DSA圖像工作站與高壓控制電路的設(shè)計與制作

虞靖彬

山東中醫(yī)藥大學(xué) 設(shè)備處,山東 濟(jì)南 250355

DSA圖像工作站與高壓控制電路的設(shè)計與制作

虞靖彬

山東中醫(yī)藥大學(xué) 設(shè)備處,山東 濟(jì)南 250355

數(shù)字減影血管造影(Digital Subtraction Angiography,DSA)在更換數(shù)字減影圖像工作站后,需要重新設(shè)計高壓觸發(fā)控制和高壓控制接口電路.本文通過對數(shù)字減影血管造影系統(tǒng)的主機(jī)電路及圖像工作站的控制電路原理的闡述,對接口電路的設(shè)計提供了詳實(shí)方案,設(shè)計出相應(yīng)的硬件接口電路,進(jìn)一步解決高壓控制信號轉(zhuǎn)換問題,控制產(chǎn)生合適的X射線,以實(shí)現(xiàn)新的DSA系統(tǒng)控制正常曝光及圖像的采集處理.以上設(shè)計,為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本?？茖W(xué)生的理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐動手能力相結(jié)合提供良好借鑒.

數(shù)字減影血管造影;圖象工作站;高壓調(diào)節(jié)與控制;接口電路

引言

筆者曾遇見數(shù)字減影血管造影系統(tǒng)(Digital Subtraction Angiography,DSA)不能曝光的情況,在對設(shè)備檢測后發(fā)現(xiàn)是由于圖像工作站出現(xiàn)異常,該圖像工作站已使用多年,電路嚴(yán)重老化,維修代價較高,經(jīng)綜合考慮,更換使用美國Gold One圖像工作站替代,而更換新的圖像工作站就需要重新設(shè)計圖像工作站和X線高壓部分的接口電路,以解決數(shù)字采集曝光時需要的高壓觸發(fā)控制、高壓劑量控制,才能得到合適的X射線.本文通過對高壓控制電路的分析討論,以解決圖像工作站與X線高壓部分接口的劑量控制.

1 設(shè)計思路

根據(jù)DSA的圖像工作站工作原理分析,由X線通過人體后在影像增強(qiáng)器產(chǎn)生的人體熒光影像通過攝像頭,圖像工作站控制采集圖像,對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲,顯示DSA透視或數(shù)字減影圖像.圖像工作站可以控制圖像的實(shí)時采集存儲,形成連續(xù)的動態(tài)圖像以及對圖像進(jìn)行減影處理.同時,圖像工作站可以根據(jù)操作臺產(chǎn)生的請求曝光控制指令,產(chǎn)生控制X線高壓部分曝光的同步控制命令和脈沖信號,通過接口電路去控制高壓部分產(chǎn)生合適的X射線.它根據(jù)外部控制提供的透視、數(shù)字曝光準(zhǔn)備采集請求,送出同步控制的曝光控制、高壓觸發(fā)脈沖[1-3].

由以上分析可知,由于更換后的圖像工作站不是原廠工作站,如果直接接入到主機(jī)中,會存在工作站與主機(jī)X線控制電路之間不匹配問題,導(dǎo)致主機(jī)曝光不能正常工作.如要使新的圖像工作站與主機(jī)相匹配,必須對控制信號進(jìn)行接口電路處理,使得圖像工作站的數(shù)據(jù)采集與主機(jī)的高壓產(chǎn)生同步,且高壓產(chǎn)生的劑量合適,DSA才能正常工作.在這里面與主機(jī)相關(guān)且重要的信號是曝光控制和同步脈沖控制高壓觸發(fā)脈沖信號.也就是說更換圖像工作站后需要解決同步圖像數(shù)據(jù)采集和高壓劑量控制問題.本文主要探討更換后工作站進(jìn)行曝光劑量控制的接口問題,同步高壓觸發(fā)脈沖的匹配問題未在本文中涉及.

綜上所述,需對原廠圖像工作站與DSA的高壓控制與同步電路進(jìn)行深入分析,找到其控制的方法后,再去研究新工作站的信號與主機(jī)的匹配問題,才能徹底解決兩者兼容問題.

2 電路分析與設(shè)計

要想進(jìn)一步解決曝光控制的接口問題,必須對主機(jī)高壓的控制原理進(jìn)行深入分析,進(jìn)一步了解高壓控制的重要信號及與圖像工作站之間的關(guān)聯(lián).

本文中所涉及的X線設(shè)備為Polydoros 80[4-5],其X線發(fā)生器采用了微機(jī)控制,通過光纖傳輸和中頻逆變等技術(shù)來產(chǎn)生高質(zhì)量X線,其整個X線發(fā)生器由中間電壓及其控制電路、逆變器及Kvp控制器、高壓發(fā)生器、X線管燈絲加熱及管電流控制電路和微型控制系統(tǒng)等構(gòu)成.當(dāng)操作臺(腳閘,手閘)發(fā)出的請求曝光指令,經(jīng)過微處理器的接收、處理產(chǎn)生同步曝光脈沖指令,由高壓控制電路產(chǎn)生合適的高壓值控制逆變器,經(jīng)高壓變壓器產(chǎn)生X射線,從而產(chǎn)生人體各部分的影像.

2.1 主機(jī)高壓控制電路分析

主機(jī)高壓控制電路實(shí)現(xiàn)使實(shí)際管電壓峰值盡快與預(yù)置一致的控制過程,其原理圖,見圖1.

圖1 高壓控制電路原理圖

由圖象工作站接口板D300輸出的管電壓控制信號通過微處理器輸出的管電壓預(yù)置值(Uroesoll)經(jīng)一個附加控制電路后,轉(zhuǎn)換為校正后的管電壓預(yù)置值(Uroesollcorr);另一方面,管電壓實(shí)際檢測值(Uroeist)由高壓實(shí)際管電壓取樣值陽極邊的+高壓值ist和陰極邊的-高壓ist相加而形成.兩者在J14b比較,得出誤差控制電壓UREG去控制壓頻轉(zhuǎn)換器U/F,通過調(diào)整觸發(fā)脈沖頻率來改變實(shí)際管電壓高壓p值.由此可知,控制管電壓高壓的一個重要信號就是高壓值:Uroesoll,也就是說圖像工作站與主機(jī)間的高壓控制信號匹配的關(guān)鍵就在于如何調(diào)整好此控制信號.

DSA工作站如果要采集圖像,除需要產(chǎn)生與攝像同步的X線外,要得到合格的影像質(zhì)量,就需要控制主機(jī)產(chǎn)生合適X線劑量.而真正要控制好劑量離不開射線產(chǎn)生的兩大要素:即高壓、mAs[6-11].根據(jù)DSA工作原理,作為上述的高壓控制,實(shí)際上就是要根據(jù)透視劑量來計算數(shù)字曝光劑量,從而達(dá)到合適圖像質(zhì)量,換言之,就是需要根據(jù)透視高壓來決定曝光高壓,即調(diào)整好工作站發(fā)出的控制指令高壓:Uroesoll.要得到校正后的曝光管電壓預(yù)置值Uroesoll,控制好曝光合適劑量,就需要根據(jù)實(shí)際透視高壓來計算出合適的曝光高壓.使用原廠工作站透視時,工作站通過接口板發(fā)出透視高壓指令高壓:Uroesoll控制主機(jī)產(chǎn)生合適的射線,當(dāng)需要攝影時,工作站接口發(fā)出準(zhǔn)備quot;prepquot;信號,同時計算出所需攝影高壓的設(shè)定值,通過接口板發(fā)出高壓:Uroesoll指令控制主機(jī)達(dá)到設(shè)定攝影高壓曝光.而更換后的工作站只能改變透視高壓:Uroesoll,透視過程中如需要主機(jī)曝光,無法再對曝光高壓:Uroesoll指令進(jìn)行調(diào)整,從而無法調(diào)整主機(jī)的曝光高壓,導(dǎo)致主機(jī)曝光產(chǎn)生異常.

2.2 高壓控制接口電路的設(shè)計

根據(jù)以上思路,要想使圖像工作站和主機(jī)電路能相匹配,必須設(shè)計相應(yīng)接口電路實(shí)現(xiàn)上述功能,可以考慮從工作站發(fā)出透視高壓指令后,通過一個保持電路將透視高壓預(yù)置值記憶下來并加以保持,在需要攝影提取圖像時,系統(tǒng)發(fā)出曝光準(zhǔn)備指令,經(jīng)過取樣電路對保持的透視高壓值進(jìn)行取樣計算,計算出合適的曝光高壓預(yù)設(shè)值,去控制主機(jī)的高壓:Uroesoll指令,從而得到合適的攝影高壓.所以設(shè)計的接口電路應(yīng)包括透視高壓值保持電路和取樣計算電路兩部分.在實(shí)際電路中可考慮HA17324集成塊作為通用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)對高壓信號的隔離[12],通過對控制繼電器來實(shí)現(xiàn)對透視高壓和曝光高壓的選擇,在主電路中可以加可調(diào)電阻R3,對R3進(jìn)行調(diào)試,可以將透視設(shè)定高壓換算成合適的曝光設(shè)定高壓.其中3個跟隨器對高壓信號起到隔離輸出的作用,RC與RF為控制繼電器,工作站從接口板D300發(fā)出Uroesoll指令,經(jīng)接口電路接入到主機(jī)的D400接口.接口主電路原理圖,見圖2.其中R20/D300為工作站發(fā)出的控制信號,通過設(shè)計的接口電路輸出到主機(jī)中.

圖2 接口主電路原理圖

電路原理分析如下:

(1)當(dāng)在操作臺選擇透視按鈕時:quot;fluoquot;信號為高電平→繼電器RC工作,quot;prepquot;信號為低電平→RF不工作;工作站預(yù)設(shè)透視高壓信號經(jīng)R20/D300→繼電器RF的常閉b接點(diǎn)→主機(jī)電路Z10/D400→進(jìn)行正常的透視高壓自動控制;工作站預(yù)設(shè)高壓信號經(jīng)R20/D300→繼電器RC常開接點(diǎn)→電容C(1000μF)充電,同時由于繼電器RF不工作,其常開接點(diǎn)a不工作,透視高壓信號即保持在電容上.

(2)當(dāng)按下曝光按鈕時:quot;fluoquot;信號為低高電平→繼電器RC不工作→繼電器RC常開接點(diǎn)斷開;quot;prepquot;信號為高電平→RF工作→RF的常開a接點(diǎn)閉合,常閉接點(diǎn)b斷開;電容C(1000 μF)上保持的高壓值→經(jīng)電阻R2、R3取樣計算后→繼電器RF的常開a接點(diǎn)→輸出曝光高壓值.R3可以對輸入的高壓:UROESOLL進(jìn)行調(diào)整.

2.3 接口電路的制作

(1)元器件的準(zhǔn)備.根據(jù)設(shè)計的電路原理圖,需要采購HA17324集成塊與集成塊座各一個;1000 μF電容一個;負(fù)載為120VAC- 5VDC的繼電器兩個;發(fā)光二極管兩個;快速反應(yīng)二極管兩個;10 K電位器一個;1 K電阻3個;10 K電阻一個;電路板一塊;細(xì)線若干.

(2)線路板制作.線路板制作過程中,得注意以下幾點(diǎn):① 首先根據(jù)電路圖確定公共電源和地的分布;② 在電路板上排好所有的元器件,依據(jù)電路圖仔細(xì)核對,以減少連線,就近為原則;③ 對元器件進(jìn)行焊接,在焊接過程中防止電烙鐵與元件接觸時間過長,以防燒壞元件;④ 對焊好的電路進(jìn)行修整完善.

本電路做好后與整個接口電路組合在一塊,在西門子DSA系統(tǒng)上進(jìn)行測試,球管可以正常曝光,并且圖像的減影完全正常,說明該電路的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對球管高壓部分的高壓控制.

3 應(yīng)用與討論

本設(shè)計所做的電路雖然該電路只是整個DSA圖像工作站與主機(jī)球管高壓部分接口電路的一個組成部分,只有幾個元器件組成,但它對整個高壓部分接口電路的正常工作起著非常重要的作用.通過這個電路可以實(shí)現(xiàn)對球管曝光高壓部分的控制,產(chǎn)生合適的X射線.如果此電路不能正常工作,將會導(dǎo)致曝光不能正常進(jìn)行[13-16].

該電路只是控制整個高壓接口電路的一部分,如果單獨(dú)將其接入主機(jī)中,也不能使主機(jī)正常工作,必須和同步脈沖觸發(fā)等接口電路綜合考慮才能實(shí)現(xiàn)真正的匹配兼容.

該設(shè)計簡單實(shí)用,是臨床設(shè)備出現(xiàn)問題后的一個技術(shù)應(yīng)用.電路只涉及到跟隨放大電路與相應(yīng)的繼電器控制電路,電路設(shè)計雖然簡單,但需要有深厚的數(shù)字電路與模擬電路理論基礎(chǔ)知識,須對X線控制原理及圖像工作站的工作原理進(jìn)行深入分析,特別是工作站的接口電路中與主機(jī)相連的幾個信號流程要清楚,以免在設(shè)計的接口電路接入信號接錯,導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作.

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本文編輯 袁雋玲

Design and Manufacture of DSA Image Workstation and High-Voltage Control Circuit

YU Jingbin
Department of Equipment, Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Jinan Shandong 250355, China

When the digital subtraction angiography (DSA) is changed in the PACS room, the high-voltage trigger controlled and the high pressure controlled interface circuit are usually needed to be redesigned. To solve the problem of high pressure controlled signal conversion, and control the generation of suitable X-ray to realize the new DSA system control normal exposure and image processing, the present study provided a detailed design of interface circuit and designed the corresponding hardware interface circuit based on explaining the principle of the control circuit through the host circuit and PACS room for DSA. Through the above design,it can provide a good reference for the theoretical study and practical ability of the students of biomedical engineering.

digital subtraction angiography; PACS room; high pressure regulation and control; interface circuit

TP311.5

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.10.021

1674-1633(2017)10-0080-03

2017-01-16

2017-02-10

作者郵箱:15866700768@163.com