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医用回旋加速器束流能量稳定性至关重要，但传统 PID 控制存在不足。研究人员建立 BEFS 数学模型，提出 FM - ADRC 策略。仿真显示该策略抗干扰、响应速度好，能提升束流能量跟踪性能，为回旋加速器精准控制提供新方案。
在现代医学领域，放疗是对抗癌症的重要武器，而医用回旋加速器则是这一武器库中的关键装备。它如同一个微观世界的 “粒子加速工厂”，利用电磁场将粒子加速到极高的速度，产生具有强大能量的粒子束，精准地摧毁癌细胞。然而，在这个看似精密的 “工厂” 里，却存在着诸多挑战。束流能量的稳定性就像是工厂生产线上的 “质量调节阀”，一旦出现问题，粒子束的质量就会受到影响，进而影响放疗的效果，甚至可能对患者造成伤害。
传统的束流能量控制方法，比如开环调节和比例 - 积分 - 微分（PID）控制，就像是老旧的 “生产设备”，虽然操作简单，但在应对复杂情况时却力不从心。PID 控制由于其计算方式简单，在长期运行中会出现控制响应不稳定、精度不高的问题，就好比生产线上的产品质量波动较大，难以满足现代放疗对束流能量稳定性的严格要求。而且，医用回旋加速器的控制系统还面临着诸如强电磁干扰、真空泄漏、传感器不准确等 “恶劣环境”，这些干扰就像工厂里的 “捣乱分子”，进一步破坏了束流能量的稳定性。
为了解决这些难题，提升放疗的精准度和效果，来自 [未知研究机构] 的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们致力于寻找一种更先进的束流能量控制策略，以应对医用回旋加速器在运行过程中的各种挑战。经过深入研究，他们建立了基于机制方法的非线性束流能量反馈控制系统（BEFS）数学模型，并在此基础上提出了一种结合自抗扰控制（ADRC）和基于模型的前馈控制器的策略（FM - ADRC）。研究结果表明，这种策略具有出色的抗干扰能力和响应速度，在束流能量跟踪性能上远超传统的 ADRC 策略和 PID 控制策略。这一成果发表在《Applied Radiation and Isotopes》上，为医用回旋加速器束流能量控制领域带来了新的突破，有望推动放疗技术迈向新的高度，让更多癌症患者受益。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是基于粒子动力学和电磁理论建立 BEFS 数学模型，通过对粒子在回旋加速器中的运动轨迹和电磁相互作用进行深入分析，构建出能够准确描述束流能量反馈系统的模型。其次是设计 FM - ADRC 控制器，将 ADRC 能够有效估计和抑制系统总干扰的优势，与基于模型的前馈控制能够提前预测系统响应、调整控制输入的特点相结合，从而提升整个控制系统的性能。最后，通过仿真实验，对比 FM - ADRC 策略与 PID 控制器、传统 ADRC 策略在不同情况下的表现，以此来评估新策略的有效性。
BEFS 数学模型
研究人员详细分析了负氢离子在回旋加速器真空室中的运动轨迹。在等时回旋加速器中，离子需要与射频（RF）系统的相位相匹配。当氢负离子运动到加速间隙附近时，电场达到峰值，从而加速带电粒子。随后，通过热解碳箔膜提取氢离子的电子，将质子引出作为质子束。基于这些原理，建立起了 BEFS 数学模型，为后续的控制器设计奠定了坚实的基础。
控制器设计
粒子运动动力学和提取系统具有很强的非线性，这导致了模型的不确定性。粒子运动特性的变化，如粒子碰撞特性，会影响束流状态的不确定性，这些都属于内部干扰或模型不确定性。此外，强电磁干扰和传感器噪声构成了外部干扰。研究人员提出的 FM - ADRC 策略，利用扩展状态观测器（ESO）及时估计系统总干扰，同时基于模型的前馈控制器进一步提升了控制器的性能，能够更有效地应对各种干扰。
仿真
研究人员通过仿真实验，全面评估了 FM - ADRC 策略的有效性。他们考虑了四种不同的情况，综合评价了控制器的跟踪性能。由于复杂工作条件下模型参数会发生变化，研究中还考虑了 ±10% 的模型不确定性。仿真结果显示，FM - ADRC 策略在抑制干扰的同时，能够保持良好的束流能量跟踪速度，明显优于 PID 控制器和传统 ADRC 策略。
研究人员成功建立了医用回旋加速器束流能量系统的数学模型，并提出了 FM - ADRC 策略。该策略有效解决了传统控制方法在束流能量控制方面的不足，显著提升了系统的抗干扰能力和动态响应能力。这一研究成果为医用回旋加速器的精准控制提供了新的技术手段，有望在放疗临床应用中提高放疗的准确性和安全性，减少对正常组织的损伤，为癌症患者带来更好的治疗效果。同时，该研究也为相关领域的进一步研究提供了重要的参考和借鉴，推动了放疗技术的不断发展和进步。
