【摘要】：X射線的發(fā)現對醫(yī)學歷史的發(fā)展具有極其重要的意義,為醫(yī)學與自然科學的研究開辟出了一條嶄新的道路。X射線的應用首先得到了臨床醫(yī)生的響應,將其用于觀察人體內部結構,X射線機也成為了最先在臨床應用的醫(yī)學影像設備,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)現的一年后,由X射線的發(fā)現者倫琴與其科研小組研制出來,然后Richard SeifertCo制造了世界上的第一臺醫(yī)用X射線機,到20世紀初,常規(guī)X射線機開始在臨床應用,再到20世紀70年代末,數字化技術在X射線設備上開始得到應用,并最終發(fā)展為現代影像技術的主導技術,進入20世紀90年代后出現了高頻高壓發(fā)生器,高頻高壓發(fā)生器的出現是X射線設備發(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)療設備,如超聲、MRI、X射線設備(包括普通X射線機、數字X射線機、計算機斷層掃描(CT)等)等。在這些影像醫(yī)療設備中,因X射線設備的技術更加成熟,所以已經成為各大醫(yī)院最主要的醫(yī)療診斷設備。 X射線設備不僅現在是醫(yī)院最主要的診斷設備,在今后相當長的一段時間內,它仍然將繼續(xù)在醫(yī)院的診斷設備中占據最主要的位置,而且隨著我國城鎮(zhèn)化進程加速進行,各級醫(yī)院設備的需求與更新,將需要大量的X射線設備。 最初,X射線機使用的是工頻高壓發(fā)生器,隨著技術的進步,新的電子元器件和電子技術在高壓發(fā)生器中得到應用,出現了中頻高壓發(fā)生器,隨著技術的進一步發(fā)展,高壓發(fā)生器的工作頻率又從中頻提升到了高頻,出現了高頻高壓發(fā)生器。 高頻高壓發(fā)生器自問世到現在為止,就一直成為x射線設備中高壓發(fā)生器的主流技術,甚至在今后的一段時間內這種結構也不會有大的改變,除非X射線設備的成像理論和方法發(fā)生一次理論革命。 現在的醫(yī)用X射線設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。高頻高壓發(fā)生器在X射線設備中發(fā)揮了心臟和大腦的作用,是x射線設備的核心部件之一,因此研究并設計適用于各類X射線設備的高頻高壓發(fā)生器具有重要的現實意義。 在高頻高壓發(fā)生器的研究和設計上,國外發(fā)達國家的產品技術先進,性能好,工藝細致精良,國產的高頻高壓發(fā)生器與國際上現在的幾家主流公司相比,無論是在性能方面,還是在生產工藝方面都存在較大的差距。 國內高頻高壓發(fā)生器的研制起步晚,在2000年左右國內才有一些廠家開始自主研發(fā),雖然經過十年左右的奮起直追,但是仍然與國外同類產品存在差距,難以達到國外發(fā)達國家的水準。 本課題設計的高頻高壓發(fā)生器是基于高頻開關電源技術和基于單片機的微機控制技術,其中單片機使用的是AVR系列的ATmega128。在實現系統(tǒng)方案的過程中有四項技術難點,本課題也主要是針對這四項難點內容展開研究。 第一是全橋逆變技術。為了實現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,然后通過高速開關器件構成的逆變全橋,將直流電壓逆變?yōu)轭l率受控制的高頻交流電壓； 第二是升壓變換技術。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。經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行整流濾波,如果是直接進行整流濾波,那么整流濾波后輸出的直流電壓達不到設計指標的電壓值,所以需要通過倍壓整流濾波的方法來提高輸出的直流電壓值; 第四是調頻控制技術。對輸出的高壓進行采樣,并反饋給控制電路,實現對輸出電壓的精確控制和自動調整,使之穩(wěn)定在設置的電壓值。 本文對高頻高壓發(fā)生器的理論基礎進行了相關的闡述,從物理基礎方面闡述了X射線產生的原理,從宏觀的角度闡述了X射線產生的外界條件,列舉了評價X射線常用的量度,從數學的角度說明了不同控制方法調節(jié)控制輸出電壓的原理;然后研究設計一套可實現的系統(tǒng)方案,并對方案的電源系統(tǒng)模塊、控制系統(tǒng)模塊、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行了詳細的闡述剖析。 電源系統(tǒng)模塊,本方案設計了一鍵開關機電路和預充電檢測電路來控制系統(tǒng)電源。一鍵開關機電路可以控制系統(tǒng)電源分配,在按下開機鍵的時候,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,在按下關機鍵的時候,可以切斷設備與電網的連接；預充電檢測電路可以先對高壓電源進行預充電,等待電壓達到一定電壓幅值的時候再繼續(xù)充電,以防止開機時造成瞬時浪涌電流；而且電源系統(tǒng)還通過保險絲、繼電器等多重保護措施來保障設備安全。 高頻高壓發(fā)生器系統(tǒng)有些模塊正常工作時實際需要的工作電壓一般都較低,但是所需要的電源數量較多,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比較成熟的開關電源,這樣既有利于提高設計效率,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計制作。 脈沖頻率調制(PFM)最大的優(yōu)點就是變壓器工作時不會出現直流磁分量,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),所以現在主流的高頻高壓發(fā)生器基本都采用了調頻控制技術。 本方案中選用的脈沖頻率調制芯片是MC33067,它是一款集成的PFM芯片,不同的控制電壓對應著不同的輸出頻率,該芯片對輸出波形的調整都是基于參考電壓與誤差電壓的求和運算。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行調整,在二者的共同作用下,完成調頻控制,當誤差為零的時候,說明實際輸出與設定的值相等。 全橋逆變把直流逆變?yōu)楦哳l的交流,本方案設計的逆變全橋的四個橋臂由四個完全相同橋臂單元構成,每個橋臂由具有高速開關頻率的開關管構成,由驅動時序控制橋臂上開關管的通斷。 因為X射線設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,根據設計方案的要求計算設計了高頻變壓器的初、次級繞組,磁芯類型和變壓器的結構。 本方案中用LC諧振電路作為逆變橋輸出的負載,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,可以實現倍壓整流濾波,采用倍壓整流濾波技術,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移給了倍壓整流濾波電路,從而降低了變壓器的耐壓要求,而變壓器設計為兩個獨立的次級輸出,又進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)的四個關鍵技術,已經在全橋逆變、調頻控制、倍壓整流濾波三個方面取得了一定的效果,在這四個關鍵技術中,只有升壓變壓器技術稍欠效果,雖然可以用來做實驗,但是還需要進一步的改進。 高頻高壓發(fā)生器是一個與當前各種先進技術相結合的設備,所以它總是跟隨各種新技術同步發(fā)展,包括半導體技術、計算機與網絡技術、電源技術等等。一種新技術的出現,很快就能將這種技術用來改進高頻高壓發(fā)生器,從以前的工頻機到現在的高頻機都體現了這一技術特色,所以在今后高頻高壓發(fā)生器技術一定還會有更大的突破。醫(yī)生和患者也會在使用的過程中對其提出更高的要求,這些新的要求必然會促進X射線設備技術的再次改進,因此這些新的要求也是X射線設備研究人員需要面對的新課題。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：R812

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本文編號：2332628