X線機(jī)高壓測量分析儀的研制

張連強(qiáng)，陳基明，許耀良，季家紅，李國棟

X線機(jī)高壓測量分析儀的研制

張連強(qiáng)，陳基明，許耀良，季家紅，李國棟

目的：設(shè)計(jì)和研制X線機(jī)高壓測量分析儀，用于X線機(jī)的維修檢測和計(jì)量檢定以及對新設(shè)備的驗(yàn)收，確保X線機(jī)高壓輸出的準(zhǔn)確和穩(wěn)定。方法：系統(tǒng)由高壓分壓電路、阻抗轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集、USB接口和計(jì)算機(jī)等5部分組成。通過高壓分壓電路取得高壓發(fā)生器的分壓信號，經(jīng)阻抗轉(zhuǎn)換電路將信號輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再由USB接口輸入到計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)信號的實(shí)時顯示、存儲、分析和計(jì)算。結(jié)果：該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速、實(shí)時的數(shù)據(jù)采集，并能夠?qū)崟r顯示數(shù)據(jù)波形，計(jì)算X線機(jī)輸出高壓的參數(shù)，對X線機(jī)進(jìn)行實(shí)時測試，符合設(shè)計(jì)要求。結(jié)論：通過對X線機(jī)的高壓進(jìn)行測試，驗(yàn)證該儀器信號采集精度高，計(jì)算結(jié)果精確；由于該研究的降壓部件體積小、質(zhì)量小、攜帶方便，而且作為上位機(jī)的計(jì)算機(jī)已在醫(yī)院普及，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配套，成本低，可作為醫(yī)院質(zhì)量控制的檢測裝置。

X線機(jī)；阻抗轉(zhuǎn)換；信號采集；USB接口；高壓測量

AbstractObjectiveTo design and develop a X-ray high voltage measurement and analysis instrument which can be used for maintenance measurement and calibration of X-ray machine.MethodsThe whole system was made up of five parts.The bleeder signal of the high voltage generator was obtained through the high-voltage bleeder circuit,and input into the data acquisition system by the Impedance conversion circuit and into the computer by USB interface,and then the real-time display,acquisition,analysis and calculation of the signal could be implemented.ResultsUSB interface not only could realize the immediate and reliable transformation of the data,but also made the whole system more integrated and easier to install and use.ConclusionThe high voltage test of X-ray machine shows that the instrument is gifted with a high signal acquisition precision and accurate calculation result,which can be used as the detection instrument for hospital quality control because of its perfect portability,low cost and integrity.[Chinese Medical Equipment Journal，2011，32（2）：4-6]

Key wordsX-ray machine;impedance conversion;data acquisition;USB interface;high-voltage measurement

1 引言

X線機(jī)在實(shí)行攝片過程中，攝片的曝光劑量由管電壓、管電流和曝光時間來確定，現(xiàn)在的X線機(jī)都采用程式控制方式，通過選擇部位及人體胖瘦來改變曝光劑量，實(shí)際工作時，管電壓是根據(jù)被照人體部位及胖瘦由投照技師來確定的，這項(xiàng)參數(shù)在曝光過程中需要保持穩(wěn)定，而管電流和曝光時間的控制大都采用傳感器接收曝光劑量實(shí)現(xiàn)曝光自動結(jié)束，因此在曝光過程中管電壓的控制對攝片的質(zhì)量尤其重要[1]。另外，根據(jù)《JJG 744—2004，醫(yī)用診斷X射線輻射源檢定規(guī)程》，X線機(jī)的質(zhì)量控制重點(diǎn)在輻射源，管電壓正是X線輻射質(zhì)量控制的重要參數(shù)。本課題研制的X線機(jī)高壓測量分析儀對X線機(jī)次級高壓進(jìn)行實(shí)時測量、分析，判定高壓的性能參數(shù)，為選擇攝片條件及X線機(jī)的質(zhì)量控制提供便捷精確的手段。本系統(tǒng)成本低廉、攜帶方便，也可作為X線機(jī)維修、檢測、軍隊(duì)醫(yī)學(xué)計(jì)量三級站的計(jì)量保障設(shè)備。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

X線機(jī)高壓的測量由來已久，20世紀(jì)70—80年代國外采用降壓油箱和指針表對高壓次級進(jìn)行測量，這種技術(shù)裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。它的缺點(diǎn)是：技術(shù)落后，高壓油箱體積大，攜帶不方便，測量的結(jié)果只能得到管電壓的有效值。目前，國內(nèi)外都采用傳感器對X線的能量進(jìn)行分析，間接測量管電壓的值，技術(shù)含量高，攜帶方便，但價格昂貴，測量的值不能直接反映高壓本身，無法做到劑量溯源。本研究采用高壓油箱對高壓進(jìn)行分壓，再把得到的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過USB接口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，用計(jì)算機(jī)按我們設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算獲得所需的管電壓參數(shù)。本課題研制的儀器精度高、成本低、攜帶方便，并且能夠?qū)崿F(xiàn)波形顯示和分析。

3 設(shè)計(jì)思路

隨著低成本高性能計(jì)算機(jī)的普及運(yùn)用，大規(guī)模集成電路技術(shù)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化測量平臺逐漸成為測量儀器的基礎(chǔ)。所有測量測試儀器的主要功能都由信號獲取、數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出等3部分組成[2]，信號獲取一般由相應(yīng)傳感電路實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集由A/D轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的控制信號完成，得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，再由計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)分析處理和結(jié)果的表達(dá)。

本設(shè)計(jì)也類同于以上構(gòu)成，首先，在高壓油箱中，根據(jù)高壓分壓原理，按比例將管電壓轉(zhuǎn)化為低電壓；其次，將低電壓信號進(jìn)行阻抗變換，再和A/D轉(zhuǎn)換電路連接完成數(shù)據(jù)采集；然后，把數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸至計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲、計(jì)算等進(jìn)行分析與處理；最后，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果、電壓波形的實(shí)時顯示，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 高壓測量儀系統(tǒng)框圖

分壓電路：球管產(chǎn)生X線的條件之一是在球管兩端加上一個高電壓，常規(guī)攝影的管電壓范圍在40～150kV，一般采用正負(fù)各半的方法，所以我們需要測量的管電壓在+20～+75kV，或-75～-20kV，如此高的電壓一般無法測量，必須降壓，因此，我們采用電阻分壓電路按比例把管電壓降到A/D器件輸入允許的范圍內(nèi)。

作者單位：100142 北京 空軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科（張連強(qiáng)、陳基明、許耀良、季家紅、李國棟）

阻抗變換電路：模擬信號的處理通過不同功能的電路模塊來實(shí)現(xiàn)，電路模塊之間的信號傳輸需要實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，一般的模塊都有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特性，這樣才能保證信號的正確傳輸。由于分壓電路的分壓比很大，因此它的輸出阻抗也很大，這樣分壓電路就無法與A/D轉(zhuǎn)換電路直接匹配，用運(yùn)放[3]組成阻抗變換電路，用來降低輸出阻抗并與A/D轉(zhuǎn)換電路匹配，能夠起到有效傳輸信號的作用。

A/D轉(zhuǎn)換電路：阻抗變換電路的輸出信號連接到A/D轉(zhuǎn)換的輸入端，經(jīng)過數(shù)字化轉(zhuǎn)換為12位數(shù)據(jù)，模擬量的輸入范圍是0～5 V，A/D轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)據(jù)值的范圍是0～4 095，此數(shù)據(jù)傳輸?shù)経SB數(shù)據(jù)傳輸接口。

USB數(shù)據(jù)傳輸接口：USB接口使用方便、傳輸速度塊、價格低廉[4]，是每臺計(jì)算機(jī)都標(biāo)配的接口，從A/D轉(zhuǎn)換傳輸來的數(shù)據(jù)暫存在此電路的FIFO中，再按USB傳輸指令順序傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)中的程序完成存儲、計(jì)算等功能。

數(shù)據(jù)分析：數(shù)據(jù)分析主要有波形顯示和高壓計(jì)算2部分功能。A/D轉(zhuǎn)換的速度大約在3MHz/s，得到的數(shù)據(jù)量非常大，無法用讀取數(shù)據(jù)的方法對高壓的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，如果用高壓的幅值數(shù)據(jù)按采樣的先后順序在屏幕上顯示，根據(jù)顯示波形的形態(tài)就很容易看出波形的穩(wěn)定性；另外，還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，求取管電壓的峰值、波動的范圍等參數(shù)，以此判斷X線機(jī)高壓輸出的性能。

4 具體實(shí)現(xiàn)

本課題通過硬件和軟件2部分來實(shí)現(xiàn)。硬件部分主要有高壓分壓油箱及分壓電路、阻抗變換電路、數(shù)據(jù)采集電路、USB數(shù)據(jù)傳輸接口電路和計(jì)算機(jī)；軟件部分主要包括USB驅(qū)動、波形顯示、電壓數(shù)值計(jì)算等。

4.1 硬件實(shí)現(xiàn)

4.1.1 高壓分壓電路

高壓分壓電路由分壓電阻和濾波元件組成，所用元件具有高耐壓、高精度的特性，采用30 kV/1 V的高壓分壓比，分壓后的信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)腞C電路對取樣電平做波形整形，連接到標(biāo)準(zhǔn)BNC接頭輸出。在制作高壓分壓電路板時，應(yīng)保證焊點(diǎn)、引線圓滑飽滿，防止高壓放電。

4.1.2 高壓分壓油箱

高壓分壓電路和高壓輸入輸出插座連接，并把它們置于密閉金屬廂體中，再在廂體內(nèi)充滿45#高壓絕緣油（變壓器油）。經(jīng)過試驗(yàn)，高壓輸入和輸出端在插座緊密排布的情況下，沒有發(fā)生擊穿現(xiàn)象。最后，制成的高壓分壓油箱（內(nèi)含高壓輸入輸出插座和分壓電路）大小為：（長×寬×高）320mm×270mm×250mm，實(shí)物圖如圖2所示。為了便于攜帶，在高壓分壓油箱兩端設(shè)計(jì)了提梁。

圖2 高壓油箱實(shí)物照片

4.1.3 阻抗變換電路

測量時被測高壓經(jīng)過分壓電路得到信號電壓，分壓電路和X線機(jī)高壓供電電路并聯(lián)，為了減小分流作用，分壓電阻采用高阻值電阻，如果將輸出直接和A/D輸入相連，A/D的輸入阻抗將會改變分壓電阻值，影像分壓比，最終導(dǎo)致分壓信號達(dá)不到要求的精度。因此，為了消除輸入輸出阻抗的影像，在分壓電路和A/D之間增加阻抗變換電路，具體實(shí)現(xiàn)參見本刊2010年第7期相關(guān)文章[5]。

4.1.4 數(shù)據(jù)采集電路和USB接口電路

本數(shù)據(jù)采集電路中使用USB接口實(shí)現(xiàn)快速可靠的數(shù)據(jù)傳輸，同時也便于系統(tǒng)的集成化以及安裝和使用。通用串行總線（universal serial bus，USB）作為串行接口的一種，為計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間提供了快速可靠的數(shù)據(jù)交換方式[6]，目前通用的是USB2.0總線規(guī)范，在高速傳輸模式下的傳輸帶寬可以達(dá)到480 Mb/s。同時，USB還支持即插即用、熱插拔和自動的設(shè)備檢測功能，方便了數(shù)據(jù)采集卡的安裝和使用。USB接口的耗電量小，并且可以從總線獲取電源為外設(shè)供電，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。基于以上特性，本課題中我們采用USB接口實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)之間的傳送。

本研究的數(shù)據(jù)采集電路采用單通道A/D轉(zhuǎn)換、USB2.0總線接口電路。采用CPLD作為微控制器對A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、FIFO數(shù)據(jù)存儲和USB橋的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制。外部模擬信號接入模擬量輸入端，經(jīng)過放大器實(shí)現(xiàn)信號的放大之后，信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，由CPLD輸出采集控制信號控制A/D芯片對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)送至高速FIFO中暫時存儲起來，在CPLD統(tǒng)一的時鐘控制下，F(xiàn)IFO中的數(shù)據(jù)進(jìn)入USB橋。USB橋在CPLD的控制下，將數(shù)據(jù)按照USB2.0協(xié)議打包，通過USB線送至PC的用戶緩沖區(qū)中，實(shí)現(xiàn)對外部信號的連續(xù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采集原理框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集原理圖

本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集電路采用了analog的A/D9220芯片，它的最高采樣頻率可以達(dá)到10 MHz，A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)為12位，采用軟件觸發(fā)方式，利用上位機(jī)應(yīng)用程序啟動采集后，對輸入的模擬量自動進(jìn)行定時采集。經(jīng)過實(shí)際測量，此數(shù)據(jù)采集電路的采樣速度最高可以達(dá)到5 Mbps，可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的實(shí)時數(shù)據(jù)采集。

USB接口的開發(fā)包括硬件電路設(shè)計(jì)、USB芯片固件程序開發(fā)、USB主機(jī)的驅(qū)動程序編輯和上位機(jī)應(yīng)用程序編程等，最終實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的主要功能以及USB設(shè)備和主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化暫存在FIFO中的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)的底層驅(qū)動程序。USB橋部分的芯片采用Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片中最典型的CY7C68013芯片，它是集成了USB2.0協(xié)議的微處理器，芯片集成了USB2.0收發(fā)器、串行接口引擎SIE、增強(qiáng)型8051微控制器、8.5 KB RAM、4 KB FIFO存儲器和通用可編程接口等，是一種完全集成的USB2.0方案[7]。

整個硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電路原理圖繪制和PCB設(shè)計(jì)采用Protel99 SE軟件實(shí)現(xiàn)；采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD硬件設(shè)計(jì)平臺進(jìn)行時序設(shè)計(jì)，借助于Quartus II軟件開發(fā)環(huán)境，使用Verilog HDL語言對時序關(guān)系進(jìn)行硬件描述[8]。

4.2 軟件實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)的軟件由2部分組成：一部分用來對USB固件進(jìn)行編程及對USB接口和A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行初始化；另一部分用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示和計(jì)算，我們稱為計(jì)算機(jī)主程序。

4.2.1 USB固件程序

USB芯片的固件程序負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)中最底層的工作，用于實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的主要功能以及USB和主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，是開發(fā)中的關(guān)鍵部分。本固件程序設(shè)計(jì)針對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的特點(diǎn)，充分利用CY7C68013芯片的串行接口引擎（serial interface engine，SIE）、“量子FIFO”處理架構(gòu)以及通用可編程接口（general programmable interface，GPIF）等獨(dú)特設(shè)計(jì)，選擇GPIF模式下的FIFO讀事務(wù)處理和批量傳輸模式，將外部FIFO中的數(shù)據(jù)通過具有4重緩沖深度的端點(diǎn)EP2自動打包發(fā)送至USB數(shù)據(jù)域，由SIE將數(shù)據(jù)按照USB2.0協(xié)議發(fā)送至主機(jī)[9]。設(shè)計(jì)時盡可能減少CPU的參與，獲取更大的帶寬，提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。

同時，CY7C68013芯片的SIE可以代替8051內(nèi)核完成串行數(shù)據(jù)的解碼、差錯控制、位填充等與USB協(xié)議有關(guān)的基本功能，簡化了固件程序設(shè)計(jì)。因此，CY7C68013固件程序設(shè)計(jì)只需包括GPIF波形設(shè)計(jì)、端點(diǎn)配置和讀事務(wù)處理等，即可實(shí)現(xiàn)基于USB2.0的單向數(shù)據(jù)傳輸功能。

USB固件程序的編輯基于Keil uVertion2軟件開發(fā)環(huán)境，使用嵌入式C語言實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)計(jì)；USB上位機(jī)應(yīng)用程序編程基于Visual C++軟件開發(fā)環(huán)境[10]。

4.2.2 計(jì)算機(jī)主程序

計(jì)算機(jī)主程序主要實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的參數(shù)選取、USB數(shù)據(jù)的接收、存儲、波形顯示和參數(shù)計(jì)算等功能。程序執(zhí)行后，操作者可以通過點(diǎn)擊窗口的“啟動”和“結(jié)束”按鈕來控制數(shù)據(jù)采集和結(jié)束，還可以點(diǎn)擊相關(guān)參數(shù)設(shè)定按鈕設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)，如采樣頻率、采樣時間長度等，具體詳述參見本刊2010年第7期相關(guān)文章[5]。

5 數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

5.1 系統(tǒng)的安裝

將X線機(jī)的高壓輸出電纜和高壓分壓油箱相連，高壓油箱的高壓輸出與球管相連，高壓油箱的輸出信號線連接到阻抗變換電路，阻抗變換電路的輸出和數(shù)據(jù)采集電路、USB接口電路相連，USB接口通過USB線和計(jì)算機(jī)連接。當(dāng)計(jì)算機(jī)檢測到USB線時，計(jì)算機(jī)會提示找到新硬件并要求安裝驅(qū)動。按照提示安裝硬件驅(qū)動程序，當(dāng)系統(tǒng)提示新硬件已經(jīng)安裝并可以使用后，這時數(shù)據(jù)采集卡已經(jīng)實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的連接和通訊，打開上位機(jī)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序，便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)采集、顯示等相關(guān)的操作。

5.2 數(shù)據(jù)采集及結(jié)果

完成系統(tǒng)安裝后，打開計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序，就可以設(shè)置采集參數(shù)、實(shí)行數(shù)據(jù)采集，采集到的波形如圖4所示。

圖4 采集到的信號波形

波形參數(shù)計(jì)算。反映高壓波形性能的參數(shù)主要有管電壓值和紋波系數(shù)，計(jì)算管電壓采用了平均法和積分法，紋波系數(shù)的計(jì)算是把波峰最大值和波峰最小值之差和管電壓值相比，具體計(jì)算方法如下所述。

平均法求管電壓是將采集得到的數(shù)據(jù)相加除以采集點(diǎn)的個數(shù)，計(jì)算方法按公式（1）：

其中，f（t）為脈沖的幅值函數(shù)；n為數(shù)據(jù)個數(shù)；U為計(jì)算得到的平均值。

用積分法求取管電壓時，將采集的數(shù)據(jù)和時間間隔相乘并且累加，最后再除以采集的總時間，按公式（2）計(jì)算：

其中，f（t）為脈沖的幅值；△t為脈沖寬度；T為總的采樣時間；U為計(jì)算得到的平均值。

紋波系數(shù)反映高壓的穩(wěn)定程度，它是高壓輸出波動的波動和平均值之比，按公式（3）求得：

其中，U為管電壓值；UPmax是管電壓波峰最大值；UPmin是管電壓波峰最小值。

6 結(jié)論

本課題通過設(shè)計(jì)高壓分壓電路、阻抗變換電路、數(shù)據(jù)采集和USB傳輸電路及相應(yīng)程序，實(shí)現(xiàn)了X線機(jī)高壓數(shù)據(jù)采集、波形顯示及數(shù)據(jù)分析。使用本系統(tǒng)對萬東和島津5臺X線機(jī)進(jìn)行測量，儀器設(shè)計(jì)參數(shù)符合要求，能夠直觀看到波形及紋波，通過主程序計(jì)算能夠得到管電壓和紋波系數(shù)等參數(shù)。

本設(shè)計(jì)中的分壓部件體積小、質(zhì)量小、攜帶方便，本系統(tǒng)信號采集精度高，計(jì)算結(jié)果精確，作為上位機(jī)的計(jì)算機(jī)已在醫(yī)院普及，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配套，成本低，可以作為醫(yī)院質(zhì)量控制的檢測裝置。

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（收稿：2010-09-10 修回：2010-11-16）

Development of X-ray High Voltage Measurement and Analysis Instrument

ZHANG Lian-qiang,CHEN Ji-ming,XU Yao-liang,JI Jia-hong,LI Guo-dong
(Medical Engineering Department,General Hospital of Airforce,Beijing 100142,China)

TH774

A

1003-8868（2011）02-0004-03

空軍總醫(yī)院科研項(xiàng)目（KZ06M009）

張連強(qiáng)（1964-），男，天津人，碩士，高級工程師，主要從事醫(yī)學(xué)工程管理及醫(yī)學(xué)影像設(shè)備等方面的研究工作，E-mail：zhlianqiang@sina.com。