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数字式乳腺x 射线机电摔系统设计 摘要 目前乳腺癌的发病率已由女性恶性肿瘤中的第2 位跃居到首位，且发病年龄 趋于年轻化，乳腺癌对人类健康的严重危害已引起了世界卫生组织和医疗界人士 的高度重视。乳腺癌早期发现、早期诊断、早期治疗是降低乳腺癌死亡率的关键。 而传统的胶片摄影技术对于致密性乳腺及一致性密度增高病变有明显的局限性。 随着计算机技术的发展，数字乳腺x 线摄影技术正逐步代替传统的屏片组合，成 为临床乳腺癌检查的主要手段。 传统乳腺x 射线机的工作频率为工频即5 0 h z ，高压发生器及控制系统结构笨 重、体积庞大、转换效率低。此外乳腺x 射线机是将透视和摄影过程中的电压、 电流、时间三个基本参量独立选择和控制，所使用的主要控制元件是多位选择开 关、通用继电器和接触器，控制效果差，难以走向小型化、便携化及智能化。本 文设计的数字式乳腺x 射线机电控系统采用了现代新型的电力电子技术，设备工 作频率大幅提高达数十千赫兹，因此减小了铁芯、高压线包的体积，从而减少高 压发生器的重量和体积。高压发生器采用了变压器升压结合倍压整流的方式，既 获得了输出直流电压的大幅提升又获得了较好的纹波效果。本文提出采用单片机 结合脉宽调制技术实现系统的数字控制，由单片机对千伏、毫安实行闭环控制， 精心设计了闭环控制系统，稳定性得到提高，高压发生器输出精度得到改善，在 保证正常检测的前提下，患者所受x 射线剂量降到较低水平。电控系统采用数字 信号控制，控制器内结构模块化，保证控制器更轻便、更可靠，实现了电控系统 的智能化。 最后本文在o r c a d p s p i c e 的仿真软件下建立了系统各个主电路部分和控 制部分的模型，在分部模型的基础上建立了系统的整体模型，仿真结果分析验证 了各部分电路和整体系统的可行性和正确性，为后续的项目研究奠定了基础。 关键词：x 射线；高压发生器；单片机；闭环控制；o r c a d p s p i c e 仿真 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ei n c i d e n c eo f b r e a s tc a n c e rh a v el e a p tt ot h et o pf r o mt h es e c o n d 1 n w o m e nm a l i g n a n tt u m o r , a n dt e n d st oy o u n g e r , t h eh a r mo fb r e a s tc a n c e rt o h u m a n h e a l t hh a sl e dt ot h ew o r l dh e a l t ho r g a n i z a t i o na n dt h em e d i c a lp r o f e s s i o n sh i g h a t t e n t i o n e a f l yd e t e c t i o n ，e a r l yd i a g n o s i s ，e a r l yt r e a t m e n to f b r e a s tc a n c e ri st h ek e y t or e d u c i n gb r e a s tc a n c e rm o r t a l i t y t r a d i t i o n a lf i l mp h o t o g r a p h y f o rd e n s eb r e a s ta n d t h ec o n s i s t e n c y o fd e n s eb r e a s tl e s i o n s h a v eo b v i o u sl i m i t a t i o n s w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，d i g i t a lb r e a s tx r a yp h o t o g r a p h i ct e c h n i q u e l s g r a d u a l l yr e p l a c i n g t h et r a d i t i o n a l f i l m - s c r e e nc o m b i n a t i o n h a sb e c o m et h e m a i n s t r e a mo fc l i n i c a la p p l i c a t i o n t r a d i t i o n a lb r e a s tx r a ym a c h i n eo p e r a t i n gf r e q u e n c ya r ef i f t yh e r t z ，t h i s w i l l i n e v i t a b l vl e a dt ot h es t r u c t u r eo fi t se l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mc u m b e r s o m e 、b u l k y 、 1 0 wd e g r e eo fa u t o m a t i o n i na d d i t i o n ，t h eb r e a s tx - r a ym a c h i n ei n d e p e n d e n t l y c o n t r o lt h r e eb a s i cp a r a m e t e r so fk vo rm a o rsi nt h ep r o c e s so fp e r s p e c t l v ea n d p h o t o g r a p h i c ， t h em a i nc o n t r o lc o m p o n e n t sa r es e l e c t o r s w i t c h ， g e n e r a l p u r p o s e r e l a v sa n dc o n t a c t o r s ，c o n t r o le f f e c ti sb a d ，i t sh a r dt os m a l l e r ，p o r t a b l ea n di n t e l l i g e n t i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g no fd i g i t a le l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo f b r e a s tm a c h l n eu s e d m o d e r nn e wp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , o p e r a t i n gf r e q u e n c ys u b s t a n t i a l l yg e t t o s e v e r a lt h o u s a n d sh e r t z ，t h e r e f o r er e d u c e st h ec o r e ，t h ev o l u m eo fh i g h - t e n s l o nl i n e p a c k a g e ，r e d u c et h ew e i g h t a n ds i z eo ft h eh i g hv o l t a g eg e n e r a t o r h l g h v o l t a g e g e n e r a t o ru s i n gac o m b i n a t i o no fs t e p u pv o l t a g et r a n s f o r m e ra n dv o l t a g em u l t i p l y i n g r e c t 讯e r n o to n l ya c c e s st ot h eo u t p u td cv o l t a g ei n c r e a s e sa n do b t a i na b e t t e rn p p l e e f f e c t i nt h i sp a p e r ，c o m b i n e dw i t ht h eu s e o fs i n g l e - c h i pa n dp u l s ew i d t hm o d u l a t l o n t e c h n o l o g yt oa c h i e v ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，a n db y t h es i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rt o a c h i e v ec l o s e d 1 0 0 pc o n t r o lo fk v 、m a ，w e l l d e s i g n e dc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m s t a b i l i t yc o m p e n s a t i o n ，o b t a i n e dh i g h p r e c i s i o nc o n t r o l ，t h i sw i l la l s og r e a t l yr e d u c e t h ev 0 1 u l n ea n dw e i g h to fh i g h p r e s s u r ec o n t r o ld e v i c e s e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m u s e dd i g i t a ls i g n a lc o n t r o l ，c o n t r o l l e rw i t hm o d u l a rs t r u c t u r ee n s u r eam o r ep o f t a b l e ， m o r er e l i a b l ea n da c h i e v e di n t e l l i g e n te l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m f i n a l l v ：i no r c a d p s p i c es i m u l a t i o ns o f t w a r et oe s t a b l i s has y s t e mu n d e r t h e m a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lo fs o m ep a r to ft h em o d e l ，e s t a b l i s ht h eo v e r a l ls y s t e mm o d e l o nt h ed i v i s i o nm o d e l ，t h r o u g ht h ea n a l y s i s o fs i m u l a t i o nr e s u l t st ov e r i f y t h e i i i 数式乳腺x 射线机电挎系统设计 f e a s i b i l i t yo fv a r i o u sp a r t so ft h ec i r c u i ta n dt h eo v e r a l ls y s t e m ，o b t a i n e db e t t e r r e s u l t s k e yw o r d s ：x - r a y ；h i g hv o l t a g eg e n e r a t o r ；s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ；c l o s e d - l o o p c o n t r o l ；o r c a d p s p i c es i m u l a t i o n i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：砌 日期：勿少年j - n de j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：孑缪彩 导师签名：多做叶 日期：2 口少m _ c 月2 日 日期：力加叮年月日 硕i ：学位论文 1 1 项目背景及研究意义 第1 章绪论 乳腺癌是危害妇女健康的主要恶性肿瘤，乳腺癌具有发病隐匿，愈后差等特 点，主要发生于女性，男性少见，女性的发病率为男性的近百倍。北美、北欧是 乳腺癌的高发地区，其发病率约为亚、非i 拉美地区的4 倍n 1 。我国虽是乳腺癌 的低发地区，但发病率正逐年上升，尤其沪、京、津及沿海地区是我国乳腺癌的 高发地区，以上海最高。l9 7 2 年上海的乳腺癌发病率为2 0 1 10 万，19 9 8 年则为 2 8 1 0 万，平均每年以3 的速度递增心1 。据统计，全世界每年约有1 2 0 万妇女患 乳腺癌，有5 0 万妇女死于乳腺癌，我国每年有4 万人死于乳腺癌，死亡率高达 4 0 以上。目前乳腺癌的发病率已由女性恶性肿瘤中的第2 位跃居到首位，且发 病年龄趋于年轻化，3 0 岁后患病女性增多，乳腺癌对人类健康的严重危害已引起 了世界卫生组织和医疗界人士的高度重视。因此，乳腺癌早期发现、早期诊断、 早期治疗是降低乳腺癌死亡率的关键。而传统的胶片摄影技术对于致密性乳腺及 一致性密度增高病变有明显的局限性。继2 0 世纪6 0 年代研制钼靶x 射线装置后， 数字乳腺x 射线诊断机迅速发展，机器性能逐步提高，选择性的利用高能量的适 合软组织的特征x 射线谱，利用乳房中不同组织结构对x 射线的吸收率不同，通 过先进的图像后处理技术从而获得具有不同层次的影像，极大地提高了影像的分 辨率和精确度，使诊断符合率高达9 0 以上口1 。由此决定了数字乳腺x 射线机摄 影在诊断乳腺疾病方面的优势，目前数字乳腺x 射线机摄影是乳腺疾病最有效的 检查手段。随着计算机技术的发展，数字乳腺x 线摄影技术正逐步代替传统的屏 片组合h 1 ，成为临床应用的主流。数字乳腺x 射线机摄影技术3 经过几十年的发 展，是目前唯一被美国美国食品和药物管理局( f o o da n dd r u ga d m i n i s t r a t i o n ， f d a ) 批准用于对乳腺癌筛查的检查方法。因此，研制高吸收率、有较宽的动态范 围和良好的线性，较低的辐射剂量和系统噪声，实现较高的密度分辨率，并具备 强大的系统后处理功能而有利于癌灶检出的乳腺机，对提高乳癌早期发现率和降 低死亡率及保护女性健康有积极的现实意义和社会价值。 1 2 乳腺x 射线机研究现状及发展 传统乳腺x 射线机的工作原理为：乳腺x 射线机发出的x 射线照射患者的 病变部位，胶片感光后获得可用于医生诊断的胶片图像。在此过程中，x 射线信 号在一定程度上都有较大的损失，结果是在成像过程中只有大约4 0 的较有代表 数宁式乳腺x 射线机i 乜控系统设计 性的原始图像被采用了。正因如此传统的胶片成像难以获得令人满意的成像效果， 致使诊断困难，进而造成漏诊或误诊。胶片乳腺成像在过去的二十年里得到了广 泛的应用，胶片乳腺x 射线机普查直接降低了2 0 - - 4 0 的乳腺癌死亡率，但乳 腺胶片成像诊断技术仍然存在以下的局限： ( 1 ) 重新拍片率高； ( 2 ) 成像的信号强度范围狭窄，胶片颗粒噪声大； ( 3 ) 化学处理等环境因素无法长期保证持续的图像质量； ( 4 ) 摄片后无法调节图像对比度和亮度； ( 5 ) 胶片保存困难； ( 6 ) 2 0 - - - , 4 0 的乳腺癌漏诊。 传统乳腺x 射线机的另一个特点是其工作频率为工频即5 0 h z 。其供电方式哺1 是“工频电源一自耦变压器一高压发生器x 射线管”这种结构，这必然会导致其结构 笨重、体积庞大、自动化程度低。尽管在工频机中，高压变压器的功率只有机器 总功率的1 3 1 4 ，即使自耦变压器设计为最大负载时仍能处于最佳使用状态， 整机仍然非常笨重。虽然三相电源工频机的图像质量比单相提高了，但结构更加 笨重，特别是次级高压控制台更甚。一台传统工频乳腺机，高压发生器和次级控 制器分别有数百公斤的重量。另外x 线机是将透视和摄影过程中的电压、电流和 时间三个基本参量独立选择和控制，所使用的主要控制元件是多位选择开关、通 用继电器和接触器，这也增大了设备的体积和重量，直接导致其难以走向小型化、 便携化及智能化。 2 0 世纪8 0 年代末期，医学界的几项重大突破改写了乳腺成像技术的历史， 19 9 2 年由于采用了多种滤波板技术，可获得更好的检查效果；19 9 8 年由于引进了 独特数字暗盒技术即c r 、d r 数字化影像技术，使操作人员能在同一台机器上快 速的从胶屏暗盒图像转换到数字点状态，因此极大地提高了工作效率，目前新一 代d r 技术的数字化乳腺x 射线机的面世使数字化乳腺x 射线成像技术达到了新 的技术高度。数字乳腺机工作原理是：来自乳腺x 射线管的x 射线通过照射患者 的病变部位，被数字探测器接受并直接量化成数字信号合成图像。由于采用了数 字探测器，8 0 以上的原始信号得以保持，并自动的进一步加强信号，再配以先 进的图像后处理技术使诊断的准确性大大提高。它还具有减低患者辐射剂量的优 势m 。数字化乳腺x 射射线机成像技术完全采用数字探测器，广泛应用计算机控 制技术、计算机辅助检测，可实现远程诊断。数字化乳腺x 射线机较传统乳腺x 射线机有如下优势，： ( 1 ) 能检测到更小的癌症病灶； ( 2 ) 提高图像在鉴别良性和恶性病变时的准确性； ( 3 ) 降低了患者及医生的照射剂量； 硕一1 - 学位论文 ( 4 ) 增加患者在成像或活检组织检查时的舒适感和安全性； ( 5 ) 设备重量、体积均大大减小。 数字式乳腺x 射线机采用了现代新型的电力电子技术，设备工作频率大幅提 高达数十千赫兹，因此减小了铁芯、高压线包的体积，从而减小发生器的重量和 体积；采用微处理器控制，可极大地减小高压控制装置的体积和重量，并且对k v 、 m a 都由微处理器实行闭环控制，控制效果好、精度高。乳腺x 射射线机控制全 部采用数字信号控制，控制器内结构模块化，保证控制器更轻便、更可靠。基于 上述三个特点阳1 使数字式数字式乳腺x 射线机取得了较大的发展。 数字式乳腺x 射线机近几年有了蓬勃的发展，目前已成为医院妇科或专科医 院不可缺少的重要设备。随着数字式乳腺x 射线机的普及和市场发展的需要，国 内外出现了很多系统灵活、性能可靠、设计新颖、操作简便、功能强大的数字式 乳腺机。目前国外数字式乳腺x 射线机普遍使用旋转阳极x 射线球管，应用先进 的电力电子技术和闭环控制技术使高压发生器的性能大幅提升，结合先进的图像 后处理软件使整机性能大幅提高。具有代表性的主要有美国通用电气公司公司的 s e n o g r a p h e d m r 、s e n o g r a p h e 2 0 0 0 d 系列乳腺机；德国西门子公司的 m a m m o m a tb a l a n c e 、m a m m o m a t1 0 0 0 系列乳腺机；芬兰p l a n m e d 公司 的s o p h i e 、s o p h i e c l a s s i c 系列等；此外还有意大利i m s 公司、美国泛太平洋公司、 意大利g m m 、荷兰飞利浦、日本东芝、岛津等许多医学影像公司都生产性能和 功能相近的数字式乳腺x 射线机。我国乳腺x 射线机的总体技术水平基本上达到 国际一般水平，如关键部件x 线发生装置、诊断床、x 射线管、影像增强器和电 视系统等，都与国外同类产品不相上下，数字式乳腺x 射线机还处在初期研制阶 段，但与国外先进产品相比，仍有很大差距n 引。如主要产品仍使用焦点为2 x 2 的 低速旋转阳极x 射线管，参数控制台仍是靠手工操作，控制精度较低，自动化程 度较低。在电路设计、元器件选用和制造工艺方面尚需逐步完善；此外，软件开 发也是薄弱的环节。国内近几年来也取得了较大的发展，如北京的海恩康公司、 北京标特公司、深圳迈瑞克等较有实力的公司也在生产各种类型的乳腺x 射线机， 在国内占有一定的市场份额。 1 3 论文研究内容及章节安排 本文主要针对数字数字式乳腺x 射线机的电控系统做了研究分析，为设计出 符合技术指标的电控系统，本文做了如下的工作： ( 1 ) 深入分析了系统技术指标的要求，进行相关理论研究的基础上，设计符 合要求的系统方案； ( 2 ) 系统负载做了相关的理论分析后，应用中频逆变和中频变压器升压结合 倍压整流技术获得直流高压，设计了全桥逆变电路、倍压整流电路、脉宽调制及 1 数7 乳腺x 射线机电控系统设计 驱动电路、负载电流电压隔离采样电路、灯丝加热电路、保护电路及相关电路参 数的计算； ( 3 ) 采用c 8 0 5 1 系列高性能微处理器构成闭环控制系统，对系统控制参量应 用p i d 控制算法实现高精度控制； ( 4 ) 应用o r c a d p s p i c e 软件构建系统模型，进行仿真并分析仿真结果。 本文的章节安排如下： 第1 章绪论，主要阐述课题研究背景和意义以及当前国内外的研究状态。 第2 章电控系统原理与总体设计，介绍了数字式乳腺x 射线机电控系统的工 作原理后，提出了电控系统的总体设计方案。 第3 章高压发生器及控制电路设计，设计了电控系统功率主电路，重点设计 d c d c 半桥调压部分的功率电路及其控制电路，分析闭环控制系统的稳定性并设 计了补偿电路。 第4 章单片机系统设计，主要介绍了单片机控制系统的工作原理，设计相关 的隔离采样电路以及系统软件。 第5 章系统建模及仿真，根据前面四章的设计，建立了系统各个子模块的模 型和整体电路的模型，应用o r c a d p s p i c e 进行仿真分析。 硕一 ：学位论文 第2 章电控系统原理与总体设计 2 i 乳腺x 射线机概述 物理上把单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量叫做x 线的 量或强度1 。而把x 线贯穿物质的本领叫做x 线的质或硬度，所以x 线的硬度 可用波长或频率来表示。医用诊断方面习惯以x 射线管的管电流与x 线照射时间 ( 曝光时间) 的乘积即毫安秒( m a x s = m a s ) 表示x 线的量，因为x 线管的管电流代 表了单位时间射向阳极靶面的电子流，电子数目越多，与靶物质发生各种作用的 数量也增大。所以管电流与x 线的强度相对应，而管电流与时间的乘积则与x 线 在该时间内辐射的总能量( 放射量) 相对应。x 线管的峰值管电压来表示x 线的质。 因为峰值管电压决定了到达靶面的电子的最大动能，它决定了x 线束中最短波长 和中心波长，也即在一定程度上反映了x 线束中的平均波长，所以峰值管电压可 以代表x 线的贯穿能力。 管电流、曝光时间、管电压这些物理量在x 射线机中都可以直接或间接测量， 这就使物理上的x 射线的质和量进一步实用化。在实际工作中，k v 值是根据被 照物体对x 射线的衰减程度来选定的。例如肺部摄影一般取6 0 k v ，而心与肺重 叠在一起时取7 7 k v ，对衰减更大的腰椎就需更高的k v 值。如果k v 值过低，绝 大多数的x 射线光子都不能贯穿被摄物体，即使m a s 值再大，胶片上也得不到 好的对比度( 反映被摄物体内部情况的层次) ；当k v 值过高时，绝大多数x 射线 光子都穿过被摄物体，也不能在胶片上获得好的对比度。为此，选择合适的k v 值以适应被摄物体的情况，再选择合适的m a s 值以得到胶片正确的曝光量。m a s 可以有多种m a 和s 的组合，只要k v 值保持一定，它们对胶片的感光量都是相 等的。 由于物体内各部分对x 射线的吸收程度不同，这种吸收差别越大则形成的影 像也越清晰n 引。普通x 射线摄影技术中由于各解剖结构间具有较大的密度差因此 形成的影像具有良好的自然对比( 如胸腔骨骼等) ，易于诊断。乳房软组织自然对 比差，其密度近似，对x 射线衰减系数差别很小，造成x 射线乳腺影像对比度低， 诊断困难。当物质的密度及厚度为一定时，质量吸收系数之差越大，x 射线的衰 减变化也就越大，则x 射线照片上的反差也越大。随着x 射线波长九的不同，物 质的质量吸收系数的值也将随之发生变化并与九的三次方成正比，换言之x 射线 波长越长吸收系数越大x 射线的衰减系数也越大。如果增加x 射线的波长使乳房 各结构的吸收差别拉开，这样就能摄得反差良好层次丰富的软组织影像。故乳房 数7 - j 1 ：乳腺x 射线机l 乜挖系统设计 等软组织x 线摄影时必须采用波长较长的软x 射线。为了获得较长的软x 射线， 其管电压比其他胸透摄影机、骨片摄影机较低，一般为3 0 - 6 0 k v ，最高不超过 6 0 k v 。当管电压下降时，会导致影像密度差，解决上述问题的方法是缩短x 射 线管阴极和阳极之间的距离、增加极间电场强度、降低空间电荷的影响。由于极 距缩短，在相同灯丝加热电流情况下，其管电流比一般x 线管电流要大。由上述 分析可知，乳腺x 射线机管电流、管电压、曝光时间是决定摄影质量的三个重要 参数，直接决定了输出图像的对比度和密度，也是系统的主要控制对象。 传统的工频( 5 0 h z ) 乎l 腺x 射线应用自耦变压器获得高压，借助闸刀开关，电 源接触器、保护装置、电源补偿调节装置、电源指示仪表和相关的控制电路实现 对管电流、管电压、曝光时间的控制。其供电方式致使系统体积庞大、结构笨重、 自动化智能化程度低，此外这种方式下，系统三个参数独立控制且采用开环控制 方式，使曝光参量精度大幅降低，无法获得高质量的图像。近年来随着电力电子 技术和嵌入式控制技术的飞速发展，乳腺x 射线已进入中高频，采用先进的逆变 电源技术，引入微处理器对系统实施高精度闭环控制，使电气设备的体积与重量 大幅减小，设备的性能亦大为改善。x 射线机工作频率的改变带来了结构上和性 能上质的飞跃，中高频机较工频机有如下优势： ( 1 ) 输出高质量x 射线。中高频机的高压输出采用纹波系数很小的直流输出， 输出x 射线的高能化和单色化的程度大大加强，这就使患者所受皮肤剂量大为降 低。使成像质量进一步提高； ( 2 ) 输出剂量大。由于中高频机输出的x 线谱中高能成分大量增多，在获得 胶片黑化度相同的情况下，中高频机的m a s 值是工频机的6 0 。高剂量的输出可 使曝光时间缩短，改善了成像质量； ( 3 ) 输出稳定，重复性好。中频电源控制电路的设定值可以做的很精确，检 测电路也可以做的很稳定，所以不论影响k v 、m a 的因素有多少，只要其变化在 某一容许范围内，则其每次曝光的输出量都可以保持一致； ( 4 ) 中高频机的体积大大减小。工频机中都有一个体积笨重的自耦变压器， 而中高频电源由于频率的提高，故高压变压器和灯丝变压器可以做得很小； ( 5 ) 有利于向智能化发展n3 1 。中高频机已全部实现电子化，很容易引进微机 控制技术。微机的应用将使x 射线机各种性能得到提升，比如降落负载、自动曝 光、实时控制和监测显示、故障报警、自动处理等。 2 2 系统方案及工作原理概述 数字式乳腺x 射线机是根据医学诊断的需要，将x 射线照射患者的病变部位 后被数字探测器接受量化成数字信号后合成图像来做诊断的一种设备。其结构原 理1 如图2 1 所示。 硕- l 学位论文 图2 1 数字式乳腺机结构原理 数字式乳腺x 射线机电控系统是把电能转化为x 射线能的一种装置，由如下 四部分所构成：( 1 ) 包括有产生x 射线的x 射线管装置：( 2 ) 为x 射线管提供管电 压和灯丝电压的高压发生装置；( 3 ) 控制x 射线的发生时间和调节x 射线量与质 的控制装置；( 4 ) 为满足诊断需要而装备的各种辅助装置。 根据上述基本原理和系统技术指标要求，本文提出如下的系统整体方案，其 结构框图如图2 2 所示。 图2 2 数字式乳腺x 射线机电控系统原理图 7 箸 数字式乳腺x 射线l ! q l , 6 控系统设计 x 射线管的基本工作原理是n5 1 ：首先给x 射线管通电，使灯丝加热到一定温 度，此时灯丝会发射大量的电子，其中一部分飞向阳极钼靶，但其能量较低。保 持灯丝温度即可保证电子发射量，然后加直流高压到x 射线管阴阳极之间，灯丝 发射电子即被电场加速而撞向阳极钼靶，继而产生x 射线，照射人体待检部位。 由上述分析原理可知，控制灯丝温度即可控制射线管管电流的大小，即x 线的密 度；控制管电压，即可控制x 线的硬度即对比度。依据上述的基本原理，本文设 计的系统工作原理如下：首先将单相市电( 工频2 2 0 v ) 进行不控全波整流得到大小 3 1 0 v 左右的直流电压，将此直流电压进行d c d c 半桥直流变换，应用p w m 脉 宽调节获得o 1 5 5 v 的直流可调电压。然后将此直流电压应用全桥逆变电路逆变 为频率3 0 k h z ，输出占空比为5 0 、幅值为o 1 5 5 v 的方波交流电压。然后将其 输入到中频升压变压器，输出幅值高达7 0 0 0 v 的高压交流电，最后进行倍压整流 滤波获得负载所需的0 4 0 k v 直流高压。单片机系统采集管电压和管电流，采用 软件p i d 算法进行运算处理得到控制信号，控制d c d c 直流变换器脉宽调节电 路，完成管电压和管电流的精确闭环控制。同时单片机也接受来自保护电路的保 护信号，并实时保护系统。 2 3 系统主要技术指标 2 3 1x 射线管部分 ( 1 ) 输出电压：输出直流恒压，0 - - - 4 0 k v 连续可调，步进lk v ； ( 2 ) 输出电流：o 10 m a 连续可调； ( 3 ) 灯丝电压与电流：直流0 一- - 4 v ，最大3 5 a ； ( 4 ) 主频率：3 0 k h z ； ( 5 ) 输出直流电压纹波系数：s 1 ； ( 6 ) 电源：单相交流2 2 0 v 5 0 h z 。 2 3 2 单片机控制部分 ( 1 ) 主参数的设定和检测，实时参数改变；显示管电压值和管电流值、x 光 管热容量值等； ( 2 ) 可实现曝光操作控制，x 线管高压启动与关断，自动亮度控带i j ( a b c ) 与自 动曝光控制( a e c ) ； ( 3 ) 故障检测与保护； ( 4 ) 通讯接口，可方便与p c 机连接，也可由p c 机完成所有控制功能。 8 硕i j 学位论文 第3 章高压发生器及控制电路设计 高压发生器及其控制电路是产生x 射线的高压装置，是系统的核心部分。根 据本文第二章的分析设计可知，高压发生器的产生包括以下几部分，如图3 1 所 示，主要由输入整流滤波、d c d c 半桥调压、中频逆变、中频变压器、输出倍压 整流等组成。整流滤波电路将单相交流市电变换为直流电压，经过d c d c 半桥 调压电路变换为可调的直流电压，再经过中频逆变为3 0 k h z 的交流方波电压，经 高频变压器升压后倍压整流为直流高压，供x 射线管使用。 图3 1 高压发生器电路结构图 3 1 输入整流滤波电路 本系统使用的输入电压为交流2 2 0 v ( 5 0 h z ) ，故首先需对输入电压进行不控整 流滤波得到直流电压。常见的整流方式有半波整流、全波整流、桥式整流。基于 桥式整流电路的输出电压高、纹波较小且整流二极管承受的反向峰值电压低等特 点，本文选择桥式整流电路。滤波电路的主要目的是使输出的直流电压平滑脉动 小，纹波低，考虑上述因素滤波电路采用7 c 型电感电容滤波n 引，整流滤波电路如 图3 2 所示。单相市电经全波整流后输出的直流电压约为3 1 0 v ，整流二极管承受 的反向电压应大于310 v ，实际选用承受电压为4 0 0 v 、正向导通电流为4 0 a 的 m u r 4 4 0 快恢复二极管。电容c 1 、c 2 选用2 2 0 0 p f 的电解电容，电感l 1 取l8 0 1 t h 。 l 1 1 8 0 u h 】k d l】k 0 2 m u r 4 4 0m u 黼 二 | vj c l q 一 + _ 一 r - - 2 2 0 0 u f2 2 0 0 u w _ 一 一 k d 3 一【d 4 m ij l 4 4 0陋瓜4 4 0 图3 2 输入整流滤波电路 数 式乳腺x 射线机l u 挖系统设计 3 2d c d c 半桥调压电路 3 2 1d c d c 拓扑结构的选择 d c d c 变换电路主要分为隔离式和非隔离式“”，考虑到系统工作频率较高造 成干扰严重和保护与安全的需要，本文选择隔离式。隔离式d c d c 变换器常用 的拓扑结构有单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式等五种。图3 3 到图3 7 是这五种变换器的电路原理图。 i ；n ：净1 1 号二2 y 。z = c n 3 ： 。 j l d 3 一计丁 图3 3 单端正激式电路 n 3坤l 沓= c j 1 d 3 l；讲丁 图3 4 单端反激式电路 r ij ! c 卡il ， i d 2 lf , - - i 图3 5 推挽式电路 五种常用拓扑结构可分为两类，一类是单端式包括正激和反激变换器，另 类是双端式。包括推挽式、半桥式和全桥式变换器。单端式变换器的优点n 8 3 是主 电路拓扑结构和控制电路简单，可靠性较高，电路成本低。但其缺点是高频变压 硕1 ：学位论文 器仅工作在b h 曲线的一侧，因此利用率和效率低，故其一般只用于中小功率的 d c d c 变换器中。推挽式变换器是由两个单端正激式电路叠加而成的，所以其输 出电压是单端正激式的两倍。其优点是输出功率比较大，驱动电路简单，缺点是 开关晶体管易因磁芯饱和出现集电极电流尖锋而损坏，高频变压器的利用率差， 对开关管的耐压要求高( 至少是输入电压的两倍) ；为了克服推挽式变换器的缺点， 可用两只容量、耐压都相同的电容器和两只特性相同的晶体管组成一组电桥，就 构成了半桥式变换器。半桥式优点是：具有较强的抗不平衡能力，电路对称性要 求不很严格；适应的功率范围较大，从几十瓦到数千瓦都可以；开关管耐压要求 较低( 为推挽式一半) ：电路成本较低等；缺点是由于加在高频变压器原边绕组上 的电压是电容两端的电压，电容放电时电压逐渐减小造成输出脉冲电压顶部呈倾 斜；如将半桥式电路中的电容换成开关管便构成了全桥变换器，该电路既保持有 半桥变换器中开关管耐压低的特点，又具有推挽型电路所具有的输出电压高、输 出功率大的优点。因此，全桥电路在大功率d c d c 变换器中应用比较多。其缺 点是：使用的开关管数量多，且要求参数一致性好，驱动电路复杂，实现同步比 较困难。这种电路结构通常使用在i k w 以上大功率开关电源电路中。 一一l t i zd 3 、 b 厂 c 1 ：三 i i 一 j l i 一s 龃 c 2 = z r c【： ； ，1 i d 2l r 、j 图3 6 半桥式电路 i t l 3 ： zo 商脊j 1 2 4 n f 。本文选用0 4 7 1 a f 的陶瓷电容，即图3 2 2 中的c 1 3 、c 1 4 。 根据快恢复二极管的参数选择标准，本文选用s u f l 5 j l b a a 2 5 5 型快恢复二 极管，v r r m = 6 0 0 v ；乃7 r t l a x = 3 5 n s ；护1 5 a 。 3 2 9 过压过流保护电路 当负载内部产生局部短路或其他原因造成负载电流超过最大允许电流( 过流) 时，若不及时采取保护措施，往往容易造成负载过热烧毁或损坏开关管。采用完 善的保护电路可在输出过流过压时，及时断开系统输出，避免烧毁元件及电路是 十分必要的。本文设计的过流过压保护电路如图3 2 3 所示。l m 3 3 9 比较器类似于 增益不可调的运算放大器，采用c 1 4 型封装，内部集成四个独立的电压比较器。 其工作原理是当比较器的同相端电压高于反相端时，输出高电平；当同相端电压 低于反相端电压时，输出低电平。两个输入端的电压差大于l0 m v 就能确保输出 能从一种状态可靠地转换到另一种状态。本文设计的过压过流保护电路实际上是 两个比较电路，采样电压( 电流) 接l m 3 3 9 的同相端，输入电压经电阻r 3 l 、 r 3 0 ( r 3 6 、r 3 5 ) 分压后接反相端做门限电压，输出端接s g 3 5 2 5 a 的引脚10 ，该引 脚为s g 3 5 2 5 a 的外部关断信号，高电平时禁止输出。l m 3 3 9 内部各比较器输出 端允许连接，故过压、过流保护信号连接后接到s g 3 5 2 5 a 的引脚10 。当采样电 压或电流大于门限电压时，l m 3 3 9 输出高电平禁止s g 3 5 2 5 a 输出，起到保护的 作用。另外l m 3 3 9 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时 数，= r 乳腺x 射线机l u 控系统设计 输出端到正电源一般须接一只电阻( 称为上拉电阻，选3 15 k ，图3 2 3 中位r 3 3 、 r 3 8 ) ，选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值，因为当输出晶体三极管 截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。 g n d g n d 图3 2 3 过压过流保护电路 3 2 1o 反馈回路稳定性设计 3 2 1 0 1 反馈系统振荡原理 本文设计的d c d c 变换器是一个闭环负反馈系统，如图3 2 4 所示。电路内 部存在电压噪声或电压瞬时变化，它们是具有连续频谱的正弦傅里叶分量。噪声 干扰的各分量经过输出滤波器、误差放大器、p w m 等环节，增益和相位都会发 生变化。如图3 2 4 所示，假如在节点c 处引入干扰波。此干扰波所包含的能量分 配成谐波分量。如果系统对不断增大的谐波有响应，则可以看出增益和相移也随 着频率的增加而改变。假设在某一频率下增益等于l 且总的额外相移为1 8 0 0 ( 在 负反馈系统中，控制放大器的连接方式会引入18 0 0 相移，总相移量为3 6 0 0 ) ，那 么将会有足够的能量返回到系统的输入端，且相位与原相位相同，系统由负反馈 变成正反馈，那么干扰将维持下去，系统在此频率下振荡1 。通常情况下，控制 放大器都会采用反馈补偿元电路减少更高频率下的增益，使得系统在所有频率下 硕 ：学位论文 都保持稳定。 图3 2 4d c d c 变换器闭环反馈环路 3 2 1 0 2 系统环路稳定的准则 系统稳定性的分析方法有时域分析法和频域分析法，频域分析方法是对环路 增益和相位裕度计算和显示既简单又有效的分析方法。由经典控制理论知衡量系 统稳定性的指标是相位裕度和增益裕度口引。相位裕度是指：开环系统增益降到0 d b 时所对应的相位。增益裕度是指：开环系统相位为零时所对应的增益大小( 实际是 衰减) 。在实际设计时，只在设计反激交换器时才考虑增益裕度，设计其它变换器 时，一般不使用增益裕度。增益随频率变化的特性，通常被描绘在半对数坐标图 上，如果增益坐标变化的线性距离是2 0 d b ( 增益的数值变化1 0 倍) 时，频率也线 性变化1o 倍，那么称该+ 2 0 d b 10 d e c a d e 的特性曲线具有士1 的斜率，同理 + 4 0 d b 1 0 d e c a d e 的特性曲线具有4 - 2 的斜率。 系统稳定的第一个准则是：在开环增益为1 ( g m = 0 d b ) 的频率( 通常称为剪切 频率、交越频率或截止频率) 处，系统所有环节的总开环相位延迟必须小于3 6 0 0 。 在波特图中我们习惯讨论开环传递函数的相位裕度和幅值裕度是指开环传递函数 幅频特性和相频特性，不包括负反馈引起的1 8 0 0 延迟。此处将负反馈引起的1 8 0 0 延迟也算入开环相位延迟，所以总的开环相位延迟须小于3 6 0 0 。 一个极点在幅相特性上产生具有1 的斜率曲线，对应9 0 0 的相位滞后，r c 电 路就是单极点特性。双重极点在幅频特性上产生具有2 的斜率曲线，对应18 0 0 的相位滞后，l c 电路是双极点特性。图3 2 5 是输出阻抗为r 的滤波电路。 图3 2 5l c 滤波电路 数，式乳腺x 射线机i u 控系统 设计 2 相 帮 羚 娶 g 厘 c 冥 o 一一j 卜一卜“十水一? 一一i j 一? ? 一t i 一一? j 十。i 十 ：群然i i ：i ：i ：i i ： ii i l 、c 一-i-li-i-i-f-t-i-fyt t fi-i-枣t-f-|】i-i-i；- 归一化频率f f o 归一化频率f f o 图3 2 6 输出l c 滤波器的幅相特性曲线 图3 2 6 所示是对应于不同输出阻抗r 值时，l c 滤波器的幅频特性和相频特 性口引。由图3 2 6 可以看出无论尺取何值，所有的增益曲线在高于转折频率即 f = r = 1 2 7 r z c 时，增益斜率近似为2 ( 4 0 d b 1 0 d e c a d e ) 。r = c 的电路，称为 临界阻尼电路，其增益具有非常小的谐振峰值。r