医用诊断X射线机高频高压发生器的研制

发布时间：2018-11-15 07:48

【摘要】：X射线的发现对医学历史的发展具有极其重要的意义,为医学与自然科学的研究开辟出了一条崭新的道路。X射线的应用首先得到了临床医生的响应,将其用于观察人体内部结构,X射线机也成为了最先在临床应用的医学影像设备,至今已有100多年的发展历程。第一个X射线发生器是在X射线被发现的一年后,由X射线的发现者伦琴与其科研小组研制出来,然后Richard SeifertCo制造了世界上的第一台医用X射线机,到20世纪初,常规X射线机开始在临床应用,再到20世纪70年代末,数字化技术在X射线设备上开始得到应用,并最终发展为现代影像技术的主导技术,进入20世纪90年代后出现了高频高压发生器,高频高压发生器的出现是X射线设备发展历史上的一次巨大的飞跃,在高频的工作方式下,降低了输出滤波电容的要求,而且输出的高压波形纹波更小,提高了高压发生器的效率,并减小了其体积,降低了它的重量。随着科技的飞速发展,医院装备了众多高精度的影像医疗设备,如超声、MRI、X射线设备(包括普通X射线机、数字X射线机、计算机断层扫描(CT)等)等。在这些影像医疗设备中,因X射线设备的技术更加成熟,所以已经成为各大医院最主要的医疗诊断设备。 X射线设备不仅现在是医院最主要的诊断设备,在今后相当长的一段时间内,它仍然将继续在医院的诊断设备中占据最主要的位置,而且随着我国城镇化进程加速进行,各级医院设备的需求与更新,将需要大量的X射线设备。最初,X射线机使用的是工频高压发生器,随着技术的进步,新的电子元器件和电子技术在高压发生器中得到应用,出现了中频高压发生器,随着技术的进一步发展,高压发生器的工作频率又从中频提升到了高频,出现了高频高压发生器。高频高压发生器自问世到现在为止,就一直成为x射线设备中高压发生器的主流技术,甚至在今后的一段时间内这种结构也不会有大的改变,除非X射线设备的成像理论和方法发生一次理论革命。现在的医用X射线设备主要由高频高压发生器、X射线球管、X射线探测器等部件组成。高频高压发生器在X射线设备中发挥了心脏和大脑的作用,是x射线设备的核心部件之一,因此研究并设计适用于各类X射线设备的高频高压发生器具有重要的现实意义。在高频高压发生器的研究和设计上,国外发达国家的产品技术先进,性能好,工艺细致精良,国产的高频高压发生器与国际上现在的几家主流公司相比,无论是在性能方面,还是在生产工艺方面都存在较大的差距。国内高频高压发生器的研制起步晚,在2000年左右国内才有一些厂家开始自主研发,虽然经过十年左右的奋起直追,但是仍然与国外同类产品存在差距,难以达到国外发达国家的水准。本课题设计的高频高压发生器是基于高频开关电源技术和基于单片机的微机控制技术,其中单片机使用的是AVR系列的ATmega128。在实现系统方案的过程中有四项技术难点,本课题也主要是针对这四项难点内容展开研究。第一是全桥逆变技术。为了实现从工频到高频的变换,需要先将工频交流电整流滤波为平整的直流电压,然后通过高速开关器件构成的逆变全桥,将直流电压逆变为频率受控制的高频交流电压；第二是升压变换技术。利用高频高压变压器将逆变桥输出的交流电压变换为更高电压的交流电输出：第三是倍压整流滤波技术。经过变压器升压后的电压仍然是交流电压,而X射线球管需要的是直流高压,所以必须对变压器次级输出的电压进行整流滤波,如果是直接进行整流滤波,那么整流滤波后输出的直流电压达不到设计指标的电压值,所以需要通过倍压整流滤波的方法来提高输出的直流电压值; 第四是调频控制技术。对输出的高压进行采样,并反馈给控制电路,实现对输出电压的精确控制和自动调整,使之稳定在设置的电压值。本文对高频高压发生器的理论基础进行了相关的阐述,从物理基础方面阐述了X射线产生的原理,从宏观的角度阐述了X射线产生的外界条件,列举了评价X射线常用的量度,从数学的角度说明了不同控制方法调节控制输出电压的原理;然后研究设计一套可实现的系统方案,并对方案的电源系统模块、控制系统模块、逆变电路模块、高频高压变压器、多倍压整流滤波、采样反馈电路等模块进行了详细的阐述剖析。电源系统模块,本方案设计了一键开关机电路和预充电检测电路来控制系统电源。一键开关机电路可以控制系统电源分配,在按下开机键的时候,先给发生器系统提供低压电源,保证控制电路的正常工作,待系统稳定后再提供高压电源,在按下关机键的时候,可以切断设备与电网的连接；预充电检测电路可以先对高压电源进行预充电,等待电压达到一定电压幅值的时候再继续充电,以防止开机时造成瞬时浪涌电流；而且电源系统还通过保险丝、继电器等多重保护措施来保障设备安全。高频高压发生器系统有些模块正常工作时实际需要的工作电压一般都较低,但是所需要的电源数量较多,所以在电源的分配上,对电源要求较高的模块所使用的电源直接在市场上购买技术比较成熟的开关电源,这样既有利于提高设计效率,又有利于降低成本,而对电源要求相对较低的模块的电源将自行设计制作。脉冲频率调制(PFM)最大的优点就是变压器工作时不会出现直流磁分量,并且变压器工作回路的电流始终是正弦波,因此有利于保证变压器始终保持高效的工作状态,所以现在主流的高频高压发生器基本都采用了调频控制技术。本方案中选用的脉冲频率调制芯片是MC33067,它是一款集成的PFM芯片,不同的控制电压对应着不同的输出频率,该芯片对输出波形的调整都是基于参考电压与误差电压的求和运算。参考电压确定了电路的工作频率；误差电压对电路的工作频率进行调整,在二者的共同作用下,完成调频控制,当误差为零的时候,说明实际输出与设定的值相等。全桥逆变把直流逆变为高频的交流,本方案设计的逆变全桥的四个桥臂由四个完全相同桥臂单元构成,每个桥臂由具有高速开关频率的开关管构成,由驱动时序控制桥臂上开关管的通断。因为X射线设备输出的电压幅值很高,所以高频高压变压器初级和次级的变压比大,根据设计方案的要求计算设计了高频变压器的初、次级绕组,磁芯类型和变压器的结构。本方案中用LC谐振电路作为逆变桥输出的负载,逆变桥输出的高频交流电作为谐振电路的输入信号,而高频高压变压器等效于漏感与一个理想的变压器串联,所以正好利用变压器的漏感作为谐振回路的谐振电感,理想变压器作为负载,将能量传递到变压器的次级。在输出直流电压幅值不变的情况下,利用电容器储能的特性,可以实现倍压整流滤波,采用倍压整流滤波技术,可以降低变压器次级的输出电压,这样就将变压器的部分耐压要求转移给了倍压整流滤波电路,从而降低了变压器的耐压要求,而变压器设计为两个独立的次级输出,又进一步降低了变压器的耐压要求,同时也降低了倍压整流滤波电路中整流二极管和滤波电容的耐压要求。本文针对高频高压发生器系统研发的四个关键技术,已经在全桥逆变、调频控制、倍压整流滤波三个方面取得了一定的效果,在这四个关键技术中,只有升压变压器技术稍欠效果,虽然可以用来做实验,但是还需要进一步的改进。高频高压发生器是一个与当前各种先进技术相结合的设备,所以它总是跟随各种新技术同步发展,包括半导体技术、计算机与网络技术、电源技术等等。一种新技术的出现,很快就能将这种技术用来改进高频高压发生器,从以前的工频机到现在的高频机都体现了这一技术特色,所以在今后高频高压发生器技术一定还会有更大的突破。医生和患者也会在使用的过程中对其提出更高的要求,这些新的要求必然会促进X射线设备技术的再次改进,因此这些新的要求也是X射线设备研究人员需要面对的新课题。
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【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R812

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