一種基于呼吸門控技術的嬰幼兒胸部X射線曝光控制系統的研究

李建林，劉美娟，杜敦仁，謝海柱，高偉，董言治

1.青島大學醫學院附屬煙臺毓璜頂醫院 a.影像科；b.超聲科，山東 煙臺264001；2.煙臺萊山區第一人民醫院影像科，山東 煙臺 264003；3.煙臺大學 光電學院，山東 煙臺 264005

一種基于呼吸門控技術的嬰幼兒胸部X射線曝光控制系統的研究

李建林1a，劉美娟1b，杜敦仁2，謝海柱1a，高偉1a，董言治3

1.青島大學醫學院附屬煙臺毓璜頂醫院 a.影像科；b.超聲科，山東 煙臺264001；2.煙臺萊山區第一人民醫院影像科，山東 煙臺 264003；3.煙臺大學 光電學院，山東 煙臺 264005

目的解決嬰幼兒胸部X線攝影時呼吸配合問題。方法研究設計了一種基于呼吸門控裝置的X射線機曝光時機顯示控制裝置，通過夾持式信號采集系統監測呼吸時腹部壓力變化，選用以STC89C52單片機為處理核心的信號處理系統，實時顯示腹部壓力變化波形。隨機選取100名于我院進行胸部X射線攝影的1～3周歲患兒，平均分為兩組，一組采用傳統曝光方式，另一組采用本文研究設計的呼吸門控輔助方式進行曝光。結果采用呼吸門控輔助方式進行曝光拍攝結果明顯優于傳統曝光方式，兩組曝光結果間有顯著差異（P＜0.001）。結論基于呼吸門控裝置的X射線機曝光時機顯示控制裝置可以為胸部攝影提供更好的質量保證。

呼吸門控技術；X射線曝光控制；胸部X線攝影

胸部X線攝影由于方便快捷、價格低廉、患者接受輻射劑量少等特點，在各種胸部醫學影像檢查中具有獨特優勢。但患者特別是嬰幼兒及聾啞人的呼吸配合問題卻一直未能得到有效解決，目前只能依靠影像技術人員憑經驗和肉眼觀察控制曝光，很難準確掌握儀器的曝光時機，不易得到可靠清晰的高品質X線胸部攝影圖像。為了提高影像質量往往需要多次曝光，但這會使患者接受射線劑量成倍增加[1-2]。本研究提供了一種基于呼吸門控裝置的X射線機曝光控制裝置，能夠準確監測X光機的曝光時機，并能為患者提供射線防護。

1 系統設計

1.1 系統組成

系統總體由呼吸門控信號采集部分、信號電路分析處理部分和信號顯示部分3部分組成。呼吸門控信號采集部分，以一彈性夾結構支持，內包括探測氣囊、壓力傳感器等，見圖1；信號分析處理部分包括一單片機、信號取樣電路、顯示電路；信號顯示系統可以是單獨的顯示器或常備電腦顯示器中的一部分[3]。

圖1 呼吸門控信號采集部分結構圖

圖2 系統工作流程圖

圖3 STC89C52單片機及其連線原理圖

1.2 系統工作流程

操作流程如下：① 被檢查人躺在檢查床上，操作人員手握防護夾的握持部將彈性夾打開，卡在人體的腹腔部位，鉛橡皮覆蓋住人體的腹部；② 松開握持部，在彈性片的作用下，使防護夾的夾腳部與人體的腹腔部位相扣，使患者腹腔與探測氣囊柔性接觸；③ 患者呼吸時腹部的松弛和張緊通過探測氣囊傳遞到與其相連接的壓力傳感器上，壓力傳感器對被檢查人員的相關參數進行實時監測，將人體呼吸起伏的狀況轉換成電信號輸入信號處理系統；④ 信號處理系統對采集到的壓力信號進行放大、濾波、模數轉換等處理，并將處理結果通過數據線傳送至曝光觸發顯示系統；⑤ 操作人員在一檔手閘預備好的情況下，通過觀察顯示屏幕腹部壓力的顯示，選擇時機完成曝光操作。系統工作流程圖，見圖2。

1.3 系統電路設計

呼吸門控裝置是以單片機為處理核心的嵌入式系統。電路板主要功能是采集呼吸信號，進行模數轉換及濾波處理；附加的串口輸出模塊，把轉換后的數字信號通過串口輸出到計算機；在觀察被測者呼吸波形的同時，通過計算機設定一個閾值，把控制信號傳輸給主機。由于該模塊采用STC89C52單片機處理軟件和ADC0804數模轉換芯片，具有滿意的處理速度和精度、較高的精確性和控制有效性[4-5]。STC89C52單片機控制AD轉換和串口輸出等模塊。其中J1連接計算機，從ADC0804的VIN+口輸入模擬輸出的呼吸信號，有源晶振Y1接STC89C52的XTAL1腳和XTAL2。另外，為保證單片機與計算機的正確通信，它們之間必須有一個電平轉換電路，也就是對串口電平和TTL電平進行雙向轉換。本電路采用MAX232電平轉換芯片連接方式。

STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8 K在系統可編程Flash存儲器。MAX232芯片是專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片，使用+5 V單電源供電，特別適合電池供電系統，其低功耗關斷模式可以將功耗減小到5 μW以內[5]。ADC0804是A/D轉換器，模數轉換時間大約100 μs，方便TTL或CMOS標準接口，輸入電壓是5 V[6]。

呼吸門控裝置中的STC89C52單片機及其與晶振和其他外設的連線原理圖，見圖3。系統所用電平轉換芯片和串口連接原理圖，見圖4。模數轉換器芯片和相關連接原理圖，見圖5。

1.4 系統軟件設計

系統軟件包括初始化模塊、定時模塊、采樣模塊、指示模塊和通信模塊。其中初始化模塊完成單片機組成部件的初始設置，比如時鐘、定時器、IO口和通信等模塊的參數設置；定時模塊主要用于在預定間隔時間內控制ADC芯片采樣呼吸數據并進行處理；采樣模塊負責呼吸數據的ADC轉換，提供滿足速度和精度的數據；指示模塊用于呼吸數據超過閾值后的指示燈提醒；通信模塊負責將需要的數據上傳至PC機。系統軟件工作流程，見圖6。

圖4 系統所用電平轉換芯片連接原理圖

圖5 模數轉換器芯片和連接原理圖

圖6 系統軟件工作流程

2 系統測試

2.1 試驗對象

在征得監護人同意的情況下，隨機選取100名來我院就診時需要拍攝胸片的1～3周歲患兒，平均分為兩組。一組采用傳統曝光方式，另一組采用本文研究設計的呼吸門控輔助曝光方式。

2.2 試驗方法

采用Philips Digital Diagnost DR設備，由一名具有5年以上工作經驗的高年資技師操作，所有攝片僅對患者第一次曝光進行評價。由兩位副高以上職稱的多年資醫師及一名副高職稱的技師參照甲級片評價標準，評價肺紋理清晰程度、肺野展示充分度，3人共同分析主觀評價片子的質量，分為差、一般及優3級。差：肺野未展開，肺紋理模糊；一般：肺野展開尚可，肺紋理較模糊，尚可滿足基本診斷；優：肺紋理清楚、展開充分。兩組曝光方式結果統計，見表1。

表1 兩種曝光控制方式下的圖像質量評價

通過SPSS 19.0統計軟件用2×3的列聯表分析法，χ2值為33.686l，兩組曝光方式評價結果有顯著差異（P＜0.001）。

3 討論

從呼吸運動的進行過程可知，呼吸運動主要依靠兩部分呼吸肌的舒縮來完成，分別表現為胸腹兩部位的活動：① 肋間外肌舒縮引起肋骨和胸骨運動，引起胸廓前后、左右徑增大，表現以胸部活動為主；② 膈肌收縮，使胸廓的上下徑增大，表現以腹部活動為主。胸式呼吸吸氣時靠肋骨的側向擴張，用肋間外肌上舉肋骨以擴大胸廓，腹部收縮；呼氣時胸廓下降，腹部凸起。腹式呼吸吸氣時，膈肌收縮，膈的隆起部下降，上腹部臟器如肝、脾等隨之下降，前腹壁向外突出；呼氣時則相反，前腹壁向內復位[6-7]。兒童在攝片時往往比較恐懼，進而可能出現哭鬧現象,這時就會采用胸式呼吸，胸廓的運動幅度較大，吸氣時的時間極短，僅僅依靠影像技術人員憑經驗及肉眼觀察控制曝光，很難準確掌握儀器的曝光時機，不易得到可靠清晰的高品質的X線胸部攝影圖像。本文研究結果顯示，采用呼吸門控系統輔助曝光，能大大提高嬰幼兒的胸片質量（可診斷片從66%提高到94%，優良片從24%提高到84%）。

本研究在研究兒童呼吸方式的基礎上，分析了不同呼吸方式與腹部壓力的相關性，通過觀測腹部壓力的變化，判斷呼氣及吸氣末端的時點，通過即時顯示波形作為曝光時點直接控制曝光手閘，可以實現曝光時機的精確控制。

[1] 孫獻梅,楊波,任香娣.嬰幼兒防輻射拍片床在X射線輻射防護中的應用 [J]. 醫學影像學雜志,2011,21(12):1903-1905.

[2] 李印亮,夏春,王元林.小兒胸部X射線間接數字化攝影參數選擇[J].中國輻射衛生,2015,24(5):501-502.

[3] 胡紅波,邵高峰,丘志芬.一種PET/CT呼吸門控系統的設計[J].醫療衛生裝備,2016,(2):29-31.

[4] Wang JH,Cui EC.The Design of a Multifunctional Remote-Control Intelligent Vehicle Based on STC89C52[J].AMM,2015,789-790:754-757.

[5] Havasi MR,Shiekhdavoodi MJ,Shini NA,et al.Development and Evaluation of a Digital Tractor Dynamometer[J].Asian J Agric Sci,2012,4(2):145-148.

[6] 曲良勇,苑翠紅.濾過對數字化胸部X射線攝影圖像質量和輻射劑量的影響[J].中國醫療設備,2014,(2):44-46.

[7] 姚泰,吳博威.生理學[M].北京:人民衛生出版社,2003:133-136.

Research on an Infant & Children Chest X-ray Exposure Control System Based on Respiratory Gating Technique

LI Jian-lin1a, LIU Mei-juan1b, DU Dun-ren2, XIE Hai-zhu1a, GAO Wei1a, DONG Yan-zhi3
1. a. Department of Imaging; b. Department of Ultrasound, Yantai Yuhuangding Hospital Affiliated to Medical College of Qingdao University, Yantai Shandong 264001, China; 2. Department of Imaging, the First People’s Hospital of Laishan District, Yantai Shandong 264003, China; 3. School of Optoelectronics, Yantai University, Yantai Shandong 264005, China

ObjectiveTo solve the problem of respiratory coordination in chest radiography in infants and young children.MethodsA new X-ray machine exposure time display & control device was designed based on respiratory-gated devices, which monitored the changes in abdominal pressure during breathing by using the clamp signal acquisition system and used the STC89C52 single chip computer as the core of signal processing systems so as to real-timely display the abdominal pressure waveform. Altogether 100 infants with ages ranging from 1 to 3 years old were scanned by chest X-ray in the hospital, they were randomly selected and evenly divided into two groups with 50 infants in each group. One group was scanned by using the conventional method; another group was exposed by using the assistance of the respiratory-gated method designed this study.ResultsThe exposure result by using the respiratory-gating assisted method was significantly better than that of the traditional method, with significant difference between the two groups (P＜0.001).ConclusionThe exposure time control device of X-ray machine which designed based on respiratory-gated display devices could provide better quality assurance for chest radiography.

respiratory-gated technique; X-ray exposure control; chest X-ray imaging

R814

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.07.030

1674-1633(2016)07-0098-04

2016-04-25

2016-05-10專利：發明專利（ZL201110124999.7）。

劉美娟，主治醫師，超聲影像診斷。

通訊作者郵箱：yhdyylmj@163.com