DSA模體自動(dòng)推動(dòng)裝置的研制

李奇，何韻，陳上文

(廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東廣州510405)

0 引言

數(shù)字剪影血管造影(DSA)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于心腦血管造影、腫瘤治療及外周血管疾病治療諸多領(lǐng)域［1］。DSA系統(tǒng)通過數(shù)字化處理，把不需要的肌肉、骨骼等組織影像刪掉，只保留血管影像，特點(diǎn)是圖像清晰，分辨力高，對觀察血管病變的診斷及介入治療提供了真實(shí)的圖像，為各種介入治療提供了必備條件［2］。計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)目前采用JJG 1067-2011《醫(yī)用診斷數(shù)字剪影血管造影(DSA)系統(tǒng)X射線輻射源》國家計(jì)量檢定規(guī)程［3］對DSA系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)量檢定。

在用DSA性能模體對DSA系統(tǒng)的剪影性能進(jìn)行檢定時(shí)，需要檢定人員在曝光狀態(tài)下近臺(tái)且用手推的方法進(jìn)行操作，檢定人員不可避免的會(huì)遭受輻射［4］，而且手動(dòng)推模體由于速度不均，容易造成圖像偽影［5］。針對上述問題，本文結(jié)合DSA系統(tǒng)的工作原理和實(shí)際檢定過程，詳細(xì)介紹了所研制了DSA模體的自動(dòng)推動(dòng)裝置。

1 裝置結(jié)構(gòu)及原理

DSA模體自動(dòng)推動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)裝置組成。電源系統(tǒng)用來給控制系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)供電，控制系統(tǒng)由51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，通過控制步進(jìn)電機(jī)［6］的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間來控制自動(dòng)推動(dòng)裝置的推動(dòng)速度和推動(dòng)距離，以達(dá)到檢定DSA系統(tǒng)剪影性能的要求。同時(shí)，通過遙控控制即可實(shí)現(xiàn)檢定人員的遠(yuǎn)臺(tái)操作，避免不必要的輻射。

圖1 DSA自動(dòng)推動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

本裝置的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好?？刂葡到y(tǒng)通過51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，51單片機(jī)技術(shù)成熟，控制簡單;運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，其轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率和步數(shù)只受驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)的影響，且誤差不會(huì)累計(jì)，所以控制精度高，穩(wěn)定性好?？刂葡到y(tǒng)通過遙控程序來控制步進(jìn)電機(jī)的行進(jìn)距離和推動(dòng)速率，即可避免檢定人員在近臺(tái)操作時(shí)的輻射損傷，還可以最大可能的減輕整個(gè)系統(tǒng)的重量，非常有利于現(xiàn)場檢定。

2 裝置的軟硬件設(shè)計(jì)

該裝置的硬件包括:用于給控制系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)供電的電源、基于51單片機(jī)的控制系統(tǒng)、用于實(shí)現(xiàn)推動(dòng)裝置精確運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿、滑臺(tái)和推桿等組成，實(shí)物裝置見圖2所示。

控制系統(tǒng)主要由51單片機(jī)通過遙控程序來實(shí)現(xiàn)，檢定過程中工作人員在機(jī)房外通過遙控器即可控制機(jī)械傳動(dòng)裝置按照設(shè)定的程序運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了檢定人員的遠(yuǎn)程控制，避免了在近臺(tái)操作時(shí)X射線輻射造成的損傷。DSA系統(tǒng)機(jī)房供電電源復(fù)雜，既有供X射線管的萬伏脈沖高壓，又有供各種其他輔助設(shè)備工作的電源，同時(shí)還要防止遙控器控制器信號(hào)對DSA系統(tǒng)的影響，因此考慮到機(jī)房屏蔽和現(xiàn)場復(fù)雜的電磁環(huán)境條件，控制系統(tǒng)還設(shè)置了簡單的延遲程序，經(jīng)過一定的延遲時(shí)間，推動(dòng)裝置才開始工作，這樣操作人員可以遠(yuǎn)離近臺(tái)，同時(shí)還避免遙控信號(hào)跟DSA系統(tǒng)之間的相互影響，確保裝置在現(xiàn)場時(shí)能正常工作。

圖2 DSA自動(dòng)推動(dòng)裝置實(shí)物圖

步進(jìn)電機(jī)是整個(gè)裝置機(jī)械部分的核心，步進(jìn)電機(jī)可將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，在非超載情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，因?yàn)榭赏ㄟ^控制系統(tǒng)輸出的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制推動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)的目的。滾珠絲桿和滑臺(tái)是將步進(jìn)電機(jī)的角位移轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的部件，滾珠絲桿和滑臺(tái)的組合可使推桿在長距離行程條件下平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，絲桿的精密加工工藝可使推動(dòng)裝置側(cè)向擺動(dòng)小、重復(fù)性好、直線運(yùn)動(dòng)誤差小，滿足檢定的要求。

為保證該裝置的正常運(yùn)行，本文用C51語言完成了裝置的程序設(shè)計(jì)，具體來說包括以下步驟，如圖3所示。

第一步:程序運(yùn)行后，等待用戶確定機(jī)械推桿是否處于起始位置，判斷有效后，根據(jù)用戶的輸入調(diào)整推桿位置，為下面的檢定工作做準(zhǔn)備;

第二步:根據(jù)需求用戶設(shè)置裝置的推動(dòng)參數(shù)，包括推動(dòng)速度、推動(dòng)距離和延遲時(shí)間，經(jīng)過系統(tǒng)延時(shí)后步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，機(jī)械推桿推動(dòng)DSA模體;

第三步:推桿回到起始位置，為下一檢定項(xiàng)目做好準(zhǔn)備。

圖3 算法流程圖

3 裝置的主要技術(shù)指標(biāo)

1)時(shí)間延時(shí):5～20 s，定時(shí)誤差:±0.1 s;

2)推動(dòng)距離:0～20.0 cm，距離誤差:±0.1 cm;

3)推動(dòng)速度:1～6 cm/s，速度誤差:±0.2 cm/s。

4 裝置的應(yīng)用及結(jié)果分析

用該裝置對惠州市第三人民醫(yī)院的數(shù)字剪影血管造影(DSA)系統(tǒng)進(jìn)行了檢定，裝置的延時(shí)設(shè)置為10 s，推動(dòng)距離為16 cm，推動(dòng)速度為4 cm/s?，F(xiàn)場檢定時(shí)裝置和模體的擺放見圖4所示。檢定后得到的DSA系統(tǒng)剪影圖像如圖5所示。

圖4 檢定現(xiàn)場圖

圖5 DSA系統(tǒng)檢定結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自動(dòng)推動(dòng)裝置可按照程序設(shè)定推動(dòng)DSA性能模體，同時(shí)還可有效地避免由于手動(dòng)推動(dòng)時(shí)速度不均造成的圖像偽影，保證了檢定結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種簡便的DSA性能模體自動(dòng)推動(dòng)裝置，通過遙控控制和延時(shí)功能可避免檢定人員近臺(tái)操作造成的輻射損傷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該自動(dòng)推動(dòng)裝置可有效避免手動(dòng)推動(dòng)時(shí)由于速度不均造成的圖像偽影，滿足了實(shí)際檢定的需要。

［1］余建明.數(shù)字剪影血管造影技術(shù)［M］.北京:人民軍醫(yī)出版社.1999.

［2］張博書.基于平板成像器件的數(shù)字血管造影技術(shù)［D］.太原:中北大學(xué)，2008.

［3］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 1067-2011醫(yī)用診斷數(shù)字剪影血管造影(DSA)系統(tǒng)X射線輻射源計(jì)量檢定規(guī)程［S］.北京:中國計(jì)量出版社，2011.

［4］張琳.心血管介入診療中放射工作人員有效劑量的估算［D］.濟(jì)南:濟(jì)南大學(xué)，2011.

［5］顧宏清，曹少平，顧自李.DSA圖像中運(yùn)動(dòng)偽影的消除方法［J］.上海生物醫(yī)學(xué)工程，2007，28(4):237-239.

［6］劉寶志.步進(jìn)電機(jī)的精確控制方法研究［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2010.