本發(fā)明涉及醫(yī)療和工業(yè)輻照應(yīng)用的電子直線加速器
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種醫(yī)用加速器束流自動對中控制方法。
背景技術(shù)：
：放射治療的任務(wù)是根據(jù)各個病人的病灶情況，選擇、設(shè)計和實施最佳的治療計劃。這樣的計劃主要包括治療野的大小、方向、各個靶區(qū)的劑量貢獻，還包括對總處方劑量進行分次治療等。因此，需要對加速器輸出的束流著靶位置進行自動控制，從而確保輸出的劑量在治療野內(nèi)滿足均整度要求。現(xiàn)階段，醫(yī)用加速器治療野內(nèi)劑量的均整度的要求越來越高，而現(xiàn)有加速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境電磁干擾強，劑量均整度容易受到擾動，無法高質(zhì)量地保證治療野內(nèi)劑量均整度要求。技術(shù)實現(xiàn)要素：有鑒于此，本發(fā)明提供了一種醫(yī)用加速器束流自動對中控制方法，能夠用于對醫(yī)用電子直線加速器的劑量的對稱度、均整性自動計算、自動調(diào)整。本發(fā)明的醫(yī)用加速器束流自動對中控制方法，包括如下步驟：步驟1，采用設(shè)計的電離室采集醫(yī)用加速器束流信號和偏離束流信號；其中，電離室包括主電離室和沿主電離室X軸或Y軸相對稱的兩個對分電離室；主電離室的中心位于醫(yī)用加速器束流的理想中心軸線上，對醫(yī)用加速器束流信號進行采樣，得到主信號；分電離室對醫(yī)用加速器束流沿X軸或Y軸偏離時的偏離束流信號進行采樣，得到X方向的偏離束流信號L、R信號或Y方向的偏離束流信號G、T信號；其中，X、Y方向分別為：以束流中心為原點的束流截面上的相互垂直的兩個方向；步驟2，計算對稱的兩個分電離室采集的偏離束流信號的劑量率對稱度誤差值，根據(jù)劑量率對稱度誤差值以及輸出導(dǎo)向電源的理想導(dǎo)向電源值，計算出當(dāng)前導(dǎo)向電源值；其中，理想導(dǎo)向電源值為：醫(yī)用加速器束流在理想導(dǎo)向電源值下，束流偏差為0；步驟3，將醫(yī)用加速器的輸出導(dǎo)向電源值調(diào)節(jié)為步驟2計算獲得的當(dāng)前導(dǎo)向電源值，從而調(diào)節(jié)醫(yī)用加速器束流的位置。進一步地，所述步驟2中，劑量率對稱度誤差值計算方法包括如下子步驟：步驟2.1，對步驟1采集的偏離束流信號進行放大、整流，形成鋸齒狀脈沖信號；步驟2.2，利用醫(yī)用加速器的束流同步信號對步驟2.1的脈沖信號進行積分，得到該分電離室對應(yīng)的劑量率；步驟2.3，比較兩個對稱的分電離室的劑量率，得到該方向的劑量率對稱度誤差值。進一步地，采用PID調(diào)節(jié)方法對醫(yī)用加速器的輸出導(dǎo)向電源進行調(diào)節(jié)，其中，當(dāng)前導(dǎo)向電源值為：比例系數(shù)P×輸出導(dǎo)向電源的當(dāng)前誤差值+積分系數(shù)I×啟動時刻到當(dāng)前時刻的導(dǎo)向電源誤差累計值+微分系數(shù)D×當(dāng)前誤差值與上一次誤差值的差值；其中，比例系數(shù)P、積分系數(shù)I和微分系數(shù)D預(yù)先通過實驗確定。進一步地，如果當(dāng)前的導(dǎo)向電源值超出輸出導(dǎo)向電源的工作范圍，則輸出導(dǎo)向電源工作在允許的極值處，并發(fā)出報警信號。進一步地，所述理想導(dǎo)向電源值根據(jù)機架角度分段計算。進一步地，根據(jù)機架角度分段計算時，各段的機架角度分別為：[316，45]、[46，135]、[136，225]和[226，315]。有益效果：(1)本發(fā)明利用設(shè)計的電離室采集醫(yī)用加速器束流信號和X或Y方向的偏離束流信號，然后計算兩個對稱的分電離室之間的劑量率對稱度誤差值，根據(jù)劑量率對稱度誤差值以及輸出導(dǎo)向電源的理想導(dǎo)向電源值獲得當(dāng)前導(dǎo)向電源值；然后通過改變醫(yī)用加速器輸出導(dǎo)向電源，從而調(diào)節(jié)醫(yī)用加速器束流的位置，修正該對劑量率對稱度誤差，從而使得醫(yī)用加速器束流在治療野內(nèi)滿足均整度的要求。本發(fā)明能夠快速、有效地實現(xiàn)加速器束流的對中，提高治療野內(nèi)劑量的均整度，且可靠性好。(2)本發(fā)明利用醫(yī)用加速器的束流同步信號對采集的偏離束流信號進行積分，以脈沖面積作為劑量率，計算方法簡單，可靠。(3)本發(fā)明還提供了一種PID調(diào)節(jié)方法對醫(yī)用加速器的輸出導(dǎo)向電源進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方法簡單、易實現(xiàn)，充分考慮了輸出導(dǎo)向電源的當(dāng)前誤差值、導(dǎo)向電源誤差累計值和兩次劑量率偏差的差值，能夠?qū)崟r動態(tài)響應(yīng)劑量率的變換。(4)理想導(dǎo)向電源值根據(jù)機架角度分段計算，計算結(jié)果更為精確。附圖說明圖1為本發(fā)明醫(yī)用加速器束流自動對中控制系統(tǒng)組成示意圖。圖2為電離室各層雙面結(jié)構(gòu)示意圖。(a)為電離室的第一層和第五層云母片，單面鍍鋁，鍍層面向電離室內(nèi)部；(b)為電離室的第三層云母片，雙面鍍鋁；第一、三、五層云母片為高壓電極；(c)為電離室的第二層和第四層，雙面鍍鋁，第二層和第四層相對旋轉(zhuǎn)90度擺放，這兩片云母片為收集電極。圖3為束流控制模塊組成示意圖。圖4為本發(fā)明控制流程圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。本發(fā)明提供了一種醫(yī)用加速器束流自動對中控制方法，利用設(shè)計的控制系統(tǒng)對醫(yī)用電子直線加速器的劑量的對稱度、均整性自動計算、自動調(diào)整，能夠快速、有效地實現(xiàn)加速器束流的對中，提高治療野內(nèi)劑量的均整度，且可靠性好。所述控制系統(tǒng)包括X方向控制子系統(tǒng)和Y方向控制子系統(tǒng)；兩個控制子系統(tǒng)相互獨立；其中，X、Y方向分別為：以束流中心為原點的束流截面上的相互垂直的兩個方向。X方向控制子系統(tǒng)和Y方向控制子系統(tǒng)的組成相同，均包括電離室、前置放大模塊和束流控制模塊。其中，子系統(tǒng)中，電離室、前置放大模塊和束流控制模塊依次連接，束流控制模塊與醫(yī)用加速器的X向和Y向輸出導(dǎo)向電源連接，如圖1所示。兩個子系統(tǒng)使用各自的穩(wěn)壓電源供電。其中，電離室分為主電離室和沿主電離室X軸或Y軸對稱的一對分電離室，其中，主電離室的中心位于醫(yī)用加速器束流理想中心軸線上，對醫(yī)用加速器束流信號進行采樣，得到主信號；X或Y分電離室對醫(yī)用加速器束流沿X軸或Y軸偏離時的偏離束流信號進行采樣，得到L、R信號或G、T信號；主電離室和X/Y分電離室將各自的采樣電流信號傳輸至前置放大模塊；前置放大模塊分別對各信號進行緩沖、放大后，輸出至束流控制模塊；束流控制模塊用于實現(xiàn)醫(yī)用加速器束流對稱度監(jiān)測控制；束流控制模塊首先對接收到的信號進行箝位、脈沖采樣和限幅，比較對稱的兩個分電離室采集的偏離束流信號值，計算出兩個分電離室之間的對稱度誤差值，根據(jù)對稱度誤差值以及輸出導(dǎo)向電源的理想導(dǎo)向電源值，計算出當(dāng)前導(dǎo)向電源值，并將當(dāng)前導(dǎo)向電源值輸出至醫(yī)用加速器的輸出導(dǎo)向電源；輸出導(dǎo)向電源根據(jù)當(dāng)前導(dǎo)向電源值改變控制醫(yī)用加速器束流的位置，校正醫(yī)用加速器束流的對稱度，使得醫(yī)用加速器束流在治療野內(nèi)滿足均整度的要求。具體的，如圖1所示，X方向控制子系統(tǒng)中的電離室A包括一個主電離室A和分散在主電離室AX方向兩側(cè)的一對分電離室；其中，主電離室對醫(yī)用加速器束流信號進行采樣，用于測量醫(yī)用加速器射線束流的強度；分電離室用于測量醫(yī)用加速器束流沿X軸偏離時的偏離束流強度。Y方向控制子系統(tǒng)中的電離室B包括一個主電離室B和分散在主電離室BY方向兩側(cè)的一對分電離室；其中，主電離室B對醫(yī)用加速器束流信號進行采樣，用于測量醫(yī)用加速器射線束流的強度；分電離室用于測量醫(yī)用加速器束流沿Y軸偏離時的偏離束流強度。具體的，電離室采用平板透射型形式。電離室由上至下分為三層，各層均由絕緣的云母片在真空中鍍上一層鋁箔而成，其中，第一層和第三層云母片為單面鍍鋁，鍍層面向電離室內(nèi)部，為高壓電極；第二層云母片為雙面鍍鋁，為收集電極，分為中心的圓形收集區(qū)(用于采集醫(yī)用加速器束流主信號)，以及分布在中心圓形外圍的、兩個對稱的半圓環(huán)形收集區(qū)(用于采集醫(yī)用加速器的偏離束流信號)，其中，電離室A和電離室B的第二層相對旋轉(zhuǎn)90度，分別采集X向和Y向的偏離束流信號。也可以將電離室A和電離室B做成一個，此時，電離室由上至下分為五層；各層均由絕緣的云母片在真空中鍍上一層鋁箔而成，如圖2所示，第一層和第五層云母片為單面鍍鋁，鍍層面向電離室內(nèi)部(圖2(a))；第三層云母片為雙面鍍鋁(圖2(b))；第一、三、五層云母片為高壓電極；第二層和第四層云母片為雙面鍍鋁(圖2(c))，第二層和第四層云母片為收集電極，分為中心的圓形收集區(qū)(用于采集醫(yī)用加速器束流主信號)，以及分布在中心圓形外圍的、兩個對稱的半圓環(huán)形收集區(qū)(用于采集醫(yī)用加速器的偏離束流信號)，第二層和第四層相對旋轉(zhuǎn)90度擺放，分別采集X向和Y向的偏離束流信號。第一、二、三層云母片組成一組電離室，采集X向偏離束流信號；第三、四、五層云母片組成另一組電離室，輸出信號控制Y向偏離束流信號。在電極區(qū)和收集區(qū)的周圍鍍上一層接地的鋁箔，可減少漏電流的保護圈。將電離室密封起來與外面空氣隔絕，可減小溫度和氣壓的影響。在收集電極和高壓電極間加+300V左右的電壓，供電電流5mA。當(dāng)醫(yī)用加速器射線束流通過電離室時，射線束流使電離室中的氣體產(chǎn)生電離，形成帶電離子。帶電離子在電場的作用下，被收集電極板收集，形成輸出電流。前置放大模塊分別對來自電離室的左半片信號L、右半片信號R、主信號A、前半片信號T、后半片信號G和主信號B進行采樣、緩沖并放大。前置放大模塊采用前置放大器；由于醫(yī)用加速器有X線和電子線兩種射線，在不同射線照射時，每一個電離室的信號都是很微弱的。X線束流的電流大約是10E-8安培，脈沖寬度只有幾百微秒，并且還是高阻輸出，電子線束流的電流更小。因此，需要根據(jù)醫(yī)用加速器的射線類型進行能選控制，選擇不同的放大倍數(shù)。本發(fā)明前置放大器的能選控制由AD7512模擬開關(guān)實現(xiàn)，工作時，為方便束流控制模塊計算方便，設(shè)計前置放大器輸出一串類似于鋸齒波的脈沖信號。束流控制模塊包括箝位子模塊、脈沖積分子模塊、A/D子模塊、差分子模塊和單片機，如圖2所示。前置放大模塊輸出的脈沖信號經(jīng)箝位子模塊箝位消除直流偏差后，輸出至脈沖積分子模塊；與醫(yī)用加速器束流信號同步的同步脈沖信號經(jīng)差分子模塊輸送至脈沖積分子模塊，脈沖積分子模塊根據(jù)同步脈沖信號的時間，對前置放大模塊輸出的脈沖信號進行積分，以脈沖面積反映當(dāng)前劑量率；脈沖積分子模塊將當(dāng)前劑量率傳輸至A/D子模塊進行AD轉(zhuǎn)換后輸出至單片機；單片機首先根據(jù)對稱的兩個分電離室信號的當(dāng)前劑量率的差值，計算出該方向的劑量率對稱度誤差值，然后根據(jù)對稱度誤差值以及輸出導(dǎo)向電源的理想導(dǎo)向電源值，計算出當(dāng)前的導(dǎo)向電源值，并將當(dāng)前的導(dǎo)向電源值輸出至醫(yī)用加速器的該方向的輸出導(dǎo)向電源。輸出導(dǎo)向電源根據(jù)當(dāng)前的導(dǎo)向電源值控制醫(yī)用加速器束流的位置，校正醫(yī)用加速器束流的對稱度，使得醫(yī)用加速器束流在治療野內(nèi)滿足均整度的要求。單片機通過485接口與主控計算機交換數(shù)據(jù)。單片機根據(jù)醫(yī)用加速器的不同能檔，利用“軟件電位器”由主控計算機對應(yīng)改變單片機收到的數(shù)字脈沖采樣信號的增益。數(shù)字脈沖采樣信號的增益可預(yù)先確定，并保存在X25045中，醫(yī)用加速器每次切換能檔后，單片機從X25045中讀出當(dāng)前能檔對應(yīng)的增益值。X(或Y)向輸出導(dǎo)向電源為可調(diào)雙向恒流源，可輸出或正或負的恒直流電源，為醫(yī)用加速器的輸出導(dǎo)向線包供電，調(diào)整束流位置。本發(fā)明的束流自動對中控制系統(tǒng)即根據(jù)對稱度誤差信號，調(diào)節(jié)X(或Y)向輸出導(dǎo)向電源的輸出電流，從而校正照射野劑量率的對稱度。由于醫(yī)用直線加速器中有大功率調(diào)制器系統(tǒng)、大功率開關(guān)電源等強干擾源，因此對系統(tǒng)的抗噪聲能力的要求比較高。為了降低外部信號對系統(tǒng)的干擾，束流自動對中控制系統(tǒng)的對外的接口電路均采用光耦或差分與外部信號進行隔離，并通過上拉電阻或下拉電阻來獲得所需要的電平。利用本發(fā)明醫(yī)用加速器束流自動對中控制系統(tǒng)的對中方法如下：首先，將主電離室的中心對準醫(yī)用加速器束流的理想中心軸線，將X(或Y)輸出導(dǎo)向電源調(diào)整為理想值，所述理想值即為：醫(yī)用加速器束流在該理想值下，束流偏差為0。然后，在加速器出束過程中，束流控制模塊根據(jù)分電離室實時采集的偏離束流信號，計算R、L信號(或G、T信號)之間的對稱度誤差值，結(jié)合已知的理想導(dǎo)向電源值，計算得到當(dāng)前的導(dǎo)向電源值。如果當(dāng)前的導(dǎo)向電源值超出輸出導(dǎo)向電源工作電壓范圍，則X(或Y)輸出導(dǎo)向電源工作在允許的極值處，并向加速器工控機發(fā)出報警信號。采用PID進行調(diào)節(jié)時，調(diào)節(jié)后的X(或Y)輸出導(dǎo)向電源的計算方法為：比例系數(shù)P×X輸出導(dǎo)向電源的當(dāng)前誤差值+積分系數(shù)I×啟動時刻到當(dāng)前時刻的X輸出導(dǎo)向電源誤差累計值+微分系數(shù)D×當(dāng)前誤差值與上一次誤差值的差值；采用調(diào)節(jié)后的X輸出導(dǎo)向電源值控制X輸出導(dǎo)向電源。根據(jù)加速器多能檔的特點，可以對各能檔的劑量率放大信號、X(或Y)輸出導(dǎo)向電源的初始值、PID調(diào)節(jié)的P、I、D系數(shù)進行預(yù)先調(diào)節(jié)并設(shè)置，建立數(shù)據(jù)庫。各能檔參數(shù)存入X25045中，在加速器切換能檔時，根據(jù)所處狀態(tài)調(diào)出相應(yīng)能檔的參數(shù)。由于加速器機架要在±180°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，機架處于不同角度時，輸出導(dǎo)向電源的中心值略有不同，因此把機架分為多個角度段，在每個角度段設(shè)置各自的X(或Y)理想輸出導(dǎo)向電源值，系統(tǒng)根據(jù)加速器機架的角度狀態(tài)調(diào)取X(或Y)輸出導(dǎo)向電源值。可以根據(jù)機架角度分為如下幾段：機架角度分別為：[316，45]、[46，135]、[136，225]和[226，315]，建立參數(shù)表(表1)：表1機架角度范圍(度)X(Y)理想輸出導(dǎo)向電源值PID316—45V1P1I1D146—135V2P2I2D2136—225V3P3I3D3226—315V4P4I4D4在加速器出束過程中，系統(tǒng)不斷采集電離室的劑量率信號，計算劑量率R、L(或G、T)之間誤差，根據(jù)誤差對X(或Y)輸出導(dǎo)向電源進行PID調(diào)節(jié)。計算調(diào)節(jié)后的X(或Y)輸出導(dǎo)向電源為：比例系數(shù)P×X輸出導(dǎo)向電源的當(dāng)前誤差值+積分系數(shù)I×啟動時刻到當(dāng)前時刻的X輸出導(dǎo)向電源誤差累計值+D×當(dāng)前誤差值與上一次誤差值的差值；采用調(diào)節(jié)后的X(或Y)輸出導(dǎo)向電源值控制X(或Y)輸出導(dǎo)向電源。在實施過程中，根據(jù)具體設(shè)定值，限定X(或Y)輸出導(dǎo)向電源的調(diào)節(jié)范圍，一旦輸出值超出原先設(shè)定的范圍，電源只能工作在允許的極值處并向加速器工控機發(fā)出報警信號。分段時，采用公式：VL(n)＝PL·E(n)+IL·[E(n)+E(n-1)+…+E(0)]+DL·[E(n)-E(n-1)]計算調(diào)節(jié)后的X(或Y)輸出導(dǎo)向電源值并執(zhí)行調(diào)節(jié)；VL(n)為機架角度在L段時，n時刻的調(diào)整后輸出導(dǎo)向電源值，PL為對X(或Y)輸出導(dǎo)向電源進行PID調(diào)節(jié)機架角度在L段時的比例系數(shù)，IL為對X(或Y)輸出導(dǎo)向電源進行PID調(diào)節(jié)機架角度在L段時的積分系數(shù)，DL為對X(或Y)輸出導(dǎo)向電源進行PID調(diào)節(jié)機架角度在L段時的微分系數(shù)。E(n)為時刻“n”采集的劑量率R、L(或G、T)之間誤差，E(0)為劑量率R、L(或G、T)在出束初始時刻的誤差。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3