基于STC15F104E單片機的移動X線機無線延時曝光系統的研制

黃向東，陳浩，黃斌斌，田君鵬

中國人民解放軍第175醫院 醫學工程科，福建 漳州 363000

基于STC15F104E單片機的移動X線機無線延時曝光系統的研制

黃向東，陳浩，黃斌斌，田君鵬

中國人民解放軍第175醫院 醫學工程科，福建 漳州 363000

本文闡述了移動X線機無線延時曝光系統的研制和測試過程，該系統主要由單片機STC15F104E、PC817光耦及信號處理模塊、無線遙控（發射/接收）模塊、聲音報警模塊和通信模塊組成，具備無線延時曝光的功能。系統測試結果表明，當采用一檔繼電器吸合3 s，然后二檔繼電器同時吸合2 s，最后同時放開的方案時，系統應用效果最好，能夠滿足臨床需求。

移動X線機；智能無線曝光系統；延時電路；單片機

移動X線機以其小巧、可移動、對電源要求不高等優點在臨床上獲得了廣泛應用，其流程簡便、操作快捷，解決了一些長期臥床、不便于搬動患者的拍片難題[1]，而它的可移動性讓操作人員的射線防護問題面臨新的考驗。

我院近年來啟用的不同廠家的移動X線機，大體分為3類：① 不具備無線、延時曝光系統，只是將曝光手柄連線接長；② 具有無線曝光系統，但無法延時；③ 具有延時曝光系統，但不能遠程控制。結合醫技人員的反饋分析這3類移動X線機，可以得知這3類曝光系統的主要缺點：① 延長曝光手柄連線的方法需要操作人員穿著笨重的鉛衣將曝光手閘線拉到病房外曝光，以此達到減少射線輻射的目的。如此一來曝光手閘連線由于經常被牽扯拉伸而出現問題，使其維修頻率劇增（我院曝光手閘連線的平均維修頻率為一周左右），且每次曝光后需要工作人員整理手閘連線，費時費力；② 具有無線曝光系統，但無法延時的方法需要醫技人員使用遙控器遠程操作，摁住遙控器上的曝光按鈕等待曝光完成。一般由于病房內具有例如心電監護、呼吸機等其他醫療設備，這種不間斷遙控發射很容易由于其他設備的信號干擾而產生中斷[2]；③ 具有無線曝光功能，但無法延時曝光的系統使用方法是醫技人員將設備對著病人擺好位置，摁下延時曝光按鈕后迅速遠離設備，等待延時曝光完成。若病人在10 s左右的延時時間內發生偶然移動，偏移理想照射位置，無法阻止設備進行曝光，可能會需要重新拍攝[3]。這不但降低了工作效率，還增加了病人接受射線照射的負擔，不利于病人健康。

針對以上問題，本文研制出一種智能無線延時曝光系統，安裝時發射模塊需要與接收模塊對碼才能使用，可防止其他信號的干擾；使用時按下發射按鈕后先報警延時，等待操作技師遠離后再進入正常預熱曝光程序，且在整個過程中都能隨時中斷程序[4]。此智能無線延時曝光系統不僅可以避免醫技人員受到放射輻射，同時也使得移動X線機的曝光過程更安全穩定，這對延長設備使用壽命，降低其故障率具有重要意義[5-6]。

1 系統設計

1.1 設計思路

通過多方面采集和測量，研究利用模塊代替原有的手閘曝光，實現無線遙控曝光。普通X線機的曝光手閘分為兩檔：第一檔主要是接通旋轉陽極電路，同時燈絲開始預熱，為產生X線做準備；第二檔是在第一檔工作完成后高壓上閘實施曝光。所以，采用模塊代替手閘，模仿曝光一、二檔信號，既不會影響設備正常工作，又能實現無線延時效果。由于兩檔控制之間大概有1.2 s的時差，因此設計采用單片機延時程序控制該時差，結合繼電器電路來取代兩檔曝光手閘。

1.2 系統結構

研究設計基于STC15F104E單片機的智能無線延時曝光系統，采用PC817光耦接收遙控觸發信號后通過單片機延時控制繼電器通斷實現移動X線機的預熱并曝光。系統主要由單片機STC15F104E、PC817光耦及信號處理模塊（穩壓模塊和繼電器模塊）、無線遙控（發射/接收）模塊、聲音報警模塊和通信模塊組成。

PC817光耦用于檢測無線遙控器有無觸發信號；電信號則經信號處理模塊觸發單片機輸出，并控制繼電器模塊；無線遙控模塊用于觸發電信號至光耦；聲音報警模塊用于信號觸發、復位及發出曝光提示音；通信模塊用于系統調試及程序代碼的輸入。系統原理框圖，見圖1。

圖1 系統原理框圖

2 硬件設計

2.1 PC817光耦及信號處理模塊

系統中的無線遙控接收模塊由移動X線機內部的220 V電源（開機既有）供電，將該模塊中的12 V直流電端接到穩壓電源模塊的Power1。穩壓電源模塊由1個二極管，4個電容，1個發光二極管，1個穩壓二極管和開關型降壓穩壓器LM2576T 5.0組成。12 V直流電經開關型降壓穩壓器后輸出5 V直流電與單片機VCC端相連，使單片機可以正常運行。穩壓電源電路示意圖，見圖2。

光耦模塊是由PC817光耦、電阻R1（1 K）、R5（10 K）和發光二極管組成。光耦前端一腳接R1，一腳接發光二極管到地，后端一腳接單片機P3.4口，另外一腳接地。光耦模塊示意圖，見圖3。

圖2 穩壓電源電路示意圖

圖3 PC817光耦模塊

繼電器模塊是由2個光耦、2個發光二極管、4個電阻（R3、R4、R7、R8）、2個NPN三極管9013及兩個繼電器組成。光耦1后端一腳接12 V直流電，另外一腳接電阻R7到9013基極至繼電器1，前端一腳接發光二極管到地，另外一腳接電阻R3到單片機P3.3口；光耦2后端一腳接12 V直流電，另外一腳接電阻R8到9013基極至繼電器2，前端一腳接發光二極管到地，另外一腳接電阻R4到單片機P3.2口。曝光手閘預熱線與繼電器1的常開端相連，曝光線與繼電器2的常開端相連[7]。繼電器模塊示意圖，見圖4。

系統內部工作原理如下：按下發射器曝光鍵，接收模塊（由機器內部220 V供電）收到信號（蜂鳴器短鳴）后給一個高電平至PC817光耦，使得單片機P3.4口接收到低電平，啟動8 s延時；8 s后單片機P3.3接收到高電平，給9013提供基極偏置電壓使其導通，繼電器1得電，常開腳吸合，開始3 s延時；3 s后單片機P3.2口接收到低電平，給9013提供基極偏置電壓使其導通，繼電器2得電，常開腳吸合，開始2 s曝光；2 s后曝光結束（蜂鳴器長鳴），系統復位。

圖4 繼電器模塊示意圖

2.2 聲音報警模塊

聲音報警模塊由1個PNP三級管8055、穩壓電容（μf）、直流蜂鳴器和限流電阻組成。該電路連接到單片機P3.4口，當無線遙控發射器觸發時即P3.4口檢測到低電平，使得三極管8055導通，蜂鳴器會發出短鳴，曝光結束后蜂鳴器會發出長鳴通知操作人員曝光已完成。

2.3 無線遙控模塊

無線遙控（發射/接收）模塊中的發射模塊即一個開關按鍵，用于發射信號，接收模塊接收到信號后導通繼電器從而觸發延時曝光程序。

2.4 通信模塊

通信模塊用于與電腦通信，可對單片機程序進行導入，并在調試時隨時擦除和重新導入，還能記錄一段時間內的運行情況。

3 軟件設計

本系統軟件采用C51匯編語言設計，整個軟件實現模塊化，主要包括以下子程序：初始化子程序、按鍵掃描子程序、延時子程序、聲音提示及報警子程序。系統軟件流程，見圖5。

圖5 系統軟件流程圖

首先，設備對單片機的I/O口進行硬件初始化，以防止單片機的默認電平對外部電路的干擾。初始化結束后進入掃描狀態，對單片機I/O口P3.4進行掃描（默認為高電平），檢測到一次信號時P3.4口為低電平有效啟動延時程序，相繼P3.3口置高電平、P3.2口置低電平控制繼電器完成預熱曝光動作；檢測到兩次信號時P3.4口默認為高電平系統復位。

4 系統組裝調試

在系統設計過程中，先對PC817光耦及信號處理電路、繼電器模塊進行設計，然后采用STC15F104E單片機開發板編寫軟件，模擬運行成功后對硬件系統進行優化設計，加入了聲音報警模塊，制作印刷電路板并對元器件進行組裝。組裝后的無線延時曝光系統實物圖，見圖6。

系統測試的主要目的是對延時時間的確定和對各個模塊工作性能進行檢測。在對延時時間確定的測試中，主要考慮系統的長久使用、電能的最省化以及有無達到延時目的，通過調整延時時間和吸合時間，并結合實際操作情況，研究選擇了6種方案進行實驗。系統測試結果，見表1。

測試結果顯示，在按下發射按鈕之后，一檔繼電器延時8 s吸合，吸合3 s后二檔繼電器同時吸合，2 s后同時放開的情況下，設備預熱時間和曝光時間充足，不會出現報錯，能夠滿足臨床需要[8]。

圖6 無線延時曝光系統實物圖

5 結束語

本文研制的智能無線延時曝光系統已安裝在我院和其他醫院的床邊X線機上，該系統的應用不但提高了床邊機的使用壽命還增強了設備操作時的安全系數，且操作簡便。基于STC15F104E單片機的無線延時曝光系統，具有無線接收、延時曝光、報警等功能，成本低廉、完全智能化，未來可以廣泛應用于各類移動放射性醫療設備中。

[1] 賈云嶺,龍美燕,秦郁.等.F30-30mA移動式X線機加裝無線遙控曝光及電子限時裝置[J].實用放射學雜志,2004,20(12):1113.

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[5] 陸翊平,傅駿.射線防護的重要性[J].職業與健康,2008,24(14): 1453-1454.

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[7] 張方林,汪慶華,吳向陽,等.R-500型X線機電路解析與PCB板調節[J].醫療衛生裝備,2007,28(2):67-68.

[8] 唐森財.改裝移動X線機曝光手閘[J].中國醫療設備,2008,23 (2):116-117.

表1 系統性能測試

圖4 EMR和PACS關聯示意圖

4 電子病歷系統的應用

我院自2011年運行EMR系統以來，一直深受臨床一線的喜歡，醫生不僅從繁瑣的手寫病歷和重復抄寫中解脫出來，同時第一時間能看到檢驗、檢查報告的結果。如病人辦理入院手續時填寫基本信息，在病人入住病房時，醫生早已看到病人信息，并做好一系列評估[7-8]。醫生書寫病歷時將檢驗和檢查結果直接導入病程記錄中，既準確又快捷。病歷書寫完成，提交歸檔，如需再次調閱，只需網絡申請借閱即可查閱病歷。

我院按照市衛生計生局的要求，完成區域電子病歷的數據上傳和調閱，并且一直保持良好的排名記錄（表1）。

我院按照衛生部醫管司的要求，完成與醫院質量檢測系統研究中心（HQMS）數據采集并對接成功，按照要求定時上報，運行良好。

經過4年的運行，我院電子病歷系統較好地服務了臨床和患者，同時提高了服務質量和醫療質量，為建立和諧社會做出了貢獻。

[參考文獻]

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Development of Mobile X-Ray Machine Wireless Delay Exposure System Based on STC15F104E

HUANG Xiang-dong, CHEN Hao, HUANG Bin-bin, TIAN Jun-peng
Department of Medical Engineering, The NO.175 Hospital of PLA, Zhangzhou Fujian 363000, China

This paper expounded the development and application process of a mobile X-ray machine wireless delay exposure system which is mainly composed of STC15F104E, PC817 optical coupling and the signal processing module, wireless remote control module, voice alarm module and communication module, and equipped with wireless and delay exposure functions. According to the test results, the system could achieve its optimal effectiveness when the first gear relay was pulled in for 3 seconds, then second gear relay was pulled in for 2 seconds at the same time, fnally the two relays were released simultaneously.

mobile X-ray machines; intelligent wireless exposure system; time delay circuit; microcontroller

TP3

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.06.029

1674-1633(2016)06-0106-04

2016-01-04

2016-02-05

中國人民解放軍第一七五醫院課題（13Y004）。

田君鵬，主任助理，工程師。

通訊作者郵箱：13599660192@139.com