CN110074808A - 新能源高压发生器及新能源计算机断层成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高压发生器模块、高压发生器和计算机断层成像设备，高压发生器模块包括：新能源模组，输出直流低电压，用于提供能量和满足功率要求；高压转换电路，与所述新能源模组连接，用于将所述直流低电压转换为高压输出给X射线球管。本发明的计算机断层成像设备高压发生器在工作时不需要依靠电网网络，不再依靠滑环传递能量。在满足计算机断层成像设备工作需求的前提下，使用本发明的高压发生器可以极大地简化了计算机断层成像设备的系统设计，减小了计算机断层成像设备体积，进而降低系统成本，方便临床使用。同时，本发明提供的高压发生器可以模块化，分散安装，自身发热量小，降低了元器件要求和工程难度，进而降低高压发生器自身成本。

Description

新能源高压发生器及新能源计算机断层成像设备

技术领域

本发明涉及一种医疗设备领域，尤其涉及一种为X射线球管提供电能的新能源高压发生器模块、新能源高压发生器，以及新能源计算机断层成像设备。

背景技术

本部分的内容仅仅是提供与本发明相关的背景信息并不构成现有技术，也不表明本部分内容已在本发明申请日前已经被公开或已经被公众所知晓。

计算机断层成像设备，即CT(Computed Tomography)，其电力系统基本上是基于交流电模式设计得。大部分的医疗CT，基本上工作时候都要从电网网络获取能量，这个特性限制了CT的应用场景。中国专利申请(发明名称为“一种新能源计算机断层成像设备”、申请号为CN201811644960.6)描述的计算机断层成像设备，解决了传统医疗设备严重依赖于稳定的电网网络的问题，具体的，在CT扫描时采用了新能源模组对CT设备供电，扫描所需的大功率供电不再依赖于电网网络，采用新能源模组的供电方案能够保证干净的电磁环境，新能源模组本身实现了供电端的电气隔离，省去了传统CT设备的电源分配单元，从而简化了CT设备的系统设计需求，同时降低了对医院供电配套设施的需求，极大地节约了成本。此外，不依赖于电网网络的CT设备能够应用于移动场景、手术中场景，灾难战争等电网失效环境，有效扩展了CT设备的应用环境。

目前，高压发生器驱动球管产生X射线，基本上就是把普通交流电转换成一个直流高压的装置。而在实际使用过程中，这个直流高电压一般可以分成几档，通常为80kv,100kv,120kv和140kv,特殊情况下，最高电压也可能会达更高。工作过程中，整体交流输入电流很大，基本上会达到100安培以上，高压发生器自身的发热量会很大。同时，高压发生器的电压输出端一般集成在一个模块上，为了确保安全绝缘间距，这个模块的体积比较大。

由于CT设备高压发生器一般安装在CT转子上，扫描过程中高压发生器需要随着转子一起运动，为了给高压发生器提供能量，高压发生器一般需要借助滑环从电网网络中获取工作电压，此种方式增加了高压发生器供电线路设计难度和成本，并且增加了设备的厚度，从而增大了体积。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种全新的新能源计算机断层成像设备的高压发生器。该高压发生器具有可以模块化扩展集成，工作时候依靠自身持有能量，可以不需要滑环传递能量。

为解决上述问题，本发明提供了一种用于驱动X射线球管产生X射线的高压发生器模块，包括：新能源模组，输出直流低电压，用于提供能量和功率；高压转换电路，与所述新能源模组连接，用于将所述直流低电压转换为高压输出给X射线球管。

优选的，所述高压转换电路包括：逆变电路，将所述新能源模组输出的直流低电压转换为交流电压；电压转换器，所述电压转换器的原边与所述逆变电路连接，用于将其原边侧的低压转换为副边侧的高压；升压电路，设置于所述电压转换器的副边，对经过所述电压转换器的电压升压至高压为X射线球管供电。

优选的，所述升压电路包括多级串联式稳压电路，所述多级串联式稳压电路包括多个相互串联并设置于所述高压转换器副边的稳压电路，稳压电路包括二极管和电容。

优选的，所述逆变电路包括：由电容C1和电子开关管K2组成的支路一，以及由电容C2和电子开关管K1组成的支路二，通过控制所述电子开关管K1或所述电子开关管K2将所述支路二或所述支路一可选择地连接于所述高压变换器的原边侧，所述电容C1和电容C2为能够在所述新能源模组输出电压区间工作。

优选的，所述新能源模组包括锂离子超级电容或石墨烯超级电容。

为解决上述问题，本发明还提供了一种高压发生器，包括前述的高压发生器模块，所述高压发生器模块为X射线球管输出高压。

优选的，包括至少两个所述高压发生器模块，所述至少两个高压发生器模块相互串联后为X射线球管输出高压。

为解决上述问题，本发明还提供了一种计算机断层成像设备，包括：扫描架，所述扫描架包括旋转部件和固定部件；所述旋转部件安装于所述固定部件，所述旋转部件可绕自身中心轴旋转；扫描床，用于承载被检者进入所述扫描架以便进行CT扫描；所述旋转部件包括前述的高压发生器，所述旋转部件还包括X射线球管和CT探测器；所述高压发生器用于向所述X射线球管提供高压，所述X射线球管用于发射X射线，所述CT探测器用于在CT扫描时接收穿过被检者的X射线。

优选的，所述高压发生器的高压发生器模块采用内环和/或外环安装方式安装于所述旋转部件的主体，所述高压发生器包括至少两个高压发生器模块，所述至少两个高压发生器模块相互之间间隔、分散布置于旋转部件的主体，所述各高压发生器模块通过线缆串联后共同为X射线球管提供高压。

优选的，所述计算机断层成像设备还包括独立设置的新能源模组，所述独立设置的新能源模组用于在CT非工作时为所述高压发生器的内置新能源模组充电。

优选的，所述单独设置的新能源模组设置于所述计算机断层成像设备的旋转部件。

优选的，所述高压发生器的各高压发生器模块分别与电网网络/发电设备连接进行独立充电。

与现有技术相比，本发明提供的高压发生器，其单模块输入电流小，总体发热量小。单模块对所需元器件的性能指标要求降低，成本低。本发明的计算机断层成像设备高压发生器在工作时不需要连接电网网络在满足计算机断层成像工作需求的前提下，极大地简化了计算机断层成像设备的系统设计(甚至可以取消滑环)，进而减小了计算机断层成像设备体积，进而降低系统成本，方便临床使用。进一步地，本发明的高压发生器采用多个高压发生器模块串联产生高压，每个高压发生器模块仅需要输出较低的高压幅值，降低了元器件要求和工程难度，特别是绝缘工程难度，进而降低高压发生器自身成本；同时，工作时候，多独立新能源模组输入，避免了共源干扰，降低了输入电流，自身发热量小，减小了总的发热量。单模块的输出电压一般在2万伏，其内部器件的通用性提升。同时，可以把模块分散安装在转子上，提升了转子空间利用率，方便了计算机断层设备的系统设计。

附图说明

图1是计算机断层成像设备结构示意图。

图2是现有计算机断层成像设备的高压发生器连接电路示意图。

图3a和图3b是本发明一些实施例的CT旋转部件的结构示意图。

图4是本发明一些实施例的高压发生器的电路结构示意图。

图5是本发明一些实施例的高压发生器模块的电路示意图。

图6是本发明一些实施例的各高压发生器模块安装于旋转部件的结构示意图。

图7是本发明一些实施例的高压发生器通过电网网络/充电设备连接充电的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合附图对实施例进行详细描述。

应当明确，下面描述中的实施例仅仅是本发明的一些示例或部分实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例将本发明应用于其他类似情景。给出这些示例性实施例仅仅是为了使相关领域的技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本发明和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

虽然本发明对根据本发明的实施例的系统中的某些模块做出了各种引用，然而，任何数量的不同模块可以被使用并运行在客户端和/或服务器上。所述模块仅是说明性的，并且所述系统和方法的不同方面可以使用不同模块。

图1是计算机断层成像设备(CT，Computed Tomography)的结构示意图，计算机断层成像设备包括机架10和扫描床20。机架10可以包括固定部件101(也可以称为定子)和旋转部件102(也可以称为转子)。固定部件101通常包括一些固定的机械结构(电机装置、冷却风扇)、电路处理模块等。旋转部件102安装于固定部件101上，旋转部件102通常为环状结构，旋转部件102可以围绕自身的中心轴进行旋转。旋转部件102上安装有一些耗能模块，由于在CT成像时旋转部件自身会高速旋转，对于旋转部件102耗能模块的供电设有特殊的结构：滑环(图中未示出)，滑环内设有多路管槽导环线路。

旋转部件102安装的耗能模块通常包括：用来产生高压的高压发生器(HVG，highvoltage generator)，高压发生器起到升压作用，将输入电压升压到X射线球管1021所需的高压，用来驱动X射线球管1021产生X射线。X射线球管1021所需的瞬时功率非常高，放线时的功率峰值可以达到50～150KW。旋转部件102上的耗能模块还可以包括CT探测器1022，以及一些其他的电子器件(例如信号采集电路板、信号处理电路板等)。

在进行CT扫描时，被检者通常躺在扫描床20的床板201上，扫描床的床板可以沿床板的长度方向(a方向，也是z方向)移动，将被检者送入机架内部103。医生/技师在控制台处进行被检者的信息登记、选择被检者的扫描范围、扫描协议等信息，控制X射线球管的放线、扫描床移动、CT图像重建等过程，从而最终产生供诊断的CT图像。

图2是现有CT设备高压发生器供电示意图，CT设备连接电网网络(市电的三相交流电，图中以1、2、3、E分别示意出三相交流电的各路电线)，电网网络输出的三相交流电通过安装于固定部件的滑环的线缆(图中示意出了4路线缆)传输至旋转部件。旋转部件上设有交流/直流转换器，将交流转换为直流电，进一步地，直流电作为高压发生器的输入，经过高压发生器转换为高压，再由高压发生器为X射线球管提供能量和功率。

由于CT设备高压发生器一般安装在CT转子上，扫描过程中需要随着转子一起运动，为了给高压发生器提供能量，高压发生器需要借助滑环从电网网络中获取工作电压，此种方式增加了高压发生器供电线路设计难度，并且增加了设备厚度。

对于医用计算机断层成像设备来说，其能量消耗峰值和功率需求峰值基本上由高压发生器决定，CT进行扫描放线时，高压发生器需要能量和功率，占整个设备的绝大部分。

对于医用CT，其放线工作时，高压发生器要求的输入动力的最高功率一般为几十千瓦，高排数CT甚至到几百千瓦，对功率的需求还是很高的。因为这种需求，目前医用CT一般需要专用的电网线路，安装在固定场所。

医用一次扫描，高压发生器驱动球管进行放线的时长，一般从几秒到几十秒不等，这样每次扫描需要的能量从几十千瓦时到几百千瓦时不等。对于常规医用CT，一般应用场所，每个工作日，大约需要进行几十次扫描。对于某些特殊应用场所CT，例如卒中CT，每个工作日可能只需要几次扫描，而对于术中专用CT，每个工作日可能也是几次扫描。

针对以上情况，本发明在中国专利申请(发明名称为“一种新能源计算机断层成像设备”、申请号为CN201811644960.6)的基础上，针对如何在电能有限条件下更好地支持计算机断层成像扫描，节省计算机断层成像设备的大小，尽可能减小滑环厚度甚至不再用到滑环，对新能源计算机断层成像设备做了进一步优化。

本发明一些实施例中，如图3a所示，旋转部件102上设置有高压发生器202，高压发生器202为X射线球管1021提供高压，不同于传统CT高压发生器，本发明的高压发生器自身包含了提供电能的新能源模组，在工作时不需要通过滑环连接电网网络，因此新能源高压发生器在满足工作需求前提下，极大地简化了计算机断层成像设备的设计。在高压发生器安装时，可以通过图3a示意出的内环安装方式，即高压发生器201可以安装在旋转部件102主体偏外侧框架1023的内侧。可选的，如图3b所示，高压发生器202可以采用外环安装方式，即安装在旋转部件102主体的偏内侧框架1024的外侧。

图4是本发明一些实施例的高压发生器的电路示意图，高压发生器可以由一个或多个高压发生器模块组成。当高压发生器由多个高压发生器模块组成时，多个高压发生器模块在输出端相互串联，由串联后的高压发生器模块为X射线球管提供能量和功率。每个高压发生器模块可以包括：新能源模组和高压转换电路，新能源模组提供直流电压，高压转换电路将直流低电压(相比于高压转换电路的输出侧，其输入侧高压较低，在此称为直流低电压)转换为高压输出给X射线球管。

在本发明的一些实施例中，如图5所示，高压发生器模块包括：新能源模组，提供直流电压。逆变电路，与新能源模组连接，将新能源模组输出的直流电压转换为交流电压。高压转换器，用于将其原边侧的低压转换为副边侧的高压，高压转换器的原边与逆变电路连接。升压电路为多级串联式稳压电路，多级串联式稳压电路包括多个相互串联并设置于高压转换器副边的稳压电路，稳压电路包括稳压电容和二极管。

在本发明的一些实施例中，逆变电路包括一对电容C1和电容C2，以及电子开关管K1和K2，由电容C1和电子开关管K2组成的支路一，电容C2和电子开关管K1组成的支路二，通过控制电子开关管K1或电子开关管K2将支路二或支路一可选择地连接于高压变换器的原边侧。新能源模组在工作(放电)情况下随着时间变化电压会逐步变小，例如从600V至380V，电容C1和电容C2能够在新能源模组输出电压区间范围内工作，其最低电压仍将可与适用。此时新能源模组的电压方式更易于读取，了解当前新能源模组剩余能量情况。

在本发明的一些实施例中，新能源模组优选的采用超级电容作为基本元器件，尤其是石墨烯超级电容或者锂离子超级电容，不仅具有很高的比功率密度，同时也具有比较高的比能量密度，能够满足高压发生器对能量和功率的要求。另外，石墨烯超级电容或者锂离子超级电容，能够反复充放电几十万次，也符合高压发生器高频率的使用要求，充放电使用寿命长。超级电容的模组技术，确保了可以根据应用场景要求，配置不同的能量和功率。另外，石墨烯超级电容或者锂离子超级电容可以兼容不同的补充能量方式，既可以使用高功率充电方式进行大电流快速补充能量，也可以小功率充电。同时超级电容也可以利用锂电池进行混合搭配，形成经济，可靠的混合型新能源模块。

在本发明的一些实施例中，为保证支持CT扫描工作时的能量和功率，由超级电容单体组成的电容模组优选采用不小于100Wh/Kg比能量密度的超级电容单体，比功率密度不小于3KW/Kg超级电容单体。

在本发明一些实施例中，用做新能源模组的超级电容/超级电容单体可以是如中国授权专利ZL 201610744968.4里所描述的。

图6是本发明一些实施例的高压发生器的结构示意图，高压发生器模块203、高压发生器模块204之间相互间隔，为提高电气安全间隔距离，分散式地布置于旋转部件102，高压发生器模块203和204通过线缆串联后共同为X射线球管1021提供高压。在实际安装过程中，可以根据旋转部件上的空隙(旋转部件上安装了除高压发生器的其他机械部件后留下的空余位置)来选择性地安装放入各高压发生器模块，以保证旋转部件的整体重量均衡便于高速旋转。

在本发明的一些实施例中，CT设备还设置有独立的新能源模组205，在CT非工作时，新能源模组205为高压发生器203和204内置的新能源模组充电。在本发明的一些实施例中，独立的新能源模组205设置于旋转部件102上。

在本发明的一些实施例中，在高压发生器不工作时(X射线球管不放线)，也可以通过外接的电网网络或者发电设备(例如发电机，风力发电设备或燃油发电设备)对高压发生器的各高压发生器模块203、204内的新能源模组进行充电。各高压发生器模块203、204分别与电网网络和/或发电设备连接，在充电时由电网网络和/或发电设备为各高压发生器模块的新能源模组进行独立充电，由于各高压发生器模块内的新能源模组容量相对较小、电压相对较低，独立充电的效率更高，也更容易充入电流。当检测到独立的新能源模组205亏电时，电网网络/发电设备也可以为独立的新能源模组205进行充电。

本发明的计算机断层成像设备高压发生器在工作时不需要连接电网网络，在满足计算机断层成像工作需求的前提下，极大地简化了线路布置(甚至可以取消滑环)，减小了计算机断层成像设备体积。进一步地，本发明的高压发生器可采用多个高压发生器模块串联产生高压，每个高压发生器模块仅需要输出较低的高压幅值，显著减少了高压发生器模块的工程难度和成本，同时多个高压发生器模块，每个模块的内部电流限制降低，整个高压发生器的发热量显著降低。可以分散式内环或者外环安装在CT转子上，极大方便了CT的整体设计。

以上内容描述了本发明和/或一些其他的示例。根据上述内容，在不偏离本发明宗旨和范围的条件下，本发明的技术方案还可以作出不同的变形，可以广泛地构造本发明的多种实施方案。本发明披露的主题能够以不同的形式和例子所实现。

应当理解的是，除附属权利要求所定义的之外，本发明并不限于申请书中描述的具体实施方案。

Claims (12)

1.一种用于驱动X射线球管产生X射线的高压发生器模块，其特征在于，包括：

新能源模组，输出直流低电压，用于提供能量和功率；

高压转换电路，与所述新能源模组连接，用于将所述直流低电压转换为高压输出给X射线球管。

2.根据权利要求1所述的高压发生器模块，其特征在于，所述高压转换电路包括：

逆变电路，将所述新能源模组输出的直流低电压转换为交流电压；

电压转换器，所述电压转换器的原边与所述逆变电路连接，用于将其原边侧的低压转换为副边侧的高压；

升压电路，设置于所述电压转换器的副边，对经过所述电压转换器的电压升压至高压为X射线球管供电。

3.根据权利要求1所述的高压发生器模块，其特征在于，所述升压电路包括多级串联式稳压电路，所述多级串联式稳压电路包括多个相互串联并设置于所述高压转换器副边的稳压电路，稳压电路包括二极管和电容。

4.根据权利要求1所述的高压发生器模块，其特征在于，所述逆变电路包括：由电容C1和电子开关管K2组成的支路一，以及由电容C2和电子开关管K1组成的支路二，通过控制所述电子开关管K1或所述电子开关管K2将所述支路二或所述支路一可选择地连接于所述高压变换器的原边侧，所述电容C1和电容C2为能够在所述新能源模组输出电压区间工作。

5.根据权利要求1所述的高压发生器模块，其特征在于，所述新能源模组包括锂离子超级电容或石墨烯超级电容。

6.一种高压发生器，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的高压发生器模块，所述高压发生器模块为X射线球管输出高压。

7.根据权利要求6所述的高压发生器，其特征在于，包括至少两个所述高压发生器模块，所述至少两个高压发生器模块相互串联后为X射线球管输出高压。

8.一种计算机断层成像设备，其特征在于，包括：

扫描架，所述扫描架包括旋转部件和固定部件；所述旋转部件安装于所述固定部件，所述旋转部件可绕自身中心轴旋转；

扫描床，用于承载被检者进入所述扫描架以便进行CT扫描；

所述旋转部件包括权利要求6所述的高压发生器，所述旋转部件还包括X射线球管和CT探测器；所述高压发生器用于向所述X射线球管提供高压，所述X射线球管用于发射X射线，所述CT探测器用于在CT扫描时接收穿过被检者的X射线。

9.根据权利要求8所述的计算机断层成像设备，其特征在于，所述高压发生器的高压发生器模块采用内环和/或外环安装方式安装于所述旋转部件的主体，所述高压发生器包括至少两个高压发生器模块，所述至少两个高压发生器模块相互之间间隔、分散布置于旋转部件的主体，所述各高压发生器模块通过线缆串联后共同为X射线球管提供高压。

10.根据权利要求8所述的计算机断层成像设备，其特征在于，所述计算机断层成像设备还包括独立设置的新能源模组，所述独立设置的新能源模组用于在CT非工作时为所述高压发生器的内置新能源模组充电。

11.根据权利要求10所述的计算机断层成像设备，其特征在于，所述单独设置的新能源模组设置于所述计算机断层成像设备的旋转部件。

12.根据权利要求8所述的计算机断层成像设备，其特征在于，所述高压发生器的各高压发生器模块分别与电网网络/发电设备连接进行独立充电。