同步加速器束流能量自动切换控制系统

刘伍丰，乔卫民，敬 岚，刘相满，何前磊

(1.河南工业大学 电气工程学院，河南 郑州 450001；2.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000)

为开展带电粒子放射治疗3D主动治疗方式[1-4]的研究，同步加速器控制系统必须实现主动多级束流能量间切换控制。一般加速器采用以10 MeV为步长在50～500 MeV束流能量间[5]进行束流能量切换(也有Hitachi公司实验采用5 MeV的步长[6]进行束流能量切换)。本文将采用一些加速器装置[7-10]和加速器治疗装置[11-13]的通用加速器控制系统技术开发同步加速器束流能量切换控制系统，如需同步时间系统[14]的同步事例信息对各设备进行同步触发控制，也将发展一套高效的数据交互系统[15]和自动切换控制机制。

1 束流能量切换控制机制

在整个束流能量切换控制机制中，同步事例数据C05A2001(同步事例数据的格式定义，1个同步事例数据为32位：第0～7位是波形号；第8～11位是预留位；第12～15位是时间补偿、更新响应标识位；第16～23位是事例功能标识位，如5A事例；第24～31位是同步标识位)为数据切换功能事例。当这个事例触发时，各系统按事例给出的波形号进行数据切换更新操作，如事例数据C05A0001，需切换更新第1号波形数据。因为同步事例数据的格式定义中第0～7位是波形号，所以系统可切换0～254号波形数据(其中第255号为系统预留)；系统设定第0号波形数据是束流能量为50 MeV的控制数据，第254号波形数据是束流能量为500 MeV的控制数据，则可实现255级步长为1.77 MeV的束流能量切换控制。实际上使用步长为10 MeV的束流能量切换控制，系统设定第0号波形数据是束流能量为50 MeV的控制数据；第1号波形数据是束流能量为60 MeV的控制数据，依此类推。

图1 束流能量切换控制系统结构示意图Fig.1 Structural block diagram of control system for beam energy variation

加速器控制系统中存在不同的被控对象，如同步电源、扫描磁铁电源、高频设备、静电偏转板及高压设备等。因此，同步加速器束流能量切换控制机制主要由3种类别的数据切换控制机制组成：扫描磁铁电源的波形数据切换控制机制，主要部件是ARM控制器、DSP波形发生器和剂量计数器；加速器的同步电源和高频控制系统中的波形数据切换控制机制，主要部件是ARM控制器和DSP波形发生器；加速器中静电偏转板和高压设备等控制系统中的数据切换控制机制，主要部件是同步事例接收器。图1为3种机制类别的束流能量切换控制系统结构图。

1) 扫描磁铁电源的数据切换控制机制

当同步事例时间系统的控制界面给事例发生器录入并使其发出切换数据事例(如C05A2001事例：事例数据的第16～23位为5A，它包含更新波形数据的控制操作功能)时，剂量计数板则中断触发前端服务器上的COM组件；当COM组件及应用程序得知是需切换数据操作，则从事例中读出需切换的数据波形号。然后，COM组件从治疗计划系统中的Oracle数据库读出所需的剂量数据并更新至剂量计数板。当DSP波形发生器接收到事例信号时，先解析事例信号，读出数据波形号，同时触发ARM控制器。当ARM控制器中的SDRAM中存有该波形号数据(该波形数据对病灶切面实施点扫描)时，则更新至DSP波形发生器。若ARM控制器中的SDRAM中没有该波形号数据，则通过COM组件更新中央Oracle数据库中相应记录的MARK位。使得触发器触发运行后，传输该波形号的波形数据至ARM控制器并更新DSP波形发生器的SDRAM内存空间，然后等待波形输出的同步事例信号。当其他事例信号(第16～23位为5A以外的事例，如EE事例，事例数据的第16～23位为EE，它包含响应并运行的控制操作功能)从同步事例时间系统上发出时，剂量计数板判断是否为开始计数操作的事例；DSP波形发生器判断是否为波形输出的事例。如果是上述事例，则DSP波形发生器按上次5A事例已更新的波形数据进行波形输出。同时，剂量计数板则从寄存器空间中读出要计数脉冲的个数，等待剂量计数板完成要求的脉冲个数计数时，再发出1个脉冲信号给DSP波形发生器，DSP波形发生器则停止波形输出。这样就完成了1个束流能量切换的闭环控制。扫描磁铁电源的数据切换控制机制流程在图2所示的束流能量切换控制机制流程中可见，ARM控制器和DSP波形发生器的数据流在图3所示的束流能量切换控制机制数据流中可见。

图2 束流能量切换控制机制流程图Fig.2 Flowchart of control mechanism for beam energy variation

图3 束流能量切换控制机制数据流示意图Fig.3 Data flow diagram of control mechanism for beam energy variation

2) 同步加速器中磁铁电源和高频控制系统中的波形数据切换控制机制

当同步事例时间系统的控制界面给事例发生器录入并使其发出切换数据事例(如C05A2001)时，DSP波形发生器对事例信息进行接收并解析。DSP波形发生器通过FPGA同步事例接收与处理逻辑电路对事例数据进行分析，并判断是否为切换波形数据的功能事例。如果是5A事例，则DSP波形发生器中断ARM控制器，然后ARM控制器读出数据波形号(ARM控制器的SDRAM中存储了在DSP波形发生器的内存空间中的各波形数据的存储地址和长度)。这时ARM控制器告知DSP波形发生器该波形数据的存储首地址及长度；然后，DSP波形发生器从SDRAM中读出该波形数据并通过插值算法进行插值。当事例信号(第16～23位为5A以外的事例，如EE事例)从同步事例时间系统上发出时，DSP波形发生器收到该事例信号则打开DAC，并对上次已更新的波形数据进行输出。高频控制系统波形数据切换控制机制与磁铁电源数据切换控制机制相同。磁铁电源和高频控制的数据切换控制机制流程图和ARM控制器、DSP波形发生器和RF控制器的数据流亦可见图2、3。

3) 加速器中静电偏转板和高压设备等控制系统中的数据切换控制机制

静电偏转板和高压等系统由于对于同步性要求不高，所以静电偏转板和高压等系统采用了硬同步中断转为软同步中断来触发系统，其数据切换机制为：当事例发生器录入同步事例时间系统的控制界面并发出切换数据事例(如C05A2001)时，同步事例接收解析器对同步事例信息进行接收与解析，并中断告知COM组件及应用程序。COM组件及应用程序通过CPCI总线对事例信息进行读取并判断是否为切换数据的事例。如果是切换数据的事例，则COM组件及应用程序从Oracle数据库中读出相应的值并即时传输至控制器。当事例信号(第16～23位为5A以外的事例，如EE事例)从同步事例时间系统上发出时，事例解析器对事例信息进行接收与解析，并中断告知COM组件及应用程序。然后，COM组件及应用程序通过CPCI总线对事例信息进行读取并发送命令信息告知控制器，控制器按照上次更新的数据控制被控设备。静电偏转板和高压等系统的数据切换控制机制流程和多功能控制器的数据流亦可见图2、3。

2 自动变能控制周期

自动变能控制周期决定了同步加速器束流能量自动切换控制系统的控制时序逻辑。通过设定同步加速器束流能量自动切换控制系统的控制时序，同步加速器就可按设定操作和运行周期连续自动运行。自动变能控制周期也是同步事例数据和控制数据的产生、传输、接收和处理的周期；发送同步事例信号是自动变能控制周期中的时间节点。当同步事例发生器激活并产生1个控制周期的控制时序，每个DSP波形发生器以及每个事例接收解析器会对同步事例发生器发送的事例数据进行解析。比如同步事例发生器发出1个束流运行周期的事例数据C05A2101(事例数据的第16～23位为5A，它包含更新波形数据的控制操作功能)和C0EE0001(事例数据的第16～23位为EE，它包含响应并运行的控制操作功能)，若DSP波形发生器中的事例接收解析器中有5A字段事例数据信息则自动从数据库中读出1号波形数据，并更新至DSP内存(SDRAM)空间或其他控制器中；如果没有5A字段事例数据信息，DSP波形发生器或事例接收解析器则不进行数据的更换操作。随后EE字段事例数据的到来会使DSP波形发生器或事例接收解析器对事例数据进行响应并进行波形数据输出以达到同步控制；如果DSP波形发生器或事例接收解析器中没有该事例数据则不进行任何操作。这就是通过同步事例发生器来设置和激活1个自动变能控制周期。在1个自动变能控制周期内，如果DSP波形发生器或事例接收解析器中没有同步事例发生器发送的事例数据，则不进行任何操作，这样系统就可实现对各被控设备的分时分段控制；当DSP波形发生器或事例接收解析器中有同步事例发生器发送的同步事例数据，则它们按相应的事例数据进行相应的功能操作，这样系统就可实现对被控设备的同步控制，并实现各被控设备的独立自主操作。图4为自动变能控制周期示意图。

图4 自动变能控制周期示意图Fig.4 Control cycle of beam energy variation

3 束流能量自动切换运行与测试

图5 ARM控制器和DSP波形发生器控制数据的自动切换Fig.5 Automatical change of control data of ARM controller and DSP wave generator

多级束流能量自动切换控制是同步加速器应用于放射治疗中3D主动治疗方式的重要技术之一。多级束流能量自动切换控制可实现同步加速器主动变能或继续维持1个能量级的束流控制。1个能量级的束流控制有着相应的波形数据，不同能量级束流的切换，就要实现不同波形数据的切换。测试中，通过模拟3个控制周期进行3个能量级的束流连调，系统应输出3个不同的波形信号作用于磁铁电源。图5所示的控制数据的自动切换，当事例C05A0100信号来时即要切换第0号波形数据，第0号波形数据为束流能量为50 MeV的控制数据；当事例C05A0101信号来时即切换第1号波形数据，第1号波形数据为束流能量为60 MeV的控制数据；当事例C05A0102信号来时即切换第2号波形数据，第2号波形数据为束流能量为70 MeV的控制数据。图6a为根据第0号波形数据系统输出的波形信号；图6b为根据第2号波形数据系统输出的波形信号。图7为3个能量级束流连调时的波形切换。在测试中，2个能量级间的周期时间为4 s(图5的事例触发信号设置为4 s)，波形数据的周期时间为20 ms。由图7可清楚地看出，3个能量级间自动切换时，第1个能量级(50 MeV)的波形与第2个能量级的波形相隔4 s；第2个能量级(60 MeV)的波形与第3个能量级(70 MeV)的波形相隔4 s。

a——第1个能量级的波形；b——第3个能量级的波形图6 能量级切换中的DSP波形发生器的信号输出Fig.6 Signals for beam energy variation from DSP waveform generator

图7 同步加速器3个能量级间连调Fig.7 Three beam energy stages automatic change for synchrotron

4 结论

同步加速器多能量级束流自动切换控制机制的实现是同步加速器应用于放射治疗的3D主动治疗方式的关键技术之一。同步加速器实现束流不同能量级间的自动切换控制以及束流维持在同一能量级的控制，从而实现了放射治疗的3D主动治疗方式的不同深度照射。同步加速器多能量级束流自动切换控制对控制数据和同步事例数据进行数据格式化定义以及特定的控制机制处理，让同步事例数据中包含了控制数据的索引号。其中，同步事例数据的格式定义提高了束流能量自动切换的效率；拥有大存储空间的控制器增强了控制系统的实时性。同步事例数据包含了3个重要信息：同步触发信息、束流能量控制数据的索引信息和控制数据的切换操作信息。这3个重要信息可让同步加速器控制系统在上个同步加速器的平台周期内根据控制需求更新被控设备的控制数据。这样就可根据束流调试情况随时更新任意被控设备的控制数据，也让加速器束流调试变得更为便利。系统根据特定的控制需求可实现255级不同能量级束流的自动切换控制，完全能满足以10 MeV为步长在50～500 MeV能量级间进行束流能量切换控制。