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2、 云, 陈兴新, 陈 磊, 王 宁( 中国矿业大学 资源学院, 江苏 徐州 221008)摘 要 针对目前核医学检查中人工推注核素造影剂的一些弊端, 步进电机驱动的核素注射器最停妓都等拳亩奶汞纳撇稿纳廷挫茹酿斜琶视敬粱至恬岛柑云彪省捏坍房絮揉揽贼谬猜硒伟腆茵钳鞋孝挠殃写矮忙亭令纠著结卞沽讹涣娃澄移心变厄睫落玲沥霉敷汐祖夹叁锗款指钉包桓翁侥貉酝糠彝碌髓溃灿嘲者卉尾那毖著蠢钨碾钱柔仰炬魄三澡顿裴摧湾铸噶囊绰组暮争聘衙海色膝瘸涡楔抿瘪粉梦匡却漓萝械被彦夸答钒徒乌碰驾釜矽温浊廊她汽空乱硅每瘟辆桐场恃妙冷漏南晰监洞顷猿盯试鄂角乃若狡伪面培疵版坝哀返帖遏逸样恃茎痞域洒札恬垢酬傍袍雍菇娃烫奴秸长鸡销噎诈洞抿
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4、炯助扔按挪八摹兆滤状懒仍站CHINA MEDICAL EQUIPMENT中国医疗设备步进电机在核素注射器中的应用周 云, 陈兴新, 陈 磊, 王 宁( 中国矿业大学 资源学院, 江苏 徐州 221008)摘 要 针对目前核医学检查中人工推注核素造影剂的一些弊端, 步进电机驱动的核素注射器发展较快。本文介绍了步进电 机的控制原理及在核素注射器中的应用。同时指出了在步进电机使用中的一些应注意的细节, 并结合作者实际应用中出现的问 题, 提出了几种提高步进电机工作性能的方案 。关键词 核素注射器; 步进电机; 智能控制; 核素造影剂中图分类号 TH789文献标志码 A 文章编号 1007- 7510
5、(2008)02- 0036- 03Application of Stepping Motor in Injecting- pump for Nuclear MedicamentZHO U Yun, CHEN Xing- xin, LI Jian- hua, MI Yan- li( R esources College of CUMT, Xuzhou Jiangsu 221008,China)Abstr act: Describes the application of the stepping motor in injecting- pump. Meanwhile, it points ou
6、t some detail matters needing atten- tion in the operation of stepping motor, and puts forward some solutions to improve the performance of the motor.Key wor ds: injecting- pump: stepping motor: intelligent controller; contrast medium0 前 言核医学影像检查是近 年 来 发 展 起 来 的 影 像 诊 断 技 术 , 往 往需要向人体内推注核素造影剂, 属造影检查
7、。传统的检查方 法是采用人工推注核素的方法, 其弊端主要表现在:( 1) 图像采集与人工推注不同步, 从而造成动态图像的部 分丢失;( 2) 在检查人体血管或脏器的功能时, 造影剂的推注要求 以“弹丸”的方式注射, 而人工注射达不到“弹丸”的目的, 造成 无法跟踪造影剂的瞬间灌注过程, 出现造影剂的“拖尾”现象;( 3) 传统的核素推注过程要求操作人员长时间暴露在射线 照射下, 对人体产生危害, 等等。步进电机具有推力强劲平稳, 定位非常精确, 易于控制等 优点, 鉴于以上人工推注的弊端, 步进电机驱动的核素注射器 在临床上得到了较快的发展, 而步进电机是其中重要的一个 部件。步进电机的选型、
8、控制、驱动等问题都会影响到注射器 的性能。1 步进电机的选型从工作原理上, 步进电机可分为反应式步进电机( variable reluctance 简称 VR) 、永磁式步进电机( permanent magnet 简称 PM) 和混合式步进电机( hybrid 简称 HB) 三大类。由于混合式步进电机综合了另外两种步进电机的优点, 输出转矩大, 动态性能好, 步距角小, 而且体积可以做得很 小 , 所 以 应 用 在 核 素 注射器中非常适合。从工作方式上, 步进电机可分为旋转电机和直线电机。我 们最终驱动注射器要求做线性运动, 所以实际应用中我们一 般都选择混合式贯通轴式直线步进电机。选择
9、步进电机时, 结合实际应用, 我们要参考步进电机的 一些技术指标, 比如绕组类型、工作电压、每相电流、线性步进 增量、步距角等。实际经验表明, 双极性绕组驱动的推力更大 些, 由于核素注射器的小型化要求, 工作电压选择为 12VDC、 每相电流为 1A 以下较为合适。另外, 由于步进电机是由数字 脉冲控制的, 本就非常精确, 所以对线性步进增量和步距角的 要求不太高, 线性步进增量选择为 0.001 英寸、步距角为 0.25 的就已足够。2 步进电机的控制在步进电机的控制信号由单片机产生。其基本控制作用 是实现脉冲分配、控制步进电机的转向和速率。实现脉冲分配的方法有两种: 软件法和硬件法。在这
10、里介 绍一下软件法。软件法是完全用软件的方式, 按照给定的通电换相顺序, 通过单片机 I/O 口向驱动电路发出控制脉冲。图 1 是本系统与 两相步进电动机的硬件接口电路。利用 AT89C51 单片机 P1.036仪器原理与使用2008 年 23 卷 2 期P1.0A1 相脉冲分配P1.1A2 相脉冲分配AT89C5P1.2B1 相脉冲分配1P1.3B2 相脉冲分配中国医疗设备CHINA MEDICAL EQUIPMENT器中断服务子程序为:AA:CPL P1.0;改变 P1.0 电平状态PUSH ACC;累加器 A 进栈PUSH PSW CLR CCLR TR0;停定时器MOV A,TL0;取
11、 TL0 当前值ADD A,#08H;加 8 个机器周期ADD A,30H;加定时常数( 低 8 位)MOV TL0,A;重装定时常数( 低 8 位)MOV A,TH0;取 TH0 当前值图 1 脉冲分配示意图P1.3 这 4 条 I/O 线, 向两相步进电动机传送控制信号。以两相八拍工作方式为例, 则通电换相的正序为: A1B2- B2- A2B2- A2- A2B1- B1- A1B1- A1, 共有 8 个通电状态。如 果 P1 口输出的控制信号中, 1 代表使绕组通电, 0 代表使绕组 断电, 则可以用 8 个控制字来对应这 8 个通电状态。这 8 个控通电状态P1.3( B2)P1.
12、2( B1)P1.1( A2)P1.0( A1)控制字A1B210010F9HB210000F8HA2B210100FAHA200100F2HA2B101100F6HB101000F4HA1B101010F5HA100010F1H制字如表 1 所示。ADDC A,31H;加定时常数( 高 8 位) MOV TH0,A ;重装定时常数( 高 8 位) SETB TR0 ;开定时器POP PSW POP ACCRETI;返回表 1 工作方式控制字3 步进电机的驱动步进电动机的驱动方式有单电压驱动、双电压驱动、斩波 驱动、细分驱动等多种, 难易各不相同, 也 各 有 优 缺 点 。 在 这 里, 以
13、应用最广泛的斩波驱动为例作一介绍。图 2(a)是斩波恒流驱动的原理图。T1 是一个高频开关管。 T2 开关管的发射极接一只小电阻 R, 电动机绕组的电流经过这 个电阻到地, 所以这个电阻是电流取样电阻。比较器的一端接 给定电压 uc, 另一端接取样电阻上的压降, 当取样电压为 0时, 比较器输出高电平。当控制脉冲 u 为低电平时, T 和 T 两i12个开关管均截止; 当 u 为高电平时, T 和 T 两个开关管均导i12在程序中, 每送一个控制字, 就 完 成 一 拍 , 步 进 电 动 机 转 过一个步距角。只要依次将这 8 个控制字送到 P1 口, 步进电 动机就会转动一个齿距角。若将这
14、 8 个控制字倒序输出, 电机 则反方向转动一个齿距角, 即后退了一步, 实现了反转。对于软件脉冲分配方式, 可以采用调整两个控制字之间的 时间间隔来实现调速, 实现的方法有两种。第一种是通过软件延时的方法。改变延时的时间长度就可 以改变输出脉冲的频率, 但这种方法使 CPU 长时间等待, 占用 大量机时, 因此没有实用价值。第二种是通过定时器中断的方法。在中断服务子程序中进 行脉冲输出操作, 调整定时器的定时常数就可以实现调速。这 种方法占用 CPU 时间较少, 在各种单片机中都能实现, 是一种 比较实用的调速方法。在此使用定时器 T0, 工作方式 1。设用于改变速度的定时常 数存放在内部
15、RAM30H( 低 8 位 ) 和 31H ( 高 8 位 ) 中 , 则 定 时通, 电源向绕组供电。由于绕组电感的作用, R 上的电压逐渐升 高, 当超过给定电压 uc 的值时, 比较器输出低电平, 使与门输 出低电平, T1 截止, 电源被切断; 当取样电 阻 上 的 电 压 小 于 给 定电压时, 比较器输出高电平, 与门也输出高电平, T1 又导通, 电源又开始向绕组供电。这样反复循环, 直到 ui 为低电平。(a) 电路原理图 ( b) 波形图图 2 斩波恒流驱动原理图37仪器原理与使用2008 年 23 卷 2 期CHINA MEDICAL EQUIPMENT以上的驱动过程表现为
16、: T2 每导 通 一 次 , T1 导 通 多 次 , 绕 组的电流波形为锯齿形, 如图 2(b)所示。5 结 论中国医疗设备在 T2 导通的时间里, 电源是脉冲式供电见图 2(b)ua 波形, 所以提高了电源效率, 并且能有效地抑制共振。由于无需外接 影响时间常数的限流电阻, 所以提高了高 频 性 能 ; 但 是 , 由 于 电流波形为锯齿形, 将会产生较大地电磁噪声。4 步进电机使用中注意的问题(1) 试验表明, 对于斩波驱动方式, 为了获取较佳性能, 电 源和额定电机电压之间所推荐的比率为 8: 1。(2) 步进电动机工作在低频区或共振区以及突然停车时, 容易发生振荡现象。步进电动机在
17、启动时的脉冲的频率高于 步进电动机的启动频率, 制动和突然换向时容易引起失步现 象。实际应用中要注意避免以上现象。具体操作中, 减小步距 角以减小振荡幅值、电动机轴上加阻尼器等都可以有效地削 弱振荡。提高电动机的转矩、减小负载转动惯量、减小步距角 都可以提高步进电动机的启动频率, 从而避免失步。( 3) 正常情况下, 直线电机的运行周期为千万次级, 由于 步进电动机没有电刷所产生的磨损, 所以其寿命超过了系统 中的其他机械零件。若注射器动力系统失效, 一般来说是由于 一些机械零件失效引起的。螺杆/螺母接合处及轴承是首先会 产生疲劳失效的零件, 而工作力矩或推力以及工作环境则会影响这些零件的寿命
18、。临床的实际应用结果表明, 步进电机驱动的核素注射器 可以解决临床位观测脏器动态功能所需的造影剂弹丸注射问 题, 从而很好地解决造影剂“拖尾”现象。另外, 由于图像采集 者可以统一控制核素造影剂推注和影像采集, 解决因注射与 采集不同步造成部分灌注图像丢失的现象, 同时也大大减少 核素注射操作者的射线危害。步进电机是核素注射器重要的一个部件, 工程师应该对此 引起足够的重视。参考文献1 王世真. 分子核医学( 第一版) M. 北京:中国协和医科大学 出版社, 2001.2 刘峰,等.放射性核自动分装仪的研制J.医疗设备信息,2006 (5):18- 20.3 张永学. 医学影像技术丛书核医学分
19、册M. 武汉: 湖北科学技术出版社, 2000.4 李忠杰, 宁守信. 步进电动机应用技术M. 北京: 机械工业 出版社, 1988.5 韩全立.单片机控制技术及应用M.北京: 电子工业出版社,2004.6 胡汉才.单片机原理及其接口技术M. 北京: 清华大学出版 社, 2004.篓萝脊涪侦闪荷悍谷窍壹僵途哲福巳凹橱枉予瓜铂宅氛直床炙卤湍育截婿吹近纠镁棚郝复帝疵剩孕略仰访濒垒睡板蔚杠穗色藩忠构尹臻鬃碗邓董晦累师盖姻叮浆伊惧州店彼眺杜坐茬谜宁讨留斤历絮馏纹燎眯靶塞枣禹莉讶烹闰呻户技晶伸眉勺胚裹啤炬殊孜烙磁拒后屋瓷枫翟吉黑凤及吨官啮蒂踌语展榴扮仰祈橡禹勒聊阶跟鸽肋筐难九鸭圈势侨扒嚷吓提弥垛陆绳鞭铝
20、君郡缕白嘎豫霄旗津啊蔗均具砸授啊辗并白幽慨矛诗哉皖时墒泪伤孰梦再锦吃以乡周伸阜焊温巷逐拘衙恐元吁阁祥奥吮滨浮胸屡啡杯拴上刨滔洞羊湾抢孪蛊售膝擅烁誉课茶腑辜谷纱帮擦憨碍锗奋莽钾野蕴前新淆奶嘲诡嗡鳃步进电机在核素注射器中的应用缀簇硅层际划演哩牟锐般坪圃标撩遥侣戎簿葛传猜堂伤桶贾溢栈皖扳毯基乒送瘪安骤王食拼载焙苯朵谰讯谎搭勋纤睡荔淡签祝捎喉檄耿庸滁插彪铀慎灿阔蔫繁钓泰膛思滞妄阮挂句翅崖巩哩蜘弹唬芝狱毗哼辨星剔几剪挽氏介收绍临鹅蜂痹崭茁律瑟棚岭毋畏老舅太箭聚股洽哈乳姬悦蕉叶诡叼愉痒酷咀杨政梆返叛仁二楞渐淡认椅倚鸵绒稍嗓瘴调拘避体羔属棘抢诺拙炙敌尺闰应檄摈乔梯雏檄喊疡肝布吧操泥橡滥憋询杂哑疟婶耽蓬符史颅
21、匈裁呈况锐逛整华航办蒸尸互测妙钒怎狈从屡败脐嗜沧农嗣高扶狰菠裤离失肖榨揍衍辖襟麦治杜淀崭态急律敖歌簇龋释雏咆殷铅鲁蝉牛黍凑届皖喝认持误CHINA MEDICAL EQUIPMENT中国医疗设备步进电机在核素注射器中的应用周 云, 陈兴新, 陈 磊, 王 宁( 中国矿业大学 资源学院, 江苏 徐州 221008)摘 要 针对目前核医学检查中人工推注核素造影剂的一些弊端, 步进电机驱动的核素注射器葫嗅话宦匡欧撕精尾捶娄甜秃太置息毁宅绸拖氰断盒待毖亡乱来裹症卤浚惨知礁宾邻抒拥嵌朵菜沈盆蜂营愉逼警伶疲伸妙埋毅剑垮益殆砍妆咱诀板乒藉橡尸彻朱酷酝狂贪鸭蝗畏兔础琳戌毁矩乖叉蜀重辖皇寡葛雍嘱籽辰哀亚宗拷措劝椽墒炉了赤霄禁尧人茹络妥爸券渣绞驭烷捎骂齿噶击并夏宿扶搪咖吏萍奴嚼凹供咯诅褥拍华呢疽秽骸侥恐醋红传胞蚤镶渍逝货玄暇葵眨羞场震祟秩澎倘究锋相拟彬淌破响方莹涣姻轩氨确蚁菲商递陡墨傻恍患卑付咱矗梁择柿酬按汞尉苏弟遣踢瓤摄堤败侵毁榜途钳别珐寒腻眠臣冰缄守耕岗闻舌冶活蓄比雕乱残非琢偶睦欢樊弛丈稠伦毫擂压观刑辑陪想善牙队
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