基于无线传输的数字X射线成像与处理系统的研究与框架构建

刘建新 袁卫英 苏 磊

1 数字化X射线成像的研究背景

1.1 无线传输的数字系统研究概况

在现代化战争中，战场的情况复杂而多变，需要时刻掌握战场和士兵的各种信息才能了解战局的发展，控制战场的局势，减少人员伤亡，避免意外的发生。近年来，各国都在加大研制适应未来战争的各类装备力度，检测士兵生理状态的便携装置也成为研究的重点之一。这其中有美国的WPSM系统，英国的FIST计划，法国的Felin未来战士项目，澳大利亚的Iand125计划，德国的IdZ未来战士计划。未来部队勇士(FFW)装备是美军近年来为适应未来作战的特点，运用高新科技设计的轻便、综合的步兵战斗装备系统。WPSM系统是一套包含生理和医学的传感器装备，它可以收集和监测包括人体的体温、脉搏、血压、呼吸等生命体征信号，同时当士兵受伤或者极度疲劳时，还可及时将士兵的状况报告给指挥官和医务兵。因此，在现有有线平台上建立的数字化检测设备都无法适应未来战争的战时装备需求。目前，我国也在不断发展自己的无线传感网技术，并已经取得了一定的进展和成绩，在此平台上的数字化医学检测系统应用研究也急需开展，为此，提出了基于无线传输的数字X射线成像与处理系统。

1.2 医院放射科医疗设备现状

在国内医疗系统，尤其是基层医院的放射科中，普遍存在医疗设备陈旧、简陋、档次低下等现象。虽然目前医院放射科的诊疗设备和仪器已经有包括常规X线机、透视X线机、CT机、MR、DSA等医疗设备。但仍有大量的诊疗需要通过常规X射线检查和普通CT扫描进行检查。这些医院如果一次性更新数字化设备则需投入大量资金。因此，利用现有设备实现有效的放射数字化是一个切实的、可行度高的方法。

1.3 数字化X射线成像技术概要

数字化X射线成像采用数字技术，动态范围广，有很宽的曝光宽容度，并且数字化图像突出的优点是分辨率高，图像清晰、细腻，可以根据临床需要进行各种图像后处理，如图像滤波，窗宽窗位调节、放大漫游、图像拼接以及长度、面积测量等丰富的功能，为影像诊断中的细节观察、前后对比、定量分析提供技术支持。数字化X射线成像比传统胶片成像所需的X射线剂量要少，因而能用较低的X射线剂量得到高清晰的图像，从而减轻X射线对患者及医护人员的辐射危害。同时，由于数字化X射线成像改变了以往传统的胶片摄影方法，使医院放射科取消原来的胶片管理方式，而采用计算机无片化档案管理，节省大量的资金和场地，提高工作效率。此外，由于数字化X射线影像的出现，结束了X射线图像不能数字传输的历史，为医院进行远程专家会诊和网上交流提供了极大的便利。

2 国内外同类研究工作现状及存在问题

数字化X射线成像系统不同于国内外已有的X光机无线视频传输系统，其设计参数和标准将需要依靠无线传感网的参数标准。最终完成的系统将需要借助已有的无线传感网进行数据传输，而无线传感网本身就是美国最先研究出来，以提高未来野战单兵作战能力的一种短距离、低速率、低功耗无线网络技术。目前，正在进行的三网合一，使无线传感器网络已经不仅仅局限于军事应用领域，在民用领域也引起了广泛关注。可以预见，在未来的应用中基于无线传输的医疗器械的应用将会成为主导，而对于医疗领域则基于无线传感网的医疗生命体征探测系统等必将成为各国科研热点之一。

目前，国内虽有无线传输的X光机设备，国外也有相应的研究论文，但多用于工业，且并未考虑与无线传感器网络的标准统一，因此其应用具有局限性。

3 主要研究内容与框架设计

3.1 研究的内容及意义

X射线诊断仪是基于X射线透视原理的影像诊断设备，通过摄片、透视两大类X线设备与技术适当选择及综合应用，适用于人体全身各系统，包括呼吸、循环、泌尿生殖、骨骼、中枢神经和五官等疾病的检查，可提供重要的和确切的诊断信息，已成为临床医学中不可缺少的重要组成部份。传统X射线诊断仪的体积大、重量重，一般都置于室内，虽然功能完善，但是不便于户外诊断。对于医院门诊、病房、野外事故、抗震救灾、战场救护等现场X射线透视检查，传统的X射线诊断仪不能担当重任；另一方面虽然感光胶片具有很高的空间分辨率，但人眼对空间分辨率的感知有限，超出极限之外的可忽略不计，而数字化的密度分辨率是胶片无法比拟的.即数字化关于病变差异的分辨率是可调的，其对比度、宽容度、灰阶指数均优于胶片，从而使得图像获得更多的信息。对于不同层次和密度的同一部位，原来需分别拍摄数次，而现在由于数字化的兼容性，只需拍摄一张组织器官就都能显现出来，并且放大后的影像质量不受损失。在实战和野外作业中，胶片携带不便、不易保存以及摄片结果不能及时处理等缺点都成为制约X射线影像仪的重要瓶颈。因此，体积小、重量轻、易于携带并且方便使用的低剂量数字X射线成像仪将成为未来发展的必然趋势。

本研究有望在未来将数据接入战区无线传感网，通过便携的X射线成像仪将伤兵的情况及时传到营区获得专家的及时指导，并对卫生兵甚至是士兵本人等提出操作建议，实现高质高效的实时野战救助，从而极大的提高作战力，而把伤亡率降到最低。同时该成像仪在医院内部，也可对普通X光机进行数字成像，并通过无线传输，将数据传输到服务器上以便医师进行分析。

3.2 拟采取的研究方法、步骤及技术路线

目前,在研究中采用二极管线性阵列(linear diode arrays，LDA)探测器成像系统和互补金属氧化物半导体/晶体管(complementary metal-oxidesemiconductor/transistor,CMOS)传感器相结合，一步完成X射线光电转换、数字采集的过程，实现直接数字化成像。将数字X射线成像仪所获取的数字成像信号进行无线传输。采用微处理器控制X射线数字成像器件实现图像采集，经过图像处理和编码后，送入无线发送模块。经过无线接收模块，接收无线传输信号并解码，将获得的数据通过相应的接口送入计算机进行处理。其整体设计框图如图1所示。

在已有X射线发生器基础上，进行全数字化成像，并实现无线传输协议与无线传感器网络无缝连接。第一期整体结构框图如图2所示。系统由两大部分构成，一部分为CCD探测平板，用以接收已有X线发生器的X射线，通过数据传输线将数据传入第二部分；第二部分则包括4个主要单元，首先是在中央处理单元的统一控制和协调下，通过信号获取单元将第一部分的信号读入，然后送入中央处理单元进行信息处理，然后将处理后的信息，通过显示及相关单元显示出来，进行全数字化成像。同时可以根据选择将数据通过数据传输单元向外发送。这里数据传输单元，不仅能实现普通的有线传输方式，而且还能利用无线蓝牙等技术，实现无线传输方式的扩展，将数据接入无线传感网平台。目前正全面推行的无线传感器网络，利用该特有网络的带宽和传输速率，可以将前线的图像信息迅速传至后方，由专家及时给出合适的方案。特别适合未来野战医院的特点和我国军事现代化的发展。

图1 整体设计框图

图2 第一期整体结构框图

3.3 无线传输的数字X射线成像与处理系统可行性分析

无线传输的数字X射线成像与处理系统在医院中使用有其优越性，它可以对现有的X射线机进行数字成像，利用数字化的高密度分辨率、对比度、宽容度、灰阶指数均优于胶片的特点，实现病变差异的分辨率可调；利用数字化的兼容性，只需拍一张组织器官便能够显示其影像，影像放大后的质量不会受损失；且其体积小，易保存，携带方便，能使图像获得更多的信息，是胶片无法比拟的。而将该成像信息经过处理，通过有线或者无线网络迅速传至诊疗室的医生电脑上，这样既可提高医生的诊治效率，也可减少患者的等待，提高了各个科室的工作效率，为实现远程专家会诊和诊疗信息化提供有力的支持，同时可以节约大量的科室步骤以及纸张，实现低碳环保。系统外观设计如图3所示。

系统采用CCD探测平板可拆卸的便携连接，方便实现与其他探测器的拓展连接功能。例如：如果需要实现远红外等其他信息的探测，只需换上不同的探测器即可。

图3 系统外观设计图

系统实现无线传输协议与无线传感器网络无缝连接的方法，可以选择无线传感网的信号发射模块，然后根据无线传感网的信息传输协议，适当修改本系统的信息传输协议(主要是信息传输的格式、位数、校验等，按照无线传感网的协议设定即可)，即可实现无线传感网的接入，而不需要再对系统做硬件的改动。

4 结语

低剂量的无线传输数字X射线成像与处理系统具有影像质量清晰、体积小、重量轻、易于携带且方便使用等特点，随着信息化、数字化产业的迅速发展必将在医疗卫生领域为我国的医学装备现代化发挥出巨大作用。

[1]Alshehabi A, Kunimura S, Kawai J. Multilayer nano-thickness measurement by a portable lowpower Bremsstrahlung X-ray reflectometer[J].Anal Methods, 2010,2(10):1555-1558.

[2]崔学义.WSN的由来以及在国外的研究和发展[J].中国电子商情,2009(5):45-48.

[3]李成大,张京,龚茗茗.无线传感器网络及其应用综述[J].成都电子机械高等专科学校学报,2007,40(3):10－14.

[4]梁玉芬,高德云,牛延超,等.无线传感器网络应用系统综述[J].电子技术应用,2007,33(9):3-9.

[5]刘瑞玲,李祥林.无线传感网络研究与应用综述[J].电脑知识与技术,2010,6(12):3093-3094.

[6]张来潮,吴广恩,李德龙.无线传感器网络在军队指挥自动化建设中的应用[J].电子科技,2006,207(12):57-60.

[7]赵晓辉.无线传感器网络在美军目标部队中的应用[J].无线电工程,2007,37(7):1-3.

[8]马春庭,高萍,关士成,等.地面战场侦察传感器系统的发展状况及技术分析[J].军械工程学院学报,2003,15(4):15-20.

[9]金纯,齐岩松.ZigBee在单兵作战系统中的应用[J].现代电子技术,2006,29(1):29-31.

[10]王春飞,石江宏.美军单兵生命体征监测系统中的无线传感网络[J].医疗卫生装备,2007,28(11):34-39.

[11]缪兢陶.全数字化放射科的观念、策划及管理[J].上海医学,2001,2(24):459-262.

[12]Comstock JM, Freeborg CD, Martinez, et al. Future force warrior[J]. IEEE Systems and Information Engineering Design Symposium,2006(4):234-238.

[13]Suo D, Han Y, Yang G.The Wireless Remote Control System for Portable X-Ray Machine[S]. Los Angeles:2009 WRI World Congress on Computer Science and Information Engineering,2009:354-358.