醫用直線加速器三維電子傾角儀的設計與研制

袁夏冰 錢三楊 金 燕 姚金紅*

放射治療是目前腫瘤治療重要方法之一，精確度是放射治療療效的一個關鍵因素，因此放射治療對治療設備的精確度要求非常高，需要定期對設備進行質量控制檢測，其中加速器床板、機架、準直器角度的測量與驗證，以及質量控制設備二維水箱、三維水箱和固體水模體測量之前的水平調節等都需要用到角度測量儀[1]。水箱是應用于直線加速器各項參數調試和驗收的重要工具，在測量過程中水箱需保持足夠水平，從而保證測量參數的準確性[2]。

目前，質量控制中配備的大都是水泡型水平儀或直條狀或框式的一維或二維水平儀[3-4]。然而，這些設備無法滿足質量控制過程中多種應用的要求，在質量控制實施過程中都存在明顯不足。在利用水平儀調節水箱至水平時，由于水箱邊緣較窄，直條狀或框式的水平儀不易放置，容易掉落，造成設備及人員的損傷；而在測量機架和準直器角度時，需要不斷變換水平儀放置位置才能得到所有傾角數據，比較繁瑣,由于需要在不同的角度讀取數據，常規水平儀讀取數據不方便，無法保存測量結果，尤其是氣泡型水平儀，還容易產生讀數誤差。目前的類似傾角儀產品均不能滿足放射治療質量控制的需求。為此，本研究自主發明設計的三維電子傾角儀專門應用于放射治療質量控制傾角的測量，包括水箱水平測量以及機架各角度的測量，以替代老式氣泡水平儀[5]。

1 三維電子傾角儀系統設計

三維電子傾角儀有水箱輔助固定三腳架模塊、傾角測量模塊和觸控顯示三個模塊組成(如圖1所示)。

圖1 直線加速器三維電子傾角儀模型示圖

1.1 水箱輔助固定三腳架模塊

水箱輔助固定三腳架模塊是專為調節水箱至水平位置所設計，由于水箱邊緣較窄，直條狀或框式的水平儀不易放置，容易掉落，造成設備及人員的損傷。水箱輔助固定模塊下面采用凹槽設計可卡在水箱邊緣防止掉落，上面為三角形平面，上面邊緣采用凸出設計，便于水平儀擺放時對齊，在測量水箱是否水平時，水箱輔助固定三腳架模塊是直接放在水箱水平面上。

1.2 傾角測量模塊

傾角測量模塊外殼具有磁性，測量時直接放在固定三腳架模塊上或者被測物體上。傾角測量模塊的底板采用中凹設計，減小被測平面不平整對測量結果的影響。磁鐵嵌入底板凹槽內，可方便的將水平儀吸附于待測物體表面。

1.3 觸控顯示模塊

觸控顯示模塊也具有磁性，測量時可以放在傾角測量模塊上顯示數據，也可以和傾角測量模塊分開，如在測量機架各角度時，由于機架較高，若測量模塊和觸控顯示模塊接插在一起，讀數就很不方便，此時就可以把觸控顯示模塊與傾角測量模塊分離，使用者可以拿在手上讀取測量數據，非常便捷方便。

1.4 系統工作原理

傾角測量模塊和觸控顯示模塊通過藍牙模塊自動進行無線傳輸匹配。傾角電路板上的雙軸傾角傳感器將傾角信息傳送給電路板微處理器，經過數據處理后，再通過電路板上的無線發射電路將帶有傾角數據的信息傳輸到觸控顯示模塊上，觸控顯示模塊通過無線接收電路接收數據并顯示在屏幕上。傾角測量模塊和觸控顯示模塊內所有電路均有各自模塊內的鋰電池進行供電，并通過各自的電路進行充電。通過液晶觸控屏可實現傾角儀的自動校零，凍結測量結果，記錄測量結果，恢復出廠設置操作。傾角測量模塊和觸控顯示模塊的系統工作原理如圖2所示。

圖2 傾角測量模塊和觸控顯示模塊系統工作原理圖

2 三維電子傾角儀硬件與軟件設計

2.1 傾角測量模塊硬件設計

傾角測量模塊主要包含底板、磁鐵、頂蓋、單片機模塊、傳感器模塊、電源模塊、通訊模塊及電源開關等。

2.1.1 傳感器模塊

傾角測量模塊中傳感器的精度直接影響到最后的測量結果。傳感器選用的是“亞德諾(Analog Devices,Inc.ADI)公司推出的三軸(X軸、Y軸和Z軸)數字加速度計ADXL345，其具有在16g下高分辨率(13 Bit)測量能力，同時具備16Bit數字輸出，高達4 mg/LSB的靈敏度[6]。ADXL345是一款小而薄的超低功耗三軸傳感器，可通過內部集成電路(inter-integrated circuit，IIC)，總線和串行外圍設備接口(serial peripheral interface，SPI)方式進行數據傳輸，非常適合移動設備應用，能夠檢測到＜0.25°的傾斜角度變化，其電路原理如圖3所示。

圖3 傳感器電路原理圖

ADXL345傳感器能直接測出X軸、Y軸和Z軸上的加速度，通過公式換算出3個軸上的角度，假設Ax、Ay和Az分別是X軸、Y軸和Z軸的加速度值，θ、θ和θ分別是X軸、Y軸和Z軸的角度值，也就是最后顯示在液晶屏幕上的值，其轉換計算為公式1、公式2和公式3：

2.1.2 單片機模塊

傾角測量模塊的單片機讀取ADXL345傳感器測量得到的傾角數據，單片機選用的是意法半導體(ST)公司推出的基于ARM Cortex-M3內核為微控制器單元(micro controller unit，MCU)產品STM32F103T8U6，其優點有豐富的外設、低功率集成度高、優異的時鐘性能以及價格低廉等。其包含有通用同步異步收發器(universal synchronous asynchronous receiver and transmitter，USART)、通用串行總線(universal serial bus，USB)及SPI等總線接口，兼有直接存儲器存取(direct memory access，DMA)功能，較適合做微型控制系統[7]。本研究采用單片機的SPI接口與ADXL345傳感器進行數據傳輸。SPI是串行外設接口，優點有支持全雙工通訊、操作簡單和數據傳輸數率較高等[8]。單片機下載編譯程序均通過j-link端口實現，其電路原理如圖4所示。

圖4 單片機電路原理圖

2.1.3 通訊模塊

傾角測量模塊中主控單片機把數據傳輸到通訊模塊上，通訊模塊有兩種數據傳輸模式：①通過藍牙通訊方式把數據傳給觸控顯示模塊，藍牙模塊采用主從結構模式，傾角測量模塊上有主藍牙模塊，觸控顯示模塊上有從模塊，最后在液晶顯示屏上顯示，藍牙采用4.0技術傳輸數據，數據傳輸快，完全滿足需求；②通過USB通訊方式直接把數據傳輸到機房外的PC機上，以便質量控制人員查看和存儲數據。

2.1.4 電源模塊

傾角測量模塊采用5 V電壓直流輸入，再經過tp4056充電管理電路給鋰電池充電，之后再通過XM5062電壓轉換電路把3.7 V直流電壓轉換成3.3 V直流電壓，最后給單片機模塊、傳感器模塊和藍牙模塊供電，其電源模塊原理如圖5所示。

圖5 電源模塊原理圖

充電管理電路tp4056是一款完整的恒定電流/恒定電壓的單節鋰離子電池線性充電器，其內部采用PMOSFET架構，并且有防倒沖電路，外部不需要再添加隔離二極管，充電電流可通過電阻器自動設置，充電電壓固定在4.2 V，當電流達到一定值時tp4056會自動終止充電循環，并且其內部集成有電池溫度監測電路，防止溫度的過低或過高造成對電池的損害[9]。選用tp4056充電電路對鋰電池充電具有安全性高、集成度高和成本低等優點。鋰電池電壓輸出為直流3.7 V，需要再次降壓成直流3.3 V給單片機模塊、傳感器模塊和藍牙模塊供電。本研究選用XM5062芯片進行降壓轉換，XM5062是一款具有固定工作頻率的電流模式控制的同步降壓轉換芯片，其工作電流只有130 μA，而當其關機時只消耗1 μA。XM5062非常適合應用在小尺寸電路板，器件具有內置的開關，不需要外部的續流二極管。

2.2 觸控顯示模塊硬件電路設計

觸控顯示模塊主要包含磁鐵、無線接收電路、單片機模塊、液晶觸控屏、電源模塊以及電源開關等。

觸控顯示模塊的單片機選用的是美國ATMEL公司生產的AT89C51單片機，是一種高性能、低功耗、帶4KFlashMemory的8位金屬氧化物半導體(complementary metal-Oxide semiconductor，CMOS)單片微型計算機芯片[10]。AT89C51具有速度快、實時性好、可靠性高、系統掉電后重要數據和狀態信息不會丟失等優點，其性能價格比遠高于同類芯片。觸控顯示模塊上的無線藍牙接收模塊接收到了無線藍牙發送過來的數據，再將數據傳送給AT89C51單片機，傾角數據信息在LCD12864液晶屏上顯示。

液晶顯示屏選用的是LCD12864，其具有2線或3線串行、4位或8位并行等多種接口方式，顯示分辨率為128×64，其指令操作方便，接口方式簡單，并且具有低電壓、低功耗和低成本等優點[11]。液晶屏上會顯示X軸、Y軸和Z軸三軸傾角數據，通過這3個數據臨床工作人員就可以非常方便且準確的判斷水箱是否水平，床板、機架和準直器的角度。

觸控顯示模塊的電源也是采用鋰電池供電，鋰電池的輸出電壓為3.7 V，而AT89C51單片機和LCD12864液晶顯示屏的工作電壓都是5 V，因此選用PS3120A芯片把3.7 V電壓升到5 V給單片機和液晶顯示屏供電。PS3120A芯片的升壓電路很簡單，無需電感，外圍只需要三個電容，操作簡單，性價比高。

2.3 三維電子傾角儀軟件設計

三維電子傾角儀的軟件是采用C語言[12]進行編寫，系統上電之后傾角測量模塊中的主控單片機STM32F103T8U6先進行初始化，然后通過SPI接口與傳感器ADXL345建立連接通信，主控單片機直接讀取傳感器測得的數據，之后轉換成X軸、Y軸和Z軸傾角數據，由兩種方式傳輸傾角數據：①通過無線藍牙模塊發送傾角數據，將傾角數據發送到觸控顯示模塊中的單片機AT89C51中，最后通過單片機AT89C51控制液晶屏顯示傾角數據；②通過USB接口將傾角數據直接發送到PC機上，臨床使用人員可以在PC機上直觀的看到傾角數據，其系統軟件流程如圖6所示。

圖6 系統軟件流程圖

3 三維電子傾角儀測試結果

將三維電子傾角儀放在已知精確傾斜角度的斜面上進行測試，測量角度分別有0°、30°、45°、60°和90°，不同傾斜角度各測量5次，重復的數據只記錄一次，并計算出每組數據的絕對誤差、相對誤差和最大誤差。此測量儀可以測0°～90°的任意角度，能夠測量不足0.25°的傾角變化，分辨率較高，相對誤差范圍＜±0.5%，相對誤差較小。相比老式氣泡儀只能用肉眼觀測，無實際數值，精確度明顯提高，避免了人為因素造成的誤差，其測試結果見表1。

4 討論

傳統的傾角測量工具往往是氣泡式水平儀或者指針式，這類工具需要操作人員估讀數值，再加上測量工具本身精度不夠高，容易造成測量結果偏差較大。目前，一維或二維數字測角儀的原理多采用搖擺式測量原理，且價格昂貴，響應速度慢，測量結果容易受溫度影響等[13]。

本研究設計的三維電子傾角儀采用加速度傳感器[14]獲取數據，專門為放射治療質量控制測量過程而設計，可以實時顯示X軸、Y軸和Z軸3個方向的傾角數據，數據可保存，為放射治療質量控制傾角測量提供有效解決方案，更好的做好質量控制工作，方便工作人員使用。

表1 測試結果數據

傾角測量儀具備以下優點：①通過水箱輔助固定模塊與測量水箱固定，避免水平儀的掉落；②傾角測量模塊和觸控顯示模塊采用可拆分設計，便于觀察和讀數；③三維電子傾角儀可同時顯示X軸、Y軸和Z軸3個方向的傾角數據，并且自動校零，減少測量誤差；④三維電子傾角儀可記錄多次測量結果，便于記錄和回顧；⑤液晶觸控屏設計，操作更簡單、直觀；⑥采用可充電鋰電池設計，減少電池更換，保護環境；⑦響應速度快，固定和攜帶方便，操作簡單，安全性高，讀數可視化程度高。

5 結語

三維電子傾角儀能夠提高直線加速器質量控制和校驗過程中測量角度的精確度和穩定性，在測量水箱是否水平時將固定三腳架模塊放在水箱的水平面上，將傾角測量儀放在固定三腳架上，可方便地取到測量數據，并可判斷水箱是否水平。傾角測量儀的測量模塊和顯示模塊可分開放置，并在機房的任何地方讀取數據。在測量加速器床板、機架及準直器角度時，將傾角測量模塊放在被測物體上，手持觸控顯示模塊，可方便地讀取數據，且操作簡單方便，數據精確無誤差。同時，也可以在機房外的PC機上查看傾角數據，并可以保存和查看歷史數據。三維電子傾角儀的設計給臨床帶來了極大的方便，對直線加速器的質量控制和數據驗證均具有重要意義，保證了數據的準確性和穩定性。