（测试计量技术及仪器专业论文）基于mcp技术的低剂量数字x光机.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 自1 8 9 5 年伦琴发现x 射线，产生第一幅人手掌骨骼透视图像以来，x 线放射 成像技术已经成为现代医学诊断领域的一个重要分支。但是，x 射线入射人体后 被吸收所产生的生物效应对人体有损害。一般来说，小剂量对人体无大损害，而 大剂量可导致组织细胞破坏及血液系统等发生病变。 基于m c p 技术，利用微通道板的光电倍增原理，x 线机得以从暗室中解放出 来，而且辐射剂量大大降低。经过m c p 之后入射到荧光羼上的影像摄入图像数字 化装景，将图像信息存储在计算机的存贮器中。在嵌入式w i n d o w s 2 0 0 0 平台下实 现数字图像的处理。包括：排序检索、放大缩小、旋转翻转、窗位窗宽调节、灰 度均衡、叠加平均、数字滤波等。计算机处理后的影像，可由液晶显示屏直接显 示、也可由打印机编辑打印出诊断报告、也可通过信号线传输给其它影像设备中 心。 本论文主要介绍基于m c p 技术的便携式数字x 光机的系统原理、结构组成和 实现方法，以及在实际应用中的问题和解决方法。 关键词：x 射线损害、m c p 技术、低剂量、数字图像处理 浙江丈学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n e et h ef i r s tx - r a yi m a g eo fp a l mc a m ei n t oe x i s tw h e nw c r o t g e n f o u n dx - r a yi n1 8 9 5 ，x - r a yr a d i o l o g yh a v eb e e nab i ga n di m p o r t a n tb r a n c h i nm e d i c i n e b u t ，t h eb i o l o g i c a ld o m i n oo f f e c to fx - r a ya b s o r b e dw i1 1d o h a r mt o p h y s i o l o g i c a lh e a t h g e n e r a l l ys p e a k i n g 1 e s sd o s a g e w i l lb e r e l a t i r e l y s a f ea s c o m p a r e d w i t h l a r g ed o s a g e ，w h i c hm a y i n d u c e p a t h o l o g i c a lc h a n g e si n t h ec e l l st i s s u ea n dt h eh e m a ls y s t e m t a k i n ga d v a n t a g eo fp h o t oe l e c t r i c i t yi n t e n s i f i e r ，x - r a yi i b e r a t e d f r o md a r k r o o m ，a n dt h e d o s a g e r e d u c e d g r e a t l y t h ei m a g e o fx - r a y f l u o r e s c e n c et h r o u g ht h em c pi sd i g i t a l t h ei n f o r m a t i o no ft h ei m a g ei s i nt h ee m b e d d e dc o m p u t e r sm e m o r y a f t e rd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，t h e i m a g ec a nb ed i s p l a y e do nt h es c r e e n ，t h ed i a g n o s i sr e p o r tc a r lb ep r i n t e d o re v e ni tc a nb et r a n s f e r r e dt oo t h e ri m a g ed e v i c e s r h i st h e s i s m a i nt a r g e ti si n t r o d u c i n gt h et h e o r y ，a r c h i t e c t u r ea n d r e a l i z i n g m e t h o di nt h ep o r t a b l ed i g i t a lx - r a yb a s e do nm c p ，a n dd i s c u s s i n g s o m ep r o b l e ma n dm e t h o di np r a c t i c a l i t ya p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：x - r a yh a r m ，m c pt e c h n o l o g y ，l e s sd o s a g e ，d i g i t a li m a g ep r o c e s s h 浙江大学硕士学位论文 第一章x 线技术概述 1 i ix 线透视原理 1 1 系统开发的背景 1 8 9 5 年德国的物理学家伦琴在一只嵌有两个金属电极( 阴极和阳极) 的真空 玻璃管两端电极上加上几万伏的高压电时，发现在距玻璃管两米远的地方，一块 用铂氰化钡溶液浸洗过的纸板发出明亮的荧光。当用手去拿这块纸板时，竟在纸 板上看到手骨的影像。当时伦琴认定：这是一种人眼看不见、但能穿透物体的射 线。因当时无法解释它的原理和性质，故借用了数学中代表未知数的“x ”作为代 号，称之为x 射线。 现在我们已经知道，x 线实际上是一种波长极短、能量很大的电磁波。医学上 应用的x 线波长约在0 0 0 1 - - 0 1 n m 之间。x 射线穿透物质的能力与射线光子的能 量有关，x 线的波长越短，光子的能量越大，穿透力也越强。x 射线穿透力也与物 质密度有关，密度大的物质对x 线的吸收多，透过少：密度小者吸收少，透过多。 利用差别吸收这种性质可以把密度不同的骨骼与肌肉、脂肪等软组织区分开来， 这正是x 线透视和摄影的物理基础。 1 1 2x 线剂量与对人体伤害 x 射线自发现以来使用至今已有1 0 0 多年的历史，在科研、医疗和工业上的 应用已十分广泛。由于它穿透力强，工业上可以用于探伤，医学上也可用于透视 检查人体内部器官。x 线在医学中的应用主要有两个方面：l 、x 线治疗：依据其 生物效应，应用不同的x 线对人体病灶部分的细胞进行照射时，即可使被照射的 细胞组织受到破坏或抑制，从而达到对某些疾病、特别是肿瘤的治疗作用。2 、x 线诊断：利用人体各器官的密度不同所吸收的x 线不同，在荧光屏上或摄影胶片 上引起的荧光作用或改观作用的强弱就有较大的差别，因而在荧光屏上或摄影胶 片上将显示出不同密度的阴影。根据阴影浓淡对比结合临床表现、化验结果和病 理诊断，即可判断人体某一部分是否正常。但同时，x 线的副作用也是很明显的： 当x 线照射到生物体时，可以直接破坏肌体内某些大分子结构，如蛋白分子链断 裂，核糖核酸或脱氧核糖核酸的断裂，破坏一些对物质代谢有重要意义的酶等， 甚至可以直接损伤细胞结构。x 线对人体细胞的损伤，可导致人体脱发、皮肤烧 浙江大学硕士学位论文 伤、视力障碍、白血病等。x 线对生殖细胞的损伤则会影响到受照个体的后代， 产生遗传效应。所以为了尽量减少x 线机给操作人员造成累积性放射损伤，医院 常规的x 线机必须在防护室内使用 x 射线是一种电磁波，属于不可见光。但其辐射吸收率极高，它在穿透皮肤、 肌肉等软组织的同时，被组织接收的辐射能量很强，足以将肌肉组织中的电子撞 击出围绕原子核运行的轨道，产生不稳定的分子。进而生成对于人体有危害的自 由基。辐射能量还能直接引起染色体破裂或基因突变，甚至导致癌症的发生。从 事专职x 射线工作的人员，即使防护条件非常完善，也会因长期接触的积累受到 伤害。因此，必须严格按照人体可按受的容许剂量来工作，以免发生职业性损伤。 上海医科大学附属放射医学研究所曾进行过全国性的调查，得出长期从事放射工 作的医务工作者因长期接触及积累，遭受了较大剂量的x 射线辐射。特别是对于 急诊时不便于防护、时间紧迫不允许实施良好防护、长时间在x 射线辐照下进行 整骨、插管、寻取异物操作等情况下，会承受超剂量的射线辐照，因而遭致严重 的射线损伤。严重时会形成溃疡，并转变为鳞状上皮细胞癌。为此，每年都有许 多优秀的放射工作者因受到放射性损伤而不得不改行，有的甚至献出了宝贵的生 命，给个人和国家带来莫大的损失。 为了保证工作人员和被检查者的安全，必须特别注意各种防护设备的设置和 防护制度的制订、实施和检查。国际及国内对x 射线量早已有具体规定。我国电 离辐射的最大容许剂量每天不得超过o 1 2 9 x1 0 c 一k g ，在特殊情况下每周剂量不 得超过0 7 7 4 xl o c k g 。如果仅局部受到照射者，如手、足等处，每周的容许剂 量可以增至5 倍。即3 8 7 x1 0 c 1 k g 。但对于眼、生殖腺、造血系统等敏感器官， 决不宜超过每周0 7 7 4 l o c “k g 剂量。 1 i 3 低剂量x 线技术 传统的x 线透视是将穿透人体的x 线转交为有明暗图形变化的荧光图像，为 了得到较好的图像，必须加大x 线的强度，以改善信噪比，但是x 线对于人体是 有损伤的。因此在低辐射剂量下得到好的图像是新一代x 线机的重要技术动向。 利用m c p ( m i c r oc h a n n e lp l a t e ，即微通道板) 的光电倍增原理，可以设计 出低剂量辐射的x 线诊断仪。微通道板是为满足军用夜视仪需要而发展起来的一 种新型电子倍增器件，是一种多通道的玻璃薄片。在显微镜下可看到板上布满了 规则的微细通孔，开口面积占总面积的6 0 9 6 以上，称为通道式电子倍增阵列或微 电路板。它采用微小焦点( o 2 5 ) x 线管，最高工作电压不太于8 0 k v ，最大工作 电流( 阳极电流) 小于0 1 8 m a ，主射线的剂量小于1 5 r m i n 。如用银光阑将有用 射线限制在观察范围内，荧光屏外围和操作者防护区的辐射曩远小于国家标准， 病人直接受到的辐射量也极小。所以。利用m c p 技术设计的x 线诊断仪对医务人 员和病入都是十分安全的。 浙江大学硕士学位论文 1 2 医学图像处理的数字化 1 9 8 1 年6 月在布鲁塞尔召开的第1 5 届国际放射学术会议首次提出数字化x 射线成像技术的物理学概念及临床应用价值，揭开了医学影像技术与计算机技术 密切结合的序幕。时至今日，医学的迅猛发展，对于影像诊断的需求也e ：i 益增长， 以至t 9 9 7 年在美国芝加哥召开的第8 3 届北美放射学会( r a d i o l o g i c a ls o c i e t yo f n o r t ha m e r i c a ，r s n a ) 年会上，许多学术千物对年会的报道及述评中，纷纷以 “i m a g ei se v e r y t h i n g ”( 影像就是一切) 作为口号。参会的许多资深专家均认为 x 射线影像的数字化是医学影像技术中最新、最热门及最重要的技术进展。 医学影像的数字化，主要是指医学影像以数字方式输出，使这些影像数据得 以直接利用计算机强大的高速运算处理能力，方便、快速地进行存储、处理、传 输、显示。由于影像技术与计算机技术相结合给医学影像带来了革命性的变化。 医师在观察人体脏器图像时，把他具有的解剖学、生理学和病理学的知识与 从图像所获得的特征和细节结构信息相对比，以判断是否有异常。医学图像所含 信息量的多少、图像质量的好坏、特征信息是否突出对医师能否f 确诊断是非常 重要的。医学图像的处理目的就是对成像系统输出图像通过各种方法和手段进行 优化处理提高图像的整体质量突出特征信息，改善描述图像的各项因素，尽可能 地把图像中所包含的而又不能为人眼分辨的信息展示出来。 数字图像处理系统的工作过程一般包括= l 、图像输人设备把一幅连续图像转 换为适合计算机处理的数字信号并输人计算机。2 、针对原始图像及所需改善的图 像参数采用各种算法对数字图像进行各种变换和处理运算，以达到预期的处理结 果。3 、实现图像数据文件的存贮，以满足以后的调用需要。4 、实现处理后的图 像输出。相对于原始图像来说，在图像转换、输入、处理、输出一系列过程中， 多数会产生信息丢失，一个优良的图像处理系统，其信息损失量必须保持在可容 忍的范围内。图像处理的意义和重要性在于把原始图像所具备检测能力尽可能地 体现出来而为直观视觉检测或其它方式的检测所接受，也就是说图像经过处理后 其结果对某种特定的应用来说比原始图像更适合于人眼的视觉特性或仪器的分析 和识别。这就是突出所需要的某些信息、削弱或除去某些不需要的信息、提高信 噪比、提高图像质量的理论依据。 长期以来，人们都在努力改善、创新成像技术，以求获得高质量的医学图像， 同时人们也不断探索对已获得的图像进行处理，以改善图像的质量。从早期的模 拟图像处理到近期的数字图像处理，充分证明图像处理工作的成效是很大的。往 往能达到事半功倍的效果。微型计算机在处理速度、存贮容量等各方面性能上的 飞速发展，使微型计算机医学图像处理系统能把成像和处理有机结合起来，能实 现操作自动化、管理自动化、诊断自动化，能实现从二维平面图像到三维动态重 构，实现图像的实时处理，并且成本低、操作容易、体积小，是当前医学图像处 理发展的主要方向。 3 浙江大学硕士学位论文 1 。3 1 低剂量 1 3 课题的提出及任务 人眼无法直接看见x 射线，只有将它转换成可见光或摄成底片加以观察。传 统的x 射线转换的量子效率随波长不同，一般仅0 1 一3 左右，为看清转换屏上 的图像，只好提高x 射线管电压，普通x 光机要用十几到几十万伏高压，机器相 当笨重，x 射线剂量大，对被检查者和操作人员身体健康都有伤害。近来医学研 究证实，大剂量x 射线照射后会引起白血球减少，毛发脱落甚至致癌，因此，婴 儿和孕妇的x 透视检查受到限制，对x 光机的操作人员的防护也变得十分重要， 即使在这样的高压下，屏幕的亮度仍难尽人意，必须在暗室中才能观察。 本课题利用一种新型的电子倍增器件，用它可将x 射线转换屏上的图像亮度 增强数千倍，变暗室观察为明室观察；并把x 射线的剂量降为原剂量的1 - 0 17 6 ， 实现x 射线仪的重大变革，该器件的核心元件就是x 射线像增强器用微通道板。 1 3 2 数字图像处理 数字图像处理即用计算机对图像进行处理。其主要目的是改善图像质量，使 图像更加清晰。数字图像处理技术出现在本世纪6 0 年代末，计算机数字图像处理 技术提供了一种精确、灵活、通用的工具，从而极大地拓宽了图像处理的应用领 域。微机性能价格比的飞速发展与提高，更给数字图像的计算机处理推向普及与 应用创造了条件。光学图像、照片以及人的眼睛看到的一切景物图像，都是模拟 图像，这类图像无法直接用计算机处理。为了使图像能在电子计算机中作处理运 算，必须将模拟图像转化为离散数字所表示的图像，即所谓的数字图像。将模拟 图像转化为数字图像的过程称为图像数字化。这一过程是图像处理技术的基础， 一般图像数字化包括下列两个步骤：1 抽样：将二维空间图像上的连续亮度信息 ( 即灰度) 转化成离散的抽样点( 即象素点) 。2 量化：就是把抽样后每个象素点的亮 度值离散化使其成为有限个整数值( 一般为o - 2 5 6 个灰度值) 。把一个象素点，由 黑色渐变为灰色渐变为白色的连续变化的亮度值量化为o - 2 5 6 个灰度值，( 每个象 素用一个字节来储存量化后的信息即8 b i t ) ，量化后的灰度值即反映了对应象素 点的亮度明暗值。 对于传统x 射线透视检查系统，由于系统工作在暗室条件下，荧光屏成像 亮度非常低，对于这种状况，采用了高灵敏度( 所需照度仅为0 0 2 勒克斯) ，高清 晰度的固体阵列摄像管摄取图像，并在处理方式上采用多幅叠加的方法获得了较 为满意的数字图像，使传统的x 射线透视检查系统可以达到昂贵、庞大的x 光电 视系统的效果，一方面避免了医师受到较多剂量x 射线辐射。一方面实现了低档 4 浙江大学硕士学位论文 x 光诊断机的功能扩展和升级。 医学领域图像处理的主要技术方法与作用大致有以下几个方面 1 黑白图像的灰阶处理： 2 图像的频谱处理： 3 图像信息资料的储存： 4 实时图像信息的传输； 5 图像自动识别。 1 3 3 嵌入式系统技术 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁 剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系 统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具 体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高 度分散、不断创新的知识集成系统。它主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、 嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成。用于实现对其它设备的控制、监 视和管理等功能，它通常嵌入在主要设备中运行。嵌入式系统是集软件、硬件于 一体的高可靠性系统。嵌入式系统麻雀虽小，五脏俱全；软件除操作系统外，还 需有完成嵌入式系统功能的应用软件，硬件除了c p u 外，还需有外围电路支持， 微处理器、微控制器、d s p 已构成嵌入式系统硬件的基础。嵌入式系统的发展离 不开应用，应用的共同要求是系统资源开销小，由于嵌入式系统技术日益完善， 各种高性能嵌入式应用系统层出不穷，它已是资源丌销小的高性能价格比的一类 应用系统。为了满足系统资源开销小、高性能、高可靠性的要求，大多使用f l a s h m e m o r y 。嵌入式系统是功能强大、使用灵活方便的系统。嵌入式系统应用的广泛 性，要求该系统通常是无键盘、无需编程的应用系统，使用它应如同使用家用电 器一样方便。 本课题的任务是综合以上各个因素，研究一种便携式、低剂量的x 线机。它 是一个以m c p 技术、嵌入式系统技术、图像处理技术为基础的新型医学仪器。 浙江大学硕士学位论文 第二章基于m c p 技术的低剂量数字x 光机 系统设计 2 1 系统设计目标 2 1 1 低剂量x 线检查 医院常用的x 线机所采用的显示屏，接收和转换x 射线的效率很低，为得到 较好的透视观察效果，不得不把x 线机的输出剂量( 即管电流) 调得较大，大型 x 线机的管电流为5 0 0 m a ，甚至达到1 0 0 0m a 。拍片检查时，虽然辐射时间短促， 但是管电流极大。透视检查时，因荧光屏转换效率低，即使将幅射剂量增大，仍 无法在明亮环境中用肉眼直接观察透视图像，所以不得不局限在暗室里使用。为 此，为了避免透视检查时对医生的伤害不得不采用昂贵而庞大的影像增强器 电视摄像系统来改善。但是对于一些医生必须直接接触病人的透视检查，辐射伤 害是难免的。 在七十年代，太空科学家们就已经研制成功把x 光影像转换成可视影像的技 术，该技术分二次转换，即先将入射的x 射线在特殊的闪烁体内激发出可见光光 子，并用光学纤维面板传输至光阴极上再转换成光电子，最后在荧光屏上转换成 可见光图像。但仅靠二次转换，荧光屏上的亮度仍然非常微弱，科学家们又把光 电倍增器安装入像增强器内对光电子进行倍增，使荧光屏上的可视影像获得数千 倍的增强。 这就是今天用于x 线图像增强的微通道板。它的工作原理是：从小焦点x 线 管发射的x 射线，穿过被透视物后入射到x 线像增强器的光电阴极上，并受激发 射出光电子( 对应于被透视物吸收衰减后形成密度差异的电子图像) ，这些光电子 在微通道板( m c p ) 内被加速，再入射到近贴的荧光屏上，转换成亮度高达数十 c d m 2 的可见光图像。完成l ：l 的不失真图像传递。这样获得的可视图像做到了即 使在明亮的环境中，也能用肉眼观察透视物。 2 1 2 图像数字化及处理 数字图像处理是在遥感图片和生物医学图片分析两项应用技术基础上开拓出 来的计算机应用新领域。在这种处理中，由于将图像转换成了充分小的象素数据， 使处理量变得非常庞大，故它的前景与计算机的发展相关。在这一发展过程中， 浙江犬学硕士学位论文 若将医学图像与工程技术类图像处理相比，则因人类与疾病紧密相关，而使医学 图像处理的发展尤为突出。从7 0 年代引入x 线数字图像处理到现在十余年，医学 图像处理已遍及c t 、x 线成像、超声成像、核医学和磁谐振成像等医用诊断领域。 本软件实现的数字图像处理是针对单幅的。在数字图像处理中可以选择多种 算法进行处理，己适应医师工作需要。算法包括：图像的点运算、图像的几何变 换、图像的正交变换、图像的增强、图像分析、复原及图像的检测。具体实现上 包括图像的平滑处理、锐化处理、边缘检测、高通滤波、降噪、叠加平均、直方 图、灰度均衡等。 由于计算机只能处理数字图像，而自然界提供的图像却是模拟形式的，所以数 字图像处理的一个先决条件就是将图像转化为数字化的形式。给普通计算机系统 装备专用的图像数字化设备就可以使其成为一台图像处理工作站。一个图像数字 化器必须能够把图像划分为若干图像元素( 象素) 并给出它们的地址，能够度量每 一象素的灰度，并把连续的度量结果量化为整数，以及能将这些整数结果写入存储 设备。为完成这些功能，采用了数字摄像机来实现图像的数字化，它有一套镜头系 统，可以将光学成像的图像直接数字化。 2 1 3 嵌入式系统 嵌入式系统在工业生产中已经得到广泛的应用。本课题所研制的数字x 线机， 需要实现便携式功能，以满足移动、野外作业等需要。同时又有很强的信息处理 能力的要求，因此采用嵌入式系统作为系统的核心。选择集成了c r t 、e t h e r n e t 、 u s b 、i d e 等标准接口的嵌入式系统主板。使用c f 卡或者m d 做为外存，结合互联 网技术使图像数据的大量存储与处理成为可能。 这样，这一台x 线机成为集放射技术、m c p 技术、图像数字化技术和中频高压 技术等于一体的高科技产品，它实现了体积小、电池供电、可携带等基本要求， 并可通过联网实现远程图像数据传输。 浙江大学硕士学位论义 2 2 1 系统结构设计 2 2 设计方案 i 射线输出窗口 5 近摄镜头 9 绿色指示灯 1 3 射线开关 2 被透视物 6 数字化处理器 1 0 总电源开关 3 接收屏 7 黄色指示灯 l l 锂电池 图2 1 数字x 线诊断仪整机结构示意图 2 2 2 图像采集 4 显示屏 8 红色指示灯 1 2 电源插座 实用的m c p 器件由于生产工艺上的原因，直径目前还只能做到5 0 7 5 m s ；同时 便携式的结构要求采用6 4 0 x 4 8 0 分辨率的l c d 屏来显示；丽按照医院临床上实用 的x 线图像分辨率为4 0 1 p c m 。综合这些因素选择了图像分辨率为4 8 0 * 4 8 0 。 完成图像采集的是c i s 图像传感器。这是一种2 3 英寸的硅图像传感器。在 摄像头内配装了控制电路，包括1 1 b i t 的a d ，这样，从摄像头发出的信号就只 有数字式的图像信号。 浙江大学硕士学位论文 2 2 3 嵌入式系统选择 嵌入式系统总是和一个具体的应用问题有机地结合在一起，它在解决这一应 用问题时效率是最高的。嵌入式系统中的软件，一般都固化在只读存储器中，而 不是以磁盘为载体。 在数字x 光机的实现上，考虑到实际操作的方便性以及普遍性，选用的主板 是功能相对强大的e v a l u e 公司的3 6 1 5 单板嵌入式系统，它的大小仅为3 5 ”， 以t r a n s m e t a 为c p u ( 大约相当于奔腾i i i ，5 0 0 m h z ，具有足够处理图像的能力) ， 2 5 6 m b 内存，板上集成c r t 、e t h e r n e t 、u s b 、i d e 等标准接口。而整个软件系统 的集成也是基于嵌入式w i n d o w s 平台开发的，具有很大的交互性和通用性。 2 3 软件设计 系统处理软件采用w i n d o w s 图形窗口为用户界面，对图像的采集、存储、调 用和输出以及数据库管理实行统一控制。处理软件包含基本处理软件和特殊处理 软件两部份，形成一个较为丰富的、可不断扩充的软件包。所有软件除了底层的 设备驱动程序外，都采用d e l p h i 语言编写，故具有较高的处理速度，一幅图像的 处理过程仅需几秒钟。 数字图像处理的优点是：( 1 ) 再现性好，数字图像不会因存储、传输方式、复 制而产生图像质量的退化，从而能准确地再现出来：( 2 ) 精度离，目前可以将一幅 模拟图像数字化为任意大的二维数组，每个象索的亮度值可以量化为1 1 b i t ( 2 0 4 8 灰度级) ，图像数字化精度可以比较高：( 3 ) 灵活性大，任意一种模拟图像的处理 方法，一般都只能对图像做有限的若干种处理，如光学处理，而数字图像处理不 仅能完成线性运算，也可完成非线性运算，及一切可以用数字公式或逻辑表达式 来表达的图像做数字处理运算。 2 3 1 软件功能 便携式数字x 光机所要求的用户界面以及界面之间的相互关系软件结构上的 状态图如图2 2 所示： 9 浙江大学硕士学位论文 图2 2 便携式数字x 光机软件结构状态图 对于相应的界面及其功能具有如下的规定 功能1 ：开机 说明：开机时完成的操作功能 输入： 处理：关闭x 线系统工作 系统自检； 输入i d 及口令，系统认证，确定接受或拒绝，i d 、口令系统可记忆； 必要时修改系统工作参数： 医院名、部门名、系统时间 采样时叠加平均数 输出：工作参数 功能2 ：病人登记 说明：输入当前检查病人的病人信息 输入： 处理：关闭x 线系统工作 输入病人姓名、性别、出生年月； 检查数据库中是否已存在同一病人； 允许简化输入，即：临时赋予病人名，由管理功能事后合并到病人名 下 输出：病人i d 号 功能3 ：透视 说明：将x 线透视图像实时、动态显示于屏幕 输入：当前采集图像数据指针 浙江大学硕士学位论文 处理：启动x 线系统工作 获得采集图像数据，i i b i t 经查色表转换成8 b i t ，送显示 输出： 功能4 ：采集 说明： 输入：叠加平均数 。 处理：根据叠加平均数，取单幅或连续的图像数据，叠加平均，l o b i t 归档入数据库 在采集与入库完成前，显示图像冻结 可连续采集 可直接以当前采集图像进入处理功能 输出： 功能5 ：处理 说明：完成对采集图像的数字图像处理 输入：采集功能提供的图像，或者 管理功能提供的图像 处理：关闭x 线系统工作 显示当前处理图像 显示医院、部门、病人信息 显示窗位窟宽数据用户可修改 显示窗位窗宽条用户可调节 灰度均衡处理消除四角阴影的影响 图像滤波选择算法，由原始数据计算得新数据 水平翻转图像重排原始数据 垂直翻转图像重排原始数据 9 0 6 旋转图像重排原始数据 1 8 0 。旋转图像重排原始数据 2 7 0 。旋转图像重排原始数据 图像缩小当前显示数据抽点得新数据 图像放大当前显示数据插补得新数据 处理结果图像数据的入库 输出： 功能6 ：报告 说明：诊断报告的编辑 输入：当前捡查病人及检查图像 处理：关闭x 线系统工作 浙江大学硕士学位论文 自动填写医院、部门、病人信息、诊断医生、诊断时间 编辑检查部位，选单方式 编辑检查所见选单方式 编辑诊断意见，选单方式 所有编辑结果进入各自的选单列表中，供今后选择 选单列表中的项可以删除 打印报告 保存报告入库 输出： 功能7 ：管理 说明：数据库管理除图像外的全部数据，图像存为文件数据库记文件路径 输入： 处理：关闭x 线系统工作 显示图像数据库列表，可按各列正反排序 检索，条件：病人信息、检查部位、医生、日期 删除，选择单条或多条记录，删除操作前认证 输出： 功能8 ：通信 说明：以d i c o m 标准向符合规定通信参数的设备传输图像数据 输入： 处理：关闭x 线系统工作 在处理功能中，传输单幅图像 在管理功能中，传输选择的单幅或多幅图像 输出： 功能9 ：软键盘 说明：软键盘操作 输入： 处理：标准p c 软键盘 输出： 功能1 0 ：图像数据压缩 说明：图像数据的无损压缩及解压缩 输入：原始图像数据，1 i b i t ，或 压缩图像数据 处理：压缩：将原始图像数据分为高、低字节两块，分别采用r l e 一8 压缩 解压：压缩的逆处理 输出：压缩图像数据，或 原始图像数据，1 1 b i t 浙扛大学硕士学位论文 2 3 2 软件设计 本软件按照一般软件设计过程由八个阶段组成，目前实现的阶段为测试阶段 如图2 ；3 j 所示： 图2 3 软件设计过程 p h a s e 上问题定义( 课题提出) 阶段，在这个阶段确定了软件系统的研究开发 方向，准备了一些相关的资料。 p h a s e 卫可行性研究阶段。这一阶段主要对数字x 线的现状和软件实施的可行 性进行了分析和研究。 p h a s e ? 需求分析阶段。针对国内目前现状，分析出本软件需要实现的功能和 接口，确定了软件开发的。 p h a s e 重丘总体设计与详细设计阶段。设计系统的结构，各个功能模块的数据 接口，数据库设计，类定义，命名定义。软件与外部数据接口定义等。 p h a s e 丘编码阶段。对设计的各个模块进行编码，b o r l a n dd e l p h i 采用p a s c a l 语言，连接数据库采用内嵌s q l 语句，数据采集原打算采用u s b 口通过 提供的d l l 的a p i 函数直接调用，但没有提供设备，此功能暂时预留接 口，有条件再实现。 浙江大学硕士学位论文 p h a s ez 测试阶段。对照软件设计和需求，对软件实现的功能进行测试，并做 编码上的修改和改进。 p h a s e 矗验收与维护阶段。准备提交论文和答辩，总结项目经验。 1 4 一 塑里奎兰塑主兰垡丝兰 第三章基于m c p 技术的数字x 光机的系统 组成 3 1 1 系统总体结构 3 1 系统结构 图3 1 系统总体结构 光学镜头用于将m c p 板图像成像于c i s 图像传感器上时实现近距离对焦。c i s 图像传感器可以直接产生数字式的图像信号，分辨率为4 8 0 x 4 8 0 ，图像为l o b i t 。 由于图像数据量大，部分图像处理功能由摄像头中的f p g a 作硬件实现。c i s 图像 传感器经由p c i 总线控制电路传递图像数据。图像处理主机采用嵌入式计算机， 完成全部采集、管理、显示、处理、报告、通信功能。l c d 显示器采用6 4 寸彩 色液晶显示屏，分辨率为6 4 0 x 4 8 0 用于显示图像、文字及功能按钮。数字图像处 理中的功能控制、文字编辑均交出电阻式触摸屏完成。 系统有多种标准接口，包括：e t h e r n e t 、r s 2 3 2 、u s b 等。便携式x 诊断仪数 字化的实现，与医用x 线系统配套，可以实现病历管理、放射检验管理、实时透 视、采集、处理、数字图像保存、检验报告管理及图像数据通信等功能。 浙江大学硕士学位论文 3 1 2 系统特性 由于引入了数字技术，与传统的x 线机相比，基于m c p 技术的x 线机的性能 有以下几个方面特性： 常规的微通道板x 线机，检查医生是直接对着荧光显示屏观察检查的。 这样一来医生仍会受到x 线轰击。由于微通道板荧光屏的亮度一般都比 较有限，往往要将微通道板的光电倍增电压加得较高以增加亮度，这样 也增加了显示图像的随机噪声。在数字式微通道板x 线机中，医生是对 嵌入式计算机的显示屏观察图像，亮度可以调节到适合环境光照的程 度，显示屏可以调节到便于观察的角度。大大较少医生所受的射线剂量， 也改善了图像品质。 常规的微通道板x 线机有个较深的遮光简，以确保荧光屏的亮度，检 查时只能一人观察。同时，观察图像不能冻结，无法实现图像的仔细分 析和多人会诊。数字式微通道板x 线机的检查图像是经过采样后的数字 图像，多人同时在显示屏上观察是很方便的。同时，检查图像可以方便 地冻结储存，供其他医生、其它设备之用。 常规微通道板x 线机的检查图像是即用即弃的，无法保留。由于数字式 微通道板x 线机的数字化特性，它采集的图像是数字化的。因此，可以 方便地用数据库技术来进行管理。用户可以通过数据库信息管理系统， 对采集的图像实现存储、检索、排序、删除等数据库管理功能。利用机 内的大容量f l a s h 存储卡，可以保存大量的采集图像和相应的诊断报 告。数字式微通道板x 线机的数字化图像可以通过数字图像处理功能来 改善医生对图像的观察效果，提高x 线检查的临床诊断水平。 由于数字式微通道板x 线机采用高精度的数字式图像传感器，图像灰度 层次可以达到1 0 2 4 级。而人的肉眼观察分辨能力一般在1 0 0 级左右。 利用数字式微通道板x 线机的图像显示灰度窗位窗宽调节功能，可以将 图像灰度层次中的所有细节都表现出来。使得医生在诊断检查过程中可 以充分利用图像中所含的信息。 微通道板的随机噪声是一个伴随工作原理而来的固有缺陷。它会影响图 像的观察效果。利用数字图像处理技术，如：数字滤波、多幅叠加等， 可以减轻随机噪声对检查图像的影响，改善图像的观察、诊断质量。 微通道板x 线图像的面积较小，当需要观察检查图像的细部时，利用数 字图像处理技术可以通过图像放大来改善局部的观察效果。 数字图像处理系统提供了较多的数字图像处理功能，给诊断医生提供了 范围丰富的处理手段，如：放大、灰度均衡、边缘增强等。恰当地利用 好这些数字图像处理手段可以提高图像的诊断水平。 数字式微通道板x 线机具有诊断报告编辑功能，这使得医生可以方便、 1 6 浙江大学硕士学位论文 快捷地面对诊断图像，直接书写、编辑x 图像检查报告。 数字式微通道板x 线机具有符合d i c o _ t3 0 标准的图像通信接口。可以 将采集图像传送到任何一台具有兼容接口的医学影像设备中。这样，就 大大扩展了数字式微通道板x 线机的信息处理能力。使得它能够很好地 融入到医院的医学图像通信存档系统( p a c s ) 中。用户可以在现场、野 外将检查图像采集后保存在机内存储器中，事后将数字式微通道板x 线机的图像归档到p 4 c s 中，并可以在任何一台连接在p a c s 上的数字医 学图像诊断工作站上，对数字式微通道板x 线机的图像作观察、诊断、 评估、编辑报告等操作。 3 2 1 x 线发生器 3 2 图像获取 x 射线检验在医疗和工业无损检测领域得到了广泛的应用，但这种场合使用的 x 射线机设备笨重，价格高且防护措施要求严格。我们的目的是研制低成本、小 型轻便、防护简单的x 射线发生器，配合x 射线成像增强器，对一些x 射线吸收 不大的非金属、轻金属等小件或者野外作业时一些损伤实时成像检验例如对集 成电路，电缆断线，邮包信函、手指、手腕、脚趾、脚踝等小部位的骨质等实时 成像观察。根据实际需要，对x 射线发生器的基本要求是：( 1 ) 管电压在( 4 0 一 6 0 ) k v ，分档可调；( 2 ) 管电流在( 0 0 5 一o 3 ) j i l a 范围内：( 3 ) 焦点小，小型轻便， 成本低。 x 射线管是x 射线发生器的主要部件，它决定x 射线机的主要性能及电气电路 的设计。根据所设计的小型、低剂量、较低管电压的要求，选用的x 射线管其 主要参数为：最高工作电压7 0k v ；靶面倾角1 2 。；焦点标称值0 3 m m ：冷却方 式为油浸自然冷却。油的耐压强度不低于3 5 k v 2 5 m m ，油温不得超过6 5 。 射线管和整流倍压电路漫没在高压绝缘油中和空气隔离，防止高压泄漏，并 有利于x 射线管阳极散热其工作原理是：在控制电路作用下，灯丝供电电路给 x 射线管阴极灯丝加热，使灯丝发射电子d c a c 逆变器把可调稳压器输出的直 流电压( 或机内配套的1 4 8 v _ a h 的可充电锂电池电压) 转换成中频交流电压，经 中频变压器升压后变为几千伏的交流电压再通过整流倍压电路得到较稳定的直 流高压( 相对于灯丝电位) ，加到x 射线管的阳极，加速阴极灯丝发射出的电子， 使电子高速撞击阳极靶面，其中电子动能的大部分能量转换成热能被阳极吸收而 约l 左右的能量转换成x 射线以一定的方向射出( 通过窗口) ，形成所需的x 射线从x 线管射出的x 线经由多光阑铅屏蔽输出窗口射出( 无用射线被屏蔽) ， 穿过被透视物，由x 线像增强器的接收屏( 光阴极) 接收并转换成光致电子图像 浙江大学硕士学位论文 诊断用x 线机工作原理如图3 2 图3 2 x 线机工作原理图 诊断用x 射线机是根据医学诊断的需要，将电能转化为x 射线的一种装置。由 于诊断目的的不同，所组成的诊断用x 线机也不同。但其基本组成均有如下四部 分构成，即包括有产生x 射线的x 射线管装置、为x 射线管提供电压和灯丝电压 的高压发生装置、控制x 射线的发生时间和调节x 射线的量与质的控制装置、为 满足诊断需要而装备的各种辅助装置。 3 2 2 m c p 及摄像单元 微通道扳是一种新型电子倍增器件，是一种多通道的玻璃薄片。在显微镜下 可看到板上布满了规则的微细通孑l ，开口面积占总面积的6 0 以上，称为通道式 电子倍增阵列或微电路板。核心部分是个含有许多小孔( 通道) 且表面涂有金 属膜的小玻璃盘。它是由若干个极细的空，l i , 管道组成，管径约十几微米，经过特 殊处理的光纤排列组合成二维列阵。通道的长度约为直径的4 0 - - 6 0 倍，内壁为半 导体二次发射层，两端蒸镀有电极，每根细管形成独立的电子倍增器。大量单通 道紧密排列就成为微通道板，用于增强电子图像。 微管道的内壁由高阻材料制成，这些材料具有二次发射特性二次电子发射 系数6 1 。微通道板的厚度约数毫米，在它的两端加上童流高压( 约数千伏) 后，在每个微管道内即形成极强的电场。这时，当一个带能的粒子( a 、b 、v 射线、电子、质子、中子或紫外线等) 进入微管道后，在强电场作用下与内壁相 撞，会发射出额外的电子而得到电子倍增。二次电子通过出口前又不断与内壁相 撞，在出口处可以输出i 0 0 0 0 以上电子，从而实现电子的倍增。一般直流电压为 l o k v 的微通道板，可得到1 0 5 1 0 8 的电子增益。微通道板通常有2 0 0 6 0 0 万个小 孔，小孔的数目在很大程度上决定了它的图像分辨率。微通道板式图像增强管的 工作原理如图3 3 和图3 4 所示。电子像经过微通道板增强上万倍厝被加速达到 输出荧光屏上转换成可见光图像从而实现了图像的转换和亮度的增强。由于微 通道板的电子增益达到一万到数万倍，即使x 线剂量仅为常规剂量的千分之一， 在输出屏上仍可输出十分清晰明亮的图像，在很安全的情况下变暗室观察为明室 8 浙江大学硕士学位论文 观察。 图3 3 微通道板的光电倍增原理 f i g u r e l m e m n o n 晒日g e r 心p 妇l 郇a n i m a g e p h o t o n 时p i _ i 嘲o i l o n t h e m i c r o c h a n n e l p l a i | 彻 u 凼 图3 4 微通道板结构示意 在摄像单元的设计上，由于图像数据量大，采用先由a d 转换电路实现图像 的数字化，然后用f p g a 硬件实现图像的部分基本处理功能。数字化后的图像数据 由p c i 总线控制卡接收并传递给主机。 3 2 3 数字图像处理 数字图像处理由嵌入式主机以软件方式完成。为了更好地利用已有的图像处 1 9 浙江大学硕士学位论文 理软件资源，为主机选择了w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统，它有较强的处理能力及通用 性，同时系统的界面方便而美观。 3 3 1 操作系统 3 3 系统平台 在便携式数字x 光机系统中配置了有较强处理速度的c p u ，鉴于w i n d o w s2 0 0 0 友好的操作界面及其使用的普遍性，更好地完成数据采集、图像处理功能，这一 x 线机的操作系统便是在嵌入式w i n d o w s2 0 0 0 平台上实现的。 3 3 2 用户操作界面 在计算机的早期，系统的主要用户接口( 或称用户界面) 是制造商的操作系统 软件近来的趋势是使软件的接口变得对用户十分友好，即给操作者提供一个开发 和使用图像处理软件的方便和舒适的环境。这样的用户接口使得所需的工具很容 易得到手，用户负担较小。本系统所带给用户的就是图像处理的灵活性和方便性， 它的设计迎合了用户的直观感觉，因此易于学习和使用。虽然它们通常都有很好的 文档，但是都逐渐接近自解释的理想。 登录界面如图3 5 所示： 图3 5 用户登录界面 登录功能的作用是保证使x 线机只对有权限的操作者开放。为简化操作，操 作者在输入准确的用户名和密码后可以在机内记忆。这样，下一次开机时，登录 操作将变成简单的按链操作。用户名和密码在设鬻界面内设定。 浙江大学硕士学位论文 基本操作如下： 登录时通过触摸屏点击英文小键盘输入正确的用户名和密码，输入类型为英 文小写字母与数字结合。 选择是否保存用户名密码以便下一次启动可以快速进入， 点击“重置”，可以重新输入。 点击“确定”，如用户名密码正确，即完成登录操作，进入系统，如果不正确 将提示重新录入。 点击“关机”，将关闭系统。 英文键盘使用说明： 本软件中所用到录入英文和数字的编辑框均为采用本英文软键盘输入。本键 盘布局比一般软键盘简单，只有2 6 个英文字母、1 0 个数字、回退、删除等功能 键。英文和数字可混合输入，回退键( ) 是删除光标所在处左边一个字母或数 字，删除键( - - ) ) 是删除光标所在处的右边一个字母或数字。 采集界面如图3 6 所示： 图3 6 采集界面 完成登录后，x 线机就可以进入透视及采样等工作状态。 点击“注册”，进入注册界面，为当前检查病人录入各种病人信息。 点击“透视”，将启动x 线机，这时按x 线电源开关，即开始透视检查。待x 线机进入正常工作状态，屏幕将显示透视图像。 点击上下箭头，可动态调节