X光机语音控制系统的设计与应用

2022-09-12

在医院的治疗过程中, 很多情况 (如:介入、骨科、穿刺等手术) 需要医生和患者同时暴露在X光机的射线辐射下才能完成, 此时因为医生双手无暇顾及X光机的操作, 一般会由助手在隔间协助, 但经过统计, 约35%的医生指令未能精准的执行, 这会导致多种危害:一是多余辐射会对医患双方身体带来不必要的伤害, 这对操作大夫来说因为经常要工作在X光辐射下, 可能会产生很严重的身体损害;二是增加医生对自身健康的心理负担, 影响水平发挥;三是手术时间延长可能导致的患者生命危险和药品、物资的浪费等。此设计目的旨在让医生根据需要自己用语音精确、迅速的控制X光机的工作状态, 比如光野的精确控制可有效减少辐射伤害、减少散射线、增加图象清晰度, 恰当的曝光参数可以提高手术过程中的观察效果、提高数据采集的质量。特别是造影情况下, 手动给显影药时能有预见性的配合图像采集。因此, 尽量减少治疗工作的代价、提高工作效率是此设计的主要目的。

1 预期目的

(1) 安全性:首先加装本电路时不影响X光机原有功能和参数, 任何改变原机参数的设计都要避免;在本电路出现问题时能迅速的切换回X光机原有的功能, 不至于影响治疗工作的进行;考虑到可能的干扰因素, 其关键指令的执行应具有再次确认功能, 或者放弃关键指令的语音控制;不会对相关人员产生附加伤害。

(2) 通用性:理论上可以加装在现有的任何C臂、遥控胃肠机等设备上, 连接方式力求简单明了。同时也能更好的降低故障率。

(3) 准确性:语音指令响应率>98%, 误动作率0%, 响应时间<1S, 避免使用可能降低抗干扰能力的电路形式。

(4) 经济性:用尽可能简单的电路完成, 制作成本控制在一千元以内。

(5) 语音识别部分:目前国内外的语音识别技术发展迅速, 按算法常见有 (HMM) 隐马尔可夫大模型、人工神经网络、 (DTW) 动态时间弯曲等, 其最为引人注目的当属 (HMM) 隐马尔可夫大模型算法, 其在80年代应用于语音识别技术以来, 取得了长足的发展, 目前处于市场主流位置。现有市售语音控制模块成品, 种类繁杂, 难以尽述, 但根据需要可在以下几方面考虑选用:a.输入特定/非特定语音;b.抗干扰能力;c.存储量大小及可扩充性;d.输出/接口方式、功能;e.识别速度等。比如较为成熟的SENSORY的系列语音模块 (芯片) , 常见类型有SD (Speaker Dependent) 与SI (Speaker Independent) 。SD芯片需要使用者用自己的声音训练后使用, 识别率能达到98%, 不易受方言及环境干扰影响, 环境噪声在30分贝下, 基本上能够完全识别, 在30到45分贝的较吵的环境中, 也能保持在90%以上的识别率, 缺点是, 不同操作人员需要配置专属的芯片。SI芯片不需专门训练, 可以多人共同使用, 缺点是识别率较低, 实际测试市售的几种SI芯片, 准确率很难达到90%。所以SD芯片应为设计首选。对于多人使用的情况下, 可以让医生自己分别保存自己的专属芯片, 使用时插到主机专门设计的易插拔插槽上即可。另外, 如果需要也可按需定制专有功能的语音芯片, 提供商一般会有详细的资料提供。因为指令数量有限, 为了降低成本、简化电路结构, 实验使用的是定制的SD专用模块, 即每条语音对应一个单纯的电平输出端, 这样省略了后级接口电路的译码电路, 应用时首先训练语句如:“放线”“停线” (X光开、停的控制) ;“Y缩”“Y放”“X缩”“X放”“束放““束缩”“束停” (束光器的动作) ;“采集开始” (开始记录图象序列) 等语句, 并预先将其地址定义为相应的输出信号, 如“放线”对应于信号Xray-ON, “停线”对应信号Xray-OFF等。与此类推即可给接口电路提供相应的控制信号 (具体资料可参考相关芯片技术文档) 。

(6) X光机接口:实验时被控制机为东软NAX-800RF数字胃肠机。首先将语音芯片输出的信号根据用途做相应处理后, 用光藕器件 (如4N系列) 隔离, 然后控制模拟开关电路 (如CD4060, 4066等) 的输出脚并联到原X光机的控制电路中。例如:“放线”语音被响应后, 语音芯片输出信号一个电平信号定义为Xray-ON, 由这个电平控制RS触发器转变为置位状态, 其输出端接光藕隔离后送给模拟开关, 模拟开关输出引脚接到X光机的控制开关端, “停线”信号对应RS的复位。所有开关状态的信号均可这样处理。对于需要模拟量的信号如束光器的控制稍为复杂, 可采用脉冲或电动电位器等方法来控制。我们采用的方法之一是用继电器的常闭触点连接X光机束光器电机原电路, 当语音电路工作时, 原常闭的手动电位器连接断开, 切换到电动电位器。用语音信号控制电动电位器的运转, 如:当发出“Y缩”语音指令时, 语音模块给出相应的高电平信号, 此信号使一个RS触发器置位, 输出电平经缓冲期带动继电器来控制束光器进行光野的Y向缩小, 当视野达到需要的要求时, “束停”指令可使RS触发器复位, 束光器Y向电机停转。

(7) 安全部分:与原机连接设计为易插拔的插头形式, 如果不考虑成本可用“急停”开关加继电器阵列的方式实现物理断开, 因为电路均为控制信号, 一般不会有继电器触电粘合的情况发生;也可在Xray的输出开关电路中串联一个脚闸作为二次确认;电源使用高质量的笔记本电脑开关电源配合机内三端稳压实现, 确保与市电隔离;外壳用金属材料制作, 并可靠接地, 一定程度上帮助散热及屏蔽干扰。

2 实验结果

连接NAX-800RF数字胃肠机和OEC9800C臂机, 共计200次的实验统计出正确响应率95.5%。环境噪声的容忍度应在20分以下。误动作率1.5%处于可忍受范围之内, 远小于人工助手的失误率。响应速度<1S。使用过程中人为将本电路与X光机突然断开时, 原机未受任何影响, 实现了“热插拔”目的。