虚拟维修技术在医用直线加速器维修上的应用

陈展鳞

（中山大学肿瘤防治中心，广东 广州 510060）

现代化科研水平的提升，使大型装备的结构日趋复杂，与此同时，设备造价费用也越来越高。为避免高精度设备在使用中出现故障，通常会采用增加设备维修投入的方式，进行设备运行保障。现阶段，虚拟维修技术已经成为适应我国大型机械生产制造企业发展的全新技术，并初步实现了在试点单位与相关科研领域内推广使用。

但在深入此方面内容的研究中发现，虚拟维修技术在医学设备维修领域的应用仍然存在空白。以医用直线加速器为例，此仪器是一种用于医疗肿瘤放射性化疗的大型设备，使用此仪器可以产生大量的电子线与X射线，使用此射线对人体内的肿瘤进行照射，可以起到消除或缩小肿瘤、癌细胞分布的效果。此仪器在医学领域中的应用价值极高，因此，本文将在此次研究中，设计一种基于虚拟维修技术的医用直线加速器维修方法，为虚拟维修技术在市场内的大规模推广使用提供技术支持与帮助。

1 虚拟维修技术分析

虚拟维修技术是一种面向产品零件安装、拆卸的技术，可以认为此项技术集成了计算机技术与虚拟现实技术的优势，在此基础上，对产品展开的一种仿真维修操作行为。利用此项技术，可以将产品与故障样机置于虚拟化环境中，对其进行维修过程的仿真处理。但由于其本质属于一种工程应用技术，因此，技术在使用中对其精度也有着较高要求。

利用虚拟维修技术可以为前端技术人员创设一个相对真实的训练环境，此时，操作者可以在“身临其境”的环境下进行故障判别与处理。但在此过程中，应注意技术的使用要满足下述五个方面的要求：所构建的场景能够较逼真地反映产品保障环境及其维修实现过程；具有多种功能仿真模拟性能；能够满足人机交互或可视化操作需求；具有高性能的合训能力；可以实现对技术的保障性给予正确评估；能够对操作中的偏差行为、错误行为、干涉行为给予及时预警。

2 基于医用直线加速器维修的虚拟维修系统分析

2.1 虚拟维修系统构建

为实现对医用直线加速器故障的精准处理，引进虚拟维修技术，进行虚拟维修系统的构建。构建过程中，建立多个开放式功能模块，在模块中进行开发医用直线加速器维修构件单元模型。使用3D Max建模软件，进行构件尺寸的驱动设计，利用模型中的布尔运算，对故障构件的点、线、面进行空间局部布局优化。此过程如下计算公式所示。

式中，δ表示为故障构件的点、线、面进行空间局部布局设计单元模型；λ表示为三维场景；Z表示为场景映射空间；θ表示为空间偏移角度。

按照上述方式，完成对医用直线加速器构件的空间布局设计后，考虑到模型中不同构件基于视觉效果较为粗糙。因此，还需要在现有工作的基础上，进行构件的平滑处理。处理过程如下计算公式所示：

式中，M表示为构件的平滑处理；B表示为；T表示为构件视觉粗糙度；∂表示为空间渲染；H表示为表面特征；T′表示为小波转换后构件视觉粗糙度。将完成处理的构件在模型中进行虚拟交互，集成辅导文件与Visual C++编程程序，通过此种方式，完成对医用直线加速器虚拟维修系统的构建。

2.2 系统结构分析

虚拟维修系统是一个基于虚拟现实技术的辅助维修系统，此系统在应用中最主要的优势是实现了维修过程中人机的交互。可将维修过程中两个参与者表示为主体与客体，对两者的描述如图1所示。

图1 虚拟维修系统主体与客体之间的关系

在VR技术的支撑下，创设一个相对真实的操作故障维修操作环境，按照指定的端口进入预设的场景后，维修人员可以身临其境地进行设备操作，通过此种方式，实现对医用直线加速器故障的精准处理。为满足设计过程中的交互性需求，可按照图2所示内容，进行系统结构的设计。

图2 医用直线加速器虚拟维修系统结构

根据上述图2所示的内容可知，数字化处理样机主要用于模拟设备构件；人体结构模型主要用于仿真人员在故障处理中的行为；外设虚拟现实工具可以提供主体与客体之间的交互接口；编程软件与工具主要用于描述维修过程中的操作行为。

2.3 技术流程分析

从目前的设备维护实践来看，应先找出设备的类型，找出故障部位，进行拆装、更换。在此过程中，为系统操作提供技术支撑，是指对设备故障构件拆卸、装配等功能模拟。图3展示了虚拟维护系统在实际应用中的技术流程。

图3 虚拟维护系统在实际应用中的技术流程

在处理过程中，将虚拟现实技术与人机交互技术作为支撑，通过对故障构件的浏览、行为的设定，实现对故障的识别与故障维修方案的生成与故障处理工作全面优化。

3 虚拟维修技术在医用直线加速器维修上的应用分析

3.1 模拟训练

为实现对医用直线加速器故障的精准维修，应在完成对虚拟维修的构建后，将医用直线加速器在运行中的技术参数录入虚拟维修系统，对技术参数进行模拟训练。录入参数，如表1所示。

表1 西门子M型医用直线加速器技术参数录入

完成对医用直线加速器技术参数的录入后，对参数进行迭代处理，对不同项目参数在不同取值下的工况进行模拟。此过程如下计算公式所示。

式中，y表示为医用直线加速器运行工况模拟；ω表示为技术参数；z表示为参数取值情况；m表示为核心构件重要性；i表示为录入参数数量；j表示为故障组合次数。完成上述处理后，将模拟的数据传输到系统Exit模块，在此模块进行模拟数据的训练。训练过程如下计算公式所示。

式中，α表示为模拟数据的训练处理过程；β表示为数据传输渠道；n表示为训练系数；r表示为数据维度。通过此种方式，提高模拟数据的精度，为医用直线加速器故障维修决策提供指导与帮助。

3.2 故障检修与定位

对存在故障的医用直线加速器进行故障检修与故障构件的定位处理。当发现设备状态属性被触发后，需要进入医用直线加速器的运行控制界面，进行故障在虚拟场景中的映射，根据映射结果进行故障的检修与定位，此过程如下计算公式所示。

式中，f(x)表示为故障构件在医用直线加速器中的空间位置；C表示为虚拟场景映射；p表示为医用直线加速器的运行控制界面；A表示为指令性约束条件。按照上述方式，实现对医用直线加速器在运行中故障的诊断、决策与定位。

3.3 维修检验与数据统计

在制定维修方案后，按照预设的方案进行医用直线加速器故障维修，对完成维修后的医用直线加速器进行运行检验。检验过程包括对模拟设备的安装、拆卸、调试等操作。确保维修后医用直线加速器不存在异常运行反馈后，完成对仪器的维修检验。统计维修过程中所产生的数据，通过对所获得的数据进行仿真，以了解维修过程中遇到的各种障碍，从而实现对维修工作进行有效的检查和评估。通过对虚拟样机对象的分析，可以及时地找到问题，并对其成因进行分析，并提出相应的解决措施。

4 结语

建立基于虚拟维修技术的设备维修系统，不但可以节约维修成本，还可以通过智能的数据和经验，改变以往的海量、零散的数据积累。在进行虚拟维修时，可以及时地发现和预防设备的进一步损坏，尤其是在远程技术的指导下，充分发挥专家的作用，可以确保设备长时间、稳定地工作。