CN106512221A - 多叶准直器、多叶准直器叶片的驱动系统和驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多叶准直器、多叶准直器的叶片驱动系统和驱动方法。该驱动系统包括控制单元，适于依据该叶片的初始位置和目标位置规划该叶片的运行速度；驱动单元，适于通过电机，依据该运行速度控制叶片的运动；位置反馈单元，适于向该控制单元反馈该叶片的当前位置；其中该控制单元在该叶片从该初始位置至该目标位置的行程中，按照如下方式规划该叶片的运行速度：在行程的第一段提升运行速度，在行程的第二段保持运行速度，在行程的第三段降低运行速度。本发明通过在叶片行程中合适地规划速度，能够使叶片更加准确、平稳地定位在期望的目标位置。

Description

多叶准直器、多叶准直器叶片的驱动系统和驱动方法

技术领域

本发明主要涉及放射治疗设备领域，尤其涉及放射治疗设备的多叶准直器、多叶准直器叶片的驱动系统和驱动方法。

背景技术

放射治疗设备是指利用高能电磁辐射(X辐射、伽马辐射)或粒子辐射(电子、质子、碳离子)来破坏病变的组织的设备，在医学中广泛应用于肿瘤治疗。体外放射治疗要求在肿瘤靶区形成有效的照射剂量，同时要避免对临近正常组织的辐射伤害。这一目标已通过三维适形放疗技术(3-Dimensional Conformal Radiotherapy，3DCRT)和调强放射治疗技术(Intensity Modulated Radiotherapy，IMRT)来基本解决。3DCRT作为适形放疗技术(Conformal Radiotherapy)的一种，其根本目的在于实现剂量分布与肿瘤形状相适应。3DCRT采用多个射野方向，并且保证各个射野方向靶区与射束形状相适应。IMRT的主要原理可概括如下：调制入射射束的强度，从不同投射角度投照实现X射线的剂量积累，提高射束与肿瘤靶区的空间适形度，同时避开健康组织器官。

实现IMRT技术的一个关键功能部件是多叶准直器(Multi-leaf Collimator,MLC，又称多叶光栅、多叶光阑)。多叶准直器是由一组或多组成套重金属合金叶片构成，其主要作用是通过叶片的机械运动变化组合形成医疗计划所需要的X射线视野。多叶准直器叶片是否平稳运行且精确定位直接关系到IMRT技术的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多叶准直器叶片的驱动系统和方法，以更好的实现叶片的精确定位。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多叶准直器的叶片驱动系统，包括：

控制单元，适于依据该叶片的初始位置和目标位置规划该叶片的运行速度；

驱动单元，适于通过电机，依据该运行速度控制叶片的运动；

位置反馈单元，适于向该控制单元反馈该叶片的当前位置；

其中该控制单元在该叶片从该初始位置至该目标位置的行程中，按照如下方式规划该叶片的运行速度：在行程的第一段提升运行速度，在行程的第二段保持运行速度，在行程的第三段降低运行速度。

可选地，该控制单元控制该叶片在该行程的该第三段以动态变化的斜率降低该运行速度。

可选地，该位置反馈单元包括与该叶片对应的光栅尺位移传感器或与该电机对应的编码器。

可选地，该位置反馈单元包括与该叶片对应的第一位置反馈单元，和与该电机对应的第二位置反馈单元，该控制单元适于通过比较该第一位置反馈单元和第二位置反馈单元所反馈的叶片当前位置是否满足预定关系，来判别叶片运动是否异常。

可选地，该第一位置反馈单元包括与该叶片对应的光栅尺位移传感器，该第二位置反馈单元包括设置于该电机上的编码器或电位器。

本发明还提出一种多叶准直器，包括如上所述的驱动系统。

本发明还提出一种多叶准直器的驱动方法，包括以下步骤：接收一设定的目标位置；依据该叶片的初始位置和目标位置规划叶片的运行速度；依据该运行速度驱动该叶片的运动；检测该叶片的当前位置；其中规划该叶片的运行速度的方式为：在该行程的第一段提升运行速度，在该行程的第二段保持运行速度，在该行程的第三段降低运行速度。

可选地，在该行程的第三段降低运行速度的步骤包括：在该行程的该第三段以动态变化的斜率降低该运行速度。

可选地，设定该动态变化的斜率与叶片的余下行程成正比，其中依据该叶片的目标位置与该叶片的当前位置的差计算该余下行程。

可选地，上述方法还包括通过一修正因子修正该余下行程，该修正因子是电机机械时间常数和电机的当前速度的函数。

可选地，通过与该叶片对应的光栅尺位移传感器或与该电机对应的编码器检测该叶片运行的该当前位置。

可选地，分别通过与该叶片对应的光栅尺位移传感器和设于电机上的编码器检测该叶片运行的当前位置，且通过比较该光栅尺位移传感器和该编码器所反馈的该当前位置位置是否满足预定关系，来判别该多叶准直器的叶片运动是否异常。

与现有技术相比，本发明通过在叶片行程中合适地规划速度，能够使叶片更加准确、平稳地定位在期望的目标位置，避免过冲。

附图说明

图1是多叶准直器的示例结构。

图2是本发明第一实施例的多叶准直器的叶片驱动系统结构框图。

图3是本发明一实施例的多叶准直器的速度规划示意图。

图4是本发明另一实施例的多叶准直器的叶片的速度规划示意图。

图5是本发明第一实施例的多叶准直器的驱动单元示意图。

图6是本发明第一实施例的多叶准直器的电荷泵电路图。

图7是本发明第二实施例的多叶准直器的叶片驱动系统结构框图。

图8是本发明第二实施例的多叶准直器的双重位置反馈示意图。

图9是本发明第三实施例的多叶准直器的叶片驱动系统结构框图。

图10是本发明第三实施例的多叶准直器的监控保护电路框图。

图11是本发明一实施例的多叶准直器的叶片驱动方法流程图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

图1是多叶准直器的示例结构。参考图1所示，多叶准直器包括由多个叶片1组成的叶片组件、导轨箱2、与多个叶片1相对应的多个电机3组成的电机组件以及电机座4。每片叶片1均可在导轨箱2内单独运动。多个电机3设在电机座4上，且独立驱动对应的叶片1单独运动，达到射野动态或静态成形的目的。

第一实施例

图2是本发明第一实施例的多叶准直器的叶片驱动系统结构框图。参考图2所示，本实施例的多叶准直器的叶片驱动系统10，依据该叶片20的初始位置和目标位置规划该叶片20的运行速度；并依据该运行速度控制叶片20的运动；检测叶片20的当前位置；在叶片20从该初始位置至该目标位置的行程中，按照如下方式规划该叶片的运行速度：在行程的第一段提升运行速度，在行程的第二段保持运行速度，在行程的第三段降低运行速度。

驱动系统10包括控制单元11、驱动单元12、位置反馈单元13。控制单元11可接收输入到驱动系统10的目标位置，目标位置的信息通常是由驱动系统10的上位机提供。与传统上由上位机提供目标位置的信息和目标速度的信息的设定不同，本实施例仅需上位机提供目标位置的设定，而速度的设定将由驱动系统10通过后文描述的速度规划来实施。控制单元11能够依据多叶准直器的叶片的初始位置和叶片的目标位置来规划叶片的运行速度，驱动单元12连接控制单元11，驱动单元12包括电机，根据上述运行速度驱动叶片20运动。位置反馈单元13连接控制单元11，向控制单元11反馈叶片运行的当前位置。

在叶片20从初始位置至目标位置的行程中，控制单元11会按照如下方式规划多叶准直器的叶片运行速度：在行程的第一段提升运行速度，在行程的第二段保持运行速度，在行程的第三段降低运行速度。控制单元11能够获得叶片的初始位置、当前位置和目标位置，据此知晓叶片已经走过的行程，从而能够在行程的不同阶段给予不同的运行速度。与叶片提速后始终保持匀速运行直至行程结束相比，本实施例的方式有助于让叶片更加准确、平稳地定位在期望的目标位置。并且，可以合理设置行程第三段占整个行程的比例，让叶片仍能快速地接近期望的目标位置，该比例可在0.1-0.3之间，例如为0.2。

在一实施例中，运行速度的形式是脉宽调制(PWM)信号，通过不同占空比的脉冲信号来输出不同的速度。具体地说，控制单元11根据每个叶片的目标位置，对每个叶片在不同的行程上规划出不同的速度。在本实施例中，控制单元11将不同占空比的脉冲信号传送给驱动单元12，驱动单元12以相应的速度驱动叶片运动。

在一实施例中，控制单元11在行程的该第三段以固定的斜率降低叶片的运行速度。图3是本发明一实施例的多叶准直器的某一叶片的速度规划示意图。参考图3所示，假设某个叶片期望运行路程是Sp，控制单元11先令叶片在该行程的起始段内加速运动，在该行程的中间段匀速运行，最后减速运行。控制单元11根据Sp的大小设定一个启动占空比P(如图3假设是80％)，叶片经过一段加速后达到匀速时的最大速度Vmax，这个值正比于启动占空比P。当位置反馈单元13检测到叶片运行到接近目标位置(假设初始位置是0)时，如a*Sp(a<1，取值如0.8)，开始调整占空比，控制叶片开始减速，斜率固定为Vmax/T，此处T为固定时间(如1s)，在控制单元11内部初始设置并固定。Vmax一般情况下都是电机的额定转速。也可选取a*Sp处一个控制周期内的平均速度来作为Vmax，这一平均速度可根据相邻两次位置反馈值计算得到。

在另一实施例中，控制单元11在行程的该第三段以动态变化的斜率降低叶片的运行速度。图4是本发明另一实施例的多叶准直器的叶片的速度规划示意图。参考图4所示，在a*Sp之后，占空比每次变化量正比于(1-a)Sp。也就是说，占空比(以及对应的速度)动态变化的斜率与叶片的余下行程(1-a)Sp成正比。余下行程是依据该叶片的目标位置Sp与叶片的当前位置a*Sp的差计算。建立一元二次方程数学模型：

P(Sp)＝b*(S-Sp)² 公式1

其中参数b＝(1-a)²*Sp/P，公式1中的P为电机启动后以额定转速转动期间的占空比。

在实际操作中，某一时刻，叶片当前位置与目标位置之间的位置偏差为E，在本实施例中，位置偏差可在运行位置偏差计算器14中进行计算。在图未示的另一实施例中，位置偏差也可直接在控制单元11中进行计算。

在常用的控制算法中位置偏差：

E＝Sp-Senc 公式2

Sp为根据叶片的目标位置，期望电机驱动叶片运行的距离，Senc为从位置反馈单元13读出的叶片的当前位置。

较佳地，为了避免电机的机械惯性影响控制精度，本实施例还可引入电机的机械事件常数来修正位置偏差E，即：

E＝Sp-Senc-Vt*Tm 公式3

公式3中Vt*Tm为修正因子。其中，Vt是根据两次位置反馈读数计算出来的电机实时速度，Tm是电机机械时间常数。在公式1的基础上，在引入电机的机械时间常数后，在行程的该第三段用以控制叶片减速运行的动态变化的斜率为：

P(Sp)＝b*(S-Sp-Vt*Tm)² 公式4

采用此种修正方案可以提前将电机控制信号关闭之后的机械惯性运动量考虑进来，以提高控制精度。

在一实施例中，位置反馈单元13是与多叶准直器的多个叶片对应的多个光栅尺位移传感器。光栅尺位移传感器包括标尺光栅和光栅读数头两部分。标尺光栅设置在叶片的沿叶片长度方向的端面上，光栅读数头设置在导轨箱2(参考图1所示)内壁上朝向设置有标尺光栅的叶片端面的一面，且光栅读数头与标尺光栅位置相对应。叶片在运行过程中，会带动标尺光栅一起运动，通过光栅读数头测得叶片运行的位移量。根据叶片运动的位移以及叶片的初始位置，可以获得叶片当前的位置。

在其他实施例中，位置反馈单元13还可以是与多叶准直器的多个叶片对应的多个磁位移传感器，磁位移传感器包括多个磁性元件和与上述磁性元件一一对应的读磁元件，磁性元件设置在叶片的沿叶片长度方向的端面上，读磁元件设置在导轨箱2(参考图1所示)内壁上朝向设置有磁性元件的叶片端面的一面。本实施例中的磁性件为条形磁铁，读磁元件为霍尔传感器，当条形磁铁随着叶片相对霍尔传感器沿条形磁铁长度方向运动时，霍尔传感器中的磁场会发生变化，霍尔传感器会根据磁场的变化输出脉冲，一定的磁场变化量对应一个脉冲。由于条形磁铁的磁场分布具有一定规律，磁场变化量和条形磁铁的位移有确定的关系，因此，可以根据霍尔传感器输出脉冲数，获得叶片运动的位移，再通过叶片的初始位置，获得叶片的当前位置。

在另一实施例中，位置反馈单元13是与电机配套的编码器，编码器安装于电机轴端，电机通过联轴器、丝杆等传动机构与叶片连接，电机编码器位于电机相对于叶片的另一端。当电机通过联轴器驱动丝杠带动叶片的运动时，电机编码器可以测得电机的旋转转数，根据电机旋转的转数可以获得叶片运动的位移量，根据叶片运动的位移量以及叶片的初始位置，可以获得叶片的当前位置。

在其他实施例中，位置反馈单元13还可以是安装在电机轴端的电位器。电位器可以将机械位移转换成与之成确定关系的电阻或电压输出。当电机带动叶片运动时，电机也带动电位器移动端移动，则电位器的电阻变化。阻值的变化量反映了叶片位移量，根据叶片位移以及叶片的初始位置，可以获得叶片的当前位置，阻值的增加还是减小则表明了叶片移动的方向。

可以理解的是，位置反馈单元13在物理上会结合到叶片或者电机上，因此图2中位置反馈单元13的位置仅是示意，并不代表其物理位置。

在本实施例中，控制单元11可同时支持多个电机的驱动控制。这样，控制单元11能够根据输入的多个目标位置进行前期规划，对每个电机在不同的行程上规划出不同的速度。

图5是本发明第一实施例的多叶准直器的叶片的驱动单元示意图。参考图5所示，驱动单元12还包括信号隔离电路51、控制逻辑单元52、驱动信号放大单元53和电荷泵电路54。信号隔离电路51、控制逻辑单元52和驱动信号放大单元53依次连接。电荷泵电路54连接驱动信号放大单元53。由于驱动信号放大单元53会产生较大的噪声，信号隔离电路51可以避免噪声对控制单元11的干扰。信号隔离电路51的示例是光电隔离电路。经过信号隔离电路51之后的信号经过控制逻辑单元52进行逻辑关系运算后送入到驱动信号放大单元53，经过功率放大以将满足电机驱动的功率提供给电机55。

驱动信号放大单元53典型地使用H桥驱动器，各桥臂采用N型功率场效应管。N型场效应管开启需要栅-源电压大于场效应管的开启电压，由于电机驱动时上桥臂场效应管是导通的，即漏极和源极导通，而设计中漏极值是连接在电源上的，如果要求场效应管导通，必须要求栅极电压高于漏极供电电压。此处采用电荷泵电路54抬升场效应管的栅极电压，从而使得H桥上臂能正常导通以驱动电机。图6是本发明第一实施例的多叶准直器的电荷泵电路图。

第二实施例

图7是本发明第二实施例的多叶准直器的叶片的驱动系统结构框图。参考图7所示，本实施例与第一实施例不同的是，位置反馈单元13包括第一位置反馈单元13a和第二位置反馈单元13b。第一位置反馈单元13a例如是与多叶准直器的某一叶片对应的光栅尺位移传感器或磁位移传感器；第二位置反馈单元13b例如是设于电机上的编码器或电位器(参考第一实施例中，关于位置反馈单元13的描述)。也就是说，本实施例采用双重位置反馈。因此可以通过比较第一位置反馈单元和第二位置反馈单元所反馈的位置是否满足预定的关系，来判别叶片运动是否异常。图8是本发明第二实施例的多叶准直器的双重位置反馈示意图。参考图8所示，使用比较器81来获取两个位置反馈值的差异，且使用判别器82来判断这一差异是否超过限值，如果超过，则认为叶片运动异常。本实施例中，第一位置反馈单元和第二位置反馈单元反馈的叶片相对于初始位置移动的距离分别为A和B，两个反馈值的差异为|A-B|，如果|A-B|/A<5％，则认为叶片运动正常，如果|A-B|/A≥5％。则认为叶片运动异常。图8所示的比较器81和判别器82可在控制单元11中实施，也可单独实施。

本实施例中，叶片运动异常包含但不限于以下几种情况：电机与叶片脱离，导致电机空转，无法驱动叶片运动；叶片被卡住，电机旋转时无法驱动叶片运动，叶片卡主的原因通常时叶片运动到了极限位置，或者是叶片运动的轨道上被异物堵塞。

对于监控到的异常叶片运动，控制单元11上报系统，通知操作者不能进行后续放射治疗，以免因叶片错误定位对患者造成辐射伤害。

本实施例的其它细节与第一实施例相同，在此不再展开描述。

第三实施例

图9是本发明第三实施例的多叶准直器的叶片的驱动系统结构框图。参考图9所示，本实施例与第一实施例的不同之处在于，驱动系统10还包括监控保护电路15，其连接驱动单元的电机和控制单元11。监控保护电路15适于检测电机的驱动电流，且依据驱动电流判断电机的异常运转和老化程度。

图10是本发明第三实施例的多叶准直器的监控保护电路框图。参考图10所示，监控保护电路15包括感应电阻101、隔离放大器102、运算放大器103、模数转换器104和中央处理器105。监控保护电路15监测流过感应电阻的电流，进而得到感应电阻101两端的电压，通过隔离放大器102和运算放大器103放大之后在模数转换器104进行模数转换。中央处理器105根据感应电压值判断电机工作状态，如果电压值过高，说明电机运转异常，控制单元11将关闭速度控制信号避免电机因为过流发热而损坏。

同时随着电机使用时间延长，电机老化，驱动相同的负载需要更大的电流，监控保护电路15能识别出电机老化程度，当驱动相同负载需要的电流值比新电机需要的电流值大到一定程度后，控制单元可提醒操作者联系售后服务更换新的电机。

老化程度判断的依据在于，在准直器控制中，各电机负载是一个相对恒定的量，在产品生产初期就能根据测试数据得到各电机正常驱动时的电流大小I₀。控制单元11将记录各个电机正常工作时的电流大小，随着使用年限增长，电机老化，电机正常驱动负载时所需要的电流增大,当驱动电流高于I₀一定幅度时提醒操作者联系厂家售后更换电机。此处的幅度例如为1.2倍，也可以根据不同电机选择不同的幅度，最好是获取电机老化性能曲线后确定。

由于感应电阻101是串联在电机回路中，感应电压会和电机形成对供电的分压，为保证电机获得尽量大的电压，因此感应电阻101选取不宜过大。本实施例感应电阻101可选取1欧姆电阻，使得感应电压只为几百毫伏。而由于电机具有较大的噪声且感应电压较小，在本实施例中模数转换之前采用两级放大器，第一级采用隔离放大器102，主要目的是隔离电机噪声并对感应电阻101两端的感应电压进行放大，第二级运算放大器103消除前级运放输出的共模电压并将感应电压运放到适合后级模数转换器104的输入范围内。

图11是本发明一实施例的多叶准直器的叶片的驱动方法流程图。参考图11所示，本实施例的驱动方法包括以下步骤：

在步骤111，接收设定的目标位置。

在步骤112，依据初始位置和，目标位置规划叶片的运行速度。

在步骤113，根据该运行速度驱动该叶片的运动，并检测叶片的当前位置。

规划叶片的运行速度的方式为：在行程的第一段提升运行速度，在行程的第二段保持运行速度，在行程的第三段降低运行速度。

举例来说，可在该行程的第三段以固定的斜率降低运行速度。或者，可在行程的第三段以动态变化的斜率降低运行速度。

本实施例的驱动方法可以通过图2、图7和图9的任一驱动系统中实施，但是，不应理解为本实施例的驱动方法仅能在这些驱动系统的特定部件组成及连接关系中实施。事实上，本实施例的驱动方法可以根据需要灵活地配置部件。

本发明的上述实施例相比已知的多叶准直器的叶片的驱动方式有以下优点：

1)通过在叶片行程中合适地规划速度，能够使叶片更加准确、平稳地定位在期望的目标位置，避免过冲。

2)考虑到电机的机械惯性运动量而引入实时速度反馈和电机的机械事件常数来修正位置偏差，使得位置偏差计算更准确。

3)使用引入双重位置反馈检查机制，检查定位运动过程中的异常叶片运行，防止叶片运动到极限位置继续被驱动，以达到保护患者的目的。

4)可以通过检测通过电机的电流的异常变化和长期变化来分别识别电机异常和电机老化。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种多叶准直器的叶片驱动系统，包括：

控制单元，适于依据该叶片的初始位置和目标位置规划该叶片的运行速度；

驱动单元，适于通过电机，依据该运行速度控制叶片的运动；

位置反馈单元，适于向该控制单元反馈该叶片的当前位置；

其中该控制单元在该叶片从该初始位置至该目标位置的行程中，按照如下方式规划该叶片的运行速度：在该行程的第一段提升运行速度，在行程的第二段保持运行速度，在行程的第三段降低运行速度。

2.如权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，该控制单元控制该叶片在该行程的该第三段以动态变化的斜率降低该运行速度。

3.如权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，该位置反馈单元包括与该叶片对应的光栅尺位移传感器或与该电机对应的编码器。

4.如权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，该位置反馈单元包括与该叶片对应的第一位置反馈单元，和与该电机对应的第二位置反馈单元，该控制单元适于通过比较该第一位置反馈单元和第二位置反馈单元所反馈的叶片当前位置是否满足预定关系，来判别叶片运动是否异常。

5.如权利要求4所述的驱动系统，其特征在于，该第一位置反馈单元包括与该叶片对应的光栅尺位移传感器，该第二位置反馈单元包括设置于该电机上的编码器或电位器。

6.一种多叶准直器，包括如权利要求1-5任一项所述的驱动系统。

7.一种多叶准直器的叶片驱动方法，包括以下步骤：

接收一设定的目标位置；

依据该叶片的初始位置和目标位置规划叶片的运行速度；

依据该运行速度驱动该叶片的运动；

检测该叶片的当前位置；

其中规划该叶片的运行速度的方式为：在该行程的第一段提升运行速度，在该行程的第二段保持运行速度，在该行程的第三段降低运行速度。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在该行程的第三段降低运行速度的步骤包括：在该行程的该第三段以动态变化的斜率降低该运行速度。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，设定该动态变化的斜率与叶片的余下行程成正比，其中依据该叶片的该目标位置与该叶片的该当前位置的差计算该余下行程。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括通过一修正因子修正该余下行程，该修正因子是电机机械时间常数和电机的当前速度的函数。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过与该叶片对应的光栅尺位移传感器或与该电机对应的编码器检测该叶片运行的该当前位置。

12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，分别通过与该叶片对应的光栅尺位移传感器和设于电机上的编码器检测该叶片运行的当前位置，且通过比较该光栅尺位移传感器和该编码器所反馈的该当前位置是否满足预定关系，来判别该叶片运动是否异常。