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质子治疗剂量控制诊断软件的设计与开发

质子治疗剂量控制诊断软件的设计与开发

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作者：李东华中科技大学

学位级别：硕士

基于铅笔束离散点扫描的质子治疗方式具有优越的剂量适形特点,实现逐点剂量的精确控制与快速诊断是确保其治疗安全的关键环节。在整机系统调试初期,为实现HUST-PTF治疗头各硬件设备与离散点扫描剂量配送控制及上层治疗控制软件的协同工... 详细信息

基于铅笔束离散点扫描的质子治疗方式具有优越的剂量适形特点,实现逐点剂量的精确控制与快速诊断是确保其治疗安全的关键环节。在整机系统调试初期,为实现HUST-PTF治疗头各硬件设备与离散点扫描剂量配送控制及上层治疗控制软件的协同工作与集成调试,本文根据剂量控制系统的基本功能,设计并开发了剂量控制诊断软件,主要研究其与上位机系统的可靠通信、对各硬件设备的分布式控制、治疗头出口处束流分布的在线监测。同时为方便工程调试和诊断,开发了图形化诊断界面。根据分层思想,剂量控制诊断软件架构划分为四层结构,并确定使用Open DDS作为系统间通信中间件,EPICS作为硬件设备控制方式。然后根据状态机思想,设计软件的运行状态机和运行流程,确定子状态之间的转移条件。剂量控制诊断软件执行的治疗地图由上位机系统下发,因此为了在治疗照射前准确获取扫描用治疗地图,与上位机系统的可靠通信至关重要。由于二者支持的协议存在差异,本文设计了TCP/IP协议和Open DDS间的转换接口,以实现二者间实时、稳定的通信连接。治疗照射期间,软件通过控制偏转磁场的大小实现将束流偏转至指定的目标位置,同时为确保束流照射患者的位置和剂量符合预期,需在治疗头出口处进行最靠近患者的束流在线监测与诊断。为实现快速高精度的束流分布监测,论文对微分-积分法进行了改进,通过缩短积分域减少噪声累积带来的误差,并根据束流探测器的背景噪声,设定噪声过滤门限,在提高算法估计精度的同时,减少了计算量。仿真和实验结果表明,当信号的信噪比高于20 d B时,算法对束流中心位置的估计误差小于0.2mm,对束流尺寸的相对估计误差小于3%,且单次运行时间不超过0.05ms。基于C++/Qt开发工具,在Ubuntu 20.04下完成了剂量控制诊断软件的开发。通过搭建实验平台并模拟治疗时上层软件TCS与其交互过程,对软件的运行逻辑和磁场及束流在线监测等功能进行测试,结果均符合预期,表明该软件能够在上位机系统的指令下,控制各硬件设备执行离散点扫描任务,同时提供诊断服务,满足设计要求。

关键词：剂量控制束流诊断离散点扫描配送束流在线监测高斯拟合

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