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、自動擺位、調(diào)強(qiáng)治療、影像驗證等功能，可開展常規(guī)放療、適形放療、靜態(tài)和動態(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，是因為其控制軟件包含七百多個Item，用于實時監(jiān)測和控制各子系統(tǒng)的運行參數(shù)和狀態(tài)；操作者可以通過控制軟件里相關(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，控制軟件會根據(jù)實時監(jiān)測的信息自動診斷故障，并在顯示器上顯示錯誤代碼和故障信息。

1 控制系統(tǒng)簡介

醫(yī)科達(dá)加速器的控制系統(tǒng)主要由控制柜和三個控制區(qū)組成，控制柜與控制區(qū)之間通過兩根1553 串行線連接并通訊[3]?？刂乒窭锇瑑膳_工業(yè)計算機(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）,同時顯示處理器連接鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器。因此，操作者不僅可以通過顯示處理器的顯示器查看機(jī)器參數(shù)和故障報錯，還能通過顯示處理器的鼠標(biāo)和鍵盤輸入用戶指令、修改校準(zhǔn)參數(shù)。顯示處理器和控制處理器通過超五類網(wǎng)線（CAT-5e）通訊。

控制處理器里運行加速器控制軟件。顯示處理器獲得用戶指令后，通過超五類網(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)換成模擬信號或TTL 電平信號，并分配到相應(yīng)的子系統(tǒng)，控制相應(yīng)子系統(tǒng)的運行；控制處理器通過接收從各個控制區(qū)反饋來的各子系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息（12 位數(shù)值的數(shù)字信號或TTL 數(shù)字信號），實時監(jiān)測各子系統(tǒng)的運行狀態(tài)和參數(shù)，同時，控制處理器通過超五類線將監(jiān)測到的信息傳輸給顯示處理器，因此操作者可以通過顯示處理器查看機(jī)器的運行狀態(tài)和參數(shù)。

每個控制區(qū)由兩個獨立工作的終端組成，RTU-A 和RTU-B（RTU：Remote Terminal Unit），每個RTU 終端含有一組印刷電路板（PCB），用于接收和傳輸來自控制處理器和子系統(tǒng)的模擬信號和數(shù)字信號?？刂茀^(qū)的RTU 終端與控制處理器之間通過1553 總線串行連接，其作用是將來自于控制處理器的控制指令（數(shù)字信號）轉(zhuǎn)換成模擬信號或TTL電平信號，并分配到相應(yīng)的子系統(tǒng)，控制各子系統(tǒng)的運行；將從子系統(tǒng)反饋回來的模擬信號轉(zhuǎn)換成12 位的數(shù)字信號，并傳送到控制處理器，告訴控制軟件機(jī)器的運行狀態(tài)和參數(shù)[4]。表1 所示為醫(yī)科達(dá)加速器三個控制區(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Item。每個Item擁有一個唯一的數(shù)字編號和名稱，可被視為控制軟件里的一個子程序，用于實時監(jiān)測和控制機(jī)器上某個硬件的運行狀態(tài)和參數(shù)。這些被實時監(jiān)測和控制的硬件為各個子系統(tǒng)的繼電器、傳感器、開關(guān)、電位器、電源等，每個硬件有一個或多個Item 與之對應(yīng)。比如Item229（高功率移相器位置）就是通過電位器反饋來的電壓值，來監(jiān)測高功率移相器的位置信息。Item223（內(nèi)循環(huán)水溫度）就是通過水溫傳感器反饋來的電壓值，來監(jiān)測內(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，用于實時接收被監(jiān)測的硬件信息；② 控制類Item，用于比較實際（監(jiān)測到的）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)動相應(yīng)子系統(tǒng)運行。

2.2 控制軟件的Part

控制軟件里每個Item 包含有很多的Part，Part 可視作Item 的各項參數(shù)，用于接收、運算、傳輸Item 的各種信息?？刂栖浖锩總€Part 都有一個編號和名稱，在不同的Item里，具有相同編號的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編號來查看相關(guān)Item 的所有Part 及其取值[6]。

圖2 部分常用的項目成分

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)測硬件（如電位器、繼電器、傳感器等）輸出的模擬信號首先被傳輸?shù)较鄳?yīng)控制區(qū)RTU 內(nèi)的AI-12（模擬信號輸入-12 位數(shù)值輸出）電路板。AI-12 電路板將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換為12 位數(shù)值的數(shù)字信號后，通過1553 串行線將數(shù)字信號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)值沒有量綱，需要對其進(jìn)行一系列的運算處理，轉(zhuǎn)換為操作者可以理解的采用SI 國際單位制的數(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（實際值）。Part4 為采用SI 國際單位制的數(shù)值，代表的是被監(jiān)測的硬件運行參數(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)器的運行參數(shù)或狀態(tài)，如運動部件的位置信息[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，數(shù)值比較器會接收P112（設(shè)定的有效值），并比較Part110（實際的有效值）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 來自控制軟件里的校準(zhǔn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫CalBlock。每次做完校準(zhǔn)并保存后，CalBlock 數(shù)據(jù)庫會自動更新并保存校準(zhǔn)參數(shù)。操作者每次通過顯示處理器輸入出束指令（如能量、劑量率等）并點擊確認(rèn)后[8]，相關(guān)控制類Item 的Part1（設(shè)定值）會自動讀取數(shù)據(jù)庫CalBlock 里與之相對應(yīng)的設(shè)定值。Part1 的值采用的是SI 國際單位制，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 傳輸來的數(shù)值，Part112 用于運動系統(tǒng)，如機(jī)架運動[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-模擬信號輸出）電路板，AO-8 電路板用于驅(qū)動運動系統(tǒng)，AO-12 具有更高的精度，用于驅(qū)動伺服系統(tǒng)。AO8 或AO12 電路板把輸入的數(shù)值轉(zhuǎn)換成模擬信號，然后驅(qū)動相應(yīng)的子系統(tǒng)運行到設(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（動作掩碼）就會采取措施，讓機(jī)器或相應(yīng)的子系統(tǒng)停止運行并報錯。

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)過一系列運算轉(zhuǎn)換為Part4（實際值）。傳遞類Item 里Part4的值為比較差值的實際值，也采用SI 國際單位制，但與接收類Item 的Part4 意義不同。

3 控制軟件Item和Part的實際應(yīng)用

本節(jié)將通過分析Item 和Part 在高功率移相器（HP Phase Shifter）運行過程中的實際應(yīng)用，來具體說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矩形波導(dǎo)并聯(lián)而成，每個矩形波導(dǎo)里有一個短路活塞，活塞受電機(jī)驅(qū)動。高功率移相器的輸入端接收來自加速管末端的剩余微波功率，通過控制軟件控制電機(jī)運動，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^實時監(jiān)測和控制電機(jī)及活塞運動，實時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動裝置上，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時的位置信息。在Item229 里，Part111 的12 位數(shù)值被轉(zhuǎn)換為Part110（有效值）和Part4（實際值）。Part4 的數(shù)值采用SI 國際單位制（厘米），操作者可以根據(jù)Part4 的值得知高功率移相器的實際位置。Part110 會被傳輸?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)換器會將接收的數(shù)值轉(zhuǎn)換為直流電壓模擬信號，該直流電壓模擬信號即驅(qū)動電機(jī)運動的速度信號，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)運動方向。為了便于操作者觀察，Item554 輸出給AO-8 電路板的數(shù)值會被反饋到P111，并最終被轉(zhuǎn)換為Part4（實際值），Part4 的值采用國際單位制（厘米），因此操作者可以通過查看Item554 里Part4 的值得知高功率移相器的實際位置與設(shè)定位置的位置差值。

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

在電機(jī)驅(qū)動活塞運動的同時，與電機(jī)嚙合的電位器實時監(jiān)測活塞位置，并將監(jiān)測值反饋到接收類的Item229，控制類的Item162 會實時比較設(shè)定值與監(jiān)測值，并將比較差值輸出到傳遞類的Item554，用于驅(qū)動運動機(jī)構(gòu)運動，直至活塞運動到設(shè)定位置后，Item162 輸出的比較差值為0，0代表無驅(qū)動指令，此時電機(jī)停止運動。

4 總結(jié)

綜上所述，醫(yī)科達(dá)加速器的控制軟件通過三類Item 實時監(jiān)測和控制各子系統(tǒng)的參數(shù)和運行狀態(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)的運行控制。操作者可以通過控制軟件的相關(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[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)確的通過控制軟件查看設(shè)備信息（如機(jī)器參數(shù)、運行狀態(tài)、故障信息等）[15]，診斷問題，解決故障，并避免操作錯誤[16]。