DSA图像工作站与高压触发脉冲转换接口电路设计与制作

虞靖彬

山东中医药大学,山东 济南 250355

[摘 要] 西门子DSA(数字减影血管造影)在更换数字减影图像工作站后,需要重新设计高压触发脉冲转换接口电路。本文着重对脉冲波形转换原理进行了阐述,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波形转换问题,保证了控制信号的同步,实现新的DSA系统控制正常曝光及图像的采集处理。本文着重讨论图像工作站与高压部分的接口之一高压触发脉冲转换电路的设计分析和实现。通过以上设计,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;图像工作站;高压触发脉冲;波形转换;接口电路

引言

笔者曾遇见西门子DSA(数字减影血管造影系统)曝光与采集图像不同步的情况,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,维修成本较高。经综合考虑,使用美国Gold One图像工作站替代,而更换新的DSA 图像处理系统就必须考虑控制X 光产生及图像采集的同步问题,需要重新设计图像工作站和X 线高压部分的接口电路,以解决图像工作站与X 线高压的匹配问题。

1 设计思路

本文涉及的X 线设备为Polydoros 80。根据DSA 的工作原理分析可知,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。图像工作站可以根据操作台产生的请求曝光控制指令,在摄影曝光开始或透视开始时,产生控制X 线高压部分曝光的高压触发脉冲信号,通过一个或门逻辑输出Enable 信号,启动U/F 变换器工作,产生X 线并进行图像采集[1-3]。由于更换后的图像工作站不是原厂工作站,产生的高压触发脉冲信号会与主机X 线控制电路之间出现不匹配问题,导致主机曝光不能正常工作。因此必须通过接口电路对高压触发脉冲信号进行波形转换,处理后的控制脉冲信号能够保证X 线的正常产生,并保证图像的同步采集。由此可知,与主机相关且重要的信号是高压触发脉冲控制信号,本文主要探讨更换后工作站后同步控制X 线产生的接口问题。

综上所述,需对原厂图像工作站与DSA 的高压控制和同步电路进行深入分析,研究新工作站与主机的匹配问题,才能彻底解决两者兼容问题。

2 接口电路设计与原理框图

根据经验,通常选择脉宽为3~10 ms 的脉冲信号作为高压触发脉冲控制信号。为了能确保控制可靠,这里采用8 ms 脉宽脉冲作为控制X 线设备的高压触发脉冲信号。图像工作站中相关可控频率的高压曝光脉冲信号输出为:photo spot 和cine、cine drive,可用于产生高压所需要的脉冲控制信号。设计原理框图见图1 所示。

图1 转换电路原理框图

图像工作站给出的曝光脉冲信号是一个占空比为1:1的矩形脉冲信号,高压触发控制脉冲信号可由两路信号通过一个与门连接而成。一路是1~15 帧的曝光脉冲信号photo spot,另一路是电影方式曝光脉冲信号cine。为防止信号在传输过程中受到干扰,在接口电路的前端需要设计隔离电路。隔离电路主要包括光耦隔离、继电器隔离和变压器隔离等。本电路属于弱电电路,所以考虑首选光耦隔离电路。控制信号经隔离后反向运算,再经微分和积分等电路整形,产生固定脉宽的信号,最后再通过高频开关管隔离放大,最终形成脉宽8 ms 矩形信号,接入到X 线主机的控制电路中[4-7]

3 具体接口电路分析

根据原理分析,具体波形的转换需要七个部分的电路来实现[5-10]。具体电路设计图,见图2。

3.1 光耦控制电路

信号通过光耦合器TIL113[10]实现隔离控制。输入脉冲spot in 产生,当信号为高电平时光耦内二极管截止,无信号输出;当信号为低电平时,输入信号驱动发光二极管(LED)工作,被光探测器接收而产生光电流,再经进一步放大后输出,从而完成了电—光—电的转换,起到输入与输出相隔离作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

3.2 与门输出电路

主要是通过TC4011BP[10]的与非门来实现的。输入信号分两部分组成,一部分是8 帧以下的图像曝光,用于一般情况下的图像检测,接入到与非门的1 脚;另一部分是8 帧以上的图像曝光,主要用于对心脏的检测,接入到与非门的2 脚,两路信号相与后经3 脚输出,实现波形反向运算。

3.3 微分电路

在微分电路中,当输入信号Ui 为矩形波信号时,则输出电压为正、负相间的尖脉冲,波形如图3 所示。

图3 微分电路波形转换

由图3 可知,仅在U1 发生跃变时,才有尖峰电压输出;而当输入电压不变时,输出将为零。输出尖脉冲波形的宽度与R×C 有关(即电路的时间常数),R×C 越小尖脉冲波形越尖,反之则宽。此电路的R×C 须远远少于输入波形的宽度,否则就失去了波形变换的作用,一般R×C 少于或等于输入波形宽度的1/10 就可以了。因为微分运算电路的输出信号对输入信号的突然变化比较敏感,常用于提高系统的状态灵敏度。

图2 具体接口电路图

3.4 驱动电路

本电路采用ULN2004APG[10]与一个可以快速恢复的二极管来构成驱动电路,以保证信号的正常输出。信号输入至ULN2004 的1 脚、16 脚输出后,实现可对信号进行取反运算。为防止高电平信号时电路出现悬空,可并联一较大阻值的电阻接地。

3.5 积分电路

积分电路主要用于波形变换、放大电路失调电压的消除及反馈控制中的积分补偿等场合。当时间常数较大,如超过10 ms 时,电容的值就会达到数μF,由于μF 级的标称值电容选择面较窄,故采用改变电阻的方法来调整时间常数。但如所需时间常数较小时,就应选择R1 为数kΩ 至数十kΩ,再往小的方向选择的值来调整时间常数。因为时间常数值如果太小,容易受到前级信号源输出阻抗的影响。积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波。电路的时间常数是R×C,在这里需要注意积分电路的时间常数要大于或等于10 倍于输入波形的宽度。波形如图4 所示。

图4 积分电路波形转换

3.6 整形电路

信号经积分后,还需将信号取反,并滤除波形毛刺,保证能输出精确的信号,本电路通过连接TC4011BP 的11、12、13 腿实现,然后通过并联滤波电容将无用频段内的信号滤除,这样可以达到标准信号的使用标准。

3.7 OCL功率放大电路

OCL 电路称为无输出电容直接耦合的功放电路,优点是省去了输出电容,使系统的低频响应更加平滑,主要功能就是将信号放大后输出,并驱动负载完成特定的工作。不同的负载具有不同的功率,放大电路要驱动负载必须输出相应的功率。功率放大电路在多级放大电路中处于最后一级,其任务是能够向负载输出足够大的信号功率。

系统输入的spot 信号是+15 V 的矩形脉冲信号,经由上述各电路的作用可分析出波形经过各部分电路后的波形如图5 所示。

各部分电路波形转换,经过a →b 完成电→光→电转换;b →c 使得信号反向输出;c →d 是实现信号的微分运算,过RC 电路的微分运算可知,当输入信号突变时,输出电压为正、负相间的尖脉冲,这是由于电容两端的电压不能突变造成的;d →e 中高电平的信号经过ULN2004 后被滤掉,低电平的信号整形为矩形信号;e →f 过程中,根据公式(1)可知,矩形信号被整形为三角波信号;f →g 通过OCL 功率放大电路,将信号放大后输出。通过以上步骤,最终形成了电压幅度为12 V、脉宽为8 ms 的控制脉冲信号。

图5 各部分电路波形转换

根据设计的具体原理图,制作好电路板后,用示波器进测试调整脉宽到合适的宽度,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,并且图像的减影正常,该设备的问题得到解决,说明本电路的设计能够实现对X 线主机高压部分的同步控制。

4 应用与讨论

本设计所做的电路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X 线主机部分高压产生进行同步控制,保证图像正常采集,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,必须和透视摄影高压转换等接口电路综合考虑才能实现真正的匹配兼容[11-17]

该电路的作用是将脉冲波形和宽度进行调整,通常波形调整只需要通过微、积分电路即可实现,但在实际运用中必须考虑外界干扰及电路驱动放大能力,所以要综合考虑设计隔离和驱动放大部分,同时在实际应用中可以将图2 中电阻R4 改为可变电阻,这样可以根据工作需要,调整R4 将脉冲调整到所需宽度。

该设计探讨的是不同品牌配套设备的相互兼容问题,也是临床设备出现问题后的一个技术应用。本电路只涉及控制脉冲电路波形转换,电路设计需要对设备原理熟悉,并应具备深厚的数字电路与模拟电路理论基础知识,特别是在同步脉冲控制信号的设计中,应对原设备中控制脉冲要求进行深入的分析,确保机器正常运转。

通过本次电路的设计,对图像工作站与西门子X 线设备之间控制脉冲的匹配及解决办法做了详细阐述,实现了对信号波形转换,实际工作中如出现需要对脉冲进行转换的情况都可以借鉴本电路。在实际电路板中,由于买不到等值参数的元件,通过查阅各管件代换手册,购买了可替换元件,所以测量出来的性能指标参数难免存在一定误差,这个问题需要在将来设计中着重考虑。

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Design and Manufacture of Conversion Circuit Between DSA Image Workstation and High Voltage Trigger Pulse Interface

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

Abstract: Siemens digital subtraction angiography (DSA) needs to redesign the interface circuit of high voltage trigger pulse conversion after replacing the digital subtraction image workstation. In this study, we focused on the principle of pulse waveform conversion, provided a detailed scheme for the design of the interface circuit, and designed the corresponding hardware interface circuit. This design further solved the waveform conversion problem of high voltage control signal, ensured the synchronization of the control signal, and realized the control of normal exposure and image acquisition and processing by the new DSA system. We emphasized the design, analysis and implementation of high voltage trigger pulse conversion circuit, which was one of the interfaces between image workstation and high voltage part. The design provides a good reference for the combination of theoretical learning and practical ability of biomedical engineering students.

Key words: digital subtraction angiography; image workstation; high voltage trigger pulse; pulse conversion; interface circuit

收稿日期:2018-12-30

修回日期:2019-01-04

作者邮箱:15866700768@163.com

[中图分类号] R318

[文献标识码] A

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2019.09.016

[文章编号] 1674-1633(2019)09-0062-04