CN106664787A - 用于供应x‑射线管的高压发生器和方法 - Google Patents

用于供应x‑射线管的高压发生器和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于供应X‑射线管(200)的高压发生器(100)，所述高压发生器(100)包括：电压调节器设备(100‑1)，其被配置为提供DC电压；多数N个发生器设备(100‑2)，其被耦合到所述调节器设备(100‑1)，并且所述多数N个发生器设备包括开关模式的功率电路(100‑2A)，并且所述多数N个发生器设备被配置为提供波形样式(WP)；以及多数N个变压器设备(100‑3)，其被耦合到所述发生器设备(100‑2)，并且所述多数N个变压器设备被配置为借助于所提供的波形样式(WP)来提供高压输出样式(HVOP)并且还被配置为所述N个变压器设备的串联连接，藉此所有提供的高压HVOP都被相加，由此在所述X‑射线管中产生更高的电压(THV)，并且其中，所述多数N个发生器设备(100‑2)中的每个被配置为提供所述波形样式(WP)，所述波形样式(WP)被调整以产生实质上平坦脉冲形状的脉冲作为所述高压输出样式(HVOP)、作为所述N个变压器设备(100‑3)中的每个的输出，其中，所述平坦脉冲形状的脉冲借助于双脉冲/最小时间控制来实现。

Description

用于供应X-射线管的高压发生器和方法
技术领域
本发明涉及快速动态的高压生成的领域。具体地，本发明涉及用于供应X-射线管的高压发生器和方法。
背景技术
医学应用中的X-射线由高压发生器来供应。为了最小化X-射线剂量并且为了增加患者的安全性，X-射线应当仅在暴露期间被供应。只要当X-射线管在阴极被加热的情况下被供应高压，它们就生成辐射。
在某些应用中，栅电极用于阴极的前面，当合适的控制电压被施加时，栅极电极切断阴极电流。这种控制电压的生成需要大量努力。另一选择是关闭和打开管供应电压。
所生成的辐射的波长取决于供应电压。当管在60kV与140kV之间被供应时，X-射线通常被生成。然而，向管供应更低的电压也得到辐射。这种辐射可能不是医学过程的部分或者不是医学成像所需要的，但是也会贡献于患者被暴露于其的X-射线剂量。
US2002/003408A1描述了一种用于在放射线摄影系统中使用的脉冲高压功率源，其包括高压步进变压器，该高压步进变压器具有带有第一端和第二端的初级绕组和被连接到辐射源的次级绕组。功率源还包括被耦合到初级绕组的第一端的低电压功率源和被耦合到初级绕组的第二端的切换电路。
US2011/0235382A1描述了一种接收DC电压作为输入电压的高压逆变器设备，其中，输入电压由切换元件切换以将激励电流传递到多个单独变压器的初级侧上的具有相同特性的激励绕组从而同时激励这些激励绕组。
US6,900,557B1描述了一种紧凑变压器耦合的调制器。该调制器包括变压器，该变压器包括初级绕组和多个次级绕组，其中，每个次级绕组具有输出端子。
US20010008552A1描述了一种X-射线计算机断层扫描装置中的高压变压器，其同时执行功率的增加和非接触传输并输出用于使X射线在可转动机架区段处被生成期望的高压。
WO2006/079985A2描述了一种包括DC电压源、控制单元和多个高压信道的功率源。每个高压信道包括逆变器、谐振电路、变压器单元和整流器。
US20080187104A1描述了一种x-射线成像装置，该x-射线成像装置在构造上具有以下特征：被密封地接纳在充满油的外壳零件内的DC-AC转换零件、高压变压器、AC-DC转换零件和X-射线管。
US20130163726A1描述了一种X-射线设备，其被配置为由多个压力提升单元、切换单元和切换控制单元形成。多个压力提升单元被连接到电池单元并生成直流电压。
EP0946082A1描述了一种便携式x-射线系统，其包括：x-射线源；用于供应输入电压的内部功率源；以及处于功率源与x-射线源之间的电气连接中的电压转换器。
发明内容
可能存在对改善用于X-射线管的高压生成的需要。这些需要由本发明的独立权利要求的主题来满足。本发明的进一步示例性实施例从从属权利要求和以下描述中显而易见。
本发明的一方面涉及一种用于供应X-射线管的高压发生器，所述高压发生器包括：电压调节器设备，其被配置为提供DC电压；多数N个发生器设备，其被耦合到所述调节器设备，并且所述多数N个发生器设备均包括开关模式的功率电路(例如全桥)，并且所述多数N个发生器设备均被配置为利用所提供的DC电压来提供波形样式；以及多数N个变压器设备，其被耦合到所述发生器设备，所述多数N个变压器设备中的每个由所述N个发生器设备中的一个来供应，并且所述多数N个变压器设备被配置为借助于所提供的波形样式来提供高压输出样式并且还被配置为所述N个变压器设备的串联连接，藉此所有提供的高压HVOP都被相加，由此在所述X-射线管中产生更高的电压(THV)，并且其中，所述多数N个发生器设备中的每个被配置为提供所述波形样式(WP)，所述波形样式(WP)被调整以产生实质上平坦脉冲形状的脉冲作为所述高压输出样式(HVOP)、作为所述N个变压器设备中的每个的输出，其中，所述平坦脉冲形状的脉冲借助于双脉冲/最小时间控制来实现。
本发明的另外的第二方面涉及一种医学成像系统，其包括根据第一方面或根据第一方面的任何实施方式的高压发生器、以及X-射线管。
本发明的另外的第三方面涉及一种用于供应X-射线管的方法，所述方法包括以下步骤：借助于电压调节器设备提供DC电压；借助于发生器设备利用所提供的DC电压来提供波形样式；以及借助于变压器设备使用所提供的波形样式来提供高压输出样式。
本发明提供了用于快速动态的高压生成的手段。
本发明有利地提供了一种高压发生器，其能够供应具有非常快的转变的高压脉冲，这意味着因此，X-射线管能够被直接连接到高压发生器而无需栅极开关。
本发明有利地提供了多个高压变压器和其各自的功率源或波形发生器。
本发明有利地使用特殊控制技术来向X-射线管供应平坦电压，例如最小时间或双脉冲控制。取决于所供应的X-射线管，可能会需要高压/高电流整流任务的一组二极管(例如高压二极管)以防止向管供应负电压。
通过分析状态空间中的轨迹由此导出合适的控制动作的对，最小时间控制或双脉冲控制实现了最快转变。假设对多个变压器、发生器和X-射线管进行建模的等效电路能够通过LC谐振电路来近似，状态空间中的轨迹近似为椭圆形(在使用适当的缩放系数的情况下为圆周)。在这样的情况下，状态空间中的轨迹是如图5中描绘的那样。在时域中，电压(实线)和电流(虚线)是如图6中描绘的那样。
通过使用适当的控制动作的对，电流和电压两者同时到达所要求的值，由此实平坦脉冲。例如，第一转变以在值0(图5的状态空间中的中心)处的电流和电压两者开始；当第一控制动作被应用时，电压和电流两者然后开始减小(变为负，状态空间中的逆时针旋转)；然后，第二控制动作被应用；在第二控制动作期间，电压进一步减小，但是电流增加。如果控制动作被适当地定时，电压和电流两者将会同时到达目标值(在这种情况下，-60kV和0A)；然后，稳定的控制动作能够被应用。假设电压和电流两者匹配稳定值，它们都不再改变其值，并且因此平坦脉冲被生成。
实现变压器的次级端中的平坦脉冲的这些控制动作的对被计算为变压器的初级端中的脉冲的对。这被称为双脉冲控制。在图7中图示了对应于图5和6的两个的整个序列。
每次转变能够使用多于两个控制动作，以便限制一些变量(例如电流)的值。因此，术语双脉冲控制可以覆盖多于两个控制动作：例如额外的脉冲。在转变中也能够使用不同的电压水平。
波形发生器可以从DC功率源被供应，通常为几百伏，例如在12V与1200V之间。
本发明提供了模块化构思，其能够被实施为具有仅一个变压器和一个波形发生器或具有多个变压器和波形发生器，其中，变压器和波形发生器的多重性可以是不同的种类。
根据本发明的示例性实施例，所电压调节器设备包括高压和高功率电池。所述电压调节器设备可以包括高压和/或高功率电池以在不可靠的电网或甚至离网下运转，从而从电池部分地供应X-射线管。这有利地允许在电功率的情况下对高压发生器的可靠且充足的供应。
根据本发明的另一示例性实施例，所述电压调节器设备被配置为提供提供(相较于输出电压的)DC低电压，对于普通应用通常在+/-12V至+/-1200V的范围内。
根据本发明的示例性实施例，所述电压调节器设备包括半桥电路或全桥电路或增压转换器电路或功率转换器电路。全桥转换器有利地提供了高输出功率和高效设计，并且提供了增加的功率输出。
根据本发明，所述高压发生器包括多数N个发生器设备和N个变压器设备，所述N个变压器设备中的每个由所述N个发生器设备中的一个来供应。这有利地提供了用于制造高压发生器的模块化方法。类似的电路可以用来建立电压发生器。
根据本发明的示例性实施例，所述高压发生器包括三个发生器设备和三个变压器设备，所述三个变压器设备中的每个由所述三个发生器设备中的一个来供应。这有利地提供用于制造高压发生器的模块化方法。
根据本发明的示例性实施例，所述N个变压器设备中的每个或所述三个变压器设备中的每个包括所述高压输出样式的不同最大幅度。这有利地增加了用于X-射线管的可能供应电压水平的数量。
根据本发明的示例性实施例，所述三个变压器设备中的第一变压器设备被配置为提供具有+/-60kV的幅度的波形样式，所述三个变压器设备中的第二变压器设备被配置为提供具有+/-30kV的幅度的波形样式，并且所述三个变压器设备中的第三变压器设备被配置为提供具有+/-30kV的幅度的波形样式。
这有利地提供了用于根据变化的需要和要求来调整所生成的电压的幅度的手段。
根据本发明的示例性实施例，所述三个变压器设备中的每个变压器设备被配置为提供具有+/-40kV的幅度的波形样式。这有利地提供了用于根据变化的需要和要求来调整所生成的电压的幅度的手段。
根据本发明，所述发生器设备或所述多数N个发生器设备中的每个被配置为提供所述波形样式，所述波形样式被调整以产生实质上平坦脉冲形状的脉冲作为高压输出样式、作为所述变压器设备的输出或作为所述N个变压器设备中的每个的输出。
根据本发明，所述发生器设备或所述多数N个发生器设备中的每个被配置为提供双脉冲/最小时间控制。
根据本发明的另一示例性实施例，所述高压发生器还包括反极性保护二极管，所述反极性保护二极管被配置为提供针对极性相反的保护。这有利地允许保护所供应的X-射线管。
执行本发明的方法的计算机程序可以被存储在计算机可读介质上。
计算机可读介质可以是软盘、硬盘、CD、DVD、USB(通用串行总线)存储设备、RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)和EPROM(可擦可编程只读存储器)。计算机可读介质也可以是允许下载程序代码的数据通信网络，例如因特网。
本文中描述的方法、系统和设备可以在数字信号处理器DSP中、在微控制器中或在任何其他副处理器中被实施为软件，或者在专用集成电路ASIC中被实施为硬件电路。
本发明的设备能够被实施在数字电子电路中、或在计算机硬件、固件、软件中、或在其组合中(例如在医学成像设备的可用硬件中或在专门用于处理本文中描述的方法的硬件中)。
附图说明
通过参考不是按比例绘制的以下示意性附图将会更清楚地理解本发明的更完整认识和其伴随的优点，其中：
图1示出了根据本发明的示例性实施例的用于供应X-射线管的高压发生器的示意图；
图2示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于供应X-射线管的高压发生器的示意图；
图3示出了系统根据本发明的另一示例性实施例的医学成像系统的示意图；
图4示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于供应X-射线管的方法的流程图的示意图；
图5示出了在变压器的次级端处的电压V对比电流I的状态空间图；
图6在时域中示出了图5的示意图的对应信号；以及
图7示出了变压器的初级端中的时域中的对应信号。
具体实施方式
附图中的图示是纯粹示意性的，并不意图提供缩放关系或尺寸信息。在不同的附图中，类似的或相同的元件被提供有相同的附图标记。一般地，相同的零件、单元、实体或步骤在说明书中被提供有相同的附图标记。
图1示出了根据本发明的示例性实施例的用于供应X-射线管的高压发生器的示意图。
高压发生器可以包括电压调节器设备100-1、多个发生器设备100-2和多个变压器设备100-3。
图2示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于供应X-射线管的高压发生器的示意图。高压发生器100可以包括仅一个发生器设备100-2和仅一个变压器设备100-3，这种情况未示出在图2中，在图2中示出了N个发生器设备100-2和N个变压器设备100-3，其中N可以指的是任何自然数，例如范围从2到30、或从2到10，数值可以通过电压调节器设备100-1的应用来确定。
电压调节器设备100-1可以被配置为提供DC电压DCV。发生器设备100-2可以被耦合到调节器设备100-1，并且可以包括桥电路100-2A，并且可以被配置为利用所提供的DC电压DCV来提供波形样式WP。
变压器设备100-3可以被耦合到发生器设备100-2，并且可以被配置为借助于所提供的波形样式WP来提供高压输出样式HVOP。
如图2所示，本发明具有模块化方案。其能够被实施为具有仅一个变压器和一个波形发生器或具有不一定相同的N个变压器或N个波形发生器。变压器和发生器的合理选择将会是使用三个变压器和三个波形发生器。根据本发明的另一实施例，一个发生器和一个变压器可以被使用。
高压发生器可以包括供应恒定DC电压的电压调节器设备100-1，通常对于基于硅-MOSFET的开关大约400V或对于基于碳化硅的开关或SI-IGBTs大约1kV。
电压调节器设备100-1可以供应N个全桥转换器，其中的每个供应变压器设备100-3。多于一个100-1发生器也能够被使用。
在次级侧中，这些变压器100-3都被串联连接，如在图2中描绘的。两个剩余端中的一个被接地，而另一个被连接到X-射线管200，向X-射线管200供应高压THV，其是所有串联连接的变压器100-3的总和。高压THV取决于所提供的高压输出样式HVOP的总和。
取决于X-射线管200，二极管或多个二极管100-4可以用来防止以相反极性供应管。高压发生器100的操作通过发生器设备100-2的波形发生器中的适当控制动作(例如通过双脉冲控制)来执行。
由于初级侧中的适当脉冲样式，所有次级侧中的电压波形都是具有相等长度的实质上平坦脉冲，通常为预磁化脉冲、暴露脉冲和去磁化脉冲。
根据本发明的示例性实施例，应用于高压输出样式HVOP和高压THV的脉冲样式的实质上平坦脉冲的长度或持续时间可以在10至10.000μs的范围内。
本发明所使用的术语“实质上平坦脉冲”可以指的是小于10％或小于5％的电压水平的变化。
由于变压器设备100-3的串联连接，所有提供的高压HVOP都被相加，由此在X-射线管中产生更高的电压、高压THV。
变压器设备100-3可以具有高匝比，以将电压从几百伏提高到几十千伏。然而，变压器的匝比不一定相同，并不是它们都必须总是被操作。
根据本发明的示例性实施例，不同能量的X-射线能够被生成，例如如果使用三个变压器，则它们可以提供其输出电压的任意和，例如如果三个高压输出样式HVOP具有60kV、30kV和30kV的最大幅度，则60kV、90kV和120kV的暴露作为高压THV是可能的。
如果高压输出样式HVOP被设定为40kV的三倍，80kV和120kV的暴露电压作为高压THV是可能的。
指示的高压输出样式HVOP的任意缩放能够通过调节电压调节器设备100-1的输出电压来实现，例如输出电压是波形样式WP的最大幅度。据此，任何电压水平的脉冲暴露作为高压THV都能够被实现。
高压发生器100可以用于任何基于X-射线的应用，诸如单幅图片，例如放射线摄影术或CV。
图3示出了根据本发明的另一示例性实施例的医学成像系统的示意图。
医学成像系统1000可以包括用于供应X-射线管200的高压发生器100。医学成像系统1000可以是X-射线计算机断层扫描系统、放射线摄影系统、连续扫描数字放射线摄影系统、或任何其他种类的X-射线医学成像系统。
图4示出了用于供应X-射线管的方法的流程图的示例性实施例。该方法可以包括以下步骤。作为该方法的第一步骤，执行借助于电压调节器设备100-1提供S1DC电压DCV。
作为该方法的第二步骤，可以执行借助于发生器设备100-2利用所提供的DC电压DCV来提供S2波形样式WP。
作为该方法的第三步骤，可以执行借助于变压器设备100-3利用所提供的波形样式WP来提供S3高压输出样式HVOP。
图5示出了在变压器的次级端处的电压V对比电流I的状态空间图。通过分析状态空间中的轨迹由此导出合适的控制动作的对，最小时间控制实现了最快转变。假设对多个变压器、发生器和X-射线管进行建模的等效电路能够通过LC谐振电路来近似，状态空间中的轨迹近似为椭圆形(在使用适当的缩放系数的情况下为圆周)。在这样的情况下，状态空间中的轨迹是如图5中描绘的那样。通过使用适当的控制动作的对，电流和电压两者同时到达所需的值，由此实平坦脉冲。
例如，第一转变以在图5的状态空间中的中心中由附图标记51指示的值0处的电流和电压两者开始；当第一控制动作被应用时，电压和电流两者然后开始减小(变为负，状态空间中的逆时针旋转)；然后，第二控制动作被应用；在第二控制动作期间，电压进一步减小，但是电流增加。如果控制动作被适当地定时，电压和电流两者将会同时到达由附图标记52指示的目标值(在这种情况下，-60kV和0A)；然后，稳定的控制动作能够被应用。假设电压和电流两者匹配稳定值，它们都不再改变其值，并且因此平坦脉冲被生成。然后，第三控制动作被应用，并且电压和电流两者开始增加直至第四控制动作被应用；在第四控制动作期间，电压进一步增加，但是电流减小。如果控制动作被适当地定时，电压和电流两者将会同时到达由附图标记53指示的目标值(在这种情况下，+60kV和0A)；然后，稳定的控制动作能够被应用。假设电压和电流两者匹配稳定值，它们都不再改变其值，并且因此平坦脉冲被生成。
图6示出了时域中的图5的示意图的对应信号，电压V被表示为实线而电流I被表示为虚线。
图7示出了对应于图5和6的两个的整个序列，其中变压器的初级端中的脉冲的对得到控制动作的对以实现变压器的次级端中的平坦脉冲。这被称为双脉冲控制/最小时间控制。
必须指出，已经参考不同的主题对本发明的实施例进行了描述。具体地，参考方法型权利要求对一些实施例进行了描述，而参考装置型的权利要求对其他实施例进行了描述。
然而，除非另有说明，本领域技术人员将会从以上和以下的描述中推断出，除了属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，涉及不同主题的特征之间的任意组合也被认为在本申请中公开。
然而，所有的特征都能够被组合来提供多于特征的简单加合的协同效应。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解和实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (11)

1.一种用于供应X-射线管(200)的高压发生器(100)，所述高压发生器(100)包括：
-电压调节器设备(100-1)，其被配置为提供DC电压(DCV)；
-多数N个发生器设备(100-2)，其被耦合到所述调节器设备(100-1)，并且所述多数N个发生器设备均包括开关模式的功率电路(100-2A)，并且所述多数N个发生器设备均被配置为利用所提供的DC电压(DCV)来提供波形样式(WP)；
-多数N个变压器设备(100-3)，其被耦合到所述发生器设备(100-2)，所述多数N个变压器设备中的每个通过所述N个发生器设备(100-2)中的一个来供应，并且所述多数N个变压器设备被配置为借助于所提供的波形样式(WP)来提供高压输出样式(HVOP)；并且还被配置为所述N个变压器设备100-3的串联连接，藉此所有提供的高压输出样式(HVOP)都被相加，由此在所述X-射线管中产生更高的电压(THV)；并且其中，所述多数N个发生器设备(100-2)中的每个被配置为提供所述波形样式(WP)，所述波形样式(WP)被调整以产生实质上平坦脉冲形状的脉冲作为所述高压输出样式(HVOP)、作为所述N个变压器设备(100-3)中的每个的输出，其中，所述平坦脉冲形状的脉冲借助于双脉冲/最小时间控制来实现。
2.根据权利要求1所述的高压发生器(100)，其中，所述电压调节器设备(100-1)包括高压电池(100-1A)。
3.根据权利要求1或2所述的高压发生器(100)，其中，所述电压调节器设备(100-1)被配置为提供在+/-12V与+/-1200V之间的范围内的DC电压作为所述DC电压。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的高压发生器(100)，其中，所述电压调节器设备(100-1)包括半桥电路或全桥电路或增压转换器电路或功率转换器电路。
5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的高压发生器(100)，其中，所述高压发生器(100)包括三个发生器设备(100-2)和三个变压器设备(100-3)，所述三个变压器设备中的每个由所述三个发生器设备(100-2)中的一个来供应。
6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的高压发生器(100)，其中，所述N个变压器设备(100-3)中的每个或所述三个变压器设备(100-3)中的每个包括所述高压输出样式(HVOP)的不同最大幅度。
7.根据权利要求5所述的高压发生器(100)，其中，所述三个变压器设备(100-3)中的第一变压器设备(100-3)被配置为提供具有+/-60kV的幅度的波形样式(WP)，所述三个变压器设备(100-3)中的第二变压器设备(100-3)被配置为提供具有+/-30kV的幅度的波形样式(WP)，并且所述三个变压器设备(100-3)中的第三变压器设备(100-3)被配置为提供具有+/-30kV的幅度的波形样式(WP)。
8.根据权利要求5所述的高压发生器(100)，其中，所述三个变压器设备(100-3)的所述变压器设备(100-3)中的每个被配置为提供具有+/-40kV的幅度的波形样式(WP)。
9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的高压发生器(100)，其中，所述高压发生器(100)还包括反极性保护二极管(100-4)，所述反极性保护二极管被配置为提供针对极性相反的保护。
10.一种医学成像系统(200)，包括根据前述权利要求1至9中任一项所述的高压发生器(100)、以及X-射线管。
11.一种用于供应X-射线管(200)的方法，所述方法包括以下步骤：
-借助于电压调节器设备(100-1)提供(S1)DC电压(DCV)；
-借助于多数N个发生器设备(100-2)利用所提供的DC电压(DCV)来提供(S2)多个波形样式(WP)；以及
-借助于多个变压器设备(100-3)利用所提供的波形样式(WP)来提供(S3)高压输出样式(HVOP)，所述多个变压器设备中的每个由所述N个发生器设备(100-2)中的一个来供应，其中，所述N个变压器设备被配置为所述N个变压器设备100-3的串联连接，藉此所有提供的高压输出样式(HVOP)都被相加，由此在所述X-射线管中产生更高的电压(THV)；并且其中，所述多数N个发生器设备(100-2)中的每个提供所述波形样式(WP)，所述波形样式(WP)被调整以产生实质上平坦脉冲形状的脉冲作为所述高压输出样式(HVOP)、作为所述N个变压器设备(100-3)中的每个的输出，其中，所述平坦脉冲形状的脉冲借助于双脉冲/最小时间控制来实现。
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