李建林，劉美娟，杜敦仁，謝海柱，高偉，董言治

1.青島大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬煙臺(tái)毓璜頂醫(yī)院 a.影像科；b.超聲科，山東 煙臺(tái)264001；2.煙臺(tái)萊山區(qū)第一人民醫(yī)院影像科，山東 煙臺(tái) 264003；3.煙臺(tái)大學(xué) 光電學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005

一種基于呼吸門控技術(shù)的嬰幼兒胸部X射線曝光控制系統(tǒng)的研究

李建林1a，劉美娟1b，杜敦仁2，謝海柱1a，高偉1a，董言治3

1.青島大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬煙臺(tái)毓璜頂醫(yī)院 a.影像科；b.超聲科，山東 煙臺(tái)264001；2.煙臺(tái)萊山區(qū)第一人民醫(yī)院影像科，山東 煙臺(tái) 264003；3.煙臺(tái)大學(xué) 光電學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005

目的解決嬰幼兒胸部X線攝影時(shí)呼吸配合問題。方法研究設(shè)計(jì)了一種基于呼吸門控裝置的X射線機(jī)曝光時(shí)機(jī)顯示控制裝置，通過夾持式信號(hào)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)呼吸時(shí)腹部壓力變化，選用以STC89C52單片機(jī)為處理核心的信號(hào)處理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示腹部壓力變化波形。隨機(jī)選取100名于我院進(jìn)行胸部X射線攝影的1～3周歲患兒，平均分為兩組，一組采用傳統(tǒng)曝光方式，另一組采用本文研究設(shè)計(jì)的呼吸門控輔助方式進(jìn)行曝光。結(jié)果采用呼吸門控輔助方式進(jìn)行曝光拍攝結(jié)果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)曝光方式，兩組曝光結(jié)果間有顯著差異（P＜0.001）。結(jié)論基于呼吸門控裝置的X射線機(jī)曝光時(shí)機(jī)顯示控制裝置可以為胸部攝影提供更好的質(zhì)量保證。

呼吸門控技術(shù)；X射線曝光控制；胸部X線攝影

胸部X線攝影由于方便快捷、價(jià)格低廉、患者接受輻射劑量少等特點(diǎn)，在各種胸部醫(yī)學(xué)影像檢查中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但患者特別是嬰幼兒及聾啞人的呼吸配合問題卻一直未能得到有效解決，目前只能依靠影像技術(shù)人員憑經(jīng)驗(yàn)和肉眼觀察控制曝光，很難準(zhǔn)確掌握儀器的曝光時(shí)機(jī)，不易得到可靠清晰的高品質(zhì)X線胸部攝影圖像。為了提高影像質(zhì)量往往需要多次曝光，但這會(huì)使患者接受射線劑量成倍增加[1-2]。本研究提供了一種基于呼吸門控裝置的X射線機(jī)曝光控制裝置，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)X光機(jī)的曝光時(shí)機(jī)，并能為患者提供射線防護(hù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)總體由呼吸門控信號(hào)采集部分、信號(hào)電路分析處理部分和信號(hào)顯示部分3部分組成。呼吸門控信號(hào)采集部分，以一彈性夾結(jié)構(gòu)支持，內(nèi)包括探測(cè)氣囊、壓力傳感器等，見圖1；信號(hào)分析處理部分包括一單片機(jī)、信號(hào)取樣電路、顯示電路；信號(hào)顯示系統(tǒng)可以是單獨(dú)的顯示器或常備電腦顯示器中的一部分[3]。

圖1 呼吸門控信號(hào)采集部分結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

圖3 STC89C52單片機(jī)及其連線原理圖

1.2 系統(tǒng)工作流程

操作流程如下：① 被檢查人躺在檢查床上，操作人員手握防護(hù)夾的握持部將彈性夾打開，卡在人體的腹腔部位，鉛橡皮覆蓋住人體的腹部；② 松開握持部，在彈性片的作用下，使防護(hù)夾的夾腳部與人體的腹腔部位相扣，使患者腹腔與探測(cè)氣囊柔性接觸；③ 患者呼吸時(shí)腹部的松弛和張緊通過探測(cè)氣囊傳遞到與其相連接的壓力傳感器上，壓力傳感器對(duì)被檢查人員的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將人體呼吸起伏的狀況轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入信號(hào)處理系統(tǒng)；④ 信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)采集到的壓力信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，并將處理結(jié)果通過數(shù)據(jù)線傳送至曝光觸發(fā)顯示系統(tǒng)；⑤ 操作人員在一檔手閘預(yù)備好的情況下，通過觀察顯示屏幕腹部壓力的顯示，選擇時(shí)機(jī)完成曝光操作。系統(tǒng)工作流程圖，見圖2。

1.3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

呼吸門控裝置是以單片機(jī)為處理核心的嵌入式系統(tǒng)。電路板主要功能是采集呼吸信號(hào)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及濾波處理；附加的串口輸出模塊，把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過串口輸出到計(jì)算機(jī)；在觀察被測(cè)者呼吸波形的同時(shí)，通過計(jì)算機(jī)設(shè)定一個(gè)閾值，把控制信號(hào)傳輸給主機(jī)。由于該模塊采用STC89C52單片機(jī)處理軟件和ADC0804數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，具有滿意的處理速度和精度、較高的精確性和控制有效性[4-5]。STC89C52單片機(jī)控制AD轉(zhuǎn)換和串口輸出等模塊。其中J1連接計(jì)算機(jī)，從ADC0804的VIN+口輸入模擬輸出的呼吸信號(hào)，有源晶振Y1接STC89C52的XTAL1腳和XTAL2。另外，為保證單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的正確通信，它們之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，也就是對(duì)串口電平和TTL電平進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換。本電路采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片連接方式。

STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8 K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。MAX232芯片是專為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5 V單電源供電，特別適合電池供電系統(tǒng)，其低功耗關(guān)斷模式可以將功耗減小到5 μW以內(nèi)[5]。ADC0804是A/D轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間大約100 μs，方便TTL或CMOS標(biāo)準(zhǔn)接口，輸入電壓是5 V[6]。

呼吸門控裝置中的STC89C52單片機(jī)及其與晶振和其他外設(shè)的連線原理圖，見圖3。系統(tǒng)所用電平轉(zhuǎn)換芯片和串口連接原理圖，見圖4。模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片和相關(guān)連接原理圖，見圖5。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括初始化模塊、定時(shí)模塊、采樣模塊、指示模塊和通信模塊。其中初始化模塊完成單片機(jī)組成部件的初始設(shè)置，比如時(shí)鐘、定時(shí)器、IO口和通信等模塊的參數(shù)設(shè)置；定時(shí)模塊主要用于在預(yù)定間隔時(shí)間內(nèi)控制ADC芯片采樣呼吸數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理；采樣模塊負(fù)責(zé)呼吸數(shù)據(jù)的ADC轉(zhuǎn)換，提供滿足速度和精度的數(shù)據(jù)；指示模塊用于呼吸數(shù)據(jù)超過閾值后的指示燈提醒；通信模塊負(fù)責(zé)將需要的數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)。系統(tǒng)軟件工作流程，見圖6。

圖4 系統(tǒng)所用電平轉(zhuǎn)換芯片連接原理圖

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片和連接原理圖

圖6 系統(tǒng)軟件工作流程

2 系統(tǒng)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

在征得監(jiān)護(hù)人同意的情況下，隨機(jī)選取100名來我院就診時(shí)需要拍攝胸片的1～3周歲患兒，平均分為兩組。一組采用傳統(tǒng)曝光方式，另一組采用本文研究設(shè)計(jì)的呼吸門控輔助曝光方式。

2.2 試驗(yàn)方法

采用Philips Digital Diagnost DR設(shè)備，由一名具有5年以上工作經(jīng)驗(yàn)的高年資技師操作，所有攝片僅對(duì)患者第一次曝光進(jìn)行評(píng)價(jià)。由兩位副高以上職稱的多年資醫(yī)師及一名副高職稱的技師參照甲級(jí)片評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)肺紋理清晰程度、肺野展示充分度，3人共同分析主觀評(píng)價(jià)片子的質(zhì)量，分為差、一般及優(yōu)3級(jí)。差：肺野未展開，肺紋理模糊；一般：肺野展開尚可，肺紋理較模糊，尚可滿足基本診斷；優(yōu)：肺紋理清楚、展開充分。兩組曝光方式結(jié)果統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 兩種曝光控制方式下的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

通過SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件用2×3的列聯(lián)表分析法，χ2值為33.686l，兩組曝光方式評(píng)價(jià)結(jié)果有顯著差異（P＜0.001）。

3 討論

從呼吸運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行過程可知，呼吸運(yùn)動(dòng)主要依靠兩部分呼吸肌的舒縮來完成，分別表現(xiàn)為胸腹兩部位的活動(dòng)：① 肋間外肌舒縮引起肋骨和胸骨運(yùn)動(dòng)，引起胸廓前后、左右徑增大，表現(xiàn)以胸部活動(dòng)為主；② 膈肌收縮，使胸廓的上下徑增大，表現(xiàn)以腹部活動(dòng)為主。胸式呼吸吸氣時(shí)靠肋骨的側(cè)向擴(kuò)張，用肋間外肌上舉肋骨以擴(kuò)大胸廓，腹部收縮；呼氣時(shí)胸廓下降，腹部凸起。腹式呼吸吸氣時(shí)，膈肌收縮，膈的隆起部下降，上腹部臟器如肝、脾等隨之下降，前腹壁向外突出；呼氣時(shí)則相反，前腹壁向內(nèi)復(fù)位[6-7]。兒童在攝片時(shí)往往比較恐懼，進(jìn)而可能出現(xiàn)哭鬧現(xiàn)象,這時(shí)就會(huì)采用胸式呼吸，胸廓的運(yùn)動(dòng)幅度較大，吸氣時(shí)的時(shí)間極短，僅僅依靠影像技術(shù)人員憑經(jīng)驗(yàn)及肉眼觀察控制曝光，很難準(zhǔn)確掌握儀器的曝光時(shí)機(jī)，不易得到可靠清晰的高品質(zhì)的X線胸部攝影圖像。本文研究結(jié)果顯示，采用呼吸門控系統(tǒng)輔助曝光，能大大提高嬰幼兒的胸片質(zhì)量（可診斷片從66%提高到94%，優(yōu)良片從24%提高到84%）。

本研究在研究兒童呼吸方式的基礎(chǔ)上，分析了不同呼吸方式與腹部壓力的相關(guān)性，通過觀測(cè)腹部壓力的變化，判斷呼氣及吸氣末端的時(shí)點(diǎn)，通過即時(shí)顯示波形作為曝光時(shí)點(diǎn)直接控制曝光手閘，可以實(shí)現(xiàn)曝光時(shí)機(jī)的精確控制。

[1] 孫獻(xiàn)梅,楊波,任香娣.嬰幼兒防輻射拍片床在X射線輻射防護(hù)中的應(yīng)用 [J]. 醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志,2011,21(12):1903-1905.

[2] 李印亮,夏春,王元林.小兒胸部X射線間接數(shù)字化攝影參數(shù)選擇[J].中國輻射衛(wèi)生,2015,24(5):501-502.

[3] 胡紅波,邵高峰,丘志芬.一種PET/CT呼吸門控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2016,(2):29-31.

[4] Wang JH,Cui EC.The Design of a Multifunctional Remote-Control Intelligent Vehicle Based on STC89C52[J].AMM,2015,789-790:754-757.

[5] Havasi MR,Shiekhdavoodi MJ,Shini NA,et al.Development and Evaluation of a Digital Tractor Dynamometer[J].Asian J Agric Sci,2012,4(2):145-148.

[6] 曲良勇,苑翠紅.濾過對(duì)數(shù)字化胸部X射線攝影圖像質(zhì)量和輻射劑量的影響[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2014,(2):44-46.

[7] 姚泰,吳博威.生理學(xué)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2003:133-136.

Research on an Infant & Children Chest X-ray Exposure Control System Based on Respiratory Gating Technique

LI Jian-lin1a, LIU Mei-juan1b, DU Dun-ren2, XIE Hai-zhu1a, GAO Wei1a, DONG Yan-zhi3
1. a. Department of Imaging; b. Department of Ultrasound, Yantai Yuhuangding Hospital Affiliated to Medical College of Qingdao University, Yantai Shandong 264001, China; 2. Department of Imaging, the First People’s Hospital of Laishan District, Yantai Shandong 264003, China; 3. School of Optoelectronics, Yantai University, Yantai Shandong 264005, China

ObjectiveTo solve the problem of respiratory coordination in chest radiography in infants and young children.MethodsA new X-ray machine exposure time display & control device was designed based on respiratory-gated devices, which monitored the changes in abdominal pressure during breathing by using the clamp signal acquisition system and used the STC89C52 single chip computer as the core of signal processing systems so as to real-timely display the abdominal pressure waveform. Altogether 100 infants with ages ranging from 1 to 3 years old were scanned by chest X-ray in the hospital, they were randomly selected and evenly divided into two groups with 50 infants in each group. One group was scanned by using the conventional method; another group was exposed by using the assistance of the respiratory-gated method designed this study.ResultsThe exposure result by using the respiratory-gating assisted method was significantly better than that of the traditional method, with significant difference between the two groups (P＜0.001).ConclusionThe exposure time control device of X-ray machine which designed based on respiratory-gated display devices could provide better quality assurance for chest radiography.

respiratory-gated technique; X-ray exposure control; chest X-ray imaging

R814

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.07.030

1674-1633(2016)07-0098-04

2016-04-25

2016-05-10專利：發(fā)明專利（ZL201110124999.7）。

劉美娟，主治醫(yī)師，超聲影像診斷。

通訊作者郵箱：yhdyylmj@163.com