选择性心血管造影是将心血管造影与导管检查相结合的一种诊断方法,它借助导管将造影剂直接快速注入选定的心腔或大血管腔,使造影剂在该处迅速达到最高浓度并 获得最好显影,可较清楚显示该部位的解剖结构或病理改变 ^[1-2]。目前,一般使用高压注射器,可保证在数秒内将造影剂集中注入患者的心血管内,高浓度充盈受检部位,以摄取对比度较好的影像 ^[3-4]。为充分显示心内结构并获得满意的高质量图像,减少成像时心脏搏动而形成的运动伪影, 还必须进行心电触发或门控,即在受检者身上安置心电电极以获取心电信号,并用此信号触发成像系统信号采集。心电触发或门控能获得心动周期预定点上的图像,同时也可作为检查时监测患者病情的一种方法 ^[5-6]。

目前,大型 C 型臂 X 线机是用于各种介入手术的主要 诊治设备 ^[7-8],但是大型 C 型臂 X 线机运输不方便,不适宜 投放到野战医院,提升中型 C 型臂 X 线机技术可以满足野 战医院开展心脏介入、周边血管封堵及战伤外科、创伤骨 科的需要。驰马特 SMC-I 中型 C 型臂 X 线机直接利用脚闸 控制高压注射器,控制比较简单;在 X 线机 PREPARE 信号给出时开始推注,会造成造影剂的浪费;依靠延时继电器调节时间,比较粗糙。虽然部分高压注射器自身具备延 时能力,但无法与 X 线机同步。为满足心脏介入的需求, 本研究在 SMC- III型 C 型臂 X 线机中引入心电门控技术, 由心电图机给出心电门控信号,医师根据患者心电图选 择延迟时间,控制信号由 X 线机给出,适时启动高压注射器。

1 设计目标

高压注射器在 X 线机连续透视和脉冲透视两种透视模式下均能工作;高压注射器控制信号可与心电监护仪输出的心电门控信号结合;也可由 X 线机给出。高压注射延时准确,延迟时间 0.1 ~ 10 s,可进一步手动调节,具有相应的语音提示。

2 系统设计

2.1 心电门控

心电门控是根据体表心电信号波形特点,利用 QRS 波峰或其他波峰触发高压注射器,其基本原理为:体表心电信号经过传感放大后,提取 R 信号电平,抑制其他波信号, 然后将整形后的 R 波 ( 方波 ) 信号转换成 RS-232信号,经心电图机串行接口输送至高压注射器驱动电路,该控制电路根据 X 线机的指令,调整延迟时间,控制高压注射器推注造影剂,心电门控系统见图1。

图 1 心电门控系统

2.2 高压注射器驱动电路时序

既往,高压注射器在 X 线机给出 PRE 信号时开始推注, 浪费造影剂剂量;目前,改进的 X 线机 COM 信号高电平期间由心电门控信号控制,其延迟时间可调节;以前靠延时继电器延时,现改用 RC 延时;当 COM 信号结束时,应给出控制信号,停用高压注射器,高压注射器驱动电路时序见图 2。

图 2 高压注射器驱动电路时序

3 硬件电路设计

3.1 电路部分

输入信号:高压注射器控制信号由 X 线机 COMMAND 信号、心电门控信号给出。可在曝光前或曝光后启动高压注射器。

来自高压注射器的准备就绪信号“INJECTOR_READY” 直接输送至 AT89C52的 P1.0脚;来自 X 线机 PREPARE 信号、COMMAND 信分别输送至 LM358的3,5脚, LM358 内部包括2个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,分别组成 2 个电压跟随器作为级间隔离,再 从 LM358的1,7脚输出, 依次输送至 AT89C52的 P1.1, P1.2 脚。

心电门控信号来自心电图机串行接口,属于 RS232 电平,需进行电平转化;实际采用 MAX232 集成电路进行转换 ^[9]。若该信号是电平信号,可直接使用,否则应用单稳 态触发器74LS123将信号展宽至0.1 s。在调试阶段,利用 555定时器构成的多谐振荡器模拟输出一个60 Hz 的心电信号至 MAX232的10脚(T2IN), 再 从7脚(T2OUT) 转 13 脚(R1IN),最后从 12 脚(R2OUT)输送至 AT89C52 的 P1.3 脚。

单片机 P1.4 的输出信号“COMMAND_OUTPUT”,P1.5 的输出信号“ECG_OUTPUT”信号分别输送至2个74HC123构 成的延时电路时间并手动调节 ^[10]。经过延迟的 COMMAND 信号“COMMAND_DELAY”和 延时后的 ECG 信号“ECG_ DELAY”分别输送至单片机的 P1.6,P1.7脚,控制高压注射器动作。

语音提示采用可编程语音芯片 PM50( 功放电路 )+ 扬声 器 (0.25 ~ 0.5 W)。输出信号:3 个输出接口(预留其他接口 2 个):高压注射器动作信号从 P2.0 输出,送往 BC856A 构 成的功率放大器,放大后通过继电器接通或关断高压注射 器。高压注射器驱动电路图见图 3。

图 3 高压注射器驱动电路图

3.2 控制部分

控制逻辑如下:(1 )加电自动运行;(2 )自动判断是否具有心电门控信号,自动选择工作方式,高压注射器可以由心电信号控制,也可以由 X 线机自行控制;(3 )等待 高压注射器准备就绪信号;(4 )等待 X 线机准备就绪信号; (5 )等待 X 线机曝光控制信号;(6 )医师根据患者的心电 图选择延迟的时间,曝光控制信号由 X 线机给出,根据心电图机心电门控信号,输出高压注射器控制信号,适时启动高压注射器。单片机控制程序采用 C 语言编写 ^[11-12]。高压注射器控制逻辑流程见图4。

图 4 高压注射器控制逻辑流程

4 总结

本设计用于移动式 C 型臂 X 线机上的高压注射器控 制器,与现有技术相比,具有以下明显的优势和有益效 果:(1 )高压注射器在 X 线机连续透视和脉冲透视两种透视模式下均能工作;(2 )高压注射器控制信号可与心电监 护仪输出的心电门控信号结合;也可由 X 线机给出,两种透视模式下均能工作;(3 )高压注射延时准确,延时时间 在0.1~10 s,可手动步进调节;(4)具有相应的语音提示。该电路及软件设计经过 Protues 和 keil c51 联调通过,可制成模块化电路单元,能够适应工业化生产要求,已加装在 SMC- III型 C 型臂 X 线机用于临床使用。

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Design of Driving Circuit for High Pressure Injector of Mobile C Arm X-ray Machine Based on ECG Gating Zhu Yuanzhong,He Wenjing(Corresponding Author). School of Medical Imaging,North Sichuan Medical College,Nanchong Sichuan 637007,China

【Abstract】 The purpose of this design is to provide a high pressure syringe controller to make the mobile C arm X-ray function meet the needs of cardiac intervention. The ECG gating technique is introduced in mobile C arm X-ray machine, so the exposure control signal is given by the X-ray machine, and the ECG gating signal is given by ECG machine, its injection delay time is determined by the physicians according to patient’s ECG, then the start the high pressure syringe will start and stop automatically according to the ECG gating signal.

【Key words】 ECG gating;C arm X-ray machine;High pressure syringe;Driving circuit