CN115040792B - 一种质子治疗电离室信号发生装置 - Google Patents

一种质子治疗电离室信号发生装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种笔形束扫描电离室信号发生装置，包括：条带位置信号产生模块、剂量信号产生模块、温度和压力信号的环境传感器模拟信号输出模块、同步通信模块、加速器接口模块、核心控制板卡模块；该条带位置信号产生模块、剂量信号产生模块、环境传感器模拟信号输出模块各自输入端分别内连所述核心控制板卡模块、输出端分别外连治疗头电子学；该同步通信模块内连所述核心控制板卡模块、外连上位机；该加速器接口模块内连核心控制板卡模块、外连加速器端，该加速器端外连治疗头电子学，通过治疗头电子学接收上位机发送的束流流强信息；本发明笔形束扫描束流位置和剂量信号发生装置，解决了目前只能载束调试笔形束扫描控制系统和TCS系统的难题。

Description

一种质子治疗电离室信号发生装置
技术领域
本发明属于回旋加速器质子治疗领域，具体涉及一种质子治疗电离室信号发生装置。
背景技术
质子治疗中，为了按照预设的位置和剂量对肿瘤病灶进行照射，需要笔形束扫描(Pencil Beam Scanning，PBS)系统精准的对束流扫描过程实施控制，不但要将束流偏转到指定位置，而且需要调整束流流强，以实现对照射剂量的准确控制，从而保证治疗的有效性和安全性。
现有技术笔形束扫描系统的调试、试运行、以及升级改造过程中，存在以下问题：必须依赖实际束流的存在才能进行以上工作，而实际上，不论治疗控制系统(TCS)还是治疗头电子学等相关软硬件系统的调试、试运行、还是升级改造，都只与束流反馈的信息有关，而与束流本身存在与否没有直接关系。
现有技术的做法是：通过平行板条带电离室监测束流、确定束流当前的位置和剂量：束流经过条带电离室之后，电子学单元通过采集条带(strips)上的信号并经过拟合、运算得到束流中心位置坐标。同理，剂量信息可以通过电子学对电离室的积分平面信号处理获得。但是，这样一来就对整套电子学和控制系统调试和试运行带来了限制，也就是说，当没有实际束流存在的时候，无法运行笔形束扫描系统，也无法和治疗控制系统(TCS)之间进行联合调试，因为治疗指令发出后并没有束流位置和剂量信息的反馈，因此扫描过程也并不会被执行。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种笔形束扫描束流信号发生装置，目的在于解决现有技术只能通过实际载束调试扫描系统和TCS系统，且能够避免束流本身带来的其他问题。
本发明为解决其技术问题，提出以下技术方案：
一种笔形束扫描电离室信号发生装置，该装置包括：用于模拟束流经过电离室条带平面产生指定位置信号的条带位置信号产生模块、用于模拟束流经过电离室积分平面产生剂量信号的剂量信号产生模块、用于监测电离室工作条件的温度和压力信号的环境传感器模拟信号输出模块、用于实现束流位置/剂量等数据的同步读取并实现和上位机之间的数据通信的同步通信模块、用于和加速器端进行通信的加速器接口模块、用于实现全部控制功能、逻辑处理、数据转换、通信功能的核心控制板卡模块、用于实现笔形束扫描电离室信号发生装置的在线调试和程序下载的程序调试及下载模块、电源模块；
该条带位置信号产生模块、剂量信号产生模块、环境传感器模拟信号输出模块各自的输入端分别内连所述核心控制板卡模块、各自的输出端分别外连治疗头电子学；该同步通信模块内连所述核心控制板卡模块、外连上位机；该加速器接口模块内连所述核心控制板卡模块、外连加速器端，所述加速器端外连治疗头电子学，用于通过治疗头电子学接收上位机发送的束流流强信息；
该条带位置信号产生模块、剂量信号产生模块分别与核心控制板卡模块单向连接；该环境传感器模拟信号输出模块、同步信息模块、加速器接口模块、程序调试及下载模块分别与核心控制板卡模块双向连接；该电源控制模块分别为上述各个模块供电；
其特征在于：
所述核心控制板卡模块包括：通信程序子模块、加速器接口程序子模块、位置信号处理程序子模块、剂量信号处理程序子模块、环境信号处理程序子模块；所述的通信程序子模块通过所述同步通信模块实现和上位机的通信，进而实现对于上位机目标束流位置/剂量等信息的读取；所述加速器接口程序子模块通过控制加速器接口模块中的ADC实现束流流强的读取；所述位置信号处理程序子模块一方面根据读取的束流位置信息、产生多路不同占空比的PWM脉冲信号输出给条带位置信号产生模块中的快速开关选择器、从而实现不同条带按照高斯分布实现信号输出；另一方面根据加速器接口模块读取的束流流强信息，控制条带位置信号产生模块中的DAC，实现条带整体输出信号幅值的控制；所述的剂量信号处理程序子模块根据加速器接口模块读取的束流流强信息、控制剂量信号产生模块中的DAC、实现剂量输出信号幅值的控制，束流的流强越大，通过电离室后激起的剂量信号也越大；所述的环境信号处理程序子模块实现对环境传感器模拟信号输出模块的控制，输出0～10V模拟量分别对应温度/压力/湿度信号，进而输出给电离室电子学进行电离室信号增益的校正。
进一步地，所述条带位置信号产生模块包括数模转换器DAC、快速开关选择器、放电电阻、高密度连接器；该数模转换器DAC输入端受核心控制板卡的控制、输出端输出电压模拟量给到所述快速开关选择器；该快速开关选择器输入端接收核心控制板卡的可变占空比的PWM波形信号、输出端通过放电电阻、以及高密度连接器喂送到电离室电子学中，进行束流位置坐标的解析。
进一步地，所述剂量信号产生模块包括数模转换器DAC、放电电阻、同轴连接器，该数模转换器DAC输入端受核心控制板卡的控制、输出端输出电压模拟量给放电电阻、再经过放电电阻将该部分信号发送给同轴连接器，该同轴连接器再将该部分信号喂送到电离室电子学中，进行束流位置剂量的读取。
进一步地，所述的环境传感器模拟信号输出模块包括数模转换器DAC和DB9接头，该数模转换器DAC输入端受核心控制板卡的控制：核心控制板卡模块根据环境传感器模拟信号输出模块反馈的室内实际环境温度和气压，控制该模数转换器DAC产生相应的模拟电压信号，模数转换器DAC接收该信号后通过DB9接头将该部分信号喂送到电离室电子学中，进行电离室信号增益的校正。
进一步地，所述的加速器接口模块读取当前束流的流强以及通知加速器端当前电子学模拟束流信号的状态；所述的加速器接口模块包括模数转换器ADC、数字信号输出接口；模数转换器ADC受核心控制板卡模块的控制，核心控制板卡模块控制ADC将来自加速器接口模块的模拟信号转换成数字信号，进而再控制条带位置信号产生模块和剂量信号产生模块中的DAC产生相应幅值的位置/剂量信号。
进一步地，所述的同步通信模块包含一个网络通信接口和一个串口；所述的程序调试及下载模块包括JTAG接口及专用的程序烧写器；所述的电源模块用于实现对整个笔形束扫描电离室信号发生装置的供电、并且外接±15V电源供电、配有电平转换芯片，以提供板上不同设备的供电，具体包含±5V、3.3V、1.8V、1.5V、1.0V等。
本发明的优点效果
1、本发明通过设计一种笔形束扫描束流位置和剂量信号发生装置，解决了目前只能载束调试笔形束扫描控制系统和TCS系统的难题，使得上述系统的离线调试成为可能。
2、本发明通过离线的仿真模拟系统来调节其他相关系统，能够排除束流本身原因(如束流不稳定影响调试进程、厂区内剂量存在无法实时实地对设备进行勘测和改进)带来的不便，使得整个调试过程更灵活、更简洁、更方便可靠。
3、本发明能够根据束流位置最多产生128个位置信号(一维方向，二维方向可产生256个)，该128个位置信号能够实现整个照射空间内的束流位置分布，从而涵盖各个位置的束流信息。
4、本发明通过模拟高斯分布反向给出指定条带上的束流位置信号，该信号进入电子学单元后经过寻峰算法能够得出指定的束流位置坐标，且开发了相应的位置到条带信号的转换算法，该算法简化了高斯分布逆向转换的过程，解决了FPGA处理复杂函数(指数和浮点数)的难题，具有算法简单、计算量小、效率高、延迟短、可靠性高等优点。
5、本发明能够根据照射位置和剂量指令实时产生相应的束流位置和剂量信号，能够根据束流开关信号自动调整信号发出过程的启停，且整个过程能够实现全部自动化控制，从而使得整个系统完全运行。
附图说明
图1-1为改进前治疗头扫描系统硬件整体结构；
图1-2本发明的治疗头扫描系统硬件整体结构；
图2-1本发明信号发生装置整体结构图；
图2-2本发明条带位置信号产生模块结构图；
图2-3本发明剂量信号产生模块结构图；
图2-4本发明环境传感器模拟信号输出模块结构图；
图2-5本发明核心控制板卡结构图；
图3-1为改进前条带型平行板电离室的各个层面；
图3-2为改进前电离室两层条带信号层的其中一层(垂直方向)；
图3-3为束流经过条带信号层产生的位置信号示意图；
图4-1为本发明束流位置到条带信号转换算法示意图；
图4-2为本发明束流位置到条带信号转换算法流程图；
图5-1为本发明束流位置到条带信号转换算结果(一)；
图5-2为本发明束流位置到条带信号转换算结果(二)；
图6为本发明控制信号PWM波形输出和条带信号产生原理图(1路，共128路)；
图7为本发明实现条带输出信号幅值的控制示意图；
图8为本发明一种质子治疗电离室信号发生方法流程图。
具体实施方式
本发明设计原理
一、信号发生装置的设计原理
如图1-1为治疗头扫描系统硬件整体结构，治疗头电子学作为扫描控制系统的执行和决策环节，一方面接收上位机的扫描命令和数据，一方面对治疗头硬件进行实时控制和监测。治疗头扫描系统硬件整体结构不包括信号发生装置，在束流经过治疗头后，安装在治疗头中的“条带型平板电离室”能够实时读取束流的位置和剂量信息从而反馈给电子学，进而按照相应的照射流程进行笔形束扫描过程。
上述“条带型平板电离室”用于有束流的情况下，本发明“信号发生装置”用于没有束流的情况下，解决当没有实际束流存在的时候，无法运行笔形束扫描系统，也无法和治疗控制系统(TCS)之间进行联合调试的问题，传统方法之所以必须依赖于束流的存在，是因为治疗指令发出后并没有束流位置和剂量信息的反馈，没有束流位置和剂量信息的反馈，扫描过程也并不会被执行。具体为：有束流的情况下，当开始治疗的时候，上位机向治疗头电子学发送开始治疗的命令，然后把扫描文件发送给治疗头电子学，治疗头电子学根据扫描文件(扫描文件中设有目标束流的位置和剂量)束流位置和剂量，控制扫描体对束流进行偏转，再通过“条带型平行电离室”对束流位置和剂量进行实时监测，然后再把实时监测的结果反馈给治疗头电子学。
本发明用“信号发生装置”代替“条带型平行电离室(后面简称电离室)”，就要按照“条带型平行电离室(后面简称电离室)”的结构来设计信号发生装置，常规电离室的结构如图3-1所示，其中两层条带信号1、两层条带信号2、积分平面，这三个层面的信息对于治疗过程是非常重要的、需要电离室实时反馈给治疗头电子学，本发明用“信号发生装置”替代电离室，就是用信号发生装置产生电离室这三个层面的信息，再把对应这三个层面的信号发生装置的信息反馈给治疗头电子学。如图2-1所示，本发明信号发生装置的条带位置信号产生模块对应实现电离室的两层条带信号1、两层条带信号2的功能；剂量信号产生模块对应实现电离室的积分平面的功能，环境传感器模拟信号输出模块对应实现对电离室三个层面的信号增益功能。具体步骤如下：
第一步，预先，核心控制板卡里面存储128个位置信号(如果是一维方向+二维方向，共可产生256个)，该128个位置信号能够实现整个照射空间内的束流位置分布，从而涵盖各个位置的束流信息；
第二步，当开始测试设备精度的时候，上位机向治疗头电子学、以及“信号发生装置”同时发送扫描文件，该扫描文件中带有目标束流的位置信息和剂量信息，其中剂量信息只发给治疗头电子学，剂量信息即为电荷的数量。
第三步，核心控制板卡的“位置信号处理程序子模块”接收上位机命令后，向治疗头电子学反馈目标束流的中心点位置信息、以及11路(假设束流覆盖11个条带的宽度)不同占空比的PWM脉冲信号。所述中心点是指束流成高斯分布最高点的位置信息。当核心控制板卡从上位机获得目标束流的位置信息后，假设束流已经打到了这个位置，所要做的事情是将束流的位置进行转换处理，再把转换处理后的位置(束流中心点位置)反馈给治疗头电子学。采用“近似处理、就近处理”的方法，对束流的位置进行转换处理，从128个位置信号中找出最为接近的数值，之所以采用“近似处理、就近处理”的方法是因为目标束流位置是随机的，虽然128个条带信号的位置是确定的，但是束流不一定整好打在某个条带的中心区1mm的范围，上位机下发的目标束流的位置也可能在第n个条带中心区1mm的向左或向右偏离的位置。一个条带是2mm的宽度，中心区占有1mm的宽度，中心区两侧各为0.5mm的宽度，加在一起是2mm的宽度，如果束流偏离位置超过0.5mm，就会落在第n+1个条带的位置，或者束流落在第n-1个条带的位置,也就是说，束流在当前条带的偏离一定不会超过0.5mm的范围。基于这个特点，当束流偏离当前条带中心区不超过0.5mm的区域时，采用“就近处理”的方法是最为精确的，所述“就近处理”就是假如束流在第n个条带发生了向左或者向右的偏离，就以相邻两个条带之间的缝隙的1mm的区域作为中心区来计算束流偏离的位置，当束流发生偏离时，一定会落在当前条带和相邻条带缝隙的中心区内，例如第1个条带和相邻条带的缝隙处是2mm，那么该缝隙的中心区就是1.5-2.5mm的区域，假如束流在第1个条带发生了向右的偏离，那么就会落在1.5-2.5mm的区域。此时，核心控制板卡通过“信号发生装置”的“条带位置信号产生模块”向治疗头电子学发送束流实时位置信息，如果以上述为例，则“信号发生装置”实时反馈束流的当前位置在1.5-2.5mm的区域，这种“近似处理、就近处理”方法最大误差为0.5mm，由于误差允许范围是1mm，完全可以达到精度要求。核心控制板卡的位置信号处理程序子模块一方面计算出转换处理后的束流的中心位置，一方面根据读取的目标束流的位置信息，产生11路不同占空比的PWM脉冲信号输出给条带位置信号产生模块中的快速开关选择器、从而实现不同条带按照高斯分布实现信号输出；所述实现不同条带按照高斯分布，是指11路条带之间相对高度为高斯分布，并非指11路条带整体的绝对高度。
到目前为止，以上反馈给治疗头电子学的只是目标束流中心位置信息和11路(假设束流覆盖11个条带的宽度)不同占空比的PWM脉冲信号，但不包括束流整体(11路条带)的绝对高度信息。
第四步，信号发生装置的“加速器接口模块”从加速器端读取目标束流流强，并返回一个数字信号给加速器端。上位机将“目标束流流强”发送给治疗头电子学，治疗头电子学将这个信息反馈给加速器端，此时加速器端只是一个接收命令的端口而不是真实束流的引出口，加速器端将接收的“目标束流流强”反馈给信号发生装置的“加速器接口模块”，“加速器接口模块”向加速器端返回一个数字信号，表示接收到信息；
第五步，信号发生装置的“剂量信号处理程序子模块”从加速器接口模块读取束流流强，向治疗头电子学反馈目标束流的剂量电压信息。“剂量信号处理程序子模块”控制剂量信号产生模块中的DAC、实现剂量输出信号幅值的控制，束流的流强越大，通过电离室后激起的剂量信号也越大；
第六步，信号发生装置的“位置信号处理程序子模块”从加速器接口模块读取束流流强信息，向治疗头电子学反馈目标束流的整体绝对高度信息。“位置信号处理程序子模块”根据加速器接口模块读取的束流流强信息，控制条带位置信号产生模块中的DAC，实现条带输出信号幅值的控制。如图7所示，左右两图中11路PWM信号占空比全部相同，因此生成的信号形状也相同且遵循高斯分布，所述信号形状也相同是指左右两图每一组条带之间的相对高度是相同的，但是左右两图的整体幅度不一样，这部分是由DAC输出的电压决定的，且右图情况下DAC输出的电压更大。DAC输出电压的大小是通过核心控制板卡读取的束流流强信号后再进行相应设置的。
二、本发明设计难点
涉及到不同条带产生相应输出模拟信号的过程，是本发明的一个难点，除了上述信号产生算法外，还要按照算法的结果产生相应的输出信号，为此设计了如图6的电路。图6为控制信号PWM波形输出和条带信号产生原理图，核心控制板通过控制DAC输出电压值，经开关选择器选择通断(PWM信号控制，高电平导通，低电平关断)，再经过放电电阻R产生相应输出电荷量，其中核心控制板通过改变PWM波形的占空比来调节输出信号的时间，进而控制输出电荷量的大小。即：
Q＝I*t＝(U/R)*t
式中，Q为输出电荷量，I为输出电流，t为导通时间，R为放电电阻，可知通过控制PWM占空比(导通时间)就可以实现不同电荷量的输出。图7中展示了1路该信号产生过程，由于一维方向有128个条带，因此一维方向有128路该电路，二维(x,y)方向共256路。
基于以上原理，本发明设计了一种笔形束扫描电离室信号发生装置。
一种笔形束扫描电离室信号发生装置如图1-2、2-1、2-5所示，该装置包括：用于产生指定位置条带信号的条带位置信号产生模块、用于模拟束流经过电离室积分平面产生剂量信号的剂量信号产生模块、用于监测电离室工作条件的温度和压力信号的环境传感器模拟信号输出模块、用于实现束流位置/剂量等数据的同步读取并实现和上位机之间的数据通信的同步通信模块、用于和加速器端进行通信的加速器接口模块、用于实现全部控制功能、逻辑处理、数据转换、通信功能的核心控制板卡模块、用于实现笔形束扫描电离室信号发生装置的在线调试和程序下载的程序调试及下载模块、电源模块；
如图1-2、2-1、2-5所示，该条带位置信号产生模块、剂量信号产生模块、环境传感器模拟信号输出模块各自的输入端分别内连所述核心控制板卡模块、各自的输出端分别外连治疗头电子学；该同步通信模块内连所述核心控制板卡模块、外连上位机；该加速器接口模块内连所述核心控制板卡模块、外连加速器端，所述加速器端外连治疗头电子学，用于通过治疗头电子学接收上位机发送的束流流强信息；
关于条带位置信号产生模块的解释：如图3-1所示，本发明信号发生装置的条带位置信号产生模块相当于传统方法图3-1电离室的两层条带信号层1、两层条带信号层2，传统方法通过图3-1电离室的两层条带信号向治疗头电子学实时反馈束流的位置，图3-1的条带信号的每一个短线代表一个条带，每个条带代表一个位置。图3-2是两维平面的垂直方向平面上的128条条带的示意图；本发明用信号发生装置替代电离室两层条带的方法是：在核心控制板卡中存储了128条信号(一维平面)的位置，测试设备时，接受上位机目标束流的位置，此时假设束流已经打到这个位置上。虽然上位机发出了目标束流的位置，但束流的目标位置不一定整好打在某个条带上，可能会发生偏离，因此通过转换处理方法将处理后的束流在条带上的位置反馈给治疗头电子学，转换方法如图4-1所示，其原理如本发明设计原理的第三步。
该条带位置信号产生模块、剂量信号产生模块分别与核心控制板卡模块单向连接；该环境传感器模拟信号输出模块、同步信息模块、加速器接口模块、程序调试及下载模块分别与核心控制板卡模块双向连接；该电源控制模块分别为上述各个模块供电；
其特征在于：
所述核心控制板卡模块如图2-5所示，包括：通信程序子模块、加速器接口程序子模块、位置信号处理程序子模块、剂量信号处理程序子模块、环境信号处理程序子模块；所述的通信程序子模块通过所述同步通信模块实现和上位机的通信，进而实现对于上位机目标束流位置/剂量等信息的读取；所述加速器接口程序子模块通过控制加速器接口模块中的ADC实现束流流强的读取；所述位置信号处理程序子模块一方面根据读取的束流位置信息、产生多路不同占空比的PWM脉冲信号输出给条带位置信号产生模块中的快速开关选择器、从而实现不同条带按照高斯分布实现信号输出；另一方面根据加速器接口模块读取的束流流强信息，控制条带位置信号产生模块中的DAC，实现条带输出信号幅值的控制；所述的剂量信号处理程序子模块根据加速器接口模块读取的束流流强信息、控制剂量信号产生模块中的DAC、实现剂量输出信号幅值的控制，束流的流强越大，通过电离室后激起的剂量信号也越大；所述的环境信号处理程序子模块实现对环境传感器模拟信号输出模块的控制，输出0～10V模拟量分别对应温度/压力/湿度信号，进而输出给电离室电子学进行电离室信号增益的校正。
“位置信号处理程序子模块”实现不同条带按照高斯分布信号输出的解释：如图3-3所示，前面提出用信号发生装置替代电离室实时反馈束流的位置，这个位置仅仅是束流中心点的位置，不是束流整体的数据，束流整体数据还包括束流所覆盖的区域。本发明“实现不同条带按照高斯分布”就是体现束流整体数据中的一部分，也就是各个条带之间的相对高度关系，用高斯分布表示出来。其方法就是所述位置信号处理程序子模块根据读取的束流位置信息、产生多路不同占空比的PWM脉冲信号输出给条带位置信号产生模块中的快速开关选择器、从而实现不同条带按照高斯分布实现信号输出。所述占空比就是“快速开关选择器”导通的时间和断开时间的比值，导通时间越长，图3-3的信号值就越高。
“位置信号处理程序子模块”实现条带输出信号幅值的控制的解释：图6说明两个要素：PWM控制信号和DAC电压信号，图6只是11路中的1路控制信号，第一，11路占空比不同的PWM波形实现各个条带模拟信号的高斯分布，第二，DAC输出电压调节11路模拟信号的整体幅值即高度；其中，DAC调节整体幅值即高度的效果如图7所示，11个条带模拟信号的高斯分布形状由核心控制板卡输出的11路PWM脉冲信号波形来实现，单个原理如图6所示，且128路条带模拟信号共用一个DAC。图6的原理是根据控制信号PWM的占空比不同，因此11个条带模拟信号输出大小也不一致。占空比越大，输出平均电压也就越大，经过放电电阻后平均电流也就越大，反之亦然。同时由于治疗头电子学中用于实现条带信号读取的积分放大器的积分时间一般为100μs及以上，因此设置PWM波形周期尽可能小，本发明要求PWM波形周期不大于10μs。最终输出模拟信号效果如图7所示，左右两图中11路PWM信号占空比全部相同，因此生成的信号形状也相同且遵循高斯分布，但是左右两图的整体幅度不一样，这部分是由DAC输出的电压决定的，且右图情况下DAC输出的电压更大。DAC输出电压的大小是通过核心控制板卡读取的束流流强信号后在进行相应设置的。电压是以一种连接1或断开0的重复脉冲序列被加载到负载上去的，连接即是直流供电输出，断开即是直流供电断开。通过对连接和断开时间的控制，理论上来讲，可以输出任意不大于最大电压值(即0～5V之间任意大小)的模拟电压比方说占空比为50％那就是高电平时间一半，低电平时间一半，在一定的频率下，就可以得到模拟的2.5V输出电压那么75％的占空比得到的电压就是3.75V，占空比为20％时输出电压也就是1V。
关于占空比的设置方法的解释：假设束流能量固定，当束流的束斑尺寸(σ)为4，束流中心位置落在第n个条带时，根据高斯分布计算得到束流打在各个条带的概率如下：
条带号 束流落在条带概率/信号大小 相对中心条带百分比
n-5 0.0092 4.7％
n-4 0.028 14％
n-3 0.066 33％
n-2 0.12 61％
n-1 0.17467 88％
n 0.19741 100％
n+1 0.17467 88％
n+2 0.12 61％
n+3 0.066 33％
n+4 0.028 14％
n+5 0.0092 4.7％
所以核心控制板卡中的位置信号处理程序模块输出的11路PWM信号占空比也应该遵循上表中最后一列的关系，从100％到4.7％以实现条带模拟信号的高斯分布。同样道理，继上述条件，当束流中心位置落在第n-1和第n个条带之间缝隙时，束流打在各个条带的概率如下：
条带号 束流落在条带概率/信号大小 相对中心条带百分比
n-5 0.0165 8.6％
n-4 0.0441 23％
n-3 0.0918 47.9％
n-2 0.1499 78％
n-1 0.1915 100％
n 0.1915 100％
n+1 0.1499 78％
n+2 0.0918 47.9％
n+3 0.0441 23％
n+4 0.0165 8.6％
n+5 0.0049 2.5％
相应的11路PWM信号的占空比也应该如表的最后一列所示。
所述条带位置信号产生模块如图2-2所示，包括数模转换器DAC、快速开关选择器、放电电阻、高密度连接器；该数模转换器DAC输入端受核心控制板卡的控制、输出端输出电压模拟量给到所述快速开关选择器；该快速开关选择器输入端接收核心控制板卡的可变占空比的PWM波形信号、输出端通过放电电阻、以及高密度连接器喂送到电离室电子学中，进行束流位置坐标的解析。
所述剂量信号产生模块如图2-3所示，包括数模转换器DAC、放电电阻、同轴连接器，该数模转换器DAC输入端受核心控制板卡的控制、输出端输出电压模拟量给放电电阻、再经过放电电阻将该部分信号发送给同轴连接器，该同轴连接器再将该部分信号喂送到电离室电子学中，进行束流位置剂量的读取。
剂量信号产生原理图可以借用图6的电压控制部分，将图6的PWM控制信号以及开关选择器拿掉，剩下的部分就是剂量信号产生原理图，都是通过控制DAC电压信号控制剂量的幅度。
所述的环境传感器模拟信号输出模块如图2-4所示，包括数模转换器DAC和DB9接头，该数模转换器DAC输入端受核心控制板卡的控制：核心控制板卡模块根据环境传感器模拟信号输出模块反馈的室内实际环境温度和气压，控制该模数转换器DAC产生相应的模拟电压信号，模数转换器DAC接收该信号后通过DB9接头将该部分信号喂送到电离室电子学中，进行电离室信号增益的校正。
关于核心控制板卡控制该模数转换器DAC产生相应的模拟电压信号的解释：如图2-1所示，“核心控制板卡”和“环境传感器模拟信号输出模块”为双向通讯。核心控制板卡从“环境传感器模拟信号输出模块”获取了室内实际环境温度和气压，然后控制该模数转换器DAC产生对应环境温度和气压的电压值的模拟电压信号，这些模拟电压信号是用来调节反馈给治疗头电子学的束流中心点位置、束流高斯分布、束流整体高度、束流剂量的增益的。
所述的加速器接口模块如图2-5所示，从加速器端读取当前束流的流强以及通知加速器端当前电子学模拟束流信号的状态；所述的加速器接口模块包括模数转换器ADC、数字信号输出接口；模数转换器ADC受核心控制板卡模块的控制，核心控制板卡模块控制ADC将来自加速器接口模块的模拟信号转换成数字信号，进而再控制条带位置信号产生模块和剂量信号产生模块中的DAC产生相应幅值的位置/剂量信号。
关于加速器端和加速器接口模块的进一步解释：加速器端如图1-2、2-1所示，是信号发生装置以外的端口，加速器端没有束流，只是用来接收上位机目标束流流强的命令：具体为：上位机将目标束流的流强值命令发送给治疗头电子学、治疗头电子学再转发给加速器端；加速器接口模块是信号发生装置内部的模块、用于接收加速器端的流强值命令，核心控制板卡内的位置信号处理程序子模块以及剂量信号处理程序子模块对于各自电压DAC的幅度控制，均来自于读取加速器接口模块的流强值，根据流强值确定控制电压DAC的幅值。
所述的同步通信模块包含一个网络通信接口和一个串口；所述的程序调试及下载模块包括JTAG接口及专用的程序烧写器；所述的电源模块用于实现对整个笔形束扫描电离室信号发生装置的供电、并且外接±15V电源供电、配有电平转换芯片，以提供板上不同设备的供电，具体包含±5V、3.3V、1.8V、1.5V、1.0V等。
基于以上一种笔形束扫描电离室信号发生装置，本发明设计了一种笔形束扫描电离室信号发生方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：通信程序子模块通过所述同步通信模块实现和上位机的通信，进而实现读取上位机中下达的目标束流位置/剂量信息；
步骤二：加速器接口程序子模块从加速器端读取上位机下达的束流流强信息：加速器接口程序子模块通过控制所述加速器接口模块中的ADC实现束流流强的读取，然后，加速器接口程序子模块输出数字信号到加速器接口模块，通过加速器接口模块反馈束流OK信号给加速器端；
如图1-2所示，上位机将束流流强发送给治疗头电子学，治疗头电子学将信息转发给加速器端，加速器端和信号发生装置的加速器接口模块双向通讯，从而实现加速器接口程序子模块从加速器端读取上位机下达的束流流强信息。
步骤三：位置信号处理程序子模块通过同步通信模块读取束流位置，进行束流位置到条带信号的转换；根据读取的束流位置信息，产生多路不同占空比的PWM脉冲信号输出给条带位置信号产生模块中的快速开关选择器，从而实现不同条带按照高斯分布实现信号输出；根据加速器接口模块读取的束流流强信息，控制条带位置信号产生模块中的DAC，实现条带输出信号幅值的控制，因为束流的流强越大，通过电离室后激起的条带信号也越大。
步骤四：剂量信号处理程序子模块根据加速器接口模块读取的束流流强信息，控制剂量信号产生模块中的DAC，实现剂量输出信号幅值的控制，束流的流强越大，通过电离室后激起的剂量信号也越大。
步骤五：环境信号处理程序子模块实现对环境传感器模拟信号输出模块的控制，输出0～10V模拟量分别对应温度/压力/湿度信号，进而输出给电离室电子学进行电离室信号增益的校正。
所述步骤三的进行束流位置到条带信号的转换，具体过程如下：
1)通过同步通信模块读取束流位置；
2)假设束流中心目标位置在电离室第n个条带中心位置1mm以内，则认为该束流的中心位置在第n个条带的中间位置，然后以该条带为中心左右各按照高斯分布输出5个条带的信号；
3)如果束流没有落在第n个条带中心位置1mm以内，而是落在中心靠左或是靠右的0.5mm范围内，那么就以第n条带与第n-1个条带的中间位置中心靠左为束流中心位置进行信号输出；反之，以第n条带与第n+1个条带的中间位置中心靠右为束流中心位置进行信号输出。
所述过程2)的条带的宽度占2mm，2mm主要是条带本身宽度，还包含很小的间隙的空间。
所述束流位置到条带信号转换算法，将束流位置进行了近似处理，该近似处理引起的最大束流位置误差为±0.5mm，对于质子治疗实际照射过程的±1mm误差而言，完全能够满足设备运行的条件，不会产生任何问题。
关于束流位置到条带信号的转换的进一步解释：
一般情况下，条带型平行板电离室包含高压平面、条带平面、积分平面。其中，高压平面用于驱动束流经过电离室后产生的离子或电子往信号收集平面(即条带平面或积分平面)迁移；条带平面用来采集束流的位置信号，通常包含水平方向和垂直方向；积分平面用于采集束流的剂量信息，亦即收集的电荷量。如图3-2为电离室条带平面示意图(垂直方向)，一般包含128条(ch1～ch128)条带，且每个条带占2mm宽度(主要是条带本身宽度，还包含很小的间隙)的空间。束流经过电离室条带平面产生的位置信号示意如图3所示，束流在各条带上产生的信号服从高斯分布。即：
Figure GDA0003743530220000151
式中，μ为中心位置，σ为标准差，对于质子治疗一般扫描过程，束流位置在照射野(30cm×40cm)范围内，σ一般为3mm～5mm。因此，为了模拟束流在电离室条带上的信号大小，提出了如图4-1所示的束流位置到条带信号转换算法，相应转换工作流程如图4-2所示：
首先通过同步通信模块读取束流位置(x，y)，先就一维x方向讨论。假设束流中心目标位置在电离室第n个条带中心位置1mm以内，则认为该束流的中心位置在第n个条带的中间位置，然后以该条带为中心左右各按照高斯分布输出4个条带的信号，其信号输出结果如图5-1所示，横坐标为条带号，纵坐标为信号大小(输出电荷量)。如果束流没有落在第n个条带中心位置1mm以内，而是落在中心靠左或是靠右的0.5mm范围内，那么就以第n条带与第n-1个条带的中间位置(中心靠左)为束流中心位置进行信号输出；反之以第n条带与第n+1个条带的中间位置(中心靠右)为束流中心位置进行信号输出。这种情况下转换结果如图5-2所示，横坐标为信号输出条带号，纵坐标为信号大小，就前者(中心靠左)情况而言，此时第n个条带和第n-1个条带模拟输出信号大小相同，然后继续按照高斯分布向左和向右继续分别输出4路相应条带信号。针对束流目标位置本身就在两个相邻的条带之间的情况此种模式同样适用。除此之外，考虑到束流尺寸，结合3σ准则，实际情况中可以适当增加产生的条带信号数量，以涵盖束流经过电离室后全部有信号的条带。
总的来说，这种算法主要出于FPGA计算能力和位置精度双重考虑提出的：一方面解决了FPGA处理复杂函数(指数和浮点数)的难题；另一方面，此种算法将束流位置进行了近似处理，具体是就近处理，但是这样带来的结果是最大引起的束流位置误差为±0.5mm，对于质子治疗实际照射过程的±1mm误差而言，完全能够满足设备运行的条件，不会产生任何问题。
更进一步的，因为本发明就是为了调试治疗头和扫描控制系统以及TCS用的，所以在实际调试过程中实验人员大可将束流位置精度放大，因为这样离线调试对束流本身品质没有要求，本身也没有束流存在。
所述步骤五中，关于电离室信号增益的校正，电离室电子学会采集内置于电离室中的环境传感器信号输出的电压模拟量，进而根据电离室所处的工作环境，对电离室增益进行校正，从而为了获得更加精确地剂量信息；所述电离室增益的定义：束流经过电离室后，电离室激发出的电信号和束流流强信号的比值。增益为Gain，电离室输出电信号为IIC，束流流强为Ibeam，则：
Gain＝IIC/Ibeam
为了对电离室实际增益进行校准，需要考虑环境中的温度、压力，同时还要保证正常工作的湿度，这就对上述三种环境变量传感器的模拟数据进行数字化读取。
Figure GDA0003743530220000161
式中，Gain实际与Gain标准分别为实际增益与标准环境条件——100kpa、25摄氏度下增益；Pre与Tem分别代表压力与温度。
所述步骤三产生多路不同占空比的PWM脉冲信号，具体为：假设束流能量固定，当束流的束斑尺寸为4，束流中心位置落在第n个条带时，核心控制板卡中的位置信号处理程序模块输出的11路PWM信号占空比遵循11个条带中各个信号强度相对于中心条带的百分比，从100％到4.7％以实现条带模拟信号的高斯分布；当束流中心位置落在第n-1和第n个条带之间缝隙时，核心控制板卡中的位置信号处理程序模块输出的11路PWM信号占空比同样遵循11个条带中各个信号强度相对于中心条带的百分比，从100％到4.7％以实现条带模拟信号的高斯分布；
所述条带位置信号产生模块包括数模转换器DAC、快速开关选择器、放电电阻、高密度连接器；该数模转换器DAC输入端受核心控制板卡的控制、输出端输出电压模拟量给到所述快速开关选择器；该快速开关选择器输入端接收核心控制板卡的可变占空比的PWM波形信号、输出端通过放电电阻、以及高密度连接器喂送到电离室电子学中，进行束流位置坐标的解析。
所述剂量信号产生模块包括数模转换器DAC、放电电阻、同轴连接器，该数模转换器DAC输入端受核心控制板卡的控制、输出端输出电压模拟量给放电电阻、再经过放电电阻将该部分信号发送给同轴连接器，该同轴连接器再将该部分信号喂送到电离室电子学中，进行束流位置剂量的读取。
所述的环境传感器模拟信号输出模块包括数模转换器DAC和DB9接头，该数模转换器DAC输入端受核心控制板卡的控制：核心控制板卡模块根据环境传感器模拟信号输出模块反馈的室内实际环境温度和气压，控制该模数转换器DAC产生相应的模拟电压信号，模数转换器DAC接收该信号后通过DB9接头将该部分信号喂送到电离室电子学中，进行电离室信号增益的校正。
针对剂量信号输出和环境传感器信号输出，只需要通过DAC输出到相应的模拟量。其中，剂量输出信号由于和束流流强信号相关，因此需要先通过同步通信模块读取设定流强大小之后再按照相应值进行输出，而环境传感器(环境温度信号、气压信号、湿度信号)可以直接按实际固定值进行模拟量输出。最终信号发生装置整体结构如图8所示，核心控制卡作为装置的核心控制单元负责所有逻辑处理、数据运算和通信等功能。
所述的加速器接口模块读取当前束流的流强以及通知加速器端当前电子学模拟束流信号的状态；所述的加速器接口模块包括模数转换器ADC、数字信号输出接口；模数转换器ADC受核心控制板卡模块的控制，核心控制板卡模块控制ADC将来自加速器接口模块的模拟信号转换成数字信号，进而再控制条带位置信号产生模块和剂量信号产生模块中的DAC产生相应幅值的位置/剂量信号。
所述的核心控制板卡模块考虑功能划分和资源使用情况，要求FPGA引脚数不低于676pin、逻辑单元(Logic Cells)不少于275K、查找表(LUT)不少于171900，板卡支持MICROSD卡、支持以太网传输RTL8211E，支持USB接口的串口调试、JTAG调试口、参考时钟输入、1Gbyte 32-bit DDR3 SDRAM、128Mbit SPI flash存储等。
所述的ADC要求分辨率位数在16位及以上，转换速度不低于500kSPS。所述的ADC要求位数在12位及以上，支持IIC或SPI等串行总线通信。所述的低注入电荷和低漏电流的开关器件，由于条带信号一般比较小(60nA)，因此要求注入电荷在1pC以下，漏电流不超过100pA，同时考虑到电路板尺寸问题芯片封装要求尽可能小。
需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.一种笔形束扫描电离室信号发生装置，该装置包括：用于模拟束流经过电离室条带平面产生指定位置信号的条带位置信号产生模块、用于模拟束流经过电离室积分平面产生剂量信号的剂量信号产生模块、用于监测电离室工作条件的温度和压力信号的环境传感器模拟信号输出模块、用于实现束流位置/剂量数据的同步读取并实现和上位机之间的数据通信的同步通信模块、用于和加速器端进行通信的加速器接口模块、用于实现全部控制功能、逻辑处理、数据转换、通信功能的核心控制板卡模块、用于实现笔形束扫描电离室信号发生装置的在线调试和程序下载的程序调试及下载模块、电源模块；
该条带位置信号产生模块、剂量信号产生模块、环境传感器模拟信号输出模块各自的输入端分别内连所述核心控制板卡模块、各自的输出端分别外连治疗头电子学；该同步通信模块内连所述核心控制板卡模块、外连上位机；该加速器接口模块内连所述核心控制板卡模块、外连加速器端，所述加速器端外连治疗头电子学，用于通过治疗头电子学接收上位机发送的束流流强信息；
该条带位置信号产生模块、剂量信号产生模块分别与核心控制板卡模块单向连接；该环境传感器模拟信号输出模块、同步信息模块、加速器接口模块、程序调试及下载模块分别与核心控制板卡模块双向连接；该电源模块分别为上述各个模块供电；
其特征在于：
所述核心控制板卡模块包括：通信程序子模块、加速器接口程序子模块、位置信号处理程序子模块、剂量信号处理程序子模块、环境信号处理程序子模块；所述的通信程序子模块通过所述同步通信模块实现和上位机的通信，进而实现对于上位机目标束流位置/剂量信息的读取；所述加速器接口程序子模块通过控制加速器接口模块中的ADC实现束流流强的读取；所述位置信号处理程序子模块一方面根据读取的束流位置信息、产生多路不同占空比的PWM脉冲信号输出给条带位置信号产生模块中的快速开关选择器、从而实现不同条带按照高斯分布实现信号输出；另一方面根据加速器接口模块读取的束流流强信息，控制条带位置信号产生模块中的DAC，实现条带整体输出信号幅值的控制；所述的剂量信号处理程序子模块根据加速器接口模块读取的束流流强信息、控制剂量信号产生模块中的DAC、实现剂量输出信号幅值的控制，束流的流强越大，通过电离室后激起的剂量信号也越大；所述的环境信号处理程序子模块实现对环境传感器模拟信号输出模块的控制，输出0~10V模拟量分别对应温度/压力/湿度信号，进而输出给电离室电子学进行电离室信号增益的校正。
2.根据权利要求1所述一种笔形束扫描电离室信号发生装置，其特征在于：所述条带位置信号产生模块包括数模转换器DAC、快速开关选择器、放电电阻、高密度连接器；该数模转换器DAC输入端受核心控制板卡的控制、输出端输出电压模拟量给到所述快速开关选择器；该快速开关选择器输入端接收核心控制板卡的可变占空比的PWM波形信号、输出端通过放电电阻、以及高密度连接器喂送到电离室电子学中，进行束流位置坐标的解析。
3.根据权利要求1所述一种笔形束扫描电离室信号发生装置，其特征在于：所述剂量信号产生模块包括数模转换器DAC、放电电阻、同轴连接器，该数模转换器DAC输入端受核心控制板卡的控制、输出端输出电压模拟量给放电电阻、再经过放电电阻将该部分信号发送给同轴连接器，该同轴连接器再将该部分信号喂送到电离室电子学中，进行束流位置剂量的读取。
4.根据权利要求1所述一种笔形束扫描电离室信号发生装置，其特征在于：所述的环境传感器模拟信号输出模块包括数模转换器DAC和DB9接头，该数模转换器DAC输入端受核心控制板卡的控制：核心控制板卡模块根据环境传感器模拟信号输出模块反馈的室内实际环境温度和气压，控制该数模转换器DAC产生相应的模拟电压信号，模数转换器DAC接收该模拟电压信号后通过DB9接头将该部分信号喂送到电离室电子学中，进行电离室信号增益的校正。
5.根据权利要求1所述一种笔形束扫描电离室信号发生装置，其特征在于：所述的加速器接口模块读取当前束流的流强命令以及通知加速器端当前电子学模拟束流信号的状态；所述的加速器接口模块包括模数转换器ADC、数字信号输出接口; 模数转换器ADC受核心控制板卡模块的控制，核心控制板卡模块控制ADC将来自加速器接口模块的模拟信号转换成数字信号，进而再控制条带位置信号产生模块和剂量信号产生模块中的DAC产生相应幅值的位置/剂量信号。
6.根据权利要求1所述一种笔形束扫描电离室信号发生装置，其特征在于：所述的同步通信模块包含一个网络通信接口和一个串口；所述的程序调试及下载模块包括JTAG接口及专用的程序烧写器；所述的电源模块用于实现对整个笔形束扫描电离室信号发生装置的供电、并且外接±15V电源供电、配有电平转换芯片，以提供板上不同设备的供电，具体包含±5V、3.3V、1.8V、1.5V、1.0V。
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