CN1853563A - 用于计算机断层扫描系统的多通道无接触功率传递系统 - Google Patents

Abstract

321一种多通道、无接触功率传递系统(200)包括布置在系统(200)的固定侧(13)的主功率变换器(108)，和布置在该系统(200)的固定侧(13)的辅助功率变换器(204)。旋转变压器(202)具有布置在该系统(200)的固定侧(13)的初级侧(302)和布置在该系统(200)的旋转侧的次级侧。旋转变压器(202)被配置成将来自主功率变换器(108)的输出端的主功率耦合到该系统(200)的旋转侧(12)的主功率电压输出端，并进一步被配置成将来自辅助功率变换器(204)的输出端的辅助功率耦合到该系统(200)的旋转侧(12)的至少一个辅助电压输出端。

Description

用于计算机断层扫描系 统的多通道无接触功率传递系统

技术领域

本发明的公开内容总体涉及一种功率传递机构，尤其涉及一种用于计算机断层扫描(CT)系统的多通道、无接触功率传递系统。

背景技术

计算机断层扫描(CT)系统用于获得测试对象的无创剖面图像，尤其是用于医疗分析和治疗的人体组织的内部图像。当前的CT系统将诸如患者这样的测试对象定位在旋转支架或门架的中心孔内的台床上，所述旋转支架或门架由固定支架支撑。在一个笛卡尔坐标系的x-y平面(通常称为“成像平面”)内，门架包括定位在所述孔相对侧的X射线源和探测器阵列，从而这两者都与门架一起围绕着被成像的测试对象旋转。在沿门架的旋转路径的几个角度位置中的每一个角度位置(也称为“投射”)处，X射线源发射扇形准直射束(collimatedbeam)，该扇形准直射束通过测试对象的成像片层，被成像对象衰减，并且被探测器阵列接收。

探测器阵列中的每个探测器元件产生指示衰减的X射线束强度的单独的电信号，所述射线束被从X射线源投射到特定探测器元件，并入射到其传感器表面。旋转支架内的电路整理来自所有探测器元件的电信号以产生在每个门架角度或投射处的投射数据集。每个投射数据集被称为一个“视图(view)”，“扫描”是一组在X射线源和探测器阵列的一个旋转期间从不同门架角度得到的这种视图。然后，固定支架中的计算机处理该扫描以将各投射数据集重建成为测试对象的片层或剖面的CT图像。

在传统的CT系统中，功率通过电刷和滑环机构传递到变换器(inverter)，该变换器与CT系统的高压储能电路(例如，包括变压器、整流器和滤波器电容部件)一起随着门架物理地旋转。不幸地是，将变换器放置到旋转门架上增加了系统的重量、体积和复杂度。而且，电刷和滑环机构(其典型地用于载送较大电流)容易遇到可靠性减小、维护问题和产生电噪声，这干扰了敏感的现代医疗诊断程序，尤其是在恶劣的环境下。

因此，随着开发出更高旋转速度的CT系统，减小旋转部件的体积和重量变得有利。

发明内容

一种多通道、无接触功率传递系统克服或减缓了现有技术的上述和其它缺陷和不足。在一个典型实施例中，功率传递系统包括布置在系统的固定侧的主功率变换器，和布置在该系统的固定侧的辅助功率变换器。旋转变压器具有布置在该系统的固定侧的初级侧和布置在该系统的旋转侧的次级侧。旋转变压器被配置成将来自主功率变换器输出端的主功率耦合到该系统的旋转侧的主功率电压输出端，并进一步被配置成将来自辅助功率变换器输出端的辅助功率耦合到该系统的旋转侧的至少一个辅助电压输出端。

在另一实施例中，用于计算机断层扫描(CT)系统的多通道、无接触功率传递系统包括布置在CT系统的固定侧的X射线功率变换器，和布置在CT系统的固定侧的辅助功率变换器。旋转变压器具有布置在CT系统的固定侧的初级侧和布置在CT系统的旋转侧的次级侧。旋转变压器被配置成将来自X射线功率变换器输出端的X射线生成功率耦合到CT系统的旋转侧的高压储能电路，其中该高压储能电路进一步耦合到X射线发生管。旋转变压器进一步被配置成将来自辅助功率变换器输出端的辅助功率耦合到CT系统的旋转侧的至少一个辅助电压输出端。

在又一个实施例中，多通道旋转变压器包括固定侧和旋转侧，这两侧中的每一侧都具有一对同心的E形铁芯(core)。这对同心的E形铁芯中的一个被配置成将来自固定侧的主功率耦合到旋转侧，而这对同心的E形铁芯中的另一个进一步被配置成将来自固定侧的辅助功率耦合到旋转侧。

附图说明

参考示例性附图，其中在这几个附图中相同的元件用相同的数字编号：

图1是适用于本发明一个实施例的一个典型的计算机断层扫描(CT)系统10；

图2是用于CT应用的现有功率传递系统的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的用于CT系统的多通道、无接触功率传递系统的示意图；

图4是图3中示意性所示的多通道旋转变压器的横截面图；

图5是旋转变压器的一个替换实施例的示意图，其中，其漏电感作为功率变换器的共振电感；

图6是旋转变压器的又一实施例的示意图，其中，共振电容也被合并在其初级绕组中；和

图7是图6中示意性所示的多通道旋转变压器的横截面图。

具体实施方式

这里公开了一种用于CT系统的多通道、无接触的功率传递系统，其通过使用多通道旋转变压器将X射线发生器功率和辅助功率提供给CT系统的旋转部分。因此，功率传递的非接触方式(即，通过电磁感应)用于满足所有的CT系统功率传递需要。由此，该CT系统具有复杂度减小的特征，这是由于可以从门架的旋转侧去除更多的部件。另外，本发明的各实施例进一步解决了所辐射的EM噪声和用于使多通道、无接触功率传递系统适配于CT系统的旋转变压器绕组的其它细节。

首先参考图1，其中显示了适于按照本发明一个实施例使用的一个典型的计算机断层扫描(CT)系统10。该系统10包括一个通常为环形的旋转支架12或门架，以及支撑该旋转支架12的固定支架13。旋转支架12进一步包括X射线源14，该X射线源用于向定位在孔19相对侧上的探测器阵列18发射高度准直的X射线束16。孔19允许测试对象20(例如患者)被放置在平台21上，该平台例如可以通过平移而沿着旋转支架12的旋转轴22移动。平台21的移动允许测试对象20的不同的感兴趣横截面部分定位在旋转支架12的成像平面内。

一旦测试对象20例如已经通过测试对象20和/或平台21的移动而被定位到孔19中，然后旋转支架12被围绕旋转轴22、并且在沿着旋转路径的多个角度位置中的每一个角度位置处旋转。同时，X射线源14发射X射线束16，该X射线束通过测试对象20并且入射到探测器阵列18的多个探测器元件(没有单独示出)的接收表面。作为响应，探测器阵列18的每个探测器元件产生一个电信号，其大小与所接收的射线强度成比例，因此与穿过测试对象20后的X射线束的衰减量成比例。

代表投射数据的、来自探测器阵列18的每个探测器元件的信号通过线路23传送到控制和阵列处理器24，该控制和阵列处理器将所接收的投射数据处理成测试对象20在所选定的径向或角度位置处的径向图像，其被称为视图。然后，使用已知的图像处理算法，将通常被称为扫描的、在旋转支架12的一个完整旋转中得到的视图的集合进一步处理成成像平面内的测试对象20的感兴趣部分的横截面图像。

尽管未在图1中具体示出，在传统配置的功率传递安排中，除了X射线源14和探测器阵列18之外，几个功率传递电子组件(例如变换器、高压储能电路)也物理地安装到旋转支架12上。不幸地是，以增加的速度转动旋转支架12的预期能力受到(除了其它因素之外)各电子部件质量的损害。当门架速度增加时，为了保持恒定的信噪比(SNR)，发生器的功率要求也增加。因此，发生器部件的质量因而增加。这又导致需要将这种部件构造成伸出旋转支架12的悬臂，由此增加了对安装托架的转矩并增大了施加在其上的力，而这又进一步限制了转速。

图2是用于CT应用的现有功率传递系统100的示意图，包括用于传递X射线发生器功率的主功率通道102和至少一个辅助功率通道104，该辅助功率通道用于传递位于旋转支架12上的许多电子装置所使用的辅助功率。如图所示，来自主功率通道和辅助功率通道的功率以滑环106所代表的“接触”的方式从固定支架13传递到旋转支架12。特别地，通过主功率通道102传递的X射线发生器功率被安装在门架上的X射线功率变换器108控制，DC电压通过滑环106给该变换器供电。变换器108包括四个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关(通常表示为110)，所述绝缘栅双极型晶体管开关用于产生高频电流和电压。变换器108的AC输出侧的一个引脚包括形成串联共振电路112的共振电感部件和电容部件，以用于产生正弦电流波形，该正弦电流波形减小了IGBT开关损耗以及所辐射的电磁发射。

来自变换器108的AC输出电压被馈送给高压(HV)储能电路114，该高压储能电路通过升压变压器116和整流器电路118产生高压DC电势。然后HVDC电势(例如140kV)被供应给用于生成X射线的X射线管120。

如辅助功率通道104中所示，来自固定支架13的AC功率输入也以接触的方式(例如，通过滑环)传递到旋转支架12，以用于转换为辅助功率电压。在所示的例子中，第一辅助电压通过被配置成与第一DC/DC转换器126串联的第一AC/DC转换器124产生，同时旋转支架12上的第二辅助电压通过被配置成与第二DC/DC转换器130串联的第二AC/DC转换器128产生。应当理解，可以选择AC/DC和DC/DC转换器的参数以产生任何期望的DC辅助电压值，这取决于要从所述转换器供电的(一个或多个)负载的类型。最后，图2进一步显示了用于驱动X射线管120的转子的转子驱动器132，其中那里的功率直接取自于通过滑环106传递的DC功率。

然而，如前面所述，将功率转换电子设备放置在旋转门架上增加了CT系统的重量、体积和复杂度。因此，根据本发明的一个实施例，图3是多通道、无接触功率传递系统200的示意图。代替滑环配置，来自于固定支架13的功率通过多通道旋转变压器202传递到旋转支架12，这将在随后进行进一步的详细描述。旋转变压器202不仅传递主X射线生成功率，而且通过一个或多个通道传递辅助功率。这样，现在某些功率转换装置(例如变换器)能够被布置在固定支架13上。例如，除了主X射线功率变换器108之外，系统200进一步包括安装在固定支架13上的单独的辅助功率变换器204。

由于X射线功率变换器108产生的功率具有脉冲特性，因此它不适合供给存在于CT系统200的旋转支架12上的各种电子设备。因此，尽管辅助功率变换器204类似于X射线功率变换器，但它与X射线功率变换器108相比具有减小的功率能力(例如，大约5kW比大约150kW)。在无接触系统200和传统系统100之间的另一个区别是，在X射线/辅助变换器输出端的两个引脚中使用等分的电感和电容共振元件。这种配置有助于减小在旋转变压器202处的共模电压噪声(由IGBT开关产生)。

代替在旋转支架上产生多个固定的电压电平，旋转变压器202被配置成包括X射线功率初级绕组206和次级绕组208，以及辅助功率初级绕组210和一个或多个辅助功率次级绕组212、214。应当理解，多个次级绕组可以集成到旋转变压器202中以提供各种期望的DC电压(例如，600VDC、48VDC、24VDC等)。在所示的特定实施例中，每个辅助功率次级绕组212、214上的电压然后在旋转支架12上被整流和过滤以产生多个DC电压(例如，用于转子驱动的600伏的HVDC输出，和用于各种系统电子设备的48伏的低压DC输出)。

如图3进一步所示，用于X射线源、高压辅助源和低压辅助源的输出电压都可以被感测、数字化、然后例如通过电容或光学通信链路从反馈收集器/数字化器/发射器216传送回固定侧功率控制器218。一种适当类型的无接触通信链路在Pearson，Jr.等人的美国专利6,301,324中进行了描述，该专利的内容全部在此引用。这种反馈控制环路允许功率控制器218基于在旋转侧上感测的、受到最大百分比电压降的特定输出电压而控制辅助功率变换器204中的各IGBT，由此用一个功率变换器来控制多个输出电压。在这方面的其它的信息可以从Katcha的美国专利5,646,835中找到，该专利的内容全部引用于此。

现在参考图4，其中显示了图3中示意性所示的旋转变压器202的一个实施例的横截面图。如图所示，旋转变压器202的特征在于具有一对相对的盘(platter)，包括固定(初级)盘302和旋转(次级)盘304，在它们之间具有气隙306。每个盘302、304包括一对由高磁导材料(例如铁氧体)制造的同心铁芯(用于初级/次级X射线功率绕组的内铁芯308和用于初级/次级辅助功率绕组的外铁芯310)，其为穿过气隙306从一个盘到另一个盘的磁通量提供通道。在所示的典型实施例中，铁芯308、310为“E形”，从而在铁芯的附近更好地包含任何杂散磁场。

如图4进一步所示，用于内E形铁芯和外E形铁芯的初级/次级绕组都可以被这样缠绕：从E形铁芯的一个开口开始，在E形铁芯的两个通道中的一个中沿第一方向(例如顺时针)围绕盘缠绕到大约起始点，横跨到该铁芯的另一开口，并且在两个通道中的另一个中沿相反的方向(例如逆时针)围绕盘向回缠绕到开始点，由此完成一个线匝。应当理解，用于初级和次级绕组(以及多个次级绕组)的多个线匝可以在相同的E形铁芯上缠绕，这取决于期望的输出和电压电平的数量。

在图5所示的一个替换实施例中，旋转变压器包括漏电感L，该漏电感作为功率变换器108的共振电感，由此去除了变换器外壳中的单独的电感部件。在图6所示的又一可选择实施例中，共振电容321、322被配置成直接位于旋转变压器202的初级绕组206中，因此减小了由此受到的电压大小。例如，对于由图7所示的一个线匝的初级绕组，电容321、322可以与绕组输入成180度放置，由此，对于两个共振电容的该配置而最小化绕组受到的电压。该电容放置方式限制了漏电感L产生的共振电压。该配置仅仅是示例性的，本领域的熟练技术人员应当理解，对于不同数量的电容和初级线匝，为了减小绕组电压可以改变该特定的配置。

通过上述多通道、无接触功率传递系统的使用，消除了所有的接触滑环电刷、相关的灰尘、磨损和所需的预防维护，这导致了有利的费用节省。而且，X射线功率变换器组件和托架的去除导致了系统的旋转支架的质量直接减小大约40kg。相应地，也可以从旋转支架去除相等的配重。随着变换器和配重的去除，存在进一步的空间来去除悬臂部件，从而具有更一致平衡的门架，由此便于达到0.2sec/rev的门架速度。另一成本降低来自于在支架固定侧上放置(一个或多个)变换器和各辅助DC-DC转换器。

而且，通过在旋转变压器上具有多个次级绕组，导致进一步减小了复杂度、组件的数量和系统的体积。另外，由于变换器输出引脚中的分离阻抗和E形旋转变压器铁芯的配置，该系统减小了所辐射的电磁发射。

尽管参考一个优选实施例描述了本发明，本领域的熟练技术人员应当理解，在不背离本发明范围的情况下可以进行各种变化和进行元件的等效替换。另外，在不背离本发明实质范围的情况下，可以进行许多改变以使特定的情况或材料适合本发明的教导。因此，本发明不希望被限于作为为了实现本发明而设想的最佳模式的特定实施例，相反，本发明将包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种多通道、无接触功率传递系统(200)，包括：

布置在该系统(200)的固定侧(13)的主功率变换器(108)；

布置在该系统(200)的所述固定侧(13)的辅助功率变换器(204)；

旋转变压器(202)，其具有布置在该系统(200)的所述固定侧(13)的初级侧(302)和布置在该系统(200)的旋转侧(12)的次级侧(304)；和

所述旋转变压器(202)被配置成将来自所述主功率变换器(108)的输出端的主功率耦合到该系统(200)的所述旋转侧(12)的主功率电压输出端，并且所述旋转变压器(202)进一步被配置成将来自所述辅助功率变换器(204)的输出端的辅助功率耦合到该系统(200)的所述旋转侧(12)的至少一个辅助电压输出端。

2.根据权利要求1所述的功率传递系统(200)，其中所述旋转变压器(202)的所述初级侧和次级侧(302，304)进一步包括同心的E形铁芯(308，310)。

3.根据权利要求2所述的功率传递系统(200)，其中：

所述旋转变压器(202)的所述初级侧(302)的所述同心的E形铁芯(308，310)中的第一个由一个绕组(206)缠绕，该绕组耦合到所述主功率变换器(108)的输出端；和

所述旋转变压器(202)的所述初级侧(302)的所述同心的E形铁芯(308，310)中的第二个由一个绕组(218)缠绕，该绕组耦合到所述辅助功率变换器(204)的输出端。

4.根据权利要求3所述的功率传递系统(200)，其中：

所述旋转变压器(202)的所述次级侧(304)的所述同心的E形铁芯(308，310)中的第一个由一个绕组(208)缠绕，该绕组耦合到用于产生所述主功率电压输出的储能电路(114)；和

所述旋转变压器(202)的所述次级侧(304)的所述同心的E形铁芯(308，310)中的第二个由至少一个绕组(212，214)缠绕，该绕组用于产生所述至少一个辅助电压输出。

5.根据权利要求4所述的功率传递系统(200)，其中所述旋转变压器(202)的所述初级侧和所述次级侧(302，304)中的每个绕组被这样安排：在相应的E形铁芯(308，310)的第一和第二通道内配置一个导线，从所述相应的E形铁芯(308，310)中的第一开口开始，该导线围绕所述第一通道沿圆周横穿、横穿所述相应的E形铁芯(308，310)中的第二开口以及围绕所述第二通道在相反的方向中沿圆周横穿到大约所述第一开口处。

6.用于计算机断层扫描(CT)系统(10)的多通道、无接触功率传递系统(200)，包括：

布置在该CT系统(10)的固定侧(13)的X射线功率变换器(108)；

布置在该CT系统(10)的所述固定侧(13)的辅助功率变换器(204)；

旋转变压器(202)，其具有布置在该CT系统(10)的所述固定侧(304)的初级侧(302)和布置在该CT系统(10)的旋转侧(12)的次级侧；

所述旋转变压器(202)被配置成将来自所述X射线功率变换器(108)的输出端的X射线生成功率耦合到该系统的所述旋转侧(12)的高压储能电路(114)，其中所述高压储能电路(114)进一步耦合到X射线生成管(120)；和

所述旋转变压器(202)进一步被配置成将来自所述辅助功率变换器(204)的输出端的辅助功率耦合到该CT系统(10)的所述旋转侧(12)的至少一个辅助电压输出端。

7.根据权利要求6所述的功率传递系统(200)，其中所述旋转变压器(202)的所述初级侧和次级侧(302，304)进一步包括同心的E形铁芯(308，310)。

8.根据权利要求7所述的功率传递系统(200)，其中：

所述旋转变压器(202)的所述初级侧(302)的所述同心的E形铁芯中的第一个(308)由一个绕组(206)缠绕，该绕组耦合到所述X射线功率变换器的输出端；和

所述旋转变压器(202)的所述初级侧(302)的所述同心的E形铁芯中的第二个(310)由一个绕组缠绕，该绕组耦合到所述辅助功率变换器(204)的输出端。

9.根据权利要求8所述的功率传递系统(200)，其中：

所述旋转变压器(202)的所述次级侧(304)的所述同心的E形铁芯中的第一个(308)由一个绕组缠绕，该绕组耦合到所述高压储能电路(114)；和

所述旋转变压器(202)的所述次级侧(304)的所述同心的E形铁芯中的第二个(310)由至少一个绕组(212，214)缠绕，该绕组用于产生所述至少一个辅助电压输出。

10.根据权利要求9所述的功率传递系统(200)，其中所述旋转变压器(202)的所述初级侧和所述次级侧(302，304)中的每个绕组被这样安排：在相应的E形铁芯(308，310)的第一和第二通道内配置一个导线，从所述相应的E形铁芯(308，310)中的第一开口开始，该导线围绕所述第一通道沿圆周横穿、横穿所述相应的E形铁芯(308，310)中的第二开口以及围绕所述第二通道在相反的方向中沿圆周横穿到大约所述第一开口处。

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