基于串口的MOSFET劑量采集自動觸發系統的研究

【作者】羅廣文 ，祁振宇

1 中山大學腫瘤防治中心，廣州市，510060

2 華南腫瘤學國家重點實驗室，廣州市，510060

0 引言

隨著放射治療技術的發展，金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET(metallic oxide semiconductor field effect transistor) 探測器近幾年開始應用于放射治療劑量監測。MOSFET探測器具有體積小，靈敏度高，易于通過人體的自然腔道置于人體內，有利于應用MOSFET探測器在治療過程中對體內吸收劑量進行監測[1-5]。MOSFET劑量系統一般由劑量儀，MOSFET探頭和采集計算機組成，可實現實時采集、顯示和數據存貯。目前MOSFET劑量系統一般與放射治療設備（醫用加速器或后裝治療機）之間沒有直接的通信連接，MOSFET劑量采集啟動與停止需人工手動方式進行操作，而人工操作方式不能保證每次劑量采集時刻的一致性。為了MOSFET劑量系統與放射治療設備之間實現輻射與采集同步，獲得采集起始時刻一致的測量數據，更好地科學分析輻射劑量規律，因此需要設計一個能夠將MOSFET劑量儀和放射治療設備相連接的采集觸發系統解決上述問題。

為了實現MOSFET劑量系統與核通高劑量率后裝放射治療機（microSelectron-HDR）關聯連接，提出了一種無需下位機的接口電路連接，計算機通過軟件監測后裝治療機輻射狀態，在輻射啟動的特定時間段進行劑量采集。設計內容包括硬件和軟件兩個部分，硬件部分為串口接口電路的設計和制作，軟件部分為串口檢測和采集觸發功能的程序設計。

1 材料和方法

研究中所使用MOSFET探測器和劑量讀數儀由澳大利亞Wollongong(伍倫貢)大學醫學放射物理研究中心研制。MOSFET探頭通過一個六針接口與專用劑量讀數儀相連，劑量讀數儀由4節1號電池供電。劑量儀外接計算機后，讀數軟件可對探測器進行實時讀數，并能記錄多個通道數據，采集數據保存為Excel格式文檔，方便數據處理與分析。

核通后裝放射治療機(Nucletron)具有18通道，是采用高劑量率銥-192為放射源的近距離照射治療機。該機具有放射源位置檢測電路，后裝放射源的輻射狀態由檢測電路獲取，通過光電隔離后輸送給后裝機控制計算機。

1.1 系統方案設計

系統為實現核通后裝機對MOSFET劑量測量系統的觸發控制，因此需要設計一個通信通路，由后裝治療機將輻射信號傳遞給MOSFET劑量測量系統，控制劑量系統的采集啟停。核通后裝機的輻射狀態可以由檢測電路中獲得，本文采用計算機通過串口檢測后裝機的輻射狀態信號來實現。如圖1所示，由于劑量儀與計算機之間的數據通信使用了串口1（COM1），COM1為劑量采集通道，因此增加COM2為后裝機輻射狀態檢測通道。根據圖1的設計框架，RS232接口電路與串口檢測在觸發程序協同下進行劑量采集系統與后裝機之間的通信，實現MOSFET劑量測量系統采集與后裝機治療的同步。

圖1 MOSFET劑量測量和觸發系統框圖Fig.1 The block diagram of MOSFET dose measurement and trigger system

1.2 接口電路設計

RS-232C標準的全稱是EIA-RS-232C，其規定了連接電纜、機械和電氣特性、信號電平和引腳功能、傳送過程等。串口DB-9接頭的各針腳定義如表1。

表1 串口各針腳定義Tab.1 The pin definition of the serial port

在9個引腳中，TXD、DTR和RTS可以作為輸出控制，DCD、RXD、DSR、CTS和RI可以作為輸入檢測。串口邏輯電平規定：邏輯1電壓為-3 V～-15 V，邏輯0電壓為+3～＋15V。RTS、CTS、DSR、DTR、RI、DCD電壓為正時信號有效，GND為各引腳電平的參考地[6-7]。當輸入引腳的電平發生變化時，可以通過計算機檢測到該變化。

基于后裝機的輻射狀態表現為開關信號，開關狀態完全可以通過輸入引腳的邏輯電平進行檢測，因此本文采用DCD電平狀態實現信號檢測。

1.3 串口檢測及觸發軟件設計

MOSFET劑量采集系統的軟件基于Qt 4.7進行開發，Qt是一個基于C++的跨平臺應用程序和UI開發框架。因此，輻射檢測和觸發功能的設計，需要在MOSFET劑量采集軟件的基礎上開發。輻射檢測和觸發的模塊的工作流程如圖2。程序啟動后首先進入初始化界面，用戶通過界面設置串口號、延遲時間等，串口初始化后進入DCD狀態的實時檢測。當DCD電壓由低變高時（即后裝放射源進入輻射治療狀態），進入計時器倒計時子程序，在計時完成后觸發MOSFET劑量采集子程序，實現自動觸發采集功能[8,9]。

圖2 程序工作流程圖Fig.2 The program flow chart

2 結果

2.1 串口接口電路

根據上文串口工作原理，設計了一個簡易的串口檢測接口電路，實現后裝機與計算機的通信連接，串口接口電路如圖3所示。DCD引腳作為信號輸入點，后裝機輻射狀態信號接入DCD引腳，計算機檢測串口DCD引腳電壓狀態，實現后裝機的放射源到位的檢測。

圖3 .串口DCD檢測接口電路Fig.3 The interface circuit for serial port DCD detection

圖3中，開關S1代表后裝機輻射狀態的開關。當放射源在安全位置時開關閉合，1腳（DCD）與5腳（GND）相連通，處于低電位；當放射源離開安全位置進入治療位置時，1腳（DCD）的電壓由7腳（RTS）輸出正電壓而處于高電位。本電路由串口供電。由MOSFET劑量儀的計算機（軟件）監測DCD腳的電壓狀態，若由低變高，則啟動MOSFET的劑量采集；若由高變低，則采集停止。

2.2 串口檢測及觸發軟件設計

根據接口電路信號設計規定以及串口檢測觸發工作流程，在Qt平臺編寫程序并進行測試，結果系統能按要求工作。

系統硬件及軟件部分按照上述設計完成后，經過實際測試檢驗，證明系統工作正常，達到了設計要求。

3 討論

一般而言，在具有開關量輸入輸出的應用系統中，通常是采用上位機和下位機的結構模式，下位機一般采用具有通信功能的單片機來處理串口數據，但是采用下位機的方式有其不足：當下位機的處理能力不足或受到干擾時，會發生系統的穩定性差、實時性差、控制復雜、誤動作多和效率低等問題。在放射治療的輻射檢測條件下，大部分的放射治療設備本身均有輻射啟動信號，因此較為容易獲得。所以，與采用下位機的方法相比，采用串口接口電路更為簡易，無需外部供電，減少了不必要的下位機設計，因此更加方便、穩定和可靠。

目前在醫療設備應用中，例如在劑量儀與輻射治療機之間，在呼吸門控裝置與CT相連進行4維CT掃描，以及門控裝置與醫用加速器進行呼吸門控治療，建立兩者之間同步工作時，都可采用本設計實現。

4 結論

本研究通過設計一個MOSFET劑量系統與后裝治療機之間的串口自動檢測和觸發系統，實現MOSFET劑量采集與放射治療機輻射同步的功能。經測試證明，通過串口檢測接口電路實現計算機自動檢測后裝機放射源輻射狀態的方法，具有設計簡單、可靠的優點，實現了數據測量時刻的一致性，對測量數據后期分析具有重要意義。本設計思路亦可推廣到其他醫療設備的狀態監控和觸發信號獲取方面的應用。

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