移动DR无线遥控延时曝光控制器的设计与研制

谢怡，何超健，周地福，林建华

广州医科大学附属第二医院 a.医疗设备科；b.放射科，广东 广州 510260

引言

移动DR因具有便利性、体积小、可移动等特点，适合于急诊室、监护室、手术室病、普通房及隔离病房等场所使用，为危重症患者、隔离患者、术中患者X线摄影检查带来便利[1-7]。尤其是新型冠状病毒疫情期间，在隔离患者肺部X线摄影筛查方面，移动DR具有独特优势[8-10]，发挥着重要作用。基于诸多优点，移动DR为各大医院所配备。但由于移动DR通常在无射线防护的环境中曝光，曝光时对周围产生X线电离辐射[11-12]，并且距离移动DR越近辐射剂量越大，对操作员存在电离辐射危害，所以操作员应尽量避免近距离正面曝光操作。然而，移动DR现有曝光控制有红外遥控和线控手/脚闸两种方式，红外遥控需在视野范围内正面操作，而线控手/脚闸操作距离短且不方便，使操作员受电离辐射危害。如新型冠状病毒疫情期间，操作员穿着防护服及厚重的铅衣，曝光操作不方便。为解决移动DR现有曝光方式的不足，需改进其曝光控制方式，以减少X射线对操作员造成的电离辐射危害。

针对上述的移动DR原有曝光方式的不足，工程师对曝光控制方式进行了改进，通过设计各类延时控制器取代手闸曝光。至于延时曝光控制器的设计方面，早期有高德春等[13]采用延时继电器代替手闸实现延时曝光控制，使操作员有足够时间远离射线强辐射区域。林建华等[14]也是采用多个时间继电器组合使用实现延时曝光控制。李超等[15]通过改造手闸电源模块，利用Wi-Fi远程控制继电器通断实现曝光。也有研究者利用单片机和无线遥控模块实现无线延时曝光控制，使无线遥控曝光器设计进一步优化[16-17]。最近，黄泽波等[18]利用无线遥控开关通过单片机实现移动DR遥控曝光。

综上所述，现有的移动DR曝光控制方式不足之处主要体现在两个方面：① 移动DR原有曝光操作只能通过手闸或红外遥控；② 现有曝光控制器的启动方式只有单种模式，即遥控模式或自动延时模式，且缺乏远程摄像监控功能。因此，本研究设计一种具备无线遥控和自动延时双模式且带有实时远程摄像监控的安全、可靠、直观、便利的移动DR曝光控制器，以取代移动DR原有手闸或红外遥控功能，以实现移动DR远程/隔离实时监控曝光操作。

1 材料与方法

本研究的基本思路是通过芯片控制继电器通断而产生曝光信号，以取代移动DR手闸功能，详见图1。本设计采用两方案实现曝光：一是通过无线电遥控器远程控制延时器产生曝光信号；二是通过设定延时器倒计时产生曝光信号。另外采用摄像系统辅助监控曝光过程。

图1 曝光控制器原理框图

1.1 硬件设计

1.1.1 系统模块

主系统模块采用成本低、操作简单且满足设计要求的SCT89C52芯片作为主控制器，主要实现显示控制、按键扫描、定时器定时、无线模块信号检测以及继电器通断控制等功能。P0.0～P0.7连接至数码管数据8个段位（a～g、dp）引脚，W1～W4分别与4个数码管公共端相连，详见图2。

图2 主系统模块原理图

1.1.2 无线电模块

本设计采用RXC6超外差无线接收模块，工作电压5 V，工作频段315 MHz，接收灵敏度-110 dBm。其功能是接收无线遥控远程开关信号，并将开关信号传输至主控系统。为保证系统曝光控制的安全性、可靠性，采用双键齐按的方式产生曝光触发信号，以避免操作者意外触发单个按键而产生误曝光。当遥控器按键1和按键2同时按下时，D1和D2引脚同时输出高电平，单片机检测到D1和D2均为高电平时，则启动曝光操作程序，详见图3。

图3 无线模块原理图

1.1.3 继电器模块

当控制器进入曝光操作状态后，单片机的P1.0和P1.1引脚依次输出预曝光（YBG）、曝光（BG）信号（图4）。① 当YBG信号为低电平时，三极管Q1导通，继电器1闭合，则DR进入预曝光状态；② 当BG信号为低电平时，三极管Q2导通，继电器2闭合，则DR进入曝光状态；③ 当YBG和BG信号均为高电平时，继电器1和继电器2同时断开，曝光结束。

图4 继电器模块原理图

1.1.4 电源模块

本设计采用通用性高且方便使用的移动电源（充电宝）作为供电电源，可随时查看电量，通过USB线对延时器供电。当移动电源提示低电量时，只需要将移动电源取下充电，或换备用移动电源供电。

1.1.5 摄像监控

本设计借助摄像模块辅助监视移动DR曝光过程，以确保曝光安全有效进行。本设计采用的是市场上可购置的通用摄像头，只需5 V直流电源供电，可上下左右调整视角。另外，只需在智能手机上安装配套的APP，再通过热点方式连接摄像头即可实现监视。

1.2 软件设计

当曝光控制器上电后，系统进入初始化，进而判断控制器为遥控模式还是延时模式。若为遥控模式，则通过遥控器远程启动曝光控制程序，启动后延时1 s，继电器1闭合，DR进入预曝光状态，再延时1 s后，继电器2闭合，DR进入曝光状态，维持2 s后，继电器1和继电器2同时断开，曝光结束。若控制器为延时模式，则通过按下控制器启动按键进入曝光控制程序，延时预设的时间（此处默认10 s，可根据实际需求自行调节）后，进入预曝光和曝光状态，后续操作同遥控模式。若发现意外紧急情况，不适合曝光，则操作员可遥控及时终止曝光。操作者通过按下复位按键可使控制器重新恢复工作状态，系统控制流程图如图5所示。

图5 系统控制流程图

1.3 实物制作

图6为曝光控制器实物图，首先通过EDA软件设计所需PCB主板，采用直插式STC89C52系列单片机、5 V直流继电器、无线射频模块以及数码管等元件进行组装，见图6a。根据移动DR结构特点，选择一尺寸合适的电器盒进行加工制作。将主电路板安装在电器盒里，数码管、按键及接口安装在控制面板上，见图6b。操作面板的三个按键从右至左分别为电源开关、自动延时模式启动按键、复位按键。

图6 曝光控制器实物图

2 结果

2.1 测试结果

曝光控制器制作后，开展一系列测试，首先自然环境下对其进行独立测试，即不接移动DR时，单独观察其运行情况。遥控模式下，分别取5、10、15、20和25 m不同距离，每个距离下分别测试100次，并观察曝光控制器是否完成曝光控制动作，测试距离由近至远依次测试，测试结果如表1所示。自动模式下，通过按曝光控制器上的启动键，并观察曝光控制器能否自动完成曝光控制动作。

表1 曝光控制器测试结果

表1可以发现遥控模式下，首先15 m以内成功率都非常高，但偶尔也会出现失败的现象，分析其原因为本设计采用了安全性较高遥控器双键齐按的触发方式，在连续密集测试情况，由于操作过快，偶尔未注意遥控器双键是否同时按下，导致未启动曝光控制，重新确认按下双键则成功启动曝光。其次25 m以内成功率也比较高，且此距离范围内完全满足实际需求，然而随着距离的增加，由于遥控器的射频信号的衰减，可靠性有所降低。自动模式下，成功率相当高，因启动集成于控制器上。

本次测试针对我院现有移动DR进行，曝光控制器实际应用场景如图7所示，首先将延时器安装在移动DR的空档里，连接移动电源，延时器的输出则通过电话线连接至DR的手闸接口处，以取代手闸。测试中分别采用自动延时方式和无线遥控方式进行曝光控制。图7a为自动延时曝光控制模式，图7b为曝光过程的摄像监控画面。经过长期反复测试，自动延时和无线遥控两种曝光控制模式均能有效实现曝光控制。另外，摄像监控画面通过摄像头热点网络传输至智能手机端，无需外接网络，可实时动态观察曝光过程。

图7 曝光控制器实际应用场景

2.2 应用效果部分

2.2.1 临床应用效果

本控制器测试可靠后，应用于移动DR临床摄像中。针对两种模式，分别连续跟踪300例次摄影，结果如表2所示。遥控模式下，成功例次295例，5例失败。失败原因主要为遥控器电池电量不足，发射功率不够，此时则通过自动模式完成摄影，不影响临床工作。其次，曝光控制器与移动DR的连接线未接好，以及连接线折断。自动模式下，成功例次297例，失败例次3例，主要原因为曝光控制器与移动DR的连接线接触不良，以及连接线折断，随即更换备用连接线。

表2 曝光控制器临床应用效果

2.2.2 安装曝光控制器前后使用情况对比

在未安装本控制器前，移动DR采用自带手闸曝光，一般原装手闸控制线约2 m。进行床边摄影时，操作员需先穿戴铅衣，可能同时还需要铅屏风进行防护。完成摄影任务后又要脱下铅衣及把铅屏风移至原来位置。每次穿脱铅衣、搬动铅屏风需消耗约5～10 min，详见表3。连续工作情况下，为保证辐射安全，操作员不可避免要全程穿着沉重的铅衣。即使加长了手闸的控制线，作用也较有限，摄影操作前后需要整理控制线。若病房空间较大，控制线不能延至室外，仍需要穿上铅衣或搬动铅屏风进行防护，增加了工作时间。安装曝光控制器后，则可不用进行上述操作，操作员设置好曝光控制器即可移至安全区域，减少了不必要的时间，提高了工作效率。

表3 安装曝光控制器前后使用时间对比

3 讨论

当前曝光控制器设计主要由两种方式：① 自动延时方式[13-14]，即通过对控制器设定倒计时时间，启动后，控制器自行倒计时，倒计时即将结束时依次完成预曝光和曝光动作，操作员则利用倒计时过程远离移动DR一定距离；② 无线遥控方式[15-18]，即在一定距离范围内通过遥控随时随地启动控制器依次完成预曝光和曝光动作。两种方式各有优缺点，无线遥控模式因其可在一定范围内多道障碍的情况下随时随地启动曝光操作，然而遥控模式容易引起干扰，一方面是曝光控制器的接收天线暴露在自然环境中，尤其是设备密集之地，可能受到外界电磁波的干扰而产生误触发，另一方面是遥控器产生的电磁波也可能干扰其他电磁敏感型设备，而引起意外的电磁干扰[19-22]。自动延时模式控制器的运行不受外部环境的干扰和限制，然而却不便于操作和控制。但目前暂时未有同时具备两种模式的曝光控制器，为确保实际应用的可靠性、安全性，本设计中将无线遥控和自动延时两种曝光控制模式融为一体，研制出一种既能遥控曝光又能自动延时曝光的控制器。实际应用中以无线遥控模式为主，自动延时模式为辅助。确保曝光控制器启动信号的可靠性，本设计中采用遥控器双键齐按的方式启动曝光控制器，另外为确保发射信号的强度，设计中采用大功率遥控器控制。当移动DR在复杂环境中作业时，如重症监护室等设备杂而多，空间中充满各类电磁信号，遥控信号的容易受环境电磁干扰，同时为避免遥控器发射的电磁信号对周围近距离的设备产生电磁干扰，此时可以采用自动延时模式，通过自动延时产生曝光控制信号。此外，当其中任意一种模式失效时，则可通过另一种模式完成曝光操作，减少对临床工作的影响，提高作业效率。

相对于延时继电器设计方案[13-14]，本设计采用单片机内部定时器实现精准延时计数，延时间隔为1 s，并且采用数码管作为显示器，使整个曝光延时控制过程直观，便于操作者观察，同时也有利于故障排查。本控制器采用USB供电，可使用移动电源供电，也可连接移动DR上的USB获取电源，极大地提高了使用便利性，由于移动电源和移动DR的USB输出电源稳定可靠，因此确保了曝光控制器供电稳定，从而使曝光控制器运行可靠。

此外，相比于现有的曝光控制器的设计，本设计采用家用摄像监控系统实现远程监控，使整个曝光控制过程可视化，使得操作人员操作更加方便：① 可观察患者体位是否改变；② 通过其对讲系统便于和患者沟通；③ 确保曝光过程安全性；④ 操作者可观察曝光是否顺利完成。

4 结论

本文设计的移动DR无线遥控延时曝光控制器，取代移动DR的手闸或红外遥控，实现了远距离无线遥控延时曝光控制，且该控制器结构简单、可靠、有效，操作简便。本控制器采用无线遥控和自动延时模式双模式设计，即使其中一种模式失效，另一种模式也可完成曝光操作，保证了远距离无线遥控延时曝光控制的可靠性。同时，采用摄像系统辅助监控曝光过程确保了无线远距离曝光过程的安全。该控制器已在我院所有的移动DR上安装，使床旁X线摄影的工作环境得到了有效改善，并获得临床科室的好评。然而，该控制器还存一定的不足之处，暂未实现将无线遥控集成于视频监控软件界面中，这也是本研究下一步努力的方向。