BJ-6B型医用直线加速器手控盒研究与设计

张 亮，陈家国

BJ-6B型医用直线加速器手控盒研究与设计

张 亮，陈家国

目的：设计用于在BJ-6B型医用直线加速器机房控制各运动部位的手控盒，亦可用于后期设计的在控制室即可控制加速器各运动部位的运动控制转换器上。方法：以AT89S52单片机为核心进行电路设计，用按键实现各种操作。采用SolidWorks三维建模软件设计外壳，用AutoCAD设计按键膜。结果：设计制作的手控盒实现了原手控盒的所有功能，在BJ-6B型医用直线加速器上得到了成功应用，可与设备无损连接，工作稳定可靠。结论：该手控盒不仅简化了原手控盒的电路和机械结构，而且使操作更为简单，完全能够满足使用要求。

直线加速器；手控盒；单片机

0 引言

医用直线加速器是一种为放射治疗提供符合临床治疗要求的X线或电子束辐射的医用治疗装置，是除手术治疗、化疗之外的第3种治疗肿瘤的有效手段，按输出能量高低一般分为低能、中能和高能3种类型。我院使用的是BJ-6B型医用电子直线加速器，能量为6 MV，属于低能加速器，它主要由机械系统、光学系统、高压产生及辐射系统、运动控制系统等组成[1-2]。运动控制系统的主要作用是完成患者摆位操作和照射启动及停止，在治疗患者时，需要根据肿瘤位置对加速器的机架、机头、光阑、治疗床等各运动部位进行精确调整，而各运动部位的操作都必须通过手控盒来完成。除此之外，光野、激光、光尺等功能也必须通过手控盒来打开与关闭。因此手控盒使用率非常高，易发生故障，而一个手控盒厂家报价都在2万元左右，并且设计上还存在一些不合理的地方，因此本着节约成本的目的，本文自行研制了一款手控盒，现介绍如下。

1 结构及工作原理

手控盒控制运动部位原理如图1所示。

图1 手控盒运动控制原理方框图

手控盒主要输出3种类型的信号：数字编码信号，模拟信号，运动使能以及光野、激光和光尺等开关控制信号。

数字编码信号用于选择要控制的运动部位，由4位二进制信号组成，控制计算机根据不同的编码值确定相应运动部位。运动部位对应数字编码表见表1。

模拟信号用于控制运动速度和方向，信号电压为-10～+10 V。电压值大于零时正向运动，电压值小于零时反向运动，电压值等于零时停止运动。而运动速度的快慢取决于电压值的绝对值，绝对值大运动速度快，反之则运动速度慢。

运动使能信号用于防止零位电压漂移造成运动部位误动作，当使能信号断开时，即使模拟信号不为零运动部位也不会进行任何动作，以免使定位产生偏差或对患者造成伤害。

表1 运动部位对应数字编码表

光野、激光和光尺的控制较为简单，不需要任何中间电路，需要打开时，给一个低电平即可。

手控盒通过一根两头均为16芯费舍连接器的电缆和加速器连接，接口输入输出信号如图2所示。

图2 接口输入与输出信号

2 电路设计与制作

2.1 微控制器电路

经分析可知，要实现手控盒的功能，不必知道原手控盒内部实现方法，只要使输入输出信号满足要求即可，而采用AT89S52单片机能够很容易地实现上述功能。AT89S52单片机电路原理如图3所示。

本文采用上电复位电路，电路由10 kΩ电阻R1和10 μF电容C1组成，在刚接通电源时对单片机进行复位。振荡源频率为12MHz的晶振，P0.0～P0.5为独立按键的输入端口，P1.0～P1.5用于驱动发光二极管，P2.0～P2.3用于输出二进制运动部位编码信号[3-4]。

图3 AT89S52单片机电路原理图

2.2 运动部位选择及指示电路

运动部位选择按键及指示电路如图4所示。由于AT89S52单片机的P0口为漏极开路输出，所以需要加上拉电阻（RS0～RS5均为10 kΩ电阻），当按键断开时输入为5 V即高电平，当按键按下时输入为0 V即低电平[3-4]。由于本设计程序较简单，对单片机运算速度和资源占用要求不高，所以按键采用软件查询方式。当单片机查询到某个部位选择按键（如S0）为低电平时，就认为选择了此部位，单片机将相应的端口（此时为P1.0）设为低电平，点亮对应的发光二极管（此时为图4中的DK0），并且P2口的P2.0～P2.3（即PA、PB、PC、PD）输出相应的运动部位选择编码[5]。每个运动状态之间是互斥的，即任意时刻有且仅有一个运动部位处于选中状态，也只有一个运动部位选择指示灯被点亮。当进行运动部位操作时，就可以根据指示灯判断出目前哪个运动部位处于选中状态。

2.3 运动及灯光控制电路

如图5所示，正反运动（S_ADD1、S_ADD2、S_SUB1、S_SUB2）、使能（S_ENABLE）、光野（SF）、光尺（SR）、激光（SL）等按键电路与运动选择按键电路是相对独立的，它们不受单片机控制，而是直接把信号输入到下一级电路，即位于治疗床后部的E3-AP2板[6]，至于E3-AP2板如何处理这些信号暂不考虑。

图4 运动部位选择按键及指示电路图

每个运动部位选择状态都控制着2个具体的运动部件，例如机架和机头、床横向和床纵向、床升降和床公转、X光阑和Y光阑等，因此设置了4个运动按键。当选择部位为机架和机头时，S_ADD1和S_SUB1控制机架正反转，S_ADD2和S_SUB2控制机头正反转，其他部位也是如此[7-9]。厂家提供的手控盒正反运动采用的是拨轮电位器，通过摆动幅度控制运动速度，但使用时并不能起到很好的效果，这就是本设计采用按键的原因。±10 V的电压分别接到电位器RP1和RP2两端，用于调节正反转运动电压信号，2个电压分别为+1.8和-1.8 V。运动按键输出端分别接100 kΩ电阻，这是为了保证在按键松开时，运动输入信号为零，防止在使能按下或失效时误动作。

图5 运动、使能、光野、光尺、激光按键电路图

3 控制程序设计

控制程序主要实现运动部位的选择，即部位选择按键查询、部位选择状态指示、部位编码信号输出。程序框图如图6所示。

图6 控制程序流程图

按键查询采用软件轮询方式实现，程序初始化后就进入到while死循环，即给定的循环条件始终为1。每次循环都对P0.0～P0.5引脚的电平状态进行检测，当检测到P0.0～P0.5任一位有低电平时，延迟10ms消除按键抖动后，再进行一次检测，如果低电平仍然存在，则认为有按键被按下，判断P0.0～P0.5中哪一位产生了低电平。如果P0.0为低电平，微控制器即认为S0被按下，就置输出端口P1为××111110，点亮对应的功能指示灯，并置输出端口P2为××××0000，即PA、PB、PC、PD输出相应的运动部位选择编码。如果P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5为低电平，即对应的S1、S2、S3、S4、S5键被按下，则P1、P2端口分别输出相应的值，点亮对应的指示灯和告诉加速器控制计算机选择的运动部位。随即进入下一次循环，等待下一个运动部位按键被按下。

4 外壳及按键膜设计

外壳采用SolidWorks三维建模软件进行设计，而按键膜采用AutoCAD二维制图软件进行设计。设计效果如图7所示。

手控盒外壳分为上半部分、下半部分及挂耳3个部分。按键膜的按键与指示灯按尺寸及位置和外壳一一对应，标号为“+”和“-”的为运动按键，大圆为按键，小圆为部位选择指示灯，手控盒侧面的正方形孔槽用于安装使能开关。

图7 手控盒外壳图

5 结语

手控盒是BJ-6B型医用直线加速器上使用率最高的部件，故障率较高，且购置费用昂贵。本文基于AT89S52单片机所设计的手控盒已成功应用于我院的BJ-6B型医用直线加速器上，其不仅故障率低，而且操作简单，至今运行状况良好，受到了放疗科工作人员的一致好评。本设计不仅为医院节约了可观的费用，也提高了医院相关技术人员的技术水平。另外，将该手控盒配合我们设计的运动控制转换器，放疗科工作人员不用每次摆位都到治疗室，在控制室即可对加速器各运动部位进行操作，大大减轻了放疗科工作人员的劳动强度。

[1]顾本广.医用加速器[M].北京：北京科学技术出版社，2003.

[2]杨绍洲.医用电子直线加速器[M].北京：人民军医出版社，2004.

[3]余锡存.单片机原理及接口技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[4]刘建清.51单片机C语言非常入门与视频演练[M].北京：电子工业出版社，2010.

[5]谢龙汉.Altium Designer原理图与PCB设计[M].北京：电子工业出版社，2012.

[6]医科达北研医疗器械有限公司.BJ-6B型医用电子直线加速器电路图集[M].北京：医科达北研医疗器械有限公司，2007：124-131. [7]谭亚军.Varian Trilogy直线加速器联锁故障维修1例[J].医疗卫生装备，2013，34（7）：148.

[8]张亮.BJ-6B型医用驻波电子直线加速器故障两例[J].中国医疗设备，2010，25（2）：98.

[9]杨敬渠，李庆刚.医科达VMAT直线加速器故障维修[J].医疗卫生装备，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

张 亮（1982—），男，助理工程师，主要从事医疗器械维修、研究与设计工作，E-mail：zwl_l@126.com。

472300河南义马，义马煤业集团股份有限公司总医院（张亮）；253200山东德州，山东省德州市夏津县人民医院（陈家国）