移動(dòng)X射線機(jī)便攜無(wú)線延時(shí)曝光控制器的研制

蔡雅玲 黃向東 洪范宗* 田君鵬 陳 浩 王明昭

醫(yī)用X射線機(jī)是利用X射線透過(guò)人體形成各種影像，而對(duì)患者進(jìn)行診斷的設(shè)備[1-2]。X射線機(jī)在為患者拍片時(shí)，操作者日積月累也或多或少受到輻射，為防止X射線對(duì)操作人員及患者的傷害，必須加強(qiáng)防護(hù)措施，盡量減少輻射[3-5]。

移動(dòng)X射線機(jī)的現(xiàn)有曝光控制方法有2種：①紅外控制。無(wú)延時(shí)功能，必須在操作人員視野范圍之內(nèi)按下按鍵，遠(yuǎn)距離對(duì)準(zhǔn)較難；②腳閘、手閘控制，有線連接，遠(yuǎn)距離時(shí)需要延長(zhǎng)腳閘、手閘控制線[6-9]。本研究設(shè)計(jì)的移動(dòng)X射線機(jī)便攜無(wú)線延時(shí)曝光控制器將克服上述方法的缺點(diǎn)，以減少X射線對(duì)醫(yī)護(hù)人員以及患者的傷害，加強(qiáng)X射線防護(hù)，更安全、更人性化地實(shí)現(xiàn)X射線機(jī)的控制。

1 移動(dòng)X射線機(jī)便攜無(wú)線延時(shí)曝光控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

移動(dòng)X射線機(jī)便攜無(wú)線延時(shí)曝光控制器設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)的功能有：X射線機(jī)延時(shí)曝光、延時(shí)時(shí)長(zhǎng)可調(diào)、延時(shí)時(shí)長(zhǎng)可記憶、可及時(shí)終止動(dòng)作、電池供電、無(wú)需外接電源線、低壓報(bào)警以及遠(yuǎn)程遙控等；9 V電池通過(guò)穩(wěn)壓電路向主控芯片供電；無(wú)線收發(fā)器實(shí)現(xiàn)裝置的遠(yuǎn)程操作；按鍵操作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)延時(shí)設(shè)置，所設(shè)數(shù)據(jù)會(huì)由數(shù)碼管顯示，并被寫(xiě)入EEPROM存儲(chǔ)；主控芯片讀取EEPROM所記錄的數(shù)據(jù)，并作對(duì)應(yīng)的繼電器延時(shí)控制；同時(shí)主控芯片全程進(jìn)行低壓監(jiān)測(cè)，當(dāng)主控芯片的輸入電壓低于門(mén)限電壓時(shí)，裝置開(kāi)啟低壓報(bào)警。此處兩個(gè)繼電器分別代替X射線機(jī)的兩個(gè)手閘控制，繼電器1與預(yù)熱手閘控制線相連接，繼電器2與曝光手閘控制線相連接，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)線延時(shí)曝光控制器系統(tǒng)框圖

2 移動(dòng)X射線機(jī)便攜無(wú)線延時(shí)曝光控制器硬件結(jié)構(gòu)

2.1 主控芯片

本設(shè)計(jì)選擇寬電壓、低功耗的STC15W404S作為主控芯片(簡(jiǎn)稱(chēng)STC芯片)。該芯片工作電壓為2.5～5.5 V，芯片內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘，無(wú)需外部晶振，還可對(duì)外輸出時(shí)鐘；芯片引腳數(shù)為28，有利于裝置后期功能擴(kuò)展。

STC芯片有一組可靠的內(nèi)部低壓檢測(cè)門(mén)檻電壓，利用其實(shí)現(xiàn)裝置的低壓監(jiān)測(cè)，當(dāng)電池電量不足時(shí)，自動(dòng)報(bào)警。設(shè)置允許芯片進(jìn)入低壓檢測(cè)中斷，將低壓檢測(cè)允許位置于1，同時(shí)將低壓檢測(cè)標(biāo)志位置于0，當(dāng)芯片工作電壓Vcc低于低壓檢測(cè)門(mén)檻電壓后，低壓檢測(cè)中斷標(biāo)志位被硬件置于1，裝置進(jìn)入低壓狀態(tài)，產(chǎn)生低壓檢測(cè)中斷，蜂鳴器報(bào)警。

2.2 無(wú)線收發(fā)模塊

無(wú)線收發(fā)模塊的發(fā)送端為遙控器，按鍵按下信號(hào)發(fā)出。無(wú)線收發(fā)模塊的接收端為解碼接收板，其采用LC振蕩電路，內(nèi)含放大整形，接收靈敏度為-98 dB，其工作電壓為3～5 Vdc，可見(jiàn)穩(wěn)壓電路輸出電壓可以滿(mǎn)足其工作需求。解碼接收板的VT引腳與STC芯片引腳P2.2連接，VT腳為無(wú)線遙控信號(hào)的輸出腳。當(dāng)控制器處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，STC芯片接收到VT腳高電平信號(hào)，表明接收到無(wú)線遙控信號(hào)，控制器進(jìn)入工作狀態(tài)，定時(shí)器開(kāi)啟，延時(shí)計(jì)時(shí)開(kāi)始；控制器已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入工作狀態(tài)，但未進(jìn)入曝光期時(shí)，STC芯片接收到遙控信號(hào)，控制器立即全面停止工作，回到待機(jī)狀態(tài)。無(wú)線收發(fā)模塊的運(yùn)用，可達(dá)到信號(hào)穩(wěn)定且無(wú)冗余線路，安全可靠。

2.3 穩(wěn)壓電路

本設(shè)計(jì)選用9 V電池作為供電電源，無(wú)需外接電源，而STC芯片及其他主要裝置輸入電源均約為3.3 V，故此處選擇ASM1117-3.3穩(wěn)壓器，可將9 V穩(wěn)壓到3.3 V，滿(mǎn)足裝置電壓要求，其穩(wěn)壓電路如圖2所示。

圖2 無(wú)線延時(shí)曝光控制器穩(wěn)壓電路圖

2.4 調(diào)時(shí)按鍵

控制器需要有一個(gè)精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)，才能保證控制器準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)既定的動(dòng)作。其中，自遠(yuǎn)程遙控按下到繼電器1吸合中間有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)的默認(rèn)時(shí)長(zhǎng)為3 s，操作人員可以在這段時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)離X射線機(jī)的操作環(huán)境。隨著移動(dòng)X射線機(jī)操作環(huán)境的改變，操作人員需根據(jù)具體條件進(jìn)行延時(shí)時(shí)長(zhǎng)的調(diào)整。此處有兩個(gè)按鍵可對(duì)延時(shí)進(jìn)行延長(zhǎng)或縮短的調(diào)整，即調(diào)即存，待下次使用或控制器重啟，該數(shù)值保持上次調(diào)節(jié)值不變。

3 移動(dòng)X射線機(jī)便攜無(wú)線延時(shí)曝光控制器軟件設(shè)計(jì)

裝置開(kāi)啟并初始化，STC芯片讀取EEPROM中延時(shí)a的數(shù)值(默認(rèn)值為3 s)，醫(yī)護(hù)人員根據(jù)周?chē)h(huán)境條件及具體情況等延長(zhǎng)或縮短延時(shí)a，a值經(jīng)修改之后覆蓋原值并重新寫(xiě)入EEPROM存儲(chǔ)，裝置掉電重啟，設(shè)置值不變。STC芯片開(kāi)始掃描無(wú)線遙控信號(hào)，當(dāng)遙控按鍵按下，STC芯片接受到高電平，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，延時(shí)a的數(shù)值，繼電器1吸合，X射線管開(kāi)始預(yù)熱，預(yù)熱3 s之后，繼電器2吸合，開(kāi)始曝光，曝光時(shí)長(zhǎng)為1 s，1 s之后繼電器1、2關(guān)閉，系統(tǒng)再次進(jìn)入掃描無(wú)線遙控狀態(tài)。此外，在遙控按下之后繼電器2吸合之前，醫(yī)護(hù)人員若發(fā)現(xiàn)患者位置發(fā)生偏差、需要調(diào)整的時(shí)候，可重新按下遙控按鍵，STC芯片接收到信號(hào)之后立即停止動(dòng)作，待患者位置調(diào)整好之后，重新按下遙控按鍵，控制器重新進(jìn)入工作狀態(tài)，其系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 無(wú)線延時(shí)曝光控制器系統(tǒng)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

基于Altium Designer平臺(tái)設(shè)計(jì)控制器電路及印刷電路板(printed circuit board，PCB)，樣板大小為50 mm×50 mm。測(cè)試實(shí)驗(yàn)中用綠、紅發(fā)光二極管分別表示預(yù)熱、曝光功能，設(shè)置延時(shí)a值為3 s。無(wú)線遙控按鍵按下，蜂鳴器發(fā)聲2 s提示接收到信號(hào)，延時(shí)3 s之后，繼電器1吸合，綠色發(fā)光二極管亮起，表示開(kāi)始預(yù)熱；預(yù)熱開(kāi)始3 s之后繼電器2吸合，紅色發(fā)光二極管亮起，表示開(kāi)始曝光；曝光1 s之后，預(yù)熱曝光結(jié)束，繼電器關(guān)閉，數(shù)碼管熄滅，蜂鳴器發(fā)聲5 s提示曝光結(jié)束，實(shí)物及其測(cè)試如圖4所示。

圖4 無(wú)線延時(shí)曝光控制器實(shí)物圖

遙控器按鍵按下，控制器進(jìn)入工作狀態(tài)，無(wú)外界突發(fā)情況下，2個(gè)繼電器依照延時(shí)設(shè)定相繼吸合，完成一次曝光任務(wù)后，繼電器同時(shí)斷開(kāi)，控制器回到待機(jī)狀態(tài)，工作時(shí)序如圖5所示。

圖5 無(wú)線延時(shí)曝光控制器曝光流程時(shí)序圖

遙控器按鍵按下，控制器進(jìn)入工作狀態(tài)，開(kāi)始延時(shí)倒計(jì)時(shí)，在繼電器2吸合之前，如果發(fā)生特殊情況，如患者偏離正確位置，或者是發(fā)現(xiàn)X射線機(jī)附近有其他人員等現(xiàn)象，此時(shí)可再次按下遙控器按鍵，裝置將立即停止所有工作，回到初始待機(jī)狀態(tài)，等再一次檢測(cè)到無(wú)線遙控信號(hào)，控制器重新開(kāi)始動(dòng)作流程，其時(shí)序如圖6所示。

圖6 無(wú)線延時(shí)曝光控制器中斷流程時(shí)序圖

設(shè)置STC芯片門(mén)限電壓為3.32 V，且允許低壓檢測(cè)中斷。利用電壓源微調(diào)輸入電壓，當(dāng)電壓小于門(mén)限電壓值時(shí)，控制器進(jìn)入低壓檢測(cè)中斷，蜂鳴器持續(xù)報(bào)警，待電壓高于門(mén)限電壓，蜂鳴器停止報(bào)警，此時(shí)裝置可正常工作，故經(jīng)檢測(cè)該裝置低壓檢測(cè)報(bào)警功能準(zhǔn)確有效，其低壓設(shè)置如圖7所示。

圖7 無(wú)線延時(shí)曝光控制器低壓設(shè)置界面圖

5 結(jié)語(yǔ)

X射線機(jī)的安全使用和X射線的防護(hù)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作，不但要注意患者的防護(hù)，同時(shí)也要注重操作人員個(gè)體和集體的共同防護(hù)。本研究設(shè)計(jì)的便攜式X射線機(jī)遠(yuǎn)程控制延時(shí)曝光裝置體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、操作方便、性能可靠以及便于安裝，能有效實(shí)現(xiàn)操作者X射線防護(hù)，為醫(yī)護(hù)人員提供安全的操作環(huán)境，提高其安全感，也是提高醫(yī)療效果的重要因素之一。