一种手持便携式人体数字X射线摄影系统

技术领域

本发明属于有源医疗诊断技术领域，涉及一种用于人体胸腔、四肢以及口腔诊断用的手持便携式人体数字X射线摄影系统。

背景技术

数字X射线摄影(Digital Radiography，简称DR)系统属有源医疗诊断技术范畴。一般由X射线模块、平板探测器组成，广泛应用于有源医疗诊断、工业现场检测等领域；相比于传统X射线摄影的胶片成像方式，具有数字化成像速度快、使用操作便捷等优点。人体医用DR可对人体内部的骨折、骨裂、结节等病症进行检测。

按照应用场景，人体医用DR目前发展了专用型、移动型、便携型等3类：1)专用型面向大型医院射线诊断科室等固定应用场景，以富士凌越5000、西门子MultixFusionmax为代表，适用部位多、诊断功能强，设备重量达数吨、外型尺寸达数米，对电气配套要求高，辐射剂量大，需配套专用防护型场地；2)移动型采用轮式行走机构实现设备的移动或搬运，支持床旁检查或应急支援场景，以西门子MobilettMiraMax为代表，可用于胸腔、四肢、口腔等部位的临床诊断，一般市电拖动、使用过程无需防护，设备重量为百公斤级、外型尺寸为米级，不利于快速布放；3)便携型一般采用C型框架和折叠结构，功能上满足胸腔、四肢、口腔等部位的门急诊需求且无需防护，典型设备为七喜医疗XFL-600、威高医疗WG-BX等，支持收纳装箱和蓄电池工作模式，设备重量数十公斤(威高医疗WG-BX型为80公斤左右)。

目前，人体医用DR面临基层化的应用场景和轻便化的应用需求：分级诊疗体系下沉，社区/村镇级基层医疗机构门急诊承担的外科、骨科诊断需求日益上升；同时，自然灾害、重大疫情等应急医疗处置的现场快速筛查意义重大，轻便灵活、无需插电的应用需求更为突出。在适用部位、诊断能力等功能方面，上述3类人体医用数字X射线摄影设备虽然能够满足诊断要求，但其重量、尺寸等难以满足基层化部署、轻便化应用的综合要求，亟待进一步降低重量和外型尺寸，发展一种公斤级重量、不插电运行、单人手持操作的手持便携式人体数字X射线摄影系统，同时兼顾可靠性与经济成本。然而，要实现这样的系统，并非是简单的通过减轻重量，修改尺寸等手段能够达到的，因为涉及到辐射强度、高压电源、剂量安全、探测需求、应用场景、时序控制、信息处理、一体化集成等诸多因素，其中很多因素是矛盾的，所以，必须有一套完整的系统设计才能达到本发明目的。

发明内容：

针对上述现有技术状况及对手持有技术便携式人体数字X射线摄影系统的需求，本发明的目的在于：提供一种在公斤级重量约束下，既能实现单人手持操作、实现安全的X射线辐照，又能面向多部位探测需求，构建合理的探测参数以适应胸腔、四肢以及口腔等不同部位的快速X射线摄影要求的手持便携式人体数字X射线摄影系统。

现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：

本发明的基本构思是：针对传统DR方法及设备高压电源体积大、重量占比大的情况，在电源升压变压基础上，通过电压纹波、脉冲频率、工作时间、工作电流参数的调控与优化，在公斤级重量的约束下实现X射线剂量的安全要求；针对受到人体密度等理化参数的制约，单一探测参数下无法针对胸腔、四肢以及口腔等部位进行有效探测，结合高压参数、探测距离等的优化，拟定适应不同部位的探测方案；针对目前已有方法及设备中采用电脑式外型以及探测、成像的远程控制，硬件方面需集成专用软件、工控电脑及数据线、电源线等系统复杂现状，在基层部署、移动使用等场景下，采取时序控制、信息处理、结果显示的一体化集成的产品设计。

本发明的技术解决方案如下所述：

本发明一种手持便携式人体数字X射线摄影系统，包括主机、被测人或物、探测器组件；通过主机实现人机交互、调用指令控制产生x射线、采集处理探测器信息；通过探测器组件响应x射线，将x射线信号转换为数字信号反馈主机处理；其特征在于：所述的主机包括信息采集处理模块、控制模块、高压模块、范围指示单元；所述主机的信息采集处理模块，由人机界面和内置微型计算机组成；所述主机的高压模块，包括采用电池驱动的高压单元、伦琴射线管单元；所述主机的控制模块包括电源驱动单元、逻辑控制单元；所述的探测器组件为平板探测器组件。

本发明进一步提供一种手持便携式人体数字X射线摄影系统，其特征在于：系统的工作程序如下：

(1)、触摸屏/无线人机交互单元负责多种形式的人机交互，将设备的状态显示出来并将用户的指令按预定的形式下发到设备电路，输入到中控PC单元；

(2)、中控PC单元是人机交互程序和探测器采集程序的运行主体，接受、处理、指令由人机交互单元、探测器组件、逻辑时序控制单元接受和发出的信号；

(3)、范围指示单元为主机和探测器组件的相对定位提供直观的标准，方便确认设备的摆放位置，接受逻辑时序控制单元发出的信号；

(4)、逻辑时序控制单元是工控部分的核心，接受中控PC单元、电源驱动电路、高压开关电路、射线剂量检测电路发出的信号，并按逻辑时序反馈至中控PC单元、电源驱动电路、范围指示单元，完成处理上位机装订的参数、控制电路的输出、采集电路的状态；

(5)、射线剂量检测单元作为机器输出状态的最客观判读依据，作为输出的交叉验证手段，保证系统的整体工作可靠性；

(6)、电源驱动单元负责产生驱动灯丝和高频变压器信号，采用闭环PID控制采集高压升压电路的反馈；

(7)、高压升压电路单元将电源驱动单元产生的高频变压器信号先通过变压器升压后，再通过电容和硅堆实现双边倍压整流的过程，同时将灯丝电压叠加到高压的负电压上，满足管子的工作要求；同时将管电压、管电流反馈给需要的单元。

本发明进一步提供一种手持便携式人体数字X射线摄影系统，其特征在于：伦琴射线管单元是直接产生x射线的单元，通过收到的高压激发，产生特定能级的x射线；被测物将伦琴射线管单元发射的x射线，根据自身的衰减系数不同，做不同程度的衰减；探测器采集单元是将经过被测物(人体)衰减过的强度不均匀的的x射线转化为数字信号。

本发明进一步提供一种手持便携式人体数字X射线摄影系统，其特征在于：系统主机在信息采集与处理模块中采用手动方式对探测部位、体质参数进行选择，根据对照表确定X射线管的管电压、管电流，并将该系列参数装订入电源模块：

1)X射线管的管电压U：手足部位取U＝50kV～70kV，胸腔取U＝60kV～80kV；

2)X射线管的管电流I：手足部位取I＝0.5mA～2mA，胸腔取I＝0.8mA～3mA。

本发明进一步提供一种手持便携式人体数字X射线摄影系统，其特征在于：系统在平板探测器探测的参数为成像距离d和曝光时间t；

1)成像距离d按下式计算：

d＝0.5L/tg(θ)

式中：L为探测器成像尺寸，θ为X射线管的发散角；

2)曝光时间t取0.01s～2.00s。

本发明进一步提供一种手持便携式人体数字X射线摄影系统，其特征在于：系统主机在对焦指示上采用与X射线射野同轴的光源，对X射线在探测器上的照射范围进行标识。

本发明进一步提供一种手持便携式人体数字X射线摄影系统，其特征在于：系统主机高压模块的射线管单元产生脉冲式X射线：

1)时序控制模块按照设计装订的参数，启动电源模块、驱动X射线管产生X射线；

2)射线提醒曝光、电池信息、管子状态及工作状态检测。

本发明进一步提供一种手持便携式人体数字X射线摄影系统，其特征在于：系统主机的信息采集模块发出探测指令，探测器对投射的X射线进行感知并转换为图形数据，经无线通信回传至信息采集模块；信息采集模块对接收到的图形数据进行降噪、锐化及特征提取、信息标注，得到结果图像；结果显示模块将处理后的结果图像进行展示，并可以通过WiFi上传至网络服务器。

本发明同现有技术相比，能够在公斤级重量约束下，既能实现单人手持操作、实现安全的X射线辐照，又能面向多部位探测需求，构建合理的探测参数以适应胸腔、四肢以及口腔等不同部位的快速X射线摄影要求的手持便携式人体数字X射线摄影系统。完全满足分级诊疗体系下沉、自然灾害、重大疫情等应急医疗处置的现场快速筛查等人体医用DR面临基层化的应用场景和轻便化的应用需求。

附图说明

图1：本发明系统示意图

图2：本发明系统装置原理框图

图3：本发明系统程序示意图

具体实施方式

现结合附图对本发明具体实施方式做进一步详细说明

参见图1、2：

本发明一种手持便携式人体数字X射线摄影系统，包括主机、被测人或物、探测器组件；通过主机实现人机交互、调用指令控制产生x射线、采集处理探测器信息；通过探测器组件响应x射线，将x射线信号转换为数字信号反馈主机处理；主机包括信息采集处理模块、控制模块、高压模块、范围指示单元；主机的信息采集处理模块，由人机界面和内置微型计算机组成；主机的的高压模块，采用电池驱动模式的驱动X射线管的高压电源，包括高压单元、伦琴射线管单元；主机的控制模块包括电源驱动单元、逻辑控制单元；探测器组件为平板探测器组件。系统中设备分为多个相关联的模块单元，各模块单元工作内容如下：

1)触摸屏/无线人机交互单元负责多种形式的人机交互，将设备的状态显示出来并将用户的指令按预定的形式下发到设备电路；

2)中控PC单元作为人机交互程序和探测器采集程序的运行主体，是程序正常运行的前提；

3)范围指示单元为主机组件和探测器组件的相对定位提供直观的标准，方便确认设备的摆放位置；

4)逻辑时序控制单位是运行再下位控制板上，是工控部分的核心，完成处理上位机装订的参数、控制电路的输出、采集电路的状态等任务；

5)射线剂量检测单元作为机器输出状态的最客观判读依据，作为输出的交叉验证手段，保证系统的整体工作可靠性；

6)电源驱动单元负责产生驱动灯丝和高频变压器信号，采用闭环PID控制采集高压升压电路的反馈；

7)高压升压电路单元将电源驱动单元产生的高频变压器信号先通过变压器升压后，再通过电容和硅堆实现双边倍压整流的过程，同时将灯丝电压叠加到高压的负电压上，满足管子的工作要求。同时将管电压、管电流反馈给需要的单元；

8)伦琴射线管单元是直接产生x射线的单元，通过收到的高压激发，产生特定能级的x射线；

9)被测物将伦琴射线管单元发射的x射线，根据自身的衰减系数不同，做不同程度的衰减；

10)探测器采集单元是将经过被测物(人体)衰减过的强度不均匀的的x射线转化为数字信号。

图1、2中设备分为多个相关联的模块单元：

1)触摸屏/无线人机交互单元负责多种形式的人机交互，将设备的状态显示出来并将用户的指令按预定的形式下发到设备电路。

2)中控PC单元作为人机交互程序和探测器采集程序的运行主体，是程序正常运行的前提。

3)范围指示单元为主机组件和探测器组件的相对定位提供直观的标准，方便确认设备的摆放位置。

4)逻辑时序控制单位是运行再下位控制板上，是工控部分的核心，完成处理上位机装订的参数、控制电路的输出、采集电路的状态等任务。

5)射线剂量检测单元作为机器输出状态的最客观判读依据，作为输出的交叉验证手段，保证系统的整体工作可靠性。

6)电源驱动单元负责产生驱动灯丝和高频变压器信号，采用闭环PID控制采集高压升压电路的反馈。

7)高压升压电路单元将电源驱动单元产生的高频变压器信号先通过变压器升压后，再通过电容和硅堆实现双边倍压整流的过程，同时将灯丝电压叠加到高压的负电压上，满足管子的工作要求。同时将管电压、管电流反馈给需要的单元。

8)伦琴射线管单元是直接产生x射线的单元，通过收到的高压激发，产生特定能级的x射线。

9)被测物将伦琴射线管单元发射的x射线，根据自身的衰减系数不同，做不同程度的衰减。

10)探测器采集单元是将经过被测物(人体)衰减过的强度不均匀的的x射线转化为数字信号。

参见图3：

本发明系统控制流程可归纳为以下几个方面：

实施例：

(1)电气参数及探测参数的时序设计：在信息采集与处理模块手动选择探测部位、体质参数，经查表确定X射线管的管电压、管电流；1)X射线管的管电压U：手足部位取U＝50kV～70kV，胸腔取U＝60kV～80kV；2)X射线管的管电流I：手足部位取I＝0.5mA～2mA，胸腔取I＝0.8mA～3mA；电源模块参数装订：输出电压为U，频率为1kHz～200kHz；5)平板探测器探测参数装订；平板探测器的参数主要为成像距离d和曝光时间t：成像距离d按式计算：d＝0.5L/tg(θ)，式中：L为探测器成像尺寸，θ为X射线管的发散角；曝光时间t取0.01s～2.00s。

(2)对焦指示：采用与X射线射野同轴的光源，对X射线在探测器上的照射范围进行标识。

(3)产生脉冲式X射线：时序控制模块按照电气参数及探测参数的时序设计装订参数，启动电源模块、驱动X射线管，产生X射线；射线提醒及对曝光、电池信息、管子状态的工作状态检测

(4)探测器工作：信息采集模块发出探测指令，探测器对投射的X射线进行感知并转换为图形数据，经无线通信回传至信息采集模块。

(5)信息采集与处理：信息采集模块对接收到的图形数据进行降噪、锐化及特征提取、信息标注，得到结果图像。

(6)结果显示：结果显示模块将处理后的结果图像进行展示，并通过WiFi上传至网络。

图3表示了整个设备的简单控制流程，用文字表述可以分解为如下几个步骤：

步骤1：电气参数及探测参数的时序设计

(1)任务场景选择

在信息采集与处理模块手动选择探测部位、体质参数，经查表确定X射线管的管电压、管电流

1)X射线管的管电压U：手足部位取U＝60kV，胸腔取U＝70kV；

2)X射线管的管电流I：手足部位取I＝1mA，胸腔取I＝2mA。

(2)电源模块参数装订

输出电压为U，频率为120kHz。

(3)平板探测器探测参数装订

平板探测器的参数主要为成像距离d和曝光时间t。

1)成像距离d按下式计算：

d＝0.5L/tg(θ)

式中：L为探测器成像尺寸，θ为X射线管的发散角。

2)曝光时间t取1.00s。

步骤2对焦指示

采用与X射线射野同轴的光源，对X射线在探测器上的照射范围进行标识。

步骤3产生脉冲式X射线

(1)时序控制模块按照步骤1装订的参数，启动电源模块、驱动X射线管，产生X射线。

(2)射线提醒及工作状态检测

曝光开始前，判定油盒内部温度，确认未超温。蜂鸣器进行短鸣提醒。短暂等待后曝光正式启动，同时蜂鸣器持续鸣叫，管电压、管电流循环读取显示，在时间达到设置的1.00s后，曝光停止、蜂鸣停止、管电压、管电流停止读取显示。但因温度传导的迟滞，温度采集是在整个启动状态下会持续采集。

步骤4探测器工作

信息采集模块发出探测指令，探测器对投射的X射线进行感知并转换为图形数据，经无线通信回传至信息采集模块；

步骤5信息采集与处理

信息采集模块对接收到的图形数据进行降噪、锐化及特征提取、信息标注，得到结果图像；

步骤6结果显示

结果显示模块将处理后的结果图像进行展示，并可以通过WiFi上传至网络服务器。