一種用於粒子束流降能器的控制裝置及其控制方法與流程

2023-06-15 03:53:56

本發明屬於粒子醫療領域，具體涉及一種用於粒子束流降能器的控制裝置及其控制方法。

背景技術：

控制系統是指由控制主體、控制客體和控制媒體組成的具有自身目標和功能的管理系統。對於開環控制系統，系統的輸出只受輸入的控制，控制精度和抑制幹擾的能力都比較差；對於閉環控制系統，是利用輸出量同期望值的偏差對系統進行控制，是建立在反饋原理的基礎上，可以獲得比較好的控制性能，閉環控制系統又稱為反饋控制系統。

質子是構成原子核的基本微小粒子，重離子是原子量較大院原子的原子核，常用的如碳離子。質子或重離子經過加速器加速約70％的光速後，被引出射入人體，在到達病灶時釋放大量能量，整個治療過程相當於針對腫瘤的「定向爆破」。對於不同的病人以及同一病人的不同治療計劃，粒子束流通過降能器來調節束流的強度，對腫瘤進行強有力的照射，同時避開正常的人體組織。

降能器需要將其他系統輸入的束流強度降低到符合病人治療計劃的值，常規腫瘤治療中，降能器的輸出一般可分為100多個檔位。降能器的功能實現需要選擇控制裝置和控制方法，使速度、位置和束流的全閉環可以保證束流的穩定輸出。同時，由於降能器是整個治療裝置的一部分，需要有聯鎖功能，一方面，接受其他系統的狀態信號；一方面，發送降能器自身當前的狀態信號到其他系統。

技術實現要素：

本發明的一個目的在於提供一種能夠調節束流強度大小的降能器的全閉環控制裝置，具體是通過以下技術方案實現的：

一種用於粒子束流降能器的控制裝置，包含：

一主控單元，負責設定、保存降能器的檔位位置，並接收、處理和發出控制訊號；

一故障單元，與主控單元連接，為一數字量輸入模塊，負責接收其他系統單元的狀態信號，主控單元通過該輸入信號判斷降能器是否工作；

一位置採集單元，與主控單元連接，為光柵尺，檢測降能器當前位置並發送到主控單元；

一限位單元，與主控單元連接，為接近開關，用於檢測降能器是否超出允許的運動範圍；

一驅動單元，與主控單元連接連接，包括驅動器和編碼器，驅動器與主控單元連接，編碼器負責發送當前降能器的運動狀態信息至主控單元，主控單元根據狀態信息將控制訊號發至驅動器，驅動降能器的運動；

一束流測量單元，與主控單元連接，為一束流傳感器，檢測輸出束流的強度，並反饋給主控單元，主控單元根據該反饋信息實現降能器輸出束流的調整；

一電力單元，用於給主控單元和驅動單元供電。

在主控制單元上連接有一報警單元，報警單元為一警示燈，警示燈亮表示降能器故障，需要檢修。

所述電力單元包括電源、備用電源，電源為主控單元和驅動單元供電，備用電源為主控單元和報警單元提供備用電源。

所述主控單元為西門子s7系列PLC，包括負載電源PS307,cpu 315-2PN/DP，數字量輸入輸出模塊SM323。

本發明的另一個目的是提供一種用於粒子束流降能器控制裝置的控制方法，該方法包括以下順序的步驟：

(1)首先，控制裝置與降能器對應連接，降能器固接在機架的絲槓螺母機構上，絲槓螺母的驅動電機與驅動單元的驅動器連接；位置採集單元設在降能器的滑動端，限位單元設在機架外端，束流測量單元設在降能器的束流輸出端；

(2)主控單元向驅動單元發送位置信息，驅動單元根據位置信息和位置檢測單元的位置反饋信息進行降能器的定位，定位完成後，驅動單元發送位置到達確認信號給主控單元；主控單元實時接收故障單元信號，若接收到故障單元的故障信號，報警單元的警示燈亮，主控單元控制驅動單元停止工作，反之，則進行下一步；

(3)主控單元控制驅動單元驅動降能器各位置的切換，驅動單元的編碼器向主控單元反饋降能器的速度信息，位置採集單元向主控單元反饋降能器的位置信息，主控單元接收速度信息、位置信息，實現降能器位置切換的精確定位；當降能器超出運動範圍時，限位單元被觸發，報警單元的警示燈亮，主控單元向驅動單元發出停止命令；

(4)束流測量單元實時將降能器輸出束流的強度信息發送至主控單元，當步驟(2)定位完成後，檢測的束流強度不符時，主控單元向驅動單元發送控制命令，驅動單元響應控制信號驅動電機進行微調；若檢測的束流強度符合時，主控單元發送停止命令給驅動單元，並向其他系統發出符合要求的確認信號。

本發明的有益技術效果：

本發明採用了全閉環的設計，通過主控單元實現各個單元的協同控制，通過束流測量單元實時監測降能器實時輸出束流的強度大小，並反饋至主控單元，主控單元通過驅動單元實現降能器的調整，通過位置採集單元、限位單元以及編碼器的信息反饋，實現了降能器移動時的精確定位；同時設計了報警單元，實時監測整個裝置在實際運行過程中的狀態，及時發現問題，避免錯誤操作；實際工作時，本裝置與降能器的連接簡單易控，整個控制過程簡單，每步操作結果易得，大大提高了便捷性，實現了聯鎖功能，提高了使用的安全性。

附圖說明

圖1是本發明的連接關係示意圖。

圖2是本發明實際控制時降能器與機架的連接示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。

參見圖1，一種用於粒子束流降能器的控制裝置，包含：

一主控單元9，所述主控單元為西門子s7系列PLC，包括負載電源PS307,cpu 315-2PN/DP，數字量輸入輸出模塊SM323，負責設定、保存降能器的檔位位置，並接收、處理和發出控制訊號；在主控制單元9上連接有一報警單元2，報警單元為一警示燈，警示燈亮表示降能器故障，需要檢修。

一故障單元6，與主控單,9連接，為一數字量輸入模塊，負責接收其他系統單元的狀態信號，主控單元9通過該輸入信號判斷降能器是否工作；

一位置採集單元3，與主控單元9連接，為一光柵尺，檢測降能器當前位置並發送到主控單元；

一限位單元5，與主控單元9連接，為一接近開關，用於檢測降能器是否超出允許的運動範圍；

一驅動單元1，與主控單元9連接連接，包括驅動器和編碼器，驅動器為動科爾摩根s72402，驅動器通過profibus dp接口與主控單元西門子s7-300系列的profibus dp接口連接，編碼器負責發送當前降能器的運動狀態信息至主控單元9，主控單元9根據狀態信息將控制訊號發至驅動器，驅動降能器的運動；

一束流測量單元4，與主控單元連接，為一束流傳感器，檢測輸出束流的強度，並反饋給主控單元，主控單元9根據該反饋信息實現降能器輸出束流的調整；

一電力單元，電力單元包括電源8、備用電源7，電源8和備用電源7均為220V的交流電，電源8為主控單元9和驅動單元1供電，備用電源7為主控單元9和報警單元2提供備用電源。

參見圖1、圖2，本發明的粒子束流降能器控制裝置的控制方法，包括以下順序的步驟：

(1)首先，控制裝置與降能器對應連接，降能器固接在機架d的絲槓螺母機構上，絲槓c的驅動電機型號為科爾摩根AKM31-E、並與驅動單元1的驅動器連接；位置採集單元3設在降能器的滑動端a處，限位單元設在機架外端b處，束流測量單元4設在降能器的束流輸出端；

(2)主控單元9向驅動單元1發送位置信息，驅動單元1根據位置信息和位置採集單元3的位置反饋信息進行降能器的定位，定位完成後，驅動單元1發送位置到達確認信號給主控單元9；主控單元9實時接收故障單元6信號，若接收到故障單元6的故障信號，報警單元2的警示燈亮，主控單元9控制驅動單元1停止工作，反之，則進行下一步；

(3)主控單元9控制驅動單元1驅動降能器各位置的切換，驅動單元1的編碼器向主控單元9反饋降能器的速度信息，位置採集單元3向主控單元9反饋降能器的位置信息，主控單元9接收速度信息、位置信息，實現降能器位置切換的精確定位；當降能器超出運動範圍時，限位單元5被觸發，報警單元2的警示燈亮，主控單元9向驅動單元1發出停止命令；

(4)束流測量單元4實時將降能器輸出束流的強度信息發送至主控單元9，當步驟(2)定位完成後，檢測的束流強度不符時，主控單元9向驅動單元1發送控制命令，驅動單元1響應控制信號驅動電機進行微調；若檢測的束流強度符合時，主控單元9發送停止命令給驅動單元1，並向其他系統發出符合要求的確認信號。