KONCEPCJA PROGRAMU STEROWANIA AKCELERATOREM 6/15 MeV. Jacek Pracz, Robert Hornung, Edward Jankowski

Transkrypt

1 KONCEPCJA PROGRAMU STEROWANIA AKCELERATOREM 6/15 MeV Jacek Pracz, Robert Hornung, Edward Jankowski Instytut Problemów Jądrowych, Otwock-Świerk Abstract CONCEPT OF CONTROL SYSTEM OF 6/15 MeV ACCELERATOR The accelerator for which this control scheme was designed, is the medium energy radiation source generating electron beam with energies 6, 9, 12 and 15 MeV and photon beam at 6 or 15 MV. These ranges covered about 95% requirements for oncological therapy. The subject of the paper is the computer assisted control system with requirements of international standards IEC 60601, , , 976 and 977. The VME system with central unit governing four object's processors was applied. The communication with the system is done by PC computer, communication between computer and the central unit is accomplished by Ethernet. To minimalize the influence of internal interferences from working accelerator on signals in treatment by the system, as well as mutual interaction of signals on each other, the convert A/D, D/A and D/D with galvanic insulation of IN/OUT circuits were applied..,,,,,mum 1. WSTĘP PL Akcelerator, dla którego opracowano niniejszą koncepcję sterowania, jest uniwersalnym, średnioenergetycznym urządzeniem terapeutycznym, emitującym wiązki elektronowe o energiach 15, 12, 9 i 6 MeV oraz fotonowe o energiach 15 i 6 MV. Może być instalowany w pomieszczeniach po zdemontowanych akceleratorach NEPTUN PC i NEPTUN 10P. Akcelerator jest wyposażony w wolnostojący modulator klistronowy, zlokalizowany w pomieszczeniu terapeutycznym przy akceleratorze. Koncepcja komputerowego systemu sterowania uwzględnia szczegółowe wymagania norm międzynarodowych IEC: , , oraz IEC: 976 i 977 w zakresie: bezpieczeństwa akceleratorów medycznych, parametrów podlegających kontroli, granicznych wartości kontrolowanych parametrów, warunków testowania i metod testowania. Przez termin komputerowe sterowanie akceleratorem" należy rozumieć: sterowanie parametrami wiązki użytkowej, fotonowej i elektronowej, pomiary parametrów wiązki użytkowej, kontrolę warunków napromieniania pod kątem bezpieczeństwa pacjenta, sterowanie parametrami technicznymi akceleratora, pomiar wielkości statycznych i dynamicznych odpowiedzialnych za poprawne funkcjonowanie poszczególnych zespołów akceleratora, kontrolę warunków pracy akceleratora i urządzeń towarzyszących pod kątem bezpieczeństwa pacjenta i obsługi oraz kontrolę działań operatora. 545

2 Rys. 1. Schemat funkcjonalno-blokowy akceleratora 6/15. Dodatkowym zadaniem komputerowego systemu sterowania jest: archiwizacja pełnej dokumentacji o każdym seansie terapeutycznym oraz archiwizacja informacji o technicznym funkcjonowaniu aparatu wraz z rejestrowaniem zaistniałych błędów i usterek, rejestracja czasu pracy akceleratora DO SYSTEMU PLANOWANIA LECZENIA DO SYSTEMU ZARZ DZANIA Rys. 2. Schemat systemu sterowania. w trybie leczenia oraz w stanie gotowości, sterowanie trybem pracy urządzenia - terapeutycznym, dozymetrycznym i serwisowym, obsługa bazy danych, obsługa łącza do/z Systemu Planowania Leczenia, obsługa łącza 546

3 do/z Systemu Kompleksowego Zarządzania Gospodarką w ośrodku medycznym. Rysunek l przedstawia ogólny schemat funkcjonalno-blokowy akceleratora z uwzględnieniem magistrali sygnałowej WE/WY, rys. 2 - schemat systemu sterowania. Uwzględniając wymagania norm IEC oraz nabyte doświadczenia, opracowano system sterowania eliminujący, przy znacznie większej ilości sygnałów, wady dotychczas stosowanych rozwiązań. Przyjęto układ VME z jednostką centralną zarządzającą oraz czterema procesorami obiektowymi. Do komunikacji z systemem oraz realizacji zadań dodatkowych (określonych powyżej) służy komputer PC. Łączność pomiędzy komputerami zrealizowano za pośrednictwem Ethernetu. 2. SYSTEM STEROWANIA Przyporządkowanie obiektów do poszczególnych procesorów zostało określone na podstawie analizy zadań, rodzaju sygnałów, ich częstości oraz wymaganej w pomiarach i sterowaniu dokładności. Każdemu procesorowi przyporządkowano określone zadania: Procesor 1: - sterowanie napędami kolimatora: obrotem, przesuwem szczęk Xl, X2, Y l i Y2, obrotem tarczy filtrów wyrównujących rozkłady dawek fotonowych i elektronowych, przesuwem listwy targetu, obsługa kasety sterującej (matryca 3 x 10), pomiar położenia napędów kolimatora, pomiar temperatury wody chłodzącej z sześciu czujników, pomiar temperatury komory jonizacyjnej, pomiar ciśnienia atmosferycznego, odczyt numerów filtrów klinowych, pomiar napięć zasilających. Procesor 2: - pomiary impulsowe (z próbkowaniem) sygnałów z pierwszej komory jonizacyjnej, monitoring mocy dawki l i dawki l (z uwzględnieniem korekcji temperaturowo-ciśnieniowej), analiza błędów dozymetrii l, sterowanie wydajnością działa elektronowego i stabilizacją mocy dawki, generacja sygnału niejednorodności mocy dawki w płaszczyźnie umownej H, kontrola toru dozymetrii l, analiza zabezpieczeń związanych z obwodem dozymetrii l, pomiar sygnałów impulsowych: wysokiego napięcia, linii formującej, diody inwersyjnej, analiza czasu trwania seansu, pomiary czasu seansu, czasu nagrzewania aparatu. Procesor 3: - pomiary impulsowe (z próbkowaniem) sygnałów z drugiej komory jonizacyjnej, monitoring mocy dawki 2 i dawki 2 (z uwzględnieniem kompensacji), analiza błędów dozymetrii 2, analiza łączna sygnałów z obu 547

4 torów dozymetrii, generacja sygnału niejednorodności mocy dawki w płaszczyźnie umownej V, kontrola toru dozymetrii 2, analiza zabezpieczeń związanych z obwodem dozymetrii 2, cykliczna analiza sygnałów z obwodów zabezpieczeń modulatora, toru mocy w. cz., układu chłodzenia, układów zasilania, systemu blokad, sterowanie załączaniem zasilania i kontrola poprawności załączeń poszczególnych obwodów, pomiary prądów cewek głównych i korekcyjnych oraz sterowanie prądami cewek. Procesor 4: - pomiary dynamiczne sygnałów: ARCz, napięcia na linii formującej, mocy impulsowej modulatora, sterowanie napędem obrotu ramienia, pomiar pozycji kątowej ramienia, pomiar położenia stroika w. cz., sterowanie napędem stroika, sterowanie napędem ramienia przy terapii kątowej, sterowanie dynamiczne prądem cewek automatycznego centrowania wiązki, pomiar prądu cewek centrujących wiązkę, sterowanie układem stabilizacji wysokiego napięcia (zastosowano układ deq'ingu), sterowanie elementami regulacyjnymi modulatora oraz sterowanie częstotliwością w. cz. Liczba sygnałów DO/Z systemu VME wynosi ogółem: sygnały WE analogowe -51, sygnały WY analogowe - 18, sygnały WE cyfrowe - 98, sygnały WY cyfrowe Określone zostały zależności czasowe w odniesieniu do sygnału startowego (wyzwalającego) dla kontroli cyklicznej sygnałów. Statyczne sygnały analogowe będą mierzone po 100 is od sygnału wyzwalania, a sygnały impulsowe dozy metryczne, prądu klistronu, prądu wysokiego napięcia, prądu diody inwersyjnej - po 20 (is. Kontrola załączenia poszczególnych obwodów będzie przeprowadzana po 100 ms od chwili wysłania rozkazu załączenia. 3. SYSTEMY ZABEZPIECZEŃ Mając na względzie bezpieczeństwo pacjenta, szczególną uwagę poświęcono monitoringowi dawki i mocy dawki. Przyjęto podwójny niezależny system pomiaru i kontroli mocy dawki i dawki, przy czym, tor dozymetryczny l jest torem wiodącym, tor 2 - torem pomocniczym. Tor l wyłącza napromienianie po osiągnięciu zadanej dawki, tor 2 - po osiągnięciu 105% zadanej dawki w przypadku niezadziałania toru 1. Licznik czasu jest narzędziem wyłączenia awaryjnego w przypadku, gdy tory dozymetryczne nie wyłączą napromieniania w normalnym trybie. Limit czasu jest to 120% czasu obliczonego ze stosunku zadanej dawki do nominalnej mo- 548

5 cy dawki albo czasu obliczonego z tego stosunku powiększonego o 0,1 min. W zależności od wartości dawki zadanej programowo wybierana jest zawsze większa wartość tego zabezpieczenia. Norma IEC w rozdziale 29 szczegółowo określa wymagania dla procesu sterowania akceleratorami medycznymi. System sterowania powinien kontrolować przed załączeniem seansu poprawność wszystkich czynności wstępnych i danych wprowadzonych przez operatora, weryfikować dane z nastawami aparatu, sprawdzać stan zabezpieczeń i blokad, sprawdzać poprawność sygnałów sterujących i wykonawczych oraz zezwalać na załączenie napromieniania, jeśli parametry kontrolowane są poprawne, a także blokować lub wyłączać promieniowanie, gdy procedury kontroli wykażą przekroczenie dopuszczalnych parametrów. System sterowania kontroluje podwójny system monitoringu dawki i mocy dawki, czuwający nad jakością parametrów wiązki wyjściowej. Jeśli stwierdzi zaistnienie rozbieżności przekraczającej dopuszczalne granice, wyłącza seans w trybie awaryjnym. Rozbieżności mogą dotyczyć: przekroczenia i obniżenia mocy dawki w odniesieniu do mocy dawki nominalnej, różnicy dawek l i 2 powyżej 5%, różnicy >10% pomiędzy mocami dawek l i 2 trwającej dłużej niż 5 s, różnicy >10% pomiędzy sygnałami z dwu półkomór tej samej komory jonizacyjnej trwającej dłużej niż 5 s (nierównomierność dawki), spadku mocy dawki w jednym torze lub w obu poniżej wartości minimalnej, uszkodzenia przetworników temperatura/prąd i ciśnienie/napięcie w układzie kompensacji komory jonizacyjnej. System sterowania kontroluje szereg zabezpieczeń, mających zadanie zapewnić pełne bezpieczeństwo pacjentowi i obsłudze. Są to: wyłączniki awaryjne, blokada elektryczna drzwi do pomieszczenia terapeutycznego, przycisk kontrolny w pomieszczeniu terapeutycznym, blokada zasilania napędów ramienia i kolimatora po zamknięciu drzwi do pomieszczenia terapeutycznego, kontrola układów zasilania, obwodów załączania wysokiego napięcia, temperatury wody chłodzącej, przepływów wody chłodzącej, obecności nawiewu, ciśnienia gazu izolacyjnego w falowodzie, kontrola zgodności sygnałów sterujących i wykonawczych z zadanymi - dla każdej energii, właściwa współzależność pozycji tarczy filtrów i listwy targetu, tzw. poprawna selekcja, procedury wprowadzania danych przez operatora, eliminujące błędy personelu, kontrola nastaw pól i kątów w stosunku do wielkości zadanych, kontrola poprawności instalacji elementów dodatkowych, jak: rodzaj aplikatorów elektronowych, filtrów klinowych, tacy osłon indywidualnych. Aby zminimalizować oddziaływanie zakłóceń wewnętrznych pracującego akceleratora na sygnały przetwarzane przez system oraz sygnałów wzajemnie na siebie, zastosowano w systemie komputerowym przetworniki A-C, C-A, C-C z izolacją galwaniczną obwodów WE/WY. 549

6 System komputerowego sterowania zostanie zabezpieczony przed błędnym działaniem programu. Układy czuwające (ang. watch-dog) będą kontrolować każdy procesor, łącznie z jednostką centralną. Stan poprawnej łączności systemu VME z komputerem PC będzie sprawdzany cyklicznie. Wykryta usterka w pracy systemu spowoduje wyłączenie cyklu napromieniania. Komputerowy system sterowania wraz z interfejsami WE/WY zostanie umieszczony w dwóch panelach 19-calowych. Sygnały WE/WE prowadzone będą niezależnymi wiązkami, przy czym sygnały WE analogowe prowadzone będą parami przewodów skrętkowych - każdy sygnał wraz z masą elektroniczną. 550