X射線拍片機輸出劑量的遠程監(jiān)測和校準方法研究

申斌+顧敏明+李月樵+葉建兵+趙德

摘 要：為解決X射線拍片機在計量檢定過程中存在的使用頻率高，檢定周期長，無法保證被測對象在檢定周期內(nèi)的安全和有效使用等問題，文中根據(jù)半導(dǎo)體對X射線區(qū)域的線性響應(yīng)而設(shè)計了劑量儀，將遠程監(jiān)測與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入X射線拍片機劑量監(jiān)測裝置，以實時監(jiān)測X射線計量檢定規(guī)程中的各項性能指標，并建立相應(yīng)的X射線性能管理數(shù)據(jù)庫。試驗表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到了檢定規(guī)程中的各項要求。

關(guān)鍵詞：X射線輸出劑量實時監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；半導(dǎo)體；劑量儀

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：D 文章編號：2095-1302（2017）04-00-03

0 引 言

X射線拍片機已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)診治必不可少的工具，其可利用X射線的差別吸收、穿透作用、感光作用和熒光作用[1]檢測人體是否健康。由于射線穿過人體時，受到組織或者器官等不同程度的吸收，因此在熒光屏或攝影膠片上呈現(xiàn)出不同密度的陰影，據(jù)此綜合判斷人體某一部分是否發(fā)生病變或者功能正常。然而X射線對人體各器官都有不同程度的損傷，因此計量部門需要對每一臺X射線設(shè)備的輸出劑量和其他參數(shù)進行檢定，以確保圖片清晰可用，便于醫(yī)學(xué)診斷的同時又將對人體的傷害控制在安全范圍之內(nèi)。

近年來醫(yī)用X射線拍片機的總數(shù)和每臺X光機輻照患者人次呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。在長期頻繁的使用過程中，醫(yī)用X射線設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)一些問題，需要進行維修并重新對其進行檢定。針對以上問題，醫(yī)用X射線設(shè)備的國家計量檢定規(guī)程規(guī)定的一年的檢定周期相對于高頻使用的儀器而言顯然不夠。針對此問題，文中對醫(yī)用X射線拍片機的遠程檢測和校準方法進行了研究，對醫(yī)用X射線進行了長期檢測和數(shù)據(jù)采集，以使我們更好、更安全地使用X射線。

1 系統(tǒng)設(shè)計

X射線拍片機輸出劑量的遠程監(jiān)測由數(shù)據(jù)采集節(jié)點、3G/WiFi網(wǎng)關(guān)節(jié)點和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三部分組成。X射線拍片機輸出劑量的遠程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[2]。系統(tǒng)由計量傳感器節(jié)點和系統(tǒng)軟件兩部分構(gòu)成，其中軟件部分貫串系統(tǒng)始終，由監(jiān)測數(shù)據(jù)采集層、中心節(jié)點、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三層構(gòu)成。

傳感器節(jié)點在獲取傳感器的數(shù)據(jù)后，經(jīng)初步的數(shù)據(jù)解析和處理后，通過3G和WiFi通信方式發(fā)送給現(xiàn)場中心節(jié)點，中心節(jié)點收到數(shù)據(jù)后會保存在系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫中，并存儲在較為可靠的存儲介質(zhì)上。然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務(wù)器，以便保存分析數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫對接收到的各種計量參數(shù)進行可靠存儲，并對數(shù)據(jù)作初步分析和判斷，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的簡要規(guī)則給相關(guān)工作崗位產(chǎn)生告警等提示，如計量設(shè)備工況不正?；蛘卟环蠂蚁鄳?yīng)的使用規(guī)程時，則應(yīng)以多種形式顯示在監(jiān)控電腦和相關(guān)人員的設(shè)備上。該層還能下發(fā)上級命令，控制監(jiān)測數(shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)監(jiān)測與發(fā)布中心主要負責(zé)數(shù)據(jù)的匯總分析上報，為宏觀決策提供依據(jù)，并根據(jù)相關(guān)文件公開相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 硬件電路設(shè)計

X射線拍片機輸出劑量的遠程監(jiān)測系統(tǒng)是按照數(shù)據(jù)采集、MCU控制和通信功能來設(shè)計的[3]，本文硬件總體設(shè)計框架如圖2所示[4]。SI-PIN探測器接收到X射線信號后，將X射線光信號轉(zhuǎn)換為電信號，微弱的電信號經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換變?yōu)殡妷盒盘柡?，再?jīng)差分放大送到ARM處理器進行A/D轉(zhuǎn)換，ARM處理器根據(jù)采樣信號的大小來對模擬多路開關(guān)進行控制，進而切換量程，直至采樣信號在適當(dāng)范圍內(nèi)，然后進行標度變換，在LCD上實時顯示并定時存儲輸出劑量度信息。

2.1 前置放大電路的設(shè)計

SI-PIN探測頭的輸出電流非常微弱，需放大電信號。同時，SI-PIN探測頭具有短路特性，因此我們在設(shè)計時要求劑量輸出與光電流成線性關(guān)系，輸出負載RL→0。采用運算放大器作電流—電壓變換，其電路如圖3所示。

前置放大電路的設(shè)計如圖4所示。我們采用兩路前置放大電路，將SI-PIN進行I/V轉(zhuǎn)換，有用信號和噪聲信號為一路放大信號V01；噪聲信號為另一路放大信號V02。兩路信號經(jīng)差分放大電路濾除噪聲信號，大大提高了測量精度。

2.2 程控增益差分放大電路設(shè)計

為滿足SI-PIN在不同強度下的線性關(guān)系，系統(tǒng)設(shè)計了程控差分放大電路來實現(xiàn)對不同強度的實時量程切換。圖5所示為系統(tǒng)的程控差分放大電路，包括STM32ARM處理器、可編程儀表放大器和模擬多路開關(guān)。前置放大電路輸出的信號經(jīng)差分電路后將輸出劑量度信號放大后送至ARM處理器進行A/D轉(zhuǎn)換和處理，再通過ARM處理器的PB口控制模擬多路開關(guān)的通道來選擇放大倍數(shù)，從而實現(xiàn)自動換檔和輸出劑量度的換算。

2.3 E2PROM電路設(shè)計

為了對系統(tǒng)進行校準數(shù)據(jù)的存取以及對數(shù)據(jù)的本地存儲，系統(tǒng)設(shè)計的EAT24C64存儲芯片是一個16 K位CMOS E2PROM，其內(nèi)部含8 192個8位的字節(jié)，器件功耗極低，將其作為系統(tǒng)的片外存儲器。AT24C64基于I2C總線讀寫數(shù)據(jù)，在讀寫狀態(tài)時，其最大工作電流為3 mA；掛起狀態(tài)時寫入時間短，最大電流為5 μA。AT24C64電路圖如圖6所示。

2.4 系統(tǒng)電源設(shè)計

電源對本系統(tǒng)而言至關(guān)重要，電源電路為系統(tǒng)中的所有電路提供合適的功率和電壓，同時電源的穩(wěn)定性也決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在本系統(tǒng)中不同模塊需要的電壓不一致，因此需要給每個模塊分別供電。STM32F030C8T6的供電電壓為3.3 V，運放需要的供電電壓為5 V，單片機控制電路的供電電壓為+5 V和+12 V，無線傳輸模塊NRF24L01的最低供電電壓為1.9 V，繼電器需要的供電電壓為12 V。系統(tǒng)通過FDPS_50 dB將市電變?yōu)?2 V，1 A的直流電。12 V的電壓可直接給繼電器供電，然后通過KA78R05穩(wěn)壓芯片將12 V的電壓轉(zhuǎn)換為5 V，一端直接給運放供電，再通過ASM1117-3.3穩(wěn)壓芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)化為3.3 V，為無線模塊和STM32供電。該系統(tǒng)的供電框圖如圖7所示。

3 Web系統(tǒng)設(shè)計

3.1 需求分析

系統(tǒng)需要實現(xiàn)對遠程設(shè)備的TCP實時監(jiān)聽，并解析數(shù)據(jù)，將解析數(shù)據(jù)存入位于服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫內(nèi)且對其進行數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)采用前臺技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、管理及其Excel導(dǎo)出；圖表形式展示數(shù)據(jù)并在百度地圖顯示數(shù)據(jù)采樣地點。

3.2 后臺軟件設(shè)計

考慮之后可能會涉及大數(shù)據(jù)，云計算方面的擴展，因此本設(shè)計采用較新的Go語言編程。Go是為數(shù)不多的并發(fā)編程語言，可以充分發(fā)揮計算機多核的性能，在線程的使用上也比其他語言方便。在網(wǎng)站方面，使用了國內(nèi)比較流行的beego開源庫，集成環(huán)境為LiteIDE。使用相對較輕量級的SQLite作為數(shù)據(jù)庫。

3.3 前臺技術(shù)

本設(shè)計使用目前流行的JavaScript和HTML實現(xiàn)。就目前而言，JS已具有很多優(yōu)秀的JS開源庫，如chart， bootstrap，Jquery等。本設(shè)計主要用chart.js來實現(xiàn)圖表方面的功能。

4 實驗

針對上述方法設(shè)計的整機進行了長期的整機運行實驗。通過登錄服務(wù)器相應(yīng)窗口獲得目前處在監(jiān)管狀態(tài)的十臺X射線拍片機的實時數(shù)據(jù)，如圖8所示。

進而針對管轄地某醫(yī)院的某臺X射線拍片機的半年平均輸出劑量進行了統(tǒng)計和分析，如圖9所示。

通過以上實驗證明本文設(shè)計能夠準確、可靠的實時監(jiān)測轄區(qū)內(nèi)安裝了該X射線拍片機輸出劑量遠程監(jiān)測系統(tǒng)的X射線設(shè)備。并且可以通過服務(wù)器的數(shù)據(jù)對其中某一臺設(shè)備的運行狀況進行分析。使得計量部門工作人員在家中就可對該設(shè)備進行檢測，做到實時監(jiān)測，大大提高了工作效率和工作質(zhì)量。

5 結(jié) 語

X射線拍片機輸出劑量的遠程監(jiān)測系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能傳感器技術(shù)解決了X射線拍片機在計量檢定過程中遇到的使用頻率高，檢定周期長，無法保證被測對象在檢定周期內(nèi)的安全和有效使用的問題。根據(jù)半導(dǎo)體對X射線區(qū)域的線性響應(yīng)設(shè)計了劑量儀的傳感器，建立了相應(yīng)的X射線性能管理數(shù)據(jù)庫。試驗表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

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