CN108961899A - 一种基于虚拟仪器技术的x线机电路实验仿真系统 - Google Patents

一种基于虚拟仪器技术的x线机电路实验仿真系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于虚拟仪器技术的X线机电路实验仿真系统，包括电源电路模块、高压初次级电路模块、X线球管灯丝初次级电路模块、X线球管仿真模块、曝光限时电路模块和控制台操作界面模块。本系统允许用户在前面板调节变化电路输入参数，测量球管的电器特性，灯丝曝光时间等重要参数，满足X线机电路教学实验要求；能根据用户设定的曝光参数进行整体电路的实时运行仿真，根据用户选择的管电压、管电流参数进行灯丝预热模拟，并将对应的灯丝电流值反馈给灯丝初次级电路模拟灯丝加热过程。与现有技术相比，本发明将虚拟仪器技术应用在医学影像设备的实验教学中，避免高压和电离辐射危险，提高了实验的安全和可靠性。

Description

一种基于虚拟仪器技术的X线机电路实验仿真系统
技术领域
本发明涉及X线机的实验教学领域，尤其是涉及一种基于虚拟仪器技术的X线机电路实验仿真系统。
背景技术
X线医学影像技术有着检查成本低、操作方便、透视效果好等优点，被广泛用于医学诊断和治疗。各种X线影像设备产生X线的单元电路基本相同，因此对于从事医学影像的专业人员来说，学习X线机各单元电路工作原理及X线曝光参数调节变得尤为重要，是后续学习放射影像诊断和治疗的重要保障。
在实际X线影像设备的电路系统培训过程中，常存在如下问题：为X线机提供高压和强电流的高压发生器和产生X线的球管价格昂贵，实验过程中易损坏，维修代价高；高压发生器产生的万伏级电压具有高压危险性；产生的X线具有电离损伤性，操作者和被摄物体容易受到电离辐射；数量有限的X线机台套数只能满足部分学员的动手机会，给实验教学带来很大困难。
为了消除X线机电路培训中的高压危险性和对人体的辐射损伤性，并解决实验设备不足等问题，有方法利用高压发生器控制台的模拟或电路实验箱来开展实验教学。前者主要根据实际X线机高压发生器各单元电路进行重新设计，并且在操作界面上简单模拟实际控制台操作界面，其调节的管电压千伏参数值与实际电路产生的电压值并不相等，仅仅是利用高压初级电路产生的低压经过数乘换算成千伏值，学生无法真正掌握高压次级电路的工作原理。单元电路实验箱方法中每个典型的电路模块被制作集成在一个实验箱内，能够较真实地模拟X线机的电路工作原理，但X线机包含多个典型单元电路，这就需要近十个实验箱，这对实验的管理和开展造成很大压力。
虚拟仪器技术能够利用计算机高性能的计算能力，来模拟电路运行过程，并可通过创建和定义用户操作界面来模拟仪器的控制界面。该技术突破了传统仪器在价格、安全性等多方面的限制，用户根据需要灵活定义和设计仪器的功能，仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需要购买和更新硬件设备。正是因为这些优点这种技术已广泛应用于各种实验教学过程的模拟和仿真。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于虚拟仪器技术的X线机电路实验仿真系统，利用虚拟仪器技术模拟实现X线机各单元电路的操作界面，并且在单元电路的基础上实现X线曝光主电路的仿真，使用户可以根据曝光参数的设置来实时仿真X线机的电路系统运行，解决医学X线机电路系统实验教学过程中存在的高压危险、价格昂贵等问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于虚拟仪器技术的X线机电路实验仿真系统，包括电源电路模块、高压初次级电路模块、灯丝初次级电路模块、X线球管仿真模块、曝光限时电路模块和控制台操作界面模块。
所述的电源电路模块与高压初次级电路模块、X线球管灯丝初次级电路模块、X线球管仿真模块和曝光限时电路模块连接，以为各个模块提供电源，电源电路模块利用自定义创建的自耦变压器模型控制输入高压初级电路的电压。
所述的高压初次级电路模块为球管提供高压，达到输出管电压实验目的，包括依次连接的千伏预示电路、千伏补偿电路和单相全波高压整流电路，所述的千伏预示电路用于管电压预示，根据高压变压器变压比，将空载时的初级电压值换算成带负荷时的次级高压值；为了解决电源电阻、自耦变压器和高压变压器阻抗的存在，使主电路产生较大电压降，负载时管电压值总小于空载时所预示的管电压数值问题，采用电阻式千伏补偿电路，补偿不同管电流档负载时对管电压的影响，所述的单向全波整流电路通过高压整流为X线球管提供直流高压、并运用于管电流测量。
所述的X线球管灯丝初次级电路模块包括灯丝电压调节电路和空间电荷补偿电路，通过灯丝电压的调节改变输出管电流，设计空间电荷补偿电路，保证管电流不受管电压变化的影响。
所述的X线球管仿真模块，包括根据典型X线球管阻抗特性定义创建X线球管模型。所述的曝光限时电路模块包括模拟和数字定时电路，使用555定时模块为例实现，达到根据用户设定的曝光时间，模拟控制X线曝光时间的长短。
所述的控制台操作界面模块包括曝光参数调节和状态指示界面，利用虚拟仪器开发软件LabVIEW控制和显示控件设计，用于用户设定曝光参数和显示电路实验仿真结果。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用仿真的方法实现对X线产生电路和操作界面的模拟，与实际的X线机电路相比较，不会产生任何高压危险，模拟的X线球管也不具有电离辐射，整个实验操作过程是安全的，可实现参数调节实验和实时电路实验仿真。
(2)依据实际工频高压发生器采用的自耦变压器建立虚拟模型，使得管电压调节接近真实情境，更加精确。
(3)在高压初次级电路模块中，建立高压整流模块，该模块的承压范围为30kV-150kV，满足大多数X线机的电路仿真。
(4)与已有的电路实验箱和模拟高压发生器控制台方法相比，具备高压次级电路的仿真，并且能够模拟万伏级管电压的产生和使用，使操作者可以熟悉产生管电压各单元电路的工作原理，并掌握管电压的调节过程。
(5)可以根据用户设置的管电压、管电流参数，自动选择合适的灯丝电流模拟灯丝预热过程，使电路产生用户设定的曝光参数。
(6)可以在一定时间范围内，实现曝光时间的分档调节，并进行模拟曝光实验。
附图说明
图1为本实施例的单元电路模块构成方框图；
图2为本实施例的各单元电路模块的连接结构框图；
图3为本实施例的MultiSim仿真(单向全波整流)电路原理图；
图4为本实施例的Labview图形化(单向全波整流)电路实验操作界面；
图5为本实施例的X线机主电路原理图；
图6为本实施例的X线机主电路实验操作界面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本实施例以工频X线机的单元电路和曝光控制主电路为代表，利用电路仿真软件Multisim，创建X线机单元电路中的特殊电气元器件，并进行实时的电路仿真。图形化操作界面采用虚拟仪器开发平台LabVIEW，创建用户输入/输出和模拟X线机曝光控制台界面。电路仿真软件和虚拟仪器操作界面之间可通过定义软件接口进行信号通讯，为实现X线机电路实验仿真系统提供了有效的保障。
根据如图2所示的电路模块结构框图中各电路模块之间的联系，本实施例包括以下步骤：操作者在控制台操作界面模块6设置曝光参数，电源电路模块1产生实时响应，为高压初次级电路模块2、X线球管灯丝初次级电路模块3、X线球管仿真模块4、曝光限时电路模块5电路供电；所述的高压初次级电路模块2中的高压初级电路在获得电源电路模块1中自耦变压器提供的输入电压后，经高压变压器将此电压送至高压次级电路，再经高压次级电路中的单相全波整流电路，为X线球管提供管电压；X线球管灯丝初次级电路为X线球管提供灯丝加热电流；X线球管模块根据选取的X线球管灯丝发射特性曲线计算获得，例如选择某个管电压和管电流参数后，根据对应的灯丝电流参数反馈给初次级电路，进行灯丝电压的调节，进而使电路模拟产生用户设置的管电流；曝光限时电路模块5能够根据操作者在控制台操作界面设置的曝光时间控制电源电路的通断，从而控制曝光的开始与结束。
如图3和图4所示，以高压初次级电路模块2中的单向全波整流电路为例对本实施例的实施方式加以说明，该电路模块可使学习者掌握球管工作电气特性，以及对X线机管电压产生的单元电路有深入的认识。
图3为Multisim软件仿真的整流电路图，所述的单向全波整流电路包含有自定义创建的自耦变压器A1，变压器B2、B3，滑动变阻器W1，曝光开关K1，二极管BG1、BG2、BG2、BG4，毫安表XMM1，还包括在仿真电路软件Multisim中自定义创建的高压整流模块D1、D2、D3、D4和X线球管仿真模型XG。各个元器件的连接关系为：自耦变压器A1初级接工频220V交流电，次级与变压器B3初级相连，变压器B3输出端设置有接口HV+、接口N、接口NE、接口HV-，HV+与D1的正极、D2的负极连接，输出接口N与BG1的负极、BG2的正极连接，NE与BG3的负极和BG4的正极相连接，BG2的负极、BG4的负极、BG1和BG3的正极与毫安表相连接，HV-与D3的负极和D4的正极连接，D1和D4的负极与X线球管仿真模型XG的阳极相连，D2和D3的正极与X线球管仿真模型XG的阴极端连接，滑动变阻器W1与灯丝变压器B2相连，灯丝变压器的次级端与X线球管仿真模型XG的阴极端连接。电路的输入接口为自耦变压器调节IO1和灯丝电压调节IO4，输出为管电压IO2、管电流IO3和灯丝次级电压IO5。
当曝光开关K1闭合时，X线球管灯丝正常模拟加热，通过仿真电路软件Multisim中的HB/SC(IO1～IO5)接口与图4中虚拟仪器开发软件LabVIEW界面进行通信。首先利用LabVIEW中的电压输入控件(自耦变压器)调节Multisim中自耦变压器输出电压，经过高压整流模块D1、D2、D3、D4，得到管电压改变的模拟。模拟管电流参数的变化通过显示控件mA表实时显示在LabVIEW面板上，这样可以记录不同管电压(管电压表)条件下的管电流(mA表)参数的变化情况；其次，利用Multisim中的压控电阻虚拟元器件模拟变阻器W1，利用HB/SC接口与LabVIEW相连接，使得用户在LabVIEW中改变W1阻值，并使得X线球管仿真模型XG阴极处的灯丝电压发生变化。在自耦变压器输出的管电压保持不变的情况下，记录不同灯丝电压条件下管电流的参数。综合上述两次实验，可以绘制曲线，探究X线球管管电流与管电压和灯丝电压控制关系等特性。
其他单元电路模块的电路模拟和操作界面构成与高压初次级整流电路模块的模拟类似，在此就不一一列举说明。
图5为本实施例参考的典型的F78-III型X线机主电路，该主电路满足教学演示和仿真实验操作。该主电路包含的各个组成部分：(1)第一部分的电源电路是由220V交流电源，电源继电器JC1，和自定义创建的自耦变压器A1组成，为系统的各个单元电路供电。(2)所述的X线球管灯丝初次级电路模块3包括稳压器WY、空间电荷补偿变压器B1次级、曝光按钮K2、灯丝电压调节器W1和灯丝变压器B2组成。自定义的空间电荷补偿变压器将根据管电压增加时，管电流随着增加的特性，将空间电荷补偿变压器次级串联在灯丝初级电路中进行分压，使得管电流减少，达到空间电荷补偿目的；(3)所述的高压初次级电路模块2由管电压调节电路、千伏预示、千伏补偿电路、空间电荷补偿器初级电路、管电流测量电路和单向全波整流电路组成；整个电路模块包括电阻R1、R2、R3、R4、千伏表KV和单刀多掷开关W2、限时电路模块、限时继电器JC2、高压变压器B3、全波整流桥BG、毫安表、高压整流模块(D1～D4)；由于电源电阻、自耦变压器阻抗和高压变压器阻抗的存在，主电路产生比较大的电压降，因此负载时管电压值总小于空载时所预示的管电压数值；电路中采用电阻式千伏补偿电路，当管电流通过W1从低档向高档调节时，开关W2连接到不同的结点，对应的千伏表所串联的电阻阻值也随之变大，使得千伏表的指数随着管电流的增加而降低，补偿了负载变化对管电压的影响；在高压次级电路中，自定义的高压整流模型将根据实际高压整流器原理在电路仿真软件Multisim中采用多个整流二极管相连接的方法实施；设计的限时电路模块通过充放电控制限时继电器JC2的得失电，从而控制曝光的开始与结束，并且输出的波形可以通过LabVIEW中的波形显示控件显示；(4)电路中的球管元件为自定义创建的X线球管仿真模块4，将利用X线球管手册上的灯丝特性曲线建立数学模型用于仿真实验。
如图6所示，主电路系统用于学生实验时，在虚拟仪器开发软件LabVIEW设计的控制台设置好曝光参数(管电压、管电流和曝光时间等)，Multisim中的电路能够按照用户设置的曝光参数进行电路实时仿真，并得出实验结果。通过HB/SC接口将Multisim电路运行产生的实验数据在LabVIEW状态界面上显示，学生通过记录电路运行产生的实验结果，与所设置的曝光参数进行对比，能够更好的理解X线机控制台与高压发生器的控制关系，并且还可以对X线机各单元电路的功能与工作原理有更好的认识。

Claims (7)

1.一种基于虚拟仪器技术的X线机电路实验仿真系统，其特征在于，包括：
电源电路模块(1)，分别与系统中其他模块连接；
高压初次级电路模块(2)，用于为X线球管提供高压；
X线球管灯丝初次级电路模块(3)，通过灯丝电压的调节改变输出管电流，保证管电流不受管电压变化的影响；
X线球管仿真模块(4)，包括根据典型X线球管阻抗特性定义创建的X线球管模型；
曝光限时电路模块(5)，根据用户设定的曝光时间，模拟控制X线曝光时间的长短；
控制台操作界面模块(6)，包括曝光参数调节和状态指示界面，供用户设定曝光参数和显示电路实验仿真结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器技术的X线机电路实验仿真系统，其特征在于，所述的电源电路模块(1)包括自耦变压器模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器技术的X线机电路实验仿真系统，其特征在于，所述的高压初次级电路模块(2)包括依次连接的千伏预示电路、千伏补偿电路和单相全波高压整流电路，所述的千伏预示电路用于管电压预示，根据高压变压器变压比，将空载时的初级电压值换算成带负荷时的次级高压值，所述的千伏补偿电路用于补偿不同管电流档负载时对管电压的影响，所述的单向全波整流电路通过高压整流为X线球管提供直流高压、并运用于管电流测量。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器技术的X线机电路实验仿真系统，其特征在于，所述的X线球管灯丝初次级电路模块(3)包括灯丝电压调节电路和空间电荷补偿电路。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器技术的X线机电路实验仿真系统，其特征在于，所述的曝光限时电路模块(5)包括模拟和数字定时电路。
6.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器技术的X线机电路实验仿真系统，其特征在于，所述的电源电路模块(1)、高压初次级电路模块(2)、X线球管灯丝初次级电路模块(3)、X线球管仿真模块(4)和曝光限时电路模块(5)采用Multisim软件建立。
7.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器技术的X线机电路实验仿真系统，其特征在于，所述的控制台操作界面模块(6)采用LabVIEW软件建立。
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