X射线拍片机输出剂量的远程监测和校准方法研究

2017-05-16申斌顾敏明李月樵叶建兵赵德

物联网技术 2017年4期

申斌+顾敏明+李月樵+叶建兵+赵德

摘要：为解决X射线拍片机在计量检定过程中存在的使用频率高，检定周期长，无法保证被测对象在检定周期内的安全和有效使用等问题，文中根据半导体对X射线区域的线性响应而设计了剂量仪，将远程监测与物联网技术引入X射线拍片机剂量监测装置，以实时监测X射线计量检定规程中的各项性能指标，并建立相应的X射线性能管理数据库。试验表明该系统运行稳定，达到了检定规程中的各项要求。

关键词：X射线输出剂量实时监测；物联网；半导体；剂量仪

中图分类号：TP18 文献标识码：D 文章编号：2095-1302（2017）04-00-03

0 引言

X射线拍片机已经成为医学诊治必不可少的工具，其可利用X射线的差别吸收、穿透作用、感光作用和荧光作用[1]检测人体是否健康。由于射线穿过人体时，受到组织或者器官等不同程度的吸收，因此在荧光屏或摄影胶片上呈现出不同密度的阴影，据此综合判断人体某一部分是否发生病变或者功能正常。然而X射线对人体各器官都有不同程度的损伤，因此计量部门需要对每一台X射线设备的输出剂量和其他参数进行检定，以确保图片清晰可用，便于医学诊断的同时又将对人体的伤害控制在安全范围之内。

近年来医用X射线拍片机的总数和每台X光机辐照患者人次呈现明显的上升趋势。在长期频繁的使用过程中，医用X射线设备经常出现一些问题，需要进行维修并重新对其进行检定。针对以上问题，医用X射线设备的国家计量检定规程规定的一年的检定周期相对于高频使用的仪器而言显然不够。针对此问题，文中对医用X射线拍片机的遠程检测和校准方法进行了研究，对医用X射线进行了长期检测和数据采集，以使我们更好、更安全地使用X射线。

1 系统设计

X射线拍片机输出剂量的远程监测由数据采集节点、3G/WiFi网关节点和数据库服务器三部分组成。X射线拍片机输出剂量的远程监测系统结构图如图1所示[2]。系统由计量传感器节点和系统软件两部分构成，其中软件部分贯串系统始终，由监测数据采集层、中心节点、数据库服务器三层构成。

传感器节点在获取传感器的数据后，经初步的数据解析和处理后，通过3G和WiFi通信方式发送给现场中心节点，中心节点收到数据后会保存在系统内部的数据库中，并存储在较为可靠的存储介质上。然后通过网络传输到数据库服务器，以便保存分析数据。

数据库对接收到的各种计量参数进行可靠存储，并对数据作初步分析和判断，根据预先设定的简要规则给相关工作岗位产生告警等提示，如计量设备工况不正常或者不符合国家相应的使用规程时，则应以多种形式显示在监控电脑和相关人员的设备上。该层还能下发上级命令，控制监测数据采集层。数据监测与发布中心主要负责数据的汇总分析上报，为宏观决策提供依据，并根据相关文件公开相关数据。

2 硬件电路设计

X射线拍片机输出剂量的远程监测系统是按照数据采集、MCU控制和通信功能来设计的[3]，本文硬件总体设计框架如图2所示[4]。SI-PIN探测器接收到X射线信号后，将X射线光信号转换为电信号，微弱的电信号经I/V转换变为电压信号后，再经差分放大送到ARM处理器进行A/D转换，ARM处理器根据采样信号的大小来对模拟多路开关进行控制，进而切换量程，直至采样信号在适当范围内，然后进行标度变换，在LCD上实时显示并定时存储输出剂量度信息。

2.1 前置放大电路的设计

SI-PIN探测头的输出电流非常微弱，需放大电信号。同时，SI-PIN探测头具有短路特性，因此我们在设计时要求剂量输出与光电流成线性关系，输出负载RL→0。采用运算放大器作电流—电压变换，其电路如图3所示。

前置放大电路的设计如图4所示。我们采用两路前置放大电路，将SI-PIN进行I/V转换，有用信号和噪声信号为一路放大信号V01；噪声信号为另一路放大信号V02。两路信号经差分放大电路滤除噪声信号，大大提高了测量精度。

2.2 程控增益差分放大电路设计

为满足SI-PIN在不同强度下的线性关系，系统设计了程控差分放大电路来实现对不同强度的实时量程切换。图5所示为系统的程控差分放大电路，包括STM32ARM处理器、可编程仪表放大器和模拟多路开关。前置放大电路输出的信号经差分电路后将输出剂量度信号放大后送至ARM处理器进行A/D转换和处理，再通过ARM处理器的PB口控制模拟多路开关的通道来选择放大倍数，从而实现自动换档和输出剂量度的换算。

2.3 E2PROM电路设计

为了对系统进行校准数据的存取以及对数据的本地存储，系统设计的EAT24C64存储芯片是一个16 K位CMOS E2PROM，其内部含8 192个8位的字节，器件功耗极低，将其作为系统的片外存储器。AT24C64基于I2C总线读写数据，在读写状态时，其最大工作电流为3 mA；挂起状态时写入时间短，最大电流为5 μA。AT24C64电路图如图6所示。

2.4 系统电源设计

电源对本系统而言至关重要，电源电路为系统中的所有电路提供合适的功率和电压，同时电源的稳定性也决定了系统的稳定性。

在本系统中不同模块需要的电压不一致，因此需要给每个模块分别供电。STM32F030C8T6的供电电压为3.3 V，运放需要的供电电压为5 V，单片机控制电路的供电电压为+5 V和+12 V，无线传输模块NRF24L01的最低供电电压为1.9 V，继电器需要的供电电压为12 V。系统通过FDPS_50 dB将市电变为12 V，1 A的直流电。12 V的电压可直接给继电器供电，然后通过KA78R05稳压芯片将12 V的电压转换为5 V，一端直接给运放供电，再通过ASM1117-3.3稳压芯片将5 V电压转化为3.3 V，为无线模块和STM32供电。该系统的供电框图如图7所示。

3 Web系统设计

3.1 需求分析

系统需要实现对远程设备的TCP实时监听，并解析数据，将解析数据存入位于服务器的数据库内且对其进行数据分析。系统采用前台技术实现数据的查询、管理及其Excel导出；图表形式展示数据并在百度地图显示数据采样地点。

3.2 后台软件设计

考虑之后可能会涉及大数据，云计算方面的扩展，因此本设计采用较新的Go语言编程。Go是为数不多的并发编程语言，可以充分发挥计算机多核的性能，在线程的使用上也比其他语言方便。在网站方面，使用了国内比较流行的beego开源库，集成环境为LiteIDE。使用相对较轻量级的SQLite作为数据库。

3.3 前台技术

本设计使用目前流行的JavaScript和HTML实现。就目前而言，JS已具有很多優秀的JS开源库，如chart， bootstrap，Jquery等。本设计主要用chart.js来实现图表方面的功能。

4 实验

针对上述方法设计的整机进行了长期的整机运行实验。通过登录服务器相应窗口获得目前处在监管状态的十台X射线拍片机的实时数据，如图8所示。

进而针对管辖地某医院的某台X射线拍片机的半年平均输出剂量进行了统计和分析，如图9所示。

通过以上实验证明本文设计能够准确、可靠的实时监测辖区内安装了该X射线拍片机输出剂量远程监测系统的X射线设备。并且可以通过服务器的数据对其中某一台设备的运行状况进行分析。使得计量部门工作人员在家中就可对该设备进行检测，做到实时监测，大大提高了工作效率和工作质量。

5 结语