醫科達Synergy醫用直線加速器控制軟件的工作原理與實際應用

楊晉，張燦，陳龍，江海

海軍安慶醫院 放射治療技術部，安徽 安慶 246001

引言

醫科達Synergy醫用直線加速器（以下稱醫科達加速器）為數字化醫用加速器，其具有快速治療、自動擺位、調強治療、影像驗證等功能，可開展常規放療、適形放療、靜態和動態調強放療、圖像引導調強放療等，廣泛應用于全身各個部位的惡性腫瘤放射治療[1-2]。

醫科達加速器之所以稱得上數字化，是因為其控制軟件包含七百多個Item，用于實時監測和控制各子系統的運行參數和狀態；操作者可以通過控制軟件里相關的Item 查看機器參數或輸入用戶指令；當機器出現故障時，控制軟件會根據實時監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 控制系統簡介

醫科達加速器的控制系統主要由控制柜和三個控制區組成，控制柜與控制區之間通過兩根1553 串行線連接并通訊[3]。控制柜里包含兩臺工業計算機：顯示處理器和控制處理器。圖1 所示為醫科達加速器控制系統結構示意圖。

圖1 醫科達加速器控制系統結構示意圖

顯示處理器里運行Integrity 應用程序，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器參數和故障報錯，還能通過顯示處理器的鼠標和鍵盤輸入用戶指令、修改校準參數。顯示處理器和控制處理器通過超五類網線（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，輸出相關控制指令到各控制區，相應的控制區將接收到的控制指令轉換成模擬信號或TTL 電平信號，并分配到相應的子系統，控制相應子系統的運行；控制處理器通過接收從各個控制區反饋來的各子系統的運行狀態信息（12 位數值的數字信號或TTL 數字信號），實時監測各子系統的運行狀態和參數，同時，控制處理器通過超五類線將監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器的運行狀態和參數。

每個控制區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的模擬信號和數字信號。控制區的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（數字信號）轉換成模擬信號或TTL電平信號，并分配到相應的子系統，控制各子系統的運行；將從子系統反饋回來的模擬信號轉換成12 位的數字信號，并傳送到控制處理器，告訴控制軟件機器的運行狀態和參數[4]。表1 所示為醫科達加速器三個控制區的名稱和位置。

表1 醫科達加速器控制區名稱和位置

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，用于實時監測和控制機器上某個硬件的運行狀態和參數。這些被實時監測和控制的硬件為各個子系統的繼電器、傳感器、開關、電位器、電源等，每個硬件有一個或多個Item 與之對應。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，來監測高功率移相器的位置信息。Item223（內循環水溫度）就是通過水溫傳感器反饋來的電壓值，來監測內循環水的溫度[5]。

控制軟件里的Item 分為三類：① 接收類Item，用于實時接收被監測的硬件信息；② 控制類Item，用于比較實際（監測到的）的有效值和設定的有效值，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的RTU 終端，從而驅動相應子系統運行。

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，用于接收、運算、傳輸Item 的各種信息。控制軟件里每個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到相應控制區RTU 內的AI-12（模擬信號輸入-12 位數值輸出）電路板。AI-12 電路板將接收到的模擬信號轉換為12 位數值的數字信號后，通過1553 串行線將數字信號傳輸給控制軟件里相應的接收類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 位數值，稱之為原始值。然而，Part111（原始值）的12 位數值沒有量綱，需要對其進行一系列的運算處理，轉換為操作者可以理解的采用SI 國際單位制的數值。在接收類Item 里，Part111（原始值）首先與Part10（偏移校準）相加生成Part 110（有效值）。Part110（有效值）有兩路輸出，一路輸出到相應的控制類Item，以作進一步的運算處理；另一路則乘以Part11（增益校準）并除以比例系數2048 后，生成Part4（實際值）。Part4 為采用SI 國際單位制的數值，代表的是被監測的硬件運行參數或狀態信息。操作者可以在維修模式(service mode)查看相關Item 的Part4 的值，從而知道機器的運行參數或狀態，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 被相應的控制類Item 的Part110 接收后，被傳輸到數值比較器。同時，數值比較器會接收P112（設定的有效值），并比較Part110（實際的有效值）與Part112（設定的有效值）的數值后，輸出比較的差值到相應的傳遞類Item。

圖4 控制類Item的原理圖

Part112 來自控制軟件里的校準參數數據庫CalBlock。每次做完校準并保存后，CalBlock 數據庫會自動更新并保存校準參數。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）并點擊確認后[8]，相關控制類Item 的Part1（設定值）會自動讀取數據庫CalBlock 里與之相對應的設定值。Part1 的值采用的是SI 國際單位制，需要乘以Part12（反比增益校準）并除以比例系數2048，轉換成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 傳輸來的數值，Part112 用于運動系統，如機架運動[9]；Part114 用于伺服系統，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)，轉換成8 位或12 位的原始值形式后，再傳輸到相應控制區RTU 終端的AO-8 或AO-12（8 位或12 位數值輸入-模擬信號輸出）電路板，AO-8 電路板用于驅動運動系統，AO-12 具有更高的精度，用于驅動伺服系統。AO8 或AO12 電路板把輸入的數值轉換成模擬信號，然后驅動相應的子系統運行到設定的狀態。值得注意的是，輸入到AO8 或AO12 電路板的數值必須在限值范圍內，否則Part15（動作掩碼）就會采取措施，讓機器或相應的子系統停止運行并報錯。

圖5 傳遞類Item的原理圖

輸入到AO-8 或AO-12 電路板的數值也會以反饋值的形式傳輸到該傳遞類Item 的Part111（原始值）里，然后經過一系列運算轉換為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的實際應用

本節將通過分析Item 和Part 在高功率移相器（HP Phase Shifter）運行過程中的實際應用，來具體說明控制軟件的工作原理。

圖6 為醫科達加速器高功率移相器的結構圖。高功率移相器由兩個矩形波導并聯而成，每個矩形波導里有一個短路活塞，活塞受電機驅動。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節短路活塞的位置，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的微波能量[10-11]。

圖6 高功率移相器（HP Phase Shifter）結構圖

圖7 所示為醫科達加速器高功率移相器的工作原理圖[12]。控制軟件通過實時監測和控制電機及活塞運動，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，與電機齒輪嚙合，輸出電壓與活塞位置成線性關系，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的AI-12 電路板上，AI-12 電路板上的A/D（模/數）轉換器將輸入的電壓值轉換位12 位數值，并將該12 位數值傳輸到控制軟件里接收類的Item229（高功率移相器位置）。Item229 的Part111 接收來自AI-12 電路板的12 位數值，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 位數值被轉換為Part110（有效值）和Part4（實際值）。Part4 的數值采用SI 國際單位制（厘米），操作者可以根據Part4 的值得知高功率移相器的實際位置。Part110 會被傳輸到控制類的Item162（高功率移相器控制），作進一步的運算處理。

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）后傳輸給AO-8 電路板，AO-8 電路板上的D/A（數字/模擬）轉換器會將接收的數值轉換為直流電壓模擬信號，該直流電壓模擬信號即驅動電機運動的速度信號，其幅值在-5 V～+5 V之間，電壓值的大小代表了電機速度的快慢，電壓的極性代表了電機運動方向。為了便于操作者觀察，Item554 輸出給AO-8 電路板的數值會被反饋到P111，并最終被轉換為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定位置的位置差值。

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

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

4 總結

綜上所述，醫科達加速器的控制軟件通過三類Item 實時監測和控制各子系統的參數和運行狀態。本文中控制軟件的工作原理和分析方法也適用于醫科達加速器其他各子系統的運行控制。操作者可以通過控制軟件的相關Item 輸入用戶指令，修改校準參數，查看機器參數和狀態。

操作者尤其是維修工程師和物理師在維修和校準機器時[14]，常常需要用到很多相關的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確的通過控制軟件查看設備信息（如機器參數、運行狀態、故障信息等）[15]，診斷問題，解決故障，并避免操作錯誤[16]。