呼吸门控系统（精选5篇）
呼吸门控系统 篇1
摘要：目的:分析PET/CT中呼吸运动伪影产生的原因,评估呼吸运动对诊断结果造成的影响,设计一种PET/CT呼吸门控系统。方法:利用GATE软件仿真人体呼吸运动,模拟人体肺部呼吸运动的周期、幅度、频率等,构造呼吸运功模型,建立相应的运动跟踪算法,进而构造PET扫描仿真平台,并以此为基础选择基于运动特征信息提取的门控触发时机。结果:设计了一种红外标记的呼吸运动跟踪系统,可对人体肺部的呼吸实时监控,对呼吸运动进行模拟并分期。结论:该呼吸门控系统准确性和可行性高,将有效减小呼吸运动对诊断结果造成的影响。
关键词：PET/CT,呼吸门控,呼吸运动
0 引言
肺癌是常见的恶性肿瘤,也是死亡率增长最快的恶性肿瘤[1,2]。早期诊断与早期干预对肺癌的治疗有着重要意义。研究表明,PET/CT在筛查癌症的准确率上相比常规检查手段优势明显。2005 年,Shim等[3]在对106 名非小细胞肺癌志愿者的检查中发现,CT的肺癌检出率为79%,PET/CT的肺癌检出率为86%。更早的2003 年,Lardinois[4]在对49 例非小细胞肺癌的临床试验中发现,CT的肺癌检出率为58%,PET/CT的检出率为88%。
然而,PET的结构成像性能不如CT和MRI。临床研究表明, 患者的呼吸运动是造成PET成像图像模糊的重要原因之一,将会导致图像质量的严重下降,进而对医生的诊断结果造成影响。
成年人的呼吸频率为12~20 Hz,在PET/CT临床应用中,进行CT全身扫描的时间为0.15~5 s,受呼吸运动影响不大。PET扫描部分用时在2 min以上,并且受成像原理的制约,得到的是多个呼吸周期的平均图像。在此期间肺部呼吸运动将带动患者的心、肝、胰等各个器官不同幅度地运动(幅度最大可达4 cm,纵轴和矢状轴方向速度最大可达13.3 mm/s),而且伴随注射到其中的放射源的扩张和弥散运动使得PET图像不可避免要产生运动模糊。CT衰减校正伪影也是PET/CT图像呼吸运动伪影的另一个来源。在PET/CT系统中, CT扫描得到的组织密度图像是进行PET/CT图像衰减校正的基础,用近似实时成像的CT对平均后的PET图像做衰减校正必然会产生误差[5]。
临床表明,PET/CT的呼吸运动产生的伪影对肺癌细胞(直径大约几毫米)的早期诊断影响较大。因此,对患者的呼吸运动进行有目的的控制是很有必要的。
目前技术较为成熟并在临床上得到应用的呼吸控制技术主要有以下几种:
(1)被动加压技术。该技术较为简单,是在扫描前采用各种装置固定患者体位,对其胸腹部进行加压,从而减少患者各器官的运动幅度,进而达到限制肺部肿瘤运动的目的。其缺点在于扫描前准备工作较多,会给患者带来不适,对呼吸运动造成的影响改善有限[6]。
(2)深吸气后屏气技术。该技术是目前临床最主要的呼吸控制技术,要求患者在治疗前深吸一口气,保持屏气直到某一检查环节结束。此技术的缺点在于,只能一定程度上限制患者呼吸运动的幅度,无法有效消除呼吸运动的影响[7],因此不适用于年老或者肺功能不全的患者。而且患者呼气的时机很难受控,容易对诊断造成负面影响,临床上成功率普遍不高。
(3)主动呼吸控制技术。它采用呼吸流量监测器对患者的呼吸信号进行实时监控,当患者的肺活量在吸气或呼气超出设定值时,由2 对活瓣开启或关闭来制动患者的自主呼吸。该技术的弊端在于每次呼吸控制触发之前,由于患者的功能残气量不同,重复吸气控制容易造成患者的呼吸疲劳[8]。
(4)呼吸门控系统。该系统通过监测外置或置于患者肿瘤内标志物的运动,进而对呼吸运动进行分期。该方法可以使患者自由呼吸,但主要问题在于肿瘤运动和外部检测信号在时间和空间上很难保持一致,存在一定的偏差。
本研究拟设计一种呼吸门控系统,通过红外光标志记录呼吸运动,对3 个标志点的呼吸运动波形进行加权整合。再根据GATE平台仿真的结果确定呼吸运动的分期和触发时机,进而解决现有呼吸门控技术的精度问题。
1 呼吸门控系统的设计
1.1 系统总体构成
本呼吸门控系统的设计是基于呼吸运动的捕捉与采集,获取患者的呼吸运动参数,从而进行呼吸运动的预测;并根据呼吸运动的分期,将PET扫描的图像与CT扫描的图像进行配准融合。该系统主要由红外发光标志、红外摄影跟踪装置、运动追踪系统(motion tracking system,MTS)分析计算机、呼吸分区处理器、门控触发装置5 个部分组成,如图1 所示。
系统设计的方案如下:红外发光标志固定在人体胸腔上,随人体呼吸发生位移。对应的红外摄像机实时跟踪发光标志的移动,即可监测人体呼吸运动(周期、幅度等)。MTS监测处理器将人体的呼吸运动转化为周期性的波动信号。呼吸分区处理器通过分析呼吸运动的节律,将一个呼吸运动分成几个不同的时期,再通过分区的不同触发PET/CT进行扫描,确保PET的扫描图像与CT的扫描图像是在同一个呼吸分区内。
1.2 系统各部分组成
1.2.1 呼吸运动的监测
红外发光标志由3 个红外线发生装置组成,并分别被安装在3 根束缚带上面。中间1 组(编号为marker2)安装在腹腔膈肌位置,确保能监测到呼吸运动的最大幅度。其余2 组(编号为marker1、marker3)对称安装在腹腔两侧。束缚带弹性较强,可以紧紧包裹胸腔表面。红外发光标志随呼吸运动改变位置,分别被3 组摄像机监控。具体示意图如图2 所示。
如图2 所示,呼吸运动导致腹腔表面位置发生改变,包裹腹腔的束缚带的形变又使红外发光标志发生位移。通过监测红外发光标志的运动即可反映呼吸运动的周期(频率)。
束缚带安装完毕后,要求患者屏气2~3 s,执行初始化程序。待患者正常呼吸后,红外发光的强度可随位移大小发生变化。通过监测红外发光的强度,又可实时监测呼吸运动的幅度。
1.2.2 呼吸运动监测模块的运行
呼吸运动监测系统中每个红外摄像跟踪装置监测到的信号都是腹部各点的三维位移,根据标记位置的不同,红外发光标记点可能会有3 种运动形式,即线性运动、曲线运动和弧形运动,如图3 所示。
本设计中将针对红外标志点的3 种运行方式选择不同的算法,根据算法模拟人体肺部的运动情况。最后将3 种算法进行加权整合,得到人体的呼吸运动模型。
呼吸运动的跟踪算法比较典型的为Snake模型,又称为主动轮廓线模型,由Kass等[9]于1987 年提出,用来跟踪彩色图像人脸嘴部的运动。该算法是在已知兴趣区域外围的模糊轮廓情况下,自动接近并最终精确勾画所感兴趣的范围,将运动图形的轮廓捕捉问题转化成能量最小极值的求取问题。机器视觉的各个领域都有Snake模型的广泛应用,如运动跟踪、边缘检测、3D重建等。Snake模型的具体工作为在兴趣区域轮廓周围寻找关键点,使目标函数ESnake最小:
其中,Eint为内能,Eext为外能。Snake模型的运行模式是将影响运动图形轮廓捕捉的因素分为2 种能量,其中弹性力与弯曲力定义为内能Eint,弹性力抑制曲线的伸长,弯曲力抑制曲线的弯曲;图像的梯度一般定义为外能Eext,使轮廓朝梯度方向收敛,ESnake能量达到最小时停止。
1.2.3 呼吸分区模块的运行
由呼吸运动监测模块可以得到一系列完整的呼吸周期。一个完整的呼吸周期可以分成4 个阶段,分别为吸气期、吸气末平台期、呼气期和呼气末期。具体触发时机的选择根据呼吸图像分期拟合的结果来选择。
分期拟合实验因为涉及较多的数据采集,所以实验次数频繁。同时它还要求实验对象的呼吸运动相对稳定,因此采用临床实验是不合适的,拟采用GATE平台来进行模拟实验。GATE是一种基于对Geant4 物理函数进行重新封装的蒙特卡洛仿真软件包,是国际核医学成像研究领域进行仿真研究的重要工具和手段[10]。
呼吸模拟模型的选择拟采用NCAT模块。NCAT又称为XCAT,是由Segars等开发的一个基于真实CT数据的人体肺部仿真模型[11]。这一模型可以作为虚拟患者应用于基于GATE的PET扫描仿真平台中。NCAT包含完整的人体器官信息,可以模拟人体内各个器官的运动和性状。因为该数字模型源自真实的人体数据,所以其模体能很好地代替临床实验的数据收集。
2 系统的整体运行
系统的整体运行模式如图4 所示。3 个标志点显示呼吸运动的周期与幅度,呼吸运动监测系统通过判断标志点的运动属于直线运动、曲线运动、弧形运动3 种运动形式中的哪一种,选择相对应的算法,对呼吸运动波形进行采集。同时对3 个标志点的波形进行加权合成,即marker2>marker3,marker3=marker1,最后根据GATE仿真的结果对呼吸运动进行分期。
3 现阶段研究进展
前期通过GATE仿真的结果可以发现,人体呼吸运动对PET/CT图像产生的影响较大,图像质量下降明显。进一步对呼吸运动进行分析发现,呼吸运动在腹腔运动速度最大时(呼气末平台期之前和吸气末期之前)产生的伪影最为显著,但个体差异较为明显。因此,我们计划在系统中增加一种呼吸训练系统,并通过对使用人员长期的呼吸周期的记录,准确选择其触发时机。
4 结语
PET作为一种功能成像的影像诊断技术,在肺癌早期筛查和诊断上具有其他结构型显影技术无可比拟的优势,但其成像的结构成像性能不如CT和MRI[12]。PET成像中的人体呼吸运动会造成图像模糊,严重影响PET的图像质量,对医生诊断造成很大影响。此外由于人体呼吸运动的周期性以及PET和CT扫描时间的不同,PET/CT图像融合时会产生一定伪影[13]。本研究为了解决这一问题,设计了一种呼吸门控系统,通过红外发光标志记录呼吸运动,对3 个标志点的呼吸运动波形进行加权整合;再根据GATE平台仿真的结果确定呼吸运动的分期和触发时机,实现了PET/CT的呼吸门控。
注:t为系统检测到的患者呼吸周期的时间;td为系统响应时间,即系统接收到呼吸运动信号并产生反馈的时间;(t+td)ms为系统反应的总时间
呼吸门控系统 篇2
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]。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]。
5 结论
呼吸门控系统 篇3
PET采集由于采集时间长、图像需与CT图像融合等因素的限制,故其不能利用屏气来抑制呼吸运动伪影[1]。肺部孤立性结节往往受呼吸运动伪影的影响导致边界不清,测量长度、体积、标准摄取值(standard uptake value,SUV)时出现误差等现象[2]。由于PET检查患者在注射示踪剂后带有放射性,故检查时技师床边操作越简化、时间越短对技师的辐射安全防护越有利[3]。本文旨在通过对呼吸门控采集技术与常规采集技术所得图像的影像质量、技师所受辐射剂量进行比较分析,突出呼吸门控这一技术的优势,推动其在临床的应用。
1 资料和方法
1.1 一般资料
从2015年3月1日至8月30日间接受PET/CT检查的病患中选择50例符合条件的患者,入组条件:体质量60~70 kg,血糖4.5~6.5 mmol/L[4],患者因其他影像学检查发现肺部孤立性结节需借助PET明确病变性质。其中男性37人、女性13人,年龄47~53岁,平均年龄55岁。
1.2 仪器与方法
采用SIEMENS Biograph m CT-64PET/CT机,所有患者均由同一技师采集完成,在常规PET采集之后行呼吸门控技术采集。呼吸压敏元件用原厂配套束缚带固定在患者胸骨剑突下位置,束缚带松紧以压敏元件显示GOOD挡(OVER、GOOD、UNDER 3个挡位)为宜[5],调用呼吸门控序列进行采集,采集范围为1个床位包全整个胸部,采集时间为10 min,门控触发曲线如图1、2中的a所示。采集模式为连续采集,重建方式是利用每个呼吸间期膈肌运动停滞的时间段数据来重建图像,这样可以最大程度地减少膈肌运动导致的伪影。技师在全套防护设备穿戴整齐的条件下,利用随身携带(防护服内,左侧胸口)[6]的个人剂量监护仪器,记录技师在每个患者每次进入机房完成操作时所受的辐射剂量,整理并分析数据。
2 图像与数据分析
2.1 图像分析
1位主治医师(博士)做初级诊断,1位主任医师做审核诊断;将得到的50例患者图像从病灶形态特征、最长径测量结果、体积以及SUV测定等几个方面进行比较,所得结果如图1、2所示。
由图1、2可以看出,b的左边图像明显较右边常规采集图像清晰,边界清楚,信号较周围组织强,易于区分。c为利用西门子自带软件测量病灶的最长径,从图中可以看出,由于采用呼吸门控技术所得图像边界更加清晰,所以测量的长度更加准确,常规图像测得的结果与其有较大差异。从图1、2的d中可以看到,由于在采用呼吸门控技术所得图像上勾画病灶边缘更加准确,所以得到的病灶体积以及计算出的SUV也会更加精准,而常规图像勾画病灶边缘不确定,得到的数据相差较远(见表1)。经统计得知,所有项目差异均具有统计学意义(P<0.002)。
注:a选择呼吸波谷底相对平直部分作为重建数据,减少运动伪影;b、c、d分别对应同一患者呼吸门控技术采集图像(左)、常规采集图像(右)的病灶形态及边缘、最长径测量值,体积及SUV测量值
注:a选择呼吸波谷底相对平直部分作为重建数据,减少运动伪影;b、c、d分别对应同一患者呼吸门控技术采集图像(左)、常规采集图像(右)的病灶形态及边缘、最长径测量值,体积及SUV测量值
2.2 数据分析
我们将记录下来的技师每次进入机房所受的辐射剂量整理出来,绘制成折线图,参照放射人员辐射剂量安全的有关法律法规,评判吸收剂量是否在安全的范围内。
如图3所示,技师为50例患者安装、拆解呼吸压敏元件所吸收的辐射剂量最大值0.30μSv,最小值0.17μSv,平均值0.235μSv。根据我国法律规定,放射从业人员连续5 a的年平均有效剂量为20 m Sv;任何1 a中的有效剂量为50 m Sv[7]。从上述数据来看,我们利用呼吸门控技术时技师所受到的辐射剂量远小于国家规定的辐射剂量。
3 结果
50例患者利用呼吸门控技术采集后的数据与常规PET采集后的数据相比较:最长径、体积、SUV都有所不同,差异具有统计学意义。由于呼吸门控技术采集的图像病灶显示更加清晰、病灶边界范围更加明确,故医师在测量病灶各方面数据均更加准确。技师应用该技术时所吸收的辐射剂量平均单次0.235μSv,与我国放射人员年平均吸收剂量的阈值50 m Sv相距甚远[8]。
4 讨论
4.1 关于本次试验入组标准的选择
由于肺部成像时运动伪影干扰因素较多,除了呼吸运动外,还有心跳对纵隔及肺门的牵拉运动。我们在设计试验之初做了一些肺部较大、成片的病灶采集成像,发现病灶周围往往与纵隔、肺门等处有组织结构上的粘连,在心脏跳动牵拉纵隔时这部分病灶的伪影始终无法抑制,导致最后成像质量无明显变化、数据比较无统计学意义。故本次试验我们入组条件选定为肺部的孤立性结节。
4.2 呼吸门控技术的局限性
本文开篇的时候提到过,呼吸门控技术最基础的原理是采集患者的呼吸运动波形,根据波形选择呼吸波波谷相对平直的曲线间期数据来重建PET图像,此时膈肌与胸廓的呼吸运动处于短暂停滞状态,把整个采集过程中成百上千个这样的间期数据拿来重建图像,就得到呼吸门控采集图像[9]。因此我们知道,呼吸的稳定性直接导致呼吸波的曲线走向,决定着机器对呼吸波间期的计算分析,如果患者呼吸不均匀或叹息样呼吸,则机器无法准确地分辨出呼吸波的间期出现及持续的时间,导致采集时间成倍增加,且重建时所选择的数据并不完全是呼吸运动停滞时的数据,成像往往不尽如人意[10]。这就要求技师在扫描之前反复训练患者呼吸,争取患者最大程度上的配合。
4.3 技师安放呼吸压敏元件时的注意事项
西门子公司配备了不同长短的束缚带以适应不同体型的患者,在选用束缚带时,要根据患者的胖瘦进行调节,不能过松也不能过紧:过松,检测到的呼吸波幅度太小或检测不到呼吸波,导致机器无法识别;过紧,导致压敏元件始终处于压缩状态,检测到的呼吸波呈高位直线,亦不利于机器识别[11]。在安装好束缚带后,技师一定要确认本文开篇时提到的压敏元件指示器中的提示(OVER为过紧;UNDER为过松,GOOD为刚好),以便呼吸波处于最佳识别状态。
综上所述,利用呼吸门控技术可以在不成倍增加操作技师吸收剂量的情况下,更好显示肺部孤立性结节的大小、体积、边界等,抑制呼吸运动伪影对肺部孤立性结节的成像影响。对诊断医师勾画感兴趣区、测量病灶的SUV等都有很大的帮助,使病灶成像更加清晰、大小测量更加确切、SUV的计算更加准确。
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呼吸门控系统 篇4
地铁屏蔽门控制子系统由以下几个主要部分构成:中央接口盘 (PSC) 、单元控制器 (PEDC) 、就地控制盘 (PSL) 、门控单元 (DCU) 组、接口模块、通讯介质及通讯接口等设备。每侧站台屏蔽门具有独立的一套逻辑控制单元, 为一个相对独立的控制子系统。每一套标准的逻辑控制单元, 包含30个门控单元 (DCU) , 用于控制30扇滑动门的开关。门控单元在每个控制子系统中, PSC至每个门单元的控制回路分为两种, 一种为硬线回路, 另一种为软线回路。在系统运行中, 硬线回路应为优先级回路, 而软线回路的故障不能影响硬线回路及电气安全回路的正常工作。每个车站的两个 (或三个) 单元控制器 (PEDC) 及单元控制器 (PEDC) 与系统内其它设备、接线端子、接口设备、单元控制器 (PEDC) 的控制配电回路以及监视设备组合成一个中央接口盘 (PSC) 。
2 门控单元 (DCU) 的组成及功能
2.1 门控单元 (DCU) 的组成
⑴门控单元 (DCU) 是滑动门电机的控制装置, 每对滑动门单元均配置一个门控单元 (DCU) , 并安装在门体上部的顶箱内。门控单元 (DCU) 由CPU组、存储单元、接口单元及相关软件等组成。
⑵门控单元 (DCU) 配置自动/手动/隔离转换开关的控制输入接口。
⑶门控单元 (DCU) 配置就地手动开门/关门按钮的控制输入接口。
⑷门控单元 (DCU) 配置滑动门门锁四个行程检测开关、滑动门状态指示灯、蜂鸣器。
⑸门控单元 (DCU) 配置应急门逃生装置行程检测开关。
⑹门控单元 (DCU) 配置现场总线接口。
⑺门控单元 (DCU) 配置用于开/关门命令及PSL相关功能回路的接口。
⑻门控单元 (DCU) 配置手提电脑接口, 以便于调试人员对单个门单元进行软件调试及试验。
2.2 门控单元 (DCU) 的功能
⑴信号来源:地铁屏蔽门系统正常运营时, 由信号系统向中央接口盘 (PSC) 发送开关门命令, 中央接口盘通过每侧屏蔽门的单元控制器 (PEDC) 向门控单元 (DCU) 发送开关门命令。
⑵开关时间:开门过程必须能够在2.5s内完成, 且可以在2.5~3.5s间可调;关门过程必须能够在3.2秒内完成, 且可以在3.2~4.0s间可调。
⑶障碍物探测:滑动门关门力应不超过150N。关门受阻时, 门操作机构应能感觉到有障碍物存在并释放关门力, 关门过程中遇到障碍物关门力马上释放, 门停顿2s (0~10秒范围内可调) 后再重关门, 重复关门三次门仍不能关闭, 滑动门停止动作等待处理, 并对故障进行报警。障碍物探测应能探测到最小的障碍物5mm (厚度) ×40mm (宽度) 的钢板。
⑷应急状态:滑动门在轨道侧设有手动解锁装置, 如电源供应或控制系统故障门不能自动打开时, 乘客可从轨道侧手动打开滑动门;同时, 设置在每侧屏蔽门的应急门亦可打开。此时, 滑动门门锁上的行程检测开关和应急门逃生装置上的行程检测开关分别可以检测门的状态并反馈给门控单元 (DCU) 。
⑸滑动门在关门过程中, 门状态指示灯频闪, 蜂鸣器报警;开门过程中, 门状态指示灯频闪, 门全开时指示灯常亮。
3 门控单元 (DCU) 的硬件配置与电气接线原理图
3.1 门控单元 (DCU) 的硬件配置
PCC选用B&R 2003系统。2003系统是B&R 2000系列PCC中的一款小型的可编程计算机控制器, 采用模块式结构, 可根据不同的系统规模选用不同档次的CPU模块、电源模块、I/O模块、通讯模块和其他特殊功能模块, 以搭积木的方式即可构成一个智能控制系统的硬件平台。本控制方案选用的底板模块为BP705, CPU模块为CP474, 电源模块为PS425, 数字量输入模块为DI439.7, 数字量输出模块为DO720。
电机控制器选用B&R ACOPOS伺服驱动控制器, 型号为8V1060伺服驱动器。电机选用B&R电机, 型号为B&R 8LSA25。
3.2 门控单元 (DCU) 的电气接线原理图
如图1、图2、图3。
4 门控单元 (DCU) 的软件实现
门控单元PCC的软件实现是基于B&R Automation Studio (AS) 软件平台完成的。该平台支持梯形图LAD、指令表IL、结构文本ST、顺序功能图SFC、B&R Automation Basic (AB) 、Ansi C等6种编程语言。AS还打包提供了一些常用的以及部分特殊功能的函数库与功能块, 使得程序的开发较为便捷。
门控单元 (DCU) 的PCC采用分时多任务的操作系统, 将任务定性的分为不同的等级, 不同的任务等级设置不同的循环时间, 使任务的处理具有一定的优先级区别。对实时性要求较高的任务可设置为高等级, 相对地对时间要求没那么严格的任务可设置为较低等级的任务。这样就可保证系统对一些中断请求实时快速响应。
典型的滑动门开关门过程控制逻辑和障碍物探测控制逻辑框图见图4、图5、图6。
5 结束语
该门控单元 (DCU) 控制方案已经在地铁屏蔽门系统的样机上安装调试, 现已正常运行30几万次加速寿命试验, 运行效果良好, 精度较高, 稳定性较好。该系统可通过AS软件方便的调整系统参数, 能实时显示多组速度曲线、扭矩曲线、温度曲线, 使用方便。
摘要：本文简单介绍了地铁屏蔽门系统中门控单元的组成及功能, 实现控制的硬件配置和电气接线原理, 并给出了软件实现的逻辑框图。
关键词：地铁屏蔽门,门控单元 (DCU) ,PCC
参考文献
[1]齐蓉.可编程计算机控制器原理及应用[M].西安:西北工业出版社, 2002.
呼吸门控系统 篇5
近年来,国内外使用光动力疗法的临床研究取得长足进步,不只局限于人体外表皮肤癌的治疗,也在人体体内多器官多部位的肿瘤及癌症治疗上[1,2,3],并取得了令人鼓舞的疗效。单态氧(Singlet Oxygen1O2)已被证实是PDT中的最主要毒性物质[4]。1O2可以氧化生物分子,使之造成不可逆的损伤,同时也可以通过无辐射跃迁或辐射跃迁返回基态,辐射出特定波长1270nm的荧光。通过直接检测1O2的产量进行疗效评估的方法不仅成为PDT剂量学研究的热点,也对光探测技术研究如何能够快速、准确、可靠地检测1O2在近红外1270nm辐射微弱发光并统计其产量提出更高要求。
2 检测系统的构建
图1给出了稳态光子计数的1O2检测系统结构示意图,测试的样品经过超短脉冲激光激发后的信号,被激发而产生的光信号经光学系统到达光电倍增管H10330-45的光电阴极进行光电转换,光电转换的信号经前置放大器C6438将微弱的信号放大,经光子计数单元C9744进行信号整形。整形后的信号经可同步门控制器后送给计数板M8784进行光子计数测量。通过计算机的软件系统实时控制计数板M8784对1O2信号采集以及不同波长信号下的统计与显示。
3 可同步门控制器(TGSC)
为了尽量降低测试溶液中氧气的过快消耗,采用超短脉冲激光作为激发光源,一般将激光器的重复频率设置为12kHz。根据现有文献的检测结果,1O2的寿命在100～101μs的量级[5],83μs的脉冲间隔足够检测到完整的信号,所以选择激光器的重复频率为12kHz。通过控制M8784计数板的计数时刻与激光器同步、计数时间在1O2的寿命有效时间内可调,从而减少对光电倍增管暗背景噪声的计数来提高检测系统的信噪比。可同步门控制器由基准时钟单元、可同步计数单元、门控单元以及闸门开关单元构成,电路如图2所示。基准时钟单元由非门U1A、U1B,R1,Y1,C1以及C2器件组成,其中U1A、R1、Y1、C1、C2作为高稳定的晶体振荡电路,产生频率为1MHz,周期为1μs的基准时钟信号。可同步计数单元由带有10路译码输出的十进制计数器U2、U3,非门U1D,二输入或门U6A,R3,D1以及光源同步信号输入端子P1组成。门控单元由8位拨码开关S1、S2,非门U1C、U1E,带有置位/复位功能的D触发器U4A,R2,D2组成。S1用于设置门控信号的开始时刻T1,S2用于设置门控信号的结束时刻T2,如图3所示。S1设置T1时刻的范围为0～8μs,S2设置T2时刻的范围为10～18μs,门控信号时间为T2-T1。闸门开关单元由三态门U5A、U5B,光电倍增管计数脉冲输入端子P2,光电倍增管计数脉冲输出端子P3组成。
4 系统性能测试
实验采用了国产类光敏剂HiPorfin,测量Hi Porfin在水溶液中产生的1O2发光的光谱分辨发光光谱。选取HiPorfin溶液样品的浓度为10～40μM(对应的吸收度为0.041～0.177)。在未加入TGSC时,由于HiPorfin最佳吸收波长不在523 nm,同时在水溶液中1O2量子产率较低,所以产生的1O2发光强度较弱,信号几乎无法鉴别,数据未给出。加入TGSC后,背景计数得到了有效地抑制,信号得以有效地从背景中鉴别,其1O2发光的光谱分辨如图4所示。
5 结论
利用光电倍增管模块H10330-45和计数板卡M8784,开发出一个用于直接检测1O2的检测系统;并通过设计一个TGSC,可以实现对1O2发光信号同步选择性提取。实验选取HiPorfin作为标准样品,研究加入TGSC前后系统检测光子计数SNR的变化。实验表明,TGSC能够有效地抑制背景噪声,从而大大提高了系统光子计数的SNR,所开发的检测系统可以运用于PDT剂量学研究。
摘要：开发了一种新型可同步门控制器,用于检测在1270nm的近红外1O2发光。根据1O2在不同的环境中的时间分辨特性,采样门的位置和宽度可独立调节。使用该控制器,可有效地抑制短期和长期的背景光,显著地改善了1O2发光检测的信噪比。对于1O2发光的检测,该控制器具有潜在的应用前景。
关键词：单态氧发光,光子计数技术,可同步门控制器
参考文献
[1]邵志坚,薛平.光动力疗法及其在胆管癌治疗中的应用.肝胆胰外科杂志,2009,21(3)
[2]Nakamura H,Yanai H,Nishikawa J,et al.Experience with photodynamic therapy(endoscopic laser therapy)for the treatment of early gastric cancer.Hepatogastroenterology,2001,48(42):1599～1603
[3]Webber J,Fromm D.Photodynamic therapy for carcinoma in situ of the anus.Arch Surg,2004,139(3):259～261
[4]Weishaupt K R,Gomer C J,Dougherty T J.Identification of singlet oxygen as the cytotoxic agent in photoinactivation of a murine tumor.Cancer Res,1976,36(7):2326～2329