CN103399583A - 医用x线机限束器控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种医用X线机限束器控制系统及控制方法，在X线发射的光路上用两组可调节遮线铅板来限定焦点发射X射线的照射视野，包括PC机、单片机系统、摄像头、电机驱动电路、两个直流电机，摄像头安装在限束器出光口的外壳上，并使摄像头对准照射视野，摄像头接PC机，PC机输出指令通过RS232串口传送给单片机系统，单片机系统处理数据后，输出通过电机驱动电路控制限束器的纵向、横向两个直流电机正、反转，两个直流电机带动两组调节遮线铅板移动。用户可通过PC机界面方便控制遮线铅板移动，使限束器的控制达到数字化，提高了控制精度，可以进行远距离操作以及可以简化医生的工作，提高工作效率；且电路体积较小，达到了节约的目的。

Description

医用X线机限束器控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种医用设备控制，特别涉及一种医用X线机限束器控制系统及控制方法。

背景技术

限束器是医用X线机中安装在球管X射线出射口出（即管套窗口），用于遮挡X线散射线，减少X射线对病人的伤害，提高成像质量，把X射线的照射视野限制在所需的范围内的装置。又称束光器，是X射线诊断类机器必不可少的部分。常用于以下情况：（1）用在 X 射线治疗机中，当做对病变细胞照射治疗时，用以遮挡 X 射线，保护正常细胞不受射线的伤害；（2）在透视和摄影检查时，对非检查部位进行保护。在这两种情况下，都是通过限束器控制来调节 X 射线照射野的大小、形状和质量的。限束器控制照射视野（Field of View, FOV）模型如图1所示，焦点与铅板间的距离为A，焦点与成像面间的距离，即源像距（Focus Imaging Distance, FID）为B，遮线铅板的可调范围（横向或纵向长度）为a，射线经过遮线铅板的控制后，在成像面上照射出的范围（照射视野）b。这样就形成了两个相似的三角形，根据相似三角形的比例关系，满足：                                               

，当A和B固定不变时，改a，就可以成比例地改变b。限束器的工作原理就是通过控制遮线铅板左右运动来改变a，从而间接地改变照射视野b。由于X射线不是可见光，不能直观地对病人受照射部位进行照射范围的确定。所以使用可见光代替X射线来确定照射视野。如图2所示，光源（可见光）模拟X射线（不可见光）照射野原理。根据镜面反射的原理，将反光镜放置在模拟光源与焦点的角平分线上。这样模拟光源照射出的可见光，经过反光镜反射后形成的照射视野，就是焦点发射X射线的照射视野。

传统X线机限束器的不足：（1）不能实时监控受检部位的情况。为减小医生的辐射剂量，医生给病人摆好体位后，要回到控制室进行曝光，因一些体位不适合长时间保持，如果病人的位置发生移动，而医生不能直观地看到直接进行拍摄，则拍摄的影像图片就会有伪影或者不在最佳拍片位置，导致医生对病灶的判断有困难；（2）手动旋转调整FOV时，机械误差大。医生在病床旁手动调整FOV时，有时用力大小不均，造成旋转时机械误差增加；（3）远程控制使用操控手柄，不能直接观察FOV大小，对受检者造成不必要的辐射，同时降低了医生工作效率，延长机器成本收回期。

发明内容

本发明是针对传统X线机限束器的不足问题，提出一种医用X线机限束器控制系统及控制方法，可远距离操作，操作简便，控制精度高。

本发明的技术方案为：一种医用X线机限束器控制系统，在X线发射的光路上用两组可调节遮线铅板来限定焦点发射X射线的照射视野，包括PC机、单片机系统、摄像头、电机驱动电路、两个直流电机，摄像头安装在限束器出光口的外壳上，并使摄像头对准照射视野，摄像头接PC机，PC机输出指令通过RS232串口传送给单片机系统，单片机系统处理数据后，输出通过电机驱动电路控制限束器的纵向、横向两个直流电机正、反转，两个直流电机带动两组调节遮线铅板移动。

所述单片机系统与电机驱动电路之间有光电耦合开关进行隔离，光电耦合开关选MCT62。

所述通过直流电动机输出轴与遮线铅板上的扇型齿轮咬合，控制两组遮线铅板的运动方向。

一种医用X线机限束器控制系统控制方法，包括医用X线机限束器控制系统，包括如下步骤：

1）摄像头采集两组遮线铅板位置图像送PC机，PC机界面显示遮线铅板位置图像；

2）用户通过PC界面输入调节指令，PC机处理后输出指令通过RS232串口传送给单片机系统，单片机系统处理数据；

3）单片机系统输出调节控制信号到电机驱动电路，电机驱动电路控制限束器的纵向、横向两个直流电机正、反转，带动两组调节遮线铅板移动到用户所需位置。

本发明的有益效果在于：本发明医用X线机限束器控制系统及控制方法，使限束器的控制达到数字化，提高了控制精度，可以进行远距离操作以及可以简化医生的工作，提高工作效率；且电路体积较小，达到了节约的目的。

附图说明

图1为限束器控制照射视野模型图；

图2为使用可见光代替X射线来确定照射视野示意图；

图3为本发明X线机限束器控制系统结构示意图；

图4为本发明X线机限束器控制系统框架图；

图5为本发明X线机限束器控制系统中单片机与MCT62连接电路图；

图6为本发明X线机限束器实施例正视图；

图7为本发明X线机限束器实施例左视图。

具体实施方式

如图3所示X线机限束器控制系统结构示意图，X线机限束器控制系统总体方案。计算机使用VB编写控制软件，通过Mscomm控件控制指令发送的短暂或连续，timer控件控制发送指令频率，使用API函数：cap Create Capture Window创建和显示视频窗口；点击界面上不同按钮，按钮对应的相应指令通过RS232串口传送给单片机系统，当单片机系统收到指令后进行相应处理，输出通过MCT62光耦隔离后控制限束器的纵向、横向2个直流电动机正、反转。通过直流电动机输出轴与遮线铅板上的扇型齿轮咬合，来控制两组遮线铅板的运动方向，就可以改变射线出射口的大小，既达到控制FOV的目的。在限束器出光口的外壳上安装摄像头，并使摄像头对准照射视野，模拟光形成的模拟照射视野就可以通过摄像头进行监视，监视数据送入计算机，监视画面在计算机控制软件的视频窗口实时显示。放射技师可以在给病人摆好拍片体位后，回到控制室，从软件界面根据监视画面上对限束器控制照射视野（FOV）进行调节，并能实时监控FOV变化情况。

如图4所示X线机限束器控制系统框架图，PC 机通过单片机的串口与单片机系统进行通信，单片机系统主要包括单片机、串口通信电路、PC 机串口通信软件和单片机的外围电路。其中单片机是电路系统的核心，负责接收上位机相关指令，并控制电路的工作状态。PC 机串口通信软件用于向下位机发送控制命令，并接受下位机数据，进而测试系统性能。串口通信电路是连接下位机与 PC 机的桥梁，是二者进行串口通信的基础。外围电路包括了模拟灯开关、电子开关等电路。

单片机系统中串口通信电路基于 RS－232 接口标准，使用DB－9连接器，采用AVR 单片机的通用同步/异步串行接收/发射器 USART（Univer-sal Synchronous／Asynchronous Receiver／Transmitter）进行串口通信电路的设计。通过自制芯片形状、引脚、分装等，制作出了电路原理图和PCB板图，加工出的PCB板在经过多次改进后，达到了电路要求的各技术指标，即可以实现远程控制的目的。

MCT62是光电耦合开关。当内部二极管导通时，二极管有压降产生光耦，对应的三极管导通（三极管集电极须接保护电阻R_L）；内部二极管截止时，对应的三极管也截止。使用光耦控制三极管的导通截止，避免了开关直接接触，起到隔离作用和开关作用。由于电机的工作电压为

24V，如果用单片机直接驱动电机，会产生较大的灌电流，损坏单片机，为确保单片机安全工作，根据MCT62的特性，单片机通过控制MCT62的通断，来控制电机的工作。单片机与MCT62连接电路如图5所示。

基于所设计的串口通信电路和串口通信测试软件，搭建实验平台，进行系统测试。先使用串口调试助手设置串口参数，并向下位机发送控制命令，通过串口调试助手可以实现的功能包括发送接受16进制数、字符串、传输文件、搜索出空闲串口等。

使用Visual Basic编写操作软件，可设计四个按钮分别控制照射视野FOV的长、短、宽、窄，其指令分别对应横向电机的正转、反转，纵向电机的正转、反转。按钮中间区域显示当前FOV的大小，右边的视频窗口用于显示摄像系统传回的视频信号，摄像系统安装在限束器的下部窗口边缘，用于监测模拟光投射到病人身上的范围。以便医生远程隔室对所需照射范围进行调节。

程序设计思路为，运用点击Command 控件，通过MSComm控件发送信号。当MouseDown事件发生时，产生一条指令，程序把对应指令发送给单片机；当MouseUp事件发生时结束指令的发送。发送指令频率由程序中的timer控件控制，timer控件随着MouseDown和MouseUp事件启动和停止。它控制信号时间能精确到ms，因此能准确控制照射野范围。

MSComm控件还用于接收单片机的反馈信号，限束器的开合状态通过电位器测量后，经单片机转换成数字信号，再传回计算机，由MSComm控件接收。对接收的数据进行相应处理，使其对应某一确定整数值，再将此数值在软件界面中实时显示。

设定MouseUp和MouseDown事件发送信号就可以通过点击Mscomm控件的长短来控制发送短暂或长时间连续的信号。发送指令频率由程序中的timer控件控制，能将控制信号时间精确到ms。

单片机收到指令进行相应处理后，控制限束器的纵向、横向2个直流电机正、反转，2个电机分别带动与其相咬合的大齿轮旋转，大齿轮与遮线铅板通过支架连接，这样大齿轮旋转就可以带动两个遮线铅板同时张开或闭合。分别控制两组遮线铅板的运动方向，就可以改变射线出射口的大小，从而达到控制射线照射范围的目的。如图6、7所示限束器正视和左视图，限束器所有零件安装在底板1上，上下铅门2、3（按照习惯，方向的规定以病人躺在X光机的床面上时，病人的身体的方向为方向基准）。在上下铅门齿轮组4、5的作用下可以对称的同时打开或关闭，用以控制X光束的大小，驱动的部分采用直流电机，光电编码与直流电动机采用齿型带传动，以减少电机振动对编码器输出信号的影响，同时有可以得到精确的转动圈数。限束器内装有一小灯泡，通过一个反光镜投射出限束器，用来模拟X光，指示对准患者病灶，反光镜的角度可以由位于侧面的机械结构调节，同时保证不在外界振动的情况下发生转动。铅门的运动原理，当电机带动齿轮做W旋转时，上铅门2会在上铅门齿轮组4的带动下向右以v运动，下铅门3会在下铅门齿轮组5的带动下向左以v运动，从而实现上下铅门2、3的对称关闭。同理，当齿轮组做反向于w时，上、下铅门2、3实行开启运动。

参数设置为：波特率：19200；数据位：8；停止位：1；使用16进制发送串口数据，串口为检查串口线所连接到计算机COM口，在发送窗口输入00/01/10/11等控制指令并发送。下位机开始工作，上位机周期性发送数据给下位机也周期性接收来自下位机的数据。通过测试，系统工作稳定，即PC 机与单片机之间能够进行正常的串口通信。在团队自己设计的控制软件上进行测试，控制软件界面的4个按钮分别控制照射野的窄，宽，长，短。操作者通过点击这4个按钮给单片机发送不同指令，如点击“narrow”，则通过串口发送“0x00”给单片机，单片机接收到此信号后，控制纵向电机的正转，如前所述。以此达到控制的照射野的目的。

本发明能使限束器的控制达到数字化，提高了控制精度，可以进行远距离操作以及可以简化医生的工作，提高工作效率；且电路体积较小，达到了节约的目的。实现了基于AVR单片机进行PC机与下位机之间的串口通讯，达到了通过RS-232串口接收PC机发送的指令并进行相应处理，去控制相应的外围电路工作，控制限束器工作的目的；通过使用Protel 99SE软件制作电路图和PCB板，经过多次改进制板，对电路功能和各技术指标的测试，以及系统调试等，描述了在VB界面中嵌入摄影技术并且利用串口通信与下位机实现通讯，达到了上位机远程操控的效果。最后实现在自制软件上点击不同按钮则对应的电机旋转的技术指标，达到了预期目的。可供临床实际应用，亦可作为教学仪器使用。通过对设计的不断更新，有望实现语音控制、X线机片规精确定位、自动识别源像距以及人机交换智能控制等功能。

Claims (4)

1.一种医用X线机限束器控制系统，在X线发射的光路上用两组可调节遮线铅板来限定焦点发射X射线的照射视野，其特征在于，包括PC机、单片机系统、摄像头、电机驱动电路、两个直流电机，摄像头安装在限束器出光口的外壳上，并使摄像头对准照射视野，摄像头接PC机，PC机输出指令通过RS232串口传送给单片机系统，单片机系统处理数据后，输出通过电机驱动电路控制限束器的纵向、横向两个直流电机正、反转，两个直流电机带动两组调节遮线铅板移动。

2.根据权利要求1所述医用X线机限束器控制系统，其特征在于，所述单片机系统与电机驱动电路之间有光电耦合开关进行隔离，光电耦合开关选MCT62。

3.根据权利要求1所述医用X线机限束器控制系统，其特征在于，所述通过直流电动机输出轴与遮线铅板上的扇型齿轮咬合，控制两组遮线铅板的运动方向。

4.一种医用X线机限束器控制系统控制方法，包括医用X线机限束器控制系统，其特征在于，包括如下步骤：

1）摄像头采集两组遮线铅板位置图像送PC机，PC机界面显示遮线铅板位置图像；

2）用户通过PC界面输入调节指令，PC机处理后输出指令通过RS232串口传送给单片机系统，单片机系统处理数据；

3）单片机系统输出调节控制信号到电机驱动电路，电机驱动电路控制限束器的纵向、横向两个直流电机正、反转，带动两组调节遮线铅板移动到用户所需位置。

Images