CN1575759A - 用于计算机断层成像系统的x射线发生器和滑环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将电力提供给可旋转的X射线管(17)以便产生X射线束供采集CT数据之用的设备。该设备包括一个滑环(56)，用以将电力从静止的逆变器传送给一个可旋转的HV箱(50)。该HV箱(50)调节传输的电力并产生一个横跨X射线管(17)的电压电位以便产生X射线。该逆变器有一个或一对串联的谐振电路(62)，它们直接地或通过变压器(70)间接地与滑环(56)相连，以便限制频谱，减少由滑环(56)运载的电压和电流波形的共模部分，并减少功率损耗。

Description

用于计算机断层成像系统的X射线发生器和滑环

技术领域

本发明一般涉及采用计算机断层成像的诊断成像系统，更具体地说，涉及一个CT系统的X射线发生器和滑环，其中，静止的逆变器向滑环提供电力，以便给转动着的高电压箱输电，并产生一个横跨转动着的X射线管的电压电位。

背景技术

通常，在计算机断层成像(CT)的成像系统中，X射线源向诸如病人或行李之类的检测对象或检测目标发射一个扇形的X射线束。在下文中，“检测对象”和“检测目标”两个词包括能够对其成像的任何物体。X射线束在受到检测物体的衰减之后，投射到辐射探测器阵列上。在探测器阵列上接收到的、衰减了的X射线束的辐射强度通常取决于由检测对象引起的X射线束的衰减。探测器阵列上的每个检测元件产生一个分离的电信号，用以表示由每个探测器元件所接收到的衰减线束。将此电信号发送给数据处理系统，供最终产生图像的分析之用。

通常，X射线源和探测器阵列是围绕着在成像平面中、在检测对象周围的台架(gantry)旋转。X射线源通常包括一个向焦点上发射X射线束的X射线管。X射线探测器通常包括：一个用以对准在探测器上接收到的X射线束的准直仪；一个邻近准直仪的闪烁器，用以将X射线束转换为光能；一个用以接收来自邻近闪烁器上的光能并产生电信号的光电二极管。

通常，闪烁器阵列上的每个闪烁器将X射线转换为光能。每个闪烁器向与它相邻的光电二极管发射光能。每个光电二极管检测光能并产生对应的电信号。然后，将光电二极管的输出传送给数据处理系统供图像再现之用。

CT系统的X射线发生器位于台架之中，在数据采集期间，它围绕着成像膛腔旋转。X射线发生装置通常包括一个X射线管，数据采集系统和弧形的探测器阵列。图1示出了这个众所周知的结构。如图所示，X射线发生器和滑环结构2包括：X射线管3、高电压(HV)箱4和在操作上与滑环6相连的逆变器5。X射线管3、高电压(HV)箱4和逆变器5都与旋转底座7相连，并固定于该底座上。在台架旋转时，该底座支持上述的每个部件。配电装置(PDU)8在旋转底座7的外面并与滑环6电连接，该配电装置8是固定不动的，因此不与X射线管3、高电压(HV)箱4和逆变器5一起旋转。通常，向逆变器5馈给直流电压，例如，650伏的直流电，并产生一个AC(交流)电压波形，例如，在规定的20kHz-50kHz的频率下产生约为300伏的交流电。然后，将此交流电压馈给HV箱4，其中HV箱中有一个能产生直流高压电位的变压器和整流器(未示出)。然后将此高压电位提供给X射线管3。由于高电压箱和逆变器是放在旋转底座上的，因此，馈送给逆变器的电力易于通过电压较低(～650VDC)的滑环6传送到旋转侧上。旋转底座7也设计成带有一个或多个可包括辅助电源设备在内的辅助装置，该辅助装置通常用标号4a表示。

对于这种结构，逆变器5位于旋转底座7上并在数据采集期间旋转。图2示出了逆变器的电路简图。逆变器5包括许多以H构形排布的电源开关9(即IGBT)。与H构形的一个输出相连的是一个构成谐振电路10的LC电路。将谐振电路10的输出和H构形9的其它输出馈给到HV箱4中。HV箱4包括一个与整流器和滤波电路12相连的变压器11，以便产生一个横跨单极X射线管3的电压电位。逆变器5、HV箱4和X射线管3位于滑环6的旋转侧上。照此，根据这种已知的构形，将一个较低的直流电压加到滑环6上，然后将其传送到逆变器5上进行调整。

将逆变器放置在滑环的旋转侧上有许多缺点。例如，在台架以较高的速度旋转时，会产生一些问题，这是因为在旋转侧上部件的质量以及与之相关联的旋转力限制了台架的旋转速度。此外，如果提高台架的旋转速度，对X射线发生器的功率要求也要随之增加，才能保持恒定的SNR(信噪比)。这样，就必须增加X射线发生器的部件的尺寸和质量，以便提供所需要的功率。进而，在当前的CT系统中，X射线发生器部件的尺寸导致了从旋转底座上伸出的悬臂式结构。此悬臂式结构把一个力矩加在用于固定部件的装配支架上，因此增加了加在固定支架上的力。所有这些都限制了台架的旋转速度。

因此，希望设计出这样一种结构的X射线发生器，它能减少对CT系统旋转底座的尺寸和重量的限制，从而能够提高台架的旋转速度而且不会减少传送给X射线管的电力。

发明内容

本发明提出了一种向X射线管提供电力以便产生用于CT数据采集的X射线束的设备，该设备克服了上述的许多缺点。此设备包括一个滑环，该滑环将来自静止的逆变器的电力传送给可转动的HV箱。该HV箱是设计来用于调整传输的电力并建立一个横跨X射线管的电压电位，供产生X射线之用。而且，该逆变器设有直接地或者通过一个变压器间接地与滑环相连的单个的串联谐振电路或一对串联谐振电路。

因此，根据本发明的一个方面，CT扫描器的X射线发生器包括一个滑环，用以将电力传送给旋转的高电压箱，旋转的X射线管在操作上可与滑环相连，以便接收来自高电压箱的电力。配置的X射线管向位于扫描舱中待扫描的检测对象发射X射线。该X射线发生器还包括一个静止逆变器，用以向滑环提供交流电以便向高电压箱中输电。

根据本发明的另一个方面，一个CT成像器包括一个可旋转的台架，其上有一个贯穿该台架的成像腔，还包括一个支持台架的静止基座。将滑环放置在可旋转的台架中，并与X射线管和高电压箱电连接。高电压箱是用来将一个高电压电位加到X射线管上以便产生供数据采集用的X射线。CT成像器也包括台架外的电力调节器，用以接收DC电压并产生通过滑环加到高电压箱上的AC电压波形。

根据本发明的另一个方面，CT扫描器包括一个X射线管和一个高电压箱。该高电压箱是装配来用以将一个高压电位加到X射线管上。CT扫描器还包括一个滑环，用以将电流传输到高电压箱中。此外，还包括一个具有逆变器的静止基座，该逆变器向滑环提供AC电力，以便向高电压箱送电。该逆变器包括至少一个与滑环相连的谐振电路。

根据下面的详细说明和附图，本发明的其它的各种特征、目的和优点将变得更为清楚。

附图说明

下列附图示出了目前设想的一个用于实施本发明的推荐的实施例。

图1是CT成像系统的一个已知的X射线发生器和滑环结构的示意图。

图2是一个已知的逆变器的拓扑结构的电路略图，供与图1所示的结构一起使用。

图3是根据本发明的一个实施例的一个CT系统的示意图。

图4是图1所示系统的方框图。

图5是根据本发明的一个实施例示出的X射线发生器和滑环的结构。

图6是根据本发明的另一个实施例示出的图5所示的结构中逆变器的拓扑结构的电路略图。

图7是根据本发明的另一个实施例示出的图5所示的结构中另一个逆变器拓扑结构的电路略图。

图8是根据本发明的另一个实施例示出的图5所示的结构中另一个逆变器拓扑结构的电路略图。

图9是与非侵害性的包裹检查系统一起使用的CT系统的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。

参见图3和图4，图中示出了一个计算机断层成像(CT)的成像系统14，其中包括一个能代表“第三代”CT扫描器的旋转台架15。台架15位于台架支座16之中并具有一个X射线管17，该X射线管向着台架15上它对面的探测器阵列19发射X射线束18。台架15设计成可以旋转的，因此定义为旋转侧，而支座16是不旋转的，因而定义为静止侧。滑环(未示出)放在靠近旋转底座(未示出)的地方，以便将电流传送给在数据采集期间旋转的X射线发生器部件。旋转底座是在机件围绕医疗病人22转动时用于支持X射线管17、高电压(HV)箱(未示出)和其它辅助部件(未示出)的。如下面将要更详细说明的那样，滑环是建造来将从台架支座或底座中的静止逆变器(未示出)那里接收到的电力传输到HV箱中，以便将电压电位加到X射线管17上。本领域技术人员应当明白的是，本发明也可用于发射和探测伽玛射线和其它的高频电磁能。

探测器阵列19是由多个探测器20构成的，这些探测器共同感测通过病人22投射来的X射线。每个探测器20产生一个电信号，该电信号代表冲击到探测器上的X射线束的强度以及通过医疗病人22之后衰减的X射线束。在扫描获取X射线投射数据的时候，台架12和安装在其上的部件围绕着旋转中心24旋转。

由CT系统14的控制装置26来掌管台架15的旋转和X射线源17的操作。控制装置26包括一个向X射线源17提供电力和定时信号的X射线控制器28，以及一个控制台架15的旋转速度和方位的台架电机控制器30。在控制装置26中的数据采集系统(DAS)32从探测器20中抽取模拟数据，并将这些数据转换为数字信号供其后的处理之用。图像再现器34接收来自DAS32的抽样的和数字化的X射线数据并进行高速图像再现。将再现的图像作为一个输入加到在海量存储器38中存储图像的计算机36中。

计算机36也接收操作员通过带有键盘的控制台40发送来的指令和扫描参数。一个相关的阴极射线管显示器42可让操作员观察来自计算机36的再现图像和其它的数据。计算机36使用由操作员提供的指令和参数向DAS32、X射线控制器28和台架电机控制器30提供控制信号和信息。此外，计算机36操纵诊察台电机控制器44，该控制器控制机动的诊察台46以定位病人22和台架15。具体地说，诊察台46通过台架开孔48移动病人22的各个部位。

现在参见图5，该图根据本发明示出了X射线发生器和滑环的结构。X射线发生器和滑环的结构48包括与旋转底座52相连的X射线管17和高电压箱50。旋转底座52放置在CT系统的台架之中，用于支持X射线管17和高电压(HV)箱50的旋转运动。辅助装置54也是由旋转底座52支持的。HV箱是用来转换交流信号以产生加到X射线管17上的高压直流电压。例如，在一个实施例中，HV箱50是用来产生加到X射线管17上的高达160kV的电位。X射线管产生向待扫描的病人发射的X射线，此X射线是加在横跨整个X射线管上的电压的一个函数。

结构48还包括一个由弧线56表示的滑环，它通常是环状的并用于将电流传送给HV箱50。其中，滑环56是用于接收来自配电装置(PDU)58的交流电压波形的。如图所示，PDU58可以包括一个用于向滑环56提供AC波形的逆变器60。然而，本领域技术人员应该知道，此逆变器可以放在PDU的外面。此外，如下面将要更加详细讨论的那样，相对于结构48的旋转部件而言，逆变器60是静止不动的，并且，在数据采集期间并不围绕病人旋转。此外，在一个实施例中，逆变器60用来在30kHz的频率下向滑环56提供约为300伏的AC波形。本领域技术人员应该知道，也可以考虑其它的频率范围，如大约20k到1MHz。

滑环56有一个较大的直径，因而具有作为一个发射天线的作用。因此，为了最大限度地减小电磁辐射，必须限制滑环上的电流和电压波形的频谱(frequency content)。为了达到这个目的，本发明包括一个如图6所示的逆变器的拓扑结构，用以限制在滑环上传送的波形的频谱。逆变器60包括一对谐振电路62。每个谐振电路包括一个(串联连接的？)电容器C和一个电感器L。每个谐振电路62与多个排布成H构形的电源开关64的一个输出相连。电源开关可以包括MOSFET、IGBT和类似的器件。电源开关64设计来用于接收一个高电压DC输入(如650VDC)，并在可变频率(约为20-100kHz)下产生一个AC电压。

谐振电路与电源开关结构的输出相连，并位于电源开关输出和滑环56之间。应当注意的是，在一个实施例中，对于每个变换器而言，谐振电路的电感和电抗部分的值都是一样的。谐振电路是用来平滑电源开关的快速转换，从而限制频谱并减少传送给滑环56的波形的共模部分。

仍然参见图6，滑环56界定了X射线发生器静止侧和旋转侧之间的边界。如上所述，将逆变器和它的相关的拓扑结构放在滑环56的静止侧上。照此，在数据采集过程中，逆变器并不和高电压箱50或X射线管17一起旋转。X射线发生器和滑环的旋转侧包括HV箱50，它是用来接收来自滑环56的AC波形并调整波形以便向X射线管17提供高压DC电位。HV箱50包括变压器66、整流器和滤波电路68，以便调整由滑环56传送的AC电压信号。在一个示范性的实施例中，HV箱50是用来加一个横跨X射线管17的160kVDC电位。

现在参见图7，该图根据本发明的另一个实施例示出了一个逆变器的拓扑结构。其中实施例中，逆变器60类似于图6所示的拓扑结构，并包括许多以H构形排布的电源开关，这些电源开关是用来输出由一对串联谐振电路62平滑的AC电压波形的。然而，与图6所示的拓扑结构相比，图7所示的结构包括一个位于谐振电路输出和滑环56之间的变压器。其中结构中引入变压器70是为了控制滑环56的有效电感。例如，假设滑环56有一个电感，根据其旋转方位的不同该电感一般在0.2mH到0.6mH之间。通过将变压器70加入到此电路中，有效电感减少了N²，其中，N是变压器70的匝数比。例如，如果变压器70的匝数比为1∶N，那么，滑环56的电感或变化量就减少了25倍，即从0.4mH减少到0.016mH。进而，滑环的串联电阻也减少了N²，从而减少了损耗。

如果将匝数比为1∶N的变压器70加入到X射线发生器和滑环结构中，就需要将变压器66和HV箱50的匝数比减少N，以补偿加入变压器70而造成的损失.这就是说，变压器66的匝数比应该是1∶X-N，其中，N是变压器70的匝数比，X是系统中没有变压器70时变压器66的匝数比。例如，如果在没有变压器70时变压器66的匝数比为8，那么，在加入匝数比为5的变压器70时就要求所装配的变压器66的匝数比为3。此外，滑环的有效电感为Y/N²，其中，Y等于电路的拓扑结构中没有变压器70时的滑环的电感。

根据本发明的上面的描述，在从旋转侧上除去逆变器组件和与之相关的支架的地方，可有一个通常与CT系统相关的平衡体，该平衡体是可以拆除的，其质量等于逆变器组件的质量。将逆变器重新放置在系统的静止侧上并除去任何平衡体，就能取消任何悬臂式的结构并能提供一个平衡更为均匀一致的台架，这对于每周0.2秒的较高的台架转速而言，是至关重要的。此外，在滑环上的高频AC波形可允许使用无接触的滑环，从而取消滑环刷。进而，通过将逆变器从系统的旋转侧重放到静止侧上，可为增加发生器的尺寸留有余地，以便产生像150kW和200kW这样的较高的功率级，这通常是较快扫描所需要的。

现在参见图8，该图根据本发明的另一个实施例示出了一个X射线发生器和滑环结构。图8的结构类似于图7的实施例；然而，图8的结构仅使用了一个单个的串联谐振电路62。在这一点上，将电源开关64的H构形的一个输出馈送给谐振电路62，而另一个输出直接连到变压器70上。谐振电路62的输出也馈送到变压器70上。照此，将由电源开关输出的AC波形的正的部分馈送给谐振电路供平滑波形之用，与此同时，将AC波形的负的部分直接馈送给变压器70。与图6和图7中的实施例相似，逆变器60是静止不动的，而X射线管17是旋转的。将由变压器70传送到滑环56上的电流传输给HV箱50以便产生高压电位，将所产生的高压电位加到X射线管17上以便产生X射线束供CT数据采集之用。与图7所示的结构相似，图8中变压器70的匝数比影响HV箱50中的变压器66的匝数比。此外，也减少了滑环波形上的高频和共模部分。

现在参见图9，含有上述的X射线发生器、滑环结构以及逆变器拓扑结构的包裹/行李检查系统100包括一个旋转台架102，其上有一个可以通过包裹或行李件的开孔104。旋转台架102上装有高频电磁能源106及一个探测器组件108。还有一个传送器系统110，该系统包括由结构114支持的传送带112，以便自动地和连续地将要对其扫描的包裹和行李件116传送过开孔104。利用传送带112将检测目标传送过开孔104，然后采集图像数据，传送带112以可控的和连续的方式从开孔104中移动包裹116。其结果是，邮政检查员、行李管理人员和其它保安人员就可以非侵害性地检查包裹116中的内容，以察看是否有爆炸物、刀子、枪支和禁运品等。

因此，根据本发明的一个实施例，CT扫描器上的X射线发生器包括一个用以将电力传输到旋转的高电压箱中的滑环，还包括一个与滑环电连接的可旋转的X射线管，以便接收来自高电压箱的电力。装配X射线管是为了向放在扫描舱中的要扫描的检测对象发射X射线。X射线发生器也包括一个静止的逆变器，用以向滑环提供交流电，以便进而向高电压箱输电。

根据本发明的另一个实施例，CT成像器包括一个可旋转的台架，其上具有穿过台架的成像腔，还包括一个支持台架的静止底座。将一个滑环放在可旋转的台架中并与X射线管和高电压箱电连接。高电压箱用于向X射线管施加一个高压电位，以便产生X射线供数据采集之用。CT成像器也包括一个台架外的电力调节器，用以接收DC电压并产生一个通过滑环加到高电压箱上的AC电压波形。

根据本发明的另一个实施例，CT扫描器包括一个X射线管和一个高电压箱。该高电压箱是配置来用于向X射线管施加一个高压电位的。该CT扫描器还包括一个滑环，用以将电流传输给高电压箱。还有一个带有逆变器的静止底座，用以向滑环提供AC电力，以便进而向高电压箱输电。此逆变器包括一个或一对谐振电路，它们直接地或通过变压器间接地与滑环相连。

依据推荐的实施例已对本发明作了说明，但是应当认识到，本发明不限于上述实施例，在不脱离所附的权利要求范围的情况下，可以进行各种变形和修改。

Claims (8)

1.一种供CT扫描器(14)用的X射线发生器，该发生器包括：

一个滑环(56)，用以将电力传输给旋转的高电压(HV)箱(50)；

一个在操作上与滑环(56)相连的可旋转的X射线管(17)，用以接收来自HV箱(50)的电力，并向要扫描的检测对象(22)发送X射线；以及

一个静止的逆变器，用以向滑环(56)提供AC电力，以便向HV箱(50)输电。

2.根据权利要求1所述的X射线发生器，其中，静止的逆变器包括许多按H桥构形排布的电源开关(64)，这种有一对输出的构形至少有一个输出是与谐振电路(62)相连的。

3.根据权利要求2所述的X射线发生器，其中，所述至少一个谐振电路(62)是与滑环(56)相连的。

4.根据权利要求3所述的X射线发生器，其中，每个谐振电路都包括串联连接的一个电容器和一个电感器；

5.根据权利要求2所述的X射线发生器，其中，所述至少一个谐振电路(62)是与变压器(70)的输入相连的，并且，该变压器(70)有若干与滑环(56)相连的输出。

6.根据权利要求5所述的X射线发生器，其中，所述变压器(70)的匝数比为1∶N，所述高电压箱(50)的变压器(66)的匝数比为1∶X-N。

7.根据权利要求6所述的X射线发生器，其中，所述滑环(56)的有效电感为Y/N²。

8.根据权利要求1所述的X射线发生器，该X射线发生器与具有可旋转的台架(15)的CT成像器(14)一体化。

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