用于质子束流线的丝扫描探测器、控制单元、探测方法与流程

本发明属于质子治疗中的束流线丝扫描控制领域，更具体的，涉及一种用于质子束流线的丝扫描探测器、控制单元、探测方法。

背景技术：

1、在基于回旋加速器的质子治疗系统中，束流诊断系统是束流线中的“眼睛”。“眼睛”观测束流在管道中x方向和y方向是怎样分布的。束流线的长度一般为40-50米，束流从加速器引出后，受到各种束流线磁铁的约束，束流线磁铁加上电流以后，束流会朝着x方向和y方向运动。

2、本领域技术人员为使得束流在进入束流线末端的治疗室之前，束流恰好在圆心位置上，沿着束流线每间隔一段布设一个电离室，每个电离室负责观测当前位置的束流在x方向和y方向的分布情况。电离室用于束流线束流观测如图5所示，方形网状的部分为电离室，中间为束流管道。电离室的设计原理是：每个网格引出一条信号线，假如是1024×1024个网格，就需要引出1024×1024个信号线，束流打在网格上，就会在相应的网格内产生电流的变化，根据产生信号变化的位置即可知道束流中心点的位置。

3、电离室方法诊断束流存在的问题是：第一、电离室材料价格很高，需要开发人员有较强的电路板绘制能力、电子电路基础及相应软件编程等能力，开发周期长，成本较高，并且电路板中一个元器件出现问题就需要整套电路板检查维修。第二、由于电离室网格密集，1cm的束流包络就会有100个网格读取。直径为1cm的束流碰撞到100个网格后会产生向四周发射的发射角，发射角使得束流轨迹的品质下降。

4、为解决束流发射角的问题，本领域技术人员采取拔插电离室观测束流的方法：每完成束流线上一个点位的束流观测后，就把当前点位的电离室撤掉，以免因为前面电离室导致的束流发射角对后面的电离室观测束流产生影响。

5、拔插电离室的方法虽然解决了当前电离室观测束流受到上一个电离室束流发射角的影响问题，但又会产生新的问题：拔插式方法是串行测量方法，串行测量方法不能准确反映动态变化的束流线磁铁的情况，假设束流线末端的电离室测量出束流位置不准确，但问题不一定出在束流线末端的磁铁上，而是前面的束流线磁铁出现了问题。因为在正常束流调试过程中，调试束流从加速器出口的第一个电离室到治疗头前端的最后一个电离室会间隔多个小时左右的时间，不能保证这个时间段内前面的束流线磁铁的磁场不发生变化，假如真是前面的磁铁发生变化，但依据拔插式方法，前面的电离室已经撤掉，此时，就不能分清束流线末端的电离室测量出束流位置不准确，是前面的磁铁导致的还是末端磁铁导致的，此时，必须从第一个电离室开始按照拔插电离室的方法重新观测束流一遍。

6、总之，采用传统的电离室方法观测束流线观测束流，第一、电离室开发周期长和成本较高，第二、基于串行拔插式的电离室观测方法不能快速找出导致束流偏心的故障部位，导致重复观测率高，耗时耗力。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种用于质子束流线的丝扫描探测器、控制单元、探测方法，，第一目的在于解决电离室开发周期长和成本较高的问题；第二目的在于解决基于串行拔插式的电离室观测方法不能快速找出导致束流偏心的故障部位，导致重复观测率高，耗时耗力的问题。

2、本发明为解决其技术问题，提出以下技术方案：

3、一种用于质子治疗束流线的丝扫描探测器，该丝扫描探测器沿着质子治疗束流线间隔布设；该丝扫描探测器包括靶头和靶杆(15)，靶杆(15)外联探测器数字控制单元，在探测器数字控制单元控制下，靶杆(15)带动靶头沿着与束流管道中心成45°的方向做直线运动；

4、其特点是：所述的靶头头部设有互为垂直的双丝结构(10)，靶头运动方向与x-y方向夹角45度；所述互为垂直的双丝结构(10)通过销钉(11)将一根丝中间等分为两部分，一部分用于测量水平方向的束流信号，另外一部分用于测量竖直方向的束流信号；所述互为垂直的双丝结构(10)在x-y方向分时扫描束流。

5、进一步地，所述靶杆(15)上设有丝扫描弱电流引出口(1)、丝扫描弱电流测试口(2)、丝扫描高压输入口(3)、丝扫描高压测试口(4)、丝扫描限位开关(5)、丝扫描步进电机(6)、丝扫描位置反馈装置(7)、丝扫描连接器(8)、丝杠(9)；

6、该丝扫描步进电机(6)、丝扫描高压输入口(3)、丝扫描弱电流引出口(1)、丝扫描位置反馈装置(7)、丝扫描限位开关(5)分别外联探测器数字控制单元的驱动器、高压模块、诊断电子学模块、丝扫描位置信息采集与处理单元、丝扫描限位信息采集与处理单元；该丝扫描步进电机(6)用于驱动丝杠(9)，丝杠(9)通过连接器(8)连接传动机构(12)，传动机构(12)的另一端连接靶头，丝杠(9)通过连接器(8)将丝扫描步进电机(6)的旋转运动转换为靶头的直线运动。

7、进一步地，所述靶头头部的互为垂直双丝结构(10)的两侧对称安装用于抑制二次电子发射的高压抑制电极(13)金属丝。

8、进一步地，所述位置反馈装置(7)是一种线性可变差分变压器，通过测量电压来获取丝扫描探测器的位移值。

9、进一步地，所述丝扫描弱电流引出口(1)和丝扫描弱电流测试口(2)，两者在传动机构内部分别通过导线与互为垂直的双丝结构(10)联通；丝扫描弱电流测试口(2)用于在丝扫描探测器非工作状态下从外部的精密电流源引入弱电流信号给丝扫描弱电流引出口(1)，测试丝扫描弱电流引出口(1)的信号引出功能。

10、进一步地，所述丝扫描高压输入口(3)和所述丝扫描高压信号测试口(4)，两者通过传动机构(12)分别与互为垂直的双丝结构(10)两侧的高压抑制电极(13)联通，所述丝扫描高压测试口(4)用于在丝扫描探测器非工作状态下从探测器数字控制单元的高压模块引入高压给高压信号输入接口(3)，测试探测器数字控制单元的高压模块所给的电压信号是否正确；所述丝扫描高压输入口(3)用于接入直流高压信号抑制扫描丝二次电子发射。

11、一种用于质子治疗的丝扫描探测器并行控制单元，其特点是：该控制单元包括分别与各个丝扫描探测器相对应的多个运动控制单元、多个模拟量数据采集与处理单元、多个数字量数据采集单元、多个驱动器模块、多个高压模块、多个诊断电子学模块；该多个驱动器模块并行控制各自丝扫描探测器的丝扫描步进电机(6)；该多个高压模块并行通过各自丝扫描探测器的丝扫描高压输入口(3)给各自的高压抑制电极(13)接入高压；该多个诊断电子学模块并行接收各自丝扫描探测器的弱电流信号、并行将该信号回传给各自的模拟量数据采集与处理单元；该多个模拟量数据采集与处理单元并行接收各自丝扫描探测器的丝扫描位置反馈信息、以及并行接收各自诊断电子学模块的丝扫描弱流信号，根据这二个信号判断当前位置的束流中心点是否偏移设定位置，并行将判断结果上报给上位机。

12、进一步地，所述多个诊断电子学模块，是一种高灵敏度i-v电路，能够将所述丝扫描探测器装置所测得的弱电流信号转换为大增益的电压信号；所述多个高压模块，输出0-1200v直流高压信号给丝扫描高压输入接口(3)，用于抑制二次电子发生；所述多个模拟量数据采集与处理单元各自包含adc模块、dac模块，该adc模块用于处理经过高灵敏度i-v电路将弱电流信号转换后的大增益的电压信号、以及丝扫描位置反馈信号，根据该大增益的电压信号倒推出所测量的弱电流信号；该dac模块用于将丝扫描控制器发送给高压模块的数字信号转换位模拟信号；所述多个运动控制单元，用于控制丝扫描运动电机的正反转运动和运动速度，根据操作人员的需求进行手动控制或者自动控制的选择，并且在自动控制模式下控制丝扫描探测器靶头自动向设定位置扫描运动。

13、进一步地，所述多个运动控制单元还包括安全联锁逻辑算法；安全联锁逻辑算法分为内部联锁和外部联锁，内部联锁控制的逻辑是指所述多个运动控制单元对内部组态的运动控制工艺对象及驱动器状态进行持续监测，当出现异常时，所述运动控制单元会控制相应故障的丝扫描电机抱轴，停止运动，保持当前状态不变；外部联锁的逻辑是监测所述数字量数据采集单元所获得的限位开关信号，当限位开关状态异常时，所述运动控制单元会控制相应故障的丝扫描电机抱轴，停止运动，保持当前状态不变。

14、一种用于质子治疗束流线的并行丝扫描探测方法，其特点是，包括以下步骤：

15、步骤一、在质子治疗束流线上间隔布设多个丝扫描探测器；

16、步骤二、该多个丝扫描探测器在同一时刻并行探测所在位置的束流，并行将各自丝扫描位置反馈信息发送给各自探测器数字控制单元所对应的模拟量数据采集与处理单元；并行将丝扫描限位开关信息发送给各自探测器数字控制单元所对应的数字量数据采集单元；

17、步骤三、多个诊断电子学模块并行将各自丝扫描探测器所在位置的丝扫描弱流信号发送给各自的模拟量数据采集与处理单元；

18、步骤四、多个模拟量数据采集与处理单元并行根据各自诊断电子学模块模块、以及各自丝扫描位置反馈模块的信息，判断各自丝扫描探测器位置的束流中心点是否在设定范围，如果超出设定范围，则向上位机报警。

19、本发明的优点效果

20、1、本发明通过采用基于1根丝的互为垂直的丝扫描探测器双丝结构，将丝扫描探测器和束流发生碰撞的空间体积降低为电离室和束流发生碰撞的空间体积的几百分之一，由先前的电离室在束流线上进行拔插式串行探测改进为丝扫描器在束流线上并发式探测，由此解决了现有技术的电离室方法不能快速找出导致束流偏心的故障部位，重复观测率高，耗时耗力的问题。

21、2、本发明提出了一种可以用于测量质子治疗束流线束流横向截面的丝扫描探测器及其控制系统，该丝扫描探测器装置结构简单，易于制造，相较于常用的电离室装置成本更低。