用于控制射頻源的輸出頻率的方法和設備與流程

本公開總地涉及頻率控制，更具體地，涉及用于控制射頻電磁波源的頻率的方法和設備。

背景技術：

諸如x射線的電磁放射物已經被廣泛用于醫療，例如用于治療癌癥。在放射治療設備中，可以使用磁控管利用由陰極發射的電子產生射頻(rf)電磁(em)波。射頻波可以提供給波導或“加速器波導”，以使諸如電子的帶電粒子加速至高能量。經加速的粒子撞擊靶，以產生醫療所需的放射物。

圖1示出了常規的放射治療系統100，其包括射頻源102、波導104以及靶106。射頻源102產生射頻波。波導104耦合到射頻源102，以接收射頻波并且使用射頻波來加速從諸如電子槍(未示出)的帶電粒子源發射的帶電粒子。經加速的粒子在撞擊靶106之前可以穿過彎曲的磁體(未示出)，以產生用于醫療的電磁放射物，例如x射線。由靶106所產生的電磁放射物作用在患者的身體，用于治療例如腫瘤。射頻源102例如可以是磁控管或速調管。靶106可以由在被粒子撞擊時能夠產生電磁放射物的材料制成。用于靶106的合適材料包括諸如鎢的金屬。

放射治療系統100進一步包括頻率控制設備108，其通過驅動射頻源102的調諧器102-2控制由射頻源102產生的射頻波的頻率。射頻源102通過射頻源102中的空腔產生射頻波，并且射頻源102的輸出頻率取決于該空腔的尺寸。調諧器102-2可以旋轉射頻源102中的空腔和改變該空腔的尺寸。頻率控制設備108控制調諧器102-2的位置，進而決定了射頻源102的輸出頻率。

為了獲得最大的加速度，射頻源102的輸出頻率應當與波導104的諧振頻率匹配。然而，在放射治療系統100的各個部分中，經過一段時間后可能發生頻率(例如波導104的諧振頻率或射頻源102的輸出頻率)漂移，導致射頻源102的輸出頻率和波導104的諧振頻率之間不匹配并且降低加速度的值。因此，在一定時間段(諸如幾個月)之后，可能需要重新調節射頻源102的輸出頻率。

圖1示出了控制設備108的常規結構，其包括正向射頻探頭、反射射頻探頭、微波相位單元(mpu)、自動頻率控制(afc)印刷電路板(pcb)、驅動器以及調諧驅動組件。控制設備108用作監控正向射頻波和反射射頻波之間的相位誤差并且基于所述相位誤差調節調諧器102-2的射頻相位伺服。具體地，如圖1中所示，正向射頻探頭檢測由射頻源102產生的正向射頻波。反射射頻探頭檢測由波導104反射的射頻波。mpu接收正向射頻波和反射射頻波，并生成矢量和信號(“和(sum)”)和矢量差信號(“差(diff)”)。afcpcb接收該矢量和信號和該矢量差信號，并生成復合相位誤差信號。驅動器接收該復合相位誤差信號并生成控制信號，以控制調諧驅動組件。調諧驅動組件通過機械連接(諸如機械連桿機構)聯接至調諧器102-2，并控制調諧器102-2的移動(或旋轉)，以調整射頻源102的輸出頻率。調諧驅動組件例如可以是諸如伺服馬達或步進馬達的調諧馬達。調諧馬達可以以小角度的步進來旋轉，諸如每步幾秒或幾度。調諧器102-2的驅動方向可以由復合相位誤差信號的符號，即該復合相位誤差信號是正還是負，來表示。

如圖1中所示，mpu包括移相器、兩個衰減器、混合耦合器以及兩個射頻二極管。移相器接收正向射頻波并且使正向射頻波的相位移相。經移相的正向射頻波輸入到衰減器中的一個。另一個衰減器接收未移相的反射射頻波。衰減器降低經移相的正向射頻波和反射射頻波的強度。混合耦合器接收并耦合衰減后的射頻波，以生成這兩個射頻波的矢量和以及這兩個射頻波的矢量差。該矢量和與矢量差分別通過射頻二極管輸出，分別作為矢量和信號和矢量差信號。

控制設備108需調節和維護。例如，應調節正向射頻探頭和反射射頻探頭，使得正向射頻波和反射射頻波彼此匹配。mpu中的移相器需要調節。進一步地，afcpcb上的電位計(未示出)需要調節，以補償mpu中的兩個射頻二極管之間的不一致。

技術實現要素：

根據本公開，提供一種用于控制射頻(rf)源的輸出頻率的方法。所述方法包括通過射頻源將射頻電磁波(射頻波)提供給波導，檢測從波導反射的射頻波，測量反射射頻波的強度，以及基于反射射頻波的強度確定射頻源的調諧器的諧振位置。

根據本公開，還提供一種用于控制射頻(rf)源的輸出頻率的設備，該射頻源配置為將射頻電磁波(射頻波)提供給波導。所述設備包括配置為檢測從波導反射的射頻波的射頻探頭。所述設備進一步包括控制模塊，所述控制模塊配置為測量反射射頻波的強度并且基于反射射頻波的強度確定射頻源的調諧器的諧振位置。

與本公開一致的特征和優點的一部分將在以下說明書中闡明，另一部分將從說明書顯而易見，或可以通過本公開的實踐學習到。這種特征和優點將借助于所附權利要求書中指出的特定的元件和組合而實現和得到。

將要理解的是，前述整體說明以及以下詳細說明都僅是示例性和解釋性的，并且不限定所要求保護的本發明。

并入此說明書并且構成此說明書的一部分的附圖圖示了本發明的幾個實施例，并且與說明書一起用來解釋本發明的原理。

附圖說明

圖1是常規的放射治療系統的方框圖。

圖2是根據示例性實施例的放射治療系統的方框圖。

圖3是示出反射射頻波的強度與調諧器的位置的示例性關系的曲線圖。

圖4是示出射頻源在啟動時的示例性輸出頻率漂移的曲線圖。

圖5是根據示例性實施例的用于控制射頻源的輸出頻率的設備。

圖6是示出根據示例性實施例的用于控制射頻源的輸出頻率的方法的流程圖。

圖7是示出根據另一示例性實施例的用于控制射頻源的輸出頻率的方法的流程圖。

圖8是示出根據另一示例性實施例的用于控制射頻源的輸出頻率的方法的流程圖。

具體實施方式

在下文中，將參考附圖描述符合本公開的實施例。在任何可能的情況下，各個附圖中將使用相同的附圖標記來指代相同或相似的部件。

符合本公開的實施例提供了用于控制射頻(rf)電磁波源(“rf源”)的頻率的方法和設備。

圖2是示例性放射治療系統200的方框圖。放射治療系統200包括射頻源202(包括調諧器202-2)、加速器波導204、靶206以及控制設備208。射頻源202、波導204、靶206以及調諧器202-2類似于圖1中示出的那些器件，這里不詳細描述。控制設備208包括射頻探頭和控制電路。射頻探頭檢測由波導204反射的射頻波。控制電路接收并處理來自射頻探頭的反射射頻波，并且控制射頻源202的調諧器202-2調整由射頻源202產生的射頻波的頻率。

當由射頻源202產生的射頻波進入波導204并在波導204中行進時，一部分被反射。反射射頻波的強度或量級取決于波導204的諧振頻率以及射頻源202的輸出頻率。圖3是反射射頻波的強度與射頻源202的輸出頻率之間的關系的示例性曲線圖，如圖3中所圖示地，當射頻源202的輸出頻率與波導204的諧振頻率匹配時，反射射頻波具有最低強度。圖3中的縱軸表示反射射頻波的量級，橫軸表示射頻源202的調諧器202-2的位置，其直接關系到輸出頻率。反射射頻波的量級以射頻波的電壓來反映，并且可以由諸如下文參考圖5描述的adc508-2的模數轉換器(adc)來檢測，adc將射頻波的電壓轉換成數字讀數。在圖3中，adc的讀數在縱軸上示出。在下文中，adc的讀數還被稱為“adc值”。進一步地，調諧器202-2的位置可以由增量編碼器測量。在圖3中，增量編碼器的讀數(值)在橫軸上示出，以表征調諧器202-2的位置，該增量編碼器的讀數(值)也是無量綱的。在下文中，增量編碼器的讀數被稱為“inc值”。

曲線上的最低點(在增量編碼器的讀數約為55500的位置處)表示射頻源202的輸出頻率與波導204的諧振頻率匹配，并且本文稱為“諧振位置”。隨著調諧器202-2從諧振位置移開，反射射頻波的強度增大并且在對應的輸出頻率與加速器波導的諧振頻率之間的不匹配顯著時達到最大值。

射頻波的頻率可能要花時間來穩定。圖4是在射頻源202的啟動期間頻率改變的曲線圖，更具體地，是射頻源202開啟時輸出頻率相對于穩定的輸出頻率(例如2998mhz)隨著時間改變的曲線圖。實曲線表示當射頻源的輸入功率為5.55kw時輸出頻率的改變，虛曲線表示當射頻源的輸入功率為1.85kw時輸出頻率的改變。在圖4中示出的輸入功率5.55kw的示例中，射頻源開啟的瞬間，輸出頻率比所期望的頻率高大約2.5mhz，并且這要花約500-600秒來使輸出頻率穩定在所期望的頻率附近。從圖4中可以看到，當輸入功率更高時，輸出頻率要花更長的時間來穩定。

另外，類似于放射治療系統100中的漂移，操作期間漂移可能發生在射頻源202的輸出頻率和/或加速器波導204的諧振頻率中。任何這種漂移都可能導致不匹配或諧振損失。

符合本公開的是，控制設備208測量從波導204反射的射頻波并且基于測量自動地調整射頻源202的輸出頻率，以實現或維持諧振。與本公開符合的頻率控制方法可以在啟動時或操作期間使用，并且可以定期或當已經注意到顯著的不匹配時執行。

圖5是示例性控制設備208的方框圖。控制設備208控制射頻源202的調諧器202-2的操作，并且包括射頻探頭502、衰減器504、射頻檢測器506以及自動頻率控制(afc)模塊508。射頻探頭502例如可以安裝或接附在波導204中、在波導204上或在波導204附近，以接收反射射頻波。該反射射頻波可以通過射頻纜線傳遞至衰減器504。衰減器504將反射射頻波的強度降低至適合于射頻檢測器506的水平。射頻檢測器506檢測經衰減的反射射頻波并且將其轉換成電子信號，用于由afc模塊508處理。射頻檢測器506例如可以包括二極管，以將經衰減的反射射頻波轉換成電子信號。

基于反射射頻波，afc模塊508確定所期望的輸出頻率并且生成控制信號，以驅動調諧器202-2。在圖5中示出的示例性實施例中，afc模塊508包括adc508-2、處理器508-4、驅動器508-6以及調諧驅動組件508-8。adc508-2將來自射頻檢測器506的模擬電子信號轉換成數字信號。處理器508-4處理該數字信號并且生成驅動信號。驅動器508-6基于該驅動信號控制對調諧驅動組件508-8的操作，并且調諧驅動組件508-8控制調諧器202-2的移動。在一些實施例中，采樣信號可以提供至afc模塊508，以控制什么時候采樣反射射頻波或多久采樣一次反射射頻波。

在一些實施例中，控制設備208還可以包括存儲指令的非臨時性計算機可讀存儲介質(未示出)，該指令由處理器508-4執行時會使控制設備208執行符合本公開的方法。存儲介質例如可以是易失性或非易失性存儲介質，諸如存儲器，并且可以設置在afc模塊508的內側或外側。

下文將描述符合本公開的示例性方法。這些方法可以在例如上文所描述的控制設備208中執行。圖6是示出用于控制射頻源202的輸出頻率的示例性方法600的流程圖。如圖6中所示，在步驟602處，當放射治療系統200操作時，控制設備208接收反射射頻波。在步驟604處，測量該反射射頻波的強度。在步驟606處，在放射治療系統200的操作期間，根據反射射頻波的強度動態地確定調諧器202-2的諧振位置。該諧振位置是反射射頻波具有最低強度的情況下調諧器202-2的位置，表示射頻源202的射頻波與波導204之間的匹配或諧振。符合本公開的方法通過調節調諧器202-2的位置動態地確定諧振位置，以搜尋反射射頻波的最低強度，如下文更詳細地描述的。下文參考圖7和8描述的示例性方法中的步驟可以部分或全部并入到方法600中。

圖7為用于控制射頻源202的輸出頻率的另一示例性方法700的流程圖。該方法可以在接收到用于開始頻率匹配的開始指令時起始。開始指令可以在放射治療系統200啟動時或發生某事件時(諸如當使用者按動放射治療系統200上的按鈕或點擊放射治療系統200的控制界面中的按鈕時)觸發。在步驟702處，測量反射射頻波的強度。在一些實施例中，可以在調諧器202-2的當前位置處進行測量。在一些實施例中，在測量反射射頻波的強度之前，可以將調諧器202-2移動至靠近諧振位置的位置。例如，可以根據過往經驗估計諧振器202-2移動到的位置。

在步驟704處，將調諧器202-2移動一個掃描步長至新位置，并再次測量反射射頻波的強度。因為調諧器202-2由調諧驅動組件508-8驅動，所以調諧器202-2的掃描步長與調諧驅動組件508-8的驅動步長成比例。驅動步長可以是調諧驅動組件508-8可以移動的最小步長，或可以是最小步長的幾倍。例如，如果調諧驅動組件508-8包括每步可以旋轉0.72°的步進馬達，則驅動步長可以是例如0.72°、1.44°等。進一步地，假設驅動步長和掃描步長之間的比例為當調諧驅動組件508-8旋轉一個最小步長(即0.72°)時，調諧器202-2移動的inc值為1(一)。則掃描步長例如可以是inc值1(一)、2(二)等。

在步驟706處，確定反射射頻波的強度是否已經增加、降低或保持不變。如果反射射頻波的強度增加(706：增加)，則處理流程前進至步驟708，在步驟708處，調諧器202-2改變移動方向。然后，在步驟710處，確定是否接收到結束頻率匹配的結束指令。該結束指令可以在放射治療系統200關閉時或發生某事件時(諸如當使用者按動放射治療系統200上的按鈕或點擊放射治療系統200的控制界面上的按鈕時)觸發。如果接收到結束指令(710：是)，則處理流程結束。如果沒有接收到結束指令(710：否)，則處理流程退回至步驟704。

在步驟706處，如果確定反射射頻波的強度降低或沒有改變(706：降低或沒有改變)，則處理流程前進至步驟712，在步驟712處，進一步確定調諧器202-2是否到達其移動范圍的端點。移動范圍的這種端點還被稱為“移動極限”或“調節極限”。調諧器202-2的移動范圍通常具有兩個端點，即調諧器202-2具有兩個移動極限(或調節極限)，上述移動極限可以是兩個移動極限中的任一個。例如，如圖3中所示，調諧器202-2的一個移動極限在inc值約為40500處，另一個移動極限在inc值約為65500處。如果調諧器202-2還沒有到達移動極限(712：否)，則處理流程前進至步驟710。如果調諧器202-2已經到達移動極限(712：是)，則處理流程前進至步驟708，以改變調諧器202-2的移動方向。

在確定反射射頻波的強度改變的步驟706處，當確定強度是否已經改變時可以引入容差。例如，如果測量的反射射頻波的強度改變少于約0.3％，則為了步驟706的目的認為反射射頻波的強度沒有改變。

在示例性方法700中，在處理流程返回至步驟704之前執行確定是否接收到結束指令的步驟710。在其他實施例中，可以在處理流程的另一地方，諸如例如在測量反射射頻波的強度的步驟702之后且在移動調諧器202-2的步驟704之前，或在移動調諧器202-2的步驟704之后且在確定反射射頻波的強度改變的步驟706之前，執行確定是否接收到結束指令。上文描述的步驟710是可選的且在一些實施例中可以省略。在這些實施例中，用于確定調諧器202-2的諧振位置以及控制射頻源202的輸出頻率的過程持續到放射治療系統200關閉為止。

在示例性方法700中，對于每一特定的時間段(諸如約每20ms)，調諧器202-2可以移動一個掃描步長。也就是說，在步驟704處測量反射射頻波的強度與處理流程返回到步驟704時再次測量強度的時間差可以約為20ms。

在一些實施例中，可能難以或甚至不可能估計諧振位置在哪里。如圖3中所示，如果諧振器202-2被設定到遠離諧振位置的位置，則在調諧器202-2的位置改變從而射頻源202的輸出頻率改變時，反射射頻波的強度改變可能極其微小或反射射頻波的強度可能不存在可檢測到的改變。在此情況下，盡管上文描述的示例性方法700仍然可以用來尋找諧振位置，但是過程可能要花很長的時間。例如，如果諧振器202-2最初被定位在圖3中示出的諧振位置左邊的平坦區域中，且最初被設定為朝向圖3中的左邊移動，則諧振器202-2可能需要到達移動極限、然后改變移動方向朝向諧振位置。這可能要花如果諧振器202-2從一個移動極限開始到達諧振位置所需時間段的2倍。為了解決此問題，諧振器202-2可以從兩個移動極限中的一個朝向兩個移動極限中的另一個開始掃描，如以下所描述的。

圖8是示出用于控制射頻源202的輸出頻率的另一個示例性方法800的流程圖。除了方法800包括額外的步驟802之外，方法800類似于方法700，在步驟802處，調諧器202-2被設定到移動極限中的一個或被設定到靠近移動極限中的一個的位置，并且設定成沿著從移動極限中的一個到移動極限中的另一個的方向移動。圖8中示出的處理流程的其余部分與圖7中對應的部分相同，由此這里不詳細描述。

在方法800中，因為調諧器202-2最初被設定到移動極限或靠近移動極限的位置，所以調諧器202-2在找到諧振位置之前將到達另一個移動極限的可能性很小。也就是說，步驟712中的確定結果可能總是“否”。因此，在可替換的實施例中，步驟712可以省略，即當在步驟706處確定反射射頻波的強度降低或沒有改變時，過程直接前進至步驟710而不檢查調諧器202-2是否已經到達移動極限。

根據上文描述的示例性方法，在放射治療系統200啟動時，調諧器202-2可以快速地調節至諧振位置，并且可以在放射治療系統200的操作期間動態地調節，以“追蹤”諧振位置。也就是說，即使在放射治療系統200的操作期間諧振位置移位，調諧器200-2也可以快速地調節至諧振位置，由此確保頻率匹配。

有時，在放射治療系統200的操作期間，調諧器202-2的諧振位置不會改變，或改變很微小、可忽略。在放射治療系統200的操作期間，可能不需要“追蹤”諧振位置。因此，在一些實施例中，上文描述的示例性方法可以變型為使得一旦確定諧振位置則停止調節過程。在那之后，調諧器202-2固定在諧振位置直到再次接收到開始指令為止。

不同于采樣正向射頻波(即由射頻源102發射的射頻波)以及反射射頻波兩者、并且使用如上所述地包括部件(諸如移相器和混合耦合器)的復雜微波相位單元處理兩個信號以檢測相位誤差的常規技術，符合本公開的方法和設備僅利用反射射頻波來確定調諧器202-2的諧振位置，而不需要正向射頻波。也就是說，符合本公開的方法和設備不需要檢測正向射頻波和反射射頻波之間的相位誤差，從而不受相位漂移約束。因為僅檢測和利用一個信號，所以不需要額外的采樣探頭，從而不需要匹配兩個采樣探頭。不需要如移相器和混合耦合器的額外部件。進一步地，不需要射頻二極管匹配。因此，不同于每三至六個月就需要校準用于檢測和傳遞正向射頻波和反射射頻波的部件以維持彼此匹配的常規設備，符合本公開的設備不需要這種校準。根據本公開，簡化了對調諧器202-2的調節并且降低了成本。

上文將控制設備208描述為放射治療系統200的一部分，即集成在放射治療系統200中。在一些實施例中，控制設備208可以為單獨的裝置且可以暫時接附至放射治療系統，用于執行調節。進一步地，上文將控制設備208描述為與射頻源202分離的部分。在此情況下，控制設備208可以通過纜線接附至射頻源202或耦合至射頻源202。控制設備208可以永久地接附至或耦合至射頻源202，或可以僅在調節期間使用并且在調節結束時移除。在一些實施例中，控制設備208可以集成在射頻源202中。

從本文所公開的發明的說明書和實踐考慮，本領域技術人員可以了解本公開的其他實施例。說明書和示例期望僅被認為是示例性的，本發明的實際范圍和精神由所附的權利要求來表明。