醫(yī)用診斷X射線機(jī)高頻高壓發(fā)生器的研制.pdf

1、X射線的發(fā)現(xiàn)對醫(yī)學(xué)歷史的發(fā)展具有極其重要的意義，為醫(yī)學(xué)與自然科學(xué)的研究開辟出了一條嶄新的道路。X射線的應(yīng)用首先得到了臨床醫(yī)生的響應(yīng)，將其用于觀察人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，X射線機(jī)也成為了最先在臨床應(yīng)用的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，至今已有100多年的發(fā)展歷程。
　　 第一個X射線發(fā)生器是在X射線被發(fā)現(xiàn)的一年后，由X射線的發(fā)現(xiàn)者倫琴與其科研小組研制出來，然后Richard Seifert&Co制造了世界上的第一臺醫(yī)用X射線機(jī)，到20世紀(jì)初，常規(guī)X射線機(jī)開始

2、在臨床應(yīng)用，再到20世紀(jì)70年代末，數(shù)字化技術(shù)在X射線設(shè)備上開始得到應(yīng)用，并最終發(fā)展為現(xiàn)代影像技術(shù)的主導(dǎo)技術(shù)，進(jìn)入20世紀(jì)90年代后出現(xiàn)了高頻高壓發(fā)生器，高頻高壓發(fā)生器的出現(xiàn)是X射線設(shè)備發(fā)展歷史上的一次巨大的飛躍，在高頻的工作方式下，降低了輸出濾波電容的要求，而且輸出的高壓波形紋波更小，提高了高壓發(fā)生器的效率，并減小了其體積，降低了它的重量。
　　 隨著科技的飛速發(fā)展，醫(yī)院裝備了眾多高精度的影像醫(yī)療設(shè)備，如超聲、MRI、X射線設(shè)

3、備(包括普通X射線機(jī)、數(shù)字X射線機(jī)、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)等）等。在這些影像醫(yī)療設(shè)備中，因X射線設(shè)備的技術(shù)更加成熟，所以已經(jīng)成為各大醫(yī)院最主要的醫(yī)療診斷設(shè)備。
　　 X射線設(shè)備不僅現(xiàn)在是醫(yī)院最主要的診斷設(shè)備，在今后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，它仍然將繼續(xù)在醫(yī)院的診斷設(shè)備中占據(jù)最主要的位置，而且隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速進(jìn)行，各級醫(yī)院設(shè)備的需求與更新，將需要大量的X射線設(shè)備。
　　 最初，X射線機(jī)使用的是工頻高壓發(fā)生器，隨著技術(shù)的進(jìn)步

4、，新的電子元器件和電子技術(shù)在高壓發(fā)生器中得到應(yīng)用，出現(xiàn)了中頻高壓發(fā)生器，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，高壓發(fā)生器的工作頻率又從中頻提升到了高頻，出現(xiàn)了高頻高壓發(fā)生器。
　　 高頻高壓發(fā)生器自問世到現(xiàn)在為止，就一直成為X射線設(shè)備中高壓發(fā)生器的主流技術(shù)，甚至在今后的一段時間內(nèi)這種結(jié)構(gòu)也不會有大的改變，除非X射線設(shè)備的成像理論和方法發(fā)生一次理論革命。
　　 現(xiàn)在的醫(yī)用X射線設(shè)備主要由高頻高壓發(fā)生器、X射線球管、X射線探測器等部件組成。

5、高頻高壓發(fā)生器在X射線設(shè)備中發(fā)揮了心臟和大腦的作用，是X射線設(shè)備的核心部件之一，因此研究并設(shè)計(jì)適用于各類X射線設(shè)備的高頻高壓發(fā)生器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 在高頻高壓發(fā)生器的研究和設(shè)計(jì)上，國外發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)，性能好，工藝細(xì)致精良，國產(chǎn)的高頻高壓發(fā)生器與國際上現(xiàn)在的幾家主流公司相比，無論是在性能方面，還是在生產(chǎn)工藝方面都存在較大的差距。
　　 國內(nèi)高頻高壓發(fā)生器的研制起步晚，在2000年左右國內(nèi)才有一些廠家開始自

6、主研發(fā)，雖然經(jīng)過十年左右的奮起直追，但是仍然與國外同類產(chǎn)品存在差距，難以達(dá)到國外發(fā)達(dá)國家的水準(zhǔn)。
　　 本課題設(shè)計(jì)的高頻高壓發(fā)生器是基于高頻開關(guān)電源技術(shù)和基于單片機(jī)的微機(jī)控制技術(shù)，其中單片機(jī)使用的是AVR系列的ATmega128。在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案的過程中有四項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，本課題也主要是針對這四項(xiàng)難點(diǎn)內(nèi)容展開研究。
　　 第一是全橋逆變技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)從工頻到高頻的變換，需要先將工頻交流電整流濾波為平整的直流電壓，然后通過高速開

7、關(guān)器件構(gòu)成的逆變?nèi)珮颍瑢⒅绷麟妷耗孀優(yōu)轭l率受控制的高頻交流電壓;
　　 第二是升壓變換技術(shù)。利用高頻高壓變壓器將逆變橋輸出的交流電壓變換為更高電壓的交流電輸出;
　　 第三是倍壓整流濾波技術(shù)。經(jīng)過變壓器升壓后的電壓仍然是交流電壓，而X射線球管需要的是直流高壓，所以必須對變壓器次級輸出的電壓進(jìn)行整流濾波，如果是直接進(jìn)行整流濾波，那么整流濾波后輸出的直流電壓達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)的電壓值，所以需要通過倍壓整流濾波的方法來提高輸出的直

8、流電壓值;
　　 第四是調(diào)頻控制技術(shù)。對輸出的高壓進(jìn)行采樣，并反饋給控制電路，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的精確控制和自動調(diào)整，使之穩(wěn)定在設(shè)置的電壓值。
　　 本文對高頻高壓發(fā)生器的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了相關(guān)的闡述，從物理基礎(chǔ)方面闡述了X射線產(chǎn)生的原理，從宏觀的角度闡述了X射線產(chǎn)生的外界條件，列舉了評價X射線常用的量度，從數(shù)學(xué)的角度說明了不同控制方法調(diào)節(jié)控制輸出電壓的原理;然后研究設(shè)計(jì)一套可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)方案，并對方案的電源系統(tǒng)模塊、控制系統(tǒng)模塊

9、、逆變電路模塊、高頻高壓變壓器、多倍壓整流濾波、采樣反饋電路等模塊進(jìn)行了詳細(xì)的闡述剖析。
　　 電源系統(tǒng)模塊，本方案設(shè)計(jì)了一鍵開關(guān)機(jī)電路和預(yù)充電檢測電路來控制系統(tǒng)電源。一鍵開關(guān)機(jī)電路可以控制系統(tǒng)電源分配，在按下開機(jī)鍵的時候，先給發(fā)生器系統(tǒng)提供低壓電源，保證控制電路的正常工作，待系統(tǒng)穩(wěn)定后再提供高壓電源，在按下關(guān)機(jī)鍵的時候，可以切斷設(shè)備與電網(wǎng)的連接;預(yù)充電檢測電路可以先對高壓電源進(jìn)行預(yù)充電，等待電壓達(dá)到一定電壓幅值的時候再繼續(xù)充電

10、，以防止開機(jī)時造成瞬時浪涌電流;而且電源系統(tǒng)還通過保險絲、繼電器等多重保護(hù)措施來保障設(shè)備安全。
　　 高頻高壓發(fā)生器系統(tǒng)有些模塊正常工作時實(shí)際需要的工作電壓一般都較低，但是所需要的電源數(shù)量較多，所以在電源的分配上，對電源要求較高的模塊所使用的電源直接在市場上購買技術(shù)比較成熟的開關(guān)電源，這樣既有利于提高設(shè)計(jì)效率，又有利于降低成本，而對電源要求相對較低的模塊的電源將自行設(shè)計(jì)制作。
　　 脈沖頻率調(diào)制(PFM)最大的優(yōu)點(diǎn)就是變

11、壓器工作時不會出現(xiàn)直流磁分量，并且變壓器工作回路的電流始終是正弦波，因此有利于保證變壓器始終保持高效的工作狀態(tài)，所以現(xiàn)在主流的高頻高壓發(fā)生器基本都采用了調(diào)頻控制技術(shù)。
　　 本方案中選用的脈沖頻率調(diào)制芯片是MC33067，它是一款集成的PFM芯片，不同的控制電壓對應(yīng)著不同的輸出頻率，該芯片對輸出波形的調(diào)整都是基于參考電壓與誤差電壓的求和運(yùn)算。參考電壓確定了電路的工作頻率;誤差電壓對電路的工作頻率進(jìn)行調(diào)整，在二者的共同作用下，完成

12、調(diào)頻控制，當(dāng)誤差為零的時候，說明實(shí)際輸出與設(shè)定的值相等。
　　 全橋逆變把直流逆變?yōu)楦哳l的交流，本方案設(shè)計(jì)的逆變?nèi)珮虻乃膫€橋臂由四個完全相同橋臂單元構(gòu)成，每個橋臂由具有高速開關(guān)頻率的開關(guān)管構(gòu)成，由驅(qū)動時序控制橋臂上開關(guān)管的通斷。
　　 因?yàn)閄射線設(shè)備輸出的電壓幅值很高，所以高頻高壓變壓器初級和次級的變壓比大，根據(jù)設(shè)計(jì)方案的要求計(jì)算設(shè)計(jì)了高頻變壓器的初、次級繞組，磁芯類型和變壓器的結(jié)構(gòu)。
　　 本方案中用LC諧振電

13、路作為逆變橋輸出的負(fù)載，逆變橋輸出的高頻交流電作為諧振電路的輸入信號，而高頻高壓變壓器等效于漏感與一個理想的變壓器串聯(lián)，所以正好利用變壓器的漏感作為諧振回路的諧振電感，理想變壓器作為負(fù)載，將能量傳遞到變壓器的次級。
　　 在輸出直流電壓幅值不變的情況下，利用電容器儲能的特性，可以實(shí)現(xiàn)倍壓整流濾波，采用倍壓整流濾波技術(shù)，可以降低變壓器次級的輸出電壓，這樣就將變壓器的部分耐壓要求轉(zhuǎn)移給了倍壓整流濾波電路，從而降低了變壓器的耐壓要求，

14、而變壓器設(shè)計(jì)為兩個獨(dú)立的次級輸出，又進(jìn)一步降低了變壓器的耐壓要求，同時也降低了倍壓整流濾波電路中整流二極管和濾波電容的耐壓要求。
　　 本文針對高頻高壓發(fā)生器系統(tǒng)研發(fā)的四個關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)在全橋逆變、調(diào)頻控制、倍壓整流濾波三個方面取得了一定的效果，在這四個關(guān)鍵技術(shù)中，只有升壓變壓器技術(shù)稍欠效果，雖然可以用來做實(shí)驗(yàn)，但是還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。
　　 高頻高壓發(fā)生器是一個與當(dāng)前各種先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的設(shè)備，所以它總是跟隨各種新技術(shù)同