C型臂X射线机自动曝光控制方法、控制系统及控制装置与流程

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种C型臂X射线机自动曝光控制方法、系统及装置。

背景技术：

在医疗领域，X射线被广泛应用于医疗诊断，尤其是对患者体内的情况进行无创伤诊断。

X射线可穿透人体至成像器件最终生成诊断图像，人体内不同组织对X射线的吸收强度不同，因此穿透人体达到成像器件的X射线会有数量上的差异，这种差异可导致诊断图像中的灰度差异，从而帮助医生进行诊断。

长时间过量的X射线会对人体造成伤害，因此要在医疗诊断过程中对人体接受到的X射线的曝光剂量进行严格的控制。

多种医疗设备使用了X射线，包括：CR、DR、CT、直线加速器、C型臂X射线机等。其中CR、DR、CT、直线加速器都是按照预先设置好的程序进行一次性的曝光，因此曝光剂量相对可控，并且只有病人会受到曝光辐射，医生处于安全隔离区域。在所有使用X射线的医疗设备中，C型臂X射线机是唯一在手术室中使用的设备，并且设备使用过程中需要由医生现场操作，因此医患均需暴露在X射线中，使用时依据病患手术的复杂程度需进行长时间多次X射线照射。因此，出于射线剂量控制的需求，对C型臂X射线机的曝光控制要求很高。

医疗诊断用X射线的参数主要有：电压kV，电流mA，曝光时间s，这三个参数决定了X射线的曝光量，也决定了最终诊断图像的质量。电压kV决定了射线的质，即穿透能力，一定程度上会影响图像的对比度，而电流mA和曝光时间s决定了射线的量，即数量多少，会影响图像的明暗度。图像质量效果需满足医生诊断需求。

曝光控制关键难点有两个：

1.诊断图像一致性，即针对不同体型病患的不同部位，生成的诊断图像应尽可能保持一致性。

2.低剂量，即在保证生成图像满足诊断要求的前提下，尽可能的将射线辐射水平控制在最低。

部分设备没有自动曝光控制技术，需要医生或技师针对病人体型与检查部位厚度等具体情况，手动调节电压kV，电流mA，曝光时间s等参数，根据经验生成诊断图像。可能会因医生操作不当或技术经验不足设置的错误参数导致诊断图像有问题，重新设置参数再次曝光不仅增加了手术时间，加重病人风险，而且也额外增加了医患X射线剂量。

现有设备有多种自动曝光控制技术，技术层面主要分两种：1.使用电离室的自动曝光控制技术。使用气态或固态电离室，配合前置放大器实现对X射线剂量的精确测量，当剂量达到设定值时通过电路瞬间中断X射线的发射。2.使用荧光效应控制的光电倍增管。将射线剂量转换成电压(或电流)，经时间积分后的电压正比于X射线剂量，当积分电压达到设定的电压时通过电路瞬间切断高压，实现自动曝光控制。

现有自动曝光控制技术的缺点是只能自动调节电流mA和曝光时间s这两个参数，不能自动调节电压kV参数，也就是说实际使用时还需要通过人工选择病患体型(幼儿、瘦、中等、胖、超胖)来间接确定电压kV的大致范围。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种C型臂X射线机自动曝光控制方法及控制系统，实现对不同体型病患的不同部分的自动曝光控制，实现诊断图像的一致性。

本发明的另一目的在于提供一种C型臂X射线机自动曝光控制装置，以提高曝光控制的稳定性和准确性，降低医患受到的辐射量，减少手术风险。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种C型臂X射线机自动曝光控制方法，包括以下步骤：

210：初始化步骤，其中对硬件进行初始化，以及对电压相关调节值、电流相关调节值进行初始化；

220：电压调节步骤，其中对电压进行更新调节；

230：电流调节步骤，其中对电流进行更新调节；

240：增益调节步骤：其中对增益进行更新调节；

250：参数输出步骤：其中对电压、电流、增益以及球管大、小焦点进行设置并进行输出。

优选的，步骤210中，所述初始化步骤具体包括：

211：硬件初始化；

212：初始化电压调节亮度Ev，电流调节亮度Ec；

213：初始化电压调节阈值Tv，电流调节阈值Tc，增益调节阈值Tg；

214：初始化电压调节步长Sv，电流调节步长Sc，增益调节步长Sg；

215：初始化电压kV，电流mA，增益gain；

216：初始化完成。

其中，亮度Ev与Ec，阈值Tv、Tc与Tg，步长Sv、Sc与Sg，电压kV，电流mA，增益gain均由工程师在安装调试设备时进行设置。

优选的，步骤220中，所述电压调节步骤具体包括：

221：设定电压kV，电流mA；

222：获取射线图像img；

223：获取图像感兴趣区域平均灰度值avg＝mean(img(roi))；

224：计算偏差值comp＝1-avg/Ev；

225：进行比较comp＜Tv，若否，则跳转到226，若是，则跳转到227；

226：更新电压kV＝kV+Sv*comp，然后跳转到221；

227：电压调节完成，存储当前电压kV。

其中，roi表示感兴趣区域，mean表示求算术平均值。

优选的，步骤230中，所述电流调节步骤具体包括：

231：设定电压kV，电流mA；

232：获取射线图像img；

233：获取图像感兴趣区域平均灰度值avg＝mean(img(roi))；

234：计算偏差值comp＝1-avg/Ec；

235：进行比较comp＜Tc，若否，则跳转到236，若是，则跳转到237；

236：更新电流mA＝mA+Sc*comp，然后跳转到231；

237：电流调节完成，存储当前电流mA值。

其中，roi表示感兴趣区域，mean表示求算术平均值。

优选的，步骤240中，所述增益调节步骤具体包括：

241：设定电压kV，电流mA，设定增益gain；

242：获取射线图像img；

243：计算图像局部对比度contrast＝sdev(img)；

244：计算图像噪声水平noise

245：进行比较contrast/noise＞Tg，若是，则跳转到246，若否，则跳转到247；

246：更新增益gain＝gain+Sg，并更新电流mA＝mA/10∧(Sg/10)，然后跳转到241；

247：增益调节完成，存储当前增益gain和电流mA。

其中，sdev表示求标准方差，增益gain的单位是dB

优选的，步骤250中，所述参数输出步骤具体包括：

251：建立连接；

252：设置电压kV，电流mA；

253：设置增益gain；

254：设置球管大、小焦点；

255：输出完成。

一种C型臂X射线机自动曝光控制系统，包括：

初始化模块(210’)，用于对硬件进行初始化，以及对电压相关调节值、电流相关调节值进行初始化；

电压调节模块(220’)，用于对电压进行更新调节；

电流调节模块(230’)，用于对电流进行更新调节；

增益调节模块(240’)，用于对增益进行更新调节；

参数输出模块(250’)，用于对电压、电流、增益以及球管大、小焦点进行设置并进行输出。

优选的，初始化模块(210’)中的初始化具体包括：

211：硬件初始化；

212：初始化电压调节亮度Ev，电流调节亮度Ec；

213：初始化电压调节阈值Tv，电流调节阈值Tc，增益调节阈值Tg；

214：初始化电压调节步长Sv，电流调节步长Sc，增益调节步长Sg；

215：初始化电压kV，电流mA，增益gain；

216：初始化完成。

其中，亮度Ev与Ec，阈值Tv、Tc与Tg，步长Sv、Sc与Sg，电压kV，电流mA，增益gain均由工程师在安装调试设备时进行设置。

优选的，所述电压调节模块(220’)对电流值行更新调节具体包括：

221’：设定电压kV，电流mA；

222’：获取射线图像img；

223’：获取图像感兴趣区域平均灰度值avg＝mean(img(roi))；

224’：计算偏差值comp＝1-avg/Ev；

225’：进行比较comp＜Tv，若否，则跳转到226’，若是，则跳转到227’；

226’：更新电压kV＝kV+Sv*comp，然后跳转到221’；

227’：电压调节完成，存储当前电压kV值。

其中，roi表示感兴趣区域，mean表示求算术平均值。

优选的，所述电流调节模块(230’)具体包括：

231’：设定电压kV，电流mA；

232’：获取射线图像img；

233’：获取图像感兴趣区域平均灰度值avg＝mean(img(roi))；

234’：计算偏差值comp＝1-avg/Ec；

235’：进行比较comp＜Tc，若否，则跳转到236’，若是，则跳转到237’；

236’：更新电流mA＝mA+Sc*comp，然后跳转到231’；

237’：电流调节完成，存储当前电流mA。

其中，roi表示感兴趣区域，mean表示求算术平均值。

优选的，所述增益调节模块(240’)对增益进行更新调节具体包括：

241’：设定电压kV，电流mA，设定增益gain；

242’：获取射线图像img；

243’：计算图像局部对比度contrast＝sdev(img)；

244’：计算图像噪声水平noise

245’：进行比较contrast/noise＞Tg，若是，则跳转到246’，若否，则跳转到247’；

246’：更新增益gain＝gain+Sg，并更新mA＝mA/10∧(Sg/10)，然后跳转到241’；

247’：增益调节完成，存储当前增益gain和电流mA。

其中，sdev表示求标准方差，增益gain的单位是dB。

优选的，所述参数输出模块具体包括：

251’：建立连接；

252’：设置电压kV，电流mA；

253’：设置增益gain；

254’：设置球管大、小焦点；

255’：输出完成。

一种采用如上所述C型臂X射线机自动曝光控制方法的C型臂X射线机自动曝光控制装置，包括：X射线探测器、滤线栅、图像工作站、高压控制板、逆变器、高压发生器、球管、限束器，所述X射线探测器通过千兆网线连接图像工作站，通过信号线连接高压控制板；所述图像工作站通过串口线连接高压控制板；所述限束器通过信号线与高压控制板连接，限束器通过一个可调节大小的窗口，屏蔽掉不必要的X射线，并且能屏蔽球管处泄漏的散射线；所述高压控制板通过电缆线连接高压发生器，通过电缆线连接球管；所述高压发生器通过正负两根高压电缆线连接球管；球管发射的X射线通过病患后被X射线探测器接收并成像，高压发生器通过信号线与逆变器连接，逆变器通过信号线和高压控制板连接，完成直流电与交流电的转变；滤线栅用于过滤X射线的散射线，与X射线探测器紧贴在一起，其中球管，高压发生器，和逆变器一起构成了X射线发生装置，该装置由高压控制板控制，高压控制板又受图像工作站控制，图像工作站计算出一组曝光参数时，X射线发生装置会根据这个曝光参数生成X射线，X射线穿透病患的同时会产生一部分散射线，该散射线会降低图像质量，用滤线栅过滤掉，最终X射线达到X射线探测器形成数字图像，图像通过网线传送到图像工作站进行处理和分析；所述图像工作站加载默认的曝光参数，将所述曝光参数通过串口线下发到所述高压控制板，所述高压控制板通过电缆线启动所述球管中的旋转阳极，曝光准备完毕；然后所述高压控制板发出曝光指令控制所述高压发生器产生与所述曝光参数匹配的高压，所述高压发生器将高压通过高压电缆发送到所述球管的同时，X射线从所述球管发射出去，穿透所述病患抵达所述X射线探测器；与此同时，高压控制板通过信号线发送触发信号到所述X射线探测器，所述X射线探测器将抵达的X射线转换为数字图像并通过千兆网线传送到所述图像工作站；所述图像工作站分析接受到的图像并调整曝光指令，并重复以上过程，当图像满足一定要求而不再调整曝光指令时，所述图像工作站锁定最后一组曝光参数，并完成自动曝光控制过程。

优选的，所述X射线探测器是X射线平板探测器，

优选的，所述X射线探测器是X射线影像增强器或者其它的X射线接收与转换装置。

优选的，所述图像工作站是计算机。

优选的，所述图像工作站是嵌入式系统或架构的数字系统。与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

1、本发明可实现C型臂X射线机使用过程中的自动曝光控制，避免人工设定相关曝光参数，减轻医生负担，降低手术风险。

2、本发明可实现针对不同体型病患不同部位的诊断图像一致性，并且在满足图像诊断质量的前提下，将射线辐射水平控制在最低，降低医患辐射风险。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图。

图2是本发明自动曝光控制系统结构示意图。

图3是本发明自动曝光控制方法初始化步骤的具体流程示意图。

图4是本发明自动曝光控制方法电压调节步骤的具体流程示意图。

图5是本发明自动曝光控制方法电流调节步骤的具体流程示意图。

图6是本发明自动曝光控制方法增益调节步骤的具体流程示意图。

图7是本发明自动曝光控制方法参数输出步骤的具体流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述C型臂X射线机自动曝光控制方法，具体包括：

步骤210：初始化步骤，其中对硬件进行初始化，以及对电压相关调节值、电流相关调节值进行初始化；

步骤220：电压调节步骤，其中对电压进行更新调节；

步骤230：电流调节步骤，其中对电流进行更新调节；

步骤240：增益调节步骤：其中对增益进行更新调节；

步骤250：参数输出步骤：其中对电压、电流、增益以及球管大、小焦点进行设置并进行输出。

如图3所示，所述步骤210中，初始化具体包括：

步骤211：硬件初始化；

步骤212：初始化电压调节亮度Ev，电流调节亮度Ec；

步骤213：初始化电压调节阈值Tv，电流调节阈值Tc，增益调节阈值Tg；

步骤214：初始化电压调节步长Sv，电流调节步长Sc，增益调节步长Sg；

步骤215：初始化电压kV，电流mA，增益gain；

步骤216：初始化完成。

其中，亮度Ev与Ec，阈值Tv、Tc与Tg，步长Sv、Sc与Sg，电压kV，电流mA，增益gain均由工程师在安装调试设备时进行设置。

如图4所示，所述步骤220中，电压调节包括：

步骤221：设定电压kV，电流mA；

步骤222：获取射线图像img；

步骤223：获取图像感兴趣区域平均灰度值avg＝mean(img(roi))；

步骤224：计算偏差值comp＝1-avg/Ev；

步骤225：进行比较comp＜Tv，若否，则跳转到226，若是，则跳转到227；

步骤226：更新电压kV＝kV+Sv*comp，然后跳转到221；

步骤227：电压调节完成，存储当前电压kV。

如图5所示，所述步骤230中，电流调节具体包括：

步骤231：设定电压kV，电流mA；

步骤232：获取射线图像img；

步骤233：获取图像感兴趣区域平均灰度值avg＝mean(img(roi))；

步骤234：计算偏差值comp＝1-avg/Ec；

步骤235：进行比较comp＜Tc，若否，则跳转到236，若是，则跳转到237；

步骤236：更新电流mA＝mA+Sc*comp，然后跳转到231；

步骤237：电流调节完成，存储当前电流mA。

如图6所示，所述步骤240中，增益调节具体包括：

步骤241：设定电压kV，电流mA，设定增益gain；

步骤242：获取射线图像img；

步骤243：计算图像局部对比度contrast＝sdev(img)；

步骤244：计算图像噪声水平noise

步骤245：进行比较contrast/noise＞Tg，若是，则跳转到246，若否，则跳转到247；

步骤246：更新增益值gain＝gain+Sg，并更新mA＝mA/10∧(Sg/10)，然后跳转到241；

步骤247：增益调节完成，存储当前增益gain和电流mA。

如图7所示，所述步骤250中，参数输出具体包括：

步骤251：建立连接；

步骤252：设置电压kV，电流mA；

步骤253：设置增益gain；

步骤254：设置球管大、小焦点；

步骤255：输出完成。

如图1所示，采用上述控制方法的本发明C型臂X射线机自动曝光控制装置，包括：X射线探测器100、滤线栅800、图像工作站200、高压控制板300、逆变器700、高压发生器400、球管500、限束器900，所述X射线探测器100通过千兆网线连接图像工作站200，通过信号线连接高压控制板300；所述图像工作站200通过串口线连接高压控制板300；所述限束器900通过信号线与高压控制板连接，限束器900通过一个可调节大小的窗口，屏蔽掉不必要的X射线，并且能屏蔽球管处泄漏的散射线；所述高压控制板300通过电缆线连接高压发生器400，通过电缆线连接球管500；所述高压发生器400通过正负两根高压电缆线连接球管500。球管500发射的X射线通过病患600后被X射线探测器100接收并成像，高压发生器通过信号线与逆变器700连接，逆变器700通过信号线和高压控制板连接，完成直流电与交流电的转变；其中滤线栅800用于过滤X射线的散射线，与X射线探测器100紧贴在一起，病患600只是用来辅助说明所述C型臂X射线机自动曝光控制装置，并不属于所述控制装置本身的一个组件。

所述C型臂X射线机自动曝光控制装置的工作过程如下：球管，高压发生器，和逆变器一起构成了X射线发生装置，该装置由高压控制板控制，高压控制板又受图像工作站控制，图像工作站计算出一组曝光参数时，X射线发生装置会根据这个曝光参数生成X射线，X射线穿透病患的同时会产生一部分散射线，该散射线会降低图像质量，因此需要用滤线栅过滤掉，最终X射线达到X射线探测器形成数字图像，图像通过网线传送到图像工作站进行处理和分析。所述图像工作站200加载默认的曝光参数，将所述曝光参数通过串口线下发到所述高压控制板300，所述高压控制板300通过电缆线启动所述球管500中的旋转阳极，曝光准备完毕；然后所述高压控制板300发出曝光指令控制所述高压发生器400产生与所述曝光参数匹配的高压，所述高压发生器400将高压通过高压电缆发送到所述球管500的同时，X射线从所述球管500发射出去，穿透所述病患600抵达所述X射线探测器100；与此同时，高压控制板300通过信号线发送触发信号到所述X射线探测器100，所述X射线探测器100将抵达的X射线转换为数字图像并通过千兆网线传送到所述图像工作站200；所述图像工作站200分析接受到的图像并调整曝光指令，并重复以上过程，当图像满足一定要求而不再调整曝光指令时，所述图像工作站200锁定最后一组曝光参数，并完成自动曝光控制过程。

所述X射线探测器100可以是X射线平板探测器，也可以是X射线影像增强器或者其它的X射线接收与转换装置。

所述图像工作站200可以是计算机，也可以是嵌入式系统或架构相似的数字系统。

如图2所示，与上述C型臂X射线机自动曝光控制方法对应，本发明一种C型臂X射线机自动曝光控制系统，包括：

初始化模块(210’)，用于对硬件进行初始化，以及对电压相关调节值、电流相关调节值进行初始化；

电压调节模块(220’)，用于对电压进行更新调节；

电流调节模块(230’)，用于对电流进行更新调节；

增益调节模块(240’)，用于对增益进行更新调节；

参数输出模块(250’)，用于对电压、电流、增益以及球管大、小焦点进行设置并进行输出。

其中初始化模块(210’)中的初始化具体包括：

211’：硬件初始化；

212’：初始化电压调节亮度Ev，电流调节亮度Ec；

213’：初始化电压调节阈值Tv，电流调节阈值Tc，增益调节阈值Tg；

214’：初始化电压调节步长Sv，电流调节步长Sc，增益调节步长Sg；

215’：初始化电压kV，电流mA，增益gain；

216’：初始化完成。

其中，亮度Ev与Ec，阈值Tv、Tc与Tg，步长Sv、Sc与Sg，电压kV，电流mA，增益gain均由工程师在安装调试设备时进行设置。

所述电压调节模块(220’)对电流值进行更新调节具体包括：

221’：设定电压kV，电流mA；

222’：获取射线图像img；

223’：获取图像感兴趣区域平均灰度值avg＝mean(img(roi))；

224’：计算偏差值comp＝1-avg/Ev；

225’：进行比较comp＜Tv，若否，则跳转到226’，若是，则跳转到227’；

226’：更新电压kV＝kV+Sv*comp，然后跳转到221’；

227’：电压调节完成，存储当前电压kV。

其中，roi表示感兴趣区域，mean表示求算术平均值。

所述电流调节模块(230’)具体包括：

231’：设定电压kV，电流mA；

232’：获取射线图像img；

233’：获取图像感兴趣区域平均灰度值avg＝mean(img(roi))；

234’：计算偏差值comp＝1-avg/Ec；

235’：进行比较comp＜Tc，若否，则跳转到236’，若是，则跳转到237’；

236’：更新电流mA＝mA+Sc*comp，然后跳转到231’；

237’：电流调节完成，存储当前电流mA值。

其中，roi表示感兴趣区域，mean表示求算术平均值。

所述增益调节模块(240’)对增益值进行更新调节具体包括：

241’：设定电压kV，电流mA，设定增益gain；

242’：获取射线图像img；

243’：计算图像局部对比度contrast＝sdev(img)；

244’：计算图像噪声水平noise

245’：进行比较contrast/noise＞Tg，若是，则跳转到246’，若否，则跳转到247’；

246’：更新增益值gain＝gain+Sg，并更新mA＝mA/10∧(Sg/10)，然后跳转到241’；

247’：增益调节完成，存储当前增益gain和电流mA。

其中，sdev表示求标准方差，增益gain的单位是dB。

所述参数输出模块具体包括：

251’：建立连接；

252’：设置电压kV，电流mA；

253’：设置增益gain；

254’：设置球管大、小焦点；

255’：输出完成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。