Устройство медицинской визуализации

Изобретение относится к области электротехники. Устройство (10) медицинской визуализации содержит инвертор (12) с полупроводниковыми переключателями (26) для генерации переменного напряжения, подлежащего подаче на нагрузку (20, 22), катушку (32), индуктивно связанную с проводником (34) инвертора (12), соединенного с полупроводниковым переключателем (26) инвертора (12), и схему (60) мониторинга для мониторинга тока в проводнике (34) с использованием сигнала от катушки (32). Технический результат - точное обнаружение максимального тока в устройстве медицинской визуализации. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к устройству медицинской визуализации и к способу работы устройства медицинской визуализации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Обычно в рентгеновском устройстве, таком как CT (компьютерный томограф), напряжение от электрической сети преобразуют в высокое напряжение, которое подают на рентгеновскую трубку. Генератор высокого напряжения может содержать инвертор, в котором IGBT или MOSFET используют в качестве переключающих элементов.

Также в других устройствах медицинской визуализации, таких как MRT (магнитно-резонансный томограф), схожий инвертор можно использовать для генерации тока питания катушек, генерирующих магнитное поле для измерений.

В таком инверторе обнаружение короткого замыкания или максимального тока можно реализовать посредством мониторинга напряжения на переключающем элементе. Напряжение на переключающем элементе может представлять собой хороший индикатор тока, текущего через переключающий элемент, поскольку, как правило, чем выше ток, тем выше напряжение на переключающем элементе.

В устройствах медицинской визуализации, в частности, для уменьшения массы перемещаемых компонентов (например, гентри или рамы с детектором), инверторы могут работать на высокой частоте (до 100 кГц или выше), поскольку массу компонентов, таких как трансформаторы и катушки индуктивности, можно снижать при увеличении частоты. Также используют полнорезонансные высокочастотные режимы, в которых резонансную нагрузку соединяют с инвертором для получения более синусоидального выходного тока.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Если инвертор работает в полнорезонансном высокочастотном режиме, с мониторингом напряжения коллектор-эмиттер переключающего элемента, ток можно должным образом измерять только после определенной задержки. Кроме того, паразитные индуктивности могут вызывать проблемы с мониторингом тока, поскольку они могут искажать зависимость между напряжением и током.

Цель изобретения может состоять в том, чтобы предоставить устройство медицинской визуализации с точным обнаружением максимального тока.

Эту цель достигают посредством объекта независимых пунктов формулы изобретения. Дополнительные примеры вариантов осуществления видны из зависимых пунктов формулы изобретения и нижеследующего описания.

Аспект изобретения относится к устройству медицинской визуализации, например к рентгеновскому, CT или MRT устройству.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, устройство медицинской визуализации содержит инвертор с полупроводниковыми переключателями для генерации переменного напряжения, подлежащего подаче на нагрузку; катушку, индуктивно связанную проводником инвертора, который соединен с полупроводниковым переключателем инвертора; и схему мониторинга для мониторинга тока в полупроводниковом переключателе с использованием сигнала из катушки. Например, катушка может представлять собой катушку без сердечника или катушку Роговского.

В качестве сущности изобретения может усматриваться то, что сигнал от катушки, индуктивно связанной с линией питания полупроводникового переключателя, можно использовать для обнаружения максимального тока в полупроводниковом переключателе. В частности, обнаружение максимального тока может быть очень точным для высокоскоростного переключающего инвертора. Например, полупроводниковый переключатель может представлять собой IGBT, а катушка может быть расположена около пути коллектор-эмиттер IGBT.

Дополнительный аспект изобретения относится к способу работы устройства медицинской визуализации, например, устройства медицинской визуализации, как описано выше и в дальнейшем.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, способ включает этапы: переключение полупроводниковых переключателей инвертора устройства медицинской визуализации для генерации переменного напряжения, подлежащего подаче на нагрузку; генерация сигнала в катушке, индуктивно связанной с проводником инвертора, который соединен полупроводниковым переключателем инвертора; и определение токового сигнала для полупроводникового переключателя по сигналу катушки.

Следует понимать, что признаки способа, как описано выше и в дальнейшем, могут представлять собой признаки системы, как описано выше и в дальнейшем.

Эти и другие аспекты изобретения будут поясняться со ссылками на варианты осуществления, описанные далее.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее варианты осуществления настоящего изобретения описаны более подробно со ссылкой на приложенные чертежи.

На Фиг. 1 схематично представлено устройство медицинской визуализации согласно одному из вариантов осуществления изобретения.

На Фиг. 2 представлен трехмерный вид катушки устройства медицинской визуализации с Фиг. 1.

На Фиг. 3 схематично представлена деталь устройства медицинской визуализации с Фиг. 1.

На Фиг. 4 схематично представлен вид сбоку полупроводникового модуля согласно одному из вариантов осуществления изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1 представлено устройство 10 медицинской визуализации, которое содержит инвертор 12 с двумя плечами 14 инвертора, резонансную схему 16 и трансформатор 18. В случае, если устройство медицинской визуализации представляет собой рентгеновское устройство, оно дополнительно может содержать генератор 20 высокого напряжения и рентгеновскую трубку 22. Если устройство 10 медицинской визуализации представляет собой MRT, компоненты 20, 22 могут содержать катушку 22 для генерации магнитного поля, которое используют для осуществления измерений в MRT 10. В обоих случаях переменный ток от трансформатора 18 используют для подачи нагрузки 20, 22.

Плечи 14 инвертора соединены параллельно источнику 24 напряжения, например, линии постоянного тока. Каждое плечо 14 инвертора содержит два полупроводниковых переключателя 26, например, IGBT 26 или MOSFET 26, которые соединены последовательно. Диод 28 свободного хода соединен параллельно каждому полупроводниковому переключателю 26.

Резонансная схема 16 и трансформатор 18 соединены с плечами 14 инвертора между полупроводниковыми переключателями 24. Резонансная схема 16 имеет конденсатор C и индуктивность L, соединенные последовательно с трансформатором 18.

Инвертор 12 выполнен с возможностью преобразования постоянного напряжения от источника 24 напряжения в переменное напряжение на трансформаторе 18. Переменное напряжение генерируется посредством переключения полупроводниковых переключателей 26 с использованием схемы управления затвором. Импульсное напряжение на выходе 38 плеч 14 инвертора преобразуется в синусоидальное переменное напряжение посредством резонансной схемы 16.

Трансформатор 18 выполнен с возможностью преобразования переменного напряжения от инвертора в переменное напряжение более высокого напряжения, которое подается в нагрузку 20, 22, например генератор 20 высокого напряжения, который может содержать каскад высокого напряжения, который снабжает рентгеновскую трубку 22 постоянным напряжением.

Полупроводниковые переключатели 26 могут располагаться в полупроводниковом модуле 30. Такой полупроводниковый модуль 30 может вмещать один или оба из полупроводниковых переключателей 26 плеча 14 инвертора и, если необходимо, соответствующие диоды 28 свободного хода.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, устройство 10 медицинской визуализации содержит инвертор 12 с полупроводниковыми переключателями 26 для генерации переменного напряжения, подлежащего подаче на нагрузку 20, 22.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, устройство 10 медицинской визуализации содержит резонансную схему 16, соединенную с выходом 38 инвертора 12. Резонансную схему 16 можно рассматривать в качестве резонансной нагрузки на инвертор 12.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, устройство 10 медицинской визуализации содержит трансформатор 18 для преобразования переменного напряжения от инвертора 12 в первое более высокое переменное напряжение.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, устройство 10 медицинской визуализации содержит генератор 20 высокого напряжения для генерации второго более высокого напряжения, подлежащего подаче на рентгеновскую трубку 22.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, полупроводниковые переключатели 26 содержат IGBT.

Кроме того, каждое плечо 14 инвертора индуктивно связано с катушкой 32 для обнаружения максимального тока. Как показано на Фиг. 1, катушка 32 может быть связана с отрицательным входом 34 плеча 14 инвертора. Однако катушку 32 также может быть связана с положительным входом 36 или с выходом 38, т.е. между полупроводниковыми переключателями 26. Входы 34, 36 и выход 38 могут содержать электрические проводники, такие как линии, кабели или шины.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, устройство 10 медицинской визуализации содержит катушку 32, индуктивно связанную с проводником 34, 36, 38 инвертора 12, соединенным с полупроводниковым переключателем 26 инвертора 12.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, инвертор 12 содержит плечо 14 инвертора с по меньшей мере двумя полупроводниковыми переключателями 26, а катушка 32 связана с входом 34, 36 или выходом 38 плеча 14 инвертора.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, катушка 32 для мониторинга тока индуктивно связана с каждым плечом 14 инвертора 12.

На Фиг. 2 представлена катушка 32, которую можно использовать для обнаружения максимального тока в устройстве 10 медицинской визуализации. Катушка 32, представленная на Фиг. 2, представляет собой тороидальную катушку 32, также известную как катушка Роговского 32. Катушка 32 может иметь тороидальный сердечник 40, который может быть ферромагнитным. Проводник 42 катушки 32 может быть намотан вокруг тороидального сердечника. Катушка 32 может представлять собой воздушную катушку 32.

Для измерения тока в проводнике 34, 36, 38 проводник 34, 36, 38 направляется через отверстие 44, которое окружено катушкой 32.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, катушка 32 представляет собой тороидальную катушку, которая окружает проводник 34, 70.

На Фиг. 3 представлен полупроводниковый модуль 30 устройства 10 медицинской визуализации, который связан с катушкой 32. Например, полупроводниковый модуль 30 представляет собой IGBT модуль 30, вмещающий IGBT 26. Коллектор 46 и эмиттер 48 IGBT 26 соединены через монтажные провода с входами 34, 36 модуля 30, который имеет паразитное сопротивление R_B и паразитную индуктивность L_B.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, катушку 32 индуктивно связана с проводником 34, 36, соединенным с эмиттером 46 или коллектором 48 IGBT 26.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, катушка 32 индуктивно связана с проводником 34, 36, соединенным через монтажные провода с полупроводниковым переключателем 26.

Затвор 50 IGBT 26 соединен со схемой 52 управления затвором, которая управляет инвертором 12.

Один путь мониторинга тока I_CE через полупроводниковый переключатель 26 состоит в том, чтобы осуществлять мониторинг напряжения V_CE между входами 34, 36. Однако, при использовании способа мониторинга V_CE в полнорезонансном высокочастотном инверторе с использованием IGBT 26 в качестве переключающих элементов 26, могут возникать некоторые проблемы.

IGBT 26 может требоваться время для того, чтобы фактически достичь своего нормативного напряжения V_CE. Другими словами, напряжение V_CE может только медленно снижаться при увеличении тока нагрузки. Снижение может длиться вплоть до 3 мкс, в зависимости от используемого типа IGBT 26. В предположении 100 кГц инвертора 12 с периодом 10 (или полуволной 5 мкс) переключающий IGBT 26 может достичь своего нормативного V_CE только в конце операции переключения (например, допуская модуляцию проводимости 3 мкс).

Паразитные индуктивности L_B IGBT модуля 30 (например, индуктивности коллектора-эмиттера из-за монтажных проводов) могут вызывать падение напряжения. Поскольку изменение тока (di/dt) в инверторе 12 на высоких частотах, например, в высокочастотном полнорезонансном режиме, может быть достаточно высоким, результирующее падение напряжения может добавляться к измеренному V_CE. Измеренное напряжение V_CEMeasmed может представлять собой сумму падения напряжения и фактического напряжения V_CE на полупроводнике 26:

Мониторинг фактического напряжения V_CE на самом IGBT 26 может становиться затруднительным по причине дополнительного падения напряжения, обусловленного высокочастотным синусоидальным током.

С использованием катушки 32, помещенной в пути коллектор-эмиттер IGBT 26, можно осуществлять дополнительный способ мониторинга тока I_CE. В частности, можно непосредственно осуществлять мониторинг тока I_CE коллектор-эмиттер через IGBT 26, что может преодолеть недостаток указанного выше способа насыщения V_CE, поскольку осуществляется мониторинг самого тока I_CE.

В частности, в устройствах 10 медицинской визуализации, адаптированных для компьютерной томографии (CT), которые могут иметь подвижную раму или подвижную компоновку рентгеновского источника/детектора, и магнитно-резонансной томографии (MRT), масса электрического оборудования пропорциональна частоте генерируемого высокого напряжения. В этих случаях инвертор 12 можно выполнять с возможностью создания выходного напряжения с частотой вплоть до 100 кГц или больше, и мониторинг тока I_CE с использованием катушки 32 может быть полезен.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, полупроводниковые переключатели 26 инвертора 12 устройства 10 медицинской визуализации переключают для генерации переменного напряжения, подлежащего подаче на нагрузку.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, полупроводниковые переключатели 26 переключают так, что частота переменного напряжения выше 10 кГц, например выше 30 кГц.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, полупроводниковые переключатели 26 переключают так, что инвертор 12 работает в резонансном режиме.

Для обработки сигнала катушки 32 рентгеновское устройство 10 содержит дополнительную схему 60 мониторинга тока или схему обнаружения максимального тока 60 с интегратором 62 и блоком 64 сравнения.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, устройство 10 медицинской визуализации содержит схему 60 мониторинга для мониторинга тока в проводнике 34, 36, 38 посредством определения тока от сигнала от катушки 32. Сигнал от катушки 32 может представлять собой напряжение и/или ток, индуцированные в катушке током I_CE. Проводник 34, 36, 38 может представлять собой электрическую линию, в частности линию, которая соединяет полупроводниковый переключатель 26 с входом 34, 36 инвертора 12.

Интегратор 62 содержит операционный усилитель OA1. Инвертирующий вход и выход операционного усилителя OA1 соединены с сопротивлением R1 и конденсатором C1 параллельно. Шунтирующий резистор R4 параллельно с катушкой 32 преобразует ток в катушке 32 в напряжение, которое подается на операционный усилитель OA1. Этот сигнал напряжения катушки 32 подается через резистор R3 на инвертирующий вход операционного усилителя OA1 и непосредственно на неинвертирующий вход. Сигнал катушки 32 пропорционален изменению тока коллектора-эмиттера I_CE. Интегратор 62 можно использовать для суммирования сигнала катушки для преобразования его в сигнал, пропорциональный току I_CE.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, схема 60 мониторинга содержит интегратор 62 для интегрирования сигнала от катушки 32.

Блок 64 сравнения содержит операционный усилитель OA2 с неинвертирующим входом, соединенным с выходом операционного усилителя. Инвертирующий вход операционного усилителя OA2 соединен с опорным напряжением V_Ref.

Сигнал, создаваемый посредством катушки 32, пропорционален di/dt тока I_CE коллектора-эмиттера через IGBT. Интегратор 52 (и, в случае необходимости, другое регулирование сигнала, например, усилитель, инвертор и т.д.) после катушки 32 передает di/dt сигнал в токовый сигнал, который пропорционален току I_CE через IGBT 26.

Блок 64 сравнения сравнивает токовый сигнал с опорным сигналом V_Ref. Получаемый сигнал подается на схему 52 управления затвором, которая выключает IGBT 26 в случае обнаружения максимального тока.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, схема 60 мониторинга содержит блок 64 сравнения для сравнения интегрированного сигнала с опорным сигналом V_Ref.

Следует отметить, что альтернативно модуль 30 может вмещать один или несколько MOSFET 26. В этом случае, как описано выше и в дальнейшем, ток I_CE можно заменять на ток I_DS (ток сток-исток, а напряжение V_CE на V_DS (напряжение сток-исток)).

В целом во время работы устройства 10 медицинской визуализации, в котором инвертор 12 переключается посредством схемы 52 управления затвором, чтобы генерировать переменный выходной ток, можно осуществлять мониторинг тока I_CE и можно определять максимальный ток в полупроводниковом переключателе 26.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, сигнал генерируется в катушке 32, индуктивно связанной с проводником 34, 36, 38 инвертора 12, который соединен с полупроводниковым переключателем 26 инвертора 12.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, токовый сигнал определяется по сигналу катушки 32, где токовый сигнал указывает или пропорционален току в полупроводниковом переключателе 26.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, токовый сигнал определяется посредством интегрирования сигнала напряжения от катушки 32.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, максимальный ток обнаруживается посредством сравнения интегрированного сигнала с опорным сигналом V_Ref.

На Фиг. 4 схематично представлен вид полупроводникового модуля 30 сбоку. Например, полупроводниковый модуль 30 может вмещать два полупроводниковых переключателя 26 плеча 14 инвертора.

Каждый из входов/выходов 34, 36, 38 полупроводникового модуля 30 соединен через механический соединитель 70, 72, 74, например винт, с линией 76, 78, 80 питания, например, шиной, медным стержнем, кабелем или монтажной платой.

Механический соединитель 70 является электрически проводящим, и катушка 32 помещена между линией 76 питания и модулем 30. Таким образом, механический соединитель 70 фиксирует катушку 32 и линию 76 питания на модуле 34, и катушка 32 выполнена с возможностью мониторинга тока I_CE от линии 76 питания через механический соединитель 76 в модуле 30.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, устройство 10 медицинской визуализации содержит полупроводниковый модуль 30, который вмещает по меньшей мере один полупроводниковый переключатель 26.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, катушка 32 индуктивно связана с проводником 70 на входе 34 полупроводникового модуля 30.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, линия 76 питания полупроводникового модуля 30 соединена с полупроводниковым модулем 30 с использованием механического соединителя 70.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, механический соединитель 70 является электрически проводящим, и катушка 32 расположена вокруг механического соединителя 70.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, катушка 32 размещена между линией 76 питания и выходом полупроводникового модуля 30, а механический соединитель 70 закрепляет катушку 32 на полупроводниковом модуле 30.

Хотя изобретение проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и в приведенном выше описании, такие иллюстрации и описание следует считать иллюстративными или служащими в качестве примера и не ограничивающими; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Специалисты в данной области могут понять и осуществить другие вариации в раскрытых вариантах осуществления, а также практически выполнить описываемое в данном документе изобретение, изучив чертежи, раскрытие и приложенную формулу изобретения. В формуле изобретения слово «содержит» не исключает другие элементы или стадии, а формы единственного числа не исключают множества. Один процессор или контроллер или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Сам факт того, что определенные средства перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована с пользой. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не следует толковать в качестве ограничения объема.

1. Устройство (10) медицинской визуализации, содержащее:

инвертор (12) с полупроводниковыми переключателями (26) для генерации переменного напряжения, подлежащего подаче на нагрузку (20, 22);

катушку (32), индуктивно связанную с проводником (34, 70) инвертора (12), который соединен с полупроводниковым переключателем (26) инвертора (12); и

схему (60) мониторинга для мониторинга тока в полупроводниковом переключателе (26) с использованием сигнала от катушки (32);

при этом катушка (32) индуктивно связана с проводником (34), соединенным посредством монтажных проводов с полупроводниковым переключателем (26).

2. Устройство (10) медицинской визуализации по п. 1,

в котором катушка (32) представляет собой тороидальную катушку, окружающую проводник (34, 70).

3. Устройство (10) медицинской визуализации по п. 1 или 2,

в котором полупроводниковые переключатели (26) содержат IGBT,

при этом катушка (32) индуктивно связана с проводником (36, 70), соединенным с эмиттером (46) или коллектором (48) IGBT (26).

4. Устройство (10) медицинской визуализации по п. 1 или 2,

в котором инвертор (12) содержит плечо (14) инвертора с по меньшей мере двумя полупроводниковыми переключателями (26);

при этом катушка (32) связана с входом (34) плеча (14) инвертора.

5. Устройство (10) медицинской визуализации по п. 1 или 2,

в котором катушка (32) для мониторинга тока индуктивно связана с каждым плечом (14) инвертора (12).

6. Устройство (10) медицинской визуализации по п. 1 или 2,

дополнительно содержащее:

полупроводниковый модуль (30), который вмещает по меньшей мере один полупроводниковый переключатель (26);

при этом катушка (32) индуктивно связана с проводником (70) на входе (34) полупроводникового модуля (30).

7. Устройство (10) медицинской визуализации по п. 6,

в котором линия (76) питания полупроводникового модуля (30) соединена с полупроводниковым модулем (30) с использованием механического соединителя (70);

при этом механический соединитель (70) является электрически проводящим, а катушка (32) расположена вокруг механического соединителя (70).

8. Устройство (10) медицинской визуализации по п. 7,

в котором катушка (32) расположена между линией (76) питания и входом (34) полупроводникового модуля (30) и механический соединитель (70) крепит катушку (32) к полупроводниковому модулю (30).

9. Устройство (10) медицинской визуализации по п. 1 или 2,

в котором схема (60) мониторинга содержит интегратор (62) для интегрирования сигнала от катушки (32); и/или

схема (60) мониторинга содержит блок (64) сравнения для сравнения интегрированного сигнала с опорным сигналом (V_Ref).

10. Устройство (10) медицинской визуализации по п. 1 или 2,

дополнительно содержащее:

резонансную схему (16), соединенную с выходом (38) инвертора (12).

11. Устройство (10) медицинской визуализации по п. 1 или 2,

дополнительно содержащее:

трансформатор (18) для преобразования переменного напряжения от инвертора (12) в первое более высокое переменное напряжение; и

генератор (20) высокого напряжения для генерации второго более высокого напряжения, подлежащего подаче на рентгеновскую трубку (22).

12. Способ работы устройства (10) медицинской визуализации, содержащий этапы:

переключения полупроводниковых переключателей (26) инвертора (12) устройства (10) медицинской визуализации для генерации переменного напряжения, подлежащего подаче на нагрузку;

генерации сигнала в катушке (32), индуктивно связанной с проводником (34, 70) инвертора (12), соединенного посредством монтажных проводов с полупроводниковым переключателем (26) инвертора (12); и

определения токового сигнала по сигналу катушки (32), причем токовый сигнал указывает ток в полупроводниковом переключателе (26).

13. Способ по п. 12,

в котором полупроводниковые переключатели (26) переключаются так, что частота переменного напряжения выше 10 кГц; и/или

полупроводниковые переключатели (26) переключаются так, что инвертор (12) работает в резонансном режиме.

14. Способ по п. 12 или 13, дополнительно содержащий этапы:

определения токового сигнала посредством интегрирования сигнала от катушки (32);

обнаружения максимального тока посредством сравнения интегрированного сигнала с опорным сигналом (V_Ref).