DSA图像工作站与高压控制电路的设计与制作

虞靖彬

山东中医药大学 设备处,山东 济南 250355

[摘 要]数字减影血管造影(Digital Subtraction Angiography,DSA)在更换数字减影图像工作站后,需要重新设计高压触发控制和高压控制接口电路.本文通过对数字减影血管造影系统的主机电路及图像工作站的控制电路原理的阐述,对接口电路的设计提供了详实方案,设计出相应的硬件接口电路,进一步解决高压控制信号转换问题,控制产生合适的X射线,以实现新的DSA系统控制正常曝光及图像的采集处理.以上设计,为生物医学工程专业本专科学生的理论学习与实践动手能力相结合提供良好借鉴.

[关键词]数字减影血管造影;图象工作站;高压调节与控制;接口电路

引言

笔者曾遇见数字减影血管造影系统(Digital Subtraction Angiography,DSA)不能曝光的情况,在对设备检测后发现是由于图像工作站出现异常,该图像工作站已使用多年,电路严重老化,维修代价较高,经综合考虑,更换使用美国Gold One图像工作站替代,而更换新的图像工作站就需要重新设计图像工作站和X线高压部分的接口电路,以解决数字采集曝光时需要的高压触发控制、高压剂量控制,才能得到合适的X射线.本文通过对高压控制电路的分析讨论,以解决图像工作站与X线高压部分接口的剂量控制.

1 设计思路

根据DSA的图像工作站工作原理分析,由X线通过人体后在影像增强器产生的人体荧光影像通过摄像头,图像工作站控制采集图像,对数据进行处理和存储,显示DSA透视或数字减影图像.图像工作站可以控制图像的实时采集存储,形成连续的动态图像以及对图像进行减影处理.同时,图像工作站可以根据操作台产生的请求曝光控制指令,产生控制X线高压部分曝光的同步控制命令和脉冲信号,通过接口电路去控制高压部分产生合适的X射线.它根据外部控制提供的透视、数字曝光准备采集请求,送出同步控制的曝光控制、高压触发脉冲[1-3].

由以上分析可知,由于更换后的图像工作站不是原厂工作站,如果直接接入到主机中,会存在工作站与主机X线控制电路之间不匹配问题,导致主机曝光不能正常工作.如要使新的图像工作站与主机相匹配,必须对控制信号进行接口电路处理,使得图像工作站的数据采集与主机的高压产生同步,且高压产生的剂量合适,DSA才能正常工作.在这里面与主机相关且重要的信号是曝光控制和同步脉冲控制高压触发脉冲信号.也就是说更换图像工作站后需要解决同步图像数据采集和高压剂量控制问题.本文主要探讨更换后工作站进行曝光剂量控制的接口问题,同步高压触发脉冲的匹配问题未在本文中涉及.

综上所述,需对原厂图像工作站与DSA的高压控制与同步电路进行深入分析,找到其控制的方法后,再去研究新工作站的信号与主机的匹配问题,才能彻底解决两者兼容问题.

2 电路分析与设计

要想进一步解决曝光控制的接口问题,必须对主机高压的控制原理进行深入分析,进一步了解高压控制的重要信号及与图像工作站之间的关联.

本文中所涉及的X线设备为Polydoros 80[4-5],其X线发生器采用了微机控制,通过光纤传输和中频逆变等技术来产生高质量X线,其整个X线发生器由中间电压及其控制电路、逆变器及Kvp控制器、高压发生器、X线管灯丝加热及管电流控制电路和微型控制系统等构成.当操作台(脚闸,手闸)发出的请求曝光指令,经过微处理器的接收、处理产生同步曝光脉冲指令,由高压控制电路产生合适的高压值控制逆变器,经高压变压器产生X射线,从而产生人体各部分的影像.

2.1 主机高压控制电路分析

主机高压控制电路实现使实际管电压峰值尽快与预置一致的控制过程,其原理图,见图1.

图1 高压控制电路原理图

由图象工作站接口板D300输出的管电压控制信号通过微处理器输出的管电压预置值(Uroesoll)经一个附加控制电路后,转换为校正后的管电压预置值(Uroesollcorr);另一方面,管电压实际检测值(Uroeist)由高压实际管电压取样值阳极边的+高压值ist和阴极边的-高压ist相加而形成.两者在J14b比较,得出误差控制电压UREG去控制压频转换器U/F,通过调整触发脉冲频率来改变实际管电压高压p值.由此可知,控制管电压高压的一个重要信号就是高压值:Uroesoll,也就是说图像工作站与主机间的高压控制信号匹配的关键就在于如何调整好此控制信号.

DSA工作站如果要采集图像,除需要产生与摄像同步的X线外,要得到合格的影像质量,就需要控制主机产生合适X线剂量.而真正要控制好剂量离不开射线产生的两大要素:即高压、mAs[6-11].根据DSA工作原理,作为上述的高压控制,实际上就是要根据透视剂量来计算数字曝光剂量,从而达到合适图像质量,换言之,就是需要根据透视高压来决定曝光高压,即调整好工作站发出的控制指令高压:Uroesoll.要得到校正后的曝光管电压预置值Uroesoll,控制好曝光合适剂量,就需要根据实际透视高压来计算出合适的曝光高压.使用原厂工作站透视时,工作站通过接口板发出透视高压指令高压:Uroesoll控制主机产生合适的射线,当需要摄影时,工作站接口发出准备quot;prepquot;信号,同时计算出所需摄影高压的设定值,通过接口板发出高压:Uroesoll指令控制主机达到设定摄影高压曝光.而更换后的工作站只能改变透视高压:Uroesoll,透视过程中如需要主机曝光,无法再对曝光高压:Uroesoll指令进行调整,从而无法调整主机的曝光高压,导致主机曝光产生异常.

2.2 高压控制接口电路的设计

根据以上思路,要想使图像工作站和主机电路能相匹配,必须设计相应接口电路实现上述功能,可以考虑从工作站发出透视高压指令后,通过一个保持电路将透视高压预置值记忆下来并加以保持,在需要摄影提取图像时,系统发出曝光准备指令,经过取样电路对保持的透视高压值进行取样计算,计算出合适的曝光高压预设值,去控制主机的高压:Uroesoll指令,从而得到合适的摄影高压.所以设计的接口电路应包括透视高压值保持电路和取样计算电路两部分.在实际电路中可考虑HA17324集成块作为通用运算放大器实现对高压信号的隔离[12],通过对控制继电器来实现对透视高压和曝光高压的选择,在主电路中可以加可调电阻R3,对R3进行调试,可以将透视设定高压换算成合适的曝光设定高压.其中3个跟随器对高压信号起到隔离输出的作用,RC与RF为控制继电器,工作站从接口板D300发出Uroesoll指令,经接口电路接入到主机的D400接口.接口主电路原理图,见图2.其中R20/D300为工作站发出的控制信号,通过设计的接口电路输出到主机中.

图2 接口主电路原理图

电路原理分析如下:

(1)当在操作台选择透视按钮时:quot;fluoquot;信号为高电平→继电器RC工作,quot;prepquot;信号为低电平→RF不工作;工作站预设透视高压信号经R20/D300→继电器RF的常闭b接点→主机电路Z10/D400→进行正常的透视高压自动控制;工作站预设高压信号经R20/D300→继电器RC常开接点→电容C(1000μF)充电,同时由于继电器RF不工作,其常开接点a不工作,透视高压信号即保持在电容上.

(2)当按下曝光按钮时:quot;fluoquot;信号为低高电平→继电器RC不工作→继电器RC常开接点断开;quot;prepquot;信号为高电平→RF工作→RF的常开a接点闭合,常闭接点b断开;电容C(1000 μF)上保持的高压值→经电阻R2、R3取样计算后→继电器RF的常开a接点→输出曝光高压值.R3可以对输入的高压:UROESOLL进行调整.

2.3 接口电路的制作

(1)元器件的准备.根据设计的电路原理图,需要采购HA17324集成块与集成块座各一个;1000 μF电容一个;负载为120VAC- 5VDC的继电器两个;发光二极管两个;快速反应二极管两个;10 K电位器一个;1 K电阻3个;10 K电阻一个;电路板一块;细线若干.

(2)线路板制作.线路板制作过程中,得注意以下几点:① 首先根据电路图确定公共电源和地的分布;② 在电路板上排好所有的元器件,依据电路图仔细核对,以减少连线,就近为原则;③ 对元器件进行焊接,在焊接过程中防止电烙铁与元件接触时间过长,以防烧坏元件;④ 对焊好的电路进行修整完善.

本电路做好后与整个接口电路组合在一块,在西门子DSA系统上进行测试,球管可以正常曝光,并且图像的减影完全正常,说明该电路的设计能够实现对球管高压部分的高压控制.

3 应用与讨论

本设计所做的电路虽然该电路只是整个DSA图像工作站与主机球管高压部分接口电路的一个组成部分,只有几个元器件组成,但它对整个高压部分接口电路的正常工作起着非常重要的作用.通过这个电路可以实现对球管曝光高压部分的控制,产生合适的X射线.如果此电路不能正常工作,将会导致曝光不能正常进行[13-16].

该电路只是控制整个高压接口电路的一部分,如果单独将其接入主机中,也不能使主机正常工作,必须和同步脉冲触发等接口电路综合考虑才能实现真正的匹配兼容.

该设计简单实用,是临床设备出现问题后的一个技术应用.电路只涉及到跟随放大电路与相应的继电器控制电路,电路设计虽然简单,但需要有深厚的数字电路与模拟电路理论基础知识,须对X线控制原理及图像工作站的工作原理进行深入分析,特别是工作站的接口电路中与主机相连的几个信号流程要清楚,以免在设计的接口电路接入信号接错,导致系统不能正常工作.

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本文编辑 袁隽玲

Design and Manufacture of DSA Image Workstation and High-Voltage Control Circuit

YU Jingbin
Department of Equipment, Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Jinan Shandong 250355, China

Abstract:When the digital subtraction angiography (DSA) is changed in the PACS room, the high-voltage trigger controlled and the high pressure controlled interface circuit are usually needed to be redesigned. To solve the problem of high pressure controlled signal conversion, and control the generation of suitable X-ray to realize the new DSA system control normal exposure and image processing, the present study provided a detailed design of interface circuit and designed the corresponding hardware interface circuit based on explaining the principle of the control circuit through the host circuit and PACS room for DSA. Through the above design,it can provide a good reference for the theoretical study and practical ability of the students of biomedical engineering.

Key words:digital subtraction angiography; PACS room; high pressure regulation and control; interface circuit

[中图分类号]TP311.5

[文献标识码]B

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2017.10.021

[文章编号]1674-1633(2017)10-0080-03

收稿日期:2017-01-16

修回日期:2017-02-10

作者邮箱:15866700768@163.com