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多叶光栅控制系统的设计与实现 研究生钟睿 核技术及应用专业 指导教师郑高群 摘要： 医学用自动多叶准直器，又名自动多叶光栅( m u l t il e a f c o l l i m a t o r ，简称 m l c ) ，是放射医疗中使用的一种设备，它的基本工作原理是采用多路电机带 动丝杆转动，从而推动钨制叶片前进或后退，使得位于两端的多个叶片能合围 成一个和需要进行照射的肿瘤部位形状相同的图形，供射线通过，达到放射医 疗目的。 自动多叶光栅是放射治疗的重要设备，因此，设计和开发高精度的医用自 动多叶光栅不仅具有较高的学术意义，而且具有很高的实用价值。 世界上的知名医疗器械厂商，如西门子，v a r i a n ，e l e k t a 等，都拥有自己的 m l c 专利产品。这些国外的m l c 产品特点是精度高，性能可靠。但是，基于 设计上的方便和商业上的操作，这些m l c 往往和自己配套型号的加速器整合 在一起，并配合自己的治疗系统( t p s ) 起使用，而不能在其它的加速器上 使用。 作者在研究生学习期间，有幸参与了我国具有自主知识产权的m l c 产品 的研制工作。该m l c 采用外挂式结构，可以和国内多款还在广泛使用的而又 不具备m l c 功能的加速器配套使用，同时也可替代进口设备，因此具有很广 泛的应用前景。 本文首先介绍m l c 的基本结构及工作原理，并对叶片驱动及通信实现等 做了详细说明。文章重点讨论了直流电机模糊控制算法、位移精度与校准，以 及系统可靠性与稳定性等问题。最后，作者对本m l c 控制系统的功能扩展做 出了展望。 本m l c 产品已经成功通过了国家医疗器械标准检测，并在医院进行了临 床实验及测试，效果良好。本文也给出了部分测试数据结果。 关键词： 多叶光栅单片机直流电机p w m 模糊控制 a b s t r a c t ： m l c ，f o rs h o r to fm u l t il e a fc o l l i m a t o rw a sw i d e l yu s e di nr a d i a t i o nt h e r a p y f i e l d t h eb a s i ca p p l i c a t i o no ft h em l ci st o r e p l a c ec o n v e n t i o n a lb l o c k i n g t h e f i e l d s h a p i n gf u n c t i o n ss e r v e db yt h e s ef a m i l i a ra n dv 以d e l yu s e dp r o c e d u r e sc a l lb e l a r g e l yd u p l i c a t e db yl e a fp o s i t i o ns e t ss t o r e do nac o m p u t e rf i l et of o r mad e s i r e d f i e l ds h a p e t h ew o r l df a m o u st h e r a p ya c c e l e r a t o rm a n u f a c t u r e r sh a v et h e i ro w nm l c p r o d u c t s b u ti no u re o t m t r y , m l ct e c h n o l o g yw a ss t i l ls t a y e da tal o wl e v e l i nt h ep o s t g r a d u a t es t u d yp e r i o d ，t h ea u t h o rh a dt a k e np a r ti nam l c d e v e l o p p r o j o c t t h ea i mo ft h i sp a p e ri st op r o v i d eb a s i ci n f o r m a t i o na n dt os t a t ef u n d a m e n t a l c o n c e p t so f m l c c o n t r o ls y s t e m i nt h i sp a p e r t h es t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f m u l t il e a f c o l l i m a t o rf o r r a d i a t i o nt h e r a p yw e ei n t r o d u c e d t h ec o n t r o ls y s t e mf o rt h ec o l l i m a t o rw a s d i s c u s s e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h es i n g l ec h i pc o m p u t e ra n di t si n t e r f a c ed e s i g n , t h e d em o t o rp w mc o n t r 0 1 a n dt h ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h mf o r1 1 i g hd i s t a n c em o v i n g a c c u r a c y t h es y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e di nah o m e m a d ec o l l i m a t o r k e y w o r d s ： m u l t il e a f c o u i m a t o r , s i n g l ec h i pc o m p u t e r , d em o t o r , p w m ，f u z z yc o n t r o l 4 0 前言 多叶光栅( m u l t il e a f c o l l i m a t o r ) ，简称m l c ，又称多叶准直器，是一种用 于成型射野，屏蔽射野外多余射线的特殊装置，如图o 1 所示： 图0 1m l c 外观 在放射治疗中，常使用准直器将射线束流引导( 聚焦或约束) 到肿瘤部位， 达到杀死病变细胞同时又保护正常组织的目的。在m l c 没有被广泛应用的时 候，大多情况下是依据诊断照片，使用铅模制作准直器。这种方法制模周期长 且不经济。由于医疗方案的复杂性，病变的多样性，不但对不同病人需要有不 同的铅模，即使对同一病人，在同一次治疗的不同照射角上以及在不同的治疗 阶段，都会有多种形状不同、大小各异的铅模，这将造成临床使用的困难，也 给医疗档案的管理带来了极大的麻烦。 为了克服以上提到的这些困难，近年来，自动多叶光栅的应用越来越广泛。 5 自动多叶光栅是采用可以自动驱动的多组叶片构成的光栅结构，每个叶片经由 丝杆与微型电机相连，由计算机控制电机的转动，从而推动叶片的移动，使得 位于射野两侧的多个叶片能合围成一个治疗方案所需的形状作为射线束的入射 孔。治疗计划系统根据肿瘤的轮廓数据给出多叶光栅的成型参数，并将参数传 递给多叶光栅，实现治疗过程的自动控制。由于多叶光栅能根据治疗方案方便、 快捷地形成射野，所以非常经济，又便于在线实现和管理。它能支持包含常规 治疗、多野适形治疗、适形调强治疗等在内的各种治疗计划系统，可完全替代 目前使用的铅模系统以及各种补偿器、挡块的制作。因此，自动多叶光栅代表 了今后的发展方向。此外，为了提高肿瘤的治疗效率和治愈率，三维适形调强 治疗将成为2 1 世纪放射治疗技术的主流，而自动多叶光栅正是此项技术的关键 设备之一因此，设计和开发高精度的医用自动多叶光栅不仅具有较高的学术 意义，而且具有很高的实用价值。 作者在研究生学习阶段，有幸参与了一款自动多叶光栅的研制和开发工作， 并将工作内容总结归纳成本文。本文主要阐述了以下几方面的问题： 1 多叶光栅在放射治疗中的应用 2 多叶光栅系统控制原理及实现 3 多叶光栅可靠性及精度的实现 4 对下一步系统功能扩展的展望 作者希望通过对这些问题的阐述，介绍自动多叶光栅控制系统的设计原理 和实现方案，以及对在实现过程中所涉及的一些关键问题的思考。 6 、 第一章多叶光栅在放射治疗中的应用 1 1 三维适形放射治疗基础 放射治疗是治疗恶性肿瘤的重要手段之- - 1 ，它的基本工作原理就是利用 射线能量杀死癌细胞，从而达到治疗的目的。由于癌变部位周围往往都分布着 正常的组织或器官，要提高肿瘤放射治疗的效果，必须提高其治疗的增益比， 即需要最大限度地将射线集中到病变( 靶区) 内，杀死肿瘤细胞，而使周围正 常组织和器官少受或免受不必要的照射。近年来，随着影像诊断与放疗技术的 进步，采用高能x 射线或电子束、质子束等围绕靶点连续旋转或固定野集束照 射，可以在照射部位得到类似靶区断层图像的适形剂量分布使射线最大限度 地集中在病变靶区内。 在治疗病人时，首先根据c t 、m r j 所得的靶区与周围器官和组织的三维 解剖，利用计划系统( t p s ) 计算出射野照射方向上应有的射线强度分布，然 后按照设计好的强度分布在治疗机上实施治疗这种方法称为适形放射治疗或 三维适形放射治疗( 3d i m e n s i o n a lc o n f o r m e dr a d i a t i o nt h e r a p y ，3 d c r t ) 。 这在技术上必须满足下面两个要求：首先必须使高剂量放射线的分布形状 在三维方向上与靶区形状一致；其次，还需使靶区内及表面的剂量分布均匀一 致，即要求在每个射野内诸点的输出剂量处处相等。因而其照射方式必须严密 计算，并做出规划，且能按要求进行调整。只有这样才能使放射治疗的增益比 得到明显的提高，将射线最大限度地集中在病变靶区内，而使其周围正常组织 或器官免受波及，从而可望提高肿瘤的局部控制，并减少放射治疗的合并症， 使病人得到良好的生存质量。随着电子计算机技术的飞速发展，影像诊断技术 亦日新月异，传统的放射治疗技术设备也加快了更新换代，医学领域内各学科 的相互渗透和协作使这一理想正逐步成为现实。 国内外放疗界将此视为放射肿瘤治疗学上的一项重要变革，且认为其在本 世纪将成为放射治疗技术的主流。 1 2 多叶光栅( u l c ) 在适形放疗中的应用 由于肿瘤的生长方式和生长部位的特点，放射治疗照射野( 即m l c 计片 合围成的形状) 应该包括全部肿瘤组织和区域淋巴引流区以及一定范围的外周 边缘，即所谓约安全边缘。严格来讲，要达到射线体积与靶体积形状一致，这 样才能避免对正常组织的不必要照射的要求。由于大多数照射野的形状是不规 则的，在以往的临床放疗实践中，一般采用低熔点铅挡块技术实施不规则照射 野的放疗。自4 0 年代开始有人在临床研究中，试图在二维放疗计划的指导下， 应用半自动的原始多叶片光栅技术或者低熔点铅挡块，采用多个不规则照射野 实施最初的适形放射治疗。 在初期，多数适形放疗采用标准的放射治疗技术，即标准的直线加速器， 低熔点铅挡块和各照射野分别摆位。适形放射治疗技术一般需用2 - 6 个非共面 静止照射野，有时照射野数多至9 个，出于用此技术实现适形放疗的手工操作 繁杂，因此它在临床应用方面受到限制。近年以来，放射物理学家试图用更先 进的多叶片光栅替代手工制作的铅挡块以达到对射线的塑形目的，尤其是计算 机技术在放射治疗设备控制系统中的开拓和应用中，计算机控制的m l c 系统 将适形放疗技术提高到又一新的水平 多叶片光栅根据i 临床应用的要求，叶片的大小和数目不等。主要具有以下 一些用途： 替代铅挡块： 简化规则照射野的塑形过程，从而可增加照射野的数目以改善对正常器 官结构的屏蔽； 调整线束平整度； 叶片可在机架旋转时移动以适应对不规则肿瘤形状的动态调整。 以上几种用途均需对m l c 运行距离等参数做出精确的测量。 1 3 多叶光栅的基本性能指标 一般情况下，多叶光栅安装在加速器机头上，如图1 1 所示： 8 图1 1 加速器机头上的札c 首先给出等中心面的概念。所谓等中心面，是指距离射线头1 0 0 0 m m 的一 个平面，该平面的中心点位置与射线头在垂直方向重合。有关多叶光栅的性能 指标，一般在这个平面上进行测量。涉及到的性能指标一般包含以下一些项目： 1 叶片运动速度 指电机推动m l c 叶片在等中心面投影前进或后退的速度。该指标越高， 代表形成射野的时间越短，性能越优异。 2 叶片运动精度 叶片等中心面的投影在移动方向位移的精度，同时也代表了形成野的精度。 精度越高，性能越优异。 3 叶片漏射率 漏射率的定义是，操作m l c ，投影后在等中心面形成一个l o o m m xl o o m m 的矩形射野，测量固定强度的射线穿过m l c 到达等中心面后的剂量。接下来 关闭m l c 所有叶片，采用相同强度的射线穿过m l c ，并测量到达中心面后的 剂量。用闭合后测得的剂量和矩形野时测得的剂量相比，就可以得到漏射率。 漏射率越小，性能越高。 9 1 4 国外部分m l c 产品介绍 1 西门子双聚焦多叶光栅3 d m l c 2 西门子m l c 片间采用滚珠轴承、单叶片独立运行位移可达3 0 c m 、叶片间 漏射率小于2 。双聚焦的结构使的射线聚焦很好。 西门子m l c 一般和其直线加速器p r i m i j s 采用一体化设计，即将m l c 整合 到加速器机头上面。 2 v a r i a n ( 瓦利安) m l c v a r i a nm l c 拥有4 0 对叶片，漏射率小于1 7 ，单叶最大行程1 6 0 r a m 。往 往和v a r i a n 直线加速器整合使用。 3 e l e k t am l c e l e k t am l c 也拥有4 0 对叶片，叶片宽度7 5 c m ，等中心面叶片投影厚度为 1 0 e r a ，最大行程1 2 5 e m 国外m l c 产品的特点是精度高，性能可靠。但是，基于设计上的方便和 商业上的操作，这些m l c 往往和自己配套型号的加速器整合在一起，并配合 自己的治疗系统一起使用，而不能在其它的加速器上使用。 1 5 本系统的设计目标 正如1 4 节所介绍的，国外一些知名企业的多叶光栅往往是和其自身的加 速器整合在一起的。这样做的优点在于，可以在加速器和m l c 安装结构上预 先就做好优化设计，可以预留例如激光位移传感器这样的m l c 位移监控设备。 但正因为国外的m l c 是一体化设计，所以造成整套设备的价格偏高。 目前国内医院还有不少直线加速器，其自身是不具备m l c 装置的，采用 这些加速器进行放射治疗，目前往往是使用铅挡块来粗略构成野形状后再进行 照射。显然，这种方法不能适应目前放射治疗发展的需要因此，针对这类型 加速器设计一款外挂式的m l c ，则可以花费较少的成本，实现适型放射治疗的 需求，让这些还在医院使用的加速器焕发青春 本系统就是设计这样一款外挂式的m l c ，采用托架安装在加速器机头，并 使用远程计算机控制m l c 的射野形成。为了降低硬件成本，简化系统结构， o 在保证系统精度的情况下，本系统暂时采用非闭环控制。此外，设计上该m l c 还应该满足以下一些基本性能指标： ( 1 ) 等中心面叶片位移精度 1 0 m m s ： ( 3 ) m l c 漏射率 0 跳变： 当叶片前进，离开零位时，光电开关输出产生o 一 l 跳变。 因此，我们只要能够捕捉到光电开关产生的这两种跳变，则可以判定叶片 处在零位位置，同时完成相应的处理。有关电平跳变的捕捉，我们很自然的想 到了可以利用单片机的外部中断( e x t ) 。但由于m c s 5 1 单片机外部中断设置 成边沿触发方式时，采用负跳变( 下降沿) 触发中断，即只有在单片机外部中 断引脚信号出现从高到低的跳变时才产生中断要使正、负跳变都产生中断， 必须对零位信号进行处理，以适应单片机外部中断的需要。我们利用单片机对 电机方向的控制输出和光电开关的信号变化，在i s p ( 在系统编程芯片) 中用 逻辑电路实现了这一需求。如图2 6 所示： 图2 6 零位检测逻辑电路 图中，m 2d i p , 为单片机对电机的方向控制输出，0 为前进，l 为后退。当 叶片到达零位时，光电开关z 2 为低电平；当叶片离开零位时，z 2 为高电平。 m 2 z e r o 端连接到单片机的外部中断输入端( i n t o ) 。m u x 2 为多路选通开关。 当s o 为1 ( m 2 d i r = 0 ) ，a 1 端和z 0 连通；当s o 为o ( m 2 d i r 寻1 ) ，a 0 端和 z 0 连通。工作时，如果叶片前进离开零位，m 2d i r 为0 ，a 1 端选通；此时 z 2 端产生o 一 l 跳变，经过d 触发器q 端输出，再经反向后成为l - 0 跳变， 2 l 通过a l 端，z 0 ( m2 z e r o ) 端输出中断。而当叶片后退进入零位，m2 d i r 为l ，a 0 端选通；此时z 2 端产生的l 一 o 跳变直接通过a 0 到z 0 ( m 2 z e r o ) ， 产生外部中断。同时由于此时d 触发器c d 端为l ，q 端被清o ，为下一次产 生输出信号0 一 1 的跳变做准备。 2 3 上位机控制功能简介 上位机完成的主要是软件上的控制，其主要功能是命令单片机控制电机完 成相应的动作。上位机的控制界面如图2 7 所示，直接和用户交互。 图2 7 系统主界面 其中，各数字所在位置表示的是： l ，主要状态指示灯 用于显示通讯状态，出射状态，叶片状态。 2 、系统配置信息显示栏 显示关于当前通讯串口号，波特率，叶片最大移动距离信息。 3 、叶片状态图 显示当前各叶片运动到达的位置。 4 、叶片运动指示灯 指示叶片是在运动，还是处于静止，或者发生故障。 5 、信息通告栏 系统运行过程中的信息提示 6 、射野信息栏 显示已经载入的射野文件包含的信息。 7 、主控制面板 包含所有控制命令的发送，系统配置，射野编辑等操作。 上位机是m l c 控制系统的重要组成部分，下面介绍其主要功能： 单片机波特率诊测 上位机程序需要和单片机通信，但单片机的波特率可能在自身工作过程中 由程序设定而改变，因此，每次上位机程序启动后，第一件要做的事情就是诊 测单片机当前工作的波特率，否则上位机和单片机无法进行通信。具体的方法 是，上位机采用单片机可能被设置的几种波特率分别和单片机通信，当上位机 收到单片机的返回后，说明该波特率下通信成功，从而找到单片机的波特率。 而上位机的串口也设定为相应的波特率。 射野数据文件分析及数据下载 m l c 要形成的射野多数由治疗计划t p s 系统生成文件，上位机程序需要 完成解析该文件，得到文件里包含的病人姓名、射野名称等信息，同时，最重 要的是要计算出形成该射野形状，m l c 各叶片对应要完成多少位移。最后要把 这些数据信息发送给单片机，同时接收单片机的确认信息。 调试控制 所谓调试控制，则不需要m l c 完成射野成型，可以只要求某几片叶片完 成相应位移以检测其工作是否正常，其中还包含控制叶片全关闭，全复位等常 见的一些动作的控制。 系统软复位 系统软复位是指，上位机发送命令给单片机，让单片机的程序重新执行， 用这种方式排除一些简单故障。 参考文献： l增强核闪存8 0 c 5 1 教程梁合庆著 出版日期2 0 0 3 1 l 2 m a x o nm o t o rt e c h n o l o g yd a t as h e e t 一- e n c o d e 3 m a x o nm o t o rt e c h n o l o g yd a t as h e e t d r i v e r s 4 广州周立功单片机发展有限公司p h i l i p s 单片机器件手册2 0 0 3 年1 1 月1 3 日第二版 2 4 第三章叶片位移精度及可靠性控制的实现 在第二章，我们提到了叶片位移的基本功能，这些功能在合理利用器件硬 件资源的条件下，都能比较轻松的实现。本章我们将讨论叶片位移控制中一个 重要的部分，也是工程上实现的难点，即对叶片位移精度的控制。 m l c 作为一套用于医疗的设备，对系统的精度和可靠性有着严格的要求。 例如叶片位移的精度不高，则会使得形成的射野变形，这样在射线对肿瘤进行 照射时，有可能照射到正常组织，对其造成伤害。又比如，在系统运行中如果 叶片出现故障，需要及时的诊测出来并加以排除。为了简化系统结构和降低成 本，本系统采用的还是非闭环的控制结构，因此，在叶片移动精度和可靠性控 制的设计上，需要尽可能的完善，以保证设备的可用性。 由于本控制系统现阶段采用的是非闭环的结构，有别于传统的闭环控制。 因此，基本没有现成的针对精度和可靠性进行控制的方案可供参考。本章所涉 及的内容都是作者在系统设计和实现过程中，独立思考并反复实践总结出来的 控制方法，作为论文的创新点做一个介绍。 3 1 系统精度控制 系统精度，主要是指叶片位移的精度，这是m l c 性能的一个重要指标。 正如我们在第一章关于系统设计目标的叙述中就提到，本系统的设计目标中， 叶片在等中心面的位移精度为0 2 m m ，那么m l c 叶片物理上的位移精度应该 控制在o 1 m m 以内。 3 1 1 影响精度的因素分析及解决方案 丝杆螺距的影响及解决方案 丝杆螺距是位移计算的一个重要参数。设丝杆螺距为肌，叶片需要移动的 距离为n ，则电机需要转动的圈数为： r = n m 设电机每旋转一圈输出k 个脉冲，转动，圈的脉冲计数p 则为： p = k x r = k x n m 当计数器完成p 个计数就表示叶片位移了疗， 因此，我们需要每一根丝杆的精确螺距值，这样我们才能计算出当要求叶 片完成一定位移时，究竟需要电机运转多少转。丝杆在加工的时候，我们设计 螺距的加工精度为x ，但实际加工过程中显然这个精度是有差异的，我们不能 采用理论的x 参与叶片位移计算，这将对叶片位移的精度造成影响。 因此，我们必须对m l c 系统每根丝杆的实际螺距进行测量。具体的方法 是，控制电机转动一定的转数，例如1 0 转，则丝杆也相应的转动l o 转，这个 过程和丝杆的加工精度无关。丝杆在转动的同时也会带动叶片做相应的移动， 测量叶片在丝杆转动l o 转前后移动的距离，就可以得到实际的i o 倍螺距： 多次重复上述过冲取算术平均值，就可以得到实际的螺距。 叶片初始位置影响及解决方案 在第二章我们讨论叶片定位的问题时，提到了零位这个概念。所谓零位， 是指叶片复位到打的位置和初始开始计数的位置，而不是物理上射野坐标0 。 我们由图3 1 来做一个说明： 物理零位 图3 1m l c 模具示意图 其中的矩形框是一个l o o m m xl o o m m 的孔，是供射线通过的。实际上我 们说的位移，是指相对这个孔的边沿( 即物理位置上的o ) 前进的位置。而系 统中叶片的顶端，并不是和矩形框的边沿重合，而往往是超出了一部分。 例如，当某叶片顶端相对物理位置的0 有2 3 m m ，我们要让叶片前进到 5 0 m m 的位置，则叶片的实际需要的位移只应该是5 0 r a m - 2 3 m m = 4 7 7 m m 。加 之光电定位开关的安装位置也有所差异，因此，我们必须对所有叶片超出矩形 边缘的距离进行测量。具体的做法是，设计叶片向前移动5 0 m m ，然后测量叶 片实际到的位置y ，这个位置除了包含移动的5 0 r a m ，还包含叶片刚离开光电 开关时，已经超出物理坐标0 的距离z ，即y = 5 0 m m + z 。这样就可以求出 叶片的初始位置。 在求出每片叶片的初始位置( 叶片0 位) 后，当我们要求某块叶片移动到 某个位置，在计算计数器初始计数时，需要首先在要求移动到的位移基础上， 减去叶片的初始位置值，再操作叶片移动。 住移计数初始时刻选择 在2 4 4 小节，我们提到了，叶片位移距离的控制，是通过对电机转动时返 回的脉冲计数来实现的。只要电机一转动，就会有计数脉冲返回。叶片从复位 位置开始向前移动，如果不加详细分析，很容易在电机转动开始时就进行单片 机计数，实际上情况并非如此，我们现在来分析叶片前进的过程中，单片机应 该怎样计数。让我们参照图3 2 ，说明叶片的复位过程。 中断产生位置 复位中 光电开关 复位中断胜 中断产生位置 复位完成 光电开关- 卜 图3 2 叶片复位过程位置示意 位置 当叶片复位到达光电开关位置时，产生中断。这一时刻叶片顶端位置就是 我们在上文中说明的叶片初始位置。 当单片机接收到复位中断后，将停止对电机输出驱动电压，但由于惯性， 叶片还要移动一段距离，且这段距离是一个随机值。这样，实际叶片停止位置 并不是我们需要的叶片初始位置，而是比初始位置要更靠后一些。 这种情况下，当我们需要叶片移动到某个距离时，由于初始将会减去我们 标定的该叶片的初始位置，但实际上叶片在复位停止后的位置较标定的初始位 置为小，因此，在叶片向前移动的过程中，并不能一开始就进行计数。那么， 在什么时刻才开始计数呢，让我们参照图3 3 分析叶片前进的过程的位置变化。 光电开关 叶片开始前进 中断产生位置 光电开关+ i 厂一前进中断产生 图3 3 叶片前进位置变化 理坐标0 置 叶片初始位置 当我们要求某片叶片移动一定到某一个位置，首先要在这个位置的基础上 减去该叶片的初始位置，这样就能得到叶片实际应该前进的位移。接下来根据 这个位移值，换算成单片机返回脉冲值x ，即当单片机收到x 个返回脉冲后， 代表叶片移动到位。 。 由于单片机采用的是1 6 位定时器，即计数器值满6 5 5 3 6 后，将产生计数器 中断，当单片机收到该中断，即代表叶片移动到位。实际程序处理的过程是， 用6 5 5 3 6 一x 作为计数器的初值m ，当单片机接收到电机返回脉冲后，计数器 值进行自加，直到产生计数器中断。 如图3 3 所示，当叶片从复位位置开始向前移动时，叶片顶端并未到达叶 片实际的初始位置，这个差距是一个随机的值，程序在单片机初始化的时候无 法在修正这部分的差距。而排除这个因素的正确方法是，当叶片移动后，尽管 单片机会不断收到返回的计数脉冲，计数器的值将随之改变，但我们在2 2 2 5 节阐述了，经过i s p 设计，叶片在复位和前进通过光电定位开关的时候，都要 产生中断。而这个时刻，无论是复位还是前进，叶片总是处在初始位置，利用 这一点，在电机前进通过光电开关产生中断时，仅需要对计数器重新赋一次初 值t ，这样叶片剩下来将要前进的位移就正好和计数器的值对应，从而忽略掉 叶片刚开始不在初始位置的影响。 3 1 2 速度与精度 速度和精度都是m l c 的重要指标。国外某些m l c 产品，为了实现m l c 位移的高精度，以及“动态窗”等对实时叶片相对位置要求很高的治疗方案， 因此，这些m l c 产品往往采用叶片低速移动。 本m l c 系统现阶段在设计上主要是为了完成如“静态调强”等一些基本 的治疗方案，仅需要叶片在移动到位时精度满足要求，而不关注移动过程中叶 片位置的变化。因此，如果参照国外的m l c ，一味采用低速移动叶片，则既无 必要，还延长了治疗过程时间。 针对这种情况，作者设计了一套新的叶片位移控制方案，在叶片移动速度， 精度，克服摩擦等方面实现了优化，下面就简单介绍这一方案的思路。 本系统要求叶片在7 0 m m 的行程上位移累计误差不超过o i m m 。由于叶片 在移动过程中，随着多叶光栅本身在空间的位置、电机转动速度，以及叶片之 间相对位置的差异，造成叶片所受摩擦力随机变化。如图3 4 所示： o 图3 4 叶片运动阻力变化曲线 图中横坐标工表示叶片的位移，纵坐标v m 表示驱动电机的电压虚线f 表示 叶片在移动工位移的过程中，理论上需要满足的最小驱动电压的变化。f 是一 个随机量，它实际上反映了叶片移动中摩擦力的变化 采用较高的驱动电压，有利于克服摩擦，并使叶片能快速移动到位。但如 果整个控制过程中始终采都用较高的驱动电压，则当叶片运动到设定位置时容 易因惯性而造成过冲。如与对端叶片碰撞，严重时还可能导致丝杆受损。而如 果控制过程中始终采用较低的驱动电压，则可能因为叶片移动速度太慢而无法 满足临床要求。正确的控制策略应当是以适当的电压启动( 既能克服静扭，又 不造成冲击) ，然后升压加速；之后在快达到预定值时，对电机进行刹车处理。 即在电机停止前的若干圈，逐步降低电机的驱动电压，使电机的转动惯性减小， 最后准确停止在一个编码脉冲的精度范围内 刹车过程虽然能够减小电机的旋转惯性，但由于叶片所受摩擦力是随机变 化的，随着电机驱动电压的逐步降低，当某叶片所受摩擦力较大时，又可能发 生电机的推动力不能克服摩擦而造成叶片卡死的情况。 那么，在刹车阶段究竟应该采用多高的电压来驱动电机呢? 这里可以利用 模糊控制的思路来探讨这个问题。 设定评估驱动电压效果好坏的变量m ，m 为0 表示驱动电压最优，刚能克 服摩擦力；m 为1 表示驱动电压高，造成的过冲超出精度要求；牌为1 表示驱 动电压低，不能克服摩擦力，会造成叶片卡死。在刹车过程中，我们每隔固定 时间段n 对驱动电压做一次评估，则在某个时刻t ，肼值随驱动电压变化的曲 线可由图3 5 表示： o 图3 5 驱动效果图 图中： a 段表示电压过低，叶片完全卡死； d 段表示电压过高，造成的过冲超过误差允许范围； b 段表示电压虽然低，不能克服摩擦，会造成卡