专利名称：具有实时监控和自保护的全自动多叶准直器叶片单元的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种医疗上用于放射治疗的全自动多叶准直器，尤其涉及全自动多叶准直器的叶片运动和控制单元。
背景技术：
目前在进行放射治疗前，首先通过模拟定位机、CT或MRI生成X光片、CT或MRI影像，然后在电脑中通过专用的治疗计划软件(TPS)来定义需照射病灶的照射方向、照射形状和照射剂量，并将这些数据传输到全自动多叶准直器的控制系统，由该控制系统自动控制若干个可独立运动的、紧密相向排列的高密度合金叶片的驱动机构，驱动叶片在短时间内形成规定的形状，从而使加速器的照射野自由拟合任意的病灶形状，以达到立体放射手术(SRS)如γ刀、X刀，三维适形放疗(3DCRT)和三维逆向调强放疗(IMRT)放射治疗的目的。为了防止上述各合金叶片驱动机构的电机负载过大、机构受损或卡死时多叶准直器仍继续运行而损坏，现有的全自动多叶准直器一般都设置有保护装置，但该保护装置基本上是通过探测电机和机械本身的参数来决定是否停止或启动所述叶片单元的驱动机构，这样往往是多叶准直器出现故障了保护装置才会发出停止驱动机构的指令，对多叶准直器的保护不够及时。另一方面，现有合金叶片单元的传动机构基本上是采用丝杆传动，其传动效率较低，且影响多叶准直器运行的可靠性和使用寿命。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供了一种具有实时监控和自保护的全自动多叶准直器的叶片单元，能在机械故障出现之前就检测到并及时实施保护措施，即实现预警功能，且该多叶准直器叶片单元传动机构的传动效率和可靠性较高。
本实用新型的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种具有实时监控和自保护的全自动多叶准直器叶片单元，包括多叶准直器的钨合金叶片、叶片导轨、拖动电机及传动机构，该控制电路包括探测电机和传动机构运行状态的采样电路、单片机U1、电机驱动芯片U8、集成运算放大器U2、电阻R1～R5和电容C1～C3；所述单片机U1的数据总线D[00:07]与主控单片机连接，其RC0、RC3和RC4线脚通过插接口J1连接所述拖动电机的内置编码轮数据输出端口，其RC1和RC2脚分别接电机驱动芯片U8的DIR和PWM脚，其RA4和RA5脚分别连接电机驱动芯片U8的13和18号脚；所述采样电阻R1的两端分别为电压采样点A和B，采样点A为直流电源DC12V的电压采样点，经运算放大器U2-A第一级隔离，电阻R2、R3取样，取样点C的电压经U2-C进行第二次隔离，进入单片机U1的RA0脚；采样点B为电机驱动芯片U8的VCC端的电压采样点，经运算放大器U2-B第一级隔离，电阻R4、R5取样，取样点D的电压经U2-D进行第二次隔离，进入单片机U1的RA1脚；所述单片机U1中固化有根据采样电路的采样数据向主控单片机发出所述拖动电机是否运行或停止的控制指令的软件程序P。
根据电机对电源不同的电流消耗情况，采样点A、B、C、D处的电压数据通过采样电路传输至单片机U1的RA0和RA1脚，单片机U1对采样数据的测量值进行对比得出不同的差值，分别代表电机未启动、电机空转或松脱、电机负载过大、机构正常运行或受损、卡死等不同情况，根据不同情况单片机U1通过数据总线D[00:07]向主控单片机发出相应的信号同时控制拖动电机继续运行或停止，因单片机U1运行速度极快，所以能在机械故障出现之前就已实施保护措施，有效保护了多叶准直器。
所述单片机U1采用型号为PIC 16F72的单片机，其晶振G1的频率选4MHz，其周期为1微秒，因而控制电路在100微秒内即可完成上述全部测量判断，能在机器未出现故障前就进行有效的保护。
所述传动机构包括相互啮合的齿条和齿轮，所述齿条设置在钨合金叶片后部与所述叶片导轨配合的限位条上，所述齿轮与所述拖动电机的动力输出轴轴连接。采用齿条齿轮可大大提高传动效率，且可靠性高。
与现有技术相比，本实用新型的具有实时监控和自保护的全自动多叶准直器叶片单元具有如下优点所述控制电路通过电机对电源的电流消耗情况反推其机械运动状态，且单片机的运行速度极快，因而可在机械故障还未出现之前就已采取相应的保护措施，大大增加了全自动多叶准直器的安全性和使用寿命，另外其叶片单元采用齿轮齿条传动，其传动效率大于90％，可靠性高，且可增加设备的使用寿命。
附图的图面说明如下图1为全自动多叶准直器的结构示意图；图2为所述控制电路的电路图；
图3为所述叶片单元的传动机构的结构示意图；图4为传动机构中齿条41和齿轮42之间的连接关系示意图；图5为所述软件程序P的流程图。
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
具体实施方式
如图1所示，所述全自动多叶准直器包含多个可独立运动、紧密相向排列的高密度钨合金叶片单元，所述叶片单元的数量随其加速器的不同而各不相同，由20-80个不等，每个叶片单元的电路和机械结构都是相同的，本实用新型是针对其中的每单个叶片单元所进行的设计。
如图1，所述每个叶片单元包括钨合金叶片1、设置于钨合金叶片1顶部和底部的叶片导轨2、控制钨合金叶片1沿所述导轨2前后移动的传动机构及其拖动电机3，所述钨合金叶片1为负载，用于阻挡射线，所述拖动电机3为内置编码轮的直流减速电机，有足够的力量带动钨合金叶片1运动，其内置编码轮为钨合金叶片1的位移量测量提供了有效数据。本实用新型的改进之处在于还包括控制拖动电机3旋转速度和旋转方向的控制电路，如图2所示，该控制电路包括探测电机3和传动机构运行状态的采样电路、单片机U1、电机驱动芯片U8、集成运算放大器U2、电阻R1～R5和电容C1～C3，其中R1为采样保护电阻，C1为电流瞬间保护电容；所述单片机U1通过数据总线D[00:07]与整个全自动多叶准直器的主控单片机连接，其RC0、RC3和RC4线脚通过插接口J1连接所述拖动电机3的内置编码轮数据输出端口，其RC1和RC2脚分别接电机驱动芯片U8的DIR和PWM脚，其RA4和RA5脚分别连接电机驱动芯片U8的13和18号脚；所述采样电阻R1的两端分别为电压采样点A和B，采样点A为直流电源DC12V的电压采样点，经运算放大器U2-A第一级隔离，电阻R2、R3取样，取样点C的电压经U2-C进行第二次隔离，进入单片机U1的RA0脚；采样点B为电机驱动芯片U8的VCC端的电压采样点，经运算放大器U2-B第一级隔离，电阻R4、R5取样，取样点D的电压经U2-D进行第二次隔离，进入单片机U1的RA1脚；所述单片机U1中固化有根据采样电路的采样数据向主控单片机发出所述拖动电机3是否运行或停止的控制指令的软件程序P。
所述叶片单元的正常工作过程如下1、单片机U1通过数据总线D[00:07]读取本叶片单元的运动数据；2、单片机U1启动电机运行，其RC1脚控制电机速度，RC2脚控制电机的运行方向(正转或反转)；3、单片机U1启动T1、RC3、RC4从编码轮读取钨合金叶片1的运动距离，并判断其是否运行到位，同时启动RA0(AD0)和RA1(AD1)判断电机的具体运行状态，当RC3、RC4读取其编码轮数据到位时，电机的运行停止。
如图2所示，采样电路中A点为DC12V电源电压采样点，通过U2-A第一级电压采样隔离，R2、R3进行取样，设定R2＝R4＝10K，R3＝R5＝4.7K，则取样点C处的电压为VC＝[12V/(10K+4.7K)]×4.7K＝3.837V，经过U2-C进行第二次隔离，进入单片机U1的RA0(AD0)脚，所述单片机U1采用型号为PIC 16F72的单片机芯片，为8位A/D，A/D基准电压(RA3)为DC5V，故AD0测量值为(3.873/5.000)×256＝196，同上进行B点至D点的电压采样和测量。
根据测量值可知a.电机正常运行时，DC12V电源所消耗的电流为200mA-300mA；b.电机启动时，DC12V电源消耗的电流为600-700mA；c.电机卡死时，DC12V电源消耗电流大于850mA。
所述控制电路所能探测的电机和机械结构的运行状态有以下六种1.电机不动或未被启动时，DC12V电源未被消耗，电流为0，A、B两点电压相等，AD0-AD1＝0；2.电机定转或松脱时，DC12V电源电流消耗小于200mA，当I＝200mA时，B点电压VB＝12V-(200×1)V/1000＝11.8V，故AD1测量值为[11.8V/(10+4.7)K]×(4.7K/5V)×256＝193，此时AD0-AD1＝196-193＝3，故当AD0-AD1＜3时，电机空转或松脱；单片机U1立即停止运作，同时通过数据总线D[00:07]向主控单片机报警；3.整个机构正常运行时，当I＝300mA时，B点电压VB＝12V-0.3×1V＝11.7V，此时AD1测量值为[11.7V/(10+4.7)K]×(4.7K/5V)×256＝191，此时AD0-AD1＝196-191＝5，故当3≤AD0-AD1＜5时，电机正常运行；4.机构受损或负载过大时，当I＝850mA时，B点电压VB＝12V-0.85×1V＝11.15V，此时AD1测量值为[11.15V/(10+4.7)K]×(4.7K/5V)×256＝182，此时AD0-AD1＝196-182＝14，故当启动结束后，测得5＜AD0-AD1＜14时，说明电机负载太大，需对主控单片机进行提示；5.机构卡死时，此时AD0-AD1≥14，单片机U1立即停止运作，同时通过数据总线D[00:07]向主控单片机报警；6、电机启动时，在单片机U1发出启动信号100毫秒内，电流处于此范围，接着便进入正常运行状态。当I＝600mA时，B点电压VB＝12V-0.6×1V＝11.4V，此时AD1测量值为[11.4V/(10+4.7)K]×(4.7K/5V)×256＝186，则AD0-AD1＝196-186＝10；当I＝700mA时，B点电压VB＝12V-0.7×1V＝11.3V，此时AD1测量值为[11.3V/(10+4.7)K]×(4.7K/5V)×256＝184，则AD0-AD1＝196-184＝12，故处于启动状态时，10＜AD0-AD1＜12。
通过以上AD0、AD1对DC12V电压的监测，可测出电流的消耗状态，本实用新型中所述单片机U1其晶振G1的频率选4MHz，其周期为1微秒，那么在100微秒内即可完成上述全部测量和判断过程，能够在全自动多叶准直器出现故障前及时进行有效的保护。
所述电容C1选22002200μf/47v，所述集成运算放大器U2的型号为LM324，所述电机驱动芯片U8的型号为TPIC0107B。
如图3和图4所示，所述钨合金叶片1顶部和底部各往后延伸一限位条11，该两限位条11分别与上、下方的导轨2配合以限位钨合金叶片1的移动。所述传动机构包括相互啮合的齿条41和齿轮42，所述齿条41加工在所述上或下限位条11内侧面上，所述齿轮42与所述拖动电机3的动力输出轴轴连接，这样电机3正转或反转就可带动钨合金叶片1往前或后移动，同时电机3内置的编码轮测量出钨合金叶片1的位移量数据。
如图5所示，单片机U1中固化的所述软件程序P的工作流程如下执行步骤501开机后首先进行初始化步骤502，随后进入步骤503判断数据总线D[00:07]是否有数据传来，如果否则返回步骤503，如果是则进行步骤504读取上位机的数据，再进行步骤505判断该上位机的数据是否叶片1的运动数据，如果否则返回步骤503，如果是则进行步骤506判断叶片是否前进，如果是则控制叶片前进507，如果否则控制叶片后退508，接着进入步骤509判断AD0-AD1是否等于0，如果是则执行步骤510控制电机停止运动并进入步骤511将相应内容输送至主控单片机，然后返回步骤503，如果否则进行步骤512判断AD0-AD1是否大于14，即机构是否卡死，如果是则执行步骤510、511后返回步骤503，如果否则进入步骤513判断电机内置编码轮数是否已到，如果是则执行步骤510、511后返回步骤503，如果否则返回步骤509继续对AD0-AD1的差值进行判断。
权利要求1.一种具有实时监控和自保护的全自动多叶准直器叶片单元，包括钨合金叶片(1)、叶片导轨(2)、拖动电机(3)及传动机构，其特征在于还包括控制拖动电机(3)旋转速度和旋转方向的控制电路，该控制电路包括探测电机(3)和传动机构运行状态的采样电路、单片机U1、电机驱动芯片U8、集成运算放大器U2、电阻R1～R5和电容C1～C3；所述单片机U1的数据总线D[00:07]与主控单片机连接，其RC0、RC3和RC4线脚通过插接口J1连接所述拖动电机(3)的内置编码轮数据输出端口，其RC1和RC2脚分别接电机驱动芯片U8的DIR和PWM脚，其RA4和RA5脚分别连接电机驱动芯片U8的13和18号脚；所述采样电阻R1的两端分别为电压采样点A和B，采样点A为直流电源DC12V的电压采样点，经运算放大器U2-A第一级隔离，电阻R2、R3取样，取样点C的电压经U2-C进行第二次隔离，进入单片机U1的RA0脚；采样点B为电机驱动芯片U8的VCC端的电压采样点，经运算放大器U2-B第一级隔离，电阻R4、R5取样，取样点D的电压经U2-D进行第二次隔离，进入单片机U1的RA1脚；所述单片机U1中固化有根据采样电路的采样数据向主控单片机发出所述拖动电机(3)是否运行或停止的控制指令的软件程序P。
2.根据权利要求1所述的具有实时监控和自保护的全自动多叶准直器叶片单元，其特征在于所述单片机U1的型号为PIC 16F72，其晶振G1的频率选4MHz。
3.根据权利要求1所述的具有实时监控和自保护的全自动多叶准直器叶片单元，其特征在于所述集成运算放大器U2的型号为LM324。
4.根据权利要求1所述的具有实时监控和自保护的全自动多叶准直器叶片单元，其特征在于所述电容C1为2200μf/47v。
5.根据权利要求1所述的具有实时监控和自保护的全自动多叶准直器叶片单元，其特征在于所述电机驱动芯片U8的型号为TPIC0107B。
6.根据权利要求1所述的具有实时监控和自保护的全自动多叶准直器叶片单元，其特征在于所述传动机构包括相互啮合的齿条(41)和齿轮(42)，所述齿条(41)设置在钨合金叶片(1)后部与所述叶片导轨(2)配合的限位条(11)上，所述齿轮(42)与所述拖动电机(3)的动力输出轴轴连接。
专利摘要本实用新型公开了一种具有实时监控和自保护的全自动多叶准直器叶片单元，包括钨合金叶片(1)、叶片导轨(2)、拖动电机(3)及传动机构、控制拖动电机(3)旋转速度和旋转方向的控制电路，该控制电路包括探测电机(3)和传动机构运行状态的采样电路、单片机U1、电机驱动芯片U8、集成运算放大器U2、电阻R1～R5和电容C1～C3；所述单片机U1的数据总线D[00:07]与主控单片机连接，单片机U1中固化有根据采样电路的采样数据向主控单片机发出所述拖动电机(3)是否运行或停止的控制指令的软件程序P，本实用新型的多叶准直器叶片单元能对此单元运行状态进行实时监控并在出现故障时及时检测并传递故障信息给主控单片机令其发出停机指令，有效地保护了多叶准直器。
文档编号A61N5/00GK2703310SQ20042004634
公开日2005年6月1日 申请日期2004年5月24日 优先权日2004年5月24日
发明者肖若冰 申请人:肖若冰