一种用于重离子治癌的剂量控制器设计

李桂花，乔卫民，敬 岚

（中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000）

近年来，重离子治癌取得了显著成就，德国和日本等进行了重离子治癌技术研究，并开始了临床应用。中国科学院近代物理研究所（IMP）进行了重离子治疗肿瘤的临床实验，获得了一定的治疗效果。相对于传统的放射线（如X、γ射线等）治疗，重离子束在射程末端形成高剂量的Bragg峰，同时表现出高的相对生物学效应（RBE），且重离子侧向散射小，更适合精确的适形照射。通过精确计算放疗区域，采用具有mm精度的控制系统，可使离子束正确覆盖治疗区，不对周围正常组织产生明显影响，当肿瘤位于人体重要器官附近时更显其优越性［1］。本工作主要介绍剂量控制器的控制原理和各模块的具体实现过程。

1 主动型束流扫描的剂量控制［2］

束流配送系统，也称照射野形成系统，由重离子束运线和束流扫描系统构成，是重离子治癌临床实验的关键系统。束流配送系统将束流送达照射野，使肿瘤受到均匀的足够剂量的照射，而周围正常组织尽可能少受损伤。

目前国际上束流配送系统主要包括两种：被动型的束流横向扩展和主动型的束流扫描。IMP采用了主动式点扫描，参照德国重离子研究中心（GSI）成功研制的笔形束扫描法，在横截面上将加速器引出的离子束通过X和Y方向的两台扫描磁铁扫描肿瘤的整个截面，将肿瘤片的截面分割成多个单元，对每个单元进行逐点照射，束斑对每个单元要做一定的停留，停留时间由束流强度和治疗处方剂量决定，当剂量达到预先设定的值时，束斑移到下一单元，如此循环使整个截面均被照射；纵向由直接调节同步加速器引出能量实现，重离子的射程与重离子束的能量相关，调整束流的能量即调整重离子的纵向射程。重离子治癌照射是要把高能重离子射程末端的能量沉积Bragg峰的位置与体内肿瘤位置精确重合，使重离子的大部分能量沉积在肿瘤体积内，从而达到对肿瘤细胞进行大剂量集中均匀杀伤的治疗效果。由于重离子的能量沉积Bragg峰很窄（mm量级），不能覆盖整个肿瘤的厚度（不大于20cm），因此，在照射时通常将肿瘤沿深度方向分割成若干与Bragg峰的峰宽相对应的等厚薄片，通过逐步调整重离子射程使重离子Bragg峰与各个等厚的肿瘤片逐片重合，从而实现对整个肿瘤的厚度覆盖。

IMP的主动型束流扫描系统将80～430MeV／u能量分为256步，由深到浅逐层扫描，其控制模型如图1所示。在重离子治癌中实现安全可靠的主动型束流扫描，计量精确、运行可靠的剂量控制器是必需的。

2 剂量信号获取模块简介［3］

图1 主动型束流扫描控制模型Fig.1 Active beam scanning control model

用于治癌的重离子束流是由兰州重离子加速器提供的80～430MeV／u的12C束流，流强探测器采用平行板气体电离室，输出的电流正比于束流的强度，通过对该电流的测量实时获得照射的剂量。

传统的测量电流强度的方法是对电流信号进行放大的同时，进行电流－电压转换，再对电压进行采样等一系列步骤。而本工作采用电流直接转换成频率信号的电路方法，本电流频率转换电路的优点是可适用于深层治癌临床试验条件下的大剂量的束流监测，电路体积小、反应迅速、简化了束流监测系统、量程范围横跨0.1nA～24μA，且具有无需换档的优势。

测试中，输入信号采用Keithley数字电流源，计数卡采用ORTEC 996TIME ＆COUNTER。本电路最小输入测量电流为0.1nA，输出信号的平均计数率为124s－1，平均每个输出脉冲对应输入电荷0.8pC。最大输入测量电流可达24μA，计数率为15×106s－1。把每10倍作为1档，分别测试在每档内的线性，用Origin拟合后计算线性误差。0.1～1nA档的最大线性误差为0.27673%；1～10nA档的最大线性误差为0.2398%；10～100nA档的最大线性误差为0.27497%；100～1000nA 档的最大线性误差为1.33522%；4～24μA档的最大线性误差为1.84611%。可得到在0.1～100nA小电流范围内电路的精度较高，线性误差在0.3%以内。在100nA～24μA每档内线性误差在2%以内。图2所示为0.1～1nA档的计数线性拟合曲线。可看出，对电路输出脉冲信号进行计数，所得曲线可与电离室输出电流曲线拟合，因此，证明本电路实现了电流频率转换的功能，其输出脉冲信号可作为束流剂量监测的依据。

图2 0.1～1nA档输入输出线性拟合Fig.2 Linear fit of frequency and current in 0.1－1nA

3 重离子治癌剂量控制器实现

剂量控制器的时间精度要求在ns级，对稳定性也有非常高的要求，用软件方法很难实现，因此，本系统采用FPGA，做到剂量控制逻辑完全由硬件实现，保证剂量控制系统的精度要求和稳定性要求。

3.1 系统设计方案

剂量控制器采用PCI接口，板上加载大容量SDRAM存储处方剂量矩阵数据，FPGA实现SDRAM控制逻辑和剂量控制功能。这种方式的优点为：可存储大量处方剂量数据，一次加载即可完成整个肿瘤扫描，治疗中途无需再次加载数据；剂量控制时间精确，计数器输入接口速率为ns级，完全满足重离子治癌的剂量控制要求。

3.2 基于ACEX1K50的剂量控制器实现

剂量控制器在ACEX1K50芯片上采用VHDL语言编写程序，开发软件采用Altera公司的QuartusⅡ8.1。控制器使用模块化设计，主要功能模块分别为用于存储处方剂量数据的SDRAM控制模块和剂量控制模块。

1）ACEX1K50芯片简介

ACEX1K50是Altera公司生产的现场可编程逻辑器件，它可提供系统的时钟及读写控制。ACEX系列的FPGA由逻辑阵列块LAB（logic array block）、嵌入式阵列块 EAB（embedded array block）、快速互联以及I／O 单元构成，每个逻辑阵列块包含8个逻辑单元LE（logic element）和1个局部互联。总共2880个逻辑单元，10 个 EABs，包含 40960bit RAM，用户可用I／O管脚249个。

本设计最终使用1621个逻辑单元，32768bit MEMORY，1个PLL。

2）SDRAM控制

目前市场上虽有一些通用SDRAM控制器，但设置复杂，且无法针对特定的系统，因此性能不能发挥到最好，这在很大程度上抵消了使用SDRAM的优势。因此，本工作使用可编程逻辑器件平台和硬件描述语言，针对本系统定制所需的SDRAM控制器，不仅可节省系统资源，且可最大限度地发挥SDRAM的作用，从而提升系统的性能。为剂量控制器定制的SDRAM控制器使SDRAM读写与PCI接口模块无缝连接，高效率地实现了剂量控制器与PC机内存之间的高可靠性数据交换，满足剂量控制系统对SDRAM访问的需要，并舍去了对系统无用的功能。不仅减小了开发难度，还节省了系统资源和成本，提升了系统性能。

本模块针对系统设计的需要定制了如下必需的SDRAM 功能：模式设置、自动刷新和Burst读写操作。状态机的运行如图3所示。

图3 SDRAM控制状态机运行示意图Fig.3 Sketch of SDRAM state mechine running

状态机的入口条件为刷新时间到、模式设置、读、写。对SDRAM的读写模式有两种，分别是PCI外部读写和FPGA内部模块读写，它们各自产生读写地址，即只要读写方给出初始地址，SDRAM控制模块能自动生成存储器的其它地址。

3）剂量控制

医生给出的肿瘤总处方剂量被优化分布成一系列三维空间点的处方剂量，被存放在剂量控制器的SDRAM存储器中，每次治疗的数据被单独连续存放，由首地址索引，首个治疗数据是扫描点个数，以下依次为每个扫描点的处方剂量。剂量控制使用了剂量计数器和点数计数器，它们的数据均从SDRAM中读出，放在相应的寄存器中。剂量计数器输入为剂量脉冲，控制逻辑输出为通向位置控制器的脉冲信号。剂量控制模块结构如图4所示。

剂量控制过程是首先从SDRAM中读出处方剂量，加载到相应的计数器中，然后接收剂量脉冲，开始计数。当前点一旦计数完成，说明已达辐照的处方剂量，剂量控制器立即向位置控制器发出当前点扫描完成信号，此时位置控制器就将束流定位到下一扫描点，同时剂量计数器也加载下一点的处方剂量，开始下一点的计数。

为保证扫描过程不发生中断，本工作设计了计数与读数并行执行，即在当前点计数过程中，另一过程即可读取下一扫描点的处方剂量，一旦当前点计数完成，则立即加载下一扫描点的处方剂量，开始扫描。实验证明，扫描1个点的时间基本在ms以上量级，而从SDRAM读1个数需270ns，因此读数过程总能先完成，从而使整个扫描过程不会因读数而受到影响。剂量控制流程如图5所示。

3.3 测试结果

经测量，剂量控制器能完全接收剂量信号获取模块输出的剂量脉冲，正确计数，并在计数完成时向位置控制器输出宽度为2μs的脉冲信号，使位置控制器定位到下1个扫描点。在临床治癌过程中，重离子加速器以每2.5s间隔发射一团12C离子束流，通过剂量控制器获取计数，探测器为平行板气体电离室（IC），探测器输出的电流强度和所加载的电压成正比，改变探测器上所加的电压大小，测试每2.5s内的计数，线性拟合示于图6。

图6 频率计数和探测器电压变化线性拟合Fig.6 Linear fit of frequency and detector voltage

4 结束语

本文实现的剂量控制器是主动型束流扫描系统中的重要组成单元，通过它实现了束流辐照位置－剂量联动。此剂量控制器采用了FPGA模块，在加速器控制领域技术先进。此插件已使用在重离子治癌的实验中。实际运行情况证明，该处理器结构完整、技术先进、运行稳定、计量准确、成本低廉，与位置控制器配合使用，能控制束流按三维空间点分布逐点扫描，能将每一点的辐照剂量严格控制在处方剂量。本设计对将要进一步展开的重离子治癌工程有一定的借鉴意义。

［1]宋明涛，詹文龙，魏宝文，等.重离子治癌装置研究［J］.原子核物理评论，2001，18（2）：116－119.

［2]田茂辉，宋明涛，杨建成，等.深层治癌重离子束的配送［J］.核技术，2008，31（10）：740－744.TIAN Maohui，SONG Mingtao，YANG Jiancheng，et al.The delivery system of hadron therapy at Institute of Modern Physics［J］.Nuclear Techniques，2008，31（10）：740－744（in Chinese）.

［3]苏弘，李文华，董成富，等.一种束流强度检测电路设计［J］.核电子学与探测技术，2009，29（5）：1051－1054.SU Hong，LI Wenhua，DONG Chengfu，et al.A design of the supervision circuit for heavy－ion beam density［J］.Nuclear Electronics ＆ Detection Technology，2009，29（5）：1051－1054（in Chinese）.