医用直线加速器三维电子倾角仪的设计与研制

袁夏冰 钱三杨 金 燕 姚金红*

放射治疗是目前肿瘤治疗重要方法之一，精确度是放射治疗疗效的一个关键因素，因此放射治疗对治疗设备的精确度要求非常高，需要定期对设备进行质量控制检测，其中加速器床板、机架、准直器角度的测量与验证，以及质量控制设备二维水箱、三维水箱和固体水模体测量之前的水平调节等都需要用到角度测量仪[1]。水箱是应用于直线加速器各项参数调试和验收的重要工具，在测量过程中水箱需保持足够水平，从而保证测量参数的准确性[2]。

目前，质量控制中配备的大都是水泡型水平仪或直条状或框式的一维或二维水平仪[3-4]。然而，这些设备无法满足质量控制过程中多种应用的要求，在质量控制实施过程中都存在明显不足。在利用水平仪调节水箱至水平时，由于水箱边缘较窄，直条状或框式的水平仪不易放置，容易掉落，造成设备及人员的损伤；而在测量机架和准直器角度时，需要不断变换水平仪放置位置才能得到所有倾角数据，比较繁琐,由于需要在不同的角度读取数据，常规水平仪读取数据不方便，无法保存测量结果，尤其是气泡型水平仪，还容易产生读数误差。目前的类似倾角仪产品均不能满足放射治疗质量控制的需求。为此，本研究自主发明设计的三维电子倾角仪专门应用于放射治疗质量控制倾角的测量，包括水箱水平测量以及机架各角度的测量，以替代老式气泡水平仪[5]。

1 三维电子倾角仪系统设计

三维电子倾角仪有水箱辅助固定三脚架模块、倾角测量模块和触控显示三个模块组成(如图1所示)。

图1 直线加速器三维电子倾角仪模型示图

1.1 水箱辅助固定三脚架模块

水箱辅助固定三脚架模块是专为调节水箱至水平位置所设计，由于水箱边缘较窄，直条状或框式的水平仪不易放置，容易掉落，造成设备及人员的损伤。水箱辅助固定模块下面采用凹槽设计可卡在水箱边缘防止掉落，上面为三角形平面，上面边缘采用凸出设计，便于水平仪摆放时对齐，在测量水箱是否水平时，水箱辅助固定三脚架模块是直接放在水箱水平面上。

1.2 倾角测量模块

倾角测量模块外壳具有磁性，测量时直接放在固定三脚架模块上或者被测物体上。倾角测量模块的底板采用中凹设计，减小被测平面不平整对测量结果的影响。磁铁嵌入底板凹槽内，可方便的将水平仪吸附于待测物体表面。

1.3 触控显示模块

触控显示模块也具有磁性，测量时可以放在倾角测量模块上显示数据，也可以和倾角测量模块分开，如在测量机架各角度时，由于机架较高，若测量模块和触控显示模块接插在一起，读数就很不方便，此时就可以把触控显示模块与倾角测量模块分离，使用者可以拿在手上读取测量数据，非常便捷方便。

1.4 系统工作原理

倾角测量模块和触控显示模块通过蓝牙模块自动进行无线传输匹配。倾角电路板上的双轴倾角传感器将倾角信息传送给电路板微处理器，经过数据处理后，再通过电路板上的无线发射电路将带有倾角数据的信息传输到触控显示模块上，触控显示模块通过无线接收电路接收数据并显示在屏幕上。倾角测量模块和触控显示模块内所有电路均有各自模块内的锂电池进行供电，并通过各自的电路进行充电。通过液晶触控屏可实现倾角仪的自动校零，冻结测量结果，记录测量结果，恢复出厂设置操作。倾角测量模块和触控显示模块的系统工作原理如图2所示。

图2 倾角测量模块和触控显示模块系统工作原理图

2 三维电子倾角仪硬件与软件设计

2.1 倾角测量模块硬件设计

倾角测量模块主要包含底板、磁铁、顶盖、单片机模块、传感器模块、电源模块、通讯模块及电源开关等。

2.1.1 传感器模块

倾角测量模块中传感器的精度直接影响到最后的测量结果。传感器选用的是“亚德诺(Analog Devices,Inc.ADI)公司推出的三轴(X轴、Y轴和Z轴)数字加速度计ADXL345，其具有在16g下高分辨率(13 Bit)测量能力，同时具备16Bit数字输出，高达4 mg/LSB的灵敏度[6]。ADXL345是一款小而薄的超低功耗三轴传感器，可通过内部集成电路(inter-integrated circuit，IIC)，总线和串行外围设备接口(serial peripheral interface，SPI)方式进行数据传输，非常适合移动设备应用，能够检测到＜0.25°的倾斜角度变化，其电路原理如图3所示。

图3 传感器电路原理图

ADXL345传感器能直接测出X轴、Y轴和Z轴上的加速度，通过公式换算出3个轴上的角度，假设Ax、Ay和Az分别是X轴、Y轴和Z轴的加速度值，θ、θ和θ分别是X轴、Y轴和Z轴的角度值，也就是最后显示在液晶屏幕上的值，其转换计算为公式1、公式2和公式3：

2.1.2 单片机模块

倾角测量模块的单片机读取ADXL345传感器测量得到的倾角数据，单片机选用的是意法半导体(ST)公司推出的基于ARM Cortex-M3内核为微控制器单元(micro controller unit，MCU)产品STM32F103T8U6，其优点有丰富的外设、低功率集成度高、优异的时钟性能以及价格低廉等。其包含有通用同步异步收发器(universal synchronous asynchronous receiver and transmitter，USART)、通用串行总线(universal serial bus，USB)及SPI等总线接口，兼有直接存储器存取(direct memory access，DMA)功能，较适合做微型控制系统[7]。本研究采用单片机的SPI接口与ADXL345传感器进行数据传输。SPI是串行外设接口，优点有支持全双工通讯、操作简单和数据传输数率较高等[8]。单片机下载编译程序均通过j-link端口实现，其电路原理如图4所示。

图4 单片机电路原理图

2.1.3 通讯模块

倾角测量模块中主控单片机把数据传输到通讯模块上，通讯模块有两种数据传输模式：①通过蓝牙通讯方式把数据传给触控显示模块，蓝牙模块采用主从结构模式，倾角测量模块上有主蓝牙模块，触控显示模块上有从模块，最后在液晶显示屏上显示，蓝牙采用4.0技术传输数据，数据传输快，完全满足需求；②通过USB通讯方式直接把数据传输到机房外的PC机上，以便质量控制人员查看和存储数据。

2.1.4 电源模块

倾角测量模块采用5 V电压直流输入，再经过tp4056充电管理电路给锂电池充电，之后再通过XM5062电压转换电路把3.7 V直流电压转换成3.3 V直流电压，最后给单片机模块、传感器模块和蓝牙模块供电，其电源模块原理如图5所示。

图5 电源模块原理图

充电管理电路tp4056是一款完整的恒定电流/恒定电压的单节锂离子电池线性充电器，其内部采用PMOSFET架构，并且有防倒冲电路，外部不需要再添加隔离二极管，充电电流可通过电阻器自动设置，充电电压固定在4.2 V，当电流达到一定值时tp4056会自动终止充电循环，并且其内部集成有电池温度监测电路，防止温度的过低或过高造成对电池的损害[9]。选用tp4056充电电路对锂电池充电具有安全性高、集成度高和成本低等优点。锂电池电压输出为直流3.7 V，需要再次降压成直流3.3 V给单片机模块、传感器模块和蓝牙模块供电。本研究选用XM5062芯片进行降压转换，XM5062是一款具有固定工作频率的电流模式控制的同步降压转换芯片，其工作电流只有130 μA，而当其关机时只消耗1 μA。XM5062非常适合应用在小尺寸电路板，器件具有内置的开关，不需要外部的续流二极管。

2.2 触控显示模块硬件电路设计

触控显示模块主要包含磁铁、无线接收电路、单片机模块、液晶触控屏、电源模块以及电源开关等。

触控显示模块的单片机选用的是美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机，是一种高性能、低功耗、带4KFlashMemory的8位金属氧化物半导体(complementary metal-Oxide semiconductor，CMOS)单片微型计算机芯片[10]。AT89C51具有速度快、实时性好、可靠性高、系统掉电后重要数据和状态信息不会丢失等优点，其性能价格比远高于同类芯片。触控显示模块上的无线蓝牙接收模块接收到了无线蓝牙发送过来的数据，再将数据传送给AT89C51单片机，倾角数据信息在LCD12864液晶屏上显示。

液晶显示屏选用的是LCD12864，其具有2线或3线串行、4位或8位并行等多种接口方式，显示分辨率为128×64，其指令操作方便，接口方式简单，并且具有低电压、低功耗和低成本等优点[11]。液晶屏上会显示X轴、Y轴和Z轴三轴倾角数据，通过这3个数据临床工作人员就可以非常方便且准确的判断水箱是否水平，床板、机架和准直器的角度。

触控显示模块的电源也是采用锂电池供电，锂电池的输出电压为3.7 V，而AT89C51单片机和LCD12864液晶显示屏的工作电压都是5 V，因此选用PS3120A芯片把3.7 V电压升到5 V给单片机和液晶显示屏供电。PS3120A芯片的升压电路很简单，无需电感，外围只需要三个电容，操作简单，性价比高。

2.3 三维电子倾角仪软件设计

三维电子倾角仪的软件是采用C语言[12]进行编写，系统上电之后倾角测量模块中的主控单片机STM32F103T8U6先进行初始化，然后通过SPI接口与传感器ADXL345建立连接通信，主控单片机直接读取传感器测得的数据，之后转换成X轴、Y轴和Z轴倾角数据，由两种方式传输倾角数据：①通过无线蓝牙模块发送倾角数据，将倾角数据发送到触控显示模块中的单片机AT89C51中，最后通过单片机AT89C51控制液晶屏显示倾角数据；②通过USB接口将倾角数据直接发送到PC机上，临床使用人员可以在PC机上直观的看到倾角数据，其系统软件流程如图6所示。

图6 系统软件流程图

3 三维电子倾角仪测试结果

将三维电子倾角仪放在已知精确倾斜角度的斜面上进行测试，测量角度分别有0°、30°、45°、60°和90°，不同倾斜角度各测量5次，重复的数据只记录一次，并计算出每组数据的绝对误差、相对误差和最大误差。此测量仪可以测0°～90°的任意角度，能够测量不足0.25°的倾角变化，分辨率较高，相对误差范围＜±0.5%，相对误差较小。相比老式气泡仪只能用肉眼观测，无实际数值，精确度明显提高，避免了人为因素造成的误差，其测试结果见表1。

4 讨论

传统的倾角测量工具往往是气泡式水平仪或者指针式，这类工具需要操作人员估读数值，再加上测量工具本身精度不够高，容易造成测量结果偏差较大。目前，一维或二维数字测角仪的原理多采用摇摆式测量原理，且价格昂贵，响应速度慢，测量结果容易受温度影响等[13]。

本研究设计的三维电子倾角仪采用加速度传感器[14]获取数据，专门为放射治疗质量控制测量过程而设计，可以实时显示X轴、Y轴和Z轴3个方向的倾角数据，数据可保存，为放射治疗质量控制倾角测量提供有效解决方案，更好的做好质量控制工作，方便工作人员使用。

表1 测试结果数据

倾角测量仪具备以下优点：①通过水箱辅助固定模块与测量水箱固定，避免水平仪的掉落；②倾角测量模块和触控显示模块采用可拆分设计，便于观察和读数；③三维电子倾角仪可同时显示X轴、Y轴和Z轴3个方向的倾角数据，并且自动校零，减少测量误差；④三维电子倾角仪可记录多次测量结果，便于记录和回顾；⑤液晶触控屏设计，操作更简单、直观；⑥采用可充电锂电池设计，减少电池更换，保护环境；⑦响应速度快，固定和携带方便，操作简单，安全性高，读数可视化程度高。

5 结语

三维电子倾角仪能够提高直线加速器质量控制和校验过程中测量角度的精确度和稳定性，在测量水箱是否水平时将固定三脚架模块放在水箱的水平面上，将倾角测量仪放在固定三脚架上，可方便地取到测量数据，并可判断水箱是否水平。倾角测量仪的测量模块和显示模块可分开放置，并在机房的任何地方读取数据。在测量加速器床板、机架及准直器角度时，将倾角测量模块放在被测物体上，手持触控显示模块，可方便地读取数据，且操作简单方便，数据精确无误差。同时，也可以在机房外的PC机上查看倾角数据，并可以保存和查看历史数据。三维电子倾角仪的设计给临床带来了极大的方便，对直线加速器的质量控制和数据验证均具有重要意义，保证了数据的准确性和稳定性。