面向多路复用成像技术的X射线源控制系统研究

摘要

在现代社会，乳腺癌已成为威胁女性健康的重大疾病之一。为诊断和治疗这一疾病，数字乳腺断层扫描(Digital Breast Tomosynthesis，DBT)孕育而生。数字乳腺断层扫描是现有的最有效的早期检测和诊断乳腺癌的工具，并且为减少乳腺癌的死亡率做出了巨大贡献。静态数字乳腺X射线摄影技术(Stationary DigitalBreast Tomosynthesis，SDBT)使用的X射线源是碳纳米管，X射线发射模式基于多光束场致发射。
　　场致发射具有体积小，发射电流密度大，无阴极功耗，无延迟且集成度高等优点，使得其应用前景非常广阔。近年来，随着理论研究和技术的不断发展，碳纳米管作为X射线场致发射的阴极材料广泛运用。碳纳米管作为多光束场致发射X射线源控制系统阴极材料，使阴极电子发射得以控制，且无时间延迟。碳纳米管优异的场致发射性能，要求超高的电压激发碳纳米管阴极产生电子，并且满足阴极电子发射时序可控。因此，需要提供KV级超高压作为碳纳米管阴极的发射电压，以及提供高频脉冲信号，使得阴极电子在发射时序上可控。
　　由于传统CT的成像方式时间长，成像方式受CT扫描系统自身机械动作，转台速度及X射线源峰值电压的影响，后期CT投影图像重建工作复杂。
　　本文针对上述问题，提出了一种运用在静态数字乳腺断层扫描系统中的面向多路复用成像的多光束场致发射X射线场致发射控制系统解决方案。该方案的目的是为了探索该解决方案在简化DBT系统设计，减少DBT成像时间，以及研究和传统DBT成像方式相比，SDBT提高图像质量的潜在性。该解决方案选用FPGA作为系统微处理器，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作为开关电路核心器件控制X射线是否发射X射线，在IGBT发射极增加一级放大电路，将采样电阻电压放大10倍后，经过模数转换电路，通过USB2.0将数据传输到工作站，工作站计算出流经采样电阻两端电流值，并根据预设的X射线发射电流值比较后，自动补偿电压使X射线发射电流值与预设的电流值保持相当。
　　多光束X射线场致发射控制系统的FPGA主控芯片选用Altera公司生产的CycloneⅣ系列的EP4CE10E22C8N，利用FPGA丰富的逻辑资源和用户IO，完成该系统硬件模块控制，包括RS-232协议、方波信号产生、二选一模拟开关控制、LED灯控制以及模数转换模块控制。
　　本文在已搭建好的多光束场致发射X射线源控制系统的基础上，探索通讯领域的频分复用技术在静态多光束场致发射X射线源控制系统上的应用前景。将通讯领域的正交频分复用思想运用在静态数字乳腺断层扫描成像中，这就要求静态数字乳腺断层扫描系统各X射线源发射频率不一致，其发射频率呈递增模式，形成多路复用成像技术。正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)，是多载波调制技术的一个分支，其实质是将高速数据信号转换成若干信道的并行低速子数据流，将该低速子数据流调制到每个子信道进行传输。
　　经实验证明，多路复用成像技术与传统CT成像技术相比，扫描时间缩短至传统CT成像模式的N/2倍，MATLAB成功解码CT多路复用投影图像，图像均方根误差控制在0.01以内。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 课题来源

1．2 研究背景及研究意义

1．2．1 场致发射技术简介

1．2．2 碳纳米管简介

1．2．3 计算机断层扫描(CT)系统简介

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文主要研究内容及创新点

1．4．1 多光束场致发射X射线源控制系统搭建

1．4．2 电压补偿控制电路研制

1．4．3 探测器不同触发模式实现

1．4．4 多路复用成像技术实现

1．4．5 创新点

1．5 本文章节安排

第二章 多光束X射线场致发射驱动原理

2．1 多光束X射线场致发射原理

2．2 基于继电器的多光束场致发射X射线源系统结构

2．3 基于IGBT的多光束X射线场致发射系统结构

2．4 IGBT门极驱动电路规范设计

2．4．1 IGBT门极驱动要求

2．4．2 IGBT浪涌电压产生原因

2．4．3 典型过压保护电路介绍

第三章 多光束X射线场致发射控制系统硬件设计

3．1 多光束X射线场致发射控制系统硬件总体设计

3．2 FPGA系统电路

3．2．1 FPGA最小系统电路

3．2．2 外部时钟电路设计

3．2．3 复位电路

3．2．4 下载电路

3．2．5 配置电路

3．2．6 电源电路

3．3 FPGA外设接口电路

3．3．1 RS-232电平转换电路

3．3．2 USB转COM电路

3．4 光耦隔离驱动与高速IGBT开关电路

3．5 电压补偿控制电路

3．5．1 放大电路

3．5．2 模拟开关电路

3．5．3 模数转换模块

第四章 多光束X射线场致发射控制系统软件设计

4．1 系统软件总体设计

4．2 RS232通讯模块程序设计

4．2．1 RS232通信协议

4．2．2 RS-232时序设计

4．3 IGBT控制模块程序设计

4．4 探测器控制模块程序设计

4．4．1 探测器触发X射线源

4．4．2 X射线源触发探测器

4．5 模拟开关电路模块程序设计

4．6 LED指示灯程序设计

4．7 Testbench程序设计

第五章 多路复用成像研究

5．1 传统成像模式

5．2 多光束场致发射X射线源多路复用成像模式

第六章 系统性能与初步试验

6．1 系统性能指标

6．2 系统硬件性能测试

6．3 系统软件功能测试

6．4 系统图形图像处理实验

6．4．1 图像叠加实验

6．4．2 图像解码实验

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成就

攻读硕士学位期间参与科研项目

附录