CN201912650U - 一种用于医用直线加速器的智能联保控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于医用直线加速器的智能联保控制系统，能够实现病人保护联锁、机器联锁、误操作联锁，并且能够进行故障定位；该系统包括辅助联锁系统、辅助故障采集系统、主控计算机、和设置在直线加速器每个分系统中的故障检测模块；辅助故障采集系统包括位于检测点的温度传感器、位于钛泵电源的钛泵电流传感器、位于充气波导内的气压压力表、位于水冷系统的水压压力表、和治疗室屏蔽门开关，分别接入辅助联锁系统；辅助联锁系统为每个故障检测模块分配三个输入光耦，与故障检测模块上的三个输出光耦相连；为调制器系统和加速管系统分别分配一个输出光耦，与调制器系统上的和加速管系统上的输入光耦相连。

Description

一种用于医用直线加速器的智能联保控制系统

技术领域

本实用新型涉及医疗器械医用电子直线加速器技术领域，具体涉及一种用于医用直线加速器的智能联保控制系统。

背景技术

在医用直线加速器中设置联保控制系统是为了保证病人、操作人员的安全，并在日常使用期间保护机器，是加速器必不可少的功能。联保控制系统中需要考虑各种因素，例如，病人保护联锁是为了避免机器工作过程中可能出现的各种危害，如过剂量照射和机械损伤，并确保病人的准确治疗；有一些联锁是为了防止操作人员误操作可能产生的错误治疗；机器联锁是为了在机器元器件或分系统出故障时马上关闭机器，防止机器故障进一步扩大。联保控制系统不仅需要保证病人安全和机器安全，由于加速器联锁信号很多，出现故障后，难以对故障进行判断和定位，对故障的解决不利，因此联保控制系统还需要对故障进行定位，以协助进行故障排除。

但是，目前还没有一种能够满足上述要求的医用直线加速器联保控制系统。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种用于医用直线加速器的智能联保控制系统，通过检测直线加速器中的各部分故障并执行相应操作，从而关闭机器的部分或全部功能，实现了病人保护联锁、机器联锁、误操作联锁，并且能够进行故障定位。

该智能联保控制系统，包括：辅助联锁系统、辅助故障采集系统、主控计算机，以及分别设置在直线加速器每个分系统中的故障检测模块；所述分系统包括：调制器系统、加速管系统、剂量监控ADC1系统、ADC2系统、栅控枪AIC系统、治疗头系统和治疗床系统；

辅助故障采集系统包括：

设置于预设检测点的温度传感器，用于采集预设检测点温度；

设置于钛泵电源的钛泵电流传感器，用于采集钛泵电源电流；

设置于充气波导内的气压压力表，用于采集充气波导内气压；该气压压力表的电接点断开门限设定为0.22MPa，那么当采集气压值低于0.22MPa时，气压压力表的电接点断开；

设置于水冷系统的水压压力表，用于采集水冷系统水压；该水压压力表的电接点断开门限设定为预设值，那么当采集水压值低于预设值时，水压压力表的电接点断开；

以及，治疗室屏蔽门开关，当治疗室屏蔽门未关上时，治疗室屏蔽门开关触电断开；

每个故障检测模块为辅助联锁系统预留3个设置有输出光耦的输出接口，3个预留输出接口分别定义为断束流操作、断高压操作和断低压操作；当故障检测模块检测到故障并确定相应操作后，将操作对应的输出光耦设为未导通；各故障检测模块还分别与主控计算机通信连接，在检测到故障后将故障代码发送给主控计算机显示；

调制器系统中的故障检测模块预留1个设置有输入光耦的输入接口，当该输入光耦输出低电平时，故障检测模块执行断高压操作；加速管系统的故障检测模块预留1个设置有输入光耦的输入接口，当该输入光耦输出低电平时，故障检测模块执行断束流操作；

辅助联锁系统包括：单片机、RS485接口、温度信号转换模块、钛泵电流信号转换模块以及若干输入光耦和输出光耦；

单片机，通过RS485接口与主控计算机相连，通过温度信号转换模块与温度传感器相连，通过钛泵电流信号转换模块与钛泵电流传感器相连，通过输入光耦与气压压力表和水压压力表相连；辅助联锁系统为每个故障检测模块分配三个输入光耦，单片机通过三个输入光耦与故障检测模块上的三个输出光耦相连；辅助联锁系统为调制器系统和加速管系统分别分配一个输出光耦，单片机进一步通过输出光耦与调制器系统上的输入光耦和加速管系统上的输入光耦相连；当单片机确定断高压时，将连接调制器系统的输出光耦设为未导通，当单片机确定断束流时，将连接加速管系统的输出光耦设为未导通，当单片机确定断低压时，通过RS485接口通知主控计算机；

温度信号转换模块，用于将温度传感器的输出信号转换为数字量输入单片机；

钛泵电流信号转换模块，用于将钛泵电流传感器的输出信号转换为数字量输入单片机；

主控计算机，用于根据所接收的故障代码，显示故障原因和相应操作信息；在接收到辅助联锁系统的断低压通知时，通知所有分系统执行断低压操作。

优选地，所述辅助故障采集系统包括温度传感器1～7，分别设置在加速管入口、磁控管磁铁出口、磁控管阳极出口、加速管聚焦线圈出口、微波系统大负载出口、加速管束流偏转线圈出口和水冷系统外循环水入口。

优选地，所述辅助联锁系统进一步包括同步时钟产生模块、74LS123芯片和发光二极管HL1；所述同步时钟产生模块与各分系统相连，向各分系统提供1MHz的同步时钟信号；所述同步时钟产生模块进一步连接74LS123芯片，74LS123芯片连接发发光二极管HL1；所述同步时钟信号通过74LS123芯片展宽后触发发光二极管HL1。

根据以上技术方案可见，本实用新型具有如下优点：

本实用新型智能联保控制系统能够对各分机状态和各设定检测点进行实时监控，医用直线加速器一旦出现故障后，智能联保控制系统能够关闭机器的部分或全部功能，并对故障进行定位，使机器故障一目了然，有利于对故障的判断和排除工作。由于检测点设置的较为全面，因此，能够有效判断故障和进行联锁动作。

其次，本实用新型采用光耦实现辅助联锁系统与压力表、开关和分系统之间的信息传递，结构简单可靠。

附图说明

图1为本实用新型智能联保控制系统的结构框图。

图2为本实用新型智能联保控制系统的具体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

本实用新型提供了一种用于医用直线加速器的智能联保控制系统，其核心思想是，建立一个辅助联保系统，用于监测医用直线加速器水冷系统中的水温、水压、充气波导系统中的气压、钛泵电源的电流、治疗室屏蔽铅门的开关以及各个分系统的故障，根据故障类型确定相应操作，以便实现病人保护联锁、机器联锁、误操作联锁。

为了便于发现故障、排除故障，本实用新型把机器故障分为如下几块：调制器系统故障、加速管系统故障、剂量监控(ADC)1系统故障、ADC2系统故障、栅控枪(AIC)系统故障、治疗头系统故障、治疗床系统故障以及涵盖各种预设检测点的辅助故障采集系统故障。其中，辅助故障采集系统具体包括水冷系统的水温、水压，充气波导系统中的气压、钛泵电源和屏蔽门开关故障。

基于上述故障分类，图1示出了本实用新型智能联保控制系统的结构示意图，如图1所示，该智能联保控制系统包括辅助联锁系统、辅助故障采集系统、设置在直线加速器7大分系统中的故障检测模块和主控计算机。7个分系统为：调制器系统、加速管系统、ADC1系统、ADC2系统、AIC系统、治疗头系统和治疗床系统。

如图2所示，辅助故障采集系统包括：温度传感器、钛泵电流传感器、气压压力表，水压压力表、治疗室屏蔽门开关，分别接入辅助连锁系统。

辅助联锁系统包括：单片机、温度信号转换模块、钛泵电流信号转换模块、输入光耦、输出光耦和RS485接口。单片机通过温度信号转换模块连接温度传感器，通过钛泵电流信号转换模块连接钛泵电流传感器，通过输入光耦连接气压压力表，水压压力表和治疗室屏蔽门开关，通过输入光耦和输出光耦连接各故障检测模块，通过RS485接口连接主控计算机。

每个故障检测模块为辅助联锁系统预留3个设置有输出光耦的输出接口，分别接入辅助联锁系统中的3个输入光耦，3个预留输出接口分别定义为断束流操作、断高压操作和断低压操作。调制器系统中的故障检测模块预留1个设置有输入光耦的输入接口，分别接入辅助联锁系统中的1个输出光耦，当该输入光耦输出低电平时，调制器系统执行断高压操作；加速管系统的故障检测模块预留1个设置有输入光耦的输入接口，当该输入光耦输出低电平时，加速管系统执行断束流操作。

其中，低压是指各分系统的供电电压，各分系统上电完成后，才能为调制器系统加高压，一切就绪，才能控制加速管发束流。因此，智能联保控制系统在确定断束流时，通知加速管系统执行断束流操作。故障检测模块还与主控计算机通信相连。

下面结合图2对智能联保控制系统的组成和工作过程进行详细描述。

●辅助故障采集系统联保

辅助故障采集系统负责设定检测点的故障采集，故障判断由辅助联锁系统执行。

如图2所示，辅助故障采集系统包括温度传感器1～7、钛泵电流传感器、水气压力传感单元和治疗室屏蔽门开关，并分别接入辅助联锁系统。

(1)温度传感器1～7分别用于采集如下7个检测点的温度，这7个检测点分别为：1-加速管入口；2-磁控管磁铁出口；3-磁控管阳极出口；4-加速管聚焦线圈出口；5-微波系统大负载出口；6-加速管束流偏转线圈出口；7-水冷系统外循环水入口。温度传感器1～7采集的表示温度的电流量输入辅助联锁系统。

温度信号转换模块采用运算放大器把7路温度传感器电流输入量转化为电压量，变化范围为0-5V，由TLC1543A/D转换0-50℃的数字量，输入单片机。单片机将温度的数字量与设置值相比较，比设置值大时，确定水温过高故障以及相应的操作为断低压。并且，单片机通过RS485接口将断低压指令发送给主控计算机，由主控计算机通过通信线路通知所有分系统断低压。单片机还通过RS485接口将故障代码发送给主控计算机，在主控计算机上显示故障原因和操作，例如显示“辅助系统温度断低压”。

(2)钛泵电流传感器

钛泵电流传感器通过导线接入辅助联锁系统中的钛泵电流信号转换模块。钛泵电流信号转换模块将钛泵电流传感器的输出信号转换为数字量输入单片机。单片机在检测到钛泵电流传感器采集的钛泵电流超过预设电流门限时，确定钛泵电流故障以及相应操作为断束流。此时，单片机将与加速管系统连接的输出光耦设为未导通，加速管系统中的故障检测模块检测到自身输入光耦输出低电平时，执行断束流操作。单片机还通过RS485接口将故障代码发送给主控计算机，在主控计算机上显示故障原因和操作，例如显示“辅助系统钛泵断束流”。

(3)水气压力传感单元

水气压力传感单元包括采集充气波导内气压的气压压力表和采集水冷系统水压的水压压力表。两个压力表均通过输入光耦接入单片机。

从磁控管到加速管陶瓷窗之间的波导传输的微波功率较强，为了防止波导管中产生放电，必须填充介电常数较高的介质气体，当充气波导内的气压低于0.22MPa时，压力表的电接点断开，对应的输入光耦没有导通，光耦输出为低电平；此时，单片机根据输入光耦的电平变化得知充气波导内气压低于0.22MPa，确定充气波导气压故障以及相应操作为断高压；并且，将与调制器系统连接的输出光耦设为未导通，调制器系统中的故障检测模块检测到输入光耦输出低电平时执行断高压操作。单片机还通过RS485接口将故障代码发送给主控计算机，在主控计算机上显示故障原因和操作，例如显示“辅助系统气压断高压”。

在水冷系统中设置三个检测点，每个检测点设置一个压力表。各压力表均通过输入光耦接入辅助联锁系统。当任一检测点的水压低于设定值时，相应压力表的电接点断开，对应的输入光耦没有导通，输入光耦输出为低电平；此时，单片机根据输入光耦的电平变化得知水冷系统水压低于设定值，确定水冷系统水压故障以及相应操作为断低压；并且，将断低压指令发送给主控计算机，由主控计算机控制所有分系统断低压。单片机还将故障代码发送给主控计算机，在主控计算机上显示故障原因和操作，例如显示“辅助系统水压断低压”。

(4)治疗室屏蔽门开关

治疗室屏蔽铅门的开关通过输入光耦接入辅助联锁系统。当治疗室屏蔽铅门没有关上，屏蔽门开关对应的输入光耦没有导通，该输入光耦输出为低电平；此时，单片机根据输入光耦的电平变化确定治疗室屏蔽门开关故障以及相应操作为断高压；并且，将与调制器系统连接的输出光耦设为未导通，调制器系统中的故障检测模块检测到输入光耦输出低电平时执行断高压操作。单片机还将故障代码发送给主控计算机，在主控计算机上显示故障原因和操作，例如显示“辅助系统屏蔽门断高压”。

●调制器系统联保

调制器系统中的故障检测模块检测所在分系统故障，故障类型包括：主脉冲变压器过流故障、闸流管驱动电路故障、IGBT故障(例如击穿)、仿真线充电电路过流故障、负失配电流过流故障、信号源脉冲反馈故障、磁控管灯丝电源故障、磁控管磁铁电源故障、赋能过流故障等。

调制器系统的三个预留输出接口通过输入光耦接入辅助联锁系统，调制器中的输入接口通过输出光耦接入辅助联锁系统。

调制器系统中的故障检测模块检测到故障时，无论是哪种类型的故障，均确定相应操作为断高压。此时，控制断高压对应的输出光耦不导通，输出低电平，使辅助联锁系统上相应输入光耦不导通，输出为低电平；故障检测模块还将故障代码发送给主控计算机，在主控计算机上显示故障原因和操作，例如显示“调制器断高压”。单片机在检测到连接调制器系统的断高压输出接口的输入光耦不导通时，确定断高压，通过将连接调制器系统的输出光耦设为未导通，从而将断高压指令发送给调制器系统，由调制器控制板完成断高压操作。

●加速管系统联保

加速管系统中的故障检测模块检测所在分系统故障，故障类型包括：预聚焦电源故障、预导向电源故障、输入导向电源故障、聚焦电源故障、偏转电源故障、移相器故障。

加速管系统的三个预留输出接口通过输入光耦接入辅助联锁系统，加速管系统中的输入接口通过输出光耦接入辅助联锁系统。

加速管系统中的故障检测模块检测到故障时，根据故障类型确定断束流、断高压、或断低压，控制相应预留接口对应的输出光耦不导通，从而使得辅助联锁系统上相应输入光耦不导通；故障检测模块还将故障代码发送给主控计算机，在主控计算机上显示故障原因和操作，例如显示“加速管断束流”或“加速管断高压”或“加速管断低压”。单片机在检测到连接加速管系统的某输入光耦不导通时，根据未导通输入光耦位置确定相应操作类型，并通知相应分系统执行操作。

其中，加速管系统故障与相应操作的对应关系为：预聚焦电源故障、预导向电源故障和输入导向电源故障对应的操作为断束流；聚焦电源故障和偏转电源故障对应的操作为断低压；移相器故障对应的操作为断高压。

●ADC1系统和ADC2系统联保

ADC系统中的故障检测模块检测所在分系统故障，故障类型包括：输出导向电源故障、电离室电源故障、对称性故障、均整度故障、剂量率故障、剂量到达故障、ADC系统主机断高压故障及治疗时间到达故障。

ADC系统的三个预留接口通过光耦接入辅助联锁系统。ADC系统中的故障检测模块检测到故障时，无论是哪种类型的故障，均确定相应操作为断高压。此时，故障检测模块控制断高压接口对应的输出光耦不导通，使得辅助联锁系统上相应输入光耦不导通，输出为低电平；ADC系统还将故障代码发送给主控计算机，在主控计算机上显示故障原因和操作，例如显示“ADC1断高压”或“ADC2断高压”。单片机在检测到连接ADC系统的断高压接口的输入光耦不导通时，确定断高压，通过将连接调制器系统的输出光耦设为未导通，从而将断高压指令发送给调制器系统，由调制器控制板完成断高压操作。

●AIC系统联保

AIC系统中的故障检测模块检测所在分系统故障，故障类型包括：栅控枪灯丝电源故障、栅控枪正栅压故障、负栅压故障、栅压脉冲反馈故障、调制器同步脉冲故障、束流误差故障。

AIC系统的三个预留接口通过光耦接入辅助联锁系统。AIC系统中的故障检测模块检测到故障时，根据故障类型确定断束流、或断高压，控制相应预留接口对应的输出光耦不导通，使辅助联锁系统上相应输入光耦不导通。AIC系统还将故障代码发送给主控计算机，在主控计算机上显示故障原因和操作，例如显示“AIC断束流”或“AIC断高压”。单片机在检测到连接AIC系统的某输入光耦不导通时，根据未导通输入光耦连接对象确定相应操作类型，并通知相应分系统执行操作。

其中，AIC系统的故障与相应操作的对应关系为：栅控枪灯丝电源故障、栅控枪正栅压故障、负栅压故障和栅压脉冲反馈故障对应的操作为断高压；调制器同步脉冲故障和束流误差故障对应的操作为断束流。

●治疗头系统联保

治疗头系统中的故障检测模块检测所在分系统故障，故障类型包括：位置开关故障、能档不到位故障、电机驱动电源故障、附件联锁故障。

治疗头系统的三个预留接口通过光耦接入辅助联锁系统。治疗头系统中的故障检测模块检测到故障时，根据故障类型确定断束流、或断高压，控制相应预留接口对应的输出光耦不导通，使辅助联锁系统上相应输入光耦不导通。治疗头系统还将故障代码发送给主控计算机，在主控计算机上显示故障原因和操作，例如显示“治疗头断束流”或“治疗头断高压”。单片机在检测到连接AIC系统的某输入光耦不导通时，根据未导通输入光耦连接对象确定相应操作类型，并通知加速管系统断束流或通知调制器系统断高压。

其中，治疗头系统的故障与相应操作的对应关系为：位置开关故障、能档不到位故障和电机驱动电源故障对应的操作为断束流；附件联锁故障对应的操作为断高压。

●治疗床系统联保

治疗床系统中的故障检测模块检测所在分系统故障，故障类型包括：不到位故障。

治疗床系统的三个预留接口通过光耦接入辅助联锁系统。治疗床系统中的故障检测模块检测到不到位故障时，确定断高压操作，控制断高压输出接口对应的输出光耦不导通，使辅助联锁系统上相应输入光耦不导通。治疗床系统还将故障代码发送给主控计算机，在主控计算机上显示故障原因和操作，例如显示“治疗床断高压”。单片机在检测到连接治疗床系统的断高压接口的输入光耦不导通时，确定断高压，通过将连接调制器系统的输出光耦设为未导通，从而将断高压指令发送给调制器系统，由调制器控制板完成断高压操作。

本实施例中，辅助联锁系统进一步包括同步时钟产生模块，其生成1MHz的同步时钟，发送给各分系统，以同步各分系统的操作，为了防止干扰，同步时钟信号经过SN75110差分后输出。为了便于监测同步时钟信号是否正常，把同步时钟信号通过74LS123展宽后触发发光二极管HL1，当HL 1亮时表示同步时钟信号正常，不亮则表示有故障。

为了提示相关人员当前故障类型，本实用新型设置四个发光二极管HL2、HL3、HL4、HL5，和一个复位开关，可以设置在主控计算机所在的控制台上。HL2表示断高压故障、HL3表示断束流故障、HL4表示断低压故障、HL5表示总故障；在未发生任何故障时点亮HL2、HL3、HL4和HL5，当辅助联锁系统检测到任一故障时，熄灭HL5；当检测到断束流故障时，熄灭HL3；当检测到断高压故障时，熄灭HL2和HL3；当检测到断低压故障时，熄灭HL2、HL3和HL4。当故障被排除后，按下控制台上的复位键，发光二极管HL2、HL3、HL4、HL5重新全部点亮。

当系统出现任一故障，都会中断医用直线加速器的工作，为了方便调试，本实用新型提供了故障屏蔽功能。在控制台上设置8个故障屏蔽按键1～8，分别对应辅助故障采集系统、调制器系统、加速管系统、ADC1系统、ADC2系统、AIC系统、治疗头系统、治疗床系统。当某个故障屏蔽按键被按下时，该故障屏蔽按键对应的故障发生后，医用直线加速器的正常工作不会被中断。但未被按下的故障屏蔽按键对应的故障发生时，医用直线加速器的正常工作还是会被中断。故障屏蔽按键被弹起后，取消故障屏蔽。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于医用直线加速器的智能联保控制系统，其特征在于，该系统包括辅助联锁系统、辅助故障采集系统、主控计算机、以及分别设置在直线加速器每个分系统中的故障检测模块；所述分系统包括：调制器系统、加速管系统、剂量监控ADC1系统、ADC2系统、栅控枪AIC系统、治疗头系统和治疗床系统；

辅助故障采集系统包括：

设置于预设检测点的温度传感器；

设置于钛泵电源的钛泵电流传感器；

设置于充气波导内的气压压力表，该气压压力表的电接点断开门限设定为0.22MPa；

设置于水冷系统的水压压力表，该水压压力表的电接点断开门限设定为预设值；

以及，治疗室屏蔽门开关；

每个故障检测模块为辅助联锁系统预留3个设置有输出光耦的输出接口，3个预留输出接口分别定义为断束流操作、断高压操作和断低压操作；各故障检测模块还分别与主控计算机通信连接；调制器系统中的故障检测模块预留1个设置有输入光耦的输入接口；加速管系统的故障检测模块预留1个设置有输入光耦的输入接口；

辅助联锁系统包括：单片机、RS485接口、温度信号转换模块、钛泵电流信号转换模块以及若干输入光耦和输出光耦；

所述单片机通过RS485接口与主控计算机相连，通过温度信号转换模块与温度传感器相连，通过钛泵电流信号转换模块与钛泵电流传感器相连，通过输入光耦与气压压力表和水压压力表相连；辅助联锁系统为每个故障检测模块分配三个输入光耦，单片机通过三个输入光耦与故障检测模块上的三个输出光耦相连；辅助联锁系统为调制器系统和加速管系统分别分配一个输出光耦，单片机通过输出光耦与调制器系统上的输入光耦和加速管系统上的输入光耦相连。

2.如权利要求1所述的用于医用直线加速器的智能联保控制系统，其特征在于，所述辅助故障采集系统包括温度传感器1～7，分别设置在加速管入口、磁控管磁铁出口、磁控管阳极出口、加速管聚焦线圈出口、微波系统大负载出口、加速管束流偏转线圈出口和水冷系统外循环水入口。

3.如权利要求1所述的用于医用直线加速器的智能联保控制系统，其特征在于，所述辅助联锁系统进一步包括同步时钟产生模块、74LS123芯片和发光二极管HL1；所述同步时钟产生模块与各分系统相连，向各分系统提供1MHz的同步时钟信号；所述同步时钟产生模块进一步连接74LS123芯片，74LS123芯片连接发发光二极管HL1；所述同步时钟信号通过74LS123芯片展宽后触发发光二极管HL1。

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