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乳腺x 线机自动曝光控制系统研究 研究生：朱明 专业：影像医学与核医学 导师：王鹏程教授 中文摘要 目的 研制一种基于半导体探测器和单片机技术的智能乳腺x 线摄影a e c 系 统，并将其应用于高频乳腺x 线机，实现半自动和全自动曝光控制。 方法 对七种不同型号的半导体探测器分别编号，就其对低能x 线的响应情况 进行测试，筛选出适于乳腺自动曝光控制的半导体探测器。研究探测器的输 出与体模厚度的变化关系、胶片密度设定时探测器输出与所需曝光量的对应 关系，拟合出相应的函数曲线。设计制作由单片机控制的自动曝光控制电路， 编写源程序，并与国产高频乳腺x 线机进行联机调试。 结果 研制的乳腺摄影a e c 系统实现了全自动和半自动曝光控制模式，具有 多点检测和探测器自动选择功能，提供了方便合理的系统校正方法，可以对 基准密度按照质控密度任意设置，可以进行黑化度补偿调整。该系统性能稳 定，可以使2 c m 到6c m 厚度范围内的均匀体模摄影所得胶片密度控制在胶 片平均密度0 15 以内，管电压可随体模厚度改变而自动调整。 结论 该乳腺自动曝光控制系统成本相对低廉、功能完善、性能良好、调试方 便，可应用于实际的高频乳腺x 线摄影系统中。 关键词半导体探测器；高频x 线乳腺摄影；自动曝光控制；质量控制； 质量保证 s t u d yo fa u t o m a t i ce x p o s u r ec o n t r o li n m a m m o g r a p h yf a c i l i t y g r a d u a t e ：z h um i n g s p e c i a l t y ：i m a g i n ga n dn u c l e a rm e d i c i n e t u t o r ：p r o f e s s o rw a n gp e n g c h e n g a b s t r a c t o b j e c t i v e t od e v e l o pa na u t o m a t i ce x p o s u r ec o n t r o ls y s t e mb a s e do ns e m i c o n d u c t o r d e t e c t o ra n dm i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，a n dt o a p p l y i ti n h i g hf r e q u e n c y m a m m o g r a p h yf a c i l i t y ，s o t h a ts e m i - a u t o m a t i ca n df u l l a u t o m a t i c e x p o s u r e c o n t r o lc a nb ei m p l e m e n t e d m e t h o d sa n dm a t e r i a l s s e v e nk i n d so fs e m i c o n d u c t o rd e t e c t o r sw e r el a b e l e d ，a n dt h e i rr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c sw e r et e s t e di no r d e rt oc h o o s eo p t i m a ld e t e c t o r sf o ra e ci n m a m m o g r a p h y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo u t p u to fd e t e c t o r sa n dt h i c k n e s s o f p h a n t o ma n d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s p e c i f i c o ds e t t i n ga n dt h e c o r r e s p o n d i n ge x p o s u r ew e r em e a s u r e d t h ef i t t i n gc u r v e sw e r ed e v e l o p e df r o m t h ee x p e r i m e n td a t a t h ec i r c u i to fa e cc o n t r o l l e db ym c ua n dc o n t r o l l i n g p r o g r a mw a sd e v e l o p e d a tl a s t ，t h ea e cw a sp u tt h r o u g ht e s t si nah o m e m a d e m a m m o g r a p h yf a c il i t y r e s n i t s t h ea e cs y s t e mc a nc a r r yo u ts e m i - a u t o m a t i ca n df u l l - - a u t o m a t i cc o n t r o l m o d ew i t hm u l t i - p o i n td e t e c t i o na n da u t o m a t i cc h o o s i n gf u n c t i o n i to f f e r s c o n v e n i e n tc a l i b r a t i o nm e t h o d st o s e tq u a l i t yc o n t r o ld e n s i t ya n dt oa d j u s tt h e d e g r e eo fb l a c k e n i n g t h ea e cs y s t e mw a sp r o v e dt og os t e a d il y i tc a nb e c a p a b l eo fm a i n t a i n i n gf il mo p t i c a ld e n s i t yw i t h i n 士o 15o ft h em e a no p t i c a l d e n s i t yw h e nt h i c k n e s so fah o m o g e n e o u s m a t e r i a li sv a r i e do v e rar a n g eo f2t o 6 c ma n dt h ek v pi sv a r i e da p p r o p r i a t e l yf o rs u c ht h i c k n e s s e so v e rt h ek v pr a n g e u s e dc l i n i c a ll yi nt h ef a c i l i t y c o n c l u s i o n s t h ep r i c eo ft h ea u t o m a t i ce x p o s u r ec o n t r o ls y s t e mi sl o w i th a sg o o d q u a l i t ya n dc o n v e n i e n tc a l i b r a t i o nm e t h o d s ，a n dc a nb eu s e di nh ig hf r e q u e n c y m a m m o g r a p h yf a c i li t y k e yw o r d ss e m i c o n d u c t o rd e t e c t o r ；a e c ；h i g h f r e q u e n c yx r a ym a m m o g r a p h y ； q u a l i t yc o n t r o l ；q u a l i t ya s s u r a n c e 2 英文缩写英文全称 a e c i e e e 符号说明付可饥明 a u t oe x p o s u r ec o n t r o l 中文全称 自动曝光控制 i n s t i t u t e f o re l e c t r i c a l a n d 电气和电子工程师 e l e c t r o n i ce n g i n e e r s 学会【美】 u a r a tu n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r 通用异步收发器 m c u i s p i a p c a d n e p m o d t r a n s mi t t e r m i c r o c o n t r o l l e ru n i t i ns y s t e mp r o g r a m m i n g 微控制器 在线编程 i na p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g在应用中编程 c o m p u t e r a i d e dd i a g n o s i s n o i s e e q u i v a l e n tp o w e r m e a no p t i c a ld e n s i t y 3 计算机辅助诊断 噪声等效功率 平均光学密度 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 一日期：鲨犁够 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解泰山医学院有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权泰山医学院可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其它复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者虢社翮阮畔日期：码幽 前言 乳腺疾病是女性常见病、多发病。乳腺癌是成年女性最常见的恶性肿瘤 之一，其发病率在欧美地区显著高于亚洲、非洲。近年来，我国乳腺癌的发 病率迅速增高，已成为女性发病率最高的恶性肿瘤【i 】。在上海，19 7 2 19 7 4 年乳腺癌的世界人口标化发病率是18 3 10 万，19 9 0 19 9 2 年上升为2 7 2 10 万。在全国范围内，乳腺癌占妇女恶性肿瘤的6 1 17 4 ，且发病率逐年上 升，平均年增长率为2 3 【2 1 。 乳腺癌治疗后生存率高，早期检出、早期诊断、早期治疗是提高生存率 的重要因素，影像学检查是早期检出、早期诊断的重要手段。影像学检查的 方法有：x 线摄影( 铝靶摄影) ，超声，计算机热成像，c t ，同位素和m r i ， 其中乳腺x 线摄影检查方便经济，在乳腺癌普查、诊断、随访中起重要作用， 是发现早期乳腺癌的有效手段之一，具有较高的敏感性，可检出隐匿性及微 小病灶，并且在良恶性肿瘤鉴别方面有着明显的优势，是当今世界普遍接受 的普查方法。良好的x 线乳腺照片成像质量对乳腺疾病的诊断起着重要作用 【3 ，4 1 。适宜的胶片密度可以提高乳腺癌的检出率5 1 ，a e c 根据乳腺压迫后的 厚度和致密程度，设定曝光参数，如k v 、m a 值，阳极和滤过板的类型等， 并实时检测曝光量积累情况进行自动曝光控制。可以起到防止过度曝光或曝 光不足，提升影像质量等效果。 继18 9 5 年伦琴发现x 射线之后，d r a s a l o m o n 于19 13 年首次用普通x 线机( 钨靶) 做乳腺x 线摄影实验，摄取标本3 0 0 0 例。d r 。s t a f f o r d w a r r e n 在19 3 0 年首次将乳腺x 线摄影应用于临床，法国医生g r o s 于l9 6 9 年首创 钼靶x 线机，这是乳腺摄影的一次关键性突破。9 0 年代后期研发出数字乳 腺x 线摄影系统，随后计算机辅助检测( c a d ) 、三维乳腺摄影技术、数字 合成体层成像等技术逐渐应用于乳腺x 线检查。a e c 与压迫器、虑线器等 同期被应用于乳腺钼靶x 线摄影，伴随着乳腺x 线摄影设备的发展，a e c 技术也不断进步和完善。早期乳腺摄影a e c 单点采样，仅作为光电计时器 对曝光时间控制，使用积分比较等模拟电路控制技术。由于探测器、微电子 技术、计算机技术的进步，多点采样、智能化控制等技术被逐渐应用于乳腺 x 线机a e c 。 乳腺x 线机a e c 由探测器、控制电路等构成。探测器位置一般放置在 4 暗盒后，采样点数量分为单点和多点，采样点和采样位置可手动或自动选择。 控制电路主要由探测器信号检测电路、a d 转换、微处理器、通信控制单元 等组成。a e c 常用以下三种控制方式：( 1 ) 半自动方式，根据乳腺被压迫后的 厚度，人工选择k v 值和靶一滤过板类型，曝光开始后设备自动控制所需的 m a s 值，保证在不同情况下胶片或探测器受光量的一致性。( 2 ) 全自动方式， 根据乳腺被压迫后的厚度和压力自动控制k v 值和靶滤过板类型，曝光开 始后设备自动控制所需的m a s 值。( 3 ) 预曝光方式，在乳腺被压迫后根据其厚 度和一次短时间预曝光检测的密度修正曝光条件，即k v 、靶滤过类型等， 进行正式曝光并自动控制所需的m a s 值。 尽管乳腺a e c 的研究和发展在国外已有多年历史，技术相对成熟，但 均属国外各公司内部技术，微电脑控制的智能乳腺a e c 系统具体设计和实 现方法的核心技术未见公开资料。国内仅见部分学者对常规摄影探测器和自 动曝光控制的研究i o j ，未见针对乳腺a e c 的相关研究报道。随着综合国力 的增强，国内已有数家高频乳腺x 线机生产厂商，但这些厂商的或者由于不 掌握乳腺a e c 核心技术尚未为自己的产品配置a e c 功能，或者仅采用经典 的积分比较模拟控制方式，仅能实现曝光时间自动控制，且控制效果欠佳， 也有部分厂商引进国外的a e c 模块，价格相对昂贵，无疑过多增加生产成 本。 a e c 装置采用的探测器主要有电离室型，闪烁晶体加光电倍增管型，闪 烁晶体加半导体型，半导体型。但目前应用于乳腺a e c 的探测器或者是由x 线机厂商专门针对其产品研制，市场无法购得，或者价格昂贵，或者需要高 精度的高压偏置电源，导致成本过高，后续电路结构复杂等。由于乳腺x 线 摄影为利用软x 线对乳房等特定软组织摄影，对探测器的性能、探测器布局， 控制曝光的算法、方式等与常规摄影不同。 本课题的目的在于筛选出性能良好，价格相对低廉，后续电路相对简单 可靠，适于乳腺a e c 的半导体探测器，结合微电子和单片机技术，设计实 现一种智能化a e c 系统，并在国产高频乳腺x 线机上进行调试验正，以期 实际应用于高频乳腺x 线摄影中。 材料和方法 一、乳腺x 线摄影和半导体探测器相关基础 l 乳腺x 线摄影 乳腺x 线摄影与普通x 线摄影类似，均为利用x 线管发出的混合线束， 只是阳极靶物质一般采用原子序数为4 2 的钼。钼靶x 线管在管电压高于 2 0 k v 时，除辐射连续x 线外，还能辐射出能量为17 4 k e v 和l9 6 k e v 的特 征x 线。乳腺摄影主要应用钼靶辐射的特征x 线，这种波长的特征射线可 以使乳腺组织产生较好的对比度，有利于乳腺结构的显示。为了提高致密型 乳腺的影像质量，近年来部分乳腺x 线管开始使用原子序数4 5 的铑等其它 阳极靶面材料，运用不同的靶面和附加滤过组合技术，适应不同厚度和质地 的乳腺摄影。 1 1x 线与物质的相互作用及在x 线摄影的意义 x 线与物质的相互作用形式有：相干散射、光电效应、康普顿效应、电 子对效应、光核反应等。诊断用x 线领域，主要涉及光电效应和康普顿效应。 1 1 1 光电效应 光子与物质的原子作用时，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之 发射出去，而光子本身消失掉，这种过程称为光电效应。光电效应发射出来 的电子叫光电子。 光电效应在x 线摄影中的实际意义为：( 1 ) 光电效应不产生有效的散射， 对胶片不产生灰雾。( 2 ) 光电效应可增加射线对比度。( 3 ) 在光电效应中，因光 子的能量全部被吸收，这就使病人接受的照射量多，为了减少对病人的照射， 要适当采用高能量的射线。 1 1 2 康普顿效应 康普顿效应是指x 线光子与原子的核外电子之间发生相互作用，入射光 子的一部分能量转移给电子，使其脱离原子成为反冲电子，而光子的能量和 运动方向发生变化。 康普顿效应与光电效应相比，可以使患者受照剂量降低，但康普顿效应 是x 线摄影中散射线的最主要来源，导致照片灰雾增加，对比度降低。 1 2 压迫器与滤线栅的应用 压迫器和滤线栅被引入乳腺摄影，对乳腺摄影具有重要意义。对乳腺组 6 织挤压后摄影可以使解剖结构展布在更大区域，减少乳腺组织重叠，提高可 疑病变的探测几率。压迫后乳腺厚度降低，可以使摄影所需剂量降低，利于 病人防护，使散射线强度降低，提高胶片对比度。压迫限制病人移动，避免 运动危影。滤线栅的作用为滤除散射线，但滤线栅的使用必然导致摄影所需 剂量增加，是否使用滤线栅有时需要做出权衡，所以部分乳腺x 线机的滤线 栅设计成可拆卸型。 1 3 影响乳腺x 线摄影成像质量的主要因素【8 1 1 】 x 线透过被照体时，由于物体的吸收、散射而减弱，透射线仍能按原方 向直进、作用在接受介质上，从而形成了可见的x 线影像。一张优质的x 线照片，其照片斑点要不明显，需具有适当的密度，对比度明显，锐利度良 好。照片影像的密度、对比度、锐利度三者，或分别或相互关联地对照片影 像质量产生影响，三者不能截然分开。密度是影像对比度及锐利度存在的基 础。照片对比度可以因密度的改变而改变，感光不足或感光过度的照片，对 比度都低下。照片质量的好坏受多方面因素的影响。 1 3 1 线质对乳腺x 线胶片成像质量的影响 射线穿透人体组织所形成的射线对比度与光子能量有关。在诊断用x 线 能量范围内，x 线与物质的主要作用形式是光电效应和康普顿效应，而这两 种作用发生的几率和光子能量有很大关系。可以通过调节线质，改变光电吸 收的比例，调节射线对比度，进而改善图像对比度。在摄取影像时，需要尽 量将感兴区段的组织吸收差别映射在胶片特性的直线部分，可通过调节线质 与射线量达到此目的。 1 3 2 增感屏对成像质量的影响 由于乳腺由软组织组成，不同组织的x 线吸收差异小，为了利于微小病 灶检测，需采用优质单面增感屏和乳腺摄影专用的高对比单药膜胶片，增感 屏一般放置在胶片下。x 线摄影时，胶片黑化度中的9 5 是由增感屏产生的 荧光曝光形成的。增感屏的引入可以提高胶片对比度，同时会导致胶片清晰 度下降、颗粒性变差。不同的增感屏胶片组合得到的成像效果会有较大差异。 增感屏荧光体涂层的厚度，荧光体涂层颗粒的大小，增感屏阵列的光吸收染 色，增感屏一胶片的接触程度等因素决定增感屏一胶片影像空间分辨率。 1 3 3 胶片处理对成像质量的影响 乳腺摄影采用高对比度单药膜的专用胶片。胶片的显影处理影响胶片的 感度、对比度、本底灰雾度等，进而对乳腺x 线摄影的成像质量带来很大影 响。胶片的处理效果取决于洗片的时间、试剂的化学活性和补给、显影剂和 定影剂的温度和适当的烘干等多个环节。为了更好的控制胶片成像质量，一 般建议为乳腺摄影单独设置洗片机。如果显影温度较低，或洗片机速度设置 较快，为了达到适合的光学密度，摄影时所需的辐射剂量相应增加。如果显 影温度设置过高，虽然洗片速度和胶片对比度会提高，但本底灰雾度和颗粒 度增高。不同的显影药液胶片组合会影响胶片的响应情况。 2 半导体探测器 半导体探测器是一种以半导体材料为探测介质的辐射探测器，最通用的 半导体材料是锗和硅，其基本原理与气体电离室相类似，故又称固体电离室。 半导体探测器实质上是一个半导体材料高掺杂的较大面积的晶体二极管。入 射粒子进入半导体探测器后，产生空穴电子对，这些空穴电子对被探测器 两电极的电场分开，并分别被阴极和阳极收集。由于产生一个空穴电子对所 需的能量约3e v ，半导体探测器的能量分辨率比闪烁计数器和气体电离探测 器的要高得多。半导体探测器在包括核物理、基本粒子物理学、光学、医学、 材料测试等各个领域中被广泛应用。 e 内 一 。o 。 o o lo o ；+ 。+ 。 。o o 口| 。o lo o l ! 。+ 。 。o q i o o io o + 。 o oc ! o i o o lo o o + o p 型耗尽区n 型 图2 1a lo o ；o o o io o o o i ic 1 0 0o io0 0 l o l o o i 0 0 0 l o o o l p f l o l o o o l o o o ；p i e 内e 外 1 _ - - - - - - q 。o 。o qpo0p o o qc ic l p o p p o a 。o q qpo + o 。 q q q qp d p p p 型耗尽区n 型 图2 1b图2 1c 2 1 半导体探测器的p n 结 p n 结就是在一块单晶中存在紧密相连的p 区和n 区结构。通常是在一 种导电类型( p 型或n 型) 半导体上用合金、扩散、外延生长等方法得到另一 种到种类型( n 型或p 型) 的薄层。在这两种半导体的材料的交界处就形成了 p n 结。由于载流子的扩散和飘移的动态平衡，在结区形成耗尽区，建成相 对稳定的内建电场，如图2 1a 所示。扩散越强，空间电荷区越宽。当p n 结 反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒 加强( 见图2 1b ) ；当p n 结萨偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在 r 外加电场作用下变窄，势垒削弱( 见图2 1c ) 。在辐射测量中有时需要对p n 结加反向电压调整耗尽层的宽度，以提高其探测效率。 2 2p i n 型半导体探测器 p i n 型半导体探测器与普通p n 结型半导体探测器结构相比，不同之处 是在高参杂的p 区和n 区之间夹有一层本征层( i 层) ，结构如图2 2 所示。 因为具有较厚的i 层，使p n 结的距离拉大、结电容变小。随着反向偏置电 压的增大，结电容变的更小，从而提高了p i n 探测器的频率响应。由于内建 电场基本上集中于i 层中，使耗尽层厚度增加，增大了对光的吸收和光电变 换区域，提高量子检测效率。 l - - - ，_ 图2 2p i n 探测器结构示意图 2 3 探测器的光电效应 光电效应是由于物体吸收了能量为e 的光子后产生的电效应。光电效应 包括外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。外光电效应指在光的照射下， 材料中的电子逸出表面的现象。光导管及光电倍增管属于这一类。内光电效 应是指在光的照照射下，材料的电阻率发生改变的现象。其物理过程是：光 照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子 轰击，并使其由价带越过禁带至导带，使材料中导带内的电子和价带内的空 穴浓度增大，从而使电导率增加。光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使 不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产：- 电位差的现象。 2 4 半导体探测器的主要特性参数 ( 1 ) 噪声等效功率：在实际的光电探测系统中，即使在探测器不加任 何辐射信号时，探测器仍有一定的输出，这就是探测器本身存在的噪声。这 种噪声的存在限制了探测器对微弱光信号的探测能力，即探测旦旦- 1r y 能探测到的 最小入时光功率爱到限制。定义，探测器输出的信号功率与噪声功率之比为 1 时入日j 剩探测器 的信号1 率就称 勺噪声等效功率fne p ) 或晟小可探 洲i 勺率。nep 越小。探测f 牛能越好。 9 ( 2 ) 响应率：光电探测器的响应率用以表征探测器将入射光信号转换 为电信号的能力。 ( 3 ) 光谱响应：探测器的光谱响应是指不同波长的光辐射照射到探测 器光敏面时，探测器的响应率等特征参量随光辐射波长变化而变化的特性。 通常将响应率下降到峰值的5 0 处所对应的波长定义为截止波长。有时也 采用响应率降到10 处的波长作为截至波长。图2 3 为光谱响应示意图。 ( 4 ) 响应时间：响应速度是描述探测器对入射辐射响应快慢的一个特 性参量。探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需的时间叫做探 测器的响应时间。图2 4 ( a ) 、( b ) 分别为输入光信号及响应电信号的波形，t i 为上升时间，t 2 为下降时间。 渡长( p m ) 图2 3光谱响应示意图 2 5 噪声和干扰的主要来源 2 4 探测器响应时间示意图 噪声是混杂在测量信号中真实信息以外的值，广义地讲，噪声是扣除被 测信号真实值以后的各种测量值。为了区别，常把可以减小或消除的外部扰 动称为干扰，而把由于材料或器件的物理原因所产生的扰动称为噪声。从理 论上讲，干扰是属于理想上可排除的噪声。不少于扰源发出的噪声是有规律 的，有些具有周期性，有些只是瞬时的，可以通过电磁屏蔽、滤波、接地等 方式进行减小或者消除。在大多数电子元件中存在着三种不同的噪声源：热 噪声、低频噪声、及散粒噪声【13 1 。 1 热噪声 热噪声也常称为约翰逊噪声，是19 2 8 年约翰逊首先发现的。导致这种 噪声的原因是导体中电子分配的热起伏。例如对于个阻值为r 的电阻，即 使不接电源，也可以在其两端测量到噪声电压，由于电阻中载流子热运动的 随机性，热噪声也具有随机性。热噪声电压的有效值( 均方根值) 符合公式 1 0 e 。= 、l 4 k t r a f( 2 1 ) 式中k 为波耳兹曼常数，t 为热力学温度( k ) ，r 为电阻值( q ) ，a f 是 系统带宽( h z ) 。由式2 1 可见，电阻两端的噪声电压与信号带宽的平方根 成正比，带宽越宽，噪声越大。 2 低频噪声( 1 f 噪声) 低频噪声又称闪烁噪声，其产生的原因比较复杂，它与材料的表面状态， 或p n 结的漏电流等多种因素相关。例如，表面的污染与损伤、材料中的晶 体缺陷、重金属离子的沉积等因素，都会影响低频噪声。低频噪声广泛存在 于有源和无源器件中，噪声电压的均方值可以表示为： 两：每d f ( 2 2 ) 工 其中，a f 为系数，f 代表频率。 根据这种噪声与频率成反比的特性，可以采用提高放大器通频带下限的 方法来抑制低频噪声。 3 散粒噪声 散粒噪声是一种电流噪声。它是因为载流子通过电子器件时，由于不均 匀结构或载流子的发射、复合速度的不均匀而产生的电流脉冲。这种脉冲电 流是颗粒效用，其变化所导致的电流起伏即散粒噪声。散粒噪声的有效值等 于 i s h = 4 2 q id 。a f ( 2 3 ) 式中：q 为电子电荷，i d 。为平均直流电流( a ) ，a f 为系统带宽( h z ) 。 减小散粒噪声的方法是降低平均直流电流和系统带宽。 多种因素可以成为干扰源。湿度的增加会使绝缘体电阻值下降，漏电流 增加：会使高阻值电阻的阻值下降；会使电介质的介电常数增加，造成电容 器的容量增大。设计电路在必要时应当考虑潮湿的防护与隔离问题，防止湿 度干扰。电磁干扰是电子测量装置中最严重的、也是最常见的干扰，周围环 境中的放电噪声和电器干扰是其主要来源。 二、实验材料 万东公司产hf 5 0 e 高频x 光机，意大利m e t a l t r o n i c a 公司生产的 f l a ts e 商频乳腺钼靶x 光机，国产高频乳腺x 线机( 见图26 ) ：泰克数 字示波器，s o l i d o s c4 0 0 剂量仪，d e n s o q u i c k2 光学密度计：总厚度8 c m 的 有机玻璃扳一组，厚度为o4 3 c m 和o9 2 c m 的有机玻璃板各一组( 见图27 、 28 ) ，c , e 公司a e c 校正体模f 见图29 ) ；柯达m i n r 2 乳腺摄影专用暗盒， m f n r 乳腺摄影腔片，柯尼卡乳腺摄影专用胶片，柯尼卡公司的s r x 1 0 l 自动洗相机：7 种型弓待测半导体探测器，其摹本情况见表2l ；自制探测器 系统( 见网25 ) ，探测嚣t 作r 光伏模式：m a t l a b 2 0 0 8 a 用于数据分析利 用k c i lc 5 】丌发控制程序。 霹 5 - ： 孽 图25 自制探测器系统 罔26 旧试使j 】的国产高频乳腺x 线机 i _卜 图2 7o 9 2 c m 组体模图28o4 3 c m 组体模 图2 9 调试时用到的g e 公司乳腺a e c 校正体模 表2 1 测试所用探测器基本情况表 kk鹾鋈 三、实验方法 1 探测器选择 本部分的任务是对7 种常温使用的半导体探测器依次编号后进行测试， 了解它们对乳腺摄影能段x 线的响应情况，为本课题选择适合的探测器。 1 1 探测器的初步筛选 ( 1 ) 目的测试各探测器的灵敏度和线性响应情况，了解各探测器的能 量响应情况。 ( 2 ) 方法摄影距离均采用1 10 c m ，探测器置于照射野的中心位置，将 暗盒置于探测器上方，用数字示波器测量自制探测系统输出。利用h f 5 0 e 高频x 线机，将管电压固定在4 0 k v ，管电流取值分别为l0 ，l2 5 ，16 ，2 0 ， 2 5 ，3 2 ，4 0 ，5 0 ，6 4 ，8 0 ，10 0 ，12 5 ，16 0 m a 时，对7 种型号探测器照射， 依次读出探测器的输出信号值：将管电流固定在2 0 m a ，管电压变化范围为 4 0 - - 一5 0 k v 时，利用数字示波器依次读出探测器的输出信号值。 1 2 钼靶x 射线的衰减测试 ( 1 ) 目的测试钼靶x 线摄影时射线的衰减情况，了解其动态范围，分 析其近似衰减规律，为探测器的进一步筛选和a e c 全自动模式时管电压的 设置提供数据参考。 ( 2 ) 方法使用f l a ts e 高频乳腺钼靶x 光机，将剂量仪探头置于照 射野中心位置，其上放置暗盒，与球管中心距离约6 3 c m ，变动体模厚度， 曝光量设置为2 5 m a s ，管电压分别设置为2 6 k v 、2 8 k v 、3 0 k v 、3 2 k v 。依次 记录剂量仪读数。用m a t l a b 曲线拟合工具箱对30 k v 管电压时的衰减情况进 行曲线拟合。 1 3 探测器对钼靶x 线的响应测试 ( 1 ) 目的对经初步筛选的探测器在高频乳腺x 光机下进一步测试，了 解其对铝靶x 线的灵敏度及响应线性情况。 ( 2 ) 方法使用f l a ts e 高频乳腺钼靶x 光机曝光设备，将自制探测 系统置于照射野中心，距球管中心6 3 c m ，其上放置暗盒。依次测试3 号、5 号、6 号、7 号探测器，曝光量设置为8 0 m a s ，大焦点，分别用2 8 k v 和3 2 k v 管电压依次对不同厚度体模曝光，利用数字示波器读出探测器输出值。 1 4 2 自动曝光控制算法研究 2 1 目的 研究胶片密度一定时，所需曝光时间与探测器输出值之间的关系。讨论 如何根据探测器输出值确定体模近似厚度，并据此设定全自动曝光时管电 压。 2 2 方法 采用5 号探测器和为本课题设计的a e c 工程电路板。数据分析使用 m a t l a b2 0 0 8 a 的曲线拟合工具箱。使用f l a ts e 高频乳腺钼靶x 光机，将 探测器置于暗盒下部，与照射野中心线相对应，胶片距6 3 c m 。在曝光过程 中将压迫器轻压于体模上方。在2 8 k v 、2 5 m a s 、大焦点条件下，对0 4 3 c m 组体模曝光，逐个增加体模数量；在35 k v 、2 5 m a s 、大焦点条件下，对o 9 2 c m 组体模曝光，逐个增加体模数量，用数字示波器读取放大器输出电压值。以 体模厚度为自变量，放大器输出电压值为因变量，进行曲线拟合，得到两种 管电压情况下体模厚度与探测器响应的关系曲线。 将o 4 3 c m 组和0 9 2 c m 组体模排列成阶梯状，阶梯宽度为lc m 。管电压 分别设定为2 8 k v 、3 5 k v ，用不同的曝光量对体模照相，然后用密度计分别 测量每种曝光条件下不同体模厚度对应的胶片密度值。以体模厚度为自变 量，胶片密度值为因变量，进行曲线拟合，得到不同曝光条件下的体模厚度 胶片密度曲线。假定目标密度为1 0 和1 2 5 ，对各体模厚度胶片密度曲线 进行分析，分别获得2 8 k v 、35 k v 管电压，相应目标密度条件下，与各曝光 量相对应的体模厚度值。然后，进一步分析相应密度时，体模厚度与所需曝 光量的关系，得到相应的体模厚度所需曝光量曲线。 3 探测器布局设计与控制电路实现 3 1 探测器布局设计 随机抽取3 2 位受检者的数字乳腺摄影图像，利用e f i l m 的测量工具分 别测量图像近胸壁侧左右径、沿中心线处图像前后径，对数据进行分析。根 据分析结果对探测器进行布局。 3 2 控制电路实现 3 2 1m c u 的选择 单片机基于简化的嵌入式控制系统结构，在一块芯片上集成了c p u 、存 d a 转换器等。它具有体积小、使用灵活方便、成本低、易于产品化、抗干 扰能力强，可在各种恶劣的环境下可靠的工作等特点。本文的m c u 选用了 s t c l 2 c 5 4 1 0 a d l l 3 1 ，它属于增强型8 0 5 1 单片机，其多数指令可在一个时钟 周期内完成，速度比普通的8 0 5 1 快8 1 2 倍，片内有1 0 k 的f l a s h 程序存储 器和1 0 位a d c ，对中小系统不用再扩充外部r o m 和a d c ，芯片内有2 k 的e 2 p r o m 并支持l a p ，可用来存储本系统的校验数据，支持i s p 省去编 程器。由于本系统中涉及浮点运算，且有一定的时限要求所以要对其浮点 运算速度做一定的检验。用c 语言编写求解类似y = 9 0 0 x 46 这样一个本系统 根据探测器输出求所需曝光时间的函数，同时在函数求解期间在p 17 输出高 电平用示波器观察所需运算时间，如图21 i 所示，求解运行时间约需15 m s 可以满足本系统要求， r s t d lo ：o b v n i i 】= l l “口：t1 9 口p i74 s c l k + “7 i ，：口3i1 8 口“、l i s o m t ：f i v i “2 口j 1 i 口p l5v r j x i a i l 口j i 1 6 口p ii na l l ( d t 而m2 口o = i 5 口h3 _ 而m ： i ；口p i2 一： r it 0 p 34 口h ii _ 口p ii 】 p w m is t i i d9 。1 2 口r 10a f t 0 n ( i 口1 0i i 口p jt ，” 图2l os t c l 2 c 5 4 1 0 a d 管脚图图21 l 测试所需浮点运算耗时波形 3 2 2 放大电路实现 半导体探测器可以在两种模式下工作，一是零偏置工作( 光伏模式) ， 另一种是反向偏置模式( 光导模式) 。半导体探测器工作在光伏模式时线性 度较好，工作在光导模式时可以增宽耗尽层使结电容变小，提高探测效率， 但会牺牲线性。在反向偏置时，即使没有光照，仍有一个很小的电流。即暗 电流，同时光导产生的散粒噪声成为附加噪声源。当然反向偏置时也需要一 个纹波系数极小的高压偏置电源。本文中探测器采用光伏工作模式，图21 2 为a e c 放大电路第一级原理图，半导体探测器偏罱由运算放大器的虚地维 持在零电压，其短路电流经第一级放大，完成电流电压转换。由于探测器短 路电流可低达p a 级，第一级运放采用了o p a 2 1 3 1 ，图21 3 是其外形封装及 其主要结构示意图。o p a 2 13 1 是高精度、低噪声运算放大器，其主要参数特 点如下： 点如下： f e t 输入：i b = 5 0 p am a x 失调电压：7 5 0 m a x 电源电压范围：士4 5 vt o 士18 v 转换速率：1 0 v p s 单位增益带宽：4 m h z r f o u t a - i na i na | i 一一 、， o u t b n e l nb 图2 1 2a e c 第一级运放原理图 图2 1 3o p a 2 1 3 1 探测器输出信号经电流。电压转换经电压跟随器缓冲和低通滤波后被送 入主放大电路，经低通滤波和5 1v 稳压管保护送入单片机的a d 采样端e l 。 主放大电路的放大器采用高精度低功耗的仪表放大器a d 6 2 0 f 1 4 】。a d 6 2 0 的 基本特点是精确度高、低噪声、低非线性、增益选择方便、使用简易等。图 2 15 是a d 6 2 0 的封装示意图。其中1 、8 脚之间跨接增益调节电阻r g ，5 脚是参考电压输入端，若直接接地，则第6 脚的输出即为与地之间的相对电 压。a d 6 2 0 的增益范围为1 10 0 0 ，计算公式为： g ：4 9 4 0 0 f 2 + l( 2 4 ) = 一十i lz ， r g 在确定增益的情况下可选择电阻r g ，求解r g 的公式如下： r g = 百4 9 4 了0 0 f 2 ( 2 5 ) 1 7 图2 14a d 6 2 0 原理图 图2 15a d 6 2 0 封装示意图 3 2 3 通讯和控制接口电路 5l 系列单片机有一个全双工的串行通讯口，a e c 和x 线主机之间可以 利用串口方便地进行通讯。串口通讯一般采用r s 2 3 2 电平，而单片机的串口 是t t l 电平，两者之问必须有一个电平转换电路，可采用专用芯片m a x 2 3 2 进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但还是用专用芯片更简 单可靠。本文采用了三线制连接串口，也就是g n d 、r x d 、t x d 三个端口， 连接简单。 由x 线主机发出的曝光启动信号经光电耦合器件缓冲后连至m c u 的 p 3 2 ，待机状态时p 3 2 为高电平，当主机启动高压开始曝光时，p 3 2 被拉低， a e c 据此判断曝光开始与否。全自动或者半自动模式下，当a e c 计时至本 次曝光截止时间，m c u 的p 3 3 将发出短的高电平脉冲，作为曝光终止信号， 经光电耦合器送至x 线主机，当主机检测到该信号后便做曝光停止操作。 4 控制程序设计与调试 4 1 开发语言与开发平台 4 1 1 开发语言选择 51 系列单片机常用的编程语言有两种，即汇编语言和c 语言。本项目 使用c 语言开发。汇编语言的机器码生成效率高，控制实时性强，但使用汇 编语言开发项目周期长，可读性和可移植性差，编写和调试如本项目所用到 的浮点运算代码难度大。c 语言在大多数情况下其机器码生成效率和汇编语 言相当，并且可读性和可移植性远远超过汇编语言。使用c 语言开发系统将 更加方便快捷，一般不会降低对硬件的控制能力也不会使代码长度增加过 多，运用得当能够开发出高效、利于维护的系统，而且c 语言可以通过嵌入 l r 扎趣删 孵 汇编程序的方式来解决高时效问题。 4 1 2 开发平台简介 k e i ls o f t w a r e 的u v i s i o n 3i d e 是一个基于w i n d o w 的开发平台，是众多 单片机应用开发的优秀软件之一。该i d e 包含一个高效的编辑器，一个项目 管理器和一个m a k e 工具。u v i s i o n 3 支持所有的k e i l8 0 5l 工具，包括c 编译器，宏汇编器，连接定位器，目标代码到h e x 的转换器。u v i s i o n 3 具 有全功能的源代码编辑器，其器件库用来配置开发工具设置，项目管理器用 来创建和维护项目，集成的m a k e2 1 2 具可以汇编、编译和连接嵌入式应用 开发程序。u v i s i o n 3 所有丌发工具的设置都是对话框形式的，便于操作。 u v i s i o n 3 可以对c p u 和外围器件实现真正的源代码级的调试，高级g d i ( a g d i ) 接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和m o n i t o r 一51 进行通信。 图2 16k e i lc 51 组成框图 4 2 程序设计初步 在程序设计之前，首先要确定选用的存储模式，定时器的工作方式，方 式控制字，确定串行 1 1 的工作模式，a d 端口的设置等，下面分别讨论。 4 2 1 存储模式 c 51 编译器完全支持8 0 51 微处理器及其系列的结构，可完全访问 m c s 51 硬件系统所有部分。每个变量可准确地赋予不同的存储器类型( d a t a ， i d a t a ，p d a t a ，x d a t a ，c o d e ) 。访问内部数据存储器( i d a t a ) 比访问外部数据 存储器( x d a t a ) 相对要快一些，因此，可将经常使用的变量置于内部数据存 1 9 储器中，而将较大及很少使用的数据单元置于外部数据存储器中。 存储器模式决定了自动变量和默认存储器类型，参数传递区和无明确存 储器类型的说明。在固定的存储器地址变量参数传递是c 5 l 的一个标准特 征，在s m a l l 模式下参数传递是在内部数据存贮区中完成的。l a r g r e 和 c o m p a c t 模式允许参数在外部存储器中传递。c 5 1 同时也支持混合模式， 例如在l a r g e 模式下生成的程序可将一些函数分页放入s m a l l 模式中从 而加快执行速度。在单片机程序设计中要尽量使用s m a l l 模式以提高程