DSA圖像工作站與高壓觸發脈沖轉換接口電路設計與制作

虞靖彬

山東中醫藥大學，山東 濟南 250355

引言

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

1 設計思路

本文涉及的X 線設備為Polydoros 80。根據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，形成連續的動態圖像以及對圖像進行減影處理。圖像工作站可以根據操作臺產生的請求曝光控制指令，在攝影曝光開始或透視開始時，產生控制X 線高壓部分曝光的高壓觸發脈沖信號，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，產生的高壓觸發脈沖信號會與主機X 線控制電路之間出現不匹配問題，導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脈沖信號進行波形轉換，處理后的控制脈沖信號能夠保證X 線的正常產生，并保證圖像的同步采集。由此可知，與主機相關且重要的信號是高壓觸發脈沖控制信號，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 接口電路設計與原理框圖

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

圖1 轉換電路原理框圖

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。控制信號經隔離后反向運算，再經微分和積分等電路整形，產生固定脈寬的信號，最后再通過高頻開關管隔離放大，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

根據原理分析，具體波形的轉換需要七個部分的電路來實現[5-10]。具體電路設計圖，見圖2。

3.1 光耦控制電路

信號通過光耦合器TIL113[10]實現隔離控制。輸入脈沖spot in 產生，當信號為高電平時光耦內二極管截止，無信號輸出；當信號為低電平時，輸入信號驅動發光二極管（LED）工作，被光探測器接收而產生光電流，再經進一步放大后輸出，從而完成了電—光—電的轉換，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3 腳輸出，實現波形反向運算。

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 微分電路波形轉換

由圖3 可知，僅在U1 發生躍變時，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（即電路的時間常數），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，常用于提高系統的狀態靈敏度。

圖2 具體接口電路圖

3.4 驅動電路

本電路采用ULN2004APG[10]與一個可以快速恢復的二極管來構成驅動電路，以保證信號的正常輸出。信號輸入至ULN2004 的1 腳、16 腳輸出后，實現可對信號進行取反運算。為防止高電平信號時電路出現懸空，可并聯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、放大電路失調電壓的消除及反饋控制中的積分補償等場合。當時間常數較大，如超過10 ms 時，電容的值就會達到數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整時間常數。但如所需時間常數較小時，就應選擇R1 為數kΩ 至數十kΩ，再往小的方向選擇的值來調整時間常數。因為時間常數值如果太小，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換為鋸齒波或三角波。電路的時間常數是R×C，在這里需要注意積分電路的時間常數要大于或等于10 倍于輸入波形的寬度。波形如圖4 所示。

圖4 積分電路波形轉換

3.6 整形電路

信號經積分后，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，然后通過并聯濾波電容將無用頻段內的信號濾除，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，優點是省去了輸出電容，使系統的低頻響應更加平滑，主要功能就是將信號放大后輸出，并驅動負載完成特定的工作。不同的負載具有不同的功率，放大電路要驅動負載必須輸出相應的功率。功率放大電路在多級放大電路中處于最后一級，其任務是能夠向負載輸出足夠大的信號功率。

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

各部分電路波形轉換，經過a →b 完成電→光→電轉換；b →c 使得信號反向輸出；c →d 是實現信號的微分運算，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 各部分電路波形轉換

根據設計的具體原理圖，制作好電路板后，用示波器進測試調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 系統上進行測試，球管可以正常曝光，并且圖像的減影正常，該設備的問題得到解決，說明本電路的設計能夠實現對X 線主機高壓部分的同步控制。

4 應用與討論

本設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對X 線主機部分高壓產生進行同步控制，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換等接口電路綜合考慮才能實現真正的匹配兼容[11-17]。

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

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

通過本次電路的設計，對圖像工作站與西門子X 線設備之間控制脈沖的匹配及解決辦法做了詳細闡述，實現了對信號波形轉換，實際工作中如出現需要對脈沖進行轉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難免存在一定誤差，這個問題需要在將來設計中著重考慮。