移动DR设备Wi-Fi遥控延时曝光装置的设计与应用

艾述强

厦门大学附属中山医院 采购部维修组，福建 厦门 361000

引言

移动DR设备是一种移动式的数字化X射线摄片系统（Digital Radiography，DR），它体积小，方便移动，可直接成像，能为重症及急症患者提供有效的诊断依据[1]。正是由于移动DR设备具有可移动性，给操作人员进行床边X射线摄片时带来很多问题。首先，给医护人员的X射线防护问题带来很大的考验，因为在病房的设计中无法和专用放射科机房一样全面考虑X射线防护问题[2]。其次，曝光装置故障率高、操作繁琐和性能不稳定，导致移动DR设备工作效率低。同时，没有报警装置，无法提示患者做好闭气等曝光前准备工作，图像合格率低[3]。

目前在国内的医院，移动DR有4种常用曝光装置，结合操作人员的反馈，分析总结这4种移动DR曝光装置在使用中存在的问题：① 延长曝光手闸连接线的曝光装置，需要操作人员穿着笨重的铅衣将曝光手闸线拉到病房外按曝光手闸进行曝光操作，以此达到减少射线辐射的目的，这种装置的延长线经常被牵扯容易出现问题，故障率偏高；另外，操作人员需花费大量的时间整理延长线，工作效率低[4]；② 红外遥控曝光装置，通过红外遥控器发出曝光指令，红外接收装置接收曝光指令来完成曝光，由于红外遥控技术的特性，曝光操作时遥控器必须与设备上的接收器保持直线，不能穿墙，响应距离也只有10 m左右，操作难度高，工作效率低，技师还需要受到部分X射线的照射[5]；③ 射频遥控曝光装置，通过射频遥控器发出曝光指令，射频接收装置接收曝光指令来完成曝光，射频信号和其它医疗设备之间会相互干扰，导致其性能不稳定，并且存在非常大的安全隐患[6]；④ 延时曝光装置，操作人员触发设备上的延时曝光按钮后迅速远离设备，延时10～20 s后曝光，若患者在延时时间内发生偶然移动，偏移出理想照射位置，可能会需要重新拍摄，不但降低了工作效率，还增加了患者的X射线照射剂量[7]。

针对以上问题，本文提出一种Wi-Fi遥控延时曝光装置，用Wi-Fi来传输遥控信号，用单片机来控制延时时间。Wi-Fi具有覆盖范围广、信号稳定、传输速度快和不会干扰其它设备等优点，是非常理想的遥控方式。单片机精准的延时时间控制，既减少了患者的等候时间，又保证了高质量的曝光操作。该装置很好地解决了移动DR设备在床边摄片时所面临的困难。

1 系统设计

1.1 传统曝光手闸结构分析

早期的曝光手闸只包含预备档和曝光档按钮，后来很多的曝光手闸还增加了定位灯按钮。预备档按钮用于接通X线球管旋转阳极电路和阴极灯丝加热电路，为发射X射线做准备；曝光档按钮用于产生X射线，实施曝光；定位灯按钮用于点亮定位灯，确认患者拍摄位置。因为X射线球管旋转阳极启动和阴极灯丝预热大约需花费1 s，所以用曝光手闸进行曝光操作时，需人为的把预备档和曝光档之间时差控制在1 s以上[8]。曝光手闸原理图，见图1。

图1 曝光手闸结构图

1.2 Wi-Fi遥控延时曝光装置方案设计

通过对曝光手闸结构的分析，设想在操作人员的智能手机上安装APP，点击APP上的按键发出曝光指令，曝光指令经过医院Wi-Fi传输给Wi-Fi通讯模块，由光耦模块向下传递指令，再经单片机和晶振延时处理控制两档按钮之间的时差，然后由继电器电路输出开关信号，代替原有曝光手闸的按钮和时差控制，从而实现一键Wi-Fi遥控延时曝光。另外还增加了蜂鸣器报警模块，用于提示患者做好曝光前准备。Wi-Fi遥控延时曝光装置的原理框图，见图2。

图2 原理框图

2 硬件设计

2.1 电源

该Wi-Fi延时曝光装置由直流5 V电源供电，功率小，能耗低，电源可由移动DR设备上的USB接口直接提供，不需另外设计电源板。

2.2 Wi-Fi通讯模块

选用PSF-B01模块作为Wi-Fi通信模块，该模块是一款智能Wi-Fi通讯模块，内置32位MCU，支持Wi-Fi远程控制，支持安卓和IOS系统，能够实现串口与Wi-Fi之间的数据转换[9-11]。该模块具有信号强和性能稳定的特点，通过医院无线Wi-Fi传输，可以准确地接收到手机APP发出的曝光指令，并把曝光指令传输给光耦模块，PSF-B01模块的原理图，见图3。

图3 PSF-B01模块原理图

2.3 光耦模块

光耦模块用于接收Wi-Fi通讯模块的曝光指令，并把指令传送到单片机。光耦模块是由光耦PC817、电阻R（1 K）和发光二极管组成。光耦前端一脚接R1接收曝光指令，一脚接发光二极管到地，后端一脚接单片机输入口，另外一脚接地。光耦模块电路图，见图4。

图4 光耦电路图

2.4 单片机STC11F04E

单片机STC11F04E是宏晶科技公司开发的增强型单片机，是一款高速度、低能耗和超强抗干扰的新一代单片机，其速度大概是传统51单片机的12倍，非常适合智能控制[12]。通过外接晶振，可以精准地控制延时时间[13]。其输入电源为直流5 V，输入端P1.1连接光耦电路接收曝光指令，编程接口用于烧写延时程序，输出端P3.3、P3.4、P3.7和P1.0分别与四路继电器电路相连，通过延时时序控制，分别输出报警、预备、曝光或定位灯信号。单片机STC11F04E的电路图，见图5。

图5 单片机STC 11F 04E电路图

图6 继电器电路图

2.5 继电器电路

该装置包含四路继电器电路，每一路是由1个光耦、1个发光二极管、2个电阻、1个NPN三极管、1个二极管和1个继电器组成。继电器电路的输入端通过接二极管、三极管和光耦，接收单片机的输出信号；常闭输出端连接蜂鸣器、预备档、曝光档和定位灯，分别用于控制蜂鸣器报警、预备档通断、曝光档通断和定位灯通断。继电器电路的作用是将单片机输出信号变成可用的延时开关信号，每一路继电器电路的电路图，见图6。

3 软件设计

3.1 手机APP安装和设置

手机上网搜索“易微联”，下载“易微联”APP软件，版本号V3.14.1，它是一款通用的跨平台智能控制软件，苹果操作系统和安卓操作系统都能免费安装。在医院Wi-Fi环境下登入该APP，先配对Wi-Fi通讯模块，再添加移动DR设备，手机APP设置图，见图7。

图7 手机APP设置

3.2 单片机程序设计

经过反复测试，并结合操作人员建议，总结出较为合理的报警、预备、曝光和定位灯信号输出延时时间，周期都为4.5 s。当操作人员发出曝光指令，视野灯立即被点亮，蜂鸣器持续报警4.5 s；收到曝光指令的2 s后，预备档继电器持续吸合2.5 s，为曝光做准备；收到指令的3.5 s后，曝光档继电器持续吸合1 s，实施曝光。四路输出的延时时序图，见图8。

图8 延时时序图

下载、安装V9.54版Keil编程软件和V6.86版STC_ISP软件。在Keil编程软件中新建项目，对照延时时序图编写单片机程序。用STC_ISP软件将编写好的程序烧写到单片机中，实现延时控制[14]。单片机的主程序流程图，见图9。

图9 单片机主程序流程图

4 应用

该Wi-Fi遥控延时曝光装置已安装于我院西门子Mobilett XP Digtal型和GE Optima XR220amx型移动DR设备上。使用时，操作人员只需打开APP，先确认控制界面右上角的无线标识，蓝色满格表示Wi-Fi遥控延时曝光装置通讯良好；再给患者摆好体位，找一个安全的位置躲避；然后点亮手机APP中的通道按钮发送曝光指令；收到指令后蜂鸣器立即报警，患者可以做好曝光前准备，4.5 s后曝光完成，同时蜂鸣器停止报警，操作人员可回到设备边上查看图像；实践证明这种曝光方式既能提高摄片工作效率，又能使医护人员免受X射线照射。通讯确认和曝光指令发送效果图，见图10。

图10 通讯确认和触发曝光指令效果图

移动DR设备出厂时已配备曝光手闸、延长线和红外遥控曝光装置，加上Wi-Fi遥控延时曝光装置，共有4种曝光装置。现场跟踪移动DR设备对我院100名患者进行X射线拍摄，用X、γ辐射周围当量率检测仪测量X射线剂量，对比4种曝光装置的使用效果，见表1。

表1 4种曝光装置使用效果对比表

表1对比结果显示，相较于传统的曝光装置，Wi-Fi遥控延时曝光装置性能稳定、工作效率高、安全性高，达到了预期设计目的。

5 讨论

随着医学的发展和社会的进步，医护人员的X射线防护安全和移动DR设备摄片工作效率越来越受关注[16]。该Wi-Fi延时曝光装置使用Wi-Fi信号做为遥控方式，相较传统的红外线和射频遥控方式，Wi-Fi信号遥控距离更远，而且不会和其它信号相互干扰。该装置采用单片机控制延时时间，相较手动控制延时时间，单片机延时控制更加精准、稳定。该装置还配备了报警装置，曝光前3.5 s报警提醒病人做好曝光准备，可以提高摄片图像质量。目前该装置只能应用已布置全院Wi-Fi的医院，并且只适用于全院Wi-Fi信号稳定的地方。下一步需研制一款局域网Wi-Fi延时曝光装置，这种装置应自带局域网Wi-Fi，Wi-Fi遥控信号完全不受外界影响，且遥控距离能满足医护人员防护需求。

6 结论

本研究介绍了一种基于Wi-Fi信号传输和单片机延时控制的移动DR设备曝光装置，该装置性能稳定、操作简便、成本低廉，不但能提高移动DR设备的工作效率和使用寿命，还能避免医护人员免受X线照射。目前该装置已安装于我院和附近一些医院的移动DR设备上，并深受操作人员的欢迎。随着医院全院Wi-Fi的普及和5G技术的发展，相信该装置可以得到更广泛的应用。