CT球管智能閉環(huán)回路冷卻控制系統(tǒng)的研制

李效銀 錢學(xué)江* 明愛蓮

CT球管智能閉環(huán)回路冷卻控制系統(tǒng)的研制

李效銀①錢學(xué)江①*明愛蓮②

目的：研究制作用于提高CT球管降溫速度及檢測CT球管溫度的方法，為更好的保護(hù)球管、延長使用壽命，提供更加可靠的平臺。方法：設(shè)計專用的冷風(fēng)機(jī)，將干燥的冷風(fēng)送入機(jī)架，降低機(jī)架的環(huán)境溫度，增加機(jī)架內(nèi)的空氣流量，提高球管油冷卻回路熱交換的效率。結(jié)果：該系統(tǒng)的節(jié)點設(shè)計輕巧，成功采集球管的瞬間溫度變化，進(jìn)行簡潔的人機(jī)交互監(jiān)控。結(jié)論：計算機(jī)根據(jù)球管油路溫度和環(huán)境溫濕度，動態(tài)調(diào)整冷風(fēng)機(jī)的制冷功率及運行和(或)停止，構(gòu)成封閉的控制回路，加速球管的散熱效率，等效提高球管的熱容量。

CT球管；溫度傳感器；冷風(fēng)機(jī)；控制回路；熱容量

李效銀，男，(1968- )，本科學(xué)歷，副主任技師。解放軍第89醫(yī)院放射科，從事醫(yī)學(xué)裝備的管理和維修工作。

CT球管是CT設(shè)備的核心部件之一，隨著X射線曝光次數(shù)的增加，球管的X射線輻射性能會逐漸下降，最終導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降，此時必須更換球管[1]。正常情況下，管路油溫≤40 ℃、管套外殼溫度＜70 ℃時表明散熱通風(fēng)良好[2]。一支合格的CT球管在管芯和其他硬件部位未嚴(yán)重受損的情況下，球管可連續(xù)曝光30萬秒左右[3-4]。

傳統(tǒng)的CT球管提高熱容量的方法是將陽極靶盤直徑做大、陽極轉(zhuǎn)速提高、陽極表面做耐熱性更高的合金鍍層以及陽極軸承采用液態(tài)金屬潤滑等，但制造工藝和成本將極大提高。經(jīng)過大量試驗數(shù)據(jù)研究證明，提高球管的熱容量與提高球管的散熱效率其實際效果等同。本研究摒棄了傳統(tǒng)的提高球管熱容量的研發(fā)方向，從避免球管過熱方向入手，降低機(jī)架的環(huán)境溫度，增加機(jī)架內(nèi)的空氣流量，提高球管散熱效率，等效提高球管的熱容量。

1 CT球管冷卻控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 無線發(fā)射模塊

隨著計算機(jī)、傳感器及通信技術(shù)的高速發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)逐步成為備受關(guān)注的領(lǐng)域[5-6]。WSN實現(xiàn)區(qū)域的實時監(jiān)測，具有準(zhǔn)確性高、動態(tài)性強(qiáng)、造價低廉及覆蓋區(qū)域大的特點，在國防軍事、醫(yī)療監(jiān)護(hù)及環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景[7-9]。

本系統(tǒng)主要包括主控芯片、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤接口電路、監(jiān)控和報警電路。數(shù)據(jù)采集節(jié)點采用MC9sS12XET256作為主控芯片，負(fù)責(zé)采集溫度、濕度，并可實現(xiàn)相應(yīng)的升降溫度和濕度的控制，液晶顯示(LCD)、電腦串通信等功能[10]。數(shù)字傳感器采用單總線控制，為保證發(fā)射電路及天線體積小，發(fā)射功率盡可能的小，達(dá)到不影響圖像質(zhì)量的目的，利用掃描機(jī)架后方的攝像頭作為接收天線，既增加了監(jiān)視的實用功能，又使接收距離縮小至1.5 m；發(fā)射模塊體積縮小到火柴盒大小，其質(zhì)量＜100 g；信號接收良好，安裝簡便。

微型無線傳感組件包括兩個微型單總線數(shù)字溫度傳感器，一個微型單總線溫濕度一體數(shù)字傳感器，單片機(jī)連接接收進(jìn)行編碼處理并通過射頻模塊發(fā)射。在設(shè)計微型傳感組件時利用多層布線工藝和電腦輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)。

1.2 低噪音高功率冷風(fēng)機(jī)

球管是一個大的高真空的陰極射線二極管，是產(chǎn)生X射線的系統(tǒng)，其工作流程為：陰極燈絲加熱，并產(chǎn)生自由電子云集，此時如果想給陰陽兩級加120～140 kV高壓時，電勢差陡增，在高壓電場驅(qū)動下，處于活躍狀態(tài)的自由電子束，由陰極高速撞擊陽極鉬基鎢靶，并產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換，約1%的電能形成X射線由窗口發(fā)射，99%的電能轉(zhuǎn)換為熱能，由散熱系統(tǒng)散發(fā)[11]。CT在掃描時球管和其他電器設(shè)備會在機(jī)架內(nèi)產(chǎn)生很多熱量，在球管曝光時總功率為11 kW，機(jī)架內(nèi)產(chǎn)熱功率約為5 kW，1 kW功率在1 s內(nèi)產(chǎn)生1 kJ的能量，5 kW瞬間產(chǎn)生5 kJ的能量，相當(dāng)于1193 cal的熱量(1 cal=4.2 cal)，每小時產(chǎn)熱約4300 cal[12]。如何將熱量派出以保證探測器、DAS系統(tǒng)和其他電子設(shè)備的正常穩(wěn)定運行，是每個CT廠家要考慮的問題[13]。球管冷卻系統(tǒng)的工作原狀態(tài)：工作原理大部分采用風(fēng)→冷卻→油→冷卻→球管的方式，注意觀察球管冷卻系統(tǒng)的工作效率極為重要，而最重要的工作是定期清潔過濾網(wǎng)上的灰塵，使風(fēng)的流速始終保持最佳狀態(tài)，提高冷卻效率[14]。冷風(fēng)機(jī)散熱通過室外機(jī)勢必改造機(jī)房，為解決這一難題，本研究將冷凝水淋霧在蒸發(fā)器上，中和了產(chǎn)生的熱量。為克服冷風(fēng)機(jī)功率越大，噪聲越大的缺點，在冷風(fēng)機(jī)的外殼設(shè)計上運用了聲學(xué)原理，通過出風(fēng)蜂窩孔的徑深、方向及布局設(shè)計，使噪聲小于CT自有分貝。處理器在空閑狀態(tài)下自行關(guān)閉，在低耗狀態(tài)下減低電壓，可以很大程度地減少能量消耗。

1.3 油路溫度無線監(jiān)測

利用微型無線溫濕度采樣組件，建立CT球管無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)控油路溫度變化，避免球管過熱損壞。以溫度、濕度、壓力及液位多個信號為監(jiān)控研究對象，并結(jié)合單片機(jī)及接口技術(shù)，用軟件編程對系統(tǒng)實行控制。利用傳感器采集信號后，經(jīng)調(diào)理電路將信號進(jìn)行電壓放大，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，利用CPU處理后顯示在數(shù)碼管上。通過按鍵設(shè)定密碼和溫度的上下限，當(dāng)所測信號低于(或高于)設(shè)定溫度時發(fā)出報警并快速處理，使工作環(huán)境更加安全。

利用無線測量技術(shù)，實時測量油路多點溫度及掃描架環(huán)境溫濕度變化過程，操作人員從模糊使用轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)確量化地把握球管油溫狀態(tài)(如圖1所示)。

圖1 無線測量結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計開發(fā)的微型無線采樣組件模塊，將微型探頭貼附在球管油路回路的金屬管壁，這樣不破壞CT球管本身，組件微小的體積和質(zhì)量也不影響轉(zhuǎn)盤配重及轉(zhuǎn)速。在該系統(tǒng)增加有線的監(jiān)視攝像功能，攝像頭固定在球管所在的機(jī)架后方的墻上，既增加了機(jī)架后方視野盲區(qū)監(jiān)視功能，又巧妙的利用攝像頭作為接收天線，攝像頭本身距離機(jī)架僅1～2 m。無線組件的發(fā)射功率可以做到極微小，既遠(yuǎn)小于國家規(guī)定的CT機(jī)房電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，又可靠傳遞了數(shù)據(jù)。微型無線傳感組件包括兩個微型單總線數(shù)字溫度傳感器，一個微型單總線溫濕度一體數(shù)字傳感器，單片機(jī)連接接收進(jìn)行編碼處理并通過射頻模塊發(fā)射。傳感器靈敏度與測量范圍成反比，故需要在靈敏度和測量范圍之間權(quán)衡取舍[15]。本系統(tǒng)采用常用的IEPE加速度傳感器，其靈敏度在50～100 mV/℃，最大輸出電壓為±5V。

2 陽極熱負(fù)荷與時間關(guān)系的曲線圖對比

球管的熱負(fù)荷是指陽極產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量差值積淀，最大熱負(fù)荷是陽極最大能夠儲存的熱量，也稱熱容量，單位焦耳，通常也用HU表示，1 MHU=800000 J，普通X光球管在0.3 MHU以下，CT球管通常在2～8 MHU范圍。熱負(fù)荷超過球管熱容量球管將受損，熱負(fù)荷越低其球管壽命越長，通常球管的熱負(fù)荷低于熱容量的80%球管相對安全，球管的性能保持良好，其壽命極大延長。計算機(jī)通過當(dāng)前的油溫值與熱負(fù)荷關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，判定當(dāng)前的熱負(fù)荷冗余量，求出下一患者掃描模式所需熱負(fù)荷量應(yīng)等待的時間間隔并作出提示，操作人員可以合理安排掃描模式的條件與掃描間隔，避免球管過荷運行。

以SIEMENS EMOTION單排螺旋CT為例，球管型號為DURA202，熱容量為2200000 J，以5 kW曝光功率持續(xù)工作，在使用本研究研制的系統(tǒng)前后陽極熱負(fù)荷與時間關(guān)系的曲線表對比(如圖2、圖3所示)。

圖2 冷風(fēng)機(jī)加裝前熱負(fù)荷與時間關(guān)系曲線圖

圖3 冷風(fēng)機(jī)加裝后熱負(fù)荷與時間關(guān)系曲線圖

圖2 所示為冷風(fēng)機(jī)加裝前，5 kW功率下經(jīng)過360 s陽極熱負(fù)荷達(dá)到1500000 J；圖3所示為冷風(fēng)機(jī)加裝后，通過冷卻曲線可以看出球管散熱效率明顯提高，同等功率下經(jīng)過670 s陽極熱負(fù)荷達(dá)到1500000 J，熱容量等效提高約0.9倍。

3 討論

據(jù)文獻(xiàn)報道[16]，在球管損壞中燈絲斷路及陽極靶面損壞各占43%，真空不良、散熱欠佳、旋轉(zhuǎn)陽極不轉(zhuǎn)、管套內(nèi)傳感器損壞以及管套漏油等各占一定比例。本研究將冷風(fēng)機(jī)移動放置在掃描機(jī)房，噪聲低于CT本身的噪聲，在冷風(fēng)機(jī)的外殼設(shè)計上運用了聲學(xué)原理，通過出風(fēng)蜂窩孔的徑深、方向及布局設(shè)計，噪聲小于CT自有分貝，并且對球管溫度的升高提供寬裕的報警閾值，避免球管經(jīng)極限條件而損耗；使用者對球管溫度的觀察直觀方便，能對油泵、風(fēng)扇的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并適用于在已有CT上加裝。設(shè)計應(yīng)用性較強(qiáng)，利用單片機(jī)實現(xiàn)實時監(jiān)控并具有超限報警監(jiān)控，系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活等優(yōu)點。

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The study of cooling control system of the CT bulb tube intelligent closed loop

LI Xiao-yin, QIAN Xue-jiang, MING Ai-lian// China Medical Equipment,2014,11(5):43-45.

Objective:To improve the CT bulb tube cooling rate and the testing method of the CT bulb tube temperature, and provide more stable platform for better bulb tube protection and longer life–span.Methods:The designed specified cold air machine could transfer the dry cold wind into machine rack, which can lower the ambient temperature of the machine rack and increase the air flow inside the machine rack and promote the efficiency of the heat exchange of the bulb tube oil cooling circuit.Results:the design of this system’s joint is light and handy, which could collect the instantaneous temperature change of the bulb tube, and carry out simple manmachine interaction monitoring.Conclusion:According to the bulb tube oil-way temperature and ambient temperature and relative humidity, the computer can dynamically adjust the refrigerating capacity and operation/ cease of the air cooler. Then it can constitute the closed control loop, and accelerate the efficiency of the bulb tube’s heat dissipation, and promote the heat capacity of the bulb tube equivalently.

CT bulb tube; Temperature sensor; Air cooler; Control loop; Heat capacity

1672-8270(2014)05-0043-03

R814.42

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.05.016

2013-11-07

①解放軍第89醫(yī)院放射科 山東 濰坊 261021

②東營市中心血站 山東 東營 257091

*通訊作者：qxj89yy@163.com

[First-author’s address]Department of Radiology the 89thHospital of the PLA, Weifang 261021, China.