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当前位置:电子发烧友网 > 图书频道 > 仪器 > 《医学影像设备》 > 第2章 X线成像设备

第4节 X线成像设备的结构与原理

一、X线的产生装置
    根据X线的产生原理,人们研制出了一整套将电能转变为X线能的装置,该装置是X线机中最重要的组成部分。它能根据不同需要产生量和质可以随意控制的X线束。
    X线机的结构和形式,随着科学龙8娱乐城官网的发展和使用要求的不同而有很大差别,但其产生X线的原理都是一样的。
  X线机的基本结构如图2-1所示. 

图2-1 X线机基本结构框
    现将各部分原理和作用分述如下。
    1.X线球管
X线球管可谓X线机的心脏,它是产生X线的关键部件。是一个高真空器件,产生X线的实质是能量转换,根据产生X线的条件,高速电子所携带的能量,在遭到急剧阻挡后,大部分转变为热能,很小的一部分能量转变为X线,X线球管是一个转换效率极低的能量转换元件,在此过程中大约有99%左右的能量被转换成热能而被浪费掉,不仅如此,人们为了解决这大量的热带来的问题又投入了较大的精力去研究如何散热,尽管如此,X线的作用和影响仍然是非常重要的。
    X线球管从结构上分为固定阳极和旋转阳极2种。
    ⑴ 固定阳极X线球管  固定阳极X线球管的阳极固定不动,电子由热阴极发射,具有X线量和质可以任意调节的特点。因其功率小、焦点较大,已满足不了飞速发展的X线影像龙8娱乐城官网的要求,目前仅用于小型和部分中型X线机中。
    ①构造与作用  固定阳极X线球管的结构主要由阳极、阴极和玻璃壁3部分组成,如图2-2所示。

图2-2固定阳极X线球管的结构

    阳极由靶面、铜体、阳极罩、阳极柱4部分组成。阳极的作用是产生X线,散热,吸收二次电子和散射线。靶面受电子轰击,而电子动能的约99%转换为热能,只有1%左右转换为X线,故靶面材料多选用高熔点且X线发射率较高的金属钨制成(熔点为3370℃,原子序数Z=74)。由于钨的导热率小,故一般通过真空熔焊的方法把钨靶焊接在无氧铜体上,以便具有良好的散热能力。阳极罩在靶外面,也由无氧铜制成,其作用是吸收二次电子和散射线。高速电子轰击靶面时,会有少量电子从靶面反射回来,称为二次电子,其能量为原来的90%左右。二次电子若轰击在玻璃壳上,会使玻璃壳温度升高而渗进气体分子,降低管内真空度,热量不均匀时甚至会使玻璃壳击穿漏气;二次电子也可能再次轰击靶面,辐射出大量的散射线,严重地影响成像质量。加设阳极罩可以大大减轻上述危害。
    阳极柱由紫铜制成,铜体延伸出管外,通过与外部油液之间的传导作用把热传递出去。阴极由灯丝和集射罩组成,其作用是发射热电子和聚焦,使打在靶面上的电子束具有一定的形状和大小,形成X线球管的焦点。
    灯丝由钨制成,绕成螺管状,作用是发射电子。灯丝通电后,温度逐渐上升,至一定值后开始发射电子,发射电子的能力与灯丝温度(或灯丝消耗的功率)密切相关。根据W =I2·R(W为灯丝消耗的功率,I为灯丝电流强度,R为灯丝电阻),R=ρ·L/S(ρ为灯丝电阻率,L为长度,S为灯丝截面积),温度与灯丝电流密度(单位截面积上的 电流强度)之间的关系如图2-3所示。

图2-3灯丝的电流强度与温度之间的关系
    当灯丝温度低于2400 K时,随着电流(或者说电流密度)的升高温度增加较慢;而温度高于2400K时,电流稍提高一点,灯丝温度却增加很多。所以在调试管电流时,应特别注意这一点。而且,灯丝点燃时间越长,工作温度越高,蒸发越快 ,灯丝寿命越短。如果灯丝电流比额定值升高5%,灯丝的寿命可以缩短1倍。所以灯丝加热电流应严格限制在额定值以下使用,同时应尽量缩短高温点燃时间。
    集射罩的作用是对灯丝发射的电子进行聚集。当灯丝发射大量电子后,接通高压时,在阳极正电场的作用下,电子将高速飞向阳极。但由于电子之间的相互排斥作用,致使电子呈散射状,特别是在阳极电压较低的情况下,散射更为显著。为了能使电子集中成束状飞向阳极,因此将灯丝装入一个用镍或铁镍合金等制成的长方形罩中,该罩称集射罩。
    X线球管玻璃壳是用来支撑阴阳两极和保持管内真空度的。它多用耐高温、绝缘强度高 、膨胀系数小的钼玻璃制成。
    ②X线球管的焦点电子轰击在靶面上的面积称为实际焦点。实际焦点在X线投照方向上的投影称有效焦点,或称目视焦点。设靶面与X线投照方向的夹角为θ,实际焦点的长度为b,宽度为a,那么它在θ方向上的投影,其宽度不变,长度为b·sinθ,因此有效焦点为a·b·sinθ。当投照方向与X线管轴相垂直时,这时的θ角称为靶角或阳极倾角。实际焦点在与X线管轴相垂直方向上的投影称为标称有效焦点。在X线球管规格中,通常以标称有效焦点来表示其有效焦点。其关系如图2-4所示。

图2-4阳极靶面的有效焦点与实际焦点 
    X线球管的阳极之所以龙8国际下载成倾斜一定的角度,是为了增大实际焦点面,减小有效焦点,这样既能提高X线球管的热容量,又能改善影像质量,使影像较为清晰。有效焦点与成像质量有密切联系。有效焦点尺寸越小,影像清晰度越高。由图2-5可以看出,当有效焦点为点光源时,胶片上的影像界限分明,清晰度高;当有效焦点具有一定尺寸时,胶片上的影像边界产生了半影,边缘模糊,清晰度降低。  


图2-5焦点尺寸与影像的关系
   
    有效焦点的大小与X线球管的管电流强度(管电流)和电压(管电压)有关。在管电流一定的条件下,管电压越高,电子间排斥力相对电场力的作用变小,所以有效焦点尺寸略有减小 ;在管电压一定的条件下,尤其在低压时,管电流增大,电子间的排斥力增大,有效焦点尺寸将明显增加,这种现象称为焦点增涨。所以在测量有效焦点时既要规定与管轴垂直的投影方向,还应规定相应的管电流和管电压值,一般取管电流的最大值的50%,管电压为75kV作测量条件。
    (2)旋转阳极X线球管固定阳极X线球管因阳极焦点面受温度的影响, 限制了功率。 要提高功率就必须增大焦点面积,这又使影像清晰度大大降低,两者不能兼顾。1930年以后出现了旋转阳极X线球管,其结构如图2-6所示。
  从偏离管中心轴线的阴极灯丝发射出来的电子,轰击在转动的阳极靶面上,由于热量被均匀地分布在一个转动着的圆环面上,使单位面积上的热量大幅度降低,因而能有效地提高X线球管的功率;或者说,在一定的负载功率下,阳极倾角可以大大减小,从而使有效焦点变小而大大提高了影像清晰度。所以旋转阳极X线球管的最大优点是:功率大、焦点小。和固定阳极X线球管相比,旋转阳极X线球管主要是阳极部分构造不同。阳极部分主要由靶面、转子、转轴、轴承和定子组成。  
图2-6旋转阳极X线球管结构

    靶面具有6°~18°的倾斜角,镶在一个直径为70~100 mm的圆盘上。其中心铆接在钼制细杆上,钼杆的另一端与转子相连,转子为一表面黑化的铜管,以提高热辐射能力。转子内装有滚珠轴承,转动灵活,转子和轴承封闭在高真空的玻璃管内。定子线圈装在管壁外面,其结构和小型单相异步电机类同。转子由无氧铜制成,相当于异步电动机的鼠笼转子,转速由下式决定:
         n=120f/p(r/min)
    式中n为理论转速,f为定子中的电源频率,p为定子的极数,一般为2。
由于存在频率差,转子转速约落后磁场转速的10%左右。所以对低速管(f=50Hz ),实际转速约为2700r/min;对高速管(例如f=150Hz),实际转速为8500r/min左右。转速越高,X线管的功率越大。
    2.高压发生器
    高压发生器是X线机主机系统的重要组成部分。它的作用,一是将由自耦变压器输入的初级交流低电压升高数百倍,再经整流后输出,为X线管两极提供直流高压;二是将初级电路输入的交流电压降压后输出,为X线管灯丝提供加热电流;三是完成管电压、灯丝加热电流在不同负载间的切换。
    由上述可知,它应包括下列元件:高压变压器、灯丝变压器、高压整流器、高压交换闸等。
    (1)高压变压器
    X线机的高压变压器的工作原理与普通变压器一样,但由于运行状态较为特殊,在构 造上也有其固有的特点。
    ①铁芯多采用闭合式的导磁体,一般用0.35mm厚的热轧硅钢片(D41~D43)或冷轧硅钢片(D310~D340)冲压成不同宽度的矩形片叠成阶梯形状。为了减少涡流损失,每片表面涂上一层很薄的绝缘漆。为了减少叠片接合处的磁隙,采取交叉叠片方法以消除明显接合缝隙,最后嵌成闭合“口”字形或“日”字形。为了使铁芯压紧减少漏磁,多用扁铁或角钢夹持,并用螺栓紧固。
   
    ②初级绕组由变压器的原理可知,它的初级绕组通过的电流强度很大。中型以上诊断X线机在摄影时可达百余安培,但其电压不高,故其绝缘要求不十分严格,一般有0.1~0.2 mm的电容器纸衬垫绝缘即可,但要用较粗的纱包线或玻璃丝包的扁铜线。有的初级绕成2个绕组,串联或并联使用。但两线圈的接线方向不能接错,否则因磁通反向抵消而无输出。
    ③次级绕组高压变压器次级通过的电流强度较小,一般在1000mA以下,故多采用直径较小的油性或高强度漆包线绕制。又因为次级电压很高,其总匝数在数万到数十万之间,多绕成匝数相同的2个绕组,套在初级绕组上。初次级之间必须有良好的绝缘。为提高层间的绝缘强度,需衬垫数层电容器纸。图2-7为高压变压器结构示意图。 
图2-7高压变压器结构
    ④次级绕组的中心接地诊断X线机高压变压器都采用2个线圈、中心点接地方式,这样可使高压变压器的绝缘要求降低一半。高压次级中心点接地后就获得与地相同的零电位,因此次级2输出端的任何一端对中心点的电压等于2输出端间电压的一半。同时由于中心点是零电位,就可以把指示管电流的电流表(一般以毫安作为电流强度的单位,故又称毫安表)接在中心点处,安装在控制台上使控制台免受高压袭击,保证工作人员安全。为了防止毫安表断路而使中心点电位升高,设有保护装置,其方法有2种:其一为在2个中心点接线柱上并联1对放电针或1个纸质电容器,其二为在中心点接线柱上并联1只放电管。这样中心点电位升高时,以上保护装置导通,接通对地回路,起到保护作用。
    (2)灯丝变压器
 
图2-8高压真空整流管
    X线管的灯丝电流的电流强度一般为4~8A,灯丝电压为5~20V,故灯丝变压器为100~150W的降压变压器。X线管灯丝变压器的初级输入电压在小型机中多直接由自耦变压器供给,而中型以上还需经过磁饱和稳压器稳压,初级电压多为220V 。主要特点是其次级绕组与高压变压器次级的一端相连,在工作时带有高电位,因此初、次级线圈间应具有良好的绝缘。
    (3)高压整流器
    高压整流器是一种将高压变压器次级输出的交流电整流成脉动直流电的电子元件。利用这种元件可以使X线管始终保持在阳极为正、阴极为负的脉动直流高压状态下工作,可充分发挥X线管的效率。高压整流元件分为2种。
    ①高压真空整流管常称高压整流管。高压整流管的结构与工作原理同X线管基本相似,即有一个能加热而发射电子的阴极,有一个接受电子的传导电流的阳极面,并且管内具有高度真空(图2-8)。高压整流管具有一般二极管的单向导电特性 。
    ②高压硅整流器常称高压硅堆。使用高压真空整流管时,灯丝需要加热,消耗一定电能,同时压降也大,还需要灯丝变压器,占体积较大。故目前已用高压硅堆取代了高压真空整流管,它具有体积小、机械强度高、绝缘性高、寿命长、性能稳定、压降小、无需灯丝加热等优点,从而可简化电路,并缩小高压发生装置的体积(图2-9)。 
 
图2-9高压硅整流器
它由许多单晶硅做成的二极管用银丝串联而成,外壳一般用环氧树脂密封。由于硅和环氧树脂的热膨胀系数差别很大,考虑到耐压,每个硅堆首先用硅胶加以密封,然后充填环氧树脂。
    (4)高压交换闸
    在较大功率的诊断用X线机上,多配有2个或2个以上的X线管,以适应一机多用的需要。但由于几个X线管共用一个高压发生器,而各X线管又不能同时工作,所以高压变压器产生的高压必须经过切换装置送到不同用途的X线管上,这种切换装置称高压交换闸。它除了把高压输出到各个X线管外,还将高压发生器内X线管灯丝变压器的加热电流同时输送到相对应的X线管。
    高压交换闸不仅要接通高压,还要接通灯丝电流,而且动作十分频繁,因此结构上要求牢固 ,且有很高的绝缘性能和机械性能,并能承受较大的电流和所连接电路的最高电压值。目前高压交换闸多为电磁接触器式,其结构包括铁芯、吸合线圈、衔铁和带有触点的高压绝缘臂。工作原理与普通接触器相同。
    3.高压绝缘电缆
    在中、大型X线机中,高压发生器和X线管是分离部件,两者之间通过2根特制的导线连接在一起,这种输送高压的导线称为高压绝缘电缆。
    高压电缆构造上要求除具有一定的耐压性能外,还要尽可能减少截面积,使其轻便和柔软。按芯线分布位置可分成同轴和非同轴2种,如图2-10所示。 
 
图2-10高压电缆结构     (1)同轴型(2)非同轴型
    为方便制造加工,目前多用非同轴高压电缆,其组成及功能简述如下。
   (1)导电芯线  位于高压电缆的最内层,每根芯线由多股细铜丝组成,外包绝缘橡皮。
   (2)高压绝缘层  位于芯线外,由天然橡胶和化学原料配制而成,使芯线的高电压与地之间绝缘。
   (3)半导体层  是用半导体橡皮紧包在绝缘层上,呈灰黑色。它的作用是消除绝缘层外表面与金属屏蔽层之间的静电场。
    由物理学可知,电介质(绝缘体)受到外电场作用时其分子将被极化,形成电偶极子,并按外电场方向排列,从而使电介质两端与外电场垂直的表面上出现等量的正电荷和负电荷。这些电荷受原子核的强大束缚,不能离开电介质,称为束缚电荷。由于高压电缆芯线在直流高压下工作,形成高压静电场,绝缘层被极化,其靠近芯线的内表面层将出现负电荷,外表面层将出现正电荷。当金属屏蔽层与绝缘层某处接触不良时,接触不良处的正电荷将与金属屏蔽层形成高压静电场,使两者之间的气体产生电离,破坏其绝缘性能。因而在两层之间加一层半导体层,由于它的层内电子移动,接触不良处不能形成高压静电场。
   (4)金属屏蔽层  由镀锡铜丝编织而成,包在半导体层上,在电缆的两端与插头焊接,作用是防止高压电缆击穿时使操作者和被检者受到伤害。
   (5)保护层  是电缆的最外层,一般用黑色的棉纱和维尼纶线织成,其作用是加强电缆的机械强度。
    为了保证高压绝缘和装卸方便,将高压电缆制成可以拆卸的形式。高压电缆的两头装有高压插头,在高压变压器和X线球管上装有相应的插座。具体结构如图2-11所示。 
 
 
图2-11高压电缆插头及插座
插座的底部铸有3个铜接线柱。接线柱中间钻有1cm深的孔,使插头和插座有良好的吻合。插头的前端装有与插座相连接的3个铜制插脚,插脚上有接线孔,用来焊接电 缆的芯线。在插头的里端镶有铜制喇叭口,以便与电缆金属屏蔽层相焊接,形成良好的接地。
    4.控制台
    (1)电源电路
    ①自耦变压器  自耦变压器是X线机各部分电路供电的总枢纽,置于控制台内,其作用是将供电网络单一的输入电压变为数值不同或可调的电压以满足X线机各部分电路对电源的不同要求。
    自耦变压器是一种单绕组式变压器,由铁芯和线圈组成,初次级共用一个绕组,小功率的 多用圆截面的导线,多制成抽头式调压;功率较大的则用矩形截面的导线,多制成滑动式调 压。它的工作原理同普通变压器相同。
    ②电源电压的调节与选择  X线机的电源输入电压多用380V或220V,但在实际中,外接供电电源常不能恒定在X线机要求的额定工作电压数值上,随供电线路负荷的变化,电压会有较大的波动。因而在自耦变压器的输入端设有电源电压选择和调节器。当外电源电压波动时,可随时予以调整。其方法是选择自耦变压器上的线圈匝数,以使输出端的电压保持稳定。
    (2)高压初级电路  高压初级电路是向高压变压器供电的,这部分主要解决3个问题:高压调节、高压控制和高压指示。
    ①高压调节方法管电压对X线诊断和治疗的效果有决定性意义。由于人体各部位组织的密度、厚度的差异很大,为满足各部位对X线穿透能力的要求,应有一个范围很宽的管电压调节系统。一般采用初级调节法。
    根据变压器的原理:V2=(n2/n1)·V1
    式中V2为次级电压,V1为初级电压,n1、n2分别为初次、级线圈匝数.由此可见,改变初级电压V1及初级线圈匝数n1都可以改变次级电压V2。
    a.调初级电压V1  这是各类X线机常用的较为简便的方法,即不同的管电压是由不同的初 级电压决定的。自耦变压器输出电压采用抽头式或滑动触点式调节方法。
    b.调初级匝数n1  通过改变高压变压器初级匝数的办法也可改变管电压。
    c.调初级电压、电流波形  这种方法在自动化程度较高的现代X线机中应用较广,如通过改变串联在高压初级电路上的主可控硅的导通角来选择管电压,在中频X线机中通过改变初级电流波形调制的占空比或频率来改变管电压。
    ②高压控制方法
    a.用接触器控制  这种方法是在高压初级供电回路中串接1组以上高压控制接触器的控制接点,而高压控制接触器受限时器或脚闸控制,这种控制高压通断的方法操作简便,实用可靠,为大多数中小型X线机采用。
    b.用可控硅控制  由于接触器的固有动作时间一般都在10ms以上,不能满足在1s以内多次闭合与断开的要求,尤其是它缺乏对时序和状态的判断能力,以及通断负载时会产生较强的电弧放电。所以目前已大量采用可控硅组成的交流无触点开关取代接触器,可完全避免电弧放电,且控制敏捷,无噪声,并能在每秒200个脉冲的范围内与其他控制电路协调工作,以满足对运动器官快速摄影的要求。
    ③高压指示方法  由于管电压较高,直接测量是困难的,故一般都根据高压变压器初级所预调的空载电压来间接求得负载的实际管电压。但是因为存在电源内阻和各种元器件阻抗,负载时要产生很大的电压降,而且这一电压降随管电流的提高而增大。为了保证实际管电压达到预定的数值,必须对此电压降进行补偿,此称为kV补偿。通常采用预先提高高压初级电压的方法,并使得提高的电压数值与电压降数值相等。如何在电路上恰当地实现这一要求呢?首先必须了解实际管电压与初级空载电压的关系和kV补偿的具体特性。
    a.进行kV补偿的原因  因为与主电路相比较,其他辅助电路消耗的功率甚小,可以忽略。所以电压降主要指主电路中的电压降。又因为X线管为一阻性负载,由其产生的压降基本上是阻性压降,因此主电路各部分的等效阻抗可用等效电阻代替。图2-12所示为单相全波桥式整流主电路的等效电路。 
 
图2-12单相全波整流等效电路    图2-12中,E0为电源电压,I1为自耦变压器输入电流强度,R1为电源内阻,m为自耦变压器变压比(m=m2/m1),R2为串接在主回路中的自耦变压器绕组m2的等效电阻,I2为高压变压器初级电流强度,R3为自耦变压器至高压初级侧等效电阻,R4为高压变压器次级及整流元件的等效电阻,n为高压变 压器变压比(n=n2/n1),Ix为管电流强度有效值,Ex为管电压有效值。V1为自耦变压器的输入电压,V2为自耦变压器的输出电压,V3为高压变压器的输入电压,V4为高压变压器的输出电压。
    由于:             Ex =V4 -R4Ix
    而                 V4=nV3
                       V3=V2-(R2+R3)I2
                         V2=mV1
                         V1=E0-R1I1
    将(1)~(4)式代入并整理后,得
          Ex =n[m(E0-R1I1)-(R2+R3)I2]-R4Ix
又                   I2=nIx
                     I1 =mI2 =mnIx
    代入后得
          Ex=nmE0-m2n2R1Ix-n2R2Ix-n2R3Ix-R4Ix
    上式第1项为空载时管电压,第2项为换算到高压侧的电源内阻电压降,第3项为换算到高压侧的自耦变压器内阻压降,第4项为换算到高压侧的控制台至初级侧低压导线电阻压降,第5项为高压侧电阻的压降。正是由于存在第2至第5项的压降,使实际管电压随管电流的增大而降低,这就是要进行kV补偿的原因。
    b.2种形式的kV补偿  实验证明,不同负载时,管电压Ex与高压变压器初级空载预示电压V1的关系如图2-13所示。
 

图2-13管电压Ek与初级空载电压V1的关系
    由图2-13可知,管电流为零时,曲线是过原点的直线(即空载曲线);管电流越大,曲线越往右移。在比较小的管电流时,相对空载曲线基本上是平行移动,在较大管电流时除平移外,曲线的斜率也要变小。在图2-14中,曲线1为管电压空载曲线,曲线2为平移补偿曲线,曲线3为对应一定管电流的负载曲线。 
 
 
图2-14空载曲线与负载曲线的关系
    对于初级空载电压V1A对应曲线1的A0点、管电压EX0,对应曲线3的A2点、管电压EX2。总kV补偿值为(EX0-EX2),它可以理解为两部分之和,即曲线1到曲线2所引起的平移补偿(EX0-EX1);另一部分为曲线2逆时针旋转一定角度后与曲线3重合而引起的斜率补偿(EX1-EX2),所以总补偿就是:
            EX0-EX2=(EX0-EX1)+(EX1-EX2)
    从物理意义上讲,平移补偿是要补偿由于管电流经高压变压器和整流管所引起的电压降,这是对某一固定管电流而言的。而斜率补偿主要补偿管电流波形随管电压升高而发生的畸变,和电源阻抗随管电压而变化所引起的电压降。
    (3)管电流电路  管电流调节电路是为X线管提供加热电流的专用电路, 所以也称X线管灯丝加热电路。它包括X线管灯丝变压器初级和次级两部分电路。
    该电路的重要元件有稳压器、空间电荷补偿变压器和X线管的灯丝变压器,以及大功率电阻和可调电位器等。
    ①磁饱和谐振式稳压器由于X线管灯丝加热温度与管电流的稳定有密切关系,因此要求灯丝初级电路的电压变化很小,以保持X线输出剂量的稳定。当电源发生波动或因X线管负载时所引起电压降,都会使灯丝初级电压发生变化,使X线管灯丝加热不稳定,从而影响X线管管电流的准确性。因而在中型以上X线机中多设置了稳压器。这种稳压器具有当输入电压波动较大的情况下使输出电压不变或变化甚小的作用。它多利用磁饱和原理制成(图2-15)。 
 
图2-15磁饱和稳压器
磁饱和稳压器的主要部分是一个饱和变压器,它的铁芯和普通变压器不同,初级线圈侧的铁芯截面积大,称为非饱和铁芯,次级线圈侧的铁芯截面积小,称为饱和铁芯。当输入电压低于正常值时,稳压器和普通变压器一样按初级线圈的匝数比的关系升高或降低电压。随着输入电压的升高,初级线圈铁芯上的磁通不断增加,而次级线圈铁芯由于截面积小于初级线圈的铁芯,磁通量不能增加而达到饱和,多余的磁通只能通过空气而泄漏,称为磁漏。由此可见,在次级线圈铁芯的磁通达到饱和之后,初级输入电压在一定范围内变化时,次级线圈铁芯的磁通变化很小,因此次级线圈的输出电压不会再按比例上升,从而起到稳压的作用。但这种简单的磁饱和稳压器在电源电压变化时,磁通量在饱和点上仍有少量变化 ,输出电压仍随输入电压的波动而有一定的变化。为了弥补这一不足,通常在非饱和铁芯上加上补偿线圈L3,在饱和铁芯上加LC组成的谐振电路,这就是目前应用较多的谐振式磁饱和稳压器。如图2-16所示。
    图2-16中,L1为未饱和线圈,L2为饱和线圈,L3为补偿线圈,它是一个匝数不多而可调的未饱和线圈,和L1绕在同一非饱和的铁芯上。但其绕线方向和L1相反,然后再与L2反向串联,从而使输出电压为:
                     V出=VL2-VL3
    当电源电压变化时,在未饱和线圈L1上引起较大的电压变化,而L2因是饱和线圈,其电压变化小,L3因匝数较少,其电压变化也较小。如果调整L3的匝数使L3的电压变化量与L2的电压变化量相等或相接近,可使稳压性能进一步提高。 
 
图2-16谐振式磁饱和稳压器     L4是在饱和铁芯上的线圈,其匝数可以调节,与电容器C组成谐振电路。当电源频率与LC的振荡频率相等时,电路产生谐振,谐振电流很大,很快使铁芯饱和,因而减少取自电源的磁化电流,减少了电能的损耗,提高了稳压器的效率。
    ②X线管管电流的调节及预示X线机电路中对X线管管电流的控制,是借助于改变灯丝变压器初级电压的方法来实现的。由于初级电压的改变,次级电压也得到改变,从而使X线管灯丝得到不同的加热温度,灯丝电子发射的数量得以控制,从而达到改变管电流大小的目的。
    在实际电路中多采用在初级电路内串联电阻的方法来控制管电流。当阻值增大时其电压降增大,加到灯丝变压器初级上的电压也降低,次级电压也降低,灯丝发射电子数目减少,管电流也相应减少。反之,管电流就增大。
                       
    从前述可知,在中、大型X线机灯丝加热电路中虽设有稳压装置,但存在空间电荷的影响,管电流仍随管电压的增减而增减。故常在灯丝初级电路中设置空间电荷抵偿装置。
    现代中、大型X线机空间电荷抵偿电路多采用变压器抵偿法,其抵偿方法如图2-17所示。图2-17中T8为空间电荷抵偿变压器,R5为管电流(mA)调节半可调电阻,组成电流选择器,使之联动。抵偿变压器T8初级线圈与高压变压器的初级并联,即抵偿变压器初级电压随管电压(kV)改变而改变,管电压(kV)值升高,初级电压也升高,反之则降低。抵偿变压器次级与灯丝变压器初级线圈反向串联,即抵偿变压器次级感应电压与灯丝变压器初级电压极性相反,因而管电压增加,灯丝加热电压随管电压(kV)值增加而降低,从而保证管电流不变。这样,X线的质、量可以分开调节而互不影响。 
图2-17空间电荷抵偿电路     (4)曝光限时电路
    曝光限时电路又称限时器,是用来控制X线摄影的曝光时间,以便准确地控制X线的照射量。
    应用在X线机上的限时器大致分为两大类:即机械限时器和电子限时器。前者包括钟表式机械限时器和电动式机械限时器,它们的转动部分都是采用机械结构的齿轮转动系统,仅动力部分不同,钟表式采用发条(弹簧)为动力,电动式以一个小型同步电动机为动力。它们控制精度都较低,钟表式的控时范围为0.5~10 s,应用于小型X线机中,而电动式的控时范围为0.04~10s,多用于中型X线机。
    随着电子龙8娱乐城官网的发展,目前中、大型X线机均采用电子限时器,因为它工作稳定可靠,控时精度高。早期以电子管、充气稳压管或闸流管等作为控制元件,目前则广泛采用晶体管 、可控硅、集成块等半导体控制器件。
    在控制X线曝光时间的方法上,过去一般是将限时器的控制接点串接在高压接触器的线圈电路中,用控制高压接触器的工作时间来达到控制曝光时间的目的。这种控制方法与电源投入相位无关,有时在高压接入瞬间会形成很高的过电压,绝缘薄弱处易击穿放电。同时由于接触器本身固有的释放延迟,使最短曝光时间的控制受到限制;而且曝光时间越短,曝光的重复精度越差,控时的相对误差越大。所以目前大容量的X线机已不采用这种控时方法,而广泛采用可控硅无触点开关同步限时电路,即在高压初级电路里接入可控硅无触点开关,代替通常的交流接触器的控制接点,由限时器输出控制信号,通过控制可控硅达到高压通、断的目的。这样就消除了电磁接触器释放延迟的影响,能够准确而有效地做到零相位接入高压,避免过电压产生。对单相电源机组,其最短控制时间可达到0.01 s,在三相高压整流电路的大型机组中,控时精度可达0.003 s。
   (5)X线管安全保护电路
    ①瞬时负载保护电路  X线机瞬时负载保护电路就是从电路结构上防止操作者在选择摄影条件时偶尔超过X线管额定负载时的一种安全措施。当上述情况出现时应保证曝光无法进行。单次的X线摄影是一种瞬时负载,所以这种保护仅属于一次预置保护,它对于额定值内连续重复曝光而出现的累积性过载,是不能起保护作用的。
    瞬时负载保护电路要以X线管瞬时功率曲线为依据,对每个焦点,每次摄影所选择的管电流 、管电压和曝光时间所对应的座标都应落在相应的瞬时功率曲线之下才允许曝光。若出现在 曲线之上,则保护电路要自动阻止曝光发生。
    在三钮制调制系统中,管电压、管电流、时间3个曝光参数自由选择,所以均采用参数联锁瞬时负载保护电路。这种电路一般包括信号输入电路和驱动电路两部分。输入电压反映了管电压、管电流、时间3个参量的变化,由这3个量决定的在瞬时功率曲线座标系中正好落在曲线上的那些座标点,就决定了输入信号电压的临界值。一旦大于临界值,就通过驱动电路阻止曝光发生,一切可能的曝光都在临界值之下。
    ②旋转阳极控制电路  目前中、大型X线机均采用旋转阳极X线管,此种 X线球管具有焦点小、功率大等优点。但必须在摄影前很短时间内达到很高的转速才能曝光,否则,电子集中在一点,致使焦点面过热熔化而造成X线球管损坏。对旋转阳极及其控制电路的基本要求有以下几个方面:
    a.要有快速启动装置  一般要在0.8~1.5 s的启动时间内,将转动惯量很大的转子系统由 静止达到额定转速(低速管约为2 800r/min,高速管约为8 500r/min)需要有一个很大的启动转矩。为此,需要使启动电流足够大和启动电压足够高。
    b.要有延时装置延时装置  就是为保证0.8~1.5 s的启动时间,以便在阳极达到额定转速后开始曝光。
    c.要有降压装置  阳极一旦达到额定转速后在曝光期间应该将启动状态的高压切换为工作状态的低压,以适应阳极的启动转矩大、运转转矩小的特点。
    由于曝光时间很短,有的机 器也采用启动和工作状态处于同一电压值的办法。
    旋转阳极的转动原理是基于单相异步电动机原理。在X线管阳极端装有与阳极靶同轴的鼠笼式转子,在紧靠阳极端的玻璃外壁装置一个由铁芯和绕组组成的定子,以构成单相异步电动机。定子绕组分启动绕组和工作绕组,如图2-18所示。 
图2-18旋转阳极启动及工作电路     为了使电机能够自行启动,两个绕组在圆形定子铁芯上相差90°的空间角度,这样当把在时间上相差90°的二相交流电引入定子后,便产生旋转磁场,使阳极转动。由于启动绕组和工作绕组一般由同一单相电源供电,为了产生二相电流,可在启动绕组中串接电容器C进行移相。如果电容量合适,可使启动绕组中电流超前工作绕组中电流约90°,从而在定子空间形成旋转磁场。
    5.机械装置及辅助设施
    医用诊断X线机除了主机之外,尚配置有各种辅助装置,如X线管支持装置、遮线器、滤线器、点片装置、断层摄影装置、信号记录等,它们的主要作用是与主机配合协调工作,充分发挥主机的各项性能,达到良好的成像和诊断效果。随着科学龙8娱乐城官网的日益发展,现代诊断用X线机的结构日趋完善和复杂,除主机系统外,其外围设施和辅助装置的发展也日新月异。目前国内外各X线机生产厂在主机系统变化不大而配套能力很强的情况下,都在竭力提高包括各种诊断床、影像转换、显示、记录、储存、复制、数字处理等辅助装置的性能。这些外围设施的造价和规模往往大大超过主机。
    二、X线电视装置
    1.X线电视的作用及其医学特点
    20世纪50年代后发展起来的X线电视是工业电视龙8娱乐城官网在医疗领域中最早的、同时也是比较成功的应用。它的基本工作原理是利用影像增强器将不可见的X线转换为亮度很高的可见光影像,再通过摄像机转换成电信号,经过放大处理后用电缆输送到显示器,显示出人体各部位的组织结构。这种由X线影像增强器、摄像机、显示器以及完成视频信号处理和整机协调工作的控制器组成的系统称为X线电视(X-TV)。与普通X线机相比,X线电视的增设具有以下明显的优点:
    (1)透视剂量低  由于采用了影像增强器,使透视剂量大为降低。这样不仅减轻了对受检者和放射医生的辐射危害,而且降低了X线管的工作负荷,有利于延长机器寿命。
    (2)改善医生工作环境  普通X线机透视时必须在暗室里进行操作和诊断,而X线电视可以将诊断医生从暗室中“解放”出来,使其在宽敞明亮的环境里进行遥控操作和诊断。并且可以配备透视亮度自动控制器(IBS),减化操作的复杂性,无论检查部位、厚度的随机变化,均可由IBS来自动保持显示屏影像亮度恒定。
    (3)为教学和科研打好基础  X线电视使用方便灵活,可配置多路显示器、录像机及其他高科技的影像处理及记录系统,以方便会诊、教学和资料的记录与传输。
    由于医学领域不同于其他领域,所以X线电视有其独特的医学临床特点:①工业电视中对局部阴影或亮度不均的要求不严,而医学中恰好是严重病灶的重要表现;②X线的散射线,降低了对比度,严重破坏影像,影响诊断,而工业电视则不会遇到;③X线电视系统中的前级元件(摄像管、预放电路)在辐射场中会变成噪声源,而工业电视中却不会存在;④为提高信噪比,工业电视采用提高照度作为有效措施,而X线电视中X线照度严格控制,属微光电视范畴;⑤医用电视要求一次调整长期使用,且操作简单,因其使用者是医生而不是电视专业人员;⑥要求低惰性,即不能出现长余辉,因为要进行动态观察。
    2.X线电视的结构

图2-19X线电视系统示意图
    (1)基本原理  图2-19是X线电视工作原理示意图。
   
 通过人体的X线在影像增强器上显示影像,经光学镜头变为平行光源投射到摄像管靶面上,把光信号变为电视信号,在同步信号作用下传送到显示器上显示。
    (2)部件
    ①影像增强器  这是X线电视的关键器件,其主要作用有二:将不可见的X线信息转换成为可见光影像;将影像亮度提高近万倍,以便摄像机进行电视摄像。
    ②摄像机  真空管摄像机由摄像管、光学镜头、偏转系统、扫描电路、补偿电路、校直电路、前置放大器等组成。它的主要任务是把增强器输出的可见光信号转换成为电视信号。首先,光学镜头将来自影像增强器的可见光变为平行光源,投射到摄像管的靶面上;摄像管则完成光-电信号转换。偏转系统是在扫描电路产生的锯齿波作用下使电子束进行扫描,把电视信号由摄像管提取出来。前置放大器的作用是把微弱的电视信号预先放大,以保证传送到控制器进行信号处理的影像的品质。校直电路和聚焦电路是为了使电子垂直上靶,使影像清晰。补偿电路的作用是使影像亮度均匀。固体摄像器件的主要类型有:电荷耦合型(CCD)、电荷注入型(CID)、金属-氧化物-半导体型(MOS)、电荷引动型(CPD)和叠层型(PLDSS)。其中以CCD型应用最为普遍。20世纪60年代末期,美国Bell实验室波易尔等人发现了电荷通过半导体“势阱”可发生转移的现象,提出了电荷耦合这一新概念和一维CCD器件模型,并且预言了CCD在信号处理、信号存储以及影像传感等领域的应用前景。1974年,美国RCA公司的512×320像素CCD摄像机首先问世。随着大规模集成电路工艺的迅速发展,CCD摄像机器件发展很快。 到1986年,CCD单板彩色摄像机已开始替代真空管彩色摄像机;1989年,CCD 摄像器件在黑白摄像机中占据了优势地位。近几年来,越来越多的CCD三板彩色摄像机已 经开始在性能要求较高的专业级和广播级领域中获得应用。比起真空管,CCD摄像机具有 明显优势:光电灵敏度高,动态范围大,空间分辨率高,几何失真小,均匀性好,体积小,重量轻,电压及功耗低,抗冲振,可靠性高,寿命长。
    ③控制器  控制器的作用主要是对视频信号加以处理,使其变为全电视信号,完成摄像机和显示器的同步工作。同时,它还产生整机所需要的各种电源和各种控制信号。由同步机、圆消隐电路、黑斑补偿电路、X线剂量控制电路等组成。
    ④显示器  显示器由同步分离、视频电路、扫描电路、电源电路等组成 。它的任务是将摄取的电视信号还原为影像。医用X线电视系统的影像增强器的视角决定了显示器重现影像的视角范围。如使用9英寸增强器,在显示器上的影像视角范围只占屏幕中心直径为9英寸的一个圆面内。为了习惯于临床观察,通常利用消隐脉冲信号将圆以外的光栅消隐掉。
    3.影像增强器
    利用普通荧光屏进行X线透视,显示的X线影像分辨率低,对比度差,亮度不足。尽 管操作人员的眼睛预先进行一定时间的暗适应,或更换高灵敏度的荧光屏,但仍不能满足观察细微病变的要求,并且医生与被检者一样都直接处于X线的辐射场中,这种不理想的状况,是在20世纪50年代出现影像增强器,特别是与电视龙8娱乐城官网配合使用后,才获得了大幅度的改善。它使X线影像显示龙8娱乐城官网发生了一次根本性的变化,有着重要的意义。
    20世纪60年代,电子工业发达的国家已基本普及了X线电视,并装配在小型X线机上,在病房、手术室实现了X线电视检查。20世纪70年代又研制出遥控诊断床,借助于电视观察,使放射工作者免受X线的直接照射。影像增强器和电视系统的出现使X线成像装置基本趋向完善。 
 
图2-20影象增强器结构                 
目前大多数医院使用的影像增强器是实现明室透视、降低X线剂量和隔室操作的第一代影像转换器械。
    (1)影像增强器的结构和工作原理
    图2-20是影像增强器的结构剖面图。从外形看影像增强器是一个大型玻璃管,表面涂有黑 色敷物作为光封闭层,管内保持高度真空。
    管内前端有一个面积较大的输入屏,在输入屏面上涂敷着一层荧光粉。荧光粉层愈厚则亮度愈强,但这会由于光的散射和反射作用使分辨率降低;荧光粉层愈薄则分辨率愈高,但亮度却降低了。为了解决这一矛盾,近年来新型影像增强器采用了原子序数比较高的碘化铯荧光粉输入屏。比起早期采用的硫化锌镉荧光粉,碘化铯荧光粉具有X线吸收率很高、荧光效率高、影像分辨率高以及与光电阴极光谱匹配好的优点。与普通透视荧光屏一样,该屏吸收带有影像信息的X线光子,而产生可见的荧光影像。
    紧贴着输入屏的是光电阴极(两者之间有很薄的透明层)��锑-铯型光电阴极,当输入屏 荧光影像的光子照射到光电阴极面时,另一面就发出光电子从而形成电子影像,完成光-电 变换过程。
    在管壁附近有聚焦电极组成的静电透镜(通常加0.6kV电压),静电透镜又称为电子透 镜,起着聚焦作用。电子从光电阴极发射出来,在阳极电场作用下加速奔向输出屏。由于电子束本身有散焦作用,破坏了电子影像。因此在阴极和阳极之间加装聚焦电极,它起着对电子束的聚焦作用,使之不失真地射到输出屏上。
    尾端有面积较小的输出屏,输出屏的前方是锥筒形的加速电极(即阳极,通常约加25kV 电压),涂有硫化锌镉的输出屏可以把电子影像转换为荧光影像(电致发光),颜色为黄绿色,与人眼敏感的光谱相适应。为了提高输出屏的分辨率,荧光物质颗粒很细,涂敷密度大,涂层薄(约0.05mm)。荧光粉层前面喷镀一层极薄的铝膜,使之与阳极连接。这层铝膜能接收电子影像激发荧光物质时所产生的二次电子,同时防止荧光屏因电子猛烈冲击而产生灼伤的现象,还能防止输出屏的荧光向光电阴极反馈的有害作用。
    (2)工作过程简述
    X线带有的信息在影像增强器的输入屏上形成荧光影像(可见光影像),紧贴输入屏内侧的光电阴极各点按荧光的强弱程度产生数量对应不同的光电子(光电效应),形成电子影像。光电子束被阳极正电位吸引,高速飞向阳极,在聚焦电极作用下于输出屏前方形成缩小了的电子影像(倒像),其电子束射到输出荧光屏上,在电致发光作用下,形成了荧光影像,但其亮度却比输入屏荧光影像增加了约1 000~10 000倍。
    (3)影像增强器的龙8娱乐城官网参数
    影像增强器是X线电视系统中最关键的器件 ,其龙8娱乐城官网性能优劣对整机的工作和影像质量影响很大。影像增强器的主要龙8娱乐城官网参数有:视野 、输出影像直径、影像分辨率、影像对比度、X线吸收率、转换系数等,还有真空度、信噪 比、灰度等级等龙8娱乐城官网参数。
    ①视野  视野是在指定的电极电压下,用与影像增强器轴线平行的X线照射时,在输出屏上显示的最大输入影像尺寸。一般有5英寸(1英寸=2.54cm)、6英寸、7英寸、9英寸和12英寸等固定视野增强器,和11英寸/7英寸、9英寸/5 英寸以及4英寸/6英寸/14英寸等各种可变视野增强器。上述均是标称视野。由于球管发 出的是点射线,且被检体既不可能离球管无限远,也不可能紧贴在影像增强器输入屏,因而有效视野总比标称视野小一些。例如,9英寸影像增强器的有效输入视野约为8英寸,6英寸影像增强器的有效视野约为5英寸。
    ②输出影像直径  表示在指定的电极电压下,有效输入视野在输出屏上映出的影像直径,一般为15mm、20mm、30mm。
    ③影像分辨率  在X线管电压45kV、管电流0.1mA的条件照射下,将影像增强器输入屏置于离球管中心1m处,在输入屏前安放由不透过X线的重金属线,并按不同间隙构成的分辨率测试卡,观测输出影像在1cm宽度内能看清的黑白线 对数。这样测定的线对数称之为影像的分辨率。目前影像增强器的分辨率可达到25~50 线对/cm以上。
    ④影像对比度  在影像增强器入射面中心部位放置相当于入射面有效面积10%的2mm厚的圆形X线屏蔽铅板上,从输出屏上观察没有铅板屏蔽部分的最大亮度与铅板屏蔽部分亮度之比,称为影像的对比度。显然,影像对比度愈大愈好,一般为6∶1、12∶1、15∶1或更高。
    ⑤X线吸收率  表示输入屏荧光粉层对射入的X线的吸收能力。影像质量取决于输入屏的分辨能力和量子噪声,也取决于输入屏所吸收光量子的多少。荧光粉层愈厚,X线吸收力愈强,但分辨能力下降。为了解决这一矛盾,输入屏已逐渐采用原子序数很高的碘化铯荧光粉。它的吸收能力强,这样可将荧光粉层做得薄一些,达到既提高X线吸收率又不降低分辨率的目的。
    ⑥转换系数  输出屏的亮度与输入屏位置处测得的X线剂量之比率,定义为影像转换系数,转换系数愈大,同样亮度的影像所需的X线剂量愈小,系数一般在100~ 250之间。尽管只要把影像增强器装在正对X线管的位置上,透过人体的X线经过增强器输出屏、光学系统,将影像耦合到普通闭路电视的摄像机上,就能在电视显示器的屏幕上观察到明亮清晰的X线影像,但随着新型高灵敏度X线摄像管的研制和发展,以及X线探测器和新型X线荧光材料的开发应用,影像增强器也有可能被取代,从而使X线电视向小型轻量化、高性能和低造价的方向发展。