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.中國科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

為開展帶電粒子放射治療3D主動治療方式[1-4]的研究，同步加速器控制系統(tǒng)必須實現(xiàn)主動多級束流能量間切換控制。一般加速器采用以10 MeV為步長在50～500 MeV束流能量間[5]進行束流能量切換(也有Hitachi公司實驗采用5 MeV的步長[6]進行束流能量切換)。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)開發(fā)同步加速器束流能量切換控制系統(tǒng)，如需同步時間系統(tǒng)[14]的同步事例信息對各設(shè)備進行同步觸發(fā)控制，也將發(fā)展一套高效的數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)[15]和自動切換控制機制。

1 束流能量切換控制機制

在整個束流能量切換控制機制中，同步事例數(shù)據(jù)C05A2001(同步事例數(shù)據(jù)的格式定義，1個同步事例數(shù)據(jù)為32位：第0～7位是波形號；第8～11位是預(yù)留位；第12～15位是時間補償、更新響應(yīng)標(biāo)識位；第16～23位是事例功能標(biāo)識位，如5A事例；第24～31位是同步標(biāo)識位)為數(shù)據(jù)切換功能事例。當(dāng)這個事例觸發(fā)時，各系統(tǒng)按事例給出的波形號進行數(shù)據(jù)切換更新操作，如事例數(shù)據(jù)C05A0001，需切換更新第1號波形數(shù)據(jù)。因為同步事例數(shù)據(jù)的格式定義中第0～7位是波形號，所以系統(tǒng)可切換0～254號波形數(shù)據(jù)(其中第255號為系統(tǒng)預(yù)留)；系統(tǒng)設(shè)定第0號波形數(shù)據(jù)是束流能量為50 MeV的控制數(shù)據(jù)，第254號波形數(shù)據(jù)是束流能量為500 MeV的控制數(shù)據(jù)，則可實現(xiàn)255級步長為1.77 MeV的束流能量切換控制。實際上使用步長為10 MeV的束流能量切換控制，系統(tǒng)設(shè)定第0號波形數(shù)據(jù)是束流能量為50 MeV的控制數(shù)據(jù)；第1號波形數(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制主要由3種類別的數(shù)據(jù)切換控制機制組成：掃描磁鐵電源的波形數(shù)據(jù)切換控制機制，主要部件是ARM控制器、DSP波形發(fā)生器和劑量計數(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)切換控制機制，主要部件是同步事例接收器。圖1為3種機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)切換控制機制

當(dāng)同步事例時間系統(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，劑量計數(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。然后，COM組件從治療計劃系統(tǒng)中的Oracle數(shù)據(jù)庫讀出所需的劑量數(shù)據(jù)并更新至劑量計數(shù)板。當(dāng)DSP波形發(fā)生器接收到事例信號時，先解析事例信號，讀出數(shù)據(jù)波形號，同時觸發(fā)ARM控制器。當(dāng)ARM控制器中的SDRAM中存有該波形號數(shù)據(jù)(該波形數(shù)據(jù)對病灶切面實施點掃描)時，則更新至DSP波形發(fā)生器。若ARM控制器中的SDRAM中沒有該波形號數(shù)據(jù)，則通過COM組件更新中央Oracle數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)記錄的MARK位。使得觸發(fā)器觸發(fā)運行后，傳輸該波形號的波形數(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。當(dāng)其他事例信號(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)并運行的控制操作功能)從同步事例時間系統(tǒng)上發(fā)出時，劑量計數(shù)板判斷是否為開始計數(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)進行波形輸出。同時，劑量計數(shù)板則從寄存器空間中讀出要計數(shù)脈沖的個數(shù)，等待劑量計數(shù)板完成要求的脈沖個數(shù)計數(shù)時，再發(fā)出1個脈沖信號給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)切換控制機制流程在圖2所示的束流能量切換控制機制流程中可見，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制數(shù)據(jù)流中可見。

圖2 束流能量切換控制機制流程圖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)切換控制機制

當(dāng)同步事例時間系統(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，DSP波形發(fā)生器對事例信息進行接收并解析。DSP波形發(fā)生器通過FPGA同步事例接收與處理邏輯電路對事例數(shù)據(jù)進行分析，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(ARM控制器的SDRAM中存儲了在DSP波形發(fā)生器的內(nèi)存空間中的各波形數(shù)據(jù)的存儲地址和長度)。這時ARM控制器告知DSP波形發(fā)生器該波形數(shù)據(jù)的存儲首地址及長度；然后，DSP波形發(fā)生器從SDRAM中讀出該波形數(shù)據(jù)并通過插值算法進行插值。當(dāng)事例信號(第16～23位為5A以外的事例，如EE事例)從同步事例時間系統(tǒng)上發(fā)出時，DSP波形發(fā)生器收到該事例信號則打開DAC，并對上次已更新的波形數(shù)據(jù)進行輸出。高頻控制系統(tǒng)波形數(shù)據(jù)切換控制機制與磁鐵電源數(shù)據(jù)切換控制機制相同。磁鐵電源和高頻控制的數(shù)據(jù)切換控制機制流程圖和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)切換控制機制

靜電偏轉(zhuǎn)板和高壓等系統(tǒng)由于對于同步性要求不高，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)為軟同步中斷來觸發(fā)系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)切換機制為：當(dāng)事例發(fā)生器錄入同步事例時間系統(tǒng)的控制界面并發(fā)出切換數(shù)據(jù)事例(如C05A2001)時，同步事例接收解析器對同步事例信息進行接收與解析，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CPCI總線對事例信息進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)庫中讀出相應(yīng)的值并即時傳輸至控制器。當(dāng)事例信號(第16～23位為5A以外的事例，如EE事例)從同步事例時間系統(tǒng)上發(fā)出時，事例解析器對事例信息進行接收與解析，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CPCI總線對事例信息進行讀取并發(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)切換控制機制流程和多功能控制器的數(shù)據(jù)流亦可見圖2、3。

2 自動變能控制周期

自動變能控制周期決定了同步加速器束流能量自動切換控制系統(tǒng)的控制時序邏輯。通過設(shè)定同步加速器束流能量自動切換控制系統(tǒng)的控制時序，同步加速器就可按設(shè)定操作和運行周期連續(xù)自動運行。自動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)送同步事例信號是自動變能控制周期中的時間節(jié)點。當(dāng)同步事例發(fā)生器激活并產(chǎn)生1個控制周期的控制時序，每個DSP波形發(fā)生器以及每個事例接收解析器會對同步事例發(fā)生器發(fā)送的事例數(shù)據(jù)進行解析。比如同步事例發(fā)生器發(fā)出1個束流運行周期的事例數(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)信息則自動從數(shù)據(jù)庫中讀出1號波形數(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行數(shù)據(jù)的更換操作。隨后EE字段事例數(shù)據(jù)的到來會使DSP波形發(fā)生器或事例接收解析器對事例數(shù)據(jù)進行響應(yīng)并進行波形數(shù)據(jù)輸出以達到同步控制；如果DSP波形發(fā)生器或事例接收解析器中沒有該事例數(shù)據(jù)則不進行任何操作。這就是通過同步事例發(fā)生器來設(shè)置和激活1個自動變能控制周期。在1個自動變能控制周期內(nèi)，如果DSP波形發(fā)生器或事例接收解析器中沒有同步事例發(fā)生器發(fā)送的事例數(shù)據(jù)，則不進行任何操作，這樣系統(tǒng)就可實現(xiàn)對各被控設(shè)備的分時分段控制；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)進行相應(yīng)的功能操作，這樣系統(tǒng)就可實現(xiàn)對被控設(shè)備的同步控制，并實現(xiàn)各被控設(shè)備的獨立自主操作。圖4為自動變能控制周期示意圖。

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

3 束流能量自動切換運行與測試

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

多級束流能量自動切換控制是同步加速器應(yīng)用于放射治療中3D主動治療方式的重要技術(shù)之一。多級束流能量自動切換控制可實現(xiàn)同步加速器主動變能或繼續(xù)維持1個能量級的束流控制。1個能量級的束流控制有著相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，不同能量級束流的切換，就要實現(xiàn)不同波形數(shù)據(jù)的切換。測試中，通過模擬3個控制周期進行3個能量級的束流連調(diào)，系統(tǒng)應(yīng)輸出3個不同的波形信號作用于磁鐵電源。圖5所示的控制數(shù)據(jù)的自動切換，當(dāng)事例C05A0100信號來時即要切換第0號波形數(shù)據(jù)，第0號波形數(shù)據(jù)為束流能量為50 MeV的控制數(shù)據(jù)；當(dāng)事例C05A0101信號來時即切換第1號波形數(shù)據(jù)，第1號波形數(shù)據(jù)為束流能量為60 MeV的控制數(shù)據(jù)；當(dāng)事例C05A0102信號來時即切換第2號波形數(shù)據(jù)，第2號波形數(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號波形數(shù)據(jù)系統(tǒng)輸出的波形信號；圖6b為根據(jù)第2號波形數(shù)據(jù)系統(tǒng)輸出的波形信號。圖7為3個能量級束流連調(diào)時的波形切換。在測試中，2個能量級間的周期時間為4 s(圖5的事例觸發(fā)信號設(shè)置為4 s)，波形數(shù)據(jù)的周期時間為20 ms。由圖7可清楚地看出，3個能量級間自動切換時，第1個能量級(50 MeV)的波形與第2個能量級的波形相隔4 s；第2個能量級(60 MeV)的波形與第3個能量級(70 MeV)的波形相隔4 s。

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

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

4 結(jié)論

同步加速器多能量級束流自動切換控制機制的實現(xiàn)是同步加速器應(yīng)用于放射治療的3D主動治療方式的關(guān)鍵技術(shù)之一。同步加速器實現(xiàn)束流不同能量級間的自動切換控制以及束流維持在同一能量級的控制，從而實現(xiàn)了放射治療的3D主動治療方式的不同深度照射。同步加速器多能量級束流自動切換控制對控制數(shù)據(jù)和同步事例數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)格式化定義以及特定的控制機制處理，讓同步事例數(shù)據(jù)中包含了控制數(shù)據(jù)的索引號。其中，同步事例數(shù)據(jù)的格式定義提高了束流能量自動切換的效率；擁有大存儲空間的控制器增強了控制系統(tǒng)的實時性。同步事例數(shù)據(jù)包含了3個重要信息：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個重要信息可讓同步加速器控制系統(tǒng)在上個同步加速器的平臺周期內(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現(xiàn)255級不同能量級束流的自動切換控制，完全能滿足以10 MeV為步長在50～500 MeV能量級間進行束流能量切換控制。