JP5309422B2

JP5309422B2 - Ｘ線高電圧装置

Info

Publication number: JP5309422B2
Application number: JP2006040524A
Authority: JP
Inventors: 倫匡菱田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2026-02-17
Also published as: JP2007220514A

Description

診断用あるいは産業用に用いられるＸ線高電圧装置に関する。

診断用あるいは産業用に用いられるＸ線装置においてＸ線はＸ線管の陰極フィラメントを加熱した状態で陽極、陰極間に直流高電圧を印加することにより発生する。図３にこのための高電圧発生装置の回路構成例を示す。交流電源１から供給される交流電力はダイオードブリッジ等により構成される整流回路２によって直流に変換され、コンデンサ等により構成される平滑回路３により平滑化された後、インバータ回路４に入力される。インバータ回路４はフルブリッジ接続された、例えばＩＧＢＴ等からなる４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、これらにそれぞれ逆並列に接続された４個のダイオードＤ１〜Ｄ４により構成されている。インバータ回路４でスイッチングされることにより交流に変換された出力は共振コンデンサＣおよび共振インダクタンスＬを経て高圧トランス５の一次側コイルに供給される。この結果高圧トランス５の二次側コイルには数十〜１５０ｋＶ程度に昇圧された交流出力が現われる。この高電圧交流出力は高耐圧ダイオードブリッジ等により構成される高圧整流回路６により直流化され、Ｘ線管８の陽極、陰極間に管電圧として印加される。

この管電圧の値は分圧抵抗等により構成される管電圧検出回路７により検出され、管電圧検出信号として高電圧制御回路１０に送られる。高電圧制御回路１０は管電圧検出信号を操作パネル（図示しない）等により設定される管電圧設定信号と比較し、両者が一致するようにインバータ回路４のスイッチング周波数またはスイッチングパルス幅を変化させるべくインバータ駆動回路９を制御する。この結果操作パネル等により設定された管電圧がＸ線管８に印加される（例えば特許文献１参照）。

高電圧発生装置の主たる機能は上述の高電圧制御機能であるが、それ以外にもいくつかの機能を有しており、そのうちの一つに以下に述べるＸ線管の比較的軽微な放電に対して短時間高電圧の印加を停止する機能がある。すなわちＸ線管８は真空管なので経時変化等による真空度の悪化や陽極ターゲットの劣化等により高電圧印加時に内部で放電を発生することがある。ただし通常初期の段階では放電は比較的軽微であり真空管としての性能は回復可能なのでＸ線管８は継続して使用できるが、放電が発生した場合できるだけ短時間で停止させることが、画像ノイズ発生の防止やＸ線管８および組み合わされたＸ線高電圧装置を含むＸ線装置の保護につながるため、Ｘ線高電圧装置は放電を検出すると高圧トランス５の一次側のインバータ回路４を一定時間停止させる機能を有している。

図５はこのために図３の高電圧制御回路１０に含まれるインバータ駆動停止信号発生回路１９の構成例を示し、図４はその動作を説明するためのタイミングチャートである。そして図４は撮影時間Ｔの撮影を３回行い、それぞれに強度の異なる比較的軽微な放電が発生したときの動作をゾーン１からゾーン３に分けて示しており、ゾーン１は放電検出回路に検出される比較的強い放電、ゾーン２は放電検出回路に検出されない微弱な放電、ゾーン３は放電検出回路に検出される比較的弱い放電について示している。

Ｘ線管８が放電した場合瞬間的にＸ線管８により高電圧が短絡されるため、管電圧検出信号は図４の（Ａ）に示すように急峻に下降する。放電による管電圧の下降は放電することなく正常に高電圧が遮断された場合の高電圧の下降（たとえば図４の（Ａ）のゾーン２の管電圧検出信号の後縁の立下り波形）に比べて極めて急峻でなので、この急峻度の差により放電を検出することができる。具体的には管電圧検出信号は高電圧制御回路１０に内蔵された図５に示すインバータ駆動停止信号発生回路１９の微分回路１１に入力され微分されることにより、図５の（Ｂ）に示すようなパルス出力が得られる。このパルスの高さ、すなわち図４の場合負方向の電圧値Ｖ１〜Ｖ３がそれぞれの放電の強度を表している。微分回路１１の出力は比較器１５に入力され、高電圧制御回路１０内であらかじめ設定された放電検出基準電圧Ｖｒと比較されて、微分回路１１の出力が放電検出基準電圧Ｖｒを超えるゾーン１およびゾーン３では、図４の（Ｄ）に示すように、微分回路１１の出力が放電検出基準電圧Ｖｒを超えた期間デジタル的なＨレベルパルスが出力される。一方ゾーン２では微分回路１１の出力が放電検出基準電圧Ｖｒを超えないためＨレベルパルスは出力されず以降の動作も行われない。すなわちゾーン１およびゾーン３では比較器１５の出力は例えば単安定マルチバイブレータにより構成される前縁トリガパルス発生回路１８に入力され、図４の（Ｇ）に示すように、一定の時間幅ｔｓのパルスが出力される。このパルスはインバータ駆動停止信号として高電圧制御回路１０からインバータ駆動回路９に供給され、このパルスの期間インバータ回路４は動作を停止する。従ってＸ線管８の放電が検出されると、その後一定の時間ｔｓの間高圧トランス５への電力の供給が停止され、Ｘ線管８への高電圧の印加が停止される。

この結果、図４のゾーン１およびゾーン３の（Ａ）に破線で示すような、放電時に通常発生する不規則な電気的振動現象が抑制され、放電エネルギーによる画像ノイズの発生やＸ線管やＸ線装置の損傷等が防止される。そして図４の（Ｄ）に示すように、インバータ駆動停止信号は放電検出から一定時間（ｔｓ）経過後に消滅するので、この時点でＸ線曝射開始から撮影時間Ｔを経過していなければ、残りの期間再度高電圧が印加され、Ｘ線が照射される。
特開平９−１９０８９８

Ｘ線管に比較的軽微な放電が発生したとき、画像ノイズの発生を防止するため、あるいはＸ線管やＸ線装置を保護するために、短時間高電圧の印加を停止する機能については上述したとおりであり、放電が検出されると一定時間高電圧の印加が停止されるが、現実的には放電の強度は一定ではなく毎回異なっている。そのため放電の強度が比較的大きい場合、高電圧の印加を停止する時間が終了して再度高電圧が印加されると再び放電することがあり、逆に放電の強度が小さい場合、必要以上の期間高電圧の印加を停止することにより、必要以上にＸ線撮影を中断することになる。本発明はこのような不具合を解決することを目的とする。

請求項１記載の発明は上記の目的を達成するために、Ｘ線管に管電圧として印加する高電圧を発生する高電圧発生手段と、前記管電圧を検出する管電圧検出手段と、管電圧を設定する管電圧設定手段と、前記管電圧検出手段の出力が前記管電圧設定手段の設定値と一致するように前記高電圧発生手段が発生する高電圧を制御する電圧制御手段を有するＸ線高電圧装置において、前記管電圧検出手段の出力から放電の発生を検出する放電検出手段と、当該検出された放電の強度を識別する放電強度識別手段と、前記放電検出手段が放電を検出したとき前記放電強度識別手段により識別された放電の強度に対応した期間前記Ｘ線管への高電圧の印加を停止する高電圧印加停止手段を設けたことを特徴とするＸ線高電圧装置を提供する。

請求項２記載の発明は上記の目的を達成するために、高電圧発生手段は交流電源に接続される整流・平滑手段と、前記整流・平滑手段から出力される直流出力をスイッチングして交流化するインバータ手段と、前記インバータ手段から出力される交流出力を昇圧する昇圧手段と、前記昇圧手段の出力を整流する高圧整流手段により構成され、電圧制御手段は前記インバータ手段が前記直流出力をスイッチングして交流化するときのスイッチング周波数を制御する周波数制御手段またはスイッチングパルス幅を制御するパルス幅制御手段により構成されることを特徴とする請求項１記載のＸ線高電圧装置を提供する。

高電圧印加時にＸ線管に比較的軽微な放電が発生した場合、Ｘ線管やＸ線装置の保護等のため一定時間高電圧の印加を停止する従来の方法に比べて、本発明により放電強度に応じて高電圧の印加を停止する時間を変化させることによって、放電強度が比較的大きい場合に、高電圧の印加を停止する時間が終了して再度高電圧を印加するとふたたび放電することや、放電の強度が小さい場合に、必要以上の期間高電圧の印加を停止することにより、必要以上にＸ線撮影を中断する不具合を解消することができる。

図１に本発明によるインバータ駆動停止信号発生回路２０の構成例を示し、図２にその動作を説明するためのタイミングチャートを示す。そして図２は撮影時間Ｔの撮影を３回行い、それぞれに強度の異なる比較的軽微な放電が発生したときの動作をゾーン１からゾーン３に分けて示しており、ゾーン１は放電検出回路に検出される比較的強い放電、ゾーン２は放電検出回路に検出されない微弱な放電、ゾーン３は放電検出回路に検出される比較的弱い放電について示している。なお高電圧発生装置の構成は図３に示すとおりであり、図１に示すインバータ駆動停止信号発生回路２０は図３の高電圧制御回路１０に含まれる。

図３において交流電源１の電力を直流化し、インバータ回路４によってより周波数の高い交流に変換して、高圧トランス５によって昇圧し、Ｘ線管８に管電圧として印加すること、および管電圧検出回路７により検出された管電圧検出信号を高電圧制御回路１０で管電圧設定信号と比較し、両者が一致するようにインバータ回路４を構成する４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング周波数またはスイッチングパルス幅を制御して、管電圧設定信号により設定される管電圧を得ることは背景技術の項で述べたとおりなのでここでは詳細な説明は省略する。

Ｘ線管８が放電した場合、Ｘ線管８により瞬間的に高電圧が短絡されるため、管電圧検出回路７から高電圧制御回路１０内の微分回路１１に入力される管電圧検出信号は図２の（Ａ）に示すように急峻に下降する。放電による管電圧の下降は放電することなく正常に高電圧が遮断された場合の管電圧の下降（たとえば図２の（Ａ）のゾーン２の管電圧検出信号の後縁の立下り波形）に比べて極めて急峻でなので、この急峻度の差により放電を検出することができる。具体的には管電圧検出信号が微分回路１１に入力され微分されることにより、図２の（Ｂ）に示すようなパルス出力が得られる。このパルスの高さ、すなわち図２の場合負方向の電圧値Ｖ１〜Ｖ３がそれぞれの放電の強度を表している。微分回路１１の出力は比較器１５に入力され、高電圧制御回路１０内であらかじめ設定された放電検出基準電圧Ｖｒと比較されて、微分回路１１の出力が放電検出基準電圧Ｖｒを超えるゾーン１およびゾーン３では、図２の（Ｄ）に示すように、微分回路１１の出力が放電検出基準電圧Ｖｒを超えた期間デジタル的なＨレベルパルスが出力される。一方ゾーン２では微分回路１１の出力が放電検出基準電圧Ｖｒを超えないためＨレベルパルスは出力されず以降の動作も行われない。すなわちゾーン１およびゾーン３の場合、比較回路１５から出力されたパルスが電圧・パルス幅変換回路１３のスタート端子に入力されて変換動作の開始を指示する。

また微分回路１１の出力はピーク電圧保持回路１２にも入力される。ピーク電圧保持回路１２は入力される電圧値が内部的にあらかじめ設定された制限値Ｖｍａｘ以下のときはそのままの値を入力値とし、制限値Ｖｍａｘ以上のときは制限値Ｖｍａｘを入力値とする入力電圧制限部を内蔵しており、かつ入力電圧制限部を通過した入力電圧値と内部に記憶されている電圧値を比較して入力値が記憶値より大きければ入力値を新たな記憶値として記憶する、比較および記憶更新の動作を常時実行している。そして内部に記憶された電圧値は常時出力端子から外部に出力されるとともに、リセット端子にＨレベルの信号が入力されるとクリアされる。その後リセット端子の信号がＬレベルになった時点でピーク電圧保持回路１２は再度前述の比較および記憶動作を再開する。

電圧・パルス幅変換回路１３は自身のスタート端子がＬレベルからＨレベルに変化するごとにピーク電圧保持回路１２から入力される電圧値に対応したパルス幅のパルスを出力する機能を有しているので、図２の（Ｆ）に示すように、ゾーン１の場合電圧値Ｖ１に対応したパルス幅ｔ１のパルスを、ゾーン３の場合電圧値Ｖ３に対応したパルス幅ｔ３のパルスを出力する。そしてこれらのパルスがインバータ駆動停止信号としてインバータ駆動回路９に出力されることにより、放電が検出されてからゾーン１の場合ｔ１、ゾーン３の場合ｔ３の間インバータ回路４が動作を停止し、Ｘ線管８への高電圧の印加が停止される。

この結果、図２のゾーン１およびゾーン３の（Ａ）に破線で示すような、放電時に通常発生する不規則な電気的振動現象が抑制され、放電エネルギーによる画像ノイズの発生やＸ線管やＸ線装置の損傷等が防止される。そして図２の（Ｆ）に示すように、インバータ駆動停止信号は放電を検出した時点からそれぞれの放電強度に対応した期間、すなわちゾーン１ではｔ１、ゾーン３ではｔ３を経過した後に消滅するので、この時点でＸ線曝射開始から撮影時間Ｔを経過していなければ、残りの期間再度高電圧が印加され、Ｘ線が照射される。

電圧・パルス幅変換回路１３から出力されるインバータ駆動停止信号は後縁トリガパルス発生回路１７にも入力される。後縁トリガパルス発生回路１７は、図２の（Ｈ）に示すように、インバータ駆動停止信号の後縁で短いパルスを発生してピーク電圧保持回路１２のリセット端子に出力する。これによりピーク電圧保持回路１２は高電圧の印加が再開される時点でそれまで内部に記憶していた電圧値をリセットし、その後の入力値に対する比較および記憶動作を再開する。

上記実施例で高電圧発生装置はインバータ回路を用いたいわゆるスイッチングレギュレータ方式としたが、例えばテトロード管等を用いたシリーズレギュレータ方式であってもよい。

本発明は通常の透視、撮影を行うＸ線装置だけでなく、Ｘ線ＣＴ用高電圧装置にも有効であり、また医療用だけでなく産業用Ｘ線高電圧装置等、Ｘ線高電圧装置全般に有効である。

本発明によるインバータ駆動停止信号発生回路の構成例を示すブロック図である。本発明によるインバータ駆動停止信号発生回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。高電圧発生装置の構成例を示すブロック図である。従来方式によるインバータ駆動停止信号発生回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。従来方式によるインバータ駆動停止信号発生回路の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１：交流電源
２：整流回路
３：平滑回路
４：インバータ回路
Ｑ１：スイッチング素子
Ｑ２：スイッチング素子
Ｑ３：スイッチング素子
Ｑ４：スイッチング素子
Ｄ１：ダイオード
Ｄ２：ダイオード
Ｄ３：ダイオード
Ｄ４：ダイオード
Ｃ：共振コンデンサ
Ｌ：共振インダクタンス
５：高圧トランス
６：高圧整流回路
７：管電圧検出回路
８：Ｘ線管
９：インバータ駆動回路
１０：高電圧制御回路
１１：微分回路
１２：ピーク電圧保持回路
１３：電圧・パルス幅変換回路
１５：比較回路
１７：後縁トリガパルス発生回路
１８：前縁トリガパルス発生回路
１９：インバータ駆動停止信号発生回路
２０：インバータ駆動停止信号発生回路

Claims

Ｘ線管に管電圧として印加する高電圧を発生する高電圧発生手段と、前記管電圧を検出する管電圧検出手段と、管電圧を設定する管電圧設定手段と、前記管電圧検出手段の出力が前記管電圧設定手段の設定値と一致するように前記高電圧発生手段が発生する高電圧を制御する電圧制御手段を有するＸ線高電圧装置において、前記管電圧検出手段の出力から放電の発生を検出する放電検出手段と、当該検出された放電の強度を識別する放電強度識別手段と、前記放電検出手段が放電を検出したとき前記放電強度識別手段により識別された放電の強度に対応した期間前記Ｘ線管への高電圧の印加を停止する高電圧印加停止手段を設けたことを特徴とするＸ線高電圧装置。
高電圧発生手段は交流電源に接続される整流・平滑手段と、前記整流・平滑手段から出力される直流出力をスイッチングして交流化するインバータ手段と、前記インバータ手段から出力される交流出力を昇圧する昇圧手段と、前記昇圧手段の出力を整流する高圧整流手段により構成され、電圧制御手段は前記インバータ手段が前記直流出力をスイッチングして交流化するときのスイッチング周波数を制御する周波数制御手段またはスイッチングパルス幅を制御するパルス幅制御手段により構成されることを特徴とする請求項１記載のＸ線高電圧装置。