LGK－464型γ刀自动控制原理
作者：朱红兵 汪东仿
单位：同济医科大学附属协和医院 (430022)
关键词：
中国医疗器械杂志990415 γ刀是一种立体放射外科设备，它对于直径在3cm以下明确诊断的深层脑瘤或动静脉畸形，只需局部麻醉，一次性地进行照射。临床实践证明，对于原发性的恶性脑肿瘤，γ刀确实是一种有效安全的辅助治疗；对于大多数转移瘤，治疗选择就是放射外科手术，90%以上的经过治疗的肿瘤将得到有效的控制[1]。γ刀之所以能在世界范围内迅速发展，与自动控制技术的高可靠性及机械设备的高精度是分不开的，近年来现代可编程控器技术的高度发展，大大提高了γ刀装置治疗的安全性和准确性。本文的目的是对Elekta的LGK-646型γ刀(Leksell Stereotactic Gamma System)中的自动控制系统进行探讨。
1 LGK-464型γ刀全自动的治疗循环分析
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γ刀的原理就是利用γ射线对病灶组织进行“精确的聚焦照射”。为实现这一要求，LGK464型γ刀由以下五部分组成。
1.1 装有Co60的放射装置(由屏蔽体、屏蔽门、手术床组成)，放射装置含有201颗Co60源，屏蔽体和屏蔽门用于防止γ射线外泄，屏蔽门仅在治疗时打开，手术床用于载着病人在治疗时进出放射源，头盔固定在靠近放射源一侧的端部。
1.2 准直器头盔，用于确保γ射线照射的位置，并将γ射线束限制在要求的区域内。
1.3 控制台及电气控制系统，从控制台上操纵并监视γ刀装置，治疗时间由两个独立的计时器来测量和显示，控制台上的通信系统用于医生与病人对话。电气控制系统的作用是自动完成整个治疗过程的控制。
1.4 立体定位装置，用于确保治疗时病人脑部的病变组织与γ射线的焦点完全重合。
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1.5 剂量规划系统，其作用是提供立体定位的坐标尺寸，确定治疗时的照射时间以及病人脑部不可被照射的屏蔽点。
具体治疗可分成以下几个步骤完成：
① 为病人戴好头架；
② 将病人平卧在手术床，头架被固定在准直器头盔上；
③ 一切准备就绪后，工作人员全部撤离机房，当室内只有病人时，才能开始全自动的治疗循环，治疗循环的流程图如图1所示。
2 控制方法
从图1不难看出，γ刀治疗的关键运动就是手术床的前进、后退和屏蔽门打开、关闭。手术床的前进、后退由直流电机M1和手术床下的滚珠丝杆完成，屏蔽门的打开、关闭由直流电机M2和屏蔽体上的齿轮来完成。控制M1与M2的信号均来自PLC的输出端，PLC的输入信号则来自控制台上的按钮、γ刀装置上的行程开关或传感器，行程开关和传感器均为位置检测元件，可以提供准确的位置信息。
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可编程控器的主要输入和输出端口结构如图2所示，其中I*.*表示可编程控器的输入端口，Q*.*表示可编程控器的输出端口，K*表示接触器，SG**表示行程开关或传感器。
治疗前，屏蔽门处于完全关闭状态，行程开关SG1受压，接通可编程控器的输入端口I2.0，此时如果一切正常，且计时器已预设，按下治疗开始按钮S10，则接通可编程控器的输入端口I0.1，循环即可开始。
首先，可编程控器输出端口Q6.4和Q6.6被激励，接通接触器K8和K10线圈，它们的常开触点闭合，接通直流电机M2的控制器Chopper 2的相关回路，使直流电机M2快速正转，屏蔽门迅速打开。当屏蔽门完全打开后，撞击行程开关SG2，其常开触点闭合，接通可编程控器的输入端口I2.1，可编程控器的输出端口Q6.4不被激励，断开接触器K8线圈，M2停转，开门动作停止。此时可编程控器的输入端口I2.1接通，可编程控器输出端口Q6.0和Q6.2被激励，接通接触器K4和K6线圈，它们的常开触点闭合，接通直流电机M1的控制器chopper 1的相关回路，使电机M1快速正转，手术床快速前进。当手术床接近终点时，传感器SG11动作，其常开触点闭合，接通可编程控器的输入端口I2.7，可编程控器输出端口Q6.3被激励，接通接触器K7线圈；同时Q6.2不被激励，断开接触器K6线圈，Chopper1的相关回路发生变化，电机M1减速，继续正转，手术床慢速继续前进。直到手术床到达终点时撞击行程开关SG5，其常开触点闭合，接通可编程控器的输入端口I2.3，使可编程控器的输出端口Q6.0和Q6.3不被激励，断开接触器K4和K7线圈，电机M1停止转动，手术床停止前进，病灶开始接受照射，计时器开始计时。
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图1 治疗循环流程图
预定的照射时间完成后，可编程控器的输出端口Q6.1和Q6.2被激励，接通接触器K5和K6线圈，其常开触点闭合，接通控制器Chopper1的相关回路，M1快速反转，手术床快速后退。当手术床后退至接近终点时，传感器SG10动作，其常开触点闭合接通可编程控器的输入端口I2.6，可编程控器的输出端口Q6.3被激励，接通接触器K7线圈，同时可编程控器的输出端口Q6.2不被激励，断开接触器K6线圈，电机M1减速，继续反转，手术床低速继续后退。当手术床后退至终点时撞击行程开关SG4，可编程控器输入端口I2.2接通，可编程控器输出端口Q6.1不被激励，电机M1停转，手术床停止后退。同时可编程控器的输入端口I2.2被接通，可编程控器的输出端口Q6.5被激励，接通接触器K9线圈，其常开触点闭合，接通电机M2的控制器Chopper 2上的相关回路，M2反转，两扇屏蔽门相向运动而趋向闭合。当两扇屏蔽门接近闭合时，传感器SG9受压，接通可编程控器的输入端口I2.5，可编程控器的输出端口Q6.7被激励，接通接触器K11线圈，同时接触器K10的触点改变控制器Chopper 2的相关回路，使电机M2减速，继续反转。当两扇屏蔽门完全闭合时，撞击行程开关SG1，其常开触点接通可编程控器的输入端口I2.0，可编程控器的输出端口Q6.5不被激励，断开接触器K9线圈，电机M2停止转动，关门运动结束。
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图2 输入输出端口示意图
至此，治疗循环完毕。
3 讨论
该设备运行三年多，成功治疗病人900多例，没有发生过动作故障。
γ刀治疗的对象多为脑部肿瘤病人，治疗的中心目的就是要使病灶接受γ射线照射，治疗过程必须严格按标准步骤执行，不能有丝毫差错，一旦出错，后果将不堪设想，轻则撞坏机器，撞坏屏蔽门，造成γ射线泄漏，重则砸断病人颈部，造成头与身体分离。因此必须采用可靠性和稳定性极高的控制系统来完成其控制。
LGK-646型γ-刀上可编程控器系统采用Siemens公司生产的SIMATIC S5-100U，双PLC结构，当测到CPU和I/O故障时，自动切换到备用的CPU和I/O通道上，实现双机热备份。该系列可编程控器的节点反应很快。在运算速度方面，S5-100系列PLC的CPU 102对1K二进制语句的执行时间大约为7ms，数字量输入输出端口共计最多可达到256，模拟量输入输出共计最多可达成16，可用PG605U.PG710.PG730.PG750.PG(XT/AT-兼容)等几款编程器进行编程。, http://www.100md.com
单位：同济医科大学附属协和医院 (430022)
关键词：
中国医疗器械杂志990415 γ刀是一种立体放射外科设备，它对于直径在3cm以下明确诊断的深层脑瘤或动静脉畸形，只需局部麻醉，一次性地进行照射。临床实践证明，对于原发性的恶性脑肿瘤，γ刀确实是一种有效安全的辅助治疗；对于大多数转移瘤，治疗选择就是放射外科手术，90%以上的经过治疗的肿瘤将得到有效的控制[1]。γ刀之所以能在世界范围内迅速发展，与自动控制技术的高可靠性及机械设备的高精度是分不开的，近年来现代可编程控器技术的高度发展，大大提高了γ刀装置治疗的安全性和准确性。本文的目的是对Elekta的LGK-646型γ刀(Leksell Stereotactic Gamma System)中的自动控制系统进行探讨。
1 LGK-464型γ刀全自动的治疗循环分析
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γ刀的原理就是利用γ射线对病灶组织进行“精确的聚焦照射”。为实现这一要求，LGK464型γ刀由以下五部分组成。
1.1 装有Co60的放射装置(由屏蔽体、屏蔽门、手术床组成)，放射装置含有201颗Co60源，屏蔽体和屏蔽门用于防止γ射线外泄，屏蔽门仅在治疗时打开，手术床用于载着病人在治疗时进出放射源，头盔固定在靠近放射源一侧的端部。
1.2 准直器头盔，用于确保γ射线照射的位置，并将γ射线束限制在要求的区域内。
1.3 控制台及电气控制系统，从控制台上操纵并监视γ刀装置，治疗时间由两个独立的计时器来测量和显示，控制台上的通信系统用于医生与病人对话。电气控制系统的作用是自动完成整个治疗过程的控制。
1.4 立体定位装置，用于确保治疗时病人脑部的病变组织与γ射线的焦点完全重合。
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1.5 剂量规划系统，其作用是提供立体定位的坐标尺寸，确定治疗时的照射时间以及病人脑部不可被照射的屏蔽点。
具体治疗可分成以下几个步骤完成：
① 为病人戴好头架；
② 将病人平卧在手术床，头架被固定在准直器头盔上；
③ 一切准备就绪后，工作人员全部撤离机房，当室内只有病人时，才能开始全自动的治疗循环，治疗循环的流程图如图1所示。
2 控制方法
从图1不难看出，γ刀治疗的关键运动就是手术床的前进、后退和屏蔽门打开、关闭。手术床的前进、后退由直流电机M1和手术床下的滚珠丝杆完成，屏蔽门的打开、关闭由直流电机M2和屏蔽体上的齿轮来完成。控制M1与M2的信号均来自PLC的输出端，PLC的输入信号则来自控制台上的按钮、γ刀装置上的行程开关或传感器，行程开关和传感器均为位置检测元件，可以提供准确的位置信息。
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可编程控器的主要输入和输出端口结构如图2所示，其中I*.*表示可编程控器的输入端口，Q*.*表示可编程控器的输出端口，K*表示接触器，SG**表示行程开关或传感器。
治疗前，屏蔽门处于完全关闭状态，行程开关SG1受压，接通可编程控器的输入端口I2.0，此时如果一切正常，且计时器已预设，按下治疗开始按钮S10，则接通可编程控器的输入端口I0.1，循环即可开始。
首先，可编程控器输出端口Q6.4和Q6.6被激励，接通接触器K8和K10线圈，它们的常开触点闭合，接通直流电机M2的控制器Chopper 2的相关回路，使直流电机M2快速正转，屏蔽门迅速打开。当屏蔽门完全打开后，撞击行程开关SG2，其常开触点闭合，接通可编程控器的输入端口I2.1，可编程控器的输出端口Q6.4不被激励，断开接触器K8线圈，M2停转，开门动作停止。此时可编程控器的输入端口I2.1接通，可编程控器输出端口Q6.0和Q6.2被激励，接通接触器K4和K6线圈，它们的常开触点闭合，接通直流电机M1的控制器chopper 1的相关回路，使电机M1快速正转，手术床快速前进。当手术床接近终点时，传感器SG11动作，其常开触点闭合，接通可编程控器的输入端口I2.7，可编程控器输出端口Q6.3被激励，接通接触器K7线圈；同时Q6.2不被激励，断开接触器K6线圈，Chopper1的相关回路发生变化，电机M1减速，继续正转，手术床慢速继续前进。直到手术床到达终点时撞击行程开关SG5，其常开触点闭合，接通可编程控器的输入端口I2.3，使可编程控器的输出端口Q6.0和Q6.3不被激励，断开接触器K4和K7线圈，电机M1停止转动，手术床停止前进，病灶开始接受照射，计时器开始计时。
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图1 治疗循环流程图
预定的照射时间完成后，可编程控器的输出端口Q6.1和Q6.2被激励，接通接触器K5和K6线圈，其常开触点闭合，接通控制器Chopper1的相关回路，M1快速反转，手术床快速后退。当手术床后退至接近终点时，传感器SG10动作，其常开触点闭合接通可编程控器的输入端口I2.6，可编程控器的输出端口Q6.3被激励，接通接触器K7线圈，同时可编程控器的输出端口Q6.2不被激励，断开接触器K6线圈，电机M1减速，继续反转，手术床低速继续后退。当手术床后退至终点时撞击行程开关SG4，可编程控器输入端口I2.2接通，可编程控器输出端口Q6.1不被激励，电机M1停转，手术床停止后退。同时可编程控器的输入端口I2.2被接通，可编程控器的输出端口Q6.5被激励，接通接触器K9线圈，其常开触点闭合，接通电机M2的控制器Chopper 2上的相关回路，M2反转，两扇屏蔽门相向运动而趋向闭合。当两扇屏蔽门接近闭合时，传感器SG9受压，接通可编程控器的输入端口I2.5，可编程控器的输出端口Q6.7被激励，接通接触器K11线圈，同时接触器K10的触点改变控制器Chopper 2的相关回路，使电机M2减速，继续反转。当两扇屏蔽门完全闭合时，撞击行程开关SG1，其常开触点接通可编程控器的输入端口I2.0，可编程控器的输出端口Q6.5不被激励，断开接触器K9线圈，电机M2停止转动，关门运动结束。
, http://www.100md.com
图2 输入输出端口示意图
至此，治疗循环完毕。
3 讨论
该设备运行三年多，成功治疗病人900多例，没有发生过动作故障。
γ刀治疗的对象多为脑部肿瘤病人，治疗的中心目的就是要使病灶接受γ射线照射，治疗过程必须严格按标准步骤执行，不能有丝毫差错，一旦出错，后果将不堪设想，轻则撞坏机器，撞坏屏蔽门，造成γ射线泄漏，重则砸断病人颈部，造成头与身体分离。因此必须采用可靠性和稳定性极高的控制系统来完成其控制。
LGK-646型γ-刀上可编程控器系统采用Siemens公司生产的SIMATIC S5-100U，双PLC结构，当测到CPU和I/O故障时，自动切换到备用的CPU和I/O通道上，实现双机热备份。该系列可编程控器的节点反应很快。在运算速度方面，S5-100系列PLC的CPU 102对1K二进制语句的执行时间大约为7ms，数字量输入输出端口共计最多可达到256，模拟量输入输出共计最多可达成16，可用PG605U.PG710.PG730.PG750.PG(XT/AT-兼容)等几款编程器进行编程。, http://www.100md.com