X线机数字化与dicom.doc

目 录中文摘要ABSTRACT第一章绪 论11.1数字X线医学成像设备的发展11.2医学数字成像与通讯的发展概况11.3论文选题依据及研究工作21.4课题的意义31.5论文结构4第二章X线医学成像设备数字化系统的总体设计52.1概述52.2传统X线医学成像设备的数字化62.2.1 传统X线医学成像设备数字化的基本原则8,1062.2.2 传统X线医学成像设备数字化系统的研制目标72.2.3 数字化装置的基本架构的选择72.3数字化系统的开发环境8第三章X线医学成像设备数字化系统的实现103.1医学图像采集与控制模块103.1.1 基于PLC的数字化系统控制模块工作流程103.1.2 基于PLC的控制系统实现123.1.3 PLC的工作电路设计213.2医学图像分析与处理模块213.2.1 医学图像处理的意义及特点213.2.2 噪声抑制213.2.3 医学图像的基本处理243.3数据管理与检索模块263.3.1 数字化系统的数据库体系结构263.3.2 数据库管理的实现273.4医学图像存档与通信模块28第四章 DICOM标准及其原理分析294.1DICOM标准内容概要294.2DICOM的几个重要概念314.2.1 DICOM信息模型314.2.2 信息对象定义（IOD）314.2.3 服务对象对类（SOP Class）334.2.4 DICOM最基本结构单元数据元素344.3图像文件的存储354.4DICOM消息交换及通信364.4.1 DICOM网络通信模型364.4.2 DICOM通信使用的数据结构374.4.3 DICOM通信过程39第五章X线医学图像的DICOM实现415.1医学图像存档与通信模块415.1.1 存档与通信模块的工作流程415.1.2 存档与通信模块的实现思想415.2DICOM文件接口实现415.2.1 定义符合DICOM标准的X线图像类415.2.2 对象封装与实现435.2.3 DICOM格式文件的生成455.3DICOM通信机制的设计与实现465.3.1 通信机制的实现思想465.3.2 使用流套接字的上层协议的设计实现475.3.3 DIMSE消息交换的设计实现525.4DICOM遵从性验证54第六章结束语56附录57参考文献64在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果66致谢67摘 要传统 X 线医学成像设备在我国的各级医院中依然占有很大的比例，数字成像的优越性、PACS ( Picture Archiving and Communication System，图像存档和通信系统）的蓬勃发展，使得 X 线设备的数字化存在巨大的市场空间。本文从设备改造、升级及信息化的角度出发，主要研究实现了 X 线医学成像设备的数字化以及 DICOM ( Digital Imaging and Communications in Medicine ）通信的实现。经试运行，该系统工作稳定，性能良好。论文理论与实践研究并重，以实践研究为主。首先介绍了数字 X 线医学成像设备以及医学成像与通信的历史、发展状况，通过调研和对国内外现状的对比，发现该系统在国内进行设计研究与开发的必要性和可行性；在调研数字 X 线成像方案的基础上，为不同类型的传统 X 线设备数字化设计了模块化的开发方案。结合具体设备，采用可编程逻辑控制器（ PLC ）实现了 X 线设备的曝光等操作控制，通过上位机与 PLC 的串行数据传输，实现信息交互，控制图像采集；在系统的调试过程中，论文发现系统采集的图像含有严重的噪声，针对系统采集的数字图像，分析了噪声的性质，提出了初步的图像恢复方案；基于数字化的目的，论文分析了 DICOM 的体系结构，从两个方面对 DICOM 的应用做了具体实现：一是 DICOM 的简易网关功能（文件格式转换），二是在分析 DICOM 网络通信原理的基础上，设计、实现了部分服务类的通信程序。作为一个实用系统，论文还实现了患者信息、采集图像的数据库管理，医学数字影像的处理等。数字 X 线摄影系统在我国尚未普及，目前常规 X 线检查仍是医生重要的诊疗手段。 X 线医学成像设备的数字化有助于提高医院的工作效率，有着广阔的前景，有望产生良好的经济效益和社会效益。关键词： X 线医学成像设备 PLC 数字影像工作站 DICOM第一章绪 论1.1数字X线医学成像设备的发展1传统X射线摄影以胶片或感光屏为媒体，以二维成像方式，利用X射线的穿透作用、荧光效应和化学作用，使得穿过人体后发生不同衰减的X射线在胶片或感光屏上呈现不同密度的影像。传统X射线摄影应用广泛，占基层医院工作量的70%左右。但由于胶片溴化银分子决定胶片影像的分辨率，所以其分辨率只能达到分子颗粒级。传统摄影在观察透视影像时需连续曝光，增加了受检查的辐射量，降低了X射线使用效率。数字X线成像设备是指把X线透射影像数字化并进行处理后，再显示图像的一种X线设备，医学数字图像在存储、图像的质量、信息的层次以及成像效率方面较之传统胶片有着明显的优势。自从1972年X线CT（Computer Tomography）问世后，医学影像领域出现了数字化浪潮，1979年出现了飞点扫描的数字X线摄影系统，1980年在北美放射学会(RSNA)的产品展览会上，数字荧光X线的摄影系统（Digital Radiofluoroscopy, DF）引起了全世界的关注，从此，以数字减影血管造影系qqq1统（Digital Subtraction Angiographic, DSA）为代表的医学影像得到了高速发展，1982年日本富士研制出了计算机X线摄影系统（Computer Radiography, CR），20世纪80年代中期，各国厂家竞相开发CR；20世纪90年代又大力研制直接数字X线摄影（Direct Digital Radiography, DDR）的探测器，推出了一些今天风头正劲的实用的DDR设备。然而，受到高分辨率、实时动态、辐射剂量，更受到技术和经济可行性的限制，迄今，在国内医院应用最广的传统X线摄影尚未完全进入数字化成像家族。1.2医学数字成像与通讯的发展概况2, 3随着CT进入医学成像、诊断，计算机及其相关影像设备越来越广泛的用于临床的医学诊断，但是这些设备多来自不同的厂商，产生的医学影像格式并不统一，这给相互交流带来一定的屏障。美国放射协会（American Collage of Radiology, ACR）和美国国家电器制造协会（National Electrical Manufacturers Association, NEMA）认识到，迫切需要制定相关的国际标准，使不同厂商生产的设备产生的影像遵循标准的格式，使影像的传输，医学技术的交流以及资源的高效利用等方面标准化和制度化。ACR和NEMA在1983年组成了一个专家组制定这样的标准，旨在：在放射医学中，“影像”是表述“图像”的常用术语，但本文中，在不引起歧义的情况下，一般使用“图像”来表达这个概念。促进医学影像在设备间互相透明传输，有利于医院信息系统和其他信息系统如PACS（Picture Archiving and Communication System，图像存档和通信系统）接口功能的开发和扩展；允许建立一套诊断信息数据库，使分布在各地的设备可以访问和查询。在此宗旨指导下，ACR和NEMA于1985年发布了一个标准，取名为ACRNEMA标准第一版，1986年和1988年发布了该标准的修订一版和修订二版NEMA1.0 No.1和NEMA 1.0 No.2，随后在1988年又同时发布了NEMA2.0，这个标准在第一版及其修订版的基础上增添了新的内容（包括为显示设备提供命令支持，提出了新的分层方案来划分医学图像，增加了更多了数据元）。1993年工作组发布了该标准的第三版，定名为DICOM3.0（Digital Imaging and Communications in Medicine）标准协议。1998年、1999年、2000、2001、2003年先后对3.0版本进行了增补、完善，这就是今天所说的DICOM标准。标准是针对医学影像的成像和传输通信而制定的，得到了众多医学影像设备厂商的支持，成为了医学图像格式、编码、存储和网络传输协议的事实上的标准。在医院信息化，构架数字化医院进程中，DICOM标准扮演了极其重要的角色，它使PACS能够延伸到医学领域，推动了图像存档和通信系统的产业化进程的同时，更提高了医疗机构的营理效率，方便了病人看病就医。在国外，特别是北美和欧洲地区以DICOM为核心的网络医学发展日臻完善，建立了规范的、不同类型的、各种规模的医用网络系统。从80年代的美国海军的医疗系统（DIN-PACS）起始，今天美国的各大型医院都建立了PACS，放射科的小型PACS系统更是普及。在国内，实际意义上的临床应用尚未成为主流3，目前在国内绝大多数的影像设备都是从国外进口，在影像的后续管理中，自主研发网络传输系统是推动民族医学发展的重要方向，加强医学图像传输与处理的标准化建设是我国网络医学发展的必然。北京天健，上海岱嘉，珠海友通，西安华海，山东浪潮是国内主要的PACS集成商，他们为上海的瑞金医院，北京的宣武医院、解放军301，福州总医等建立了经济、实用、高效的全院PACS系统。1.3论文选题依据及研究工作今天的X线数字化技术发展日益成熟，并且已经有众多的产品在医院内使用，但由于关键技术、专利被为数不多的几个公司所拥有，使得数字X线设备价格昂贵（超过10万美元）；另一方面，我国医院存在着数量庞大的传统X线设备，在医院构建PACS的进程中，他们成为信息孤岛。目前，CCD在提高空间分辨率和改善信噪比、减少伪像等方面均有长足的进步；图像卡的性能也有明显的提高；系统采样矩阵可达到40964096像素，灰度分辨率可达到12比特，采样速度达到64帧/秒，这些技术指标完全满足当前对X线成像设备在图像的质量、空间分辨率等方面的要求，使得传统X线设备的数字化有了新的高效、低成本的方案。本文结合实际，主要进行了如下工作：1、为解决传统X线设备的数字化，提出了一种经济、高效的方案，数字化后的传统X线设备在降低X线摄影辐射的同时，可以获得较高质量的数字图像，通过施加各种后处理，增加显示信息的层次。这一部分主要设计实现了X线设备的PLC通信控制模块、图像采集处理模块、数据库管理模块。2、全面地分析了DICOM标准。DICOM标准庞大复杂，涉及内容极为广泛，在研究标准的基础上，提出相应软件的数据结构封装，实现遵循DICOM标准的特定X线对象的定义，完成DICOM格式图像的生成。3、设计遵从DICOM标准的封装模块，完成将X线设备图像数据及相关信息封装成DICOM消息的功能。构建DICOM通信中的客户端，使之能够在其它遵循DICOM的系统中进行信息交互。4、对所建立的系统验证其遵从性。1.4课题的意义1、提高工作效率：由于数字化X线摄影可以在检查时从荧光屏上观察、摄影，图像存储在计算机中，减少了冲洗胶片的过程，因而提高了工作效率，缩短了病人等候时间。对于急诊、重症病人，尤为适用。2、获得更多的信息：由于人体肉眼对空间分辨率的感知有一定的限度，超过这个限度即不可分辨。而通过对数字图像窗宽窗位的调整，使数字信息在一定范围内得到最佳表现，可以获得的信息远远超过胶片的模拟图像。3、高效率存储与检索：传统的X线透射无法保存影像，不能永久保留医学信息，能长期备份的传统胶片管理、检索困难，还须占用专门的人力物力。而在数字系统中，可以利用磁盘、磁盘阵列、光盘甚至数字磁带存储，可以完整保留医学图像数据，对科研、教学和解决未来可能的法律纠纷提供了最佳保障，并且这些图像可以随时再次调出并进行图像的后处理或调整窗宽窗位观察。4、图像传输，资料共享：数字格式的图像可以通过网络传输，将本机系统的X线图像上传到PACS服务器，使临床科室特别是手术间、监护室及时看到病人的图像，极大地提高了图像信息的利用率，做到资料共享，方便了临床治疗。这种传输也为远程医疗会诊奠定了基础。5、系统存储的数字X线图像取代原来的模拟图像，经处理后可以进入PACS系统，传统X线设备不再是PACS中的信息孤岛。1.5论文结构本文以X线医学成像设备数字化系统的设计与开发为中心。着重于X线医学成像设备数字化系统的设计、开发环节以及所采用的核心技术。论文共分六章：第一章为绪论，概述了论文研究的背景和意义、数字医学成像及X线医学成像设备的发展，论述系统开发的必要性和可行性；第二章是X线医学成像设备数字化系统的总体设计。包括系统研究目标、系统的架构方案等内容的总体说明，使读者对系统的使用和功能情况有一个总体的了解；第三章是X线医学成像设备数字化系统的图像采集与控制模块、图像分析与处理模块、图像管理与检索模块的详细设计和开发，其中着重于控制系统的实现，在这一章中，笔者还就图像的噪声问题进行了探讨；第四章介绍了DICOM标准，这是图像存档与通信模块的理论基础。第五章是本文的另一个重点，完成基于DICOM的图像存档与通信模块的具体实现，在这一部分，着重于两个方面，一是图像数据的封装，二是DICOM通信的上层协议及消息服务实现。第六章对本文进行了总结，对系统的使用现状和存在的不足进行了讨论，也为下一步工作提出了几点设想。第二章X线医学成像设备的数字化系统总体设计2.1概述47传统放射科工作分为透视和摄影（照相）两大部分，因此人们将数字化技术也分为透视和摄影两类，即数字化透视(Digital Fluorography, DF)和数字化摄影(Digital Radiography, DR)。虽然传统X线设备已经有了几十年的数字化历程，但目前的分类依然比较混乱，根据成像的原理，这里给出典型的有实际应用价值的X线数字化方式：1、计算机X线摄影系统（Computed Radiography, CR）该系统是日本富士公司最早申请专利的。其使用成像板(Image Plate, IP)作为X线影像载体。IP受X线照射后形成潜像，以光致发光的物理过程读出（用激光扫描IP上的像素，使像素发出可见光）。激光束扫描像素，发出的可见光经由光电倍增管转变成电信号并进行放大，再经模数转换后成为数字信号，然后进行存储和处理。典型的商业应用代表是FUJI的FCR系统、西门子DLR系统。2、直接数字化X线摄影（Direct Digital Radiography, DDR）CCD探测器（Charge Coupled Device Detector）CCD系统包括一个将入射的X射线信号转换成可见光的闪烁体或荧光体构成的可见光转换屏上，然后再将可见光转换为电荷。但CCD是只有25cm2大小的芯片，因此很难直接用以检测实际大小的影像，解决这个问题的办法是在荧光屏和CCD探测器之间使用缩微方法。缩微采用透镜系统或锥形光纤束系统，用以将可见光野缩减至CCD的尺寸。1997年Swissray推出的DDR系统是该技术的应用代表。直接平板探测器（Direct Flat Panel Detector, DFPD）直接FPD的结构主要是由非晶硒层加薄膜半导体阵列（TFT）构成的平板检测器。由于非晶硒是一种光电导材料，因此经X射线曝光后由于电导率的改变就形成图像电信号，通过TFT检测阵列，再经A/D转换、处理获得数字化图像在显示器上显示。DRC公司的iiRAD系统是应用这一技术的鼻祖。间接平板探测器（Indirect Flat Panel Detector, IFPD）此类平板的闪烁体或荧光体层经X射线曝光后，可以将X射线光子转换为可见光，而后由具有光电二极管作用的非晶硅层变为图像电信号，经过TFT阵列其后的过程则与直接FPD相似，最后获得数字图像。间接FPD存在可见光的转换过程。GE的Advantex ALC/LP数字X射线摄影系统使用了这一技术。3、激光数字化仪（Digitizer）这类装置主要用于将传统X线照片上记录的模拟信息数字化，所以实际上是回顾性的后处理技术，常用于解决库存档案片的数字化。目前常用的方法是激光扫描。4、以影像增强器电荷耦合器件电视模数转换链（I.I + CCD + TV + A/D）数字化系统I.I + CCD + TV + A/D数字化系统习惯上也被称为Digital Radiography，DR，它的工作原理是由影像增强管将作为信息载体的X线转换为可见光，再由CCD将可见光转换成视频信号，然后经图像卡进行模/数转换成数字化矩阵图像。得到数字信息，如图2.1，这种方式常见用于多功能数字化R/F机和数字减影血管造影系统。图2.1：I.I + CCD + TV + A/D数字化系统2.2传统X线医学成像设备的数字化2.2.1 传统X线医学成像设备数字化的基本原则8,10X线医学成像设备数字化系统在医院的应用必须结合医院的具体情况，因此在设计X线医学成像设备数字化系统的时候应该遵循一些必要的原则，这些原则的提出或指定必须以满足用户的需求为前提。主要有以下几点：1、系统必须具有很高的可靠性和数据的完整性，可以为医生和患者提供可靠全面的信息资源。X线医学成像设备数字化系统走向实用的第一步就是必须为用户提供切实可靠的医学信息，数据的可靠性由两个方面的因素决定，其一是系统的数字化过程，其二是数据存储交换。对于第一点，通过研究医院需要数字化的X线医学成像设备，选用成熟的硬件设备，设计合理、准确的控制模式。对于第二点，可通过软件的健壮性，冗余设计来保证。数据的完整性是指数据的归档和管理必须是同一实体的特征，就是说访问某个患者的信息时，所得到的结果必须是由该患者在就医过程中本身所产生的。2、模块化，系统必须具有很好的可扩展性和继承性，能符合用户当前、将来或者隐含的需求。用户方面，在系统需求分析阶段，没有数字化经验的用户一般都很难全面地、清楚地提出自己的需求，一些隐含的需求可能被用户和设计者忽略。另外，随着各方面环境的改变，新的需求也可能被提出。系统方面，不同的X线医学成像设备有不同的特性，其控制要求、图像质量要求以及后述的DICOM存储要求不尽相同。使用模块化构造的系统原型，可以在设计过程中根据实际需要改进与磨合，最大限度地利用前期工作成果，减少系统改进的工作量，增强系统的健壮性。2.2.2 传统X线医学成像设备数字化系统的研制目标X线医学成像设备数字化系统是基于上述原则进行开发设计的。系统设计的总的构思：对X线医学图像的采集、处理、显示、输出以及数据库管理全面进行数字化处理；遵循标准，实现X线医学成像设备的DICOM3.0接口。系统研制的具体目标为：1、设计开发X线医学成像设备的数字化控制装置，实现数字化的输入；2、实现对X线医学图像的调用、观察和处理；3、建立X线医学图像的存储归档数据库；4、实现X线医学图像的DICOM文件存储，通信。2.2.3 数字化装置的基本架构的选择目前，CCD在提高空间分辨率和改善信噪比、减少伪像等方面均有长足的进步；而且它具有使用寿命长、便于安装、易于维修等优点；图像卡的性能也有明显的提高，DR系统采样矩阵可达到40964096像素，灰度分辨率可达到12比特，采样速度已达到64帧/秒，该技术指标可以满足当前对X线成像设备在图像的质量、空间分辨率等方面的要求。传统X线成像设备的数字化有了技术可行性前提。在X线成像设备的数字化装置中，选择加拿大Matrox公司的Meter-图像采集卡。该产品使用范围广，技术成熟，稳定性好。该图像采集卡具有拍摄单幅图像和连续拍摄的功能。拍摄速度可达30帧/秒，能满足本数字化系统的要求。1、本文所述的传统X线设备数字化系统的方案结构如图2.2所示。该数字化方案可以采集上述直接数字摄影CCD探测器的输出图像也可以采集影像增强器电视系统的视频输出。其工作过程是下位机（PLC）监控X线机的状态，控制X线机的曝光脉冲，并通知上位机（计算机）通过医用图像采集卡捕获X线机输出的动态视频信号，完成X线成像设备数字化系统的数字图像自动采集和图像处理的任务。图像可存储为动态视频图像（AVI格式文件，30帧/秒）或静态单帧图像（BMP格式文件）。图像处理软件可以对X线图像信息进行存档、管理、检索、报表打印、图像的各种后处理、图像的传输等。图像采集卡、计算机及其辅助设备和医学图像软件构成X线图像工作站。它与服务器联机时可以作为PACS的一个节点；只连接激光胶片打印机时，可作为一个独立的数字X线机。图2.2传统X线设备数字化系统的方案结构2、软件系统模块为满足不同的需求，本文所述的X线医学成像设备数字化系统的软件模块由医学图像采集与控制模块、医学图像分析与处理模块、数据管理与检索模块、医学图像存档与通信模块组成，如图2.3：图2.3传统X线设备数字化系统的软件结构2.3数字化系统的开发环境系统基于Windows 2000平台，前端开发采用Visual C+可视化开发工具，后端采用Access数据库，并在这个数据库上创建表、视图等对象； 系统利用文档和视图类创建了不带切分窗口的支持ODBC的多视图类SDI应用程序，X线图像的处理在应用程序类中实现，数据库管理由主框架类来完成。数据库管理视图、X线数字图像处理视图界面如图2.4和图2.5所示：图2.4数据库管理视图界面图2.5 X线数字图像处理视图界面第三章X线成像设备数字化系统的实现3.1医学图像采集与控制模块基于X线透射原理的设备，针对不同的检查功能，设备存在较大差异，但基本上实现透射、摄影（照相）两大类功能。主要有透射、手动曝光、自动曝光等工作模式。3.1.1 基于PLC的数字化系统控制模块工作流程采用可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logical Controller）作为下位机来进行通信控制，其抗干扰性强，可靠性好，技术成熟。国产X线机在几个技术指标如：管电压、管电流、曝光时间、机器照射量、重复性上与进口X线机相比存在稳定性、一致性差的问题，这主要反映在标称值与实际测量值不一致上，而且使用时间越长这种差别越明显9, 10。采用PLC控制，可以通过定期测量X线机的上述技术指标，调节PLC程序中的参数，来优化X线机的性能。采用PC机作为上位机完成X线成像设备数字化系统的数字图像自动采集和图像处理的任务，选用三菱微型可编程控制器FX1S10MR作为下位机协同PC机工作。PLC根据现场X线机的工作状态，与PC机实现串行通信；PC机监控PLC对X线机进行检测和控制，同时控制图像采集卡的工作。通过PC控制，X线机的操作者可以远离现场，减少了X射线对身体的伤害。该模型如图3.1所示：X线机PLCPC机图3.1系统通信流程根据X线医学成像设备主要的工作方式，确定数字化系统的工作流程：1、对应透射方式的工作流程透射方式下，系统应用程序工作于动态浏览模式，PC机、PLC与X线设备没有控制信号的交换。系统上电，使系统应用程序工作于动态浏览模式下，发送透射信号后，用户可以在显示器上观察动态透射影像。2、对应手动曝光方式的工作流程系统程序运行时，先检测PLC数据寄存器中延时时间，如果有延时时间，则启动PLC，计算机进入准备采集状态，PLC阻塞于等待X线机Ready信号状态；当X线机“准备就绪”继电器闭合，PLC检测到Ready信号；PLC向X线机发送“高压注射”控制信号，延迟一段时间，PLC向X线机发送“曝光”控制信号，延时后，通知PC机可以采集图像；曝光结束后，PLC监测到X线机曝光结束继电器的闭合，通知PC机结束采集。如果X线机没有高压注射功能，则不执行“高压注射”控制。对应手动曝光方式的工作流程如图3.2所示图3.2手动曝光方式的一个工作循环2、对应自动曝光方式的工作流程自动曝光与手动曝光工作方式没有本质的区别。不同之处在于，自动方式下，曝光信号是X线机自身于高压注射动作后自动产生的。因为从监测到“Ready”到曝光开始的延时时间较长，故PC机的“开始采集图像”信号是从X线机的“曝光开始”继电器的闭合状态得到的。当X线机没有高压注射功能时，系统不执行“高压注射”，监测到“Ready”后，直接监测曝光信号。对应自动曝光方式的工作流程如图3.3所示图3.3自动曝光方式的一个工作循环3.1.2 基于PLC的控制系统实现3.1.2.1 计算机串口通信控制串行通信是计算机与外部数据设备进行数据交换的常用方式，大多数工业智能控制器都具有支持RS232C标准的接口，因此，它们与上位监控计算机短距离通信时不需要接口转换电路，数据线路结构简单，应用非常广泛11。基于Windows系统下的串行通信可采用多种方法来实现，如：使用Windows API函数；使用ActiveX控件，具有代表性的是MSComm；使用第三方库函数。使用MSComm程序实现简单，结构清晰，缺点是欠灵活；使用API函数的优缺点则基本相反；使用第三方库函数，如Moxa的Pcomm，兼具二者优点，但商品化时需要该公司授权，系统调试时可作为首选。从灵活性考虑，本文使用API函数实现串口通信，定义CSerial类的UML表示如图3.4：图3.4CSerial类其主要实现如下：1、打开串口BOOL CSerial:OpenCom(const char *m_szPort, int nBaudrate, int nDatabit, CString strParity, CString strStopbit)/省略参数的合法性检查/省略串口基本设置 if(!GetCommState(m_hCom, &dcb) /得到当前 dcb 值 AfxMessageBox(GetCommState Failed); return FALSE; dcb.fParity = TRUE; /奇偶校验有效 dcb.Parity = strParity; /设置校验位 dcb.StopBits = strStopbit; /停止位 dcb.BaudRate = nBaudRate; /波特率 dcb.ByteSize = nDatabit; /数据位 / 省略dcb流控制设置 if(SetCommState(m_hCom, &dcb) /设置dcb return TRUE; else AfxMessageBox(Failure: Com Device had Opened!); return FALSE; 函数完成串口的初始化、打开工作，所带的参数设置了要使用的串口、波特率、数据位、停止位和奇偶校验位，串口的其它参数直接在本函数内部设置。2、定义的实现函数：int CSerial:ReadData(BYTE btInBuf, DWORD &nByteRead, int nReadTime)int CSerial:WriteData(BYTE btOutBuff, int bSize, int nWrite)用于串口数据函数的读写，具体内容详见附录1。定义函数：BOOL CSerial:ReadPLC（char *szRead, char *szAddressRead, int nByteRead）实现将指定地址单元（szAddressRead）内的数据读出（由指针参数szRead返回）BOOL CSerial:WritePLC（const char*szWrite, char *szAddressWrite, int nByteWrite）实现将数据（szWrite）写到指定地址单元（szAddressWrite）中。BOOL CSerial:ForceON(char *szAddressON)实现强制置位指定地址单元（szAddressON，位元地址）的功能。BOOL CSerial:ForceOFF(char *szAddressOFF) 实现强制复位指定地址单元（szAddressON，位元地址）的功能。附录1中列出了PLC位元强制置位函数CSerial:ForceON()，其他函数的实现原理是相同的。3.1.2.2 PLC的通信方式12, 13通过上述定义的串口操作函数，就可以实现对串口数据的读写，但是，数据必须按一定的协议发向PLC的特定端口，才能被PLC所接受。三菱FX1S系列PLC有三种方式可以实现串口通信：直接通信方式、计算机链接通信和RS通信方式。1、直接通信方式下的PLC串口通信1）通信模式如图3.5示从图3.5可以看出，为建立通信，首先PC机向PLC发出一个“ENQ”，如果收到PLC发来的一个“ACK”，则表明串口连接成功。这相当于一个“握手”信号。然后PC机可以向PLC发送命令数据串，操作由“CMD”指定，只有在“读”数据时，PLC才有应答。图3.5直接通信2）数据帧格式在PLC串行通信中，所传送的数字、字符都是由ASCII码表示的。STX：START OF TEXT，ASCII码“02H”首先传送一个“开始”信号。CMD：COMMAND标志，可以是四个ASCII码值中的一个，30H为“读”指定地址的数据，31H是向指定地址“写”指定数据，37H为强制置位指定的继电器，38H为强制复位指定的继电器。DATA：传输数据数根据CMD的内容而不同，主要包括操作针对的继电器的地址，操作的字节数，当向PLC写（31H）数据时，还要包含写入的数据。ETX：END OF TEXT，ASCII码“03H”，传送一个“结束”信号。SUM CHECK：两位校验和数据，它们校验的数据从“CMD”至“ETX”。2、计算机链接通信方式下的PLC串口通信在此方式下，可以使用通信协议1和通信协议4，二者的唯一区别是发送的数据串结尾是否包含“CR+LF”，图3.6是不包含“CR+LF”的通信协议1：图3.6（1）计算机链接通讯，从PLC读数据图3.6（2）计算机链接通讯，向PLC写数据计算机链接通讯方式包含丰富的数据通讯功能，如字节读、字节写、字读、字写、远程运行、远程停止等十一种通讯功能。此外，PLC主动将数据发向PC的“On Command”方式也使用上述的协议。应用计算机链接通信时，PLC程序起始处必须先设置数据寄存器D8120，以设定通信格式，包括数据位、奇偶校验、传输速度、控制线模式、是否和校验以及使用的协议等，数据传输同直接通信。3、无协议通讯（RS）方式下的PLC串口通信无协议通讯可以方便地实现PLC主动和PC主动的双向数据传输，通信方式同计算机链接通信类似，但无协议通讯模式更简单，限于篇幅，这里不做深入探讨。3.1.2.3 PCPLC的通信实现14, 151、直接通信方式下X线机的PLC控制程序根据直接通信方式的特点，设计手动曝光模式下的控制程序如图3.7：M8000用来进行RUN监控，RUN时常闭。程序运行后M8000闭合，使M8028置位，M8028是10ms切换标志，使T32以后变更为10ms的定时器。M8002是初始化脉冲，RUN后输出一个扫描周期的ON，在这里利用它把数据寄存器D0，D1清零。M5是PLC程序作用的总开关，由上位机控制，如有曝光Ready信号使X0动作，则驱动输入ON后的一个扫描周期使M10动作。M5一旦断开，驱动输入OFF后的一个扫描周期使M11动作，强制中止高压注射与曝光。M10闭合后，数据寄存器D0，D1清零，标志每个工作循环的初始状态。同时把M20置位。M20的动作使定时器T32、T33和T34根据数据寄存器D132、D133和D134中的由上位机设定的值开始计时。T32定时结束后，闭合Y0，产生高压注射信号T33定时结束后，闭合Y1，产生曝光信号T34定时结束后，在D0中置数，上位机查询该位后，得到开始采集的信号曝光结束信号由X1输入，复位M20，停止高压注射与曝光信号；D1中置数，上位机查询该位后，得到停止采集的信号程序的一个循环结束。图3.7直接通信，手动曝光PLC程序2、直接通信方式下的上位机控制程序程序使用多线程实现X线设备的控制，主线程完成数据处理、图像处理、响应用户操作等，辅助线程监视串口的状态，发送用户的控制信息，读取PLC的反馈信息。在主线程中由用户操作启动分别用于自动曝光和手动曝光的两个辅助线程。手动模式m_pManualThread = AfxBeginThread（ManualProc, this, THREAD_PRIORITY_BELOW_NORMAL, 0, CREATE_SUSPENDED, NULL）自动模式：m_pAutoThread = AfxBeginThread（AutoProc, this, THREAD_PRIORITY_BELOW_NORMAL, 0, CREATE_SUSPENDED, NULL）实现用于自动曝光模式下的工作线程如下：UINT AutoProc (LPVOID pParam)int nTimes = 0; int nD0 = 0; int nD1 = 0; /参数初始化char ascii04=0x30,0x30,0x30,0x30;char readBuffer;char ENQ=0x05; char ACK=0x06;CDXView* pView = (CDXView*)pParam;if(!serial.OpenCom() /打开串口AfxMessageBox(in Thread:open failure in ForceON);serial.WriteData(&ENQ,1); /握手:Sleep(30);serial.ReadData(&readBuffer,1);if(readBuffer!=ACK)AfxMessageBox(in Thread: not Recieve ACK);return 0; /完成握手:Sleep(pView-m_nDelay); /根据设定延时while(nD0 = 0 & nTimes D0_Data,pView-D0_addr,2);iD0=serial.ChangeToDecimal(pView-D0_Data);:Sleep(30);nTimes +;if(nD0=6868) /通知主线程采集pView-PostMessage(WM_AUTO_STX, 0, 0); else:AfxMessageBox(数据D0故障);nTimes = 0;:Sleep(30);while( nD1 =0 & nTimes D1_Data, pView-D1_addr, 2);nD1 = serial.ChangeToDecimal(pView-D1_Data);Sleep(30);nTimes +;if(nD1=29958) /通知主线程停止采集pView-PostMessage(WM_AUTO_ETX, 0, 0);serial.WritePLC(ascii0, pView-D0_addr, 2); /复位数据位serial.WritePLC(ascii0, pView-D1_addr, 2);else:AfxMessageBox(数据D1故障);nTimes = 0; nD0 = 0; nD1=0;serial.Close(); /关闭串口return 1;在程序中，辅助线程主要完成串口监视，PLC数据状态改变时向主线程报告，通知主线程相应动作。发送数据在主线程中，相对说来，下行命令的数据总是少得多；并且，关键函数WaitCommEvent()、ReadFile()、WriteFile()都使用了异步通信技术，依靠重叠（Overlapped）读写操作，让串口读写操作在后台运行。3、计算机链接通信的实现计算机链接通信方式下，X线机的PLC控制程序如图3.8在计算机链接通信方式下，置M8129为OFF，传输16位数据；D8121中设置PLC的站号，D8120中设置数据传输的数据位、奇偶校验、控制线模式、是否和校验以及使用的协议等；对X线机控制部分可与直接通信相同；在该方式下与PC机的通信时，PLC可以作为通信的主动方，第84步处，曝光结束（X1闭合）、已通知PC采集图像（T34闭合）且上一通信完成（M14闭合）后，M12的脉冲将触发数据存储到D8127中，使PLC作为主动方的“On Command”通信启动，将D0开始的2个数据寄存器中的内容发送给PC，通知上位机曝光结束。图3.8计算机链接通信，手动曝光PLC程序（部分）在计算机链接通信方式下，上位机的通信实现除必须按图3.6的格式封装消息外，在实现原理上与前述的直接通信上位机程序相同。4、限于篇幅，RS通信不再探讨。3.1.2.4 三种通信方式的比较1、直接通信方式不需要外加通信模块，通信协议简单，上位机对之控制能力强；但只有四个控制功能，控制功能不丰富；协议固定，不可更改波特率等参数；PLC只能被动接受数据，不能主动发送；该通信方式是厂方非公开的。2、计算机链接通信是厂方公开的，功能强大、全面的通信方式，需要外加RS-232C FX-232-BD通信模块。3、RS通信可以主动给上位机发送数据，在PLC梯形图中必须明确给出RS指令，并且RS指令在程序中一直有效；控制功能相对较弱，需要外加FX-232-BD通信模块。鉴于本系统的控制功能较少，故采用了直接通信方式。3.1.3 PLC的工作电路设计14使用PLC完成控制功能，在提高系统稳定性的同时，极大地简化了系统的电路设计，显著地提高了工作效率，这也是我们选用它的一大原因。输入输出回路如图3.9示。图3.9 输入回路（左），输出回路（右）3.2医学图像分析与处理模块3.2.1 医学图像处理的意义及特点医学图像处理是将图像处理技术应用于医学分析、诊断中，是图像处理的重要应用领域。借助计算机技术，可以对医学图像和信息进行智能化处理；通过对图像的像素点进行分析、计算、处理，为医学诊断提供更客观的信息，有利于提高医学诊断的准确性、实效性。医学图像有其自身的特点，处理中必须予以注意。首先：常用医学图像均为灰度图像，这种灰度图像更加适合于进行图像处理；其次对于医学图像的处理要求比较严格，必须保证图像的质量不受严重影响，否则可能形成误诊，造成严重后果。3.2.2 噪声抑制1622在实现X线设备数字化的过程中，从X光信号到最终获得图像数据的过程中存在多个信息中间转换过程，所以无论是采用CCD作为探测器的直接数字化系统、还是使用影像增强器的数字化系统，最终的医学图像不可避免的有能量损失和噪声的引入，噪声抑制显得尤为必要。图3.10（a）是由数字化系统照射台阶铝板采集所得的图像，图中圆域是系统的视频输出，其余全黑区域理论上没有可见光进入；图（b）是（a）的直方图；（c）是（a）的傅立叶变换；(d)是（a）拉普拉斯锐化的结果，使用的模板为： 图3.10：(a) 台阶铝板的X线图，(b)傅立叶变换的结果，(c)直方图，(d)拉普拉斯锐化图3.11分析的是3.10（a）的位于（2, 2）和（122, 92）之间的全黑矩形区域图像，从左侧（图a）的直方图可以看出，理论上全黑的区域灰度并不为