直接数字成像

直接数字成像（通用7篇）

直接数字成像 篇1

糖尿病足是临床中比较常见的一种疾病, 也是糖尿病中比较严重的并发症之一, 其主要是与患者的神经、血管病变具有一定的关系,并发机制一般为患者的下肢出现外周血管病变, 从而引发患者足部出现感染现象,严重影响了患者的生活以及工作,降低了患者的生活质量。 临床针对糖尿病足的诊断并不具有一定的准确性,因此,选择一个较为有效的方法诊断糖尿病足已经迫在眉睫,该文研究中主要针对41 例糖尿病足患者采用数字化X线直接成像(DR)诊断,将其诊断结果与手术病理诊断结果相比较,探究差异性,现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

该次研究对象从2014 年12 月—2016 年2 月于该院就诊的糖尿病足患者中选取41 例,41 例糖尿病足患者均知情同意作为研究对象,且通过伦理委员会的批准,在41 例糖尿病足患者中,男性与女性之比为29/12, 年龄跨度在43~88 岁之间, 平均年龄值为(62.98±2.69)岁。 通过手术病理诊断后,前来该院就诊的41 例糖尿病足患者均确诊为此疾病,且软组织发生改变,肿胀例数有27 例,骨质疏松例数有33 例,骨质破坏例数有17 例,骨折例数有23 例。

1.2 诊断方法

针对41 例糖尿病足患者分别采用数字化X线直接成像(DR)诊断、手术病理诊断,其中,数字化X线直接成像(DR)诊断方法主要是采用数字化X线摄影机,之后将所有糖尿病足患者的足部进行正、侧、斜位进行适当的摄片,然后将所有的图像采用组织均衡技术进行适当的处理,最后经过临床经验较多的3 名医师进行阅片,将结果进行统计分析。

1.3 观察指标

观察41 例糖尿病足患者采用数字化X线直接成像(DR)诊断后,将其诊断结果以及诊断表现与手术病例诊断结果以及诊断表象相比较,探究差异性。

1.4 统计方法

全文数据均用SPSS 17.0 统计学软件进行统计学处理,计量资料、计数资料分别采用t、χ2进行检验比较,P<0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 诊断结果

针对41 例糖尿病足患者采用数字化X线直接成像(DR)诊断后,其诊断检出例数有40 例,占总例数的97.56%(40/41),针对41 例糖尿病足患者采用手术病理诊断后, 其诊断检出例数有41l例, 占总例数的100.00%(41/41),差异无统计学意义(P>0.05)。

2.2 诊断表现

41 例糖尿病足患者采用数字化X线直接成像(DR)方法进行诊断后,其诊断表现与手术病理诊断表现相比较,差异无统计学意义(P>0.05),见表1。

注:与手术病理诊断结果相比较,P>0.05。

3 讨论

足部是糖尿病患者中比较重要的一个器官, 其主要是由于周围神经病变合并外周血管疾病所产生的一种机械压力逐渐升高[1],从而在一定的程度上引发患者的足部软组织以及骨关节系统产生了一定的破坏,最终导致患者出现足部问题, 糖尿病足是糖尿病中一种比较严重的并发症,严重降低了患者的生活质量,病情严重还会造成糖尿病患者出现死亡的威胁[2,3]。 临床早期诊断糖尿病足的诊断准确率并不是很高, 会导致出现漏诊的现象,因此,选择一个较好的方法进行糖尿病足诊断已经迫在眉睫,该文研究中主要针对41 例糖尿病足患者采用数字化X线直接成像(DR)诊断,将其诊断结果以及诊断表现与手术病理诊断结果以及诊断表现进行比较,探究其差异性。 通过该文研究结果中可以看出,针对41 例糖尿病足患者采用数字化X线直接成像(DR)进行诊断,其诊断检出率与手术病理诊断检出率相比较差异无统计学意义(P>0.05),在诊断表现的比较中,数字化X线直接成像(DR)诊断表现结果与手术病理诊断表现结果相比较,差异无统计学意义(P>0.05)。数据表示, 针对糖尿病足患者采用数字化X线直接成像(DR)进行诊断,其检出率较高,通过临床诊断表现还能够对患者的病情进行一定的分析, 从而对后续临床治疗起到一定的指导作用[4,5], 从而进一步提高患者的治疗效果,提高患者的生活质量。 数字化X线直接成像(DR)诊断方法在临床上运用较为广泛,其不仅能够通过摄影图像清晰的显示出患者的骨质异常现象, 还能够显示患者的软组织肿胀、骨质破坏情况等[6,7],从而在一定的程度上提高患者的诊断检出率。 相关资料曾经表明,软组织改变一般会呈现出无痛性肿胀现象,其主要是因为细菌深部的侵袭从而导致患者的足部发生了感染现象,在临床诊断过程中,会出现肿胀、积气等情况,因此,在针对糖尿病足患者采用数字化X线直接成像(DR)诊断方法进行诊断的过程中,其主要是通过图像中清晰的显示出这种情况下, 进而从诊断表现中判断患者是否存在糖尿病足[8]。

相关资料还曾经表示, 针对糖尿病足患者采用数字化X线直接成像(DR)方法进行诊断,其还需要根据患者的部分病情进行适当的鉴别诊断, 如痛风性关节炎等,其一般是表现为比较明显的局部疼痛等,其临床症状与糖尿病足症状相似, 但是经过数字化X线直接成像(DR)诊断即可诊断出来,类风湿性关节炎患者则是早期出现骨质疏松现象, 与糖尿病足的临床症状并不相似,但是诊断中的摄片图像具有一定的相似性[9,10],因此,需要进行适当的诊断干预。 同时,糖尿病足具有一定的特点,针对其早期进行诊断,能够起到一个早期治疗的作用, 可以在一定的程度上提高患者的生活质量, 提高患者对治疗的效果, 从而保障患者的生命安全。 同时,针对部分已经错过了早期治疗的糖尿病足患者,依旧需要进行适当的诊断,从而判断后续的治疗效果, 还可以作为判断患者足部解剖形态或功能恢复的一个比较重要的依据, 从而给临床治疗奠定一定的诊断基础,从而提高患者的治疗效果,保障患者的生命安全,提高患者的生活水平。 针对糖尿病足患者采用数字化X线直接成像(DR)进行诊断,其在软组织病变方面能够十分清晰的表现出来,即软组织逐渐增厚,软组织出现少量积气也能够比较清晰的显示出来, 其能够在一定的程度上对糖尿病足患者的情况进行适当的检出,降低漏诊以及误诊的现象。 另外,针对糖尿病足患者采用数字化X线直接成像(DR)诊断方法进行诊断,其还能够通过比较清晰的影像了解到患者下肢远端的小血管是否发生病变的情况, 从而通过图像进一步的对其进行诊断,在临床确诊的过程中,需要以3 名经验丰富的诊断检测人员进行阅片后的结果进行确定,其能够在一定的程度上保障诊断的准确性, 从而进一步为临床治疗提供诊断基础。

综上所述, 针对糖尿病足患者采用数字化X线直接成像(DR)诊断方法进行诊断,能够十分清晰的将病变组织进行一定的检出, 从而给临床治疗奠定一定的诊断基础,从而在一定的程度上提高患者的治疗效果,提高患者的生活质量,其具有较高的临床诊断价值,值得临床进一步应用以及推广。

摘要：目的 探究糖尿病足的数字化X线直接成像(DR)的诊断情况,以供临床参考以及研究。方法 该次研究对象从2014年12月—2016年2月于该院就诊的糖尿病足患者中选取41例,针对其采用数字化X线直接成像(DR)诊断,探究其诊断结果以及诊断表现与手术病理诊断的差异性。结果 通过该文研究结果中可以看出,在诊断结果以及诊断表现的比较中,数字化X线直接成像(DR)诊断与手术病理诊断情况相比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论 针对糖尿病足患者采用数字化X线直接成像(DR)进行诊断,其诊断检出率较高,可以为临床治疗奠定诊断基础,可应用以及推广。

关键词：糖尿病足,数字化X线直接成像(DR),诊断

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直接数字成像 篇2

直接热成像是一种利用调制的热能在热敏记录材料上用物理或化学方法形成可辨识图像的成像方法。当前主要的直接热成像技术包括调制热能引发记录材料上化学反应形成可见图像的直接热打印技术和染料热转印形成图像的热升华技术,相应的直接热成像材料也分为热升华成像材料和直接热敏材料;而热敏材料根据成像物质不同,有染料型热敏材料和银盐热敏材料。本论文是关于银盐直接热打印成像技术范畴,通过调制热能分布,催化银盐热还原生成银原子,进而堆积形成密度分布的化学成像方法[1]。

直接热成像材料为有机银盐配合还原剂使用[2]。 这种组合可能在合适的热源如热打印头或激光条件下产生影像。可以通过该材料得到黑白影像是因为在热能作用下,银离子与相关还原剂发生还原反应生成金属银[3],产生银影像。但银离子和还原剂的直接化学反应生成的银影像经常呈现人们不希望的黄色或黄褐色,而不是喜闻乐见的黑白色调分明的影像,不能得到理想的色调,主要原因是还原反应生成的银原子簇形貌不能达到理想的尺寸;因此, 需特定的调色剂,得到理想色调。所谓调色剂,指的是一类能够参加氧化还原反应过程,调节生成的银原子簇形貌从而改善影响色调,达到符合人们审美习惯的化合物。

2实验部分

2.1实验试剂和仪器

试验所用试剂和仪器分别见表1和表2。

2.2涂布液的制备及涂布

将一定量的山嵛酸银粉末、PVB、丁酮,充分分散后,得到山嵛酸银分散液,在搅拌的情况下,缓慢加入配方设计量的还原剂,调色剂及其它相关助剂,得到成像层涂布液。

采用特定丝棒直接将乳剂层涂布到未经任何处理的PET薄膜上,得到涂布样片,并在其上涂布护膜层以备打印性能,研究不同配方对于成像性能的影响。

3实验结果和讨论

3.1还原剂的种类选择

市场采购多种常用的用作防氧化作用的的弱还原剂,固定还原剂与银盐的摩尔比,做不同还原剂种类筛选,研究还原剂结构和成像最大密度对应关系,结果见表3:

注:还原剂:银盐 =2:1(mol 比)

表中数据表明:在相同摩尔比和受热条件下, 3,4- 二羟基苯甲腈与3,4- 二羟基二苯甲酮与Ag+ 的反应在最大密度方面具有明显优势,Dmax可达3.0以上,是比较理想的还原剂品种;因此优选还原剂3,4- 二羟基苯甲腈与3,4- 二羟基二苯甲酮作为下一步配方优化和调色剂研究的基础。

3.2调色剂的种类选择

还原剂选择3,4- 二羟基苯甲腈与3,4- 二羟基二苯甲酮,且还原剂:银盐 =2:1(mol比),对比文献报道中介绍过的不同品种调色剂的调色作用。初步结果见表4:

表中结果表明,传统调色剂在直接热成像体系中的调色作用存在显著差异性,效果比较好的是恶嗪二酮类的2H-1,3- 苯并恶嗪 -2,4 (3H)- 二酮及其衍生物和6- 甲基 -1,2,3- 氧恶嗪 -4- (3H)- 酮 -2,2- 二氧钾盐等调色剂。在热敏记录材料成像过程中,成像的机理是还原银原子簇的堆积,决定影像色调的主要因素是还原银原子簇的粒径,前人在这方面有过非常多的研究成果。所以,调色剂的作用其实主要是改变还原银原子的堆积性。

3.3还原剂用量的选择

以3.3g山嵛酸银计,调节所优选出的还原剂的用量,考察还原剂的用量对于大密度的影响。结果如下:

从表5可以看出,还原剂3,4- 二羟基苯甲腈与3,4- 二羟基二苯甲酮用量较小时,随着用量的增加,Dmax有很明显的提升,二者用量超过0.25g时,这种提升作用变得微弱;这种结果的原因推测应该是调色剂的存在改变了银离子在受热时的迁移距离,使得在显影反应发生的部位能够聚集更多量的还原银原子,提高的遮盖能力;但随着调色剂数量的增加对于银原子的竞争作用增强,反而导致密度降低。

3.4调色剂的用量选择

固定还原剂3,4- 二羟基苯甲腈与3,4- 二羟基二苯甲酮用量为0.25g/3.3g山嵛酸银,调整调色剂用量,考察调色剂用量对于样片的调色效果。

表6数据表明:随着2H-1,3- 苯并恶嗪 -2,4 (3H)- 二酮的增多,a值并无明显变化,b值有提高的趋势;随着1- 甲基 -2H-1,3- 苯并恶嗪 -2,4(3H) - 二酮的增多,a,b值均有降低的趋势;且2H-1,3苯并恶嗪 -2,4 (3H)- 二酮可造成涂布样片存放析出;随着6- 甲基 -1,2,3- 氧恶嗪 -4- (3H)- 酮 -2, 2- 二氧钾盐的增多b值有很明显的下降,但6- 甲基 -1,2,3- 氧恶嗪 -4- (3H)- 酮 -2,2- 二氧钾盐用量超过0.1g时,涂布样片成像层干燥后会有明显的颗粒析出。

综上所述,综合考虑样片成像性能及色调平衡,调色剂最终选择1- 甲基 -2H-1,3- 苯并恶嗪 -2,4(3H)- 二酮及6- 甲基 -1,2,3- 氧恶嗪 -4-(3H) - 酮 -2,2- 二氧钾盐,用量分别为0.15g/3.3g山嵛酸银及0.1g/3.3g山嵛酸银。

4结论

集成成像三维数字重构技术研究 篇3

集成成像技术除了在显示领域中应用广泛, 应用于数字重构、测量、机器视觉等领域也能起到良好的效果[6]。由于该技术通过对三维信息进行多视角获取获得元素图像阵列, 把景物的三维信息存储在这些平面二维图像之中, 因此经过一些光线追踪计算, 原三维景物可以被准确地重构出来, 实现基于多视角三维信息的三维数字重构以及三维测量, 使其在电视技术、军事、医疗、制造业等诸多领域中获得更为广泛的应用[7]。

1 统计重构法三维物体数字重构原理

对空间三维物体进行拍摄获取了元素图像阵列后, 需要对元素图像阵列进行重构计算, 从而重现景物。然而, 传统的三维物体集成成像重构算法很多都存在算法复杂的问题, 相对简单的重构算法又对元素图像阵列中各子元素图像中同名像点的坐标精度要求非常高, 应用起来都有较大缺陷[8]。针对以上问题, 将使用统计重构的方法对三维物体进行模型重构, 分析成像误差, 即各元素图像中像点坐标偏差对重构精度的影响, 发现统计重构方法对同名像点提取精度的鲁棒性很强[9]。最后以标准量块为样品, 选取4个角点作为特征点, 设计程序进行特征点的自动匹配, 并进行重构运算, 得到重构图像中特征点的精确坐标, 与标准值相比较验证重构精度[10]。

集成成像的记录过程如图1所示, 物方空间中1个3D物点O (x0, y0, z0) 经过p×q (重构空间点对应的元素图像点在第 (p, q) 个子元素图像范围) 密接记录透镜阵列D (m, n) (透镜阵列由m×n个子透镜) 记录成像后, 在元素图像阵列像面上可以得到p×q个同名像点R (m, n) 。

假设记录透镜阵列中第 (m, n) 个子透镜的空间坐标为D (m, n) (x, y, z) = (x D (m, n) , y D (m, n) , z D (m, n) ) , 它所对应的同名像点R (m, n) 的坐标为 (x R, y R, z R) , 子透镜D (1, 1) 的空间坐标为 (x (1, 1) , y (1, 1) , z (1, 1) ) , 记录透镜阵列中子透镜在x方向上的间隔为px, 在y方向上的间隔为py, 各子透镜z坐标相同。又假设记录透镜阵列中各子透镜的焦距均为f, z方向上坐标为z1, 则由高斯公式可计算出同名像点距离记录透镜阵列的距离g, 从而可以推得记录的物点O所对应的的每个同名像点R (m, n) 的空间坐标。反之, 在已知透镜阵列D (m, n) 和同名像点R (m, n) 的空间坐标的情况下, 可以利用光线追迹的方法, 反推出所记录物点O的空间坐标。

在各点坐标准确的条件下, 其中任何2个同名像点和它们所对应的记录子透镜中心的空间坐标都可以推算出待计算空间物点O, 原理是任意2个同名像点都和待计算空间物点O组成1个三角形, 而记录子透镜的中心各处于三角形的1条边上, 它们的连线与同名像点的连线平行, 由相似三角形关系容易推算出O的坐标。在记录透镜阵列和所记录的同名像点的坐标均无误差的理想情况下, 由p×q个同名像点计算得到的S个物点O (x, y, z) 应该是完全重合的。S可由公式计算得到:S= (p×q) × (p×q-1) /2, p和q为空间点对应的元素图像点。

但是, 实际情况是几乎不可能得到没有误差的坐标, 所以得到的S个结果是有一定差异的。考虑对上述O点坐标的S个重构结果进行统计分析, 可以认为S个结果中出现频率最高的那个结果为所计算物点O的空间坐标, 依次对原景物中每一个物点重复上述分析过程, 就可以得到该景物表面所有点的空间坐标, 从而实现了对景物的三维数字重构。

2 统计重构法标准量块三维数字重构

选用长度为100 mm的标准量块作为三维物体, 进行基于统计重构方法的三维数字重构的实验验证。实验使用精度为0.5μm的二维电动平台和彩色面阵电荷耦合元件 (CCD) 构建成记录相机阵列, CCD像素为1 024×768, CCD焦距为25 mm, 将标准量块放在CCD前方800 mm的位置, 采用10 mm×10 mm的扫描间隔, 进行10×10的逐个扫描, 实验装置如图2所示。扫描相机阵列记录的10×10元素图像阵列如图3所示, 将元素图像阵列导入计算机, 用MATLAB编程读入元素图像阵列, 研究自动匹配算法, 提取每个子元素图像中标准量块的4个角点作为特征点, 编写统计重构算法的程序对4个特征点进行统计重构, 得到三维重构结果。

其中自动匹配算法的编程思路和具体步骤如下:

1) 分别读入10×10个子元素图像, 由于物体较为简单, 将彩色图像对应的三维R, G, B (R代表红色, G代表绿色, B代表蓝色) 矩阵A转换成二维灰度矩阵C, 便于后续处理。

2) 将转换成的灰度矩阵C中每个像素点替换成该像素点灰度值与其上、下、左、右四邻域内的灰度值的差值的平方和, 形成新的矩阵B, 矩阵B中的像素点表示该点在其四邻域内灰度值的变化率。观察矩阵B可以发现, 背景集中或物体集中处矩阵B像素点的值较小, 背景和物体边界以及物体中灰度突变处矩阵B像素点的值较大 (基本全为255) , 边界处形成3~4行 (或3~4列) 的大像素点。这样, 矩阵B可以方便地展现出背景和物体边界以及物体中灰度突变的像素点。

3) 对矩阵B进行扫描, 在左上、右上、左下、右下4个方向分别进行扫描, 分别找到四邻域灰度变化率突增的4个提取的特征点。为了排除子元素图像中一些噪声的干扰, 寻找四邻域灰度变化率突增的点时, 根据所选物体的几何特征进行了进一步的条件设置:对左上方角点要求该点、该点正右方第20个像素点和该点正下方第20个像素点需同时大于250;对右上方角点要求该点、该点正左方第20个像素点和该点正下方第20个像素点需同时大于250;对左下方角点要求该点、该点正右方第20个像素点和该点正上方第20个像素点需同时大于250, 对右下方角点要求该点、该点正左方第20个像素点和该点正上方第20个像素点需同时大于250。经过该设置条件, 自动匹配特征点的算法精度得到大幅改善。

实验所编程序发现, 该自动匹配算法提取出的特征点的像素位置的误差在±2个像素以内, 精度基本符合要求。整个统计重构算法的程序流程图如图4所示。

在MATLAB中运行上述程序, 得到以下结果:A, B, C, D这4个特征点的X坐标、Y坐标的频率分布图如图5所示, A, B, C, D这4个特征点的面型坐标图如图6所示。

用统计重构方法对标准量块进行三维重构后, 得到量块AB边长度为124.6 mm, CD边长度为104.2 mm, 基本符合实验要求。AB边长度偏差24.6%, CD边偏差4.2%。事实上, A, C, D这3个特征点的重构偏差是较小的, 只有B点重构偏差较大, 而且从频率分布图中可以看出, B点在被统计重构时, 正确值的频率也是比较高的。造成这种统计重构偏差的原因主要是因为所使用的自动匹配算法有一定的误差, 另外, 实验中CCD的采样精度有限 (0.2 mm) 且相机阵列的横向扫描位移较大 (达到90 mm) , 这使得相机在非正拍的时候, 量块后表面的顶点干扰了拍摄结果和同名像点的提取。所以如果使用更高精度的同名像点匹配算法, 使用采样精度较高的CCD, 以上算法的精度将能够得到提高。

验证基于统计重构方法的三维数字重构只使用了较为简单的量块作为三维物体, 而且只对少数特征点进行了提取和重构。实验结果表明, 在误差允许的范围内, 基于统计重构方法的三维数字重构在精度上可以满足要求, 且对同名像点的提取误差有较强的鲁棒性。若需要重构出三维物体的所有表面物点, 只需按照上述重构特征点的方法对所有同名像点依次进行统计重构计算即可;若需要对较为复杂的三维物体进行重构, 只需使用相应的自动匹配算法, 对复杂景物中的同名像点完成自动匹配, 再按照本文所述重构特征点的方法进行统计计算, 即可完成复杂三维物体的数字重构。从理论上分析, 加上以上的实验支持, 这些需求是完全可以实现的, 但由于时间关系, 上述工作有待今后进一步完善。

3 总结

介绍了统计重构方法用于三维数字重构的基本思想, 分析了成像误差对三维重构精度的影响是非常小的, 然后以标准量块为样品验证了统计重构方法。在对标准量块进行元素图像阵列的记录后, 对得到的元素图像阵列中量块4个角点进行程序自动匹配, 用统计重构方法重构计算出标准量块的4个角点的精确坐标, 计算角点间距, 与标准值比较发现重构出的特征点坐标存在一定误差, 但在实验允许的范围之内。由此说明, 使用统计重构方法对三维物体进行三维数字重构是可行的, 且对同名像点的提取误差有较强的鲁棒性。

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直接数字成像 篇4

关键词：数字频率合成技术,设计,DDS

0 引言

近年来, 数字集成电路得到了很快的发展, 一种新的频率合成技术在此基础上诞生了。目前, 直接数字式频率合成 (DDS) 技术更是得到了大家的普遍关注。相位累加器、波形存储器、数模转换器是该技术的组成部分, 它的正弦波产生是通过数控振荡器 (NCO) 来实现的, 并且所产生的正弦波的频率 (相位) 都是可调的[5]。

1 直接数字频率合成技术的基本原理

DDS中通过一个周期TC, 相位累加器 (PD) 存储N比特的频率相位值, PC累加一次是由频率控制字K (Frequency Control Words) 来控制的, 这也意味着PD中存储了一个信号波形的相位值。K通过与2N取模即相除运算, 存储的离散二进制代码数字形式的相位值, 通过正弦函数表ROM电路转化为了相应的离散二进制代码数字量化幅度值, 再经过数模转换器把数字量化的幅度值转变为一个呈现阶梯式的模拟信号。要得到一个平滑的模拟正弦信号输出, 最后通过低通滤波器平滑作用完成整个信号波形, 这就是DDS频率合成的基本原理。由原理分析可以看出, 当PD计数大于2N时, 累加器自动溢出最高位, 保留后面的N比特数字, 存入累加器中, 即相当于做模余运算, 每2N/K个时钟周期相位累加器就溢出一次[6]。直接数字频率合成的输出频率fo是由K和fc所确定的, 其关系式如下:

当K—I时, 输出频率为最小频率输出, 则DDS的最小频率分辨率可达:

此时, DDS相当于一个小的数字分频器。当N非常大时, 即相当于累加器长度也是非常大, 这样就能够得到所要频率分辨率。由于计算所得出的K值不一定为整数, 因此存在一定的误差, 这些都属于正常范围内的。

因为正弦查询表 (ROM) 模块的容量受到限制, PD是将转化为二进制数的高位来当做寻址地址, 并把这个寻址地址送入ROM中来得到波形幅度值。通过DDS中系统时钟对正弦信号进行采样, 把这些采样点储存到ROM中, 通过改变查询表来达到各种不同的波形输出效果。

2 DDS的基本结构

DDS的核心部分包括PD、ROM、数模转换器 (DAC) 和低通滤波器 (LEE) 这4部分。下面分别对它们进行简单介绍。

2.1 相位累加器 (PD)

PD主要包括频率字寄存器和相位寄存器, 是直接数字频率合成的组成部分。PD主要作用是实现相位的累加, 得到一个数, 并把这个数存储起来。

假定PD的值为∑n, 经过一个周期之后, 所存储的结果设为∑n+1, 两者之间的关系如下:

由式 (3) 可看出, ∑n是公差为K的等差数列, 得出以下结论:

其∑0为PD的最初值。

PD主要是有N比特加法器和N比特寄存器构成, 所谓的寄存器一般是由N个D触发器所组成的。

2.2 正弦查询表 (ROM)

ROM中所保存的数据是通过相位变换, 变换成相对应的二进制数值, 从而得到正弦幅值, 由此可知, ROM所实现的功能是在某个周期内, PD通过相位变换的二进制数值通过对其高m位进行寻址, 输出的结果是在这个周期内通过相位变换得到的二进制正弦幅值序列。ROM的存储量可用表达式2m·Mbit来表示, 其中m为PD的输出位数, M为正弦查询表的输出位数。假设m=12, M=8, 通过式2m·M计算可以得出ROM的存储量为32768bit。

如果需要在DDS芯片中集成大的正弦查询表存储量, m和M值变大可以使用容量压缩, 通过这种方法可以使DDS的杂散性有所提高, 但会使成本提高, 功耗增大和可靠性下降。

2.3 数模转换器 (DAC)

DAC的作用通过转换将二进制数字信号转换成模拟信号。由于在数模转换器中所输出的信号并非连续的信号, 是以绝对分辨率为最小单位, 因此数模转换器所输出的是阶梯模拟信号。

2.4 低通滤波器 (LPF)

低通率波器的作用是将数模转换器所产生的阶梯模拟信号转化为平滑的模拟信号。

3 DDS的工作特点

通过对DDS的工作原理以及基本结构介绍, 总结出DDS具有以下几个特点。

3.1 频率分辨率高

假设K=1, 并且fc为一特定值时, 直接数字频率合成的分辨率, 主要由PD中的N决定, 当N非常大时, 可以得出很高的频率分辨精度, 这些都属于理论上得出来的。输出频点多, 可达2N个频点, 相比较而言, 传统的频率合成方法是很难达到这么高的频率分辨精度。

3.2 频率变化速度快

根据DDS的原理, 可以了解到DDS不需要通过相位反馈来实现频率合成, 所以频率的建立以及切换相对来说很快, 切换速度可以用μs来表示, 在DDS中各个部分是相对独立的。在直接数字频率合成技术中, 合成的频率所需要的时间是由几个因素来决定的。如DDS中需要数控振荡器, 组成数控振荡器的一些工艺结构会影响频率合成时间;DAC变换过程中上升沿、下降沿以及信号处理过程中的时延会给DDS频率合成时间带来影响, 数字信号处理过程中的时延与时钟周期是息息相关的。

3.3 能实现各种数字调制

因为DDS中需要的信号频率、相位、幅度都是由数字信号部分所控制, 如调频部分可以由K控制, 如果在进行CHIRP调制时, 只用在K前再加一个累加器即可;调相时在PC输出端直接加上调制信号;调幅时直接在ROM表输出端对幅度进行控制, 因此可以通过预置内部PC的初始值来精确控制输出信号。同时, DDS还可以实现PSK (phase shift keying) 、FSK (Frequency-shift keying) 等高精度的数字调制和正交调制。

3.4 集成度高

直接频率合成中低通滤波器属于模拟信号部分, 其余部分都是属于数字信号部分, 从而使系统具有集成度高、功耗低、体积小、重量轻等特点。

3.5 其他工作特点

1) 可以产生任意波形。

2) 输出相位噪声低, 对参考频率源的相位噪声有改善作用。

3) 频率切换时相位连续。

4) 可以输出宽带正交信号。

4 结语

直接数字频率合成技术是利用相位累加器存储信号的相位信息, 其信息的存储要通过频率控制字K来控制相位的累加情况, 通过正弦查询表把相位信息转化为离散的数字量幅度信息, 经过数模转换器把离散的数字量信息变换成模拟正弦量, 最后低通滤波后输出所需的频率。采用DDS频率合成技术其优点是能得到高精度的频率和相位分辨率, 能获得快速频率转换时间和低相位噪声的频率信号, 这种技术均具有结构非常简单并且集成度很高的特点

参考文献

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直接数字成像 篇5

随着电子技术的发展, 微处理器时代的到来, 数字处理技术逐步替代了模拟信号处理技术, 加快了数字信号处理技术的发展。信号发生器是测试计量、仪器仪表系统中不可或缺的测试设备, 信号处理技术的快速发展和计算机技术的不断进步, 使得信号发生器的性能指标不断提高, 功能也不断丰富, 信号源在工业生产、科研实验中获得了越来越多的应用范围, 如在电子系统、电路仿真、型号试验等一系列系统中都要用到信号发生器。信号发生器在工业现场通过模拟传感器信号调试设备, 例如模拟氧传感器、压力传感器等直流信号。

目前, 信号源主要由频率合成、信号调理、调制三大部分构成, 频率合成部分主要产生所需要的频率和波形信号;信号调理部分实现信号的幅度参数调节;调制部分负责将低频调制信号调制到射频载波的某一参数上。信号源从频率合成原理上基本分为三类:一是直接模拟合成技术;二是间接合成技术;三是直接数字合成技术。直接模拟合成技术理论相对成熟, 其频率的切换主要受限于选频电路电子开关滤波器的响应速度, 跳频速度比较快, 这类频率合成器模拟电路比较多、相对复杂。间接合成技术则是采用锁相环 (PLL) 技术, 其硬件电路的组成相对直接模拟合成方式要简单, 原理也比较复杂, 由于锁相环本身的特性, 其频率切换时间比直接数字合成慢许多。直接数字合成技术简称DDS (Direct Digital Synthesizer) 技术是一种相对较新的频率合成技术, 直接改变频率控制字就可以实现频率的切换, DDS的频率变化是瞬时的目前可以达到纳秒。本文研制的基于FPGA技术的DDS信号源就是采用的直接数字合成技术。

1直接数字合成技术的原理

直接数字频率合成技术简称DDS (Direct Digital Synthesizer) 技术是从相位概念出发的直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术。DDS是利用信号相位与幅度的关系, 对需要合成的信号波形进行相位分割, 对分割后的相位值赋予相应的地址, 然后按时钟频率以一定的步长抽取这些地址, 这样按照一定的步长抽取地址 (相位累加器值) 的同时, 输出相应的幅度样值, 这些幅度样值的包络反映了需要合成信号的波形。一个直接数字频率合成器由相位累加器、加法器、波形存储器、D/A转换器和低通滤波器构成。其中DDS的原理框图如图1所示。

DDS技术是数字控制的从一个标准参考频率源生成多种频率技术, 把一系列数字化形成的信号通过D/A转换成模拟信号的合成技术。例如正弦波的生成是通过高速存储器查找表, 利用高速D/A转换器产生已经用数字形式存入的正弦波。图1中的频率控制字和相位控制字分别控制DDS输出正余弦的频率和相位。DDS系统的核心是相位累加器, 它由一个累加器和1个N位的相位寄存器组成。每来一个时钟脉冲, 相位寄存器以步长M增加。相位寄存器的输出与相位控制字相加, 其结果作为正弦的查找表的地址, 正弦查找表由ROM构成, 内部存有完整的周期正弦波数字信息, 每个查找表的地址对应的正弦波0-2π范围内的一个相位点。查找表把输入的地址信息映射成正弦的数字幅度信号, 同时输出给模数转换器D/A, 模数转换器D/A输出的模拟信号经过低通滤波器, 可以得到一个频谱纯净的正弦波。

对这个频谱纯净的正弦信号可以用如下公式来描述:

其相位为:

显然, 该正弦信号相位和幅值均为连续, 为了便于采用数字技术, 应对连续的正弦信号进行离散化处理, 即把相位和幅值均转换为数字量。

用频率为fclk的基准时钟对正弦信号进行抽样, 这样, 在一个基准时钟周期Tclk内, 相位的变化量为:

由式 (3) 得到的为模拟量, 为了把转换为数字量, 将2π切割成2N等份作为最小量化单位, 从而得到数字量M为:

将式 (3) 代入式 (4) 得:

经变化后得:

目前, DDS技术具有超宽的相对宽带, 超高的切换速率, 超细的分辨率以及相位的连续性, 可编程、全数字化以及可方便实现各种调制等优越性能, 产生的波形信号准确、精度可靠、抗干扰性强。但存在误差大的缺点, 限于数字电路的工作速度, DDS的频率上限目前还只能达到数百兆。

2总体方案的选择

DDS信号发生器的设计方案有很多, 可以采用单片专用集成电路芯片解决, 也可以采用高速的微处理芯片来设计, 还可以采用FPGA芯片来设计, 基本的设计方案简介如下。

2.1 采用高性能的DDS集成电路方案

随着微电子技术的飞速发展, 目前高超性能优良的DDS产品不断推出, 美国AD公司也相继推出了他们的DDS系列:AD9850、AD9851、可以实现线性调频的AD9852、两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856和AD9857。AD公司的DDS系列产品已具有较高的性价比, 目前取得了极为广泛的应用。采用专用的DDS芯片AD9850来设计电路, 其典型电路如图2所示。

优点:开发周期短, 实现系统简单 (最小系统+DDS芯片) , 系统后加模拟调理电路。

缺点:国外厂商的芯片的输出指标尽管很高, 如有AD9852、AD9854, 而且实现起来比较简单, 只需送人按其指定的公式算出频率控制字即可输出波形, 但存在着功能单一的缺点。

2.2 采用FPGA芯片的DDS方案

DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。而FPGA芯片就具有速度高、规模大、可编程以及有强大EDA软件支持等特性, 十分适合实现DDS技术。Altera公司的现场可编程逻辑阵列具有高性能、高集成度和高性价比的优点, 此外它还提供了功能全面的开发工具和丰富的IP核、宏功能库等, 因此Altera公司的产品在实现DDS技术方面获得了广泛的应用。通过FPGA技术则可以根据需要灵活地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能, 具有良好的实用性。针对生成波形信号质量而言, 专用的DDS芯片采用特定的集成工艺, 内部数字信号抖动很小, 可以输出高质量的模拟信号, 但控制功能单一固定;而FPGA也能输出较高质量的信号, 而且输出信号灵活, 虽然达不到专用DDS芯片的水平, 但信号精度误差在允许范围之内。

基于DDS技术原理选用的可编程逻辑器件、D/A转换模块、外部存储模块, 通过数学函数式来生成波形信号, 电路总体结构框图如图3所示。

优点:

(1) R A M查询表法结构比较简单, 只需要在RAM中存放不同相位对应的幅度序列, 然后根据相位累加器的输出对其寻址, 经过D/A数模转换器和低通滤波器输出。

(2) 硬件实现比较容易, 可以实现任意波形的输出。

在基于DDS原理的基础上, 利用可编程逻辑芯片设计的DDS硬件电路, 同样可以达到专用的DDS芯片所产生的波形性能。因此本系统采用的方案技术是基于FPGA技术的DDS设计方案。

3硬件电路的设计

本文提出的信号源将采用方案二实现, 原理将通过直接数字合成的方式, 逐点读出波形存储器中的波形数据, 通过D/A转换器和低通滤波器后输出所需的波形, 通过改变参考时钟的频率和计数步长就可以实现频率的改变, 本系统的硬件结构框图如图3所示。

本文提出的基于FPG A技术的D D S信号源的技术方案, 由于可编程逻辑器件以其速度高、规模大、可编程及有强大的EDA软件支持特性, 十分适合实现DDS技术, 所以本系统采用Altera公司的Cyclone IV型EP4CE6F17C8作为波形生成的核心部件, 具体芯片功能的特点如下。

(1) 低功耗、高性能, 控制逻辑单元6272个, 片内电压支持3.3V, 2.5V, 内核电压1.2V。

(2) 支持多种下载方式, 支持AS、AP、PS、FPP、JTAG。

(3) FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

(4) FPGA采用高速CMOS工艺, 功耗低, 可以与CMOS、TTL电平兼容。

3.1 电源电路的设计

本系统采用的FPGA为Altera公司的Cyclone IV型EP4CE6F17C8, 该芯片的片内电压支持3.3V, 2.5V, 1.2V, 因此根据设计需要, 使用线性稳压器件AMS1117系列分别产生相应的电源电压, 供给本开发系统, 该线性稳压芯片使用简单, 纹波电压小, 对系统的干扰也小, 电源电路如图4所示。

3.2 FPGA配置电路的设计

该款FPGA芯片支持5种下载方式, 在本系统中采用JTAG下载方式, 图5中的n CONFIG、n STATUS和CONF_DONE则需要拉高, MSEL引脚不能悬空。其配置电路如图5所示。

3.3 波形生成电路的设计

波形生成电路是信号源的核心, 也是DDS技术的集中体现。这部分电路主要通过EDA软件Quartus-II12.0对FPGA编程实现。通过对FPGA内部各种逻辑电路的设计实现输出多种波形、波形个数的控制、输出信号的门控等功能, 具体模块框图如图6所示。

送数及保持模块负责接受来自CPU内核的相位步进增量, 并按一定的时序保持或传送给相位累加器, 相位累加器按时钟频率累加送来的相位步进量。由于要求每个周期采样点数不小于50个且信号频率达到1MHz, 所以相位累加器的时钟频率需达到50MHz以上, 时钟信号由锁相环通过倍频分频后提供。相位累加器的输出信号送到各波形生成电路, 通过线路选择模块可选择其中一种波形输出送给后级选择电路, 再通过线路选择模块选择普通模式、门控模式、计数模式其中的一种模式, 最后波形信号由输出级输出。

3.3.1频率控制字电路

由于相位累加器需要输入36位二进制数, 因此需要通过时序来控制扩展电路的位数。

如图7所示, 4个8位D触发器和1个4位D触发器D0~D4, D0~D4的输出端按顺序接到36位的D触发器D5上, 用写信号WR和译码器输出信号Y作为D触发器的时序信号, 当W R和译码器信号Y的一路同时为低电平时, 即D触发器时钟的上升沿到达时, P0口的数据就通过选通D触发器送出。按照这样, 将4组8位二进制数和1组4位二进制数依次送到触发器D0~D4, 当WR和译码器信号Y5同时有效时将36位数据同时送入触发器D5。

相位累加器是整个DDS系统的核心, 它设计的好坏直接影响着整个系统的功能和性能。电路如图8所示。从工作情况看, 它实际上是一个带反馈的36位加法器, 输出数据反馈到加法器的一个输入端DATAa, 在时钟的作用下与输入到另一个输入端DATAb的频率控制字K相加, 结果由输出端输出。输出结果一方面又反馈到输入端, 另一方面将为后续电路提供输入信号。DCLK为DDS系统时钟输入端, 它是由锁相环倍频分频输出提供的, OUTPUT为相位累加器的输出端, 输出值用U[35..0]表示。

3.4 模数转换电路的设计

在波形数据产生以后, 产生的数据通过D/A转换器, 将数字信号变为模拟信号, 本系统选用的数模转换器是AD公司的AD9762。AD9762是一种低功耗、12位、125Msps的高速、并行输出的模数转换器, 其相对精度为±2LSB, AD9762可采用2.7V~5.5V电源工作。由于差分信号具有抑制共模增益的作用, 信号特性更好, 所以设计采用AD8056AR运算放大器实现了差分信号转单端的电压信号。具体电路如图9所示。

4系统的软件设计

本系统初始化包括FPGA内核初始化、波形信号初始化, 如正弦波, 频率为1KHz初始值设定。系统初始化完成后通过软件对从芯片中读出的数据进行校准, 校准完成后进入键盘扫描。当检测到有按键按下时, 系统进入相应的子程序, 其主程序流程图如图10所示。

5实验结论

本系统研制的函数信号发生器可以实现双路同步数据输出, 一路TTL电平输出, 一路标准波形输出, 包括正弦波、方波、锯齿波、直流电压信号。其中正弦波最大带宽10MHz, 其它波形最大带宽100KHz, 峰-峰值1 0.4 V。本系统经计量所检定机构检测, 检定结果如下。

1.输出频率准确度, 如表1所示。

2.最大开路输出幅度 (≥10Vpp) :10.4V (峰峰值) 。

3.输出最大频响, 如表2所示。

4.正弦波失真度, 如表3所示。

5.L电平输出正常。

6.上升时间/上冲 (<100ns/2%) :64ns/0%。

其中测试的波形信号符合标准, 波形信号分别如图11正弦波、图12方波、图13锯齿波、图14直流电压所示。基于FPGA技术的DDS信号源, 通过了检定机构验证, 保证波形符合标准的基础上大胆采用一些新的设计思想, 既缩短了开发周期, 减小了电路板空间, 又节省了成本。本文研制的这款信号源将为电路设计人员调试设备、测试电路带来极大的便利。

摘要：本文利用直接数字合成技术通过一款FPGA可编程逻辑芯片实现函数信号发生器的研制, 该信号发生器是以Altera公司生产的EP4CE6F17C8芯片为设计载体, 通过DDS技术实现两路同步信号输出。通过软件QuartusⅡ12.0和Nios-Ⅱ 12.0开发环境编程, 实现多种波形信号输出, 信号具有高精度的频率分辨率能力, 最高可达36位。最后通过实验输出的波形信号符合标准。

关键词：直接数字合成技术,FPGA,信号发生器,Quartus-Ⅱ

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直接数字成像 篇6

传统的中波发射机只能播出固定的某一频率, 若改频时, 需要对许多部件重新进行调整, 以DX-200中波发射机为例, 调整的部位有预驱动驱动级、效率线圈、输出网络以及部分板卡等。由我台最新研发的一款新型直接数字驱动功放模块在电路板上将差分PECL平衡信号转换成TTL射频信号进行放大后, 可直接驱动MOS场效应管, 这样, 相对传统的中波发射机而言, 省去了预驱动、驱动级以及复杂的调谐部件, 对中波发射机的多频工作提供了现实依据。现直接数字驱动功放模块已经在我台正在研制的多频中波发射机上得到应用, 三大指标均达到甲级, 效率上优于现有的DX-200中波发射机。

2 直接数字驱动功放模块工作原理

直接数字驱动功放模块主要电路包括:射频输入转换电路、模块控制与监测、开关电源、射频隔离与驱动以及由8个MOS场效应管IRF-P460LC组成的H桥输出电路。首先模块接收外部输入的差分PECL平衡射频输入信号, 通过电路板上的平衡转不平衡电路将差分PECL信号转换成TTL信号后送至可编程逻辑电路PAL22V10, 与模块控制开关信号进行逻辑运算后, 产生5路射频信号, 即BRI_A、BRI_B、BRI_C、BRI_D、PSCLK, 其中, BRI_A、BRI_D、PSCLK与RF同向, 而BRI_B、BRI_C与RF反向。PSCLK作为开关电源的射频源送至开关电源电路, BRI_A、BRI_C同时被送入一片射频隔离芯片中。其中, BRI_A控制MOS场效应管Q1/Q3, BRI_C控制MOS场效应管Q5/Q7;BRI_B、BRI_D同时送入另一片射频隔离芯片中, BRI_B控制MOS场效应管Q2/Q4, BRI_D控制MOS场效应管Q6/Q8。如图1所示。

当模块控制信号输入为高电平时, BRI_A、BRI_D与RF同向, BRI_B、BRI_C与RF反向。因此在载波正半周时, Q1/Q3、Q6/Q8导通, 而Q2/Q4、Q5/Q7关断, 形成射频输出的正半周;在载波负半周时, Q1/Q3、Q6/Q8关断, Q2/Q4、Q5/Q7导通, 形成射频输出的负半周。因此在射频输出变压器两端产生2倍于电源电压的射频输出电压U0, 如图2所示。当模块控制信号输入为低电平时, BRI_A、BRI_B为低电平, 而BRI_C、BRI_D为高电平, 故在载波整个周期, Q1/Q3、Q2/Q4均关断, 而Q5/Q7、Q6/Q8导通, 将射频输出变压器短路, 感应电压可以通过Q5/Q7、Q6/Q8与地构成放电回路, 保护功放模块。

3 模块电路设计

3.1 射频隔离与死区保护

SI8233是Silicon Labs公司生产的专用MOS场效应管驱动器, 采用Silicon Labs公司专有的硅隔离技术, 输入/输出可提供高达5k VRMS耐压;并具有独立高边VIA和低边VIB输入;输出高边VOA与输出低边VOB的隔离度高达1500V峰值, 如图3所示。SI8233还具有高达8MHz的开关频率与4.0A峰值输出能力, 直接数字驱动功放模块作为中波频段内的功率放大器, 对于开关频率或隔离度, SI8233都能够满足要求。

SI8233还有欠压锁定 (under voltage lock out) 电路, 可以有效防止当VDDI电压低于其工作电压容许范围时, 直接数字驱动功放模块在启动或关断期间或其他干扰信号, 使得高边和低边输入同向, 从而导致场效应管IRFP460LC同时导通造成烧毁的现象。

直接数字驱动模块采用两片SI8233芯片作为射频隔离与死区保护, 从其工作原理中可知, BRI_A与BRI_C共用一片, 控制MOS场效应管Q1/Q3、Q5/Q7;BRI_B与BRI_D共用另一片, 控制MOS场效应管Q2/Q4、Q6/Q8。下面以其中一片SI8233芯片 (U1) 为例, 介绍BRI_A与BRI_C间的隔离与死区保护, 如图3所示。来自可编程逻辑器件PAL22V10输出的BRI_A、BRI_C经阻容网络分别加至SI8233的VIA、VIB输入端, BRI_A、BRI_C分别对应高边输出SIDE_A、低边输出SIDE_C, 在输出端分别设有过压保护器件15V齐纳稳压管MMSZ5245BT1/15V, 编号为CR33、CR22, 防止异常高电压将芯片击穿。由开关隔离电源输出的+VD加至U1的16脚, 为高边SIDE_A提供电源电压, 其参考地电平为-VD (悬浮高电压) 。+VA1也由开关隔离电源输出, 加至U1的11脚为低边SIDE_C提供电源, 为防止MOS场效应管垂直导通, 在SI8233的6脚外接15k电阻, 使SIDE_A、SIDE_C输出高电平时间均减少约150ns左右, 即减小它们的占空比, 从而使得场效应管栅极波形的交汇点均落在零轴上。如图4所示, Q1/Q3栅极输出波形与Q5/Q7栅极输出波形在零轴交叉, 且有68ns的保护间隔, 保证了场效应管Q1/Q3、Q5/Q7不会同时导通, 提高了直接数字驱动功放模块工作的稳定性。倘若不设置死区保护时间, 如图5所示, 则Q1/Q3与Q5/Q7的栅极波形的交汇点将落在电源电压与零轴中间的电压上, 交叠时间约为74ns, 势必造成Q1/Q3还未关断时, Q5/Q7就已经导通, 从而导致场效应管的烧毁。

3.2 电源电路设计

直接数字驱动功放模块只外接+12V及+48V电源, 通过电源变换电路将外接+12V及+48V变换成所需的所有电源, 其中+5.5V由+12V电源经LM317稳压后产生, +VA1、+VA2、+VB、+VH、+VD均由开关电源产生。开关电源主要部件包括载波四分频电路、隔离电路、开关管、高频变压器、整流电路、滤波与稳压电路组成。

3.3 功放控制与监测电路

直接数字驱动功放模块采用可编程逻辑电路PAL22V10进行监测与控制, 整个监测电路的输入信号包括射频输入RF、模块故障复位REST_L、模块开通与关断信号MEN_L、桥A输出采样信号+VH_5.1、桥B输出采样信号+VD_5.1;输出信号包括模块故障输出FLT_OUT、开关电源振荡源PSCLK、场效应管控制信号BRI_A/BRI_B/BRI_C/BRI_D、开通指示信号MON、模块故障指示FAULTLED以及模块连锁故障INTERLOCK等, 如图6所示。

PSCLK与射频信号RF同步, 其不受模块控制信号MEN_L所控制, 即模块有射频源输入就启动开关电源工作, 而场效应管控制信号BRI_A/BRI_B/BRI_C/BRI_D是由射频信号CLK与模块控制信号MEN_L共同产生。当模块控制信号MEN_L为低电平时, BRI_A、BRI_D与RF同向, BRI_B、BRI_C与RF反向, 此时模块处于开通状态, 若模块工作正常, 桥A输出采样信号+VH_5.1与桥B输出采样信号+VD_5.1均为+5.5VPP的方波信号 (电源电压为+250VDC) , 桥A输出采样信号+VH_5.1经R65与C43组成的滤波网络后送至由LM339组成的窗口比较器, 在U7的5、6脚上形成2.75V左右的直流, 由图6可知, U7的7脚输入电压为+4.4V, 4脚输入电压为+1.1V。因此, U7的5、6脚的电压介于4脚与7脚之间, 则U7的1、2脚输出高电平, 模块监测电路对桥B输出采样信号+VD_5.1与桥A一样, U7的13、14脚也输出高电平, 即模块故障输入信号MFAULT_L为高电平, 表明模块工作正常。若桥A输出采样信号+VH_5.1与桥B输出采样信号+VD_5.1中任意一个高于+8.8VPP或低于2.2VPP时, 表明模块输出不正常, 将触发窗口比较器阀值, U7输出低电平至PAL22V10, 由PAL22V10将该模块关断, 并产生一个模块故障信号送至控制器。

当模块控制信号MEN_L为高电平时, 模块处于关断状态, 此时桥A输出采样信号+VH_5.1与桥B输出采样信号+VD_5.1均为零, 而模块本身并未出现故障。为防止错误报警, 在模块关断状态下, 由PAL22V10的17脚输出一个故障屏蔽信号FLTCTL信号至窗口比较器, 这样就有一个+3V左右的电压加到U7的5、6、9、10脚, 从而达到将故障信息屏蔽的目的, 即在模块关断情况下, 不检测模块工作是否正常。

另外, 模块本身在PAL22V10内部还设有断激励保护电路, 当射频信号没有或因接触不良等问题造成CLK信号没有时, PAL22V10将使BRI_A、BRI_B输出低电平, BRI_C、BRI_D输出高电平, 从而将模块立即关断, 防止感应电压将模块烧毁。

4 在多频中波发射机中的应用

4.1 与DX发射机功率模块对比

直接数字驱动功放模块与DX中波发射机功率模块一样, 均工作在开关状态下的D类, 根据D类放大器工作原理, 模块总的耗散功率主要消耗在场效应管的上升时间与下降时间, 上升时间与下降时间越长, 场效应管上消耗的功率越大, 效率就越低。从图7可以看出, 在载波729k Hz时, DX中波发射机功率模块上升时间tr+下降时间tf=66+79=145ns, 而从图8可以看出, 直接数字驱动模块上升时间tr+下降时间tf=40+41=81ns, 因此, 直接数字驱动功放模块的耗散功率较DX中波发射机功率模块下降40%以上。

4.2 应用效果

直接数字驱动功放模块与DX中波发射机功率模块外观尺寸相同, 如图9所示, 但由于采用了耐压更高、电流更大的IRFP460LC场效应管, 且耗散功率更小, 效率更高, 因此直接数字驱动功放模块最大输出高于DX中波发射机功率模块;另外, 直接数字驱动功放模块采用单独驱动方式, 不开通时, 只需很小的驱动功率, 在载波729k Hz, 直接数字驱动功放模块所需驱动功率为40×0.24=9.6W, 在200k W时开通102块, 总的驱动功率不到为1k W;而我台载波729k Hz的DX中波发射机开通102块时, 其总的驱动功率为22×125=2.75k W, 因此, 多频中波发射机整机效率也高于DX中波发射机。

多频中波发射机已先后完成了载波630k Hz、729k Hz、981k Hz、1170k Hz等频率的调试工作, 在所有测试频率中, 其频响与杂音指标均好于DX中波发射机, 而失真与其相当, 整机效率达到90%以上, 高于DX发射机最高86%的效率。

5 总结

数字X线成像技术的新进展 篇7

1 CR技术的新进展

CR(Computed Radiography)系统近年来主要在成像板(Imaging Plate,IP)X线转换材料、扫描方式、光收集等方面有了新的进展[3,4]。

1.1 IP X线转换材料与结构

IP是成像链中与图像质量密切相关的、而且是非常重要的部分。由于新感光材料的出现,有些厂家相继在其结构上做了改进,采用针状结构(有的称聚焦荧光晶体Focused Phosphor)的荧光物质作为X线转换屏,使荧光散射现象大大地降低,转换屏的厚度比颗粒状屏增加约1倍,量子检测效率(Detective Quantum Efficiency,DQE)也增加约1倍。因而,所获取的图像的锐利度及细节分辨能力大为提高,图像质量得到了明显改善。FUJI推出透明基板的IP,实现双面读出。

1.2 IP阅读扫描方式

IP阅读扫描方式从常规飞点扫描到线扫描,是由AGFA和FUJI研制与推出了新的扫描技术。该技术是一次在IP上扫描一行,扫描时间比飞点扫描器的扫描时间短许多。它是将第二次激发光光源与图像信息收集器构为一体,称为扫描头(AGFA命名为Scan Head R)。图像信息收集器为CCD,第二次激发光光源与CCD器件分别做成1×n个阵列。有两种扫描形式:一种是扫描时IP移动,扫描头固定不动,每次读出一行图像信息,并直接成为数字信号。另一种为扫描时扫描头移动(或激光源与接收器同步移动),IP固定不动,每次读出一行图像信息。还有一种是FUJI研发的采用透明IP,扫描时,双面读出器同时同步读取图像信息,称为透明双面读出技术(Patented Dual-sided Reading technology)。该技术可使NEQ(Noise Equivalent Quanta)提高30%~40%。目前,只有FUJI使用这种技术。FUJI已成功的应用在乳腺CRX线摄影,并通过了美国FDA认证。

这种新型扫描的CR FUJI和AGFA均已有产品推出,如FUJI的VELOCITY U,AGFA的DX-S。它们的推出,将会使CR与平板DR类似地操作。FUJI的这种产品在中国已被列为CCD DR,流通量也将大为提高。

1.3 后处理软件

随着计算机技术的发展和处理算法的改进,各厂家相继推出了许多后处理软件。其中,最主要的是在提高图像细节、显示更佳解剖结构方面下了很大的功夫,共同特点是:根据不同部位自动地使每幅图像最优化(始终如一的高质量图像),也就是消除原曝光图像中过亮及过黑的区域,降低细节损失,从而提供高细节对比度、显示更佳解剖结构的、协调的图像。

另外,还有诸多专用处理软件。如FNC(Flexible Noise Control)自动噪声控制;GPR(Grid Pattern Removal)栅格消除;全腿/全脊拼接(Full Leg/Full Spine);乳腺(Mammography);放疗(Radiotherapy);牙科;能量减影(Energy Subtraction);自动质量控制(Auto QC)等。

1.4 系统空间分辨率进一步提高

由于IP的结构改进、阅读器扫描方式与精度的提高、处理软件的改善,从而使系统的空间分辨率得到了比较明显地提高。现在的通用机的空间分辨率可以达到5~7 Lp/mm,乳腺可达10 Lp/mm。

1.5 组合方式

一种是将CR与移动X线机组合为一体化的装置,已投入市场作为病房移动数字X线摄影,如由SIEMENS与锐珂医疗公司(Carestream Health)共同开发集成式数字X线成像系统CR-ITX-560或西门子MOBILETT XP CR,FUJI与HATACH共同开发的集成式数字X线成像系统FCR Go等。

一种是除了胸部外的平床式CR或类似平板DR结构的系统,这种结构目前只有FUJI与KONICA MINOLTA推出相应的产品,如FUJI的VELOCITY T,KONICA MINOLTA的REGIUS Vstage 570等。

2 非晶硅和非晶硒平板探测器数字成像的进展

非晶硅和非晶硒平板探测器数字成像系统就探测器本身而言,目前还没有什么新的进展,主要是在系统结构与处理软件上有一些新的改进。从双板结构、U或C形架结构、悬吊式X线管组件和立式胸片架组合结构、遥控多功能诊视床组合结构、胸部专用式结构到新型单板多功能以及床旁移动(如SIEMENS的MOBILETT XP Digital,GE的Definium AMX700,SHIMADZU的Mobile Da Rt)系统结构。

软件方面除了常规处理软件外,与CR一样各厂家有专用图像处理软件,如能量减影、拼接处理以及数字融合断层(Digital Tomosynthesis)软件等。

随着现代科技的发展,射频信号传输、高能蓄电技术等的突破,为平板的进一步革新带来了更多的空间。TRIXELL与SIEMENS推出了无线平板探测器,图像与控制信息的发送和接收采用无线传输方式,平板探测器中置有充电电池,充一次电可以使用100次左右。这就为移动平板数字化X线摄影搭建了友好平台,使得应用领域进一步地扩大。

3 CCD与CMOS数字成像的进展

CCD(Charge Coupled Devices)与CMOS(Complimentary Metal Oxide Semi-conductor)平面传感器成像技术主要是与碘化铯+非晶硅平板探测器一样,X线闪烁体采用了针状结构的碘化铯(Tl:Cs I或Gd SO:Tb及Gd SO:Eu),减少了光散射,提高了图像的锐利度和清晰度,采用充填系数为100%CCD芯片,像素尺寸减小、接受面积增大,从而使获取的图像信噪比增加、分辨率提高。

4 线扫描数字成像技术的进展

线扫描成像技术的进展主要有以下几个方面:

从丝正比室探测器逐渐向固态探测器方向发展(如光电二极管探测,以ADANI(NTB′s digital linescan x-ray camera DRS系列为主,CCD+CMOS探测器)。从1×N向m×N阵列发展(如8线阵或16线阵)[5],使扫描速度得到了提高,从局域扫描向全身扫描发展,特别适用于急诊患者的X线摄影,从固定分辨率向多分辨发展(如1.0~5.0Lp/mm可选择)。

5 乳腺数字成像的进展

5.1 CR在乳腺数字成像的应用

CR能否用来进行乳腺X线普查,国内外均引起了较长时间与激烈地争论,但经过对比研究,CR、DR与屏/片系统所获取的图像在乳腺诊断上没有明显地差异,所以CR是可以用来进行乳腺X线普查。特别是IP、扫描与光学收集方式的改进和提高,X线辐射剂量的降低,图像分辨率的提高,从而得到临床更进一步地应用。CR生产厂家相继推出了乳腺CR,并获得了美国FDA的认证。

5.2 数字断层合成技术

采用三维重建技术,获得感兴趣区的三维图像,从而可更好地观察到病灶与准确定位,有助于提高乳腺疾病诊断的准确率和手术定位准确率。

5.3 基于硅微带探测器数字乳腺成像技术

硅微带探测器(Silicon Microstrip Detector)是一种采用硅半导体技术的固体探测器[6]。它是间距非常小的P-N结半导体排,在反向偏压作用下,P-N结的载流子被耗尽,在耗尽区域的每一个光子反应产生一个可以被检测到的电流脉冲,由读出电路读取其电流脉冲。读出电路是由前置放大器与鉴别器和十六比特的计数器组成。当放大的信号超过鉴别器的设定的阈值时,计数器加1,即计数一个电流脉冲。

5.4 计算机辅助探测或诊断技术

数字化乳腺X线摄影推出后,CAD技术得到了广泛地应用,并成为帮助放射学医师诊断乳腺疾病的有力助手。CAD技术不仅仅在乳腺数字X线摄影中应用,已在其他部位数字X线摄影中得到应用(如胸部、腹部等),但普及推广还很遥远。

6 心血管与遥控多功能诊视成像系统的进展

6.1 探测器

无论是心血管还是遥控多功能诊视系统,已逐渐从影像增强-电视成像链向平板探测器方向发展。特别是心血管成像系统,有些厂家已淘汰了影像增强-电视成像链探测器,这是必然的趋势。

6.2 心血管机架

向4轴以上与智能方向发展,如SIEMENS最新推出的Artis zeego多功能心血管数字X线成像系统,可达8轴,智能控制,智能化程度非常高。

6.3 导管床

从简单到多功能,为了适应特殊检查,有些厂家推出了多功能导管床,除了升降、床面浮动、床面旋转,床面还可以侧向、头与脚向倾斜运动等。与多功能机架(如Artis zeego)配合使用,可以实现二者智能跟踪。

6.4 机架与导管床运动控制

机架与导管床运动控制从原来的独立按键或操作手柄到现在的多功能智能化单手柄操作控制,完全可以由手术医师随心所欲地操作,而且方便快捷。

6.5 遥控诊视床

由于平板探测器的出现与全数字化的引入,去掉了点片装置与影像增强-电视链系统,使得床面大范围升降成为可能,所以不同厂家相继推出了这类遥控诊视床,如SIEMENS的AXIOM Luminos d RF与SHIMAZD的Sonialvision Safire II,为被检者和操作人员提供了安全、简便、舒适的检查和操作环境。可以实现融合断层、拼接等功能。

6.6 图像分辨率

在探测器与强大功能软件的配合下,可以实现从采集、处理到显示2 KB的图像。各厂家相继研发了许多实时与后处理软件,使得所获取的图像在密度、空间分辨率与组织细节分辨能力得到了进一步地提高,从而输出高质量的图像。

6.7 功能软件

随着平板探测器的应用,许多CT与MR的相似功能软件被引入,比如图像融合、导航等技术,为放射介入开辟了美好前景。

7 降低被检者的X线辐射剂量

降低被检者的X线辐射剂量[7]是人们比较关注的问题,各生产厂家也都试图在硬件和软件上进行了必要地改进。在硬件上主要是提高X线的转换率或灵敏度、减少散射,尽可能地降低量子噪声与电子噪声。在软件上主要是开发优化组合的软件,提高图像细节分辨能力,有助于被检者X线辐射剂量降低。射野与遮挡调节现几乎所有厂家均采用无X线模拟调节,从而减少了被检者与工作人员的有害辐射剂量。可调脉冲透视、大容量透视存储、栅控X线管等技术的有效应用。总而言之,人们都应遵循“As Low As Reasonably Achievable”原则,以最低的X线辐射剂量,获得满足诊断要求的图像。

参考文献

[1]王希高,邢同芝,王常忠.现代医学影像技术发展及其展望[J].医学动物防制,2004,20(8):510-511.

[2]J A Rowlands.The physics of computed radiography[J].Phys.Med.Biol,2002,47(2):123-166.

[3]余厚军.数字化X线摄影新进展概要[J].中华现代临床医学杂志,2005,3(23):270-274.

[4]胡熙芳,谢维敢.医学影像数字化的发展[J].中国医学装备,2004,4(2):59-60.

[5]余厚军,于红林.线扫描直接数字化X线摄影原理与应用[J].生物医学工程与临床,2003,7(3):164-167.

[6]余厚军.乳腺X线摄影系统的发展动态[J].实用放射学杂志,2004,20(7):649-651.