자동화된 QA로 의료 입자 가속기 안전 시스템 개발 가속

초록

본 논문은 PSI(스위스 폴 샤이어 연구소)에서 신규 환자 안전 시스템(PaSS)의 단위 테스트와 정기 QA를 자동화하기 위해 PXI 기반 테스트 스탠드와 VHDL‑유사 형식 언어를 설계·구현한 사례를 제시한다. 1 MHz 동기식 입출력으로 수백 개 채널을 제어·측정하고, 매크로·루프·시간 측정 기능을 갖춘 스크립트 언어로 테스트를 기술함으로써 기존 2주 소요하던 실험실 테스트를 며칠 수준으로 단축하고 커버리지를 확대하였다.

상세 분석

이 연구는 의료용 입자 가속기의 핵심 안전 장치인 PaSS를 검증하기 위한 전통적인 방법의 한계를 정확히 짚어낸다. 기존에는 National Instruments CompactRIO와 같은 제한된 채널 수의 모듈을 사용해 수동으로 파형을 설계하고, 테스트 결과를 문서화하는 데 수주가 걸렸다. 저자는 이러한 병목을 해소하기 위해 PXI 샤시와 18개의 카드(고속 e‑6535, 저속 6509)를 결합해 400 IO 이상을 1 µs 해상도로 동기 구동·샘플링할 수 있는 하드웨어 플랫폼을 구축했다. 특히 19 인치 백플레인 보드와 다양한 어댑터(광, 24 V 디지털, 3‑와이어 전류 루프)를 통해 PaSS가 실제 설비와 연결되는 모든 인터페이스를 물리적으로 에뮬레이션한다는 점이 핵심이다.

소프트웨어 측면에서는 LabVIEW 기반 런타임에 VHDL 문법을 확장한 테스트 기술 언어를 도입했다. 매크로 정의와 호출을 통해 반복적인 초기화 코드를 재사용하고, Loop‑Tag 구조로 변수 조합을 자동 전개해 수천 개의 테스트 시나리오를 한 파일에 기술할 수 있다. 또한 ‘measure … to …’ 구문으로 상승·하강 에지 간의 정확한 시간 차이를 측정하도록 하여, 반응 시간 검증을 정밀하게 수행한다. 파싱·실행·검증·보고서 생성이 모두 자동화돼 XML 기반 설정 파일과 VHDL‑like 스크립트만으로 테스트 전 과정을 비전문가도 재현 가능하도록 만든 점은 품질 관리 프로세스의 표준화와 추적성을 크게 향상시킨다.

검증 단계에서는 독립적인 로직 분석기를 이용해 테스트 스탠드의 파형을 교차 확인했으며, 의도된 오류를 삽입해 자동 검증이 정확히 실패를 감지함을 입증했다. 결과적으로 기존 2주 소요하던 실험실 테스트가 1~2일로 단축됐으며, QA 기간 중 빔 사용을 최소화해 임상 운영에 미치는 영향을 크게 줄였다. 또한 PaSS 자체에 내장된 자체 테스트 기능을 활용해 연간 QA 중 반응 시간 측정을 자동화하고, EPICS 기반 데이터 아카이브를 통해 장기 트렌드 분석이 가능하도록 했다. 전체적으로 하드웨어·소프트웨어·언어 설계가 유기적으로 결합돼 안전 시스템 개발·배포 주기를 가속화하고, 의료 가속기 운영의 신뢰성을 높인 사례라 할 수 있다.