CN102046091A - 用于控制dc-ac转换器的x射线设备 - Google Patents

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CN102046091A CN2009801206085A CN200980120608A CN102046091A CN 102046091 A CN102046091 A CN 102046091A CN 2009801206085 A CN2009801206085 A CN 2009801206085A CN 200980120608 A CN200980120608 A CN 200980120608A CN 102046091 A CN102046091 A CN 102046091A
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Abstract

本发明提供一种用于控制DC-AC转换器的X射线设备，其中该DC-AC转换器适于向计算机断层摄影扫描架(91)的谐振电路和变压器(105)供应电能，其中该扫描架包括旋转部分(93)和固定部分(92)，其中该变压器(105)适于提供电流、馈电给高电压整流器电路(106)以及提供输出电压(107)，该X射线设备包括：检测器，其用于检测输出电压；预测器(501)，其用于通过处理输出电压(107)来计算第一输出，其中该第一输出表示针对DC-AC转换器(102)的可能状态的输出电压(107)的变化；控制环路(503)，其用于通过处理输出电压(107)和目标规范来计算输出电压(107)的所需的变化；决策模块(502)，其用于通过处理第一输出和输出电压(107)的所需的变化来计算控制值，其中该检测器、预测器(501)、控制环路(503)和至少一部分决策模块(502)适于安装在扫描架(93)的旋转部分上，从而使得要从扫描架(93)的旋转部分传送到扫描架(92)的固定部分的信息内容少于输出电压的信息内容。本发明的另一方面是包括根据本发明的X射线设备的计算机断层摄影扫描架(91)。

Description

用于控制DC-AC转换器的X射线设备
技术领域
本发明涉及一种用于控制直流-交流(DC-AC)转换器的X射线设备。此外，本发明涉及一种包括用于控制DC-AC转换器的X射线设备的计算机断层摄影扫描架。
背景技术
具有非常高的输出功率的新型计算机断层摄影系统具有一种体系结构，其中高电压发生器的部件被安置在扫描架的旋转部分以及扫描架的固定部分上。特别地，DC-AC转换器被布置在扫描架的固定部分上，而整流器和管被安装在扫描架的旋转部分上。可以通过旋转变压器来传递能量。
由于这种布置，控制信号必须从管所位于的扫描架的旋转部分传递到DC-AC转换器所安置于的扫描架的固定部分。对于数据传递来说，非接触数据链路是优选的，因为它相对于使用电连接的方案增加了可靠性和维修费用。
发明内容
计算机断层摄影扫描架内的信息传递速度被确定为输出电压质量的一个标准，并因此成为图像质量的一个标准。扫描架的旋转部分与扫描架的固定部分之间的数据传递可被视为一个瓶颈。因此，必须优化这部分的数据传递以便加速数据处理。
可能期望提供一种用于优化扫描架的旋转部分与扫描架的固定部分之间的数据传递的改进的设备。
本发明提供一种用于控制DC-AC转换器的X射线设备，其中该DC-AC转换器适于向计算机断层摄影扫描架的谐振电路和变压器供应电能，其中该扫描架包括旋转部分和固定部分，其中，该变压器适于提供电流、馈电给高电压整流器电路以及提供输出电压，该X射线设备包括：检测器，其用于检测输出电压；预测器，其用于通过处理输出电压来计算第一输出，其中该第一输出表示针对DC-AC转换器的可能状态的输出电压变化；控制环路，其用于通过处理输出电压和目标规范来计算所需的输出电压变化；决策模块，其用于通过处理第一输出和所需的输出电压变化来计算控制值；其中该检测器、预测器、控制环路和至少一部分决策模块适于安装在扫描架的旋转部分上，从而使得要从扫描架的旋转部分传送到扫描架的固定部分的信息内容少于输出电压的信息内容。
本发明提供缓解计算机断层摄影扫描架的控制信号的数据传递的瓶颈的可能性。这一瓶颈是扫描架的旋转部分与扫描架的固定部分之间的接口。
本发明还提供包括根据权利要求1-10之一所述的X射线设备的计算机断层摄影扫描架。
进一步的实施例被包含在从属权利要求中。
根据本发明，提供一种X射线设备，其中控制环路是PI-控制环路。
根据另一示例性实施例，提供一种X射线设备，其中决策模块适于计算控制值以控制DC-AC转换器。
根据本发明，提供一种X射线设备，其进一步包括用于控制DC-AC转换器的逻辑单元，其中决策模块适于通过控制值控制逻辑单元。
根据另一示例性实施例，提供一种X射线设备，其中逻辑单元是可编程的。
根据另一示例性实施例，提供一种X射线设备，其中逻辑单元是FPGA或CPLD。
根据示例性实施例，提供一种X射线设备，其中逻辑单元适于安装在扫描架的固定部分上。
根据本发明，提供一种X射线设备，其中预测器适于生成所需的输出电压变化的三个预测值。
根据示例性实施例，提供一种X射线设备，其中预测器适于生成所需的输出电压变化的五个预测值。
根据示例性实施例，提供一种X射线设备，其中谐振电路包括谐振电容器，其中X射线设备包括用于检测谐振电容器上的电容器电压的第二检测器，其中预测器适于通过处理电容器电压来计算第二输出，该第二输出表示针对DC-AC转换器的可能状态的输出电压变化。
可以看作是本发明的要旨的是：提供一种X射线设备，该X射线设备最小化必须在扫描架的旋转部分和扫描架的固定部分之间传递的控制数据量。这一X射线设备使得计算机断层摄影扫描架的高精度及加速的数据处理成为可能。
应该注意，上述特征也可以进行组合。即使没有详细地明确描述，上述特征的组合也可以导致协同效应。
通过参考后面描述的实施例，本发明的这些及其他方面将变得显而易见且得以阐明。
附图说明
下面将通过参考以下附图描述本发明的示例性实施例。
图1示出高电压发生器的功能图；
图2示出正状态的DC-AC转换器的开关配置；
图3示出0状态的DC-AC转换器的开关配置；
图4示出负状态的DC-AC转换器的开关配置；
图5示出三级控制的控制器的结构；
图6示出任意操作点的能级的应用；
图7示出决策模块的实施例；
图8示出决策模块的操作方法；
图9示出计算机断层摄影扫描架。
附图标记列表：
91   计算机断层摄影扫描架
92   扫描架的固定部分
93   扫描架的旋转部分
94   X射线源
95   X射线探测器
97   台
98   高频电源
99   控制及分析单元
101  DC输入电压
102  DC-AC转换器
103  谐振电感
104  谐振电容器
105  变压器
106  整流器
107  高电压输出
108  输出电压
201  DC输入电压
202  DC-AC转换器
203  DC-AC转换器
204  谐振电感
205  谐振电容器
206  整流器
207  寄生电容器
208  DC输入电压
209  谐振电流
301  DC输入电压
302  DC-AC转换器
303  DC-AC转换器
304  谐振电感
305  谐振电容器
306  整流器
307  寄生电容器
308  DC输入电压
309  谐振电流
401  DC输入电压
402  DC-AC转换器
403  DC-AC转换器
404  谐振电感
405  谐振电容器
406  整流器
407  寄生电容器
408  DC输入电压
409  谐振电流
501  预测器
502  决策模块
503  控制器
504  控制设备
505  Uout
506  UC
507  控制值
508  Uref
509  信息接口
510  信息接口
511  信息接口
512  信息接口
513  ΔUout，-
514  ΔUout，0
515  ΔUout，+
516  ΔUout，ref
601  正级能量
602  所需能量
603  所施加的能量
604  0级能量
605  负级能量
701  用于计算中间值的单元
702  用于计算中间值的单元
703  比较器
704  逻辑单元
705  决策模块的实施例
706  比较器
707  决策模块
801  负状态
802  0状态
803  正状态
804  比较器的电压特性
805  比较器2的电压特性
806  比较器1的电压特性
807  决策模块的操作模式
具体实施方式
本发明特别适用于计算机断层摄影系统。这种计算机断层摄影系统包括扫描架的旋转部分和扫描架的固定部分，管被安装在旋转部分上。典型地，包括DC-AC转换器、变压器和整流器的完整X射线发生器被安置在扫描架的旋转部分上。通过滑动环来传递三相主线。
允许对所有操作点进行零电流切换且同时保持输出电压的完全可控性的控制方法是已知的。由于零电流切换，功耗非常低。该控制方法也非常鲁棒且具有特别好的动态特性。
这种控制方法基于将离散能量部分从主电源传递到输出。这些离散能量部分是通过向谐振电路施加与电流同相的电压(+状态，参见图2)、零电压(0状态，参见图3)或与电流反相的电压(-状态，参见图4)而生成的。
关于应该在谐振电流的特定零交叉点处施加三个操作模式(+，-，0)中的哪个的决策是通过图5所示的三级控制器504执行的。
图1示出高电压发生器108的功能图。DC输入电压101被转换成AC电压108，该AC电压被馈送给谐振电路103、104和变压器105的初级侧。变压器105的输出电压被整流器106整流，由此产生高电压输出107。谐振电路103、104包括电感103以及电容器104。变压器105的漏电感可以是谐振电感103的一部分。变压器105的漏电感也可以完全替换谐振电感103。
图1示出高电压发生器108的功能图，其被实现为串联谐振转换器。DC输入电压101被转换成AC电压108并且被馈送到用于补偿变压器105的漏感应率的串联谐振电路中。作为该串联谐振电路的一部分的高电压变压器105将低电压(例如400V)转换成高电压(例如40kV)。最后，整流器106对变压器105的输出电压进行整流。该整流器可以包括级联，该级联增加电压并且产生高的DC电压107。
如图2、3和4所示，DC-AC转换器通常被实现为全桥接转换器。
图2示出一种全桥接转换器，其被实现为单相桥。DC-AC转换器包括模块202和203。向这些模块202、203供应DC输入电压201、208。DC输入电压201、208将由功率开关S1、S2、S3和S4切换。经切换的电压将被供应给谐振电路204和205以及变压器207。在图2中，变压器由寄生电容器207表示。在变压器207的次级侧，提供整流器206，其输出电压是高电压输出107。二极管D1、D2、D3和D4是续流二极管(free-wheeling diode)。图2中的情形被称为正状态。整流器206包括四个二极管，其对变压器207的输出电压进行整流。
图2的电流209示出正常情形。在这种情形下，DC-AC转换器向谐振电流供应电感204并且向谐振电容器205和变压器207供应电能。电压和电流是同相的(+状态)。
图3和图4示出与图2相同的元件。这三幅图(图2、图3和图4)之间的差别是开关元件S1、S2、S3和S4的情形。
图3示出四个开关S1、S2、S3和S4中的三个处于断开状态(不导通)的情形。在这一情形下，续流二极管D1、D2、D3、D4连同处于接通状态的开关一起使能电流309的流动。
图3示出DC输入电压301和308，其被馈送到DC-AC转换器302和303。DC-AC转换器302和303包括四个续流二极管D1、D2、D3和D4。此外，DC-AC转换器302、303包括用于切换输入电压301、308的四个开关S1、S2、S3和S4。这些经切换的电压被供应到具有电感304、电容器305和变压器307的谐振电路。变压器307由寄生电容器CP表示。变压器307的输出电压被馈送到整流器306，该整流器是由四个单向导通元件实现的。这些单向导通元件例如可以由四个二极管或整流器级联实现，其中该整流器对电压进行整流并且该级联增加电压。图3示出一种情形，其中四个开关中的三个处于断开状态。图3的情形仅是正电流的一种可能性。图3中未示出的其他可能的情形是开关S4被闭合并且开关S1、S2和S3处于断开状态。对于负电流，开关S2和S3必须被闭合。所有这些配置的共同之处在于转换器电压为零(0状态)。
图4示出当所有四个开关S1、S2、S3和S4均处于断开状态时的情形。在这种情形下，DC输入电压的方向被反转并且DC输入电压源401、408有可能反向获得电能。基于这一电路的优点是有可能通过从供应电路重新获得电能而节省电能。
图4示出401和408中被供应到DC-AC转换器402和403的输入DC电压。DC-AC转换器402和403包括四个开关S1、S2、S3和S4以及续流二极管D1、D2、D3和D4。DC-AC转换器402、403的经切换的电压被供应到谐振电路，该谐振电路具有电感404和谐振电容器405以及变压器407，该变压器407由寄生电容器CP表示。变压器407的输出电压被供应到整流器406。在图4的这一情形下，所有四个开关S1、S2、S3和S4均处于断开状态。存储在谐振电路404、谐振电容器405和变压器407中的电能可以产生电流409。该电流409供应DC输入电压源401和408，其导致电能的恢复。电压和电流具有反相关系(-状态)。
图5描述了控制设备504，其包括控制器503、预测器501和决策模块502。控制设备504计算用于控制DC-AC转换器的开关S1、S2、S3和S4的控制策略。对于所有可能开关配置正级、零级和负级，针对由谐振电流Ires 209、309、409的零交叉点给定的下一控制周期，预测器501预测整流器的输出电压变化。控制器503针对下一步骤计算所需的输出电压变化。通过选择最终的输出电压变化最接近所需值的控制模式，决策模块502决定将使用哪种控制模式。决策模块502通过处理预测器515、514和513的输出电压并且通过处理控制器516的输出电压来计算控制值507。控制器503的输入电压是参考电压508以及输出电压505。输出电压505是整流器级联的输出电压，其由变压器的次级侧供应。控制器503例如可以实现为PI-控制器。谐振电路Ires是图2、3和4的电流209、309、409。预测器501在输入电压Uout 505和UC 506的帮助下处理输出电压515、514、513。电压UC 506是电容器C 205、305、405、104上的电压。在图5中，描述了四个接口509、510、511和512。在接口511处，存在输出电压505、电容器电压506以及参考电压508到达控制设备504的情形。接口511表示第一信息内容。在接口512处，存在预测器501、控制器503和决策模块502之间的情形，并且表示第二信息内容。第二信息内容相对于第一信息内容没有被减少。决策模块502的输入电压将被处理并且在接口509处产生信息内容。接口509处的信息内容相对于接口512处的信息内容和接口511处的信息内容被减少。在接口510处，信息内容相对于接口512处的信息内容和接口511处的信息内容也被减少。因此，在接口509或510处布置信息传递的瓶颈是有意义的。信息传递的瓶颈是扫描架的旋转部分与扫描架的固定部分之间的数据传递。因此，根据本发明的创造性理念，应该在接口509或510处布置计算机断层摄影扫描架的数据传递瓶颈，因为在这些接口509和510处的信息内容相对于接口511和512被减少。
图5示出控制器504，其包括常规PI控制器503。PI控制器503的输出是下一输出电压步骤的期望值Δuout，ref 516。预测器501针对三个操作模式中的每一个估计最终输出电压步骤。可以基于已经导出的解析动态模型作出这一预测。然而，该模型还不是非常精确。精确模型的近似是足够的，因为最终三级控制器对于系统参数的容差非常鲁棒。最后，决策模块502选择导致最接近由PI控制器503计算的期望输出电压Δuout，ref 516的输出电压步骤的操作模式。
图6示出时间期间的能量。点线602描述表示整流器106的输出电压的所需能量。线603描述DC-AC转换器102的输出电压。线603可以具有两级。第一级601对应于能量被供应到电路的情形。在这一情况下，线603与线601相同。线601表示正级能量。在无电力供应到变压器的情况下，线603与0级能量的线604相同。在图4所示的情形中，必须关注负级能量605。由于相对于变压器所需的能量的所需能量以及因为特殊元件布置反向获得的能量，导致所需的能量，其由点线602描述。
正级能量601是由图2的情形实现的情形，0级能量604是由图3所示的情形实现的，负级能量605是由图4所示的情形实现的情形。在这一图6中，仅施加正级能量601和0级能量604。因此，线603在线601和线604之间改变。如果图4所示的情形实现，则线603这一次将与线605相同。在图4所示的情形的持续时间期间，所施加能量的线603将与负级能量605的线相同。
图6示出三个能级601、604、605，其中具体操作点所需的能量位于+级能量601和0级能量604之间。对于特定持续时间，+级能量601被激活，而对于另一持续时间，0级能量被激活。但是关于时间的平均能量与所需能量相等。施加两个不同的能级601、604的结果是通过依赖于操作点的特定频率和振幅使输出电压从所需的电压变化。这一现象被称为抖振(chattering)。
由于所描述的操作原理，该抖振特别地对测量链中的延迟非常敏感。最佳的延迟是在200ns范围内。更长的延迟导致显著增加的电压变化(抖振)。这一问题可以通过最小化必须从扫描架的旋转部分传递到扫描架的固定部分的数据量来解决，以便允许快速非接触数据链路。
图7示出本发明的实施例的框图。它描述了决策模块707的实施例。输入ΔUout，+、ΔUout，0、ΔUout，-由用于计算平均值的单元来处理。两个比较器703、706将这些结果与闭环的结果ΔUout，ref进行比较，其结果被传送给逻辑单元。该逻辑单元可以是FPGA。在决策模块707进行处理之后，处理的结果被传送给FPGA 704。因此，数据被从扫描架的旋转部分传送到扫描架的固定部分。相对于包括决策模块707的输入的数据，所传送的数据内容被减少。决策模块707的输入包括ΔUout，ref、ΔUout，+、ΔUout，0和ΔUout，-。
图7描述了根据图5的控制器的实施例。决策模块707由两个比较器703、706实现，其将Δuout，+和Δuout，0的中间值以及Δuout，0和Δuout，-的中间值与PI控制器503的输出Δuout，ref进行比较。这些比较器703、706被安置于扫描架的旋转部分上。然后比较器703、706的输出(2个数字比特)经由快速非接触数据链路被传送到扫描架的固定部分。扫描架的固定部分上的FPGA704简单地对有效比较器703、706的数目进行计数。根据这一实施例，决策模块707被布置在扫描架的旋转部分上。FPGA 704被布置在扫描架的固定部分上。根据本发明，有必要将决策模块707的至少一部分布置在扫描架的旋转部分上。
图8示出根据Δuout，ref的比较器703、706的不同输出电压。比较器706具有电压特性806。比较器703具有电压特性805。状态的选择取决于比较器输出805、806。
图8描述了FPGA 704的逻辑。如果比较器703、706都是有效的，则得到+状态803。如果仅有一个比较器703、706是有效的，则得到0状态802。如果比较器703、706都不是有效的，则得到-状态801。
决策模块707也可以一般化为5级控制器。在这种情况下，将使用4个比较器并且数据链路必须传送4比特(与图7所示实施例中的2个数字比特形成对比)。但是，这4比特可以被减少到3比特，因为只有5个不同的控制状态。
图9示出计算机断层摄影扫描架91布置的示例性实施例。扫描架91包括连接到高频电源98的固定部分92以及适于相对于固定部分92旋转的旋转部分93。X射线源94和X射线探测器95被附接到旋转部分93上的相对位置处，从而可以围绕位于台97上的患者旋转。X射线探测器95和X射线源94被连接到控制及分析单元99，该控制及分析单元99适于控制X射线探测器95和X射线源并且评估X射线探测器95的探测结果。
应该注意，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，且“一”或“一个”并不排除多个。同时关于不同实施例所描述的元件可以进行组合。
应该注意，权利要求中的附图标记不应被解读为限制权利要求的范围。

Claims (11)

1.一种用于控制DC-AC转换器的X射线设备，其中，所述DC-AC转换器适于向计算机断层摄影扫描架(91)的谐振电路和变压器(105)供应电能，其中
所述扫描架(91)包括
-旋转部分(93)和
-固定部分(92)，
其中，所述变压器(105)适于提供电流、馈电给高电压整流器电路(106)以及提供输出电压(107)，
所述X射线设备包括
-检测器，其用于检测所述输出电压；
-预测器(501)，其用于通过处理所述输出电压(107)来计算第一输出，其中，该第一输出表示针对所述DC-AC转换器(102)的可能状态的输出电压(107)的变化；
-控制环路(503)，其用于通过处理所述输出电压(107)和目标规范来计算所述输出电压(107)的所需的变化；
-决策模块(502)，其用于通过处理所述第一输出和所述输出电压(107)的所需的变化来计算控制值；
其中，所述检测器、所述预测器(501)、所述控制环路(503)和至少一部分所述决策模块(502)适于安装在所述扫描架的所述旋转部分上，从而使得要从所述扫描架的所述旋转部分传送到所述扫描架的所述固定部分的信息内容少于所述输出电压的信息内容。
2.根据权利要求1所述的X射线设备，其中，所述控制环路(503)是PI-控制环路。
3.根据前述权利要求之一所述的X射线设备，其中，所述决策模块(502)适于计算所述控制值以控制所述DC-AC转换器(102)。
4.根据前述权利要求之一所述的X射线设备，其进一步包括
-用于控制所述DC-AC转换器(102)的逻辑单元(704)，其中，所述决策模块(502)适于通过所述控制值来控制所述逻辑单元(704)。
5.根据权利要求4所述的X射线设备，其中，所述逻辑单元(704)是可编程的。
6.根据权利要求5所述的X射线设备，其中，所述逻辑单元(704)是FPGA或CPLD。
7.根据权利要求4-6之一所述的X射线设备，其中，所述逻辑单元(704)适于安装在所述扫描架(92)的所述固定部分上。
8.根据前述权利要求之一所述的X射线设备，其中，所述预测器(501)适于生成所述输出电压(107)的所需的变化的三个预测值。
9.根据前述权利要求之一所述的X射线设备，其中，所述预测器(501)适于生成所述输出电压(107)的所需的变化的五个预测值。
10.根据前述权利要求之一所述的X射线设备，其中，所述谐振电路包括谐振电容器(104)，其中
所述X射线设备包括
-第二检测器，其用于检测所述谐振电容器(104)上的电容器电压，其中，所述预测器(501)适于通过处理所述电容器电压来计算第二输出，该第二输出表示针对所述DC-AC转换器(102)的可能状态的所述输出电压(107)的变化。
11.一种计算机断层摄影扫描架(91)，其包括根据前述权利要求之一所述的X射线设备。
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