基于自動(dòng)化控制的多功能數(shù)字X 射線機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖也叢

（山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院 山西省太原市 030001）

X 射線機(jī)是一種能夠產(chǎn)生X 射線的設(shè)備，在醫(yī)療領(lǐng)域用于透視、攝影檢查等診斷用途，其作用原理是依據(jù)X 射線穿透作用、差別吸收和熒光作用。X 射線機(jī)由X 射線成像裝置、發(fā)生裝置和機(jī)械控制裝置組成，機(jī)械控制系統(tǒng)是X 射線機(jī)中的核心部件，其性能直接影響X 射線機(jī)性能發(fā)揮。根據(jù)X 射線機(jī)發(fā)展趨勢(shì)劃分，可分為專用機(jī)型和在多功能機(jī)型，其中，專用機(jī)械可分為乳腺DR、牙科DR 等，多功能機(jī)型可用于多科室檢查和全身各部位數(shù)字化攝影，其操作較為簡(jiǎn)單，在臨床診療中應(yīng)用廣泛。當(dāng)前，多功能數(shù)字X 射線機(jī)以國外進(jìn)口為主，國內(nèi)機(jī)型控制系統(tǒng)功能單一、穩(wěn)定性較差，難以滿足X 射線機(jī)多功能診療服務(wù)需求，因此，有必要結(jié)合醫(yī)院診療服務(wù)要求優(yōu)化設(shè)計(jì)X 射線機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)X 射線機(jī)多功能用途控制，提高X 射線機(jī)功能適用性，滿足醫(yī)療領(lǐng)域?qū) 射線機(jī)的功能需求。

1 基于自動(dòng)化控制的多功能數(shù)字X射線機(jī)系統(tǒng)總體功能和子系統(tǒng)功能

1.1 多功能數(shù)字X射線機(jī)系統(tǒng)總體功能

基于自動(dòng)化控制的多功能X 射線機(jī)核心功能是實(shí)現(xiàn)X 射線機(jī)動(dòng)態(tài)拍片、透視、造影和胃腸等功能，實(shí)現(xiàn)多種功能X 射線造影的功能集成，借助大幅面動(dòng)態(tài)探測(cè)器，可在同一屏幕內(nèi)獲取整個(gè)檢查部位造影，點(diǎn)片效率應(yīng)能夠達(dá)到毫秒級(jí)。在造影保存方面，系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)保存透視、造影和胃腸過程中所有影像資料，并具備圖像全身拼接功能，滿足跨專業(yè)診療服務(wù)和自動(dòng)化控制需求。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，結(jié)合目前市場(chǎng)上X 射線機(jī)功能現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了由X 射線發(fā)生裝置、X 射線成像裝置和機(jī)械控制系統(tǒng)組成的多功能X 射線機(jī)，X 射線發(fā)生裝置由高壓發(fā)生器、高壓控制盒、X 射線管組成；X 射線成像裝置由CCD 探測(cè)器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和圖像處理軟件組成；機(jī)械控制系統(tǒng)由診療床和操作臺(tái)組成。采用X 射線機(jī)提供醫(yī)療診療服務(wù)時(shí)，診療床和高壓發(fā)生器位于屏蔽室內(nèi)，遙控臺(tái)和計(jì)算機(jī)位于屏蔽室外，由醫(yī)護(hù)人員操作遙控臺(tái)控制X 射線機(jī)，并通過麥克風(fēng)與患者交談。臨床診療時(shí)，醫(yī)生通過圖像管理軟件錄入患者信息，并操作遙控臺(tái)控制運(yùn)動(dòng)床體，指導(dǎo)患者完成相應(yīng)的體位，并控制高壓控制盒調(diào)節(jié)高壓發(fā)生器曝光劑量進(jìn)行曝光，完成原始圖像拍攝，經(jīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和圖像處理后形成X 射線造影拍攝。

基于自動(dòng)化控制的多功能X 射線機(jī)，醫(yī)生在指導(dǎo)患者擺正體位后，僅需遙控操作，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)部位的造影拍攝，并可實(shí)現(xiàn)多功能、多專業(yè)拍攝，提高了X 射線機(jī)拍片效率。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

根據(jù)多功能數(shù)字X 射線機(jī)總體功能需求，可通過診療床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制功能要求。即通過齒輪、減速機(jī)、電機(jī)等機(jī)械傳動(dòng)，并借助變頻調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)床身旋轉(zhuǎn)、滑架移動(dòng)、立柱擺動(dòng)、SID 移動(dòng)、床面移動(dòng)、壓迫器和限束器控制功能，并通過遠(yuǎn)程或近端控制診療床，不同控制方式應(yīng)靈活切換，且控制系統(tǒng)應(yīng)連續(xù)、無異響、抖動(dòng)和加減速特性，保證造影拍攝過程中床體運(yùn)動(dòng)安全可靠。

2 基于自動(dòng)化控制的多功能數(shù)字X射線機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

結(jié)合X 射線機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，經(jīng)調(diào)研多功能X 射線機(jī)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，以微控制器為核心的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)較為在模擬電路控制方式功能集成度高、可靠性高，控制方式靈活，易于系統(tǒng)調(diào)試和升級(jí)，可滿足該系統(tǒng)控制要求。根據(jù)該思路，本系統(tǒng)采用STM32 微控制器作為控制系統(tǒng)。分別控制人機(jī)交互系統(tǒng)、下位機(jī)控制系統(tǒng)和控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。人際交互系統(tǒng)包括遠(yuǎn)端控制模塊、近端控制模塊和LCD 顯示屏，受控模塊和繼電器組成下位機(jī)控制系統(tǒng)，受控模塊按主從式通信方式接收遠(yuǎn)端、近端操作指令。變頻器和電機(jī)作為控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過繼電器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)各向驅(qū)動(dòng)控制。除控制系統(tǒng)外，限位裝置和檢測(cè)裝置作為控制系統(tǒng)反饋模塊，反饋控制系統(tǒng)執(zhí)行情況。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，按控制系統(tǒng)功能劃分，該系統(tǒng)可分為人機(jī)交互系統(tǒng)、下位機(jī)控制系統(tǒng)、檢測(cè)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行系統(tǒng)，各系統(tǒng)功能和硬件設(shè)計(jì)如下：

2.2.1 人機(jī)交互系統(tǒng)

人際交互系統(tǒng)功能通過遠(yuǎn)端、近端控制裝置實(shí)現(xiàn)?？刂蒲b置按鍵、搖桿輸入咋信息，由單片機(jī)解析、判斷控制邏輯后向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令。受控模塊通過LCD 屏幕實(shí)時(shí)反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)信息。其中，遠(yuǎn)端控制主要用于造影拍攝時(shí)各種控制功能，近端控制主要用于醫(yī)生對(duì)病人體位擺正后指導(dǎo)操作，因此，遠(yuǎn)端控制在人際交互系統(tǒng)中占主要作用。該系統(tǒng)中，人機(jī)交互系統(tǒng)硬件電源采用線性集成穩(wěn)壓電源電路，輸出電壓為24V 輸出電流4A，可供輸入、輸出、在液晶顯示屏等模塊使用。液晶顯示器采用5.6 英寸LCD 顯示屏，用于實(shí)時(shí)顯示控制指令輸入、控制指令執(zhí)行情況等數(shù)據(jù)。人機(jī)交互系統(tǒng)與下位機(jī)控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)等采用RS485 和RS232 通信協(xié)議，可滿足人機(jī)交互系統(tǒng)與控制系統(tǒng)通信要求。

2.2.2 下位機(jī)控制系統(tǒng)

下位機(jī)控制系統(tǒng)硬件主要包括受控模塊和繼電器模塊，其中，受控模塊通過RS485 總線接收人機(jī)交互系統(tǒng)控制指令，經(jīng)指令解析后將控制信號(hào)發(fā)送至繼電器，由繼電器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成指令動(dòng)作。同時(shí)，下位機(jī)控制系統(tǒng)通過電子限位開關(guān)、電位器等硬件監(jiān)測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)信息，以此實(shí)時(shí)反饋運(yùn)動(dòng)裝置角度、位置等信息，并通過LCD 顯示屏顯示控制指令執(zhí)行情況。受控模塊以單片機(jī)為核心，接入位置模擬輸入、繼電器驅(qū)動(dòng)和電源等模塊，實(shí)現(xiàn)指令輸入和輸出功能。繼電器模塊作為輸入指令執(zhí)行控制裝置，與受控模塊共同完成控制系統(tǒng)指令，包括床身選擇、滑架移動(dòng)、立柱擺動(dòng)、SID 上下、床面移動(dòng)、壓迫器上下等功能。

2.2.3 檢測(cè)系統(tǒng)

X 射線機(jī)處于相對(duì)封閉的環(huán)境中，可基本忽視環(huán)境對(duì)控制系統(tǒng)的影響，只需通過內(nèi)部傳感器監(jiān)測(cè)X 射線機(jī)運(yùn)行狀態(tài)即可。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，檢測(cè)系統(tǒng)主要包括位置檢測(cè)、電流檢測(cè)和限位裝置。位置檢測(cè)裝置主要用于床位、滑架移動(dòng)位置檢測(cè)，本研究中選用電位器分壓原理對(duì)輸出電壓進(jìn)行ADC 轉(zhuǎn)換，經(jīng)光耦隔離后輸入單片機(jī)進(jìn)行位置監(jiān)測(cè)。電流檢測(cè)模塊用于檢測(cè)電機(jī)電流運(yùn)行狀態(tài)，防止因電流過流損壞電路板。電流檢測(cè)裝置選用ACS712 電流檢測(cè)芯片，可檢測(cè)0 ～5A 電流。限位裝置主要用于機(jī)械部件執(zhí)行到位置限值后輸出開關(guān)量信號(hào)，單片機(jī)檢測(cè)到輸出信號(hào)后停止驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置，從而防止過度動(dòng)作，起到保護(hù)作用。本系統(tǒng)中，通過限位開關(guān)對(duì)床身、滑架和壓迫器等動(dòng)作部件進(jìn)行限位。

2.2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行系統(tǒng)

本系統(tǒng)中，床身旋轉(zhuǎn)、立柱擺動(dòng)、滑架移動(dòng)等動(dòng)作通過三相異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)醫(yī)用電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)療診斷系統(tǒng)供電電壓為220V，電機(jī)為三相異步交流電動(dòng)機(jī)，因此，該系統(tǒng)采用單向220V 供電變頻器，電機(jī)連接采用三角連接方式，變頻器輸入端選用EMC 濾波器輸入濾波，并接地處理。為保證電機(jī)制動(dòng)效果，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)增加變頻器剎車制動(dòng)電阻，繼電器可通過控制變頻器邏輯控制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)、反向轉(zhuǎn)動(dòng)、加速、減速和停止等動(dòng)作。為降低電氣線路故障X 射線機(jī)的影響，確保系統(tǒng)供電穩(wěn)定，該系統(tǒng)電機(jī)供電經(jīng)空氣開關(guān)、保險(xiǎn)絲、環(huán)形變壓器降壓后，經(jīng)單相變頻器變頻后輸出電壓DC24V、電流的4A 和6A 電流，作為控制系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電。

2.3 數(shù)字X射線機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

X 射線機(jī)硬件設(shè)計(jì)完成后，結(jié)合X 射線機(jī)功能需求，對(duì)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容主要為人機(jī)交互系統(tǒng)和下位機(jī)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端和近端控制主從模式切換，并考慮控制系統(tǒng)后續(xù)升級(jí)拓展性，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，分別設(shè)計(jì)人機(jī)交互系統(tǒng)和下位機(jī)控制系統(tǒng)功能，以降低系統(tǒng)軟件調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.1 人機(jī)交互系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)交互系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)初始化操作，確認(rèn)受控模塊與近端控制模塊握手成功，判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)正常，能夠讀取遠(yuǎn)端控制模塊控制指令，在并將讀取的執(zhí)行動(dòng)作位置信息實(shí)時(shí)反饋到顯示屏上。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，首先初始化系統(tǒng)參數(shù)、輸出控制設(shè)備參數(shù)、定時(shí)器等部件，其次，通過按鍵掃描程序判斷近端控制按鍵握手信息，實(shí)現(xiàn)近端控制功能。再者，根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)整參數(shù)和處理程序，完成主要參數(shù)的修改，如設(shè)置運(yùn)行參數(shù)、報(bào)警信息等。最后，對(duì)下位機(jī)控制系統(tǒng)采集的位置信息進(jìn)行存儲(chǔ)、通信，并顯示在顯示器上。

2.3.2 下位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)將壓迫器設(shè)置為80N 檔位，并自動(dòng)上升5s，防止壓迫勺撞擊病人。同時(shí)，下位機(jī)控制系統(tǒng)與近端、遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)完成握手通信，下位機(jī)控制系統(tǒng)讀取位置檢測(cè)信息后，將位置信息傳輸至控制系統(tǒng)并顯示位置狀態(tài)，并根據(jù)遠(yuǎn)端操作指令執(zhí)行動(dòng)作。

2.4 控制系統(tǒng)調(diào)試

為便于控制系統(tǒng)測(cè)試，本系統(tǒng)制作了硬件測(cè)試平臺(tái)，可對(duì)人機(jī)交互系統(tǒng)、下位機(jī)控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)采用24V 開關(guān)電源供電，系統(tǒng)供電啟動(dòng)后，可借助計(jì)算機(jī)檢測(cè)程序?qū)刂葡到y(tǒng)指令通信情況進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)系統(tǒng)通信調(diào)試無誤后，采用調(diào)試程序設(shè)置床身角度減速、滑架減速、立柱減速等參數(shù)，并通過啟停電機(jī)檢測(cè)位置信息是否正確。經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試，本系統(tǒng)控制系統(tǒng)按鍵輸入控制靈敏，位置信息顯示正確，遠(yuǎn)端、近端控制切換功能正常。

在單項(xiàng)功能調(diào)試的基礎(chǔ)上，為測(cè)試多功能X 射線機(jī)整體功能，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，在確保線路連接正常的情況下，測(cè)試控制系統(tǒng)初始開機(jī)、關(guān)機(jī)正常后，啟動(dòng)繼電器模塊開關(guān)控制診療床動(dòng)作，驗(yàn)證診療床各向動(dòng)作功能是否正常，包括電機(jī)啟動(dòng)、停止、加速和急停功能正常后，連接近端、遠(yuǎn)端控制模塊和受控模塊，聯(lián)調(diào)多功能X 射線機(jī)開關(guān)機(jī)和急停功能。正常模式下調(diào)試無誤后，將系統(tǒng)切換至調(diào)試模式，同時(shí)測(cè)試遠(yuǎn)端控制和近端控制模塊，以遠(yuǎn)端控制模塊指令為主，近端控制模塊為輔。調(diào)試控制模塊無誤后，對(duì)床身、滑架移動(dòng)和立柱擺動(dòng)限位參數(shù)進(jìn)行校正并儲(chǔ)存。校正完成后，將系統(tǒng)切換至正常操作模式，測(cè)試限位參數(shù)是否起限位控制作用。經(jīng)整機(jī)調(diào)試，該系統(tǒng)機(jī)械控制和系統(tǒng)限位功能正常，控制系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 自動(dòng)化控制的多功能數(shù)字X射線機(jī)控制系統(tǒng)可靠性分析

在醫(yī)院診療服務(wù)中，由于醫(yī)院診療服務(wù)工作量大，對(duì)多功能X射線機(jī)可靠性要求高。為確保多功能X 射線機(jī)能夠長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，結(jié)合多功能X 射線機(jī)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行可靠性分析，包括電網(wǎng)干擾、信號(hào)線保護(hù)、接地保護(hù)等。

3.1 電網(wǎng)干擾保護(hù)

主要是醫(yī)院各類大型電器設(shè)備開關(guān)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷造成的影響，如超載和輕載變化、負(fù)載短路低頻干擾和高頻電器設(shè)備輻射等問題，電網(wǎng)干擾可能造成多功能X 射線機(jī)控制系統(tǒng)靈敏性，甚至造成控制中斷，給X 射線機(jī)正常造影拍攝造成不利影響。針對(duì)電網(wǎng)干擾問題，本系統(tǒng)在電源輸入端增加濾波器，電路板增加保護(hù)電路，以此降低讓用浪涌保護(hù)和濾波處理保護(hù)措施，并在控制系統(tǒng)中增加光電隔離、數(shù)字電路和模擬電路隔離措施，以此降低電網(wǎng)干擾對(duì)X 射線機(jī)控制系統(tǒng)的干擾。

3.2 信號(hào)線保護(hù)

信號(hào)線干擾主要是控制系統(tǒng)I/O 連接信號(hào)傳輸線相互干擾，如供電線路與電磁干擾，導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)線波動(dòng)，影響信號(hào)線通信質(zhì)量。本系統(tǒng)采用動(dòng)力線與信號(hào)線分開布線，信號(hào)線采用屏蔽線纜，并加強(qiáng)供電線路接地保護(hù)，消除信號(hào)線相互干擾。

3.3 接地保護(hù)

多功能X 射線機(jī)控制系統(tǒng)供電接入醫(yī)院供電系統(tǒng)，但受雷電、靜電等因素影響，可能造成控制系統(tǒng)電路板、元器件損壞?？煽拷拥啬軌蛞种茝?qiáng)電磁感染的影響，但錯(cuò)誤接地反而會(huì)造成嚴(yán)重的干擾信號(hào)，加劇多功能X 射線機(jī)信號(hào)干擾。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為保證控制系統(tǒng)接地可靠性，采用電機(jī)單點(diǎn)接地，控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)匯集至接地點(diǎn)。

4 結(jié)語

基于自動(dòng)化控制的多功能射線機(jī)可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，即單臺(tái)多功能X 射線機(jī)滿足常規(guī)拍片、透視、胃腸、造影等功能需求，滿足醫(yī)院體檢科、內(nèi)科、外科、骨科、急診科等科室診療服務(wù)需求，有效解決了常規(guī)X 射線機(jī)功能用途局限性，緩解了醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備利用率偏低的矛盾，提高了醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備利用率。同時(shí)，通過自動(dòng)化控制，在患者擺正體位的情況下，醫(yī)生可根據(jù)拍片造影要求調(diào)整床位、滑架和立柱位置，無需近端控制即可完成拍片過程，實(shí)現(xiàn)了X 射線機(jī)拍片自動(dòng)化控制，降低了X 射線機(jī)拍片對(duì)醫(yī)護(hù)人員健康的影響。