CN115988723A - X射线组合机头 - Google Patents

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Abstract

本发明属于X射线器械设备，具体涉及一种具备栅控能力的X射线组合机头。目前市场上的组合机头不具备栅控功能是因为传统的栅控单元过于复杂和庞大。本发明通过创新的设计解决了这一难题。本发明所设计的组合式栅控X射线机头，其特征在于壳体内包括高压直流电源单元、低压直流电源单元、灯丝电源单元、通讯单元、第一高速高压电子开关单元和第二高速高压电子开关单元、栅控X射线球管、中央信息处理单元、变压器油，壳体外有控制单元。除高压直流电源单元的变压器初级线圈的导线及其信号反馈输出导线、低压直流电源单元的变压器初级线圈的导线、通讯单元的光纤需要引出壳体外，其余部分浸泡在变压器油内，并与壳体保持距离满足高压绝缘要求。

Description

X射线组合机头
技术领域
本发明属于X射线器械设备，具体涉及一种能产生受栅控电压控制的X射线的结构，该结构将高压发生器单元和X射线中球管单元集成在同一个装置中。
背景技术
目前市场上的组合式X射线机头由来已久，这种组合式X射线机头是将X射线球管所需配套的高压发生装置缩小体积后与球管管芯共同装配到一个注满变压器油的密封容器中形成一体化的X射线发生器，因而可以是便携式的，配合移动的X射线平板探测器使用，也可以与固定式的射线采集装置如影像增强器或X射线平板探测器相对装配在机架上，组成一个移动的X射线机比如典型的C形臂或G形臂X光机，该种类射线机可供各级医院对人体各部位进行透视和摄影检查或图像引导下手术。
市场上还存在一种栅控式X射线机。栅控式的X射线机的原理是在球管的阴极灯丝与阳极靶面之间加设一个栅极，通过控制栅极的电压来控制X射线的发生和终止，相比普通X射线机通过加载和卸载阳极与阴极之间的高压来控制X射线的发生和终止，其优势在于其消除了高压加载和卸载过程当中产生的软射线，而这些软射线不仅影响图像质量，还对受检人体有非常大的伤害。
在栅控技术的基础上，还出现了一种利用双目立体成像原理，用一定夹角的一对射线轮流投射检查对象并重建出双目立体X射线图像的技术。
栅控式的X射线装置已应用在各种大型高端X光机上，为X射线图像尤其是脉冲透视图像的改善发挥了明显的作用，同时降低了对受检者的辐射伤害，但系统结构非常复杂，栅控电压单元封装在一个体积很大的密封绝缘油箱内，高压发生装置产生的高压需要先通过高压电缆连接到栅控电压单元的油箱内，然后栅控电压和高压一起通过多芯的高压电缆再连接到X射线球管。由于栅控电压单元的油箱非常复杂和庞大笨重，栅控技术一直不能应用在以移动应为主的组合式X射线机头当中，因而目前市场上所有的组合式X射线机头都是非栅控式的，这意味着目前所有移动式X射线设备的应用场合尤其是C形臂X射线透视下的手术应用场合，都无法实现图像质量的优化和辐射伤害的降低。。
发明内容
本发明的目的在于解决当前栅控单元过于复杂和庞大(典型体积超过0.5米*0.5米*0.5米)因而无法融入内部已经非常拥挤的组合式机头(市场上典型的组合式机头的体积小于0.4米*0.3米*0.2米)的问题，通过创新的系统拓扑结构，包括将极易受电磁场信号干扰的中央信息处理单元直接连接至内部高速变化的高压电位(可达75kv高压脉冲，以下简称“高压电位”)并使用光纤模块(或无线传输模块)与外部通讯、使用高速高压电子开关模块、将传统栅控式X射线装置中处于低压电位的栅极控制电路、栅极电压反馈电路、灯丝控制电路改为高压电位工作并直接并入到中央信息处理单元等结构设计，把高压隔离变压器的使用数量减少到最低，同时由于同处高压电位，能够将已整合栅极控制电路、栅极电压反馈电路和灯丝控制电路的中央信息处理单元与灯丝电源单元、高速高压电子开关单元、通讯单元等在空间上整合在一起，既实现了栅控系统微型化，又在原有的组合式机头内部腾出了空间”，最终实现组合式栅控X射线机头，提高图像质量和降低辐射伤害。本发明栅控式组合机头的工作过程为，中央信息处理单元获得外部命令，控制灯丝电源单元输出指定的电压加热球管的灯丝，高压直流电源单元生成高压送至栅控球管的阳极和灯丝，此时低压电源单元也受中央信息处理单元控制生成栅极控制电压并经过高速高压电子开关送至球管栅极，在栅极负压控制下，球管虽然已经加载了高压并且灯丝已经加热至足够温度，但灯丝阴极电子无法发出不能产生射线，高速高压电子开关在中央信息处理单元的控制下断开和导通可实现X射线的受控曝光。由于栅极具有一定电容，在取消栅极加载的电压时，栅极仍然有残余电荷，所以需要加一组高速高压电子开关及时将电子放掉，以保证栅压彻底为零伏，保证射线的可靠曝光。
进一步，本发明阐述了如何将立体X射线源引入组合式X射线机头当中，即一方面，将栅控技术进一步强化后引入组合式X射线机头中实现双焦点的双栅控，另一方面，将具有特定焦点距离的适用于立体射线成像的立体栅控X射线球管引入到组合式X射线机头中，或将多只(含两只)普通栅控X射线球管引入到组合式X射线机头中，完成特定距离的多焦点(含两焦点)在多栅控下(含两栅控)的对同一目标的轮流投射，可以获得同一对象的具有视差的多个(或多系列)图像，从而实现立体X射线图像(包括双目立体图像)的采集和重建。
附图说明
图1是对应实施方案一的组合式栅控X射线机头的原理图；
图2是对应实施方案二的组合式栅控X射线机头的原理图；
图3是对应实施方案三的组合式栅控X射线机头的原理图；
其中，100-壳体、101-变压器油、102-高压直流电源单元、103-低压直流电源单元、104-灯丝电源单元、105-通讯单元、106-高速高压电子开关单元、107-高速高压电子开关单元、108-栅控X射线球管、109-中央信息处理单元、110-光纤；
200-壳体、201-变压器油、202-高压直流电源单元、203-低压直流电源单元、204-1,204-2-灯丝电源单元、205-通讯单元、206-1,206-2-第一高速高压电子开关单元、207-1,207-2-第二高速高压电子开关单元、208-1,208-2-栅控X射线球管、209-中央信息处理单元、210-光纤；
300-壳体、301-变压器油、302-高压直流电源单元、303-低压直流电源单元、304-1,304-2-灯丝电源单元、305-通讯单元、306-1,306-2-第一高速高压电子开关单元、307-1,307-2-第二高速高压电子开关单元、308-栅控X射线球管、309-中央信息处理单元、310-光纤。
具体实施方案
下面详细说明为了实现上述目的而采用的技术方案。
方案一如下：
如图1所示，本发明所设计的组合式栅控X射线机头，其特征在于壳体100内包括高压直流电源单元102、低压直流电源单元103、灯丝电源单元104、通讯单元105、第一高速高压电子开关单元106和第二高速高压电子开关单元107、栅控X射线球管108、中央信息处理单元109、变压器油101，壳体外有电源与控制单元(图1壳体外电源与控制单元未画出)。除高压直流电源单元102的变压器初级线圈的导线及其信号反馈输出导线、低压直流电源单元103的变压器初级线圈的导线、通讯单元105的光纤110需要引出壳体100外，其余部分全部浸泡在变压器油101内，并与壳体100保持足够距离满足高压绝缘要求。
所述高压直流电源单元102，如图1，其特征在于包含变压器及整流二极管和滤波电容，所述变压器初级线圈和次级线圈之间采用绝缘纸等高绝缘材料进行绝缘，所述变压器包含一组输出线圈，整流滤波后得到直流高压，高电压端为DC1+，低电压端为DC1-；或所述变压器包含两组输出线圈，两组交流电压整流滤波后串联产生高压直流电压，高电压端为DC1+，低电压端为DC1-；DC1+连接至所述栅控X射线球管108的阳极,DC1-连接至所述栅控X射线球管108的阴极灯丝的一端，所述整流为全波整流或倍压整流。所述高压直流电源单元102有电压电流反馈信号输出端子，信号输出至外部电源与控制单元。
所述低压直流电源单元103，如图1，其特征在于包含3组输出绕组的变压器及对应的整流二极管和滤波电容，所述变压器初级线圈和次级线圈之间采用绝缘纸等高绝缘材料进行绝缘，所述3个输出线圈产生的交流电压整流和滤波后，产生3组内部工作电压DC2+/DC2-、DC3+/DC3-、DC4+/DC4-。
进一步，所述低压直流电源单元103，如图1，其特征在于采用电压控制芯片产生电压受控的3组低压直流电压，其电压控制端连接至所述中央信息处理单元109，电压的启动受中央信息处理单元109控制，实现3组内部工作电压DC2+/DC2-、DC3+/DC3-、DC4+/DC4-的脉冲控制和系统休眠时的节能。
所述低压直流电源单元103，如图1，其特征在于包含的3组低压直流电压DC2+/DC2-、DC3+/DC3-、DC4+/DC4-，DC3+/DC3-连接至所述中央信息处理单元109，DC2+/DC2-连接至所述灯丝电源单元104，DC2-和DC3-共同连接至所述高压直流电源单元102的DC1-端。
所述灯丝电源单元104，如图1，其特征在于其输出为脉宽调制的低电压，其电源输出两端连接至所述栅控X射线球管108的灯丝两端，其控制输入端和反馈输出端连接至所述中央信息处理单元109。
所述通讯单元105，如图1，其特征在于包括将光电信号相互转换的高速通讯元件及连接至该元件光信号接口端的光纤110，所述高速通讯元件的电信号端连接至所述的中央信息处理单元109，所述光纤110的另一端连接至固定于壳体100的光纤端子，所述通讯单元的功能是交换中央信息处理单元与外部的电源与控制单元的参数。
所述高速高压电子开关单元，如图1，其特征在于包含一组两个，分别为第一高速高压电子开关单元106和第二高速高压电子开关单元107，每个包含一个或多个高速高压晶体管及控制电路(如光耦变压器等)，所述控制电路的输出连接至所述晶体管的控制端，所述控制电路的控制信号连接至所述中央信息处理单元109；106输入端连接至DC4+及高压直流电源单元102的DC1-，其输出端连接所述栅控X射线球管108的栅极，同时连接至107输入端，107输出端连接至DC4-。
所述中央处理器单元109，如图1，负责执行外部指令包括曝光与终止、X射线的管电流、曝光的时序等，并向外部反馈组合机头内部的工作状态及参数，其对曝光与终止、曝光时序的控制是通过对2个高速高压电子开关的控制来实现，其对X射线管电流的控制是通过对灯丝电源单元的控制来实现。
方案二如下：
如图2所示，本发明所设计的组合式栅控X射线机头，其特征在于壳体200内包括高压直流电源单元202、低压直流电源单元203、灯丝电源单元204-1和204-2、通讯单元205、第一高速高压电子开关单元206-1和206-2和第二高速高压电子开关单元207-1和207-2、栅控X射线球管208-1和208-2、中央信息处理单元209、变压器油201，壳体外有电源与控制单元(图1壳体外电源与控制单元未画出)。除高压直流电源单元202的变压器初级线圈的导线及其信号输出反馈导线、低压直流电源单元203的变压器初级线圈的导线、通讯单元205的光纤210需要引出壳体200外，其余部分全部浸泡在变压器油201内，并与壳体200保持足够距离满足高压绝缘要求。
所述高压直流电源单元202，如图2，其特征在于包含变压器及整流二极管和滤波电容，所述变压器初级线圈和次级线圈之间采用绝缘纸等高绝缘材料进行绝缘，所述变压器包含一组输出线圈，整流滤波后得到直流高压，高电压端为DC1+，低电压端为DC1-；或所述变压器包含两组输出线圈，两组交流电压整流滤波后产生高压直流电压，高电压端为DC1+，低电压端为DC1-；DC1+连接至所述栅控X射线球管208-1和208-2的阳极,DC1-连接至所述栅控X射线球管208-1和208-2的阴极灯丝的一端，所述整流为全波整流或倍压整流。所述高压直流电源单元202有电压电流等反馈信号输出端子，信号输出至外部电源与控制单元。
所述低压直流电源单元203，如图2，其特征在于包含3组输出绕组的变压器及对应的整流二极管和滤波电容，所述变压器初级线圈和次级线圈之间采用绝缘纸等高绝缘材料进行绝缘，所述3个输出线圈产生的交流电压整流和滤波后，产生3组内部工作电压DC2+/DC2-、DC3+/DC3-、DC4+/DC4-。
进一步，所述低压直流电源单元203，如图2，其特征在于采用电压控制芯片产生电压受控的3组低压直流电压，其电压控制端连接至所述中央信息处理单元209，电压的启动受中央信息处理单元209控制，实现3组内部工作电压DC2+/DC2-、DC3+/DC3-、DC4+/DC4-的脉冲控制和系统休眠时的节能。
所述低压直流电源单元203，如图2，其特征在于包含的3组低压直流电压DC2+/DC2-、DC3+/DC3-、DC4+/DC4-，DC3+/DC3-连接至所述中央信息处理单元209，DC2+/DC2-连接至所述灯丝电源单元204-1和204-2，DC2-和DC3-共同连接至所述高压直流电源单元202的DC1-端。
所述灯丝电源单元204-1，如图2，其特征在于其输出为脉宽调制的低电压，其电源两端连接至所述栅控X射线球管208-1的灯丝两端，其控制输入端和反馈输出端连接至所述中央信息处理单元209。
所述灯丝电源单元204-2，如图2，其特征在于其输出为脉宽调制的低电压，其电源两端连接至所述栅控X射线球管208-2的灯丝两端，其控制输入端和反馈输出端连接至所述中央信息处理单元209。
所述通讯单元205，如图2，其特征在于包括将光电信号相互转换的高速通讯元件及一端连接至该元件光信号接口端的光纤210，所述高速通讯元件的电信号端连接至所述的中央信息处理单元209，所述光纤210的另一端连接至固定于壳体200的光纤端子，所述通讯单元的功能是交换中央信息处理单元与外部的电源与控制单元的参数。
所述高速高压电子开关单元，如图2，其特征在于包含两组共4个，分别为第一高速高压电子开关单元206-1、206-2和第二高速高压电子开关单元207-1、207-2，每个包含一个或多个高速高压晶体管及控制电路(如光耦变压器等)，所述控制电路的输出连接至所述晶体管的控制端，所述控制电路的控制信号连接至所述中央信息处理单元209；206-1和206-2输入端连接至DC4+及高压直流电源单元202的DC1-，206-1输出端连接所述栅控X射线球管208-1的栅极，同时连接至207-1输入端。207-1输出端连接至DC4-。206-2输出端连接所述栅控X射线球管208-2的栅极，同时连接至207-2输入端，207-2输出端连接至DC4-。
所述中央处理器单元209，如图2，负责执行外部指令包括曝光与终止、X射线的管电流、曝光的时序等，并向外部反馈组合机头内部的工作状态及参数，其对曝光与终止、曝光时序的控制是通过对4个高速高压电子开关的控制来实现，其对X射线管电流的控制是通过对灯丝电源单元的控制来实现。
需要特别说明的是，为描述方便本例以两组高速高压电子开关单元控制两个栅控X射线球管进行描述，可以易于理解和实现的是同样的结构可以用于多组高速高压电子开关单元控制对应多个栅控X射线球管。
方案三如下：
如图3所示，本发明所设计的组合式栅控X射线机头，其特征在于壳体300内包括高压直流电源单元302、低压直流电源单元303、灯丝电源单元304-1和304-2、通讯单元305、第一高速高压电子开关单元306-1和306-2和第二高速高压电子开关单元307-1和307-2、双栅控X射线球管308、中央信息处理单元309、变压器油301，壳体外有电源与控制单元(图1壳体外电源与控制单元未画出)。除高压直流电源单元302的变压器初级线圈的导线及其信号输出反馈导线、低压直流电源单元303的变压器初级线圈的导线、通讯单元305的光纤310需要引出壳体300外，其余部分全部浸泡在变压器油301内，并与壳体300保持足够距离满足高压绝缘要求。
所述高压直流电源单元302，如图3，其特征在于包含变压器及整流二极管和滤波电容，所述变压器初级线圈和次级线圈之间采用绝缘纸等高绝缘材料进行绝缘，所述变压器包含一组输出线圈，整流滤波后得到直流高压，高压端为DC1+，低压端为DC1-；或所述变压器包含两组输出线圈，两组交流电压整流滤波后串联产生高压直流电压，高电压端为DC1+，低电压端为DC1-；DC1+连接至所述栅控X射线球管308的阳极,DC1-连接至所述栅控X射线球管308的两个阴极灯丝的各一端，所述整流为全波整流或倍压整流。所述高压直流电源单元302有电压电流等反馈信号输出端子，信号输出至外部电源与控制单元。
所述低压直流电源单元303，如图3，其特征在于包含3组输出绕组的变压器及对应的整流二极管和滤波电容，所述变压器初级线圈和次级线圈之间采用绝缘纸等高绝缘材料进行绝缘，所述3个输出线圈产生的交流电压整流和滤波后，产生3组内部工作电压DC2+/DC2-、DC3+/DC3-、DC4+/DC4-。
进一步，所述低压直流电源单元303，如图3，其特征在于采用电压控制芯片产生电压受控的3组低压直流电压，其电压控制端连接至所述中央信息处理单元309，电压的启动受中央信息处理单元309控制，实现3组内部工作电压DC2+/DC2-、DC3+/DC3-、DC4+/DC4-的脉冲控制和系统休眠时的节能。
所述低压直流电源单元303，如图3，其特征在于包含的3组低压直流电压DC2+/DC2-、DC3+/DC3-、DC4+/DC4-，DC3+/DC3-连接至所述中央信息处理单元309，DC2+/DC2-连接至所述灯丝电源单元304-1和304-2，DC2-和DC3-共同连接至所述高压直流电源单元302的DC1-端。
所述灯丝电源单元304-1，如图3，其特征在于其输出为脉宽调制的低电压，其电源输出两端连接至所述栅控X射线球管308的灯丝1两端，其控制输入端和反馈输出端连接至所述中央信息处理单元309。
所述灯丝电源单元304-2，如图3，其特征在于其输出为脉宽调制的低电压，其电源两端连接至所述栅控X射线球管308的灯丝2两端，其控制输入端和反馈输出端连接至所述中央信息处理单元309。
所述通讯单元305，如图3，其特征在于包括将光电信号相互转换的高速通讯元件及一端连接至该元件光信号接口端的光纤310，所述高速通讯元件的电信号端连接至所述的中央信息处理单元309，所述光纤310的另一端连接至固定于壳体300的光纤端子，所述通讯单元的功能是交换中央信息处理单元与外部的电源与控制单元的参数。
所述高速高压电子开关单元，如图3，其特征在于包含两组共4个，分别为第一高速高压电子开关单元306-1和306-2和第二高速高压电子开关单元307-1和307-2，每个包含一个或多个高速高压晶体管及控制电路(如光耦变压器等)，所述控制电路的输出连接至所述晶体管的控制端，所述控制电路的控制信号连接至所述中央信息处理单元309；306-1和306-2输入端连接至DC4+及高压直流电源单元302的DC1-，306-1输出端连接所述栅控X射线球管308的栅极1，同时连接至307-1输入端，307-1输出端连接至DC4-，306-2输出端连接所述栅控X射线球管308的栅极2，同时连接至307-2输入端。307-2输出端连接至DC4-。
所述中央处理器单元309，如图3，负责执行外部指令包括曝光与终止、X射线的管电流、曝光的时序等，并向外部反馈组合机头内部的工作状态及参数，其对曝光与终止、曝光时序的控制是通过对4个高速高压电子开关的控制来实现，其对X射线管电流的控制是通过对灯丝电源单元的控制来实现。
在以上三个实施方案中，易于理解和实现的，所述通讯单元105、205、305，其特征在于包含无线通讯模块A，所述通讯模块A连接至所述的中央信息处理单元。所述无线通讯模块A配对的无线通讯模块B连接至壳体外电源与控制单元，所述中央信息处理单元与所述壳体外电源与控制单元通过所述通讯模块A和B实现参数传递及时序控制。所述光纤110可以被省略。
在以上三个实施方案中，易于理解和实现的，第一高速高压电子开关单元106、206-1、206-2、306-1、306-2，可以省略为直接导通。相应的，与之连接的所述低压直流电源单元的第三电压，可以由恒压的直流电压更改为可受中央信息处理单元控制的脉冲直流电压。这样第一高速高压电子开关单元输出端的电压变化可通过电源电压自身的变化来实现，可以达到与恒压加开关组合的相同效果。其连接关系如权利要求6所述，每组每个高速高压电子开关单元(方案一为107，方案二为207-1和207-2，方案三为307-1和307-2)输入端直接连接至所述低压直流电源单元的第三组电压的DC4+，同时连接至所述一个或多个栅控X射线球管的对应栅极(方案一为108的栅极，方案二为208-1的栅极和208-2的栅极，方案三为308的栅极1和栅极2)，每组每个高速高压电子开关单元(方案一为107，方案二为207-1和207-2，方案三为307-1和307-2)输出端连接至权利要求5所述第三组电压的负极。
经验证以上三个实施方案，其体积都可以控制在0.4米*0.3米*02米的体积内，可方便的应用于移动设备。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，凡是对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种X射线机头，其包括：
高压直流电源单元、低压直流电源单元、一组或多组第一开关单元、一组或多组第二开关单元，中央信息处理单元、一个或多个栅控X射线管；
其中，所述高压直流电源单元产生高压直流电压；所述高压直流电压的负极直接连接至所述一个或多个栅控X射线管中的每一个的阴极灯丝；
所述低压直流电源单元连接至所述中央信息处理单元；
其中，所述低压直流电源单元产生多组低压直流电压；所述多组低压直流电压包括：第一组低压直流电压、第二组低压直流电压和第三组低压直流电压；其中，所述第一组低压直流电压的接地端、所述第二组低压直流电压的接地端以及所述第三组低压直流电压的正极共同连接至所述高压直流电压的负极；所述第三组低压直流电压的正极还连接至所述一组或多组第一开关单元中的每一个的输入端；所述第三组低压直流电压的负极连接至所述一组或多组第二开关单元中的每一个的输出端；
所述一组或多组第一开关单元中的每一个的输出端分别对应地连接至每一个所述栅控X射线管的栅极。
2.如权利要求1所述的X射线机头，其中，所述一组或多组第一开关单元全部连接至所述中央信息处理单元；所述一组或多组第二开关单元全部连接至所述中央信息处理单元；
所述第二组低压直流电压的所述正极和所述接地端均连接至所述中央信息处理单元，所述一组或多组第一开关单元中的每一个的输出端分别对应地连接至所述一组或多组第二开关单元中的每一个的输入端。
3.如权利要求2所述的X射线机头，其进一步包括：壳体、一个或多个灯丝电源单元、通讯单元；
其中，所述通讯单元连接至所述中央信息处理单元；
其中，所述高压直流电源单元、所述低压直流电源单元、所述一个或多个灯丝电源单元、所述通讯单元、所述一组或多组第一开关单元、所述一组或多组第二开关单元、所述一个或多个栅控X射线管以及所述中央信息处理单元全部容纳在所述壳体内。
4.如权利要求3所述的X射线机头，其中，所述第一组低压直流电压连接至所述一个或多个灯丝电源单元中的每一个。
5.如权利要求4所述的X射线机头，其中，所述壳体内充满绝缘介质。
6.如权利要求5所述的X射线机头，其中，所述一个或多个灯丝电源单元的每一个均具有信号输入和反馈端口，所有所述信号输入和反馈端口连接至所述中央信息处理单元。
7.如权利要求3所述的X射线机头，其中，所述壳体的外部还设置有一个外部供电与控制单元；所述外部供电与控制单元连接至所述通讯单元、所述低压直流电源单元和所述高压直流电源单元。
8.如权利要求3所述的X射线机头，其中，所述壳体包括金属壳体。
9.如权利要求3所述的X射线机头，其中，所述壳体的体积不大于0.048立方米。
10.如权利要求9所述的X射线机头，其中，所述壳体的体积不大于0.024立方米。
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