用于控制射频源的输出频率的方法和设备与流程

本公开总地涉及频率控制，更具体地，涉及用于控制射频电磁波源的频率的方法和设备。

背景技术：

诸如x射线的电磁放射物已经被广泛用于医疗，例如用于治疗癌症。在放射治疗设备中，可以使用磁控管利用由阴极发射的电子产生射频(rf)电磁(em)波。射频波可以提供给波导或“加速器波导”，以使诸如电子的带电粒子加速至高能量。经加速的粒子撞击靶，以产生医疗所需的放射物。

图1示出了常规的放射治疗系统100，其包括射频源102、波导104以及靶106。射频源102产生射频波。波导104耦合到射频源102，以接收射频波并且使用射频波来加速从诸如电子枪(未示出)的带电粒子源发射的带电粒子。经加速的粒子在撞击靶106之前可以穿过弯曲的磁体(未示出)，以产生用于医疗的电磁放射物，例如x射线。由靶106所产生的电磁放射物作用在患者的身体，用于治疗例如肿瘤。射频源102例如可以是磁控管或速调管。靶106可以由在被粒子撞击时能够产生电磁放射物的材料制成。用于靶106的合适材料包括诸如钨的金属。

放射治疗系统100进一步包括频率控制设备108，其通过驱动射频源102的调谐器102-2控制由射频源102产生的射频波的频率。射频源102通过射频源102中的空腔产生射频波，并且射频源102的输出频率取决于该空腔的尺寸。调谐器102-2可以旋转射频源102中的空腔和改变该空腔的尺寸。频率控制设备108控制调谐器102-2的位置，进而决定了射频源102的输出频率。

为了获得最大的加速度，射频源102的输出频率应当与波导104的谐振频率匹配。然而，在放射治疗系统100的各个部分中，经过一段时间后可能发生频率(例如波导104的谐振频率或射频源102的输出频率)漂移，导致射频源102的输出频率和波导104的谐振频率之间不匹配并且降低加速度的值。因此，在一定时间段(诸如几个月)之后，可能需要重新调节射频源102的输出频率。

图1示出了控制设备108的常规结构，其包括正向射频探头、反射射频探头、微波相位单元(mpu)、自动频率控制(afc)印刷电路板(pcb)、驱动器以及调谐驱动组件。控制设备108用作监控正向射频波和反射射频波之间的相位误差并且基于所述相位误差调节调谐器102-2的射频相位伺服。具体地，如图1中所示，正向射频探头检测由射频源102产生的正向射频波。反射射频探头检测由波导104反射的射频波。mpu接收正向射频波和反射射频波，并生成矢量和信号(“和(sum)”)和矢量差信号(“差(diff)”)。afcpcb接收该矢量和信号和该矢量差信号，并生成复合相位误差信号。驱动器接收该复合相位误差信号并生成控制信号，以控制调谐驱动组件。调谐驱动组件通过机械连接(诸如机械连杆机构)联接至调谐器102-2，并控制调谐器102-2的移动(或旋转)，以调整射频源102的输出频率。调谐驱动组件例如可以是诸如伺服马达或步进马达的调谐马达。调谐马达可以以小角度的步进来旋转，诸如每步几秒或几度。调谐器102-2的驱动方向可以由复合相位误差信号的符号，即该复合相位误差信号是正还是负，来表示。

如图1中所示，mpu包括移相器、两个衰减器、混合耦合器以及两个射频二极管。移相器接收正向射频波并且使正向射频波的相位移相。经移相的正向射频波输入到衰减器中的一个。另一个衰减器接收未移相的反射射频波。衰减器降低经移相的正向射频波和反射射频波的强度。混合耦合器接收并耦合衰减后的射频波，以生成这两个射频波的矢量和以及这两个射频波的矢量差。该矢量和与矢量差分别通过射频二极管输出，分别作为矢量和信号和矢量差信号。

控制设备108需调节和维护。例如，应调节正向射频探头和反射射频探头，使得正向射频波和反射射频波彼此匹配。mpu中的移相器需要调节。进一步地，afcpcb上的电位计(未示出)需要调节，以补偿mpu中的两个射频二极管之间的不一致。

技术实现要素：

根据本公开，提供一种用于控制射频(rf)源的输出频率的方法。所述方法包括通过射频源将射频电磁波(射频波)提供给波导，检测从波导反射的射频波，测量反射射频波的强度，以及基于反射射频波的强度确定射频源的调谐器的谐振位置。

根据本公开，还提供一种用于控制射频(rf)源的输出频率的设备，该射频源配置为将射频电磁波(射频波)提供给波导。所述设备包括配置为检测从波导反射的射频波的射频探头。所述设备进一步包括控制模块，所述控制模块配置为测量反射射频波的强度并且基于反射射频波的强度确定射频源的调谐器的谐振位置。

与本公开一致的特征和优点的一部分将在以下说明书中阐明，另一部分将从说明书显而易见，或可以通过本公开的实践学习到。这种特征和优点将借助于所附权利要求书中指出的特定的元件和组合而实现和得到。

将要理解的是，前述整体说明以及以下详细说明都仅是示例性和解释性的，并且不限定所要求保护的本发明。

并入此说明书并且构成此说明书的一部分的附图图示了本发明的几个实施例，并且与说明书一起用来解释本发明的原理。

附图说明

图1是常规的放射治疗系统的方框图。

图2是根据示例性实施例的放射治疗系统的方框图。

图3是示出反射射频波的强度与调谐器的位置的示例性关系的曲线图。

图4是示出射频源在启动时的示例性输出频率漂移的曲线图。

图5是根据示例性实施例的用于控制射频源的输出频率的设备。

图6是示出根据示例性实施例的用于控制射频源的输出频率的方法的流程图。

图7是示出根据另一示例性实施例的用于控制射频源的输出频率的方法的流程图。

图8是示出根据另一示例性实施例的用于控制射频源的输出频率的方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述符合本公开的实施例。在任何可能的情况下，各个附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。

符合本公开的实施例提供了用于控制射频(rf)电磁波源(“rf源”)的频率的方法和设备。

图2是示例性放射治疗系统200的方框图。放射治疗系统200包括射频源202(包括调谐器202-2)、加速器波导204、靶206以及控制设备208。射频源202、波导204、靶206以及调谐器202-2类似于图1中示出的那些器件，这里不详细描述。控制设备208包括射频探头和控制电路。射频探头检测由波导204反射的射频波。控制电路接收并处理来自射频探头的反射射频波，并且控制射频源202的调谐器202-2调整由射频源202产生的射频波的频率。

当由射频源202产生的射频波进入波导204并在波导204中行进时，一部分被反射。反射射频波的强度或量级取决于波导204的谐振频率以及射频源202的输出频率。图3是反射射频波的强度与射频源202的输出频率之间的关系的示例性曲线图，如图3中所图示地，当射频源202的输出频率与波导204的谐振频率匹配时，反射射频波具有最低强度。图3中的纵轴表示反射射频波的量级，横轴表示射频源202的调谐器202-2的位置，其直接关系到输出频率。反射射频波的量级以射频波的电压来反映，并且可以由诸如下文参考图5描述的adc508-2的模数转换器(adc)来检测，adc将射频波的电压转换成数字读数。在图3中，adc的读数在纵轴上示出。在下文中，adc的读数还被称为“adc值”。进一步地，调谐器202-2的位置可以由增量编码器测量。在图3中，增量编码器的读数(值)在横轴上示出，以表征调谐器202-2的位置，该增量编码器的读数(值)也是无量纲的。在下文中，增量编码器的读数被称为“inc值”。

曲线上的最低点(在增量编码器的读数约为55500的位置处)表示射频源202的输出频率与波导204的谐振频率匹配，并且本文称为“谐振位置”。随着调谐器202-2从谐振位置移开，反射射频波的强度增大并且在对应的输出频率与加速器波导的谐振频率之间的不匹配显著时达到最大值。

射频波的频率可能要花时间来稳定。图4是在射频源202的启动期间频率改变的曲线图，更具体地，是射频源202开启时输出频率相对于稳定的输出频率(例如2998mhz)随着时间改变的曲线图。实曲线表示当射频源的输入功率为5.55kw时输出频率的改变，虚曲线表示当射频源的输入功率为1.85kw时输出频率的改变。在图4中示出的输入功率5.55kw的示例中，射频源开启的瞬间，输出频率比所期望的频率高大约2.5mhz，并且这要花约500-600秒来使输出频率稳定在所期望的频率附近。从图4中可以看到，当输入功率更高时，输出频率要花更长的时间来稳定。

另外，类似于放射治疗系统100中的漂移，操作期间漂移可能发生在射频源202的输出频率和/或加速器波导204的谐振频率中。任何这种漂移都可能导致不匹配或谐振损失。

符合本公开的是，控制设备208测量从波导204反射的射频波并且基于测量自动地调整射频源202的输出频率，以实现或维持谐振。与本公开符合的频率控制方法可以在启动时或操作期间使用，并且可以定期或当已经注意到显著的不匹配时执行。

图5是示例性控制设备208的方框图。控制设备208控制射频源202的调谐器202-2的操作，并且包括射频探头502、衰减器504、射频检测器506以及自动频率控制(afc)模块508。射频探头502例如可以安装或接附在波导204中、在波导204上或在波导204附近，以接收反射射频波。该反射射频波可以通过射频缆线传递至衰减器504。衰减器504将反射射频波的强度降低至适合于射频检测器506的水平。射频检测器506检测经衰减的反射射频波并且将其转换成电子信号，用于由afc模块508处理。射频检测器506例如可以包括二极管，以将经衰减的反射射频波转换成电子信号。

基于反射射频波，afc模块508确定所期望的输出频率并且生成控制信号，以驱动调谐器202-2。在图5中示出的示例性实施例中，afc模块508包括adc508-2、处理器508-4、驱动器508-6以及调谐驱动组件508-8。adc508-2将来自射频检测器506的模拟电子信号转换成数字信号。处理器508-4处理该数字信号并且生成驱动信号。驱动器508-6基于该驱动信号控制对调谐驱动组件508-8的操作，并且调谐驱动组件508-8控制调谐器202-2的移动。在一些实施例中，采样信号可以提供至afc模块508，以控制什么时候采样反射射频波或多久采样一次反射射频波。

在一些实施例中，控制设备208还可以包括存储指令的非临时性计算机可读存储介质(未示出)，该指令由处理器508-4执行时会使控制设备208执行符合本公开的方法。存储介质例如可以是易失性或非易失性存储介质，诸如存储器，并且可以设置在afc模块508的内侧或外侧。

下文将描述符合本公开的示例性方法。这些方法可以在例如上文所描述的控制设备208中执行。图6是示出用于控制射频源202的输出频率的示例性方法600的流程图。如图6中所示，在步骤602处，当放射治疗系统200操作时，控制设备208接收反射射频波。在步骤604处，测量该反射射频波的强度。在步骤606处，在放射治疗系统200的操作期间，根据反射射频波的强度动态地确定调谐器202-2的谐振位置。该谐振位置是反射射频波具有最低强度的情况下调谐器202-2的位置，表示射频源202的射频波与波导204之间的匹配或谐振。符合本公开的方法通过调节调谐器202-2的位置动态地确定谐振位置，以搜寻反射射频波的最低强度，如下文更详细地描述的。下文参考图7和8描述的示例性方法中的步骤可以部分或全部并入到方法600中。

图7为用于控制射频源202的输出频率的另一示例性方法700的流程图。该方法可以在接收到用于开始频率匹配的开始指令时起始。开始指令可以在放射治疗系统200启动时或发生某事件时(诸如当使用者按动放射治疗系统200上的按钮或点击放射治疗系统200的控制界面中的按钮时)触发。在步骤702处，测量反射射频波的强度。在一些实施例中，可以在调谐器202-2的当前位置处进行测量。在一些实施例中，在测量反射射频波的强度之前，可以将调谐器202-2移动至靠近谐振位置的位置。例如，可以根据过往经验估计谐振器202-2移动到的位置。

在步骤704处，将调谐器202-2移动一个扫描步长至新位置，并再次测量反射射频波的强度。因为调谐器202-2由调谐驱动组件508-8驱动，所以调谐器202-2的扫描步长与调谐驱动组件508-8的驱动步长成比例。驱动步长可以是调谐驱动组件508-8可以移动的最小步长，或可以是最小步长的几倍。例如，如果调谐驱动组件508-8包括每步可以旋转0.72°的步进马达，则驱动步长可以是例如0.72°、1.44°等。进一步地，假设驱动步长和扫描步长之间的比例为当调谐驱动组件508-8旋转一个最小步长(即0.72°)时，调谐器202-2移动的inc值为1(一)。则扫描步长例如可以是inc值1(一)、2(二)等。

在步骤706处，确定反射射频波的强度是否已经增加、降低或保持不变。如果反射射频波的强度增加(706：增加)，则处理流程前进至步骤708，在步骤708处，调谐器202-2改变移动方向。然后，在步骤710处，确定是否接收到结束频率匹配的结束指令。该结束指令可以在放射治疗系统200关闭时或发生某事件时(诸如当使用者按动放射治疗系统200上的按钮或点击放射治疗系统200的控制界面上的按钮时)触发。如果接收到结束指令(710：是)，则处理流程结束。如果没有接收到结束指令(710：否)，则处理流程退回至步骤704。

在步骤706处，如果确定反射射频波的强度降低或没有改变(706：降低或没有改变)，则处理流程前进至步骤712，在步骤712处，进一步确定调谐器202-2是否到达其移动范围的端点。移动范围的这种端点还被称为“移动极限”或“调节极限”。调谐器202-2的移动范围通常具有两个端点，即调谐器202-2具有两个移动极限(或调节极限)，上述移动极限可以是两个移动极限中的任一个。例如，如图3中所示，调谐器202-2的一个移动极限在inc值约为40500处，另一个移动极限在inc值约为65500处。如果调谐器202-2还没有到达移动极限(712：否)，则处理流程前进至步骤710。如果调谐器202-2已经到达移动极限(712：是)，则处理流程前进至步骤708，以改变调谐器202-2的移动方向。

在确定反射射频波的强度改变的步骤706处，当确定强度是否已经改变时可以引入容差。例如，如果测量的反射射频波的强度改变少于约0.3％，则为了步骤706的目的认为反射射频波的强度没有改变。

在示例性方法700中，在处理流程返回至步骤704之前执行确定是否接收到结束指令的步骤710。在其他实施例中，可以在处理流程的另一地方，诸如例如在测量反射射频波的强度的步骤702之后且在移动调谐器202-2的步骤704之前，或在移动调谐器202-2的步骤704之后且在确定反射射频波的强度改变的步骤706之前，执行确定是否接收到结束指令。上文描述的步骤710是可选的且在一些实施例中可以省略。在这些实施例中，用于确定调谐器202-2的谐振位置以及控制射频源202的输出频率的过程持续到放射治疗系统200关闭为止。

在示例性方法700中，对于每一特定的时间段(诸如约每20ms)，调谐器202-2可以移动一个扫描步长。也就是说，在步骤704处测量反射射频波的强度与处理流程返回到步骤704时再次测量强度的时间差可以约为20ms。

在一些实施例中，可能难以或甚至不可能估计谐振位置在哪里。如图3中所示，如果谐振器202-2被设定到远离谐振位置的位置，则在调谐器202-2的位置改变从而射频源202的输出频率改变时，反射射频波的强度改变可能极其微小或反射射频波的强度可能不存在可检测到的改变。在此情况下，尽管上文描述的示例性方法700仍然可以用来寻找谐振位置，但是过程可能要花很长的时间。例如，如果谐振器202-2最初被定位在图3中示出的谐振位置左边的平坦区域中，且最初被设定为朝向图3中的左边移动，则谐振器202-2可能需要到达移动极限、然后改变移动方向朝向谐振位置。这可能要花如果谐振器202-2从一个移动极限开始到达谐振位置所需时间段的2倍。为了解决此问题，谐振器202-2可以从两个移动极限中的一个朝向两个移动极限中的另一个开始扫描，如以下所描述的。

图8是示出用于控制射频源202的输出频率的另一个示例性方法800的流程图。除了方法800包括额外的步骤802之外，方法800类似于方法700，在步骤802处，调谐器202-2被设定到移动极限中的一个或被设定到靠近移动极限中的一个的位置，并且设定成沿着从移动极限中的一个到移动极限中的另一个的方向移动。图8中示出的处理流程的其余部分与图7中对应的部分相同，由此这里不详细描述。

在方法800中，因为调谐器202-2最初被设定到移动极限或靠近移动极限的位置，所以调谐器202-2在找到谐振位置之前将到达另一个移动极限的可能性很小。也就是说，步骤712中的确定结果可能总是“否”。因此，在可替换的实施例中，步骤712可以省略，即当在步骤706处确定反射射频波的强度降低或没有改变时，过程直接前进至步骤710而不检查调谐器202-2是否已经到达移动极限。

根据上文描述的示例性方法，在放射治疗系统200启动时，调谐器202-2可以快速地调节至谐振位置，并且可以在放射治疗系统200的操作期间动态地调节，以“追踪”谐振位置。也就是说，即使在放射治疗系统200的操作期间谐振位置移位，调谐器200-2也可以快速地调节至谐振位置，由此确保频率匹配。

有时，在放射治疗系统200的操作期间，调谐器202-2的谐振位置不会改变，或改变很微小、可忽略。在放射治疗系统200的操作期间，可能不需要“追踪”谐振位置。因此，在一些实施例中，上文描述的示例性方法可以变型为使得一旦确定谐振位置则停止调节过程。在那之后，调谐器202-2固定在谐振位置直到再次接收到开始指令为止。

不同于采样正向射频波(即由射频源102发射的射频波)以及反射射频波两者、并且使用如上所述地包括部件(诸如移相器和混合耦合器)的复杂微波相位单元处理两个信号以检测相位误差的常规技术，符合本公开的方法和设备仅利用反射射频波来确定调谐器202-2的谐振位置，而不需要正向射频波。也就是说，符合本公开的方法和设备不需要检测正向射频波和反射射频波之间的相位误差，从而不受相位漂移约束。因为仅检测和利用一个信号，所以不需要额外的采样探头，从而不需要匹配两个采样探头。不需要如移相器和混合耦合器的额外部件。进一步地，不需要射频二极管匹配。因此，不同于每三至六个月就需要校准用于检测和传递正向射频波和反射射频波的部件以维持彼此匹配的常规设备，符合本公开的设备不需要这种校准。根据本公开，简化了对调谐器202-2的调节并且降低了成本。

上文将控制设备208描述为放射治疗系统200的一部分，即集成在放射治疗系统200中。在一些实施例中，控制设备208可以为单独的装置且可以暂时接附至放射治疗系统，用于执行调节。进一步地，上文将控制设备208描述为与射频源202分离的部分。在此情况下，控制设备208可以通过缆线接附至射频源202或耦合至射频源202。控制设备208可以永久地接附至或耦合至射频源202，或可以仅在调节期间使用并且在调节结束时移除。在一些实施例中，控制设备208可以集成在射频源202中。

从本文所公开的发明的说明书和实践考虑，本领域技术人员可以了解本公开的其他实施例。说明书和示例期望仅被认为是示例性的，本发明的实际范围和精神由所附的权利要求来表明。