可編程控制器技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用

王琪

上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬上海市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備處 （上海 200082）

可編程控制器（programmable logic controller，PLC）是 一種以微處理器為核心的新型數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，其采用可編程序的存儲器，利用內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時/計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械設(shè)備或生產(chǎn)過程[1]。如果控制需求改變，只需要修改存儲器內(nèi)的相關(guān)程序即可改變電氣系統(tǒng)的控制要求。PLC技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，本研究通過3個案例敘述PLC在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用，以供同行參考。

1 PLC技術(shù)的主要功能

PLC技術(shù)主要有開關(guān)量的邏輯控制、模擬量控制、運動控制、過程控制、通信控制與數(shù)據(jù)處理5大功能[2]。其中開關(guān)量的邏輯控制功能實現(xiàn)了邏輯控制和順序控制，擯棄了傳統(tǒng)龐大結(jié)構(gòu)的繼電器電路，實現(xiàn)了電路的小型化、集成化設(shè)計。模擬量控制功能通過模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換D/A模塊實現(xiàn)對溫度、流量、壓力等模擬量的控制[3]。運動控制功能是通過位置控制模塊控制驅(qū)動電機或伺服電機的單軸或多軸實現(xiàn)直線運動或圓周運動。過程控制功能是對上述模擬量的閉環(huán)控制。通信與數(shù)據(jù)處理功能可實現(xiàn)相關(guān)的操作、運算、傳輸和聯(lián)網(wǎng)等。

2 PLC 技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 在醫(yī)院手術(shù)室凈化系統(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)2014年6月1日起實施的《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》（GB50333-2013）以及醫(yī)院院感與質(zhì)控要求，不同類型的臨床手術(shù)需在相應(yīng)的手術(shù)室內(nèi)進行。臨床手術(shù)對手術(shù)室的潔凈度、正負壓、溫濕度等有特殊要求。來自室外的新風(fēng)與來自潔凈室內(nèi)的回風(fēng)混合后，通過初、中效過濾器過濾，再分別通過表冷段、加熱段進行恒溫除濕處理，依次經(jīng)過中效過濾器過濾、加濕段加濕后進入送風(fēng)管道；通過送風(fēng)管道上的消聲器降噪處理后送入管道最末端的高效過濾器，然后進入手術(shù)室天花板；手術(shù)室設(shè)有排風(fēng)口，由排風(fēng)口排出室外，其余通過回風(fēng)口及回風(fēng)管道與新風(fēng)混合進入初效過濾器前。如此循環(huán)。

上述循環(huán)中，PLC是整個自動控制系統(tǒng)的核心，其通過檢測手術(shù)室內(nèi)的溫濕度來控制空調(diào)機組中表冷器、電加熱器、電加濕器等相關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)；通過檢測潔凈度來控制各級過濾裝置以及風(fēng)機變頻器進行空氣過濾；PLC將監(jiān)測到的參數(shù)值與設(shè)定值進行比較并做出判斷，驅(qū)動被控對象執(zhí)行相應(yīng)操作，使監(jiān)測參數(shù)符合系統(tǒng)設(shè)定要求。

2.2 在過氧化氫等離子體滅菌器設(shè)備中的應(yīng)用

過氧化氫等離子體滅菌器的工作原理是使用過氧化氫作為滅菌劑，通過PLC進行電氣控制，在低溫環(huán)境下，將滅菌劑按規(guī)定量注入到載有需消毒醫(yī)療器械的真空室內(nèi)[4]。滅菌劑在真空室內(nèi)被汽化并擴散，然后被“激發(fā)”成等離子態(tài)，從而對醫(yī)療器械進行滅菌。在該滅菌過程中，PLC是核心技術(shù)，如圖1所示。PLC根據(jù)消毒規(guī)范要求及流程，按照設(shè)定程序控制各部分部件工作，并進行實時檢測、反饋。

2.3 在高強度聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)中的應(yīng)用

高強度聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)（high-intensity focused ultrasound，HIFU），又叫聚焦超聲腫瘤消融機，其是醫(yī)院常見的大型設(shè)備，用于四肢及軀干的骨和軟組織腫瘤、乳腺腫瘤、肝臟腫瘤（肝臟減少移動及無肋骨障礙）患者的治療。該設(shè)備的治療源為超聲波，工作原理是利用超聲波的熱效應(yīng)、空化效應(yīng)和器械效應(yīng)將超聲波聚焦在一個靶區(qū)內(nèi)，使靶區(qū)內(nèi)的腫瘤細胞產(chǎn)生瞬態(tài)高溫（60 ℃以上），進而殺死靶區(qū)內(nèi)的腫瘤細胞[5]。

圖1 過氧化氫等離子體滅菌器PLC控制

使用HIFU治療必須要有足夠的超聲通道，且機載超聲可測出靶區(qū)情況。HIFU是一種不需開刀就可殺滅體內(nèi)腫瘤的技術(shù)，是“無創(chuàng)手術(shù)”。其對于不同時期病變有不同的效果，尤其適用于治療子宮肌瘤患者，且療效顯著。該設(shè)備目前已出口到歐洲、韓國、日本、澳大利亞等諸多國家和地區(qū)。

HIFU系統(tǒng)由水處理系統(tǒng)、超聲診斷儀、治療床及龍門架、功率發(fā)生柜、計算機控制系統(tǒng)5大部分組成。控制系統(tǒng)由計算機、系統(tǒng)控制軟件、遙控操作臺組成；定位系統(tǒng)由數(shù)字式B超、雙C臂龍門架、三維運動治療床組成；治療系統(tǒng)由多元雙聚焦超聲換能器、功率驅(qū)動器、真空水處理系統(tǒng)組成。

在聚焦超聲腫瘤消融機設(shè)備控制應(yīng)用中，PLC技術(shù)起到了關(guān)鍵作用，俗稱下位機的PLC和上位機工作站主導(dǎo)程序形成互通，整體實現(xiàn)了電腦數(shù)據(jù)指令的傳輸執(zhí)行，是醫(yī)療設(shè)備人機互動的完美示范。圖2中治療床及龍門架機械傳動裝置的輸出與反饋、換能器三維動作的精度控制、治療能量輸出的大小調(diào)整和通道選擇以及狀態(tài)反饋、3D-TPS治療計劃等都是基于PLC發(fā)出指令才得以實現(xiàn)。隨著使用時間的延長，設(shè)備不可避免地會出現(xiàn)問題，而一旦出現(xiàn)問題就可通過控制器信號指示燈做出快速判斷，提供準確解決方案，為臨床治療贏得時間，提高患者的治療滿意度。

圖2 聚焦超聲腫瘤消融機設(shè)備PLC控制

3 小結(jié)

隨著科技進步，計算機技術(shù)的飛躍發(fā)展，5G通信設(shè)備以及AI技術(shù)的普及，PLC的運算速度會更快、存儲容量更大、智能化程度更高，并且抗干擾能力更強，系統(tǒng)更為靈活，使用更方便[6-7]。與之配套的產(chǎn)品種類也會更豐富，規(guī)格更齊全，人機界面更完美，可更好地適應(yīng)各種控制場合的需求。從品牌上來看，目前以歐美和日本產(chǎn)品為主，國產(chǎn)PLC還有很長一段路要走；從應(yīng)用場合看，PLC在傳統(tǒng)的制造業(yè)，如鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡等得到了廣泛應(yīng)用。

近年來，PLC技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備中的作用逐漸突顯，如純水機、過氧化氫等離子體滅菌器、蒸汽滅菌器以及大型醫(yī)用設(shè)備等的電氣控制部分均有PLC控制。不管是《中國制造2025》，還是《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》以及《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》都明確加強高端醫(yī)療器械創(chuàng)新能力建設(shè)，推進醫(yī)療器械國產(chǎn)化。隨著國家對國產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備的支持，PLC技術(shù)會越來越多地在國產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備上使用，并走向世界。