质子放疗作为当前医学物理界的一大前沿热点，是放疗技术在20世纪电子直线加速器肿瘤放疗基础上的一个新的发展方向，该技术对束流的控制精度要求很高。治疗头扫描控制系统是实现质子扫描治疗剂量精确配送的重要保障。本文根据质子治疗装置的性能需求和HUST-PTF(Huazhong University of Science and Technology-Proton Therapy Facility)扫描治疗头结构，对治疗头扫描控制系统进行了方案设计与开发研究。
　　HUST-PTF治疗头采用笔形束扫描(Pencil Beam Scanning, PBS)技术进行主动扫描治疗，可以针对形状不规则的肿瘤适形配送束流，需要对束流的剂量和位置进行精确的诊断和实时控制。本文首先对治疗头扫描控制系统的结构框架和工作流程进行了初步设计，基于医疗安全要求和失效模式与影响分析(Failure Mode and Effect Analysis，FMEA)的方法，对整个系统的功能需求进行分析，并根据设备特性和束流控制原理设计系统结构框架以及从治疗准备到治疗结束的工作流程。
　　数据交互与处理功能是治疗头扫描控制系统实现精确照射的必要条件之一，论文对数据管理方案进行了讨论，并对质子放疗治疗计划文件进行了解析，从中提取与治疗头相关的治疗参数，在此基础上，结合治疗头工作原理和实际的硬件结构，设计治疗参数到仪器参数的转换计算方案，并搭建EPICS环境，实现控制系统各软硬件之间高效的数据交互。
　　其次，根据功能需求，针对治疗头中两个重要模块——扫描磁铁控制模块和剂量监控模块，设计相应安全冗余措施以提高整个治疗头扫描控制系统的精确性和稳定性。治疗头中的扫描磁铁通过改变磁场大小来控制质子束的偏转，从而控制质子束施加在患处的位置，要求横向和纵向位置误差不超过±0.5mm，因此在系统中同时监控磁场和励磁线圈电流，进行多重闭环反馈控制，并加入模糊PID控制算法，使磁场控制模块在保持持续正常工作的同时，提高其响应速度和自适应能力。剂量的监控采用多重冗余结构，利用两个独立工作的平行板电离室进行同步监测，相互验证，要求剂量的控制精度不低于±5%，确保不会出现照射剂量过量或不足而导致治疗失效。同时加入独立的累积剂量监测模块，通过对电离室控制器发出的脉冲计数来计算层累积剂量，并且能够直接控制束流的开断。