应用单片机改进螺旋CT呼吸门控装置

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摘 要 随着螺旋ct成像技术的提高，原来陈旧的呼吸门控装置成为制约系统性能提高的一个短板，难以满足现有临床需求。较之原来的呼吸门控装置，改进后的呼吸门控装置增加一套以单片机为处理核心的嵌入式系统。通过键盘设定门限，把采集到的呼吸信号数字化，较之以前模拟化的呼吸信号更加精确；单片机的使用提高处理速度，使得伪影对图片的干扰降到最低。利用Gating软件对呼吸波形进行观察和实际应用结果，证明改进设计有效。

关键词 螺旋CT成像 呼吸门控装置 数字化 模拟化伪影

前 言

CT成像是利用X射线照射人体后X射线信号衰减强弱的不同经重建成像的一种影像技术。早期CT由于成像速度太慢，在腹部应用受到限制。近年来，随着螺旋CT的速度加快、排数增多，成像质量明显加强，但是伪影现象一直没有消失，导致临床医师在诊断疾病时误诊的几率增加。我院采用东芝Aquilion螺旋CT，由于采用模拟信号处理方法处理收集到的门控信号，致使处理速度较慢；并且门控信号无法量化，主机处理迟钝，经常会导致伪影更加明显[1]。针对以上缺陷，设计以单片机为处理核心的嵌入式系统，把门控信号的处理转化为数字化处理；利用模拟Gating软件以便于进一步的研究开发，直接提高主机的处理速度，使得伪影的干扰降到最低[2]。

1 呼吸门控装置设计的总体方案及其实现和验证

1.1 总体方案

呼吸门控装置设计的整体包括以下几个部分：模拟信号采集、模拟信号放大、模数转换、数据传输（单片机-PC）。呼吸门控装置主要靠呼吸带采集呼吸波，实现模拟信号的采集，经模拟电路的处理实现模拟信号的放大，经过模数转换为数字信号，然后经由单片机传输到PC机进行处理[3]。

原呼吸门控装置只能对模拟信号进行处理，新设计的呼吸门控装置增加一套以单片机为处理核心的嵌入式系统。新设计的电路板主要是对所采集并处理过的呼吸信号进行模数转换；附加串口输出模块，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AT89C52单片机处理软件和ADC0848数模转换芯片，较之以前采用直接处理模拟信号的门控装置，处理速度和精度有很大改善，从而提高精确性，间接地提高成像速度[3]。

1.2 实现与验证

对于制作的呼吸门控装置，利用Multisim10软件对各部分模拟电路进行仿真，得到预期效果。利用单片机原理设计出单片机控制模块（见图1），把呼吸信号转变成数字信号，进而将数字信号通过串口传入计算机[4]，可通过键盘设置阈值从而达到抑制伪影的效果[5]。这样的改进使得操作更简单，并且与原来相比速度更快，图2与图3分别是利用Gating软件模拟测试腹部与胸部的呼吸信号结果。当呼吸信号低于阈值时，输出信号为高电平，当呼吸信号高于阈值时，输出信号为低电平[5]。

实验结果证明，当呼吸过高时呼吸门控装置会产生一个低电平，呼吸低时会产生高电平，成功抑制呼吸对图像质量的影响。

2 电路仿真应用

本设计呼吸门控装置的模拟硬件整体电路主要包括：前置放大电路、滤波电路、后级放大电路和电平提升电路（见图4）。D1、D2和D3、D4两两反向连接，分别组成两级放大电路前的保护电路，起到保护AD620和LM358的作用[6]。本电路整体放大倍数可由可变电阻R12调节[4]。

该电路实现模拟信号的放大，完成模数转换前的准备，对于微弱的模拟信号采集起到关键的作用，为主机处理数字信号奠定基础，节省采集模拟信号时间，从而提高成像速度[4]。

3 单片机控制模块电路

控制模块电路主要对所采集、处理过的呼吸信号进行模数转换（见图1），再而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，可以通过计算机设定一个阈值，把控制信号传输给主机[7]。

呼吸门控装置使用AT89C52控制AD转换和串口输出等模块。图1中P1连接计算机，J1连接主机处理器。从ADC0848的CH1口输入模拟输出的呼吸信号，有源晶振U5只接AT89C52的XTAL1脚，XTAL2悬空。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[8]。本电路采用MAX232电平转换芯片连接方式。

4 呼吸门控功能测试

呼吸门控装置的压力传感器为一呼吸带[9]。它可以用于人体胸部或腹部呼吸运动波形的检测。具有灵敏度高、低频响应好、与人体无直接电接触、扁平带式、适合于佩戴使用、能真实地反应呼吸波形等优点。

呼吸带包括3个部分：压电传感器、松紧带、电缆（见图5）。呼吸带产生的原始信号须经采集器处理，才能输入计算机，用于分析[10]。

J1接呼吸带，用于对人体呼吸信号采集输入；J2为直流电输入口，给整块电路提供±5V直流电源；J3为串口，连接计算机，通过串口在计算机上显示呼吸波形以及设定阈值；J4则是连接主机的端口[12]。测试过程中，借助Gating软件观察呼吸波形（Gating软件是一款专门进行测试模拟呼吸的一个软件，此软件只用于测试门控装置是否有效，与设计本身没有关系），证明改进设计有效[13]。

图5 呼吸带