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扫描质子治疗中的实时束流监测
摘要：当用质子束处理癌组织时，许多中心采用了步进 - 射击辐射技术，其中束被转向到肿瘤体积中的离散网格点。出于安全原因，辐射由独立的监测系统监督，该系统周期性地验证正确量的质子已被输送到患者的正确位置。只要检测到不可接受的不准确性，就可以中断照射以加强高度的辐射防护。在Paul Scherrer研究所，我们计划不断照射肿瘤。通过放弃离散网格点的想法，我们的目标是使辐照更快，更灵活。但是，速度和动力学的增加需要一个高度响应的监测系统，以保证达到与传统的步进 - 射击照射相同的患者安全水平。因此，我们开发并实现了质子束电流和位置的实时监测。我们读出100 kHz的诊断设备，并将它们的信号与FPGA中的安全容差进行比较。在本文中，我们报告了控制系统的必要软件和固件增强功能，并根据三种示例性错误情况测试其功能。我们展示了成功的实时光束监测，并且它符合国际患者安全法规。
关键词：束流监测、实时控制、粒子束扫描、质子治疗、患者安全
- 引言
世界上几乎每一个质子治疗中心都使用通常称为笔形扫描[1,2]的步进射击技术照射他们的病人：通过连续改变其穿透深度和横向位置，三维（3D）肿瘤体积引导空气中几毫米宽的质子束。深度扫描（S-方向）通过调整质子束能量来实现。横向扫描（T，U）平面1通常通过一对实现 光束偏转偶极磁体（参见图1，用于坐标系的图形定义）来实现。 这种最先进的扫描过程遵循映射到肿瘤体积上的数千个离散束位置的3D网格。
为了在出现机器相关错误的情况下保证患者安全，交付的质子数量和光束位置将根据预期值进行循环检查。 为此目的，独立光束监测系统读出沿光束线分布的诊断装置（例如电离室，位置敏感监测器）。最先进的监控系统每隔0.1 ms[3-5]进行一次循环安全检查。 由于步进和射击辐射的离散性质，这些措施足以符合国际患者安全规定[6,7]。
自1996年以来，Paul Scherrer研究所的质子治疗中心使用笔形束扫描治疗癌症患者。为了缩短照射时间并获得光束传输的灵活性，我们的目标是超越传统的步进射击方法。为此，我们放弃了三维中的一个固定网格的想法，并升级了我们的光束传输技术，以支持沿其中一个横轴完全连续扫描质子束（以下称为T轴）[8,9]。我们可以通过沿着这样的T线连续改变束电流和横向扫描速度来调节剂量沉积。因此，监测系统需要连续地，优选地实时地监督这两个量，以保证对辐射误差的短反应时间。受限于离散笔式光束扫描，我们的监控系统无法以目前的形式完成这些任务，需要相应升级。因此，必须设计实质性的改进，以确保使用连续束线扫描[10]的患者治疗的安全。
图1 Paul Scherrer研究所的龙门2光束线示意图
在质子治疗中，患者安全至关重要，需要高度可靠和反应灵敏的安全系统。在这种情况下，对光束参数的实时监测尽管作为许多实验光束线的标准方法，但其仍然具有新颖性。据我们所知，没有其他治疗中心依赖于其主要患者安全系统中的实时监测，因为它需要快速读出沿着束线安装的各种检测器以及硬件中可靠的信号处理。在本文中，我们报告了软件和固件增强功能的开发和实现，可以实现对电子束电流和横向位置的实时监控。本文中描述的所有增强都基于现有的软件和硬件拓扑（例如控制系统，诊断设备，FPGA），以保证离散和连续辐射的完全兼容性。最后，我们基于模拟光束位置和电流的容差违规的两个示例性误差情景来测试新颖监测特征的功能。
- 材料和方法
2.1质子治疗束线
图1描绘了质子治疗束线的简明概要。超导回旋加速器将质子束加速到250 MeV [11]。为了实现快速强度控制，回旋加速器内部离子源附近的两个偏转板可以产生垂直于螺旋束轨道的电场：场强越高，回旋加速器内部的损耗和提取的电子束电流越低。通过直接控制垂直偏转板的电源，我们可以在50内实现电子束电流变化。
回旋加速器产生单能质子束。然而，根据肿瘤的大小和位置，患者治疗需要可变束能量以实现质子束的不同穿透深度。为此，我们可以在光束线中插入可改变数量的减速（或降级）材料。随后的双弯曲消色差（在图1中用能量选择标记）确保只有所需的能量到达治疗室。
一旦进入治疗室，质子束穿过围绕患者旋转的等中心台架，以允许从各种入射角度进行照射。 在我们的龙门架2上，确定横向（T，U）平面中最终光束位置的扫描仪磁铁位于最终90°偶极子的上游。通过提高这些扫描仪磁铁的磁场强度，我们可以沿着直线T线[12]以最高20 mm / ms的速度操纵光束。
为了在互锁的情况下进行快速光束抑制，我们在降解器单元的上游安装了一个光束偏转磁体（所谓的起动器）。当完全供电时，它将质子束偏转到吸收器上。定期测试产生的平均响应时间小于300，包括监视器，电子设备，电缆和软件的延迟。
2.2光束传输和监测
图2描绘了照射期间控制信号的流动。可以看出，出于安全原因，我们的控制系统基于两个冗余单元：向所有执行器（例如垂直偏转器和扫描仪磁铁）发送值的光束传输系统和从独立探测器读回状态值的光束监控系统（ 例如电离室和霍尔探头）。这样，输送单元确保精确和准确地控制到达患者的质子束，并且监测单元监督照射过程以始终保证患者安全。 两个系统都是实时同步的，并在VxWorks版本6.9上运行。 它们通过32位硬件总线进行通信。
光束位置和电流的实时监控依赖于四个监视器：两个单轴霍尔探头放置在扫描仪磁铁中，两个平面平行电离室放置在真空出口窗口的下游（见图1和下面的部分查看更多细节）。 在辐照期间，专用读出电子设备将其模拟信号转换为数字计数，并通过2 Gb / s线路以100 kHz的频率将其传输至监控系统的主现场可编程门阵列（FPGA）（Virtex-6来自Xilinx公司）。 只要信号低于或超过其指定的公差，就可以发生互锁。
2.2.1霍尔探头
扫描器磁体的场强与横向平面中的光束位置直接相关。 因此，监控它们的磁场允许对横梁位置进行非破坏性监控。 对于T和U扫描仪，霍尔探头的测量范围分别为plusmn;0.2 T和plusmn;0.4 T. 两个探头中的噪声均小于10的位置不确定性。
2.2.2电离室
两个平行板电离室，在下文中称为监测器1和2，在环境温度和压力下充满空气，并且最大电荷收集时间分别[13]为约90和350。 霍尔探头和电离室在其实时读数中同步。
2.3控制软件
最先进的质子治疗系统在改变局部沉积质子的数量方面提供了很大的灵活性。当沿T线扫描时，我们希望同时支持调制扫描速度V和光束电流I。因此，我们基于
（1）
和
（2）
形式的轨迹表实现了时间驱动的辐照，这些轨迹表将由控制系统线性插值。换句话说，在时间间隔期间以恒定速度在距离上扫描光束，而光束电流从线性地变化到。最小步长为10mu;s。 电子束电流是反馈控制的，范围从几百pA到pA。 当完全为垂直偏转板供电时，光束被完全抑制。
图2 照射期间输送和监测系统的信号流
表1
质子束电流（左列）和相应的上（中间列）和下限公差（右列）的交付表。 选择示例中的边距为，。图7显示了在固件中执行的这些表的线性插值。
|
标称束电流 |
上束电流容差 |
下束电流容差 |
|||
|
t [ms] |
[pA] |
t [ms] |
[pA] |
t [ms] |
[pA] |
|
0.00 0.01 37.99 38.00 |
0 500 500 0 |
0.00 38.00 |
550 550 |
0.00 2.00 2.01 35.99 36.00 38.00 |
0 0 450 450 0 0 |
由于这种时间驱动的治疗形式对控制和监测提出了很高的要求，因此它不是大多数治疗中心的标准解决方案。质子束位置和电流的变化可能经常发生，这需要实时监测这些辐射参数。 为此，我们在应用之前计算每条线的公差带。 这种公差包含标称信号的偏移（和）以及沿时间轴（）的偏移，以允许临床上可接受的辐射不确定性。 结果，我们最终得到了四个包含上限和下限的公差表；每个霍尔探头一个，每个电离室一个。选择足够的边距（详见[14]），我们可以确保安全地进行辐照。表1举例说明了用监视器1测量的射束电流的上下公差。
为了快速可靠地将线路辐照期间的传输信号与其相应的上下公差进行比较，我们在监控系统的主FPGA中执行此任务。 为此，控制系统在将它们下载到FPGA之前将计算的公差表从物理单位（例如ms，cm，pA）转换为数字计数。 实际的固件实现将在下一节中介绍。
2.4监控系统的FPGA固件
如上所述，对于时间驱动的辐射，尺度上的精确和可靠的定时是至关重要的。 因此，光束传输和监视系统在同步硬件（FPGA）上运行，同步处理和分析输入信号。 图3提供了我们为此目的开发和实现的监控固件逻辑的简化草图。
FPGA支持通过8个光链路输入数据。 每个输入数据包都包含一个以ADC计数为单位的16位值和一个唯一的21位时间戳。 控制系统设置的寄存器将不同的数据通道链接到物理传感器（霍尔探头和电离室）。输入的16位值直接与通过加载到随机存取存储器（RAM）中的容差表的线性插值获得的参考数据（上限和下限）进行比较。 如果比较失败，将触发nom_high和nom_low互锁。来自T和U霍尔探头以及电离室1的信号被配置为标称限制监控器。 换句话说，我们在照射期间每隔10监测光束位置和电流。 我们使用电离室2作为冗余监视器。因此，其配置与上述描述略有不同，以确保固件中的错误不会同时影响两个监视器。
如果在辐照期间发生极限违规，FPGA可以立即引发互锁。 此原点的所有互锁将生成紧急光束关闭命令。这些命令深深地锚定在患者安全系统内并且对于离散和连续扫描模式中的辐射是共同的。关闭光束的反应时间主要取决于为踢球磁铁供电所需的时间（lt;300）。 为了回顾性地分析联锁的来源，我们记录其发生的时间以及违规值及其相应的高低公差。 此外，我们在机器日志文件中以全时分辨率存储每个通道的传入数据表。
在每个新的线路开始时，控制软件会产生一个触发脉冲，清除RAM，复位所有互锁寄存器并将积分计数器设置回零。 FPGA内的脉冲发生器接收该软件触发并将其分配给所有监视器的读出电子器件。
固件支持监控每个数据通道的两个上限和两个下限—我们将在下面将它们称为错误和警告带。上限和下限错误被配置为触发如上所述的互锁。另一方面，上下警告应提供有关机器性能的信息，以估计联锁的可能性。为此，在不干扰辐射的情况下，我们记录每个数据通道的高低警告违规次数。这些警告计数器上的值存储在每个T行的机器日志文件中。 警告带的边距明显小于误差带的边距。
2.5龙门2测试系统
龙门2及其光束线和控制系统是在内部开发的。为了实现独立于临床操作的调试，维护和进一步开发，我们在单独的实验室中安装了读出电子器件和软件的精确副本（参见图4）。与生产系统相比，该测试系统具有解耦光束传输和光束监控单元以及相同的信号处理和类似的定时特性。此外，它还有一个模拟器单元，模拟霍尔探头和电离室的响应。我们自2005年以来一直在使用和维护这个测试环境，并且它被证明是一个有价值和准确的工具，特别是在龙门2的调试期间。因此，我们在该系统上测试了上面2.3和2.4节中描述的软件和固件功能。它可以模拟对各种错误情况的响应—通常不可能在生产系统上引发—而没有任何损害日常临床操作中使用的设备的风险。
图3 监控系统中FPGA逻辑的简化草图，负责实时限制监控
图4 龙门2测试系统的安装
2.6验证软件和固件增强功能
我们在Gantry 2测试系统上验证了上述2.3和2.4节中描述的新软件和固件实现的功能。 为了演示实时内插输送和监测表的能力（见表1），我们比较了输送系统发送给执行器的信号和下面3.1节中从相应检测器读回的信号。为此，我们利用FPGA固件的实现日志记录功能，允许以全时分辨率将检测到的数据样本表写入机器日志文件。
在上面的2.4节中，我们描述了我们如何为监控系统的FPGA配备互锁触发功能，以便在检测到容差违规时终止患者的照射。为了测试此功能，我们将参考发生器模块内的输入和参考数据线（见图3）连接到示波器。因此，我们可以观察发送到标称极限比较器单元的信号（图3中的深灰色框）。如果处理正确，我们还会在示波器上显示互锁线。nom_low和nom_high互锁的示例性测试在下面的3.2和3.3节中描述。
- 实验和结果
在本节中，我们希望基于一个成功的和两个错误的T线辐照来证明如上所述的软件和固件功能的成功实现。 我们模拟了光束位置和电流的误差。
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