CN111726925B - 一种脉冲模式下x射线脉冲剂量波形的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲模式下X射线脉冲剂量波形的优化方法，在脉冲模式下，使脉冲模式电路中的灯丝电源使能信号先于逆变驱动使能信号，进行灯丝电路预加热，提高脉冲模式下X射线脉冲剂量的上升沿速率；在原反激电路基础上，通过增加变压器绕组N3、Mos管Q2、电感L1、阻尼电阻Rs、双向触发二极管DB3构成灯丝改进电路，以此降低灯丝两端的电压和自由电子的活跃度，加快脉冲模式下X射线脉冲剂量的下降沿速率。该方法能加快X射线剂量上升沿和下降沿的速率，使实际X射线脉冲剂量波形更加趋向于理想脉冲形状，提高X射线成像图像质量，降低病人受到的无效X射线剂量。

Description

一种脉冲模式下X射线脉冲剂量波形的优化方法

技术领域

本发明涉及X射线成像技术领域，尤其涉及一种脉冲模式下X射线脉冲剂量波形的优化方法。

背景技术

目前，在X射线成像领域X射线照射的方式一般分为：连续直流模式和脉冲模式。如图1中的a为现有技术中连续直流模式工作时理想的电压和剂量曲线示意图，b为现有技术中脉冲模式工作时理想的电压和剂量曲线示意图，通过对比二者曲线可知：连续直流模式存在巨大的缺点即病人受到的X射线辐射剂量明显高于脉冲模式。临床实验数据标明：在获得同样质量的X成像图像条件下，采用脉冲模式照射模式，病人受到的X射线剂量会减少90％。所以，脉冲模式是一种理想的工作方式，脉冲模式典型的工作参数为每秒最大40脉冲，即脉冲周期为25ms。

如图2所示为现有技术中脉冲模式电路示意图，当PWM逆变驱动信号工作时，逆变电路开始工作，逆变的输出为直流母线的高频准正弦波，该激励电压源经过高频高压变压器升压后产生高频高压准正弦波，该高频高压准正弦波经过高压倍压整流电路后，产生额定的120kV直流高压加载至X射线球管上。当PWM逆变驱动信号工作的同时，PWM灯丝驱动信号同时使能，灯丝电源开始工作，X射线的剂量为高；当PWM逆变驱动信号被关闭，逆变电路停止工作，高频高压变压器的输入激励为0V，同时PWM灯丝驱动信号也被关闭，灯丝电源停止对钨丝加热，此时X射线的剂量为低。

由于电路存在惰性，现有技术中实现脉冲的方法产生的剂量和电压实际波形(单个脉冲波形)与理想的矩形形状有一定的差距，如图3所示为现有技术产生的剂量和电压的单个实际脉冲波形示意图，为了尽可能加快X射线剂量上升沿和下降沿速率，现有技术的解决方案是：①在X射线球管的阴阳极两端并联高压放电电阻，以加快高压电容的放电速率；②在灯丝电源的输出端并联灯丝放电电阻，以加快灯丝电源输出电容的放电速率。上述解决方案的核心本质是使用无源电阻快速释放存储在电容中的能量，但上述方案的缺点是无法解决“放电快和功耗小”这一对矛盾关系。若放电电阻太小，稳态工作时放电电阻的功耗大，自身体积大，这不仅降低了整机效率，增加了功率电路的负担，同时放电电阻占据了原本就紧凑的油箱体积，放电电阻发热增加了高压油箱的温升，降低了系统的可靠性；若放电电阻太大，则对X射线剂量上升沿和下降沿波形无法产生明显改善。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲模式下X射线脉冲剂量波形的优化方法，该方法能加快X射线剂量上升沿和下降沿的速率，使实际X射线脉冲剂量波形更加趋向于理想脉冲形状，提高X射线成像图像质量，降低病人受到的无效X射线剂量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种脉冲模式下X射线脉冲剂量波形的优化方法，所述方法包括：

步骤1、在脉冲模式下，使脉冲模式电路中的灯丝电源使能信号先于逆变驱动使能信号，进行灯丝电路预加热，提高脉冲模式下X射线脉冲剂量的上升沿速率；

步骤2、在原反激电路基础上，通过增加变压器绕组N3、Mos管Q2、电感L1、阻尼电阻Rs、双向触发二极管DB3构成灯丝改进电路，以此降低灯丝两端的电压和自由电子的活跃度，加快脉冲模式下X射线脉冲剂量的下降沿速率。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能加快X射线剂量上升沿和下降沿的速率，使实际X射线脉冲剂量波形更加接近于理想脉冲形状，提高X射线成像图像质量，降低病人受到的无效X射线剂量，从而使脉冲频率的提高和脉冲宽度的降低成为可能，对提高临床医学安全有着显著意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为现有技术中连续直流模式和脉冲模式工作时理想的电压和剂量曲线示意图；

图2为现有技术中脉冲模式电路示意图；

图3为现有技术产生的剂量和电压的单个实际脉冲波形示意图；

图4为本发明实施例提供的脉冲模式下X射线脉冲剂量波形的优化方法流程示意图；

图5为本发明实施例提供的脉冲模式下X射线脉冲剂量和电压的波形示意图；

图6为本发明所述预加热时间的曲线拟合示意图；

图7为本发明实施例所述灯丝改进电路的结构示意图。

具体实施方式

下面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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图4所示为本发明实施例提供的脉冲模式下X射线脉冲剂量波形的优化方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、在脉冲模式下，使脉冲模式电路中的灯丝电源使能信号先于逆变驱动使能信号，进行灯丝电路预加热，提高脉冲模式下X射线脉冲剂量的上升沿速率；

在该步骤中，如图5所示为本发明实施例提供的脉冲模式下X射线脉冲剂量和电压的波形示意图，参考图5：

在t₀’时刻驱动灯丝电源使能信号，灯丝电源开启；在t₀时刻，驱动逆变驱动使能信号，实现灯丝电路预加热，预加热时间为t₀-t‘₀，从而提高脉冲模式下X射线脉冲剂量的上升沿速率；同时需要指出，预加热时间过长也会影响灯丝寿命，从而降低整机寿命。

上述预加热时间t₀-t‘₀与X射线球管阴阳极间的电压设定值以及球管剂量的设定值有关，如图6所示为本发明所述预加热时间的曲线拟合示意图，得出最佳的预加热时间的线性关系为：

当球管稳态剂量设定值为90mGy/s时，最佳的预加热时间关于电压设定值的线性拟合表达式为：

y＝6E-07x⁴-0.0002x³+0.0197x²-1.0007x+24.045

当球管稳态剂量设定值为120mGy/s时，最佳的预加热时间关于电压设定值的线性拟合表达式为：

y＝7E-07x⁴-0.0002x³+0.0256x²-1.3042x+31.456

其中，y代表最佳的预加热时间，单位为ms；x代表电压设定值，单位为kV。

具体实现过程中，如图5所示，在[t₀，t₁]区间，X射线球管阴阳极间电压开始建立并逐步上升，此时虽然灯丝已经开始被加热，但是因为球管阴阳极间的电压产生的场强不够，不足以拉动电子移动至阳极钨靶上，故在此时间区间X射线剂量约为0；

在[t₁，t₂]区间：t₁时刻，球管阴阳极间的电压达到阈值电压，球管阴阳极间电压产生的场强刚好能拉动电子移动至阳极钨靶上；t₁至t₂区间内，球管阴阳极间电压继续上升至高压设定值120kV，较现有技术的灯丝电路时序而言，本发明实施例中的灯丝已被提前加热t₀-t‘₀，灯丝中的电子已经达到稳态时所需的活跃度，所以在该区间，X射线剂量随着球管阴阳极电压迅速达到稳态，实现了X射线脉冲剂量的上升沿速率的提高。

步骤2、在原反激电路基础上，通过增加变压器绕组N3、Mos管Q2、电感L1、阻尼电阻Rs、双向触发二极管DB3构成灯丝改进电路，以此降低灯丝两端的电压和自由电子的活跃度，加快脉冲模式下X射线脉冲剂量的下降沿速率。

在该步骤中，如图7所示为本发明实施例所述灯丝改进电路的结构示意图，其中增加了变压器绕组N3、Mos管Q2、电感L1、阻尼电阻Rs、双向触发二极管DB3，其连接关系具体为：

Mos管Q2和变压器绕组N3为新增器件，二者串联后并联在原灯丝电路输入电压Vdc两端；其中，变压器绕组N3、N2、N1分别为同一个变压器的绕组，且变压器绕组N3的同名端为输入电压Vdc的正端；

电感L1、阻尼电阻Rs和双向触发二极管DB3为新增器件，三者串联后并联在原灯丝电路输出二极管D2的两端。

具体实现过程中，如图5所示，当在球管高压和X射线剂量处于稳定状态的[t₂，t₃]区间时，双向触发二极管DB3不导通，极大的降低了正常工作时阻尼电阻Rs上损耗；

而在下降沿[t₃，t₄]区间时，双向触发二极管DB3被触发并迅速处于负阻状态，灯丝两端输出电容Co的能量一部分被阻尼电阻Rs吸收，另一部分传递至原边绕组上，解决了“放电快和功耗小”这一对矛盾关系，加快脉冲模式下X射线脉冲剂量的下降沿速率，具体来说，如图7所示：

在t₃时刻，PWM逆变驱动信号为低，逆变电路关闭，同时PWM灯丝驱动信号为低，Q1的门级驱动电平为低，Q1关断，灯丝电路关闭。为了更快的加速灯丝电路输出电容Co放电，在关断Q1的门级驱动的同时，将Mos管Q2的门级驱动信号置高，Mos管Q2导通。

此时，变压器绕组N3的电压V_N3＝V_in，变压器绕组N2的电压为

通过设计恰当的变压器匝比保证：

其中V_Bo的电压为双向触发二极管DB3的击穿电压，当双向触发二极管DB3两边的电压超过V_Bo时，双向触发二极管DB3呈现负阻效应。

因为

所以当Mos管Q2导通时，双向触发二极管DB3被击穿，此时Co，双向触发二极管DB3，阻尼电阻Rs，电感L1，N2构成回路，其中Co和电感L1组成谐振回路。

当双向触发二极管DB3导通后，将Mos管Q2的门级驱动信号置低，Mos管Q2关断，因为双向触发二极管DB3工作在负阻状态，仍然继续导通，Co放电，能量传递至N1绕组，并被TVS1消耗，整个电路回路构成一个RLC振荡，在参数选择时，如果满足

则电路处于过阻尼状态，灯丝两端输出电容Co上的能量一部分被阻尼电阻Rs吸收，另一部分传递至原边绕组N1上，从而加快脉冲模式下X射线脉冲剂量的下降沿速率。

上述方法解决了放电快和功耗小这一对矛盾关系，使用较小功率的电阻，即可完成灯丝电路输出电容Co的放电，减小了油箱体积，同时油箱温度无明显变化，保证了系统的可靠性。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种脉冲模式下X射线脉冲剂量波形的优化方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、在脉冲模式下，使脉冲模式电路中的灯丝电源使能信号先于逆变驱动使能信号，进行灯丝电路预加热，提高脉冲模式下X射线脉冲剂量的上升沿速率；

在步骤1中，在脉冲模式下，在t‘₀时刻驱动灯丝电源使能信号，灯丝电源开启；在t₀时刻，驱动逆变驱动使能信号，实现灯丝电路预加热，预加热时间为t₀-t‘₀，以提高脉冲模式下X射线脉冲剂量的上升沿速率；

步骤2、在原反激电路基础上，通过增加变压器绕组N3、Mos管Q2、电感L1、阻尼电阻Rs、双向触发二极管DB3构成灯丝改进电路，以此降低灯丝两端的电压和自由电子的活跃度，加快脉冲模式下X射线脉冲剂量的下降沿速率；

其中，所述预加热时间的线性关系为：

当球管稳态剂量设定值为90mGy/s时，预加热时间关于电压设定值的线性拟合表达式为：

y＝6E-07x⁴-0.0002x³+0.0197x²-1.0007x+24.045

当球管稳态剂量设定值为120mGy/s时，预加热时间关于电压设定值的线性拟合表达式为：

y＝7E-07x⁴-0.0002x³+0.0256x²-1.3042x+31.456

其中，y代表最佳的预加热时间；x代表电压设定值。

2.根据权利要求1所述脉冲模式下X射线脉冲剂量波形的优化方法，其特征在于，在步骤2中，当在下降沿[t₃，t₄]区间时，双向触发二极管DB3被触发并迅速处于负阻状态，灯丝两端输出电容Co的能量一部分被阻尼电阻Rs吸收，另一部分传递至原边绕组上，从而加快脉冲模式下X射线脉冲剂量的下降沿速率。

3.根据权利要求1所述脉冲模式下X射线脉冲剂量波形的优化方法，其特征在于，在步骤2中，灯丝改进电路中各元件的连接关系为：

Mos管Q2和变压器绕组N3为新增器件，二者串联后并联在原灯丝电路输入电压Vdc两端；其中，变压器绕组N3、N2、N1分别为同一个变压器的绕组，且变压器绕组N3的同名端为输入电压Vdc的正端；

电感L1、阻尼电阻Rs和双向触发二极管DB3为新增器件，三者串联后并联在原灯丝电路输出二极管D2的两端。

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