РЕНТГЕНОВСКИЙ АППАРАТ Российский патент 1995 года по МПК H05G1/10 H05G1/12 

Изобретение относится к рентгенотехнике и может применяться в рентгеновских аппаратах для получения снимков.

Известны рентгеновские аппараты для получения снимков, снабженные различными системами уставок параметров функционирования, включающими систему уставок с постоянным током (двухручечная уставка анодного напряжения и времени экспозиции кВ-с), систему уставок с неизменной мощностью (кВ-с), систему с независимым регулированием (трехручечная уставка кВ-с-мА), двухручечную систему уставок (кВ-мАс) [1]
Использование указанных систем уставок предполагает высокую квалификацию и ответственность рентгенолога.

Известен рентгеновский аппарат, содержащий детектор для измерения интенсивности излучения за исследуемым объектом, схему сравнения, к которой подключены детектор и источник опорного сигнала и средства регулирования высокого напряжения на рентгеновском излучателе таким образом, чтобы скомпенсировать разбаланс между сигналом детектора и опорным сигналом [2]
Также известен рентгеновский аппарат со среднечастотным преобразованием напряжения в главной цепи, содержащий рентгеновский излучатель, подключенные к нему высоковольтный генератор и блок накала, детектор излучения за исследуемым объектом, средства определения высокого напряжения на излучателе в виде измерительного делителя напряжения, подключенные к детектору цепь реле экспозиции и цепь сравнения сигнала детектора с опорным сигналом, рентгеновскую кассету и пульт управления [3]
В аппаратах [2, 3] используется цепь обратной связи для отработки изменений высокого напряжения во время снимка.

В известных аппаратах также используется одна из приведенных выше систем уставок.

Недостатком такого решения являются постоянная возможность ошибки оператора при задании величины высокого напряжения; ограниченные возможности оперативного учета физических различий снимаемых объектов (пациентов) с точки зрения задаваемой величины высокого напряжения; инерционность системы регулирования.

Цель изобретения заключается в реализации безуставочной системы автоматического вывода аппарата на требуемое для снимка высокое напряжение, что позволило бы устранить перечисленные выше недостатки и создать рентгеновскую аппаратуру с предельно простым управлением.

Цель достигается тем, что в рентгеновский аппарат, содержащий рентгеновский излучатель, подключенные к нему высоковольтный генератор, в частности со среднечастотным преобразованием в главной цепи, и блок накала, детектор излучения за исследуемым объектом, средства определения высокого напряжения на излучателе, подключенные к детектору цепь реле экспозиции и цепь сравнения сигнала детектора с опорным сигналом, рентгеновскую кассету и пульт управления, введены средства фиксации высокого напряжения в период его нарастания после включения аппарата, цепь сравнения снабжена формирователем управляющего сигнала для указанных средств фиксации в момент совпадения сигнала детектора и опорного сигнала и средствами задания опорного сигнала в зависимости от высокого напряжения на излучателе, при котором сигнал детектора совпадает с базовой опорной величиной, причем средства задания опорного сигнала связаны со средствами определения высокого напряжения на излучателе.

При этом средства задания опорного сигнала выполнены на основе цифровых компонентов, совокупное быстродействие которых выбрано из условия t_уос x x dU/dt≅Δ U, где t_уос время установления опорного сигнала после момента совпадения сигнала детектора с базовой опорной величиной; dU/dt скорость нарастания высокого напряжения на излучателе после включения аппарата; Δ U максимально допустимый рост высокого напряжения за время t_уос, причем средства задания опорного сигнала содержат дополнительную цепь сравнения сигнала детектора с базовой опорной величиной и блок хранения и вывода величин опорного сигнала, к которому подсоединены дополнительная цепь сравнения и средства определения высокого напряжения на излучателе, причем выход блока хранения и вывода связан с формирователем управляющего сигнала основной цепи сравнения.

Кроме того, средства определения высокого напряжения выполнены на основе измерителя времени, прошедшего от момента включения аппарата до момента совпадения сигнала детектора с базовой опорной величиной.

Указанное решение позволяет отказаться от общепринятых систем уставок и выводить высокое напряжение на требуемую величину автоматически без предварительного задания этой величины оператором.

При этом напряжение автоматически устанавливается в требуемый для получения качественного снимка исследуемого органа диапазон, причем с учетом "прозрачности" самого пациента, причем одновременно снимок выполняется в приемлемом для данного органа диапазоне мАс.

Существенность выполнения средств задания опорного сигнала цифровыми связана с необходимостью наличия высокого быстродействия.

Выполнение средств определения высокого напряжения в виде измерителя времени целесообразно, во-первых, в связи с постоянством фронта нарастания высокого напряжения при включении в аппаратах, особенно со среднечастотным преобразованием напряжения в главной цепи, т.е. каждому моменту времени в пределах длительности фронта нарастания может быть поставлена в соответствие определенная величина высокого напряжения, и, во-вторых, простая совместимость измерителя времени с цифровыми средствами, поскольку он может быть выполнен даже на основе тактового генератора одного из цифровых средств.

На фиг. 1 приведена схема рентгеновского аппарата со среднечастотным преобразованием напряжения в главной цепи; на фиг. 2 схемный узел с измерителем времени в качестве средств определения высокого напряжения; на фиг. 3 временные диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы рентгеновского аппарата.

Рентгеновский аппарат содержит рентгеновский излучатель 1, высоковольтный генератор 2 с сетевыми контакторами 3, образованный сетевым выпрямителем 4, сглаживающим LC-фильтром 5, инвертором 6, высоковольтным трансформатором 7 и высоковольтным выпрямителем 8, и блок 9 накала. Параллельно рентгеновскому излучателю на выходе высоковольтного генератора 2 включен измерительный делитель 10 напряжения.

За исследуемым объектом 11 установлены проходной детектор 12 излучения и рентгеновская кассета 13 с определенной комбинацией экран-пленка.

К детектору 12 через усилитель 14 подключена цепь реле экспозиции, образованная интегратором 15, первым компаратором 16 и первым источником 17 опорного сигнала (ИОС).

Подключенная к детектору 12 через тот же усилитель цепь сравнения сигнала детектора 12 с опорным сигналом содержит компаратор 18 и средства задания опорного сигнала в зависимости от напряжения на излучателе 1, включающие АЦП 19, цифровой компаратор 20, ПЗУ 21, ЦАП 22 и АЦП 23.

АЦП 19 служит для оцифровывания сигнала с выхода усилителя 14 сигнала детектора 12.

АЦП 23 служит для оцифровывания сигнала с измерительного делителя 10 напряжения.

Цифровой компаратор 20 хранит базовую опорную величину для сравнения с оцифрованным сигналом детектора 12, выбираемую по следующим основаниям.

Если допустимая мощность излучателя 1 составляет 30 кВт, то при максимальном напряжении снимка 120 кВ и длительности экспозиции 1 с анодный ток составит 250 мА, что соответствует 250 мАс по параметру количества электричества. Для получения требуемого почернения пленки требуется некоторая доза, зависящая от чувствительности используемой комбинации экран-пленка и составляющая, например, 0,05R. Соответственно при длительности экспозиции 1 с мощность дозы за объектом 6 должна составлять 0,05 R/c, на основании чего и задается базовая опорная величина.

Указанная величина количества электричества 250 мАс достаточна для получения снимка наиболее поглощающих органов человеческого тела практически при любой комплекции пациентов.

Вместе с тем, при исследованиях органов, оптимальные величины высоких напряжений при съемке для которых находятся ниже, например 90 кВ, сохранение величины 250 мАс не требуется.

Кроме того, сохранение величины мАс на уровне 250 мАс привело бы к существенному недобору высокого напряжения при фиксированной уставке анодного тока (250 мА) и заданной длительности экспозиции (1 с).

Поэтому, чтобы вывести высокое напряжение в оптимальный для исследуемого органа диапазон, следует уменьшить время экспозиции, тем самым снижая и величину мАс. Такая возможность органично присуща предлагаемой системе автоматической установки параметров экспозиции (кВ-с).

Условно можно составить шкалу соответствия между величинами высокого напряжения и временем экспозиции следующего типа, приведенную в таблице.

Такая таблица хранится в ПЗУ 21, адресный вход которого соединен с выходом АЦП 23, формирующего оцифрованный сигнал высокого напряжения на рентгеновском излучателе 1. Компаратор 20 служит для подачи на ПЗУ 21 сигнала считывания, по которому в соответствии с адресом, поступающим с АЦП 23, из ПЗУ 21 выводится через ЦАП 22 на опорный вход компаратора 18 задаваемая для данной экспозиции опорная величина.

Выходы компараторов 16 и 18 через пульт 24 управления (или через специальные схемы типа реле) связаны со средствами фиксации высокого напряжения в период его нарастания после включения аппарата.

Эти средства включены на входе широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 25, управляющего работой инвертора 6 (можно также использовать блок частотного управления или блок регулируемой фазовой отсечки). В состав указанных средств входят операционный усилитель 26, параллельно с ним включенный конденсатор 27, источник 28 напряжения, последовательно включенный с источником 28 первый ключ 29 и включенный параллельно конденсатору 27 второй ключ 30.

В варианте, когда информацию о величине высокого напряжения получают не с измерительного делителя 10, а на основании времени, прошедшего от момента включения аппарата, используется схема, приведенная на фиг. 2.

В простейшем варианте эта схема содержит тактовый генератор 31 и счетчик 32 с входами запуска и считывания, которые соединены соответственно с пультом 24 управления и компаратором 20. При этом в качестве тактового генератора может использоваться соответствующий генератор АЦП 19.

Все вышеприведенные цифровые блоки могут быть реализованы на основе стандартного микропроцессора.

Быстродействие цифровой части схемы выбрано из условия t_уос ˙dU/dt ≅ U, где t_уос время установления цифровыми средствами опорного сигнала на опорном входе компаратора 18; dU/dt скорость нарастания высокого напряжения при включении аппарата; ΔU максимально допустимое изменение высокого напряжения за время t_уос.

Рентгеновский аппарат работает следующим образом.

Перед включением аппарата сетевые контакторы 3 и ключ 29 разомкнуты, а ключ 30 замкнут. По сигналу запуска с пульта 24 управления происходит замыкание сетевых контакторов 3, ключа 29 и размыкание ключа 30. Сетевое напряжение поступает на высоковольтный генератор 2 и одновременно от источника 28 заряжается конденсатор 27, напряжение с которого через операционный усилитель 26 поступает на управляющий вход ШИМ 25, управляющий инвертором 6. Высоковольтный генератор 2 формирует при этом на выходе нарастающее высокое напряжение (фиг. 3), которое поступает на излучатель 1. Последний генерирует рентгеновское излучение, проходящее через исследуемый объект 11 и падающее на проходной детектор 12 и расположенную за ним рентгеновскую кассету 13.

Под действием прошедшего через объект 11 излучения детектор 12 генерирует электрический сигнал, через усилитель 14 поступающий на АЦП 19, компаратор 18 и интегратор 15.

Когда сигнал с детектора 12 после соответствующего преобразования усилителем 14 и АЦП 19 сравняется с базовой опорной величиной, хранящейся в цифровом компараторе 20, последний формирует управляющий сигнал для ПЗУ 21, на адресный вход которого поступает сигнал с АЦП 23, соответствующий действующей величине высокого напряжения и снимаемый с измерительного делителя 10. По сигналу с компаратора 20 из ПЗУ 21 через ЦАП 22 на опорный вход компаратора 18 считывается опорный сигнал, поставленный указанной выше таблицей в соответствие с величиной высокого напряжения, при которой сигнал детектора совпал с базовой опорной величиной.

После поступления опорного сигнала с ЦАП 22 на компаратор 18 напряжение на излучателе 1 в общем случае продолжает нарастать и сигнал детектора 12 также увеличивается. Когда сигнал на рабочем входе компаpатоpа 18 сравняется с опорным сигналом, компаратор 18 формирует управляющий сигнал, по которому происходит размыкание ключа 29. Вследствие этого зарядка конденсатора 27 от источника 28 прекращается и напряжение на входе ШИМ 25 остается зафиксированным на время снимка, т.е. фиксируется и напряжение на излучателе 1.

В ходе снимка, когда уровень сигнала на выходе интегратора 15 цепи реле экспозиции сравняется с опорным сигналом с ИОС 17, срабатывает компаратор 16, по сигналу которого размыкаются сетевые контакторы 3 и замыкается ключ 30. Замыкание ключа 30 вызывает уход заряда с конденсатора 27, вследствие чего на входе ШИМ 25 устанавливается нулевое напряжение. Снимок завершен.

В соответствии с фиг. 2 информацию о высоком напряжении можно получать со счетчика 32, запускаемого на счет импульсов тактового генератора 31 сигналом включения аппарата и останавливаемого на считывание результата счета на адресный вход ПЗУ 21 сигналом цифрового компаратора 20.

Параметры быстродействия цифровых средств связаны с динамикой роста высокого напряжения. Типичная длительность фронта нарастания для инверторного генератора составляет 3 мс (до 120 кВ), т.е. dU/dt=40 кВ/мс. Величина ΔU за t_уос не должна превышать, например, 2-3 кВ, т.е. t_уос должно составлять 50-75 мкс.

Если быстродействие не позволяет получить указанное t_уос, то имеется возможность некоторого занижения базовой опорной величины по сравнению с полученной на основе учета полной мощности излучателя 1, что позволит увеличить Δ U и тем самым и t _уос.

Временные диаграммы экспозиции приведены на фиг. 3 сплошными линиями. Из этих диаграмм видно, что в диапазоне 90-120 кВ длительность экспозиции составляет постоянную величину, а при меньших напряжениях длительность экспозиции уменьшается. Пунктирными линиями показаны напряжения, при которых происходит срабатывание компаратора 20 (стрелки показывают, к какой диаграмме относится соответствующий уровень напряжения).

Изобретение относится к рентгенотехнике и может применяться в рентгеновских аппаратах для получения снимков, в частности в аппаратах со среднечастотным преобразованием напряжения в главной цепи. В аппарате осуществлен автоматический режим вывода на требуемый уровень высокого напряжения. Этот вывод производится в период нарастания напряжения на излучателе после включения аппарата путем сравнения сигнала, соответствующего интенсивности излучения за объектом, с опорной величиной и фиксации уровня высокого напряжения в момент совпадения указанных величин, при этом опорная величина устанавливается в зависимости от того напряжения, при котором имело место совпадение сигнала детектора с базовой опорной величиной, устанавливаемой, в частности, в соответствии с допустимой мощностью рентгеновского излучателя. 2 з. п.ф лы, 3 ил.

1. РЕНТГЕНОВСКИЙ АППАРАТ, содержащий рентгеновский излучатель, подключенные к нему высоковольтный генератор, в частности со среднечастотным преобразованием напряжения в главной цепи и блок накала, детектор излучения за исследуемым объектом, средства определения высокого напряжения на излучателе, подключенные к детектору цепь реле экспозиции и цепь сравнения сигнала детектора с опорным сигналом, рентгеновскую кассету и пульт управления, отличающийся тем, что в него введены средства фиксации высокого напряжения в период его нарастания после включения аппарата, цепь сравнения снабжена формирователем управляющего сигнала для средств фиксации в момент совпадения сигнала детектора и опорного сигнала и средствами задания опорного сигнала в зависимости от высокого напряжения на излучателе, при котором сигнал детектора совпадает с базовой опорной величиной, причем средства задания опорного сигнала связаны со средствами определения высокого напряжения на излучателе. 2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что средства задания опорного сигнала выполнены на основе цифровых компонентов, совокупное быстродействие которых выбрано из условия

где t_у.о.с время установления опорного сигнала после момента совпадения сигнала детектора с базовой опорной величиной;
скорость нарастания высокого напряжения на излучателе после включения аппарата;
ΔU максимально допустимый рост высокого напряжения за время t_у.о.с,
причем средства задания опорного сигнала содержат дополнительную цепь сравнения сигнала детектора с базовой опорной величиной и блок хранения и вывода величин опорного сигнала, к которому подсоединены дополнительная цепь сравнения и средства определения высокого напряжения на излучателе, причем выход блока хранения и вывода связан с формирователем управляющего сигнала основной цепи сравнения. 3. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что средства определения высокого напряжения на излучателе выполнены на основе измерителя времени, прошедшего от момента включения аппарата до момента совпадения сигнала детектора с базовой опорной величиной.