基于無線傳輸?shù)臄?shù)字X射線成像與處理系統(tǒng)的研究與框架構(gòu)建

劉建新 袁衛(wèi)英 蘇 磊

1 數(shù)字化X射線成像的研究背景

1.1 無線傳輸?shù)臄?shù)字系統(tǒng)研究概況

在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場的情況復(fù)雜而多變，需要時刻掌握戰(zhàn)場和士兵的各種信息才能了解戰(zhàn)局的發(fā)展，控制戰(zhàn)場的局勢，減少人員傷亡，避免意外的發(fā)生。近年來，各國都在加大研制適應(yīng)未來戰(zhàn)爭的各類裝備力度，檢測士兵生理狀態(tài)的便攜裝置也成為研究的重點之一。這其中有美國的WPSM系統(tǒng)，英國的FIST計劃，法國的Felin未來戰(zhàn)士項目，澳大利亞的Iand125計劃，德國的IdZ未來戰(zhàn)士計劃。未來部隊勇士(FFW)裝備是美軍近年來為適應(yīng)未來作戰(zhàn)的特點，運用高新科技設(shè)計的輕便、綜合的步兵戰(zhàn)斗裝備系統(tǒng)。WPSM系統(tǒng)是一套包含生理和醫(yī)學(xué)的傳感器裝備，它可以收集和監(jiān)測包括人體的體溫、脈搏、血壓、呼吸等生命體征信號，同時當(dāng)士兵受傷或者極度疲勞時，還可及時將士兵的狀況報告給指揮官和醫(yī)務(wù)兵。因此，在現(xiàn)有有線平臺上建立的數(shù)字化檢測設(shè)備都無法適應(yīng)未來戰(zhàn)爭的戰(zhàn)時裝備需求。目前，我國也在不斷發(fā)展自己的無線傳感網(wǎng)技術(shù)，并已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展和成績，在此平臺上的數(shù)字化醫(yī)學(xué)檢測系統(tǒng)應(yīng)用研究也急需開展，為此，提出了基于無線傳輸?shù)臄?shù)字X射線成像與處理系統(tǒng)。

1.2 醫(yī)院放射科醫(yī)療設(shè)備現(xiàn)狀

在國內(nèi)醫(yī)療系統(tǒng)，尤其是基層醫(yī)院的放射科中，普遍存在醫(yī)療設(shè)備陳舊、簡陋、檔次低下等現(xiàn)象。雖然目前醫(yī)院放射科的診療設(shè)備和儀器已經(jīng)有包括常規(guī)X線機(jī)、透視X線機(jī)、CT機(jī)、MR、DSA等醫(yī)療設(shè)備。但仍有大量的診療需要通過常規(guī)X射線檢查和普通CT掃描進(jìn)行檢查。這些醫(yī)院如果一次性更新數(shù)字化設(shè)備則需投入大量資金。因此，利用現(xiàn)有設(shè)備實現(xiàn)有效的放射數(shù)字化是一個切實的、可行度高的方法。

1.3 數(shù)字化X射線成像技術(shù)概要

數(shù)字化X射線成像采用數(shù)字技術(shù)，動態(tài)范圍廣，有很寬的曝光寬容度，并且數(shù)字化圖像突出的優(yōu)點是分辨率高，圖像清晰、細(xì)膩，可以根據(jù)臨床需要進(jìn)行各種圖像后處理，如圖像濾波，窗寬窗位調(diào)節(jié)、放大漫游、圖像拼接以及長度、面積測量等豐富的功能，為影像診斷中的細(xì)節(jié)觀察、前后對比、定量分析提供技術(shù)支持。數(shù)字化X射線成像比傳統(tǒng)膠片成像所需的X射線劑量要少，因而能用較低的X射線劑量得到高清晰的圖像，從而減輕X射線對患者及醫(yī)護(hù)人員的輻射危害。同時，由于數(shù)字化X射線成像改變了以往傳統(tǒng)的膠片攝影方法，使醫(yī)院放射科取消原來的膠片管理方式，而采用計算機(jī)無片化檔案管理，節(jié)省大量的資金和場地，提高工作效率。此外，由于數(shù)字化X射線影像的出現(xiàn)，結(jié)束了X射線圖像不能數(shù)字傳輸?shù)臍v史，為醫(yī)院進(jìn)行遠(yuǎn)程專家會診和網(wǎng)上交流提供了極大的便利。

2 國內(nèi)外同類研究工作現(xiàn)狀及存在問題

數(shù)字化X射線成像系統(tǒng)不同于國內(nèi)外已有的X光機(jī)無線視頻傳輸系統(tǒng)，其設(shè)計參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)將需要依靠無線傳感網(wǎng)的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。最終完成的系統(tǒng)將需要借助已有的無線傳感網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而無線傳感網(wǎng)本身就是美國最先研究出來，以提高未來野戰(zhàn)單兵作戰(zhàn)能力的一種短距離、低速率、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前，正在進(jìn)行的三網(wǎng)合一，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不僅僅局限于軍事應(yīng)用領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域也引起了廣泛關(guān)注?？梢灶A(yù)見，在未來的應(yīng)用中基于無線傳輸?shù)尼t(yī)療器械的應(yīng)用將會成為主導(dǎo)，而對于醫(yī)療領(lǐng)域則基于無線傳感網(wǎng)的醫(yī)療生命體征探測系統(tǒng)等必將成為各國科研熱點之一。

目前，國內(nèi)雖有無線傳輸?shù)腦光機(jī)設(shè)備，國外也有相應(yīng)的研究論文，但多用于工業(yè)，且并未考慮與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，因此其應(yīng)用具有局限性。

3 主要研究內(nèi)容與框架設(shè)計

3.1 研究的內(nèi)容及意義

X射線診斷儀是基于X射線透視原理的影像診斷設(shè)備，通過攝片、透視兩大類X線設(shè)備與技術(shù)適當(dāng)選擇及綜合應(yīng)用，適用于人體全身各系統(tǒng)，包括呼吸、循環(huán)、泌尿生殖、骨骼、中樞神經(jīng)和五官等疾病的檢查，可提供重要的和確切的診斷信息，已成為臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的重要組成部份。傳統(tǒng)X射線診斷儀的體積大、重量重，一般都置于室內(nèi)，雖然功能完善，但是不便于戶外診斷。對于醫(yī)院門診、病房、野外事故、抗震救災(zāi)、戰(zhàn)場救護(hù)等現(xiàn)場X射線透視檢查，傳統(tǒng)的X射線診斷儀不能擔(dān)當(dāng)重任；另一方面雖然感光膠片具有很高的空間分辨率，但人眼對空間分辨率的感知有限，超出極限之外的可忽略不計，而數(shù)字化的密度分辨率是膠片無法比擬的.即數(shù)字化關(guān)于病變差異的分辨率是可調(diào)的，其對比度、寬容度、灰階指數(shù)均優(yōu)于膠片，從而使得圖像獲得更多的信息。對于不同層次和密度的同一部位，原來需分別拍攝數(shù)次，而現(xiàn)在由于數(shù)字化的兼容性，只需拍攝一張組織器官就都能顯現(xiàn)出來，并且放大后的影像質(zhì)量不受損失。在實戰(zhàn)和野外作業(yè)中，膠片攜帶不便、不易保存以及攝片結(jié)果不能及時處理等缺點都成為制約X射線影像儀的重要瓶頸。因此，體積小、重量輕、易于攜帶并且方便使用的低劑量數(shù)字X射線成像儀將成為未來發(fā)展的必然趨勢。

本研究有望在未來將數(shù)據(jù)接入戰(zhàn)區(qū)無線傳感網(wǎng)，通過便攜的X射線成像儀將傷兵的情況及時傳到營區(qū)獲得專家的及時指導(dǎo)，并對衛(wèi)生兵甚至是士兵本人等提出操作建議，實現(xiàn)高質(zhì)高效的實時野戰(zhàn)救助，從而極大的提高作戰(zhàn)力，而把傷亡率降到最低。同時該成像儀在醫(yī)院內(nèi)部，也可對普通X光機(jī)進(jìn)行數(shù)字成像，并通過無線傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器上以便醫(yī)師進(jìn)行分析。

3.2 擬采取的研究方法、步驟及技術(shù)路線

目前,在研究中采用二極管線性陣列(linear diode arrays，LDA)探測器成像系統(tǒng)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體/晶體管(complementary metal-oxidesemiconductor/transistor,CMOS)傳感器相結(jié)合，一步完成X射線光電轉(zhuǎn)換、數(shù)字采集的過程，實現(xiàn)直接數(shù)字化成像。將數(shù)字X射線成像儀所獲取的數(shù)字成像信號進(jìn)行無線傳輸。采用微處理器控制X射線數(shù)字成像器件實現(xiàn)圖像采集，經(jīng)過圖像處理和編碼后，送入無線發(fā)送模塊。經(jīng)過無線接收模塊，接收無線傳輸信號并解碼，將獲得的數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的接口送入計算機(jī)進(jìn)行處理。其整體設(shè)計框圖如圖1所示。

在已有X射線發(fā)生器基礎(chǔ)上，進(jìn)行全數(shù)字化成像，并實現(xiàn)無線傳輸協(xié)議與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無縫連接。第一期整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成，一部分為CCD探測平板，用以接收已有X線發(fā)生器的X射線，通過數(shù)據(jù)傳輸線將數(shù)據(jù)傳入第二部分；第二部分則包括4個主要單元，首先是在中央處理單元的統(tǒng)一控制和協(xié)調(diào)下，通過信號獲取單元將第一部分的信號讀入，然后送入中央處理單元進(jìn)行信息處理，然后將處理后的信息，通過顯示及相關(guān)單元顯示出來，進(jìn)行全數(shù)字化成像。同時可以根據(jù)選擇將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸單元向外發(fā)送。這里數(shù)據(jù)傳輸單元，不僅能實現(xiàn)普通的有線傳輸方式，而且還能利用無線藍(lán)牙等技術(shù)，實現(xiàn)無線傳輸方式的擴(kuò)展，將數(shù)據(jù)接入無線傳感網(wǎng)平臺。目前正全面推行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用該特有網(wǎng)絡(luò)的帶寬和傳輸速率，可以將前線的圖像信息迅速傳至后方，由專家及時給出合適的方案。特別適合未來野戰(zhàn)醫(yī)院的特點和我國軍事現(xiàn)代化的發(fā)展。

圖1 整體設(shè)計框圖

圖2 第一期整體結(jié)構(gòu)框圖

3.3 無線傳輸?shù)臄?shù)字X射線成像與處理系統(tǒng)可行性分析

無線傳輸?shù)臄?shù)字X射線成像與處理系統(tǒng)在醫(yī)院中使用有其優(yōu)越性，它可以對現(xiàn)有的X射線機(jī)進(jìn)行數(shù)字成像，利用數(shù)字化的高密度分辨率、對比度、寬容度、灰階指數(shù)均優(yōu)于膠片的特點，實現(xiàn)病變差異的分辨率可調(diào)；利用數(shù)字化的兼容性，只需拍一張組織器官便能夠顯示其影像，影像放大后的質(zhì)量不會受損失；且其體積小，易保存，攜帶方便，能使圖像獲得更多的信息，是膠片無法比擬的。而將該成像信息經(jīng)過處理，通過有線或者無線網(wǎng)絡(luò)迅速傳至診療室的醫(yī)生電腦上，這樣既可提高醫(yī)生的診治效率，也可減少患者的等待，提高了各個科室的工作效率，為實現(xiàn)遠(yuǎn)程專家會診和診療信息化提供有力的支持，同時可以節(jié)約大量的科室步驟以及紙張，實現(xiàn)低碳環(huán)保。系統(tǒng)外觀設(shè)計如圖3所示。

系統(tǒng)采用CCD探測平板可拆卸的便攜連接，方便實現(xiàn)與其他探測器的拓展連接功能。例如：如果需要實現(xiàn)遠(yuǎn)紅外等其他信息的探測，只需換上不同的探測器即可。

圖3 系統(tǒng)外觀設(shè)計圖

系統(tǒng)實現(xiàn)無線傳輸協(xié)議與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無縫連接的方法，可以選擇無線傳感網(wǎng)的信號發(fā)射模塊，然后根據(jù)無線傳感網(wǎng)的信息傳輸協(xié)議，適當(dāng)修改本系統(tǒng)的信息傳輸協(xié)議(主要是信息傳輸?shù)母袷?、位?shù)、校驗等，按照無線傳感網(wǎng)的協(xié)議設(shè)定即可)，即可實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)的接入，而不需要再對系統(tǒng)做硬件的改動。

4 結(jié)語

低劑量的無線傳輸數(shù)字X射線成像與處理系統(tǒng)具有影像質(zhì)量清晰、體積小、重量輕、易于攜帶且方便使用等特點，隨著信息化、數(shù)字化產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展必將在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域為我國的醫(yī)學(xué)裝備現(xiàn)代化發(fā)揮出巨大作用。

[1]Alshehabi A, Kunimura S, Kawai J. Multilayer nano-thickness measurement by a portable lowpower Bremsstrahlung X-ray reflectometer[J].Anal Methods, 2010,2(10):1555-1558.

[2]崔學(xué)義.WSN的由來以及在國外的研究和發(fā)展[J].中國電子商情,2009(5):45-48.

[3]李成大,張京,龔茗茗.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用綜述[J].成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2007,40(3):10－14.

[4]梁玉芬,高德云,牛延超,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)綜述[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2007,33(9):3-9.

[5]劉瑞玲,李祥林.無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用綜述[J].電腦知識與技術(shù),2010,6(12):3093-3094.

[6]張來潮,吳廣恩,李德龍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍隊指揮自動化建設(shè)中的應(yīng)用[J].電子科技,2006,207(12):57-60.

[7]趙曉輝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在美軍目標(biāo)部隊中的應(yīng)用[J].無線電工程,2007,37(7):1-3.

[8]馬春庭,高萍,關(guān)士成,等.地面戰(zhàn)場偵察傳感器系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及技術(shù)分析[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報,2003,15(4):15-20.

[9]金純,齊巖松.ZigBee在單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2006,29(1):29-31.

[10]王春飛,石江宏.美軍單兵生命體征監(jiān)測系統(tǒng)中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2007,28(11):34-39.

[11]繆兢陶.全數(shù)字化放射科的觀念、策劃及管理[J].上海醫(yī)學(xué),2001,2(24):459-262.

[12]Comstock JM, Freeborg CD, Martinez, et al. Future force warrior[J]. IEEE Systems and Information Engineering Design Symposium,2006(4):234-238.

[13]Suo D, Han Y, Yang G.The Wireless Remote Control System for Portable X-Ray Machine[S]. Los Angeles:2009 WRI World Congress on Computer Science and Information Engineering,2009:354-358.