申斌+顧敏明+李月樵+葉建兵+趙德

摘 要：為解決X射線拍片機(jī)在計(jì)量檢定過(guò)程中存在的使用頻率高，檢定周期長(zhǎng)，無(wú)法保證被測(cè)對(duì)象在檢定周期內(nèi)的安全和有效使用等問(wèn)題，文中根據(jù)半導(dǎo)體對(duì)X射線區(qū)域的線性響應(yīng)而設(shè)計(jì)了劑量?jī)x，將遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入X射線拍片機(jī)劑量監(jiān)測(cè)裝置，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)X射線計(jì)量檢定規(guī)程中的各項(xiàng)性能指標(biāo)，并建立相應(yīng)的X射線性能管理數(shù)據(jù)庫(kù)。試驗(yàn)表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了檢定規(guī)程中的各項(xiàng)要求。

關(guān)鍵詞：X射線輸出劑量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)；半導(dǎo)體；劑量?jī)x

中圖分類(lèi)號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：D 文章編號(hào)：2095-1302（2017）04-00-03

0 引 言

X射線拍片機(jī)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)診治必不可少的工具，其可利用X射線的差別吸收、穿透作用、感光作用和熒光作用[1]檢測(cè)人體是否健康。由于射線穿過(guò)人體時(shí)，受到組織或者器官等不同程度的吸收，因此在熒光屏或攝影膠片上呈現(xiàn)出不同密度的陰影，據(jù)此綜合判斷人體某一部分是否發(fā)生病變或者功能正常。然而X射線對(duì)人體各器官都有不同程度的損傷，因此計(jì)量部門(mén)需要對(duì)每一臺(tái)X射線設(shè)備的輸出劑量和其他參數(shù)進(jìn)行檢定，以確保圖片清晰可用，便于醫(yī)學(xué)診斷的同時(shí)又將對(duì)人體的傷害控制在安全范圍之內(nèi)。

近年來(lái)醫(yī)用X射線拍片機(jī)的總數(shù)和每臺(tái)X光機(jī)輻照患者人次呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。在長(zhǎng)期頻繁的使用過(guò)程中，醫(yī)用X射線設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)一些問(wèn)題，需要進(jìn)行維修并重新對(duì)其進(jìn)行檢定。針對(duì)以上問(wèn)題，醫(yī)用X射線設(shè)備的國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程規(guī)定的一年的檢定周期相對(duì)于高頻使用的儀器而言顯然不夠。針對(duì)此問(wèn)題，文中對(duì)醫(yī)用X射線拍片機(jī)的遠(yuǎn)程檢測(cè)和校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究，對(duì)醫(yī)用X射線進(jìn)行了長(zhǎng)期檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集，以使我們更好、更安全地使用X射線。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

X射線拍片機(jī)輸出劑量的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、3G/WiFi網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器三部分組成。X射線拍片機(jī)輸出劑量的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[2]。系統(tǒng)由計(jì)量傳感器節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)軟件兩部分構(gòu)成，其中軟件部分貫串系統(tǒng)始終，由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集層、中心節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器三層構(gòu)成。

傳感器節(jié)點(diǎn)在獲取傳感器的數(shù)據(jù)后，經(jīng)初步的數(shù)據(jù)解析和處理后，通過(guò)3G和WiFi通信方式發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后會(huì)保存在系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并存儲(chǔ)在較為可靠的存儲(chǔ)介質(zhì)上。然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，以便保存分析數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接收到的各種計(jì)量參數(shù)進(jìn)行可靠存儲(chǔ)，并對(duì)數(shù)據(jù)作初步分析和判斷，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的簡(jiǎn)要規(guī)則給相關(guān)工作崗位產(chǎn)生告警等提示，如計(jì)量設(shè)備工況不正?；蛘卟环蠂?guó)家相應(yīng)的使用規(guī)程時(shí)，則應(yīng)以多種形式顯示在監(jiān)控電腦和相關(guān)人員的設(shè)備上。該層還能下發(fā)上級(jí)命令，控制監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與發(fā)布中心主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯總分析上報(bào)，為宏觀決策提供依據(jù)，并根據(jù)相關(guān)文件公開(kāi)相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

X射線拍片機(jī)輸出劑量的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是按照數(shù)據(jù)采集、MCU控制和通信功能來(lái)設(shè)計(jì)的[3]，本文硬件總體設(shè)計(jì)框架如圖2所示[4]。SI-PIN探測(cè)器接收到X射線信號(hào)后，將X射線光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，微弱的電信號(hào)經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換變?yōu)殡妷盒盘?hào)后，再經(jīng)差分放大送到ARM處理器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，ARM處理器根據(jù)采樣信號(hào)的大小來(lái)對(duì)模擬多路開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，進(jìn)而切換量程，直至采樣信號(hào)在適當(dāng)范圍內(nèi)，然后進(jìn)行標(biāo)度變換，在LCD上實(shí)時(shí)顯示并定時(shí)存儲(chǔ)輸出劑量度信息。

2.1 前置放大電路的設(shè)計(jì)

SI-PIN探測(cè)頭的輸出電流非常微弱，需放大電信號(hào)。同時(shí)，SI-PIN探測(cè)頭具有短路特性，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)要求劑量輸出與光電流成線性關(guān)系，輸出負(fù)載RL→0。采用運(yùn)算放大器作電流—電壓變換，其電路如圖3所示。

前置放大電路的設(shè)計(jì)如圖4所示。我們采用兩路前置放大電路，將SI-PIN進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，有用信號(hào)和噪聲信號(hào)為一路放大信號(hào)V01；噪聲信號(hào)為另一路放大信號(hào)V02。兩路信號(hào)經(jīng)差分放大電路濾除噪聲信號(hào)，大大提高了測(cè)量精度。

2.2 程控增益差分放大電路設(shè)計(jì)

為滿足SI-PIN在不同強(qiáng)度下的線性關(guān)系，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了程控差分放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同強(qiáng)度的實(shí)時(shí)量程切換。圖5所示為系統(tǒng)的程控差分放大電路，包括STM32ARM處理器、可編程儀表放大器和模擬多路開(kāi)關(guān)。前置放大電路輸出的信號(hào)經(jīng)差分電路后將輸出劑量度信號(hào)放大后送至ARM處理器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和處理，再通過(guò)ARM處理器的PB口控制模擬多路開(kāi)關(guān)的通道來(lái)選擇放大倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔和輸出劑量度的換算。

2.3 E2PROM電路設(shè)計(jì)

為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的存取以及對(duì)數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的EAT24C64存儲(chǔ)芯片是一個(gè)16 K位CMOS E2PROM，其內(nèi)部含8 192個(gè)8位的字節(jié)，器件功耗極低，將其作為系統(tǒng)的片外存儲(chǔ)器。AT24C64基于I2C總線讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，在讀寫(xiě)狀態(tài)時(shí)，其最大工作電流為3 mA；掛起狀態(tài)時(shí)寫(xiě)入時(shí)間短，最大電流為5 μA。AT24C64電路圖如圖6所示。

2.4 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

電源對(duì)本系統(tǒng)而言至關(guān)重要，電源電路為系統(tǒng)中的所有電路提供合適的功率和電壓，同時(shí)電源的穩(wěn)定性也決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在本系統(tǒng)中不同模塊需要的電壓不一致，因此需要給每個(gè)模塊分別供電。STM32F030C8T6的供電電壓為3.3 V，運(yùn)放需要的供電電壓為5 V，單片機(jī)控制電路的供電電壓為+5 V和+12 V，無(wú)線傳輸模塊NRF24L01的最低供電電壓為1.9 V，繼電器需要的供電電壓為12 V。系統(tǒng)通過(guò)FDPS_50 dB將市電變?yōu)?2 V，1 A的直流電。12 V的電壓可直接給繼電器供電，然后通過(guò)KA78R05穩(wěn)壓芯片將12 V的電壓轉(zhuǎn)換為5 V，一端直接給運(yùn)放供電，再通過(guò)ASM1117-3.3穩(wěn)壓芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)化為3.3 V，為無(wú)線模塊和STM32供電。該系統(tǒng)的供電框圖如圖7所示。

3 Web系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 需求分析

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的TCP實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)，并解析數(shù)據(jù)，將解析數(shù)據(jù)存入位于服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)且對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)采用前臺(tái)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、管理及其Excel導(dǎo)出；圖表形式展示數(shù)據(jù)并在百度地圖顯示數(shù)據(jù)采樣地點(diǎn)。

3.2 后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

考慮之后可能會(huì)涉及大數(shù)據(jù)，云計(jì)算方面的擴(kuò)展，因此本設(shè)計(jì)采用較新的Go語(yǔ)言編程。Go是為數(shù)不多的并發(fā)編程語(yǔ)言，可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)多核的性能，在線程的使用上也比其他語(yǔ)言方便。在網(wǎng)站方面，使用了國(guó)內(nèi)比較流行的beego開(kāi)源庫(kù)，集成環(huán)境為L(zhǎng)iteIDE。使用相對(duì)較輕量級(jí)的SQLite作為數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.3 前臺(tái)技術(shù)

本設(shè)計(jì)使用目前流行的JavaScript和HTML實(shí)現(xiàn)。就目前而言，JS已具有很多優(yōu)秀的JS開(kāi)源庫(kù)，如chart， bootstrap，Jquery等。本設(shè)計(jì)主要用chart.js來(lái)實(shí)現(xiàn)圖表方面的功能。

4 實(shí)驗(yàn)

針對(duì)上述方法設(shè)計(jì)的整機(jī)進(jìn)行了長(zhǎng)期的整機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)登錄服務(wù)器相應(yīng)窗口獲得目前處在監(jiān)管狀態(tài)的十臺(tái)X射線拍片機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖8所示。

進(jìn)而針對(duì)管轄地某醫(yī)院的某臺(tái)X射線拍片機(jī)的半年平均輸出劑量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，如圖9所示。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)證明本文設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確、可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轄區(qū)內(nèi)安裝了該X射線拍片機(jī)輸出劑量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的X射線設(shè)備。并且可以通過(guò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)對(duì)其中某一臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析。使得計(jì)量部門(mén)工作人員在家中就可對(duì)該設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，大大提高了工作效率和工作質(zhì)量。

5 結(jié) 語(yǔ)

X射線拍片機(jī)輸出劑量的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能傳感器技術(shù)解決了X射線拍片機(jī)在計(jì)量檢定過(guò)程中遇到的使用頻率高，檢定周期長(zhǎng)，無(wú)法保證被測(cè)對(duì)象在檢定周期內(nèi)的安全和有效使用的問(wèn)題。根據(jù)半導(dǎo)體對(duì)X射線區(qū)域的線性響應(yīng)設(shè)計(jì)了劑量?jī)x的傳感器，建立了相應(yīng)的X射線性能管理數(shù)據(jù)庫(kù)。試驗(yàn)表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

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