肖也叢

（山西醫(yī)科大學第二醫(yī)院 山西省太原市 030001）

X 射線機是一種能夠產(chǎn)生X 射線的設備，在醫(yī)療領域用于透視、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 射線機由X 射線成像裝置、發(fā)生裝置和機械控制裝置組成，機械控制系統(tǒng)是X 射線機中的核心部件，其性能直接影響X 射線機性能發(fā)揮。根據(jù)X 射線機發(fā)展趨勢劃分，可分為專用機型和在多功能機型，其中，專用機械可分為乳腺DR、牙科DR 等，多功能機型可用于多科室檢查和全身各部位數(shù)字化攝影，其操作較為簡單，在臨床診療中應用廣泛。當前，多功能數(shù)字X 射線機以國外進口為主，國內(nèi)機型控制系統(tǒng)功能單一、穩(wěn)定性較差，難以滿足X 射線機多功能診療服務需求，因此，有必要結合醫(yī)院診療服務要求優(yōu)化設計X 射線機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)X 射線機多功能用途控制，提高X 射線機功能適用性，滿足醫(yī)療領域對X 射線機的功能需求。

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

1.1 多功能數(shù)字X射線機系統(tǒng)總體功能

基于自動化控制的多功能X 射線機核心功能是實現(xiàn)X 射線機動態(tài)拍片、透視、造影和胃腸等功能，實現(xiàn)多種功能X 射線造影的功能集成，借助大幅面動態(tài)探測器，可在同一屏幕內(nèi)獲取整個檢查部位造影，點片效率應能夠達到毫秒級。在造影保存方面，系統(tǒng)應能夠實現(xiàn)動態(tài)實時保存透視、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)診療服務和自動化控制需求。

為實現(xiàn)上述功能，結合目前市場上X 射線機功能現(xiàn)狀，設計了由X 射線發(fā)生裝置、X 射線成像裝置和機械控制系統(tǒng)組成的多功能X 射線機，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 探測器、計算機系統(tǒng)和圖像處理軟件組成；機械控制系統(tǒng)由診療床和操作臺組成。采用X 射線機提供醫(yī)療診療服務時，診療床和高壓發(fā)生器位于屏蔽室內(nèi)，遙控臺和計算機位于屏蔽室外，由醫(yī)護人員操作遙控臺控制X 射線機，并通過麥克風與患者交談。臨床診療時，醫(yī)生通過圖像管理軟件錄入患者信息，并操作遙控臺控制運動床體，指導患者完成相應的體位，并控制高壓控制盒調(diào)節(jié)高壓發(fā)生器曝光劑量進行曝光，完成原始圖像拍攝，經(jīng)系統(tǒng)轉換和圖像處理后形成X 射線造影拍攝。

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

1.2 控制系統(tǒng)設計需求

根據(jù)多功能數(shù)字X 射線機總體功能需求，可通過診療床控制系統(tǒng)設計實現(xiàn)自動化控制功能要求。即通過齒輪、減速機、電機等機械傳動，并借助變頻調(diào)速裝置驅動，可實現(xiàn)床身旋轉、滑架移動、立柱擺動、SID 移動、床面移動、壓迫器和限束器控制功能，并通過遠程或近端控制診療床，不同控制方式應靈活切換，且控制系統(tǒng)應連續(xù)、無異響、抖動和加減速特性，保證造影拍攝過程中床體運動安全可靠。

2 基于自動化控制的多功能數(shù)字X射線機控制系統(tǒng)設計

2.1 總體設計思路

結合X 射線機控制系統(tǒng)設計需求，經(jīng)調(diào)研多功能X 射線機控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)實現(xiàn)方式，以微控制器為核心的運動控制系統(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，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)。分別控制人機交互系統(tǒng)、下位機控制系統(tǒng)和控制系統(tǒng)執(zhí)行機構。人際交互系統(tǒng)包括遠端控制模塊、近端控制模塊和LCD 顯示屏，受控模塊和繼電器組成下位機控制系統(tǒng)，受控模塊按主從式通信方式接收遠端、近端操作指令。變頻器和電機作為控制系統(tǒng)執(zhí)行機構，通過繼電器模塊實現(xiàn)對電機各向驅動控制。除控制系統(tǒng)外，限位裝置和檢測裝置作為控制系統(tǒng)反饋模塊，反饋控制系統(tǒng)執(zhí)行情況。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)控制系統(tǒng)總體設計，按控制系統(tǒng)功能劃分，該系統(tǒng)可分為人機交互系統(tǒng)、下位機控制系統(tǒng)、檢測、電機驅動和執(zhí)行系統(tǒng)，各系統(tǒng)功能和硬件設計如下：

2.2.1 人機交互系統(tǒng)

人際交互系統(tǒng)功能通過遠端、近端控制裝置實現(xiàn)?？刂蒲b置按鍵、搖桿輸入咋信息，由單片機解析、判斷控制邏輯后向執(zhí)行機構發(fā)出指令。受控模塊通過LCD 屏幕實時反饋執(zhí)行機構狀態(tài)信息。其中，遠端控制主要用于造影拍攝時各種控制功能，近端控制主要用于醫(yī)生對病人體位擺正后指導操作，因此，遠端控制在人際交互系統(tǒng)中占主要作用。該系統(tǒng)中，人機交互系統(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，用于實時顯示控制指令輸入、控制指令執(zhí)行情況等數(shù)據(jù)。人機交互系統(tǒng)與下位機控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)等采用RS485 和RS232 通信協(xié)議，可滿足人機交互系統(tǒng)與控制系統(tǒng)通信要求。

2.2.2 下位機控制系統(tǒng)

下位機控制系統(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 總線接收人機交互系統(tǒng)控制指令，經(jīng)指令解析后將控制信號發(fā)送至繼電器，由繼電器控制執(zhí)行機構完成指令動作。同時，下位機控制系統(tǒng)通過電子限位開關、電位器等硬件監(jiān)測執(zhí)行機構狀態(tài)信息，以此實時反饋運動裝置角度、位置等信息，并通過LCD 顯示屏顯示控制指令執(zhí)行情況。受控模塊以單片機為核心，接入位置模擬輸入、繼電器驅動和電源等模塊，實現(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、立柱擺動、SID 上下、床面移動、壓迫器上下等功能。

2.2.3 檢測系統(tǒng)

X 射線機處于相對封閉的環(huán)境中，可基本忽視環(huán)境對控制系統(tǒng)的影響，只需通過內(nèi)部傳感器監(jiān)測X 射線機運行狀態(tài)即可。本系統(tǒng)設計中，檢測系統(tǒng)主要包括位置檢測、電流檢測和限位裝置。位置檢測裝置主要用于床位、滑架移動位置檢測，本研究中選用電位器分壓原理對輸出電壓進行ADC 轉換，經(jīng)光耦隔離后輸入單片機進行位置監(jiān)測。電流檢測模塊用于檢測電機電流運行狀態(tài)，防止因電流過流損壞電路板。電流檢測裝置選用ACS712 電流檢測芯片，可檢測0 ～5A 電流。限位裝置主要用于機械部件執(zhí)行到位置限值后輸出開關量信號，單片機檢測到輸出信號后停止驅動執(zhí)行裝置，從而防止過度動作，起到保護作用。本系統(tǒng)中，通過限位開關對床身、滑架和壓迫器等動作部件進行限位。

2.2.4 電機驅動和執(zhí)行系統(tǒng)

本系統(tǒng)中，床身旋轉、立柱擺動、滑架移動等動作通過三相異步電機實現(xiàn)。根據(jù)醫(yī)用電氣設備標準，醫(yī)療診斷系統(tǒng)供電電壓為220V，電機為三相異步交流電動機，因此，該系統(tǒng)采用單向220V 供電變頻器，電機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。為保證電機制動效果，該系統(tǒng)設計時增加變頻器剎車制動電阻，繼電器可通過控制變頻器邏輯控制器實現(xiàn)電機正向轉動、反向轉動、加速、減速和停止等動作。為降低電氣線路故障X 射線機的影響，確保系統(tǒng)供電穩(wěn)定，該系統(tǒng)電機供電經(jīng)空氣開關、保險絲、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)和電機驅動系統(tǒng)供電。

2.3 數(shù)字X射線機控制系統(tǒng)軟件設計

X 射線機硬件設計完成后，結合X 射線機功能需求，對控制系統(tǒng)軟件進行總體設計。本系統(tǒng)軟件設計內(nèi)容主要為人機交互系統(tǒng)和下位機控制系統(tǒng)驅動程序設計，實現(xiàn)遠端和近端控制主從模式切換，并考慮控制系統(tǒng)后續(xù)升級拓展性，采用模塊化設計思路，分別設計人機交互系統(tǒng)和下位機控制系統(tǒng)功能，以降低系統(tǒng)軟件調(diào)試風險。

2.3.1 人機交互系統(tǒng)軟件設計

人機交互系統(tǒng)軟件設計時，經(jīng)初始化操作，確認受控模塊與近端控制模塊握手成功，判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)正常，能夠讀取遠端控制模塊控制指令，在并將讀取的執(zhí)行動作位置信息實時反饋到顯示屏上。軟件設計時，首先初始化系統(tǒng)參數(shù)、輸出控制設備參數(shù)、定時器等部件，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，如設置運行參數(shù)、報警信息等。最后，對下位機控制系統(tǒng)采集的位置信息進行存儲、通信，并顯示在顯示器上。

2.3.2 下位機控制系統(tǒng)軟件設計

下位機控制系統(tǒng)軟件設計時，控制系統(tǒng)應實現(xiàn)系統(tǒng)啟動后自動將壓迫器設置為80N 檔位，并自動上升5s，防止壓迫勺撞擊病人。同時，下位機控制系統(tǒng)與近端、遠端控制系統(tǒng)完成握手通信，下位機控制系統(tǒng)讀取位置檢測信息后，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)遠端操作指令執(zhí)行動作。

2.4 控制系統(tǒng)調(diào)試

為便于控制系統(tǒng)測試，本系統(tǒng)制作了硬件測試平臺，可對人機交互系統(tǒng)、下位機控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)進行測試。測試系統(tǒng)采用24V 開關電源供電，系統(tǒng)供電啟動后，可借助計算機檢測程序對控制系統(tǒng)指令通信情況進行檢測。經(jīng)系統(tǒng)通信調(diào)試無誤后，采用調(diào)試程序設置床身角度減速、滑架減速、立柱減速等參數(shù)，并通過啟停電機檢測位置信息是否正確。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，遠端、近端控制切換功能正常。

在單項功能調(diào)試的基礎上，為測試多功能X 射線機整體功能，對控制系統(tǒng)進行整機調(diào)試。系統(tǒng)調(diào)試時，在確保線路連接正常的情況下，測試控制系統(tǒng)初始開機、關機正常后，啟動繼電器模塊開關控制診療床動作，驗證診療床各向動作功能是否正常，包括電機啟動、停止、加速和急停功能正常后，連接近端、遠端控制模塊和受控模塊，聯(lián)調(diào)多功能X 射線機開關機和急停功能。正常模式下調(diào)試無誤后，將系統(tǒng)切換至調(diào)試模式，同時測試遠端控制和近端控制模塊，以遠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，對床身、滑架移動和立柱擺動限位參數(shù)進行校正并儲存。校正完成后，將系統(tǒng)切換至正常操作模式，測試限位參數(shù)是否起限位控制作用。經(jīng)整機調(diào)試，該系統(tǒng)機械控制和系統(tǒng)限位功能正常，控制系統(tǒng)達到設計要求。

3 自動化控制的多功能數(shù)字X射線機控制系統(tǒng)可靠性分析

在醫(yī)院診療服務中，由于醫(yī)院診療服務工作量大，對多功能X射線機可靠性要求高。為確保多功能X 射線機能夠長周期穩(wěn)定運行，結合多功能X 射線機運行環(huán)境進行可靠性分析，包括電網(wǎng)干擾、信號線保護、接地保護等。

3.1 電網(wǎng)干擾保護

主要是醫(yī)院各類大型電器設備開關對電網(wǎng)負荷造成的影響，如超載和輕載變化、負載短路低頻干擾和高頻電器設備輻射等問題，電網(wǎng)干擾可能造成多功能X 射線機控制系統(tǒng)靈敏性，甚至造成控制中斷，給X 射線機正常造影拍攝造成不利影響。針對電網(wǎng)干擾問題，本系統(tǒng)在電源輸入端增加濾波器，電路板增加保護電路，以此降低讓用浪涌保護和濾波處理保護措施，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X 射線機控制系統(tǒng)的干擾。

3.2 信號線保護

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

3.3 接地保護

多功能X 射線機控制系統(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?？煽拷拥啬軌蛞种茝婋姶鸥腥镜挠绊懀e誤接地反而會造成嚴重的干擾信號，加劇多功能X 射線機信號干擾。本系統(tǒng)設計時，為保證控制系統(tǒng)接地可靠性，采用電機單點接地，控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)匯集至接地點。

4 結語

基于自動化控制的多功能射線機可實現(xiàn)一機多用，即單臺多功能X 射線機滿足常規(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需求，有效解決了常規(guī)X 射線機功能用途局限性，緩解了醫(yī)院醫(yī)療設備利用率偏低的矛盾，提高了醫(yī)院醫(yī)療設備利用率。同時，通過自動化控制，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，實現(xiàn)了X 射線機拍片自動化控制，降低了X 射線機拍片對醫(yī)護人員健康的影響。