述紧急停止系统包括一个主开关触点和一个冗余开关触点，其中任何一个触点被触发，都能够使治疗过程终止；计数溢出继电器触点在监测剂量值大于计数阈值时会被触发，终止治疗过程。

作为本发明进一步的方案，上位监控系统包括指示类功能模块、主显示区模块、参数查看模块，指示类功能模块包括硬件状态显示、系统状态显示、系统消息显示、日期时间显示，主显示区模块包括剂量信息显示、资料状态显示、治疗信息显示、音量调节显示，参数查看模块包括网络设置、版本信息、音频信息、连接信息。

作为本发明进一步的方案，所述控制面板包括三位旋钮开关、开启按钮、暂停按钮、紧急停止按钮、各类指示灯，三位旋钮开关包括关闭档位、准备档位和治疗挡位，各类指示灯包括准备指示灯、治疗指示灯、开启指示灯、暂停指示灯。

作为本发明进一步的方案，所述外部设备包括实时控制器、束流监测设备、安全联锁设备，触发事件包括系统故障、剂量溢出、操作错误。

本发明的有益效果：

1、本发明用于超导质子治疗笔形束治疗头控制台装置，包括控制面板、输入输出接口、硬件电路模块、上位监控系统；控制面板能够实现束流的准备、请求、终止命令的发送；输入输出接口能够实现笔形束治疗头控制台装置与外部设备的通信，并接受外来剂量脉冲信号；硬件电路模块能够与控制台监控软件及外部设备进行通信，实现数据监测、控制及状态监测、故障诊断、安全联锁；上位监控系统能够与硬件电路及扫描剂量系统进行通信，实时监测当前治疗状态、剂量信息及基本参数信息；该控制台装置为物理师提供了一个可操作可监控的平台，既方便了物理师操作，又便于信息集中监管，极大地提高了超导质子治疗系统的安全性和可操作性。

2、紧急停止系统包括一个主开关触点和一个冗余开关触点，其中任何一个触点被触发，都能够使治疗过程终止；计数溢出继电器触点在监测剂量值大于计数阈值时会被触发，终止治疗过程；通过触发多个开关触点和监测剂量值超过阈值时触发触点，提高了治疗过程中紧急停止的判定准确性和及时性。

3、脉冲计数与抑制过程中，一个脉冲输入口和两个脉冲抑制口经过电路处理，最终得到两个数据，一个数据是未经抑制的脉冲称作未滤波脉冲，另一个数据是经过抑制的脉冲称作滤波脉冲；两个脉冲计数值都会返回给控制板单片机，并由控制板单片机发送给上位监控系统；蜂鸣器会根据未滤波脉冲频率发出不同频率的滴答声，滴答频率与脉冲个数之间的关系可设定；实现了脉冲计数值监测的准确性和蜂鸣器报警及时性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明用于超导质子治疗笔形束治疗头控制台装置的组成框图。

图2为本发明用于超导质子治疗笔形束治疗头控制台装置的硬件电路模块组成图。

图3为本发明脉冲计数与脉冲抑制原理图。

图4为本发明上位监控系统的组成图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-4所示，本实施例提供一种用于超导质子治疗笔形束治疗头控制台装置，包括控制面板、输入输出接口、硬件电路模块、上位监控系统。其中，控制面板用于实现束流的准备、请求、终止命令的发送。输入输出接口用于笔形束治疗头控制台装置与外部设备的通信，并接受外来剂量脉冲信号，执行触发事件；其中，外部设备包括实时控制器、束流监测设备、安全联锁设备，触发事件包括系统故障、剂量溢出、操作错误等。硬件电路模块用于与控制台监控软件及外部设备进行通信，实现数据监测、控制及状态监测、故障诊断、安全联锁；上位监控系统用于与硬件电路及扫描剂量系统进行通信，实时监测当前治疗状态、剂量信息及基本参数信息。其中，剂量信息是指未经抑制的脉冲计数值、抑制后的脉冲计数值、计数阈值、剂量率，剂量单位采用MU；基本参数信息包括网络设置、版本信息、音频信息、连接信息。

具体地，控制面板包括三位旋钮开关、开启按钮、暂停按钮、紧急停止按钮、各类指示灯，三位旋钮开关包括关闭档位、准备档位和治疗挡位，各类指示灯包括准备指示灯、治疗指示灯、开启指示灯、暂停指示灯。

在治疗刚开始和治疗结束时三位旋钮开关处于关闭挡位，治疗过程中，首先要把旋钮从关闭位置旋转到准备位置，等待治疗指示灯闪烁，说明系统已授权并且束流准备就绪，可以将旋钮旋转到治疗位置。当三位旋钮开关处在治疗挡位，可以按下开启按钮开始治疗过程，治疗过程中可以按下暂停按钮暂停治疗，发生紧急情况，也可以按下紧急停止按钮快速终止束流。开启指示灯和暂停指示灯用来指示按钮是否可以被按下，指示灯亮则表示按钮可以被按下，指示灯灭表示按钮不可以被按下。

输入输出接口包括以太网接口、光纤接口、脉冲计数接口、脉冲抑制接口、联锁接口。以太网接口用于笔形束治疗头控制台装置与局域网中扫描剂量系统与加速器接口模块的相互通信，光纤接口用于上传笔形束治疗头控制台装置的实时状态，脉冲计数接口用于接收束流剂量信息转换形成的TTL脉冲信号，脉冲抑制接口用于抑制无效脉冲，联锁接口用于触发外部动作。例如，用于病人成像的X射线被离子室吸收后所产生的脉冲属于无效脉冲。联锁接口包括紧急停止系统继电器触点、开启或暂停继电器触点、计数溢出继电器触点、三位旋钮开关继电器触点。紧急停止系统包括一个主开关触点和一个冗余开关触点，其中任何一个触点被触发，都能够使治疗过程终止。计数溢出继电器触点在监测剂量值大于计数阈值时会被触发，终止治疗过程。

硬件电路模块包括处理器模块、脉冲计数及脉冲抑制模块、指示灯模块、继电器模块。处理器模块用于读取脉冲计数值、执行上位监控系统发送的指令、监测各按钮状态、同上位监控系统及外部设备通信、自我诊断。脉冲计数及脉冲抑制模块包括一路脉冲计数和两路脉冲抑制，经过电路转换得到未经抑制的脉冲计数值和经过抑制的脉冲计数值。同时还包含一个蜂鸣器，蜂鸣器的滴答频率用于指示未经抑制的脉冲频率的大小。

具体地，硬件电路模块包括控制板单片机、脉冲信号及脉冲抑制信号处理电路、联锁设备、蜂鸣器、光纤转换模块、工控机、按钮及旋钮、指示灯，控制板单片机与工控机、光纤转换模块通过串口连接，按钮及旋钮、指示灯、蜂鸣器、脉冲信号及脉冲抑制信号处理电路与控制板单片机信号连接，联锁设备与控制板单片机通过联锁继电器连接。

控制板单片机用于与上位监控系统进行实时信息交互，将硬件电路模块状态实时传送给上位监控系统，接收来自上位监控系统的计数阈值信息，并接收上位监控系统的其它指令，然后处理执行。剂量脉冲信号经过脉冲输入口，再由硬件电路处理后，计数值返回控制板单片机。

图3所示是脉冲计数与脉冲抑制原理图，一个脉冲输入口和两个脉冲抑制口经过电路处理，最终得到两个数据，一个数据是未经抑制的脉冲称作未滤波脉冲，另一个数据是经过抑制的脉冲称作滤波脉冲。两个脉冲计数值都会返回给控制板单片机，并由控制板单片机发送给上位监控系统。蜂鸣器会根据未滤波脉冲频率发出不同频率的滴答声，滴答频率与脉冲个数之间的关系可设定，例如采集脉冲个数＝滴答个数*100。

上位监控系统具有状态显示、数据实时显示、图形处理、参数信息查看功能，包括指示类功能模块、主显示区模块、参数查看模块，指示类功能模块包括硬件状态显示、系统状态显示、系统消息显示、日期时间显示，主显示区模块包括剂量信息显示、资料状态显示、治疗信息显示、音量调节显示，参数查看模块包括网络设置、版本信息、音频信息、连接信息。状态显示部分包括连接状态显示、治疗状态显示和操作指示，其中连接状态包括电缆连接状态和服务器软件连接状态，治疗状态包括关闭、准备前、准备、就绪、束流开启五种状态，箭头会指向当前所处状态，操作指示部分会提示当前状态及下一步操作，当出现异常，会在该位置显示异常信息。数据实时显示部分采集处理器及服务器软件发来的数据信息，将数据信息实时显示出来，包括未经抑制的脉冲计数值、抑制后的脉冲计数值、计数阈值、剂量率、治疗编号、扫描点编号。图形处理主要是将剂量率曲线实时显示在界面上。

实施例2

参阅图1-4所示，本实施例提供一种用于超导质子治疗笔形束治疗头控制台装置的工作方法，包括以下步骤：

S100、通电后观察上位监控系统中电缆连接指示和服务器软件连接指示，若都正常进行操作；

S200、将控制面板上的三位旋钮开关由关闭档位旋转到准备挡位，观察上位监控系统中治疗状态显示，治疗状态包括关闭、准备前、准备、就绪、束流开启五种状态；此时，箭头会指向准备前，处于准备前状态，准备接收来自客户端软件的授权；授权信息接收到之后，箭头会指向准备位置，处于准备状态，等待来自客户端软件的治疗编号、计数阈值、就绪许可；计数阈值大小由肿瘤大小决定；

S300、上位监控系统接收来自客户端软件的治疗编号、计数阈值和就绪许可信息后，下发指令给硬件电路模块，处理器模块接收到指令后，将治疗指示灯变为闪烁状态，表示可以将三位旋钮开关旋转到治疗位置，同时，在上位监控系统的操作提示区会显示“请将开关旋转到治疗位置”，治疗每一步状态在该位置都会有提示；

S400、在治疗过程中，通过上位监控系统实时监测治疗信息，包括未滤波脉冲计数、滤波脉冲计数、剂量率、扫描点编号等信息；不仅能够实时监测剂量信息、治疗信息、治疗状态，还能够在参数设置里查看网络设置、版本信息、音频信息、连接信息；

S500、在治疗过程中，若需要暂时停下来，按下暂停按钮，然后通过按下开启按钮继续治疗；开启按钮或暂停按钮被按下后，相应指示灯会灭掉，表示当前按钮已经被按下；当出现异常，上位监控系统操作指示区显示异常内容，通过按下紧急停止按钮快速结束治疗。此时，三位旋钮开关准备指示灯处于闪烁状态，表示需要把三位旋钮开关切换到准备位置；

S600、当滤波脉冲计数值达到计数阈值或超出计数阈值有效范围，本次治疗结束，上位监控系统会提示治疗结束；若是滤波脉冲计数值超出计数阈值有效范围，则会触发计数溢出继电器，强制束流关断。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于超导质子治疗笔形束治疗头控制台装置，其特征在于，包括控制面板、输入输出接口、硬件电路模块、上位监控系统；

其中，控制面板用于实现束流的准备、请求、终止命令的发送；输入输出接口用于笔形束治疗头控制台装置与外部设备的通信，并接受外来剂量脉冲信号，执行触发事件；硬件电路模块用于与控制台监控软件及外部设备进行通信，实现数据监测、控制及状态监测、故障诊断、安全联锁；上位监控系统用于与硬件电路及扫描剂量系统进行通信，实时监测当前治疗状态、剂量信息及基本参数信息；剂量信息包括未经抑制的脉冲计数值、抑制后的脉冲计数值、计数阈值、剂量率；基本参数信息包括网络设置、版本信息、音频信息、连接信息；

输入输出接口包括以太网接口、光纤接口、脉冲计数接口、脉冲抑制接口、联锁接口；以太网接口用于笔形束治疗头控制台装置与局域网中扫描剂量系统与加速器接口模块的相互通信，光纤接口用于上传笔形束治疗头控制台装置的实时状态，脉冲计数接口用于接收束流剂量信息转换形成的TTL脉冲信号，脉冲抑制接口用于抑制无效脉冲，包括用于病人成像的X射线被离子室吸收后所产生的脉冲属于无效脉冲，联锁接口用于触发外部动作；

硬件电路模块包括处理器模块、脉冲计数及脉冲抑制模块、指示灯模块、继电器模块；处理器模块用于读取脉冲计数值、执行上位监控系统发送的指令、监测各按钮状态、同上位监控系统及外部设备通信、自我诊断；

所述硬件电路模块包括控制板单片机、脉冲信号及脉冲抑制信号处理电路、联锁设备、蜂鸣器、光纤转换模块、工控机、按钮及旋钮、指示灯，控制板单片机与工控机、光纤转换模块通过串口连接，按钮及旋钮、指示灯、蜂鸣器、脉冲信号及脉冲抑制信号处理电路与控制板单片机信号连接，联锁设备与控制板单片机通过联锁继电器连接；

所述控制板单片机用于与上位监控系统进行实时信息交互，将硬件电路模块状态实时传送给上位监控系统，接收来自上位监控系统的计数阈值信息，并接收上位监控系统的其它指令，然后处理执行；剂量脉冲信号经过脉冲输入口，再由硬件电路处理后，计数值返回控制板单片机；

所述联锁接口包括紧急停止系统继电器触点、开启或暂停继电器触点、计数溢出继电器触点、三位旋钮开关继电器触点；

所述紧急停止系统包括一个主开关触点和一个冗余开关触点，其中任何一个触点被触发，都能够使治疗过程终止；计数溢出继电器触点在监测剂量值大于计数阈值时会被触发，终止治疗过程；

脉冲计数及脉冲抑制模块包括一路脉冲计数和两路脉冲抑制，经过电路转换得到未经抑制的脉冲计数值和经过抑制的脉冲计数值；

脉冲计数及脉冲抑制模块的具体处理方法为：一个脉冲输入口和两个脉冲抑制口经过电路处理得到两个数据，一个数据是未经抑制的脉冲称作未滤波脉冲，另一个数据是经过抑制的脉冲称作滤波脉冲；两个脉冲计数值输入至控制板单片机，并由控制板单片机发送给上位监控系统。

2.根据权利要求1所述的用于超导质子治疗笔形束治疗头控制台装置，其特征在于，上位监控系统包括指示类功能模块、主显示区模块、参数查看模块，指示类功能模块包括硬件状态显示、系统状态显示、系统消息显示、日期时间显示，主显示区模块包括剂量信息显示、资料状态显示、治疗信息显示、音量调节显示，参数查看模块包括网络设置、版本信息、音频信息、连接信息。

3.根据权利要求1所述的用于超导质子治疗笔形束治疗头控制台装置，其特征在于，所述控制面板包括三位旋钮开关、开启按钮、暂停按钮、紧急停止按钮、各类指示灯，三位旋钮开关包括关闭档位、准备档位和治疗挡位，各类指示灯包括准备指示灯、治疗指示灯、开启指示灯、暂停指示灯。

4.根据权利要求1所述的用于超导质子治疗笔形束治疗头控制台装置，其特征在于，所述外部设备包括实时控制器、束流监测设备、安全联锁设备，触发事件包括系统故障、剂量溢出、操作错误。

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