X射线机数字摄影自动曝光装置及控制方法.pdf

本发明涉及一种医疗器械技术领域，具体为X射线机的自动曝光控制系统，其结构由硬件装置及软件控制程序两部分组成，其中硬件装置以数字摄影AEC控制模块，相应联接CCD相机、图像采集卡、高压发生器，并与系统软件通信，该控制模块以相机输出的帧同步信号为基准按一定时序进行工作，完成单帧摄影和序列摄影，AEC控制模块以微控制器(单片机)为核心，该模块从系统软件获得控制信息，根据不同工作方式下的时序要求，控制CCD相机，高压发生器，图像采集卡的工作，完成自动曝光，本装置及方法具有实施简单、效果明显等多方面的优点，最大特点改善了图像质量、保证了序列摄影中各帧图像之间的一致性，并方便医生的操作。

1、  一种X射线机数字摄影自动曝光装置，其特征在于该装置的核心是数字摄影自动曝光控制模块(AEC模块)，主要包括数字摄影AEC控制模块的硬件电路板以及在电路板上微控制器(单片机)中运行的控制软件，AEC模块从系统软件获得工作模式控制信号和状态控制信号，该模块输出积累式控制信号(INT)给CCD像机，同时从相机获得帧同步信号(FrameSync)，AEC控制模块产生高压发生器所需的触发脉冲控制信号，并从高压发生器获得相应的反馈信号ExpOn，AEC模块发送采集触发信号到图像采集卡(ViperTrig)，最后相机的数据流经过图像采集卡送给系统软件进行图像存储，后处理，传输等。

2、  一种如权利要求1所述的X射线机数字摄影自动曝光装置的控制方法，该方法由积累模式工作下时序图、单帧摄影时的时序图及序列摄影时的时序图来描述，其特征在于该方法由：在积累模式工作下时序控制、单帧摄影时时序控制及序列摄影时时序控制组成。
其中在积累模式工作下时序信号为：
1)、帧同步信号(FrameSync)；
2)、CCD相机读信号(非积累模式下)，(CCD Read_1)；
3)、积累模式控制信号，此信号有效时，CCD相机工作于积累模式(INT)；
4)、CCD相机工作于积累模式时内部的工作时序(Integration)；
5)、CCD相机读信号(积累模式下)，(CCD Read_2)。

3、  按权利要求2所述的X射线机数字摄影自动曝光装置的控制方法，其特征在于单帧摄影时时序控制信号为：
1)、帧同步信号(FrameSync)；
2)、高压发生器工作时所需的触发脉冲，其他条件满足的情况下，此信号有效，高压发生器工作，此信号无效，高压发生器停止工作(SpotIn)；
3)、曝光指示信号，此信号有效，表示高压正在工作，X射线管产生X射线(ExpOn)；
4)、控制相机工作模式的外部信号，此信号有效(图中为低电平有效)，相机处于积累工作模式(INT)；
5)、CCD相机读信号(积累模式下)，(CCDRead)。

4、  按权利要求2所述的X射线机数字摄影自动曝光装置的控制方法，其特征在于序列摄影时时序控制信号为：
1)、帧同步信号(FrameSync)；
2)、高压发生器工作时所需的触发脉冲，其他条件满足的情况下，此信号有效，高压发生器工作，此信号无效，高压发生器停止工作(SpotIn)；
3)、曝光指示信号，此信号有效，表示高压正在工作，X射线管产生X射线(ExpOn)；
4)、控制相机工作模式的外部信号，此信号有效(图中为低电平有效)，相机处于积累工作模式(INT)；
5)、CCD相机读信号(Integration模式下)，(CCDRead)。

5、  按权利要2所述的X射线机数字摄影自动曝光装置的控制方法，其特征在于自动曝光控制模块工作流程由下列步骤组成：
1)、系统初始化，设置输入输出端口的初始值；
2)、检测Fluo信号和Rad信号，判断此时为摄影操作还是透视操作；如果为透视操作，检测ExpOn的上升沿，使能INT信号，使相机工作在积累模式，然后检测ExpOn信号下降沿，等待下一帧同步信号(FrameSync)的下降沿到来，延时5毫秒后发积累模式结束信号(INT信号无效)，发ViperTrig信号触发图像采集卡采集图像；
3)、如果是摄影操作，检测ExpMode信号，确定是单帧摄影还是序列摄影，然后检测系统软件发出的/fenfre0，/fenfre1，/fenfre2信号确定帧速率；
4)、若为单帧曝光，检测ExpOn的上升沿，使能INT信号，使相机工作在积累模式，然后检测ExpOn信号下降沿，等待下一帧同步信号(FrameSync)的下降沿到来，延时5毫秒后发积累模式结束信号(INT信号无效)，发ViperTrig信号触发图像采集卡采集图像；
5)、若为序列摄影，选择第二次曝光作为参考，记录其曝光时间作为之后曝光序列的参考时间长度；
6)、检测ExpOn信号上升沿，使能INT信号，使相机工作在积累模式并开始计时；
7)、计时达到参考时间长度，发Rad_Term信号，结束当前曝光脉冲；
8)、检测ExpOn信号下降沿，等待下一帧同步信号(FrameSync)的下降沿到来，延时5毫秒后发积累模式结束信号(INT信号无效)，发ViperTrig信号触发图像采集卡采集图像；
9)、返回步骤2，等待下一次操作。

X射线机数字摄影自动曝光装置及控制方法
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，涉及X射线机影像系统各个部分，主要实现医用X射线机数字摄影时的自动曝光控制。
背景技术
通常X射线机摄影系统工作由下列部分组成：
数字摄影：医用X射线机通常有透视(FluoroScopy)，摄影(PhotoGraph)两种工作模式，一般透视时剂量较低，图像在计算机屏幕上实时显示；摄影时剂量较高，图像一般被保存下来，摄影有两种方式，一种是使用胶片显影，俗称“拍片”；另一种是通过影像增强器将X射线转化成为可见光，然后由相机送到计算机进行显示、处理、存档，这种方式称为“数字摄影”，数字摄影利用先进的数字技术，可以对图像进行处理和存储，是目前广泛使用的一种方式；
自动曝光控制(AEC，Auto Exposure Control)：自动曝光控制(AEC)是X射线机摄影操作时常用的技术，其基本原理为，利用PMT，Photo-Diode等器件取样影像增强器输出屏的可见光，并转化成为电信号送至AEC部件，AEC部件对电信号做积分运算，随着曝光时间的增加，积累电压值增大，当达到某一设定值(相应于某一图像亮度)时，AEC部件停止高压发生器的工作，X射线管不再产生X射线，曝光停止；
序列摄影：数字摄影可分为单帧摄影和序列摄影，单帧摄影时X射线发生装置只产生一个曝光脉冲，系统采集一帧图像；序列摄影时，X射线发生装置产生一个曝光脉冲序列，系统采集一个图像序列；
数字减影(DSA，Digital Substraction Angiography)：将注入造影剂后得到的图像与注入造影剂前的图像经一定处理后相减，得到感兴趣部分的图像，称之为数字减影，为了突出图像中感兴趣的部分，要求能够减掉其他不感兴趣的部分，因此要求注入造影剂前后的图像除有造影剂的部分以外具有良好的一致性。
发明内容
针对现有的自动曝光控制技术只应用于胶片摄影的情况下，本发明的目的提供一种X射线数字摄影自动曝光装置及控制方法，利用该系统装置实现数字摄影时的自动曝光控制，以保证不同条件下的曝光图像能达到最佳效果；并保证序列曝光时同一序列中各帧图像具有良好的一致性，以保证减影时的效果。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明由数字摄影自动曝光装置及控制方法两部分组成，其中曝光装置由数字摄影自动曝光控制模块、CCD像机、高压发光器、图像采集卡及相应系统软件组成，其联接是数字摄影自动曝光控制模块，简称AEC模块，通过积累模式控制信号与CCD相机相接，相机又把帧同步信号输入给AEC模块，AEC模块发送采集卡触发信号联接到图像采集卡，同时ACE控制模块把高压发生器所需的触发脉冲控制信号和光电信号发送给高压发生器，此高压发生器又把曝光指示信号发送给ACE模块，最后相机把数据流经过图像采集卡和系统软件发送给AEC模块，成为系统控制信号(如图1所示)。
自动曝光控制(AEC)在工作模式下，最大曝光时间为100ms、CCD工作在一般工作模式下，由于帧频的不同，一般为几十个毫秒为周期输出数据，曝光时间长，相机就工作在积累模式下工作，结果在曝光开始时，CCD相机开始工作，在曝光结束前，相机不输出数据，直到曝光结束后的下一个帧同步到达时才输出图像数据。
在积累模式工作下，其时序图如图2所示：
1、帧同步信号(FrameSync)；
2、CCD相机读信号(非积累模式下)，(CCD Read_1)；
3、积累模式控制信号，此信号有效时，CCD相机工作于积累模式(INT)；
4、CCD相机工作于积累模式时内部的工作时序(Integration)；
5、CCD相机读信号(积累模式下)，(CCD Read_2)。
如图所示，CCD相机工作在非积累模式的时候，积累控制信号无效(高电平)，每个帧同步过后输出一帧图像数据2，相机工作在积累模式的时候，积累控制信号有效(低电平)期间，相机不输出数据，直到积累控制信号无效过后下一个帧同步到来时，相机才输出数据5。
单帧摄影时的时序图，如图3所示：
1、帧同步信号(FrameSync)；
2、高压发生器工作时所需的触发脉冲，其他条件满足的情况下，此信号有效，高压发生器工作，此信号无效，高压发生器停止工作(SpotIn)；
3、曝光指示信号，此信号有效，表示高压正在工作，X射线管产生X射线(ExpOn)；
4、控制相机工作模式的外部信号，此信号有效(图中为低电平有效)，相机处于积累工作模式(INT)；
5、CCD相机读信号(积累模式下)，(CCD Read)。
在单帧摄影时，在医生下达曝光指示后(如按下曝光手柄)，X射线发生装置准备好过后的下一个帧同步信号将触发SpotIn有效，X射线发生装置开始工作，ExpOn信号指示曝光正在进行，INT信号同时有效。与此同时，AEC部件开始工作，当曝光时间达到某一长度时，AEC部件的积累电压达到某一设定值时，AEC部件停止高压工作，与此同时，ExpOn信号失效，INT信号无效，并将SpotIn信号置为无效。在INT信号无效过后的下一个帧同步到来时，CCD Read信号有效，通知图像采集卡开始采集图像。
序列摄影时的时序图，如图4所示：
1、帧同步信号(FrameSync)；
2、高压发生器工作时所需的触发脉冲，其他条件满足的情况下，此信号有效，高压发生器工作，此信号无效，高压发生器停止工作(SpotIn)；
3、曝光指示信号，此信号有效，表示高压正在工作，X射线管产生X射线(ExpOn)；
4、控制相机工作模式的外部信号，此信号有效(图中为低电平有效)，相机处于积累工作模式(INT)；
5、CCD相机读信号(Integration模式下)，(CCD Read)。
序列摄影的第一个，第二个曝光脉冲工作在AEC模式下，在医生下达曝光指示后(如按下曝光手柄)，X射线发生装置准备好过后的下一个帧同步信号将触发SpotIn有效，X射线发生装置开始工作，ExpOn信号指示曝光正在进行，INT信号同时有效。与此同时，AEC部件开始工作，当曝光时间达到某一长度时，AEC部件的积累电压达到某一设定值时，AEC部件停止高压工作，与此同时，ExpOn信号失效，INT信号无效，并将SpotIn信号置为无效。在INT信号无效过后的下一个帧同步到来时，CCD Read信号有效，通知图像采集卡开始采集图像。第二个曝光脉冲的曝光时间长度被记录下来，从第三个曝光脉冲开始，其后的曝光脉冲时间长度重复第二曝光脉冲的长度。
数字摄影、数字控制模块程序流程如图6所示，自动曝光控制模块工作流程由下列步骤组成：
1、系统初始化，设置输入输出端口的初始值；
2、检测Fluo信号和Rad信号，判断此时为摄影操作还是透视操作。如果为透视操作，检测ExpOn的上升沿，使能INT信号，使相机工作在积累模式，然后检测ExpOn信号下降沿，等待下一帧同步信号(FrameSync)的下降沿到来，延时5毫秒后发积累模式结束信号(INT信号无效)，发ViperTrig信号触发图像采集卡采集图像；
3、如果是摄影操作，检测ExpMode信号，确定是单帧摄影还是序列摄影，然后检测系统软件发出的/fenfre0，/fenfre1，/fenfre2信号确定帧速率；
4、若为单帧曝光，检测ExpOn的上升沿，使能INT信号，使相机工作在积累模式，然后检测ExpOn信号下降沿，等待下一帧同步信号(FrameSync)的下降沿到来，延时5毫秒后发积累模式结束信号(INT信号无效)，发ViperTrig信号触发图像采集卡采集图像；
5、若为序列摄影，选择第二次曝光作为参考，记录其曝光时间作为之后曝光序列的参考时间长度；
6、检测ExpOn信号上升沿，使能INT信号，使相机工作在积累模式并开始计时；
7、计时达到参考时间长度，发Rad_Term信号，结束当前曝光脉冲；
8、检测ExpOn信号下降沿，等待下一帧同步信号(FrameSync)的下降沿到来，延时5毫秒后发积累模式结束信号(INT信号无效)，发ViperTrig信号触发图像采集卡采集图像；
9、返回步骤2，等待下一次操作。
本发明的优点：X射线机数字摄影自动曝光装置及控制方法具有实施简单、效果明显等多方面的优点，最大特点改善了图像质量、保证了序列摄影中各帧图像之间的一致性，并方便医生的操作。
附图说明
图1为X射线机数字摄影自动曝光装置结构方框图；
图2为X射线机数字摄影自动曝光装置，相机工作在积累模式下的时序图；
图3为X射线机数字摄影自动曝光装置，相机工作在单帧时的时序图；
图4为X射线机数字摄影自动曝光装置，相机工作在序列摄影时的时序图；
图5为X射线机数字摄影自动曝光装置电原理图；
图6为X射线机数字摄影自动曝光控制方法程序流程图。
具体实施方式
本发明X射线和数字和数字摄影自动曝光装置电路结构主要由两部分构成：由单片机(MCU)构成的核心控制模块与相关部件的接口电路。
图1中各个信号的定义，在时序图中的说明，与系统其他部分的连接关系如箭头所示。
该装置电原理图，如图5所示，本模块设计中主要包括以下两部分
1、以74LS74(U31A)为核心的RadSpotIn信号产生模块，该信号用于触发高压开始工作；
2、以AT89C52(U27)为核心的控制模块，用于控制系统各部分的工作方式和时序。
系统软件提供本设计中所需的工作方式控制信号：
主要包括：
1、xpMode：曝光工作模式控制信号，用于指示单帧摄影还是序列摄影；
2、Fluo，Rad曝光，透视控制信号，用于指示曝光还是透视；
3、/fenfre0，/fenfre1，/fenfre2，用于指示序列曝光地帧速率。
与高压发生器的接口：
1、RadSpotIn信号，由74LS47及相关电路产生，用于触发高压发生器开始工作；
2、ExpOn，高压发生器反馈信号，处于工作状态时，该信号有效。
与CCD相机的接口信号：
1、FrameSync：经CCD相机产生的帧同步信号分频，整形产生，作为相关部分的同步信号；
2、INT：积累工作模式控制信号。该信号有效时，相机处于积累工作模式。
与图像采集卡的接口信号：
1、ViperTrig：用于触发图像采集卡开始采集图像。
其他信号：
1、ExpStart信号：由曝光手柄(或其他摄影操作开关)发出的曝光开始信号；
2、/PhotoSpotIn(0)：帧速率大于5帧/秒时的高压发生器触发信号；
3、/PhotoSpotIn(1)：帧速率小于等于5帧/秒时的高压发生器触发信号；
4、GT5F(Great Than 5 Frame/S)：/PhotoSpotIn(0)与/PhotoSpotIn(1)的选择信号。