一种基于呼吸门控技术的婴幼儿胸部X射线曝光控制系统的研究

李建林，刘美娟，杜敦仁，谢海柱，高伟，董言治

1.青岛大学医学院附属烟台毓璜顶医院 a.影像科；b.超声科，山东 烟台264001；2.烟台莱山区第一人民医院影像科，山东 烟台 264003；3.烟台大学 光电学院，山东 烟台 264005

一种基于呼吸门控技术的婴幼儿胸部X射线曝光控制系统的研究

李建林1a，刘美娟1b，杜敦仁2，谢海柱1a，高伟1a，董言治3

1.青岛大学医学院附属烟台毓璜顶医院 a.影像科；b.超声科，山东 烟台264001；2.烟台莱山区第一人民医院影像科，山东 烟台 264003；3.烟台大学 光电学院，山东 烟台 264005

目的解决婴幼儿胸部X线摄影时呼吸配合问题。方法研究设计了一种基于呼吸门控装置的X射线机曝光时机显示控制装置，通过夹持式信号采集系统监测呼吸时腹部压力变化，选用以STC89C52单片机为处理核心的信号处理系统，实时显示腹部压力变化波形。随机选取100名于我院进行胸部X射线摄影的1～3周岁患儿，平均分为两组，一组采用传统曝光方式，另一组采用本文研究设计的呼吸门控辅助方式进行曝光。结果采用呼吸门控辅助方式进行曝光拍摄结果明显优于传统曝光方式，两组曝光结果间有显著差异（P＜0.001）。结论基于呼吸门控装置的X射线机曝光时机显示控制装置可以为胸部摄影提供更好的质量保证。

呼吸门控技术；X射线曝光控制；胸部X线摄影

胸部X线摄影由于方便快捷、价格低廉、患者接受辐射剂量少等特点，在各种胸部医学影像检查中具有独特优势。但患者特别是婴幼儿及聋哑人的呼吸配合问题却一直未能得到有效解决，目前只能依靠影像技术人员凭经验和肉眼观察控制曝光，很难准确掌握仪器的曝光时机，不易得到可靠清晰的高品质X线胸部摄影图像。为了提高影像质量往往需要多次曝光，但这会使患者接受射线剂量成倍增加[1-2]。本研究提供了一种基于呼吸门控装置的X射线机曝光控制装置，能够准确监测X光机的曝光时机，并能为患者提供射线防护。

1 系统设计

1.1 系统组成

系统总体由呼吸门控信号采集部分、信号电路分析处理部分和信号显示部分3部分组成。呼吸门控信号采集部分，以一弹性夹结构支持，内包括探测气囊、压力传感器等，见图1；信号分析处理部分包括一单片机、信号取样电路、显示电路；信号显示系统可以是单独的显示器或常备电脑显示器中的一部分[3]。

图1 呼吸门控信号采集部分结构图

图2 系统工作流程图

图3 STC89C52单片机及其连线原理图

1.2 系统工作流程

操作流程如下：① 被检查人躺在检查床上，操作人员手握防护夹的握持部将弹性夹打开，卡在人体的腹腔部位，铅橡皮覆盖住人体的腹部；② 松开握持部，在弹性片的作用下，使防护夹的夹脚部与人体的腹腔部位相扣，使患者腹腔与探测气囊柔性接触；③ 患者呼吸时腹部的松弛和张紧通过探测气囊传递到与其相连接的压力传感器上，压力传感器对被检查人员的相关参数进行实时监测，将人体呼吸起伏的状况转换成电信号输入信号处理系统；④ 信号处理系统对采集到的压力信号进行放大、滤波、模数转换等处理，并将处理结果通过数据线传送至曝光触发显示系统；⑤ 操作人员在一档手闸预备好的情况下，通过观察显示屏幕腹部压力的显示，选择时机完成曝光操作。系统工作流程图，见图2。

1.3 系统电路设计

呼吸门控装置是以单片机为处理核心的嵌入式系统。电路板主要功能是采集呼吸信号，进行模数转换及滤波处理；附加的串口输出模块，把转换后的数字信号通过串口输出到计算机；在观察被测者呼吸波形的同时，通过计算机设定一个阈值，把控制信号传输给主机。由于该模块采用STC89C52单片机处理软件和ADC0804数模转换芯片，具有满意的处理速度和精度、较高的精确性和控制有效性[4-5]。STC89C52单片机控制AD转换和串口输出等模块。其中J1连接计算机，从ADC0804的VIN+口输入模拟输出的呼吸信号，有源晶振Y1接STC89C52的XTAL1脚和XTAL2。另外，为保证单片机与计算机的正确通信，它们之间必须有一个电平转换电路，也就是对串口电平和TTL电平进行双向转换。本电路采用MAX232电平转换芯片连接方式。

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8 K在系统可编程Flash存储器。MAX232芯片是专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5 V单电源供电，特别适合电池供电系统，其低功耗关断模式可以将功耗减小到5 μW以内[5]。ADC0804是A/D转换器，模数转换时间大约100 μs，方便TTL或CMOS标准接口，输入电压是5 V[6]。

呼吸门控装置中的STC89C52单片机及其与晶振和其他外设的连线原理图，见图3。系统所用电平转换芯片和串口连接原理图，见图4。模数转换器芯片和相关连接原理图，见图5。

1.4 系统软件设计

系统软件包括初始化模块、定时模块、采样模块、指示模块和通信模块。其中初始化模块完成单片机组成部件的初始设置，比如时钟、定时器、IO口和通信等模块的参数设置；定时模块主要用于在预定间隔时间内控制ADC芯片采样呼吸数据并进行处理；采样模块负责呼吸数据的ADC转换，提供满足速度和精度的数据；指示模块用于呼吸数据超过阈值后的指示灯提醒；通信模块负责将需要的数据上传至PC机。系统软件工作流程，见图6。

图4 系统所用电平转换芯片连接原理图

图5 模数转换器芯片和连接原理图

图6 系统软件工作流程

2 系统测试

2.1 试验对象

在征得监护人同意的情况下，随机选取100名来我院就诊时需要拍摄胸片的1～3周岁患儿，平均分为两组。一组采用传统曝光方式，另一组采用本文研究设计的呼吸门控辅助曝光方式。

2.2 试验方法

采用Philips Digital Diagnost DR设备，由一名具有5年以上工作经验的高年资技师操作，所有摄片仅对患者第一次曝光进行评价。由两位副高以上职称的多年资医师及一名副高职称的技师参照甲级片评价标准，评价肺纹理清晰程度、肺野展示充分度，3人共同分析主观评价片子的质量，分为差、一般及优3级。差：肺野未展开，肺纹理模糊；一般：肺野展开尚可，肺纹理较模糊，尚可满足基本诊断；优：肺纹理清楚、展开充分。两组曝光方式结果统计，见表1。

表1 两种曝光控制方式下的图像质量评价

通过SPSS 19.0统计软件用2×3的列联表分析法，χ2值为33.686l，两组曝光方式评价结果有显著差异（P＜0.001）。

3 讨论

从呼吸运动的进行过程可知，呼吸运动主要依靠两部分呼吸肌的舒缩来完成，分别表现为胸腹两部位的活动：① 肋间外肌舒缩引起肋骨和胸骨运动，引起胸廓前后、左右径增大，表现以胸部活动为主；② 膈肌收缩，使胸廓的上下径增大，表现以腹部活动为主。胸式呼吸吸气时靠肋骨的侧向扩张，用肋间外肌上举肋骨以扩大胸廓，腹部收缩；呼气时胸廓下降，腹部凸起。腹式呼吸吸气时，膈肌收缩，膈的隆起部下降，上腹部脏器如肝、脾等随之下降，前腹壁向外突出；呼气时则相反，前腹壁向内复位[6-7]。儿童在摄片时往往比较恐惧，进而可能出现哭闹现象,这时就会采用胸式呼吸，胸廓的运动幅度较大，吸气时的时间极短，仅仅依靠影像技术人员凭经验及肉眼观察控制曝光，很难准确掌握仪器的曝光时机，不易得到可靠清晰的高品质的X线胸部摄影图像。本文研究结果显示，采用呼吸门控系统辅助曝光，能大大提高婴幼儿的胸片质量（可诊断片从66%提高到94%，优良片从24%提高到84%）。

本研究在研究儿童呼吸方式的基础上，分析了不同呼吸方式与腹部压力的相关性，通过观测腹部压力的变化，判断呼气及吸气末端的时点，通过即时显示波形作为曝光时点直接控制曝光手闸，可以实现曝光时机的精确控制。

[1] 孙献梅,杨波,任香娣.婴幼儿防辐射拍片床在X射线辐射防护中的应用 [J]. 医学影像学杂志,2011,21(12):1903-1905.

[2] 李印亮,夏春,王元林.小儿胸部X射线间接数字化摄影参数选择[J].中国辐射卫生,2015,24(5):501-502.

[3] 胡红波,邵高峰,丘志芬.一种PET/CT呼吸门控系统的设计[J].医疗卫生装备,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,苑翠红.滤过对数字化胸部X射线摄影图像质量和辐射剂量的影响[J].中国医疗设备,2014,(2):44-46.

[7] 姚泰,吴博威.生理学[M].北京:人民卫生出版社,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专利：发明专利（ZL201110124999.7）。

刘美娟，主治医师，超声影像诊断。

通讯作者邮箱：yhdyylmj@163.com