移动X射线机便携无线延时曝光控制器的研制

蔡雅玲 黄向东 洪范宗* 田君鹏 陈 浩 王明昭

医用X射线机是利用X射线透过人体形成各种影像，而对患者进行诊断的设备[1-2]。X射线机在为患者拍片时，操作者日积月累也或多或少受到辐射，为防止X射线对操作人员及患者的伤害，必须加强防护措施，尽量减少辐射[3-5]。

移动X射线机的现有曝光控制方法有2种：①红外控制。无延时功能，必须在操作人员视野范围之内按下按键，远距离对准较难；②脚闸、手闸控制，有线连接，远距离时需要延长脚闸、手闸控制线[6-9]。本研究设计的移动X射线机便携无线延时曝光控制器将克服上述方法的缺点，以减少X射线对医护人员以及患者的伤害，加强X射线防护，更安全、更人性化地实现X射线机的控制。

1 移动X射线机便携无线延时曝光控制器系统设计

移动X射线机便携无线延时曝光控制器设计可实现的功能有：X射线机延时曝光、延时时长可调、延时时长可记忆、可及时终止动作、电池供电、无需外接电源线、低压报警以及远程遥控等；9 V电池通过稳压电路向主控芯片供电；无线收发器实现装置的远程操作；按键操作实现系统延时设置，所设数据会由数码管显示，并被写入EEPROM存储；主控芯片读取EEPROM所记录的数据，并作对应的继电器延时控制；同时主控芯片全程进行低压监测，当主控芯片的输入电压低于门限电压时，装置开启低压报警。此处两个继电器分别代替X射线机的两个手闸控制，继电器1与预热手闸控制线相连接，继电器2与曝光手闸控制线相连接，系统整体结构如图1所示。

图1 无线延时曝光控制器系统框图

2 移动X射线机便携无线延时曝光控制器硬件结构

2.1 主控芯片

本设计选择宽电压、低功耗的STC15W404S作为主控芯片(简称STC芯片)。该芯片工作电压为2.5～5.5 V，芯片内部集成高精度R/C时钟，无需外部晶振，还可对外输出时钟；芯片引脚数为28，有利于装置后期功能扩展。

STC芯片有一组可靠的内部低压检测门槛电压，利用其实现装置的低压监测，当电池电量不足时，自动报警。设置允许芯片进入低压检测中断，将低压检测允许位置于1，同时将低压检测标志位置于0，当芯片工作电压Vcc低于低压检测门槛电压后，低压检测中断标志位被硬件置于1，装置进入低压状态，产生低压检测中断，蜂鸣器报警。

2.2 无线收发模块

无线收发模块的发送端为遥控器，按键按下信号发出。无线收发模块的接收端为解码接收板，其采用LC振荡电路，内含放大整形，接收灵敏度为-98 dB，其工作电压为3～5 Vdc，可见稳压电路输出电压可以满足其工作需求。解码接收板的VT引脚与STC芯片引脚P2.2连接，VT脚为无线遥控信号的输出脚。当控制器处于待机状态时，STC芯片接收到VT脚高电平信号，表明接收到无线遥控信号，控制器进入工作状态，定时器开启，延时计时开始；控制器已经开始进入工作状态，但未进入曝光期时，STC芯片接收到遥控信号，控制器立即全面停止工作，回到待机状态。无线收发模块的运用，可达到信号稳定且无冗余线路，安全可靠。

2.3 稳压电路

本设计选用9 V电池作为供电电源，无需外接电源，而STC芯片及其他主要装置输入电源均约为3.3 V，故此处选择ASM1117-3.3稳压器，可将9 V稳压到3.3 V，满足装置电压要求，其稳压电路如图2所示。

图2 无线延时曝光控制器稳压电路图

2.4 调时按键

控制器需要有一个精准的计时，才能保证控制器准确实现既定的动作。其中，自远程遥控按下到继电器1吸合中间有一段延时时间，该延时的默认时长为3 s，操作人员可以在这段时间内远离X射线机的操作环境。随着移动X射线机操作环境的改变，操作人员需根据具体条件进行延时时长的调整。此处有两个按键可对延时进行延长或缩短的调整，即调即存，待下次使用或控制器重启，该数值保持上次调节值不变。

3 移动X射线机便携无线延时曝光控制器软件设计

装置开启并初始化，STC芯片读取EEPROM中延时a的数值(默认值为3 s)，医护人员根据周围环境条件及具体情况等延长或缩短延时a，a值经修改之后覆盖原值并重新写入EEPROM存储，装置掉电重启，设置值不变。STC芯片开始扫描无线遥控信号，当遥控按键按下，STC芯片接受到高电平，定时器开始计时，延时a的数值，继电器1吸合，X射线管开始预热，预热3 s之后，继电器2吸合，开始曝光，曝光时长为1 s，1 s之后继电器1、2关闭，系统再次进入扫描无线遥控状态。此外，在遥控按下之后继电器2吸合之前，医护人员若发现患者位置发生偏差、需要调整的时候，可重新按下遥控按键，STC芯片接收到信号之后立即停止动作，待患者位置调整好之后，重新按下遥控按键，控制器重新进入工作状态，其系统流程如图3所示。

图3 无线延时曝光控制器系统流程图

4 实验测试结果

基于Altium Designer平台设计控制器电路及印刷电路板(printed circuit board，PCB)，样板大小为50 mm×50 mm。测试实验中用绿、红发光二极管分别表示预热、曝光功能，设置延时a值为3 s。无线遥控按键按下，蜂鸣器发声2 s提示接收到信号，延时3 s之后，继电器1吸合，绿色发光二极管亮起，表示开始预热；预热开始3 s之后继电器2吸合，红色发光二极管亮起，表示开始曝光；曝光1 s之后，预热曝光结束，继电器关闭，数码管熄灭，蜂鸣器发声5 s提示曝光结束，实物及其测试如图4所示。

图4 无线延时曝光控制器实物图

遥控器按键按下，控制器进入工作状态，无外界突发情况下，2个继电器依照延时设定相继吸合，完成一次曝光任务后，继电器同时断开，控制器回到待机状态，工作时序如图5所示。

图5 无线延时曝光控制器曝光流程时序图

遥控器按键按下，控制器进入工作状态，开始延时倒计时，在继电器2吸合之前，如果发生特殊情况，如患者偏离正确位置，或者是发现X射线机附近有其他人员等现象，此时可再次按下遥控器按键，装置将立即停止所有工作，回到初始待机状态，等再一次检测到无线遥控信号，控制器重新开始动作流程，其时序如图6所示。

图6 无线延时曝光控制器中断流程时序图

设置STC芯片门限电压为3.32 V，且允许低压检测中断。利用电压源微调输入电压，当电压小于门限电压值时，控制器进入低压检测中断，蜂鸣器持续报警，待电压高于门限电压，蜂鸣器停止报警，此时装置可正常工作，故经检测该装置低压检测报警功能准确有效，其低压设置如图7所示。

图7 无线延时曝光控制器低压设置界面图

5 结语

X射线机的安全使用和X射线的防护是一项长期的工作，不但要注意患者的防护，同时也要注重操作人员个体和集体的共同防护。本研究设计的便携式X射线机远程控制延时曝光装置体积小、结构简单、成本低廉、操作方便、性能可靠以及便于安装，能有效实现操作者X射线防护，为医护人员提供安全的操作环境，提高其安全感，也是提高医疗效果的重要因素之一。