醫(yī)科達(dá)Synergy醫(yī)用直線加速器控制軟件的工作原理與實(shí)際應(yīng)用

楊晉，張燦，陳龍，江海

海軍安慶醫(yī)院 放射治療技術(shù)部，安徽 安慶 246001

引言

醫(yī)科達(dá)Synergy醫(yī)用直線加速器（以下稱醫(yī)科達(dá)加速器）為數(shù)字化醫(yī)用加速器，其具有快速治療、自動(dòng)擺位、調(diào)強(qiáng)治療、影像驗(yàn)證等功能，可開(kāi)展常規(guī)放療、適形放療、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)強(qiáng)放療、圖像引導(dǎo)調(diào)強(qiáng)放療等，廣泛應(yīng)用于全身各個(gè)部位的惡性腫瘤放射治療[1-2]。

醫(yī)科達(dá)加速器之所以稱得上數(shù)字化，是因?yàn)槠淇刂栖浖甙俣鄠€(gè)Item，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制各子系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)；操作者可以通過(guò)控制軟件里相關(guān)的Item 查看機(jī)器參數(shù)或輸入用戶指令；當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)故障時(shí)，控制軟件會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的信息自動(dòng)診斷故障，并在顯示器上顯示錯(cuò)誤代碼和故障信息。

1 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

醫(yī)科達(dá)加速器的控制系統(tǒng)主要由控制柜和三個(gè)控制區(qū)組成，控制柜與控制區(qū)之間通過(guò)兩根1553 串行線連接并通訊[3]?？刂乒窭锇瑑膳_(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)：顯示處理器和控制處理器。圖1 所示為醫(yī)科達(dá)加速器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 醫(yī)科達(dá)加速器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

顯示處理器里運(yùn)行Integrity 應(yīng)用程序，為操作者提供圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）,同時(shí)顯示處理器連接鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和顯示器。因此，操作者不僅可以通過(guò)顯示處理器的顯示器查看機(jī)器參數(shù)和故障報(bào)錯(cuò)，還能通過(guò)顯示處理器的鼠標(biāo)和鍵盤(pán)輸入用戶指令、修改校準(zhǔn)參數(shù)。顯示處理器和控制處理器通過(guò)超五類網(wǎng)線（CAT-5e）通訊。

控制處理器里運(yùn)行加速器控制軟件。顯示處理器獲得用戶指令后，通過(guò)超五類網(wǎng)線將用戶指令傳輸給控制處理器，控制處理器對(duì)用戶指令作一系列處理后，輸出相關(guān)控制指令到各控制區(qū)，相應(yīng)的控制區(qū)將接收到的控制指令轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)或TTL 電平信號(hào)，并分配到相應(yīng)的子系統(tǒng)，控制相應(yīng)子系統(tǒng)的運(yùn)行；控制處理器通過(guò)接收從各個(gè)控制區(qū)反饋來(lái)的各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息（12 位數(shù)值的數(shù)字信號(hào)或TTL 數(shù)字信號(hào)），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，同時(shí)，控制處理器通過(guò)超五類線將監(jiān)測(cè)到的信息傳輸給顯示處理器，因此操作者可以通過(guò)顯示處理器查看機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)。

每個(gè)控制區(qū)由兩個(gè)獨(dú)立工作的終端組成，RTU-A 和RTU-B（RTU：Remote Terminal Unit），每個(gè)RTU 終端含有一組印刷電路板（PCB），用于接收和傳輸來(lái)自控制處理器和子系統(tǒng)的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)?？刂茀^(qū)的RTU 終端與控制處理器之間通過(guò)1553 總線串行連接，其作用是將來(lái)自于控制處理器的控制指令（數(shù)字信號(hào)）轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)或TTL電平信號(hào)，并分配到相應(yīng)的子系統(tǒng)，控制各子系統(tǒng)的運(yùn)行；將從子系統(tǒng)反饋回來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成12 位的數(shù)字信號(hào)，并傳送到控制處理器，告訴控制軟件機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)[4]。表1 所示為醫(yī)科達(dá)加速器三個(gè)控制區(qū)的名稱和位置。

表1 醫(yī)科達(dá)加速器控制區(qū)名稱和位置

2 控制軟件的Item和Part

2.1 控制軟件的Item

控制處理器的控制軟件里有七百多個(gè)Item。每個(gè)Item擁有一個(gè)唯一的數(shù)字編號(hào)和名稱，可被視為控制軟件里的一個(gè)子程序，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制機(jī)器上某個(gè)硬件的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)。這些被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的硬件為各個(gè)子系統(tǒng)的繼電器、傳感器、開(kāi)關(guān)、電位器、電源等，每個(gè)硬件有一個(gè)或多個(gè)Item 與之對(duì)應(yīng)。比如Item229（高功率移相器位置）就是通過(guò)電位器反饋來(lái)的電壓值，來(lái)監(jiān)測(cè)高功率移相器的位置信息。Item223（內(nèi)循環(huán)水溫度）就是通過(guò)水溫傳感器反饋來(lái)的電壓值，來(lái)監(jiān)測(cè)內(nèi)循環(huán)水的溫度[5]。

控制軟件里的Item 分為三類：① 接收類Item，用于實(shí)時(shí)接收被監(jiān)測(cè)的硬件信息；② 控制類Item，用于比較實(shí)際（監(jiān)測(cè)到的）的有效值和設(shè)定的有效值，并輸出比較的差值到傳遞類Item；③ 傳遞類Item，用于傳遞控制指令到控制區(qū)的RTU 終端，從而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)子系統(tǒng)運(yùn)行。

2.2 控制軟件的Part

控制軟件里每個(gè)Item 包含有很多的Part，Part 可視作Item 的各項(xiàng)參數(shù)，用于接收、運(yùn)算、傳輸Item 的各種信息?？刂栖浖锩總€(gè)Part 都有一個(gè)編號(hào)和名稱，在不同的Item里，具有相同編號(hào)的Part 含義相同，但是取值不一樣。圖2所示為部分常用的Part。操作者可以在維修模式（Service Mode）里，選擇Display Machine Item 命令后，輸入Item編號(hào)來(lái)查看相關(guān)Item 的所有Part 及其取值[6]。

圖2 部分常用的項(xiàng)目成分

2.3 接收類Item的工作原理

圖3 所示為接收類Item 的原理圖。被監(jiān)測(cè)硬件（如電位器、繼電器、傳感器等）輸出的模擬信號(hào)首先被傳輸?shù)较鄳?yīng)控制區(qū)RTU 內(nèi)的AI-12（模擬信號(hào)輸入-12 位數(shù)值輸出）電路板。AI-12 電路板將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為12 位數(shù)值的數(shù)字信號(hào)后，通過(guò)1553 串行線將數(shù)字信號(hào)傳輸給控制軟件里相應(yīng)的接收類Item。

圖3 接收類Item的原理圖

接受類Item 里Part111（原始值）接收來(lái)自AI-12 電路板的12 位數(shù)值，稱之為原始值。然而，Part111（原始值）的12 位數(shù)值沒(méi)有量綱，需要對(duì)其進(jìn)行一系列的運(yùn)算處理，轉(zhuǎn)換為操作者可以理解的采用SI 國(guó)際單位制的數(shù)值。在接收類Item 里，Part111（原始值）首先與Part10（偏移校準(zhǔn)）相加生成Part 110（有效值）。Part110（有效值）有兩路輸出，一路輸出到相應(yīng)的控制類Item，以作進(jìn)一步的運(yùn)算處理；另一路則乘以Part11（增益校準(zhǔn)）并除以比例系數(shù)2048 后，生成Part4（實(shí)際值）。Part4 為采用SI 國(guó)際單位制的數(shù)值，代表的是被監(jiān)測(cè)的硬件運(yùn)行參數(shù)或狀態(tài)信息。操作者可以在維修模式(service mode)查看相關(guān)Item 的Part4 的值，從而知道機(jī)器的運(yùn)行參數(shù)或狀態(tài)，如運(yùn)動(dòng)部件的位置信息[7]、電流、電壓、水溫等。

2.4 控制類Item的工作原理

圖4 所示為控制類Item 的原理圖。接收類Item 輸出的P110 被相應(yīng)的控制類Item 的Part110 接收后，被傳輸?shù)綌?shù)值比較器。同時(shí)，數(shù)值比較器會(huì)接收P112（設(shè)定的有效值），并比較Part110（實(shí)際的有效值）與Part112（設(shè)定的有效值）的數(shù)值后，輸出比較的差值到相應(yīng)的傳遞類Item。

圖4 控制類Item的原理圖

Part112 來(lái)自控制軟件里的校準(zhǔn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)CalBlock。每次做完校準(zhǔn)并保存后，CalBlock 數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)自動(dòng)更新并保存校準(zhǔn)參數(shù)。操作者每次通過(guò)顯示處理器輸入出束指令（如能量、劑量率等）并點(diǎn)擊確認(rèn)后[8]，相關(guān)控制類Item 的Part1（設(shè)定值）會(huì)自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)CalBlock 里與之相對(duì)應(yīng)的設(shè)定值。Part1 的值采用的是SI 國(guó)際單位制，需要乘以Part12（反比增益校準(zhǔn)）并除以比例系數(shù)2048，轉(zhuǎn)換成Part112。

2.5 傳遞類Item的工作原理

圖5 所示為傳遞類Item 的原理圖。傳遞類Item 的Part112 或Part114 接收從控制類Item 傳輸來(lái)的數(shù)值，Part112 用于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，如機(jī)架運(yùn)動(dòng)[9]；Part114 用于伺服系統(tǒng)，如磁控管燈絲電源。因Part112 或Part114 的均為有效值形式，需要先減去Part10(偏移校準(zhǔn))，轉(zhuǎn)換成8 位或12 位的原始值形式后，再傳輸?shù)较鄳?yīng)控制區(qū)RTU 終端的AO-8 或AO-12（8 位或12 位數(shù)值輸入-模擬信號(hào)輸出）電路板，AO-8 電路板用于驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，AO-12 具有更高的精度，用于驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)。AO8 或AO12 電路板把輸入的數(shù)值轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的子系統(tǒng)運(yùn)行到設(shè)定的狀態(tài)。值得注意的是，輸入到AO8 或AO12 電路板的數(shù)值必須在限值范圍內(nèi)，否則Part15（動(dòng)作掩碼）就會(huì)采取措施，讓機(jī)器或相應(yīng)的子系統(tǒng)停止運(yùn)行并報(bào)錯(cuò)。

圖5 傳遞類Item的原理圖

輸入到AO-8 或AO-12 電路板的數(shù)值也會(huì)以反饋值的形式傳輸?shù)皆搨鬟f類Item 的Part111（原始值）里，然后經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算轉(zhuǎn)換為Part4（實(shí)際值）。傳遞類Item 里Part4的值為比較差值的實(shí)際值，也采用SI 國(guó)際單位制，但與接收類Item 的Part4 意義不同。

3 控制軟件Item和Part的實(shí)際應(yīng)用

本節(jié)將通過(guò)分析Item 和Part 在高功率移相器（HP Phase Shifter）運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用，來(lái)具體說(shuō)明控制軟件的工作原理。

圖6 為醫(yī)科達(dá)加速器高功率移相器的結(jié)構(gòu)圖。高功率移相器由兩個(gè)矩形波導(dǎo)并聯(lián)而成，每個(gè)矩形波導(dǎo)里有一個(gè)短路活塞，活塞受電機(jī)驅(qū)動(dòng)。高功率移相器的輸入端接收來(lái)自加速管末端的剩余微波功率，通過(guò)控制軟件控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，改變活塞位置，從而改變輸入的微波功率的相位，并最終將微波功率輸出到加速管的輸入端。高功率移相器的作用是通過(guò)調(diào)節(jié)短路活塞的位置，使其輸出的微波功率的相位與加速管輸入端來(lái)自磁控管的微波功率相位相同，從而可以回收利用加速管的剩余微波功率，提高微波功率的利用效率和加速管內(nèi)的微波能量[10-11]。

圖6 高功率移相器（HP Phase Shifter）結(jié)構(gòu)圖

圖7 所示為醫(yī)科達(dá)加速器高功率移相器的工作原理圖[12]?？刂栖浖ㄟ^(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制電機(jī)及活塞運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)控制從高功率移相器輸出的微波功率相位。圖6 中的電位器位于高功率移相器運(yùn)動(dòng)裝置上，與電機(jī)齒輪嚙合，輸出電壓與活塞位置成線性關(guān)系，電壓值為0～10 V。電位器的輸出電壓首先被傳送到高壓控制區(qū)的AI-12 電路板上，AI-12 電路板上的A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換器將輸入的電壓值轉(zhuǎn)換位12 位數(shù)值，并將該12 位數(shù)值傳輸?shù)娇刂栖浖锝邮疹惖腎tem229（高功率移相器位置）。Item229 的Part111 接收來(lái)自AI-12 電路板的12 位數(shù)值，即原始值，該原始值即為控制軟件接收到的高功率移相器實(shí)時(shí)的位置信息。在Item229 里，Part111 的12 位數(shù)值被轉(zhuǎn)換為Part110（有效值）和Part4（實(shí)際值）。Part4 的數(shù)值采用SI 國(guó)際單位制（厘米），操作者可以根據(jù)Part4 的值得知高功率移相器的實(shí)際位置。Part110 會(huì)被傳輸?shù)娇刂祁惖腎tem162（高功率移相器控制），作進(jìn)一步的運(yùn)算處理。

圖7 高功率移相器工作原理圖

Item554 的Part112 接收從Item162 傳輸來(lái)的比較差值，在將接收到的比較差值減去Part10（偏移校準(zhǔn)）后傳輸給AO-8 電路板，AO-8 電路板上的D/A（數(shù)字/模擬）轉(zhuǎn)換器會(huì)將接收的數(shù)值轉(zhuǎn)換為直流電壓模擬信號(hào)，該直流電壓模擬信號(hào)即驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度信號(hào)，其幅值在-5 V～+5 V之間，電壓值的大小代表了電機(jī)速度的快慢，電壓的極性代表了電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向。為了便于操作者觀察，Item554 輸出給AO-8 電路板的數(shù)值會(huì)被反饋到P111，并最終被轉(zhuǎn)換為Part4（實(shí)際值），Part4 的值采用國(guó)際單位制（厘米），因此操作者可以通過(guò)查看Item554 里Part4 的值得知高功率移相器的實(shí)際位置與設(shè)定位置的位置差值。

AO-8 電路板輸出直流電壓模擬信號(hào)（驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度信號(hào)）給電機(jī)驅(qū)動(dòng)區(qū)的UMD（直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)）電路板。UMD 電路板將接收到的直流電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅值為±26 V 脈沖電壓信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。該脈沖電壓信號(hào)具有固定的頻率，其極性代表了電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向，脈寬代表了驅(qū)動(dòng)速度，脈寬越寬，電機(jī)驅(qū)動(dòng)速度越大，脈寬越窄，電機(jī)驅(qū)動(dòng)速度越小。

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，與電機(jī)嚙合的電位器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)活塞位置，并將監(jiān)測(cè)值反饋到接收類的Item229，控制類的Item162 會(huì)實(shí)時(shí)比較設(shè)定值與監(jiān)測(cè)值，并將比較差值輸出到傳遞類的Item554，用于驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，直至活塞運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置后，Item162 輸出的比較差值為0，0代表無(wú)驅(qū)動(dòng)指令，此時(shí)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。

4 總結(jié)

綜上所述，醫(yī)科達(dá)加速器的控制軟件通過(guò)三類Item 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制各子系統(tǒng)的參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)。本文中控制軟件的工作原理和分析方法也適用于醫(yī)科達(dá)加速器其他各子系統(tǒng)的運(yùn)行控制。操作者可以通過(guò)控制軟件的相關(guān)Item 輸入用戶指令，修改校準(zhǔn)參數(shù)，查看機(jī)器參數(shù)和狀態(tài)。

操作者尤其是維修工程師和物理師在維修和校準(zhǔn)機(jī)器時(shí)[14]，常常需要用到很多相關(guān)的Item，因此熟練掌握控制軟件的工作原理，熟悉控制軟件里各類Item 和Part 用途，能有助于操作者在工作中快速準(zhǔn)確的通過(guò)控制軟件查看設(shè)備信息（如機(jī)器參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等）[15]，診斷問(wèn)題，解決故障，并避免操作錯(cuò)誤[16]。