【话题讨论】医疗行业中的控制系统发展
今天这篇文章，来聊一下我自己最擅长的一个设备，即医用电子直线加速器，医用电子直线加速器是一种大型的医疗设备，虽然说它是医疗设备，但是它的控制系统完全是按照工业控制系统来设计的，而它的发展基本上是现代工业控制系统发展的一个缩影。
X射线
医用电子直线加速器是一种产生X射线的医用设备，用它产生的高能X射线来照射肿瘤，以达到抑制肿瘤细胞分裂，限制肿瘤生长或者杀死肿瘤细胞的目的。说白了，它就是一种治疗肿瘤的手段，也就是我们常说的放疗。
加速器治疗机架和床
X射线目前被广泛地应用在各种医疗设备中，比如CT，DR（数字X线摄影术）等大型影像设备中，那么问题来了，我们可以以何种手段来获得X射线呢？
目前在医疗设备，安检设备中想要产生X射线使用的方法都一样，即通过电子的轫致辐射来获得X射线。所谓轫致辐射，又被称为制动辐射，原理很简单，将一颗高速运动的电子骤然减速，由于原本高速运动的电子具有很高的能量，被减速之后，这些能量会通过辐射的形式释放出来。
那么这个问题就变得很简单了，即：1、如何加速这颗电子？2、如何使电子骤然减速？
第一个问题比较值得研究，我们先来说如何使电子骤然减速。使电子骤然减速有两种方法，第一种即磁场减速，这种方式一般不会被使用，因为不管是永磁铁还是电磁铁想要使高能的电子达到基本静止的效果会非常占据空间，因此我们一般使用第二种方式，即使用电子轰击金属靶的方式使电子减速或者静止。
前面说了，轫致辐射只是会产生辐射而已，那么要想使这些辐射成为X射线，就需要将电子的能量加速到很快，这个电子的速度，决定了轫致辐射辐射出的是什么电磁波，甚至是什么性质的X射线。因为X射线只是一个波段射线的统称，X射线内部还分为软射线，硬射线，极硬射线等，虽然软射线能低,但是基本被生物组织吸收，会对人产生严重的伤害；而硬射线基本是穿过生物体，组织内停留时间少。而这些X射线的质量，与加速它的电压有直接的关系。加速器控制系统的优劣，直接影响了最终产生的射线质量。
胸透
加速的过程
CT，DR等影像设备都是采用一个高压电源来推动球管产生X射线的，这个原理非常简单，控制也相对简单，它们的能量非常低，才几千eV（电子伏特，一种能量单位，即一颗电子在1V的电场下所具有的动能）。而加速器的能量非常高，医院里面最常见的低能机也要达到6MeV（6兆电子伏特），因此普通的高压电源（电压才几千伏，电场强度不够）根本无法去加速那么多的电子来获得如此高的能量。唯一可以使用的方法即用高压脉冲调制器来驱动磁控管产生一个能量强大的微波场，通过此微波注入到加速管，加速管再让电子在其内部不断地在电场下加速，以使电子速度达到0.9倍左右的光速，最后轰击金属靶从而产生一个高能级的X射线。
这里面的核心器件即磁控管和加速管，磁控管和驻波加速管组合，可以产生6MeV以下的低能机，而速调管和行波加速管组合，可以产生6~15MeV甚至更大能量的X射线，这种加速器一般为螺旋加速器，价格特别贵，可以达到2000多万人民币以上。
加速器核心部件
治疗室和控制室
以上的真空器件被装进机头内部，就变成了之前展示给大家看的加速器了，但是这个只是加速器治疗室里面的设备。治疗时，病人躺在治疗室里面的治疗床上面，接受治疗，而究竟该治疗哪个部位，给多少X射线剂量，这是医生在治疗室里面操作的。一般一个医院内部加速器机房分成治疗室，控制室，设备室三个空间。
加速器机房布局
由此可以进入我们今天的主题了，一个加速器机房这么大，治疗时里面在加速器工作时会产生非常多的高能X射线，微波，电磁辐射。如此强的干扰场合恐怕比大多数电气工程师口中的工业现场要强得多，因此如何去又快又好的将控制室里面的控制信号传入治疗室，治疗室里面的治疗数据传给控制室，这个一个非常典型的工业控制现场。从控制室里面传入治疗室的线缆长度可以达到50米左右。
集中控制
X射线最早在50年代就被用于肿瘤治疗，那时候电子计算机还没有被发明出来，因此对于加速器的使用都是人通过手动开关来控制的，只要将仪表台上的按钮按照顺序按一遍，即可产生X射线束。
这些开关通过一捆捆电缆从控制室被排入地沟，最后进入治疗室。由于这种控制方式都是通过一根根IO信号线实现控制的，治疗室里面所有的设备都可以被控制室里面控制台上的按钮所控制。这种控制即为早期的控制思想，也就是我们之前常说的集中控制思想。
后来计算机虽然被发明出来了，但是其控制方式还是以集中控制为主，只不过将之前操作员的手工按钮和拨动开关，变成了计算机软件控制。没在这个年代做过工控的人很难想象很多捆线缆接入到计算机柜里面的场景。
计算机柜背后线缆
分布式控制
后来随着一些图像引导放疗（IGRT），光栅控制，三维适形等等新技术的应用，这种集中控制的方式越来越难满足放疗设备的应用了。因此分布式系统逐渐兴起，所谓分布式控制，即使用多个控制器分别控制各个模块或者系统，各个控制器使用总线通讯的方式进行信息交互。
分布式控制系统框图
这种分布式控制中的总线有很多，如485，CAN总线等，而随着近些年控制要求的提升，一些专门用作控制的实时以太网也被用于分布式控制中来，如EtherCAT，Powerlink，Profinet等，这些实时以太网除了有类似于CAN，485等优秀的实时性之外，传输速度也是前者的百倍乃至千倍，毫秒级的系统延时基本可以满足。后续我们还会来详细讨论这些现场总线以及实时以太网。
以上内容，结合了我所在的行业和大家分享了一些工业控制的发展，如果大家有自己的见解，欢迎留言。