CN114859393B - 一种具有自恢复功能的放疗剂量监测装置 - Google Patents

一种具有自恢复功能的放疗剂量监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有自恢复功能的放疗剂量监测装置，该装置包括至少一个剂量探测器单元、至少一个自恢复电流频率转换单元、FPGA单元和放疗控制单元；各所述剂量探测器单元设置在放疗终端，用于对所述放疗终端的束流信号进行探测，并输出连续的电流脉冲信号；各所述自恢复电流频率转换单元用于将各所述剂量探测器单元输出的电流脉冲信号转换成数字脉冲信号；所述FPGA单元用于根据各路数字脉冲信号计算得到相应的辐照总电荷量Q；所述放疗控制单元用于根据总电荷量Q与实际辐照剂量成正比的关系得到对应的辐照剂量。本发明可以广泛应用于医用粒子放疗设备领域。

Description

一种具有自恢复功能的放疗剂量监测装置
技术领域
本发明属于医用粒子放疗设备领域，尤其涉及一种粒子放疗中的具有自恢复功能的放疗剂量监测装置。
背景技术
在粒子放疗装置中，辐照剂量监测是影响治疗安全和放疗效果的关键因素。在高精度的粒子放疗系统中，治疗终端输出的束流在对人体癌细胞进行放疗时，需要精准的标定辐照剂量，该辐照剂量对应于标定杀死病灶处癌细胞所需的能量，进而确定放疗辐照时长。
然而，常规的剂量监测装置存在着精准度低、稳定性差、故障率高、可靠性差等问题，这些问题会造成放疗效果不理想、浪费放疗束流资源、增加病人安全风险和医疗成本等后果。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有自恢复功能的放疗剂量监测装置，该装置结构简单、性能稳定、精度高，且能够对辐照剂量实时监测，可以广泛应用于粒子放疗系统中的剂量监测中。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种具有自恢复功能的放疗剂量监测装置，包括：至少一个剂量探测器单元、至少一个自恢复电流频率转换单元、FPGA单元和放疗控制单元；各所述剂量探测器单元设置在放疗终端，用于对所述放疗终端的束流信号进行探测，并输出连续的电流脉冲信号；各所述自恢复电流频率转换单元用于将各所述剂量探测器单元输出的电流脉冲信号转换成数字脉冲信号；所述FPGA单元用于根据各路数字脉冲信号计算得到相应的辐照总电荷量Q；所述放疗控制单元用于根据总电荷量Q与实际辐照剂量成正比的关系得到对应的辐照剂量。
进一步，各所述剂量探测器单元参数相同，输出电流脉冲信号一致。
进一步，当包含两个以上所述剂量探测器单元时，各所述剂量探测器单元对应连接的所述自恢复电流频率转换单元的灵敏度规格不同。
进一步，所述自恢复电流频率转换单元包括：积分器、第一脉冲转换支路、第二脉冲转换支路、恢复泄放控制模块、ΔQ泄放控制模块以及输出脉冲生成器；所述积分器的输出端分别与所述第一脉冲转换支路和第二脉冲转换支路相连；所述第一脉冲转换支路的输出端分别与输出脉冲生成器和ΔQ泄放控制模块相连，所述输出脉冲生成器和ΔQ泄放控制模块的输出端分别与所述FPGA单元和积分器相连；所述第二脉冲转换支路的输出端经恢复泄放控制模块与积分器相连，该恢复泄放控制模块用于对积分器中积分电容两端的开关泄放进行控制。
进一步，所述第一脉冲转换支路和第二脉冲转换支路结构相同，均包括电路比较器和脉冲生成器，且所述第二脉冲转换支路中电路比较器的阈值电压高于所述第一脉冲转换支路中电路比较器的阈值电压。
进一步，所述FPGA单元包括至少一个计数器模块和数据处理及传输模块；各所述计数器模块与各所述自恢复电流频率转换单元相连，用于根据数字脉冲信号产生累加的脉冲个数值N；所述数据处理及传输模块用于根据脉冲个数值N计算总电荷量Q并上传至放疗控制单元，同时接收放疗控制单元发送的配置信号。
进一步，所述数据处理及传输模块计算所述总电荷量Q的方法为：根据脉冲个数值N与自恢复电流频率转换单元所标定的单个脉冲所代表的电荷量ΔQ，计算得到对应的总电荷量Q＝N×ΔQ。
进一步，所述计数器模块采用离散的计数器器件、可编程的控制处理器、计数器插件、计数器模组中的任意一种。
进一步，所述放疗控制单元采用工控机、PC机或基于处理器的系统结合可视化的上位机软件来实现。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明采用自恢复电流(电荷)频率转换单元，改善了剂量监测中死机的故障，提高了剂量监测的可靠性，从而对提高放疗系统的精度和时效性、增加粒子束的使用效率、降低患者的放疗风险和治疗成本等方面都具有重要的实际意义。
2、本发明通过设置多条采集通道，采用相同的剂量探测器对束流信号进行探测，并与不同灵敏度规格的自恢复电流(电荷)频率转换单元进行相连，使得放疗控制单元能够对多种灵敏度规格的计算结果进行对比和计算，以确保获得的辐照剂量值精准无误。
3、本系统还可以广泛应用于其它一些需要对辐照剂量进行监测的终端，如单粒子辐照终端和辐照育种终端等。
因此，本发明可以广泛应用于医用粒子放疗设备领域。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的具有自恢复功能的放疗剂量监测装置结构框图；
图2是本发明实施例提供的自恢复电流(电荷)频率转换模块设计框图；
图3是本发明另一实施例提供的具有自恢复功能的放疗剂量监测装置结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明提供一种具有自恢复功能的放疗剂量监测装置，包括：至少一个剂量探测器单元、至少一个自恢复电流(电荷)频率转换单元、FPGA单元和放疗控制单元；各所述剂量探测器单元设置在放疗终端，用于对所述放疗终端的束流信号进行探测，并输出连续的电流脉冲信号；各所述自恢复电流(电荷)频率转换单元用于将各所述剂量探测器单元输出的电流脉冲信号转换成数字脉冲信号；所述FPGA单元用于根据各路数字脉冲信号计算得到相应的辐照总电荷量Q；所述放疗控制单元用于根据总电荷量Q与实际辐照剂量成正比的关系得到对应的辐照剂量。该装置改善了剂量监测中死机的故障，提高了剂量监测的可靠性，从而对提高放疗系统的精度和时效性、增加粒子束的使用效率、降低患者的放疗风险和治疗成本等方面都具有重要的实际意义。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种具有自恢复功能的放疗剂量监测装置，其包括：依次相连的剂量探测器单元、自恢复电流(电荷)频率转换单元、FPGA单元和放疗控制单元。其中，剂量探测器单元设置在放疗终端，用于对放疗终端的束流信号进行探测，并输出连续的电流脉冲信号；自恢复电流(电荷)频率转换单元用于将剂量探测器单元输出的电流脉冲信号转换成数字脉冲信号；FPGA单元用于根据数字脉冲信号计算得到辐照总电荷量Q；放疗控制单元用于根据总电荷量Q与实际辐照剂量成正比的关系得到对应的辐照剂量。
优选地，剂量探测器单元，主要是指用于探测束流强度的探测器，将束流强度信息转换成连续的电流脉冲信号，如气体探测器中的积分电离室等。
优选地，自恢复电流(电荷)频率转换单元，主要将剂量探测器单元输出的宽量程范围电流脉冲信号转换成数字脉冲信号。
如图2所示，本实施例中，自恢复电流(电荷)频率转换单元包括：积分器、第一脉冲转换支路、第二脉冲转换支路、恢复泄放控制模块、ΔQ泄放控制模块以及输出脉冲生成器。其中，积分器的输出端分别与第一脉冲转换支路和第二脉冲转换支路相连；第一脉冲转换支路的输出端分别与输出脉冲生成器和ΔQ泄放控制模块相连，输出脉冲生成器和ΔQ泄放控制模块的输出端分别与FPGA单元和积分器相连；第二脉冲转换支路的输出端经恢复泄放控制模块与积分器相连，该恢复泄放控制模块用于对积分器中积分电容两端的开关泄放进行控制。
更为优选地，第一脉冲转换支路和第二脉冲转换支路结构相同，均包括电路比较器和脉冲生成器，且第二脉冲转换支路中电路比较器的阈值电压高于第一脉冲转换支路中电路比较器的阈值电压。
实际上，第二脉冲转换支路与恢复泄放控制模块共同构成自恢复功能电路单元，自恢复功能电路单元的加入使得该电路在死机后能够自动恢复并重新工作。没有此自恢复功能电路单元的电流(电荷)频率转换模块在工作过程中，如果前端剂量探测器输出的信号瞬间增大较多的时候，ΔQ泄放控制单元泄放的电荷量不足以使积分器输出端的电压小于阈值电压1，将会使得整个电流(电荷)频率转换模块死机，不再工作。而增加该自恢复功能电路单元后，可以实现自恢复功能。
优选地，通过调节自恢复电流(电荷)频率转换单元中的相关参数，主要包括积分器中的积分电容大小、控制单次泄放电荷量对应电容与电阻的大小等参数，调节方法为本领域技术人员公知技术，本发明在此不再赘述。进而设计为不同灵敏度规格，如0.5pC/脉冲、1pC/脉冲、2pC/脉冲、5pC/脉冲、10pC/脉冲等，在一个粒子放疗终端中可以组合使用多种灵敏度规格的该模块，在最终的放疗控制系统中进行对比和计算，以确保获得的辐照剂量值精准无误。
优选地，FPGA单元包括计数器模块和数据处理及传输模块，基于FPGA器件和一些外围电路模块来实现，外围电路模块主要包括供电模块、固件代码、千兆网口等。其中，计数器模块与自恢复电流(电荷)频率转换单元相连，用于根据数字脉冲信号产生累加的脉冲个数值N；数据处理及传输模块用于根据脉冲个数值N与自恢复电流(电荷)频率转换单元所标定的单个脉冲所代表的电荷量ΔQ，计算得到对应的总电荷量Q＝N×ΔQ后上传至上位机，同时接收上位机发送的配置信号，如开始计数指令、结束计数指令、计数器清零指令等。
优选地，计数器模块，主要是对自恢复电流(电荷)频率转换模块输出的脉冲数进行计数，可采用离散的计数器器件、可编程的控制处理器(如CPLD、FPGA、DSP等)、计数器插件、计数器模组等来实现。
优选地，数据处理及传输模块，主要是将一定时间内所统计的脉冲个数值N与自恢复电流(电荷)频率转换模块所标定的单个脉冲所代表的电荷量ΔQ进行计算得到对应的总电荷量Q＝N×ΔQ，并通过数据传输接口将总电荷量Q上传至放疗控制模块。可采用可编程的控制处理器(如CPLD、FPGA、DSP等)设计乘法器来实现乘法计算，数据传输接口可以是网口、光模块接口等数据传输接口。
优选地，放疗控制单元，主要是通过将一定时长范围内的总电荷量Q与实际辐照剂量的对应关系进行计算得到对应的辐照剂量，同时还将对应的计数起止时间下发给数据处理及传输模块。放疗控制单元可采用工控机、PC机、基于处理器的系统结合可视化的上位机软件来实现。
优选地，为了进一步提高对放疗剂量监测的准确度和稳定性，剂量探测器单元、自恢复电流(电荷)频率转换单元和FPGA单元可以设置为多路信号采集监测。
如图3所示，剂量探测器单元采用双剂量探测器，两剂量探测器的输出信号分别输入到两个具有不同灵敏度规格的自恢复电流(电荷)频率转换单元中，两自恢复电流(电荷)频率转换单元输入到FPGA单元中的不停计数器模块中进行计数，并由数据处理及传输模块进行总电荷量Q的计算，发送到放疗控制单元中。
优选地，该双剂量探测器由双层膜的积分电离室组成，可以采用紧密放在一起两个单通道积分电离室组合来实现，主要实现将探测到的束流强度转化为电流脉冲信号，双剂量探测器输出双通道的电流脉冲信号I1和I2，并且满足I1＝I2。
优选地，两自恢复电流(电荷)频率转换单元，采用灵敏度分别是0.5pC/脉冲和5pC/脉冲两种灵敏度规格的模块电路，这样组合使得一路进行粗测量，另外一路进行细测量，通过数据对比计算进而可以判断辐照剂量的准确性。主要实现将输入的电流信号I1和I2按照不同的灵敏度转换成数字脉冲信号。
本实施例中提供的具有自恢复功能的放疗剂量监测装置，为了增加粒子放疗系统的可靠性，采用了自恢复电流(电荷)频率转换模块；为了提高系统的剂量监测精度和稳定性，可以通过调节自恢复电流(电荷)频率转换模块中的相关参数进而设计为不同灵敏度规格，在一个粒子放疗终端中可以组合使用多种灵敏度规格的该模块电路，如0.5pC/脉冲、1pC/脉冲、2pC/脉冲、5pC/脉冲、10pC/脉冲等，在最终的放疗控制系统中进行对比和计算，以确保获得的辐照剂量值精准无误。
例如，自恢复电流(电荷)频率转换单元分别采用0.5pC/脉冲和5pC/脉冲灵敏度规格，0.5pC/脉冲的步进精度是0.5pC，而5pC/脉冲的步进精度是5pC，比如针对102pC的Q，0.5pC/脉冲的电路计数值是204个，可以精确测到，而5pC/脉冲只能测到20个计数值，电荷量为100pC，误差较大，双剂量探测器的使用主要用于确保系统的可靠性和准确性，如果0.5pC/脉冲的测到是102pc，而5pC/脉冲的测到的是100pc，那么这时候肯定以高精度的为准；如果一个电路坏了，则以没有坏的一个为准；两个都没坏但是数据相差较大，则可以做平均计算，得到Q。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种具有自恢复功能的放疗剂量监测装置，其特征在于，包括：
至少一个剂量探测器单元、至少一个自恢复电流频率转换单元、FPGA单元和放疗控制单元；
各所述剂量探测器单元设置在放疗终端，用于对所述放疗终端的束流信号进行探测，并输出连续的电流脉冲信号；
各所述自恢复电流频率转换单元用于将各所述剂量探测器单元输出的电流脉冲信号转换成数字脉冲信号；
所述FPGA单元用于根据各路数字脉冲信号计算得到相应的辐照总电荷量Q；
所述放疗控制单元用于根据总电荷量Q与实际辐照剂量成正比的关系得到对应的辐照剂量；
所述自恢复电流频率转换单元包括：积分器、第一脉冲转换支路、第二脉冲转换支路、恢复泄放控制模块、ΔQ泄放控制模块以及输出脉冲生成器；
所述积分器的输出端分别与所述第一脉冲转换支路和第二脉冲转换支路相连；
所述第一脉冲转换支路的输出端分别与输出脉冲生成器和ΔQ泄放控制模块相连，所述输出脉冲生成器和ΔQ泄放控制模块的输出端分别与所述FPGA单元和积分器相连；
所述第二脉冲转换支路的输出端经恢复泄放控制模块与积分器相连，该恢复泄放控制模块用于对积分器中积分电容两端的开关泄放进行控制；
所述第一脉冲转换支路和第二脉冲转换支路结构相同，均包括电路比较器和脉冲生成器，且所述第二脉冲转换支路中电路比较器的阈值电压高于所述第一脉冲转换支路中电路比较器的阈值电压。
2.如权利要求1所述的一种具有自恢复功能的放疗剂量监测装置，其特征在于，各所述剂量探测器单元参数相同，输出电流脉冲信号一致。
3.如权利要求1所述的一种具有自恢复功能的放疗剂量监测装置，其特征在于，当包含两个以上所述剂量探测器单元时，各所述剂量探测器单元对应连接的所述自恢复电流频率转换单元的灵敏度规格不同。
4.如权利要求1所述的一种具有自恢复功能的放疗剂量监测装置，其特征在于，所述FPGA单元包括至少一个计数器模块和数据处理及传输模块；各所述计数器模块与各所述自恢复电流频率转换单元相连，用于根据数字脉冲信号产生累加的脉冲个数值N；所述数据处理及传输模块用于根据脉冲个数值N计算总电荷量Q并上传至放疗控制单元，同时接收放疗控制单元发送的配置信号。
5.如权利要求4所述的一种具有自恢复功能的放疗剂量监测装置，其特征在于，所述数据处理及传输模块计算所述总电荷量Q的方法为：根据脉冲个数值N与自恢复电流频率转换单元所标定的单个脉冲所代表的电荷量ΔQ，计算得到对应的总电荷量Q＝N×ΔQ。
6.如权利要求4所述的一种具有自恢复功能的放疗剂量监测装置，其特征在于，所述计数器模块采用离散的计数器器件、可编程的控制处理器、计数器插件、计数器模组中的任意一种。
7.如权利要求1所述的一种具有自恢复功能的放疗剂量监测装置，其特征在于，所述放疗控制单元采用工控机、PC机或基于处理器的系统结合可视化的上位机软件来实现。
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