余炎雄 林偉鵬 趙少武 汕頭市超聲儀器研究所股份有限公司 （廣東 汕頭 515041）

內(nèi)容提要： 文章介紹了基于STM32F429xxx系列芯片的X射線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)功耗低，體積小，適應(yīng)現(xiàn)代X射線機(jī)小型化的需求，并且具備豐富的通用接口、控制精度高等特點(diǎn)；通過驗(yàn)證試驗(yàn)表明，系統(tǒng)輸出X射線符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，射線機(jī)輸出精度高，滿足多種應(yīng)用場景需求，具有較高的實(shí)用性。

X射線機(jī)是一種能夠產(chǎn)生X射線的設(shè)備，在醫(yī)學(xué)診斷上可以用作透視、攝影檢查。具有無痛苦、使用方法簡單，直觀，顯示圖像清晰，對人體骨骼鑒別力強(qiáng)，靈活以及價廉等優(yōu)點(diǎn)，在臨床診斷中得到廣泛應(yīng)用。X射線產(chǎn)生的基本原理是在X射線管的陰極加載一個低壓電源，給X射線陰極燈絲加熱，燈絲周圍會產(chǎn)生游離的電子；在X射線管的陰極和陽極之間加一個數(shù)十千伏以上的高壓電源，由于球管是真空環(huán)境，燈絲周圍的游離電子就會高速從陰極向陽極移動；在陽極有一個靶，當(dāng)高速移動的電子撞擊在靶上，此時就會產(chǎn)生X射線[1]。X射線產(chǎn)生原理如圖1所示。

圖1.X射線產(chǎn)生原理示意圖

本設(shè)計(jì)利用意法半導(dǎo)體（ST）公司的STM32F429xxx系列的處理器為主芯片構(gòu)建便攜式X射線機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)X射線機(jī)曝光管電壓，管電流的閉環(huán)控制，并在規(guī)定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，滿足實(shí)際的應(yīng)用。

1.系統(tǒng)方案介紹

本系統(tǒng)是基于STM32F429xxx系列的處理器的X射線機(jī)控制平臺，實(shí)現(xiàn)了X射線產(chǎn)生，并且能夠滿足X射線參數(shù)的調(diào)節(jié)功能，包括管電壓、管電流、曝光時間等參數(shù)連續(xù)可調(diào)。系統(tǒng)方案框圖見圖2，主要包括MCU系統(tǒng)控制單元、管電壓控制單元、管電流控制單元。以STM32F429xxx系列的處理器為控制中心，根據(jù)用戶設(shè)定的X射線曝光參數(shù)，產(chǎn)生管電壓控制信號，管電流控制信號，驅(qū)動對應(yīng)的模塊，通過管電壓，管電流的反饋電路，處理反饋對應(yīng)的反饋信號，采用處理器自帶的高精度ADC采樣功能，調(diào)節(jié)X射線輸出參數(shù)，達(dá)到用戶需求。

圖2.系統(tǒng)方案框圖

1.1 MCU系統(tǒng)控制單元

STM32F429xxx系列處理器是基于ARM?Cortex內(nèi)核的32位微控制器處理器，其內(nèi)核自帶有FPU浮點(diǎn)數(shù)處理器，可以滿足X射線機(jī)上各類控制運(yùn)算，提高數(shù)據(jù)處理的精度。具有高達(dá)2MB Flash，可讀寫同步，高達(dá)256+4KB的SRAM，包括64-KB的CCM（內(nèi)核耦合存儲器）數(shù)據(jù)RAM，具有高達(dá)32位數(shù)據(jù)總線的靈活外部存儲控制器：SRAM、PSRAM、SDRAM/LPSDR、SDRAM、CompactFlash/NOR/NAND存儲控制器；多達(dá)17個高精度定時器，支持LCD并行接口，LCD-TFT控制器有高達(dá)XGA的分辨率。具有3個12位、2.4MSPSADC；2個12位D/A轉(zhuǎn)換器。同時有豐富的外部通信接口[2]。目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)用和工業(yè)控制領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)通過合理分配和利用STM32F429xxx系列處理器的各種功能和接口，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)X射線機(jī)控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、控制邏輯、通用接口等各項(xiàng)需求。

系統(tǒng)控制部分的人機(jī)交互控制部分，可以采用傳統(tǒng)的按鍵和LED數(shù)碼管顯示，或者采用觸摸屏和LCD液晶顯示的交互方式。同時可以具備USB接口、網(wǎng)絡(luò)接口、通信接口等的響應(yīng)控制。

系統(tǒng)控制部分的流程圖如圖3所示。在待機(jī)時系統(tǒng)檢測整機(jī)總供電電壓，各分支電路供電電壓是否存在異常，整機(jī)關(guān)鍵部件如高壓發(fā)生整流模塊、微處理器內(nèi)部是否存在過溫異常，若有上述異常則禁止用戶進(jìn)行曝光操作。用戶通過人機(jī)交互模塊，設(shè)定曝光參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定參數(shù)轉(zhuǎn)為對應(yīng)的控制信號及參數(shù)，并將參數(shù)輸出到管電壓，管電流控制模塊，同時系統(tǒng)啟動曝光時間控制流程，設(shè)定曝光時間，在用戶啟動曝光后，進(jìn)入曝光控制流程，過程中系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控X射線產(chǎn)生回路反饋信號是否存在異常、用戶是否提前中斷曝光等，如有上述異常則終止曝光，同時，將檢測到的異常信息顯示到人機(jī)交互界面上，否則在設(shè)定曝光時間后停止曝光。異常信息包括曝光管電壓異常，曝光管電流異常，高壓發(fā)生器過熱，曝光過程中人為中斷等。由于該系統(tǒng)屬于微處理器控制，在受到外界強(qiáng)磁場干擾或者其他特殊環(huán)境下，微處理器的程序可能出現(xiàn)不按順序執(zhí)行的情況，導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)失常，所以系統(tǒng)額外增加一路純硬件的控制保護(hù)電路，限定系統(tǒng)曝光的最長時間，當(dāng)系統(tǒng)曝光達(dá)到最長的曝光時間限定值，保護(hù)電路將直接啟動終止曝光，避免用戶和患者受到過量的X射線照射。

圖3.系統(tǒng)控制部分的流程圖

1.2 管電壓控制單元

高壓電路即是在X射線管的陰極和陽極之間加一個數(shù)十千伏以上的高壓電源電路，它主要包含的整流方式一般有單相、三相、和高頻，它們產(chǎn)生的紋波有所區(qū)別，如圖4所示[3]。

圖4.整流的方式的輸出紋波示意圖

隨著技術(shù)的發(fā)展，單相和三相整流方式基本被淘汰，目前便攜式產(chǎn)品一般都采用高頻整流模式，高頻逆變是高頻整流產(chǎn)生高壓電源的重要環(huán)節(jié)，高頻逆變不僅可以提高電源的效率，減小電路體積，而且可以得到更加穩(wěn)定的高壓電源。高頻逆變的控制方式一般分為移相調(diào)壓法和脈寬調(diào)制法（Pulse-Width Modulation，PWM）。STM32F429xxx系列處理器的GPIO口具有PWM輸出功能，通過設(shè)置處理器內(nèi)部寄存器的各項(xiàng)設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)節(jié)功能，從而實(shí)現(xiàn)X射線管電壓高壓電源的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)功能[4]。管電壓控制單元的原理圖如圖5所示。

圖5.管電壓控制單元的原理圖

管電壓控制單元主要包括處理器，管電壓驅(qū)動模塊，高頻逆變模塊，高壓發(fā)生整流模塊，管電壓取樣反饋，反饋信號處理。系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定的管電壓參數(shù)，系統(tǒng)處理后轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的PWM波形輸出到管電壓驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊控制高頻逆變板模塊功率器件的導(dǎo)通與關(guān)閉實(shí)現(xiàn)高頻逆變，輸出高頻的電壓信號到高壓發(fā)生整流模塊。高壓發(fā)生整流模塊產(chǎn)生X射線管需要的直流高壓信號驅(qū)動X射線管。管電壓取樣模塊對X射線管兩端高壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過反饋信號處理模塊濾波調(diào)整后，STM32F429xxx處理器通過自帶的ADC采樣對反饋的管電壓信號進(jìn)行采樣，通過特定的PID算法來閉環(huán)反饋控制PWM輸出波形。

實(shí)際應(yīng)用中曝光持續(xù)時間一般為數(shù)百毫秒，甚至數(shù)十毫秒，因而對系統(tǒng)的反饋的控制要求較高，尤其是在管電壓上升階段，管電壓出現(xiàn)過沖會影響X射線的檢測結(jié)果和實(shí)際拍片的圖像效果，PID算法中，當(dāng)檢測到偏差后要迅速反映減少偏差，比例增益Kp適當(dāng)提高，但不能太大，太大的結(jié)果會產(chǎn)生振蕩；積分系數(shù)Ki，主要是消除靜態(tài)誤差，在一定的積分周期后，可以完全消除靜態(tài)誤差；微分系數(shù)Kd能夠反映偏差信號的變化趨勢，在反饋系統(tǒng)控制中引入一個有效的早期修正，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

1.3 管電流控制單元

X射線機(jī)管電流是通過加熱X射線管陰極的燈絲產(chǎn)生游離電子，根據(jù)X射線管的規(guī)格差異，一般的加熱供電電壓為5～15V，電流在10A以下，由于X射線陰極有負(fù)高壓的存在，所以一般需要采用隔離裝置。X射線管規(guī)格書提供X射線管陰極燈絲加熱電氣性能特性和對應(yīng)輸出管電流對應(yīng)關(guān)系，常規(guī)設(shè)計(jì)需要根據(jù)性能關(guān)系表制定管電流控制參數(shù)。

本設(shè)計(jì)管電流控制單元的原理圖如圖6所示。管電流控制單元的原理與傳統(tǒng)的形式不同，采用閉環(huán)控制的方式，主要包括處理器管電流驅(qū)動，管電流前級驅(qū)動電路，高壓隔離裝置，管電流后級驅(qū)動電路，到X射線陰極對燈絲進(jìn)行加熱，在X射線管曝光過程，管電流通過取樣反饋電路處理后，處理器同樣采用ADC采樣功能進(jìn)行管電流采樣，然后反饋控制管電流的驅(qū)動輸出，達(dá)到有效穩(wěn)定控制管電流的目的。

圖6.管電流控制單元的原理圖

2.儀器實(shí)際成像效果和驗(yàn)證結(jié)果

本研究應(yīng)用STM32F429xxx微處理器搭建系統(tǒng)控制平臺，開發(fā)了一款便攜式醫(yī)用X射線儀器。產(chǎn)品實(shí)物圖見圖7。該儀器采用電池供電，每次充滿電可以曝光200～300次（視曝光條件）；具有無線連接功能，可以實(shí)現(xiàn)WiFi無線連接；可以通過USB接口進(jìn)行軟件升級和系統(tǒng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出；系統(tǒng)具有多重安全保護(hù)和整機(jī)自診斷功能，提供詳細(xì)的故障代碼，方便故障檢測；該儀器能夠輸出管電壓40～100kV，電流時間積0.4～20mAs，基本可以覆蓋人體所有部位的X射線檢測，而且配備7.0寸TFT液晶屏及觸摸屏，分辨率640×480；操作簡單，界面直觀，簡單易懂。

圖7.射線機(jī)實(shí)物圖

X射線機(jī)控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，即管電壓閉環(huán)控制，管電流閉環(huán)控制，其中管電壓閉環(huán)控制有利于X射線輸出精準(zhǔn)控制。目前，國標(biāo)要求管電壓輸出誤差≤10%，經(jīng)管電壓閉環(huán)控制后可以提升到3%～5%，管電壓輸出更加穩(wěn)定，相關(guān)設(shè)計(jì)已獲得發(fā)明專利[5]。對于管電流輸出誤差國標(biāo)要求其輸出誤差不超過20%，采用管電流閉環(huán)控制，輸出精度可達(dá)到5%，除了精度提升外，管電流閉環(huán)控制可以有效解決X射線管陰極燈絲隨時間推移出現(xiàn)老化，管電流直流性能曲線出現(xiàn)偏移，需要重新校準(zhǔn)燈絲值的問題，避免了傳統(tǒng)射線機(jī)產(chǎn)品需要定期校準(zhǔn)管電流的維護(hù)工作，相關(guān)設(shè)計(jì)已獲得發(fā)明專利[6]。

2.1 成像效果

使用該儀器對人體體模RS-III胸片采樣，工作站可以接收到清晰的圖像，如圖8所示。可以清楚看到體模內(nèi)部肋骨、脊椎等骨骼，達(dá)到醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用需求。

圖8.體模胸片拍攝效果

2.2 實(shí)際管電壓檢測

采樣X射線質(zhì)量專業(yè)檢測設(shè)備比拉那（Piranha），對該研制儀器進(jìn)行檢測，實(shí)際輸出管電壓、曝光時間可以滿足國標(biāo)對醫(yī)用X射線機(jī)的要求，并且輸出穩(wěn)定，表1是實(shí)測部分?jǐn)?shù)據(jù)，管電壓70～100kV，誤差可以達(dá)到3%以內(nèi)，曝光時間誤差可以到達(dá)1%以內(nèi)；圖9所示為儀器設(shè)定70kV、曝光時間250ms，Piranha檢測實(shí)際輸出；圖10所示為儀器設(shè)定100kV、曝光時間125ms，Piranha檢測實(shí)際輸出。

表1.實(shí)測數(shù)據(jù)表

圖9.PiranhaX射線質(zhì)量檢測結(jié)果

圖10.PiranhaX射線質(zhì)量檢測結(jié)果

3.小結(jié)

本設(shè)計(jì)方案使用意法半導(dǎo)體（ST）公司的STM32429xxx微處理器芯片作為主控芯片，配套周邊器件及射線產(chǎn)生和控制電路構(gòu)建便攜式醫(yī)用X射線儀器，控制系統(tǒng)采用管電壓、管電流雙閉環(huán)控制，有效提升了管電壓，管電流的輸出精度；X射線機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，方便各類使用者操作儀器；配套7寸觸摸屏方便用戶使用操作，可用于常規(guī)醫(yī)療X射線影像攝影，災(zāi)區(qū)搶救，野外急救，120急救，家庭醫(yī)療，動物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。