CN102237805A - 便携式医用x射线机高频高压发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于ARM(Advanced RISC Machines)嵌入式技术的医用便携式X射线机高频高压发生器的控制方法和装置；该装置包括高频高压逆变器及高频高压控制单元；将生活用电经过整流滤波变成稳定的直流高压供X射线管工作；控制单元采用高性能的32位ARM微处理器替代传统的单片机，在嵌入式实时操作系统高效的多任务管理下设计的高频高压控制系统，能满足主电路逆变器及驱动电路控制、AEC控制、ABS控制、kV和mA实时控制等；由于此嵌入式技术的应用，提高了X射线管的效率以及摄影照片的清晰度；满足其便携性采用组合机头，具有卓越的灵活性配置，为X射线技术在应急小场合中的应用解决了关键技术问题。

Description

便携式医用X射线机高频高压发生装置

技术领域

本发明属于如何使医用诊断X射线机的高频高压发生装置更加轻便、具有便携性的技术领域，具体涉及一种基于ARM嵌入式技术的高频高压发生装置的控制方法。 

背景技术

1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线管时意外发现了X射线，很快将其应用于医学领域，到了20世纪10～20年代，出现了医用常规诊断X线机，到20世纪60年代中、末期，已形成了较完整的诊断用X线机系列，如胃肠X线机、普通摄片机、胸片摄影机、牙科用X线机、乳腺X线机、移动拍片机等等，不过这些设备都是在医院或一些专业医疗机构中装备使用，然而随着X线机应用技术的拓展，如很多急救、恶劣、复杂环境中，在战地、抢险救灾、体育竞技赛场、小动物的救治等过程中，这些笨重的固定装备已不能发挥其应有的功能，由此产生了便携式X线机。 

由于便携式X射线机集中X射线发生部和控制部为一体，具有卓越的灵活配置性。特别在很多由于不能使用大型X光机的地方得到了最大的体现，如社区医疗，农村医疗，VIP上门诊断，体检车，国家灾害救助，政府开发援助(ODA)，国际性援助，放射研究教学机关，体育俱乐部，宠物医院等。便携式X射线机也是战地、抢险救灾等情况下开展医疗救治的重要装备。 

我国早期自行研制生产的便携式X线机，采用工频设计，整机主要分为X线球管、控制台、机架及机箱几部分，其中有一个体积笨重的自耦变压器，电路结构陈旧、机器结构不合理、整机效能低，曝光参数的准确性和重复性差，射线量不稳定，散射线强，体积大，不方便携带，展开工作时间长，机械性能差，操作不方便，不适于腰椎、骨盆等身体较厚部位的投照检查。 

因此不断研究X射线控制相关技术，比如如何减小设备的体积、使其具有更好的便携性，提高高压直流电源的稳定性、可靠性和可重复性，提高X射线剂量的稳定性和能源使用的高效率，是我国便携式X射线机研究与发展的趋势。 

80年代后期由于逆变电源技术的发展成熟，在X射线机的高压电源与灯丝加热电源控制中采用了逆变电源技术，逆变的频率从传统X线机所使用的50/60Hz提高到几百赫兹几千赫兹。变频技术的应用使X线机的输出X射线质量提高；输出剂量稳定；对kV、mA可实时控制；X射线输出稳定、重复性好；更重要的是实现了结构小型化，根据变压器电源传输原理，提高频率可以减小铁心的截面积和线圈的匝数，从而可以减小电源的体积和重量，满足其便携性；另外，由于逆变是直流转化为交流的过程，所以可宜采用直流电源供电，这 意味着可利用电池解决电源的问题，对于缺少交流电或电源条件差的场合，具有特殊意义。 

所以利用高频逆变技术以及ARM嵌入式技术替代传统的8/16位单片机，在uC/OS--II嵌入式实时操作系统高效的多任务管理下的高频高压控制系统实现便携式X线机的设计，可实现轻便、小巧、实时操作等高频逆变X线机的所有优点，并为便携式X射线机的推广和量产提供重要的技术保证，满足国内医疗机构、红十字机构、野外单位、体育团体和有条件的社区诊疗机构的需求，适应当前医疗发展的需要，具有很好的社会价值和广阔的市场前景。 

发明内容

本发明的目的在于采用高性能的32位ARM微处理器替代传统的8/16位单片机，在uC/OS--II嵌入式实时操作系统高效的多任务管理下设计的高频高压控制系统，提供了系统的实时处理能力和高精度控制的同时提高了直流电源的稳定性、可靠性和可重复性，使输出的X射线更加的稳定、效率更高；利用高频逆变技术实现了X射线机高频高压发生装置的轻便、小巧等等；为了实现便携、机动性和灵活性等特点，此装置采用组合机头和自然冷却；此装置为便携式X射线机的推广和量产提供重要的技术保证，满足国内医疗机构、红十字机构、野外单位、体育团体和有条件的社区诊疗机构的需求，适应当前医疗发展的需要，具有很好的社会价值和广阔的市场前景。 

附图说明

图1是高频逆变器工作原理框图 

图2是高频高压发生装置系统硬件原理图 

图3是控制系统结构原理框图 

图4是控制系统软件流程图 

具体实施方式

本发明设计的一种基于ARM(Advanced RISC Machines)嵌入式技术的医用便携式X射线机高频高压发生器的控制方法和装置，解决了医用便携式X射线机工作所需的高频高压电源及其控制关键技术。本装置采用了现代电子与嵌入式相结合的技术。 

本装置的系统组成如图1所示。高频高压逆变器由直流电源、直流逆变和逆变控制组成。它将一个电源电压(220V、50Hz)通过PWM(pulse width modulation)转换成频率为40kHz的高频信号，该信号发送到高压组合机头的高压变压器，通过变压电路和整流电路将初级电压变成40kV-100kV(-50kV～+50kV)高压，同时在组合机头内的动态信号将被精确地获取，以控制高频逆变器对X射线高压的控制。 

图2为高频高压发生装置系统硬件原理图。高频高压发生装置由整流、滤波、逆变、高压变压器、控制电路组成。它首先将220V/50Hz的电源电压整流、滤波后送给谐振逆变器，经逆变后得到40kHz的高频信号，该信号经高压变压、整流后送给X射线管；逆变部分是 整个系统的关键部分，采用多重化逆变技术来改善了系统控制的响应特征，它把直流电变换成高频交流电，经过输出滤波器隔离直流输出交流电压；包体分阴极和阳极，它主要由高频变压器和高频倍压整流极组成，高频的低压信号经过高频变压器和高频倍压整流板后变成100kV稳定直流电压，提供给球管。控制电路主要是将计算机下达的指令及高压发生器的工作状态反馈到计算机，再把经计算机处理后的信息输送到执行机构，去控制高压发生等部件，从而对kV、mA和曝光时间进行相应的调整，除此之外，它还有自行处理故障的能力。 

图3为控制系统结构原理框图。ARM微处理器具有体积小、低功耗、低成本、高性能的特点；支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。 

本系统将选用Samsung公司的S3C44B0X芯片，S3C44B0X是基于ARM7TDMI为内核的32位RISC处理器。为了降低整个系统的成本，S3C44B0X还提供以下主要部件：8KBCache、可选的内部SRAM、2通道UART、4通道DMA、系统管理器(芯片选择逻辑、FP/EDO/SDRAM控制器)、6通道带PWM的定时器、I/O口、RTC、8通道12位ADC、12C/IIS总线接口、同步SIO接口和成对时钟PLL。S3C44B0X是基于ARM7TDMI核和0.25μm的COMS标准单元和存储器开发的。它的低功耗、精简和出色的全静态设计，特别适用于性价比要求较高的工程应用。 

针对高频高压发生器控制系统的各种功能需要，在控制系统中扩展了FLASH、SDRAM、UART、JTAG调试接口等模块。 

图4为系统控制软件流程图。通常，高频高压发生器的控制器以8/16位单片机为核心的系统，程序一般采用前后台方式编写。后台运行一个大的无限循环，前台为多个中断。这种方式使程序规模增大、系统功能较复杂，尤其在系统中的并发进程较多的情况下，就显得力不从心，很难保证控制的实时性，而且程序编写困难、不便于功能扩充。随着对高频高压发生器功能要求不断地提高，控制系统需要同时运行多个任务或进程，如自动亮度控制、数据通讯、AEC控制等等，这些都需要对多任务进行合理的调度；另外，控制系统接收和处理的信息、数据的增多，尤其是对实时控制精度要求高技术，仅靠单一循环或数组来管理是复杂而效率低下的。因此，多任务管理将是必不可少的功能。 

uC/OS--II是一个源码公开、可移植、可固化、可裁减、占先式实时多任务操作系统，其实时性特点有：①基于优先级的任务调度，保证优先任务得到优先执行；②任务问的通信互斥机制，实现任务间同步和通讯；③实时时钟管理，保证任务在确定时间内执行完成。由于它是实时性很强的操作系统内核，可移植性很好，所以很容易将它移植到本系统的ARM上。另外，基于uC/OS-II编写应用程序比较简单，首先要根据系统功能划分出一些相对独立的子功能模块，每个模块作为一个“任务”。所谓“任务”就是一个比较特殊的函数(无返回值)，主体也是个无限循环，循环里完成一定的功能。多个任务之间有一个实时的调度算法， 按照任务的优先级随机调度这些任务来执行。用户可随时中断这些任务的执行。任务之间以及任务与中断服务程序之间可以调用信号量、消息邮箱、消息队列、延时等系统服务来实现彼此通信(数据共享)和同步。从宏观上来看，多个任务是按顺序执行的。本系统划分的任务包括：阳极启动、ABS控制、AEC控制、逆变控制、消息响应事件等任务。编写好这些任务的代码(包括系统服务的调用)和用到的中断服务程序后，启动操作系统则应用程序就开始运行。若要增添功能，只需增加相应任务和调用一定的系统服务即可。 

通过在实际工程的应用验证了本文设计地软硬件系统，实现了稳定、可靠运行，系统的实时处理能力得到极大地提高，各部分功能正常工作，证明了系统设计达到了预期结果。 

Claims (4)

1.基于ARM嵌入式技术的医用便携式X射线高频高压发生器装置，尤其是其高频高压的控制方法，该装置包括高频高压逆变器及高频高压控制单元，其特征为：

高频高压逆变器由直流电源、直流逆变和逆变控制组成，它将一个电源电压(220V/50Hz)通过PWM(pulse width modulation)转换成频率为40kHZ的高压信号，该信号发送到高压组合机头的高压变压器，通过变压电路和整流电路将初级电压变成40kV-100kV高压，同时在组合机头内的动态信号将被精确地获取，以控制高频逆变器对X射线高压的控制。

2.根据权利要求1所述的高频高压的控制方法，其特征为：采用UC/OS-2实时操作系统，该系统源码公开、可移植、可固化、可裁减、占先式实时多任务操作系统。

3.根据权利要求1所述的高频高压控制方法，其特征为：基于ARM7TDMI为内核的32位RISC处理器，低功耗、精简和出色的全静态设计，特别适用于性价比要求较高的工程应用。

4.根据权利要求1所述的高频逆变的控制方法，其特征为：采用多重化逆变技术，多重化的重数正好等效于开关频率提高的倍数，从而改善了系统控制的响应特征，各台逆变器的电压波形经相位错开后组合在一起，即使各台变换器的开关频率不高，变换器整体却能收到很好的波形改善效果。

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