DSA圖像工作站與高壓觸發(fā)脈沖轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計與制作

虞靖彬

山東中醫(yī)藥大學，山東 濟南 250355

引言

筆者曾遇見西門子DSA（數(shù)字減影血管造影系統(tǒng)）曝光與采集圖像不同步的情況，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，電路嚴重老化，維修成本較高。經(jīng)綜合考慮，使用美國Gold One圖像工作站替代，而更換新的DSA 圖像處理系統(tǒng)就必須考慮控制X 光產(chǎn)生及圖像采集的同步問題，需要重新設(shè)計圖像工作站和X 線高壓部分的接口電路，以解決圖像工作站與X 線高壓的匹配問題。

1 設(shè)計思路

本文涉及的X 線設(shè)備為Polydoros 80。根據(jù)DSA 的工作原理分析可知，圖像工作站可以控制圖像的實時采集存儲，形成連續(xù)的動態(tài)圖像以及對圖像進行減影處理。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，在攝影曝光開始或透視開始時，產(chǎn)生控制X 線高壓部分曝光的高壓觸發(fā)脈沖信號，通過一個或門邏輯輸出Enable 信號，啟動U/F 變換器工作，產(chǎn)生X 線并進行圖像采集[1-3]。由于更換后的圖像工作站不是原廠工作站，產(chǎn)生的高壓觸發(fā)脈沖信號會與主機X 線控制電路之間出現(xiàn)不匹配問題，導(dǎo)致主機曝光不能正常工作。因此必須通過接口電路對高壓觸發(fā)脈沖信號進行波形轉(zhuǎn)換，處理后的控制脈沖信號能夠保證X 線的正常產(chǎn)生，并保證圖像的同步采集。由此可知，與主機相關(guān)且重要的信號是高壓觸發(fā)脈沖控制信號，本文主要探討更換后工作站后同步控制X 線產(chǎn)生的接口問題。

綜上所述，需對原廠圖像工作站與DSA 的高壓控制和同步電路進行深入分析，研究新工作站與主機的匹配問題，才能徹底解決兩者兼容問題。

2 接口電路設(shè)計與原理框圖

根據(jù)經(jīng)驗，通常選擇脈寬為3～10 ms 的脈沖信號作為高壓觸發(fā)脈沖控制信號。為了能確保控制可靠，這里采用8 ms 脈寬脈沖作為控制X 線設(shè)備的高壓觸發(fā)脈沖信號。圖像工作站中相關(guān)可控頻率的高壓曝光脈沖信號輸出為：photo spot 和cine、cine drive，可用于產(chǎn)生高壓所需要的脈沖控制信號。設(shè)計原理框圖見圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)換電路原理框圖

圖像工作站給出的曝光脈沖信號是一個占空比為1:1的矩形脈沖信號，高壓觸發(fā)控制脈沖信號可由兩路信號通過一個與門連接而成。一路是1～15 幀的曝光脈沖信號photo spot，另一路是電影方式曝光脈沖信號cine。為防止信號在傳輸過程中受到干擾，在接口電路的前端需要設(shè)計隔離電路。隔離電路主要包括光耦隔離、繼電器隔離和變壓器隔離等。本電路屬于弱電電路，所以考慮首選光耦隔離電路?？刂菩盘柦?jīng)隔離后反向運算，再經(jīng)微分和積分等電路整形，產(chǎn)生固定脈寬的信號，最后再通過高頻開關(guān)管隔離放大，最終形成脈寬8 ms 矩形信號，接入到X 線主機的控制電路中[4-7]。

3 具體接口電路分析

根據(jù)原理分析，具體波形的轉(zhuǎn)換需要七個部分的電路來實現(xiàn)[5-10]。具體電路設(shè)計圖，見圖2。

3.1 光耦控制電路

信號通過光耦合器TIL113[10]實現(xiàn)隔離控制。輸入脈沖spot in 產(chǎn)生，當信號為高電平時光耦內(nèi)二極管截止，無信號輸出；當信號為低電平時，輸入信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED）工作，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)進一步放大后輸出，從而完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，起到輸入與輸出相隔離作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。

3.2 與門輸出電路

主要是通過TC4011BP[10]的與非門來實現(xiàn)的。輸入信號分兩部分組成，一部分是8 幀以下的圖像曝光，用于一般情況下的圖像檢測，接入到與非門的1 腳；另一部分是8 幀以上的圖像曝光，主要用于對心臟的檢測，接入到與非門的2 腳，兩路信號相與后經(jīng)3 腳輸出，實現(xiàn)波形反向運算。

3.3 微分電路

在微分電路中，當輸入信號Ui 為矩形波信號時，則輸出電壓為正、負相間的尖脈沖，波形如圖3 所示。

圖3 微分電路波形轉(zhuǎn)換

由圖3 可知，僅在U1 發(fā)生躍變時，才有尖峰電壓輸出；而當輸入電壓不變時，輸出將為零。輸出尖脈沖波形的寬度與R×C 有關(guān)（即電路的時間常數(shù)），R×C 越小尖脈沖波形越尖，反之則寬。此電路的R×C 須遠遠少于輸入波形的寬度，否則就失去了波形變換的作用，一般R×C 少于或等于輸入波形寬度的1/10 就可以了。因為微分運算電路的輸出信號對輸入信號的突然變化比較敏感，常用于提高系統(tǒng)的狀態(tài)靈敏度。

圖2 具體接口電路圖

3.4 驅(qū)動電路

本電路采用ULN2004APG[10]與一個可以快速恢復(fù)的二極管來構(gòu)成驅(qū)動電路，以保證信號的正常輸出。信號輸入至ULN2004 的1 腳、16 腳輸出后，實現(xiàn)可對信號進行取反運算。為防止高電平信號時電路出現(xiàn)懸空，可并聯(lián)一較大阻值的電阻接地。

3.5 積分電路

積分電路主要用于波形變換、放大電路失調(diào)電壓的消除及反饋控制中的積分補償?shù)葓龊稀．敃r間常數(shù)較大，如超過10 ms 時，電容的值就會達到數(shù)μF，由于μF 級的標稱值電容選擇面較窄，故采用改變電阻的方法來調(diào)整時間常數(shù)。但如所需時間常數(shù)較小時，就應(yīng)選擇R1 為數(shù)kΩ 至數(shù)十kΩ，再往小的方向選擇的值來調(diào)整時間常數(shù)。因為時間常數(shù)值如果太小，容易受到前級信號源輸出阻抗的影響。積分電路可將矩形脈沖波轉(zhuǎn)換為鋸齒波或三角波。電路的時間常數(shù)是R×C，在這里需要注意積分電路的時間常數(shù)要大于或等于10 倍于輸入波形的寬度。波形如圖4 所示。

圖4 積分電路波形轉(zhuǎn)換

3.6 整形電路

信號經(jīng)積分后，還需將信號取反，并濾除波形毛刺，保證能輸出精確的信號，本電路通過連接TC4011BP 的11、12、13 腿實現(xiàn)，然后通過并聯(lián)濾波電容將無用頻段內(nèi)的信號濾除，這樣可以達到標準信號的使用標準。

3.7 OCL功率放大電路

OCL 電路稱為無輸出電容直接耦合的功放電路，優(yōu)點是省去了輸出電容，使系統(tǒng)的低頻響應(yīng)更加平滑，主要功能就是將信號放大后輸出，并驅(qū)動負載完成特定的工作。不同的負載具有不同的功率，放大電路要驅(qū)動負載必須輸出相應(yīng)的功率。功率放大電路在多級放大電路中處于最后一級，其任務(wù)是能夠向負載輸出足夠大的信號功率。

系統(tǒng)輸入的spot 信號是+15 V 的矩形脈沖信號，經(jīng)由上述各電路的作用可分析出波形經(jīng)過各部分電路后的波形如圖5 所示。

各部分電路波形轉(zhuǎn)換，經(jīng)過a →b 完成電→光→電轉(zhuǎn)換；b →c 使得信號反向輸出；c →d 是實現(xiàn)信號的微分運算，過RC 電路的微分運算可知，當輸入信號突變時，輸出電壓為正、負相間的尖脈沖，這是由于電容兩端的電壓不能突變造成的；d →e 中高電平的信號經(jīng)過ULN2004 后被濾掉，低電平的信號整形為矩形信號；e →f 過程中，根據(jù)公式(1)可知，矩形信號被整形為三角波信號；f →g 通過OCL 功率放大電路，將信號放大后輸出。通過以上步驟，最終形成了電壓幅度為12 V、脈寬為8 ms 的控制脈沖信號。

圖5 各部分電路波形轉(zhuǎn)換

根據(jù)設(shè)計的具體原理圖，制作好電路板后，用示波器進測試調(diào)整脈寬到合適的寬度，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)上進行測試，球管可以正常曝光，并且圖像的減影正常，該設(shè)備的問題得到解決，說明本電路的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對X 線主機高壓部分的同步控制。

4 應(yīng)用與討論

本設(shè)計所做的電路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現(xiàn)對X 線主機部分高壓產(chǎn)生進行同步控制，保證圖像正常采集，該電路只是控制整個高壓接口電路的一部分，如果單獨將其接入主機中，也不能使主機正常工作，必須和透視攝影高壓轉(zhuǎn)換等接口電路綜合考慮才能實現(xiàn)真正的匹配兼容[11-17]。

該電路的作用是將脈沖波形和寬度進行調(diào)整，通常波形調(diào)整只需要通過微、積分電路即可實現(xiàn)，但在實際運用中必須考慮外界干擾及電路驅(qū)動放大能力，所以要綜合考慮設(shè)計隔離和驅(qū)動放大部分，同時在實際應(yīng)用中可以將圖2 中電阻R4 改為可變電阻，這樣可以根據(jù)工作需要，調(diào)整R4 將脈沖調(diào)整到所需寬度。

該設(shè)計探討的是不同品牌配套設(shè)備的相互兼容問題，也是臨床設(shè)備出現(xiàn)問題后的一個技術(shù)應(yīng)用。本電路只涉及控制脈沖電路波形轉(zhuǎn)換，電路設(shè)計需要對設(shè)備原理熟悉，并應(yīng)具備深厚的數(shù)字電路與模擬電路理論基礎(chǔ)知識，特別是在同步脈沖控制信號的設(shè)計中，應(yīng)對原設(shè)備中控制脈沖要求進行深入的分析，確保機器正常運轉(zhuǎn)。

通過本次電路的設(shè)計，對圖像工作站與西門子X 線設(shè)備之間控制脈沖的匹配及解決辦法做了詳細闡述，實現(xiàn)了對信號波形轉(zhuǎn)換，實際工作中如出現(xiàn)需要對脈沖進行轉(zhuǎn)換的情況都可以借鑒本電路。在實際電路板中，由于買不到等值參數(shù)的元件，通過查閱各管件代換手冊，購買了可替換元件，所以測量出來的性能指標參數(shù)難免存在一定誤差，這個問題需要在將來設(shè)計中著重考慮。