[发明专利]一种束流线磁铁电源的数字控制器控制方法

说明书

本发明公开了一种束流线磁铁电源的数字控制器控制方法，该方法包括：针对质子治疗不同能量需求设定多套磁铁电源控制参数；该多套磁铁电源控制参数包括多套电流参数值、PID调节参数值、电流电压前馈参数值、以及磁场响应达标值；设定多个磁铁电源和当前治疗头在同一个通信域；同一个域中的所有磁铁电源的数字控制单元同时接收到DDS指令、并获得束流能量值；每个磁铁电源的数字控制单元根据当前束流能量值，查表得到相关电流参数，并获得相关磁铁电源控制参数；本发明将DDS通讯模块、多套PID调整参数、细化PID调整参数、双环+前馈的闭环控制方法相结合，从四方面和五个层次层层递进，最终解决了质子治疗过程中束流线磁场快速动态响应的问题。

技术领域

本发明属于质子治疗中的束流线磁铁电源控制领域，更具体地，涉及一种束流线磁铁电源的数字控制器控制方法。

背景技术

在基于回旋加速器的质子治疗系统中，束流线上的质子束能量范围为70-240MeV。在病人治疗的过程中，质子束能量将随着治疗厚度由深到浅而由大到小变化。

束流线磁铁以降能器出口为起点，以治疗头为终点间隔布设，起到引导束流、控制束流的作用；束流线中的束流轨道唯一；

上式中，ρ为束流轨道偏转部分轨道半径，B为偏转磁铁磁场值，E为束流能量，E_r等于938MeV；由该式可以看出，当束流能量(E)变化时，为保证束流偏转轨道半径(ρ)不变，必须改变束流线上各偏转磁铁的磁场；而改变各偏转磁铁磁场的方法是改变各偏转磁铁电源的输出电流。

磁铁电源是一个恒流源，用于给束流线磁铁提供励磁电流，进而产生磁场，控制束流轨迹的方向。当质子束能量随着不同治疗厚度而变化时，束流线磁铁电源的输出电流也要进行相应调节，以使束流线磁场匹配束流能量的变化，控制束流走正确的轨迹。

控制质子治疗系统束流线磁铁电源的输出电流难点在于：指令下发给电源的通信耗时长、影响各电源之间响应的同步性以及不能保证整个能量范围上的任何一段动态响应速度都能达标。

所述指令下发给电源的通信耗时长、影响各电源之间响应的同步性的原因是：第一，束流线能量的控制是对整条束流线的能量控制，整条束流线的能量控制需要在束流线起点到终点分布几十个甚至上百个磁铁，非常苛刻的要求在于：不论束流线磁铁数量有多庞大，只有所有磁铁电源都在规定的时间内完成输出电流变化的动态过程，才能保证整条束流线在规定的时间内完成降能；第二、但是目前质子治疗系统对束流线磁铁电源的控制是一种串行命令的方式：对多台磁铁一个一个地发送命令。当需控制的电源数量较多时，在通信过程中的耗时就大大增加，通信耗时叠加在动态响应时间上，使动态响应速度变慢。同时，收到命令的第一个磁铁电源和最后一个磁铁电源之间存在较长时间间隔，导致电源之间响应不同步。

所述不能保证整个能量范围上的任何一段动态响应速度都能达标是：现阶段，电源的控制主要是基于一套PID参数控制方法。由于束流线磁铁是一个大电感负载，电感储能和磁滞现象都会影响动态响应。由于在不同电流下磁铁的储能不同，其对动态响应的影响程度也不同：高束流能量的情况下，所需磁场值大，因此磁铁储能大，磁铁储能对下降过程造成的阻力就大，下降速度会慢一些，在设定的时间范围内往往达不到预期的降能位置；而低束流能量的情况下，所需磁场值小，因此磁铁储能较小，磁铁储能对下降过程造成的阻力就小，磁场响应可能会超过预期的降能位置而产生超调；；如果选择适用于高束流能量情况的PID参数，加快高束流能量下的磁场响应变化速度，低束流能量的磁场响应会发生超调，超调恢复过程一般较慢，导致低能量下的响应时间超过要求；如果选择适用于低束流能量情况的PID参数，使低束流能量下的磁场响应不发生超调，又会导致高束流能量下的磁场响应速度更慢，导致高能量下的响应时间超过要求；以上导致了一套PID参数难以适用于整个质子治疗较宽的能量范围(70-240MeV)，不能保证整个能量范围上的任何一段动态响应速度都能达标。

发明内容