質子治療旋轉機架控制系統設計與實現

丁廷洋，龔時華，鄧建春，馬 海，孫愷文

(華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074)

0 引言

質子治療裝置是國際上新型治愈腫瘤的大型醫療設備，是一套極其精密復雜的系統，涉及加速器物理、磁鐵、真空、治療學、機械、輻射防護、軟件等多個學科領域，綜合性較強。旋轉機架是質子放療設備中的關鍵部件，其具有結構大的特點主要功能是對治療頭、束流輸運線等關鍵部件進行承重，承載重量從100～200噸不等。除此之外，質子治療裝置在進行放療時，一般會從多個角度對腫瘤組織進行放射。因為質子治療如果只用一個照射方向，則皮膚與腫瘤間的正常細胞會受到較大的腫瘤輻射劑量，從而形成不同程度的傷害。所以為減少這部分損害帶來的負面影響和增加治療的焦皮比值，目前的治療療程采取從不同方向照射的方案，將總劑量分成多個輻射方向，使得腫瘤前部的正常細胞僅受到1/3左右的相對劑量，而腫瘤后的正常細胞基本上不會受到損傷。其中旋轉機架的作用就是支撐質子束流從不同的角度照射至病灶的機械結構，因此幾乎所有的質子治療中心都配置了多臺旋轉機架且對旋轉精度要求很高。

質子治療旋轉機架僅自帶本地控制系統，因此工作人員只能在機架周圍進行人為操作控制。為了滿足與治療頭等設備的聯合調試的需求，需要工作人員在總控制室終端遠程控制質子治療旋轉機架，并對旋轉機架的運行狀態進行實時跟蹤。同時，旋轉機架周圍環境存在高壓和強輻射等因素的危險，會對工作人員的身體造成傷害。因此，亟需為工作人員提供更安全的且適用于化療過程的操作環境。目前，針對質子治療系統的終端控制問題，文獻[1]中利用Pcaspy實現了遠程控制計算機到上海質子治療裝置中控室內，基于EPICS控制系統的接入并通過遠程控制界面實現了對質子注入器的實時狀態進行監控，以及對質子注入器的重要參數進行遠程設置的功能。美國ProBeam質子治療系統是監控掃描治療頭動態峰值的關鍵。該系統終端控制治療關鍵參數，使所有功能都通過一個集成用戶控制臺實現，讓用戶能夠直觀且高效地完成任務[2]。

同時，由于醫護平臺與旋轉機架連接在一起，旋轉機架在運動狀態下及旋轉至一定角度時，醫護平臺會隨旋轉機架一起旋轉，無法使醫生在平臺上工作。因此需要開發一種同步運動控制模型，實現機架和醫護平臺的同步運動。沈榮[3]等提出了基于繼電器方法的PID自整定方法，使系統反應迅速，超調量小。劉青正[4]等在傳統PID控制算式的基礎上引入了同步偏差調節項構成新的PID閉環同步控制器，并驗證了算法的有效性。張德政[5]等運用交叉耦合控制策略，分別設計4臺轉向電機的位置補償器。

針對以上問題，本文以質子治療旋轉機架作為控制對象，基于C/S模式開發一套從總控服務端到工控機客戶端，再由工控機客戶端到PLC控制器控制電機驅動器的質子治療旋轉機架控制系統。同時，為了滿足旋轉機架運動狀態下醫護平臺水平的需求，設計了旋轉機架電機和醫護平臺踏板電機的同步運動模型。其中的系統總控服務端在TCP協議的基礎上采用了Socket通信接口和多線程架構實現與工控機客戶端的通信。而工控機客戶端則基于S7.Net庫對PLC控制器發送指令。最后通過質子治療旋轉機架的現場試驗驗證了該控制系統能夠滿足質子治療過程中的控制需求。

1 旋轉機架控制系統整體設計

集中控制方式曾廣泛應用于工業控制系統中，所有的功能都在一個處理模塊中實現，然而由于放射治療對其控制系統功能和性能的要求十分嚴格，若采用集中控制方式會使得系統的可靠性和功能擴展能力受到很大的限制，并且會導致系統監控對象過于復雜和龐大，使系統的運行速度和可維護性受到一定的影響[6-7]。因此，質子治療控制系統采用主從分布式控制方式，把系統模塊分為9個子系統模塊，分別為加速器系統、束流系統、機架系統、圖像引導系統、治療頭系統、治療床系統、附件系統、安全系統以及總控制臺。每個子模塊都具有自主處理能力，并由總控制中心通過系統網絡實現集中下發指令和實時監控。這種控制方式符合放射治療控制系統的功能和性能要求，也為未來進行功能模塊擴展提供了便利。

1.1 旋轉機架控制系統架構

本文著眼于研究總控制室到機架系統的控制系統。控制系統的硬件配置結構如圖1所示，由總控服務端、上位工控機客戶端、PLC控制器和伺服驅動器所組成。首先，總控服務端與工控機客戶端之間以TCP/IP協議為基礎，采用了Socket通信接口和多線程架構直接通訊，并在設計的人機交互界面上提供了參數設置、人機接口、數據顯示和故障診斷等功能。而工控機客戶端則采用以太網的方式連接PLC控制器，并基于S7.Net庫實現發送運動控制指令和讀取機架狀態數據的功能。PLC 控制器根據上位機發出的運動指令通過IO模塊分別向機架驅動器和踏板驅動器輸出脈沖和方向信號，驅動器通過接收的脈沖頻率和數量控制伺服電機運行的速度和角度，伺服電機上的編碼器將角度、速度信息反饋到PLC控制器，再由上位工控機讀取數據發送回總控服務端。

圖1 控制系統硬件配置結構圖

1.2 需求分析

對于總控系統的控制軟件，包含有“治療”模式和“物理師”模式兩種模式。“治療”模式是根據治療排程，完成病人質子治療的整個過程。“物理師”模式類似于治療模式，但可以重復導入治療計劃文件執行流程，且治療時的特定參數與指標可以超越，是用于QA目的，物理師結合臨床經驗，用真實的治療計劃數據，驗證治療過程的質量，不影響真實的病人治療數據。其中模式之間是互斥性的，一種模式執行完成后，另一種模式才可以執行，不能混亂。執行過程中，不能被另一種模式中斷。

在進行質子治療過程中，為了實現旋轉機架運行狀態的實時跟蹤，軟件界面上應當顯示機架的實時狀態，包括機架的當前角度和當前速度，踏板的狀態等關鍵信息。質子治療設備一般從多個角度對腫瘤組織進行放射，各角度放射劑量總和達到所需劑量即可，這樣皮膚和腫瘤之間的正常組織細胞只需接受較低的放射量，大大降低了放療給患者所帶來的額外傷害，因此，軟件需能夠控制旋轉機架以目標速度轉動到目標角度，以保證質子束能從各個角度對腫瘤進行照射，同時，軟件應當設置機架的步進功能。在醫護平臺上，還有一個氣動踏板裝置，踏板用于給醫生提供站立位置，因此軟件需能夠控制踏板的伸出或縮回，滿足治療過程的功能需求。為了保證工作人員和設備的安全，軟件應當設置急停功能，避免發生意外事故。在下位機PLC控制器中，需設計一種同步運動控制模型，使驅動機架旋轉的電機和驅動醫護平臺旋轉的電機保持同步運動狀態，以保證醫護平臺在工作時的水平。

2 旋轉機架控制系統關鍵技術

2.1 SOCKET通信原理

Socket可以看成是兩個網絡應用程序進行通信時，各自通信連接中的端點，用一個IP地址和一個端口號標識[9]。其中，服務端至少需要創建兩個Socket對象，一個負責監聽客戶端的連接請求，另一個則負責與客戶端的通信，這個Socket是在收到客戶端連接時創建。客戶端通過創建一個Socket對象來初始化一個到服務端的TCP連接，其中必須指定要連接的服務端的IP地址和端口[10]。

如圖2所示，Socket的通信基本流程為：總控制室先啟動并初始化服務端程序。程序運行后會先利用Bind函數綁定固定端口，再調用Listen函數在端口處監聽客戶端的連接請求。一旦接收到客戶端的連接請求，服務端程序就會立即調用Accept函數接受客戶端的連接請求，達到與客戶端進行連接的目的[11]。檢測到客戶端連接無誤，程序將繼續進行，否則將重復以上步驟。在服務端程序運行期間，工控機將啟動客戶端程序。客戶端程序啟動后會先調用Connect函數向服務端遞交連接請求。服務端收到請求并與客戶端成功連接后，就可以實現向客戶端發送命令的功能。最后客戶端將讀取命令并回應服務端，一次服務端與客戶端的交互就此結束。

圖2 旋轉機架控制系統通信流程圖

2.2 S7.Net

PLC內部數據的傳統讀寫方式是利用觸摸屏組態，和HMI建立連接并傳輸數據。而S7.Net提供了另一種連接方式，可以利用C#讀寫PLC內部的數據。與傳統方式相比，使用S7.Net可以做出比WinCC更強大的界面，可以對數據更好的利用，可以更高頻率獲取PLC數據。

2.3 PLC同步運動控制模型

圖3為旋轉機架雙電機驅動示意圖，在大多數工作情況下，為了保證醫護平臺處于水平狀態，需將控制機架和踏板的電機設置為反向同步運動模式。

圖3 旋轉機架雙電機驅動示意圖

2.3.1 同步運動控制模型組成

本同步運動控制模型采用主從式結構的同步系統，利用PROFINET方式實現主軸和從軸間的同步運動。這個過程需要運用兩臺PLC進行操作，使它們通過PROFINET進行連接，分別負責驅動旋轉機架運動的電機作和驅動醫護平臺旋轉的電機的運動控制。其中驅動旋轉機架運動的電機軸作為引導軸，負責其運動的PLC1作為主控制器，并采用Ethernet的方式與上位機進行交互；驅動醫護平臺旋轉的電機軸作為跟隨軸，負責其運動的PLC2為從控制器。模型結構簡圖如圖4所示。

圖4 模型結構簡圖

該模型使用的PLC1和PLC2控制器均采用當今廣泛使用的西門子S7-1500PLC控制器。其使得用戶程序可通過運動控制指令啟動引導軸和跟隨軸的運動控制工作，也可以根據運動控制指令的輸出參數實時反映運行中作業的狀態。除此之外，其還可以使用工藝數據塊在運行期間訪問運動軸的狀態信息及更改特定的組態參數。

2.3.2 同步運動控制模型原理

同步運動控制操作原理如圖5所示，將驅動旋轉機架運動的電機作為跟隨軸和驅動醫護平臺旋轉的電機作為引導軸相關聯。啟動主控制器PLC1后，PLC1會將上位機輸入的運動控制指令解碼轉換成速度指令來控制引導軸運動，然后將速度指令轉碼成指定的脈沖信息。脈沖信息再通過PROFINET傳遞至從控制器PLC2，最后由PLC2控制跟隨軸與引導軸同步運動。因此以上操作過程被稱為同步操作過程，按以下3個階段實現：第一階段是將跟隨軸與主值進行同步；第二階段是跟隨軸按照同步操作功能跟隨引導軸的位置進行同步運動；第三階段則是超馳同步操作，主動同步操作會被跟隨軸上的運動控制工作超馳。在進行同步操作過程中，由引導軸提供同步操作的主值，本文系統中引導軸和跟隨軸的耦合主值為1 144：500。

圖5 同步運動控制模型

3 系統軟件設計

3.1 接收和發送消息約定

總控系統與所有子系統基于TCP協議直接通訊，因此約定消息頭，發送固定消息體，不需要消息尾，通過解析數據包根據標識屬性來進行業務處理。約定消息頭為16字節。其中1～4字節約定傳遞8 888作為消息開始的標識，5～8字節約定為消息的總長度。9～12字節約定為數據內容的長度。13～16字節作為補位，后期考慮用于標識消息類型，如圖片、文本、文件等。17字節開始為數據內容，數據內容應遵循約定的數據格式。

質子治療控制系統屬于醫療軟件系統，對數據的實時性有較高要求，為了減少數據傳遞的大小并易于解析，故約定數據格式類型為Json格式。數據內容包括6個字段，如表1所示，分別為MessageId、DevicedId、SessionId、ActionCode、ActionType和Data。其中MessageId是消息唯一Id，一般取GUID或UUID(保證唯一即符合條件)，消息發送必須有回復，MessageId作為消息回復確認的標識，一來一回表示一個完整的消息周期。DevicedId是設備Id，用來標識子系統，每個子系統都應該有一份初始配置，記錄其他子系統的設備ID，或者約定使用子系統的標識，例：TCS、GNT等。SessionId是會話Id，消息傳遞之間各端的會話Id，通訊開始時交換SessionId，一次完整的會話通訊中需要保持一致，不允許改變，每次通訊需要驗證該會話是否存在，作為預留字段。ActionCode是動作編碼，每次數據交互都有特定的意義，為每個需要通訊的業務場景進行編碼，標識動作內容，固定4個字符長度1 000～9 999共9 000個Code。ActionType是動作類型，一共分為5個：Inform(通知)、Command(指令)、Exception(異常)、Confirm(消息確認)、Heartbeat(心跳)，用編號代替，與動作編碼配合使用。Data是消息的具體內容，需要序列化，根據不用業務場景內容也不同，等待接口確定后，可具體約定。

表1 數據內容字段信息

3.2 總控服務端和工控機客戶端

MFC通信功能基于Socket接口編程實現，為多線程架構，分為界面線程和工作線程。前者用來獨立地處理用戶輸入和響應用戶事件，后者用于后臺任務。總控服務端主要負責監聽客戶端的連接與斷開，在界面線程創建套接字，獲取工控機的IP地址和端口號，在工作子線程完成接收數據工作，在檢測到連接成功的前提下會采用一問一答式與工控機交換信息，提高系統效率。

如圖6所示，左側為總控服務端工作流程，右側為工控機客戶端工作流程。其主要工作流程是：總控服務端開啟Socket服務，調用Socket類中的Listen()方法負責監聽，同時調用Accept()方法等待工控機發送連接請求。工控機客戶端調用Connect()方法每隔100 ms向服務端發送連接申請。成功連接后，程序設置了100 ms時鐘函數，總控服務端每隔100 ms調用Send()方法向客戶端發送詢問當前狀態指令，以獲取旋轉機架實時狀態，并且設置旋轉機架工作模式，發送運動指令。并對工控機客戶端返回的數據進行處理，在界面上顯示出當前角度、當前速度和踏板位置等關鍵信息。

圖6 通信功能工作流程圖

總控服務端界面如圖7。在收到工控機返回工作模式設置完成之后，工作人員便可以在服務端界面上設置設定角度和設定速度，以及踏板位置，程序則會將數據打包發送給工控機，工控機程序解包數據，將各個參數寫入PLC，并且啟動電機時會向PLC發送一個上升沿，緩沖0.5 s之后，再給PLC一個下降沿，模擬一次0.5 s按鍵動作。控制踏板運動時，設置按鈕關閉，待踏板運動完成之后，按鈕才會重新亮起，防止發生意外事故。此外，軟件在執行的每個方法上使用S7.Net庫中的錯誤處理的方法，以在運行驅動程序時捕獲錯誤信息，并返回錯誤代碼。

圖7 服務端界面

工控機客戶端界面如下圖8所示。界面上方為手動連接Socket和PLC部分，在Socket連接區中設置總控服務端IP地址和端口號，在PLC中設置PLC的IP地址和PLC類型。界面下方則是本地機架控制部分，用于本地調試從工控機到PLC控制器的控制功能。右側則是顯示工控機客戶端收到的消息，用于調試總控服務端到工控機客戶端的Socket通信功能。

圖8 客戶端界面

3.3 下位機PLC同步運動模型

如圖9所示，該PLC控制系統主要設置有手動模式和自動模式兩種工作模式，由兩檔選擇開關進行選擇。手動模式主要用于調試系統在自動模式下的控制功能，其中有控制氣動踏板功能，設置機架的運動模式，有增量轉動和連續轉動功能，同時，可以控制機架運動速度和設定目標角度；自動模式則是實際正常工作所使用的控制程序，其中控制機架和氣動踏板的電機有兩種控制方式，分別為同步轉動和異步轉動，大多數情況下都需要使用同步轉動，這樣可以在機架運動或者傾斜一定角度時，醫護平臺始終保持水平，保證醫生在醫護平臺上操作的安全性。

圖9 PLC功能控制框

如圖10所示，首先將驅動旋轉機架運動的電機作為引導軸，將驅動醫護平臺旋轉的電機作為跟隨軸，通過運動控制指令“MC_Gearln”，在跟隨軸和引導軸之間啟動齒輪傳動操作，通過參數“Jerk”、“Acceleration”和“Deceleration”定義同步的跟隨軸的動態行為，使用參數“RatioNumerator”和“RatioDenominator”將傳動比指定為兩個整數之間的關系(分子/分母)，其中分子的符號決定跟隨軸轉動方向。在滿足上述要求之后，在“Master”和“Slave”參數中指定引導軸、跟隨軸，在參數“Execute”的上升沿開始作業。跟隨軸將與引導軸的主值同步。如果“InGear”參數的值為True，跟隨軸會同步并與引導軸同步運動，完成了機架與醫護平臺的同步運動模式。

圖10 同步運動控制程序塊

圖11則表示跟隨軸和引導軸啟動同步運動模式的信號時間圖。首先使用“Exe_1”，初始化“MC_Gearln”作業。然后給“Exe_1”一個上升沿信號，啟動“MC_Gearln”作業，同時“Busy_1”信號變為True，表示作業正在運行。最后跟隨軸將與引導軸進行同步，“InGear_1”則會在時間①處發出跟隨軸已同步并與引導軸同步運動的信號。

圖11 同步運動信號時間圖

4 實驗結果與分析

4.1 旋轉機架控制系統實現

質子治療設備旋轉機架現場圖如圖12所示。系統調試完成后，將軟件服務端下載至控制室計算機中，軟件客戶端下載至工控機中，通過網線連接，用博圖軟件將算法上傳至PLC中。首先將客戶端軟件與PLC進行連接，連接成功后將服務端與客戶端通過Socket連接。界面如圖13所示，連接成功后，服務端將會每隔100 ms給客戶端發送詢問狀態指令，當客戶端返回狀態信息時。首先根據返回的狀態信息，檢測旋轉機架的工作模式，與設置的工作模式不同則向工控機發送更改工作模式指令，工控機則控制PLC重新設置旋轉機架的工作模式。

圖12 現場試驗控制電機圖

圖13 軟件實現情況

在總控制室使用服務端程序遠程進行了多次測試。首先測試控制旋轉機架在運動范圍內的運動功能。設置旋轉機架以6 °/s的運動速度旋轉至180度，再以同樣的速度旋轉至0度，之后繼續設置旋轉機架以6 °/s的運動速度旋轉至-180度，再以同樣的速度旋轉至0度。實驗過程中軟件顯示旋轉機架都是在規定時間內加速到設定速度，運動一段時間再以相同加速度減速，精準停在設定角度。結果表明該系統可以終端控制旋轉機架以0.1～1 rpm在-180°～180°范圍內運動。

然后是測試控制旋轉機架的步進功能。設置步進速度為2 °/s，步進角度為2度，服務端不斷向客戶端發送以步進速度旋轉步進角度的命令，軟件顯示旋轉機架以設定速度精準旋轉了步進角度。結果表明該系統可以終端控制旋轉機架以步進速度旋轉步進角度。

最后則是測試控制氣動踏板伸出和收回的功能。在控制室使用服務端程序分別發送踏板伸出、踏板收回指令。通過傳感器檢測出踏板都能夠伸出和收回至目標位置，同時在踏板伸出或收回過程中服務端程序都不能中斷或下發下一個命令，保證醫生在踏板上工作的安全。結果表明該系統可以終端控制氣動踏板的伸出或收回。

通過系統實踐測試，Socket服務端界面中的所有功能均能運行正常，滿足質子治療過程的控制需求。旋轉機架可以根據用戶自定義設定目標角度和設定速度進行旋轉。其中旋轉機架運動范圍可覆蓋-180°～180°，旋轉機架轉速能達到0.1～1 rpm，且自由可調，滿足質子治療過程中的常規轉速。氣動踏板也可以通過界面上的伸出或收回按鈕進行運動控制。

4.2 同步運動控制模型實現

使用Scout軟件測試驅動旋轉機架運動的電機和驅動醫護平臺運動的電機的速度數據，將測得的兩電機的設定速度和實際速度數據進行處理，轉換為機架轉速和踏板轉速，處理結果如表2所示。表中機架和踏板的設定速度和實際速度的速度偏差幾乎為0，將表中機架和踏板的實際速度畫成圖14所示的速度時間圖，可以看出，踏板電機和機架電機在1 144：500的耦合比下進行反向同步轉動，速度曲線幾乎一樣，速度偏差幾乎為零。據此可以判斷同步運動控制模型實現了旋轉機架和醫護平臺的反向同步運動，符合質子治療過程的控制要求。將機架和踏板的實際速度的差值作為誤差，如圖15誤差分析圖所示，機架和踏板的速度誤差在-0.015～0.01 °/s，相對誤差為0.01%～0.1%，同步性能較好，驗證了PLC同步控制技術在旋轉機架自動模式的要求下的可行性。

圖14 同步電機速度時間圖

圖15 誤差分析圖

5 結束語

本文針對質子治療設備旋轉機架的控制需求，開發了一套基于Socket和S7.net的質子治療旋轉機架終端控制系統。服務端總控室和客戶端工控機成功連接，以及客戶端工控機與PLC控制器連接后，先進行設置工作模式和檢測機架狀態等預處理，然后服務端總控室實時監控旋轉機架狀態，按照治療方案不斷地向客戶端工控機發送運動指令，控制旋轉機架完成任務。通過現場試驗表明該系統實現了終端控制旋轉機架運動，實時監控機架狀態，適用于化療過程中的工作環境。

同時，采用西門子S7-1500PLC控制器設計了一種同步運動模型，采用主從式結構，利用PROFINET方式實現旋轉機架和醫護平臺間的同步運動。通過測試驅動旋轉機架運動的電機速度和驅動醫護平臺運動的電機速度的實驗，驗證了在1 144：500的耦合比下，機架電機和踏板電機同步轉動能夠保證醫護平臺在機架工作狀態下保持水平。