Компьютерная Томография

Рентгеновские симуляторы находят применение в лечебных учреждениях онкологического профиля. Для использования симулятора как томографа необходимо при вращении излучателя и приемника (усилителя рентгеновского изображения) вокруг объекта, непрерывно записывать получаемый видеоряд изображений в ТВ- формате в память ЭВМ. Далее, путем применения специальных алгоритмов можно получить томограммы, аналогичные тем, которое получают с помощью обычных компьютерных томографов.

К недостаткам подобного метода можно отнести следующие:

- низкая скорость движения гантри (время прохода 180° составляет 20 с);

- малая угловая апертура рентгеновского пучка (около 20°), что требует применения специально разработанной методики многоцентровой съемки или ограничения области применения патологиями головы и шеи;

- отсутствие программно - аппаратных средств управления запуском и остановкой съемки с помощью платы видеоввода.

Как видно из приведенных данных, реализация режима компьютерной томографии на симуляторе позволяет получить аппарат, аналогичный томографам второго поколения.

Если первые две проблемы невозможно решить простыми средствами, то третью - синхронизацию съемки - можно. Решение этой задачи и является целью данной работы.

Рентгеновский симулятор - это аппарат для определения величины и положения (ориентации и удаления от излучателя) области патологии, а также маркирования этой области на теле пациента при планировании лучевой терапии, проводимой далее на мощных аппаратах с использованием радиоизотопов и ускорителей частиц. Симулятор также является средством контроля изменений очага заболевания в результате облучений. На основании данных этого контроля врач принимает решение об изменении параметров облучения при дальнейшем лечении.

Рентгеновское излучение, прошедшее через пациента, преобразуется с помощью усилителя рентгеновского изображения в видеосигнал и непрерывно отображается на мониторе. Затем с помощью персонального компьютера и установленной на нем платы видеобластера видеосигнал захватывается, и с определенными параметрами (такими как частота и формат кадров) записывается в память. После этого записанное изображение преобразуется по специальным алгоритмам для получения томограмм.

     Однако, в этой системе имеется существует недостаток. Симулятор изначально не предназначен для работы в режиме компьютерным томографом, а программное обеспечение видеобластера не предназначено для взаимодействия с симулятором. По этой причине оператору приходится вручную активизировать и останавливать программу захвата видеопоследовательности, когда гантри симулятора достигает определенного угла. Это приводит к заметной погрешности отработки стартового и стопового угла (порядка 10 – 15 °), что негативно сказывается на качестве получаемых томограмм.

      Задачей данного дипломного проекта является разработка программно-аппаратного комплекса для отслеживания положения гантри симулятора и активизации и остановки программы, захватывающей видеопоследовательность, при достижении определенных углов. Причем необходимо предусмотреть возможность изменения углов начала и конца захвата видеопоследовательности.

2. Анализ технического задания и разработка структурной схемы.

     Существует несколько вариантов реализации требуемого устройства. Например можно задачу отслеживания положения гантрии возложить на аппаратное обеспечение. Но при таком варианте становится затруднительным построение достаточно гибкой системы, допускающей вариации параметров начала и конца записи видеосигнала и других параметров, кроме того эта схема получится слишком сложной и дорогой. Другой путь состоит в возложении обязанностей обработки сигнала на компьютер, а аппаратное обеспечение должно лишь преобразовать сигнал в форму, удобную для использования ЭВМ, т.е. в цифровую форму. Не использовать возможности компьютера в данной ситуации для обработки информации о положении гантри симулятора было бы большой ошибкой. Во-первых компьютер уже используется для захвата видеосигнала, т.е. нет необходимости его покупать. Во-вторых осуществить цифровую обработку с помощью ЭВМ гораздо проще и дешевле (при условии, что ЭВМ есть) чем при использовании схемных решений. В-третьих в любом случае придется производить сопряжение с компьютером т.к. по другому активизировать программу для захвата видеопоследовательности не представляется возможным.

     Преобразование аналогового сигнала с датчика положения гантри (переменного резистора) в цифровой будет осуществляться с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Для этого сигнал, поступающий от датчика, сначала необходимо преобразовать в вид пригодный для использования аналого-цифровым преобразователем. После оцифровки сигнала с помощью АЦП, сигнал вводится в компьютер, где происходит его обработка. Управление аналого-цифровым преобразователем осуществляется сигналами от компьютера.

     Необходимыми узлами разрабатываемой схемы должны являться преобразователь аналогового сигнала для  подгонки его уровня под требования АЦП, а также ограничитель уровня для предотвращения превышения допустимого уровня сигнала на входе АЦП.

     Кроме этого необходимо предусмотреть схемы защиты АЦП (как правило микросхемы АЦП требуют определенного порядка подачи сигналов на входы).

     Как сказано в техническом задании, питание устройства необходимо осуществлять от источника питания симулятора, используя напряжения ±15 В. Как будет показано ниже, не все компоненты могут работать от такого источника, поэтому необходимо получить требуемые питающие напряжения из существующих.

     Исходя из вышеизложенного следует следующая структурная схема аппаратной части разрабатываемого устройства, представленная на рис 2.1.

	датчик положения           гантри симулятора

 

Персональный       компьютер

АЦП

Преобразо- вание сигнала

Ограничи-        тель уровня

	Преобразователь питающих напряжений		Устройства защиты АЦП

 Рис. 2.1 Структурная схема аппаратной части разрабатываемого устройства.

   3. Выбор способа ввода цифрового сигнала в компьютер.

     Существует несколько способов передачи цифрового сигнала от внешнего устройства в компьютер: через последовательный порт, через параллельный порт, через слот на материнской плате (ISA или PCI интерфейс), через GAME - порт. [3]

     Последовательный порт предназначен для последовательной передачи в компьютер  -  в каждый момент последовательный порт может принимать один бит информации. Максимальная скорость передачи информации составляет 115 кБод. Доступ к последовательному порту COM1 осуществляется через порты 3F8-3FF. Назначение портов следующее:

3F8  -  регистр данных, также управляет скоростью передачи данных.

3F9  - старший байт командного регистра, управляет разрешением аппаратных прерываний

3FA  -  старший байт командного регистра, управляет аппаратными прерываниями, формируемыми последовательным портом.

3FB  -  регистр управления линией.

3FC  -  регистр управления модемом.

3FD  -  регистр статуса линии.

3FE  -  регистр статуса модема.

3FF  -  регистр доступа к "Stretch Pad"

Недостатками последовательного порта являются: необходимость инициализации порта перед его использованием, установка обработчиков аппаратных прерываний для синхронной работы с внешним устройством, сложность организации интерфейса с внешним устройством, связанное с последовательной передачей данных с определенной скоростью.

     Ввод данных через слот на материнской плате является наиболее быстрым.  Однако применение этого способа целесообразно лишь для устройств предъявляющих повышенные требования к скорости передачи информации. Создание устройства, вставляемого в слот весьма затруднительно, т.к. требует полной поддержки этим устройством интерфейсов ISA и PCI. Кроме того, несмотря на повышенные возможности, возрастает и сложность программного обеспечения.

     Работа с портом джойстика является наиболее простым способом, но, естественно обладает и меньшими возможностями. Обмен данными с

GAME  -  портом осуществляется через порт с адресом 201. Через младшие 4 бита данного порта осуществляется чтение данных с внешнего устройства, 4 старших бита представляют собой триггеры, которые могут быть в одном из двух состояний  -  "включен/выключен". Видно, что возможностей этого интерфейса явно не хватает для решения поставленной задачи.

     Наиболее приемлемым представляется организация обмена данными через параллельный порт (интерфейс Centronics). Этот способ благодаря простоте сопряжения и удобству программирования широко используется для подключения к компьютеру нестандартных внешних устройств. Особенности параллельного порта описаны ниже.

                        3.1. Особенности параллельного порта.

     Основным достоинством интерфейса Centronics является его стандартность  -  он есть на каждом компьютере и на всех компьютерах работает одинакового (правда с разной скоростью). Для подключения внешнего устройства к параллельному порту не требуется открывать системный блок компьютера, что для многих пользователей может стать проблемой. Надо только подсоединить кабель к разъему на его задней стенке.

     Можно также отметить такое достоинство параллельного порта, как

простота его программирования на любом уровне. В большинстве языков программирования имеются процедуры взаимодействия в принтером, которые легко использовать и для программирования нестандартного устройства. А так как с точки зрения программирования параллельный порт представляет собой три программно доступных регистра, не вызывает затруднений и написание программ нижнего уровня. Итак данный интерфейс можно рекомендовать в первую очередь для сопряжения с компьютером относительно несложных устройств без предъявления жестких требований по скорости информационного обмена и длине линии связи.

      Однако выбор разработчиком именно этого интерфейса  для связи своего устройства с компьютером должен быть осознанным и учитывать ряд ограничений.

     Во-первых, возможности реализации различных протоколов информационного обмена с устройством через параллельный порт невелики. Действительно небольшое количество сигнальный линий интерфейса и возможности его программирования не позволяют реализовать обмен по прерываниям или прямой доступ к памяти. Практически приходится ограничиваться программно-управляемым обменом. Кроме того, так как интерфейс параллельного порта является программно-управляемым, скорость информационного обмена не может быть особенно велика и оказывается напрямую связанной с быстродействием компьютера. Поэтому не имеет смысла сопряжение через параллельный порт устройств, требующих обработки или передачи информации в реальном масштабе времени, таких как устройства ввода изображения, звуковые системы и т.д. Кроме того, зависимость скорости информационного обмена от быстродействия компьютера делает практически нереализуемыми без специальных ухищрений быстродействующие протоколы связи. Еще одной особенностью интерфейса   является отсутствие на его разъеме шин питания (есть только "земля"). Это означает, что сопрягаемое устройство должно использовать внешний источник питания. Вообще говоря на взгляд авторов, в ряде случаев это не только не является недостатком интерфейса но скорее его достоинством. Нет искушения использовать питание от компьютера, что может привести к выходу его из строя.

    В 99% компьютеров имеется только один параллельный порт к которому должен подключаться принтер. Но и это ограничение часто не является существенным. Во-первых, многие компьютеры, ориентированные на работу с внешней аппаратурой прекрасно обходятся без принтера. Во-вторых, имеется масса простых и дешевых устройств (коммутаторов) для подключения к одному параллельному порту двух устройств.

Интерфейс  и, соответственно, параллельный порт персонального компьютера ориентированы на подключение принтера. Подтверждением этому является и название сигналов интерфейса  -  AUTO FD  - автоматический перевод бумаги, PE  -  конец бумаги и т.д. Однако при разработке нестандартных устройств для подключения к параллельному порту его сигналы могут быть использованы произвольно. Все сигналы интерфейса можно разделить на четыре группы:

    1  -  восьмиразрядная шина данных для чтения и записи  (сигналы D0...D7);

    2  -  четырехразрядная шина управления для записи из компьютера (сигналы -STROBE, -AUTO FD, -INIT, и SLCT IN);                    

    3 - пятиразрядная шина состояния для чтения в компьютер (сигналы -ASC, BUSY, PE, SLCT и -ERROR);

    4  -  шина "земли".

    Все сигналы программно доступны, что позволяет реализовать произвольные протоколы информационного обмена в рамках имеющегося их набора и быстродействия компьютера.

    Ранее, на компьютерах моделей до Pentium мог быть установлен однонаправленный параллельный интерфейс. Т.е. шина данных являлась однонаправленной, что позволяло использовать ее только на вывод, для ввода данных необходимо было использовать сигналы из пятиразрядной шины состояния. В этом случае разрядность информационного обмена по чтению ограничена пятью линиями. В современных компьютерах устанавливается универсальный параллельный интерфейс, т.е. в начальных установках системы имеется опция позволяющая использовать параллельный порт как в однонаправленном (режим совместимости), так и в двунаправленном (расширенном) режиме. Это существенно увеличивает возможности параллельного порта. [4]

    Параллельный порт имеет три адреса в пространстве устройств ввода-вывода компьютера: BASE  -  регистр данных BASE+1  -  регистр состояния BASE+2  -  регистр управления    Здесь "BASE"- первый адрес порта. В компьютере может быть до трех параллельных портов  -  LPT1...LPT3. Таблица базовых адресов портов находится в области данных BIOS, начиная с ячейки 408h: LPT1 - 0:408, LPT2 - 0:40A, LPT3 - 0:40C. Если порт не установлен, то в соответствующей ячейке записан 0.

BIOS поддерживает до 3-х параллельных портов, которые определяются на этапе начального тестирования компьютера программой POST

(Power-ON-Self-Test). Номера портов и шестнадцатеричные адреса регистров приведены в таблице 3.1.

Табл. 3.1.

 Адресация регистров параллельных портов.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10