（电气工程专业论文）上球管遥控床的自动控制系统和监控软件.pdf

圭塑盔堂堡圭兰垡丝义 一 -_-_。i_-_-_。_-_-_-。_。_。_i。_-。_-。_。_。-。 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ei n t e l l i g e n c ec o n t r o l s y s t e mo fo v e r t u b e t a b l er e m o t ec o n t r o ld i a g n o s t i cx r a yu n i tw h i c hi ss e p a r a t e dr e m o t e c o n t r 0 1 t h ex r a ye q u i p m e n to fs o m ef a m o u sc o m p a n yi nt h ew o r l di s u s i n gm i c r o c o n t r o l l e r i th a sg o o dp e r f o r m a n c e ss u c ha sm u l t i f u n c t i o n b u ti t d e s i g nw i t he l e c t r o t e c h n i c si no u rc o u n t r y an e wh i g hl e v e l i s a t t a i n e db yu s eo fn e wt e c h n o l o g y i ti si n c l u d ei n t e r f a c eo fw a t c ha n dc o n t r o lb yu s i n gv i s u a lb a s i c ， c o n t r o lu n i tb a s e do na t 9 0 s 8 515m i c r o c o n t r 0 1 l e ra n d s e r i a l c o m m u n i c a t i o n t h es y s t e mc a nc o n t r o lt h et a b l e st u r n i n g ，l o n gm o v i n g ， w i d t hm o v i n ga n ds p o t f i l mr a d i o g r a p h i c 。t h es y s t e mh a v eaf r i e n d l y i n t e r f a c e ，g o o dp e r f o r m a n c e ，e a s yt ou p g r a d ea n di m p r o v e k e y w o r d s ：a v r ，m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l ，o v e rt u b e t a b l er e m o t ec o n t r o l d i a g n o s t i cx r a yu n i t v i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：煎导师签名：j 逝日期： ! 一二6 1 - 海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 医用x 线机是目前医学诊断中最常用的医疗仪器之一，虽然根据临床诊断 和治疗的需要，其功能和结构相差很大，但其基本构成可分为x 线发生装置和 辅助设施两大部分： x 线发生装置是指完成x 线的产生并对其进行控制的装置。它有四个部件 组成：控制台、高压发生器、x 线球管和高压电缆。 辅助设施是指为满足临床诊疗的需要而设计的各种与x 线发生装置配套的 设施。主要有支持x 线球管的各种机械装置、安置病人进行x 线检查的各种病 床、将x 线影像转换为人可见的可视化图像的图像接收装置以及其它配套设施 在盘在宣 守奇。 根据临床检查的要求不同，可分为胸片摄影机、普通摄片机、胃肠摄影机、 心血管造影机、乳腺摄影机、牙科摄影机等等。对于以上各种不同功能的x 线 机，其辅助设施的形状和功能有很大的差别。图1 1 以普通摄片机为例，说明x 线机的基本构成。 图1 - 1普通摄片机的基本结构 置 上海大学硕士学位论文 对于胃肠摄影机，它主要用于人体食管、胃、肠道等疾病的检查。胃肠摄影 机根据x 线输出功率的大小一般可分为：2 0 0 m a 胃肠机、5 0 0 m a 胃肠机和8 0 0 m a 胃肠机等；根据操作控制方式的不同可分为：遥控x 线机( 指隔室操作，即病 床与控制台不在同房间，防止医生受到不必要的辐射) 和近控x 线机( 指医生 操作在病床边) ；根据球管与图像接装置( 如胶片盒、影像增强器、荧光屏等装 置) 的位置不同分为：上球管x 线机( 即x 线球管位于床面板之上，图像接收 装置位于床面板的下面) ( 如图1 2 a 所示) 和上球管x 线机( 如图1 2 b 所示) 。 床上x 线管式使整个诊视床结构更加紧凑，床面以上只有一个x 线管和一个机 械压迫器，显得十分干净利落，可很方便地实现普通摄影。所以这类床上x 线 管式遥控床是临床上使用最广泛的床之一。由此本课题设计上球管遥控x 线机 的微机化控制。 ( a ) 下球管遥控胃肠x 线机( b ) 上球管遥控胃肠x 线机 图1 2 遥控胃肠x 线机的基本结构 1 2 x 线机的发展 1 8 9 5 年1 1 月8 日晚，当德国实验物理学家威廉- 康拉德伦琴( w c r 6 n t g e n ， 1 8 5 4 1 9 2 3 ) ( 图1 3 ) 在做真空管高压放电实验时，发现了一种肉眼看不见、但 具有很强穿透力，并能使某些物质发出荧光和使胶片感光的新型射线，伦琴确信 这是一种人们未知射线，起名叫x 射线( xr a y 也称为x 光或x 线) 。马上伦琴 为他妻子的左手骨骼拍摄了世界上第一张x 光照片( 图1 4 ) ，由此揭示出了x e 海学学位论文 射线的强大威力，从而证明了x 射线在医学诊断应用上的使用价值。为此，伦 琴于1 9 0 1 年1 2 月1 0 同荣获首次诺贝尔物理学奖。医学家首先将x 线用于临床 诊断，利用混合荧光物质制成的荧光屏用来透视或用胶片进行摄影，以观察人体 某些组织部位主要是骨骼的正常形态、自然位置、异常病变和金属异物等情 况。当时，x 线机的结构非常简陋x 线机装置容量小、效率低、能量低、穿透 力弱，影像清晰度不高且缺乏防护。据资料记载，当时拍一张骨搞x 线片，需 用摄片时间长达4 0 6 0 分钟，结果x 线片是拍成了，但是被检查者的皮肤被x 线烧伤了 只一 蜘衄圜 嬲 图1 4伦零夫人的手骨照片 随着电磁学、电子学、高真空技术以及其他科学的发展，相继应用交流变压 器代替感应线圈的高压装置，以及热阴极x 线管的产生，使穿透能力增强，x 线机效率也随之提高。与此同时，x 线机治疗方面也开始应用。但是x 线影像 质量、检查方法、x 线效率和控制、机械结构等方面仍处于较落后的初级阶段， 三十年代初，出现了旋转阳极x 线管，x 线机在医学诊断方面的应用得到 了迅速发展。使x 线机的容量功率太为提高，x 线影像的质量和检查技术得到 改善，并能在曝光时间很短的条件下，拍摄某些运动器官进行病变检查和细微结 构的放大摄影，出现了由静态转为动态x 线检查的初步迹象。随着医疗实践对x 线诊断技术更高的要求，x 线机的结构也复杂精密。尽管如此，在x 线检查方 式、成像原理、显示手段等方面，仍然没有脱离传统的形态观察，即以检查医生 主观操作为主，并要求与被检查者的配合，进行以人体解剖学的变异为主的常规 检查。这是x 线在医学应用中的第一代。 上海大学硕上学位论文 五十年代初，随着科技的迅猛发展，影像增强器和闭路电视系统与x 线机 配套使用，x 线机的性能和诊断效果的提高出现了个飞跃的发展，此时，我国 刚刚解放，我国开始发展自己的医疗器械专业，尤其在x 线诊断设备方面，但 所生产的产品以仿造为主，生产技术比较落后，与国外相比差距较大。 六十年代以来，x 线诊断设备在控制系统( 电器部分) 和执行系统( 机械部 分) 都有突飞猛进的发展。其中，控制部分的主要趋向是追求大功率、高毫安、 高千伏，尽量缩短曝光时间，减少辐射量；执行部分的主要趋势是配合控制部分 实行自动化，在提高x 线影像图像质量的同时，由于影像增强管的发明，以及 电视摄像系统在医学上的应用，使过去传统的静态影像变为动态影像，x 线的照 射量可减少到最大限度；对医生而言，几乎做到不接触射线的照射。 随着信息科学的进展，影像学的数字化，图像存储与通讯系统( p a c s ) 和 远程放射学、进而远程医学系统，智能型计算机和工作站，计算机辅助诊断 ( c o m p u t e ra i d e dd i a g n o s i s ，c a d ) 和治疗等的进展和实用化，使“网络影像学 ( n e t w o r ki m a g i n g ) 成为可能。人工智能技术( 如机器人) ，亦将应用于影像诊 断和介入治疗的操作。 社会、心理和环境因素，对人类卫生保健的影响，对重大疾病如癌症、心脑 血管病等发生、发展的意义应有新的认识。随着社会经济和生活水平的提高，人 口老龄化，人们对健康的认识和医疗服务体系( h e a l t hc a r es y s t e m ) 的转变，广 大人民对安全、有效而微无创性诊治技术，以及对于心理、社会和环境相协调 的防治对策的需求将会不断提高。 2 0 世纪9 0 年代中期，我国已基本上形成了现代医学影像学体系，近年又有 不少新的进展。但整体上与国际先进水平仍有较大差距。 介入治疗的发展和普及应用，尤其是肿瘤、血管内( 动脉、静脉) 介入治疗 及其多种技术的综合应用等，取得了重要进展。但总的来说新技术发展较慢，而 又面临微创治疗外科( m i n i m a l l yi n v a s i v et h e r a p y s u r g e r y ) 的挑战，同时主要介 入治疗技术的规范化有待进一步解决。 基础、实验研究和新技术开发薄弱，缺少创新：与影像学诊断技术相比，工 程技术尤其是相关器械、材料的研制明显滞后。 科技事业的发展，一般可分为三个阶段： 4 上海大学硕士学位论文 一、引进、仿制为主的阶段； 二、消化、吸收、改进为主的阶段； 三、自主创新为主的阶段。 这与一个国家的社会经济发展水平及其对科技的需求和投入( 如r & d g d p 研究开发国民生产总值的比值) 密切相关。作为一个发展中的大国，我国科技 正进入或处于消化、吸收、改进为主的阶段，医学科技( 含医学影像) 也是如此。 同时，应调动生物医学工程方面的力量、条件和潜力，探索适合我国国情的 医工结合和合作途径、方式，一方面致力于诊治技术的提高、创新，另一方面抓 住重点，为研制开发高质量国产产品而努力。 1 3自动控制技术的发展 1 3 1 电力控制器件 不断涌现出的各种新型电力电子器件，使电力电子学科的发展进入了新的时 期。自进入上个世纪八十年代中期以来，由于机电一体化发展的需要，功率集成 电路和智能功率集成电路发展迅速。这使得电力电子器件被广泛用于电力系统、 交通运输、工业生产、航天国防、民用消费等诸多方面。近几十年来，电力电子 器件经历了非常迅猛的发展过程，从只能触发导通不能控制关断的半控型器件 ( 晶闸管) ，到可以控制导通和关断的全控型器件，如：双极型电力晶体管( b j t ) 、 可关断晶闸管( g t o ) 、功率场效应管( p o w e r - - m o s f e t ) 、绝缘栅极双极型晶体 管( i g b t ) 等。1 2 1 1 3 2 单片机技术 单片机全称为单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，又称微控制器 ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) 或嵌入式控制器( e m b e d d e dc o n t r o l l e r ) 。它是将计算机 的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，通常片内都含有c p u 、 r o m 、r a m 、并行i o 、串行f o 、定时器计数器、中断控制、系统时钟及系统 总线等。随着技术的发展，单片机片内集成的功能越来越强大，并朝着s o c ( 片 上系统) 方向发展。【3 l 上海大学硕士学位论文 单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著 优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得 到日益广泛的应用。 从2 0 年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器( m p u ) 技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出以 下技术特点： 8 位、3 2 位单片机共同发展。这是当前单片机技术发展的另一动向。长期以 来，单片机技术的发展是以8 位机为主的。随着移动通讯、网络技术、多媒体技 术等高科技产品进入家庭，3 2 位单片机应用得到了长足、迅猛的发展。 单片机速度越来越快。为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率 而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。一些8 0 5 1 单片机兼容厂商改善了 单片机的内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了很多， m o t o r o l a 单片机则使用了琐相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于 时钟产生器的频率。 低电压与低功耗。几乎所有的单片机都有w 础、s t o p 等省电运行方式。允 许使用的电源电压范围也越来越宽。一般单片机都能在3 到6 v 范围内工作，对 电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。低电压供电的单片机电源下限 已由2 7 v 降至2 2 v 、1 8 v 。o 9 v 供电的单片机已经问世。 低噪声与高可靠性技术。为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适 应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片 机内部电路中采取了一些新的技术措施。 i s p 及i a p 。在片编程技术( i ns y s t e mp r o g r a m m i n g ) , z ) , 在应用中编程( i n a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g ) 通过单片机上引出的编程线、串行数据、时钟线等对单 片机编程，编程线与i o 线共用，不增加单片机的额外引脚。i s p 为开发调试提 供了方便，并使单片机系统远程调试、升级成为现实。 6 上海大学硕士学位论文 1 4研究背景及内容 1 4 1 课题背景 我国广大基层医院，大中型综合性医院，防治保健单位要从根本上摆脱医用 诊断x 线机暗室人工手动操作的落后状况，就必须使用上球管遥控x 线机，全 面实现隔室自动遥控操作和明室透视诊断。 上球管遥控x 线机属于普及型多功能现代化放射诊断设备，广泛适用于胃 肠点片摄影，肺部、胸部、骨骼、头部滤线器摄影，泌尿生殖系统检查，淋巴系 统造影，静脉造影等临床诊断，对于负荷量很大的繁忙放射诊断部门尤为适宜。 在校科研启动基金资助下，于2 0 0 6 年完成了“上球管遥控x 线机的智能控 制”课题，并在c i z 海生物医学工程上发表论文一篇：上球管遥控床的智能控 制。 1 4 2 研究内容 本课题即是尝试将计算机应用于医用x 线设备的机电自动化及联动控制中。 根据上球管遥控x 线机的工作原理，将其控制线路分为控制箱线路、诊断床机 电自动化及x 线辅助设备联动控制三部分。 本课题第一阶段主要完成软件编程程序调试，第二阶硬件设备调试，完成软 件、硬件调试工作。 上海人学硕j 二学位论文 第二章控制系统总体结构 2 1x 线检查基本技术 2 1 1 透视技术 x 线透视( f l u o r o s c o p y ) 是利用x 线的穿透性和荧光作用，将被检查者置 于荧光屏( 或影像增强器) 与x 线管之间，x 线穿过人体之后在荧光屏上形成影像 并进行视读的检查方法，是一种既简便又经济的影像检查方法。其优点是：可 以同时观察器官的形态和功能状态，立即得到检查结果；在检查中还可以转动 被检查者，从不同的角度和方向观察器官的形态和动态变化：若需要记录病变 影像时，可以在透视下选择最佳观察角度进行点片摄影，供复查对照或作为教学、 科研资料保存；使用影像增强器可将荧光影像亮度输出增强几千倍，可以在明 室下透视，影像分辨力较荧光屏有很大提高，可观察细小结构和厚度较大的部位， 适于造影检查和介入治疗等工作的开展，所用管电压较高，管电流较小，利于病 人和医务工作者的防护。影像增强透视已是目前最常用的透视方法。透视具有其 他x 线检查技术所不能替代的优点，但也有影像细节显示不够清晰，若用荧光 屏透视不能留下永久记录的缺点。【7 】 2 1 2 摄影技术 x 线摄影( r a d i o g r a p h y ) 是指将被检查者置于x 线管和屏片系统( s c r e e n f i l m c o m b i n a t i o n ) 之间，x 线穿透人体后在胶片上形成潜影，再经冲沈过程获得清晰 照片影像的检查方法，得到的照片称平) ( p l a i nf i l m ) 。主要优点是：照片影像 的空间分辨力较高，影像清晰：对于较厚部位以及厚度和密度差异较小的病变 比荧光屏透视容易显示；照片可作为永久记录，长期保存，便于复查对比和会 诊：接受的x 线剂量较少，利于防护。缺点是：照片是二维影像，前后方 向的组织结构互相重叠，必要时需作两个互相垂直方向的摄影或斜位摄影；照 片仅是瞬间影像，不能实时动态观察器官的运动功能情况。【8 】 g 上海大学硕士学位论文 用。 透视和普通x 线检查的优缺点具有互补性，可以据具体情况选用或配合使 2 2胃肠x 线摄影技术 胃肠摄影又称点片摄影，是专为摄影消化道病变影像而采用的一种摄影方 式。为了较全面地摄取胃肠的活动影像，获得满意的影像清晰度，应提高主机容 量和管电压，并着重改进机械性能，因而需要可以变换位置和某种程度旋转的诊 视床，在检查过程中，可随时按需要自动改变患者位置，有的还配以电视摄影装 置，使胃肠摄影装置更趋于完善，使用更方便自如。 2 3胃肠x 线摄影床分类及基本结构 作为一台胃肠诊断x 射线机，除x 线发生装置外，其辅助装置主要是摄影 床，也叫诊视床，它是安置患者进行x 射线检查和x 射线摄影的必备装置。不 同诊视床的繁简程度差别很大，功能不尽相同，主要类型有通用床、遥控床及遥 控遥篮床等。 2 3 1 通用床 所谓通用床，是指临床应用功能较多，能完成透视、普通摄影、点片摄影甚 至直线断层摄影等诊断检查的床。这种床传动机构是由电动机带动齿轮，齿轮与 装在床一侧底下的扇齿啮合，使床面能在+ 9 0 。 - - 1 5 。范围内转动。在此范围内 可由操纵者控制停止于任意角度，也可自控停止于垂直、水平和最大负角度等位 置。 床面能电动伸出，水平位时一般向头端可伸出5 0 , - 一8 0 c m ，向足端可伸出2 0 5 0 c m 。床身回转是通过驱动电机的正、反转，通过变速器带动链条拉动床面来 完成。 荧光屏架可上下、左右、前后移动，上下移动是由平衡装置平衡的，可停于 移动范围内的任意位置。平衡装置分为内平衡和外平衡两种。内平衡装置，其荧 光屏架通过钢丝绳、滑轮等由设在床一侧的平衡锤平衡，。外平衡装置，采用一 钢丝绳将荧光屏架吊住，通过荧光屏天轨、滑轮等由床外的平衡锤平衡。荧光屏 q 上海大学硕士学位论文 的制动多采用电磁制动，也称为电刹车，即由开关控制直流强力电磁铁，将荧光 屏固定在需要的位置上。这种装置较机械制动操作方便。 一般诊视床有1 5 。的倒倾负角就已能满足多种投照的需要了，但在某些特 殊造影，如椎管、肾盂和盆腔造影时，为了得到不受其他脏器重量压迫的照片， 要求诊视床的负角度范围进一步扩大。图2 1 是一种新型诊视床，床身回转采用 双支点滑块式结构，在床回转时有两个支点，负角度可扩大至l j - 3 0 。、- 9 0 。范围 内床身绕第一支点回转，此时，床回转中心与扇形齿轮的转动中心重合，着力点 与支点之间的距离短，因而回转速度快( 3 9 。s ) ，提高了工作效率。负角度范 围内，床身绕第二支点回转，此时床身回转中心与扇形齿轮中心不重合，着力点 与支点间的距离增大，因而回转速度变慢( 1 5 6 。s ) ，有利于造影检查。 2 3 2 遥控床 图2 1 双支点滑块式诊视床 x 线电视系统的出现使图像的观察点离开了点片架，只是普通诊视床的某些 动作还需人工操作，医生还不得不留在床边工作。当诊视床的各种动作都实现了 l o 一f ：海大学硕：l ? 学位论文 电动化之后，遥控床也就形成了，所以，遥控床是x 线电视与诊视床的组合体， 并成为全部自动化的新型诊视床。 遥控床不仅床身起落、转动、床面伸缩采用电动控制，而且点片架的三维运 动和各方向锁止、点片动作、缩光器使用等，全部采用电动控制。它除具备普通 诊视床的全部功能外，负角倒倾扩大到9 0 。，回转角速度约为9 0 。2 0 s 。床面 水平时，纵向向上( 头部方向) 可移动1 2 0 e r a 以上，垂直位时，向上可移动约 5 0 c m 向下移动约l o o m ，横向还可移动2 5 c m ，并全部操作为自动化。遥控床 多配有无暗盒式点片装置，一次可装入5 0 张或更多张胶片，使医生在整个检查 过程中都不需要进入检查室，从而完全脱离了放射现场，改善了工作条件。 遥控床又分为床下x 线管式和床上x 线管式两种。床下x 线管式即普通诊 视床的模式，一般在点片装置上也设有各种动作的操纵钮，除遥控操作外也可进 行近控操作。此类遥控床由于点片装置的观察媒介和胶片到病人的距离都可以做 得很近，所以使影像放大率减小，影像清晰。缺点是点片装置的活动因距离病人 太近而有可能妨碍透视；活动时要离开病人，透视时要靠近病人，不随时纠正即 可引起影像放大。床上x 线管式是把点片装置和增强器设计在床下，使整个诊 视床结构更加紧凑。这类遥控床床面以上只有一个x 线管和一个机械压迫器， 显得十分干净利落。透视过程中病人转动时不再有点片架妨碍，且x 线管的位 置与普通摄影床x 线管的位置相同，故可很方便地做普通摄影。这类遥控床的 缺点是影像放大率较大，影像质量不如前者好，其结构如图1 2 所示。 2 3 3 遥控摇篮床 还有一种胃肠检查专用的所谓遥控摇篮床。这种床结构更复杂，首先，它采 用固定地轨和c 形滑槽，实现垂直、水平和负角倒倾( - 9 0 。) 的回转。其次，诊 视床面还可绕其纵轴回转3 6 0 。，球管和影像增强器可绕受检者转+ 9 0 。，因而 对任何方向的投照定位都很方便，其结构如图2 2 所示。 n l 上海大学硕士学位论义 图2 2 摇篮床结构示意图 2 4 胃肠点片摄影装置 在胃肠透视情况下，发现具有诊断价值或需要记录的病灶时，能够及时而迅 速地把它拍摄下来，用以完成此功能的装置就是胃肠摄影装置，又名“适时摄影 装置 或“点片摄影装置”。除能拍摄单片外，也可以连续地摄取不同位置的 2 4 张胶片，用以观察胃肠病灶和蠕动功能。胃肠点片摄影装置通常是与透视 荧光屏组合在一起，其结构繁简各异，简单的是在荧光屏后面设置一个片夹，透 视时将片夹拉至旁边，并预先放好装于增感盒内的胶片，需摄影时将片夹拉入荧 光屏后面，按下摄影按钮即可进行拍片。较复杂的一种是在进行胃肠摄影时，胶 片架自动进入架槽。其传动机构有手动的，亦有液压式、电动机式等。为提高胃 肠摄影的清晰度，可利用压迫器和滤线器，这种滤线器在胃肠摄影前，要移到荧 光屏后摄片位置方可摄片。1 1 2 1 2 4 1 胃肠点片摄影装置的结构及使用 此装置主要是由显示影像的荧光屏，安置摄影胶片的暗匣，调节视野的遮光 器，提高摄影清晰度用的集光筒，滤线器，压迫器和控制按钮等部件组成的，它 的机械结构有传动机构，送片机构和平衡机构等。 1 2 上海大学硕士学位论文 j一 。 一一 o j 一- j - - 。一- - 一 一磊，：量一0 f 鸯。 j ；虢若兰薹i 下匪畜 2 一一毽b乏每! j 上一一藤 产豇oj ! + l 二谜塞薹坠蔓攫刿 ；：；i 一一 竺_ o l f j ：m 。_ = ：= = ：= = 二王= 二：二一二五一，o 二警 “下怔1 _ 一一= 7 一一一一一 图2 3暗盒式胃肠摄影装置 说明： ( 1 ) 点片选择器 ( 2 ) 床位选择开关 ( 3 ) 床身转动自复位开关 ( 4 ) 床面升降开关 ( 5 ) 束光器控制开关( 纵) ( 6 ) 束光器控制开头( 横) ( 7 ) 大片摄影手开关 ( 8 ) 透视按钮 ( 9 ) 室灯开关 ( 1 0 ) 滑车制动开关 ( 1 1 ) 电源开启按钮 ( 1 2 ) 电源切断按钮 ( 1 3 ) 铅橡皮防护屏 ( 1 4 ) 荧光屏 ( 1 5 ) 送片手柄 ( 1 6 ) 暗匣上夹 ( 1 7 ) 暗匣下夹 ( 1 8 ) 压迫器 ( 1 9 ) 压迫器拉杆 ，争曩刚一。；一尹。一融圳川；曩。锄：。， 上海大学硕士学位论文 ( 2 0 ) 送片长槽盖板 ( 2 1 ) 暗匣高度标尺 ，( 2 2 ) 定位板 ( 2 3 ) 活动指构 ( 2 4 ) 轴承座 ( 2 5 ) 防咳板 ( 2 6 ) 急停开关 ( 2 7 ) 指示灯 透视胃肠摄影装置是诊断用x 线机上使用最为频繁的部件之一。荧光屏架 在诊断操作过程中，需要随时沿床面作上下( 升降) ，前后( 压迫方向) ，左右( 横向) 移动，以便选择最适合的诊视视野。中，大型x 线机的荧光屏架，一般是装于 立柱的悬臂上，或装于无轨的牵引索上，或装于电动诊视床的导轨上，借各个导 轨的导向作用，保证了荧光屏上下、左右，前后的移动。有些机器前后、左右运 动是通过荧光屏架上分支导轨来实现的。 图2 3 是有暗盒式胃肠摄影装置和荧光屏架的外观图。从图中可见，在胃肠 摄影之前，先将装有胶片的增感暗盒放于片盒架内，此片盒架位于铅板保护的后 面，因而胶片不会因透视而感光。在进行胃肠检查时，压合透视按钮或脚闸，用 可变遮光器来控制x 线照射面积，进行透视观察。当需要立即摄影时，用制动 装置将荧光屏固定，移动片盒架至荧光屏后面，按下胃肠摄影按钮瞬间抬起时， x 线进行曝光。第一片胃肠摄影结束后，将片盒架从荧光屏后拉出，如需要再次 进行摄影时，可仍按上述程序再次进行操作。同时进行胃肠透视或摄影时，常常 需要诊视床有各种不同的倾斜角度，此时可用床垂直按钮或水平按钮进行控制。 为使所摄的影像满足诊断上的要求，还在荧光屏背面一侧装有压迫器，需要时将 其拉入荧光屏后面，在透视条件下观察，将压迫器对准需拍摄的病灶，即控制了 照射视野，从而提高了影像的清晰度。 2 4 2 胃肠摄影装置的种类 根据胃肠摄影装置送片机构的差异将其分为如下两种： 一、有暗盒式胃肠摄影装簧 1 手动控制胃肠摄影装置该装置是利用操作人员来回拉动手柄，带动暗盒 进行单片或多片的胃肠摄影。 2 电动控制胃肠摄影装置该装置是利用电机来带动暗盒来回走动，用以完 1 4 上海大学硕士学位论文 成各类型的胃肠摄影。 二、无暗盒式胃肠摄影装置 该装置利用电机带动胶片进入指定位置来完成各类型的胃肠摄影。该装置可 配上遥控系统和电视系统，使操作人员可以隔室操作，避免受到x 射线的辐射。 同时，该装置配以摇篮床，可适应各种体位的胃肠透视和摄影，是先进的胃肠摄 影专用机。 该装置的储片盒一般可一次装入5 0 张同一规格的胶片。工作时，吸盘从储 片盒拾取一张胶片送入传片机构，将胶片传送到在等待位置张开的增感屏之间， 点片命令发出后，增感屏央紧胶片并按预定分割方式将胶片传送至曝光区，进行 曝光。曝光后增感屏打开，胶片退出，传送到收片盒。收片盒能接受5 0 1 0 0 张 胶片。待所有病人检查完毕，取下收片盒，对胶片一起处理。传片机构对胶片的 尺寸、形状和厚度都有严格规定，不符合规定时容易引起卡片。有的装置可同时 装有两个不同尺寸胶片的暗盒，称双通道装置：有的在同一通道可使用两种尺寸 的胶片，但收片盒是共用的可接收来自任何通道和不同尺寸储片盒送出的胶片。 无暗盒传片系统的结构和传片路径如图2 4 所示。 图2 - 4 无暗盒式传片机构示意图 上海大学硕士学位论文 2 5床电器的总体结构 上球管遥控诊视床是医用x 线机组的主要组件，主要功能是保持受检者的 各种检查体位，支持x 线球管头组合体和点片摄影检查装置，通过主机系统的 控制完成各种常规x 线摄影检查。 上球管遥控诊视床的工作原理见图2 5 。床身能作垂直一水平一倒倾的转动； 点片装置滑车架沿床身纵向转动；床面作横向移动；压迫器相对床面作垂直移动； x 线管管头组合件与点片摄影检查装置保持中心一致，对受检者进行各种规格的 点片摄影；影像增强器系统与点片摄影检查装置联结，将对人体进行检查的x 线透视图像转换及传输在电视监视器屏幕上显示，实现x 线遥控隔室操作检查。 图2 5 上球管遥控诊视床的工作原理 床运动控制电路结构框图如图2 - 6 所示，利用床身回转马达和床面纵向移动 马达的控制电路，点片装置的横向、纵向和前后向运动马达，通过床运动逻辑控 制板及反馈回来的限位信号( 床身、床面和点片装置的上下、前后、左右限位信 号) 来控制这五个马达有序地运动( 硬件互锁控制) ；将床运动和点片装置限位信 号通过床运动逻辑控制板和接口板输入到微机，由软件来控制床和点片装置马达 的有序运动：近控操作按钮信号也通过接口板输入到微机，然后通过输出接口、 床运动逻辑控制板和床运动马达驱动板控制床和点片装置的运动：上位机遥控操 作信号经r s 2 3 2 发送到a t 9 0 s 8 5 1 5 单片机，控制系统。 1 6 上海大学硕士学位论文 床和点片装置的限位信号 上 警 7 j p 鹌燃动扳h 床运动的驰 位 量 鹤 兽 监 甘 控 茸 点片。装置驮驰动扳h 点片装置鹇达 软 机 件 系 统 床和点片装置的控制信号 图2 - 6 床运动控制电路结构框图 1 7 上海大学硕j ：学位论文 第三章基于a t 9 0 s 8 5 15 控制系统的硬件系统 上球管遥控床是一种诊断类设备，利用x 线穿透人体成像，反映人体组织的 密度变化，显示的是脏器的形态，不显示各器官的功能。它主要用于胃肠道的透 视和点片摄影，也可以兼做其它部位的透视和摄影1 1 。伴随着医学影像诊断设备 的不断发展，胃肠点片设备已由原来的荧光屏式透视逐步被影像增强电视系统所 替代，随之而来的就是遥控诊视床取代一般诊视床。如此发展，有效的降低了医 务工作者和病人的受照射剂量，也使得胃肠道检查由暗室走向了明室，由近台操 作转向了隔室遥控操作。遥控诊视床将影像增强器、x 线电视和诊视床合理的结 合在一起，实现全部自动化，给医院的胃肠道检查带来了极大的方便。 3 1 上球管遥控床的结构和实现的功能简介 3 1 1 上球管遥控床的结构 上球管遥控x 线机一般由x 线球管装置、高压发生器、控制装置、遥控诊视 床及影像增强电视系统，辅助机械装置和一些外围设备构成。上球管x 线机是把 点片装置和影像增强电视系统置于诊视床下，把x 线管置于床上，虽然整个床身 显得比较笨重，但是这种结构容易实现，床面上只有x 线管和一个机械压迫器， 使整个诊视床的结构更加紧凑、合理，系统工作的稳定性能要比下球管x 线机的 高，床上空间开阔，方便病人活动，透视过程中病人转动身体灵活，不会受到点 片架的妨碍。它的缺点在于不利于x 线的防护，图象的放大率比下球管式x 线 设备的要大。因为它的功能比较齐全，现在使用的大多数遥控床都属于上球管x 线管方式。 遥控诊视床的床身转动和床面移动功能和普通诊视床相同。其中，床面板移 动又分为床面板的纵向移动和床面板的横向移动。 3 1 2 床身转动及床面移动的实现 床身转动的实现，按照行业标准y y 0 0 0 7 0 0 0 9 - - 9 0 规定，要达到1 ： 上海大学硕士学位论文 ( 1 ) 身转动应平稳； ( 2 ) 床身的转动范围为：直立水平不小于负5 度； ( 3 ) 再转动范围内应能随意调节床身的倾斜位置，再顺逆方向回转时直立， 水平和最大负角度均应能自动定位，并在直立和最大负角度应能自动限位： ( 4 ) 床身转动操作必须采用常断式开关。 。为了能适应各种角度的胃肠道检查，即是使病人喝下的钡剂能充盈整个食 道，在对诊视床的设计中，一般能要考虑使床身能在- - 4 5 0 + 9 0 0 范围内转动， 它的结构，是通过“差动可变支点结构”来实现的。 床面移动作为上球管遥控床的一项重要功能，是为了完成让射线中心对准医 生感兴趣部位，从而获得所需图象的目的而设计的。床面移动一般分为床面纵向 移动和床面横向移动。根据临床诊断的需要，x 线机的遥控诊视床的床面可朝头 端伸出8 0 0 r a m ，脚端o m m ；床身回转应可从直立位头朝上+ 9 0 0 到水平位0 0 ，再从 水平位0 。转到直立位头朝下- 9 0 0 ，但此时，如果床面在头端8 0 0 m m 的极限位时， 为了保护床下的影象增强器，则床身不能从0 0 倒倾至- 9 0 0 。此控制由a t 9 0 s 8 5 1 5 单片机通过软件编程实现，其控制线路如图3 - i 所示： 图3 - 1 遥控床自动控制原理图 1 9 上海大学硕士学位论文 图中p a 口为输出口，输出信号驱动控制继电器：p b 口为床面纵向移动控制 开关及限位开关输入口；p c 口为床身转动控制开关及限位开关输入口：p d o 、p d l 口为接收、发送的通讯口。具体地址分配如下： s 0 1 ：床面上升开关s 0 3 ：床面上升8 0 0 r a m 限位开关 s 0 2 ：床面下降开关s 0 4 ：床面下降o m m 限位开关 $ 2 0 ：床身反转开关s 2 1 ：床身正转开关 s 2 2 ：床身9 0 0 限位开关$ 2 3 ：倒倾- 1 2 0 限位开关 s 2 4 ：床身o o 限位开关 r s i o ：床面下降继电器r s l l ：床面上升继电器 r s l 2 ：床身反转继电器r s l 3 ：床身正转继电器 由于遥控床的控制由软件实现，因此主回路就非常简单。如图3 2 所示： z d 图3 - 2 床体运动主回路 上海火学硕士学位论文 3 2 点片摄影装置的总体结构 3 2 1 点片摄影装置内部控制电路 上球管遥控诊视床的点片摄影装置，采用单片机技术控制点片摄影程序，使 点片摄影分割精度达到十分之一毫米级，而且使点片摄影传动系统结构简单，摒 弃了所有机械式的定位方式，可以做到任意分割尺寸摄片性能。 1 、控制电路结构框图如图3 - 3 所示： 介绍各电路板之间的连接。 图3 - 3 控制电路结构框图 2 、位置设定电路原理框图如图3 4 所示： 功能：由于点片架的各个拍片位置与各电压信号一一对应。因此，只要控制 了各个拍片位置对应的电压，再由计算机控制送给伺服控制电路，就能实现点片 架的全自动跟踪。 2 l 上海大学硕士学位论文 l 位置设定电压产生 i i 直 克 堕 荚 i桃井亡- 信号。 狠 莸 + 输 马 篓 出 盘 u i 替 i位粤位信号7 弱 ：i枣载信号 1 i i ii 图3 4 位置设定电路原理框图 3 、输入输出接口电路原理框图如图3 - 5 所示： 主要特点：输入输出信号经光耦隔离，提高了抗干扰能力。其中：有驱动信 号控制电路的工作；有到位信号输出，便于计算机逻辑控制。 图3 5 输入输出接口电路原理框图 2 2 上海大学硕士学位论文 4 四分割摄影过程： 此x 线机诊视床可实现8 1 0 ，1 0 1 2 ，1 1x 1 4 ，1 4 x 1 4 英寸片规的整张、二分 割、四分割的拍片。现以8 1 0 英寸片规的四分割为例，说明摄影的过程，如图 3 - 6 所示。 当按下曝光按钮后，其第一档为曝光准备。送片架需移动至准备位，并给出 到位信号；光栏板打开，并给出到位信号；束光器打开，并给出到位信号。同时， 切断透视回路，x 球管的灯丝也由小焦点变化为大焦点，为摄影作好准备。所有 这些变化在o 8 秒之内完成。接着，第二档为曝光。送片架从准备位至曝光位， 完成第一次摄影，松开曝光按钮，然后，退回准备位，准备进行第二次曝光。第 二次按下曝光按钮，送片架从准备位至曝光位，完成第二次摄影，松开曝光按钮， 然后，退回准备位，准备进行第三次曝光。如此直至完成四次摄影。 上海火学硕：【学位论义 图3 6 例程：拍摄四分割片流程图 2 4 上海大学硕：1 ：学位论文 4 。夹片架( 暗盒滑车) 水平移动的定位控制 整个拍片过程由微机程序控制，微机将拍片过程中夹片架所要到达的位置信 号通过接口板送入位置设定板，产生相应的位置设定电压输送给d c 伺服放大电 路，另外与马达同步的高精度电位器产生的反馈电压也送入d c 伺服放大电路， 经过比较放大后，由加法电路叠加1 5 v 电压后( 此电压可消除直流伺服马达转 动的死区) 输送给功率放大器，最终控制马达传动央片架。 另外一路经过比较放大的信号经6 0 倍的同相放大后与2 v 阂值电压比较，若 此电压小于2 v 则认为是到位，由此产生到位信号和到位指示，到位信号通过位 置设定板和接口板送入微机，微机经过处理后输出驱动停止信号通过接口板和位 置设定板，控制比较放大器输出为零，使马达停止工作。其控制电路原理框图如 图3 - 7 所示： 图3 - 7 直流伺服马达控制电路原理框图 功率放大部分有过流检测电路，实时检测供给马达电流的情况，当夹片架被 卡死或功率放大管击穿而导致过流的情况下，过流检测电路将输出两个信号，第 一个信号控制功率放大电路停止工作，第二个信号产生过载指示和过载信号通过 位置设定板和接口板送入微机，经微机处理后，指示出故障情况。 5 夹片架定位精度计算 d c 伺服放大电路对于设定电压和比较电压的模糊区电压为：2 6 0 = o 0 3 3 v 广l 上海大学硕士学位论文 夹片架的最大行程为4 3 5 m m ，高精度电位器在此最大行程中的电压变化范围 为2 4 v ，则每毫米检出的电压为：2 4 4 3 5 = 0 0 5 5 ( v m m ) 由此可得模糊区长度( 即定位精度) 为：0 0 3 3 0 0 5 5 = 0 6 m m ( 国外同类产品的定位控制精度为0 9 m m - i 3 m m 。) 6 夹片架垂直移动定位控制 在拍摄四分割片和上下两分割片时，要求夹片架带动暗盒作垂直移动。夹片 架的垂直移动有三个定位点：一是暗盒下移作上半张的拍摄时，暗盒上半张垂直 中心与影像增强器的垂直中心重合；二是暗盒上移作下半张的拍摄时，暗盒下半 张垂直中心与影像增强器的垂直中，t l , 重合；三是拍摄整片和左右分割片时，暗盒 的整片垂直中心与影像增强器的垂直中心重合。控制夹片架垂直移动的d c 伺服 马达也是由d c 伺服控制电路来实现的，原理同水平控制。 3 2 2 光阑板移动定位控制 光阑系统在点片摄影装置中是起摄片限位的作用，限制照射野，使x 线图像 边缘清晰整齐。故在拍摄各种规格的胶片时，必需将光阑板从准备位移动到摄片 位后才可以曝光。控制光阑板移动的d c 伺服马达也通过d c 伺服电路来控制。 驱动电路原理图如图3 - 8 所示： 图3 - 8 驱动电路原理图 k 1 ：光栏打开3 5 8 m m 限位丌关 k 2 ：光栏关闭o m m 限位开关 r s i i ：光栏板打丌继电器 r s l 2 ：光栏板关闭继电器 2 6 上海大学硕士学位论文 第四章软件系统 上球管x 线机监控系统系统主要应完成的功能有：床身转动、床面的纵向移 动、床面的横向移动、夹片架的运动、光栏板的运动、束光器的运动、压迫器的 运动等功能，如图4 - 1 所示。 通过上位机界面与下位机的控制系统，实现上下位机之间的数据交换，主要 实现了床身转动、床面的纵向移动、床面的横向移动：而夹片架的运动、光栏板 的运动、束光器的运动、压迫器的运动只是实现了近控操作，但在上位机的监控 系统中也设置了控件，以便系统进一步改进。下位机部分主要负责接收上位机发 出的指令，对它们进行判定和识别，完成实际运动并向上位机发出反馈信号。 图4 1 上球管遥控床的监控系统功能图 4 1a t m e l 公司的a v r 单片机 a t m e l 公司的9 0 系列单片机是增强r i s c 内载f l a s h 的单片机，通常简称为 a v r 单片机。 a t m e l 公司是世界上著名的高性能、低功耗、非易失性存储器和数字集成电 路的一流半导体制造公司。a t m e l 公司最令人注目的是它的e e p r o m 电可檫除技术、 闪速存储器技术、质量、高可靠性的生产技术：在c 。m s 器件生产领域中，a t m e l 的先进设计水平、优秀的生产工艺及封装技术，一直处于世界的领先地位。这些 技术用于单片机生产，使单片机也具有优秀的品质，在结构、性能和功能等方面 都有明显的优势。a t m e l 公司的单片机是目前世界上一种具有特色而性能卓越的 2 7 圭塑盔兰堡兰垡堡苎 _ - - - - _ - _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ 一一一一 单片机，它在自动化工业控制、仪器仪表、医疗器械等产品中都有着广泛的应用