高压发生电路及电子计算机断层扫描设备的制作方法

本申请涉及医疗设备技术领域，特别是涉及一种高压发生电路及电子计算机断层扫描设备。

背景技术：

近年来，x射线计算机断层成像(computedtomography，ct)无论在基本技术方面，还是在新的临床应用方面都取得了巨大的发展，已经成为医学图像领域最令人兴奋的诊断方法之一。在ct中，双重能量成像通过在不同电压能级对扫描对象做两次扫描来获得物质特征并减少伪像。其中，基于高低kv快速切换的能量成像具有同时、同源、同向的优点，是一种极具吸引力的能量成像方式。在具体实现中，高压发生器输出电压在低能kv(kvl，通常为70～100kv之间)和高能kv(kvh，通常为120～150kv)之间快速切换，一个高能kv与一个低能kv的持续时间之和通常仅为数百μs，所发出的低能x射线与高能x射线在由对象衰减后照射到探测器的阵列上以生成图像。

在基于高低kv快速切换的双能扫描过程当中，高压发生器输出电压必须尽可能快速地在低kv和高kv之间切换以加强低能级与高能级成像过程的能谱区分度，从而获得更好的物质区分能力。其中，从高能kv切换到低能kv的下降时间与高压发生器输出电容的放电直接相关。由于高压发生器电路在高压输出端往往采用不控整流结构，高压发生器的输出滤波电容以及高压电缆寄生电容不能依靠能量回流放电而只能靠负载提供的管电流来放电，管电流越小，kv下降时间越长。因此，在常规的高压油箱结构下，尽可能地减小高压发生器输出滤波电容大小对于实现更快速地高低kv切换有着至关重要的影响。

目前的现有技术，为保证良好的成像质量，往往要求高压发生器输出直流电压中包含尽可能小的高频纹波，如果高压发生器输出滤波电容过小，则将导致输出电压中的高频纹波过大，从而影响ct系统的成像质量。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种既能够快速的切换高低电压又能够减小输出电压中的高频纹波的高压发生电路及电子计算机断层扫描设备。

一种高压发生电路，所述高压发生电路包括：多个高压发生模块以及驱动模块；所述驱动模块分别与多个所述高压发生模块的输入端连接，用于生成波形相同并存在预设时间差的驱动脉冲组，依次将所述驱动脉冲组中的驱动脉冲传输至多个所述高压发生模块；多个所述高压发生模块的输出端依次串联再连接至负载，用于接收所述驱动脉冲，并根据所述驱动脉冲向负载提供电压。

在其中一个实施例中，所述高压发生电路向负载提供电压，以使所述负载根据所述电压进行能量成像。

在其中一个实施例中，所述驱动脉冲组中的多个驱动脉冲依次延时预设时间差。

在其中一个实施例中，所述驱动脉冲组中的多个驱动脉冲依次超前预设时间差。

在其中一个实施例中，多个所述高压发生模块接收的驱动脉冲之间的时间差不同。

在其中一个实施例中，所述高压发生模块包括逆变电路、变压电路以及整流滤波电路；所述逆变电路分别与所述驱动电路以及变压电路连接，用于接收所述驱动脉冲，并根据所述驱动脉冲将直流电压转换成交流电压；所述变压电路与所述整流滤波电路电路连接，用于接收所述交流电压，并对所述交流电压进行升压；所述整流滤波电路，用于接收升压后的交流电压，将升压后的交流电压转换为直流电压并传输至负载。

在其中一个实施例中，所述高压发生模块还包括谐振电路；所述谐振电路连接在所述逆变电路与所述变压电路之间，用于接收所述交流电压，并对所述交流电压进行滤波处理。

在其中一个实施例中，所述驱动模块包括信号调理器、闭环反馈控制器以及功率放大器，所述高压发生模块的输出端依次通过所述信号调理器、闭环反馈控制器以及功率放大器连接至所述逆变电路；所述信号调理器用于对高压发生模块反馈的电气信号进行滤波限幅，所述闭环反馈控制器根据所述信号调理器输出的电气信号生成驱动脉冲，所述功率放大器用于将所述驱动脉冲进行功率放大后传输至所述逆变电路。

一种电子计算机断层扫描设备，包括上述任一种所述的高压发生电路。

上述高压发生电路及电子计算机断层扫描设备，高压发生电路包括多个高压发生模块以及驱动模块，驱动模块分别和多个高压发生模块的输入端连接，用于生成波形相同并存在预设时间差的驱动脉冲组，依次将驱动脉冲组中的驱动脉冲传输至多个高压发生模块。多个高压发生模块的输出端依次连接再串联至负载，用于接收驱动脉冲，并根据驱动脉冲向负载提供电压。通过驱动模块向多个高压发生模块传输波形相同并存在预设时间差驱动脉冲，再利用多个高压发生模块同时向负载供电，通过高压发生模块输出端交错串联，以减轻高频纹波对成像质量的影响。

附图说明

图1为一个实施例中高压发生器的等效电路图；

图2为一个实施例中高低电压切换的电压变换图；

图3为一个实施例中高压发生电路的电路图；

图4为另一个实施例中高压发生电路的电路图；

图5为一个实施例中直流源的电路图；

图6为一个实施例中逆变电路的电路图；

图7为一个实施例中整流滤波电路的电路图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

计算机断层扫描设备(ct)通常包括机架、扫描床以及供医生操作的控制台。机架的一侧设置有球管，与球管相对的一侧设置有探测器。控制台为控制球管以及探测器进行扫描的计算机设备，计算机设备还用于接收探测器采集到的数据，并对数据进行处理重建，最终形成ct图像。在利用ct进行扫描时，患者躺在扫描床上，由扫描床将患者送入机架的孔径内，机架上设置的球管发出x射线，x射线穿过患者被探测器接收形成数据，并将数据传输给计算机设备，计算机设备对数据进行初步处理以及图像重建得到ct图像。

双能量计算机断层扫描设备，能够利用物质对处于不同能量水平的x射线的不同吸收特性来分析物质成分，从而提高自身对软组织的显影能力，具有非常高的临床应用价值。单源ct的快速千伏切换作为双能量ct的一种，其相对于传统的双源ct具有同时、同源、同向等优点，是性能优良的双能成像方法。

球管和高压发生器是x线机、x线ct的主要组成部分。高压发生器把输入的交流电压升高数百倍，再经整流，为球管提供产生x线所需要的直流电压。球管接收高压发生器输送的电压，并利用电压加热阴极灯丝来产生热电子，利用热电子对阳极靶盘的轰击来产生x射线。由于高压发生器的输出功率高达上百千瓦，再加上热电子只有不到1％的能量能够转化为x射线发出，余下的超过99％的能量将以热能的方式堆积在阳极靶盘上。

如图1所示，图1为一个实施例中高压发生器的等效电路图。其中ckv为高压发生器输出的滤波电容，cca为高压电缆寄生电容，受到电路因素的限制，低能级电压与高能级电压的切换过程必然存在一定的过渡时间。其中，从高能级电压切换到低能级电压的下降时间与高压发生器输出电容的放电直接相关。由于高压发生器电路在高压输出端往往采用不控整流结构，高压发生器的输出滤波电容以及高压电缆寄生电容不能依靠能量回流放电而只能靠负载球管提供的管电流来放电，管电流越小，电压下降时间越长。如图2所示，图2为一个实施例中高低电压切换的电压变换图。其中mah为较大管电流，mal为较小管电流。以1nf的高压发生器等效输出电容为例：管电流为200ma时，输出电压从140kv下降到80kv所需要的时间高达300μs。因此，在常规的高压油箱结构下，尽可能的减小高压发生器输出滤波电容大小对于实现快速高低能级电压切换有着至关重要的影响。但为了保证良好的成像质量，需要高压发生器输出直流电压中包含尽可能小的高频纹波，而高压发生器输出滤波电容过小，会导致输出电压中的高频纹波过大，从而影响成像质量。

如图3以及图4所示，图3为一个实施例中高压发生电路的电路图，图4为另一个实施例中高压发生电路的电路图。一种高压发生电路，高压发生电路包括：多个高压发生模块100以及驱动模块200；所述驱动模块200分别与多个所述高压发生模块100的输入端连接，用于生成波形相同并存在预设时间差的驱动脉冲组，依次将所述驱动脉冲组中的驱动脉冲传输至多个所述高压发生模块100；多个所述高压发生模块100的输出端依次串联再连接至负载，用于接收所述驱动脉冲，并根据所述驱动脉冲向负载提供电压。

具体地，驱动模块200与多个高压发生模块100连接，驱动模块200用于产生驱动脉冲组，并将产生的驱动脉冲组传输至多个高压发生模块100。也就是将驱动脉冲组中的每一个驱动脉冲分别传输至不同的高压发生模块100。高压发生模块100的输出端串联后连接至负载，向负载供电。其中，驱动脉冲组中的各驱动脉冲之间存在时间差，通过将存在时间差的驱动脉冲传输至高压发生模块100，各高压发生模块100的输出端相互串联，以使各高压发生模块100产生电压的高频开关纹波实现叠加对消，从而达到减小输出电压高频纹波的目的。更具体的，负载可以是x射线球管，可以是纯电阻器，也可以是纯电感器。本实施例不对负载做具体限定。只要负载需配置输出纹波小且电压切换速度快的高压发生电路即可。若本实施例中的高压发生电路应用在计算机断层扫描设备中时，高压发生电路向负载提供电压，以使所述负载根据所述电压进行能量成像。

在其中一个实施例中，如图3所示，驱动脉冲组中的多个驱动脉冲依次延时预设时间差。高压发生模块100采用定频调制方式，也可以采用变频调制方式，只要能够达到驱动脉冲的波形相同均可。各高压发生模块100接收到的驱动脉冲的波形是完全一致的，只是存在一定的时间差，其中时间差为每个高压发生模块接收到的驱动脉冲与第1个高压发生模块接受到的驱动脉冲之间的时间差。例如：将高压发生模块100分为多组，其中第k组的高压发生模块100接收到的驱动脉冲相比第1组高压发生模块100延时tk，由于输出倍频效果，第k组高压发生模块100产生电压的高频开关纹波相比第1组高压发生模块100产生电压的高频开关纹波相位延迟tk*4π/ts，其中，ts为高压发生模块100的调制周期，对于一定频率的谐波含量，第k组高压发生模块100产生电压高频开关纹波的相位延迟，能够使之前高压发生模块100输出端串联后的高频开关纹波实现叠加对消，从而达到减小输出总电压高频纹波的目的。

在其中一个实施例中，如图4所示，驱动脉冲组中的多个驱动脉冲依次超前预设时间差。高压发生模块100采用定频调制方式，也可以采用变频调制方式，只要能够达到驱动脉冲的波形相同均可。各高压发生模块100接收到的驱动脉冲的波形是完全一致的，只是存在一定的时间差，其中时间差为每个高压发生模块接收到的驱动脉冲与第1个高压发生模块接受到的驱动脉冲之间的时间差。例如：将高压发生模块100分为多组，其中第k组的高压发生模块100接收到的驱动脉冲相比第1组高压发生模块100超前tk，由于输出倍频效果，第k组高压发生模块100产生电压的高频开关纹波相比第1组高压发生模块100产生电压的高频开关纹波相位超前tk*4π/ts，其中，ts为高压发生模块100的调制周期，对于一定频率的谐波含量，第k组高压发生模块100产生电压高频开关纹波的相位超前，能够使之前高压发生模块100输出端串联后的高频开关纹波实现叠加对消，从而达到减小输出总电压高频纹波的目的。

在其中一个实施例中，多个所述高压发生模块100接收的驱动脉冲之间的时间差不同。其中，所述驱动脉冲之间的时间差根据高压发生电路总输出电压高频纹波需求进行设置，从而达到各个高压发生模块输出电压高频纹波交错叠加对消的目的。

在其中一个实施例中，高压发生模块100包括逆变电路110、变压电路130以及整流滤波电路140；所述逆变电路110分别与所述驱动电路以及变压电路130连接，用于接收所述驱动脉冲，并根据所述驱动脉冲将直流电压转换成交流电压；所述变压电路130与所述整流滤波电路140电路连接，用于接收所述交流电压，并对所述交流电压进行升压；所述整流滤波电路140，用于接收升压后的交流电压，将升压后的交流电压转换为直流电压并传输至负载。

具体地，逆变电路110与电压源或电流源连接，用于接收驱动电路传输的驱动脉冲，并根据驱动脉冲驱动逆变电路110中的开关管，以使电压源或电流源的直流电压转换成交流电压。其中，各高压发生模块100的逆变电路110可以分别连接独立的电压源或电流源，各高压发生模块100的逆变电路110也可以共用电压源或电流源。变压电路130可以包括至少一个升压变压器，将逆变电路110转换的交流电压进行升压。整流滤波电路140可以为全桥整流，也可以为倍压整流，用于将变压电路130升压后的交流电转换为直流电。

更具体地，如图5所示，图5为一个实施例中直流源150的电路图。直流源150包括：第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第五二极管d5、第六二极管d6、第一电容c1、第一电感l1、第二电感l2以及第三电感l3。第一二极管d1和第二二极管d2串联，第三二极管d3和第四二极管d4串联，第五二极管d5和第六二极管d6串联。串联的第一二极管d1和第二二极管d2、串联的第三二极管d3和第四二极管d4以及串联的第五二极管d5和第六二极管d6并联。第一电容c1与串联的第五二极管d5和第六二极管d6并联。三相交流电的三个输出接口分别与第一二极管d1和第二二极管d2的连接点、第三二极管d3和第四二极管d4的连接点以及第五二极管d5和第六二极管d6的连接点连接。

更具体地，如图6所示，图6为一个实施例中逆变电路110的电路图。逆变电路110包括：第七二极管d7、第八二极管d8、第九二极管d9、第十二极管d10、第一开关管k1、第二开关管k2、第三开关管k3以及第四开关管k4。第一开关管k1和第二开关管k2串联，第三开关管k3以及第四开关管k4串联。串联的第一开关管k1和第二开关管k2以及串联的第三开关管k3以及第四开关管k4并联。第一开关管k1两端并联有第七二极管d7，第二开关管k2两端并联有第八二极管d8，第三开关管k3两端并联有第九二极管d9，第四开关管k4两端并联有第十二极管d10。

更具体的，如图7所示，图7为一个实施例中整流滤波电路140的电路图。整流滤波电路140包括：第十一二极管d11、第十二二极管d12、第二电容c2以及第三电容c3。第十一二极管d11和第十二二极管d12串联，第二电容c2和第三电容c3串联，串联的第十一二极管d11和第十二二极管d12以及串联的第二电容c2和第三电容c3并联。

在其中一个实施例中，高压发生模块100还包括谐振电路120；所述谐振电路120连接在所述逆变电路110与所述变压电路130之间，用于接收所述交流电压，并对所述交流电压进行滤波处理。通过滤波处理以匹配后续变压电路130的阻抗需求，并使得逆变电路110中的功率开关管工作在更优的状态。

具体地，谐振电路120可以为lc串联谐振电路120，可以为lc并联谐振电路120，可以为lcc串联谐振电路120，可以为lcc并联谐振电路120，还可以为llc谐振电路120。

在其中一个实施例中，所述驱动模块200包括信号调理器、闭环反馈控制器以及功率放大器，所述高压发生模块的输出端依次通过所述信号调理器、闭环反馈控制器以及功率放大器连接至所述逆变电路；所述信号调理器用于对高压发生模块反馈的电气信号进行滤波限幅，并将调理后的电气信号传输至闭环反馈控制器，其中电气信号可以为电压或电流等电气参数。所述闭环反馈控制器根据所述信号调理器输出的电气信号以及高频纹波需求生成驱动脉冲，所述功率放大器用于将所述驱动脉冲进行功率放大后传输至所述逆变电路110，以驱动逆变电路110中的开关管。其中，驱动脉冲为占空比可调的方波。闭环反馈控制器可以为单电压环pid反馈控制器或电压电流双闭环pid反馈控制器。

上述高压发生电路，通过设置多个高压发生模块100，再向各高压发生模块100中的逆变电路110传输具有时间差的驱动脉冲，将多个高压发生模块100的输出端串联，从而实现输出端电压高频纹波对消，达到减小输出端电压高频开关纹波的目的。

在其中一个实施例中，一种电子计算机断层扫描设备，包括上述实施例中任一种所述的高压发生电路。电子计算机断层扫描设备还包括机架、扫描床以及供医生操作的控制台。机架的一侧设置有球管，与球管相对的一侧设置有探测器。高压发生电路与球管连接用于提供球管所需的高电压。

更具体的，逆变电路110可以采用定频调制方式，也可以采用变频调制方式，只要能够达到驱动脉冲的波形相同均可，本实施例不对调制方式做具体限定。各组逆变电路110对应位置开关管的驱动脉冲波形是完全一致的，只是存在一定的时间差。例如：将逆变电路110分为多组，其中第k组的逆变电路110开关管接收到的驱动脉冲相比第1组逆变电路110开关管延迟或超前tk，由于输出倍频效果，第k组逆变电路110开关管产生电压的高频开关纹波相比第1组逆变电路110开关管产生电压的高频开关纹波相位延迟或超前tk*4π/ts，其中，ts为逆变电路110开关管的调制周期，对于一定频率的谐波含量，第k组高压发生模块100产生电压高频开关纹波的相位延迟或超前，能够使之前高压发生模块100输出端串联后的总电压高频开关纹波实现叠加对消，从而达到减小输出电压高频纹波的目的。

上述高压发生电路及电子计算机断层扫描设备，高压发生电路包括多个高压发生模块100以及驱动模块200，驱动模块200分别和多个高压发生模块100的输入端连接，用于生成波形相同并存在预设时间差的驱动脉冲组，依次将驱动脉冲组中的驱动脉冲传输至多个高压发生模块100。多个高压发生模块100的输出端依次连接再串联至负载，用于接收驱动脉冲，并根据驱动脉冲向负载提供电压。通过驱动模块200向多个高压发生模块100传输波形相同并存在预设时间差的驱动脉冲，再利用多个高压发生模块100同时向负载供电，通过高压发生模块100输出端交错串联，以减轻高频纹波对成像质量的影响。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。