一种应用于IGRT中的电源管理模块及方法、CBCT高压发生器与流程

一种应用于igrt中的电源管理模块及方法、cbct高压发生器
技术领域
1.本发明涉及igrt以及cbct技术领域，具体涉及一种应用于igrt中的电源管理模块及方法、cbct高压发生器。


背景技术：

2.肿瘤精确放疗中存在系统和随机误差，一般是由于在治疗时摆位状态和分次治疗时病人解剖位置的变化引起。即使采用了各种辅助摆位装置并严格操作，其误差仍可能达到数毫米。近年来，出现了将诊断锥形束ct(cone beam ct,cbct)安装在直线加速器上的技术，即图像引导适形调强放疗(imaging guided rt,igrt)。它实现了影像学指导的放疗，即在每次放疗治疗前，cbct扫描治疗体位肿瘤靶区及周围一定体积的三维图像，与治疗计划图像进行比对，使照射野紧紧追随靶区，提高了照射的准确性，最大程度的保护正常组织。
3.锥形束ct是基于大面积非晶硅数字化射线探测板，具有体积小，重量轻，开放式架构的特点，可以直接整合到直线加速器上。机架旋转一周就能获取和重建一个体积范围内的ct图像。cbct可以达到比传统的ct更高的空间分辨率，密度分辨率也足以分辨软组织结构，可以通过肿瘤本身成像引导放疗。
4.igrt技术的核心是kv级影像系统，而cbct高压发生器又是其中关键和不可缺少的部件，它为球管提供所需的电源。目前国内尚没有专门用于具有igrt功能直线加速器的kv级高压发生器，且传统高压发生器的供电部分只是将三相交流电进行整流滤波后提供给主逆变电路,在发生故障时,比如供电电压超限、后级短路、缺相时无法检测，存在很大安全隐患，也不利于进行故障排查。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种应用于igrt中的电源管理模块及方法、cbct高压发生器。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种应用于igrt中的电源管理模块，包括
8.输入单元，用于控制输入三相交流电；
9.预充电单元，用于为滤波电容组充电以获取直流电压；
10.充电控制单元，所述充电控制单元的输入端与所述输入单元连接，输出端与所述预充电单元连接，所述充电控制单元用于控制所述预充电单元得失电；
11.电源管理单元，所述电源管理单元与所述充电控制电源、预充电单元以及输入单元均电连接，所述电源管理模块用于实时监控充电电压，并通过与预设电压比较以控制充电控制单元的开闭，进而控制预充电单元的充电或断电。
12.在本发明中，进一步的，还包括电磁兼容单元，所述电磁兼容单元与所述充电控制单元、预充电单元连接，所述电磁兼容单元用于降低发生器对公共电网和其他设备的电磁干扰。
13.在本发明中，进一步的，所述预充电单元包括三相整流器br1、滤波电容组以及均压电阻组，所述三相整流器br1输入端与所述电磁兼容单元连接，输出端经所述滤波电容组滤波、均压电阻组均压后输出稳定的直流电压。
14.在本发明中，进一步的，所述输入单元包括预充电继电器，所述预充电继电器与三相交流电连接，所述充电控制单元包括交流接触器k1，所述电源管理单元包括电源管理板，所述电源管理板的pj5端口与所述交流接触器k1连接，所述电源管理板的pj5端口与所述三相整流器br1连接，所述电源管理板的pj7端口连接有电源模块sps，所述电源模块sps用于给所述电源管理板供电。
15.一种应用于igrt中的电源管理方法，采用所述的管理模块，包括：模块上电后，预充电继电器吸合，检测电源管理模块中电压是否正常；正常情况下，滤波电容组充电，实时监测充电电压，等充电电压达到预设电压值后，交流接触器k1吸合使预充电电路被旁路；在曝光过程中，滤波电容组输出直流电压为cbct高压发生器供电；若检测模块电压存在异常，则进入故障模式，断开预充电继电器和/或交流接触器k1。
16.在本发明中，进一步的，所述检测电源管理模块中电压是否正常包括预充电过程检测，所述预充电过程检测步骤如下：
17.预充电继电器吸合，延时500ms后获取第一母线电压，判断母线电压是否低于60v，是则进入故障模式，否则在延时500ms后获取第二母线电压，判断第二母线电压值是否高于400v且母线电压的增值是否小于20v，是则模块电压供电正常，否则判断与充电继电器吸合时间是否大于5s，是则进入所述故障模式。
18.在本发明中，进一步的，所述检测电源管理模块中电压是否正常还包括曝光过程检测，所述曝光过程检测步骤如下：检测输入三相交流电是否缺相，否则检测母线电压是否异常，否则检测交流接触器k1状态是否异常，否则检测母线电压是否超限，否则继续上述循环以实时监测，以上检测若有一项为是，则进入故障模式。
19.一种应用于igrt技术中的cbct高压发生器，包括所述的电源管理模块、逆变模块以及升压模块，所述电源管理模块与所述逆变模块连接，所述电源管理模块用于为逆变模块提供直流电，所述升压模块与所述逆变模块连接，所述逆变模块输出高频交流电经升压模块进一步升压整流后加到球管的两极以产生射线；
20.所述逆变模块包括主控单元、igbt单元、灯丝驱动单元以及阳极驱动单元，所述igbt单元电、灯丝驱动单元、阳极驱动单元均通过can通讯单元与所述主控单元连接，所述igbt单元用于输出高频交流电，所述灯丝驱动单元用于生成球管灯丝驱动电源以驱动球管中灯丝，所述阳极驱动单元用于生成阳极驱动电源以驱动球管。
21.在本发明中，进一步的，所述igbt单元包括阳极逆变驱动电路以及主逆变电路，所述igbt单元包括阳极逆变驱动电路以及主逆变电路，所述主逆变电路与所述升压模块连接连接，所述主逆变电路包括两个桥臂，每个桥臂上设有两个开关管；
22.所述阳极逆变驱动电路包括阳极逆变电路以及驱动电路，所述阳极逆变电路包括三个开关集，每个开关集包括两个igbt开关，所述驱动电路用于驱动开关集中的igbt开关动作。
23.所述阳极逆变驱动电路与所述主逆变电路连接，所述主逆变电路包括两个桥臂，每个桥臂上设有两个开关管，所述阳极逆变驱动电路包括开关电路以及驱动电路，所述开
关电路包括三个开关集，每个开关集包括两个igbt开关，所述驱动电路用于驱动开关集中的igbt开关动作。
24.在本发明中，进一步的，所述主控单元用于实现对can通讯单元的管理，所述can通讯单元包括主控制板通讯、阳极驱动板通讯、电源管理板通讯以及备用通讯，将主控制板通讯设置为主节点，将阳极驱动板通讯、电源管理板通讯以及备用通讯设置为从节点，通过主控单元对主节点通讯进行管理，主节点用于对从节点进行管理。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
26.本发明通过电源管理模块实时监控充电电压，保证充电过程的安全，在滤波电容组放电来为逆变单元供电时，通过对曝光过程检测来实时检测cbct高压发生器，如供电电压超限、后级短路、缺相检测等，一旦在某个环节出现异常时，迅速切换至故障状态，切断电源管理模块的供电，避免严重事故的发生，保证系统安全可靠，同时利于故障排查。同时，采用预充电继电器以及交流接触器k1两种控制方式作为三相电的输入控制信号，可作为互补防止单一出现问题造成损失。
27.本cbct高压发生器采用can总线技术，将多块控制板通过总线连接到一起，只需要一根线缆即可实现信号的传输并实现所需要的功能，具有降低成本、增加可靠性、布局整齐的特点，同时有利于设备后续升级维护。
附图说明
28.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
29.图1是本发明的一种应用于igrt中的电源管理模块的整体结构框图；
30.图2是本发明的电源管理模块的电路原理示意图；
31.图3是本发明的一种应用于igrt中的电源管理方法中的预充电过程检测的流程示意图；
32.图4是本发明的一种应用于igrt中的电源管理方法中的曝光过程检测的流程示意图；
33.图5是本发明的一种应用于igrt技术中的cbct高压发生器的结构框图；
34.图6是本发明的主控制板与升压板的连接示意图；
35.图7是本发明的cbct高压发生器的电路原理示意图；
36.图8是本发明中阳极逆变电路的电路图；
37.图9是本发明中驱动电路的部分电路图；
38.图10是本发明中温度采集电路的电路图；
39.图11是本发明中定子线圈接线图；
40.图12是本发明中can通讯单元的结构图；
41.图13是本发明的一种cbct高压发生器装置中高压箱的结构示意图；
42.图14是本发明的一种cbct高压发生器装置中逆变箱的结构示意图；
43.图15是本发明中主逆变电路的电路图；
44.图中：1、输入单元；2、预充电单元；3、充电控制单元；4、电源管理单元；5、电磁兼容单元；6、逆变模块；60、主控单元；61、igbt单元；610、阳极逆变驱动电路；611、主逆变电路；
62、阳极驱动单元；63、can通讯单元；64、灯丝驱动单元；7、升压模块；8、电源管理板；9、emc板；10、主控制板；11、灯丝驱动板；12、阳极驱动板；13、升压板。
具体实施方式
45.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
47.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
48.请同时参见图1，本发明一较佳实施方式提供一种应用于igrt中的电源管理模块，包括：
49.输入单元1，用于控制输入三相交流电；
50.预充电单元2，用于为滤波电容组充电以获取直流电压；
51.充电控制单元3，所述充电控制单元3的输入端与所述输入单元1连接，输出端与所述预充电单元2连接，所述充电控制单元3用于控制所述预充电单元2得失电；
52.电源管理单元4，所述电源管理单元4与所述充电控制电源、预充电单元2以及输入单元1均电连接，所述电源管理模块用于实时监控充电电压，并通过与预设电压比较控制充电控制单元3的开闭，进而控制预充电单元2的充电或断电。
53.具体的，本实施例的电源管理模块的上电过程为：电源管理模块接收到上电指令后，控制输入单元1引入三相电，充电控制单元3接通预充电单元2，预充电单元2对滤波电容组充电。电源管理单元4实时监控充电电压，并通过与预设电压比较来控制充电控制单元3的开闭，进而控制预充电单元2的充电或断电。
54.在本发明中，进一步的，还包括电磁兼容单元5，所述电磁兼容单元5与所述充电控制单元3、预充电单元2连接，所述电磁兼容单元5用于降低发生器对公共电网和其他设备的电磁干扰。
55.示例性的，如图2所示，图2为电源管理模块的电路原理示意图，输入单元1包括预充电继电器，预充电继电器与三相交流电u/v/w连接。电磁兼容单元5包括emc板9，电源管理单元4包括电源管理板8，充电控制单元3包括交流接触器k1。
56.相对的，三相交流电u/v/w连接至交流接触器k1的输入端5l3、3l2和1l1，输出端6t3、4t2、2t1连接到emc板9的输入侧。电源管理板8上的接口pj4连接交流接触器k1输入端的3l2和1l1，电源管理板8上的接口pj5连接交流接触器k1的控制线圈，电源管理板8上的接
口pj3通过can总线连接至主控制板10，电源管理板8上的接口pj7连接电源模块sps，电源模块sps用于给所述电源管理板8供电。
57.示例性的，预充电单元2包括三相整流器br1、滤波电容组以及均压电阻组，三相整流器br1输入端与电磁兼容单元5连接，输出端经所述滤波电容组滤波、均压电阻组均压后输出稳定的直流电压。其中，滤波电容组包括滤波电容c1以及滤波电容c2，均压电阻组包括电阻r1和电阻r2。
58.相对的，电源管理板8的pj6端口与三相整流器br1输入端b和c连接，emc板9的输出侧连接到三相整流器br1的交流输入端a/b/c，三相整流器br1直流输出端分别连接到滤波电容c1和c2的正负极，然后经电阻r1和电阻r2均压后生成直流电dc+和dc-。
59.具体的，三相交流电u/v/w经依次通过交流接触器k1的3l2/1l1端、emc板9、电源管理板8的pj4/pj6端、三相整流器br1后给滤波电容组缓慢充电；等充电电压达到预设置后，交流接触器k1吸合，预充电电路被旁路。在曝光过程中，滤波电容组放电，经过均压电阻组均压后生成直流电dc+和dc-给cbct高压发生器供电。
60.本发明的电源管理模块采用预充电继电器以及交流接触器k1两种控制方式来控制模块供电，可作为互补防止单一出现问题造成损失。同时，通过电源管理模块用于实时监控充电电压，保证充电过程的安全。
61.此外，传统高压发生器的供电部分只是将三相交流电进行整流滤波后提供给主逆变电路611，在发生故障时，比如供电电压超限、后级短路、缺相时无法检测，存在很大安全隐患，也不利于进行故障排查。
62.鉴于此，本发明还提供一种应用于igrt中的电源管理方法，采用上述的管理模块，包括模块上电后，预充电继电器吸合，检测电源管理模块中电压是否正常，正常情况下，滤波电容组充电，实时监测充电电压，等充电电压达到预设电压值后，交流接触器k1吸合使预充电电路被旁路，在曝光过程中，滤波电容组放电输出直流电压为cbct高压发生器供电；若检测模块电压存在异常，则进入故障模式，断开预充电继电器和/或交流接触器k1，切断三相交流电。
63.在本发明中，进一步的，如图4所示，所述检测电源管理模块中电压是否正常包括预充电过程检测，所述预充电过程检测步骤如下：
64.预充充电继电器吸合，延时500ms后获取第一母线电压，判断母线电压是否低于60v，是则进入故障模式，否则在延时500ms后获取第二母线电压，判断第二母线电压值是否高于400v且母线电压的增值(第二母线电压与第一母线电压的差值)是否小于20v，是则交流接触器k1吸合，预充电继电器断开，使预充电电路被旁路，否则判断与充电继电器吸合时间是否大于5s，是则进入故障模式。
65.在本发明中，进一步的，如图5所示，检测电源管理模块中电压是否正常还包括曝光过程检测，所述曝光过程检测步骤如下：检测输入三相交流电是否缺相，否则检测母线电压是否异常，否则检测交流接触器k1状态是否异常，否则检测母线电压是否超限，否则继续上述循环以实时监测，以上检测若有一项为是，则进入故障模式。
66.需要说明的是，本方案中，缺相检测、交流接触器k1的检测均是根据其反馈给电源管理模块的电压值进行判断的，本方案的母线电压压降范围是根据曝光kv、ma参数及曝光时间，结合预先计算出的网电源内阻抗，可动态计算得出的。
67.综上所述，根据本方案的算法实现了电源管理模块的后级电路保护功能，完善的保护措施保证了设备的可靠运行。通过多种状态检测和控制算法能够检测大部分故障，避免严重事故的发生或避免故障的进一步扩大。
68.基于上述实施例，如图5所示，本发明还提供一种应用于igrt技术中的cbct高压发生器，包括逆变模块6、升压模块7以及所述的电源管理模块，所述电源管理模块与所述逆变模块6连接，所述电源管理模块用于为逆变模块6提供直流电，所述升压模块7与所述逆变模块6连接，所述逆变模块6输出高频交流电经升压模块7进一步升压整流后加到球管的两极以产生射线；
69.所述逆变模块6包括主控单元60、igbt单元61、灯丝驱动单元64以及阳极驱动单元62，所述igbt单元61、灯丝驱动单元64、阳极驱动单元62均通过can通讯单元63与所述主控单元60连接，所述igbt单元61用于输出高频交流电，所述灯丝驱动单元64用于生成球管灯丝驱动电源以驱动球管中灯丝，所述阳极驱动单元62用于生成阳极驱动电源以驱动球管。
70.其中，如图7所示，电源管理模块输出的直流电压dc+/dc-分别为igbt单元61、灯丝驱动单元64、阳极驱动单元62提供驱动电源。
71.具体的，上述实施例工作原理为：逆变模块6中igbt单元61产生的高频交流电提供给升压模块7。经过升压模块7内部的高压变压器进一步升压。高压变压器的输出连接到倍压电路，经过多级倍压整流之后，产生最终需要的直流高压。一方面该直流高压传输给灯丝驱动单元64以驱动灯丝。
72.另一方面产生的直流高压提供给球管，在其内部形成高压电场，球管内的灯丝在灯丝驱动单元64的驱动下点亮，产生大量游离态的电子，这些电子在高压电场的作用下，高速运动并撞击球管的阳极靶面，产生x光。其中，球管的阳极通过主控模块控制阳极驱动模块实现驱动。
73.在本发明中，进一步的，如图5、6、7所示，主控单元60包括主控制板10，灯丝驱动单元64包括灯丝驱动板11，阳极驱动单元62包括阳极驱动板12，升压模块7包括升压板13，其中升压板13上集成了升压变压器以及倍压电路。
74.所述igbt单元61包括阳极逆变驱动电路610以及主逆变电路611，所述主逆变电路611与所述升压模块7连接连接，主逆变电路611用于为升压模块提供所需交流电。其中，所述主逆变电路611(设置在主逆变电路板上)包括两个桥臂，每个桥臂上设有两个开关管。
75.所述阳极逆变驱动电路610(设置在阳极逆变驱动电路板上)用于提供给阳极驱动板12所需的交流电，包括阳极逆变电路以及驱动电路，所述阳极逆变电路包括三个开关集，每个开关集包括两个igbt开关，所述驱动电路用于驱动开关集中的igbt开关动作。
76.示例性的，如图7、15所示，图15为主逆变电路的电路图，主逆变电路包括两个桥臂，分别为左桥臂和右桥臂，每个桥臂上设有两个开关管，其中左桥臂上设有开关管q1和开关管q3，右桥臂上设有开关管q2和开关管q4，主逆变电路的输出信号inv1、inv2连接至升压板13。
77.示例性的，如图8所示，图8为阳极逆变电路的电路图，阳极逆变电路由三个开关集组成，分别为左开关集、中开关集和右开关集，每个开关集由有上下两个igbt开关。六个igbt开关的驱动信号分别为gup/eup、gvp/evp、gwp/ewp、gud/gndi、gvd/gndi和gwd/gndi。每个开关集的上下两个开关的驱动信号互补并设置一定的死区时间，防止发生短路而烧坏
igbt单元61。而每个桥臂之间的驱动信号又有一定的相位关系，以实现设定的旋转频率。
78.如图11所示，图11为定子线圈接线图，逆变的输出端phase_p、phase_c和phase_m还连接有保险管a和保险管b。保险管a和保险管b起到过流保护的作用。逆变的输出端phase_p、phase_c和phase_m分别连接、定子线圈的移相端、公共端和主线圈端。
79.此外，igbt单元61内集成温度采集电路，温度采集电路如图10所示，温度采集信号igbt-tmp传输至主控制板10，用于测量igbt模单元内核的温度，防止过热造成的危险。
80.如图9所示，图9为一相的阳极逆变驱动电路610示意图，每一个开关管的驱动信号由高速光耦实现和低压控制部分的电气隔离，三个桥臂共需要3只光耦。光耦的输入信号由主控制板10自带的电机驱动专用接口产生，u_up和u_dnw为互补并有一定死区的3.3v驱动信号，drive_disable为驱动使能信号，高电平时允许驱动信号输出到光耦的led端，低电平时禁止输出。
81.优选的，基于上述实施例，在本发明中，主控制板10采用了svpwm(空间矢量脉宽调制)结合查表算法，利用arm的强大运算能力，显著提高了母线的利用效率，对各种不同负载均具有良好的适用性。
82.相对的，现有技术中复杂大功率高压发生器，由于功能划分和空间布局的方便，需要多块控制板。对于各控制模块之间的连接，常规设计采用电缆连接，其弊端是增加成本、降低可靠性、布局零乱，同时很不利于设备后续升级维护。
83.在本发明中提供的另一实施例中，采用can总线技术，通过主控单元60实现对can通讯单元63的管理，can通讯单元63包括主控制板通讯、阳极驱动板通讯、电源管理板通讯以及备用通讯，将主控制板通讯设置为主节点，将阳极驱动板通讯、电源管理板通讯以及备用通讯设置为从节点，通过主控单元对主节点通讯进行管理，主节点用于对从节点进行管理。
84.具体的，如图12所示，图12是本发明中can通讯单元63的结构图，本方案将高压发生器带can功能的模块形成一个can节点。为有效管理can网络，设定主控制板通讯为主节点，其它相应成为从节点。
85.主节点主要的功能：控制从节点的状态；程序运行中间启动或终止从节点，或改变从节点的状态；监视从节点的运行状况和是否发生错误；由从节点中获得相应的信息和运行状态。
86.主节点主要的功能：底层的网络通讯和控制任务。每个从节点只完成属于范围内的特定任务，进行实时数据的传输，响应主节点发送的管理信息帧，对负责的底层设备进行数据采集和控制。
87.更进一步的，为了简化通讯管理，can通讯单元中的每个通讯部分(主控板通讯、阳极驱动板通讯、电源管理板通讯以及备用通讯)均设有节点状态管理、心跳报文管理以及错误报文管理。
88.具体的，节点状态管理中将节点状态分成3种：初始化状态，工作状态和调试状态。工作状态和调试状态可以在主节点的控制下进行转换。其中，
89.初始化状态：系统上电后进入的第一个状态即为初始化状态，初始化状态完成该节点的通讯初始化，然后自动进入工作状态。
90.工作状态：进入工作状态后，能够进行数据和指令的通讯，完成整个系统的通讯功
能。
91.调试状态：进入调试状态后，能够对系统进行调试，调试可以分模块进行，可以单独对各节点进行调试。
92.具体的，在心跳报文的管理中，从节点产生心跳报文，每间隔一段时间，从节点向主节点发送一条心跳报文。如果一定时间内没有收到从节点发送过来的心跳报文，主节点报错。
93.其中，从节点向主节点发送心跳报文的周期为1s，主节点每隔2s检查从节点发过来的心跳报文。
94.具体的，在错误报文管理中，从节点在通讯的过程中发生了错误，从节点通过发送错误报文来通知主节点。主节点主要负责监视从节点的错误状况，根据不同的错误进行相应的处理。
95.综上所述，本cbct高压发生器设计采用can总线技术，将多块控制板通过总线连接到一起，只需要一根线缆即可实现信号的传输并实现所需要的功能，具有降低成本、增加可靠性、布局整齐的特点，同时有利于设备后续升级维护。同时，通过上述can通讯单元63的管理方法，实现对通讯方式高效管理。
96.在本发明提供的另一实施例中，提供了一种cbct高压发生器装置，包括高压箱以及逆变箱，如图13、14所示。其中，图13为高压箱的结构示意，图14为逆变箱的结构示意图，上述的电源管理模块、逆变模块6均设置在逆变箱中，升压模块7设置在高压箱中，高压箱以及逆变箱两者通过连接线缆连接，连接线缆包括但不限于灯丝驱动线、逆变线、信号反馈线、交流输入电源线、阳极驱动线、系统接口线。
97.逆变箱的作用包括：输入单相控制电源和三相主电源，通过内部电路以及软件控制，产生高压输出需要的高频交流电、球管灯丝驱动电源和阳极驱动电源。
98.高压箱内主要作用包括将逆变箱输出的高频交流电进行进一步升级并整流成直流然后加到球管的阴、阳极。
99.上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。