放療模擬機(jī)輻射頭控制系統(tǒng)設(shè)計

【作者】于寧波

湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，宜昌市，443000

放療模擬機(jī)輻射頭控制系統(tǒng)設(shè)計

【作者】于寧波

湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，宜昌市，443000

該文設(shè)計了一種醫(yī)用放療模擬機(jī)輻射頭控制系統(tǒng)，采用一拖二步進(jìn)驅(qū)動電路，以閉環(huán)控制方式實現(xiàn)輻射頭鎢門和井線實時雙拉同步控制。有效提升了模擬機(jī)輻射頭控制精度，降低了設(shè)備制造成本。經(jīng)臨床應(yīng)用，具有減少患者輻射劑量，提高治療規(guī)劃質(zhì)量等優(yōu)點。

放療模擬機(jī)；放療設(shè)備；自動化控制；步進(jìn)電機(jī)控制

0 引言

放療模擬機(jī)是在腫瘤放射治療中制定放療計劃的關(guān)鍵設(shè)備之一[1]，目前主要有常規(guī)模擬機(jī)和CT模擬機(jī)兩種類型。由于常規(guī)模擬機(jī)具備透視功能，能實時顯示患者臟器活動情況[2]，且價格低廉，治療費用低，所以，絕大多數(shù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)選擇常規(guī)模擬定位機(jī)作為放療前的模擬定位規(guī)劃設(shè)備。常規(guī)模擬定位機(jī)能模擬放射治療設(shè)備的全部運動，它與放射治療設(shè)備有著大致相同的結(jié)構(gòu)?？赏ㄟ^X射線影像系統(tǒng)，確定腫瘤的大小形狀，具體位置，并轉(zhuǎn)化成治療床的高度、射野面積、腫瘤的深度，以及機(jī)架的旋轉(zhuǎn)角度等，并與放射治療設(shè)備一致。主要用來確定腫瘤區(qū)域和其他器官的位置，確定擺位參考標(biāo)記，拍攝驗證定位片等[3]。

常規(guī)放療模擬機(jī)運動機(jī)構(gòu)多，控制參數(shù)精度要求高，比放射治療機(jī)更復(fù)雜，控制要求更高。其主要由支臂、輻射頭（限束器、光欄鎢門、界定器井線、位移指示、輻射野指示）、三維床、影像增強(qiáng)器（IP平板探測器）等部分組成。其中輻射頭部分承載著放射治療規(guī)劃的核心功能，是放療模擬機(jī)的重要組成部分，其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動部件多、單位空間元件數(shù)量密度大，是影響放療規(guī)劃質(zhì)量與效率的關(guān)鍵部件。

本文在對常規(guī)模擬機(jī)輻射頭結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化改進(jìn)的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計了一種新型放療模擬機(jī)輻射頭控制系統(tǒng)。主要在輻射頭鎢門和井線控制部分，采用了具有良好控制特性和低速轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)控制單元，跟隨式全閉環(huán)井線運動控制方式。同時，使用PLC的PTO功能，優(yōu)化了模擬機(jī)輻射頭鎢門和井線控制結(jié)構(gòu)，重新完成了輻射頭控制部分的系統(tǒng)配置和電氣程序設(shè)計。

1 輻射頭運動機(jī)構(gòu)技術(shù)要求

1.1 模擬機(jī)輻射頭運動機(jī)構(gòu)組成

模擬機(jī)輻射頭運動部分主要包括輻射頭旋轉(zhuǎn)、限束器鎢門開合運動，界定器井線開合運動。

1.2 限束器鎢門組成及技術(shù)要求

限束器鎢門由4塊可以前后移動的鎢門組成，它的作用是將病灶暴露在輻射野中，阻擋住病灶以外的器官組織，防止患者受到不必要的電離輻射，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖1所示。每塊鎢門既可以獨立運動，也可以雙門對向同步運動，任意組合成對稱或不對稱輻射野。每塊鎢門要求離開中心點最大開合距離大于100 mm，4塊鎢門全部打開后可組成200 mm×200 mm輻射野，運動時最大速度不高于10 mm/s，位移控制精度為1 mm。

1.3 界定器井線組成及技術(shù)要求

界定器井線由四根鉬絲組成，相互垂直組成“#”字結(jié)構(gòu)，通過鉬絲遮擋X射線作用，在輻射野的調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，將病灶邊緣勾畫出來，標(biāo)記出治療射野，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。四根鉬絲可以獨立運動，也可以對向組合，實現(xiàn)雙拉同步運動，單根井線最大開合距離大于100 mm，可最大組成200 mm×200mm射野，運動時最大移動速度不高于10 mm/s，位移精度為1 mm，通過結(jié)合位移檢測裝置實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 限束器鎢門機(jī)構(gòu)Fig.1 Tungsten gate of radiation fi eld

圖2 限束器井線機(jī)構(gòu)Fig.2 “#” type gate of delineator

2 輻射頭運動機(jī)構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)選擇及可行性分析

模擬機(jī)輻射頭部分總共有9個運動控制對象，鎢門4個、井線4個、輻射頭旋轉(zhuǎn)1個、由于輻射頭部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小、負(fù)載大、控制精度高、運行速度等，因此，鎢門和井線驅(qū)動選擇步進(jìn)電機(jī)，輻射頭旋轉(zhuǎn)選擇直流減速電機(jī)。

2.1 輻射頭鎢門井線驅(qū)動系統(tǒng)配置

步進(jìn)電機(jī)是常用的驅(qū)動裝置，其依據(jù)脈沖信號的頻率和數(shù)量控制電機(jī)運轉(zhuǎn)，其常用控制方式如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制圖Fig.3 Stepper motor open-loop control diagram

步進(jìn)電機(jī)在正常工作時，電機(jī)的運轉(zhuǎn)速度由控制脈沖的頻率大小來決定，運轉(zhuǎn)的角位移由輸入的脈沖數(shù)量來決定。所以可通過改變輸入脈沖的頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過輸入脈沖的數(shù)量來控制位移[4]。步進(jìn)電機(jī)控制靈活，使用方便，且可實現(xiàn)較高的控制精度[5]，特別適合轉(zhuǎn)速不高且有較大轉(zhuǎn)矩要求的運動控制。步進(jìn)電機(jī)有三種不同的結(jié)構(gòu)類型，其中混合式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子使用永磁材料，定子和轉(zhuǎn)子通過小齒組合在一體，這樣可以提高旋轉(zhuǎn)精度。它的特點是輸出力矩大、動態(tài)性能好、控制精度高，適合模擬機(jī)鎢門和井線控制要求。

步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，但是使用時必須要有環(huán)形分配器和功率放大電路，這給PLC控制帶來不便，本文選用深圳步科生產(chǎn)的2S42Q-03848型兩相步進(jìn)電機(jī)和2M412型驅(qū)動器，通過實際使用，表現(xiàn)出良好的使用效果。2S42Q-03848型兩相步進(jìn)電機(jī)相電流1.2 A，靜態(tài)扭矩0.32 N·m。2M412型驅(qū)動器是兩相雙極微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，供電電壓最大可達(dá)40 V，采用雙極型恒流驅(qū)動方式，可驅(qū)動兩相雙極性混合式步進(jìn)電機(jī)。該驅(qū)動器提供半電流工作模式，可減少電機(jī)發(fā)熱。采用專用驅(qū)動控制芯片，在模擬機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有良好的矩頻特性。該型驅(qū)動器具有最高可達(dá)256細(xì)分功能，保證了電機(jī)運行平穩(wěn)的性能，在實際使用中表現(xiàn)出了良好的效果[6]，可完全滿足模擬機(jī)輻射頭部分的運動要求。

輻射頭鎢門步進(jìn)電機(jī)采用柔性聯(lián)軸器與滾軸絲桿直接相連，絲桿導(dǎo)程4 mm，要保證鎢門10 mm/s的移動速度，當(dāng)步距角為1.8°，PLC輸出脈沖頻率至少為：

根據(jù)實驗得出，細(xì)分倍數(shù)為10時，鎢門運動狀態(tài)平穩(wěn)，此時PLC輸出脈沖為5 kHz。

井線步進(jìn)電機(jī)與平帶輪之間采用齒輪連接方式，齒輪齒數(shù)比為17/41，皮帶輪直徑20 mm，井線運動要獲得10 mm/s的移動速度，在驅(qū)動器細(xì)分倍數(shù)為10時的輸出脈沖頻率為：

本文所選擇S7-200系列PLC可通過集成的PTO功能實現(xiàn)脈沖輸出[7]，與用單片實現(xiàn)的脈沖輸出相比較，顯得高效簡單[8]。CPU226最大輸出脈沖為20 kHz，滿足本文中鎢門和井線驅(qū)動要求，所以本方案切實可行。

3 輻射頭運動系統(tǒng)電路設(shè)計

輻射頭旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)控制方式較為簡單，本文僅闡述鎢門和井線運動的步進(jìn)電機(jī)電氣系統(tǒng)。根據(jù)模擬機(jī)臨床操作使用習(xí)慣，鎢門運動一般根據(jù)醫(yī)師需要，采取手動控制，普通的開環(huán)控制方式足以滿足控制要求，如圖4所示。工作時，醫(yī)師按照需要通過操作裝置向PLC發(fā)出指令，PLC向步進(jìn)驅(qū)動器發(fā)出方向和速度脈沖指令，步進(jìn)驅(qū)動器接受PLC指令完成脈沖環(huán)形分配和驅(qū)動放大功能，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，直至PLC結(jié)束運轉(zhuǎn)指令。

圖4 鎢門步進(jìn)電機(jī)控制圖Fig.4 Stepper motor of radiation fi eld control diagram

井線運動依據(jù)操作方式不同，有開環(huán)控制方式和閉環(huán)式控制，開環(huán)控制方式與鎢門控制方式相同。閉環(huán)控制方式如圖5所示，PLC接受目標(biāo)位置數(shù)據(jù)后，與位置測量裝置反饋的數(shù)據(jù)比較[10]，首先判斷需要運動的方向，然后根據(jù)與實際位置的偏差大小選擇合適的運動速度。如果與實際位置偏差較大，按照設(shè)定的最高速度向目標(biāo)位置運動；如果與實際位置偏差較小，則按照設(shè)定的最低速度向目標(biāo)位置運動，當(dāng)偏差小于設(shè)定值時停止運動。

圖5 井線步進(jìn)電機(jī)控制圖Fig.5 Stepper motor of delineator control diagram

鎢門（X1X2Y1Y2）和井線（X1X2Y1Y2）的運動如圖6所示，兩兩平行或垂直運動。 單拉時，只操作鎢門和井線中的一個電機(jī)運動，運動根據(jù)手動指令或給定參數(shù)啟動和停止。雙拉時，運動根據(jù)手動指令或給定參數(shù)，鎢門或井線中的X1和X2或者Y1和Y2，同步向靠近中心原點方向或同時向遠(yuǎn)離中心原點移動。在雙拉控制時，分別以X1和Y1為主運動，X2和Y2為隨動，參照X1和Y1實時位置參數(shù)，確定X2和Y2為隨動時的方向和速度，當(dāng)X1和Y1停止運動時，X2和Y2將在0.5 s內(nèi)完成同步后停止，同步精度為0.2 mm（小于技術(shù)要求1 mm的精度）。此種控制方式便于實現(xiàn)，同時可以消除累積誤差，達(dá)到精確控制目的。

圖6 鎢門井線運動圖Fig.6 Radiation fi eld and delineator motion diagram

一般在設(shè)計時，一臺電機(jī)配置一臺驅(qū)動器，但在實際操作中，鎢門和井線是不需要同時運動的。本文結(jié)合模擬機(jī)實際運動特點，將原來需要的8臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器減少為4臺，在相同位置方向上的鎢門和井線電機(jī)分別共用一臺驅(qū)動器，通過選擇電路實時切換，如圖7所示。 另外，由于西門子CPU226只有兩個脈沖輸出通道，在通過PLC向驅(qū)動器輸出脈沖時，同樣是通過自動選擇電路，將脈沖信號分配給需要工作的驅(qū)動器。在進(jìn)行雙拉控制時，就只需要一個脈沖輸出，實現(xiàn)脈沖信號一拖二驅(qū)動，這樣既可以很好地實現(xiàn)兩個步進(jìn)電機(jī)同步運動，又可以最大幅度地節(jié)約成本和空間，這個方案在實踐中證明是可行的。

圖7 鎢門井線步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)圖Fig.7 Radiation fi eld and delineator stepper motor control diagram

2M412型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器內(nèi)部控制電壓為5 V，而PLC輸出電壓為24 V，如要能正常使用，必須在控制線路中串接一個2 kΩ的電阻（R1），否則將會使驅(qū)動器內(nèi)電子元件損毀。在采用本文提出的一拖二解決方案時，由于采用并聯(lián)分支電路，分配到兩個驅(qū)動器的脈沖信號平均電壓會低于5 V，這時可將電阻阻值減小到1.8 kΩ，即可實現(xiàn)穩(wěn)定工作。

上文所提出的自動切換電路如圖8所示，由PLC控制繼電器來實現(xiàn)，脈沖信號切換發(fā)生在脈沖輸出前，對電機(jī)控制沒有任何影響。驅(qū)動器到電機(jī)的切換使用高功率控制繼電器來實現(xiàn)，觸點額定電流2 A，由于步進(jìn)電機(jī)最大電流小于1.2 A，可以保證切換安全。

4 輻射頭井線運動雙拉同步程序設(shè)計

本文重點敘述井線同步控制PLC程序設(shè)計。在井線雙拉控制中，要求兩井線能夠精確同步，誤差不超過1 mm。前面雖然采取了一拖二電路設(shè)計，但是由于機(jī)械傳動環(huán)節(jié)的誤差，導(dǎo)致在手動操作雙拉時，兩井線并不能保持精確同步，本文設(shè)計了一種跟隨式雙拉同步控制程序，其流程如圖9所示，本文以井線（X1、X2）雙拉為例予以說明。

圖8 鎢門井線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電氣原理圖Fig.8 Radiation fi eld and delineator stepper motor drive electrical schematic

在進(jìn)行雙拉操作時，X1、X2通過一拖二電氣回路開始運行。當(dāng)雙拉信號結(jié)束時，以井線X1位置數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，將X1與X2位置數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。當(dāng)X2大于X1時，PLC控制X2正向繼續(xù)運行，當(dāng)X2小于X1時，PLC控制X2方向運行，直至X2與X1差值絕對值小于0.5 mm時，程序結(jié)束。具體程序流程如圖9所示。

圖9 跟隨式雙拉同步控制程序流程圖Fig.9 Control program fl ow chart

5 臨床應(yīng)用

該系統(tǒng)通過國家檢測機(jī)構(gòu)型式試驗，在BL-2型模擬機(jī)上應(yīng)用時，結(jié)合數(shù)字影像系統(tǒng)的末尾幀圖像抓取保存功能，可以完美實現(xiàn)跟隨式井線界定方式。其工作方式如下：首先通過透視功能確定好腫瘤中心位置，通過數(shù)字影像系統(tǒng)抓去末尾幀圖像，此時透視結(jié)束，X射線關(guān)閉。其次，醫(yī)師可以在工作站界面中獲取末尾幀圖像，通過工作站疊加在圖像上的標(biāo)尺，確定腫瘤輪廓。再次，按照標(biāo)尺顯示的尺寸數(shù)據(jù)輸入各井線位置數(shù)據(jù)，或者直接用鼠標(biāo)將井線拖至腫瘤輪廓邊緣，井線自動運行到設(shè)定位置。 最后，短暫打開透視功能，驗證井線最終位置。這種操作方式，井線在移動中，透視功能是關(guān)閉狀態(tài)，可減少患者70%的輻射量。在使用時，系統(tǒng)一方面讀取井線位置數(shù)據(jù)，一方面僅將目標(biāo)位置數(shù)據(jù)通過手動輸入或者圖形輸入傳送給模擬機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)定的設(shè)計程序，通過本文設(shè)計的輻射頭控制系統(tǒng)快速控制井線運動到設(shè)定位置，這樣縮短了定位時間，提高了定位效率。

6 結(jié)論

本文設(shè)計的模擬機(jī)輻射頭控制系統(tǒng)，采用了一拖二步進(jìn)驅(qū)動電路，以閉環(huán)控制方式，實現(xiàn)輻射頭鎢門和井線實時雙拉同步控制。結(jié)合數(shù)字影像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以大幅減少患者在定位中所受輻射劑量，縮短模擬定位時間，同時也提高了模擬機(jī)輻射頭控制精度，提升了治療規(guī)劃質(zhì)量，降低設(shè)備成本，在臨床中具有較高的應(yīng)用價值。

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Design of Control System of Radiation Head of Radiotherapy Simulator

【 Writer 】YU Ningbo
School of Hubei Three Gorges Polytechnic, Yichang, 443000

The paper designs a control system of radiation head of radiotherapy simulator. Using a driver to control two stepper motors, through the design of the PLC program, to achieve the simultaneous movement of the two delineators. It improves the control precision and saves the manufacturing cost of radiotherapy simulator. In clinical practice, it can improve the quality of treatment planning, and reduce patient X-ray exposure.

radiotherapy simulator, radiotherapy equipment, automatic control, stepper-motor control

R318.6；TH774

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.05.019

1671-7104(2017)05-0381-04

2017-02-13

于寧波，E-mail: 16745608@qq.com