X射線機附屬裝置控制器設(shè)計

郭 燦

（上海西門子醫(yī)療器械有限公司，上海 201318）

0 引言

醫(yī)學(xué)影像設(shè)備是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重要診斷和輔助治療儀器，主要包括X射線機（俗稱X光機）、CT、MR、超聲、PET、光學(xué)成像等，其中X射線機是最為常規(guī)的醫(yī)療設(shè)備，在各種規(guī)模的醫(yī)療機構(gòu)均有配置，它是利用X射線對人體不同組織器官的衰減程度不同，經(jīng)透過人體后的X射線在影像接收裝置上形成人體的透射影像。

X射線機按照功率大小可以分為大型X射線機（500mA及以上）、中型X射線機（100～500mA）和小型X射線機（100mA以下）；或按照診斷功能來分，包含乳腺機、牙科機、普通攝影機、C型臂手術(shù)X射線機、胃腸機、泌尿機、心血管造影機等。普通X射線攝影系統(tǒng)的功能就是完成常規(guī)X射線攝影檢查，如用于探查骨骼的病變，探查肺部疾病，如肺炎、肺癌或肺氣腫等的胸部X射線攝影，還可以探查體內(nèi)金屬異物以及腹腔內(nèi)查腸道梗塞等。普通X射線攝影機在整個放射診斷成像中占據(jù)半壁江山，70%以上中小型醫(yī)院都會擁有普通攝影X射線機，可見它具有非常重要的位置。如圖1為X射線普通攝影機，圖2為帶有胸片架的普通攝影機。[1]

圖2 帶有胸片攝影架的普通攝影機[3]

其中的普通攝影X射線機主要由X射線發(fā)生裝置、X射線圖像接收裝置、X射線圖像處理和顯示裝置及附屬裝置組成，其中的附屬裝置包括病人支撐裝置—攝影床、球管支撐裝置—立柱或懸吊裝置、胸片攝影架、人機界面等，如圖3，其中的附屬裝置通常需要配備控制器，承擔(dān)著系統(tǒng)運動部件的驅(qū)動控制、人機界面的輸入和輸出、X射線圖像處理裝置、顯示裝置和各附屬裝置之間的協(xié)調(diào)、通信等功能，下面先來分析一下這些附屬裝置的功能和結(jié)構(gòu)，然后再介紹附屬裝置控制器的軟硬件設(shè)計。

圖3 X射線普通攝影機的基本結(jié)構(gòu)

1 X射線普通攝影機附屬裝置

自1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線至今已有120多年，X射線機也得到了飛速的發(fā)展。比如X射線的圖像接收裝置從早期的熒光屏透視系統(tǒng)和屏膠攝影系統(tǒng)產(chǎn)生的模擬圖像，發(fā)展到后來的影像增強電視透視系統(tǒng)和采用成像板（IP，Image Plate）的計算機攝影系統(tǒng)（CR，Computer Radiography）而產(chǎn)生的半數(shù)字化圖像，到目前基于數(shù)字平板探測器（FPD，F(xiàn)lat Panel Detector）的全數(shù)字化透視和攝影圖像，使得X射線機獲得高質(zhì)量圖像的同時，病人吸收劑量反而大為降低。本文將討論全數(shù)字化X射線普通攝影機中的附屬裝置（普通攝影床、立柱、胸片攝影架、懸吊架和人機界面）功能和結(jié)構(gòu)。

1.1 普通攝影床

普通攝影床主要用于病人的躺臥，以便對病人的各個部位進行投照攝影。床面應(yīng)有前后移動（Forward and Backward，F(xiàn)B）和左右移動（Left and Right，LR）功能（文中所提及的運動方向都是以操作者為參考），如圖1中的攝影床，由此可以在病人不動的情況下，可將病人需要攝影的部位移動到X射線投照的區(qū)域。這兩個方向一般采用自由移動。不需要移動時用電磁鐵鎖定。另外，為了方便病人上下床，或盡可能增加攝影距離，高檔的攝影床還有上下移動（Up and down，UD）功能，這個移動就需要使用電機驅(qū)動實現(xiàn)。

1.2 立柱

立柱主要是支撐X射線管組件。為配合各種攝影需求，X射線管組件需要有上下移動、左右移動、前后移動，還有沿橫臂軸旋轉(zhuǎn)的水平轉(zhuǎn)動（Rotation around Horizon，RH）和沿垂直立柱旋轉(zhuǎn)的垂直轉(zhuǎn)動（Rotation around Vertical，RV），如圖1和圖2所示的立柱。水平轉(zhuǎn)動主要用于斜向投照，比如下頜骨攝影，垂直轉(zhuǎn)動可以讓X射線管組件離開床面進行自由位置攝影，比如坐在輪椅上的病人攝影，還可以將X射線管組件的投照方向指向胸片攝影架。

1.3 胸片攝影架

胸片攝影架主要用于胸部攝影和部分的頸椎攝影。胸部攝影時，一般都采用站立攝影，所以支持胸片架的攝影架稱之為立式攝影架，如圖2中的胸片攝影架。簡單的胸片攝影架只有上下移動功能，以配合不同身高的病人。這個上下移動有手動和自動之分，自動即采用電機驅(qū)動。除了這種基本的立式攝影架，還有一種可以翻轉(zhuǎn)的攝影架稱為多功能攝影架，如圖4，這種攝影架增加了胸片架可以前后旋轉(zhuǎn)（Rotation of Forward and Backward，RFB）的功能。由此，除了胸片和頸椎的攝影外，還可以對各種角度的頭顱和上肢等進行投照攝影。

圖4 多功能立式攝影架[3]

1.4 懸吊架

立柱式球管支架因立柱只有左右運動，導(dǎo)致球管的運動范圍受限，懸吊式支架可使得球管的移動范圍大大拓展，如圖5所示。通過橫向天軌、縱向天軌和伸縮吊架，將X射線管懸在空中。橫向天軌可實現(xiàn)左右移動（RL），縱向天軌可實現(xiàn)前后移動（FB），伸縮吊架可實現(xiàn)上下移動（UD）。另外，橫臂與伸縮吊架之間可以實現(xiàn)沿垂直方向的轉(zhuǎn)動（RV），球管和橫臂之間可以實現(xiàn)沿橫臂軸的旋轉(zhuǎn)（RH），以及沿球管本身長軸方向的旋轉(zhuǎn)（RFB）。圖6為西門子Multix Fusion懸吊式普通攝影機，此懸吊上的所有運動都是電機驅(qū)動控制的。

圖5 懸吊式球管支架[3]

圖6 西門子懸吊式普通攝影機（Multix Fusion

1.5 人機界面

對X射線管運動進行操作的按鈕以及運動過程中的位置狀態(tài)顯示稱為人機界面，圖7（a）顯示了早期采用機械式指示器和按鈕操作的人機界面；圖7（b）顯示了數(shù)字顯示和簡單觸摸屏操作功能的人機界面；而圖7（c）和（d）顯示了兩款現(xiàn)代數(shù)字化攝影裝置的大屏顯示和觸摸功能的人機界面。

圖7 人機界面

1.6 附屬裝置和控制器的連接

按照以上的說明，所有附屬裝置需要通過附屬裝置控制器進行控制，并將附屬裝置的各類運動信息反饋給上位機，同時接收上位機的命令對附屬裝置進行驅(qū)動控制，以到達所需的目標(biāo)位置。圖8為附屬裝置控制器與各附屬裝置的控制連接，以及與上位機影像工作站之間的連接。

圖8 附屬裝置控制器通信連接

（1）由于市場上大多數(shù)電機驅(qū)動器采用CAN接口，因而在懸吊架部件、病床部件、立柱部件、胸片攝影架部件的電機運動驅(qū)動和附屬裝置控制器之間采用CAN總線連接。

（2）DAP和準(zhǔn)直器也提供標(biāo)準(zhǔn)CAN接口，因此和控制器之間也是CAN連接。

（3）懸吊架部件、攝影床部件、球管立柱部件、胸片攝影架部件的機械狀態(tài)，如位置限位開關(guān)、光耦傳感器開關(guān)和角度傳感器等信息直接通過GPIO總線連接。

（4）控制器和人機界面如觸摸屏的連接采用千兆網(wǎng)絡(luò)或者HDMI接口。

（5）控制器和影像處理器PC的連接采用千兆網(wǎng)絡(luò)。

2 控制器設(shè)計

2.1 控制器硬件設(shè)計

鑒于控制器需要提供CAN控制器、人機界面、HDMI接口、通用GPIO，因此選用了資源豐富的NXP公司的i.MX6系列處理器，該處理器有多種配置，如i.MX 6Quad， i.MX 6Dual， i.MX 6DualLite和i.MX 6Solo。實際應(yīng)用時可根據(jù)負載量的大小和成本來決定（芯片的詳細功能介紹請參考NXP官網(wǎng)：https：//www.nxp.com）。根據(jù)圖8的通信端口連接需求，設(shè)計了圖9的附屬裝置控制器硬件系統(tǒng)構(gòu)架。[2]

圖9 附件控制器硬件構(gòu)架

（1）Ethernet接口：因為控制器需要多路網(wǎng)絡(luò)接口，i.MX6的網(wǎng)絡(luò)控制器可以外接千兆網(wǎng)絡(luò)交換器芯片，如Marvell公司的88E6390、BoardCom公司的BCM53128等。這些網(wǎng)絡(luò)交換機芯片可以提供多大8個接口，可以應(yīng)付大多數(shù)使用場景。

（2）HDMI接口：i.MX6支持HDMI1.4的視頻輸出，可以連接到HDMI接口的顯示屏或者觸摸屏，觸摸信號可以連接到USB或者UART。

（3）USB接口：USB2.0輸出，支撐OTG功能。

（4）CAN接口：i.MX6可以提供兩路CAN控制器，可以將這兩個CAN端口都需要利用起來。CAN收發(fā)器可以采用82C252、SN65HVD251、TCAN1042等芯片，硬件上可采用DSUB或者RJ45連接器；

（5）GPIO接口：輸入IO采用抗干擾保護設(shè)計，輸出IO采用過電流保護設(shè)計。

（6）DDR3接口：外接DDR3的內(nèi)存，采用ISSI公司的IS43TR16256A，4片/64-bit，容量4GB。

（7）Flash接口：外接eMMC flash，可以用來作為啟動flash。

（8）調(diào)試接口：包括SD卡接口、JTAG接口和UART接口。

（9）傳感器接口：傳感器可以采用I2C接口，如溫度傳感器TMP75、加速度傳感器ADXL350等。

（10）音頻接口：音頻可通過I2S接口連接，采用TI公司的解碼芯片TLV320AIC3101，可以驅(qū)動1W class D 8 Ohm喇叭。

2.2 控制器軟件設(shè)計

2.2.1 軟件包組成

附屬裝置控制器的軟件是基于Linux開發(fā)的，根據(jù)圖9的硬件架構(gòu)，軟件包括下面部分：

（1）基 本 軟 件：U-boot，用 來 初 始 化i.MX6、DDR3、看門狗、flash等基本硬件，傳遞環(huán)境配置參數(shù)；Linux Kernel，Liunx操作系統(tǒng)采用3.14.28版本；rootfs，根文件系統(tǒng)包括了系統(tǒng)需要的大多數(shù)Linux工具，如FTP、QT、SFTP/SSH、Telnet、Tslib、MFD等。

（2）主軟件：安裝腳本，用來支持系統(tǒng)從SD卡啟動；升級腳本，用來支持系統(tǒng)更新firmware；應(yīng)用軟件，用來協(xié)助外部軟件和Linux操作系統(tǒng)的通信。

（3）編譯環(huán)境：采用GCC4.9.x和Qmake。

（4）外部應(yīng)用軟件：當(dāng)系統(tǒng)完成啟動流程后，開始執(zhí)行應(yīng)用軟件，應(yīng)用軟件包含：LCD顯示、GPIO交互、溫度傳感器、加速度傳感器、Audio、看門狗、CAN、啟動界面、Firmware版本和測試程序等。

2.2.2 啟動過程

如圖10所示，板子上電后，自動開始裝載U-boot。U-boot對基本硬件完成初始化后，依據(jù)條件進行判斷是否要升級固件FW，如果不需要升級，開始裝載工作映像并初始化，然后開始運行應(yīng)用程序映像，開始正常應(yīng)用操作模式。

圖10 啟動過程

如果需要升級，則裝載備份映像、初始化、升級應(yīng)用程序映像后，重啟系統(tǒng)，再開始正常啟動模式。

2.2.3 運動程序

一個基本的運動時序如圖11所示，當(dāng)來自攝影床、胸片支架或人機界面的運動按鈕觸發(fā)時，將信號發(fā)送給控制器，如圖中①。控制器檢查機械位置、安全回路、限位開關(guān)、傳感器的狀態(tài)，如果觸發(fā)條件OK，控制器即通過CAN總線將目標(biāo)位置信息發(fā)送給電機驅(qū)動器，如圖中②，驅(qū)動器執(zhí)行電機運動。與此同時，控制器將運動部件位置信息通過HDMI接口或Ethernet接口將信息發(fā)送到顯示器進行顯示，如圖中③。圖11的運動時序可以循環(huán)執(zhí)行，直到來自運動按鈕的信號停止觸發(fā)。

圖11 運動時序

2.2.4 軟件安全等級和開源申明

（1）軟件等級：根據(jù)醫(yī)療軟件的安全要求IEC60601-1-4，附屬裝置控制器的功能是控制和通信，不涉及軟件安全等級為Class C部件，故控制器的軟件安全等級設(shè)計為Class B即可。

（2）開源申明：本控制器的操作系統(tǒng)、開發(fā)組件和第三方軟件基于Yocoto和西門子OSS組件，開源許可證請參考http：//www.opensource.org/和西門子OSS協(xié)議。

3 結(jié)束語

本文論述了醫(yī)療X射線攝影機附屬系統(tǒng)各子部件的基本功能和作用，并設(shè)計了一個基于i.MX6系列作為處理器的附屬裝置的控制器，根據(jù)醫(yī)療設(shè)備的長生命周期的要求，選擇了i.MX6系列作為處理器，搭載千兆網(wǎng)絡(luò)交換機芯片、DDR3內(nèi)存、CAN接口、HDMI顯示接口和各種GPIO接口、傳感器接口等，不僅可以滿足市場上大多數(shù)中高端X射線攝影機的應(yīng)用需求；同時為進一步升級到人工智能操作預(yù)留空間，比如連接3D攝像頭和麥克風(fēng)可實現(xiàn)自動攝影定位、手勢操作等功能；另外此附屬系統(tǒng)和子部件開發(fā)可為醫(yī)療開發(fā)商和集成商提供參考和借鑒的作用。