CN104810229B - 使用压电陶瓷补偿阳极移动的x射线管及其补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用压电陶瓷补偿阳极移动的X射线管，其由阴极、阳极、X射线管外壳、定子线圈等组成，所述阳极包括：阳极转子、轴托、轴托套、旋转轴承和压电陶瓷驱动器。本发明还涉及使用压电陶瓷补偿X射线管阳极移动的方法。根据本发明的X射线管及其阳极移动补偿方法，通过加在压电陶瓷材料上的电压来实现负反馈控制阳极焦点漂移量，从而有效解决阳极热膨胀造成的焦点漂移问题。

Description

使用压电陶瓷补偿阳极移动的X射线管及其补偿方法

技术领域

本发明涉及CT机上的X射线管结构以及控制CT机上X射线管焦点漂移的方法，具体涉及在CT机中使用压电陶瓷来补偿阳极移动的X射线管以及由此控制阳极焦点漂移的方法。

背景技术

X射线成像的原理是用X射线透射人体，通过人体各组织器官对X射线衰减程度的不同，来得到人体内部的结构信息。普通的X光片只使用一个特定角度的X射线衰减数据，得到的是人体三维结构在这个方向上的二维投影图像。CT机则同时使用多个角度的衰减数据，能够完整地重建出人体的三维结构。X射线管作为X光的光源，是X射线成像设备中的核心部件。光源输出的X射线的稳定程度，也直接影响到最终的图像质量。

在现有技术中，CT机上通常使用的X射线管结构如图1所示，其主要由灯丝、阳极1、阴极2、X射线管外壳3和定子线圈4等组成。其中，阳极1包括：阳极转子11、轴托12、旋转轴承13和阳极靶14。X射线管外壳3上开有射线输出窗31。灯丝由电子发射能力比较强的材料制成，比如钨或者六硼化镧。阳极1由耐高温的金属材料制成，比如钨钼合金。处于工作状态时，阳极1会高速旋转，转速可达5000r/s或更高。整个X射线管内部处于真空状态，外部则是充满散热用的硅油。在实际使用的产品中，X射线管和硅油循环系统一起封装在一个大的金属外壳中(硅油循环系统图示意图中未示出。)

X射线管的工作原理是：在电极间加高压产生一个加速电场，该加速电场通常为100KV左右。给位于阴极的灯丝通入电流使其处于炙热状态，此时灯丝会发射出电子，这些电子经过加速后，轰击在阳极靶上。高速电子和阳极靶材料相互作用的过程会产生X射线。但电子能量只有很小一部分能够转化成X射线，其余的能量都会转化成阳极靶材料晶格振动的能量，这会使阳极靶的温度变得非常高，可瞬间达到几千摄氏度。由于电子轰击阳极靶会放出大量的热，因此阳极必须有很好的散热措施。阳极旋转的目的就是让阳极不停地高速旋转，电子不同时刻轰击在阳极靶的不同位置，以此避免阳极靶表面同一点的过热现象发生。

由于电子的轰击使得阳极靶处于高温状态，在高温作用下阳极靶会产生热膨胀，这使得阳极靶在电子轰击下产生出的X射线，其焦点不可避免地会随着阳极靶的温度而变化。这种现象称为焦点漂移。因为X射线的接收装置和X射线管外壳的相对位置是固定的，焦点漂移以后，探测器接收到的数据和漂移前的数据就会有差别，这种差别会影响到图像成像，对最终得到的图像质量产生不好的影响，使图像发生模糊或者产生和实际结构不一致的条纹。

发明内容

鉴于现有技术的上述不足，本发明提供一种使用压电陶瓷补偿阳极移动的X射线管及其补偿方法，其目的在于，通过在阳极靶的旋转轴上使用压电陶瓷驱动器，并通过加在压电材料上的电压来实现负反馈从而控制焦点漂移量，有效地解决阳极热膨胀造成的焦点漂移问题。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

使用压电陶瓷补偿阳极移动的X射线管，包括：阴极、阳极、X射线管外壳、定子线圈，其中，所述阳极包括：阳极转子、轴托、轴托套、旋转轴承和压电陶瓷驱动器，所述轴托与所述X射线管外壳固定在一起，为所述阳极转子提供转轴，所述轴托套包覆在所述轴托外层，所述阳极转子包覆在轴托套外侧，所述阳极转子与所述轴托套之间由旋转轴承连接，所述压电陶瓷驱动器一侧固定在所述轴托上，另一侧与所述轴托套无缝隙贴合，以使得所述压电陶瓷驱动器的底部与所述轴托之间得以相对滑动。

所述压电陶瓷驱动器的控制回路包括X射线探测器、数据分析装置和电子控制器组成，其中，所述数据分析装置用以计算焦点当前位置，所述电子控制器用于比较焦点当前位置和理想位置，并把比较结果转化成相应的电压信号。

所述压电陶瓷驱动器制作成中空的环状，放置于所述轴托右侧的端面处；压电陶瓷驱动器的控制线通过X射线管外壳上预留的穿孔引到X射线管外。

所述轴托套和所述轴托使用相同材料制成，所述轴托套轴向上的长度比轴托稍短，在所述轴托套的两侧均有相应的固定部位，其用来将所述轴托套的一侧与压电陶瓷紧密贴合固定。

所述轴托套的另一侧则通过弹簧圈与所述轴托的端面之间连接，该弹簧圈具有高倔强系数且始终处于压缩状态，以使所述轴托套和所述压电陶瓷之间保持紧密贴合。

所述轴托套沿着转轴方向与轴托相对滑动；所述轴托的径向外侧具有齿轮形状的凸起，所述轴托套的内侧为与其相应的形状，两者在径向紧密贴合。

在轴托套和轴托之间形成一个滑移面，在该滑移面上加入石墨或其他固体润滑剂进行润滑。

所述阳极转子前端的阳极靶受热膨胀的影响小于0.5毫米，所述压电陶瓷驱动器的行程为0.5毫米，精度小于10微米。

采用压电陶瓷补偿X射线管阳极移动的方法，其包括如下步骤：

步骤1：通过一次X射线曝光，从X射线探测器上得到曝光数据，根据该曝光数据计算出当前X射线焦点的位置；

步骤2：计算X射线当前焦点位置与理想焦点位置之间的偏移量DZ；

步骤3：依据压电陶瓷驱动器的电压与形变量的关系，计算出使压电陶瓷驱动器收缩DZ距离所需的电压；

步骤4：改变加在压电陶瓷驱动器上的电压，使该压电陶瓷驱动器收缩量为DZ。

步骤5：压电陶瓷驱动器收缩后，带动轴托套移动DZ距离，轴托套带动阳极转子也移动DZ距离，从而实现阳极焦点移动补偿。

本发明的有益效果：本发明中，X射线管的阳极被设计成可以沿着轴向移动，而阳极的轴向移动通过压电陶瓷的伸缩来实现，并通过加在压电材料上的电压来实现负反馈来控制焦点漂移量。压电陶瓷控制器将焦点的漂移量转化为控制信号，该控制信号控制压电陶瓷发生相应的收缩。由压电陶瓷的收缩带动轴托套轴向向左侧滑动，轴托套带动阳极转子向左侧运动，这样就实现了阳极靶的靶面也向左侧移动，阳极靶热膨胀的影响被抑制，焦点回到理想位置。从而有效解决阳极热膨胀造成的焦点漂移问题，能够提供更稳定的X射线输出，使CT的图像质量更稳定。

附图说明

图1是现有技术中X射线管的结构示意图；

图2是根据本发明的X射线管的一个具体实施方式的X射线管结构示意图；

图3是本发明中X射线管的轴托、轴托套、旋转轴承和阳极转子相互之间的位置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明揭示一种使用压电陶瓷补偿阳极移动的X射线管，其通过将阳极靶的旋转轴托使用压电陶瓷制作，并通过加在压电材料上的电压来实现负反馈来控制焦点漂移量，从而有效解决阳极热膨胀造成的焦点漂移问题。

图2示出了根据本发明的X射线管的一个具体实施方式的X射线管结构示意图。参照图2可以看出，本发明的X射线管由阳极21、阴极22、X射线管外壳23、定子线圈24等组成。在一个具体实施方式中，X射线管的阳极21被设计成可以沿着轴向移动，如图2所示，所述阳极21包括：阳极转子211、轴托212、轴托套213、旋转轴承214和压电陶瓷驱动器215。以下结合图2来分析本发明的X射线管结构如下：

轴托212与X射线管外壳23固定在一起，为阳极转子211提供转轴。轴托套213包覆在轴托212外层，可以沿着转轴方向与轴托212相对滑动。阳极转子211包覆在轴托套213外侧，两者由旋转轴承214连接。轴托212、轴托套213、旋转轴承214和阳极转子211相互之间的位置结构关系及连接方式如图3所示。在一个具体实施例中，如图3所示，轴托213上设计有齿轮形状的凸起，是为了防止轴托套发生旋转，限制它只能沿着轴向滑动。在轴托套和轴托之间的滑移面，可以加入固体润滑剂如石墨来润滑。

为了实现阳极21沿着可以轴向移动，在轴托212外部，加了一层可以相对轴托滑动的轴托套213，轴托套213和轴托213之间形成一个滑移面218。轴托212径向外侧设计成具有齿轮形状，轴托套213的内侧也做相应的形状。两者在径向紧密贴合，以保证轴托套213和轴托212之间，只会发生沿着轴向的相对滑动，在阳极转子211旋转时，轴托套213不会随之旋转。

在本发明中，阳极21的轴向移动通过压电陶瓷的伸缩来实现，压电陶瓷驱动器215的控制信号由焦点当前位置相对理想位置的偏移量得到。

如图2中所示，压电陶瓷驱动器215左侧固定在轴托212上，右侧与轴托套213无缝隙贴合，底部和轴托212之间可以相对滑动。压电陶瓷驱动器215伸缩时，会带动轴托套213沿着转轴方向滑动。压电陶瓷的伸缩量由电压来控制。

在一个具体实施例中，压电陶瓷驱动器215制作成中空的环状，放置于轴托212右侧的端面处。结合图2来看，该压电陶瓷驱动器215的左侧与X射线管外壳23紧密贴合，右侧与轴托套213紧密贴合。轴托套213和轴托212使用相同材料制成，但轴托套213轴向上的长度比轴托212稍短。在轴托套213的两侧，都有相应的固定部位，其用来将轴托套213的一侧与压电陶瓷紧密贴合固定。轴托套213的另一侧则通过弹簧圈217与轴托212的端面之间连接，该弹簧圈217具有较高倔强系数，且始终处于压缩状态，以保证轴托套213和压电陶瓷驱动器215之间保持紧密贴合，避免移动时出现空程。轴托套213外侧通过旋转轴承214与阳极转子211相连。

压电陶瓷驱动器215的控制回路由X射线探测器、数据分析装置和电子控制器组成。X射线探测器使用CT设备中既有的探测器，无需额外添加。数据分析装置实现计算焦点当前位置的功能，可以使用CT设备的控制台计算机，也可以使用额外的芯片。电子控制器实现焦点当前位置和理想位置的比较功能，并把比较结果转化成相应的电压信号。

压电陶瓷驱动器215的控制线通过X射线管外壳23上预留的穿孔引到X射线管外。

在一个优选实施例中，阳极转子211前端的阳极靶216受热膨胀的影响一般小于0.5毫米。压电陶瓷驱动器215的行程设计为0.5毫米，定位精度小于10微米即可。例如，当压电陶瓷驱动器215右侧端面处于坐标0.0毫米位置时，如果按照其特性曲线设置相应的控制电压，使其移动到0.1毫米位置，该压电陶瓷移动后的位置不是精确在0.1毫米处，而会在[0.09毫米，0.11毫米]区间范围内。实际的压电陶瓷可以达到的定位精度比这个高，可达到1微米的定位精度，但在X射线管中压电陶瓷的定位精度要求只要达到10微米即可。

本发明揭示一种使用压电陶瓷补偿X射线管阳极移动的方法。根据本发明的方法，X射线管工作时，每隔一段时间(比如1秒钟)，从X射线探测器取一次数据，由数据分析装置对该数据进行分析得到焦点当前位置，所述电子控制器比较焦点当前位置和理想位置的差别，据此改变压电陶瓷驱动器的控制信号。根据该控制信号压电陶瓷会发生相应的收缩，压电陶瓷的收缩带动轴托套轴向向左侧滑动，轴托套带动阳极转子向左侧运动。这样就实现了阳极靶的靶面也向左侧移动，阳极靶热膨胀的影响被抑制，焦点回到理想位置。

在一个具体实施方式中，根据本发明的方法包括如下步骤：

步骤1：通过一次X射线曝光，从X射线探测器上得到曝光数据，根据该曝光数据计算出当前X射线焦点的位置；

步骤2：计算X射线当前焦点位置与理想焦点位置之间的偏移量DZ；

步骤3：依据压电陶瓷驱动器的电压与形变量的关系，计算出使压电陶瓷驱动器收缩DZ距离所需的电压；

步骤4：改变加在压电陶瓷驱动器上的电压，使该压电陶瓷驱动器收缩量为DZ。

步骤5：压电陶瓷驱动器收缩后，带动轴托套移动DZ距离，轴托套带动阳极转子也移动DZ距离。

至此，在X射线焦点漂移了DZ的情况下，通过改变压电陶瓷驱动器的电压，使阳极靶沿着反方向移动了DZ，这样焦点就回到了原位置，实现了对阳极焦点移动的补偿。

以上是对本发明的描述，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和替换，均应落入本发明的权利要求确定的保护范围内。

Claims (8)

1.使用压电陶瓷补偿阳极移动的X射线管，包括：阳极、阴极、X射线管外壳、定子线圈，其特征在于，

所述阳极包括：阳极转子、轴托、轴托套、旋转轴承和压电陶瓷驱动器，所述轴托与所述X射线管外壳固定在一起，为所述阳极转子提供转轴，所述轴托套包覆在所述轴托外层，所述阳极转子包覆在轴托套外侧，所述阳极转子与所述轴托套之间由旋转轴承连接，所述压电陶瓷驱动器一侧固定在所述轴托上，另一侧与所述轴托套无缝隙贴合，以使得所述压电陶瓷驱动器的底部与所述轴托之间得以相对滑动；

所述轴托套的另一侧通过弹簧圈与所述轴托的端面之间连接，该弹簧圈具有高倔强系数且始终处于压缩状态，以使所述轴托套和所述压电陶瓷之间保持紧密贴合。

2.根据权利要求l所述的使用压电陶瓷补偿阳极移动的X射线管，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器的控制回路包括X射线探测器、数据分析装置和电子控制器，其中，所述数据分析装置用以计算焦点当前位置，所述电子控制器用于比较焦点当前位置和理想位置，并把比较结果转化成相应的电压信号。

3.根据权利要求1或2所述的使用压电陶瓷补偿阳极移动的X射线管，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器制作成中空的环状，放置于所述轴托右侧的端面处；压电陶瓷驱动器的控制线通过X射线管外壳上预留的穿孔引到X射线管外。

4.根据权利要求1所述的使用压电陶瓷补偿阳极移动的X射线管，其特征在于，所述轴托套和所述轴托使用相同材料制成，所述轴托套轴向上的长度比轴托稍短，在所述轴托套的两侧均有相应的固定部位，其用来将所述轴托套的一侧与压电陶瓷紧密贴合固定。

5.根据权利要求1所述的使用压电陶瓷补偿阳极移动的X射线管，其特征在于，所述轴托的径向外侧具有齿轮形状的凸起，所述轴托套的内侧为与其相应的形状，两者在径向紧密贴合。

6.根据权利要求1所述的使用压电陶瓷补偿阳极移动的X射线管，其特征在于，所述轴托套沿着转轴方向与轴托相对滑动；在轴托套和轴托之间形成一个滑移面，在该滑移面上加入石墨或其他固体润滑剂进行润滑。

7.根据权利要求1所述的使用压电陶瓷补偿阳极移动的X射线管，其特征在于，所述阳极转子前端的阳极靶受热膨胀的影响小于0.5毫米，所述压电 陶瓷驱动器的行程为0.5毫米，定位精度小于10微米。

8.采用压电陶瓷补偿X射线管阳极移动的方洼，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：通过一次X射线曝光，从X射线探测器上得到曝光数据，根据该曝光数据计算出当前X射线焦点的位置；

步骤2：计算X射线当前焦点位置与理想焦点位置之间的偏移量DZ；

步骤3：依据压电陶瓷驱动器的电压与形变量的关系，计算出使压电陶瓷驱动器收缩DZ距离所需的电压；

步骤4：改变加在压电陶瓷驱动器上的电压，使该压电陶瓷驱动器收缩量为DZ；

步骤5：压电陶瓷驱动器收缩后，带动轴托套移动DZ距离，轴托套带动阳极转子也移动DZ距离，从而实现阳极焦点移动补偿。