基于自动化控制的多功能数字X 射线机控制系统设计

肖也丛

（山西医科大学第二医院 山西省太原市 030001）

X 射线机是一种能够产生X 射线的设备，在医疗领域用于透视、摄影检查等诊断用途，其作用原理是依据X 射线穿透作用、差别吸收和荧光作用。X 射线机由X 射线成像装置、发生装置和机械控制装置组成，机械控制系统是X 射线机中的核心部件，其性能直接影响X 射线机性能发挥。根据X 射线机发展趋势划分，可分为专用机型和在多功能机型，其中，专用机械可分为乳腺DR、牙科DR 等，多功能机型可用于多科室检查和全身各部位数字化摄影，其操作较为简单，在临床诊疗中应用广泛。当前，多功能数字X 射线机以国外进口为主，国内机型控制系统功能单一、稳定性较差，难以满足X 射线机多功能诊疗服务需求，因此，有必要结合医院诊疗服务要求优化设计X 射线机控制系统，实现X 射线机多功能用途控制，提高X 射线机功能适用性，满足医疗领域对X 射线机的功能需求。

1 基于自动化控制的多功能数字X射线机系统总体功能和子系统功能

1.1 多功能数字X射线机系统总体功能

基于自动化控制的多功能X 射线机核心功能是实现X 射线机动态拍片、透视、造影和胃肠等功能，实现多种功能X 射线造影的功能集成，借助大幅面动态探测器，可在同一屏幕内获取整个检查部位造影，点片效率应能够达到毫秒级。在造影保存方面，系统应能够实现动态实时保存透视、造影和胃肠过程中所有影像资料，并具备图像全身拼接功能，满足跨专业诊疗服务和自动化控制需求。

为实现上述功能，结合目前市场上X 射线机功能现状，设计了由X 射线发生装置、X 射线成像装置和机械控制系统组成的多功能X 射线机，X 射线发生装置由高压发生器、高压控制盒、X 射线管组成；X 射线成像装置由CCD 探测器、计算机系统和图像处理软件组成；机械控制系统由诊疗床和操作台组成。采用X 射线机提供医疗诊疗服务时，诊疗床和高压发生器位于屏蔽室内，遥控台和计算机位于屏蔽室外，由医护人员操作遥控台控制X 射线机，并通过麦克风与患者交谈。临床诊疗时，医生通过图像管理软件录入患者信息，并操作遥控台控制运动床体，指导患者完成相应的体位，并控制高压控制盒调节高压发生器曝光剂量进行曝光，完成原始图像拍摄，经系统转换和图像处理后形成X 射线造影拍摄。

基于自动化控制的多功能X 射线机，医生在指导患者摆正体位后，仅需遥控操作，即可实现相应部位的造影拍摄，并可实现多功能、多专业拍摄，提高了X 射线机拍片效率。

1.2 控制系统设计需求

根据多功能数字X 射线机总体功能需求，可通过诊疗床控制系统设计实现自动化控制功能要求。即通过齿轮、减速机、电机等机械传动，并借助变频调速装置驱动，可实现床身旋转、滑架移动、立柱摆动、SID 移动、床面移动、压迫器和限束器控制功能，并通过远程或近端控制诊疗床，不同控制方式应灵活切换，且控制系统应连续、无异响、抖动和加减速特性，保证造影拍摄过程中床体运动安全可靠。

2 基于自动化控制的多功能数字X射线机控制系统设计

2.1 总体设计思路

结合X 射线机控制系统设计需求，经调研多功能X 射线机控制系统控制系统实现方式，以微控制器为核心的运动控制系统较为在模拟电路控制方式功能集成度高、可靠性高，控制方式灵活，易于系统调试和升级，可满足该系统控制要求。根据该思路，本系统采用STM32 微控制器作为控制系统。分别控制人机交互系统、下位机控制系统和控制系统执行机构。人际交互系统包括远端控制模块、近端控制模块和LCD 显示屏，受控模块和继电器组成下位机控制系统，受控模块按主从式通信方式接收远端、近端操作指令。变频器和电机作为控制系统执行机构，通过继电器模块实现对电机各向驱动控制。除控制系统外，限位装置和检测装置作为控制系统反馈模块，反馈控制系统执行情况。

2.2 控制系统硬件设计

根据控制系统总体设计，按控制系统功能划分，该系统可分为人机交互系统、下位机控制系统、检测、电机驱动和执行系统，各系统功能和硬件设计如下：

2.2.1 人机交互系统

人际交互系统功能通过远端、近端控制装置实现。控制装置按键、摇杆输入咋信息，由单片机解析、判断控制逻辑后向执行机构发出指令。受控模块通过LCD 屏幕实时反馈执行机构状态信息。其中，远端控制主要用于造影拍摄时各种控制功能，近端控制主要用于医生对病人体位摆正后指导操作，因此，远端控制在人际交互系统中占主要作用。该系统中，人机交互系统硬件电源采用线性集成稳压电源电路，输出电压为24V 输出电流4A，可供输入、输出、在液晶显示屏等模块使用。液晶显示器采用5.6 英寸LCD 显示屏，用于实时显示控制指令输入、控制指令执行情况等数据。人机交互系统与下位机控制系统、执行系统等采用RS485 和RS232 通信协议，可满足人机交互系统与控制系统通信要求。

2.2.2 下位机控制系统

下位机控制系统硬件主要包括受控模块和继电器模块，其中，受控模块通过RS485 总线接收人机交互系统控制指令，经指令解析后将控制信号发送至继电器，由继电器控制执行机构完成指令动作。同时，下位机控制系统通过电子限位开关、电位器等硬件监测执行机构状态信息，以此实时反馈运动装置角度、位置等信息，并通过LCD 显示屏显示控制指令执行情况。受控模块以单片机为核心，接入位置模拟输入、继电器驱动和电源等模块，实现指令输入和输出功能。继电器模块作为输入指令执行控制装置，与受控模块共同完成控制系统指令，包括床身选择、滑架移动、立柱摆动、SID 上下、床面移动、压迫器上下等功能。

2.2.3 检测系统

X 射线机处于相对封闭的环境中，可基本忽视环境对控制系统的影响，只需通过内部传感器监测X 射线机运行状态即可。本系统设计中，检测系统主要包括位置检测、电流检测和限位装置。位置检测装置主要用于床位、滑架移动位置检测，本研究中选用电位器分压原理对输出电压进行ADC 转换，经光耦隔离后输入单片机进行位置监测。电流检测模块用于检测电机电流运行状态，防止因电流过流损坏电路板。电流检测装置选用ACS712 电流检测芯片，可检测0 ～5A 电流。限位装置主要用于机械部件执行到位置限值后输出开关量信号，单片机检测到输出信号后停止驱动执行装置，从而防止过度动作，起到保护作用。本系统中，通过限位开关对床身、滑架和压迫器等动作部件进行限位。

2.2.4 电机驱动和执行系统

本系统中，床身旋转、立柱摆动、滑架移动等动作通过三相异步电机实现。根据医用电气设备标准，医疗诊断系统供电电压为220V，电机为三相异步交流电动机，因此，该系统采用单向220V 供电变频器，电机连接采用三角连接方式，变频器输入端选用EMC 滤波器输入滤波，并接地处理。为保证电机制动效果，该系统设计时增加变频器刹车制动电阻，继电器可通过控制变频器逻辑控制器实现电机正向转动、反向转动、加速、减速和停止等动作。为降低电气线路故障X 射线机的影响，确保系统供电稳定，该系统电机供电经空气开关、保险丝、环形变压器降压后，经单相变频器变频后输出电压DC24V、电流的4A 和6A 电流，作为控制系统和电机驱动系统供电。

2.3 数字X射线机控制系统软件设计

X 射线机硬件设计完成后，结合X 射线机功能需求，对控制系统软件进行总体设计。本系统软件设计内容主要为人机交互系统和下位机控制系统驱动程序设计，实现远端和近端控制主从模式切换，并考虑控制系统后续升级拓展性，采用模块化设计思路，分别设计人机交互系统和下位机控制系统功能，以降低系统软件调试风险。

2.3.1 人机交互系统软件设计

人机交互系统软件设计时，经初始化操作，确认受控模块与近端控制模块握手成功，判断系统运行状态正常，能够读取远端控制模块控制指令，在并将读取的执行动作位置信息实时反馈到显示屏上。软件设计时，首先初始化系统参数、输出控制设备参数、定时器等部件，其次，通过按键扫描程序判断近端控制按键握手信息，实现近端控制功能。再者，根据系统需求调整参数和处理程序，完成主要参数的修改，如设置运行参数、报警信息等。最后，对下位机控制系统采集的位置信息进行存储、通信，并显示在显示器上。

2.3.2 下位机控制系统软件设计

下位机控制系统软件设计时，控制系统应实现系统启动后自动将压迫器设置为80N 档位，并自动上升5s，防止压迫勺撞击病人。同时，下位机控制系统与近端、远端控制系统完成握手通信，下位机控制系统读取位置检测信息后，将位置信息传输至控制系统并显示位置状态，并根据远端操作指令执行动作。

2.4 控制系统调试

为便于控制系统测试，本系统制作了硬件测试平台，可对人机交互系统、下位机控制系统、检测系统和执行系统进行测试。测试系统采用24V 开关电源供电，系统供电启动后，可借助计算机检测程序对控制系统指令通信情况进行检测。经系统通信调试无误后，采用调试程序设置床身角度减速、滑架减速、立柱减速等参数，并通过启停电机检测位置信息是否正确。经系统调试，本系统控制系统按键输入控制灵敏，位置信息显示正确，远端、近端控制切换功能正常。

在单项功能调试的基础上，为测试多功能X 射线机整体功能，对控制系统进行整机调试。系统调试时，在确保线路连接正常的情况下，测试控制系统初始开机、关机正常后，启动继电器模块开关控制诊疗床动作，验证诊疗床各向动作功能是否正常，包括电机启动、停止、加速和急停功能正常后，连接近端、远端控制模块和受控模块，联调多功能X 射线机开关机和急停功能。正常模式下调试无误后，将系统切换至调试模式，同时测试远端控制和近端控制模块，以远端控制模块指令为主，近端控制模块为辅。调试控制模块无误后，对床身、滑架移动和立柱摆动限位参数进行校正并储存。校正完成后，将系统切换至正常操作模式，测试限位参数是否起限位控制作用。经整机调试，该系统机械控制和系统限位功能正常，控制系统达到设计要求。

3 自动化控制的多功能数字X射线机控制系统可靠性分析

在医院诊疗服务中，由于医院诊疗服务工作量大，对多功能X射线机可靠性要求高。为确保多功能X 射线机能够长周期稳定运行，结合多功能X 射线机运行环境进行可靠性分析，包括电网干扰、信号线保护、接地保护等。

3.1 电网干扰保护

主要是医院各类大型电器设备开关对电网负荷造成的影响，如超载和轻载变化、负载短路低频干扰和高频电器设备辐射等问题，电网干扰可能造成多功能X 射线机控制系统灵敏性，甚至造成控制中断，给X 射线机正常造影拍摄造成不利影响。针对电网干扰问题，本系统在电源输入端增加滤波器，电路板增加保护电路，以此降低让用浪涌保护和滤波处理保护措施，并在控制系统中增加光电隔离、数字电路和模拟电路隔离措施，以此降低电网干扰对X 射线机控制系统的干扰。

3.2 信号线保护

信号线干扰主要是控制系统I/O 连接信号传输线相互干扰，如供电线路与电磁干扰，导致数字信号线波动，影响信号线通信质量。本系统采用动力线与信号线分开布线，信号线采用屏蔽线缆，并加强供电线路接地保护，消除信号线相互干扰。

3.3 接地保护

多功能X 射线机控制系统供电接入医院供电系统，但受雷电、静电等因素影响，可能造成控制系统电路板、元器件损坏。可靠接地能够抑制强电磁感染的影响，但错误接地反而会造成严重的干扰信号，加剧多功能X 射线机信号干扰。本系统设计时，为保证控制系统接地可靠性，采用电机单点接地，控制系统、供电系统汇集至接地点。

4 结语

基于自动化控制的多功能射线机可实现一机多用，即单台多功能X 射线机满足常规拍片、透视、胃肠、造影等功能需求，满足医院体检科、内科、外科、骨科、急诊科等科室诊疗服务需求，有效解决了常规X 射线机功能用途局限性，缓解了医院医疗设备利用率偏低的矛盾，提高了医院医疗设备利用率。同时，通过自动化控制，在患者摆正体位的情况下，医生可根据拍片造影要求调整床位、滑架和立柱位置，无需近端控制即可完成拍片过程，实现了X 射线机拍片自动化控制，降低了X 射线机拍片对医护人员健康的影响。