重離子治癌點掃描動態(tài)電流實時反饋系統(tǒng)設(shè)計

姜浩宇 趙 江 周忠祖 王德志 高大慶

1（中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

2（中國科學(xué)院大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100049）

1 點掃描治療原理

點掃描治療是指在治療過程中加速器主動改變離子的能量，以此來調(diào)整離子束的入射深度，同時利用磁掃描系統(tǒng)引導(dǎo)筆形束對腫瘤靶區(qū)進行逐點適形或調(diào)強照射治療［1?4］。相對被動均勻掃描而言，點掃描是一種精確掃描，對束流配送系統(tǒng)設(shè)備的要求較高。點掃描電源是束流配送系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，如圖1 所示，其作用是為垂直掃描鐵和水平掃描鐵提供勵磁電流，通過控制電流來控制水平和垂直磁場，引導(dǎo)束斑快速移動，從而對腫瘤切片進行適形精確掃描。治療計劃系統(tǒng)（Treatment Planning System，TPS）根據(jù)醫(yī)生的治療處方對腫瘤進行切片劃分［5］，生成多層治療數(shù)據(jù)，每層包含能量、計量、位置等信息。終端將位置信息轉(zhuǎn)成電流數(shù)據(jù)一次性發(fā)給掃描電源，這樣點掃描的過程就是電源根據(jù)反饋信號快速實時改變電流的過程［6］。其中電流的變化對應(yīng)著束斑位置的變化，而且，根據(jù)治療需求，電流變化率越快越好（小于200 μs/12 A）。目前，掃描系統(tǒng)掃描每層大概需要幾百個毫秒。

圖1 重離子治癌裝置點掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure for spot scanning in medical heavyion facility

2 反饋系統(tǒng)設(shè)計

束流位置監(jiān)測在束流配送系統(tǒng)中具有非常重要的地位［7］，而精確反饋點掃描過程中的位置電流將有助于束流位置的動態(tài)監(jiān)測、控制、校正等算法的開發(fā)［3］。然而，在點掃描的過程中，位置電流變化快、幅值小，容易被現(xiàn)場噪聲淹沒，因此，無法使用以太網(wǎng)和低速光纖傳輸?shù)碾娏鞣答伔椒āＤ壳皩c掃描過程中動態(tài)電流的觀測主要有兩種方法：一種是采用NI的高速采集板卡；而另一種是采用高分辨率示波器。通過NI 的6366 采集系統(tǒng)在遠(yuǎn)端對電源直流電流傳感器（Direct Coupled Current Transformer，DCCT）的模擬信號進行采集，測量易受到現(xiàn)場噪聲干擾而影響計算精度。而示波器采集不便于和終端治療系統(tǒng)集成。因此為監(jiān)測并優(yōu)化點掃描位置電流的精度、重復(fù)性，本文基于Xilinx高性能現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）；光纖收發(fā)和高速差分總線PCIE（Peripheral Component Interface Express）傳輸技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種點掃描位置電流實時反饋系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。系統(tǒng)由前端采集板、多模光纖、基于PCIE 的數(shù)據(jù)收集板和終端服務(wù)器軟件組成。前端采集板位于電源內(nèi)部與DCCT連接，可通過網(wǎng)絡(luò)對其進行采樣模式、采樣率、濾波參數(shù)等設(shè)置。當(dāng)接收到一層的啟動治療信號，系統(tǒng)開始對掃描電流進行采集，并通過多模光纖將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街委熃K端監(jiān)測服務(wù)器上的數(shù)據(jù)收集板，最后通過PCIE接口將數(shù)據(jù)上傳入服務(wù)器軟件中，進行后續(xù)分析計算。

3 硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為前端采集板卡和數(shù)據(jù)收集板卡兩部分。前端采集板卡由Xilinx公司的高性價比可編輯邏輯芯片F(xiàn)PGA Xc7A100T、12 bit 的65 MSPS（每秒采樣百萬次數(shù)）模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（Analog-to-Digital Converter，ADC）AD9238、兩路HFBR2624 和兩路小型熱插拔光電模塊（Small Form-factor Pluggable，SFP）組成，其功能包括：1）設(shè)置參數(shù)和啟動治療信號；2）在電源內(nèi)部對DCCT 的信號進行數(shù)據(jù)采集；3）對數(shù)據(jù)進行濾波處理；4）通過多模光纖發(fā)送給數(shù)據(jù)收集板卡［8］。而AFBR2624 是一種50 MDd 光電轉(zhuǎn)換器，用于接收前端采集板設(shè)置參數(shù)與啟動控制信號。數(shù)據(jù)收集板卡由高性能FPGA 芯片XC7Z035，兩片雙倍率內(nèi)存芯片（Double Data Rate，DDR），兩路SFP+光模塊及PCIEx4 接口組成，其功能是實時接收位置電流數(shù)據(jù)，并通過PCIE總線將數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)測服務(wù)器軟件。

圖2 點掃描動態(tài)電流反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of point scanning dynamic current real-time collecting system

4 基于VHDL的軟核實現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送

數(shù)據(jù)采集與發(fā)送功能通過前端采集板實現(xiàn)。主要由AD9238 采樣濾波、前進先出隊列（First Input First Output，F(xiàn)IFO）緩沖、時鐘分配（clock module）、吉比特收發(fā)器（Gigabit Transceiver，對于前端板稱為GTP，數(shù)據(jù)收集板為GTX）發(fā)送及控制邏輯等模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。AD9238對DCCT輸出的信號采樣并轉(zhuǎn)換為16 bit 字寬，經(jīng)過有限長脈沖響應(yīng)（Finite Input Response，F(xiàn)IR）數(shù)字低通濾波器濾除高頻噪聲后送入FIFO。為了適配ADC 采樣時鐘100 kHz和GTP的發(fā)送時鐘31.25 MHz，本設(shè)計采用了兩級FIFO?？紤]到點掃描治療一層的時間小于1 s，因此設(shè)置兩個FIFO，深度為131 072×16 bit，這樣可一次讀寫發(fā)送131 072 個波形數(shù)據(jù)點，即可在100 K的采樣率下采集1.3 s的波形數(shù)據(jù)?？刂七壿媽崿F(xiàn)采集和濾波參數(shù)的設(shè)置、兩級緩存的同步讀寫控制及GTP 收發(fā)控制。啟動治療信號的上升沿觸發(fā)一次采集和傳輸，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)對FIFO1寫滿時，打開FIFO1 的讀使能和FIFO2 的寫使能，將數(shù)據(jù)從FIFO1 寫入 FIFO2；當(dāng) FIFO1 讀空時，打開 FIFO2 讀使能，將FIFO2中的數(shù)據(jù)通過GTP發(fā)送出去，完成一次數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

圖3 采集板FPGA軟核模塊框圖Fig.3 Block diagram of FPGA soft core in acquisition board

此外，AD9238 的采樣率、采樣時間和濾波參數(shù)可靈活設(shè)置。為了使前端采集板的GTP 與數(shù)據(jù)收集板的GTX通信速率匹配，將光纖傳輸速度設(shè)置在1.25 Gbit ? s?1。 光 纖 傳 輸 數(shù) 據(jù) 時 ，用 Comma 碼（K28.5）來校正通信中的數(shù)據(jù)移位現(xiàn)象，以確保數(shù)據(jù)正確傳輸［9?10］。

4.2 FIR數(shù)字濾波器

FIR數(shù)字濾波器的參數(shù)設(shè)計是點掃描位置電流數(shù)據(jù)成功反饋的關(guān)鍵。電源點掃描的過程中必然引入現(xiàn)場的高頻噪聲，如果沒有濾波，反饋的位置電流會被噪聲淹沒，無法使用。為了確保反饋的快速性和準(zhǔn)確，需要在硬件層面對采集數(shù)據(jù)進行濾波處理。本設(shè)計采用單通道FIR 低通濾波的方式，使用漢明窗（Hamming window）低通濾波模型，采樣頻率為100 kHz，帶通頻率設(shè)為1 K。經(jīng)過filter solutions 軟件仿真，得到的離散頻率響應(yīng)曲線如圖4所示，頻率響應(yīng)曲線在5 kHz 處開始下降，表示該濾波器對5 kHz以上的高頻成分有很好的濾波效果。之后，利用硬件描述語言在前端采集板上實現(xiàn)該濾波器。

圖4 濾波器離散頻率響應(yīng)Fig.4 Discrete frequency response of filter

4.3 數(shù)據(jù)的接收與讀取

數(shù)據(jù)采集與發(fā)送功能通過前端采集板實現(xiàn)。其內(nèi)部軟核由GTX 接收校驗?zāi)K、先進可擴展接口（Advanced extensible Interface，AXI）轉(zhuǎn)換模塊、DDR驅(qū)動知識產(chǎn)權(quán)核（Intellectual Property core，IP 核）及PCIE 驅(qū)動IP 核組成。GTX 接收校驗?zāi)K接收并校驗SFP 傳入的數(shù)據(jù)，經(jīng)過AXI 轉(zhuǎn)換模塊送入DDR中。AXI 轉(zhuǎn)換模塊是一個狀態(tài)機，產(chǎn)生AXI 寫時序［11］，將數(shù)據(jù)寫入DDR中。DDR驅(qū)動IP和PCIE驅(qū)動IP 采用Xilinx 提供的IP 核，其內(nèi)部的數(shù)據(jù)接口是基于AXI-4協(xié)議的高速總線。如果治療過程發(fā)起讀數(shù)據(jù)請求，PCIE 驅(qū)動IP 會根據(jù) AXI 讀時序，讀取DDR 內(nèi)對應(yīng)的緩存區(qū)數(shù)據(jù)，將其傳給監(jiān)測服務(wù)器軟件。

監(jiān)測服務(wù)器中的軟件采用跨平臺應(yīng)用程序開發(fā)框架QT 開發(fā)。整個上位機架構(gòu)分為PCIE 驅(qū)動層、數(shù)據(jù)處理層和界面顯示層。PCIE 驅(qū)動層實現(xiàn)PCIE設(shè)備的識別與控制功能，其定義了一個xdma_programe 類，用于實現(xiàn)對PCIE 設(shè)備的讀取和檢測，根據(jù)用戶定義的地址和長度讀取數(shù)據(jù)收集板DDR中的數(shù)據(jù)；邏輯處理層定義了一個xdma_getImg類，對PCIE驅(qū)動層讀取的原始波形數(shù)據(jù)進行數(shù)值轉(zhuǎn)換，將16進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實際采集的電流值；界面顯示層定義了一個mainWindow 類，用于將讀取的波形數(shù)據(jù)繪制成波形圖顯示出來，同時下發(fā)用戶控制指令［12］。

在蘭州重離子治療裝置現(xiàn)場對點掃描位置電流反饋系統(tǒng)進行了測試。在規(guī)格為±480 A/±15 V、DCCT 變比為60 A/V 的點掃描電源上，輸出?144～+144 A之間，以16 A為步長，持續(xù)2 ms換點的點掃描位置電流波形。分別用示波器（DPO3014）和反饋測試系統(tǒng)進行同步采集。圖5為電源端示波器采集的波形，圖6 為點掃描動態(tài)電流反饋系統(tǒng)無濾波時采集的波形，圖7為二階和十階漢明窗FIR濾波后的波形?？梢钥闯?，沒有濾波的數(shù)據(jù)被噪聲淹沒，無法使用，但通過反復(fù)調(diào)節(jié)FIR的濾波參數(shù)，該反饋系統(tǒng)能將位置電流實時送入治療終端監(jiān)測服務(wù)器軟件。

圖5 示波器采集波形Fig.5 Waveform collected by oscilloscope

圖6 測試系統(tǒng)未濾波采集波Fig.6 Waveform collected by test system(no filtering)

5 電流反饋計算

終端對束流位置控制采用了前饋的方法［13］，但其對位置控制的精度取決于掃描電源的重復(fù)性和模型參數(shù)的穩(wěn)定性［14］。掃描電源的重復(fù)性隨著其ADC 電路、電流傳感器、控制器參數(shù)、主電路拓?fù)?、環(huán)境溫度等因素變化。利用本系統(tǒng)監(jiān)測位置電流的變化，同時積累掃描電流數(shù)據(jù)，研究優(yōu)化策略，以確保點掃描位置電流的精度和重復(fù)性。

5.1 電流偏差

為提升治療的安全性，以及監(jiān)測掃描電流的穩(wěn)定性，通過該系統(tǒng)實時計算反饋電流與設(shè)定電流的偏差，如在治療過程中偏差超出設(shè)定范圍（目前偏差閾值設(shè)定為1.0 A），說明掃描電流出現(xiàn)異常，即刻啟動安全連鎖信號，中斷治療。調(diào)試過程中一種設(shè)定電流點陣與反饋電流點陣對比如圖8所示。其中，X為水平掃描鐵電流，Y為垂直掃描鐵電流，點畫線為設(shè)定電流，直線為反饋電流。通過反復(fù)優(yōu)化電流調(diào)節(jié)策略及參數(shù)，減小電流偏差，可以有效提升掃描電流的精度及重復(fù)性。

圖7 二階(a)、十階(b)漢明窗濾波波形Fig.7 Second order(a)and ten order(b)Hamming window filtering waveform

5.2 電流的重復(fù)性

點掃描治療時，不同的能量，偏轉(zhuǎn)1 mm 束流對應(yīng)的能量不同，電流精度要求也不同。在400 MeV?μ?1下偏轉(zhuǎn)電流為4.2 A，同時電流穩(wěn)定度要小于0.17 A。為此，利用該反饋系統(tǒng)在蘭州重離子治療裝置終端對一臺點掃描電源進行點掃描位置電流重復(fù)性測試，其零點附近位置電流的變化如表1 所示。其中設(shè)定偏轉(zhuǎn)電流步長為4 A，重復(fù)2 700個掃描周期，根據(jù)反饋電流計算每個位置電流的重復(fù)性，并對電流調(diào)節(jié)算法和參數(shù)反復(fù)調(diào)試，目前掃描電流的變化小于0.106 8 A，滿足系統(tǒng)電流偏差需求。此外，電流0 點和負(fù)向電流存在較大的偏差（大于0.5 A），但這些偏差比較固定，通過前饋的方式將其疊加到設(shè)定電流能有效減小這種偏差。

圖8 設(shè)定電流與反饋電流點陣對比Fig.8 Comparison of set current and feedback current lattice

表1 零點附近位置電流的變化Table 1 Variety of position current nearzero point

6 結(jié)語

重離子治癌裝置中的點掃描治療是一種精確的放療方法，其對位置控制的精度和效率取決于掃描電流的精度和重復(fù)性。為分析和優(yōu)化點掃描治療過程中位置電流的精度和重復(fù)性，并實時監(jiān)控點掃描過程中位置電流的變化情況，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種重離子治癌點掃描位置電流實時反饋系統(tǒng)，經(jīng)過現(xiàn)場測試滿足設(shè)計需求。未來隨著治療精度的不斷提升，治療的位置偏差要求小于0.04 mm，對應(yīng)的電流變化要小于0.086 A，因此該系統(tǒng)的實現(xiàn)將為國內(nèi)自主重離子治癌裝置提高治療精度和效率提供必要的技術(shù)手段。