移動(dòng)DR無線遙控延時(shí)曝光控制器的設(shè)計(jì)與研制

謝怡，何超健，周地福，林建華

廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 a.醫(yī)療設(shè)備科；b.放射科，廣東 廣州 510260

引言

移動(dòng)DR因具有便利性、體積小、可移動(dòng)等特點(diǎn)，適合于急診室、監(jiān)護(hù)室、手術(shù)室病、普通房及隔離病房等場所使用，為危重癥患者、隔離患者、術(shù)中患者X線攝影檢查帶來便利[1-7]。尤其是新型冠狀病毒疫情期間，在隔離患者肺部X線攝影篩查方面，移動(dòng)DR具有獨(dú)特優(yōu)勢[8-10]，發(fā)揮著重要作用。基于諸多優(yōu)點(diǎn)，移動(dòng)DR為各大醫(yī)院所配備。但由于移動(dòng)DR通常在無射線防護(hù)的環(huán)境中曝光，曝光時(shí)對(duì)周圍產(chǎn)生X線電離輻射[11-12]，并且距離移動(dòng)DR越近輻射劑量越大，對(duì)操作員存在電離輻射危害，所以操作員應(yīng)盡量避免近距離正面曝光操作。然而，移動(dòng)DR現(xiàn)有曝光控制有紅外遙控和線控手/腳閘兩種方式，紅外遙控需在視野范圍內(nèi)正面操作，而線控手/腳閘操作距離短且不方便，使操作員受電離輻射危害。如新型冠狀病毒疫情期間，操作員穿著防護(hù)服及厚重的鉛衣，曝光操作不方便。為解決移動(dòng)DR現(xiàn)有曝光方式的不足，需改進(jìn)其曝光控制方式，以減少X射線對(duì)操作員造成的電離輻射危害。

針對(duì)上述的移動(dòng)DR原有曝光方式的不足，工程師對(duì)曝光控制方式進(jìn)行了改進(jìn)，通過設(shè)計(jì)各類延時(shí)控制器取代手閘曝光。至于延時(shí)曝光控制器的設(shè)計(jì)方面，早期有高德春等[13]采用延時(shí)繼電器代替手閘實(shí)現(xiàn)延時(shí)曝光控制，使操作員有足夠時(shí)間遠(yuǎn)離射線強(qiáng)輻射區(qū)域。林建華等[14]也是采用多個(gè)時(shí)間繼電器組合使用實(shí)現(xiàn)延時(shí)曝光控制。李超等[15]通過改造手閘電源模塊，利用Wi-Fi遠(yuǎn)程控制繼電器通斷實(shí)現(xiàn)曝光。也有研究者利用單片機(jī)和無線遙控模塊實(shí)現(xiàn)無線延時(shí)曝光控制，使無線遙控曝光器設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化[16-17]。最近，黃澤波等[18]利用無線遙控開關(guān)通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)DR遙控曝光。

綜上所述，現(xiàn)有的移動(dòng)DR曝光控制方式不足之處主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：① 移動(dòng)DR原有曝光操作只能通過手閘或紅外遙控；② 現(xiàn)有曝光控制器的啟動(dòng)方式只有單種模式，即遙控模式或自動(dòng)延時(shí)模式，且缺乏遠(yuǎn)程攝像監(jiān)控功能。因此，本研究設(shè)計(jì)一種具備無線遙控和自動(dòng)延時(shí)雙模式且?guī)в袑?shí)時(shí)遠(yuǎn)程攝像監(jiān)控的安全、可靠、直觀、便利的移動(dòng)DR曝光控制器，以取代移動(dòng)DR原有手閘或紅外遙控功能，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)DR遠(yuǎn)程/隔離實(shí)時(shí)監(jiān)控曝光操作。

1 材料與方法

本研究的基本思路是通過芯片控制繼電器通斷而產(chǎn)生曝光信號(hào)，以取代移動(dòng)DR手閘功能，詳見圖1。本設(shè)計(jì)采用兩方案實(shí)現(xiàn)曝光：一是通過無線電遙控器遠(yuǎn)程控制延時(shí)器產(chǎn)生曝光信號(hào)；二是通過設(shè)定延時(shí)器倒計(jì)時(shí)產(chǎn)生曝光信號(hào)。另外采用攝像系統(tǒng)輔助監(jiān)控曝光過程。

圖1 曝光控制器原理框圖

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 系統(tǒng)模塊

主系統(tǒng)模塊采用成本低、操作簡單且滿足設(shè)計(jì)要求的SCT89C52芯片作為主控制器，主要實(shí)現(xiàn)顯示控制、按鍵掃描、定時(shí)器定時(shí)、無線模塊信號(hào)檢測以及繼電器通斷控制等功能。P0.0～P0.7連接至數(shù)碼管數(shù)據(jù)8個(gè)段位（a～g、dp）引腳，W1～W4分別與4個(gè)數(shù)碼管公共端相連，詳見圖2。

圖2 主系統(tǒng)模塊原理圖

1.1.2 無線電模塊

本設(shè)計(jì)采用RXC6超外差無線接收模塊，工作電壓5 V，工作頻段315 MHz，接收靈敏度-110 dBm。其功能是接收無線遙控遠(yuǎn)程開關(guān)信號(hào)，并將開關(guān)信號(hào)傳輸至主控系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)曝光控制的安全性、可靠性，采用雙鍵齊按的方式產(chǎn)生曝光觸發(fā)信號(hào)，以避免操作者意外觸發(fā)單個(gè)按鍵而產(chǎn)生誤曝光。當(dāng)遙控器按鍵1和按鍵2同時(shí)按下時(shí)，D1和D2引腳同時(shí)輸出高電平，單片機(jī)檢測到D1和D2均為高電平時(shí)，則啟動(dòng)曝光操作程序，詳見圖3。

圖3 無線模塊原理圖

1.1.3 繼電器模塊

當(dāng)控制器進(jìn)入曝光操作狀態(tài)后，單片機(jī)的P1.0和P1.1引腳依次輸出預(yù)曝光（YBG）、曝光（BG）信號(hào)（圖4）。① 當(dāng)YBG信號(hào)為低電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器1閉合，則DR進(jìn)入預(yù)曝光狀態(tài)；② 當(dāng)BG信號(hào)為低電平時(shí)，三極管Q2導(dǎo)通，繼電器2閉合，則DR進(jìn)入曝光狀態(tài)；③ 當(dāng)YBG和BG信號(hào)均為高電平時(shí)，繼電器1和繼電器2同時(shí)斷開，曝光結(jié)束。

圖4 繼電器模塊原理圖

1.1.4 電源模塊

本設(shè)計(jì)采用通用性高且方便使用的移動(dòng)電源（充電寶）作為供電電源，可隨時(shí)查看電量，通過USB線對(duì)延時(shí)器供電。當(dāng)移動(dòng)電源提示低電量時(shí)，只需要將移動(dòng)電源取下充電，或換備用移動(dòng)電源供電。

1.1.5 攝像監(jiān)控

本設(shè)計(jì)借助攝像模塊輔助監(jiān)視移動(dòng)DR曝光過程，以確保曝光安全有效進(jìn)行。本設(shè)計(jì)采用的是市場上可購置的通用攝像頭，只需5 V直流電源供電，可上下左右調(diào)整視角。另外，只需在智能手機(jī)上安裝配套的APP，再通過熱點(diǎn)方式連接攝像頭即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)視。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)曝光控制器上電后，系統(tǒng)進(jìn)入初始化，進(jìn)而判斷控制器為遙控模式還是延時(shí)模式。若為遙控模式，則通過遙控器遠(yuǎn)程啟動(dòng)曝光控制程序，啟動(dòng)后延時(shí)1 s，繼電器1閉合，DR進(jìn)入預(yù)曝光狀態(tài)，再延時(shí)1 s后，繼電器2閉合，DR進(jìn)入曝光狀態(tài)，維持2 s后，繼電器1和繼電器2同時(shí)斷開，曝光結(jié)束。若控制器為延時(shí)模式，則通過按下控制器啟動(dòng)按鍵進(jìn)入曝光控制程序，延時(shí)預(yù)設(shè)的時(shí)間（此處默認(rèn)10 s，可根據(jù)實(shí)際需求自行調(diào)節(jié)）后，進(jìn)入預(yù)曝光和曝光狀態(tài)，后續(xù)操作同遙控模式。若發(fā)現(xiàn)意外緊急情況，不適合曝光，則操作員可遙控及時(shí)終止曝光。操作者通過按下復(fù)位按鍵可使控制器重新恢復(fù)工作狀態(tài)，系統(tǒng)控制流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制流程圖

1.3 實(shí)物制作

圖6為曝光控制器實(shí)物圖，首先通過EDA軟件設(shè)計(jì)所需PCB主板，采用直插式STC89C52系列單片機(jī)、5 V直流繼電器、無線射頻模塊以及數(shù)碼管等元件進(jìn)行組裝，見圖6a。根據(jù)移動(dòng)DR結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇一尺寸合適的電器盒進(jìn)行加工制作。將主電路板安裝在電器盒里，數(shù)碼管、按鍵及接口安裝在控制面板上，見圖6b。操作面板的三個(gè)按鍵從右至左分別為電源開關(guān)、自動(dòng)延時(shí)模式啟動(dòng)按鍵、復(fù)位按鍵。

圖6 曝光控制器實(shí)物圖

2 結(jié)果

2.1 測試結(jié)果

曝光控制器制作后，開展一系列測試，首先自然環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立測試，即不接移動(dòng)DR時(shí)，單獨(dú)觀察其運(yùn)行情況。遙控模式下，分別取5、10、15、20和25 m不同距離，每個(gè)距離下分別測試100次，并觀察曝光控制器是否完成曝光控制動(dòng)作，測試距離由近至遠(yuǎn)依次測試，測試結(jié)果如表1所示。自動(dòng)模式下，通過按曝光控制器上的啟動(dòng)鍵，并觀察曝光控制器能否自動(dòng)完成曝光控制動(dòng)作。

表1 曝光控制器測試結(jié)果

表1可以發(fā)現(xiàn)遙控模式下，首先15 m以內(nèi)成功率都非常高，但偶爾也會(huì)出現(xiàn)失敗的現(xiàn)象，分析其原因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)采用了安全性較高遙控器雙鍵齊按的觸發(fā)方式，在連續(xù)密集測試情況，由于操作過快，偶爾未注意遙控器雙鍵是否同時(shí)按下，導(dǎo)致未啟動(dòng)曝光控制，重新確認(rèn)按下雙鍵則成功啟動(dòng)曝光。其次25 m以內(nèi)成功率也比較高，且此距離范圍內(nèi)完全滿足實(shí)際需求，然而隨著距離的增加，由于遙控器的射頻信號(hào)的衰減，可靠性有所降低。自動(dòng)模式下，成功率相當(dāng)高，因啟動(dòng)集成于控制器上。

本次測試針對(duì)我院現(xiàn)有移動(dòng)DR進(jìn)行，曝光控制器實(shí)際應(yīng)用場景如圖7所示，首先將延時(shí)器安裝在移動(dòng)DR的空檔里，連接移動(dòng)電源，延時(shí)器的輸出則通過電話線連接至DR的手閘接口處，以取代手閘。測試中分別采用自動(dòng)延時(shí)方式和無線遙控方式進(jìn)行曝光控制。圖7a為自動(dòng)延時(shí)曝光控制模式，圖7b為曝光過程的攝像監(jiān)控畫面。經(jīng)過長期反復(fù)測試，自動(dòng)延時(shí)和無線遙控兩種曝光控制模式均能有效實(shí)現(xiàn)曝光控制。另外，攝像監(jiān)控畫面通過攝像頭熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)傳輸至智能手機(jī)端，無需外接網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察曝光過程。

圖7 曝光控制器實(shí)際應(yīng)用場景

2.2 應(yīng)用效果部分

2.2.1 臨床應(yīng)用效果

本控制器測試可靠后，應(yīng)用于移動(dòng)DR臨床攝像中。針對(duì)兩種模式，分別連續(xù)跟蹤300例次攝影，結(jié)果如表2所示。遙控模式下，成功例次295例，5例失敗。失敗原因主要為遙控器電池電量不足，發(fā)射功率不夠，此時(shí)則通過自動(dòng)模式完成攝影，不影響臨床工作。其次，曝光控制器與移動(dòng)DR的連接線未接好，以及連接線折斷。自動(dòng)模式下，成功例次297例，失敗例次3例，主要原因?yàn)槠毓饪刂破髋c移動(dòng)DR的連接線接觸不良，以及連接線折斷，隨即更換備用連接線。

表2 曝光控制器臨床應(yīng)用效果

2.2.2 安裝曝光控制器前后使用情況對(duì)比

在未安裝本控制器前，移動(dòng)DR采用自帶手閘曝光，一般原裝手閘控制線約2 m。進(jìn)行床邊攝影時(shí)，操作員需先穿戴鉛衣，可能同時(shí)還需要鉛屏風(fēng)進(jìn)行防護(hù)。完成攝影任務(wù)后又要脫下鉛衣及把鉛屏風(fēng)移至原來位置。每次穿脫鉛衣、搬動(dòng)鉛屏風(fēng)需消耗約5～10 min，詳見表3。連續(xù)工作情況下，為保證輻射安全，操作員不可避免要全程穿著沉重的鉛衣。即使加長了手閘的控制線，作用也較有限，攝影操作前后需要整理控制線。若病房空間較大，控制線不能延至室外，仍需要穿上鉛衣或搬動(dòng)鉛屏風(fēng)進(jìn)行防護(hù)，增加了工作時(shí)間。安裝曝光控制器后，則可不用進(jìn)行上述操作，操作員設(shè)置好曝光控制器即可移至安全區(qū)域，減少了不必要的時(shí)間，提高了工作效率。

表3 安裝曝光控制器前后使用時(shí)間對(duì)比

3 討論

當(dāng)前曝光控制器設(shè)計(jì)主要由兩種方式：① 自動(dòng)延時(shí)方式[13-14]，即通過對(duì)控制器設(shè)定倒計(jì)時(shí)時(shí)間，啟動(dòng)后，控制器自行倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)即將結(jié)束時(shí)依次完成預(yù)曝光和曝光動(dòng)作，操作員則利用倒計(jì)時(shí)過程遠(yuǎn)離移動(dòng)DR一定距離；② 無線遙控方式[15-18]，即在一定距離范圍內(nèi)通過遙控隨時(shí)隨地啟動(dòng)控制器依次完成預(yù)曝光和曝光動(dòng)作。兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，無線遙控模式因其可在一定范圍內(nèi)多道障礙的情況下隨時(shí)隨地啟動(dòng)曝光操作，然而遙控模式容易引起干擾，一方面是曝光控制器的接收天線暴露在自然環(huán)境中，尤其是設(shè)備密集之地，可能受到外界電磁波的干擾而產(chǎn)生誤觸發(fā)，另一方面是遙控器產(chǎn)生的電磁波也可能干擾其他電磁敏感型設(shè)備，而引起意外的電磁干擾[19-22]。自動(dòng)延時(shí)模式控制器的運(yùn)行不受外部環(huán)境的干擾和限制，然而卻不便于操作和控制。但目前暫時(shí)未有同時(shí)具備兩種模式的曝光控制器，為確保實(shí)際應(yīng)用的可靠性、安全性，本設(shè)計(jì)中將無線遙控和自動(dòng)延時(shí)兩種曝光控制模式融為一體，研制出一種既能遙控曝光又能自動(dòng)延時(shí)曝光的控制器。實(shí)際應(yīng)用中以無線遙控模式為主，自動(dòng)延時(shí)模式為輔助。確保曝光控制器啟動(dòng)信號(hào)的可靠性，本設(shè)計(jì)中采用遙控器雙鍵齊按的方式啟動(dòng)曝光控制器，另外為確保發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)中采用大功率遙控器控制。當(dāng)移動(dòng)DR在復(fù)雜環(huán)境中作業(yè)時(shí)，如重癥監(jiān)護(hù)室等設(shè)備雜而多，空間中充滿各類電磁信號(hào)，遙控信號(hào)的容易受環(huán)境電磁干擾，同時(shí)為避免遙控器發(fā)射的電磁信號(hào)對(duì)周圍近距離的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，此時(shí)可以采用自動(dòng)延時(shí)模式，通過自動(dòng)延時(shí)產(chǎn)生曝光控制信號(hào)。此外，當(dāng)其中任意一種模式失效時(shí)，則可通過另一種模式完成曝光操作，減少對(duì)臨床工作的影響，提高作業(yè)效率。

相對(duì)于延時(shí)繼電器設(shè)計(jì)方案[13-14]，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)延時(shí)計(jì)數(shù)，延時(shí)間隔為1 s，并且采用數(shù)碼管作為顯示器，使整個(gè)曝光延時(shí)控制過程直觀，便于操作者觀察，同時(shí)也有利于故障排查。本控制器采用USB供電，可使用移動(dòng)電源供電，也可連接移動(dòng)DR上的USB獲取電源，極大地提高了使用便利性，由于移動(dòng)電源和移動(dòng)DR的USB輸出電源穩(wěn)定可靠，因此確保了曝光控制器供電穩(wěn)定，從而使曝光控制器運(yùn)行可靠。

此外，相比于現(xiàn)有的曝光控制器的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用家用攝像監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，使整個(gè)曝光控制過程可視化，使得操作人員操作更加方便：① 可觀察患者體位是否改變；② 通過其對(duì)講系統(tǒng)便于和患者溝通；③ 確保曝光過程安全性；④ 操作者可觀察曝光是否順利完成。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)DR無線遙控延時(shí)曝光控制器，取代移動(dòng)DR的手閘或紅外遙控，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無線遙控延時(shí)曝光控制，且該控制器結(jié)構(gòu)簡單、可靠、有效，操作簡便。本控制器采用無線遙控和自動(dòng)延時(shí)模式雙模式設(shè)計(jì)，即使其中一種模式失效，另一種模式也可完成曝光操作，保證了遠(yuǎn)距離無線遙控延時(shí)曝光控制的可靠性。同時(shí)，采用攝像系統(tǒng)輔助監(jiān)控曝光過程確保了無線遠(yuǎn)距離曝光過程的安全。該控制器已在我院所有的移動(dòng)DR上安裝，使床旁X線攝影的工作環(huán)境得到了有效改善，并獲得臨床科室的好評(píng)。然而，該控制器還存一定的不足之處，暫未實(shí)現(xiàn)將無線遙控集成于視頻監(jiān)控軟件界面中，這也是本研究下一步努力的方向。