移動DR設備Wi-Fi遙控延時曝光裝置的設計與應用

艾述強

廈門大學附屬中山醫院 采購部維修組，福建 廈門 361000

引言

移動DR設備是一種移動式的數字化X射線攝片系統（Digital Radiography，DR），它體積小，方便移動，可直接成像，能為重癥及急癥患者提供有效的診斷依據[1]。正是由于移動DR設備具有可移動性，給操作人員進行床邊X射線攝片時帶來很多問題。首先，給醫護人員的X射線防護問題帶來很大的考驗，因為在病房的設計中無法和專用放射科機房一樣全面考慮X射線防護問題[2]。其次，曝光裝置故障率高、操作繁瑣和性能不穩定，導致移動DR設備工作效率低。同時，沒有報警裝置，無法提示患者做好閉氣等曝光前準備工作，圖像合格率低[3]。

目前在國內的醫院，移動DR有4種常用曝光裝置，結合操作人員的反饋，分析總結這4種移動DR曝光裝置在使用中存在的問題：① 延長曝光手閘連接線的曝光裝置，需要操作人員穿著笨重的鉛衣將曝光手閘線拉到病房外按曝光手閘進行曝光操作，以此達到減少射線輻射的目的，這種裝置的延長線經常被牽扯容易出現問題，故障率偏高；另外，操作人員需花費大量的時間整理延長線，工作效率低[4]；② 紅外遙控曝光裝置，通過紅外遙控器發出曝光指令，紅外接收裝置接收曝光指令來完成曝光，由于紅外遙控技術的特性，曝光操作時遙控器必須與設備上的接收器保持直線，不能穿墻，響應距離也只有10 m左右，操作難度高，工作效率低，技師還需要受到部分X射線的照射[5]；③ 射頻遙控曝光裝置，通過射頻遙控器發出曝光指令，射頻接收裝置接收曝光指令來完成曝光，射頻信號和其它醫療設備之間會相互干擾，導致其性能不穩定，并且存在非常大的安全隱患[6]；④ 延時曝光裝置，操作人員觸發設備上的延時曝光按鈕后迅速遠離設備，延時10～20 s后曝光，若患者在延時時間內發生偶然移動，偏移出理想照射位置，可能會需要重新拍攝，不但降低了工作效率，還增加了患者的X射線照射劑量[7]。

針對以上問題，本文提出一種Wi-Fi遙控延時曝光裝置，用Wi-Fi來傳輸遙控信號，用單片機來控制延時時間。Wi-Fi具有覆蓋范圍廣、信號穩定、傳輸速度快和不會干擾其它設備等優點，是非常理想的遙控方式。單片機精準的延時時間控制，既減少了患者的等候時間，又保證了高質量的曝光操作。該裝置很好地解決了移動DR設備在床邊攝片時所面臨的困難。

1 系統設計

1.1 傳統曝光手閘結構分析

早期的曝光手閘只包含預備檔和曝光檔按鈕，后來很多的曝光手閘還增加了定位燈按鈕。預備檔按鈕用于接通X線球管旋轉陽極電路和陰極燈絲加熱電路，為發射X射線做準備；曝光檔按鈕用于產生X射線，實施曝光；定位燈按鈕用于點亮定位燈，確認患者拍攝位置。因為X射線球管旋轉陽極啟動和陰極燈絲預熱大約需花費1 s，所以用曝光手閘進行曝光操作時，需人為的把預備檔和曝光檔之間時差控制在1 s以上[8]。曝光手閘原理圖，見圖1。

圖1 曝光手閘結構圖

1.2 Wi-Fi遙控延時曝光裝置方案設計

通過對曝光手閘結構的分析，設想在操作人員的智能手機上安裝APP，點擊APP上的按鍵發出曝光指令，曝光指令經過醫院Wi-Fi傳輸給Wi-Fi通訊模塊，由光耦模塊向下傳遞指令，再經單片機和晶振延時處理控制兩檔按鈕之間的時差，然后由繼電器電路輸出開關信號，代替原有曝光手閘的按鈕和時差控制，從而實現一鍵Wi-Fi遙控延時曝光。另外還增加了蜂鳴器報警模塊，用于提示患者做好曝光前準備。Wi-Fi遙控延時曝光裝置的原理框圖，見圖2。

圖2 原理框圖

2 硬件設計

2.1 電源

該Wi-Fi延時曝光裝置由直流5 V電源供電，功率小，能耗低，電源可由移動DR設備上的USB接口直接提供，不需另外設計電源板。

2.2 Wi-Fi通訊模塊

選用PSF-B01模塊作為Wi-Fi通信模塊，該模塊是一款智能Wi-Fi通訊模塊，內置32位MCU，支持Wi-Fi遠程控制，支持安卓和IOS系統，能夠實現串口與Wi-Fi之間的數據轉換[9-11]。該模塊具有信號強和性能穩定的特點，通過醫院無線Wi-Fi傳輸，可以準確地接收到手機APP發出的曝光指令，并把曝光指令傳輸給光耦模塊，PSF-B01模塊的原理圖，見圖3。

圖3 PSF-B01模塊原理圖

2.3 光耦模塊

光耦模塊用于接收Wi-Fi通訊模塊的曝光指令，并把指令傳送到單片機。光耦模塊是由光耦PC817、電阻R（1 K）和發光二極管組成。光耦前端一腳接R1接收曝光指令，一腳接發光二極管到地，后端一腳接單片機輸入口，另外一腳接地。光耦模塊電路圖，見圖4。

圖4 光耦電路圖

2.4 單片機STC11F04E

單片機STC11F04E是宏晶科技公司開發的增強型單片機，是一款高速度、低能耗和超強抗干擾的新一代單片機，其速度大概是傳統51單片機的12倍，非常適合智能控制[12]。通過外接晶振，可以精準地控制延時時間[13]。其輸入電源為直流5 V，輸入端P1.1連接光耦電路接收曝光指令，編程接口用于燒寫延時程序，輸出端P3.3、P3.4、P3.7和P1.0分別與四路繼電器電路相連，通過延時時序控制，分別輸出報警、預備、曝光或定位燈信號。單片機STC11F04E的電路圖，見圖5。

圖5 單片機STC 11F 04E電路圖

圖6 繼電器電路圖

2.5 繼電器電路

該裝置包含四路繼電器電路，每一路是由1個光耦、1個發光二極管、2個電阻、1個NPN三極管、1個二極管和1個繼電器組成。繼電器電路的輸入端通過接二極管、三極管和光耦，接收單片機的輸出信號；常閉輸出端連接蜂鳴器、預備檔、曝光檔和定位燈，分別用于控制蜂鳴器報警、預備檔通斷、曝光檔通斷和定位燈通斷。繼電器電路的作用是將單片機輸出信號變成可用的延時開關信號，每一路繼電器電路的電路圖，見圖6。

3 軟件設計

3.1 手機APP安裝和設置

手機上網搜索“易微聯”，下載“易微聯”APP軟件，版本號V3.14.1，它是一款通用的跨平臺智能控制軟件，蘋果操作系統和安卓操作系統都能免費安裝。在醫院Wi-Fi環境下登入該APP，先配對Wi-Fi通訊模塊，再添加移動DR設備，手機APP設置圖，見圖7。

圖7 手機APP設置

3.2 單片機程序設計

經過反復測試，并結合操作人員建議，總結出較為合理的報警、預備、曝光和定位燈信號輸出延時時間，周期都為4.5 s。當操作人員發出曝光指令，視野燈立即被點亮，蜂鳴器持續報警4.5 s；收到曝光指令的2 s后，預備檔繼電器持續吸合2.5 s，為曝光做準備；收到指令的3.5 s后，曝光檔繼電器持續吸合1 s，實施曝光。四路輸出的延時時序圖，見圖8。

圖8 延時時序圖

下載、安裝V9.54版Keil編程軟件和V6.86版STC_ISP軟件。在Keil編程軟件中新建項目，對照延時時序圖編寫單片機程序。用STC_ISP軟件將編寫好的程序燒寫到單片機中，實現延時控制[14]。單片機的主程序流程圖，見圖9。

圖9 單片機主程序流程圖

4 應用

該Wi-Fi遙控延時曝光裝置已安裝于我院西門子Mobilett XP Digtal型和GE Optima XR220amx型移動DR設備上。使用時，操作人員只需打開APP，先確認控制界面右上角的無線標識，藍色滿格表示Wi-Fi遙控延時曝光裝置通訊良好；再給患者擺好體位，找一個安全的位置躲避；然后點亮手機APP中的通道按鈕發送曝光指令；收到指令后蜂鳴器立即報警，患者可以做好曝光前準備，4.5 s后曝光完成，同時蜂鳴器停止報警，操作人員可回到設備邊上查看圖像；實踐證明這種曝光方式既能提高攝片工作效率，又能使醫護人員免受X射線照射。通訊確認和曝光指令發送效果圖，見圖10。

圖10 通訊確認和觸發曝光指令效果圖

移動DR設備出廠時已配備曝光手閘、延長線和紅外遙控曝光裝置，加上Wi-Fi遙控延時曝光裝置，共有4種曝光裝置。現場跟蹤移動DR設備對我院100名患者進行X射線拍攝，用X、γ輻射周圍當量率檢測儀測量X射線劑量，對比4種曝光裝置的使用效果，見表1。

表1 4種曝光裝置使用效果對比表

表1對比結果顯示，相較于傳統的曝光裝置，Wi-Fi遙控延時曝光裝置性能穩定、工作效率高、安全性高，達到了預期設計目的。

5 討論

隨著醫學的發展和社會的進步，醫護人員的X射線防護安全和移動DR設備攝片工作效率越來越受關注[16]。該Wi-Fi延時曝光裝置使用Wi-Fi信號做為遙控方式，相較傳統的紅外線和射頻遙控方式，Wi-Fi信號遙控距離更遠，而且不會和其它信號相互干擾。該裝置采用單片機控制延時時間，相較手動控制延時時間，單片機延時控制更加精準、穩定。該裝置還配備了報警裝置，曝光前3.5 s報警提醒病人做好曝光準備，可以提高攝片圖像質量。目前該裝置只能應用已布置全院Wi-Fi的醫院，并且只適用于全院Wi-Fi信號穩定的地方。下一步需研制一款局域網Wi-Fi延時曝光裝置，這種裝置應自帶局域網Wi-Fi，Wi-Fi遙控信號完全不受外界影響，且遙控距離能滿足醫護人員防護需求。

6 結論

本研究介紹了一種基于Wi-Fi信號傳輸和單片機延時控制的移動DR設備曝光裝置，該裝置性能穩定、操作簡便、成本低廉，不但能提高移動DR設備的工作效率和使用壽命，還能避免醫護人員免受X線照射。目前該裝置已安裝于我院和附近一些醫院的移動DR設備上，并深受操作人員的歡迎。隨著醫院全院Wi-Fi的普及和5G技術的發展，相信該裝置可以得到更廣泛的應用。