黑科技--用FPGA打造癌症克星

作者:清风流云

背景:
”癌症“已经成为常见词语中最恐怖的单词之一,只今年上半年,美国就有1.6百万人被诊断出患有各种类型的癌症。其中,有320000例适合采取质子疗法治疗,但不幸的是,在全美国只有24个质子治疗中心,从数学上说也就是只有5%的患者能够受到质子疗法的治疗,剩余的患者只能采取其他治疗方式。所以对于大多数患者来说这并不是能够采取的最佳治疗方案,正如下图所示。

在质子治疗法中,质子束可以只对肿瘤部分释放较多的能量,同时保证对周边健康的组织释放较少的能量。这对于治疗癌症来说无疑是最佳的,存在一些客观原因导致美国也只有很少的几家质子治疗中心,其中最主要的因素是因为产生质子时需要一个同步加速器或回旋加速器,这样才可以保证可以产生充分的健壮的高能质子束。

ProNova SC360:
前段时间,ProNova团队表示他们已经开发了一个低消耗、小型轻量级、高有效能量的质子治疗系统——ProNova SC360,它的出现大大增加了癌症患者可以接受质子治疗的可能性。ProNova SC360系统通过使用超导磁体开发出一个回旋加速器,再通过一个多路复用传输系统就可以将产生的质子束发送到五个治疗室中,然后采用一个安全牢固治疗架定位到患者肿瘤位置,并精确传输一个4mm-8mm的质子束到肿瘤位置,值得兴奋的是定位精确度高达1mm。

ProNova SC360 质子治疗系统

ProNova SC360 质子治疗系统

可以预见在ProNova SC360治疗系统中,必然需要大量的实时控制来精确地完成质子束发射,所以在ProNova SC360系统中还包含一个DDS(Dose Delivery剂量射送系统),DDS由三个NI sbRIO-9626嵌入式控制器实现,而sbRIO-9626控制器的实时控制则是由一个内嵌的Xilinx Spartan-6 LX45 FPGA来实现的。

这三个sbRIO-9626控制器主要实现四种特殊的任务:控制质子束强度、使用扫描磁铁定位质子束、监视传输的剂量在规定范围的1%以内、监视质子束的所有方面并且一旦发生错误及时切断质子束。

可以想象到在一个癌症治疗计划,会有一个位置集,或斑点,从3D(水平X,垂直Y,深度Z)空间来看,每一个点都要接收规定的注射剂量。系统传输高能质子束到肿瘤位置,并反复穿过肿瘤体积,直到杀死所有肿瘤细胞,完成质子治疗。

除此之外,ProNova SC360系统中还有一个子系统来负责在质子转场期间安全地从治疗室移除质子束,并且强制启动安全联锁装置。所以,在Spartan-6 FPGA和每个sbRIO控制器之间必须是硬线控制信号传输,并严格标志是否现场完成,是否准确/现场提升,以及是否治疗失败(三个sbRIO应用中的每一个可以通过NI的LabVIEW系统工程软件进行编程)。

下图是ProNova DDS质子束控制和定位系统的一个方框图:

此外,需要注意的是,要准确把握质子治疗的时间,因为质子束现场持续时间大概为5ms,现场转移则需要少于800us。

在今年之前,ProNova团队就ProNova SC360系统申请了FDA认可并成功通过,在ProNova SC360系统进一步稳定之后将计划在美国田纳西州诺克斯维尔的Provision质子治疗中心开始治疗第一个患者。

总结:
科技的发展是为了造福人类,先进的科技不仅进入了人们的生活,工作,生产,从上面的例子可以看到,科技的发展对于人类疾病的治疗也是十分重要的。值得关注的,实现如此危险又重要的癌症治疗系统离不开Xilinx FPGA的强大功能贡献,鉴于此,期望在未来的医疗业中,Xilinx FPGA可以发挥更大的作用。

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