基于碳纳米管X射线源的静态数字乳腺机控制系统设计

摘要

乳腺癌是中国女性当前发病率最高的癌症，早期发现、早期诊断、早期治疗是降低乳腺癌死亡率的关键。全数字化乳腺X线摄影技术的应用，使乳腺癌病变X线征象显示清晰度有了明显的提高，从而为乳腺癌早期诊断、治疗提供依据。但是当前的数字乳腺机X射线源采用热阴极单光源，为了能够进行多视角的X射线扫描，X光源固定在旋转机架上做弧线运动进行X射线扫描。由于机械运动带来的运动伪影和热电子发射机制产生的时间延时，使得扫描图像的空间分辨率降低，扫描时间延长增加病人受辐射剂量。
　　本文针对当前数字乳腺机光源系统进行改进，采用碳纳米管阴极场发射X射线源取代传统热阴极 X射线源。相比传统热阴极X射线源而言碳纳米管 X射线源具有结构紧凑、高时间分辨率、可编程式发射等优势，因此可以采用电子式的扫描方式取代传统扫描方式，提高采集图像的空间分辨率，降低辐射剂量。本文研究的主要内容就是基于该新型X射线源对静态数字乳腺机控制系统进行设计。
　　首先对碳纳米管场发射理论以及静态数字乳腺机原理进行介绍，具体针对碳纳米管场发射三极式结构，多光束场发射 X射线源装置，以及静态扫描方式进行详细介绍。
　　然后对静态数字乳腺机控制系统软硬件进行设计，硬件电路实现31路脉冲输出，控制31个分布式碳纳米管 X光源阵列中对应的每个发射单元；并且输出一路同步触发信号，实现X光源与探测器图像采集模块同步工作。多路脉冲信号与同步触发信号通过FPGA为核心控制器的硬件电路产生。软件平台设计分为上位机软件与下位机软件，下位机软件采Quartus II开发平台，编程语言使用Verilog硬件描述语言实现31路脉冲以及一路触发信号的具体实现。上位机软件平台采用LabVIEW图形化编程工具，除了通过串口总线对下位机传递脉冲参数外，LabVIEW充分发挥虚拟仪器控制平台作用，集成控制栅极高压电源、阳极高压电源、复合真空计以及数字平板探测器四台仪器完成静态数字乳腺机多光束X射线源静态扫描以及图像采集功能。
　　最后对静态数字乳腺机控制系统中多路脉冲模块和同步触发脉冲模块进行实验验证，以及通过实验完成碳纳米管场发射性能测试和多光束静态扫描。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 乳腺X摄影技术

1.3 本文的主要研究任务

1.4 本章小结

第2章 静态数字乳腺机原理和控制系统整体结构

2.1 碳纳米管X光源系统

2.2 静态数字乳腺机控制系统整体结构

2.3 本章小结

第3章 静态数字乳腺机控制系统硬件设计

3.1 硬件需求分析

3.2 系统硬件方案选择

3.3 FPGA最小系统电路设计

3.4 外围电路设计

3.5 本章小结

第4章 静态数字乳腺机控制系统软件设计

4.1 软件需求分析

4.2 软件方案设计

4.3 下位机软件设计

4.4 上位机软件设计

4.5 本章小结

第5章 控制系统验证

5.1 多路脉冲及同步触发信号

5.2 场发射性能及成像系统

5.3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 攻读学位期间参与的科研项目

附录C 静态数字乳腺机实验样机