可编程控制器技术在医疗设备领域中的应用

王琪

上海中医药大学附属上海市中西医结合医院医学装备处 （上海 200082）

可编程控制器（programmable logic controller，PLC）是 一种以微处理器为核心的新型数字运算操作电子系统，其采用可编程序的存储器，利用内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械设备或生产过程[1]。如果控制需求改变，只需要修改存储器内的相关程序即可改变电气系统的控制要求。PLC技术在医疗设备领域中广泛应用，本研究通过3个案例叙述PLC在医疗设备中的应用，以供同行参考。

1 PLC技术的主要功能

PLC技术主要有开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、通信控制与数据处理5大功能[2]。其中开关量的逻辑控制功能实现了逻辑控制和顺序控制，摈弃了传统庞大结构的继电器电路，实现了电路的小型化、集成化设计。模拟量控制功能通过模数转换A/D模块和数模转换D/A模块实现对温度、流量、压力等模拟量的控制[3]。运动控制功能是通过位置控制模块控制驱动电机或伺服电机的单轴或多轴实现直线运动或圆周运动。过程控制功能是对上述模拟量的闭环控制。通信与数据处理功能可实现相关的操作、运算、传输和联网等。

2 PLC 技术在医疗设备领域中的应用

2.1 在医院手术室净化系统中的应用

根据2014年6月1日起实施的《医院洁净手术部建筑技术规范》（GB50333-2013）以及医院院感与质控要求，不同类型的临床手术需在相应的手术室内进行。临床手术对手术室的洁净度、正负压、温湿度等有特殊要求。来自室外的新风与来自洁净室内的回风混合后，通过初、中效过滤器过滤，再分别通过表冷段、加热段进行恒温除湿处理，依次经过中效过滤器过滤、加湿段加湿后进入送风管道；通过送风管道上的消声器降噪处理后送入管道最末端的高效过滤器，然后进入手术室天花板；手术室设有排风口，由排风口排出室外，其余通过回风口及回风管道与新风混合进入初效过滤器前。如此循环。

上述循环中，PLC是整个自动控制系统的核心，其通过检测手术室内的温湿度来控制空调机组中表冷器、电加热器、电加湿器等相关设备的工作状态；通过检测洁净度来控制各级过滤装置以及风机变频器进行空气过滤；PLC将监测到的参数值与设定值进行比较并做出判断，驱动被控对象执行相应操作，使监测参数符合系统设定要求。

2.2 在过氧化氢等离子体灭菌器设备中的应用

过氧化氢等离子体灭菌器的工作原理是使用过氧化氢作为灭菌剂，通过PLC进行电气控制，在低温环境下，将灭菌剂按规定量注入到载有需消毒医疗器械的真空室内[4]。灭菌剂在真空室内被汽化并扩散，然后被“激发”成等离子态，从而对医疗器械进行灭菌。在该灭菌过程中，PLC是核心技术，如图1所示。PLC根据消毒规范要求及流程，按照设定程序控制各部分部件工作，并进行实时检测、反馈。

2.3 在高强度聚焦超声肿瘤治疗系统中的应用

高强度聚焦超声肿瘤治疗系统（high-intensity focused ultrasound，HIFU），又叫聚焦超声肿瘤消融机，其是医院常见的大型设备，用于四肢及躯干的骨和软组织肿瘤、乳腺肿瘤、肝脏肿瘤（肝脏减少移动及无肋骨障碍）患者的治疗。该设备的治疗源为超声波，工作原理是利用超声波的热效应、空化效应和器械效应将超声波聚焦在一个靶区内，使靶区内的肿瘤细胞产生瞬态高温（60 ℃以上），进而杀死靶区内的肿瘤细胞[5]。

图1 过氧化氢等离子体灭菌器PLC控制

使用HIFU治疗必须要有足够的超声通道，且机载超声可测出靶区情况。HIFU是一种不需开刀就可杀灭体内肿瘤的技术，是“无创手术”。其对于不同时期病变有不同的效果，尤其适用于治疗子宫肌瘤患者，且疗效显著。该设备目前已出口到欧洲、韩国、日本、澳大利亚等诸多国家和地区。

HIFU系统由水处理系统、超声诊断仪、治疗床及龙门架、功率发生柜、计算机控制系统5大部分组成。控制系统由计算机、系统控制软件、遥控操作台组成；定位系统由数字式B超、双C臂龙门架、三维运动治疗床组成；治疗系统由多元双聚焦超声换能器、功率驱动器、真空水处理系统组成。

在聚焦超声肿瘤消融机设备控制应用中，PLC技术起到了关键作用，俗称下位机的PLC和上位机工作站主导程序形成互通，整体实现了电脑数据指令的传输执行，是医疗设备人机互动的完美示范。图2中治疗床及龙门架机械传动装置的输出与反馈、换能器三维动作的精度控制、治疗能量输出的大小调整和通道选择以及状态反馈、3D-TPS治疗计划等都是基于PLC发出指令才得以实现。随着使用时间的延长，设备不可避免地会出现问题，而一旦出现问题就可通过控制器信号指示灯做出快速判断，提供准确解决方案，为临床治疗赢得时间，提高患者的治疗满意度。

图2 聚焦超声肿瘤消融机设备PLC控制

3 小结

随着科技进步，计算机技术的飞跃发展，5G通信设备以及AI技术的普及，PLC的运算速度会更快、存储容量更大、智能化程度更高，并且抗干扰能力更强，系统更为灵活，使用更方便[6-7]。与之配套的产品种类也会更丰富，规格更齐全，人机界面更完美，可更好地适应各种控制场合的需求。从品牌上来看，目前以欧美和日本产品为主，国产PLC还有很长一段路要走；从应用场合看，PLC在传统的制造业，如钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺等得到了广泛应用。

近年来，PLC技术在医疗设备中的作用逐渐突显，如纯水机、过氧化氢等离子体灭菌器、蒸汽灭菌器以及大型医用设备等的电气控制部分均有PLC控制。不管是《中国制造2025》，还是《“十三五”国家科技创新规划》以及《“健康中国2030”规划纲要》都明确加强高端医疗器械创新能力建设，推进医疗器械国产化。随着国家对国产医疗设备的支持，PLC技术会越来越多地在国产医疗设备上使用，并走向世界。