可編程控制器技術在醫療設備領域中的應用

王琪

上海中醫藥大學附屬上海市中西醫結合醫院醫學裝備處 （上海 200082）

可編程控制器（programmable logic controller，PLC）是 一種以微處理器為核心的新型數字運算操作電子系統，其采用可編程序的存儲器，利用內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時/計數和算術運算等操作指令，并通過數字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械設備或生產過程[1]。如果控制需求改變，只需要修改存儲器內的相關程序即可改變電氣系統的控制要求。PLC技術在醫療設備領域中廣泛應用，本研究通過3個案例敘述PLC在醫療設備中的應用，以供同行參考。

1 PLC技術的主要功能

PLC技術主要有開關量的邏輯控制、模擬量控制、運動控制、過程控制、通信控制與數據處理5大功能[2]。其中開關量的邏輯控制功能實現了邏輯控制和順序控制，擯棄了傳統龐大結構的繼電器電路，實現了電路的小型化、集成化設計。模擬量控制功能通過模數轉換A/D模塊和數模轉換D/A模塊實現對溫度、流量、壓力等模擬量的控制[3]。運動控制功能是通過位置控制模塊控制驅動電機或伺服電機的單軸或多軸實現直線運動或圓周運動。過程控制功能是對上述模擬量的閉環控制。通信與數據處理功能可實現相關的操作、運算、傳輸和聯網等。

2 PLC 技術在醫療設備領域中的應用

2.1 在醫院手術室凈化系統中的應用

根據2014年6月1日起實施的《醫院潔凈手術部建筑技術規范》（GB50333-2013）以及醫院院感與質控要求，不同類型的臨床手術需在相應的手術室內進行。臨床手術對手術室的潔凈度、正負壓、溫濕度等有特殊要求。來自室外的新風與來自潔凈室內的回風混合后，通過初、中效過濾器過濾，再分別通過表冷段、加熱段進行恒溫除濕處理，依次經過中效過濾器過濾、加濕段加濕后進入送風管道；通過送風管道上的消聲器降噪處理后送入管道最末端的高效過濾器，然后進入手術室天花板；手術室設有排風口，由排風口排出室外，其余通過回風口及回風管道與新風混合進入初效過濾器前。如此循環。

上述循環中，PLC是整個自動控制系統的核心，其通過檢測手術室內的溫濕度來控制空調機組中表冷器、電加熱器、電加濕器等相關設備的工作狀態；通過檢測潔凈度來控制各級過濾裝置以及風機變頻器進行空氣過濾；PLC將監測到的參數值與設定值進行比較并做出判斷，驅動被控對象執行相應操作，使監測參數符合系統設定要求。

2.2 在過氧化氫等離子體滅菌器設備中的應用

過氧化氫等離子體滅菌器的工作原理是使用過氧化氫作為滅菌劑，通過PLC進行電氣控制，在低溫環境下，將滅菌劑按規定量注入到載有需消毒醫療器械的真空室內[4]。滅菌劑在真空室內被汽化并擴散，然后被“激發”成等離子態，從而對醫療器械進行滅菌。在該滅菌過程中，PLC是核心技術，如圖1所示。PLC根據消毒規范要求及流程，按照設定程序控制各部分部件工作，并進行實時檢測、反饋。

2.3 在高強度聚焦超聲腫瘤治療系統中的應用

高強度聚焦超聲腫瘤治療系統（high-intensity focused ultrasound，HIFU），又叫聚焦超聲腫瘤消融機，其是醫院常見的大型設備，用于四肢及軀干的骨和軟組織腫瘤、乳腺腫瘤、肝臟腫瘤（肝臟減少移動及無肋骨障礙）患者的治療。該設備的治療源為超聲波，工作原理是利用超聲波的熱效應、空化效應和器械效應將超聲波聚焦在一個靶區內，使靶區內的腫瘤細胞產生瞬態高溫（60 ℃以上），進而殺死靶區內的腫瘤細胞[5]。

圖1 過氧化氫等離子體滅菌器PLC控制

使用HIFU治療必須要有足夠的超聲通道，且機載超聲可測出靶區情況。HIFU是一種不需開刀就可殺滅體內腫瘤的技術，是“無創手術”。其對于不同時期病變有不同的效果，尤其適用于治療子宮肌瘤患者，且療效顯著。該設備目前已出口到歐洲、韓國、日本、澳大利亞等諸多國家和地區。

HIFU系統由水處理系統、超聲診斷儀、治療床及龍門架、功率發生柜、計算機控制系統5大部分組成。控制系統由計算機、系統控制軟件、遙控操作臺組成；定位系統由數字式B超、雙C臂龍門架、三維運動治療床組成；治療系統由多元雙聚焦超聲換能器、功率驅動器、真空水處理系統組成。

在聚焦超聲腫瘤消融機設備控制應用中，PLC技術起到了關鍵作用，俗稱下位機的PLC和上位機工作站主導程序形成互通，整體實現了電腦數據指令的傳輸執行，是醫療設備人機互動的完美示范。圖2中治療床及龍門架機械傳動裝置的輸出與反饋、換能器三維動作的精度控制、治療能量輸出的大小調整和通道選擇以及狀態反饋、3D-TPS治療計劃等都是基于PLC發出指令才得以實現。隨著使用時間的延長，設備不可避免地會出現問題，而一旦出現問題就可通過控制器信號指示燈做出快速判斷，提供準確解決方案，為臨床治療贏得時間，提高患者的治療滿意度。

圖2 聚焦超聲腫瘤消融機設備PLC控制

3 小結

隨著科技進步，計算機技術的飛躍發展，5G通信設備以及AI技術的普及，PLC的運算速度會更快、存儲容量更大、智能化程度更高，并且抗干擾能力更強，系統更為靈活，使用更方便[6-7]。與之配套的產品種類也會更豐富，規格更齊全，人機界面更完美，可更好地適應各種控制場合的需求。從品牌上來看，目前以歐美和日本產品為主，國產PLC還有很長一段路要走；從應用場合看，PLC在傳統的制造業，如鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡等得到了廣泛應用。

近年來，PLC技術在醫療設備中的作用逐漸突顯，如純水機、過氧化氫等離子體滅菌器、蒸汽滅菌器以及大型醫用設備等的電氣控制部分均有PLC控制。不管是《中國制造2025》，還是《“十三五”國家科技創新規劃》以及《“健康中國2030”規劃綱要》都明確加強高端醫療器械創新能力建設，推進醫療器械國產化。隨著國家對國產醫療設備的支持，PLC技術會越來越多地在國產醫療設備上使用，并走向世界。