姜浩宇 趙 江 周忠祖 王德志 高大慶

1（中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

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

1 點(diǎn)掃描治療原理

點(diǎn)掃描治療是指在治療過(guò)程中加速器主動(dòng)改變離子的能量，以此來(lái)調(diào)整離子束的入射深度，同時(shí)利用磁掃描系統(tǒng)引導(dǎo)筆形束對(duì)腫瘤靶區(qū)進(jìn)行逐點(diǎn)適形或調(diào)強(qiáng)照射治療［1?4］。相對(duì)被動(dòng)均勻掃描而言，點(diǎn)掃描是一種精確掃描，對(duì)束流配送系統(tǒng)設(shè)備的要求較高。點(diǎn)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(lì)磁電流，通過(guò)控制電流來(lái)控制水平和垂直磁場(chǎng)，引導(dǎo)束斑快速移動(dòng)，從而對(duì)腫瘤切片進(jìn)行適形精確掃描。治療計(jì)劃系統(tǒng)（Treatment Planning System，TPS）根據(jù)醫(yī)生的治療處方對(duì)腫瘤進(jìn)行切片劃分［5］，生成多層治療數(shù)據(jù)，每層包含能量、計(jì)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(diǎn)掃描的過(guò)程就是電源根據(jù)反饋信號(hào)快速實(shí)時(shí)改變電流的過(guò)程［6］。其中電流的變化對(duì)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(gè)毫秒。

圖1 重離子治癌裝置點(diǎn)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(jì)

束流位置監(jiān)測(cè)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(diǎn)掃描過(guò)程中的位置電流將有助于束流位置的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、控制、校正等算法的開發(fā)［3］。然而，在點(diǎn)掃描的過(guò)程中，位置電流變化快、幅值小，容易被現(xiàn)場(chǎng)噪聲淹沒(méi)，因此，無(wú)法使用以太網(wǎng)和低速光纖傳輸?shù)碾娏鞣答伔椒āＤ壳皩?duì)點(diǎn)掃描過(guò)程中動(dòng)態(tài)電流的觀測(cè)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(guò)NI 的6366 采集系統(tǒng)在遠(yuǎn)端對(duì)電源直流電流傳感器（Direct Coupled Current Transformer，DCCT）的模擬信號(hào)進(jìn)行采集，測(cè)量易受到現(xiàn)場(chǎng)噪聲干擾而影響計(jì)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(cè)并優(yōu)化點(diǎn)掃描位置電流的精度、重復(fù)性，本文基于Xilinx高性能現(xiàn)場(chǎng)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種點(diǎn)掃描位置電流實(shí)時(shí)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(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)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(dòng)治療信號(hào)，系統(tǒng)開始對(duì)掃描電流進(jìn)行采集，并通過(guò)多模光纖將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街委熃K端監(jiān)測(cè)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)收集板，最后通過(guò)PCIE接口將數(shù)據(jù)上傳入服務(wù)器軟件中，進(jìn)行后續(xù)分析計(jì)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(jià)比可編輯邏輯芯片F(xiàn)PGA Xc7A100T、12 bit 的65 MSPS（每秒采樣百萬(wàn)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(dòng)治療信號(hào)；2）在電源內(nèi)部對(duì)DCCT 的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；3）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理；4）通過(guò)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(dòng)控制信號(hào)。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(shí)時(shí)接收位置電流數(shù)據(jù)，并通過(guò)PCIE總線將數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)測(cè)服務(wù)器軟件。

圖2 點(diǎn)掃描動(dòng)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(shí)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(guò)前端采集板實(shí)現(xiàn)。主要由AD9238 采樣濾波、前進(jìn)先出隊(duì)列（First Input First Output，F(xiàn)IFO）緩沖、時(shí)鐘分配（clock module）、吉比特收發(fā)器（Gigabit Transceiver，對(duì)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(duì)DCCT輸出的信號(hào)采樣并轉(zhuǎn)換為16 bit 字寬，經(jīng)過(guò)有限長(zhǎng)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(shí)鐘100 kHz和GTP的發(fā)送時(shí)鐘31.25 MHz，本設(shè)計(jì)采用了兩級(jí)FIFO?？紤]到點(diǎn)掃描治療一層的時(shí)間小于1 s，因此設(shè)置兩個(gè)FIFO，深度為131 072×16 bit，這樣可一次讀寫發(fā)送131 072 個(gè)波形數(shù)據(jù)點(diǎn)，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?shí)現(xiàn)采集和濾波參數(shù)的設(shè)置、兩級(jí)緩存的同步讀寫控制及GTP 收發(fā)控制。啟動(dòng)治療信號(hào)的上升沿觸發(fā)一次采集和傳輸，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)對(duì)FIFO1寫滿時(shí)，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(shí)，打開 FIFO2 讀使能，將FIFO2中的數(shù)據(jù)通過(guò)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(shí)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(shí) ，用 Comma 碼（K28.5）來(lái)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(jì)是點(diǎn)掃描位置電流數(shù)據(jù)成功反饋的關(guān)鍵。電源點(diǎn)掃描的過(guò)程中必然引入現(xiàn)場(chǎng)的高頻噪聲，如果沒(méi)有濾波，反饋的位置電流會(huì)被噪聲淹沒(méi)，無(wú)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(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。本設(shè)計(jì)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(guò)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(duì)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(yǔ)言在前端采集板上實(shí)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(guò)前端采集板實(shí)現(xiàn)。其內(nèi)部軟核由GTX 接收校驗(yàn)?zāi)K、先進(jìn)可擴(kuò)展接口（Advanced extensible Interface，AXI）轉(zhuǎn)換模塊、DDR驅(qū)動(dòng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)核（Intellectual Property core，IP 核）及PCIE 驅(qū)動(dòng)IP 核組成。GTX 接收校驗(yàn)?zāi)K接收并校驗(yàn)SFP 傳入的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)AXI 轉(zhuǎn)換模塊送入DDR中。AXI 轉(zhuǎn)換模塊是一個(gè)狀態(tài)機(jī)，產(chǎn)生AXI 寫時(shí)序［11］，將數(shù)據(jù)寫入DDR中。DDR驅(qū)動(dòng)IP和PCIE驅(qū)動(dòng)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(guò)程發(fā)起讀數(shù)據(jù)請(qǐng)求，PCIE 驅(qū)動(dòng)IP 會(huì)根據(jù) AXI 讀時(shí)序，讀取DDR 內(nèi)對(duì)應(yīng)的緩存區(qū)數(shù)據(jù)，將其傳給監(jiān)測(cè)服務(wù)器軟件。

監(jiān)測(cè)服務(wù)器中的軟件采用跨平臺(tái)應(yīng)用程序開發(fā)框架QT 開發(fā)。整個(gè)上位機(jī)架構(gòu)分為PCIE 驅(qū)動(dòng)層、數(shù)據(jù)處理層和界面顯示層。PCIE 驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)PCIE設(shè)備的識(shí)別與控制功能，其定義了一個(gè)xdma_programe 類，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)PCIE 設(shè)備的讀取和檢測(cè)，根據(jù)用戶定義的地址和長(zhǎng)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(gè)xdma_getImg類，對(duì)PCIE驅(qū)動(dòng)層讀取的原始波形數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，將16進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際采集的電流值；界面顯示層定義了一個(gè)mainWindow 類，用于將讀取的波形數(shù)據(jù)繪制成波形圖顯示出來(lái)，同時(shí)下發(fā)用戶控制指令［12］。

在蘭州重離子治療裝置現(xiàn)場(chǎng)對(duì)點(diǎn)掃描位置電流反饋系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。在規(guī)格為±480 A/±15 V、DCCT 變比為60 A/V 的點(diǎn)掃描電源上，輸出?144～+144 A之間，以16 A為步長(zhǎng)，持續(xù)2 ms換點(diǎn)的點(diǎn)掃描位置電流波形。分別用示波器（DPO3014）和反饋測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行同步采集。圖5為電源端示波器采集的波形，圖6 為點(diǎn)掃描動(dòng)態(tài)電流反饋系統(tǒng)無(wú)濾波時(shí)采集的波形，圖7為二階和十階漢明窗FIR濾波后的波形?？梢钥闯觯瑳](méi)有濾波的數(shù)據(jù)被噪聲淹沒(méi)，無(wú)法使用，但通過(guò)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(shí)時(shí)送入治療終端監(jiān)測(cè)服務(wù)器軟件。

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

圖6 測(cè)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(jì)算

終端對(duì)束流位置控制采用了前饋的方法［13］，但其對(duì)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(cè)位置電流的變化，同時(shí)積累掃描電流數(shù)據(jù)，研究?jī)?yōu)化策略，以確保點(diǎn)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(cè)掃描電流的穩(wěn)定性，通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算反饋電流與設(shè)定電流的偏差，如在治療過(guò)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(shuō)明掃描電流出現(xiàn)異常，即刻啟動(dòng)安全連鎖信號(hào)，中斷治療。調(diào)試過(guò)程中一種設(shè)定電流點(diǎn)陣與反饋電流點(diǎn)陣對(duì)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(diǎn)畫線為設(shè)定電流，直線為反饋電流。通過(guò)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(diǎn)掃描治療時(shí)，不同的能量，偏轉(zhuǎn)1 mm 束流對(duì)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(shí)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(duì)一臺(tái)點(diǎn)掃描電源進(jìn)行點(diǎn)掃描位置電流重復(fù)性測(cè)試，其零點(diǎn)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(zhǎng)為4 A，重復(fù)2 700個(gè)掃描周期，根據(jù)反饋電流計(jì)算每個(gè)位置電流的重復(fù)性，并對(duì)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(diǎn)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(guò)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(diǎn)陣對(duì)比Fig.8 Comparison of set current and feedback current lattice

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

6 結(jié)語(yǔ)

重離子治癌裝置中的點(diǎn)掃描治療是一種精確的放療方法，其對(duì)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(diǎn)掃描治療過(guò)程中位置電流的精度和重復(fù)性，并實(shí)時(shí)監(jiān)控點(diǎn)掃描過(guò)程中位置電流的變化情況，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種重離子治癌點(diǎn)掃描位置電流實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試滿足設(shè)計(jì)需求。未來(lái)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(duì)應(yīng)的電流變化要小于0.086 A，因此該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將為國(guó)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。