本實用新型屬于醫(yī)療和工業(yè)輻照應(yīng)用的電子直線加速器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種醫(yī)用加速器劑量率穩(wěn)定控制電路。

背景技術(shù)：

在中高能醫(yī)用電子直線加速器應(yīng)用中，傳統(tǒng)的靜態(tài)治療對劑量率的穩(wěn)定要求不高。隨著放射治療技術(shù)的發(fā)展，由靜態(tài)治療發(fā)展出弧度治療和調(diào)強治療等動態(tài)治療方式，對于不同的醫(yī)生處方，加速器需要能夠動態(tài)響應(yīng)劑量率的變化，并且能夠快速穩(wěn)定劑量率的輸出。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實用新型提供了一種醫(yī)用加速器劑量率穩(wěn)定控制電路，具有可靠性好、響應(yīng)快等優(yōu)勢。

本實用新型的醫(yī)用加速器劑量率穩(wěn)定控制電路，包括：串口通信電路、信號緩沖整形電路、MCU電路和信號產(chǎn)生電路；

其中，信號緩沖整形電路接收外界傳入的實時劑量率信號并緩沖整形后，發(fā)送至MCU電路；

MCU電路包括積分器、解析器、PID算法器和比較器；

其中，所述解析器通過串口通信電路與主機連接，接收主機設(shè)定的劑量率預(yù)設(shè)值Y和調(diào)節(jié)范圍e，并根據(jù)劑量率預(yù)設(shè)值Y計算出信號產(chǎn)生電路的基準頻率F；將劑量率預(yù)設(shè)值Y傳輸至PID算法器，將調(diào)節(jié)范圍e和基準頻率F發(fā)送至比較器；

所述積分器對信號緩沖整形電路發(fā)送的實時劑量率信號進行積分運算，得到實時劑量率數(shù)值X_i，并將實時劑量率數(shù)值X_i發(fā)送至PID算法器；

PID算法器根據(jù)收到的實時劑量率數(shù)值X_i和劑量率預(yù)設(shè)值Y，計算出劑量率的控制值A(chǔ)，并將劑量率控制值A(chǔ)發(fā)送至比較器；

比較器將收到的劑量率控制值A(chǔ)與基準頻率F進行比較，判斷劑量率控制值A(chǔ)是否超出調(diào)節(jié)范圍e：如果未超出，則將頻率值F+A發(fā)送至信號產(chǎn)生電路；如果超出，則將基準頻率的調(diào)節(jié)極限值發(fā)送至信號產(chǎn)生電路；

所述信號產(chǎn)生電路根據(jù)比較器輸出的頻率產(chǎn)生固定脈寬的脈沖信號，再將脈沖信號轉(zhuǎn)化為差分信號后輸出。

進一步的，所述PID算法器包括2個減法器、2個緩沖器、2個加法器和3個乘法器，其中，減法器I接收積分器發(fā)送的Xi和解析器發(fā)送的Y，并做減法運算，將運算結(jié)果Xi-Y發(fā)送至乘法器I，乘法器將Xi-Y與比例因子Kp相乘后，發(fā)送至加法器II；減法器I還接收積分器發(fā)送的當前劑量率數(shù)值X_i與上一次劑量率數(shù)值X_i-1，并做減法運算，將當前劑量率數(shù)值與上一次劑量率數(shù)值的差△X_i＝X_i-X_i-1發(fā)送至緩沖器I和緩沖器II，緩沖器I將△X₁、△X₂、…△X_i發(fā)送至加法器I做加法運算，并將累加結(jié)果△X₁+△X₂+…+△X_i發(fā)送至乘法器II，乘法器II將累加結(jié)果與積分因子Ki相乘后，發(fā)送至加法器II；緩沖器II將△X₁、△X₂、…△X_i發(fā)送至減法器II做減法運算，將兩次劑量率偏差的差值△X_i-△X_i-1發(fā)送至乘法器III，乘法器III將偏差差值與微分因子Kd相乘后，發(fā)送至加法器III；加法器II將Kp*(Xi-Y)、Ki*(△X₁+△X₂+…+△X_i)和Kd*(△X_i-△X_i-1)進行相加后，即得到劑量率控制值A(chǔ)。

進一步的，還包括報警輸出電路；所述報警輸出電路與比較器相連，當劑量率控制值A(chǔ)超出調(diào)節(jié)范圍e，比較器向報警輸出電路發(fā)送報警數(shù)字量，報警輸出電路進行警告操作。

進一步的，所述信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的脈沖信號的脈寬為1～200μs。

本實用新型具有如下有益效果：

1、本實用新型能夠?qū)崟r動態(tài)響應(yīng)劑量率的變換，并通過PID調(diào)節(jié)，實現(xiàn)劑量率的快速穩(wěn)定輸出。

2、本實用新型中，PID算法器僅采用簡單的減法器、加法器、緩沖器和乘法器，即實現(xiàn)對劑量率的瞬時調(diào)節(jié)進行控制、保證累積劑量偏差滿足要求和進行超前校正避免過調(diào)，電路簡單，易實現(xiàn)。

3、本實用新型中，電路信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的信號為固定脈寬(1-200us)的差分信號，精度高，抗干擾能力較強，可以避免外界的誤觸發(fā)。

附圖說明

圖1為本實用新型的醫(yī)用加速器劑量率穩(wěn)定控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型的醫(yī)用加速器劑量率穩(wěn)定控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖(PID算法器組成示意)

圖3為本實用新型的醫(yī)用加速器劑量率穩(wěn)定控制電路的工作流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本實用新型進行詳細描述。

本實用新型提供一種醫(yī)用加速器劑量率穩(wěn)定控制電路。

如圖1所示，所述醫(yī)用加速器劑量率穩(wěn)定控制電路包括：串口通信電路、信號緩沖整形電路、MCU(單片機)電路、信號產(chǎn)生電路和報警輸出電路。

其中，信號緩沖整形電路接收外界傳入的實時劑量率信號，并進行降低空間和電網(wǎng)的干擾，將緩沖整形后的信號發(fā)送至MCU電路。

MCU電路主要由積分器、解析器、PID算法器和比較器組成。其中，MCU電路的解析器通過串口通信電路與外界主機連接，接收外界主機設(shè)定的劑量率預(yù)設(shè)值Y和調(diào)節(jié)范圍e，并根據(jù)劑量率預(yù)設(shè)值Y計算出信號產(chǎn)生電路的基準頻率F；將劑量率預(yù)設(shè)值Y傳輸至PID算法器，將調(diào)節(jié)范圍e和基準頻率F發(fā)送至比較器；積分器對信號緩沖整形電路發(fā)送的實時劑量率信號進行積分運算，得到實時劑量率數(shù)值X_i，并將實時劑量率數(shù)值X_i發(fā)送至PID算法器；PID算法器根據(jù)收到的實時劑量率數(shù)值X_i和劑量率預(yù)設(shè)值Y，計算出劑量率的控制值A(chǔ)，并將劑量率控制值A(chǔ)發(fā)送至比較器；比較器將收到的劑量率控制值A(chǔ)與基準頻率F進行比較，判斷劑量率控制值A(chǔ)是否超出調(diào)節(jié)范圍e：如果未超出，則將頻率值F+A發(fā)送至信號產(chǎn)生電路；如果超出，則輸出報警數(shù)字量至報警輸出電路，同時，若是劑量率控制值A(chǔ)大于調(diào)節(jié)范圍的上限值，將上限值(F(1+e))發(fā)送至信號產(chǎn)生電路；若是劑量率控制值A(chǔ)小于調(diào)節(jié)范圍的下限值，將下限值(F(1-e))發(fā)送至信號產(chǎn)生電路。

所述信號產(chǎn)生電路根據(jù)比較器輸出的頻率產(chǎn)生固定脈寬(1～200μs)的脈沖信號，再將脈沖信號轉(zhuǎn)化為抗干擾能力較強的差分信號作為外界的同步信號。

所述報警輸出電路根據(jù)比較器輸出的報警數(shù)字量進行警告操作，通知外界本電路已超出調(diào)節(jié)范圍。

同時，比較器將劑量率控制狀態(tài)經(jīng)解析器發(fā)送給外界主機。

其中，PID算法器具體組成如圖2所示，包括2個減法器(I、II)、2個緩沖器(I、II)、2個加法器(I、II)和3個乘法器(I、II、III)，其中，減法器I接收積分器發(fā)送的Xi和解析器發(fā)送的Y，并做減法運算，將運算結(jié)果(Xi-Y)發(fā)送至乘法器I，乘法器將(Xi-Y)與比例因子Kp相乘后，發(fā)送至加法器II，即，當前劑量率數(shù)值與預(yù)設(shè)值之間的差值與比例因子的乘積(Kp*(Xi-Y))，可瞬時調(diào)節(jié)進行控制快速響應(yīng)劑量率的變化；減法器I還接收積分器發(fā)送的當前劑量率數(shù)值X_i與上一次劑量率數(shù)值X_i-1，并做減法運算，將當前劑量率數(shù)值與上一次劑量率數(shù)值的差△X_i＝X_i-X_i-1發(fā)送至緩沖器I和緩沖器II，緩沖器I將△X₁、△X₂、…△X_i發(fā)送至加法器I做加法運算，并將累加結(jié)果(△X₁+△X₂+…+△X_i)發(fā)送至乘法器II，乘法器II將累加結(jié)果與積分因子Ki相乘后，發(fā)送至加法器II，即每次劑量率數(shù)值偏差的累積和與積分因子的乘積(Ki*(△X₁+△X₂+…+△X_i))，保證累積劑量率的偏差滿足要求；緩沖器II將△X₁、△X₂、…△X_i發(fā)送至減法器II做減法運算，將兩次劑量率偏差的差值(△X_i-△X_i-1)發(fā)送至乘法器III，乘法器III將偏差差值與微分因子Kd相乘后，發(fā)送至加法器III，即兩次劑量率偏差的差值與微分因子的乘積，即Kd*(△X_i-△X_i-1)，可以進行超前校正避免過調(diào)以期達到劑量率穩(wěn)定的目的。加法器II將(Kp*(Xi-Y))、(Ki*(△X₁+△X₂+…+△X_i))和Kd*(△X_i-△X_i-1)進行相加后，即得到劑量率控制值A(chǔ)。

由此，可以通過簡單的減法器、加法器、緩沖器和乘法器，即可計算獲得PID控制的劑量率控制值A(chǔ)，電路簡單，易實現(xiàn)。

如圖3所示，本電路的工作流程為：

步驟1，劑量率預(yù)設(shè)：外界主機通過串口通信電路將需要的劑量率數(shù)值作為預(yù)設(shè)值發(fā)送給MCU，MCU的解析器根據(jù)預(yù)設(shè)值計算出基準頻率F；

步驟2，同步信號輸出：信號產(chǎn)生電路根據(jù)基準頻率生成固定脈寬的脈沖信號，并將脈沖信號轉(zhuǎn)化為不易受干擾的差分信號作為外界的同步信號輸出；

步驟3，劑量率計算：MCU電路計算信號緩沖整形電路傳輸?shù)膶崟r劑量率信號，得到實時的劑量率數(shù)值Xi；

步驟4，比較誤差：MCU電路根據(jù)實時劑量率數(shù)值與預(yù)設(shè)值的差值，若差值在誤差允許范圍內(nèi)，則不改變同步信號的頻率，維持輸出。若差值超出誤差允許范圍，修改同步信號的頻率，得到新的頻率值；

步驟5，判斷超調(diào)：判斷新的頻率值是否在基準頻率的一定范圍內(nèi)，不超出，則產(chǎn)生新的同步信號，返回步驟2。超出，電路進行報警，通知外界電路已超調(diào)，另維持同步信號在基準范圍內(nèi)的極限值，返回步驟2，保證同步信號的輸出。

綜上所述，以上僅為本實用新型的較佳實施例而已，并非用于限定本實用新型的保護范圍。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。