虛擬維修技術(shù)在醫(yī)用直線加速器維修上的應(yīng)用

陳展鱗

（中山大學(xué)腫瘤防治中心，廣東 廣州 510060）

現(xiàn)代化科研水平的提升，使大型裝備的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，與此同時，設(shè)備造價費用也越來越高。為避免高精度設(shè)備在使用中出現(xiàn)故障，通常會采用增加設(shè)備維修投入的方式，進行設(shè)備運行保障?，F(xiàn)階段，虛擬維修技術(shù)已經(jīng)成為適應(yīng)我國大型機械生產(chǎn)制造企業(yè)發(fā)展的全新技術(shù)，并初步實現(xiàn)了在試點單位與相關(guān)科研領(lǐng)域內(nèi)推廣使用。

但在深入此方面內(nèi)容的研究中發(fā)現(xiàn)，虛擬維修技術(shù)在醫(yī)學(xué)設(shè)備維修領(lǐng)域的應(yīng)用仍然存在空白。以醫(yī)用直線加速器為例，此儀器是一種用于醫(yī)療腫瘤放射性化療的大型設(shè)備，使用此儀器可以產(chǎn)生大量的電子線與X射線，使用此射線對人體內(nèi)的腫瘤進行照射，可以起到消除或縮小腫瘤、癌細胞分布的效果。此儀器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用價值極高，因此，本文將在此次研究中，設(shè)計一種基于虛擬維修技術(shù)的醫(yī)用直線加速器維修方法，為虛擬維修技術(shù)在市場內(nèi)的大規(guī)模推廣使用提供技術(shù)支持與幫助。

1 虛擬維修技術(shù)分析

虛擬維修技術(shù)是一種面向產(chǎn)品零件安裝、拆卸的技術(shù)，可以認為此項技術(shù)集成了計算機技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)上，對產(chǎn)品展開的一種仿真維修操作行為。利用此項技術(shù)，可以將產(chǎn)品與故障樣機置于虛擬化環(huán)境中，對其進行維修過程的仿真處理。但由于其本質(zhì)屬于一種工程應(yīng)用技術(shù)，因此，技術(shù)在使用中對其精度也有著較高要求。

利用虛擬維修技術(shù)可以為前端技術(shù)人員創(chuàng)設(shè)一個相對真實的訓(xùn)練環(huán)境，此時，操作者可以在“身臨其境”的環(huán)境下進行故障判別與處理。但在此過程中，應(yīng)注意技術(shù)的使用要滿足下述五個方面的要求：所構(gòu)建的場景能夠較逼真地反映產(chǎn)品保障環(huán)境及其維修實現(xiàn)過程；具有多種功能仿真模擬性能；能夠滿足人機交互或可視化操作需求；具有高性能的合訓(xùn)能力；可以實現(xiàn)對技術(shù)的保障性給予正確評估；能夠?qū)Σ僮髦械钠钚袨椤㈠e誤行為、干涉行為給予及時預(yù)警。

2 基于醫(yī)用直線加速器維修的虛擬維修系統(tǒng)分析

2.1 虛擬維修系統(tǒng)構(gòu)建

為實現(xiàn)對醫(yī)用直線加速器故障的精準處理，引進虛擬維修技術(shù)，進行虛擬維修系統(tǒng)的構(gòu)建。構(gòu)建過程中，建立多個開放式功能模塊，在模塊中進行開發(fā)醫(yī)用直線加速器維修構(gòu)件單元模型。使用3D Max建模軟件，進行構(gòu)件尺寸的驅(qū)動設(shè)計，利用模型中的布爾運算，對故障構(gòu)件的點、線、面進行空間局部布局優(yōu)化。此過程如下計算公式所示。

式中，δ表示為故障構(gòu)件的點、線、面進行空間局部布局設(shè)計單元模型；λ表示為三維場景；Z表示為場景映射空間；θ表示為空間偏移角度。

按照上述方式，完成對醫(yī)用直線加速器構(gòu)件的空間布局設(shè)計后，考慮到模型中不同構(gòu)件基于視覺效果較為粗糙。因此，還需要在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，進行構(gòu)件的平滑處理。處理過程如下計算公式所示：

式中，M表示為構(gòu)件的平滑處理；B表示為；T表示為構(gòu)件視覺粗糙度；?表示為空間渲染；H表示為表面特征；T′表示為小波轉(zhuǎn)換后構(gòu)件視覺粗糙度。將完成處理的構(gòu)件在模型中進行虛擬交互，集成輔導(dǎo)文件與Visual C++編程程序，通過此種方式，完成對醫(yī)用直線加速器虛擬維修系統(tǒng)的構(gòu)建。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

虛擬維修系統(tǒng)是一個基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的輔助維修系統(tǒng)，此系統(tǒng)在應(yīng)用中最主要的優(yōu)勢是實現(xiàn)了維修過程中人機的交互?？蓪⒕S修過程中兩個參與者表示為主體與客體，對兩者的描述如圖1所示。

圖1 虛擬維修系統(tǒng)主體與客體之間的關(guān)系

在VR技術(shù)的支撐下，創(chuàng)設(shè)一個相對真實的操作故障維修操作環(huán)境，按照指定的端口進入預(yù)設(shè)的場景后，維修人員可以身臨其境地進行設(shè)備操作，通過此種方式，實現(xiàn)對醫(yī)用直線加速器故障的精準處理。為滿足設(shè)計過程中的交互性需求，可按照圖2所示內(nèi)容，進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

圖2 醫(yī)用直線加速器虛擬維修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述圖2所示的內(nèi)容可知，數(shù)字化處理樣機主要用于模擬設(shè)備構(gòu)件；人體結(jié)構(gòu)模型主要用于仿真人員在故障處理中的行為；外設(shè)虛擬現(xiàn)實工具可以提供主體與客體之間的交互接口；編程軟件與工具主要用于描述維修過程中的操作行為。

2.3 技術(shù)流程分析

從目前的設(shè)備維護實踐來看，應(yīng)先找出設(shè)備的類型，找出故障部位，進行拆裝、更換。在此過程中，為系統(tǒng)操作提供技術(shù)支撐，是指對設(shè)備故障構(gòu)件拆卸、裝配等功能模擬。圖3展示了虛擬維護系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的技術(shù)流程。

圖3 虛擬維護系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的技術(shù)流程

在處理過程中，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與人機交互技術(shù)作為支撐，通過對故障構(gòu)件的瀏覽、行為的設(shè)定，實現(xiàn)對故障的識別與故障維修方案的生成與故障處理工作全面優(yōu)化。

3 虛擬維修技術(shù)在醫(yī)用直線加速器維修上的應(yīng)用分析

3.1 模擬訓(xùn)練

為實現(xiàn)對醫(yī)用直線加速器故障的精準維修，應(yīng)在完成對虛擬維修的構(gòu)建后，將醫(yī)用直線加速器在運行中的技術(shù)參數(shù)錄入虛擬維修系統(tǒng)，對技術(shù)參數(shù)進行模擬訓(xùn)練。錄入?yún)?shù)，如表1所示。

表1 西門子M型醫(yī)用直線加速器技術(shù)參數(shù)錄入

完成對醫(yī)用直線加速器技術(shù)參數(shù)的錄入后，對參數(shù)進行迭代處理，對不同項目參數(shù)在不同取值下的工況進行模擬。此過程如下計算公式所示。

式中，y表示為醫(yī)用直線加速器運行工況模擬；ω表示為技術(shù)參數(shù)；z表示為參數(shù)取值情況；m表示為核心構(gòu)件重要性；i表示為錄入?yún)?shù)數(shù)量；j表示為故障組合次數(shù)。完成上述處理后，將模擬的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)Exit模塊，在此模塊進行模擬數(shù)據(jù)的訓(xùn)練。訓(xùn)練過程如下計算公式所示。

式中，α表示為模擬數(shù)據(jù)的訓(xùn)練處理過程；β表示為數(shù)據(jù)傳輸渠道；n表示為訓(xùn)練系數(shù)；r表示為數(shù)據(jù)維度。通過此種方式，提高模擬數(shù)據(jù)的精度，為醫(yī)用直線加速器故障維修決策提供指導(dǎo)與幫助。

3.2 故障檢修與定位

對存在故障的醫(yī)用直線加速器進行故障檢修與故障構(gòu)件的定位處理。當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)屬性被觸發(fā)后，需要進入醫(yī)用直線加速器的運行控制界面，進行故障在虛擬場景中的映射，根據(jù)映射結(jié)果進行故障的檢修與定位，此過程如下計算公式所示。

式中，f(x)表示為故障構(gòu)件在醫(yī)用直線加速器中的空間位置；C表示為虛擬場景映射；p表示為醫(yī)用直線加速器的運行控制界面；A表示為指令性約束條件。按照上述方式，實現(xiàn)對醫(yī)用直線加速器在運行中故障的診斷、決策與定位。

3.3 維修檢驗與數(shù)據(jù)統(tǒng)計

在制定維修方案后，按照預(yù)設(shè)的方案進行醫(yī)用直線加速器故障維修，對完成維修后的醫(yī)用直線加速器進行運行檢驗。檢驗過程包括對模擬設(shè)備的安裝、拆卸、調(diào)試等操作。確保維修后醫(yī)用直線加速器不存在異常運行反饋后，完成對儀器的維修檢驗。統(tǒng)計維修過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過對所獲得的數(shù)據(jù)進行仿真，以了解維修過程中遇到的各種障礙，從而實現(xiàn)對維修工作進行有效的檢查和評估。通過對虛擬樣機對象的分析，可以及時地找到問題，并對其成因進行分析，并提出相應(yīng)的解決措施。

4 結(jié)語

建立基于虛擬維修技術(shù)的設(shè)備維修系統(tǒng)，不但可以節(jié)約維修成本，還可以通過智能的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，改變以往的海量、零散的數(shù)據(jù)積累。在進行虛擬維修時，可以及時地發(fā)現(xiàn)和預(yù)防設(shè)備的進一步損壞，尤其是在遠程技術(shù)的指導(dǎo)下，充分發(fā)揮專家的作用，可以確保設(shè)備長時間、穩(wěn)定地工作。