基于DRV8424 驅動的醫療X 射線機限束器控制系統

邢麗娜 吳廣智 孟憲華 李健鐸

（1、貴州黔南科技學院,貴州 貴陽 550600 2、東軟醫療系統股份有限公司,遼寧 沈陽 110034）

現代醫療設備技術高度發展,較集中的反映了當代生物醫學工程技術和醫療器械的水平,其中最具代表性的技術是數字醫學影像技術。數字醫學影像技術即醫療影像診斷體系包含了醫療X 射線機、CT、MRI、醫療超聲等,它們共同構成了影像檢查的主力框架,醫療X 射線機依舊在各醫院中表現為最常規設備,普遍運用于臨床透視、攝片,尤其是等診斷中,使用率較高。本文背景為醫療X 射線機產品線用的大板乳腺機的攝影需求,醫療X 射線機用電動限束器作為系統重要的影像部件,其主要作用是利用可調間隙的鉛板,遮去不必要的原發射線,從而改變實際使用的照射視野,達到最優的乳腺診斷需求。電動限束器遮線板的運動控制由單片機、步進電機驅動、步進電機等實現。

1 線束器的工作原理

電動限束器遮線板的移動動力是由中小型步進電機提供,通過控制步進電機步進角及正反運動,即可將照射野調整到所需尺寸,電機一般使用微型直流電機,并在關閉和最大張開位設有限位開關。而本技術方案限束器采用鈑金結構+步進電機+齒輪齒條傳動,充分考慮了機械加工件、電機等關鍵件成本,僅保留最大開口位限位開關,新機構成本低,結構簡單,組裝容易,電控精度高。

此外,傳統限束器對安裝位置的偏差,限位開關的位置偏差有較高要求,出廠時光射野一致性的調試費時費力,需反復調整反復驗證。本技術方案中提出了一種新的校正方法,通過全自動的方式實現,使出廠調試時間大大縮減。圖1為電動線束器的原理框圖。

圖1 電動限束器原理框圖

電動限束器由齒輪齒條傳動機構,電控板、步進電機驅動器、步進電機等組成,共4 個shutter 即X 軸2 個、Y 軸2個,每個軸包含一個電機和一個光電開關。依據機械結構,設計成兩塊電路板,原理框圖如圖1 所示。電動限束器中,通過單片機通過讀取上位機的指令發出電機使能信號、方向信號、脈沖信號等控制步進電機正轉或反轉,電機軸帶動齒輪齒條,從而實現4 個shutter 的正向或反向運動。

電動限束器校正方法,利用圖像識別出限束器在圖像上的位置,然后利用坐標系映射轉換成射野坐標系下的位置,根據限束器移動的特點,建立線性數學模型,通過少量次數的曝光,擬合出電機步數與遮線器位置的關系函數,最后通過上位機軟件與電控板板間的通訊實現限束器的全自動校正。

電動限束器物理開口與射野以及圖像中射野識別區域涉及多層坐標系,如圖2 所示。三種坐標系的單位分別為：物理坐標系單位：毫米（mm）；射野坐標系單位：毫米（mm）；圖像坐標系單位：像素（Pixel）；

圖2 限束器坐標系映射

其中,圖像上,遮線器x 軸坐標X-SHUTTER 反映的是圖像識別出水平遮線器左沿和右沿的物理位置,分別為H_lPos2 和H_rPos2；遮線器y 軸坐標Y-SHUTTER 反映的是圖像識別出垂直遮線器上沿和下沿的物理位置,分別為V_uPos2 和V_dPos2。 PixelWidth 與PixelHeight 分別為圖像像素尺寸的寬和高,而Scale = SID / D1。

2 電動線束器硬件設計

電路主控芯片單片機選擇STM32F429 及外圍電路搭建控制最小系統,步進電機驅動選擇TI 公司的主流步進電機驅動芯片DRV8424。電機工作時,需要24V 的動力電源；而單片機工作時,只需要3.3V 的直流電源,為了保證3.3V 的系統電源不被24V 的動力電源干擾,需要保證24V 動力電電源與3.3V 直流電源相互隔離。電機的驅動信號需要通過光耦將電機驅動芯片的方向信號、脈沖信號以及使能信號進行信號隔離。

在電機不工作時,仍然需要輸出電機使能信號,即恒流控制,以達到鎖定機構的目的,但此時電機發熱會很大,為了盡可能減少電機發熱,設計了半電流控制電路。由于限束器射野大小最終體現在攝影圖像上,故考慮用圖像衡量限束器開口大小,進而通過算法實現了一種電動限束器的控制方法。

2.1 電源電路

外接的EXT_+24V 動力電源經過電路板的板端濾波器BNX002-1、板端保險絲、濾波電容等,為電機驅動芯片DRV8825 供電,進而驅動步進電機。具體見圖3 所示。

圖3 24V 電源電路

步進電機驅動芯片的控制信號需要+5V 的電源,故通過DC-DC 模塊,將+24V 轉換成+5V,電源轉換電路如圖4所示。

圖4 電源轉換電路

2.2 步進電機驅動電路

DRV8424 是TI 公司研發的適用于工業和消費類應用的步進電機驅動器。該器件由兩個N 溝道功率MOSFET H 橋驅動器、一個微步進分度器以及集成電流感應功能完全集成,可驅動最高2.5A 的滿量程輸出電流。進電機驅動電路如圖5 所示,其中nSleep 腳為睡眠控制腳,低電平為睡眠模式,同時也是復位腳；nSleep 腳、Enable 腳為高時,電機驅動器工作；STEP 腳為驅動芯片的脈沖控制信號控制步進速率；DIR腳為驅動芯片的方向控制信號。AOUT1、AOUT2、BOUT1、BOUT2 為步進電機接口。

圖5 DRV8424 步進電機驅動電路

2.3 控制信號接口電路

由于電機的方向和使能信號非高速信號, 故采用低速光耦ACPL-247 隔離,而電機的脈沖信號為高速信號,故采用高速光耦HCPL_0600 進行隔離,接口電路如圖6 所示。當驅動芯片識別到電機運行有問題時會置FAULT 信號,并點亮紅色的錯誤指示燈,此時單片機也會有效檢測到。

圖6 控制信號接口電路

3 電動線束器控制流程設計

電動線束器控制系統通過主控單片機實現,其主要包括CAN 通訊接收上位機指令、步進電機的控制脈沖產生與控制、光電開關位置檢測等相關功能,用以實現4 個shutter 的運動控制。

上位機軟件通過CAN 通訊控制電路限束器共同完成限束器的控制流程。具體步驟如下：

（1）移動遮線器到光電開關位置,此時步進電機的步數為0。

（2）控制遮線器電機運動Si 個電機步數后進行曝光,如圖7 所示。i 代表第i 次執行此步驟,為了線性擬合,要求每次運動的電機步數不相同,且盡可能覆蓋到開口全區域。

圖7 遮線器電機運動Si 個電機步數后狀態

（3）利用圖像識別技術,識別出圖像上的遮線器位置Pi,然后記錄下圖像上遮線器的位置和當前對應的電機步數。

（4）重復步驟（1）～（3）三次以上。

（5）將得到的幾組遮線器電機步數與遮線器圖像坐標帶入線性擬合公式中,如圖8 所示,得到線性關系函數。

圖8 遮線器電機步數與遮線器圖像坐標的線性擬合

（6）根據坐標系映射關系公式,可以得出遮線器的電機步數分別與射野坐標位置,還有物理坐標位置的線性關系函數。

4 方案應用效果

該技術方案已經應用到醫療X 射線用的大板乳腺機產品中,實現了限束器自動校正過程及應用控制。限束器校正通常的做法是通過調節光電開關的位置,來確保限束器走位的準確。但靠近X 線焦點的遮線器位置的微小變化放大到限束器投影,則會變化很大。因此,通過手動調節光電開關位置來校正限束器十分不便,準確性也很低。新的限束器校正方法,自動完成,無需人工調整光電開關,避免了反復驗證反復調整,大大縮短了出廠調試時間,省時省力；新的校正方法操作簡單,充分利用圖像識別技術,可以在較少次數曝光下,得到精準的校正結果；方法通用性強,可應用到其它數字X線攝影系統中。

整個設計過程鑒于產品對低成本的嚴格要求,部件中關鍵件的選擇尤為重要,本技術方案中選擇鈑金件+步進電機,而摒棄了傳統鑄件+直流電機的方案；設計過程中需更注重細節上的設計,例如步進電機脈沖控制信號的隔離就要注意選擇高速光耦等；實際測試完成限束器自動控制,效率和準確性有了大幅提升。