CN118102565A - 一种x射线管栅极电压控制装置、方法和x射线设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种X射线管栅极电压控制装置、方法和X射线设备。所述装置包括栅极供电单元、栅极电压切换单元和电压切换驱动单元；栅极供电单元设置在高压发生器中，栅极电压切换单元设置在X射线管中，栅极供电单元与栅极电压切换单元通过高压线缆连接；高压线缆用于传输栅极供电单元提供的电压到栅极电压切换单元的一端，栅极电压切换单元的另一端与X射线管中的栅极连接；电压切换驱动单元用于控制栅极电压切换单元进行切换，使栅极供电单元提供到栅极的电压发生变化。本方案将栅极电压切换单元设置在X射线管中，栅极供电单元不再需要对高压线缆电容充放电，栅极供电单元的输出功率可以大幅降低，高压储能电容的容值和体积可以大幅减小。
Description
技术领域
本发明涉及X射线成像技术领域，特别涉及一种X射线管栅极电压控制装置、方法、X射线设备和X射线设备的X射线剂量控制方法。
背景技术
在CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)、DSA(Digital SubtractionAngiography，数字减影血管造影)、X光机等使用X射线管产生X射线的影像设备中，可以通过改变X射线管内的栅极电压来实现对X射线管内束流的控制，进而实现束流开关、电流大小调节、焦点大小调节、焦点位置调节等功能。
栅极电压是指X射线管内栅极相对于阴极的电压，即以阴极为参考地的栅极与阴极的电压差，栅极电压最宽范围在正负数十kV内，可以为零。
如图1所示，在现有技术中，高压发生器中的栅极电压控制单元(以下简称为栅控单元)通过高压线缆施加栅极电压到X射线管的栅极与阴极之间。影像设备往往需要栅极电压在两个或更多个电平之间快速切换。切换最快需要在数μs甚至数百ns内完成。
然而，高压发生器接收到电压切换指令后，需要把切换后的电压通过高压线缆输送到球管内的栅极，电压在传输过程中受到高压线缆上寄生电容的影响，导致电压在传输过程中能量耗散、电压切换时间加大。目前，为了传输足够的能量，需要增加高压发生器所发出电压的能量、增大栅控单元的体积，这样增大了高压发生器的设计难度，设置影响可行性。
发明内容
本发明提供了一种X射线管栅极电压控制装置、方法、X射线设备和X射线设备的X射线剂量控制方法，以解决栅极电压切换时需要对高压线缆电容充放电和高压发生器的设计难度较大的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种X射线管栅极电压控制装置，包括栅极供电单元、栅极电压切换单元和电压切换驱动单元；
所述栅极供电单元设置在高压发生器中，所述栅极电压切换单元设置在X射线管中，所述栅极供电单元与所述栅极电压切换单元通过高压线缆连接；所述高压线缆用于传输所述栅极供电单元提供的电压到所述栅极电压切换单元的一端，所述栅极电压切换单元的另一端与所述X射线管中的栅极连接；
所述电压切换驱动单元用于控制所述栅极电压切换单元进行切换，使所述栅极供电单元提供到所述栅极的电压发生变化。
可选的，所述电压切换驱动单元设置在所述高压发生器的内部。
可选的，所述栅极供电单元包括两个以上供电源，所述栅极电压切换单元包括两个以上开关管，两个以上所述开关用于将两个以上所述供电源提供的电压分别提供给所述栅极或者将两个以上所述供电源提供的电压进行组合后再提供给所述栅极。
可选的，两个以上所述开关之间串联或级联连接。
可选的，所述电压切换驱动单元设置在所述高压发生器的外部。
可选的，所述电压切换驱动单元包括原边驱动电路和副边驱动电路，所述原边驱动电路用于生成开关控制信号，所述副边驱动电路用于控制所述开关管打开或闭合，所述原边驱动电路和所述副边驱动电路之间通过耦合的方式连接。
可选的，所述原边驱动电路设置在所述X射线管的外部，所述副边驱动电路设置在所述X射线管的内部。
可选的，所述高压线缆包括电源线和信号线，所述电源线用于连接所述栅极供电单元和所述栅极电压切换单元，所述信号线用于连接所述栅极电压切换单元和电压切换驱动单元。
本发明还提供了一种X射线管栅极电压控制方法，所述方法用于调节上述任一项所述的一种X射线管栅极电压控制装置中的栅极的电压，所述方法包括以下步骤：
电压切换驱动单元生成栅极电压控制信号；
栅极电压切换单元根据所述栅极电压控制信号进行切换，使栅极供电单元提供到所述栅极的电压发生变化。
本发明还提供了一种X射线设备，包括上述任一项所述的一种X射线管栅极电压控制装置。
本发明还提供了一种X射线设备的X射线剂量控制方法，包括以下步骤：
接收X射线剂量控制指令；
根据所述X射线剂量控制指令，采取上述所述的X射线管栅极电压控制方法进行X射线管栅极的电压控制，进而使X射线管产生与所述X射线剂量控制指令相对应的X射线。
本发明提供的一种X射线管栅极电压控制装置、方法、X射线设备和X射线设备的X射线剂量控制方法，将栅极电压切换单元设置在X射线管中，高压发生器和X射线管之间的高压线缆传输直流电压而不再传输交流电压，当栅极电压需要切换时，栅极供电单元不再需要对高压发生器和X射线管之间的高压线缆电容充放电，栅极供电单元的输出功率可以大幅降低，高压储能电容的容值和体积可以大幅减小，栅控单元的体积可以大幅减小，高压发生器的设计难度大幅降低。
附图说明
图1是现有技术中一种X射线管栅极电压控制装置的结构示意图。
图2是图1对应的栅极电压切换的电路示意图。
图3是本发明一实施例提供的一种X射线管栅极电压控制装置的结构示意图。
图4是本发明一实施例提供的另一种X射线管栅极电压控制装置的结构示意图。
图5是本发明一实施例提供的另一种X射线管栅极电压控制装置的结构示意图。
图6是本发明一实施例提供的一种栅极电压切换单元中的开关管进行级联的结构示意图。
图7是本发明一实施例提供的另一种栅极电压切换单元中的开关管进行级联的结构示意图。
图8是本发明一实施例提供的一种栅极电压切换单元中的开关管进行H桥级联的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明提出的一种X射线管栅极电压控制装置、方法、X射线设备和X射线设备的X射线剂量控制方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，为了实现栅极电压的快速切换，需要控制开关S1～Sn的通断来实现对栅极到阴极的电容Cgc进行充放电，Cgc的主要组成部分是高压线缆中的栅极线缆与阴极线缆之间的寄生电容Cline，Cline可以称为高压线缆电容。
假设栅极电压切换频率为f，在单次切换前后，栅极电压绝对值上升Up，则单次需要栅控单元给高压线缆提供的能量为ClineUp，对应输出功率为ClineUpf；假设在单次切换前后，栅极电压绝对值下降Un，则单次需要通过栅控单元泄放的能量为ClineUn，对应耗散功率为ClineUnf。
显然，当高压线缆越长即Cline越大、电压切换频率越高、切换前后的输出压差越大，则栅控单元所需的功率越高。
此外，当栅极电压快速切换时，Cline上的电压单次切换所需的能量只能通过栅控单元中的高压储能电容Co提供，否则无法保证电平的精度。如果不考虑在切换过程中栅控单元内部变换器给Co的充电能量，则切换过程可以简化为图2所示的初始电压为U1的电容Co通过限流电阻R给初始电压为U2的电容Cline充电。通过计算可以得到，图2中开关闭合后，Co和Cline的稳态电压是(CoU1+ClineU2)/(Co+Cline)。显然，当高压线缆越长、切换前后的输出压差越大，则在切换过程中，高压储能单元Co的电压跌落越大，尽管切换过程结束后，栅控单元内部变换器会给Co和Cline充电使得栅极电压到达预期电压，但到达预期电压的总时间会加长。目前，为了传输足够的能量，需要增加高压发生器所发出电压的能量、增大栅控单元的体积，这样增大了高压发生器的设计难度，设置影响可行性。
如图3所示，本实施例提供了一种X射线管栅极电压控制装置，包括栅极供电单元1、栅极电压切换单元2和电压切换驱动单元3；所述栅极供电单元1设置在高压发生器中，所述栅极电压切换单元2设置在X射线管中，所述栅极供电单元1与所述栅极电压切换单元2通过高压线缆连接；所述高压线缆用于传输所述栅极供电单元1提供的电压到所述栅极电压切换单元2的一端，所述栅极电压切换单元2的另一端与所述X射线管中的栅极连接；所述电压切换驱动单元3用于控制所述栅极电压切换单元2进行切换，使所述栅极供电单元1提供到所述栅极的电压发生变化。
其中，所述X射线管也可以称为球管；所述高压发生器包括栅极电压控制单元即栅控单元，所述栅极供电单元1可以设置在所述高压发生器的栅控单元中；所述栅极供电单元1可以输出直流电压给所述栅极；所述栅极电压切换单元2包括开关管，通过开关的打开和闭合，可以改变所述栅极的电压；所述电压切换驱动单元3可以生成电压切换指令，所述电压切换指令用于所述控制栅极电压切换单元2进行切换，可以通过控制各开关管的打开和闭合来实现所述栅极供电单元1提供到所述栅极的电压发生变化。
本实施例提供的一种X射线管栅极电压控制装置，将栅极电压切换单元2设置在X射线管中，高压发生器和X射线管之间的高压线缆传输直流电压而不再传输交流电压，当栅极电压需要切换时，栅极供电单元1不再需要对高压发生器和X射线管之间的高压线缆电容充放电，栅极供电单元1的输出功率可以大幅降低，高压储能电容的容值和体积可以大幅减小，栅控单元的体积可以大幅减小，高压发生器的设计难度大幅降低。
可选的，如图3所示，所述电压切换驱动单元设置在所述高压发生器的内部。所述高压发生器包括内建高压绝缘环境的部件，所述栅控单元设置在内建高压绝缘环境的部件中，内建高压绝缘环境的部件可以是高压油箱，所述电压切换驱动单元可以设置在所述高压发生器的栅控单元的内部，这样可以提高所述装置的安全性能，防止所述电压切换驱动单元向所述装置的外部漏电。可选的，所述电压切换驱动单元也可以设置在所述栅控单元的外部并且位于所述内建高压绝缘环境的部件的内部。
可选的，如图3所示，所述栅极供电单元1包括两个以上供电源，所述栅极电压切换单元2包括两个以上开关管，两个以上所述开关用于将两个以上所述供电源提供的电压分别提供给所述栅极或者将两个以上所述供电源提供的电压进行组合后再提供给所述栅极。所述栅极供电单元可以包括VG1、VG2……VGn共n个供电源，供电源也可以称为电压档位，每个供电源均可以单独地给所述栅极供电，这样方便供电源的设计。如图5-图8所示，送入X射线管的多个电压也可以通过栅极电压切换单元2的开关管搭建成级联的结构，以便满足栅极与阴极间的电压在有限的供电源的前提下可以切换成多种不同的电压。
可选的，参考图5-图8所示，两个以上所述开关之间串联或级联连接。所述开关管可以是IGBT/MOSFET/JFET等半导体开关或者它们的组合，附图中的S1、S2、Sn、S1a等标记均表示开关管。通过控制每个所述开关管的开合状态，可以使栅极与阴极间的电压发生变化。供电源和栅极之间可以串联一个或两个以上开关管，以便在不同的位置控制电路的通断。栅极电压切换单元中的开关管之间级联连接具体参见图5-图8和以下的相关说明。
具体的，如图5所示，VGi的两个输出端点分别为ia和ib，i＝1、2……n，可以在VG1到VGn对应的一共2n个端点中，取其中一个与阴极参考电位直接连接或经过低阻抗连接，为方便描述和画图，在图5中，将端点1a与阴极连接。
假设在所述栅极供电单元中仅有VG1和VG2，则图5的等效电路可以被简化为图6，当S1b、S2a关断、S1a、S2b导通时，栅极与阴极间的电压为VG1；当S1a、S2b关断、S1b、S2a导通时，栅极与阴极间的电压为VG2；当S1b、S2b关断、S1a、S2a导通时，栅极与阴极间的电压为VG1+VG2；当S1a、S2a关断、S1b、S2b导通时，栅极与阴极间无电位差。
图5中的级联结构不是唯一的，同样以在所述栅极供电单元中仅有VG1和VG2为例，级联结构还可以包括但不限于图7、图8中的形式。图7与图6的区别在于，图6中的栅极与开关管S2a的输出端连接，而图7中的栅极与开关管S2a的输入端连接。图8中开关管的级联方式可以称为H桥级联，每个供电源与一个H桥连接，每个H桥包括两个桥臂，每个桥臂上的两个开关位于桥臂中点的两侧，阴极与一个桥臂的中点连接，栅极与另一个桥臂的中点连接。
可选的，如图4所示，所述电压切换驱动单元设置在所述高压发生器的外部。这样可以进一步减小所述栅控单元和所述高压发生器的体积。所述电压切换驱动单元可以是接触式或非接触式，接触式可以通过线缆传输电压切换指令，非接触式可以通过磁隔离的方式传输电压切换指令。
可选的，如图4所示，所述电压切换驱动单元包括原边驱动电路和副边驱动电路，所述原边驱动电路用于生成开关控制信号，所述副边驱动电路用于控制所述开关管打开或闭合，所述原边驱动电路和所述副边驱动电路之间通过耦合的方式连接。所述原边驱动电路和所述副边驱动电路之间可以的耦合方式可以是变压器耦合或光电耦合。通过耦合的方式可以使所述电压切换驱动单元通过非接触的方式控制所述栅极电压切换单元进行切换。使用变压器耦合时，变压器可以是一个或多个，一个变压器对应一组原边驱动电路和副边驱动电路。
可选的，如图4所示，所述原边驱动电路设置在所述X射线管的外部，所述副边驱动电路设置在所述X射线管的内部。由于所述副边驱动电路与高压开关之间连接，将其设置在所述X射线管的内部，可以提高所述装置的安全性能。
可选的，如图3所示，所述高压线缆包括电源线和信号线，所述电源线用于连接所述栅极供电单元和所述栅极电压切换单元，所述信号线用于连接所述栅极电压切换单元和电压切换驱动单元。所述高压线缆可以采用多芯线缆，这样方便布线。在其它实施例中，所述电源线和所述信号线也可以使用相互独立的线缆。
可选的，如图3所示，所述高压发生器和所述高压线缆之间，以及所述高压线缆和所述X射线管之间均通过接插件连接。在图3中，所述高压发生器和所述高压线缆之间，以及所述高压线缆和所述X射线管之间的圆圈表示接插件，通过接插件可以快速连接所述高压发生器、所述高压线缆和所述X射线管。
基于与上述一种X射线管栅极电压控制装置相同的技术构思，本实施例还提供了一种X射线管栅极电压控制方法，所述方法用于调节上述任一项所述的一种X射线管栅极电压控制装置中的栅极的电压，所述方法包括以下步骤：电压切换驱动单元生成栅极电压控制信号；栅极电压切换单元根据所述栅极电压控制信号进行切换，使栅极供电单元提供到所述栅极的电压发生变化。
本实施例提供的一种X射线管栅极电压控制方法，将栅极电压切换单元2设置在X射线管中，高压发生器和X射线管之间的高压线缆传输直流电压而不再传输交流电压，当栅极电压需要切换时，栅极供电单元1不再需要对高压发生器和X射线管之间的高压线缆电容充放电，栅极供电单元1的输出功率可以大幅降低，高压储能电容的容值和体积可以大幅减小，栅控单元的体积可以大幅减小，高压发生器的设计难度大幅降低。
基于与上述一种X射线管栅极电压控制装置相同的技术构思，本实施例还提供了一种X射线设备，包括上述任一项所述的一种X射线管栅极电压控制装置。
本实施例提供的一种X射线设备，将栅极电压切换单元2设置在X射线管中，高压发生器和X射线管之间的高压线缆传输直流电压而不再传输交流电压，当栅极电压需要切换时，栅极供电单元1不再需要对高压发生器和X射线管之间的高压线缆电容充放电，栅极供电单元1的输出功率可以大幅降低，高压储能电容的容值和体积可以大幅减小，栅控单元的体积可以大幅减小，高压发生器的设计难度大幅降低。
基于与上述一种X射线管栅极电压控制装置相同的技术构思，本实施例还提供了一种X射线设备的X射线剂量控制方法，包括以下步骤：接收X射线剂量控制指令；根据所述X射线剂量控制指令，采取上述所述的X射线管栅极电压控制方法进行X射线管栅极的电压控制，进而使X射线管产生与所述X射线剂量控制指令相对应的X射线。
X射线管放线原理如下：X射线管内包含有阴极和阳极两个电极，阴极是用于发射电子的灯丝，阳极是用于接受电子轰击的靶材。X射线管可以是高真空的玻璃或陶瓷。X射线管的供电部分包含有一个使灯丝加热的低压电源和一个给两极施加高电压的高压发生器。当灯丝通过足够的电流使其产生电子云，且有足够的电压加在阳极和阴极间，使得电子云被拉往阳极。此时电子以高能高速的状态撞击靶材，高速电子到达靶面，运动突然受到阻止，其动能的一小部分便转化为辐射能，以X射线的形式放出，以这种形式产生的辐射称为轫致辐射。改变灯丝电流的大小可以改变灯丝的温度和电子的发射量，从而改变管电流和X射线强度的大小。改变X光管激发电位或选用不同的靶材可以改变入射X射线的剂量。
本实施例中控制栅极的电压切换，使所述栅极的电压发生改变就是为了控制灯丝发射电子的大小(即管电流的大小)，轰击靶面的管电流大小不同，就会使得产生的X射线剂量不同。
综上所述，本发明提供的一种X射线管栅极电压控制装置、方法、X射线设备和X射线设备的X射线剂量控制方法，将栅极电压切换单元2设置在X射线管中，高压发生器和X射线管之间的高压线缆传输直流电压而不再传输交流电压，当栅极电压需要切换时，栅极供电单元1不再需要对高压发生器和X射线管之间的高压线缆电容充放电，栅极供电单元1的输出功率可以大幅降低，高压储能电容的容值和体积可以大幅减小，栅控单元的体积可以大幅减小，高压发生器的设计难度大幅降低。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种X射线管栅极电压控制装置，其特征在于，包括栅极供电单元、栅极电压切换单元和电压切换驱动单元；
所述栅极供电单元设置在高压发生器中，所述栅极电压切换单元设置在X射线管中，所述栅极供电单元与所述栅极电压切换单元通过高压线缆连接；所述高压线缆用于传输所述栅极供电单元提供的电压到所述栅极电压切换单元的一端，所述栅极电压切换单元的另一端与所述X射线管中的栅极连接；
所述电压切换驱动单元用于控制所述栅极电压切换单元进行切换，使所述栅极供电单元提供到所述栅极的电压发生变化。
2.如权利要求1所述的一种X射线管栅极电压控制装置，其特征在于，所述电压切换驱动单元设置在所述高压发生器的内部。
3.如权利要求1所述的一种X射线管栅极电压控制装置，其特征在于，所述栅极供电单元包括两个以上供电源，所述栅极电压切换单元包括两个以上开关管，两个以上所述开关用于将两个以上所述供电源提供的电压分别提供给所述栅极或者将两个以上所述供电源提供的电压进行组合后再提供给所述栅极。
4.如权利要求3所述的一种X射线管栅极电压控制装置，其特征在于，两个以上所述开关之间串联或级联连接。
5.如权利要求1所述的一种X射线管栅极电压控制装置，其特征在于，所述电压切换驱动单元设置在所述高压发生器的外部。
6.如权利要求5所述的一种X射线管栅极电压控制装置，其特征在于，所述电压切换驱动单元包括原边驱动电路和副边驱动电路，所述原边驱动电路用于生成开关控制信号，所述副边驱动电路用于控制所述开关管打开或闭合，所述原边驱动电路和所述副边驱动电路之间通过耦合的方式连接。
7.如权利要求6所述的一种X射线管栅极电压控制装置，其特征在于，所述原边驱动电路设置在所述X射线管的外部，所述副边驱动电路设置在所述X射线管的内部。
8.如权利要求1所述的一种X射线管栅极电压控制装置，其特征在于，所述高压线缆包括电源线和信号线，所述电源线用于连接所述栅极供电单元和所述栅极电压切换单元，所述信号线用于连接所述栅极电压切换单元和电压切换驱动单元。
9.一种X射线管栅极电压控制方法，其特征在于，所述方法用于调节权利要求1-8任一项所述的一种X射线管栅极电压控制装置中的栅极的电压，所述方法包括以下步骤：
电压切换驱动单元生成栅极电压控制信号；
栅极电压切换单元根据所述栅极电压控制信号进行切换，使栅极供电单元提供到所述栅极的电压发生变化。
10.一种X射线设备，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的一种X射线管栅极电压控制装置。
11.一种X射线设备的X射线剂量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收X射线剂量控制指令；
根据所述X射线剂量控制指令，采取如权利要求9所述的X射线管栅极电压控制方法进行X射线管栅极的电压控制，进而使X射线管产生与所述X射线剂量控制指令相对应的X射线。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |