張 亮，陳家國(guó)

BJ-6B型醫(yī)用直線(xiàn)加速器手控盒研究與設(shè)計(jì)

張 亮，陳家國(guó)

目的：設(shè)計(jì)用于在BJ-6B型醫(yī)用直線(xiàn)加速器機(jī)房控制各運(yùn)動(dòng)部位的手控盒，亦可用于后期設(shè)計(jì)的在控制室即可控制加速器各運(yùn)動(dòng)部位的運(yùn)動(dòng)控制轉(zhuǎn)換器上。方法：以AT89S52單片機(jī)為核心進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，用按鍵實(shí)現(xiàn)各種操作。采用SolidWorks三維建模軟件設(shè)計(jì)外殼，用AutoCAD設(shè)計(jì)按鍵膜。結(jié)果：設(shè)計(jì)制作的手控盒實(shí)現(xiàn)了原手控盒的所有功能，在BJ-6B型醫(yī)用直線(xiàn)加速器上得到了成功應(yīng)用，可與設(shè)備無(wú)損連接，工作穩(wěn)定可靠。結(jié)論：該手控盒不僅簡(jiǎn)化了原手控盒的電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且使操作更為簡(jiǎn)單，完全能夠滿(mǎn)足使用要求。

直線(xiàn)加速器；手控盒；單片機(jī)

0 引言

醫(yī)用直線(xiàn)加速器是一種為放射治療提供符合臨床治療要求的X線(xiàn)或電子束輻射的醫(yī)用治療裝置，是除手術(shù)治療、化療之外的第3種治療腫瘤的有效手段，按輸出能量高低一般分為低能、中能和高能3種類(lèi)型。我院使用的是BJ-6B型醫(yī)用電子直線(xiàn)加速器，能量為6 MV，屬于低能加速器，它主要由機(jī)械系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、高壓產(chǎn)生及輻射系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等組成[1-2]。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要作用是完成患者擺位操作和照射啟動(dòng)及停止，在治療患者時(shí)，需要根據(jù)腫瘤位置對(duì)加速器的機(jī)架、機(jī)頭、光闌、治療床等各運(yùn)動(dòng)部位進(jìn)行精確調(diào)整，而各運(yùn)動(dòng)部位的操作都必須通過(guò)手控盒來(lái)完成。除此之外，光野、激光、光尺等功能也必須通過(guò)手控盒來(lái)打開(kāi)與關(guān)閉。因此手控盒使用率非常高，易發(fā)生故障，而一個(gè)手控盒廠家報(bào)價(jià)都在2萬(wàn)元左右，并且設(shè)計(jì)上還存在一些不合理的地方，因此本著節(jié)約成本的目的，本文自行研制了一款手控盒，現(xiàn)介紹如下。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

手控盒控制運(yùn)動(dòng)部位原理如圖1所示。

圖1 手控盒運(yùn)動(dòng)控制原理方框圖

手控盒主要輸出3種類(lèi)型的信號(hào)：數(shù)字編碼信號(hào)，模擬信號(hào)，運(yùn)動(dòng)使能以及光野、激光和光尺等開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。

數(shù)字編碼信號(hào)用于選擇要控制的運(yùn)動(dòng)部位，由4位二進(jìn)制信號(hào)組成，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)不同的編碼值確定相應(yīng)運(yùn)動(dòng)部位。運(yùn)動(dòng)部位對(duì)應(yīng)數(shù)字編碼表見(jiàn)表1。

模擬信號(hào)用于控制運(yùn)動(dòng)速度和方向，信號(hào)電壓為-10～+10 V。電壓值大于零時(shí)正向運(yùn)動(dòng)，電壓值小于零時(shí)反向運(yùn)動(dòng)，電壓值等于零時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。而運(yùn)動(dòng)速度的快慢取決于電壓值的絕對(duì)值，絕對(duì)值大運(yùn)動(dòng)速度快，反之則運(yùn)動(dòng)速度慢。

運(yùn)動(dòng)使能信號(hào)用于防止零位電壓漂移造成運(yùn)動(dòng)部位誤動(dòng)作，當(dāng)使能信號(hào)斷開(kāi)時(shí)，即使模擬信號(hào)不為零運(yùn)動(dòng)部位也不會(huì)進(jìn)行任何動(dòng)作，以免使定位產(chǎn)生偏差或?qū)颊咴斐蓚Α?/p>

表1 運(yùn)動(dòng)部位對(duì)應(yīng)數(shù)字編碼表

光野、激光和光尺的控制較為簡(jiǎn)單，不需要任何中間電路，需要打開(kāi)時(shí)，給一個(gè)低電平即可。

手控盒通過(guò)一根兩頭均為16芯費(fèi)舍連接器的電纜和加速器連接，接口輸入輸出信號(hào)如圖2所示。

圖2 接口輸入與輸出信號(hào)

2 電路設(shè)計(jì)與制作

2.1 微控制器電路

經(jīng)分析可知，要實(shí)現(xiàn)手控盒的功能，不必知道原手控盒內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方法，只要使輸入輸出信號(hào)滿(mǎn)足要求即可，而采用AT89S52單片機(jī)能夠很容易地實(shí)現(xiàn)上述功能。AT89S52單片機(jī)電路原理如圖3所示。

本文采用上電復(fù)位電路，電路由10 kΩ電阻R1和10 μF電容C1組成，在剛接通電源時(shí)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。振蕩源頻率為12MHz的晶振，P0.0～P0.5為獨(dú)立按鍵的輸入端口，P1.0～P1.5用于驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，P2.0～P2.3用于輸出二進(jìn)制運(yùn)動(dòng)部位編碼信號(hào)[3-4]。

圖3 AT89S52單片機(jī)電路原理圖

2.2 運(yùn)動(dòng)部位選擇及指示電路

運(yùn)動(dòng)部位選擇按鍵及指示電路如圖4所示。由于AT89S52單片機(jī)的P0口為漏極開(kāi)路輸出，所以需要加上拉電阻（RS0～RS5均為10 kΩ電阻），當(dāng)按鍵斷開(kāi)時(shí)輸入為5 V即高電平，當(dāng)按鍵按下時(shí)輸入為0 V即低電平[3-4]。由于本設(shè)計(jì)程序較簡(jiǎn)單，對(duì)單片機(jī)運(yùn)算速度和資源占用要求不高，所以按鍵采用軟件查詢(xún)方式。當(dāng)單片機(jī)查詢(xún)到某個(gè)部位選擇按鍵（如S0）為低電平時(shí)，就認(rèn)為選擇了此部位，單片機(jī)將相應(yīng)的端口（此時(shí)為P1.0）設(shè)為低電平，點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管（此時(shí)為圖4中的DK0），并且P2口的P2.0～P2.3（即PA、PB、PC、PD）輸出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)部位選擇編碼[5]。每個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間是互斥的，即任意時(shí)刻有且僅有一個(gè)運(yùn)動(dòng)部位處于選中狀態(tài)，也只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)部位選擇指示燈被點(diǎn)亮。當(dāng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)部位操作時(shí)，就可以根據(jù)指示燈判斷出目前哪個(gè)運(yùn)動(dòng)部位處于選中狀態(tài)。

2.3 運(yùn)動(dòng)及燈光控制電路

如圖5所示，正反運(yùn)動(dòng)（S_ADD1、S_ADD2、S_SUB1、S_SUB2）、使能（S_ENABLE）、光野（SF）、光尺（SR）、激光（SL）等按鍵電路與運(yùn)動(dòng)選擇按鍵電路是相對(duì)獨(dú)立的，它們不受單片機(jī)控制，而是直接把信號(hào)輸入到下一級(jí)電路，即位于治療床后部的E3-AP2板[6]，至于E3-AP2板如何處理這些信號(hào)暫不考慮。

圖4 運(yùn)動(dòng)部位選擇按鍵及指示電路圖

每個(gè)運(yùn)動(dòng)部位選擇狀態(tài)都控制著2個(gè)具體的運(yùn)動(dòng)部件，例如機(jī)架和機(jī)頭、床橫向和床縱向、床升降和床公轉(zhuǎn)、X光闌和Y光闌等，因此設(shè)置了4個(gè)運(yùn)動(dòng)按鍵。當(dāng)選擇部位為機(jī)架和機(jī)頭時(shí)，S_ADD1和S_SUB1控制機(jī)架正反轉(zhuǎn)，S_ADD2和S_SUB2控制機(jī)頭正反轉(zhuǎn)，其他部位也是如此[7-9]。廠家提供的手控盒正反運(yùn)動(dòng)采用的是撥輪電位器，通過(guò)擺動(dòng)幅度控制運(yùn)動(dòng)速度，但使用時(shí)并不能起到很好的效果，這就是本設(shè)計(jì)采用按鍵的原因?！?0 V的電壓分別接到電位器RP1和RP2兩端，用于調(diào)節(jié)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電壓信號(hào)，2個(gè)電壓分別為+1.8和-1.8 V。運(yùn)動(dòng)按鍵輸出端分別接100 kΩ電阻，這是為了保證在按鍵松開(kāi)時(shí)，運(yùn)動(dòng)輸入信號(hào)為零，防止在使能按下或失效時(shí)誤動(dòng)作。

圖5 運(yùn)動(dòng)、使能、光野、光尺、激光按鍵電路圖

3 控制程序設(shè)計(jì)

控制程序主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部位的選擇，即部位選擇按鍵查詢(xún)、部位選擇狀態(tài)指示、部位編碼信號(hào)輸出。程序框圖如圖6所示。

圖6 控制程序流程圖

按鍵查詢(xún)采用軟件輪詢(xún)方式實(shí)現(xiàn)，程序初始化后就進(jìn)入到while死循環(huán)，即給定的循環(huán)條件始終為1。每次循環(huán)都對(duì)P0.0～P0.5引腳的電平狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到P0.0～P0.5任一位有低電平時(shí)，延遲10ms消除按鍵抖動(dòng)后，再進(jìn)行一次檢測(cè)，如果低電平仍然存在，則認(rèn)為有按鍵被按下，判斷P0.0～P0.5中哪一位產(chǎn)生了低電平。如果P0.0為低電平，微控制器即認(rèn)為S0被按下，就置輸出端口P1為××111110，點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的功能指示燈，并置輸出端口P2為××××0000，即PA、PB、PC、PD輸出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)部位選擇編碼。如果P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5為低電平，即對(duì)應(yīng)的S1、S2、S3、S4、S5鍵被按下，則P1、P2端口分別輸出相應(yīng)的值，點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的指示燈和告訴加速器控制計(jì)算機(jī)選擇的運(yùn)動(dòng)部位。隨即進(jìn)入下一次循環(huán)，等待下一個(gè)運(yùn)動(dòng)部位按鍵被按下。

4 外殼及按鍵膜設(shè)計(jì)

外殼采用SolidWorks三維建模軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，而按鍵膜采用AutoCAD二維制圖軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)效果如圖7所示。

手控盒外殼分為上半部分、下半部分及掛耳3個(gè)部分。按鍵膜的按鍵與指示燈按尺寸及位置和外殼一一對(duì)應(yīng)，標(biāo)號(hào)為“+”和“-”的為運(yùn)動(dòng)按鍵，大圓為按鍵，小圓為部位選擇指示燈，手控盒側(cè)面的正方形孔槽用于安裝使能開(kāi)關(guān)。

圖7 手控盒外殼圖

5 結(jié)語(yǔ)

手控盒是BJ-6B型醫(yī)用直線(xiàn)加速器上使用率最高的部件，故障率較高，且購(gòu)置費(fèi)用昂貴。本文基于AT89S52單片機(jī)所設(shè)計(jì)的手控盒已成功應(yīng)用于我院的BJ-6B型醫(yī)用直線(xiàn)加速器上，其不僅故障率低，而且操作簡(jiǎn)單，至今運(yùn)行狀況良好，受到了放療科工作人員的一致好評(píng)。本設(shè)計(jì)不僅為醫(yī)院節(jié)約了可觀的費(fèi)用，也提高了醫(yī)院相關(guān)技術(shù)人員的技術(shù)水平。另外，將該手控盒配合我們?cè)O(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制轉(zhuǎn)換器，放療科工作人員不用每次擺位都到治療室，在控制室即可對(duì)加速器各運(yùn)動(dòng)部位進(jìn)行操作，大大減輕了放療科工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

[1]顧本廣.醫(yī)用加速器[M].北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

[2]楊紹洲.醫(yī)用電子直線(xiàn)加速器[M].北京：人民軍醫(yī)出版社，2004.

[3]余錫存.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[4]劉建清.51單片機(jī)C語(yǔ)言非常入門(mén)與視頻演練[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[5]謝龍漢.Altium Designer原理圖與PCB設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[6]醫(yī)科達(dá)北研醫(yī)療器械有限公司.BJ-6B型醫(yī)用電子直線(xiàn)加速器電路圖集[M].北京：醫(yī)科達(dá)北研醫(yī)療器械有限公司，2007：124-131. [7]譚亞軍.Varian Trilogy直線(xiàn)加速器聯(lián)鎖故障維修1例[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（7）：148.

[8]張亮.BJ-6B型醫(yī)用駐波電子直線(xiàn)加速器故障兩例[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2010，25（2）：98.

[9]楊敬渠，李慶剛.醫(yī)科達(dá)VMAT直線(xiàn)加速器故障維修[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（9）：134，136.

（收稿：2015-05-17 修回：2015-09-02）

Design of hand-control box for BJ-6B medical linear accelerator

ZHANG Liang1,CHEN Jia-guo2
（1.Equipment Department,General Hospital of Yima Coal Industry Group Co.,Ltd.,Yima 472300,Henan Province, China;2.Equipment Department,People's Hospital of Xiajin,Dezhou 253200,Shandong Province,China）

Objective To design a hand-control box used in BJ-6B medical linear accelerator room to manipulate the motion parts,which can also be integrated into a motion control converter.Methods AT89S52 SCM was used as the core unit for circuit design,with key-press operation realized.The shell and key protection film were designed respectively with SolidWorks 3D modeling software and AutoCAD.Results The hand-control box was gifted with the functions of the original one,which was applied to BJ-6B medical linear accelerator with high stability and reliability.Conclusion The hand-control box has the circuit,mechanical structure and operation simplified,and can meet the desired requirements. [Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（12）：49-51]

linear accelerator;hand-control box;SCM

R318.6；TH774

A

1003-8868（2015）12-0049-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.12.049

張 亮（1982—），男，助理工程師，主要從事醫(yī)療器械維修、研究與設(shè)計(jì)工作，E-mail：zwl_l@126.com。

472300河南義馬，義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司總醫(yī)院（張亮）；253200山東德州，山東省德州市夏津縣人民醫(yī)院（陳家國(guó)）