《医用X射线成像技术及设备》课件-第四章 高频X线机

第四章高频X线机第一节高频X线机概述第二节

直流逆变电源第三节

高频高压发生器主要电路第四节

高频高压发生器的安装和调试目录第四章高频X线机学习目标

掌握

高频X线机的高频X线机优点

掌握

掌握高频X线机的结构、逆变电路的结构和工作原理

熟悉

高频X线主机安装调试技术、空间电荷补偿的措施

了解

调试软件调试高频X线机的方法

学会

主机电气安装连线及调试，主要电路的故障判断与排除第四章高频X线机乳腺机X-Ray

产品系列移动式C型臂普通胃肠机数字胃肠机血管造影机床边机拍片机DR工频X线机是指采用工频变压器作为整流器和逆变器中的UPS一般来说高频机的穿透力比工频机要强得多，工频机拍内脏、肠胃、膀胱等部位是十分模糊的，而用高频机则会清楚地呈现在胶片上，而且工频X线机辐射大于高频机。

UPS（UninterruptiblePowerSystem），即不间断电源补充知识点：纹波是由于直流稳定电源的电压波动而造成的一种现象，因为直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的，这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。工频X线机缺点：1、体积和重量庞大(高压变压器重上百公斤)。2、输出波形纹波系数大、X线剂量不稳定、软射线成分较多（皮肤剂量高，成像质量差，容易产生伪影）。3、曝光参量的准确性和重复性较差（管电压和管电流允许误差±10%，交流相位需过零点才能结束曝光，不可控）。4、只能使用交流供电（电源将先给自耦变压器供电）。重点一为解决这些问题，将直流逆变技术引入X线机中，使高压发生器的工作电源由工频（50Hz或60Hz）提高到中、高频。复习：整流和逆变整流就是把交流强电变为直流弱电的一个过程，如各种开关电源逆变就是把直流弱电变为交流强电的一个过程，如各种电动车用最简单的一句话来说就是，一个把交流变直流，一个把直流变交流。项目高频机工频机项目高频机工频机线谱窄宽波形近似直流1~12脉冲稳定性随调稳定预调不稳定可控性实时预置有效成分高低中皮肤剂量中大重复性≤0.02≤0.05体积重量小大管电压＜5%＜10%设计要求高中mAs值＜±10%＜±20%材料要求高一般短时曝光1ms3ms适用范围全型号大中型工频机和高频机对比思维导图高频X线机概述第一节第四章高频X线机（1）医用X线机组成①X射线的发生；②图像系统；③辅助装置；④控制部分。（2）高压发生器

提供X线管直流高压；灯丝加热电源。（3）按高压变压器工作频率来划分：①工频高压发生器；②中频高压发生器；③高频高压发生器。第一节高频X线机概述一、高频X线机的构成重点二X线类医用影像设备追求方向：低剂量，高图片质量第一节高频X线机概述一、高频X线机的构成工频机高压发生器高频机高压发生器高频X线机主要电路构成及相关点波形（4）高频X线发生器的工作原理①网电源整流、滤波；②逆变器；③高压变压器升压；④高压整流装置；⑤控制逆变器的脉冲频率或脉冲宽度来调整X线管电压值；⑥灯丝逆变器实现灯丝加热电流的调整，实现X线管电流控制。第一节高频X线机概述一、高频X线机的构成主逆变：高压逆变灯丝逆变实时闭环反馈实时闭环反馈高频X线发生装置框图（5）高频X线发生器的构成①主电路；②灯丝电路；③控制及驱动电路；④AEC电路；⑤透视图像ABC（也有称ABS）电路；⑥接口电路。第一节高频X线机概述一、高频X线机的构成既然最终加在球管两端的是直流电压，为什么不直接把直流电加在球管两端，非要逆变成交流再整流成直流呢？交流电可以轻松通过变压器把电压升高和降低第一节高频X线机概述补充知识点：线束硬化效应X线诊断工作中用的X线束是多能的，它们含有宽的频带。当线束被减弱时，低能量成分首先被吸收，因此，升高了线束的平均能量。而这时的X线束就较易穿过物体。这个平均能量升高和易穿过物体的变化，称为线束硬化效应。第一节高频X线机概述一、高频X线机的特点重点举例：CT图像显示，由于造影剂或金属的线束硬化效应，出现条纹伪影。第一节高频X线机概述一、高频X线机的特点重点(一)X线性能稳定➢X线成像规律：如果单一能谱X线，物质对其吸收遵守指数吸收规律，只有光子数目改变，没有光子能量变化，提高了成像质量。➢连续能谱X线，会产生硬化效应。✓工频机出X线波谱复杂，相同时间内特征频率的X射线量少，杂散射线多(病人吸收增多)，成像模糊。致命缺点重点三高频X线机特点：第一节高频X线机概述一、高频X线机的特点重点➢工频X线机是过零点时候曝光，造成短时间曝光重复率差。➢高频X线机曝光取决于高压波形上升沿，可达1mS.(二)曝光定时精确第一节高频X线机概述一、高频X线机的特点重点(三)体积小和重量轻➢高压发生器、灯丝加热变压器和控制电路体积轻小：工作频率和线圈匝数及铁芯横截面积呈反比➢高压整流电路简单：无软射线➢无笨重的自耦变压器，微机控制：逆变电路第一节高频X线机概述一、高频X线机的特点重点(四)管电压和管电流控制精度高➢工频X线机以管电压预示及补偿来确定曝光时的管电压值，管电流调节电路需配稳压电源和空间电荷补偿器。➢闭环反馈控制过程无法实现。➢高频机采用自动闭环控制管电压、管电流。高频X线机X线输出剂量大、病人皮肤剂量低的根本原因是管电压的恒定，可以实现实时控制！第一节高频X线机概述一、高频X线机的特点重点(五)对电源要求低➢高频X线机的逆变系统所需的是直流电，方便储存，如在野外、自然灾害、战争等条件下异能正常工作。(六)智能化程度高➢高频机采用微机控制，智能化程度高，接口方便。开机-机器自检-曝光条件选择-摆位-检查开始第一节高频X线机概述一、高频X线机的特点重点行业发展情况：西方许多发达国家工频X线机已禁止使用，早已使用高频X线机，在我国主要以工频为主，生产高频X线机的企业逐渐增多。第一节高频X线机概述一、高频X线机的特点高频X线发生器的技术：逆变，把50Hz交流电变为直流电，再变为几万到几十万Hz的交流电，输送到高压变压器初级和

灯丝变压器初级。

牢

记第一节高频X线机概述一、高频X线机的特点重点直流逆变电源第二节第四章高频X线机（1）高频X线机主电路低压部分

主要由整流电路及逆变电路组成。①整流电路：由交流电能到直流电能的变换称为整流（或称AC／DC变换），能实现这一功能的电路称整流电路。②逆变电路：由直流电能到交流电能的变换称为逆变（或称DC／AC变换），能实现这一功能的电路称逆变电路。特：大型高频X线机供电电源——380V三相电源第二节直流逆变电源一、相关概念（2）电力电子器件的分类

开关控制特性分为：不控型、半控型、全控型。①不控型器件：指无控制极的二端器件，如功率二极管，由于无控制极，器件不具有可控开关性能。②半控型器件：指有控制极的三端器件，这类器件控制极只能控制器件开通而不能控制器件关断。③全控型器件：指有控制极的三端器件，这类器件控制极既能控制器件开通又能控制器件关断。怎样把直流电变成交流电？（怎样实现逆变？）重点、难点第二节直流逆变电源一、相关概念（3）逆变电路常用的功率开关管①功率场效应晶体管：简称MOSFET。②绝缘栅双极型晶体管：简称IGBT。MOSFET电气符号图IGBT电气符号图什么是电子开关？电压驱动型比电流驱动型驱动功率小、电路简单、可以实现高频开关动作也可以使用可控硅第二节直流逆变电源一、相关概念（4）逆变电路的分类

按逆变主电路的结构、逆变器的控制方式等分类。①按逆变电路的结构分类：单端式、单桥式（主电路）、全桥式（主电路/灯丝电路）。②按逆变器的控制方式分类：脉冲频率调制、脉冲宽度调制。a.脉冲频率调制（pulsefrequencymodulation，PFM）通过改变逆变器的工作频率，来改变负载输出阻抗以达到调节输出功率的目的。b.脉冲宽度调制（pulsewidthmodulation，PWM）通过改变逆变器工作频率的脉冲宽度，来改变输出电压的有效值以达到调节功率的目的。第二节直流逆变电源一、相关概念高频X线机能实现实时控制的主要原因①kV脉冲频率调节②mA脉冲宽度调节③微机控制（5）软开关（softswitching）

利用由电感、电容及功率开关管等组成的电路产生谐振，开关管在进行开通动作或关断动作时，自身的电压或电流为理想的零状态。①零电压开关（zerovoltageswitching，ZVS）：在功率开关管开通或关断过程中，加在开关管上的电压为零，称为零电压开关。②零电流开关（zerocurrentswitching，ZCS）：在功率开关管开通或关断过程中，通过开关管上的电流为零，称为零电流开关。目的：为了减小逆变器开关的损耗、提高开关效率第二节直流逆变电源一、相关概念（6）电力电子电路辅助电路

控制电路、驱动电路和保护电路等。①控制电路：根据输入和输出的要求产生主电路所需的大功率电子器件的通断控制信号。②驱动电路：根据控制电路给出的通断控制信号，提供大功率电子器件足够的驱动功率，以确保大功率开关管迅速可靠地开通和关断。驱动电路要求：

a.驱动电路应保证驱动功率开关器件完全的导通和关断。b.改善器件的开关特性和减小器件的开关损耗。c.将控制电路输出的控制信号隔离、放大以驱动功率开关器件。d.提高抗干扰性能，防止器件误导通和误关断。第二节直流逆变电源一、相关概念（1）单相全波整流滤波电路空载时或当滤波电容很大而负载较小时，输出电压值为交流输入电压的峰值，如公式：单相全波整流滤波电路第二节直流逆变电源二、直流电源（2）单相倍压整流滤波电路空载时或当滤波电容很大而负载较小时，输出电压值为交流输入电压的峰值的两倍，如公式：单相倍压整流滤波电路第二节直流逆变电源二、直流电源（3）三相全桥整流滤波电路空载时或当滤波电容很大而负载较小时，输出电压值为交流输入电压的峰值，如公式：三相全桥整流滤波电路第二节直流逆变电源二、直流电源（4）网电源的接通和关断

①网电源的接通：软启动保护电路来限制合闸时的浪涌电流。高频X线机的软启动电路第二节直流逆变电源二、直流电源（4）网电源的接通和关断

②网电源的断开：通过外接的放电电路把留存于滤波电容中的剩余电荷放掉。高频X线机滤波电容关机放电电路第二节直流逆变电源二、直流电源（1）逆变器负载上的电压波形单相全桥电压型逆变器电路共4个电子开关区别：单端逆变只需要1个电子开关、半桥式逆变要2个桥式逆变输出的电压波形是方波第二节直流逆变电源三、高频X线机的逆变器（2）脉冲频率调制的串联谐振逆变器①串联谐振逆变器的谐振频率串联谐振电路第二节直流逆变电源三、高频X线机的逆变器（2）脉冲频率调制的串联谐振逆变器②脉冲频率调制的逆变器工作原理串联谐振电路的输出功率与角频率之间的关系对于一个恒定的输入电压，当逆变器的工作频率与负载谐振频率偏差越大时，负载电阻R上的输出功率就越小；反之，当两者越接近时，输出功率就越大。第二节直流逆变电源三、高频X线机的逆变器（2）脉冲频率调制的串联谐振逆变器③串联谐振逆变电路的工作过程：三相整流桥整流、滤波，逆变器的每个功率开关管上反向并联了一个续流二极管Dl～D4。高频X线机串联谐振逆变电路第二节直流逆变电源三、高频X线机的逆变器（2）脉冲频率调制的串联谐振逆变器③串联谐振逆变电路的工作过程a.T0～T1：VD1、VD4导通，T1时刻，VD1、VD4关断。b.T1～T2期间，贮存在电容C内的能量会通过D1、D4释放。c.在T3～T4期间，VD2、VD3导通，在T4时刻，VD2、VD3关断。d.T4～T5期间，贮存在谐振电容C内的能量通过D2、D3释放。f＜f0/2串联谐振逆变电流波形第二节直流逆变电源三、高频X线机的逆变器（2）脉冲频率调制的串联谐振逆变器③串联谐振逆变电路的工作过程f0/2＜f＜f0串联谐振逆变电流波形f＜f0/2串联谐振逆变电流波形第二节直流逆变电源三、高频X线机的逆变器（3）脉冲宽度调制的逆变器当工作频率不变，周期T一定时，如果调节开关管的导通时间TON，可以调节电压UAB的有效值。脉冲宽度调节原理三、高频X线机的逆变器第二节直流逆变电源1、由外部电源供电的高频X线机，常用的整流电路为单相全波整流、单相倍压整流和三相全桥整流；2、软启动电路：限制浪涌电流；外接放电电路：释放滤波电容电流3、PFM：改变逆变器工作频率→改变阻抗PWM：改变逆变器工作频率的脉冲宽度→改变电压四、小结第二节直流逆变电源高频X线机有什么优点？高频X线机和工频X线机有什么区别？五、思考第二节直流逆变电源高频X线机用于调试的开关是（

）A服务开关B测试开关C接口开关D以上都不是高频X线机电子开关不能用以下哪种开关（）A场效应管B晶体管C可控硅D按钮开关程控X线机就是单片机控制的()A.工频X线机B.中频X线机C.高频X线机D.超高频X线机E.以上都不就是高频X线机有什么优点？高频X线机和工频X线机有什么区别？五、思考第二节直流逆变电源1.病人皮肤剂量低2.成像质量高。3.输出剂量大4.实时控制5.高压变压器的体积小、重量轻6.可实现超短时曝光7.便于智能化(使用单片机控制和管理)高频X线机优点：项目高频机工频机项目高频机工频机线谱窄宽波形近似直流1~12脉冲稳定性随调稳定预调不稳定可控性实时预置有效成分高低中皮肤剂量中大重复性≤0.02≤0.05体积重量小大管电压＜5%＜10%设计要求高中mAs值＜±10%＜±20%材料要求高一般短时曝光1ms3ms适用范围全型号大中型工频机和高频机对比频率（？）、逆变、管电压管电流调制(PFM、PFW）逆变是怎么实现的？关于电子开关原件你了解多少？MOSFET...IGBT......五、思考第二节直流逆变电源第一节高频X线机概述第二节

直流逆变电源第三节

高频高压发生器主要电路第四节

高频高压发生器的安装和调试目录第四章高频X线机第三节第四章高频X线机高频高压发生器主要电路（1）上电控制及电源分配电路

①上电控制：外部网电源送到发生器电源输入端，但主电源继电器没有合上时，系统要给电源上电控制电路提供电源；要有电源合上开关动作的保持电路；能包含紧急按钮的接入点。②电源分配（2）母线电容的充电与放电

一、电源电路第三节

高频高压发生器主要电路（1）高频X线机管电压的控制与调节原理二、管电压控制与调节第三节

高频高压发生器主要电路管电压的产生与停止；故障保护控制（2）高频X线机高压电路

两套高压变压器和高压整流电路，把变压整流后的直流电压串联，中性点接地，而每套高压变压器的次级线圈有多组，再串联，可以降低高压器件的耐压要求，高频发生器高压电路如图所示。二、管电压控制与调节第三节

高频高压发生器主要电路（3）Indico100发生器管电压控制与调节①管电压的检测电路②管电压的调节与控制③高压电路④保护电路二、管电压控制与调节第三节

高频高压发生器主要电路Indico100发生器（1）高频X线机管电流控制与调节原理二、管电流控制与调节①灯丝电流的控制和调节是通过逆变器脉冲宽度调制来实现的；②管电流控制两种方式：其一仅用灯丝电流的闭环反馈来实现控制；管电流的灯丝电流闭环控制原理框图第三节

高频高压发生器主要电路控制灯丝是否加热（1）高频X线机管电流控制与调节原理二、管电流控制与调节②管电流控制两种方式：其二由管电流及灯丝电流的双闭环反馈控制来实现控制：a.内环的灯丝电流反馈及外环的管电流反馈都是由硬件组成；响应速度快CPU参与的管电流双闭环控制原理框图第三节

高频高压发生器主要电路（1）高频X线机管电流控制与调节原理二、管电流控制与调节②管电流控制两种方式：其二由管电流及灯丝电流的双闭环反馈控制来实现控制：b.内环灯丝电流的反馈是硬件实现的，而外环的管电流反馈控制是由CPU实现，有软件参与控制。响应速度慢管电流及灯丝电流双闭环控制原理框图第三节

高频高压发生器主要电路（2）管电流校准二、管电流控制与调节①X线管电流与灯丝加热电流及管电压有关。②为了提高管电流参数的精度，要对管电流进行校准；③校准分手动和自动两种。X线管的灯丝发射特性曲线图第三节

高频高压发生器主要电路二、管电流控制与调节（3）Indico100发生器管电流控制与调节①检测与反馈电路②灯丝电流的调节与控制③保护电路④管电流及灯丝电流的监控第三节

高频高压发生器主要电路（2）Indico100发生器低速驱动电路

①启动及运行电源：电源辅助变压器T1提供。②阳极启动前的保护：a.“高压允许”信号存在；b.没有“X线管1、X线管2不匹配和X线管过热”故障信号；c.没有“12VDC、软启动”故障信号。③K1是保护继电器：故障时断开。四、旋转阳极定子驱动及保护电路第三节

高频高压发生器主要电路第三节

高频高压发生器主要电路（3）Indico100发生器双速驱动电路①如果X线机配置高速X线管，CPU根据曝光预置参数的功率来确定X线管阳极需要低速启动还是高速启动。②逆变器脉冲频率调节阳极高速或低速。

③CPU、缓冲及驱动电路的输入输出：a.高速、低速选择信号；b.曝光准备信号；c.球管1或球管2选择信号；d.开关SW1和SW2确定驱动参数；e.双速启动电路的检测信号。四、旋转阳极定子驱动及保护电路第四节第四章高频X线机高频高压发生器的安装和调试一、发生器主要部件及参数（1）Indico100发生器面板功能①开机、关机按钮②X线摄影控制和显示屏③影像接收器按钮及指示④解剖程序摄影显示和控制⑤X线透视控制和显示屏⑥曝光准备按钮、曝光按钮及曝光指示器第四节

高频高压发生器的安装和调试一、发生器主要部件及参数（1）Indico100发生器面板功能X线摄影控制和显示屏①用于AEC摄影的照射野选择按钮和指示器②用于AEC摄影的胶片/增感屏按钮和指示器③摄影技术项选择按钮和指示器④焦点选择按钮和指示器⑤、⑥、⑦、⑧为摄影曝光参数选择按钮⑨X线摄影参数显示屏第四节

高频高压发生器的安装和调试一、发生器主要部件及参数（1）Indico100发生器面板功能X线透视控制和显示①X线透视参数显示屏②透视进行中指示器③透视管电压选择按钮④透视管电流选择按钮⑤

透视时间清零和累计时间按钮⑥

脉冲透视频率选择按钮⑦I.I放大选择按钮⑧剂量选择按钮⑨ABS选择按钮⑩脉冲透视功能选择按钮第四节

高频高压发生器的安装和调试X线透视控制和显示一、发生器主要部件及参数（1）Indico100发生器面板功能解剖程序摄影控制和显示①解剖部位和投照位选择按钮②射线X线管选择指示③阳极热量指示④DAP指示⑤ms或mAs读数⑥状态和操作信息显示区⑦时间读数⑧上一个（<<）和下一个（>>）翻页选择按钮⑨复位按钮第四节

高频高压发生器的安装和调试一、发生器主要部件及参数（2）Indico100发生器柜主要部件第四节

高频高压发生器的安装和调试一、发生器主要部件及参数（3）Indico100发生器主要参数①管电压范围：X线摄影为40～150kV，X线透视为40～125kV。②管电压精确度：(5%＋1)kVp。③管电流范围：X线摄影10～630mA（50kW）、10～800mA（65kW）；X线透视可选择0.5～6.0mA或0.5～20mA（脉冲透视）。④管电流精确度：(5%＋1.0)mA。⑤电流时间积范围：取决于射线X线管，最大1000mAs。⑥加载时间范围：X线摄影为1.0～6300ms；X线透视为0～5min或0～10min。⑦最小电流时间积：0.5mAs。第四节

高频高压发生器的安装和调试一、发生器主要部件及参数（3）Indico100发生器主要参数

⑧其他参数项最高X线管电压和该电压时的最大X线管电流；最大X线管电流和该电流时的最大X线管电压；产生最大输出功率的X线管电流和X线管电压；管电压为100kV、加载时间为0.1秒时的最大恒定输出功率等。第四节

高频高压发生器的安装和调试一、发生器主要部件及参数（3）Indico100发生器主要参数

⑨参数取值方式kV：步进mA：根据R′10数系

或R′20数系值

mAs：根据R′10数系

或R′20数系值

曝光时间：根据R′10数系

或R′20数系值R′10数系值：1.00，1.25，1.60，2.00，2.50，3.20，4.00，5.00，6.30，8.00。R′20数系值：1.00，1.10，1.25，1.40，1.60，1.80，2.00，2.20，2.50，2.80，3.20，3.60，4.00，4.50，5.00，5.60，6.30，7.10，8.00，9.00。第四节

高频高压发生器的安装和调试二、Indico100发生器基本功能安装（1）连线：①电源线；②控制台与控制柜的通讯线；③曝光手开关及透视开关的安装；④旋转阳极定子线、X线管的热保护开关线；⑤高压电缆；⑥安全门开关。（2）设置与初次测试

①低速启动器的设置②双速启动器的设置（3）初次开机测试第四节

高频高压发生器的安装和调试三、Indico100发生器的调试界面第四节

高频高压发生器的安装和调试（1）进入调试界面的编程模式①按下RESET按钮并不放，同时按下控制台上电源ON按钮；②要求输入密码；按[1]-[8]-[4]-[5]顺序按下按钮，显示“GENERATORSETUP”（发生器设置）菜单。三、Indico100发生器的调试界面第四节

高频高压发生器的安装和调试（2）发生器设置菜单

①UTILITY应用程序②APREDITOR解剖程序编辑器③GENCONFIGURATION发生器设置④DATALINK数据链接⑤EXITSETUP退出设置三、Indico100发生器的调试界面第四节

高频高压发生器的安装和调试（3）应用程序（UTILITY）（4）解剖程序编辑器（APREDITOR）（5）发生器设置（GENCONFIGURATION）①X线管选择（TUBESELECTION）②发生器限值（GENERATORLIMITS）③接收器的设置（RECEPTORSETUP）④输入输出设置（I/OCONFIGURATION）⑤AEC设置（AECSETUP）⑥透视设置（FLUOROSETUP）⑦X线管校准（TUBECALIBRATION）三、Indico100发生器的调试界面第四节

高频高压发生器的安装和调试（5）发生器设置（GENCONFIGURATION）④输入输出设置（I/OCONFIGURATION）发生器输入输出的5种状态四、GenWare调试软件第四节

高频高压发生器的安装和调试（1）运行GenWare程序①与控制台的连接在安装了调试程序的计算机和发生器控制台之间用一根9芯RS232线连接。②默认窗口③摄影及透视参数显示窗口（2）选择应用程序五、主机功能完善第四节

高频高压发生器的安装和调试（1）透视功能调试①脉冲透视的同步信号②自动亮度控制调试ABS硬件调试、ABS软件调试五、主机功能完善第四节

高频高压发生器的安装和调试（2）输入输出点设置①工作间接口板②输入点③输出点④输出电压六、发生器操作显示信息和错误代码第四节

高频高压发生器的安装和调试（1）操作信息（2）限制信息（3）错误信息发生器的状态信息小结第四节

高频高压发生器的安装和调试

高频X线机通过逆变器为X线管提供产生X线所需的可调直流高压及灯丝加热电源，主逆变器常采用脉冲宽度调制或脉冲频率调制来实现管电压的调节，灯丝逆变器常采用脉冲宽度调制来实现灯丝电流的调节，从而达到调节管电流的目的。由外部电源供电的高频X线机与网电源接通时软启动保护电路来限制合闸时的浪涌电流；与外接网电源断开时，通过外接的放电电路把留存于滤波电容中的剩余电荷放掉。高频X线机以高性能及安全性等优势已成为发展趋势。

本章主要介绍高频X线机的工作原理、组成结构，掌握逆变电路工作原理。并以Indico100发生器为例，介