用於供應X‑射線管的高壓發生器和方法與流程

2023-06-13 16:08:26 2

本發明涉及快速動態的高壓生成的領域。具體地，本發明涉及用於供應X-射線管的高壓發生器和方法。

背景技術：

醫學應用中的X-射線由高壓發生器來供應。為了最小化X-射線劑量並且為了增加患者的安全性，X-射線應當僅在暴露期間被供應。只要當X-射線管在陰極被加熱的情況下被供應高壓，它們就生成輻射。

在某些應用中，柵電極用於陰極的前面，當合適的控制電壓被施加時，柵極電極切斷陰極電流。這種控制電壓的生成需要大量努力。另一選擇是關閉和打開管供應電壓。

所生成的輻射的波長取決於供應電壓。當管在60kV與140kV之間被供應時，X-射線通常被生成。然而，向管供應更低的電壓也得到輻射。這種輻射可能不是醫學過程的部分或者不是醫學成像所需要的，但是也會貢獻於患者被暴露於其的X-射線劑量。

US2002/003408A1描述了一種用於在放射線攝影系統中使用的脈衝高壓功率源，其包括高壓步進變壓器，該高壓步進變壓器具有帶有第一端和第二端的初級繞組和被連接到輻射源的次級繞組。功率源還包括被耦合到初級繞組的第一端的低電壓功率源和被耦合到初級繞組的第二端的切換電路。

US2011/0235382A1描述了一種接收DC電壓作為輸入電壓的高壓逆變器設備，其中，輸入電壓由切換元件切換以將激勵電流傳遞到多個單獨變壓器的初級側上的具有相同特性的激勵繞組從而同時激勵這些激勵繞組。

US6,900,557B1描述了一種緊湊變壓器耦合的調製器。該調製器包括變壓器，該變壓器包括初級繞組和多個次級繞組，其中，每個次級繞組具有輸出端子。

US20010008552A1描述了一種X-射線計算機斷層掃描裝置中的高壓變壓器，其同時執行功率的增加和非接觸傳輸並輸出用於使X射線在可轉動機架區段處被生成期望的高壓。

WO2006/079985A2描述了一種包括DC電壓源、控制單元和多個高壓信道的功率源。每個高壓信道包括逆變器、諧振電路、變壓器單元和整流器。

US20080187104A1描述了一種x-射線成像裝置，該x-射線成像裝置在構造上具有以下特徵：被密封地接納在充滿油的外殼零件內的DC-AC轉換零件、高壓變壓器、AC-DC轉換零件和X-射線管。

US20130163726A1描述了一種X-射線設備，其被配置為由多個壓力提升單元、切換單元和切換控制單元形成。多個壓力提升單元被連接到電池單元並生成直流電壓。

EP0946082A1描述了一種可攜式x-射線系統，其包括：x-射線源；用於供應輸入電壓的內部功率源；以及處於功率源與x-射線源之間的電氣連接中的電壓轉換器。

技術實現要素：

可能存在對改善用於X-射線管的高壓生成的需要。這些需要由本發明的獨立權利要求的主題來滿足。本發明的進一步示例性實施例從從屬權利要求和以下描述中顯而易見。

本發明的一方面涉及一種用於供應X-射線管的高壓發生器，所述高壓發生器包括：電壓調節器設備，其被配置為提供DC電壓；多數N個發生器設備，其被耦合到所述調節器設備，並且所述多數N個發生器設備均包括開關模式的功率電路(例如全橋)，並且所述多數N個發生器設備均被配置為利用所提供的DC電壓來提供波形樣式；以及多數N個變壓器設備，其被耦合到所述發生器設備，所述多數N個變壓器設備中的每個由所述N個發生器設備中的一個來供應，並且所述多數N個變壓器設備被配置為藉助於所提供的波形樣式來提供高壓輸出樣式並且還被配置為所述N個變壓器設備的串聯連接，藉此所有提供的高壓HVOP都被相加，由此在所述X-射線管中產生更高的電壓(THV)，並且其中，所述多數N個發生器設備中的每個被配置為提供所述波形樣式(WP)，所述波形樣式(WP)被調整以產生實質上平坦脈衝形狀的脈衝作為所述高壓輸出樣式(HVOP)、作為所述N個變壓器設備中的每個的輸出，其中，所述平坦脈衝形狀的脈衝藉助於雙脈衝/最小時間控制來實現。

本發明的另外的第二方面涉及一種醫學成像系統，其包括根據第一方面或根據第一方面的任何實施方式的高壓發生器、以及X-射線管。

本發明的另外的第三方面涉及一種用於供應X-射線管的方法，所述方法包括以下步驟：藉助於電壓調節器設備提供DC電壓；藉助於發生器設備利用所提供的DC電壓來提供波形樣式；以及藉助於變壓器設備使用所提供的波形樣式來提供高壓輸出樣式。

本發明提供了用於快速動態的高壓生成的手段。

本發明有利地提供了一種高壓發生器，其能夠供應具有非常快的轉變的高壓脈衝，這意味著因此，X-射線管能夠被直接連接到高壓發生器而無需柵極開關。

本發明有利地提供了多個高壓變壓器和其各自的功率源或波形發生器。

本發明有利地使用特殊控制技術來向X-射線管供應平坦電壓，例如最小時間或雙脈衝控制。取決於所供應的X-射線管，可能會需要高壓/高電流整流任務的一組二極體(例如高壓二極體)以防止向管供應負電壓。

通過分析狀態空間中的軌跡由此導出合適的控制動作的對，最小時間控制或雙脈衝控制實現了最快轉變。假設對多個變壓器、發生器和X-射線管進行建模的等效電路能夠通過LC諧振電路來近似，狀態空間中的軌跡近似為橢圓形(在使用適當的縮放係數的情況下為圓周)。在這樣的情況下，狀態空間中的軌跡是如圖5中描繪的那樣。在時域中，電壓(實線)和電流(虛線)是如圖6中描繪的那樣。

通過使用適當的控制動作的對，電流和電壓兩者同時到達所要求的值，由此實平坦脈衝。例如，第一轉變以在值0(圖5的狀態空間中的中心)處的電流和電壓兩者開始；當第一控制動作被應用時，電壓和電流兩者然後開始減小(變為負，狀態空間中的逆時針旋轉)；然後，第二控制動作被應用；在第二控制動作期間，電壓進一步減小，但是電流增加。如果控制動作被適當地定時，電壓和電流兩者將會同時到達目標值(在這種情況下，-60kV和0A)；然後，穩定的控制動作能夠被應用。假設電壓和電流兩者匹配穩定值，它們都不再改變其值，並且因此平坦脈衝被生成。

實現變壓器的次級端中的平坦脈衝的這些控制動作的對被計算為變壓器的初級端中的脈衝的對。這被稱為雙脈衝控制。在圖7中圖示了對應於圖5和6的兩個的整個序列。

每次轉變能夠使用多於兩個控制動作，以便限制一些變量(例如電流)的值。因此，術語雙脈衝控制可以覆蓋多於兩個控制動作：例如額外的脈衝。在轉變中也能夠使用不同的電壓水平。

波形發生器可以從DC功率源被供應，通常為幾百伏，例如在12V與1200V之間。

本發明提供了模塊化構思，其能夠被實施為具有僅一個變壓器和一個波形發生器或具有多個變壓器和波形發生器，其中，變壓器和波形發生器的多重性可以是不同的種類。

根據本發明的示例性實施例，所電壓調節器設備包括高壓和高功率電池。所述電壓調節器設備可以包括高壓和/或高功率電池以在不可靠的電網或甚至離網下運轉，從而從電池部分地供應X-射線管。這有利地允許在電功率的情況下對高壓發生器的可靠且充足的供應。

根據本發明的另一示例性實施例，所述電壓調節器設備被配置為提供提供(相較於輸出電壓的)DC低電壓，對於普通應用通常在+/-12V至+/-1200V的範圍內。

根據本發明的示例性實施例，所述電壓調節器設備包括半橋電路或全橋電路或增壓轉換器電路或功率轉換器電路。全橋轉換器有利地提供了高輸出功率和高效設計，並且提供了增加的功率輸出。

根據本發明，所述高壓發生器包括多數N個發生器設備和N個變壓器設備，所述N個變壓器設備中的每個由所述N個發生器設備中的一個來供應。這有利地提供了用於製造高壓發生器的模塊化方法。類似的電路可以用來建立電壓發生器。

根據本發明的示例性實施例，所述高壓發生器包括三個發生器設備和三個變壓器設備，所述三個變壓器設備中的每個由所述三個發生器設備中的一個來供應。這有利地提供用於製造高壓發生器的模塊化方法。

根據本發明的示例性實施例，所述N個變壓器設備中的每個或所述三個變壓器設備中的每個包括所述高壓輸出樣式的不同最大幅度。這有利地增加了用於X-射線管的可能供應電壓水平的數量。

根據本發明的示例性實施例，所述三個變壓器設備中的第一變壓器設備被配置為提供具有+/-60kV的幅度的波形樣式，所述三個變壓器設備中的第二變壓器設備被配置為提供具有+/-30kV的幅度的波形樣式，並且所述三個變壓器設備中的第三變壓器設備被配置為提供具有+/-30kV的幅度的波形樣式。

這有利地提供了用於根據變化的需要和要求來調整所生成的電壓的幅度的手段。

根據本發明的示例性實施例，所述三個變壓器設備中的每個變壓器設備被配置為提供具有+/-40kV的幅度的波形樣式。這有利地提供了用於根據變化的需要和要求來調整所生成的電壓的幅度的手段。

根據本發明，所述發生器設備或所述多數N個發生器設備中的每個被配置為提供所述波形樣式，所述波形樣式被調整以產生實質上平坦脈衝形狀的脈衝作為高壓輸出樣式、作為所述變壓器設備的輸出或作為所述N個變壓器設備中的每個的輸出。

根據本發明，所述發生器設備或所述多數N個發生器設備中的每個被配置為提供雙脈衝/最小時間控制。

根據本發明的另一示例性實施例，所述高壓發生器還包括反極性保護二極體，所述反極性保護二極體被配置為提供針對極性相反的保護。這有利地允許保護所供應的X-射線管。

執行本發明的方法的電腦程式可以被存儲在計算機可讀介質上。

計算機可讀介質可以是軟盤、硬碟、CD、DVD、USB(通用串行總線)存儲設備、RAM(隨機存取存儲器)、ROM(只讀存儲器)和EPROM(可擦可編程只讀存儲器)。計算機可讀介質也可以是允許下載程序代碼的數據通信網絡，例如網際網路。

本文中描述的方法、系統和設備可以在數位訊號處理器DSP中、在微控制器中或在任何其他副處理器中被實施為軟體，或者在專用集成電路ASIC中被實施為硬體電路。

本發明的設備能夠被實施在數字電子電路中、或在計算機硬體、固件、軟體中、或在其組合中(例如在醫學成像設備的可用硬體中或在專門用於處理本文中描述的方法的硬體中)。

附圖說明

通過參考不是按比例繪製的以下示意性附圖將會更清楚地理解本發明的更完整認識和其伴隨的優點，其中：

圖1示出了根據本發明的示例性實施例的用於供應X-射線管的高壓發生器的示意圖；

圖2示出了根據本發明的另一示例性實施例的用於供應X-射線管的高壓發生器的示意圖；

圖3示出了系統根據本發明的另一示例性實施例的醫學成像系統的示意圖；

圖4示出了根據本發明的另一示例性實施例的用於供應X-射線管的方法的流程圖的示意圖；

圖5示出了在變壓器的次級端處的電壓V對比電流I的狀態空間圖；

圖6在時域中示出了圖5的示意圖的對應信號；以及

圖7示出了變壓器的初級端中的時域中的對應信號。

具體實施方式

附圖中的圖示是純粹示意性的，並不意圖提供縮放關係或尺寸信息。在不同的附圖中，類似的或相同的元件被提供有相同的附圖標記。一般地，相同的零件、單元、實體或步驟在說明書中被提供有相同的附圖標記。

圖1示出了根據本發明的示例性實施例的用於供應X-射線管的高壓發生器的示意圖。

高壓發生器可以包括電壓調節器設備100-1、多個發生器設備100-2和多個變壓器設備100-3。

圖2示出了根據本發明的另一示例性實施例的用於供應X-射線管的高壓發生器的示意圖。高壓發生器100可以包括僅一個發生器設備100-2和僅一個變壓器設備100-3，這種情況未示出在圖2中，在圖2中示出了N個發生器設備100-2和N個變壓器設備100-3，其中N可以指的是任何自然數，例如範圍從2到30、或從2到10，數值可以通過電壓調節器設備100-1的應用來確定。

電壓調節器設備100-1可以被配置為提供DC電壓DCV。發生器設備100-2可以被耦合到調節器設備100-1，並且可以包括橋電路100-2A，並且可以被配置為利用所提供的DC電壓DCV來提供波形樣式WP。

變壓器設備100-3可以被耦合到發生器設備100-2，並且可以被配置為藉助於所提供的波形樣式WP來提供高壓輸出樣式HVOP。

如圖2所示，本發明具有模塊化方案。其能夠被實施為具有僅一個變壓器和一個波形發生器或具有不一定相同的N個變壓器或N個波形發生器。變壓器和發生器的合理選擇將會是使用三個變壓器和三個波形發生器。根據本發明的另一實施例，一個發生器和一個變壓器可以被使用。

高壓發生器可以包括供應恆定DC電壓的電壓調節器設備100-1，通常對於基於矽-MOSFET的開關大約400V或對於基於碳化矽的開關或SI-IGBTs大約1kV。

電壓調節器設備100-1可以供應N個全橋轉換器，其中的每個供應變壓器設備100-3。多於一個100-1發生器也能夠被使用。

在次級側中，這些變壓器100-3都被串聯連接，如在圖2中描繪的。兩個剩餘端中的一個被接地，而另一個被連接到X-射線管200，向X-射線管200供應高壓THV，其是所有串聯連接的變壓器100-3的總和。高壓THV取決於所提供的高壓輸出樣式HVOP的總和。

取決於X-射線管200，二極體或多個二極體100-4可以用來防止以相反極性供應管。高壓發生器100的操作通過發生器設備100-2的波形發生器中的適當控制動作(例如通過雙脈衝控制)來執行。

由於初級側中的適當脈衝樣式，所有次級側中的電壓波形都是具有相等長度的實質上平坦脈衝，通常為預磁化脈衝、暴露脈衝和去磁化脈衝。

根據本發明的示例性實施例，應用於高壓輸出樣式HVOP和高壓THV的脈衝樣式的實質上平坦脈衝的長度或持續時間可以在10至10.000μs的範圍內。

本發明所使用的術語「實質上平坦脈衝」可以指的是小於10％或小於5％的電壓水平的變化。

由於變壓器設備100-3的串聯連接，所有提供的高壓HVOP都被相加，由此在X-射線管中產生更高的電壓、高壓THV。

變壓器設備100-3可以具有高匝比，以將電壓從幾百伏提高到幾十千伏。然而，變壓器的匝比不一定相同，並不是它們都必須總是被操作。

根據本發明的示例性實施例，不同能量的X-射線能夠被生成，例如如果使用三個變壓器，則它們可以提供其輸出電壓的任意和，例如如果三個高壓輸出樣式HVOP具有60kV、30kV和30kV的最大幅度，則60kV、90kV和120kV的暴露作為高壓THV是可能的。

如果高壓輸出樣式HVOP被設定為40kV的三倍，80kV和120kV的暴露電壓作為高壓THV是可能的。

指示的高壓輸出樣式HVOP的任意縮放能夠通過調節電壓調節器設備100-1的輸出電壓來實現，例如輸出電壓是波形樣式WP的最大幅度。據此，任何電壓水平的脈衝暴露作為高壓THV都能夠被實現。

高壓發生器100可以用於任何基於X-射線的應用，諸如單幅圖片，例如放射線攝影術或CV。

圖3示出了根據本發明的另一示例性實施例的醫學成像系統的示意圖。

醫學成像系統1000可以包括用於供應X-射線管200的高壓發生器100。醫學成像系統1000可以是X-射線計算機斷層掃描系統、放射線攝影系統、連續掃描數字放射線攝影系統、或任何其他種類的X-射線醫學成像系統。

圖4示出了用於供應X-射線管的方法的流程圖的示例性實施例。該方法可以包括以下步驟。作為該方法的第一步驟，執行藉助於電壓調節器設備100-1提供S1DC電壓DCV。

作為該方法的第二步驟，可以執行藉助於發生器設備100-2利用所提供的DC電壓DCV來提供S2波形樣式WP。

作為該方法的第三步驟，可以執行藉助於變壓器設備100-3利用所提供的波形樣式WP來提供S3高壓輸出樣式HVOP。

圖5示出了在變壓器的次級端處的電壓V對比電流I的狀態空間圖。通過分析狀態空間中的軌跡由此導出合適的控制動作的對，最小時間控制實現了最快轉變。假設對多個變壓器、發生器和X-射線管進行建模的等效電路能夠通過LC諧振電路來近似，狀態空間中的軌跡近似為橢圓形(在使用適當的縮放係數的情況下為圓周)。在這樣的情況下，狀態空間中的軌跡是如圖5中描繪的那樣。通過使用適當的控制動作的對，電流和電壓兩者同時到達所需的值，由此實平坦脈衝。

例如，第一轉變以在圖5的狀態空間中的中心中由附圖標記51指示的值0處的電流和電壓兩者開始；當第一控制動作被應用時，電壓和電流兩者然後開始減小(變為負，狀態空間中的逆時針旋轉)；然後，第二控制動作被應用；在第二控制動作期間，電壓進一步減小，但是電流增加。如果控制動作被適當地定時，電壓和電流兩者將會同時到達由附圖標記52指示的目標值(在這種情況下，-60kV和0A)；然後，穩定的控制動作能夠被應用。假設電壓和電流兩者匹配穩定值，它們都不再改變其值，並且因此平坦脈衝被生成。然後，第三控制動作被應用，並且電壓和電流兩者開始增加直至第四控制動作被應用；在第四控制動作期間，電壓進一步增加，但是電流減小。如果控制動作被適當地定時，電壓和電流兩者將會同時到達由附圖標記53指示的目標值(在這種情況下，+60kV和0A)；然後，穩定的控制動作能夠被應用。假設電壓和電流兩者匹配穩定值，它們都不再改變其值，並且因此平坦脈衝被生成。

圖6示出了時域中的圖5的示意圖的對應信號，電壓V被表示為實線而電流I被表示為虛線。

圖7示出了對應於圖5和6的兩個的整個序列，其中變壓器的初級端中的脈衝的對得到控制動作的對以實現變壓器的次級端中的平坦脈衝。這被稱為雙脈衝控制/最小時間控制。

必須指出，已經參考不同的主題對本發明的實施例進行了描述。具體地，參考方法型權利要求對一些實施例進行了描述，而參考裝置型的權利要求對其他實施例進行了描述。

然而，除非另有說明，本領域技術人員將會從以上和以下的描述中推斷出，除了屬於一種類型的主題的特徵的任意組合之外，涉及不同主題的特徵之間的任意組合也被認為在本申請中公開。

然而，所有的特徵都能夠被組合來提供多於特徵的簡單加合的協同效應。

儘管已經在附圖和前面的描述中詳細圖示和描述了本發明，但是這樣的圖示和描述應當被認為是圖示性或示範性的，而非限制性的。本發明不限於所公開的實施例。

本領域技術人員通過研究附圖、公開內容以及權利要求，在實踐請求保護的發明時能夠理解和實現對所公開的實施例的其他變型。

在權利要求書中，「包括」一詞不排除其他元件或步驟，並且詞語「一」或「一個」不排除多個。權利要求中的任何附圖標記都不應被解釋為對範圍的限制。