چکیده:

به دلیل تولید گرمای بالا و کار آند با یک زاویه ثابت محدودیت‌هایی برای رادیولوژیست به وجود می‌آید. برای غلبه به این مشکلات آندی را طراحی کرده‌ایم که قابلیت تغییر زاویه و کنترل حرارتی بالایی دارد. این آند از 10 آند ثابت تشکیل شده است که به واسطه مفصل‌هایی به یک صفحه دوار متصل شده، قابلیت تغییر زاویه را برای هر آند فراهم می‌کند. می‌توان زاویه این آند‌ها را به وسیله یک سرووموتور تغییر داد که به‌صورت پیش فرض در این طرح برای سرووموتور پنج حالت 10 درجه، 13 درجه، 16 درجه، 19 درجه و 22 درجه تعریف شده است. پس از تولید اشعه X، صفحه دوار می‌چرخد و آند بعدی را روبه‌روی فیلمان قرار می‌دهد. این کار باعث کنترل حرارتی بالای تیوپ اشعه X می‌شود. چون آندها از هم فاصله دارند پس گرمای حاصل از تولید اشعه X یک آند از طریق انتقال به آندهای اطراف منتقل نمی‌شود و فقط از طریق انتشار اقدام به خنک شدن می‌کند. این آند از بخش‌های مکانیکی، الکترومکانیکی و الکترونیکی تشکیل شده است.

کلید واژه:

رادیولوژی، طراحی آند رادیولوژی‌، تیوپ اشعه X‌، آند ثابت‌، آند دوار

الف)مقدمه:

1)رادیولوژی: رادیولوژی‌ یا پرتونگاری‌ عبارت‌ است‌ از عکسبرداری‌ به‌ وسیله‌ دستگاه‌ مخصوص‌ از اعضای‌ درون‌ بدن‌ برای تشخیص‌ نوع‌ بیماری‌ وانجام‌ رادیوگرافی‌ به‌ وسیله‌ اشعه‌ ایکس‌ که کمک‌ مؤثری‌ در بررسی‌ وضعیت‌ بیماری‌ است‌.

1-1)لامپ اشعه X: پرتو X به وسیله تبدیل انرژی ایجاد می‌شود. وقتی که یک جریان الکترونی سریع‌السیر در هدف (آند) ناگهان ترمز شود انرژی خود را از دست داده و در نتیجه تولید اشعه X می‌کند.

2-1)تیوپ پرتو X: از شیشه پیرکس ساخته شده است و یک ناحیه خلایی را در بر گرفته که حاوی دو الکترود است. الکترود منفی (‌کاتد‌) یا فیلمان و الکترود مثبت (آند) یا هدف نام دارد.

1-2-1)کاتد: الکترود منفی تیوپ پرتو X را کاتد یا فیلمان گویند.

2-2-1)آند ثابت: شامل یک صفحه کوچک تنگستنی به ضخامت 2 میلی‌متر یا 3 میلی‌متر است که در توده بزرگی از مس جا گرفته است.

3-2-1)آند دوار: شامل یک دیسک بزرگ تنگستنی است که در زمان تابش با سرعت 3600 دور در دقیقه می‌چرخد. زدایش حرارتی در آند دوار هم از طریق انتقال و هم از طریق تشعشع است‌ ولی در آند ثابت فقط از طریق انتقال انجام می‌شود. [1]، [2]

2) ميكروكنترلرهاي پيك: سال‌ها پيش شركت General يك تراشه با نام  PIC1650 توليد كرد كه به‌صورت كامپيوتر هوشمند قابل برنامه‌ريزي مطرح شد‌. اين تراشه مادر تراشه‌هاي پيك و از لحاظ كاركرد با PIC16C54 موجود مشابه است كه عمدتاً به‌عنوان سخت‌افزار جانبي ميكروپروسسور CP1600 به‌كاربرده مي‌شود و شايد به همين خاطر است كه عده زيادي بر اين اعتقادند كه پيك از سر كلمات كنترلر مدار واسط جانبي گرفته شده است. اخيراً كمپاني MICROCHIP كه سازنده ميكروكنترلرهاي پيك است، اين ميكروكنترلرها را با عبارتMCUs PICmicro  معرفي كرده است. [3]، [4]

ب)طراحی:

آند طراحی شده ترکیبی از دو نسل گذشته آند در رادیولوژی است که حرکت دورانی دارد و هنگام اکسپوز کردن، ثابت می‌ماند و همچنین زاویه آن را می‌توان با استفاده از یک موتور الکتریکی [که بسته به پالس اعمالی، تغییر زاویه می‌دهد] تغییر داد.

3)اجزای تشکیل‌دهنده آند:

1-3)روتور: این بخش از آند دارای یک موتور با دور پایین ramp= 5 red/min است که نیروی محرکه جهت چرخش آن را تأمین می‌کند‌. این موتور به واسطه اتصالاتی به یک میله که از دو طرف به واسطه دو عدد بلبرینگ مهار شده وصل می‌شود. یک سمت این میله که جنس آن از مس است به بدنه تیوپ برای اتصال به ترانسفورماتور کاهنده متصل می‌شود که اتصال آن  اتصال ثابت نیست و از نوع اتصالات متحرک است‌. سمت دیگر آن به یک صفحه دوار متصل شده که میله باعث چرخش آن می‌شود.

2-3) صفحه دوار: این صفحه به قسمت‌های مساوی تقسیم می‌شود و دارای شیارهایی برای قرار گرفتن قطعاتی همانند آند ثابت است. این صفحه به 10 قسمت با فاصله‌های مساوی تقسیم شده است و هر کدام از آندها به واسطه یک پین به آن متصل شده که این خود باعث برقراری جریان برق از روتور به آندها می‌شود.

3-3) آندهای ثابت: همان‌طور که گفته شد این آند ترکیبی از دو نسل گذشته آند رادیولوژی است. آندهای ثابت برای تولید اشعه X  روی صفحه دوار قرار می‌گیرد هر کدام از این آندها دارای یک کد BCD مختص به خود است که به کمک آن شمارة آند توسط سیستم الکترونیکی شناسایی شده در محل دقیق قرار گرفتن آن روبه‌روی فیلمان مشخص می‌شود. اتصال این آندها روی صفحه دوار ثابت نیست. [‌اتصال لولایی است.]

4-3) سرووموتورها: سرووموتورها نوع خاصی از موتورهای dc گیربکس‌دار هستند که فیدبک کنترل موقعیت دارند و به روتور امکان جهت‌گیری دقیق می‌دهند. مشخصات سرووموتورها معمولاً حاکی از آن است که محور موتور می‌تواند حداقل در محدوده‌ی 90 درجه (45  درجه) تنظیم شود. در واقع با تنظیم سیگنال کنترل موقعیت، محدوده می‌تواند تا حدود 180 درجه (90  درجه‌) افزایش یابد.

1-4-3) کنترلرهای سروو موتور: کنترل‌کننده‌ای که خواهیم ساخت‌، از فرمان pulsout برای کنترل سروو موتور استفاده می‌کند. ساختار این دستور مانند زیر است:

Pulsout pin , Period

فرمان Pulsout پالسی با مدت مشخص شده (Period) روی پایه‌ی مشخص شده ،(Pin ) ایجاد می‌کند. مدت زمان یاد شده با گام‌های 10 میکروثانیه‌ای (‌10) افزایش می‌یابد؛ بنابراین برای ارسال یک پالس 5/1 میلی ثانیه‌ای روی پایه صفر درگاه B‌، شما می‌توانید یکی از فرامین زیر را مورد استفاده قرار دهید.

برای کامپایلر PicBasic:

Pulsout 0 ' 150

برای کامپایلر PicBasic Pro:

Pulsout Portb. 0 ,  150

فرمان بالا، محور سرووموتور را در موقعیت وسط قرار می‌دهد .تنها مورد گمشده‌، یک تأخیر و یک حلقه تکرار است تا سیگنال Pulsout را 55 بار در ثانیه به سروو موتور ارسال کند؛ بنابراین‌، برنامه‌ی کامل تنظیم موقعیت محور سروو موتور مطابق زیر خواهد بود:

PicBasic Pro program     PicBasic Pro program

Start:                                  start:

Pulsout.0,150                   Pulsout.0,150

Pause 18                            Pause 18    

Goto start                          Goto start

5-3) مدارات الکترونیکی‌: برای کنترل این آند از مدارات الکترونیکی بهره گرفته‌ایم. این مدار دارای یک پردازنده (‌میکروکنترلر) است. وظیفه این میکروکنترلر برقراری ارتباط بین قطعات الکترونیکی‌، الکترومکانیکی و مکانیکی است. این IC قابلیت برنامه‌ریزی شدن (پروگرم شدن) را دارد.

6-3) سنسورهای فرستنده و گیرنده مادون قرمز: این سنسورها وظیفه شناسایی کد مربوط به هر آند را دارد. با خوانده شدن کد مربوط به هر آند شمارة آن از طریق 7- Segment  روی دستگاه نمایش داده می‌شود و محل قرارگرفتن آند روبه‌روی فیلمان برای اکسپوز شدن مشخص می‌شود.

4) نحوه کار آند:

با اتصال صحیح قطعات به هم هر کدام از آنها وظیفه مختص به خود را انجام می‌دهد‌. هنگامی که سیستم روشن می‌شود سنسورهای موجود کد آندی را که روبه‌روی سنسور قرار گرفته را می‌خواند و روی 7- Segment  از طریق میکروکنترلر ثبت می‌کند. زاویه آند هنگام شروع به کار صورت پیش‌فرض روی زاویه 16^o درجه قرار می‌گیرد‌. این تغییر زاویه برای آند 16^o درجه بوده ولی برای سرووموتور در وضعیت صفر درجه است‌. (موقعیت سروو موتوردر وسط قرار می‌گیرد)

 Pulsout Portb .0,150

سنسورها به واسطه یک مدار مقایسه‌کننده به میکروکنترلر متصل می‌شود‌. این مدار که از یک op-Amp و یک

مقاومت متغیر برای هر یک از سنسورها تشکیل شده که با عمل کردن سنسور سطح ولتاژ ورودی به میکروکنترلر را از صفر منطقی به یک منطقه می‌برد و باعث عمل کردن پایه IC به عنوان کلید می‌شود و با تنظیم مقاومت متغیر حساسیت و دقت سنسور مشخص می‌شود‌. پردازنده اطلاعات وارد شده را ذخیره می‌کند و آماده دریافت دستورات بعدی اپراتور می‌شود.         

سیستم دارای یک صفحه کلید است که وظیفه کنترل قسمت مکانیکی را دارد این کلیدها به ترتیب کلید اکسپوز،

 Ang 10, Baek , Next، Ang22, Ang19, Ang13 است که با فشردن هر کلید دستورات لازم از طریق پردازنده به سیستم کنترل اعمال می‌شود.

5) کلیدها:

1-5)کلید اکسپوز: این کلید به موازات کلید اصلی که برای تولید اشعه به کار می‌رود قرار می‌گیرد. پس از فشرده شدن این کلید دستگاه بعد از دو ثانیه تأخیر می‌چرخد و آند بعدی را روبروی فیلمان قرار می‌دهد.

2-5)Next: این کلید همانند کلید قبلی برای قرار دادن آند بعدی به کار می‌رود. با این تفاوت که با فشار دادن این کلید دستگاه بلافاصله و بدون هیچ تأخیر زمانی چرخیده و آند بعدی را روبه‌روی فیلمان قرار می‌دهد.

3-5)Back: این کلید عکس کلید Next عمل می‌کند. با فشار دادن این کلید موتور متصل به آند برعکس چرخیده و آند یا آندهای قبلی را برای اکس پوز روبروی فیلمان قرار می‌دهد.

4-5)Ang10: با فشار دادن این کلید زاویه آند تغییر می‌کند و با زاویه 10 درجه نسبت به خط قائم قرار می‌گیرد. در این حالت سروو موتور در وضعیت 90- درجه قرار می‌گیرد. که دستور زیر به سروو موتور اعمال می‌شود.

Pulsout Partb .0,100

5-5)Ang13: با فشار دادن این کلید زاویه آند تغییر می‌کند و با زاویه 13 درجه نسبت به خط قائم قرار می‌گیرد. در این حالت سروو موتور در وضعیت 45- درجه قرار می‌گیرد. که دستور زیر به سرووموتور اعمال می‌شود.

Pulsout Partb .0,125

6-5)Ang16: با فشار دادن این کلید زاویه آند تغییر می‌کند و با زاویه 16 درجه نسبت به خط قائم قرار می‌گیرد. در این حالت سروو موتور در وضعیت صفر درجه قرار می‌گیرد. که دستور زیر به سروو موتور اعمال می‌شود.

Pulsout Partb .0,150

7-5)Ang19: با فشار دادن این کلید زاویه آند تغییر می‌کند و با زاویه 19 درجه نسبت به خط قائم قرار می‌گیرد. در این حالت سروو موتور در وضعیت 45+ درجه قرار می‌گیرد که دستور زیر به سروو موتور اعمال می‌شود.

Pulsout Partb .0,175

8-5)Ang22: این کلید هم همانند کلیدهای قبل عمل می‌کند و زوایه آند را به 22 درجه تغییر می‌دهد‌. پس از فشردن این کلید دستور زیر به سروو موتور اعمال می‌شود.

 Pulsout Partb .0,200

این زاویه صرفاً برای رادیولوژی از سینه (ماموگرافی‌) به کار می‌رود.

بخش مکانیکی این آند همانند آندهای دوار و ثابت عمل می‌کند‌. که هنگام اکسپوز ثابت مانده و می‌توان زاویه آن را تغییر داد. پس از اکسپوز وگرم شدن آند صفحه‌ گردان می‌چرخد و آند دیگر که خنک‌تر است به جای آند قبلی قرار گرفته و آماده برای تولید اشعه x می‌شود.

آی سی PIC16F877A به عنوان پردازنده وظیفه برقراری ارتباط بین قطعات مکانیکی والکترونیکی را دارد. این پردازنده به واسطه برنامه کامپیوتری که در داخل آن توسط سازنده پروگرم شده بین قطعات ارتباط برقرار می‌کند.

به طور مثال برنامه‌ی زیر برای کنترل صفحه کلید است که با فشار دادن هر کلید برنامه مربوط به آن کلید اجرا می‌شود.

Key:

 Button Port A.0/Q/2.54/B0/1/Nextm0

 Button Port A.1/Q/2.54/B1/1/Nextm1

 Button Port A.2/0/2.54/B2/1/Back

 Goto key

/……….

Nextm0:

……….

……….

Goto key

/……….

Nextm1:

……….

……….

Goto key

/……….

Back:

……….

……….

……….

Goto key

/……….

پس از اکسیوز کردن سیستم به صورت خودکار به زیر برنامه Nextm0 رفته، باعث چرخش روتور بعد از تأخیر دو ثانیه‌ای می‌شود. برنامه زیر مربوط به این بخش است.

Nextm0:

M=m+1

If  m=11  then

   m=1

Pause 2000

If   m=n and Portd,0=1 and Portd.1=1  then

    Portb.1=0

    Portb.7=1

    Portb.6=1

Else

    Portb.1=1

Endif

Goto key

در این برنامه می‌بینید که پس از فشرده شدن کلید یک واحد به متغیر m اضافه می‌شود که اگر m برابر 11 شود آن را برابر 1 می‌کند. با اضافه شدن یک واحد m رله متصل به پایه b.1 جریان را برقرار کرده باعث چرخش موتور به صورت چپ گرد می‌شود. چرخش تا زمانی که آند مورد نظر در محل قرار بگیرد، می‌چرخد؛ پس از قرار گرفتن آند و برابر شدن متغیرهای مربوط به سنسور (n‌) با مقدار وارد شده (m=n‌) موتور از کار می‌افتد و آند را به کمک دو سنسور که به پایه‌های d.0 و d.1 میکروکنترلر متصل است، در محل مناسب قرار می‌دهد. در صورتی که به هر دلیل اپراتور خواهان تغییر آند شود (‌آند بعدی یا قبلی‌) با استفاده از کلیدهای Next و Back می‌‌تواند این کار را انجام دهد.

عملکرد کلید Next دقیقاً مانند کلید اکسپوز است با این تفاوت که تأخیر آن به جای 2 ثانیه در حدود200 میلی ثانیه (Pause 200‌) است.

و با فشردن کلید Back میکروکنترلر زیر برنامه Back را اجرا می‌کند.

Back:

M=m-1

If  m=o  then

     M=10

Pause 200

If m=n and Portd.o=1  and Portd.1=1 bhen

   Portb.2=0 

   Portb.7=1

   Portb.6=1

else

   Portb.2=1

Endif

goto key

با اجرای زیر برنامه Back یک واحد از متغیر (m=m-1)m کم می‌شود و رله‌ی متصل به پایه b.2 میکروکنترلر باعث چرخش برعکس (راست گرد) موتور می‌شود و آند قبلی یا قبل‌تر را رو‌به‌روی فیلمان قرار می‌دهد.

برای تغییر زاویه آند، پس از ثابت شدن موتور با استفاده از یکی از کلیدهای

 Ang10 ,Ang13 , Ang13 , Ang16 , Ang19 , Ang22 می‌توان زاویه آن را تغییر داد.

پ)کلیات طراحی:

در تمامی تیوپ‌های رادیولوژی از موتور‌های با دور بالا استفاده می‌شود. در این پروژه از موتور با دور پایین استفاده شده است. علت این امر این است که نیازی به چرخش با دور بالا نیست و برای شناسایی آند حتماً باید دور موتور پایین باشد. البته می‌توان از موتور‌های دیگر نیز مانند: سروو‌موتورها و استپ‌موتورها نیز استفاده کرد.

در این پروژه از دیودهایی که خاصیت ارسال و دریافت امواج مادون قرمز دارند استفاده شده است و برای ثابت کردن آند روبه‌روی فیلمان از همین سری سنسورها استفاده شده است. می‌توان از سنسور‌های دیگر مانند لیزر و ماورای‌صوت استفاده کرد.

از این میکروکنترلر به دلیل قابلیت‌های ویژه‌ای که دارد استفاده شده که یکی از این قابلیت‌ها نویز پذیری بسیار کم آن در برابر عوامل خارجی است. خاصیت دیگر این میکرو این است که برنامه نوشته شده برای یک میکرو قابل اجرا در میکرو دیگر از همان خانواده است.

برای تغییر زاویه آند بهتر است از این نوع موتور استفاده شود، زیرا بسته به پالس اعمال شده زاویه روتور آن تغییر می‌کند که این تغییر زاویه بین صفر تا 180 درجه است.

زبان برنامه‌نویسی ساده و دارای قابلیت‌ها و دستورات ساده است که برنامه‌نویسی را برای کاربر راحت می‌کند و توانایی ساخت فایل HEX را نیز پس از پایان برنامه‌نویسی دارد.

ت) نتیجه‌گیری:

به دلیل استفاده از این سیستم می‌توان به راحتی آند طراحی شده را کنترل کرد. با استفاده از سرووموتور می‌توان زاویه را کنترل و از استپ موتور برای چرخش آن بهره برد و با وجود 10 آند جدا از هم می‌توان کنترل حرارتی بالایی را نیز داشته باشیم، که طول عمر آن 10 برابر یک آند ثابت و 8 برابر یک آند دوار خواهد بود.

ث)منابع:

[1] وب سایت www.wikimedia.com

[2] وب سایت www.springerlink.com

[3] وب سایت www.microchip.com

[4]کتاب میکروکنترلر پیک‌، تألیف: دکتر ستار میرزا کوچکی‌، مهندس سعید رجب‌زاده‌، مهندس سید عابدین کریمی‌، انتشارات: دانشگاه علم و صنعت ایران