X線機工作特性模擬實驗裝置設計與研制

趙瑞斌，王安琪，吳艷茹，孟燕軍

1.河北醫科大學醫用物理學教研室，河北石家莊050017；2.河北醫科大學教務處，河北石家莊050017

前言

隨著現代醫學技術發展，X線機已經成為主要影像設備之一，各種X線機設備廣泛應用于臨床診斷、放射治療、介入治療導航等領域［1-4］。對于醫學院校學生，尤其是對于醫學影像技術專業和醫學影像學專業學生，學習和掌握X線機的工作原理、基本電路結構和主要特性是本科教學大綱要求的重要內容［5-7］。作為對設備原理、操作性要求較強的專業，實驗實踐是教學的重要環節［8-11］；但臨床使用X 線機設備由于價格昂貴、體積龐大、有高壓電擊危險、電離輻射和全部電路封裝等問題，無法開展實驗教學［12-15］。大多數院校只是開展教學觀摩或軟件仿真，學生無法動手完成X 線機主要工作特性和參數的觀察和測量［16-17］。基于此，筆者開發了可用于實驗教學的X線機模擬實驗裝置。

筆者設計的X 線機模擬實驗裝置可供學生和實驗者學習和掌握X線機的電路結構、工作原理并測量主要工作特性、參數，觀察和測量電路波形等，且具有體積小、成本低、無放射性和無高壓電擊危險等優點。

1 電路結構和工作原理

X線機模擬實驗裝置由管電壓調節測量電路、透視攝影選擇電路、管電壓變壓器、整流及管電流測量電路、電子管、管電流調節電路、燈絲變壓器、攝影控制電路等部分組成［18］，電路原理圖如圖1所示。

圖1 電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of circuit

管電壓調節測量電路，分別與交流電源、透視攝影選擇電路相連，用于調節測量管電壓；透視攝影選擇電路分別與管電壓調節測量電路、管電壓變壓器、攝影定時電路相連，用于攝影、透視功能選擇；管電壓變壓器，分別與透視攝影選擇、整流電路相連，用于提供合適的管電壓；整流及管電流測量電路分別與管電壓變壓器、電子管相連，用于將交流電變為脈動直流電，并測量管電流；電子管分別與整流電路、燈絲變壓器相連，用于產生管電流；管電流調節電路，分別與交流電源、燈絲變壓器相連，用于調節燈絲變壓器電壓從而達到調節管電流的目的；燈絲變壓器分別與管電流調節電路、電子管相連，用于產生燈絲電流；攝影控制電路與透視攝影選擇電路相連，用于設定、顯示并控制攝影曝光時間；交流電源電路分別與管電壓調節、管電流調節電路相連，用于提供交流電；直流電源電路分別與管電壓測量、管電流測量、攝影控制電路相連，用于提供直流電。

2 電路設計

如圖2 所示，交流電源經保險（F1）、電源開關（K3）與電源變壓器（T1）初級相連，T1次級輸出兩組線圈，帶6 個抽頭端的線圈與管電壓調節電路相連；另一線圈（110 V）與管電流調節電路相連，為裝置提供交流電力；直流穩壓電源（DWY1）輸出+12、+5 V與攝影定時電路直接相連，直流穩壓電源（DWY2）輸出雙路+5 V 分別與管電壓測量電路、管電流測量電路相連，為裝置提供直流電力。

圖2 電源電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of power supply circuit

如圖3所示，旋轉開關（K2）分別與電源變壓器（T1）的次級抽頭、攝影透視選擇開關（K1）相連，用于調節管電壓變壓器的初級電壓，從而調節管電壓；數字電壓表（KV）連接在K2輸出端與公共端之間，用于測量并預示管電壓（由于X 線機的管電壓是幾十到幾百千伏以上高壓，存在高壓電擊危險，所以X 線機的管電壓采用高壓變壓器初級電壓乘以比例系數來指示，這種方式叫管電壓預示）。攝影透視選擇開關（K1），分別與K2、B1、攝影控制開關（RELAY1）相連，用于攝影、透視功能選擇，當K1 置1 端時裝置工作在透視狀態，當K1 置3 端時裝置工作在攝影狀態。管電壓變壓器（B1），分別與K1、整流電路相連，用于提供合適的電壓。整流電路（D1～D4），分別與管電壓變壓器次級、電子管（TUBE1）相連，用于交流電變為脈動直流電，為數字電流表（mA）提供電流，數字電流表串聯在整流電路（D5～D8）輸出端之間，用于測量和顯示管電流。電子管（TUBE1）分別與整流電路、燈絲變壓器相連，用于產生管電流。管電流調節電路由限流電阻（R1）、可變電阻（W1）、燈絲變壓器（B2）初級串聯構成，用于調節燈絲變壓器從而達到調節管電流的目的。燈絲變壓器（B2）分別與管電流調節電路、電子管（TUBE1）燈絲相連，用于產生燈絲電流。

圖3 主電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of main circuit

如圖4 所示，單片機（U5）采用89C2051，其體積小、價格便宜、功能完善，單片機是攝影控制電路的核心器件，用于曝光時間設定、曝光時間控制、顯示電路控制驅動等多種功能。按動時間設定按鍵（SW1），可設定曝光時間，范圍在100～1 000 ms可調，4位數碼顯示器（U1～U4）在單片機控制和驅動下，以循環掃描方式顯示曝光時間。當攝影透視選擇開關（K1）置3 端時（攝影狀態），按下曝光按鍵（SW2），松開按鍵的同時U5 的11 端輸出低電位，光電隔離器（P521）導通，繼電器（JD1）線圈得電，常開觸頭（RELAY1）吸合，管電壓接通，曝光開始，當達到設定的曝光時間時，U5 的11 端輸出高電位，光電隔離器（U6）關斷，繼電器（JD1）線圈失電，常開觸頭（RELAY1）斷開，管電壓斷開，攝影結束。

3 結果

本裝置無需安裝調試，接通電源開關即可工作。可模擬醫用X線機的工作原理、主要性能參數和電路結構。實驗測試過程只需要配套數字萬用表和數字雙蹤示波器完成所有實驗項目。本裝置具有如下功能：（1）管電壓調節和測量電路、管電流調節和測量電路，可供實驗者方便地測試管電壓、管電流、燈絲電壓、X 線機燈絲發射特性、X 線機陽極特性等。（2）實現攝影控制電路，設定、顯示、并控制攝影曝光時間，供實驗者調節和測定X線機曝光時間。（3）可供實驗者方便地讀圖和分析X線機的電路結構、工作原理，認識電路的主要器件，測量電路參數和高壓電路波形，該裝置樣機如圖5所示。

與臨床應用X線機相比，本裝置克服了放射性危害、高壓電擊危險、價格昂貴、體積龐大、只能用于教學觀摩等弊端，具有電路結構開放直觀、安全穩定、功能完善、體積小、重量輕、價格便宜等特點。本裝置可廣泛用于醫學院校醫學影像技術、醫學影像學等相關專業《醫學影像成像理論》、《醫學影像設備學》和《醫學影像物理學》等課程實驗教學［15、18］。

圖4 攝影控制電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of imaging control circuit

圖5 X射線模擬實驗裝置樣機Fig.5 Equipment prototype for X-ray simulation experiment

4 結論

該裝置在不產生高壓和X射線情況下，可模擬醫用X線機的工作原理和主要電路結構和性能參數，可開設燈絲發射特性、陽極特性、高壓電路波形和曝光時間等測試，基本滿足實驗教學需求。