DSA圖像工作站與高壓控制電路的設計與制作

虞靖彬

山東中醫藥大學 設備處,山東 濟南 250355

DSA圖像工作站與高壓控制電路的設計與制作

虞靖彬

山東中醫藥大學 設備處,山東 濟南 250355

數字減影血管造影(Digital Subtraction Angiography,DSA)在更換數字減影圖像工作站后,需要重新設計高壓觸發控制和高壓控制接口電路.本文通過對數字減影血管造影系統的主機電路及圖像工作站的控制電路原理的闡述,對接口電路的設計提供了詳實方案,設計出相應的硬件接口電路,進一步解決高壓控制信號轉換問題,控制產生合適的X射線,以實現新的DSA系統控制正常曝光及圖像的采集處理.以上設計,為生物醫學工程專業本專科學生的理論學習與實踐動手能力相結合提供良好借鑒.

數字減影血管造影;圖象工作站;高壓調節與控制;接口電路

引言

筆者曾遇見數字減影血管造影系統(Digital Subtraction Angiography,DSA)不能曝光的情況,在對設備檢測后發現是由于圖像工作站出現異常,該圖像工作站已使用多年,電路嚴重老化,維修代價較高,經綜合考慮,更換使用美國Gold One圖像工作站替代,而更換新的圖像工作站就需要重新設計圖像工作站和X線高壓部分的接口電路,以解決數字采集曝光時需要的高壓觸發控制、高壓劑量控制,才能得到合適的X射線.本文通過對高壓控制電路的分析討論,以解決圖像工作站與X線高壓部分接口的劑量控制.

1 設計思路

根據DSA的圖像工作站工作原理分析,由X線通過人體后在影像增強器產生的人體熒光影像通過攝像頭,圖像工作站控制采集圖像,對數據進行處理和存儲,顯示DSA透視或數字減影圖像.圖像工作站可以控制圖像的實時采集存儲,形成連續的動態圖像以及對圖像進行減影處理.同時,圖像工作站可以根據操作臺產生的請求曝光控制指令,產生控制X線高壓部分曝光的同步控制命令和脈沖信號,通過接口電路去控制高壓部分產生合適的X射線.它根據外部控制提供的透視、數字曝光準備采集請求,送出同步控制的曝光控制、高壓觸發脈沖[1-3].

由以上分析可知,由于更換后的圖像工作站不是原廠工作站,如果直接接入到主機中,會存在工作站與主機X線控制電路之間不匹配問題,導致主機曝光不能正常工作.如要使新的圖像工作站與主機相匹配,必須對控制信號進行接口電路處理,使得圖像工作站的數據采集與主機的高壓產生同步,且高壓產生的劑量合適,DSA才能正常工作.在這里面與主機相關且重要的信號是曝光控制和同步脈沖控制高壓觸發脈沖信號.也就是說更換圖像工作站后需要解決同步圖像數據采集和高壓劑量控制問題.本文主要探討更換后工作站進行曝光劑量控制的接口問題,同步高壓觸發脈沖的匹配問題未在本文中涉及.

綜上所述,需對原廠圖像工作站與DSA的高壓控制與同步電路進行深入分析,找到其控制的方法后,再去研究新工作站的信號與主機的匹配問題,才能徹底解決兩者兼容問題.

2 電路分析與設計

要想進一步解決曝光控制的接口問題,必須對主機高壓的控制原理進行深入分析,進一步了解高壓控制的重要信號及與圖像工作站之間的關聯.

本文中所涉及的X線設備為Polydoros 80[4-5],其X線發生器采用了微機控制,通過光纖傳輸和中頻逆變等技術來產生高質量X線,其整個X線發生器由中間電壓及其控制電路、逆變器及Kvp控制器、高壓發生器、X線管燈絲加熱及管電流控制電路和微型控制系統等構成.當操作臺(腳閘,手閘)發出的請求曝光指令,經過微處理器的接收、處理產生同步曝光脈沖指令,由高壓控制電路產生合適的高壓值控制逆變器,經高壓變壓器產生X射線,從而產生人體各部分的影像.

2.1 主機高壓控制電路分析

主機高壓控制電路實現使實際管電壓峰值盡快與預置一致的控制過程,其原理圖,見圖1.

圖1 高壓控制電路原理圖

由圖象工作站接口板D300輸出的管電壓控制信號通過微處理器輸出的管電壓預置值(Uroesoll)經一個附加控制電路后,轉換為校正后的管電壓預置值(Uroesollcorr);另一方面,管電壓實際檢測值(Uroeist)由高壓實際管電壓取樣值陽極邊的+高壓值ist和陰極邊的-高壓ist相加而形成.兩者在J14b比較,得出誤差控制電壓UREG去控制壓頻轉換器U/F,通過調整觸發脈沖頻率來改變實際管電壓高壓p值.由此可知,控制管電壓高壓的一個重要信號就是高壓值:Uroesoll,也就是說圖像工作站與主機間的高壓控制信號匹配的關鍵就在于如何調整好此控制信號.

DSA工作站如果要采集圖像,除需要產生與攝像同步的X線外,要得到合格的影像質量,就需要控制主機產生合適X線劑量.而真正要控制好劑量離不開射線產生的兩大要素:即高壓、mAs[6-11].根據DSA工作原理,作為上述的高壓控制,實際上就是要根據透視劑量來計算數字曝光劑量,從而達到合適圖像質量,換言之,就是需要根據透視高壓來決定曝光高壓,即調整好工作站發出的控制指令高壓:Uroesoll.要得到校正后的曝光管電壓預置值Uroesoll,控制好曝光合適劑量,就需要根據實際透視高壓來計算出合適的曝光高壓.使用原廠工作站透視時,工作站通過接口板發出透視高壓指令高壓:Uroesoll控制主機產生合適的射線,當需要攝影時,工作站接口發出準備quot;prepquot;信號,同時計算出所需攝影高壓的設定值,通過接口板發出高壓:Uroesoll指令控制主機達到設定攝影高壓曝光.而更換后的工作站只能改變透視高壓:Uroesoll,透視過程中如需要主機曝光,無法再對曝光高壓:Uroesoll指令進行調整,從而無法調整主機的曝光高壓,導致主機曝光產生異常.

2.2 高壓控制接口電路的設計

根據以上思路,要想使圖像工作站和主機電路能相匹配,必須設計相應接口電路實現上述功能,可以考慮從工作站發出透視高壓指令后,通過一個保持電路將透視高壓預置值記憶下來并加以保持,在需要攝影提取圖像時,系統發出曝光準備指令,經過取樣電路對保持的透視高壓值進行取樣計算,計算出合適的曝光高壓預設值,去控制主機的高壓:Uroesoll指令,從而得到合適的攝影高壓.所以設計的接口電路應包括透視高壓值保持電路和取樣計算電路兩部分.在實際電路中可考慮HA17324集成塊作為通用運算放大器實現對高壓信號的隔離[12],通過對控制繼電器來實現對透視高壓和曝光高壓的選擇,在主電路中可以加可調電阻R3,對R3進行調試,可以將透視設定高壓換算成合適的曝光設定高壓.其中3個跟隨器對高壓信號起到隔離輸出的作用,RC與RF為控制繼電器,工作站從接口板D300發出Uroesoll指令,經接口電路接入到主機的D400接口.接口主電路原理圖,見圖2.其中R20/D300為工作站發出的控制信號,通過設計的接口電路輸出到主機中.

圖2 接口主電路原理圖

電路原理分析如下:

(1)當在操作臺選擇透視按鈕時:quot;fluoquot;信號為高電平→繼電器RC工作,quot;prepquot;信號為低電平→RF不工作;工作站預設透視高壓信號經R20/D300→繼電器RF的常閉b接點→主機電路Z10/D400→進行正常的透視高壓自動控制;工作站預設高壓信號經R20/D300→繼電器RC常開接點→電容C(1000μF)充電,同時由于繼電器RF不工作,其常開接點a不工作,透視高壓信號即保持在電容上.

(2)當按下曝光按鈕時:quot;fluoquot;信號為低高電平→繼電器RC不工作→繼電器RC常開接點斷開;quot;prepquot;信號為高電平→RF工作→RF的常開a接點閉合,常閉接點b斷開;電容C(1000 μF)上保持的高壓值→經電阻R2、R3取樣計算后→繼電器RF的常開a接點→輸出曝光高壓值.R3可以對輸入的高壓:UROESOLL進行調整.

2.3 接口電路的制作

(1)元器件的準備.根據設計的電路原理圖,需要采購HA17324集成塊與集成塊座各一個;1000 μF電容一個;負載為120VAC- 5VDC的繼電器兩個;發光二極管兩個;快速反應二極管兩個;10 K電位器一個;1 K電阻3個;10 K電阻一個;電路板一塊;細線若干.

(2)線路板制作.線路板制作過程中,得注意以下幾點:① 首先根據電路圖確定公共電源和地的分布;② 在電路板上排好所有的元器件,依據電路圖仔細核對,以減少連線,就近為原則;③ 對元器件進行焊接,在焊接過程中防止電烙鐵與元件接觸時間過長,以防燒壞元件;④ 對焊好的電路進行修整完善.

本電路做好后與整個接口電路組合在一塊,在西門子DSA系統上進行測試,球管可以正常曝光,并且圖像的減影完全正常,說明該電路的設計能夠實現對球管高壓部分的高壓控制.

3 應用與討論

本設計所做的電路雖然該電路只是整個DSA圖像工作站與主機球管高壓部分接口電路的一個組成部分,只有幾個元器件組成,但它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對球管曝光高壓部分的控制,產生合適的X射線.如果此電路不能正常工作,將會導致曝光不能正常進行[13-16].

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,必須和同步脈沖觸發等接口電路綜合考慮才能實現真正的匹配兼容.

該設計簡單實用,是臨床設備出現問題后的一個技術應用.電路只涉及到跟隨放大電路與相應的繼電器控制電路,電路設計雖然簡單,但需要有深厚的數字電路與模擬電路理論基礎知識,須對X線控制原理及圖像工作站的工作原理進行深入分析,特別是工作站的接口電路中與主機相連的幾個信號流程要清楚,以免在設計的接口電路接入信號接錯,導致系統不能正常工作.

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本文編輯 袁雋玲

Design and Manufacture of DSA Image Workstation and High-Voltage Control Circuit

YU Jingbin
Department of Equipment, Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Jinan Shandong 250355, China

When the digital subtraction angiography (DSA) is changed in the PACS room, the high-voltage trigger controlled and the high pressure controlled interface circuit are usually needed to be redesigned. To solve the problem of high pressure controlled signal conversion, and control the generation of suitable X-ray to realize the new DSA system control normal exposure and image processing, the present study provided a detailed design of interface circuit and designed the corresponding hardware interface circuit based on explaining the principle of the control circuit through the host circuit and PACS room for DSA. Through the above design,it can provide a good reference for the theoretical study and practical ability of the students of biomedical engineering.

digital subtraction angiography; PACS room; high pressure regulation and control; interface circuit

TP311.5

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.10.021

1674-1633(2017)10-0080-03

2017-01-16

2017-02-10

作者郵箱:15866700768@163.com