CN112515692A - 用于为成像系统供电的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“用于为成像系统供电的系统和方法”。本发明提供了用于为成像系统供电的方法和系统。在一个实施方案中，一种系统包括：直流电(DC)总线；x射线源，该x射线源耦接到DC总线；配电单元(PDU)，该配电单元具有耦接到三相交流电(AC)源的输入以及耦接到DC总线的输出；和能量存储装置，该能量存储装置包括超级电容器，能量存储装置耦接到DC总线并被配置为将由PDU输出的电能存储在超级电容器中并将存储的电能直接输出到DC总线以用于为x射线源供电。以此方式，可为成像系统的x射线源充分供电，使其超出PDU的限制，而无需升级医院的电气公用设施并且无需升级PDU。通过FPGA测量输入电流、电压、温度和电压平衡来保护超级电容器。

Description

用于为成像系统供电的系统和方法
技术领域
本文所公开的主题的实施方案涉及医学成像系统，并且更具体地讲，涉及解决计算机断层摄影(CT)成像系统的功率需求。
背景技术
非侵入式成像技术允许获得患者或对象的内部结构的图像，而无需对该患者或对象执行侵入式程序。具体地，诸如计算机断层摄影(CT)之类的技术使用各种物理原理(诸如通过靶体积的X射线的差分传输)来获取图像数据和构建断层摄影图像(例如，人体或其他成像结构的内部的三维表示)。
发明内容
在一个实施方案中，一种系统包括：直流电(DC)总线；x射线源，该x射线源耦接到DC总线；配电单元(PDU)，该配电单元具有耦接到三相交流电(AC)源的输入以及耦接到DC总线的输出；和能量存储装置，该能量存储装置包括超级电容器，能量存储装置耦接到DC总线并被配置为将由PDU输出的电能存储在超级电容器中并将存储的电能直接输出到DC总线以用于为x射线源供电。以此方式，可为成像系统的x射线源充分供电，使其超出PDU的限制，而无需升级医院的电气公用设施并且无需升级PDU。
应当理解，提供上面的简要描述来以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的精选概念。这并不意味着识别所要求保护的主题的关键或必要特征，该主题的范围由具体实施方式后的权利要求书唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上文或本公开的任何部分中提到的任何缺点的实施方式。
附图说明
通过参考附图阅读以下对非限制性实施方案的描述将更好地理解本发明，其中以下：
图1示出了根据一个实施方案的成像系统的绘画视图；
图2示出了根据一个实施方案的示例性成像系统的方框示意图；
图3示出了根据一个实施方案的用于利用能量存储装置为成像系统的部件供电的示例性系统的方框示意图；
图4示出了根据一个实施方案的示出示例性能量存储装置的框图；
图5示出了根据一个实施方案的用于能量存储装置的示例性控制电路的示意图；
图6示出了根据一个实施方案的用于能量存储装置的示例性电源电路的示意图；
图7示出了根据一个实施方案的示出用于成像系统的x射线管的示例性功率消耗的曲线图；
图8示出了根据一个实施方案的示出被配置成具有能量存储装置的配电单元与被配置成不具有能量存储装置的配电单元相比的示例性功率性能的一组曲线图；
图9示出了根据一个实施方案的示出在具有和不具有能量存储装置的情况下的对于照射的示例性电气测量的一组曲线图；并且
图10示出了根据一个实施方案的示出用于控制能量存储装置的示例方法的高级流程图。
具体实施方式
以下描述涉及医学成像系统的各种实施方案。具体地，提供了用于为计算机断层摄影(CT)成像系统供电的系统和方法。在图1和图2中提供了可以用于根据本发明技术采集图像的CT成像系统的示例。CT成像系统可包括至少一个x射线管，该至少一个x射线管在某些成像模式下操作时消耗大量能量。在某些情况下，包括这种x射线管的CT成像系统的功率需求可能会超出容纳CT成像系统和/或配电单元(PDU)的建筑物的电气公用设施的功率容量，该配电单元将电气公用设施的交流电(AC)转到直流电(DC)，以用于为CT成像系统供电。解决CT成像系统的功率需求的一种方法可包括诸如通过增大电缆、熔断器、断路器和/或配电变压器的尺寸来升级公用设施。另一种方法可包括升级到更大的PDU或安装第二PDU。然而，此类解决方案在阻止升级到CT成像系统方面可能是昂贵且费时的。另一种方法包括提供能量存储装置诸如与PDU并联配置的超级电容器模块，如图3所示，以降低输入电源线的峰值负载需求。超级电容器模块可包括一个或多个超级电容器以及用于控制超级电容器模块的控制电路、用于为超级电容器模块的部件供电的电源电路、用于冷却超级电容器模块的部件的一个或多个风扇以及用于对超级电容器模块充电或放电的控制开关，如图4至图6所示。因此，如本文所述的超级电容器模块可在照射的至少一部分期间向CT成像系统的一个或多个部件提供电力，如图7所描绘，以使得功率消耗能够高于PDU的输出极限，如图8和图9所描绘。一种用于控制超级电容器模块的方法(诸如图10所描绘的方法)包括基于超级电容器模块的控制开关的位置来对超级电容器模块的超级电容器选择性地充电或放电。
应当理解，虽然在本文广泛使用术语“能量存储装置”来指代包括一个或多个超级电容器以用于在为成像系统供电时提供帮助的装置，但本文所述的能量存储装置包括超级电容器模块，因此术语“能量存储装置”和“超级电容器模块”在本文可互换使用。
尽管以举例的方式描述了CT系统，但应当理解，当应用于其他成像模态(诸如MRI、C臂血管造影术等)时，本发明的技术也可以是有用的。对CT成像模态的本发明论述仅提供作为一种合适的成像模态的示例。
图1示出了被配置用于CT成像的示例性CT系统100。具体地，CT系统100被配置为对受检者112(诸如患者、无生命对象、一个或多个制造部件)和/或外来对象(诸如存在于身体内的牙科植入物、支架和/或造影剂)进行成像。在一个实施方案中，CT系统100包括机架102，该机架102继而还可以包括至少一个x射线源104，该至少一个x射线源104被配置为投射x射线辐射束106以用于对受检者112进行成像。具体地，x射线源104被配置为将x射线106朝向定位在机架102的相对侧上的检测器阵列108投射。虽然图1仅描绘了单一x射线源104，但是在某些实施方案中，可以采用多个x射线辐射源和检测器来投射多个x射线106，以用于采集不同能级下与患者对应的投影数据。在一些实施方案中，x射线源104可以通过快速kVp切换来实现双能量宝石能谱成像(GSI)。在一些实施方案中，所采用的x射线检测器是能够区分不同能量的x射线光子的光子计数检测器。在其它实施方案中，使用两组x射线管检测器来生成双能量投影，其中一组x射线管设置为低kVp并且另一组设置为高kVp。因此应当理解的是，本文所述的方法可用单能量采集技术以及双能量采集技术来实现。
在某些实施方案中，CT系统100还包括图像处理器单元110，该图像处理器单元被配置为使用迭代或分析图像重建方法来重建受检者112的靶体积的图像。例如，图像处理器单元110可以使用分析图像重建方法诸如滤波反投射(FBP)来重建患者靶体积的图像。作为另一示例，图像处理器单元110可以使用迭代图像重建方法(诸如高级统计迭代重建(advanced statistical iterative reconstruction,ASIR)、共轭梯度(conjugategradient,CG)、最大似然期望最大化(maximum likelihood expectation maximization,MLEM)、基于模型的迭代重建(model-based iterative reconstruction,MBIR)等等)来重建受检者112的靶体积的图像。如本文进一步所述，在一些示例中，除了迭代图像重建方法之外，图像处理器单元110还可使用分析图像重建方法(诸如FBP)。
在一些已知的CT成像系统配置中，辐射源投射锥形射束，该锥形射束被准直成位于笛卡尔坐标系的X-Y-Z平面内并且通常被称为“成像平面”。辐射束穿过正在被成像的对象，诸如患者或受检者112。射束在被对象衰减之后照射在辐射检测器阵列上。在检测器阵列处接收的衰减辐射束的强度取决于对象对辐射束的衰减。阵列的每个检测器元件产生单独的电信号，该单独的电信号是检测器位置处的射束衰减的量度。单独地获取来自所有检测器的衰减测量值，以产生传输分布。
在一些CT系统中，使用机架使辐射源和检测器阵列在成像平面内围绕待成像的对象旋转，使得辐射束与对象相交的角度不断变化。在一个机架角度下来自检测器阵列的一组辐射衰减测量值(即，投影数据)被称为“视图”。对象的“扫描”包括在辐射源和检测器的一次旋转期间在不同的机架角度或视角下制得的一组视图。可以设想的是，本文所述的方法的益处源于CT之外的医学成像模态，因此如本文所用，术语“视图”不限于上文关于来自一个机架角度的投影数据所述的用途。术语“视图”用于表示每当存在来自不同角度的多个数据采集时的一个数据采集，无论是来自CT、PET还是SPECT采集；和/或任何其它模态，包括尚未开发的模态以及它们在融合实施方案中的组合。
对投影数据进行处理以重建对应于穿过对象拍摄的二维切片的图像。一种用于根据一组投射数据来重建图像的方法在本领域中称为滤波反投射技术。传输和发射断层摄影重建技术还包括统计迭代方法，诸如最大似然期望最大化(MLEM)和有序子集期望重建技术以及迭代重建技术。该方法将来自扫描的衰减测量值转换成称为“CT数”或“亨氏单位”的整数，该整数用于控制显示设备上的对应像素的亮度。
为了减少总扫描时间，可执行“螺旋”扫描。为了执行“螺旋”扫描，在采集到规定数量的切片的数据时，移动患者。此类系统从锥形束螺旋扫描产生单个螺旋。由锥形射束绘制出(mapped out)的螺旋产生了投影数据，根据该投影数据可重建每个规定切片中的图像。
如本文所用，短语“重建图像”并非旨在排除其中生成表示图像的数据而非可视图像的本发明的实施方案。因此，如本文所用，术语“图像”广义地是指可视图像和表示可视图像的数据两者。然而，许多实施方案生成(或被配置为生成)至少一个可视图像。
图2示出了类似于图1的CT系统100的示例性成像系统200。根据本公开的各方面，成像系统200被配置用于对受检者204进行成像。在一个实施方案中，成像系统200包括检测器阵列108(参见图1)。检测器阵列108还包括多个检测器元件202，该多个检测器元件一起感测穿过受检者204(诸如患者)的X射线束106(参见图1)以采集对应的投影数据。因此，在一个实施方案中，以包括多行单元或检测器元件202的多切片配置来制造检测器阵列108。在此类配置中，一个或多个附加行的检测器元件202以并行配置布置，以用于采集投影数据。
在某些实施方案中，成像系统200被配置为遍历受检者204周围的不同角位置以采集所需的投影数据。因此，机架102和安装在其上的部件可以被配置为围绕旋转中心206旋转，以获取例如不同能级下的投射数据。另选地，在相对于受检者204的投影角度随时间变化的实施方案中，所安装的部件可被配置为沿着大致弧形而不是沿着一段圆周移动。
因此，当x射线源104和检测器阵列108旋转时，检测器阵列108收集衰减的x射线束的数据。然后，由检测器阵列108收集的数据经历预处理和校准以对数据进行调节以表示所扫描的受检者204的衰减系数的线积分。经处理的数据通常被称为投影。
在一些示例中，检测器阵列108的单独检测器或检测器元件202可包括光子计数检测器，该光子计数检测器将单独光子的交互寄存到一个或多个能量区间(energy bin)中。应当理解，本文所述的方法还可使用能量积分检测器来实现。
所采集的投影数据集可用于基础材料分解(BMD)。在BMD期间，将所测量的投影转换为一组材料密度投影。可将材料密度投影重建以形成每种相应的基础材料的一对或一组材料密度标测图或图像(诸如骨、软组织和/或造影剂标测图)。密度标测图或图像可继而相关联以形成对成像体积中的基础材料(例如骨、软组织和/或造影剂)的体绘制(volumerendering)。
一旦重建，由成像系统200产生的基础材料图像就显示出以两种基础材料的密度表示的受检者204的内部特征。可显示密度图像以展示这些特征。在诊断医学病症(诸如疾病状态)，并且更一般地诊断医学事件的传统方法中，放射科医生或医师将考虑密度图像的硬拷贝或显示以辨别感兴趣的特性特征。此类特征可包括特定解剖结构或器官的病灶、尺寸和形状，以及基于个体从业者的技能和知识应在图像中可辨别的其它特征。
在一个实施方案中，成像系统200包括控制机构208，以控制部件的运动，诸如机架102的旋转和x射线源104的操作。在某些实施方案中，控制机构208还包括x射线控制器210，该x射线控制器被配置为向x射线源104提供功率和定时信号。另外，控制机构208包括机架马达控制器212，该机架马达控制器被配置为基于成像要求来控制机架102的旋转速度和/或位置。
在某些实施方案中，控制机构208还包括数据采集系统(DAS)214，该DAS被配置为对从检测器元件202接收的模拟数据进行采样，并将模拟数据转换为数字信号以用于后续处理。DAS 214还可以被配置为选择性地将来自检测器元件202的子集的模拟数据聚集到所谓的宏检测器中，如本文进一步描述的。将由DAS 214采样和数字化的数据传输到计算机或计算设备216。在一个示例中，计算设备216将数据存储在存储设备218中。例如，存储设备218可以包括硬盘驱动器、软盘驱动器、光盘-读/写(CD-R/W)驱动器、数字通用光碟(DVD)驱动器、闪存驱动器，以及/或者固态存储驱动器。
另外，计算设备216向DAS 214、x射线控制器210和机架马达控制器212中的一者或多者提供命令和参数，以控制系统操作，诸如数据采集和/或处理。在某些实施方案中，计算设备216基于操作员输入来控制系统操作。计算设备216经由可操作地耦接到计算设备216的操作员控制台220来接收操作员输入，该操作员输入例如包括命令和/或扫描参数。操作员控制台220可以包括键盘(未示出)或触摸屏，以允许操作员指定命令和/或扫描参数。
虽然图2仅示出了一个操作员控制台220，但是多于一个操作员控制台可以耦接到成像系统200，例如以用于输入或输出系统参数、请求检查和/或查看图像。此外，在某些实施方案中，成像系统200可以经由一个或多个可配置的有线和/或无线网络(诸如互联网和/或虚拟专用网络)而耦接到例如在机构或医院内或者处于完全不同位置的本地或远程地定位的多个显示器、打印机、工作站和/或类似设备。
在一个实施方案中，例如，成像系统200包括图片存档和通信系统(PACS)224或者耦接到PACS。在一个示例性实施方式中，PACS 224进一步耦接到远程系统(诸如放射科信息系统、医院信息系统)和/或耦接到内部或外部网络(未示出)，以允许处于不同位置的操作员供应命令和参数和/或获得对图像数据的访问。
计算设备216使用操作员供应的和/或系统定义的命令和参数来操作工作台马达控制器226，该工作台马达控制器又可控制工作台228，该工作台可包括电动工作台。具体地，工作台马达控制器226移动工作台228以将受检者204适当地定位在机架102中，以采集与受检者204的靶体积对应的投影数据。
如前所述，DAS 214对由检测器元件202采集的投影数据进行采样和数字化。随后，图像重建器230使用所采样和数字化的x射线数据来执行高速重建。虽然图2将图像重建器230示出为单独的实体，但是在某些实施方案中，图像重建器230可以形成计算设备216的一部分。另选地，图像重建器230可以不存在于成像系统200中，并且替代地计算设备216可以执行图像重建器230的一种或多种功能。此外，图像重建器230可以本地或远程地定位，并且可以使用有线或无线网络来可操作地连接到成像系统200。具体地，一个示例性实施方案可以使用“云”网络集群中的计算资源来用于图像重建器230。
在一个实施方案中，图像重建器230将重建的图像存储在存储设备218中。或者，图像重建器230将重建的图像传输到计算设备216，以生成用于诊断和评估的可用患者信息。在某些实施方案中，计算设备216将重建的图像和/或患者信息传输到显示器232，该显示器通信地耦接到计算设备216和/或图像重建器230。
本文进一步所述的各种方法和过程可作为可执行指令存储在成像系统200中的计算设备上的非暂态存储器中。在一个实施方案中，图像重建器230可在非暂态存储器中包括此类可执行指令，并且可应用本文所述的方法来由扫描数据重建图像。在另一个实施方案中，计算设备216可在非暂态存储器中包括指令，并且可在从图像重建器230接收到重建的图像之后至少部分地将本文所述的方法应用于该重建的图像。在另一个实施方案中，本文所述的方法和过程可分布在图像重建器230和计算设备216上。
在一个实施方案中，显示器232允许操作员评估成像的解剖结构。显示器232还可允许操作员例如经由图形用户界面(GUI)来选择感兴趣的体积(VOI)和/或请求患者信息，以供后续扫描或处理。
图3示出了根据一个实施方案的用于利用能量存储装置为成像系统的部件供电的示例性系统300的方框示意图。系统300包括可结合到图1的CT系统100或图2的成像系统200中的成像系统电路。系统300包括连接到配电单元(PDU)305的DC输出的DC总线310。PDU 305的AC输入耦接到三相AC干线或AC电源302。
旋转式CT机架332(其可包括图1和图2的机架102)机械地耦接到机架电源模块330，该机架电源模块可包括图2的机架马达控制器212或可集成到其中。DC总线310耦接到机架电源模块330，以用于为机架电源模块330并且因此为旋转式CT机架332供电。在一些示例中，在机架制动期间，使机架旋转的旋转能量在机架电源模块330中被再生地转换为DC电能，并且该DC电能可被提供给DC总线310。
x射线管322(其可包括图1和图2的x射线源104)耦接到x射线发生器320，该x射线发生器可包括图2的x射线控制器210。DC总线310耦接到x射线发生器320，以用于为x射线发生器320以及因此为x射线管322供电。
系统300还包括能量存储装置350，该能量存储装置经由DC总线310与PDU 305并联配置。能量存储装置350包括超级电容器模块，如本文进一步讨论。能量存储装置350将PDU305输出的能量存储在一个或多个超级电容器中，并且被配置为针对x射线管322的至少一部分照射将所存储的能量输出到至少x射线发生器320。以此方式，当CT系统100或成像系统200的部件(诸如x射线管322)的期望的功率消耗超过PDU 305的输出功率时，能量存储装置350帮助PDU 305针对期望的功率消耗提供足够的功率。
如本文进一步所述，能量存储装置350被配置用于快速充电以及快速响应，因为能量存储装置350直接连接到DC总线310。通常，能量存储装置包括用于控制超级电容器的电压和电流的转换器；然而，能量存储装置350不包括这种转换器。由于能量存储装置350不包括用于传输DC功率的转换器，因此不存在开关功率损耗，并且能量存储装置350的效率相对于包括转换器的能量存储装置得到改善。另外，通过将能量存储装置350直接连接到DC总线310，x射线发生器320相对于不具有能量存储装置350的系统表现出较低的DC电压降，使得x射线发生器320的输出功率较高。此外，当输入DC电压在低压降电压下稳定时，x射线发生器320具有更好且更稳定的性能。
图4示出了根据一个实施方案的示出示例性能量存储装置或超级电容器模块400的框图。超级电容器模块400可在图1至图3中的系统中实现为例如能量存储装置350。超级电容器模块400包括一个或多个超级电容器410、用于为超级电容器模块400的部件供电的电源电路420、用于控制超级电容器模块400的部件的控制电路430、用于冷却超级电容器模块400的一个或多个部件的至少一个风扇440以及用于控制超级电容器模块400的操作的控制开关450。
超级电容器410包括电容值在小于3法拉(F)至超过3,000F的范围内的超级电容器或超电容器。超级电容器410的数量和超级电容器410的电容值可根据成像系统200的功率需求以及PDU 305的输出容量来选择。作为例示性示例，超级电容器模块400可包括两个超级电容器400，其电容值为2.4F、700Vdc，以使得能够使用升级的x射线管(诸如x射线管322)而无需升级PDU 305。在本文相对于图5和图6进一步描述了用于具有两个超级电容器的超级电容器模块400的示例性电路，包括用于电源电路420和控制电路430的示例性电路。
超级电容器模块400的一个或多个风扇440被配置为选择性地冷却超级电容器模块400的在超级电容器410的充电和/或放电期间变热的一个或多个部件。例如，一个或多个风扇440可朝向电源电路420和/或控制电路430的一个或多个电阻器取向，并且可被配置为在超级电容器410的充电和/或放电期间使空气往返于电阻器循环。
例如，控制开关450可包括可由用户(诸如成像技术人员)操作的手动开关，或者可包括可由成像系统200的计算设备216自动操作的继电器。例如，控制开关450可包括至少三个位置，包括：关闭位置，其中进出超级电容器模块400的电流流动被禁用；充电位置，其中超级电容器410被充电至一定容量；以及放电位置，其中超级电容器410被放电，使得可对超级电容器模块400进行维修。电源电路420和/或控制电路430被配置为对超级电容器410选择性地充电和放电，如本文进一步所述，因此控制开关450使得能够手动控制电源电路420和/或控制电路430。
此外，超级电容器模块400的部件可容纳在壳体480中，该壳体可特别适于利用诸如PDU 305的PDU来简单地安装超级电容器模块400。例如，在一些示例中，壳体480可被配置为使得超级电容器模块400可被安装在PDU 305的顶部上。
图5示出了根据一个实施方案的用于超级电容器模块的示例性电源电路500的示意图。电源电路500可被实现为例如超级电容器模块400或能量存储装置350的电源电路420。
电源电路500包括初级电源电路502。经由端子510将电力提供给初级电源电路502，这些端子包括正端子、负端子和接地端子，如所描绘的。例如，经由端子510将来自DC总线310的DC功率提供给初级电源电路502。
初级电源电路502还包括耦接到正端子的第一熔断器(F1)512和连接到负端子的第二熔断器(F2)514。电流分别从端子510的正(POS)端子和负(NEG)端子流到第一熔断器(F1)512和第二熔断器(F2)514。初级电源电路502还包括多个电容器，包括用于第一软启动接触器(KSS1)的DC接触器521、用于第二软启动接触器(KSS2)的DC接触器522、用于放电接触器(KDIS)的DC接触器524、用于正接触器(KPOS)的DC接触器526和用于负接触器(KNEG)的DC接触器528。用于软启动接触器的DC接触器521和522使得能够软启动超级电容器540的充电。
初级电源电路502还包括超级电容器540，这些超级电容器包括第一超级电容器541和第二超级电容器542，如所描绘的，该第一超级电容器和第二超级电容器经由端子548耦接到初级电源电路502的其余部分。一旦对应的接触器闭合，电流就从端子510通过经过电容器流到超级电容器540。超级电容器541和542中的每个超级电容器可包括至少164个400F、2.7V的超级电容器，这些超级电容器例如串联耦接以在高的DC电压下工作，使得对于450Vdc，每个超级电容器541和542的总电容为2.4F。
初级电源电路502还包括与DC接触器526并联定位的电阻器(Rp)531和与DC接触器528并联定位的电阻器(Rn)532。与电阻器(Rp)531一致，初级电源电路502还包括与电感器(Lps)562串联定位的电阻器(Rps)561，这两者均与DC接触器(KSSP)563并联。类似地，与电阻器(Rn)532成一直线，初级电源电路502还包括与电感器(Lns)572串联的电阻器(Rns)571，这两者均与DC接触器(KSSN)573并联。在超级电容器541和542的意外开路的情况下，正侧和负侧上的电阻器561和571、电感器562和572以及接触器563和573的配置为超级电容器540提供了额外的保护。作为例示性示例，电阻器561和571可包括1000Ω电阻器，而电感器562和572包括1mH电感器以提供延迟时间。例如，当软启动接触器KSS1和KSS2闭合以对超级电容器540充电，但超级电容器支路断开从而形成开路时，则高DC电压可能会损坏超级电容器541和542中的电压平衡电路。
因此，电阻器561和571以及电感器562和572提供延迟时间，而现场可编程门阵列(FPGA)590评估超级电容器540以例如通过确定是否存在跳变电压来确定是否存在开路。如果电路正确闭合，则软启动接触器在最大2秒延迟时间之后绕过电阻器561和571以及电感器562和572。否则，FPGA继电器断开以防止电路中的电流流动，如本文关于图6进一步讨论的。为了监视和评估电源电路502和超级电容器540的状态，FPGA 590耦接到电流变压器(CT)592以测量电路的电流。FPGA 590还包括用于测量电路的电压的电压传感器594。CT592和电压传感器594设置在超级电容器540的端子548处，使得FPGA 590可监视超级电容器540的输入电流和端子电压。FPGA 590进一步耦接到设置在超级电容器540处的传感器596以测量超级电容器540的温度和电压平衡。如果超级电容器541和542中的一个电容器的电压超过阈值(诸如2.6V)，或者如果超级电容器541和542中的一个超级电容器的温度超过温度阈值(诸如65摄氏度)，则本文进一步描述的FPGA继电器立即断开以保护电路。
电源电路500还包括风扇电路550。风扇电路550包括用于向风扇电路550提供电力的端子554以及风扇电容器552和至少一个风扇552。所描绘的至少一个风扇552朝向电阻器531，并且被配置为在超级电容器540的充电和放电期间循环空气并因此冷却电阻器531。应当理解，可提供被配置为类似于至少一个风扇552的第二风扇以用于在充电和放电期间冷却电阻器532。
图6示出了根据一个实施方案的用于超级电容器模块的示例控制电路600的示意图。控制电路600可被实现为例如超级电容器模块400或能量存储装置350的控制电路430。
例如，控制电路600包括耦接到DC总线310的DC电压源602。控制电路600还包括多个开关，包括开关608、开关610、开关611、开关612、开关614、开关615、开关617、开关619、开关671、开关672、开关673、开关674和FPGA继电器690。开关608包括具有对应于充电、关闭和放电的三个位置的双刀双掷(DPDT)开关。因此，开关608的位置确定例如超级电容器模块400的超级电容器410是在充电(充电)还是在放电(放电)，以及电流是否在整个超级电容器模块400中被中断(关闭)。开关610包括常闭(n/c)的KXG Aux开关，而开关611包括常开(n/o)的KXG Aux开关。
开关612包括对应于放电接触器(KDIS)的常闭(n/c)开关。开关614包括配置为两秒的常开(n/o)定时器开关(T0)。开关615包括配置为六分钟的常开(n/o)定时器开关(T1)，而开关619包括配置为六分钟的常闭定时器开关。开关617包括配置为十五分钟的常闭定时器开关(T2)，并且被布置为与放电AC继电器638成一直线以用于在十五分钟内使超级电容器放电。开关671包括用于第一软启动接触器(KSS1)的常闭开关，开关672包括用于第二软启动接触器(KSS2)的常闭开关，开关673包括用于正接触器(KPOS)的常闭开关，并且开关674包括用于负接触器(KNEG)的常闭开关。
如上所述，超级电容器模块的现场可编程门阵列(FPGA)测量超级电容器电流和电压以确定是否存在跳变电压，该跳变电压将指示开路。如果FPGA在超级电容器上发现开路，则FPGA开关或继电器690被配置为保持断开以防止电流流过电路。否则，FPGA开关690闭合以允许电流流动。
控制电路600还包括多个AC继电器，包括用于第一软启动接触器(KSS1)的AC继电器631、用于第二软启动接触器(KSS2)的AC继电器632、用于第零定时器开关(T0)的AC继电器633、用于正软启动接触器(KSSP)的AC继电器634、用于负软启动接触器(KSSN)的AC继电器635、用于第一定时器开关(T1)的AC继电器636、用于风扇接触器(KFAN)的AC继电器637、用于正接触器(KPOS)的AC继电器638、用于负接触器(KNEG)的AC继电器639、用于第二定时器开关(T2)的AC继电器640以及用于放电接触器(KDIS)的AC继电器641。控制电路600还包括多个电阻器，包括第一电阻器(R1)621、第二电阻器(R2)622、第三电阻器(R3)623和第四电阻器(R4)624。
控制电路600还包括多个发光二极管(LED)，包括定位在控制电路600中以指示控制电路600接通的绿色LED 661、定位在控制电路600中以指示超级电容器410正在充电的黄色LED 662、定位在控制电路600中以指示超级电容器410已充电的绿色LED 663以及定位在控制电路600中以指示超级电容器410正在放电的红色LED 664。
控制电路600还包括二极管，这些二极管包括用于将电流流动从放电电路和充电电路引导到AC继电器634的第一对二极管681，以及用于将电流从放电电路和充电电路引导到AC继电器635的第二对二极管682。控制电路600还包括用于将电流从放电电路引导到风扇的AC继电器637的二极管683以及用于将电流从充电电路引导到AC继电器637的二极管684，使得例如当超级电容器410正在充电或放电时，可激活一个或多个风扇440以冷却超级电容器模块400的部件。
为了说明本文所述的能量存储装置或超级电容器模块(诸如能量存储装置350或超级电容器模块400)如何帮助实现成像系统的能量需求，图7示出了根据一个实施方案的示出用于成像系统(诸如成像系统200)的x射线管(诸如x射线管322或x射线源104)的示例性功率消耗702的曲线图700。曲线图700描绘了随x射线管的照射持续时间(以秒(s)为单位测量)而变化的功率(以千瓦(kW)为单位测量)。作为例示性和非限制性示例，PDU(诸如PDU305)的输出功率极限705可例如被限制为90kW。曲线图700的阴影区域描绘了x射线管的随时间推移的功率消耗702。
如所描绘的，x射线管的功率消耗702随照射持续时间的增加而降低。由于PDU能够提供高达输出功率极限705的功率，因此功率消耗702的区域707由PDU提供。然而，初始在照射期间，功率消耗702可超过PDU的输出功率极限705。例如，如所描绘的，功率消耗702在照射的前两秒内超过输出功率极限705。因此，对应于区域710的功率由如上文所述的超级电容器模块的超级电容器提供。考虑到功率消耗702初始可超过输出功率极限702，超级电容器模块的响应速度应较快，使得可在需要时提供额外的功率710。本文所述的超级电容器模块实现了提供这种额外功率所必需的快速响应。
图8示出了根据一个实施方案示出在具有和不具有超级电容器模块(诸如超级电容器模块400或能量存储装置350)情况下的PDU(诸如PDU 305)的示例性功率性能的一组曲线图800。该组曲线图800包括DC输出电压(以伏(V)为单位测量)随DC输出电流(以安培(A)为单位测量)而变化的第一曲线图810，以及DC输出功率随DC输出电流而变化的第二曲线图820和DC输入功率随DC输出电流而变化的第三曲线图830。
第一曲线图810包括在具有超级电容器模块情况下的PDU的输出电压812的曲线和在不具有超级电容器模块情况下的PDU的输出电压814的曲线。具体地，第一曲线图810示出了在相同的DC输出电流下，具有超级电容器模块情况下的PDU上的DC压降电压低于不具有超级电容器模块情况下的PDU上的DC压降电压。第二曲线图820包括具有超级电容器模块情况下的PDU的输出功率822的曲线和不具有超级电容器模块情况下的PDU的输出功率824的曲线。因此，第二曲线图820示出了在相同的DC输出电流下，具有超级电容器模块情况下的PDU的输出功率822大于不具有超级电容器模块情况下的PDU的输出功率824。第三曲线图830包括具有超级电容器模块情况下的PDU的输入功率832的曲线和不具有超级电容器模块情况下的PDU的输入功率834的曲线。第三曲线图830示出了在相同的DC输出电流下，具有超级电容器模块情况下的PDU需要比不具有超级电容器模块情况下的PDU更低的输入功率。
如所描绘的，在所有输出电流上，具有超级电容器模块情况下的PDU的输出电压812高于不具有超级电容器模块情况下的PDU的输出电压814。类似地，在所有输出电流上，具有超级电容器模块情况下的PDU的输出功率822大于不具有超级电容器模块情况下的PDU的输出功率824，但对于更高的输出电流，因超级电容器模块引起的输出功率的相对增加更显著。值得注意的是，在所有输出电流上，具有超级电容器模块情况下的PDU的输入功率832显著低于不具有超级电容器模块情况下的PDU的输入功率834。因此，使用具有如本文所述的超级电容器模块情况下的PDU消除了当成像系统配备有高功率x射线生成系统时升级医院或其他成像站点的电气公用设施的需要。
图9示出了根据一个实施方案的示出对于以下项的示例电气测量的一组曲线图900：不具有超级电容器模块情况下的第一照射902，在该组曲线图900的左侧示出；以及具有超级电容器模块情况下的第二照射904，在该组曲线图900的右侧示出。如所描绘的，不具有超级电容器模块情况下的第一照射902从时间t1到时间t2发生，而具有超级电容器模块情况下的第二照射904从时间t3到时间t4发生。照射902和904两者的持续时间相同，使得对于照射902和904两者，Δt＝t2-t1＝t4-t3。该组曲线图900包括：第一曲线图910，其描绘了DC电压912随时间推移的曲线；第二曲线图920，其描绘了DC输出电流922随时间推移的曲线；第三曲线图930，其描绘了输出功率932随时间推移的曲线；以及第四曲线图940，其描绘了超级电容器电压942的曲线、超级电容器电荷状态百分比(SOC％)944的曲线以及超级电容器电流946随时间推移的曲线。
如所描绘的，对于第一照射902和第二照射904两者，DC输出电流922和输出功率932是相同的。然而，由于超级电容器，由电压912描绘的电压降对于第二照射904比第一照射902更低。第二照射904的较低电压降指示与缺少如本文所述的超级电容器模块相比，使用了超级电容器模块的效率更高。另外，因超级电容器模块引起的第二照射904的低电压降为x射线管的x射线发生器提供了更好且更稳定的性能。
图10示出了根据一个实施方案的示出用于控制超级电容器模块的示例性方法1000的高级流程图。具体地，方法1000涉及控制如上所述配置的超级电容器模块，诸如能量存储装置350或超级电容器模块400。方法1000在1005处开始。在1005处，方法1000评估超级电容器模块400的控制开关(诸如控制开关450)的位置。如上所述，控制开关450可包括三个位置，诸如：第一接通位置，其被配置为对超级电容器410充电；关闭位置，其被配置为中断流向超级电容器模块400的电路的电流；以及第二接通位置，其被配置为对超级电容器410放电。
在1010处，方法1000确定控制开关是否被设定为充电。如果控制开关被设定为充电(“是”)，则方法1000继续至1015。在1015处，方法1000向超级电容器410提供电流以对超级电容器410充电。在1020处，方法1000确定是否经过了阈值时间。方法1000可基于控制电路430的定时器开关(诸如控制电路600的定时器开关615)来确定是否经过了阈值时间。阈值时间可基于用于基于输入电流将超级电容器充电到全容量的时间量来预先确定。在一些示例中，作为例示性和非限制性示例，阈值时间可包括六分钟或七分钟。如果尚未经过阈值时间(“否”)，则方法1000在1015处继续向超级电容器提供电流。一旦经过阈值时间(“是”)，就对超级电容器充电，并且方法1000继续至1025。在1025处，方法1000使流向超级电容器的电流中断。然后，方法1000返回。
再次参见1010，如果控制开关未被设定为充电(“否”)，则方法1000继续至1030。在1030处，方法1000确定控制开关是否被设定为放电。如果控制开关被设定为放电(“是”)，则方法1000继续至1035。在1035处，方法1000激活放电电路以对超级电容器放电。放电电路可包括例如控制电路600的与对超级电容器放电有关的部件。为此，例如，用于放电接触器的开关612可断开以激活超级电容器的放电。定时器开关(诸如开关617)可在阈值放电时间(诸如十五分钟)之后断开，以便一旦超级电容器放电就自动停止超级电容器的放电。控制电路600的LED可被配置为向用户指示放电正在发生以及放电何时完成。然后，方法1000返回。
然而，如果控制开关未被设定为放电(“否”)，则方法1000继续至1040，因为控制开关被设定为关闭并且不采取任何动作。然后，方法1000返回。
因此，能量存储装置350可经由控制开关450手动地控制。当控制开关450被设定为充电时，能量存储装置350对能量存储装置350的超级电容器410充电，并且此外，当x射线发生器320和x射线管322的期望功率超过PDU 305的最大功率输出时，将超级电容器410的存储的电能直接输出到DC总线310。当控制开关450被设定为放电时，能量存储装置350对超级电容器410放电，而无需为耦接到DC总线310的任何DC负载供电。当控制开关450被设定为关闭时，能量存储装置350不允许电流流入和流出能量存储装置的电路。
因此，提供了为成像系统供电的装置、系统和方法。在一个实施方案中，一种系统包括：直流电(DC)总线；x射线源，该x射线源耦接到DC总线；配电单元(PDU)，该配电单元具有耦接到三相交流电(AC)源的输入以及耦接到DC总线的输出；和能量存储装置，该能量存储装置包括超级电容器，能量存储装置耦接到DC总线并被配置为将由PDU输出的电能存储在超级电容器中并将存储的电能直接输出到DC总线以用于为x射线源供电。
在该系统的一个示例中，能量存储装置在x射线源的照射的至少初始持续时间期间将存储的电能输出到DC总线，以帮助PDU为x射线源供电。在系统的任选地包括第一示例的第二示例中，能量存储装置还包括电源电路，该电源电路被配置为具有用于对超级电容器逐渐充电的软启动电容器。在系统的任选地包括第一示例和第二示例中的一者或多者的第三示例中，能量存储装置包括至少两个超级电容器，该至少两个超级电容器包括超级电容器。在系统的任选地包括第一示例至第三示例中的一者或多者的第四示例中，当连接能量存储装置的正接触器时，超级电容器存储电能，并且当连接能量存储装置的负接触器时，至少两个超级电容器中的第二超级电容器存储电能。在系统的任选地包括第一示例至第四示例中的一者或多者的第五示例中，能量存储装置包括放电电路，该放电电路被配置为从超级电容器释放存储的电能而不将存储的电能提供给DC总线。在系统的任选地包括第一示例至第五示例中的一者或多者的第六示例中，能量存储装置还包括控制开关，该控制开关被配置为具有充电位置、关闭位置和放电位置，其中能量存储装置被配置为响应于控制开关定位在充电位置而将电能存储在超级电容器中、响应于控制开关定位在放电位置而激活放电电路并且响应于控制开关定位在关闭位置而禁用能量存储装置内的电流流动。在系统的任选地包括第一示例至第六示例中的一者或多者的第七示例中，能量存储装置还包括至少一个风扇，该至少一个风扇被配置为在超级电容器的充电和放电期间选择性地冷却能量存储装置的一个或多个电阻器。在系统的任选地包括第一示例至第七示例中的一者或多者的第八示例中，能量存储装置不包括用于传输DC功率的转换器。在系统的任选地包括第一示例至第八示例中的一者或多者的第九示例中，当x射线源的期望的输入功率超过PDU的输出极限时，能量存储装置将存储的电能输出到DC总线。在系统的任选地包括第一示例至第九示例中的一者或多者的第十示例中，该系统还包括x射线发生器，该x射线发生器耦接到x射线源和DC总线以用于控制x射线源，其中该x射线源经由x射线发生器耦接到DC总线。
在另一个实施方案中，一种用于成像系统的装置包括：电气端子，这些电气端子至少包括耦接到成像系统的直流(DC)总线的正端子和负端子，以用于接收和输出电能；以及至少一个超级电容器，其中该至少一个超级电容器被配置为存储由电气端子从DC总线所接收的电能，该至少一个超级电容器被配置为将存储的电能直接输出到述DC总线，以帮助DC源为成像系统的x射线源供电。
在该装置的第一示例中，该装置还包括被配置为控制至少一个超级电容器并为其供电的电路，该电路包括用于对至少一个超级电容器逐渐充电的软启动电容器。在装置的任选地包括第一示例的第二示例中，该电路进一步被配置为对至少一个超级电容器选择性地放电而无需为x射线源供电。在装置的任选地包括第一示例和第二示例中的一者或多者的第三示例中，该装置还包括风扇，该风扇被配置为在至少一个超级电容器的充电和放电期间选择性地冷却电路的一个或多个部件。在装置的任选地包括第一示例至第三示例中的一者或多者的第四示例中，至少一个超级电容器被配置为当x射线源的期望功率超过DC源的最大输出功率时，将存储的电能直接输出到DC总线。在装置的任选地包括第一示例至第四示例中的一者或多者的第五示例中，该装置还包括被配置为保护至少一个超级电容器的电路，该电路包括电流换能器传感器、电压传感器、被配置为测量至少一个超级电容器的温度和电压平衡的至少一个传感器以及现场可编程门阵列(FPGA)。在装置的任选地包括第一示例至第五示例中的一者或多者的第六示例中，FPGA被配置为监视至少一个超级电容器的温度、至少一个超级电容器的电压平衡、至少一个超级电容器的输入电压和至少一个超级电容器的电流，并且如果温度、电压平衡、输入电压和电流中的一者或多者不满足相对于相应阈值设置的预定条件，则FPGA被配置为防止至少一个超级电容器的充电。
在又一个实施方案中，一种用于成像系统的方法包括：通过耦接到直流电(DC)总线的配电单元(PDU)利用从交流电(AC)转换的电能对耦接到DC总线的能量存储装置的至少一个超级电容器充电；以及响应于x射线源的期望功率输入超过PDU的最大功率输出，将存储在至少一个超级电容器中的电能直接输出到DC总线以用于为耦接到DC总线的成像系统的x射线源供电。
在该方法的第一示例中，该方法还包括当x射线源的期望功率输入低于PDU的最大功率输出时，仅利用PDU为x射线源供电。在方法的任选地包括第一示例的第二示例中，对至少一个超级电容器充电包括利用软启动电路对至少一个超级电容器逐渐充电。在方法的任选地包括第一示例和第二示例中的一者或多者的第三示例中，该方法还包括响应于能量存储装置的控制开关定位在放电位置处而对至少一个超级电容器放电。在方法的任选地包括第一示例至第三示例中的一者或多者的第四示例中，现场可编程门阵列(FPGA)监视至少一个超级电容器的温度、至少一个超级电容器的电压平衡、至少一个超级电容器的输入电压和至少一个超级电容器的电流，并且如果温度、电压平衡、输入电压和电流中的一者或多者不满足相对于相应阈值设置的预定条件，则FPGA被配置为防止至少一个超级电容器的充电。
如本文所用，以单数形式列举并且以单词“一个”或“一种”开头的元件或步骤应当被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确说明此类排除。此外，对本发明的“一个实施方案”的引用不旨在被解释为排除也包含所引用特征的附加实施方案的存在。此外，除非明确地相反说明，否则“包含”、“包括”或“具有”具有特定特性的元件或多个元件的实施方案可包括不具有该特性的附加此类元件。术语“包括”和“在…中”用作相应的术语“包含”和“其中”的简明语言等同形式。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，而不旨在对其对象施加数字要求或特定位置次序。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使相关领域中的普通技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包含的方法。虽然本文所提供的示例涉及医学应用，但本公开的范围覆盖工业、生物医学和其他领域的非破坏性测试。本发明可取得专利权的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域普通技术人员想到的其他示例。如果此类其它示例具有与权利要求书的字面语言没有区别的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有微小差别的等效结构元素，则此类其它示例旨在落入权利要求书的范围内。

Claims (22)

1.一种系统，包括：
直流电(DC)总线；
x射线源，所述x射线源耦接到所述DC总线；
配电单元(PDU)，所述配电单元具有耦接到三相交流电(AC)源的输入和耦接到所述DC总线的输出；和
能量存储装置，所述能量存储装置包括超级电容器，所述能量存储装置耦接到所述DC总线并且被配置为将由所述PDU输出的电能存储在所述超级电容器中并且将所述存储的电能直接输出到所述DC总线以用于为所述x射线源供电。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述能量存储装置在所述x射线源的照射的至少初始持续时间期间将所述存储的电能输出到所述DC总线，以帮助所述PDU为所述x射线源供电。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述能量存储装置还包括电源电路，所述电源电路被配置为具有用于对所述超级电容器逐渐充电的软启动电容器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述能量存储装置包括至少两个超级电容器，所述至少两个超级电容器包括所述超级电容器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中当连接所述能量存储装置的正接触器时，所述超级电容器存储所述电能，并且其中当连接所述能量存储装置的负接触器时，所述至少两个超级电容器中的第二超级电容器存储所述电能。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述能量存储装置包括放电电路，所述放电电路被配置为从超级电容器释放所述存储的电能而不将所述存储的电能提供给所述DC总线。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述能量存储装置还包括控制开关，所述控制开关被配置为具有充电位置、关闭位置和放电位置，其中所述能量存储装置被配置为响应于所述控制开关定位在所述充电位置而将所述电能存储在所述超级电容器中、响应于所述控制开关定位在所述放电位置而激活所述放电电路并且响应于所述控制开关定位在所述关闭位置而禁用所述能量存储装置内的电流流动。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述能量存储装置还包括至少一个风扇，所述至少一个风扇被配置为在所述超级电容器的充电和放电期间选择性地冷却所述能量存储装置的一个或多个电阻器。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述能量存储装置不包括用于传输DC功率的转换器。
10.根据权利要求1所述的系统，其中当所述x射线源的期望的输入功率超过所述PDU的输出极限时，所述能量存储装置将所述存储的电能输出到所述DC总线。
11.根据权利要求1所述的系统，还包括x射线发生器，所述x射线发生器耦接到所述x射线源和所述DC总线以用于控制所述x射线源，其中所述x射线源经由所述x射线发生器耦接到所述DC总线。
12.一种用于成像系统的装置，所述装置包括：
电气端子，所述电气端子至少包括耦接到所述成像系统的直流电(DC)总线的正端子和负端子，以用于接收和输出电能；和
至少一个超级电容器，其中所述至少一个超级电容器被配置为存储由所述电气端子从所述DC总线所接收的电能，所述至少一个超级电容器被配置为将所述存储的电能直接输出到所述DC总线，以帮助DC源为所述成像系统的x射线源供电。
13.根据权利要求12所述的装置，还包括被配置为控制所述至少一个超级电容器并为其供电的电路，所述电路包括用于对所述至少一个超级电容器逐渐充电的软启动电容器。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述电路进一步被配置为对所述至少一个超级电容器选择性地放电而无需为所述x射线源供电。
15.根据权利要求13所述的装置，还包括风扇，所述风扇被配置为在所述至少一个超级电容器的充电和放电期间选择性地冷却所述电路的一个或多个部件。
16.根据权利要求12所述的装置，其中所述至少一个超级电容器被配置为当所述x射线源的期望功率超过所述DC源的最大输出功率时，将所述存储的电能直接输出到所述DC总线。
17.根据权利要求12所述的装置，还包括被配置为保护所述至少一个超级电容器的电路，所述电路包括电流换能器传感器、电压传感器、被配置为测量所述至少一个超级电容器的温度和电压平衡的至少一个传感器以及现场可编程门阵列(FPGA)。
18.一种用于成像系统的方法，包括：
通过耦接到直流电(DC)总线的配电单元(PDU)利用从交流电(AC)转换的电能对耦接到所述DC总线的能量存储装置的至少一个超级电容器充电；以及
响应于所述x射线源的期望功率输入超过所述PDU的最大功率输出，将存储在所述至少一个超级电容器中的所述电能直接输出到所述DC总线以用于为耦接到所述DC总线的所述成像系统的x射线源供电。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括当所述x射线源的所述期望功率输入低于所述PDU的所述最大功率输出时，仅利用所述PDU为所述x射线源供电。
20.根据权利要求18所述的方法，其中对所述至少一个超级电容器充电包括利用软启动电路对所述至少一个超级电容器逐渐充电。
21.根据权利要求18所述的方法，还包括响应于所述能量存储装置的控制开关定位在放电位置处而对所述至少一个超级电容器放电。
22.根据权利要求21所述的方法，其中现场可编程门阵列(FPGA)监视所述至少一个超级电容器的温度、所述至少一个超级电容器的电压平衡、所述至少一个超级电容器的输入电压和所述至少一个超级电容器的电流，并且如果所述温度、所述电压平衡、所述输入电压和所述电流中的一者或多者不满足相对于相应阈值设置的预定条件，则所述FPGA被配置为防止所述至少一个超级电容器的所述充电。
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