基于碳纳米管静态乳腺CT的阴极性能测控平台设计

邵淑炜，陈继磊，祁云嵩，胡战利，石伟，洪序达，梁栋*（、江苏科技大学，镇江 003；、中国科学院深圳先进技术研究院，深圳 58055）

基于碳纳米管静态乳腺CT的阴极性能测控平台设计

邵淑炜1,2，陈继磊1，祁云嵩1，胡战利2，石伟2，洪序达2，梁栋2*
（1、江苏科技大学，镇江 212003；2、中国科学院深圳先进技术研究院，深圳 518055）

摘要：以碳纳米管作为阴极材料的场致发射X射线源及成像技术是国际上的研究前沿，也是CT技术的重要发展趋势之一。相比传统热电子发射X射线源而言，碳纳米管X射线源具有结构紧凑、高时间分辨率、可编程式发射等优势。为了满足课题中对碳纳米管阴极场发射电流性能的测试与监控需要，在微软公司的Visual Studio 2015开发环境下采用C++作为本程序的编程语言，设计并实现碳纳米管静态乳腺CT的阴极性能测控平台。经测试验证后，本程序的具有操作简便、自动化程度高、界面交互性好等优势。

关键词：碳纳米管阴极；�射线源；Visual Studio 2015

[CLC Number] TB383.1; O613.71[Document Code] ADOI: 10.11967/2016140304

引言

目前医用数字乳腺机X射线源多采用热阴极单光源——X光源固定在旋转机架上做弧线运动进行X射线扫描，但是旋转阳极扫描方式的机械运动带来运动伪影和热电子发射机制产生的时间延时，导致图像的空间分辨率降低，增加病人受辐射剂量［1］。采用碳纳米管X射线源场发射阴极可实现静态扫描，不需要机械转动，就可以获取不同角度的投影数据［2］，从而就可以消除热阴极带来的缺陷。

为了满足课题中对碳纳米管阴极场发射性能［3］测试与监控的需要，设计并实现了此程序。本程序利用微软公司的Visual Studio Enterprise 2015开发环境［4］，编程语言采用C++［5］，采用GPIB作为通信协议。本程序通过GPIB通信协议［6］实现工作站与松定AU10R60高压电源通信。上位机程序可以监控电源的电压、电流，并可以根据用户的要求按一定的时间间隔采样高压电源的电压电流值或设定高压电源的电压值，同时可以在运行过程中采用波形图等多种方式显示当前高压电源的信息值，自动保存采集到的数据值到CSV文本中，并可以用Excel对实验数据进行管理。

1　总体结构概述

本程序功能模块如图1所示，在人机交互界面下本程序可以进行两种实验：1.电压电流测试（I_V TEST），用来测试碳纳米管冷阴极的场发射特性［7］。2.电流时间测试（I_T TEST）用来测试碳纳米管冷阴极的发射的稳定性。

图1　总体结构图Fig 1　The flow chart of the structure

2　本程序的功能描述以及实现流程

2.1功能描述

I_V TEST标签页下，每隔一定时间（VStepTime）增加一定的电压值（V-Step）直到增加到电压为V POS2后停止，其中每隔一定时间（GapTime）对高压电源的电压与电流值采样一次并显示与保存。按下开始按钮（BEGIN键）后前述过程开始，当按停止按钮（STOP键）后前述过程停止。

I_T TEST标签页下，按下开始键给高压电源设定电压为V POS 后，每隔一定时间（Step Time）采集一次电流值并显示与保存，采集设定次数（StepNum）后程序自动停止。

2.2实现流程

电流电压测试流程如图2所示。按下开始按钮后初始化相关变量（防止用户连续按BEGIN键而不按STOP键出问题），给历史纪录文本中记录下实验开始时间，当到达了GapTime后，开始采集高压电源此刻的电压与电流值，将采集到的电压电流数值显示在文本编辑框中，并以波形图方式输出显示，最后将数据保存在CSV文件中。当VStepTime到达时按用户的要求设定高压电源电压值。按下停止按钮后停止计时机制、保存数据、并与设备切断连接、历史纪录文本中写下实验结束时间、重置相关变量。如图4所示。电流时间测试流程如图3所示。按下开始按钮后初始化相关变量（防止用户连续按BEGIN键而不按STOP键出问题），按用户所要求设置电压，当到达时间点后立刻采集此时高压电源的电流数据并显示在编辑框和波形图中，同时保存此数据到文本文件中。当采集次数到达用户所设置的数目，结束实验，历史文本中记录实验结束时间，切断与设备连接，不再计时。

停止的实现流程与电流电压测试类似。不再赘述。

注意：当用户按了一次BEGIN后，不按STOP再按BEGIN会产生重新画图的效果（即等效于按下STOP后按下BEGIN）

图2　电流电压测试流程图Fig 2　The flow chart of I_V test

图3　电流时间测试流程图Fig 3　The flow chart of I_T test

图4　停止流程图Fig 4　The flow chart of stop operation

3　界面设计

本程序主要采用Microsoft的MFC库用来创建界面［8］。MFC 将程序员从传统的 switch-case 中解放出来 ，简化了Active控件的开发 ，其结构框架使得Windows 对象 ，如窗口 、对话框及控件变得如同 C++ 中的对象一样操作［8］。 MFC帮助人们把复杂的 API （应用程序接口）利用面向对象的原理 ，逻辑地组织起来 ，使其具有抽象化 、封装化 、继承化、多态性 、模块化的性质［9］。两个标签页［10］，每个标签页上的执行的实验不同，功能不同，界面基本相同。如图5和图6所示。灰色背景的文本编辑框用来显示相关采集到的数据，且不能被修改。其他可以修改的文本编辑框，都配有旋转按钮，可以通过旋转按钮编辑相应控制参数的数值，当然也可以手动输入。文件浏览编辑框中需要用户选择或者手动输入保存采集数据的文本地址，不过用户也可以不编辑它，本程序可以根据当前的系统环境和实验环境自动命名一个唯一的文件名（包括文件的绝对路径），同时记录历史数据在文件中时采用的是追加的方式，以防用户忘记更改文件名导致历史数据被覆盖，这样还可以为查询实验记录提供便利。

图5　电流时间测试界面Fig 5　The user interface of I_V tab

图6　电压电流测试界面Fig 6　The user interface of I_V tab

4　通信

本实验采用松定AU10R60高压电源，通过通用接口总线GPIB（General Purpose Interface Bus），IEEE 488.2协议控制高压电源，并通过NI公司的GPIB-USB-HS［11，12］将GPIB信号线转接到工作站的USB接口上。本控制程序采用NI公司提供的驱动程序：NI-488.2 15.0.0［13］。在此通信协议下按照AU10R60用户手册提供的命令集，初始化通信参数并控制此高压电源并分析读取从电源接收到的信号。在NI公司提供的驱动程序下在Visual Studio 2015 C++的环境下从而建立上位机与高压电源的通信和控制［14］。

图7　GPIB通信流程图Fig 7　The flow chart of the communication of GPIB

5　数据的显示与记录

本实验中一共有三种方式用来显示与记录实验数据分别为文本编辑框显示、动态图标显示 、CSV文件记录历史数据。

5.1文本编辑框显示

这个功能主要利用微软提供的MFC完成。如图8所示，在每次读取并分析处理提取出高压电源发送来的数据后，将此电压或电流参数值发送到文本编辑框的相关变量中并显示在下图对话框中的灰色背景的文本编辑框内。

5.2动态图标显示

本软件中采用的是TeeChart8.0［15］控件来动态显示每次采集到的电压、电流、时间信号使得在本软件上可以显示类似于示波器上的波形图［16，17］。（如图9）。本控件并不具备可以动态显示波形的功能，所以程序中每次画图时将上一次的图像清除，再重新画一遍新的波形从而达到移动的效果。

5.3CSV文件记录历史数据

采用CSV［18，19］并可以通过Excel对数据进行筛选和管理（如图10和图11所示）。本程序利用文本文件流，将实验数据记录在文本文件中。本程序中每次都会记录实验的开始与结束时间，并采用追加的方式写入数据从而保证后一次实验不会覆盖上一次的实验数据（尤其当用户忘记修改文件名的时候）。同时本程序可以根据打开本控制程序的时间自定义一个唯一的包含文件名的绝对路径，其中以具体的时间作为文件名后缀从而保证文件名的唯一性。

图8　编辑框显示Fig 8　The editbowhich used to display

图9　波形图显示Fig 9　The wave displayed on the program

图10　实验生成的CSV文档Fig 10　The csv file generated by the program

图11　实验生成的CSV文档内容Fig 11　The csv file generated by the program

6　测试结果

实验中设备连接如图12所示，高压电源连接至真空腔体，腔体内放有本实验室自主制备的碳纳米管样品［20，21］，再串联一个20千欧的电阻，电阻接地。另外，从此松定电源引出的GPIB信号接上NI公司的GPIB-USB-HS接入工作站上。

图12　实验设备连接图Fig 12　The equipment of hardware

在电流与电压实验测试中为了测试本实验室自主制备的碳纳米管冷阴极样品在220μ m间距下直流发射特性, 测试环境真空度为1. 0×10-4Pa -1.0×10-5Pa，目标电压设为2200V，起始电压从550V开始，每隔2秒，增加50V直到达到2200V为止。最终得到的测试结果如图13。图中可以看出，当电压增长到1050V以后，才会有较大的电流。由图13可知碳纳米管冷阴极能够获得较好的发射特性[22]。

图像13　电流电压测试结果图Fig 13　The result of the test of electric current and voltage

电流时间测试中（碳纳米管样本与电压电流测试中一样，真空环境也相同），从我们所测得结果如图14所示。从测量结果中可看出起始电流为2.748mA，在第678秒的时候得到的峰值电流为3.612mA，终值电流为2.724mA，计算得此碳纳米管阴极样品稳定程度为0.8734%，由此可知本次测试的碳纳米管冷阴极具备较好的稳定性。图上所见，在试验前段部分，电流出现了一个较为明显的波动，这是由初始的碳纳米管的微观结构的随机性——碳纳米管的方向不一致引起的，当加上高压后，碳纳米管的方向在电场的作用下与电场方向保持一致，从而使得输出电子量增加，电流升高，但是，随后由于一部分碳纳米管烧毁使得电流降低，最终输出电流达到稳定［23］。

图像14　电流时间测试结果图Fig 14　The result of the test of electric current and time

7　结论

本控制程序在Visual Studio2015环境下采用C++语言进行开发。本程序执行效率高。可以快速的采集用户所需数据，并对数据进行处理、分析、提取、保存。程序运行稳定，可靠，采集数据精确无误。设计人性化，操作简单，自动化程度高，提高了实验与开发效率，为本实验室自主制备的碳纳米管冷阴极提供了测试功能，以及项目开发所需的监控能力，从而为本课题组实现基于碳纳米管静态乳腺CT提供了便利、高效、可靠的测控平台。

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E-mail: sw.shao@siat.ac.cn ； dong.liang@siat.ac.cn

中图分类号：TB383.1；O613.71

文献标识号：A

DOI：10.11967/2016140304

基金项目：⋆国家自然科学基金青年科学基金项目（61501446），基于碳纳米管X光源的静态CT成像关键技术研究；国家自然科学基金面上项目（61471182），高维数据保真降维方法研究；2015年度江苏省研究生科研创新计划项目（No.KYLX15_1106），基于龙心和自主物联协议的物联网应用研究。

作者简介：邵淑炜（1992—），女，江苏南京人，硕士研究生，主要研究方向：CT成像。

Design and Development of a Platform to Control and Measure the Performance of CNT X-ray Source Based Stationary Digital Breast Tomosynthesis

Shuwei Shao1，2， Jilei Chen1， Yunsong Qi1， Zhanli Hu2， Wei Shi2， Xuda Hong2， Dong Liang2*
（ 1、Jiangsu University of Science And Technology， Zhenjiang 212003， China； 2、Shenzhen Institutes of Advanced Technology， Chinese Academy of Sciences， Shenzhen 518055， China ）

Abstract:Carbon nanotube ( CNT ) cathode based X-ray source is a leading field of CT technology in recent years. Compared with traditional thermal emission X-ray source, CNT X-ray source has some advantages such as miniaturization, high temporal resolution and programmable emission. In order to meet the need of evaluating the performance of CNT X-ray source, the authors developed a measurement and control platform. Within which, the associated program was developed used C++ language in Microsoft Visual Studio 2015 development environment. After testing, debugging, and verification, we can conclude that this program satisfy the user' s requirement with robustness user-friendly interface, and high-level automation.

Key words:Carbon nanotube cathode; X-ray source; Visual Studio 2015