БЛОК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ

Область техники

Изобретение относится к блоку электропитания для генерирования высокого выходного напряжения для его подачи на источник рентгеновского излучения, например, рентгеновскую трубку, и находит конкретное практическое применение в области компьютерной томографии (CT), причем выходное напряжение включает в себя, по меньшей мере, два различных высоких уровня выходного напряжения. Кроме того, изобретение относится к системе рентгеновской визуализации, содержащей источник рентгеновского излучения, детектор и блок электропитания, приспособленный для обеспечения, по меньшей мере, двух различных высоких уровней выходного напряжения. Более того, изобретение относится к способу генерирования различных высоких уровней выходного напряжения.

Предшествующий уровень техники

Спектральный состав рентгеновских лучей, предоставляемых посредством рентгеновской трубки, зависит от ускоряющего напряжения электронного пучка. Энергия кванта рентгеновского излучения увеличивается с возрастанием ускоряющего напряжения. Поскольку все различные виды тканей в живом организме имеют различные поглощающие свойства в зависимости от энергии рентгеновских лучей, падающих на соответствующую ткань, этот эффект может быть использован для различения различных составов тканей и, таким образом, позволяет выполнять более конкретное диагностирование патологических состояний, например опухолей, камней в почках или отложений тромбоцитов в кровеносных сосудах.

В системах компьютерной томографии, визуализирующее устройство вращается вокруг изучаемого тела, и, одновременно, после небольших угловых перемещений снимаются новые кадры изображений. Каждый кадр снимается в пределах предопределенного временного интервала, который зависит, главным образом, от разрешения датчика и скорости вращения. Вследствие механических ограничений и сложности электронных компонентов, все временные интервалы имеют одинаковую продолжительность во время каждого конкретного обследования. Если снимается несколько кадров при других уровнях энергии, то тип ткани может быть обследован в дополнение к получению общих трехмерных изображений. Например, любой другой кадр может быть снят при отличном уровне энергии.

Для достижения наилучшего разделения между спектрами и оптимальной реконструкцией изображения, подаваемое напряжение рентгеновской трубки должно удерживаться на постоянном уровне в течение времени экспонирования соответствующего кадра. Если различные уровни энергии следуют сразу после друг друга, например, любой другой кадр, также необходимо сохранять минимально возможный переход между различными уровнями напряжения, или в случае обследования живого человека, для предотвращения лучевого воздействия от рентгеновской трубки во время перехода. Лучевое воздействие на промежуточных уровнях ухудшает качество изображения и сообщает неиспользованную дозу радиации пациенту, и, в целом, не является полезным для достижения высококачественного изображения.

Эффективность чувствительности системы CT намного выше при более высокой энергии пучка и наоборот. Следовательно, посредством достаточного нагревания, ток эмиссии катода должен быть выбран достаточно высоким, чтобы низкоэнергетический кадр изображения был отобран при достаточном отношении сигнал/шум в пределах заданного временного кадра (периода) (например 100 мкс). Последствия таковы, что изображение, снятое с более высоким ускоряющим напряжением, склонно к переэкспонированию вследствие высокой чувствительности при более высоком напряжении. Во избежание этого, ток эмиссии должен быть снова уменьшен посредством уменьшения нагревания. Этот процесс требует от нескольких десятков до нескольких сотен миллисекунд, что, очевидно, должно замедлить покадровое переключение уровней энергии. Следовательно, это, как правило, достигается посредством сокращения времени экспонирования при более высоком напряжении. В то время как экспонирование при низком напряжении проходит на протяжении всего временного интервала, экспонирование при высоком уровне напряжения покрывает лишь его часть, посредством включения и выключения рентгеновской трубки при помощи сеточного электрода в пределах нескольких микросекунд.

Другим требованием является, чтобы рабочий импульс, то есть период, в котором выполняется излучение рентгеновских лучей и экспонированием датчика, должен иметь место в середине временного интервала экспонирования, вследствие геометрических соображений.

Дополнительным требованием является достижение максимальной свободы выбора последовательности захватов кадров при высоких напряжениях или низких напряжениях, то есть любая комбинация количества регистраций кадров при одном напряжении может сопровождаться любым другим количеством регистраций при каком-либо другом напряжении, например, отношение захватов кадров при двух уровнях и напряжения равно отношению n:m, где n и m являются целыми числами.

Дополнительным требованием является, чтобы предварительно определенный временной интервал для захвата одного кадра изображения мог настраиваться от минимального значения, например 100 мкс, до более длинных значений, например 500 мкс, например, если скорость вращения гентри CT уменьшена.

Также требуется, чтобы средство для получения двухспектрального или многоспектрального рентгеновского пучка было небольшим, эффективным и имело малый вес.

Довольно простой способ охвата области использования при выполнении обследования с использованием двух источников излучения заключается в выполнении спирального сканирования с одним уровнем энергии сначала в одном направлении, а затем перемещении обратно по тому же самому маршруту с другим уровнем энергии. Этот способ известен в как «back-to-back-scanning (сплошное сканирование)». Совершенно очевидно, что имеется довольно большая задержка по времени между этими двумя сканированиями в различных направлениях, которая может привести к неверной регистрации, если положение изучаемого тела или органов изменилось в промежутке между этими двумя этапами сканирования.

Известен способ применения различных уровней энергии для каждого полного поворота, и этот способ известен как «чередующееся сканирование». Если исследуемый орган быстро перемещается, например, в случае исследования сердца, при использовании этого способа сканирования все еще может иметь место неверная регистрация.

Также известен способ управления источником высокого напряжения для изменения ускоряющего напряжения рентгеновской трубки посредством модуляции генератора высокого напряжения, которое может быть выполнено при использовании временной константы порядка одной мс. В отличие от этого способа, разница по времени между последовательными кадрами при высокой скорости вращения достигает таких малых значений, как 100 мкс, которые не могут быть получены посредством использования современных концепций производства генераторов.

В WO 2010/015960 A1 показана рентгеновская система, включающая в себя источник излучения, генератор высокого напряжения и генератор модуляции волны, генерирующий волну модуляции напряжения, имеющую отличную от нуля амплитуду, которая комбинируется с исходным напряжением и выполняет его модуляцию, по меньшей мере, между двумя различными напряжениями.

В US20100098217A1 показан способ повышения выходного напряжения высоковольтного источника электропитания постоянного тока посредством выполнения изменения конфигурации цепи конденсаторов с параллельного на последовательное соединение при помощи большого числа управляемых переключателей и диодов. В данном случае, напряжение во время этапа повышения больше не может полностью управляться, поскольку дополнительная энергия извлекается исключительно из последовательного соединения конденсаторов. Кроме того, схема состоит из большого числа элементов, которые должны приводиться в действие и управляться при очень высоком уровне напряжения. После возвращения к более низкому уровню напряжения, перезарядка частично разгруженных конденсаторов создает эффекты проседания высокого напряжения постоянного тока, что приводит к ухудшению спектрального качества рентгеновского пучка. Несмотря на то, что возможно просто продлить процесс записи при более низком напряжении, это не может быть достигнуто при более высоком напряжении вследствие разрядки конденсаторов.

Также известен способ создания источников высокого напряжения для рентгеновской трубки с модулированным напряжением посредством последовательного соединения источника высокого напряжения постоянного тока с импульсным трансформатором. В EP817546A1 показана рентгеновская система, способная к быстрому изменению уровней энергии, содержащая несколько различных конфигураций, по меньшей мере, одного высоковольтного источника постоянного тока последовательно соединенного, по меньшей мере, с одним трансформатором, причем последний оборудуется генератором формы сигналов. Трансформатор соединен с вторичным конденсатором параллельно с обмотками и формирует резонансную схему. Генератор формы сигналов генерирует периодическую форму сигнала с частотой, близкой к резонансной частоте резонансной схемы. Несмотря на то, что подразумевается снабжение генератора формы сигнала произвольными формами сигнала, включающими в себя импульсы прямоугольной формы, следует отметить, что влияние режима работы резонансной схемы не позволяет достигать прямоугольной волны или других форм сигнала импульса, с плоским верхом.

Другой проблемой является насыщение трансформатора, которое возникнет через короткое время вследствие свойств постоянного тока вторичной обмотки. Также оно возникнет, если будет предпринята попытка записи нескольких кадров изображения при одном и том же (выше или ниже) напряжении. Тогда, будет превышен максимально возможный интеграл напряжения трансформатора. Если возникает насыщение, то желаемое выходное напряжение больше не может поддерживаться.

Краткое изложение сущности изобретения

Обычные системы для реализации многоступенчатых генераторов высокого напряжения постоянного тока ограничиваются несколькими аспектами. Решения с простым последовательным трансформатором страдают от насыщения трансформатора; и качество формы сигнала напряжения и гибкость являются недостаточными.

В конфигурации с переключенными конденсаторами будет совершенно невозможно поддерживать постоянное выходное напряжение на более высоком уровне, и эффекты проседания будут ухудшать качество спектра рентгеновского излучения во время переключения.

Управление модуляцией обычного генератора высокого напряжения приводит к долгому времени перехода между различными уровнями напряжения и не допускает возникновения быстрых последовательностей с различными уровнями напряжения.

Следовательно, может существовать потребность в блоке электропитания, который способен подавать различные высокие уровни выходного напряжения для рентгеновской трубки, и при этом, иметь возможность выдерживать высокие скорости системы и способность обеспечения предварительно определенной произвольной последовательности конкретных уровней напряжения для их использования в рентгеновской трубке без опасности достижения насыщения магнитопровода трансформатора.

Эта потребность может быть удовлетворена посредством блока электропитания в соответствии с признаками независимого пункта 1 формулы изобретения. Преимущественные варианты воплощений могут быть получены из зависимых пунктов формулы изобретения.

В соответствии с первым аспектом изобретения, блок электропитания включает в себя генератор высокого напряжения, генератор формы сигналов, импульсный трансформатор и блок управления, причем генератор высокого напряжения и импульсный трансформатор соединены последовательно, а генератор формы сигналов приспособлен для подачи напряжения усиленного сигнала на импульсный трансформатор.

Генератор формы сигналов приспособлен для усиления сигнала на сигнальном входе и подачи этого усиленного сигнала на первичные обмотки импульсного трансформатора. Такой генератор формы сигналов может быть реализован посредством электронной схемы с силовыми полупроводниковыми компонентами, которые могут обеспечивать напряжения с уровнем, составляющим, например, до 400 В. Генератор формы сигналов, предпочтительно, имеет характеристики источника напряжения.

Генератор высокого напряжения приспособлен для обеспечения высокого напряжения питания, которое будет использовано для его приложения к аноду и катоду рентгеновской трубки, для ускорения электронов от катода к аноду, и, следовательно, создания рентгеновских лучей. Высокое напряжение может быть реализовано в виде постоянного тока в диапазоне от 50 кВ до 150 кВ, например, 110 кВ или другого напряжения. Сгенерированное напряжение может выбираться в соответствии с необходимыми спектральными параметрами рентгеновских лучей, приспособленных для намеченного использования соответствующего устройства рентгеновской визуализации.

Импульсный трансформатор приспособлен для усиления сигнала напряжения, предоставленного посредством генератора формы сигнала или другого средства, со сравнительно низким напряжением и желаемого образца, до высокого напряжения, имеющего величину, подобную напряжению от генератора высокого напряжения, и, предпочтительно, он может быть оптимизирован для передачи прямоугольных электрических импульсов. Для оптимизации производительности такого трансформатора, предпочтительно использование низких значений индукции рассеяния и распределенной емкости, высокой индуктивности холостого хода, а также низкой переходной ёмкости. В соответствии с изобретением, импульсный трансформатор подает преобразованное напряжение сигнала последовательно с генератором высокого напряжения, с тем, чтобы выходной сигнал импульсного трансформатора накладывался на высокое выходное напряжение генератора высокого напряжения и подавался на рентгеновскую трубку.

Вследствие этого, напряжение генератора высокого напряжения содержит характерные пики, которые производятся посредством импульсного трансформатора для оказания влияния на спектр рентгеновских лучей, сгенерированных посредством рентгеновской трубки. Образец напряжения в импульсном трансформаторе содержит фазы нулевого напряжения, где исключительно напряжение источника высокого напряжения постоянного тока является эффективным в трубке, например, во время выполнении экспонирования при более низкой абсолютной величине напряжения, и фазах, которые содержат рабочий импульс, например, во время которого выполняется экспонирование при более высокой абсолютной величине напряжения.

Индукция рассеяния и другие паразитные эффекты, такие как распределенная емкость импульсного трансформатора и другие емкости, такие как емкость высоковольтного кабеля между трубкой и генератором высокого напряжения, или трубкой, или другими частями системы, которые подвергаются воздействию желаемого импульса высокого напряжения, имеющего определенную форму, в обычном случае приведет к эффектам выбросов на фронте импульса и затухающим колебаниям в любой момент времени, когда изменяется напряжение или ток в трубке. Эти эффекты подавляются посредством вставки периодов с промежуточными уровнями напряжения с формой сигнала в любой момент времени, в течение которого изменяется, по меньшей мере, один из количественных параметров трубки. Длительность и уровень промежуточного уровня напряжения определяются заранее, исходя из желаемого изменения количественного показателя, а именно, тока, напряжения или обоих.

В соответствии с изобретением, блок управления приспособлен для создания сигнала смещения и для подачи этого сигнала смещения на вход генератора формы волны, причем сигнал смещения зависит от различия между током в первичных обмотках и током во вторичных обмотках импульсного трансформатора, сначала полагая для простоты, что коэффициент трансформации составляет 1:1. Любое соответствующее различие этих двух значений тока, как правило, порядка менее 10%, приведет к насыщению трансформатора, что приведет к быстрому уменьшению электрического импеданса, резкому увеличению потреблению тока и падению выходного напряжения.

Изначально, если рентгеновская трубка включена, например, посредством сеточного управления, может возникнуть катодный ток трубки. Изначальное повышение силы тока во вторичных обмотках трансформатора приведет к образованию индуцированного напряжения между клеммами вторичного трансформатора. Это напряжение также становится очевидным на первичной стороне. Если усилитель имеет тип источника напряжения, то начальный вторичный ток переключается на первичную сторону, производя первичный ток, имеющий величину вторичного тока. Это является точным количеством тока, требуемым для предотвращения насыщения трансформатора. Однако как только вторичный ток становится постоянным, больше не будет существовать индуцированного напряжения, которое может удерживать на высоком уровне первичный ток в противовес влиянию омических потерь в обмотке, так что первичный ток ослабеет. Это вызовет разность токов на обеих, первичной и вторичной сторонах, и, следовательно, будет происходить насыщение трансформатора. В результате, трансформатор имеет низкий электрический импеданс, и любая попытка приложения первичного напряжения в направлении насыщенного потока приведет к образованию избыточного тока. Теперь, посредством блока управления, на вход импульсного трансформатора оказывается влияние для устранения этой разности значений силы тока, что уравновешивает ослабление первичного потребления тока посредством приложения дифференциального напряжения к первичной обмотке, и, следовательно, приводит к предотвращению насыщения и перегрузки по току импульсного трансформатора. Если ток трубки переключается снова, то ослабление вторичного тока отражается в соответствующем очередном ослаблении первичного тока, с тем, чтобы также поддерживался баланс первичного и вторичного токов. В состоянии нулевого тока, активное балансирование обычно не является необходимым.

Если коэффициент трансформации отличается от 1:1, то необходимо исправление различия значений токов в зависимости от отношения витков импульсного трансформатора. Следовательно, измеренный ток вторичной обмотки может быть усилен посредством отношения витков, например, при помощи коэффициента усиления в блоке управления, позволяя обеспечивать соответствующее сравнение состояний витков.

В целом, это позволяет блоку электропитания в соответствии с изобретением непрерывно обеспечивать различные высокие уровни выходного напряжения во время любого заданного экспонирования. Дополнительной способностью блока электропитания является возможность выдерживать непредвиденные активации и деактивации рентгеновской трубки вследствие вышеописанных характеристик блока усилителя и функции балансирования блока управления касательно магнитного насыщения. Следовательно, это позволяет выполнять медицинские обследования, которые являются чрезвычайно чувствительными к типу ткани, и улучшить выполнение медицинской диагностики вместе с высоким уровнем точности и, очевидно, более низкой опасностью помех выходного напряжения и, следовательно, неточных записей.

В соответствии с иллюстративным вариантом осуществления, блок управления реализуется в виде PI (пропорционально-интегрального) регулятора или в виде PID регулятора, где PID регулятор является пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором, широко используемым в промышленных системах управления. Пропорциональная часть «P» зависит от настоящего значения ошибки и представлена просто посредством коэффициента усиления, где интегральная часть «I» зависит от накопления прошлых значений ошибок, а дифференциальная производная часть «D» представляет предварительное вычисление будущих значений ошибок на основе значения текущей скорости изменения значения ошибки. Взвешенная сумма этих трех компонентов используется для настройки значения смещения, накладываемого на сигнальный вход генератора формы волны. В большинстве случаев, PID регулятор имеет одну из лучших архитектур регуляторов, если система имеет до некоторой степени динамический режим работы, поскольку три различных блока в PID регуляторе могут настраиваться независимо, и, следовательно, могут полностью регулироваться для достижения желательного режима работы системы управления.

В иллюстративном варианте осуществления, обеспечен генератор опорного образца, соединенный с сигнальным входом генератора формы сигналов и предоставляющий форму сигнала с желательным образцом на генератор формы сигналов. Предпочтительно, генератор опорного образца приспособлен для предоставления опорного импульса с ограниченным набором предопределенных значений напряжения выше и ниже нуля, причем интеграл напряжения на полном временном интервале кадра или целой его части равны, для предотвращения насыщения импульсного трансформатора после определенного периода. В основном, генератор опорного образца способен производить многоступенчатую форму сигнала в соответствии с предварительно определенным образцом выборки и предварительно определенными уровнями напряжения. Кроме того, это свойство позволяет выполнять бесконечное число последовательных циклов с одним и тем же образцом, в то время как последовательность циклов может быть прервана в любой момент времени, когда намагниченность трансформатора возвращается на ноль, обычно, когда цикл образца завершается. В дальнейшем, в трубке будет присутствовать только бесперебойное напряжение из обычного генератора высокого напряжения. Последовательность образцов может быть перезапущена позднее в любой желательный момент времени.

В иллюстративном варианте осуществления, генератор опорного образца предоставляет последовательность импульсов с первым временным интервалом и, по меньшей мере, один рабочий импульс, производя желательный импульс высокого напряжения, за которым следует, по меньшей мере, один противоположный размагничивающий импульс для устранения намагничивания импульсного трансформатора в результате рабочего импульса, причем интеграл кривой напряжения на первом временном интервале равен нулю. Например, если рабочий импульс имеет положительную полярность, то импульс размагничивания будет иметь отрицательную полярность с таким же интегралом времени напряжения.

В иллюстративном варианте осуществления, последовательность импульсов содержит импульс предварительного намагничивания для доведения намагничивания до значения, которое имеет противоположную полярность, как это произошло бы в результате отдельного рабочего импульса. Например, если рабочий импульс имеет положительную полярность, тогда импульс предварительного намагничивания является импульсом отрицательного напряжения и тогда за ним может следовать, по меньшей мере, один рабочий импульс с положительным напряжением.

Импульсы предварительного намагничивания и намагничивания могут применяться совместно. В этом случае предпочтительно, чтобы импульс предварительного намагничивания производил намагничивание, которое имеет противоположную полярность намагничиванию, произведенному посредством одиночного рабочего импульса, и, приблизительно, с половиной его величины. Затем, после приложения рабочего импульса, полученное в результате намагничивание имеет то же самое направление, что и одиночный рабочий импульс, но только половину соответствующей ему величины. В конечном счете, импульс размагничивания, который снова имеет полярность, противоположную рабочему импульсу, снова сбрасывает намагничивание на ноль. Интеграл напряжения по времени импульса предварительного намагничивания и размагничивания вместе имеют значение, аналогичное интегралу напряжения по времени рабочего импульса, но в противоположном направлении. Посредством распределения компенсации намагничивания рабочего импульса на импульсы предварительного намагничивания и размагничивания, максимальное намагничивание может быть уменьшено в два раза, что обеспечивает возможность получения намного более легкого трансформатора, имеющего меньшие размеры.

В соответствии с иллюстративным вариантом осуществления, импульс намагничивания реализуется в виде положительного напряжения с определенной длиной импульса намагничивания, который приводит к желательному выходному максимальному напряжению желательной длины, например, 20 мкс.

В другом аспекте, подробная форма волны генератора формы волны выбирается с учетом эффектов индукции рассеяния трансформатора и паразитной емкости в высоковольтной части тока в сочетании с переключением трубки и высоким уровнем напряжения. Для достижения работы с импульсами высокого напряжения с плоскими верхушками, не содержащей выбросов на фронте импульса и затухающих колебаний, а также в случае включения и выключения трубки посредством сетки, промежуточные уровни вставляются в формы сигнала образца в момент рядом с переходом напряжения или тока, что дает в результате импульсный режим без выбросов на фронте импульса и без затухающих колебаний. Промежуточные уровни генератора формы волны выбираются таким образом, чтобы состояние системы трансформировалось из одного желательного состояния точно в другое желательное состояние, например, из первого тока I1 трубки с первым напряжением V1 трубки в нулевой ток I2 трубки при втором напряжении V2, а затем из этого состояния в другой ток I13 трубки при другом напряжении V3 трубки, и так далее. Вследствие этого, для каждого перехода требуется минимум один дополнительный промежуточный импульс напряжения.

В соответствии с иллюстративным вариантом осуществления, импульс намагничивания реализуется в форме, по меньшей мере, двух ступеней импульсов намагничивания с различными значениями напряжений. Это приводит к желательной форме сигнала импульса, предотвращает колебания в трансформаторе и, следовательно, устраняет все эффекты затухающих колебаний.

В соответствии с иллюстративным вариантом осуществления, генератор формы сигналов приспособлен для обеспечения, по меньшей мере, второй ступени напряжения намагничивания до значения напряжения, отличного от значения первой ступени напряжения намагничивания. Это позволяет блоку электропитания предотвращать колебания, особенно если второе значение напряжения намагничивания следует за первым значением напряжения намагничивания на промежуточном уровне. Это может привести ко второй ступени напряжения намагничивания, при которой значение напряжения находится между нулем и первой ступенью напряжения намагничивания или наоборот, аналогично второй ступени напряжения намагничивания с полярностью, отличной от первой ступени напряжения намагничивания, в зависимости от заданного динамического режима работы электрической цепи, этого второго импульса напряжения намагничивания и его синхронизации. Длительность и уровень промежуточного уровня напряжения определяются заранее из желательного изменения количества тока, напряжения или обеих величин.

В соответствии с иллюстративным вариантом осуществления, генератор формы сигналов приспособлен для обеспечения, по меньшей мере, второй ступени напряжения намагничивания, причем перепад значения напряжения и длительность зависят от резонансной частоты и характеристического импеданса схемы с блоком электропитания и рентгеновской трубкой. Кроме того, в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления, генератор формы сигналов приспособлен для производства последовательного размагничивания, содержащего, по меньшей мере, одну ступень значения напряжения размагничивания в зависимости от резонансной частоты и характеристического импеданса схемы с блоком электропитания и рентгеновской трубкой. Как изображено далее на Фиг.7, система работает как резонансная схема во время перехода напряжения или тока. Такая система имеет два независимых состояния, которые являются напряжением в резонансном конденсаторе, которое, в этом случае, равно напряжению в трубке, и током в резонансном индукторе, который равен вторичному току импульсного трансформатора. Оно характеризуется посредством резонансной частоты ω и характеристическим импедансом Z. Если система изначально находится в статическом режиме, то есть, состояния системы являются постоянными в течение некоторого промежутка времени, и входное напряжение изменяется ступенчатым способом, то система реагирует с колебанием состояний системы, как напряжения, так и тока. Если состояния системы изображены на плоскости, где одна ось является напряжением конденсатора, а другая ось является током от времени индуктора характеристического импеданса, то круговая диаграмма состояний системы следует по кругу налево после применения перепада напряжения через источник импульсного напряжения. Прогрессия начинается в начальном состоянии, определенном посредством начального напряжения и тока. Местоположение центра круга определяется посредством различия между начальным состоянием системы и наложенным импульсом от источника напряжения. На Фиг.7, вход системы изображен в резонансном индукторе, так что возможно применение исключительно многоступенчатого перехода входного напряжения, притом что входной ток будет течь, что означает, что эффективный входной импульс, определяющий радиус круга, определяется посредством различия входного напряжения во время импульса и начального напряжения конденсатора. В течение продвижения состояния системы вдоль периметра круга, состояние системы принимает последовательность значений напряжений и токов. Напряжение для начального импульса теперь должно быть выбрано таким образом, чтобы прогрессия содержала состояние системы с желательным целевым током и напряжением. Как только состояние системы достигает этой круговой диаграммы, желаемое напряжение прикладывается к входу, что, физически, приводит к тому, что радиус схемы равен нулю, что означает, что система снова входит в статический режим работы, без каких-либо колебаний.

При понимании и применении этого принципа, теперь могут быть определены соответствующие уровни и длительности импульсов в зависимости от желаемых целей состояний системы. Для ясности постоянные величины, такие, как начальное напряжение и/или постоянная часть напряжения генератора высокого напряжения не рассматриваются. Вместо этого, отклонение необходимой длины и уровней импульса связано исключительно с динамическими изменениями. В этом смысле, можно рассматривать начальное состояние системы, как состояние с нулевым напряжением и нулевым током. Для специалистов в данной области техники, легко выполнить наложение исходных постоянных величин на результат. Исходя из начальной статической системы, требуется изменение состояния системы, что дает в результате новое состоянию системы с током равным I и напряжением равным V. В реальной системе, эти величины относятся к изменению состояния системы, а не к абсолютным значениям. На первом этапе будет применяться первый уровень напряжения, который через некоторое, время производит желаемое изменение силы тока и напряжения посредством следования по круглой линии круговой диаграммы системы. Напряжение, требуемое для начального уровня импульса, может быть вычислено посредством следующей формулы:

Это уравнение относится к ситуации, в которой отсутствует демпфирование. В случае демпфирования, требуемое изменение напряжения должно быть, в некоторой степени, отрегулировано. Длительность импульса получается из угла между соединениями между начальным состоянием системы, центром круга и итоговым состоянием системы. Она может быть вычислена в соответствии с:

В этом вычислении угол вычисляется как положительный при продвижении налево по кругу. Поскольку описывается полный круг во время одного периода резонансной частоты, длительность этого импульса может быть вычислена посредством:

После достижения желательной системы с новым статусом тока, последующий уровень напряжения, который должен быть применен, равен желаемому напряжению V. Поскольку нет никакого различия между состоянием напряжения заданной системы и применяемым напряжением, система снова вводит статические параметры. Как было указано выше, при наличии принимаемого в расчет демпфирования, в этот раз необходима небольшая настройка.

Для другого перехода напряжения, состояние заданной системы снова рассматривается как отправная точка, и в вышеупомянутое вычисление должно быть введено отличие от следующего состояния системы. Все переходы в круговой диаграмме следуют по кругу налево, и следует отслеживать, чтобы всегда достигались целевые состояния посредством продвижения по круговой диаграмме по кругу налево. Если после вычисления длительность импульса оказывается отрицательной, то должен быть добавлен полный резонансный период.

Кроме того, как можно заметить, невозможно реализовать изменение тока посредством этого способа без изменения напряжения, поскольку требуемое импульсное напряжение станет бесконечным, если целевое напряжение в указанной выше формуле будет равно нулю, то есть начальное и конечное напряжения являются одинаковыми. В этом случае, переход должен быть разделен на один или несколько дополнительных подходящих промежуточных уровней. Также этот принцип применяется, если требуется ограничить количество различных напряжений до небольшого количества различных значений.

В соответствии с иллюстративным вариантом осуществления, генератор формы сигналов приспособлен для производства последовательного размагничивания, содержащего, по меньшей мере, две различных ступени значений напряжения размагничивания. Последнее значение напряжения может быть равно нулю или может иметь значение напряжения, немного отличное от нуля, принимая во внимание омическое сопротивление электрической цепи. После этой последовательности, за ней могут бесконечно следовать прямо противоположные последовательности предварительного намагничивания, намагничивания и размагничивания.

В соответствии с иллюстративным вариантом осуществления, генератор формы сигналов может генерировать двойные импульсы, по меньшей мере, с двумя последовательными импульсами, имеющими одинаковое значение напряжения. Это означает, что генератор формы сигналов может генерировать исключительно два или три дискретных значения напряжений с различными длинами импульсов, причем импульсы могут быть отделены друг от друга посредством промежутков с нулевым напряжением или другим дискретным значением напряжения. Этот вариант осуществления может уменьшить усилия для создания генератора формы сигналов, поскольку требуется меньшее количество значений напряжения, и при адекватном выборе импульса, можно приблизиться к характеристикам, аналогичным для последовательных импульсов с различными значениями напряжений.

В соответствии с иллюстративным вариантом осуществления, генератор формы сигналов содержит ряд регулируемых источников напряжения постоянного тока с уровнями напряжения, определенными посредством генератора опорного образца, и ряд управляемых полупроводниковых переключателей, соединяющих отдельные источники напряжения постоянного тока с импульсным трансформатором во время периодов времени, определяемых посредством генератора опорного образца. Эта настройка повышает эффективность и надежность.

Потребность также может быть удовлетворена посредством, рентгеновской системы визуализации, содержащей источник рентгеновского излучения, который снабжается энергией посредством блока электропитания в соответствии с изобретением.

Потребность также может быть удовлетворена посредством способа формирования высокого напряжения, подробно описанного выше.

Краткое описание чертежей

Изобретение может принимать должную форму в различных компонентах и конфигурациях компонентов, а также в различных этапах и конфигурациях этапов. Чертежи предоставлены исключительно в целях иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не должны рассматриваться как ограничивающие изобретение.

Фиг.1 иллюстрирует полную архитектуру системы на схематическом чертеже.

Фиг.2 изображает принципиальные формы сигналов напряжения и тока на первичной обмотке импульсного трансформатора.

Фиг.3a и 3b изображают детализированные формы сигналов, сгенерированных посредством генератора формы сигналов с подавлением выбросов на фронте импульса.

Фиг.4a-4c изображают графики тока и напряжения импульсного трансформатора и рентгеновской трубки, подаваемых посредством блока электропитания в соответствии с изобретением.

Фиг.5 изображает рентгеновскую систему визуализации, обеспеченную источником электропитания в соответствии с изобретением.

Фиг.6 изображает блок-схему этапов способа в соответствии с изобретением.

Фиг.7 изображает электрическую схему замещения для динамического режима работы блока электропитания.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Фиг.1 изображает общую архитектуру системы, включающую в себя импульсный трансформатор 2, генератор 4 высокого напряжения, генератор 6 формы сигналов, блок 8 управления и рентгеновскую трубку 10, на которую подается напряжение, поступающее из импульсного трансформатора 2. Генератор 6 формы сигналов имеет вход 12, который соединен с блоком 14 суммирования, который питается посредством блока 8 управления и генератора 16 опорного образца. Генератор формы сигналов преобразует образец опорного сигнала на входе в форму сигнала с большой выходной мощностью на его выходе. На блок 8 управления подается ошибочное значение d, которое вычисляется посредством вычитания измеренного тока, предоставленного посредством генератора 6 формы сигналов на первичную обмотку трансформатора, из измеренного тока, предоставленного посредством вторичной стороны импульсного трансформатора 2. Это может быть выполнено посредством блока 18 вычитания. Кроме того, одна или оба измеренных тока могут быть умножены на коэффициент коррекции, получающийся в результате отношения витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Для примера, блок 8 управления реализован как PID регулятор, который может быть настроен на динамические характеристики системы.

Следовательно, если присутствует ошибочное значение d, выход 20 блока 8 управления создает значение смещения, накладываемое на опорный образец от генератора 16 опорного образца посредством блока 14 суммирования, который подает результат на вход 12 генератора 6 формы сигналов.

Фактически, когда рентгеновская трубка 10 включается, например, посредством внутреннего сеточного управления, будет запущен ток трубки, и начальный ток, возрастающий во вторичных обмотках трансформатора 2, даст в результате индуцированное напряжение на концах клемм вторичного трансформатора.

Это напряжение становится заметным также и на первичной стороне. Если усилитель 6 имеет тип источника напряжения, то начальный вторичный ток переключается на первичную сторону, создавая первичный ток, который имеет величину вторичного тока. Оно в точности является количеством тока, требуемым для предотвращения насыщения. Однако как только вторичный ток становится постоянным, больше не будет индуцированного напряжения, которое может поддерживать на высоком уровне первичный ток, в противовес влиянию омических потерь в обмотке. В действительности, первичный ток ослабнет. Это создаст разность токов на обеих, первичной и вторичной сторонах, и даст в результате насыщение трансформатора. Как следствие, трансформатор 2 имеет низкий импеданс, и любая попытка применения первичного напряжения в направлении насыщенного потока приведет к избыточному току. Для предотвращения такой ситуации, блок 8 управления непосредственно влияет на сигнал, подаваемый на вход 12 генератора формы сигналов, который балансирует токи на первичной обмотке и вторичной обмотке таким образом, чтобы магнитопровод трансформатора оставался в ненасыщенном состоянии.

Поскольку мгновенные изменения вторичного тока пересчитываются сами по себе в соответствующие токи на первичной стороне, должны устраняться исключительно эффекты ослабления, что может быть достигнуто посредством приспособления блока 8 управления к характеристической постоянной времени затухания из ослабления тока.

Следовательно, блок электропитания, изображенный на Фиг.1, обеспечивает эффективный путь для сокращения эффектов насыщения с тем, чтобы полученное в результате напряжение, выведенное для рентгеновской трубки, всегда имело предварительно определенные характеристики, таким образом, позволяя выполнять очень точный процесс визуализации и, очевидно, понижать риск эффектов помех во время операции визуализации рентгеновской системы. Блок электропитания позволяет очень быстро переключаться от одного уровня высокого напряжения к другому, а также вывода свободного от помех напряжения, по существу, независимо от работы рентгеновской трубки.

На верхнем графике 20 Фиг.2 изображен принципиальный образец формы сигнала из генератора формы сигналов с циклом синхронизации равным 100 мкс. Если два напряжения (например, 80 и 140кВ) прикладываются к рентгеновской трубке, то чувствительность системы в 5 раз выше при 140 кВ, чем при 80 кВ. При нормальных условиях, то есть во время получения изображений при постоянном напряжении, этот процесс выполняется посредством уменьшения нагревания катода, и, следовательно, сокращения тока электронной эмиссии в рентгеновской трубке. Однако, температурно-временная константа катода намного медленнее, чем время между двумя смежными кадрами, поэтому эмиссия катода останется почти постоянной. Вместо этого, посредством эффект пространственного заряда, ток эмиссии будет даже немного выше при 140 кВ, чем при 80 кВ. Для того, чтобы процесс не закончился переэкспонированием, количество фотонов в детекторе, следовательно, ограничено посредством фильтрования излучения рентгеновской трубки при помощи сетки.

Таким образом, в конечном счете, этот процесс дает в результате намного более короткий период, порядка 20 мкс, во время высоковольтного экспонирования, в котором производится излучение, в то время как полный цикл в 100 мкс используется во время низковольтного экспонирования. Время экспонирования равное, например, 20 мкс должно быть расположено в центре временного цикла.

Изображенная форма сигнала является биполярной и симметричной, что означает, что существует, по меньшей мере, один рабочий импульс и импульсы предварительного намагничивания и размагничивания, имеющие напряжение в противоположного направления. Рабочий импульс может быть реализован в виде пика положительного напряжения, в котором импульсы предварительного намагничивания и размагничивания могут быть реализованы в виде двух пиков отрицательного напряжения каждый, или наоборот. Посредством проведения симметричной формы сигнала с интегралом, который равен нулю за время одного полного периода или цикла синхронизации, правильная работа импульсного трансформатора 2 может быть достигнута в результате завершения цикла намагничивания. Это означает, что импульсный трансформатор 2 может работать и при другом цикле намагничивания и, следовательно, способен работать, по существу, бесконечно той же самой формой сигнала.

На нижнем графике из Фиг.2 изображен ток 22 намагничивания и ток 24 первичного трансформатора в течение времени вышеописанного образца формы сигнала. Различие между этими двумя кривыми является результирующим током рентгеновской трубки (вторичным током, с учетом коэффициента трансформации).

Фиг.3a изображает детальную форму сигнала, сгенерированного посредством опорной диаграммы 16 направленности. В данном случае, генерируется множество положительных и отрицательных максимумов напряжения, и они подаются в импульсный трансформатор 2. Один период формы сигнала изображен в виде последовательности из семи различных уровней напряжения, за которыми следует промежуток с нулевым уровнем напряжения. Для лучшего понимания, этапы называются от (a) до (h). Для простоты, свойства форм сигналов обозначаются положительными и отрицательными величинами, но должно быть ясно, что полярности могут изменяться и зависят исключительно от схемы обмотки и желательного направления наложенного импульса. Далее в настоящем документе считается, что рабочий импульс является положительным, в то время как импульсы предварительного намагничивания и размагничивания являются отрицательными:

a) импульс отрицательного напряжения для начала предварительного намагничивания магнитопровода импульсного трансформатора 2 и остановки тока в импульсном трансформаторе, поскольку трубка, как правило, выключается в этот момент. Уровень напряжения выбирается таким образом, чтобы он производил переход между состояниями на вторичной стороне трансформатора, которое завершается, когда вторичный ток равен нулю, а напряжение получается в результате предварительного намагничивания трансформатора в течение оставшегося времени перед началом рабочего импульса. Это напряжение выбирается таким образом, чтобы предварительное намагничивание стало эквивалентным приблизительно половине интеграла напряжения по времени рабочего импульса.

Когда желаемый переход завершен, напряжение на определенный период остается на отрицательном уровне, b) которое выбирается таким образом, чтобы оно поддерживало напряжение, достигнутое в период a). В конце этого периода (непосредственно перед запуском рабочего импульса) трансформатор создает отрицательное намагничивание, которое эквивалентно приблизительно половине интеграла напряжения по времени рабочего импульса. Дальнейший импульс напряжения c) достигается, когда начинается рабочий импульс. Напряжение на этом этапе приспособлено для повторного запуска перехода на вторичной стороне, что завершается в состоянии, в котором имеет место желаемый ток трубки и желаемое высокое напряжение во время высоковольтного экспонирования.

После завершения второго перехода, применяется импульс положительного напряжения (d), который удерживает вторичное напряжение и ток на желаемых уровнях. В течение этого намагничивания трансформатора, он возвращается от минус половины интеграла напряжения по времени до плюс половины интеграла напряжения по времени рабочего импульса.

В течение этапа e), применяется напряжение, которое снова запускает переход состояния, теперь для очередного устранения вторичного тока и выполнения перехода напряжения вниз до напряжения, которое необходимо для полного размагничивания трансформатора до конца временного кадра.

После ожидания в течение предварительно определенного времени при напряжении на этапе f), которое необходимо для размагничивания трансформатора, выполняется короткий положительный импульс напряжения g) и после этого импульсный трансформатор 2 снова остается в нейтральном состоянии с вторичным током, а именно с желаемым током трубки.

Этап h) выполняется при нулевом напряжении и может быть коротким или длинным по желанию. Интеграл по всему циклу времени равен нулю. В период этого состояния, как правило, нижнее напряжение применяется к рентгеновской трубке, а ток трубки остается течь на протяжении произвольной одной или последовательности экспонирований. Длина этого периода может быть установлена на ноль, если сразу после первого цикла импульса напряжения требуется второй.

Фиг.3b изображает альтернативную последовательность импульсов в форме двойных импульсов. В данном случае, эффект вышеупомянутой описанной последовательности импульсов достигается посредством множества дискретных положительных и отрицательных импульсом, имеющих уменьшенное количество различных уровней.

Фиг.4a изображает напряжение, предоставленное для трубки 26, над вторичным напряжением 28 трансформатора. Можно заметить, что ускоряющее напряжение трубки следует за плавным переходом без какого-либо режима работы с выбросом на фронте импульса. Потенциальное насыщение в результате тока эмиссии компенсируется посредством постоянного тока на первичной стороне трансформатора.

Генератор формы сигналов следует намного более сложному образцу, который должен быть точно приспособлен для суммарных потерь от утечки для параметров системы, емкости тубуса трубки, включая любые кабели и шаблон переключения сетки. Фиг.4a изображает кривую 32 изменения напряжения для первичного импульсного трансформатора 2 и соответствующую ей кривую 30 изменения тока. Можно заметить что, использование образца импульсов, изображенного на Фиг.3a сильно сокращает риск выброса на фронте импульса первичного тока, как можно заметить при переходе между токами, произведенными посредством этапов c) и d), где кривая изменения тока имеет малый максимум амплитуды. Посредством использования последовательности импульсов с двухступенчатым намагничиванием при помощи импульсов c) и d) очевидно может быть устранен выброс на фронте импульса тока 30 и напряжения 26.

Фиг.4c изображает результирующий ток трубки 36 и вторичную несущую 34 трансформатора, которые приспособлены для быстрого повышения тока 36 трубки во время этапов намагничивания без выброса на фронте импульса тока 36 трубки.

И наконец, Фиг.5 изображает иллюстративный вариант осуществления рентгеновской системы визуализации в соответствии с настоящим изобретением. Рентгеновская система 38 визуализации содержит устройство 40 для генерирования рентгеновского излучения, а также детектор рентгеновского излучения, иллюстративно изображенный на данном чертеже в виде линейной матрицы. Оба устройства, а именно, устройство 40 для генерирования рентгеновского излучения и детектор 42 рентгеновского излучения установлены на гентри 44, друг напротив друга. Рентгеновское излучение 46 выступает из устройства 40 для генерирования рентгеновского излучения в направлении детектора 42 рентгеновского излучения. На пути рентгеновских лучей 46 на опорной части 48 расположен объект 50. Генри 44, в котором содержится устройство 40 для генерирования рентгеновского излучения и детектор 42 рентгеновского излучения, может вращаться вокруг объекта, например, пациента, для получения рентгеновских изображений. Компьютерная система 52 предоставлена для управления рентгеновской системой 38 визуализации и/или для оценки полученных рентгеновских изображений. Устройство 40 для генерирования рентгеновского излучения соединено с источником 54 электропитания в соответствии с настоящим изобретением, что позволяет быстро переключаться между двумя различными значениями напряжений, позволяющими рентгеновской системе 38 визуализации обеспечивать более точные данные о составе объекта 50, предназначенного для обследования.

Фиг.6 изображает способ генерирования высокого напряжения для его подачи в рентгеновскую трубку в соответствии с изобретением. Как подробно описано выше, способ, в основном, содержит этапы, на которых предоставляют 56 напряжение на импульсный трансформатор посредством генератора формы сигналов, накладывают 58 трансформированное напряжение из генератора формы сигналов на напряжение, предоставленное посредством высоковольтного генератора, и создают 60 сигнал смещения в зависимости от различия между током в первичных обмотках и током во вторичных обмотках импульсного трансформатора посредством блока управления для нейтрализации эффектов насыщения импульсного трансформатора. Кроме того, способ в соответствии с изобретением может содержать этапы, на которых генерируют 62 образец формы сигнала генератора опорного образца, и подают 64 образец формы сигнала в генератор формы сигналов, причем образец формы сигнала содержит множество импульсов для выполнения предварительного намагничивания, намагничивания и размагничивания импульсного трансформатора, как было описано выше.

И наконец, Фиг.7 изображает эквивалентную электрическую схему 66 блока электропитания в соответствии с изобретением, содержащую импульсный генератор 68, омическое сопротивление 70, представляющее суммарные потери от утечки, емкость 72, представляющую тубус катода и емкость кабеля, сеточный переключатель 74 и индуктор 76, представляющий активную междуэлектродную проводимость трубки. Этот чертеж иллюстрирует динамический режим работы схемы и, следовательно, не содержит постоянную часть высокого напряжения генератора 4 высокого напряжения.

Список ссылочных обозначений

2 - импульсный трансформатор

4 - высоковольтный генератор

6 - генератор формы сигналов

8 - блок управления

10 - рентгеновская трубка

12 - вход

14 - блок суммирования

16 - генератор опорного образца

18 - блок вычитания

20 - график формы сигнала

22 - ток намагничивания

24 - ток вторичного трансформатора

26 - напряжение трубки

28 - напряжение вторичного трансформатора

30 - ток первичного трансформатора

32 - напряжение первичного трансформатора

34 - ток вторичного трансформатора

36 - ток трубки

38 - рентгеновская система визуализации

40 - Устройство генерирования рентгеновского излучения (рентгеновская трубка)

42 - детектор рентгеновского излучения

44 - гентри

46 - рентгеновское излучение

48 - опорная часть

50 - объект

52 - компьютерная система

54 - источник электропитания

56 - предоставление напряжения на импульсный трансформатор

58 - наложение трансформированного напряжения

60 - создание сигнала смещения

62 - генерирование образца формы сигнала

64 - подача образца формы сигнала на генератор волн

66 - электрическая схема

68 - импульсный генератор

70 - омическое сопротивление

72 - емкость

74 - сеточный переключатель