CN1023184C - X射线管的电流控制装置 - Google Patents

Abstract

X射线管的管电流用闭环控制电路控制，在该控制电路中，管电流反馈信号用来控制X射线管灯丝电流。通过插入一个与管电流命令倒数成比例的信号，在管电流的宽范围内使反馈环路的增益保持基本不变。

Description

本发明的领域是X射线管阳极电流的控制，更准确地说，本发明涉及CT析象器所用类型X射线管阳极电路的精确控制。

如图1所示，X射线管10包括装在真空玻壳13中的热阴极灯丝11和阳极12。将2-6.5安培的交流电流I_F加到灯丝11上，使之发热并发射电子。将50-150千伏特的直流高压加在灯丝11和阳极12之间来加速所发射电子并使这些电子以高速轰击阳极12上的靶材料。结果发射出如虚线14所示的X射线能量。

所产生X射线的能量由高压电平和灯丝11与阳极12间流过的管电流I_T的量所决定。将该高压设置成选定的值并且在整个扫描期间，高压电源15和16维持所选电压值。管电流I_T受控于灯丝电流I_F的大小，而该灯丝电流则由灯丝变压器17次级绕组所产生的交流电压所控制。管电流I_T和加在灯丝上的电流之间的关系是非线性的，而且通常呈指数关系。

在CT析象器实际使用中常常要改变两次扫描之间的灯丝电流以便改变X射线产生的能级。因此，灯丝电流控制电路必须能够在每次扫描开始之前将灯丝电流置成可产生所要求的X射线管电流I_T的强度。

在CT扫描中，由于在整个扫描过程中顺序地得到衰减数据以及用于根据这样得到的数据来重构图象的方法假定X射线能量在整个扫描期间保持恒定，所以要求所产生的X射线量具有很高精度。这就要求对管电流I_T进行精确的控制。

再参考图1，用灯丝电流控制装置可满足这些要求，所述灯丝电流控制装置在灯丝预热时工作在开环方式，而在产生X射线时工作在闭环方式;从而精确地控制管电流I_T。在开环方式工作期间，由数字控制系统（未示出）把预热电流命令加到D/A转换器20的输入端。由放大器21放大所产生的模拟量的预热电流命令，所述放大器21也将该命令的幅度限定为安全电平，并且将该结果信号输入到灯丝驱动电路22。灯丝驱动电路22产生一个加到灯丝变压器17的初级的交流输出电压，所述灯丝变压器17产生指令要求的灯丝电流I_F。由和灯丝变压器17的初级或次级相连的电流传感器所产生的灯丝电流反馈信号通过线路23反馈，以通过闭环控制作用使灯丝电流I_F为所要求数值。

短时间的间隔过后，高压接通产生X射线，所述电流控制装置转换到闭环工作方式。这可通过线路26用来自数字控制系统的控制信号将模拟开关25闭合来实现。从而将反馈信号加到放大器21输入端的累加点27，把该反馈信号加到预热电流控制信号上并将灯丝电流调节到可产生所要求的X射线管电流I_T的一点上。

管电流I_T用电阻30测量，电阻30与高压电源15和16串联并跨接在运算放大器31的两输入端。在高性能系统中，该管电流反馈信号通过误差放大器32与管电流控制信号相加，并将差分或误差信号加到可变增益放大器33的输入端。所述管电流控制信号通常由数字控制系统以数字形式产生并由D/A转换器34将之变换为模拟控制信号。该管电流控制信号的数值可确定在所选高压电平下扫描期间所产生X射线的量。由放大器33产生的结果的反馈信号由于在累加点27的反馈作用、通过控制灯丝电流I_F使 实际管电流I_T等于管电流命令。

为维持稳态精度和所要求的瞬态响应，在整个工作范围内，管电流反馈环路的总增益和相位应维持恒定，所述CT的X射线管的工作范围指从10毫安到1，000毫安以上。然而，众所周知，可将X射线管的传递函数定义为：由灯丝电流I_F的递增变化所产生的管电流I_T的递增变化依赖于管电流I_T的范围。因此，为了在整个工作范围内得到高性能，先有技术的电流控制装置把可变增益放大器33包括在管电流反馈环路中，用以补偿管子传递函数可变性，以得到大致不变的闭环增益。亦即，每当改变管电流命令时，增益命令也通过线35加到可变增益放大器33以调整闭环增益，从而适应不同的管电流引起的不同的X射线管的传递函数。如果闭环增益未能保持在较为恒定的水平，那么，该控制装置在低的管电流的水平下不精确而且响应不好，在高的管电流水平下可能不稳定。

本发明为X射线管电流控制装置的改进，更准确地说，本发明是在X射线管电流的宽范围内保持闭环增益大致恒定的管电流反馈环路。再准确些说，所述改进包括：在基准输入端接收与X射线管电流I_T成比例的反馈信号的乘法D/A转换器，该转换器产生正比于两个输入信号乘积的输出信号;将来自乘法D/A转换器的输出信号耦合到累加点的误差放大器，在所述累加点与预热命令信号结合控制X射线管灯丝电流。

本发明的一般目的是保持管电流反馈环路较为恒定的闭环增益。闭环增益自动地独立于管电流I_T，因为乘法D/A转换器的增益正比于数字输入信号，而该数字输入信号是指令要求的管电流的倒数。这样，在管电流I_T较高时产生的闭环增益的增加基本上由乘 法D/A转换器的相应较低增益所补偿。

本发明的另一目的是降低电流控制装置的复杂性。乘法D/A转换器完成双重功能，即将数字管电流命令插入管电流反馈环路，以及随着管电流的变化来调整闭环增益。因此，无需单独的D/A转换器和可变增益的放大器电路。

通过以下描述，本发明的上述和其它目的和优点是显然的。在以下描述中，参考构成一部分描述的附图，在附图中借助于图例说明方式示出了本发明的最佳实施例。但是，这种实施例不一定代表本发明的全部范围，因此解释本发明的范围时必须参考本发明的权利要求书。

图1是先有技术的X射线管电流控制装置的方框图;

图2是结合本发明的X射线管电流控制装置的最佳实施例的方框图;以及

图3是图2装置各部分的电原理图。

具体参考图2，在本发明的最佳实施例中使用了图1电流控制装置中的许多元件。这些元件用相同标号标志，它们包括含有D/A转换器20、累加点27、模拟开关25、放大器和限幅器21、灯丝驱动电动22和灯丝变压器17等开环元件。这些元件的电路描述于题为“X射线管灯丝的电子发射调节器”的美国专利第4，322，625号中，该专利已转让给本发明的受让人。尽管有很多类型的X射线管可为本发明所使用，作为X射线管10的例子描述于题为“具有改进热负荷的旋转阳极X射线管”的美国专利第4，187，442号中。

同样，高压电源15和16对本领域是人所周知的，并可按美 国专利4，504，895和4，477，868号中所述进行构造并用美国专利第4，596，029中所述的数字控制装置进行控制。

本发明是对图1电流控制装置的改进，其中对管电流反馈环路的元件作了改变。参考图2，改进的反馈环路包括其输入端跨接在电阻30上以检测X射线管电流I_T大小的放大器50。当管电流I_T增加时，电阻30的电压降增大，加在放大器50上的电压即管电流反馈信号增大。

将放大器50的输出加到乘法D/A转换器51的基准输入端，该转换器也将通过总线52的12位的数字数值作为输入接收。该12位的数字数值由数字控制装置53产生并正比于管电流命令的倒数。乘法D/A转换器51的模拟输出加到误差放大器54的输入端，从线路55上固定的正的基准信号中减去所述的转换器51的模拟输出。结果得到的管电流误差信号通过线路56输出到模拟开关25。

每次开始扫描时，数字控制装置53发出一12位预热电流命令到D/A转换器20。这使得将电流加到X射线管灯丝11上若干秒钟，并使灯丝加热到工作温度。然后由电源15和16将高压加到X射线管10上并在5至10毫秒之后，数字控制装置53通过控制线25发出闭环命令，使模拟开关25闭合。

数字控制装置53还计算12位二进制数，并将该数输出到乘法D/A转换器51。这用所要求的、即所控制的X射线管电流数去除归一化常数，并从总线52将结果输出。来自放大器50的管电流反馈信号被该12位二进制数所乘，而该 12位二进制数为管电流命令的倒数，而D/A转换器51的结果输出是已经用与X射线管电流成反比的因子换算过的电流反馈信号。该换算因子基本补偿了X射线管电流I_T增大引起的管电流反馈环路增益的增大。这样，闭环增益基本保持不变而和管电流命令值及相继的X射线管电流I_T的值无关。

由误差放大器54将固定基准信号减去径比例放缩的管电流反馈信号，并通过模拟开关25将结果的管电流误差信号耦合到累加点27，以产生所需要的反馈控制作用。

除了控制闭环增益之外，使用乘法D/A转换器51对管电流反馈信号进行比例放缩，也使加在误差放大器54上的电压在X射线管的整个工作范围内保持在较小范围内。换言之，在X射线管电流很低时，乘法D/A转换器51的输出基本上与X射线管工作在很高电流时的输出相同。这显著地降低了对误差放大器51的偏置电压的要求，并随之降低了误差放大器的成本。

图3中示出管电流反馈环路单元的更详细的电路图。运算放大器是由Precision    Monolithics，Inc制造的型号OP27（放大器50）和OP07（放大器51、54和20），这些放大器描述于由Precision    Monolithics，Inc.1986年出版的“PMI    Databook”中。乘法D/A转换器为Analog    Devices制造的AD7541A型，该转换器描述于由Analog    Devices，Inc.1988年出版的“Analog    Devices    Data    Conversion    Handbook”一书中。模拟开关25是Siliconix，Inc.制造的DG303A型，并描述于Siliconix    Inc.1988年出版的“Integrated    Circuits    Databook” 一书中。

从最佳实施例可以演变出许多方案，这应该是显而易见的。例如，预热电流命令可表示灯丝电压，而灯丝驱动级22可产生相应的电压。灯丝电流或电压的反馈可从变压器17的初级或次级绕组中得到，而这种反馈包括受控灯丝参数的变化速率以便实现微分控制或超前补偿，从而为灯丝控制环路提供消振作用。也可将补偿加到灯丝电流命令以便对众所周知的X射线管的空间电荷特性加以补偿，因此为了保持管电流I_T不变，随着所加高压的降低，势必增加灯丝发热。

Claims (3)

1、一种X射线管的电流控制装置，所述电流控制装置具有提供电流给X射线管的灯丝以响应预热命令信号的灯丝驱动电路，其特征在于它包含：

用于产生表明X射线管灯丝和阳极间流过电流量的管电流反馈信号的装置；

用于产生与管电流命令倒数成比例的命令信号的装置；

乘法装置，用于将管电流反馈信号乘以命令信号以产生管电流误差信号；

减法装置，以从正比于X射线管电流的基准信号减去管电流误差信号，从而产生一个校正过的管电流误差信号；

用于将预热命令信号与校正过的管电流误差信号相结合的累加装置，产生的灯丝命令信号去控制管灯丝温度，使管电流得到由管电流命令所指出的值；以及

向所述灯丝驱动电路提供所述灯丝命令信号的装置。

2、如权利要求1的装置，其特征在于，所述乘法装置为乘法数字/模拟转换器，而命令信号为多位的数字信号。

3、如权利要求1的装置，其特征在于，累加装置包括模似开关，该模拟开关可以在加上预热命令信号后经过一段时间再进行操作，将校正过的管电流误差信号与预热命令信号相结合。

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