JP6095281B2 - Ｘ線発生装置、及び移動型ｘ線撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検体のX線画像を取得するために、被検体に対しX線を照射するためのX線を発生させるX線発生装置に関し、特に、X線を発生するX線管に電力を供給する高電圧変換部の入力段に設置したキャパシタの充電に関する。また、このX線発生装置を用いた移動型X線撮影装置に関する。

病院内において、主に動くことが困難なベッドに寝たきりの被検体や、術中における寝台上の被検体に対し、移動機構を備えたX線撮影装置を用いて、被検体の近傍まで移動し所望のX線画像を取得する移動型X線撮影装置がある。

また、移動型X線撮影装置は、X線を発生させるための電力源として商用のコンセントから電源を得る場合がある。特許文献1には、コンセントから得られた交流電圧を、整流回路を用いて直流電圧に変換し、この変換した直流電圧を用いてインバータに電力を供給するためのキャパシタに対し、充電を行うX線撮影装置に用いるX線発生装置についての記載がされている。

特開2009-22672号公報

特許文献1では、特に、キャパシタに電荷が蓄積されていない装置が停止している状態から装置を起動しキャパシタへの充電を開始した際、整流回路から出力される電圧と、キャパシタの電圧との差分値の大きさから、キャパシタに対し電流のピーク値が大きい、いわゆる突入電流が流れる恐れがある。突入電流が流れた場合、この突入電流が流れる電流経路にある回路部品の発熱による故障や寿命短縮、または、回路誤動作などが発生する恐れがある。

上記問題を鑑みて、本発明は、キャパシタに対する突入電流を抑制するX線発生装置、及びこれを用いた移動型X線撮影装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係るX線発生装置は、X線を発生するX線管と、X線管に電力を供給する高電圧変換部と、高電圧変換部の入力段に設置されたキャパシタと、X線管からX線を照射する際に高電圧変換部及びキャパシタに電力を供給する電力供給部と、この電力供給部とは別にキャパシタに対して電力を供給し充電するキャパシタ充電部とを有しており、このキャパシタ充電部の電流供給能力は電力供給部の電流供給能力より低く、電力供給部によりキャパシタに対し電力を供給する前に、このキャパシタ充電部により予め設定した電圧に到達するまでキャパシタを充電する。

本発明によれば、高電圧変換部に電力を供給するためのキャパシタに対し充電を行う際、このキャパシタに対する突入電流の発生を抑制するX線発生装置及び、それを用いた移動型X線撮影装置を提供することができる。

本発明で適用されるX線発生装置の概略構成図。 本発明で適用されるX線発生装置における制御部の詳細構成図。 実施例1で適用されるX線発生装置における電力供給部、及びキャパシタ充電部の詳細構成図。 実施例1の動作順序を説明するためのフローチャート図。 実施例2で適用されるX線発生装置における電力供給部、及びキャパシタ充電部の他の例における詳細構成図。 実施例1、2のX線発生装置を用いた移動型X線撮影装置の一例を説明する図。 実施例1で適用されるX線発生装置における、装置内のスイッチのタイミングシーケンスを示した図。

以下、添付図面を用いて本発明に係るX線発生装置の実施の形態について詳説する。本発明の実施例を説明する全図において、同一機能を有するものは同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

本発明で適用されるX線発生装置の構成を図1及び図2を用いて説明する。図1は、本発明で適用されるX線発生装置の概略構成図である。図2は、本発明で適用されるX線発生装置における制御回路の詳細構成図である。

本発明のX線発生装置1は、X線を発生するX線管101に電力を供給する高電圧変換部102と、高電圧変換部102の入力段に設置したキャパシタ103と、高電圧変換部102及びキャパシタ103に電力を供給する電力供給部104と、電力供給部104とは別にキャパシタ103に対し電力を供給し充電するキャパシタ充電部105と、X線管101に印加されている管電圧を検出するX線管電圧検出部106と、キャパシタ103に印加されているキャパシタ電圧を検出するキャパシタ電圧検出部107と、これらの動作を制御する制御部108と、を備える。

高電圧変換部102は、インバータ回路109と、高電圧発生回路110と、を有する。インバータ回路109は、キャパシタ103及び、電力供給部104から供給される直流電圧を交流電圧に変換する。高電圧発生回路110は、インバータ回路109から出力された交流電圧を昇圧し、昇圧した交流電圧を直流電圧に整流、そして整流した直流電圧を平滑した後に、平滑した直流電圧を用いてX線管101に電力を供給する。

電力供給部104は、外部電源111から電力を用いて高電圧変換部102と、キャパシタ103に電力を供給する。

制御部108は、高電圧変換部102内のインバータ回路109を制御するインバータ制御回路201と、キャパシタ充電部105を制御するキャパシタ充電部制御回路202と、電力供給部104を制御する電力供給部制御回路203と、X線管電圧検出部106によって検出されたX線管101に印加されている管電圧を判定するX線管電圧判定回路204と、キャパシタ電圧検出部107によって検出されたキャパシタ103に印加されているキャパシタ電圧を判定するキャパシタ電圧判定回路205と、後述する閾値電圧Vth、及び設定電圧Vsetの各電圧値を設定する電圧条件設定部206と、を有する。

次に、本発明の実施例1について図1乃至4，7を用いて説明する。
図3は、本実施例で適用されるX線発生装置における電力供給部104、及びキャパシタ充電部105の詳細構成図である。また、図4は、本実施例の動作順序を説明するためのフローチャート図である。図3では外部電源111が一般的な100(V)の交流電圧を出力する商用交流電源であった場合の電力供給部104、及びキャパシタ充電部105の回路構成の一例を示している。図7は、本実施例で適用されるX線発生装置における、装置内のスイッチのタイミングシーケンスを示した図である。

本実施例の電力供給部104は、整流回路302と、昇圧回路303と、を有している。整流回路302は、いわゆる全波整流回路により構成されており、ダイオードD1〜D4を有している。入力段に100(V)の交流電圧を出力する商用交流電源が接続されると、100(V)の交流電圧を約140(V)の直流電圧に整流して昇圧回路303に出力する。整流回路302の入力段には、商用交流電源との接続を分離するスイッチSW1があり、スイッチSW1を短絡させることで商用交流電源と整流回路302とが接続される。図3ではスイッチSW1を電力供給部104内部に設置したが、商用交流電源側に設けてもよい。整流回路302は、ダイオードD1，D2と、ダイオードD3，D4と、がそれぞれ直列に接続され、直列に接続されたダイオードD1，D2と、ダイオードD3，D4と、が並列に接続されている。

また、スイッチSW1を介して、商用交流電源の一端はダイオードD1とD2との接続点に、他端は、ダイオードD3とD4との接続点に、それぞれ接続するように構成している。昇圧回路303は、いわゆるチョッパ回路により構成されており、ダイオードを並列に接続したスイッチSW2、コイルL2、ダイオードD5と、を有している。

コイルL2，ダイオードD5は、ダイオードD1，D3のカソード側が接続された整流回路302の出力段の一端に、コイルL2，ダイオードD5の順で直接に接続している。ダイオードD5は、アノード側がコイルL2と接続され、カソード側は昇圧回路303の出力段の一端となり、キャパシタ103の一端に接続されている。スイッチSW2は一端がダイードD5のアノード側に、他端が昇圧回路303の出力段の他端となり、キャパシタ103の他端に接続されている。また、スイッチSW2の他端は、昇圧回路303の入力段の他端となり、ダイオードD2，D4のアノード側に接続されている。コイルL2のダイオードD5と接続していない側が、昇圧回路303の入力段の一端である。通常、X線発生装置1を起動する前のキャパシタ103には電荷が蓄積されておらず、キャパシタ103にかかっている電圧、キャパシタ電圧Vcは0(V)である。起動前の昇圧回路303のスイッチSW1，SW2は開放状態である。

ここで、X線発生装置1を起動しスイッチSW1を短絡させると、昇圧回路303の出力段に接続されたキャパシタ103の両端には約140(V)の電圧が瞬時に印加される。スイッチSW1の短絡前のキャパシタ電圧Vcは0(V)であるので、140(V)の電位差を持ってキャパシタ103に対し充電電流が流れ込む。一例として、X線を発生させるためにX線管101に掛かける管電圧は約120(ｋV)であり、その為に、キャパシタ電圧Vcを約300(V)まで昇圧させる必要がある。スイッチSW1の短絡後、スイッチSW2のスイッチング動作を繰り返すことによりキャパシタ電圧Vcを140(V)から300(V)までは徐々に昇圧していくことができる。

本発明は、最初にスイッチSW1を短絡した際に、キャパシタ103に急峻にかかる140(V)という大きな電圧により、キャパシタ103に対し電流のピーク値が大きい、いわゆる突入電流が流れる込むことで、この突入電流が流れる電流経路にある回路部品の発熱による故障や寿命短縮、または、ノイズによる回路誤動作などが発生する恐れがあることを課題としている。

そこで、本実施例では、昇圧回路303でキャパシタ電圧Vcを昇圧する前に、別途設けたキャパシタ充電部105によりキャパシタ電圧Vcを昇圧させる。キャパシタ充電部105は、充電用直流電源304、コイルL1、及びダイードを並列に接続したスイッチSW3を有し、それぞれ直列接続にて構成されている。ここで、コイルL1を一次側、昇圧回路303のコイルL2を二次側とし、トランス305が形成される。キャパシタ充電部105が動作しているときは、コイルL2はトランス305の二次側として作用し、キャパシタ充電部105が停止し、昇圧回路303が動作しているときは、チョッパ回路として作用する。

これにより部品点数を削減している。充電用直流電源304の電圧Vｊは15(V)程度である。また、X線管からX線が発生している際に、電力を供給する昇圧回路303では100(A)程度の電流供給能力を備えているが、キャパシタ充電部105は、昇圧回路303に対し、十分低い電流供給能力、例えば1(A)程度である。キャパシタ充電部105のスイッチSW3のスイッチング動作により、キャパシタ103を充電する際は、スイッチSW1，2を開放しておく。図7の期間1に相当する。図7に示すタイミングチャートは電力供給部制御回路203から出力されるスイッチSW1，2に対し短絡及び開放の動作をさせる制御信号SW1S，SW2Sと、キャパシタ充電部制御回路202から出力されるスイッチSW3に対し短絡及び開放の動作をさせる制御信号SW3Sと、キャパシタ電圧Vcの電圧値を示している。

各制御信号はOFFでスイッチが開放、ONで短絡となる。スイッチSW3のスイッチング動作により、充電用直流電源304からの電力が一次側のコイルL1からニ次側のコイルL2を介して伝わりキャパシタ103に対し充電を開始する。スイッチSW3はスイッチSW1に対して流せる電流は小さいが、その分、スイチング動作を高速に行うことができる。

スイッチングを行う際の短絡開放の間隔を調整することで、キャパシタ103にかかる電圧を調整しながら充電することができる。キャパシタ充電部105は、キャパシタ電圧Vcが電圧条件設定部206により予め設定された閾値電圧Vth以上となるまで充電を行う。閾値電圧Vthは、X線発生装置1を起動し昇圧回路303のスイッチSW1のみを最初に短絡させた場合に昇圧回路303の出力段に接続されたキャパシタ103の両端にかかる電圧値に基づいて決められる。

本実施例の場合、閾値電圧Vthを140(V)に設定しているが、140(V)以下であってもよい。閾値電圧Vthになるまでキャパシタ充電部105によりキャパシタ103を充電することで、その後、昇圧回路303によりキャパシタ103の充電を開始した場合でも、開始時に昇圧回路303から出力される電圧に対し、キャパシタ電圧Vcが十分な大きさを持っているので、昇圧路303からキャパシタ103への突入電流を抑制することができる。

また、キャパシタ充電部105によるキャパシタ103への充電は昇圧回路303に対し電流供給能力が十分低いので140(V)までキャパシタ充電部105によってキャパシタ103を充電する場合でも、キャパシタ充電部105からキャパシタ103への突入電流を抑制することができる。閾値電圧Vthを140(V)より下げた場合、例えば100(V)とした場合でも、昇圧回路303の出力電圧と、キャパシタ電圧Vcとの電位差を小さくすることができるので、昇圧回路303からキャパシタ103に対しての突入電流を抑制することができる。

また、この場合、キャパシタ充電部105による充電時間を短縮することができる。緊急の場合などは、操作者により電圧条件設定部206を用いて閾値電圧Vthを低くするよう調整することができる。閾値電圧Vth、及び設定電圧Vsetの各電圧値を設定する電圧条件設定部206と、を有する。キャパシタ充電部105によりキャパシタ103を充電するか、電力供給部104によりキャパシタ103を充電するかは、電圧条件設定部206により設定された閾値電圧Vthと、キャパシタ電圧検出部107により検出されたキャパシタ電圧Vcと、の電圧値に基づいて制御部108内に設置されたキャパシタ電圧判定回路205に判定される。

判定結果は、電力供給部制御回路203と、キャパシタ充電部制御回路202と、に伝えられ、電力供給部制御回路203、及びキャパシタ充電部制御回路202により電力供給部104、及びキャパシタ充電部105が制御される。キャパシタ電圧Vcがキャパシタ充電部105により閾値電圧Vth以上となるまで充電されると、キャパシタ充電部105は停止し、変わりに昇圧回路303の動作が開始される。図7の期間2に相当する。昇圧回路303はその後、キャパシタ電圧Vcが電圧条件設定部206により予め設定された設定電圧Vsetとなるまでキャパシタ103に対し充電を行う。設定電圧Vset(Vset＞Vth)とは、X線管101に対し、予め設定した管電圧を印加するために必要となるインバータ回路109に入力する電圧値である。

キャパシタ電圧Vcが設定電圧Vsetに到達すると、インバータ制御回路201によりインバータ回路109が動作を開始する。図7の期間3に相当する。インバータ回路109の動作開始に伴い、X線管101から被検体に対しX線が照射される。この際、インバータ回路109は、管電圧が予め設定した値に保つようにインバータ制御回路201により制御される。管電圧はX線管電圧検出部106にて検出され、検出された値はX線管電圧判定回路204により判定され、判定結果はインバータ制御回路201に通知される。また、インバータ回路109が動作している間は、キャパシタ電圧Vcが設定電圧Vsetより小さくならないように昇圧回路303は動作制御される。これにより、管電圧を保持することができ、安定したX線がX線管101から照射される。

ここで、キャパシタ充電部105によりキャパシタ103の充電時間について説明する。キャパシタ103の容量Cpを10(mF)とすると、キャパシタ103を140(V)まで昇圧するために必要なエネルギーEcは
Ec＝(1／2)×Cp×Vc²より、
Ec＝(1／2)×10(mF)×140(V)²＝98(Ｊ)
となる。

充電用直流電源304が15(V)で、キャパシタ充電部105から流れる充電電流Iｊを1(A)とすると、キャパシタ充電部105への充電時間Tは
T＝Ec／(Vｊ×Iｊ)より
T＝98／(15×1)＝6．5(sec)
となる。キャパシタ充電部105の電流供給能力を上げれば充電時間を早めることは可能であるがその分、回路規模が大きくなる。後述する本実施例のX線発生装置1を用いた移動型X線撮影装置では、画像処理装置が設置されており、この画像処理装置の起動に30(sec)程度の時間を要する。移動型X線撮影装置のシステムが全て立ち上がるまでにキャパシタ103が所定の電圧まで昇圧されれば十分である。つまり、キャパシタ充電部105の電流供給能力は、移動型X線撮影装置のシステム全体の立ち上がり時間から各部品定数を決定することが好適である。

次に、本実施例の動作順序につき、図4に示すフローチャートを用いて説明する。
ステップS401では、キャパシタ電圧検出部107によりキャパシタ電圧Vcが検出される。

ステップS402では、キャパシタ電圧判定回路205により検出されたキャパシタ電圧Vcと、予め設定された閾値電圧Vthと、の大きさを比較する。キャパシタ電圧Vcが閾値電圧Vthより小さい場合は、ステップS403に進み、キャパシタ電圧Vcが閾値電圧Vth以上の場合は、ステップS404に進む。通常、装置起動時のキャパシタ電圧Vcは0(V)であるが、異常などにより装置が停止し、即再起度した際などはキャパシタ103に蓄積した電荷が残っている場合がある。

ステップS403では、キャパシタ充電部制御回路202により、キャパシタ充電部105を制御し、キャパシタ充電部105によりキャパシタ103の充電を開始する。

ステップS404では、キャパシタ電圧判定回路205により検出されたキャパシタ電圧Vcと設定電圧Vsetと、の大きさを比較する。キャパシタ電圧Vcが設定電圧Vset以上の場合は、ステップS404を繰り返す。特に図示しないが、本実施例のX線発生装置にはキャパシタ103に蓄積した電荷を放電する放電回路が備わっており、この放電回路により時間と共にキャパシタ電圧Vcが低下する。キャパシタ電圧Vcが設定電圧Vsetより小さい場合はステップS407に進む。

ステップS405では、キャパシタ充電部105により、キャパシタ電圧Vcが閾値電圧Vth以上となるまで、キャパシタ103が充電される。キャパシタ電圧Vcが閾値電圧Vth以上となるとステップS406に進む。

ステップS406では、キャパシタ充電部105によるキャパシタ103の充電を停止する。

ステップS407では、電力供給部制御回路203により、電力供給部104内の昇圧回路303を制御し、昇圧回路303によりキャパシタ103の充電を開始する。

ステップS408では、昇圧回路303によりキャパシタ電圧Vcが予め設定した設定電圧Vsetになるまでキャパシタ103の充電を行う。キャパシタ電圧Vcが設定電圧Vsetまで昇圧されると、ステップS409に進む。

ステップS409では、インバータ制御回路201によりインバータ回路109が動作を開始する。この際、インバータ回路109は、管電圧が予め設定した値に保つようにインバータ制御回路201により制御される。管電圧はX線管電圧検出部106にて検出され、検出された値はX線管電圧判定回路204により判定され、判定結果はインバータ制御回路201に通知される。

ステップS410では、インバータ回路109の動作開始に伴い、X線管101から被検体に対しX線が照射される。

以上説明したように、本実施例に記載のX線発生装置1は、X線を発生するX線管101に電力を供給する高電圧変換部102の入力段に設置されたキャパシタ103に対し、高電圧変換部102が動作中に高電圧変換部102とキャパシタ103とに電力を供給する電力供給部104とは別に、キャパシタ103に対し電力を供給する電力供給部104より電流供給能力が小さいキャパシタ充電部105を用いて、キャパシタ103を所定の電圧値になるまで充電をし、その後から、電力供給部104よりキャパシタ103を充電することで、電力供給部104からキャパシタ103への突入電流の発生を抑制することができる。

次に、実施例2について図5を用いて説明する。
図5は、本実施例で適用されるX線発生装置における電力供給部501、及びキャパシタ充電部502の詳細構成図である。

実施例1では外部電源111が一般的な100(V)の交流電圧を出力する商用交流電源であったが、本実施例では外部電源111が直流電源である。直流電源の電圧は例えば140(V)である。キャパシタ充電部502は、充電用直流電源503、コイルL3、及びダイードを並列に接続したスイッチSW4を有し、それぞれ直列接続にて構成されている。それぞれの動作は、実施例1で説明したキャパシタ充電部105と同質であるので説明を省略する。電力供給部501の昇圧回路504は、昇圧回路504は、昇圧回路303と同様にチョッパ回路504により構成されており、ダイオードを並列に接続したスイッチSW6、コイルL4、ダイオードD6と、を有している。それぞれの動作は、実施例1で説明した昇圧回路303と同質である。コイルL3とコイルL4とでトランス505を形成している。コイルL4はコイルL2と同様、キャパシタ充電部502が動作しているときは、トランス505として作用し、昇圧回路504が動作しているときは、チョッパ回路として作用する。

実施例1と異なる点は、電力供給部501に整流回路302がないところである。スイッチSW5はスイッチSW1と同質のものである。本実施例の電力供給部501は整流回路302がない代わりに、ダイオードD7を備える。実施例1ではキャパシタ充電部105を用いてキャパシタ103を充電する際に、整流回路302の一部のダイオードD3、D4と、コイルL2、ダイオードD5、キャパシタ103にて電流閉ループを形成したが、本実施例の場合、ダイオードD7と、コイルL4、ダイオードD6、キャパシタ103にて電流閉ループを形成する。これにより、外部電源111が直流電源であった場合でも、電力供給部501からキャパシタ103への突入電流の発生を抑制することができる。

次に、実施例3について図6を用いて説明する。
図6は、本発明のX線発生装置を用いた移動型X線撮影装置の構成図である。

本実施例の移動型X線撮影装置2は、本体601と、X線を発生するX線発生装置1と、X線を検出するX線検出器によって検出されたX線データに基づいてX線画像を生成するX線画像処理部602と、生成されたX線画像を記憶する記憶部603と、生成された、または記憶されたX線画像を表示する表示部604と、これら各構成要素を制御する制御部605と、制御部605に対し操作者の指示を入力する入力部606と、を有する。また、移動型X線撮影装置2は、車輪607を備えた台車608を有し、本体601は台車608上に載積される。また、X線発生装置1内のX線管101はアーム609によって支持される。アーム609は、台車608上に設置された支柱610によって上下左右スライド自在に支持され、被検体に対し所望の位置からX線を照射することができる。

本実施例の移動型X線撮影装置2は、実施例1または実施例2で説明したX線発生装置1を備えることで、被検体のベットサイドでX線画像を取得するために、外部電源からの電力を用いた場合でも、X線発生装置1内のキャパシタ103に対する突入電流の発生を抑制させることができるので、装置の安定した動作を得ることができる外部電源からの電力は電源コード611を用いてX線発生装置1に供給される。

1 X線発生装置、2 移動型X線撮影装置、101 X線管、102 高電圧変換部、103 キャパシタ、104 電力供給部、105 キャパシタ充電部、106 X線管電圧検出部、107 キャパシタ電圧検出部、108 制御部、109 インバータ回路、110 高電圧発生回路、111 外部電源、201 インバータ制御回路、202 キャパシタ充電部制御回路、203 電力供給部制御回路、204 X線管電圧判定回路、205 キャパシタ電圧判定回路、206 電圧条件設定部、302 整流回路、303 昇圧回路、304 充電用直流電源、305 トランス、501 電力供給部、502 キャパシタ充電部、503 充電用直流電源、504 充電用直流電源、505 トランス、601 本体、602 X線画像処理部、603 記憶部、604 表示部、605 制御部、606 入力部、607 車輪、608 台車、609 アーム、610 支柱、611 電源コード

Claims (4)

1. Ｘ線を発生するＸ線管と、前記Ｘ線管に電力を供給する高電圧変換部と、前記高電圧変換部の入力段に設置されたキャパシタと、前記Ｘ線管からＸ線を照射する際に、前記高電圧変換部及び前記キャパシタに電力を供給する電力供給部と、を備えるＸ線発生装置において、
   前記電力供給部により前記キャパシタに対し電力を供給する前に、前記キャパシタを充電するキャパシタ充電部を有し、
   前記電力供給部はコイルを有した昇圧回路を有して構成され、前記コイルは、前記電力供給部から前記キャパシタに電力を供給している際は、昇圧回路として動作し、前記コイルは、前記キャパシタ充電部から前記キャパシタに電力を供給している際は、前記キャパシタ充電部に配置されたコイルを一次側としたトランスの一部である二次側コイルとして動作し、前記キャパシタ充電部からの電力を前記キャパシタに伝え、
   前記キャパシタ充電部は１つの直流電源と、１つのコイルと、１つのダイオードを並列に接続した１つのスイッチと、を直列接続して構成され、
   前記キャパシタ充電部は前記電力供給部より前記キャパシタに供給する電流能力が低いことを特徴とするＸ線発生装置。
2. 前記キャパシタ充電部による前記キャパシタに対する電力供給は、前記キャパシタの電圧が予め設定した閾値電圧に到達するまで行い、前記電力供給部による前記キャパシタに対する電力供給は、前記閾値電圧より高い予め設定した設定電圧に到達するまで行うことを特徴とする請求項１に記載のＸ線発生装置。
3. 操作者により前記閾値電圧を調整する電圧条件設定部を備えることを特徴とする請求項２に記載のＸ線発生装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線発生装置と、Ｘ線を検出するＸ線検出器によって検出されたＸ線データに基づいてＸ線画像を生成するＸ線画像処理部と、これらを載積し移動可能にする車輪を備えた台車と、を有する移動型Ｘ線撮影装置。

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