技术领域
[0001] 本
发明属于X射线激发技术领域，尤其涉及一种X射线快门控制系统及方法、控制装置和应用。
背景技术
[0002] 目前，最接近的
现有技术：近几年由于纳米发光材料的快速发展，借助于可被X射线激发的纳米发光材料，X线激发
荧光成像、X线激发
光遗传学等成为新的研究热点和潜在应用方向。由于X射线的高
准直、高穿透性，可以克服激发光穿透有限和光散射的影响，对
生物深部组织区域进行激发，有利于深部组织的X线激发荧光
分子成像或X线激发光遗传学研究。当X射线为周期性发射时，进行特定模式下的荧光成像或光遗传学研究是一个重要方向。例如在光遗传学研究中，通常要改变激发源的光照
频率、脉冲宽度、光照强度等，进而探索不同光照模式下的神经功能。
[0003] 在传统临床或工业领域成像需求的驱使下，现有的X射线源主要分为四种，一种为连续式X射线源，该种类型的源输出为连续X射线，曝光时间长，使用范围最广，但是，无法输出频率可调光强，难以完成特定模式下的X线激发应用需求。第二种为摄影用X射线源，可发射脉冲X射线，但是由于存在射线上升和下降沿，导致光强不稳定，实际使用中通常采用单次曝光，较少使用周期性曝光功能。某些X射线源可兼顾以上两种功能。第三种为脉冲X射线源，具有脉冲发射功能，但是往往频率、脉宽等固定，调节不灵活，同时曝光时间较短，难以满足现实需要。第四种为新型
碳纳米管X射线源，虽然可实现较高和可调频率的射线发射，但是目前功率较小，且
信号占空比较小，光强较弱，目前应用还面临较大挑战。
[0004] 综上所述，现有技术存在的问题是：
[0005] (1)现有的连续式X射线源输出为连续X射线，无法输出频率可调光强。
[0006] (2)现有摄影用X射线源光强不稳定，实际使用中通常采用单次曝光，较少使用周期性曝光功能。
[0007] (3)具有脉冲发射功能的脉冲X射线源往往频率、脉宽等调节不灵活，同时曝光时间较短，难以满足现实需要。
[0008] (4)现有新型
碳纳米管X射线源可实现较高和可调频率发射，但是目前功率较小，且信号占空比较小，光强较弱，目前应用还面临较大挑战。
[0009] 解决上述技术问题的难度：现有的X射线源无法同时满足高功率、稳定、频率可调、长时曝光的X射线周期信号输出。传统的连续式X射线源或摄影用X射线源由于固有的射线上升沿和下降沿的存在，导致发射
时间窗内的X射线难以做到光强一致，不稳定；而市面上仅有的几款脉冲X射线源曝光时间仅几分钟，时间短且可选择性较少；碳纳米管X射线源在发射
电流很高时容易打火，目前技术难以实现较高功率。可见，克服现有技术壁垒，开发可满足以上要求的新型X射线源存在较大
瓶颈。
[0010] 解决上述技术问题的意义：周期性X射线是深部组织X线激发荧光分子成像或X线激发光遗传学研究领域面临的一个难题。在实际研究中，需要周期性X射线的参数调节灵活且性能好，包括X射线的功率要高、频率可调、光强稳定且可长时曝光，以满足不同光照模式下的研究需求，为特定X线激发模式的定制及探索相关的神经科学、
肿瘤学、代谢功能等奠定
基础。
发明内容
[0011] 针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种X射线快门控制系统及方法、控制装置和应用。
[0012] 本发明是这样实现的，一种X射线快门控制系统，所述X射线快门控制系统包括：
[0013] 初始化模
块，用于自动完成
控制器和X射线源的连接操作；并设定X射线源的
电压、电流和输出频率；
[0014] 频率自动转换模块，用于自动将X射线输出频率转换为有孔转盘转速；
[0015] 驱动信息处理模块，调用DLL库中运动函数，向控制器发送启动、速度、停止等控制指令，控制器将控制指令转换为驱动指令给
驱动器，驱动器按照指令驱动
电机旋转；同时控制X射线源的打
开关闭，联合电机带动的有孔转盘形成
指定频率下的X射线周期性
输出信号。
[0016] 本发明的另一目的在于提供一种运行所述X射线快门控制系统的X射线快门控制方法，所述X射线快门控制方法包括以下步骤：
[0017] 第一步，打开计算机和控制
软件，打开控制器、驱动器和X射线源的电源开关，控制软件界面由参数设定区和命令执行区组成；控制软件自动完成控制器和X射线源的连接操作；使用者在参数设定区设定X射线源的电压、电流和输出频率，点击命令执行区的“运行”按钮；
[0018] 第二步，X射线源按照设定的电压、电流打开，控制程序自动将X线输出频率转换为有孔转盘的转速，控制程序调用DLL库中运动函数，向控制器发送启动/停止、速度等运动相关的控制指令；控制器根据控制指令发出脉冲数等驱动指令给驱动器，驱动器
驱动电机旋转；
[0019] 第三步，在电机的带动下，有孔转盘与其同轴匀速转动，形成指定频率下的X射线周期性输出信号；
[0020] 第四步，如果需要停止X射线的输出，可点击命令执行区的“停止”按钮；
[0021] 第五步，如果需要改变X射线的强度和频率，可先执行第四步，然后重新在参数设定区设定所需参数，点击“运行”按钮即可。
[0022] 进一步，所述频率自动转换模块的转盘由两层有孔的同心圆板组成，一层铅板，一层
钢板，两层板紧密固定在一起，可同时转动，钢板比铅板略大，置于下侧。两个圆板上均有N个孔，上下两层的N个孔一一对应，且N个孔的圆心位于圆板中与其圆心相同、半径为R的圆周上，且N个孔间隔相等；孔大小与X射线源的出束口相同，半径设为r；N与R的值与X射线源的输出频率、转盘转速、开孔占空比相关。设X射线输出频率为f，单位为Hz，圆板转速为v，单位为圈/s，转盘开孔的占空比为q，则关系为：
[0023] f＝v*N；
[0024] R＝r/2/sin(πq/2N)；
[0025] X射线周期信号的输出频率由转盘转速和开孔个数决定，当开孔个数一定时，频率仅与转盘转速相关。铅板和钢板的半径需大于R+r，即转盘的半径需大于R+r。如果占空比q和开孔数N事先给定，r也已知，可求得R，由R和r得到转盘最小的半径Rmin,也可以设定q、r和R之后，反推N。
[0026] 进一步，所述频率自动转换模块的控制程序将通过计算机输入的信息转化为运动参数，通过驱动信息处理模块一方面调用DLL库中运动函数，通过控制器驱动程序向控制器发送控制指令；另一方面发送
控制信号给X射线源，完成射线源的打开、电压/电流设定及关闭操作。
[0027] 本发明的另一目的在于提供一种搭载所述X射线快门控制系统的X射线快门控制装置，所述X射线快门控制装置包括：安装架、连续式X射线源、有孔转盘、电机和驱动器、
固定板、控制器、计算机、屏蔽箱；
[0028] 连续式X射线源是X射线的产生装置，可产生连续曝光的X射线。为了输出高强度的X射线，可选择高电压、高功率的X射线源。
[0029] 安装架上安装有X射线源、固定板、电机和驱动器，X射线源的出口侧固定于安装架上，安装架上有一开孔与X射线源的出束口相匹配，射线通过开孔从上向下照射，
覆盖生物照射靶区。有孔转盘固定于电机上，其表面与安装架上下层平面平行，有孔转盘在电机的带动下旋转，产生对X射线的周期性遮挡和透过；
[0030] 电机和驱动器与有孔转盘连接，电机带动转盘旋转，电机固定于固定板上，固定板与安装架连接，有孔转盘中心通过
齿轮与电机
转子咬合，驱动器一端与电机相连，另一端通过控制线与控制器相连；控制器另一端与计算机相连；屏蔽箱的内部放置安装架。
[0031] 进一步，所述安装架由上下两层
铝合板和四根柱子组成，上层板中心
位置有一个开孔，开孔大小与X射线源的射线出束口相匹配；
[0032] 上下两层板用四根柱子连接在一起，形成一个上下面封闭、其余四面开放的长方体结构；X射线源置于上层板之上，射线由上向下照射；被照物体置于下层板之上，被X射线覆盖；
[0033] 所述有孔转盘由两层有孔的同心圆板组成，一层铅板，一层钢板，两层板紧密固定在一起，钢板比铅板略大，置于下侧。
[0034] 进一步，所述固定板为U字形铝
合金或钢结构，电机通过螺丝固定于固定板中心；固定板通过两侧的板与安装架连接，将电机
转轴位于竖直方向；
[0035] 屏蔽箱内层为铅板，外层为钢板；屏蔽箱呈长方体结构，安装架置于其内；屏蔽箱一侧可打开，用于被照物体的移动。
[0036] 本发明的另一目的在于提供一种所述X射线快门控制方法在X线激发光遗传学中的应用。
[0037] 本发明的另一目的在于提供一种所述X射线快门控制方法在X线激发光学成像中的应用。
[0038] 本发明的另一目的在于提供一种所述X射线快门控制方法在生物体深部组织研究中的应用。
[0039] 综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明利用传统的连续式X射线源和一种快门机械结构，配合软件控制，可实现高功率、稳定、频率可调、长时曝光的X射线周期信号输出，且具有成本低、结构简单、灵活可扩展的优势，用于快速发展的X线激发光遗传学或X线激发光学成像研究，特别是生物体深部组织的研究。
附图说明
[0040] 图1是本发明
实施例提供的X射线快门控制系统的结构示意图；
[0041] 图中：1、初始化模块；2、频率自动转换模块；3、驱动信息处理模块。
[0042] 图2是本发明实施例提供的X射线快门控制方法
流程图；
[0043] 图3是本发明实施例提供的X射线快门控制装置的结构示意图；
[0044] 图中：4、安装架；5、连续式X射线源；6、有孔转盘；7、电机和驱动器；8、固定板；9、控制器；10、计算机；11、屏蔽箱。
[0045] 图4是本发明实施例提供的开孔尺寸以及照射几何关系图；
[0046] 图5是本发明实施例提供的有孔转盘的结构示意图；
[0047] 图6是本发明实施例提供的关键部件连接及信号传递示意图；图中实线箭头表示接线，虚线箭头表示信号流；通过连续式X射线源联合有孔转盘的转动产生X射线周期信号。
具体实施方式
[0048] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0049] 针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种X射线快门控制系统及方法、控制装置和应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0050] 如图1所示，本发明实施例提供的X射线快门控制系统包括：
[0051] 初始化模块1，用于自动完成控制器和X射线源的连接操作；设定X射源的电压、电流和输出频率；
[0052] 频率自动转换模块2，用于自动将X射线输出频率转换为有孔转盘转速；
[0053] 驱动信息处理模块3，用于驱动控制器、驱动器和X射线源工作，根据控制指令发出驱动指令给驱动器，驱动器按照指令驱动电机旋转；同时控制X射线源的打开关闭，联合电机带动的有孔转盘形成指定频率下的X射线周期性输出信号。
[0054] 如图2所示，本发明实施例提供的X射线快门控制方法包括以下步骤：
[0055] S201：打开计算机和控制软件，打开控制器、驱动器和X射线源的电源开关，控制软件界面由参数设定区和命令执行区组成。打开软件后程序将自动完成控制器和X射线源的连接操作；使用者在参数设定区设定X射线源的电压、电流和输出频率，点击命令执行区的“运行”按钮；
[0056] S202：X射线源按照设定的电压、电流打开，控制程序自动将X线输出频率转换为转盘转速，控制程序调用DLL库中运动函数，向控制器发送启动/停止、速度等运动相关的控制指令；控制器根据控制指令发出脉冲数等驱动指令给驱动器，驱动器驱动电机旋转；
[0057] S203：在电机的带动下，有孔转盘与其同轴匀速转动，形成指定频率下的X射线周期性输出信号；
[0058] S204：如果需要停止X射线的输出，可点击命令执行区的“停止”按钮；
[0059] S205：如果需要改变X射线的强度和频率，可先执行S204，然后重新在参数设定区设定所需参数，点击“运行”按钮即可。
[0060] 如图3所示，本发明实施例提供的X射线快门控制装置包括：安装架4、连续式X射线源5、有孔转盘6、电机和驱动器7、固定板8、控制器9、计算机10、屏蔽箱11。
[0061] 安装架4上安装有X射线源5、固定板8、电机和驱动器7，X射线源5的出口一侧固定于安装架4上，X射线源5的出束口与安装架4上与其相匹配的开孔相接，有孔转盘6固定于电机的转轴上，其表面与安装架4上下层平面平行，有孔转盘6在电机的带动下旋转，产生对X射线的周期性遮挡和透过。
[0062] 电机和驱动器7与有孔转盘6连接，电机固定于固定板8上，固定板8通过两侧的板与安装架4连接，有孔转盘6中心通过齿轮与电机转子咬合，驱动器一端与电机相连，另一端通过控制线与控制器9相连；控制器9另一端与计算机10相连；屏蔽箱11的内部放置安装架4。
[0063] 在本发明的优选实施例中，安装架4：用于安装X射线源5、驱动器等关键部件和完成主要功能。安装架4主要由上下两层铝合板和四根柱子组成，上层板中心位置有一个开孔，开孔大小与X射线源5的射线出束口相匹配。上下两层板用四根柱子连接在一起，形成一个上下面封闭、其余四面开放的长方体结构，其尺寸由
视野大小和安装部件的几何尺寸决定。X射线源5置于上层板之上，射线由上向下照射；被照物体置于下层板之上，可被X射线覆盖。
[0064] 在本发明的优选实施例中，连续式的X射线源5：其是X射线的产生装置，可产生连续曝光的X射线。为了输出高强度的X射线，可选择高电压、高功率的X射线源5。X射线源5出口一侧固定于安装架4上，其出束口与安装架4上与其相匹配的开孔相接，射线通过开孔从上向下照射，覆盖生物需照射靶区。
[0065] 在本发明的优选实施例中，有孔转盘6：是产生X射线周期性信号的主要部件。其由两层有孔的同心圆板组成，一层铅板，一层钢板，两层板紧密固定在一起，钢板比铅板略大，置于下侧。两个板的厚度由X射线的
能量决定，其未开孔的地方能够吸收X射线，使其不能穿出，从而形成X射线周期信号的未输出部分。两个圆板上均有N个孔，上下两层的N个孔一一对应，且N个孔的圆心位于圆板中与其圆心相同、半径为R的圆周上，且N个孔间隔相等。孔大小与X射线源的出束口相同，半径设为r。N与R的值由X射线源的输出频率、转盘转速、开孔占空比共同决定。假设X射线信号频率为f(Hz)，圆板转速为v(圈/s)，转盘开孔的占空比为q，则其关系为：
[0066] f＝v*N；
[0067] R＝r/2/sin(πq/2N)；
[0068] 即：X射线周期信号的频率由转盘转速和开孔个数决定，当开孔个数一定时，信号频率仅与圆板转速相关。铅板和钢板的半径需大于R+r。通常占空比q和开孔数N事先给定，r也已知，可由上式求得R，由R和r得到转盘最小的半径。
[0069] 有孔转盘6固定于电机的转轴上，其表面与安装架4的上下层平面平行，在电机的带动下旋转，产生对X射线的周期性遮挡和透过。
[0070] 在本发明的优选实施例中，电机和驱动器7：用于带动有孔转盘6旋转。电机固定于固定板8上。有孔转盘6中心通过齿轮与电机转子咬合，在电机的带动下可按照设定转速旋转。驱动器一端与电机相连，另一端通过控制线与控制器9相连，接受控制器9发出的驱动信号(如脉冲、方向信号)等完成电机驱动。
[0071] 在本发明的优选实施例中，固定板8：用于固定电机。固定板8为U字形
铝合金或钢结构，电机通过螺丝固定于固定板8中心。固定板8通过两侧的板与安装架4连接，从而将电机转轴位于竖直方向。固定板8的宽度不能太大，不能遮挡安装架4上层板的X射线出束口。
[0072] 在本发明的优选实施例中，控制器9：用于控制驱动器工作。控制器9一端与驱动器相连，另一端与计算机10相连，接受
计算机程序控制，根据控制指令发出相应的驱动信号给驱动器和电机。
[0073] 在本发明的优选实施例中，计算机和控制软件：用于控制系统的工作。控制软件一方面将通过计算机10输入的信息转化为运动参数并调用DLL库中运动函数，进而调用控制器驱动程序向控制器9发送控制指令；另一方面发送控制信号给X射线源，完成X射线源的打开、电压/电流设定及关闭操作。
[0074] 在本发明的优选实施例中，屏蔽箱11：屏蔽箱11用于吸收X射线，防止射线外漏，同时保护工作人员。其内层为铅板，外层为钢板，铅板和钢板的厚度由X射线源5的能量和射线到各面的距离决定。屏蔽箱11整体呈长方体结构，安装架4置于其内。屏蔽箱11一侧可打开，用于被照物体的移动。
[0075] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
[0076] 本发明为了进行X线激发光遗传学研究，需要产生频率为10-20Hz的X射线，X射线的照射视野为40cm*40cm。为了保证X线的穿透能
力和激发效率，X线的能量和功率尽量高。本实验室现有连续式X射线源的最高能量为160keV、功率400W，X射线的有效张
角为30度，沿中心对称分布。X射线源的几何尺寸为400mm(长)*400mm(宽)*143mm(高)。基于此X射线源和频率要求设计X射线快门装置，其主要参数如下：
[0077] (1)有孔盘的厚度和尺寸：如图4所示，开孔大小需考虑X射线的有效张角、照射视野及合适的距离。为了有效利用X射线和减少距离，当照射半角为15度时，r＝d*tan(15°),d为射线源焦点与安装架上层板的距离，由源的尺寸及焦点位置确定，在本发明实施例中d为76mm，则r为20mm。
[0078] 在占空比q＝1/2,N＝4时，由R＝r/2/sin(πq/2N)得R＝51mm。如图5所示，有孔转盘的上层铅板和下层钢板的半径需大于R+r，分别设定上层铅板半径为71mm，下层钢板的半径为75mm。
[0079] 有孔转盘的厚度需考虑X射线的穿透能力，本发明实施例中X射线的最大能量为160keV，若采用铅板，当铅板厚度为8mm时，X线透过率小于1e-7，可满足射线遮挡要求。因此设定铅板厚度为8mm，钢板对铅板起到固定和
支撑作用，设定钢板厚度8mm，则有孔盘的总厚度为16mm。
[0080] (2)安装架上下
底板的距离与安装架尺寸：如图4所示，由X线张角和视野计算X射线源焦点到安装架下底板的距离最小为200mm/tan(15°)≈746mm，由于X射线源焦点与安装架上开孔的距离d＝76mm，因此上下底板的距离可设置为746-76＝670mm。安装架需能够承载X射线源，且保持有孔转盘旋转时的稳定，设置其长宽均为450mm。安装架的上层板中心处有一个半径为20mm的孔，与有孔转盘的开孔相匹配。
[0081] (3)屏蔽箱的尺寸：屏蔽箱的长宽比安装架长宽稍大即可，高度需大于X射线源高度与安装架高度之和，长宽高分别设置为460mm、460mm、900mm。屏蔽箱下底面为X线主照面，其内层铅板厚度设为8mm，钢板厚度设为2mm。屏蔽箱其余面内层铅板设为6mm，钢板厚度2mm。
[0082] (4)电机、驱动器和控制器的选择：由X线周期信号的频率f＝v*N，当f在10-20Hz时，电机频率v的范围为2.5-5Hz，即电机转速为2.5-5圈/s，据此可确定电机单位时间的脉冲数。联合考虑电机的载重和尺寸选择电机的型号和对应的驱动器及控制器。
[0083] (5)固定板：用于固定电机。固定板为U字形铝合金或钢结构，电机通过螺丝固定于固定板中心。固定板通过两侧的板与安装架连接，从而将电机转轴位于竖直方向。固定板的宽度不能太大，不能遮挡安装架上层板的X射线出束口。本发明实施例中设定固定板的宽度为14mm，长度为280mm，其中心有一开孔，用于放置电机转轴。
[0084] (6)计算机和控制软件：用于控制系统的工作。控制软件一方面将通过计算机输入的信息转化为运动参数并调用DLL库中运动函数，进而调用控制器驱动程序向控制器发送控制指令；另一方面发送信号给X射线源，完成射线源的打开、电压/电流设定及关闭操作。因此，计算机需满足控制器和X射线源的
接口要求，且有控制软件的运行环境。本发明实施例中控制器接口为PCI，X射线源的接口为串口，控制软件基于Visual C++开发环境编写。
[0085] 通过以上结构设计，组合之后可满足所有部件尺寸和照射视野要求。各关键部件的连接及信号传递如图6所示，通过控制软件输入X线输出信号的频率及X射线源的电压和功率，执行操作之后可实现所需频率和强度的X射线输出，用于X线激发光遗传研究。
[0086] 本发明实施例可以实现频率10-20Hz的周期性X射线输出，相较于脉冲式X射线源的单一频率，本实施例的X射线输出频率可以在10-20Hz间以步长1Hz灵活改变。所选连续式X射线源的电压范围为40-160kV，最高功率可达400w，且X射线源打开后可连续发出X射线，其周期性的变化是通过有孔转盘的转动形成的，与摄影用x射线源相比，不受X射线上升和下降沿的影响，强度稳定。且这种X射线源可长时曝光，至少1个小时以上，因此不受曝光时间的限制，满足长时间的研究需要。
[0087] 连续式X射线源市面上较为普遍，型号较多，本发明是基于该种类型的X射线源构建的一种X射线快门控制系统及方法、控制装置，可实现高功率、稳定、频率可调、长时曝光的X射线周期信号输出，该装置可基于手头上现有的X射线源进行改造，成本低、结构简单，改变射线源型号、有孔转盘的开孔数、厚度、控制器/驱动器型号等设计参数可实现不同频率和强度需求的周期性X射线，具有灵活可扩展的优势。
[0088] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
