一种医用重离子加速器控制系统的制作方法

本发明属于肿瘤放射治疗技术领域，尤其涉及一种医用重离子加速器控制系统。

背景技术：

质子和重离子技术是国际公认最先进、最尖端、最复杂的放疗技术，长期以来，国际上仅德国、日本和美国等少数发达国家拥有质子重离子放疗技术。医用重离子治疗装置是目前最大型的医疗器械，规模庞大、设备种类多、系统繁杂，投资金额大。医用重离子治疗装置由加速器系统、治疗系统、治疗计划系统及配合治疗装置使用的其他辅助系统组成，相应的通过四个分控制系统来实现对整个装置和设备的控制与监测，该四个分控制系统分布为：加速器控制系统、治疗控制系统、治疗计划控制系统及其他辅助设备控制系统。

医用重离子加速器控制系统是医用重离子加速器系统的大脑与神经网络，确保加速器设备相互之间高度同步协调工作，以实现安全、可靠、高效地为治疗系统提供治疗所需能量及流强的放射性束流。医用重离子加速器区别与实验用加速器装置，对加速器控制系统的可靠性和功能性的要求更高于其他领域，其设计必须规范化、标准化，要求采用成熟可靠的设备和技术、系统设计尽可能简单，选用高质量的软件和硬件、高质量的设计、安装和调试，最后还必须有严格的高质量的软硬件系统集成和总调。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种医用重离子加速器控制系统，该系统采用大型工业商业组态软件开发、采用标准工业控制设备及模块，符合国家相关法律法规及标准的开放性的分布式计算机控制系统，从而实现安全、可靠、高效地为治疗系统提供治疗所需能量及流强的放射性束流。

(二)技术方案

本发明提供了一种医用重离子加速器控制系统，用于控制医用重离子加速器向治疗系统提供治疗所需能量及流强的放射性离子束流，控制系统为多级分布式计算机控制系统，控制系统包括中央监控层、子系统控制层、现场控制层以及设备层，其中：中央监控层，用于对子系统控制层、现场控制层以及设备层中的设备进行监测和控制，动态显示所述设备中的运行状态以及在线修改设备中的运行参数，至少包括一台中央监控服务器以及至少一台客户机；子系统控制层，包括多台子系统服务器，子系统服务器与至少一台中央监控服务器和现场控制层连接，以实现对现场控制层以及设备层的实时作业和管理，至少一个子系统服务器与所述治疗系统通过标准工业通信协议及接口进行信息交互；现场控制层，包括至少一个现场控制子站，每一现场控制子站与对应的一台子系统服务器连接，用于根据子系统控制层或中央监控层远程下发的指令生成控制信号，直接实现对控制设备的控制，并将被控设备的运行状态及数据上传至子系统控制层和中央监控层，同时在中央监控层和子系统控制层不干预的情况下，根据提前设定的参数及采集的数据自动生成控制信号实现对被控设备的控制；设备层，包括多个控制设备，控制设备通过现场总线直接与现场控制子站连接并进行信息交互，接收现场控制子站的控制指令或控制信号，根据控制指令或控制信号执行相应动作；其中，子系统控制层、现场控制层以及设备层均采用符合国际工业标准的工业控制设备或模块。

可选地，控制系统采用三级混合通信网络，其中，第一级为中央监控层与子系统控制层之间以及控制系统与治疗系统之间的网络连接，第二级为子系统控制层与现场控制层以及现场控制层之间的网络连接，第三级为现场控制层与设备层之间的通信连接，具体的，第一级采用基于以高速以太网的局域网实现数据或信息交互，第二级采用基于实时工业以太网技术的百兆光纤环网实现数据和信息的交互，第三级采用多种现场总线实现数据或信息交互。

可选地，控制系统的软件采用client/server架构并采用工业商业组态软件进行系统集成与开发。

可选地，控制系统至少包括治疗模式和调试模式，其中，调试模式下，实现操作人员对加速器设备的远程控制，同时实现对加速器参数的调整；在治疗模式下，加速器的所有远程控制功能被锁定，仅当治疗系统将工作模式切换为调试模式时，所有远程控制功能才能被解锁。

可选地，多台子系统服务器中包括至少一台中央连锁服务器，中央连锁服务器用于实时监测控制系统中设备的运行状态或参数，在加速器处于治疗模式下，若运行状态或参数不在预设工作范围内则向治疗系统发出束流禁止信号，同时停止加速器设备同步触发，停止向治疗系统发送离子束。

可选地，若运行状态或参数在预设工作范围内则向治疗系统发出束流允许信号，允许向治疗系统发送离子束。

可选地，现场控制子站包括：过程控制子站、智能数字控制器以及数据采集子站，分别以plc、智能控制器及pxie数据采集工控机作为现场控制器。

可选地，多台子系统服务器中每一台子系统服务器均包括协议转换模块，协议转换模块用于：将发送至中央监控层的通信内容按照预设规则转换为预设格式；以及将发送至现场控制层的通信内容转换为现场控制层可识别的格式。

可选地，预设规则为标准工业opc或opcua协议，预设格式为opc或opcua变量，以使中央监控服务器或其它子系统服务器可作以opcclient对子系统服务器的opcserver进行访问。

可选地，加速器控制系统与治疗控制系统交互的信息包括：束流申请信息、加速器工作模式选择、束流开/关控制信号、束流允许信号。

(三)有益效果

通过本发明提供的一种医用重离子加速器控制系统，至少达到如下有益效果：

(1)采用基于高速以太网的四层分布式计算机控制系统架构，实现对加速器周围设备的集中管理和分散控制；

(2)采用基于大型工业商业组态软件的三层c/s架构，充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配至clint端和sever端来实现，降低了系统的通讯开销；

(3)采用高速以太网、光纤技术以及现场总线，根据数据量及数据特点合理选择传输介质，实现资源的有效利用；

(4)硬件及软件采用标准化及模块化的设计，尽量采用符合国标工业标准的工控产品，利用标准化的模块进行系统集成，有利于维护、增加了可靠性；

(5)数据访问采用符合国标工业标准的opc(oleforprocesscontrol)通信协议，实现工业控制设备与系统的无缝集成，使控制软件可以高效、稳定地对硬件设备进行数据存取与操作；

(6)加速器控制系统与治疗控制系统及治疗计划控制系统在设计上严格区分，分布区域及功能实现均与治疗控制及治疗计划控制系统相对独立。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例中的医用重离子治疗装置的系统图；

图2示意性示出了本公开实施例中的医用重离子加速器控制系统的架构图；

图3示意性示出了本公开实施例中的医用重离子加速器控制系统的详细架构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，医用重离子加速器控制系统是医用重离子加速器系统的大脑与神经网络，确保加速器各设备相互之间高度同步协调工作，以实现安全、可靠、高效地为治疗系统提供治疗所需能量及流强的放射性束流。

本发明提供了一种医用重离子加速器控制系统，用于控制医用重离子加速器向治疗系统提供治疗所需能量及流强的放射性离子束流，控制系统为多级分布式计算机控制系统，参见图2，控制系统包括中央监控层、子系统控制层、现场控制层以及设备层，其中：中央监控层，用于对子系统控制层、现场控制层以及设备层中的设备进行监测和控制，动态显示设备中的运行状态以及在线修改设备中的运行参数，至少包括一台中央监控服务器以及至少一台客户机；子系统控制层，包括多台子系统服务器，子系统服务器与至少一台中央监控服务器和现场控制层连接，以实现对现场控制层以及设备层的实时作业和管理，至少一个子系统服务器与所述治疗系统通过标准工业通信协议及接口进行信息交互；现场控制层，包括至少一个现场控制子站，每一现场控制子站与对应的一台子系统服务器连接，用于根据子系统控制层或中央监控层远程下发的指令生成控制信号，直接实现对控制设备的控制，并将被控设备的运行状态及数据上传至子系统控制层和中央监控层，同时在中央监控层和子系统控制层不干预的情况下，根据提前设定的参数及采集的数据自动生成控制信号实现对被控设备的控制；设备层，包括多个控制设备，控制设备通过现场总线直接与现场控制子站连接并进行信息交互，接收现场控制子站的控制指令或控制信号，根据控制指令或控制信号执行相应动作；其中，子系统控制层、现场控制层以及设备层均采用符合国际工业标准的标准工业控制设备或模块。

具体的，中央监控层，用于对子系统控制层、现场控制层以及设备层中的设备进行监测和控制，动态显示设备中的运行状态以及在线修改设备中的运行参数，至少包括一台中央监控服务器以及至少一台客户机；

中央监控层至少包括一台中央监控服务器以及至少一台客户机，一般设于加速器中央控制室或数据中心，该中央监控层中的设备是一套人机交互系统，为专门操作或运维人员提供图形化操作界面及加速器调试软件，对加速器所有子系统中的设备进行在线监测与控制，该系统能够动态显示各子系统的运行状态、在线修改设备的运行参数，同时具备人员管理、数据存储、数据分析、报表输出等功能。硬件采用正规大型的商业化产品，本发明实施例中，中央控制层包括一台服务器和三台客户机，服务器承担过程通信、用户归档及数据的集中管理等任务，客户机可通过过程驱动器连接访问服务器上的内容，客户机上的人机操作界面支持多屏或分屏显示。中央监控层下连多个子系统，各子系统独立运行实现自己的功能，也向中央监控层提供交互数据，支持中央监控系统互联功能的实现。中央监控层还包括打印输出设备、中央数据库等辅助设备。

参见图2，子系统可以被分为三层，分别为子系统控制层、现场控制层以及设备层。

子系统控制层，包括多台子系统服务器，子系统服务器与至少一台中央监控服务器和现场控制层连接，以实现对现场控制层以及设备层的实时作业和管理，至少一个子系统服务器与所述治疗系统通过标准工业通信协议及接口进行信息交互，其中信息交互的信息包括：束流申请信息、加速器工作模式选择、束流开/关控制信号、束流允许信号等。

每一子系统包括至少一台子系统服务器，该子系统服务器上与至少一台中央监控服务器连接，下与现场控制层中设备连接。子系统控制层是加速器控制系统的核心，各子系统中设备的具体实时作业及管理由各子系统服务器(前端工业控制计算机或服务器)承担，对下连的对应的子系统设备进行并行的、分布式处理。本发明实施例中，如图3所示，子系统包括：离子源及回旋监控系统、磁铁电源监控系统、真空监控系统、磁铁温度监测系统、高频监控系统、束流诊断系统、数据采集系统、中央连锁系统、同步定时触发系统等。每一子系统在子系统控制层均对应至少一台子系统服务器，他们独立工作，互不干扰，当一个子系统出现故障时，不会影响到其他系统的正常运行。控制系统的实时数据库、实时作业、数据采集、数据存储、协议转换、设备控制以及故障报警等的生成都在子系统服务器上运行。尤其是，该子系统控制层具有作为中央监控层与现场控制层数据中转站的功能，具体的多台子系统服务器中每一台子系统服务器均包括协议转换模块，协议转换模块用于：将发送至中央监控层的通信内容按照预设规则转换为预设格式；以及将发送至现场控制层的通信内容转换为所述现场控制层可识别的格式，本发明实施例中，预设规则为标准工业opc或opcua协议，预设格式为opc或opcua变量，以使中央监控服务器或其它子系统服务器可作以opcclient对子系统服务器的opcserver进行访问。同时，子系统服务器还兼顾有操作员工作站及工程师运维站的功能，实现对相应子系统的配置、组态、调试及维护等操作。各子系统是一个独立运行的系统，具有自身完整的结构，各子系统的实时作业运行在不同的子系统服务器上，体高了系统的并行处理能力和实时响应速度，而且该控制系统的扩充性好，当被控设备增加时，只需要增加子系统服务器及对应的i/o通道即可，不会影响其他部分的运行。

现场控制层，包括至少一个现场控制子站，每一现场控制子站与对应的一台子系统服务器连接，用于根据子系统控制层或中央监控层远程下发的指令生成控制信号，直接实现对控制设备的控制，并将被控设备的运行状态及数据上传至子系统控制层和中央监控层，同时在中央监控层和子系统控制层不干预的情况下，根据提前设定的参数及采集的数据自动生成控制信号实现对被控设备的控制；

现场控制层包括多个现场控制子站，每一现场控制子站上与对应的至少一台子系统服务器连接，下与设备层中的设备进行连接，如传感器、智能化仪表、执行装置等，实现对现场设备的实时监控。在该层中，主要实现的是对所有加速器相关设备的自动控制，具体的功能的实现由安装在被控设备附近的控制子站内的现场控制器来完成，根据加速器被控设备的控制要求和分别特性，现场控制子站包括：过程控制子站、智能数字控制器以及数据采集子站，分别以plc、智能控制器及pxie数据采集工控机作为现场控制器。所有的现场控制器安装在现场控制机箱或控制机柜内，可接收子系统控制层或中央监控层传送的控制指令或控制信号，并将被控设备的运行状态及数据上传至子系统控制层和中央监控层。在中央监控层和子系统控制层不干预的情况下，根据提前设定的参数及采集的数据自动生成控制信号实现对被控设备的控制，具体的，在中央监控层和子系统控制层不干预的情况下，现场控制器可单独对设备进行控制，根据设定的参数进行各种算法的运行，控制被控设备的输出、开/关等操作。例如，以真空监控子系统为例，采用plc作为现场控制子站，通过远程通信及i/o模块接收由设备层中设备传来的信号，按照预设的控制策略计算出所需的控制量，并送回设备层中的执行器中去，以实现对被控设备的连续控制、顺序控制、逻辑控制功能、数据监控功能等。为减少接线长度及干扰，便于安装，现场控制子站采用就近原则，沿束线放置于被控设备附近的控制箱内。

设备层，包括多个控制设备，控制设备通过现场总线直接与现场控制子站连接并进行信息交互，接收现场控制子站的控制指令或控制信号，根据控制指令或控制信号执行相应动作；

具体的，多个控制设备通过现场控制总线直接与现场控制子站中的i/o接口模块、通信模块或数据采集板卡等连接，实现现场控制子站对控制设备的控制与监测。

该控制系统包括多种工作模式，至少包括治疗模式和调试模式，其中，调试模式下，实现操作人员对所述加速器设备的远程控制，同时实现对加速器参数的调整，如操作人员可通过加速器监控界面对设备实施开/关、故障排查等工作，同时可借助调束软件对加速器的参数进行调整等；在治疗模式下，加速器的所有远程控制功能被锁定，仅当治疗系统将工作模式切换为调试模式时，所有远程控制功能才能被解锁。本发明实施例中，治疗模式下，结合图3，该控制系统的工作步骤如下：

s1，启动加速器中所有设备，对加速器所有设备状态进行预检，同时将加速器设备所需预置参数下载至前端控制服务器或设备控制器中，进入待机准备状态；

s2，启动注入器，注入器正常运行后进入治疗模式，同时将模式切换的控制权移交至治疗系统或治疗控制系统，提供束流允许、束流申请(治疗线及能量)及加速器启动(同步触发事例)信号，进入治疗等待状态；

s3，治疗控制系统根据治疗计划系统下发的治疗计划及参数，向加速器控制系统申请所需能量，加速器能量申请系统根据治疗控制系统提交的能量请求(治疗线及能量)信息、能量序列及时间参数，准备相应的加速器事例序列，等待治疗系统或治疗控制系统下发开始治疗(束流开/关)命令；

s4，治疗控制系统发出开始治疗信号，加速器控制系统同步触发加速器及相应治疗线的所有相关设备(磁铁电源、高频、束流诊断等)，按照束流申请系统提前预置的能量序列及参数依次产生治疗终端所申请的束流，同时以1/3共振慢引出方式，将束流引出至治疗终端，直至整个申请序列周期结束。如治疗过程中设备发生异常，则停止当前触发，进行警示故障报警，同时向治疗系统发出束流禁止信号；

s5，等待终端停止当前治疗命令，如接受到终止命令，加速器同步定时触发系统停止当前触发，等待治疗控制系统再次的束流申请及治疗任务。

步骤s5中的同步定时触发系统是为了保证各子系统(磁铁电源系统、高频系统、束流诊断系统、chopper系统、数据采集系统和治疗终端控制系统等)中的设备严格按照预设的周期时序同步运行；加速器控制系统通过自主研发的一套同步定时触发系统为控制系统及治疗系统提供一系列精准的同步时序信号(事例信号)及触发机制。同步定时触发系统包括事例发生系统、事例传输系统及事例接收/解译系统组成，其中，事例发生系统服务器通过以太网接收上位机(治疗控制系统服务器)同步事例控制指令，通过pxi高速背板总线及基于pxi背板总线及fpga技术的输出板卡输出一系列定时光脉冲触发事例信号，通过基于光纤及扇出设备的事例传输系统以广播方式分发至各同步设备的事例接收/解译系统，同步触发相应的设备工作。

特别的，作为医用器械，其安全性是首先也是必须考虑的问题，因此该控制系统的子系统必须包括一套中央连锁系统，以保证加速器机械设备的安全。因此，多台子系统服务器中包括至少一台中央连锁服务器，该中央连锁服务器用于实时监测控制系统中设备的运行状态或参数，在加速器处于治疗模式下，若运行状态或参数不在预设工作范围内则向治疗系统发出束流禁止信号，同时停止加速器设备同步触发，停止向治疗系统发送离子束；若运行状态或参数在预设工作范围内则向治疗系统发出束流允许信号，允许向治疗系统发送离子束。

具体的该中央连锁系统对医用重离子加速器各子系统(真空系统、电源系统、束流诊断系统、chopper控制系统、水系统、注入/引出系统、辐射防护系统、高频系统等)关键设备的运行状态进行实时监测，并将监测数据进行分析与处理，给用户反馈当前加速器各区域的整体设备信息，同时给治疗控制系统提供束流允许信号。如治疗过程中，加速器任一设备状态异常，加速器中央连锁系统会触发安全联锁机制并停止触发，同时向治疗系统发出束流禁止信号，由治疗安全连锁系统逻辑立即停止当前治疗。

在网络架构上，该控制系统采用三级混合通信网络，其中，第一级为中央监控层与子系统控制层之间以及控制系统与治疗系统之间的网络连接，第二级为子系统控制层与现场控制层以及现场控制层之间的网络连接，第三级为现场控制层与设备层之间的通信连接，具体的，第一级采用基于以高速以太网的局域网实现数据或信息交互，第二级采用基于实时工业以太网技术的百兆光纤环网实现数据和信息的交互，第三级采用多种现场总线实现数据或信息交互。

具体的，第一级采用基于高速以太网的局域网，负责整个加速器的信息传输与交互，实现中央监控层与子系统控制层以及控制系统与治疗系统之间的指令下发、数据传送及对现场设备的实时监控，该层对通信的速率及吞吐量要求较高，但对通信实时性要求不高；第二级采用基于实时工业以太网技术的百兆光纤环网，负责子系统控制层与现场控制层以及现场控制层之间的信息传输以及控制程序的下发，本层通信数据量不高，但对实时性要求高，以保证对现场设备稳定、可靠的实时性控制；第三级，采用各种现场总线，负责各现场控制层与设备层之间的通信与数据采集。

该控制系统的软件采用client/server架构并采用工业商业组态软件wincc进行系统集成与开发。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。