（机械制造及其自动化专业论文）高剂量近距离遥控放射治疗机的研制与开发.pdf

摘要 随着微电子技术及计算机技术的进步，微电子技术逐步向机械领域渗透，使 机电有机结合。同时，在放射治疗领域，组织间插植技术的发展，现代近距离治 疗技术取代了传统的近距离治疗，在很大程度上提高了放射治疗的整体水平和效 能。因此，高剂量近距离遥控放射治疗机的研制和开发具有非常明显的经济效益 和社会效益。本文围绕高剂量近距离遥控放射治疗机这一典型机电一体化系统的 设计方法和理论进行深入地研究和探索，并在此基础上开发和研制了能够帮助医 生在安全防护条件下或用遥控装置科学地进行治疗设计、精确定位，从而大大减 少医护人员受量的高剂量近距离遥控放射治疗机。全文主要研究内容和取得的成 果可概括如下。 1 综述了机电一体化技术及机电一体化系统( 产品) 的相关研究内容、特 点及发展趋势；阐述了课题提出的目的和意义，明确了本文研究的主要内容。 2 在分析机电一体化系统( 产品) 的构成要素及功能构成、构成要素的相 互联接、设计过程与内容及高剂量近距离遥控放射治疗机的目的功能的基础上， 明确了该治疗机的设计要求和性能指标，从而确定其总体设计方案。 3 围绕高剂量近距离遥控放射治疗机的工作原理和工作过程，研究了机电 一体化对机械结构的要求、机械系统部件的选择与设计原则，介绍了治疗机机械 结构设计的要点。 4 根据微机控制系统选择与设计原则，介绍了治疗机操作控制系统的设计 思路及要点，研究了治疗机放射源到位精度的控制及修正方法。 5 分析了高剂量近距离遥控放射治疗机的实际工作过程和应用要求，制定 了安全联锁防护措施。 最后，对高剂量近距离遥控放射治疗机的研制与开发进行总结。 关键词：放射治疗机；导向器；到位精度；双微机系统；半闭环控制 a b s t r a c t 、i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h em i c r o - e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , t h et e c h n o l o g yo f c o m p u t e ra n di m p l a n t i n gi nt h et i s s u e ，m o d e mc l o s e q u a r t e rt r e a t m e n th a st a k e nt h e p l a c eo ft h et r a d i t i o n a lo n e h e n c e ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h er e m o t e c o n t r o l l e dc l o s e q u a r t e rr a d i o a c t i v ee q u i p m e n t sw i t hl a r g ed o s a g e sh a st h eo b v i o u s e c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i t t h i sa r t i c l ei sf o c u s e do nt h ef u r t h e rr e s e a r c ha n d s t u d y a b o u tt h et h e o r ya n dd e s i g no ft h i ss y s t e m , at y p i c a lm e c h a n i c a l l ya n d e l e c t r o n i c a l l y i n t e g r a t e ds y s t e m o nt h eb a s i so ft h a t ，t h es y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hh e l p d o c t o r sd e s i g nt h et r e a t m e n ta n dd ot h ea c c u r a t eo r i e n t a t i o nu n d e rt h es a f ep r o t e c t i o n o rw i t ht h eh e l po f t h er e m o t ec o n t r o l l e dd e v i c e s t h ee s s a yi ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o ng e n e r a l l yr e v i e w st h el i t e r a t u r e so nc h a r a c t e r i s t i c sa n d t e n d e n c y a b o u tt h e m e c h a n i c a l l ya n de l e c t r o n i c a l l yi n t e g r a t e dp r o d u c t s ab r i e f i n t r o d u c t i o na b o u tt h i sr e s e a r c hi sp r e s e n t e d s e c o n d l y , a n a l y z i n gt h ei n s c a p e so ft h e m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a li n t e g r a t i o n ，t h ef u n c t i o n sa n dt h el i n k sb e t w e e nt h e i n s c a p e s ，t h ec o u r s eo ft h ed e s i g n i n g ，t h ea i m sa n df u n c t i o n so ft h er a d i o a c t i v e e q u i p m e n t sm e n t i o n e da b o v e ，t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dp e r f o r m a n c ei n d e xa r e d e s c r i b e dd e t a i lt od e c i d et h ed e s i g n i n gp l a no nt h ew h o l e t h e n ，r e v o l v i n ga r o u n dt h e w o r k i n gt h e o r ya n dt h ep r o c e s so ft h i ss y s t e m ，r e s e a r c h i n gt h er e q u i r e m e n t st ot h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r ea s k e db yt h em e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a li n t e g r a t i o n ，a n dt h e o p t i o na n dd e s i g nr u l e so ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e t h em a i nd e s i g n i n gp o i n t so ft h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r ea r ei n t r o d u c e d t h et h o u g h t so nt h ec o n t r o l l i n gs y s t e ma r e i n t r o d u c e da c c o r d i n gt or u l e so ft h ec o m p u t e r - c o n t r o l l e ds y s t e mo p t i o na n dd e s i g n r u l e sa n dt h ed e s i g n i n gw a y so ft h ei n f o r m a t i o nc u r r e n t t h ea c c u r a t ec o n t r o lo ft h e r a d i a t i o na n dt h ea m e n d i n gi sr e s e a r c h e d b ya n a l y z i n gt h ep r a c t i c a lw o r k i n gp r o c e s s o ft h es y s t e m ，t h ei n t e r l o c ks a f e g u a r d sa r ew o r k e do u t f i n a l l y ，c o n c l u s i o n so fa l l r e s e a r c he l j f b r t si nt h i sd i s s e r t a t i o na r em a d e k e yw o r d s ：r a d i o a c t i v ee q u i p m e n t ，g u i d e r , a c c u r a c yo f r e a c h i n gt h ed e s i g n a t e d p o i n t ，d o u b l em i c r o c o m p u t e rs y s t e m ，p a r t l yc l o s e d - l o o pc o n t r o l l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：黼签字日期：沙7 年月圹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：箱涮毫 签字日期： 明年月对瑁 导师躲孑够趸 和 签字日期：z 产，月2 弓日 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着微电子技术及计算机技术的进步，以及在癌症放射治疗领域内 组织间插植技术的发展，现代近距离放射治疗技术取代了传统的近距离放射治 疗。高剂量近距离遥控放射治疗机是集放射影像技术、放射物理、辐射剂量、放 射生物、医学机械、自动化控制、计算机等多门类科学于一体的，为癌症的近距 离放射治疗和科研技术提供的理想设备之一。它实际上是一个典型的机电一体化 系统，它利用计算机辅助治疗计划系统协助医生在安全防护条件下用遥控装置科 学地进行治疗设计、精确定位，利用人体自然腔管，无创伤、无痛苦，使放射源 直接靠近肿瘤表面或病灶中心，直接杀伤肿瘤细胞，使患病靶区得到最佳的照射 剂量，尽量避免损伤人体的正常组织，大大减少医护人员的受量，以提高放射治 疗的整体水平和效能。因为其控制精度高、安全防护性好、应用领域广，几乎适 应所有人体内外肿瘤的放射治疗，所以目前国内外对于近距离放射治疗机的需求 量是很大的，高剂量近距离遥控放射治疗机的研制和开发具有非常明显的经济效 益和社会效益。 1 1 文献综述 1 1 1 机电一体化的概念 “机电一体化”是微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概 念，是各相关技术有机结合的一种新形式。到目前为止，较为人们所接受的“机 电一体化”的涵义是日本机械振兴协会经济研究所提出的解释：“机电一体化乃 是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机 械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。” “机电一体化”打 破了传统的机械工程、电子工程、信息工程、控制工程等旧学科的分类方法，形 成了融机械技术、电子技术、信息技术等多种技术为一体，从系统的角度分析与 解决问题的一门新兴的交叉学科。 随着以i c 、l s i 、v l s i 等为代表的微电子技术的惊人发展，计算机本身也发 生了根本变革，以微型计算机为代表的微电子技术逐步向机械领域渗透，并与机 械技术有机地结合，为机械增添了“头脑”，增加了新的功能和性能，从而进入 以机电有机结合为特征的“机电体化时代。曾以机械为主的产品，如机床、 第一章绪论 汽车、照相机等，由于应用了微型计算机等微电子技术，都提高了性能并增添了 头脑。机电一体化的目的是使系统( 产品) 高附加价值化，即多功能化、高效率 化、高可靠化、省材料省能源化，并使产品结构向轻、薄、短、小巧化方向发展， 不断满足人们生活的多样化需求和生产的省力化、自动化需求。因此，机电一体 化的研究方法改变过去那种拼拼凑凑的“混合”设计法，从系统的角度出发，采 用现代设计分析方法，充分发挥边缘学科的技术优判。 1 1 2 机电一体化系统的构成与设计 1 机电一体化系统的构成要素及功能构成 机电一体化系统( 产品) 由机械系统( 机构) 、电子信息处理系统( 计算机) 、 动力系统( 动力源) 、传感检测系统( 传感器) 、执行元件系统( 如电动机) 等五 个子系统组成。通过传感器直接检测目标运动并进行反馈控制的系统为全闭环系 统。通过传感器检测某一部位( 如伺服电动机等) 运动并进行反馈、间接控制目 标运动的系统为半闭环系统。 不管哪类系统( 产品) ，其系统内部必须具备五种功能，即主功能、动力功 能、检测功能、控制功能、构造功能，其中主功能是实现系统目的功能直接必需 的功能。它主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行交换、传递和存储。动 力功能是向系统提供动力，让系统得以运转的功能。检测功能和控制功能的作用 是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施目 的功能。构造功能则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上 的相互关系所必需的功能。从系统的输入输出来看，除有主功能的输入输出之 外，还要有动力输入和控制信息的输入输出。此外，还有因外部环境引起的干 扰输入以及非目的性输出( 如废弃物等) 【1 1 。 综上所述，机电一体化系统的五大要素及其相应的五大功能如图1 1 所示。 图卜1 机电一体化系统( 产品) 的五大功能要素及其相应的五大功能 2 第一章绪论 2 机电一体化系统( 产品) 构成要素的相互联接 机电一体化系统是机械、电子和信息等功能各异的技术融为一体的综合系 统，其构成要素或子系统之间的接口极为重要。 广义的接口功能有两种：一种是输入输出；另一种是变换、调整。根据接 口的变换、调整功能，可将接口分为以下四种： ( 1 ) 零接口不进行任何变换和调整、输出即为输入等，仅起连接作用； ( 2 ) 无源接口只用无源要素进行变换、调整，如齿轮减速器、进给丝杠等； ( 3 ) 有源接口含有有源要素，主动进行匹配，如放大器、光电耦合器等； ( 4 ) 智能接口如微处理器，可进行程序编制或可适应性地改变接口条件。 根据接口的输入腧出功能，可将接口分为以下四种： ( 1 ) 机械接口根据输入输出部位的形状、尺寸精度、配合、规格等进行 机械联接，如联轴器等； ( 2 ) 物理接口受通过接口部位的物质、能量与信息的具体形态和物理条件 约束，如受电压、频率等约束的接口； ( 3 ) 信息接口受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件的约束； ( 4 ) 环境接口对周围环境条件( 温度、湿度等) 有保护作用和隔绝作用， 如防爆开关等。 图1 2 为机电一体化系统( 产品) 各构成要素之间的相互联系【1 1 。 图1 - 2 机电一体化系统( 产品) 各构成要素之间的相互联系 3 机电一体化系统( 产品) 的设计流程 机电一体化系统( 产品) 的设计流程如下。 第一章绪论 ( 1 ) 根据目的功能确定产品规格和性能指标。 ( 2 ) 系统功能部件、功能要素的划分。机电一体化系统( 产品) 必须具备 适当的结构才能满足所需功能。要形成具体结构，应以各构成要素及要素之间的 接口为基础来划分功能部件或功能子系统。各功能部件的规格要求，可根据整机 的性能指标确定。功能要素或功能子系统的选用或设计是指特定机器的操作( 执 行) 机构和机体，通常必须自行设计，而执行元件、检测传感元件和控制器等功 能要素既可自行设计也可选购市售的通用产品。 ( 3 ) 接口的设计。接口问题是各构成要素之间的匹配问题。执行元件与运 动机构之间、检测传感元件与运动机构之间通常是机械接口。控制器与执行元件 之间的驱动接口，控制器与检测传感元件之间的转换接口通常是微电子传输、转 换电路。因此，接1 ：3 设计问题就是机械技术和微电子技术的具体应用问题【b 】。 ( 4 ) 综合评价( 或整机评价) 。对机电一体化系统( 产品) 的综合评价主要 是对其实现目的功能的性能、结构进行评价。具体设计时，常采用不同的设计方 案来实现产品目的功能、规格要求和性能指标。因此，必须对这些方案进行综合 评价，从中找出最佳方烈b l 。 ( 5 ) 可靠性复查。机电一体化系统( 产品) 既可能产生电子电路故障、软 件故障，又可能产生机械故障，而且容易受到电噪声的干扰。因此，可靠性问题 显得格外突出。在产品设计中，除采用可靠性设计外，还必须采取必要的可靠性 措施，在产品设计初步完成后，还需要进行可靠性复查和分析，以便发现问题及 时改进。 ( 6 ) 试制与调试。样机试制是检验产品设计的制造可行性的重要阶段，并 通过样机调试来验证各项性能指标是否符合设计要求。这个阶段也是最终发现设 计中的问题以便及时修改和完善产品设计的必要阶段【lj 。 4 机电一体化系统( 产品) 的评价 系统( 产品) 内部功能价值通常用表1 1 所示的方法来评价。但是，机电一 体化的目的是提高系统( 产品) 的附加价值，所以附加价值就成了机电一体化系 统( 产品) 的综合评价指标。 机电一体化系统( 产品) 内部功能的主要评价内容如图1 3 所示。 机电一体化系统( 产品) 的一大特点是，由于机电一体化系统( 产品) 的微 电子装置取代了人对机械的绝大部分的控制功能，并加以延伸和扩大，克服了人 体能力的不足和弱点。另一大特点是节省能源和材料消耗。这些特点正是实现机 电一体化系统( 产品) 高性能化、智能化、省能省资源化及轻薄短小化的重要原 因，也正是对工业三大要素( 物质、能量和信息) 的具体贡献。如图l - 4 所示， 机电一体化的三大效果是与我国工业发展方向相一致的，也是我国机电一体化技 4 第一章绪论 术革命发展的重要原因【1 】。 表1 - 1系统( 产品) 的内部功能与系统的价值 系统( 产品) 的价值 系统( 产品) 内部功能 评价参数 高低 系统误差小大 抗干扰能力强弱 主功能 废弃物输出少多 变换效率高低 输入能量少多 动力功能 能源内装外设 控制输入输出口个数多少 控制功能 手动操作少多 尺寸、重量小、轻大、重 构造功能 强度高低 计测功能精度高 低 图卜3 机电一体化系统( 产品) 的评价内容 5 第一章绪论 图卜4 工业三大要素与机电一体化的三大效果 5 机电一体化系统( 产品) 的设计程序、准则和规律 ( 1 ) 设计程序 设计中一般采用三阶段法，即总体设计、部件( 零件) 的选择与设计或初步 设计、技术设计与工艺设计。 总体设计程序为：1 ) 明确设计思想；2 ) 分析综合要求；3 ) 划分功能模块； 4 ) 决定性能参数：5 ) 调研类似产品；6 ) 拟定总体方案；7 ) 方案对比定型；8 ) 编写总体设计论证书。 总体设计中应注意的问题有：1 ) 以机电互补原则进行功能划分，权衡用机 械技术或微电子技术实现其功能的利弊，明确哪些功能由机械技术来实现，哪些 功能由微电子技术的硬件和软件来实现，以利于简化机械结构；2 ) 用图表说明 功能要求与动作顺序要求；3 ) 分析产品的通用性与专用性以及批量的要求：4 ) 重点明确产品的主要特性；5 ) 分析产品的自动化程度及其适用性；6 ) 分析环境 条件要求；7 ) 动力源特性分析；8 ) 机、电、液( 气) 驱动的最佳匹配；9 ) 可 靠性分析；1 0 ) 结构尺寸及空间布置分析；1 1 ) 特殊功能分析，如快速响应性与 定位精度要求等【1 1 。 ( 2 ) 设计准则 主要考虑“人、机、材料、成本”等因素，产品的可靠性、适用性与完善性 设计最终可归结于在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。包括 让产品在使用保障期内无故障地运行，延长m t b f ( 平均故障间隔) ，减少因故 障停机给用户造成的损失，进一步提高产品的工作能力【l 】。 ( 3 ) 设计规律 总结一般机械系统的设计，具有以下规律：根据设计要求首先确定离散元素 6 第一章绪论 间的逻辑关系，然后研究其相互间的物理关系，这样就可根据设计要求和手册确 定其结构关系，最终完成全部设计工作。其中确定逻辑关系阶段是关键，分两个 步骤进行，首先进行功能分解，确定逻辑关系和功能结构，然后再建立物理模型， 确定其物理作用关系【lj 。 6 机电一体化系统( 产品) 的开发工程 机电一体化系统( 产品) 开发设计及其商品化过程各有其具体特点。归纳其 基本规律，机电一体化系统( 产品) 的开发工程之流程如图1 5 所示【lj 。 图卜5 机电一体化系统( 产品) 的开发工程之流程 7 机电一体化系统( 产品) 设计与现代设计方法 7 第一章绪论 ( 1 ) 计算机辅助设计与并行工程 计算机辅助设计( c a d ) 是设计机电一体化系统( 产品) 的有力工具。用来 设计一般机械产品的c a d 的研究成果，包括计算机硬件和软件，以及图像仪和 绘图仪等外围设备，都可以用于机电一体化系统( 产品) 的设计，需要补充的是 有关设计和制造的数据、计算方法和特殊表达形式等。 并行工程( c e - c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 是把系统( 产品) 的设计、制造及 其相关过程作为一个有机整体进行综合( 并行) 协调的一种工作模式。它力图使 开发者从一开始就考虑到产品全寿命周期内的所有因素，提高系统( 产品) 的全 面质量，降低产品全寿命周期内的成本，缩短系统( 产品) 研制开发的周期。 ( 2 ) 虚拟产品设计 虚拟产品设计是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计，是在基于多媒 体的、交互的三维计算机辅助设计环境中，设计者不仅能够直接在三维空间通过 三维操作、语言指令、手势等高度交互的方式进行三维实体建模和装配建模，最 终形成精确的系统( 产品) 模型，以支持详细设计和变形设计。 ( 3 ) 快速响应设计 快速响应设计是实现快速响应工程的重要一环。快速响应工程是企业面对瞬 息万变的市场环境，不断迅速开发适应市场需求的新系统( 产品) ，以保证企业 在激烈竞争环境中立于不败之地的重要工程。实现快速响应设计的关键是有效开 发和利用各种系统( 产品) 信息资源。 ( 4 ) 绿色设计 绿色设计是从并行工程思想发展而来的一个新概念，就是在新系统( 产品) 的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、 资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的负作用。绿色设计将系统( 产品) 寿命周期内各个阶段看成一个整体，在保证产品良好性能、质量及成本等要求的 情况下，还充分考虑到系统( 产品) 的维护资源及能源的回收利用以及对环境的 影响等问题。 ( 5 ) 反求设计 反求设计思想属于反向推理、逆向思维体系。反求设计是以现代设计理论、 方法和技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已 有的系统( 产品) 进行剖析、重构、再创造的设计。从某种意义上说，反求设计 就是设计者根据现有机电一体化系统( 产品) 的外在功能特性，利用现代设计理 论和方法，设计其内部子系统并构成整个机电一体化系统( 产品) i t 。 8 第一章绪论 1 1 3 机电一体化的特点及发展趋势 1 机电一体化的特点 ( 1 ) 简化机械结构和提高精度 在机电一体化系统( 产品) 中，通常采用调速电机来驱动机械系统，从而缩 短甚至取消了机械传动链。这不仅简化了机械结构，而且减少了由于机械摩擦、 磨损、间隙等引起的传动误差。并且可以用闭环控制系统来补偿机械系统的误差， 从而提高系统精度。 ( 2 ) 易于实现多功能和柔性自动化 在机电一体化产品中，计算机控制系统，不但取代其它的信息处理和控制装 置，且易于实现自动检测、数据处理、自动调节和控制、自动诊断和保护，还可 自动显示、记录和打印等。 ( 3 ) 产品开发周期缩短，竞争能力增强 机电一体化产品可以采用专业化生产的、高质量的机电部件，通过综合集成 技巧来设计和制造，因而不但产品的可靠性高，甚至在使用期限内无需维修，从 而缩短产品开发周期，增强产品在市场上的竞争能力。 ( 4 ) 促进经营管理体制发生根本性的变化 为了占领国内外市场和增强竞争力，企业必须重视用户信息的收集和分析， 迅速作出决策，迫使企业从传统的生产型向以经营为中心的决策管理体制转变， 实现生产、经营和管理体系的全面计算机化【2 1 。 2 机电一体化的发展趋势 机电一体化的应用范围广、覆盖面宽。主要应用领域有工厂自动化，其中典 型的研究课题为计算机集成系统、机器人、灵巧精密机器、机器视觉和自动导引 车系统等。办公室自动化系统，其中的课题为信息处理、字符与图形处理、通信 以及数据与信息产品等。家庭或住宅自动化，其中的课题为安全、能量控制及家 庭办公等。 近几年来，由于科学技术的迅猛发展和市场竞争的加剧，机电一体化不仅向 商业、银行、医疗和农业自动化等领域拓展，而且在机械产品、工厂自动化领域 中涌现出不少新概念和高新技术。如微机械或毫机械、智能机械或灵巧机械、并 行工程、敏捷制造等。这些新概念和高新技术几乎无一不以机电一体化技术作为 基础。而机电一体化技术也将在生产实践中随着高新技术的发展而发展【2 j 。 9 第一章绪论 1 2 课题的提出 在癌症的治疗中，除了手术和化疗，放射治疗技术己成为目前各种癌症的主 要治疗手段之一。通过几十年的临床，它的疗效已经得到充分肯定。据统计，我 国在被诊断的癌症病历中约有70 以上的恶性肿瘤病人需要放射治疗，从而达 到治愈肿瘤，减少病人痛苦和延长寿命的目的。 综观放射治疗方法的发展过程，核医学自1 8 9 6 年贝克勒尔发现“放射性 现象和1 8 9 8 年居里夫妇发现天然放射性元素钋和镭以来，已走过了一百多年的 历程。在过去的一个多世纪里，核医学从无到有，不断拓展。最早的放射治疗方 法是1 9 0 7 年斯坦贝克( s t e n b e c k ) 用镭治愈了皮肤癌，从此揭开了放疗的序幕。 但是长期以来，镭疗未能解决医护人员免受放射线照射的问题，加之缺乏治疗肿 瘤的设备，又未导入“剂量”这一物理概念，在其后很长一段时间进展不大。至 上世纪5 0 年代，主要是采用远距离外照射，射线通过人体表面达到体内的肿瘤 部位，这样的治疗过程中，人体表面就要受到很大剂量的放射线伤害。为了克服 这种缺陷，人们发展了一种对特定病种( 如妇科、直肠等) 进行内照射的技术。 它是由医生将放射源放入人体内部，照射完后再由医生取出。这种技术虽然克服 了病人正常组织所受的放射性伤害，但却使医护人员受到了放射性伤害。随后开 始的体腔内放射治疗技术可在放疗前先将一根导管插入人体内的肿瘤部位，然后 再由机器将放射源送入人体内，这就避免了医护人员所受的放射线伤害。但由于 受到当时技术条件的限制，为了避免体内照射时剂量失控，所以以前的体内照射 所使用的都是低活度放射源，同时治疗时间长，系统不完善，准确率低，安全性 差，更不能适应各种癌症的治疗，因而近距离治疗的应用受到一定的限制。 近些年来，随着微电子技术及计算机技术的进步，以及组织间插植技术的发 展，现代近距离放射治疗技术取代了传统的近距离放射治疗。它利用计算机辅助 治疗计划系统协助医生在安全防护条件下用遥控装置科学地进行治疗设计、精确 定位，使患病靶区得到最佳的照射剂量，尽量避免损伤人体的正常组织，以提高 放射治疗的整体水平和效能。由于安全、准确、可靠并简便，因此近距离照射发 展很快。 总的发展趋势还可从i a e a ( i n t e r n a t i o n a la t o m i ce n e r g ya g e n c y ，国际 原子能组织) 和o e c d ( o r g a n i z a t i o nf o re c o n o m i cc o r p o r a t i o na n dd e v e l o p - m e n t ，经济合作与发展组织) 的统计数字说明，近5 年来遥控铱- 1 9 2 近距离照 射治疗系统在发达国家迅速普及。全球大约已有5 0 0 0 台近距离照射治疗机用于 癌症治疗，并以每年10 9 6 左右的速度增长。我国放射治疗发展趋势与国外大致相 1 0 第一章绪论 仿。从提高疗效和患者的生活质量出发，近距离放射治疗在2 1 世纪必将呈现更 加蓬勃的发展前景h 1 。 目前国内外对于近距离放射治疗机的需求量是很大的，高剂量近距离遥控放 射治疗机的研制和开发具有非常明显的经济效益和社会效益。本课题所研制的高 剂量近距离遥控放射治疗机是集放射影像技术、放射物理、辐射剂量、放射生物、 医学机械、自动化控制、计算机等多门类科学于一体的高科技技术，为现代医疗 和科研技术提供的理想放射设备之一。它控制精度高、安全防护性好、应用领域 广，几乎适应所有人体内外肿瘤的放射治疗，同时为以前足定量外照射后有复发 的病人提供了另一种治疗手段，很大程度地改善了病人的生存质量。 1 3 本课题研究的目的和意义 从最近几年的近距离照射治疗进展中可以看出：治疗设备走向多功能，深入 临床多学科；核素选择倾向短半衰期、低能量；制源技术趋向小型化、微型化； 照射技术朝向高精度、高质量h 1 。 本课题所研制的高剂量近距离遥控放射治疗机将放射影像技术、放射物理、 辐射剂量、放射生物、医学机械、电子、计算机等多种高科技技术有机地结合起 来，利用计算机辅助治疗计划协助医生在安全防护条件下用遥控装置科学地进行 治疗设计、精确定位，利用人体自然腔管，无创伤、无痛苦，使放射源直接靠近 肿瘤表面，直接杀伤肿瘤细胞，既能使病灶部位获得要求的治疗剂量，又不至对 健康组织引起损伤，即最大限度地保护了正常组织，减轻放射治疗副反应，以提 高放射治疗的整体水平和效能。它可以弥补以往治疗源活度低、准确率差、安全 系数小及治疗时间长等不足，使近距离遥控照射治疗从传统的妇癌扩大到鼻咽 癌、鼻窦癌、食管癌、支气管肺癌、直肠癌、胆管癌、膀胱癌等的腔内放疗，骨 肉瘤、舌癌、乳腺癌、前列腺癌、皮肤转移癌的组织间插植治疗以及肿瘤表面、 癌性溃疡的敷贴放疗。它开辟了新的治疗手段，取得了明显的临床效果。 在该系统的研制过程中，吸收和采用了国际上先进的微电子和计算机控制等 先进技术，采用了高活度微型放射源，短时间内就达到治疗所需剂量。大大地缩 短了治疗时间，减少治疗次数，迅速缓解症状，达到治疗目的。采用步进电机控 制铱1 9 2 线源的驻留位置和驻留时间，并根据国内的临床要求，自行开发了计算 机辅助治疗计划系统，确保放疗的准确性、安全性和可靠性，使其达到多功能、 高精度和智能化。它具有以往产品所不及的高精度、高剂量和有效的剂量分布， 并大大减少了医护人员的受量。另外还配有内锁、自检、报警和紧急退出等装置， 第一章绪论 在治疗过程中，任何一步未达到要求，均可终止治疗，从而保证治疗及防护的安 全性。 1 4 本课题主要研究内容 i 机电一体化技术及机电一体化系统( 产品) 的相关研究内容、特点、发 展趋势。 2 机电一体化系统( 产品) 的构成要素及功能构成、构成要素的相互联接、 设计过程与内容；高剂量近距离遥控放射治疗机的设计要求、性能指标和总体设 计方案。 3 机电一体化对机械结构的要求、机电一体化系统机械系统部件的选择与 设计原则；高剂量近距离遥控放射治疗机的工作原理、工作过程及其机械结构设 计的要点。 4 机电一体化系统的微机控制系统选择与设计原则；治疗机操作控制系统 的设计思路。 5 治疗机放射源到位精度的控制及修正方法。 6 高剂量近距离遥控放射治疗机的应用要求及其安全联锁防护措施。 1 5 论文的组织结构 本文对高剂量近距离遥控放射治疗机这一典型机电一体化系统的研制与开 发进行了深入地研究。全文共分为五章：第一章绪论；第二章研究机电一体化系 统( 产品) 的构成要素及功能构成、构成要素的相互联接、设计过程与内容，提 出治疗机总体设计方案；第三章研究机电一体化对机械结构的要求、机械系统部 件的选择与设计原则，提出治疗机机械结构设计的要点；第四章研究微机控制系 统选择与设计原则、治疗机的实际工作过程和应用要求，从而进行控制系统设计； 提出放射源到位精度的控制及修正方法；制定安全联锁防护措施；第五章对高剂 量近距离遥控放射治疗机的研制与开发进行总结。 1 2 第二章总体方案设计 第二章总体方案设计 总体设计程序为：( 1 ) 明确设计思想；( 2 ) 分析综合要求；( 3 ) 划分功能模 块；( 4 ) 决定性能参数；( 5 ) 调研类似产品；( 6 ) 拟定总体方案；( 7 ) 方案定型； ( 8 ) 编写总体设计论证书。 在这个过程中，首先要根据目的功能确定产品规格和性能指标；然后要形成 具体结构，应以各构成要素及要素之间的接口为基础来划分功能部件或功能子系 统。各功能部件的规格要求，可根据整机的性能指标确定。功能要素或功能子系 统的选用或设计是指特定机器的操作( 执行) 机构和机体，通常必须自行设计， 而执行元件、检测传感元件和控制器等功能要素既可自行设计也可选购市售的通 用产品。 2 1 高剂量近距离遥控放射治疗机的设计要求和性能指标 2 1 1 设计要求 总的设计要求是高安全性、高可靠性和高精确度，应用范围广。性能指标瞄 准国际先进水平。通过利用计算机辅助治疗计划系统协助医生在安全防护条件下 或用遥控装置科学地进行治疗设计、精确定位，使患病靶区得到最佳的照射剂量， 尽量避免损伤人体的正常组织，以提高放射治疗的整体水平和质量，并减少医护 人员的受量。在整个治疗过程中，先由假源试一下通道情况，并进行检测，将信 息反馈给计算机进行处理，然后指挥执行件。这样一个循环后真源启动，进行正 式治疗。在治疗过程中要有多种联锁保护1 5 j ，并要有相应措施保障放射源的到位 精度。待治疗结束后，屏幕显示并告之医生。 根据以上目的功能分析和对类似产品的调查研究，可以初步确定产品规格和 性能指标。 2 1 2 性能指标 1 系统正常工作条件 1 3 第二章总体方案设计 ( 1 ) 环境温度：5 c - 4 0 0 c ； ( 2 ) 相对湿度：8 0 ： ( 3 ) 电源电压：2 2 0 v - t 2 2 v ，5 0 - k ：l h z ； ( 4 ) 连续工作时间：8 h 。 2 治疗机的基本性能 ( 1 ) 治疗机可向任意方向移动； ( 2 ) 治疗机中心线升降距离0 - 3 0 0 r a m ，距地最小距离为8 7 0 r a m ； ( 3 ) 放射源送源时间不大于5 s ； ( 4 ) 驻留点数1 - 1 0 5 位； ( 5 ) 源的总行程：1 0 0 0 m m 。 3 正常使用时应达到的要求 ( 1 ) 各操作按钮应灵活准确；各指示或显示装置应准确清晰；各调节和操 作机构应灵活可靠；各运动部位和机构的动作转换灵活可靠。 ( 2 ) 放射源输送系统在正常送、退源时应畅通无卡滞现象。 ( 3 ) 断电报警、分度头未锁紧报警、通道插管选位报警、通道受阻报警、 源头脱落报警、源头未进贮源容器中心报警，设有备用电源在外接电源中断时紧 急退源，单向手动退源和源位显示等装置，应准确可靠【5 】。 ( 4 ) 放射源表面放射性污染不大于1 8 5 b q 。 4 机械性能及精度要求 ( 1 ) 送源至驻留点最大距离 9 0 0 r a m ； ( 2 ) 送源至驻留点精度误差l 栅【习； ( 3 ) 送源至驻留点重复误差+ l m m ： ( 4 ) 放射源治疗时间偏差0 5 s ； ( 5 ) 机器底座采用放压升降系统，最大行程为3 0 0 m m ； ( 6 ) 在设计过程中要进行精度分析与计算，并使传动系统的寿命不低于1 5 年。 5 安全联锁防护性能指标 设置模拟源检测系统和真假系统。 ( 1 ) 出源保护： 1 ) 管道未接不出源； 2 ) 插头未锁紧不出源； 3 ) 通道受阻不出源。 ( 2 ) 电源系统故障保护： 1 4 第二章总体方案设计 1 ) 市电2 2 0 v 故障时由u p s 电源保护； 2 ) u p s 电源故障时，直流蓄电池提供电源将源收回，并保护现场； 3 ) 直流电源故障时，由单向手动板手收源【5 j 。 ( 3 ) 放射源运动采用半闭环控制。 ( 4 ) 能检测出源头脱落故障。 ( 5 ) 设置源放出最大长度的机械限位。 ( 6 ) 设置源收回到防护缸鼓中心的机械限位。 ( 7 ) 设置与t 报警仪的接口1 5 j 。 ( 8 ) 防护缸鼓表面剂应低于国家标准。 6 其它安全防护措施 ( 1 ) 治疗室门未关好，则不能启动。 ( 2 ) 治疗过程中，门被打开则停止治疗，放射源退回机内屏蔽罐中，并记 录下中断治疗时的数据，以便恢复治疗。 ( 3 ) 有紧急回源装置，当计算机失灵或电网故障时，采用备用电源驱动的 电机，将放射源退回到安全位置1 5 】o ( 4 ) 设有回源情况检测指示，以保证工作人员的安全。 ( 5 ) 紧急退源装置未与主机驱动器脱离时，计算机系统不能启动。 2 2 高剂量近距离遥控放射治疗机的总体方案 整个系统的设计流程如图2 1 所示。 为实现治疗机的目的功能，保证达到以上各项性能指标，整机将以微型计算 机为代表的微电子技术与机械技术有机地结合，采用模块化设计以便于生产维 护，降低故障率。 整个系统由治疗计划系统、控制系统和治疗机三部分组成，采用半闭环控制， 且具有良好的人机对话界面，操作方便。控制系统与治疗计划系统相对独立，采 用两台微机分别操作，制定治疗计划与治疗可同步进行，以提高效率。治疗计划 系统通过数字化仪将患者的影像进行正交、半正交和交角的影像重建，通过运算 可显示出优化治疗、三维存储显示剂量分布以及解剖结构，系统可以自动修正源 衰变，根据源位、病灶大小和形态，计算出等剂量分布曲线。控制系统具有操作 提示功能，能显示治疗通道号、治疗时间、故障信息及源实际到位影像掣5 1 。为 提高其安全可靠性，还应设计多级电器机械联锁保护，具有应急回源且故障恢复 后在断点接续治疗的功能。 第二章总体方案设计 根据系统( 产品) 的目的功能 确定产品规格和性能指标 按系统( 产品) 内部五大功能 划分功能部件或功能子系统 确定各功能部件 或子系统的功能要素 接口设计 整体评价 是否优? 、，一 y 卜 修正改进 可靠性复查 箍矽 、，一 y i 试镥屿调试 图2 一l 系统的设计沉程 治疗机的作用是根据计算机计算出的治疗计划，在计算机的控制下将放射源 准确、安全、定时地放置到人体病变部位。图2 - 2 是它的工作原理图，该机装有 两个相同的绕有钢丝绳的轮，一个是真源轮，一个是假源轮，两个轮的结构和大 小相同，分别由两个步进电机驱动，同时还装有一个直流电机，用于必要时做快 抽回的操作。通过齿轮传动来控制钢丝轮上钢丝绳的工作行程。放射源安放在真 源轮钢丝绳的最前端，所载的放射源约为0 0 9 x 7 m m 的圆柱体，一般放射源强度 为l o c i ，放射治疗时间一般为3 - 5 m i n ，使用时将塑料导管插入人体各需要治疗 的部位，该机最多可放置1 8 条塑料管，设置1 8 个治疗部位，多数情况下为3 4 个治疗部位。治疗时，先是假源轮运行，在计算机的操纵下进行试运行，经验证 无误后，真源轮再进行带放射源的真运行。钢丝绳的运行通道是：不工作时两钢 丝的端部停留在铅块中的安全区内，工作时钢丝绳经后套管到达换路器，换路器 在计算机的控制下，由编码器驱动，每次对准接管盘的一个治疗通道，然后进入 前导管，由计算机精确地控制钢丝绳的输出长度，使放射源到达治疗部位，这一 部位的治疗完成预定的时间后，钢丝绳回抽到安全区，编码器和换路器将前导管 对准下一个治疗通道，然后假源轮动作，进而真源轮动作，将放射源送到第二个 1 6 第二章总体方案设计 治疗部位，这样逐次完成各部位的放射治疗。 il2耋蠢，蠢 l 假源轮2 一真源轮 3 安全区4 编码器 5 一换路器6 换路导管 7 接管盘8 前导管 图2 - 2 放射治疗机工作原理示意图 放射治疗机的结构简图如图2 3 所示。 隔丽瓣 酒疗计如系统ll 控制系统 治疗机 硬件li 软件li 通讯接口li 传动机构il 防护鼓ii 检测装置 控制器ii 执行元俐1 数据采集器1l 接口 刻崮陲 l 进 渊障 刻吲也 矧 齿1 i 带1 l 钢 轮j l 轮l l 丝 传l i 绳 动il 轮 机i 一 构i 导 向 器 雏 图2 - 3 放射治疗机的结构简图 设计时，应先通过分析高剂量近距离遥控放射治疗机的工作原理、工作过程， 确定其机械结构设计的要点；然后再机电一体化系统的微机控制系统选择与设计 原则，进行治疗机操作控制系统的设计，确定治疗机放射源到位精度的控制及修 正方法；根据高剂量近距离遥控放射治疗机的应用要求，制定其安全联锁防护措 施。 各个子系统之间通过适当的接口相互联接与匹配。其中各功能部件的规格要 根据整机的性能指标确定；操作( 执行) 机构和机体的选用或设计，必须自行完 成；而执行元件、检测传感元件和控制器等功能要素，可根据具体情况自行设计 或选购市售的通用产品。 1 7 第二章总体方案设计 最后，对整个设计过程进行总结，对整个系统进行评价、可