專利名稱：便攜式醫(yī)用x射線機高頻高壓發(fā)生裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于如何使醫(yī)用診斷X射線機的高頻高壓發(fā)生裝置更加輕便、具有便攜性的技術領域，具體涉及一種基于ARM嵌入式技術的高頻高壓發(fā)生裝置的控制方法。
背景技術：
1895年德國物理學家倫琴在研究陰極射線管時意外發(fā)現(xiàn)了 X射線，很快將其應用于醫(yī)學領域，到了 20世紀10 20年代，出現(xiàn)了醫(yī)用常規(guī)診斷X線機，到20世紀60年代中、 末期，已形成了較完整的診斷用X線機系列，如胃腸X線機、普通攝片機、胸片攝影機、牙科用X線機、乳腺X線機、移動拍片機等等，不過這些設備都是在醫(yī)院或一些專業(yè)醫(yī)療機構中裝備使用，然而隨著X線機應用技術的拓展，如很多急救、惡劣、復雜環(huán)境中，在戰(zhàn)地、搶險救災、體育競技賽場、小動物的救治等過程中，這些笨重的固定裝備已不能發(fā)揮其應有的功能，由此產生了便攜式X線機。由于便攜式X射線機集中X射線發(fā)生部和控制部為一體，具有卓越的靈活配置性。特別在很多由于不能使用大型X光機的地方得到了最大的體現(xiàn)，如社區(qū)醫(yī)療，農村醫(yī)療，VIP上門診斷，體檢車，國家災害救助，政府開發(fā)援助(ODA)，國際性援助，放射研究教學機關，體育俱樂部，寵物醫(yī)院等。便攜式X射線機也是戰(zhàn)地、搶險救災等情況下開展醫(yī)療救治的重要裝備。我國早期自行研制生產的便攜式X線機，采用工頻設計，整機主要分為X線球管、 控制臺、機架及機箱幾部分，其中有一個體積笨重的自耦變壓器，電路結構陳舊、機器結構不合理、整機效能低，曝光參數的準確性和重復性差，射線量不穩(wěn)定，散射線強，體積大，不方便攜帶，展開工作時間長，機械性能差，操作不方便，不適于腰椎、骨盆等身體較厚部位的投照檢查。因此不斷研究X射線控制相關技術，比如如何減小設備的體積、使其具有更好的便攜性，提高高壓直流電源的穩(wěn)定性、可靠性和可重復性，提高X射線劑量的穩(wěn)定性和能源使用的高效率，是我國便攜式X射線機研究與發(fā)展的趨勢。80年代后期由于逆變電源技術的發(fā)展成熟，在X射線機的高壓電源與燈絲加熱電源控制中采用了逆變電源技術，逆變的頻率從傳統(tǒng)X線機所使用的50/60HZ提高到幾百赫茲幾千赫茲。變頻技術的應用使X線機的輸出X射線質量提高；輸出劑量穩(wěn)定；對kV、mA可實時控制；X射線輸出穩(wěn)定、重復性好；更重要的是實現(xiàn)了結構小型化，根據變壓器電源傳輸原理，提高頻率可以減小鐵心的截面積和線圈的匝數，從而可以減小電源的體積和重量， 滿足其便攜性；另外，由于逆變是直流轉化為交流的過程，所以可宜采用直流電源供電，這意味著可利用電池解決電源的問題，對于缺少交流電或電源條件差的場合，具有特殊意義。所以利用高頻逆變技術以及ARM嵌入式技術替代傳統(tǒng)的8/16位單片機，在uC/ OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)高效的多任務管理下的高頻高壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)便攜式X線機的設計，可實現(xiàn)輕便、小巧、實時操作等高頻逆變X線機的所有優(yōu)點，并為便攜式X射線機的推廣和量產提供重要的技術保證，滿足國內醫(yī)療機構、紅十字機構、野外單位、體育團體和有條件的社區(qū)診療機構的需求，適應當前醫(yī)療發(fā)展的需要，具有很好的社會價值和廣闊的市場前景。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于采用高性能的32位ARM微處理器替代傳統(tǒng)的8/16位單片機， 在uC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)高效的多任務管理下設計的高頻高壓控制系統(tǒng)，提供了系統(tǒng)的實時處理能力和高精度控制的同時提高了直流電源的穩(wěn)定性、可靠性和可重復性， 使輸出的X射線更加的穩(wěn)定、效率更高；利用高頻逆變技術實現(xiàn)了X射線機高頻高壓發(fā)生裝置的輕便、小巧等等；為了實現(xiàn)便攜、機動性和靈活性等特點，此裝置采用組合機頭和自然冷卻；此裝置為便攜式X射線機的推廣和量產提供重要的技術保證，滿足國內醫(yī)療機構、 紅十字機構、野外單位、體育團體和有條件的社區(qū)診療機構的需求，適應當前醫(yī)療發(fā)展的需要，具有很好的社會價值和廣闊的市場前景。
圖1是高頻逆變器工作原理框2是高頻高壓發(fā)生裝置系統(tǒng)硬件原理3是控制系統(tǒng)結構原理框4是控制系統(tǒng)軟件流程圖
具體實施例方式本發(fā)明設計的一種基于ARM (Advanced RISC Machines)嵌入式技術的醫(yī)用便攜式 X射線機高頻高壓發(fā)生器的控制方法和裝置，解決了醫(yī)用便攜式X射線機工作所需的高頻高壓電源及其控制關鍵技術。本裝置采用了現(xiàn)代電子與嵌入式相結合的技術。本裝置的系統(tǒng)組成如圖1所示。高頻高壓逆變器由直流電源、直流逆變和逆變控制組成。它將一個電源電壓(220V、50Hz)通過PWM(pulse width modulation)轉換成頻率為40kHz的高頻信號，該信號發(fā)送到高壓組合機頭的高壓變壓器，通過變壓電路和整流電路將初級電壓變成40kV-100kV(-50kV +50kV)高壓，同時在組合機頭內的動態(tài)信號將被精確地獲取，以控制高頻逆變器對X射線高壓的控制。圖2為高頻高壓發(fā)生裝置系統(tǒng)硬件原理圖。高頻高壓發(fā)生裝置由整流、濾波、逆變、高壓變壓器、控制電路組成。它首先將220V/50HZ的電源電壓整流、濾波后送給諧振逆變器，經逆變后得到40kHz的高頻信號，該信號經高壓變壓、整流后送給X射線管；逆變部分是整個系統(tǒng)的關鍵部分，采用多重化逆變技術來改善了系統(tǒng)控制的響應特征，它把直流電變換成高頻交流電，經過輸出濾波器隔離直流輸出交流電壓；包體分陰極和陽極，它主要由高頻變壓器和高頻倍壓整流極組成，高頻的低壓信號經過高頻變壓器和高頻倍壓整流板后變成IOOkV穩(wěn)定直流電壓，提供給球管。控制電路主要是將計算機下達的指令及高壓發(fā)生器的工作狀態(tài)反饋到計算機，再把經計算機處理后的信息輸送到執(zhí)行機構，去控制高壓發(fā)生等部件，從而對kV、mA和曝光時間進行相應的調整，除此之外，它還有自行處理故障的能力。圖3為控制系統(tǒng)結構原理框圖。ARM微處理器具有體積小、低功耗、低成本、高性能的特點；支持Thumb (16位)/ARM (32位)雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；大多數操作都在寄存器中完成；尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；指令長度固定。本系統(tǒng)將選用Samsung公司的S3C44B0X芯片，S3C44B0X是基于ARM7TDMI為內核的32位RISC處理器。為了降低整個系統(tǒng)的成本，S3C44B0X還提供以下主要部件 8KBCache、可選的內部SRAM、2通道UART、4通道DMA、系統(tǒng)管理器(芯片選擇邏輯、FP/ED0/ SDRAM控制器)、6通道帶PWM的定時器、I/O 口、RTC、8通道12位ADC、12C/IIS總線接口、 同步SIO接口和成對時鐘PLL。S3C44B0X是基于ARM7TDMI核和0. 25 μ m的COMS標準單元和存儲器開發(fā)的。它的低功耗、精簡和出色的全靜態(tài)設計，特別適用于性價比要求較高的工程應用。針對高頻高壓發(fā)生器控制系統(tǒng)的各種功能需要，在控制系統(tǒng)中擴展了 FLASH、 SDRAM、UART、JTAG調試接口等模塊。圖4為系統(tǒng)控制軟件流程圖。通常，高頻高壓發(fā)生器的控制器以8/16位單片機為核心的系統(tǒng)，程序一般采用前后臺方式編寫。后臺運行一個大的無限循環(huán)，前臺為多個中斷。這種方式使程序規(guī)模增大、系統(tǒng)功能較復雜，尤其在系統(tǒng)中的并發(fā)進程較多的情況下， 就顯得力不從心，很難保證控制的實時性，而且程序編寫困難、不便于功能擴充。隨著對高頻高壓發(fā)生器功能要求不斷地提高，控制系統(tǒng)需要同時運行多個任務或進程，如自動亮度控制、數據通訊、AEC控制等等，這些都需要對多任務進行合理的調度；另外，控制系統(tǒng)接收和處理的信息、數據的增多，尤其是對實時控制精度要求高技術，僅靠單一循環(huán)或數組來管理是復雜而效率低下的。因此，多任務管理將是必不可少的功能。uC/OS-II是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁減、占先式實時多任務操作系統(tǒng)，其實時性特點有①基于優(yōu)先級的任務調度，保證優(yōu)先任務得到優(yōu)先執(zhí)行；②任務問的通信互斥機制，實現(xiàn)任務間同步和通訊；③實時時鐘管理，保證任務在確定時間內執(zhí)行完成。由于它是實時性很強的操作系統(tǒng)內核，可移植性很好，所以很容易將它移植到本系統(tǒng)的 ARM上。另外，基于uC/OS-II編寫應用程序比較簡單，首先要根據系統(tǒng)功能劃分出一些相對獨立的子功能模塊，每個模塊作為一個“任務”。所謂“任務”就是一個比較特殊的函數(無返回值)，主體也是個無限循環(huán)，循環(huán)里完成一定的功能。多個任務之間有一個實時的調度算法，按照任務的優(yōu)先級隨機調度這些任務來執(zhí)行。用戶可隨時中斷這些任務的執(zhí)行。任務之間以及任務與中斷服務程序之間可以調用信號量、消息郵箱、消息隊列、延時等系統(tǒng)服務來實現(xiàn)彼此通信(數據共享)和同步。從宏觀上來看，多個任務是按順序執(zhí)行的。本系統(tǒng)劃分的任務包括陽極啟動、ABS控制、AEC控制、逆變控制、消息響應事件等任務。編寫好這些任務的代碼(包括系統(tǒng)服務的調用)和用到的中斷服務程序后，啟動操作系統(tǒng)則應用程序就開始運行。若要增添功能，只需增加相應任務和調用一定的系統(tǒng)服務即可。通過在實際工程的應用驗證了本文設計地軟硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠運行，系統(tǒng)的實時處理能力得到極大地提高，各部分功能正常工作，證明了系統(tǒng)設計達到了預期結果。
權利要求
1.基于ARM嵌入式技術的醫(yī)用便攜式X射線高頻高壓發(fā)生器裝置，尤其是其高頻高壓的控制方法，該裝置包括高頻高壓逆變器及高頻高壓控制單元，其特征為高頻高壓逆變器由直流電源、直流逆變和逆變控制組成，它將一個電源電壓 (220V/50Hz)通過PWM(pulse width modulation)轉換成頻率為40kHZ的高壓信號，該信號發(fā)送到高壓組合機頭的高壓變壓器，通過變壓電路和整流電路將初級電壓變成40kV-100kV 高壓，同時在組合機頭內的動態(tài)信號將被精確地獲取，以控制高頻逆變器對X射線高壓的控制。
2.根據權利要求1所述的高頻高壓的控制方法，其特征為采用UC/0S-2實時操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)源碼公開、可移植、可固化、可裁減、占先式實時多任務操作系統(tǒng)。
3.根據權利要求1所述的高頻高壓控制方法，其特征為基于ARM7TDMI為內核的32位 RISC處理器，低功耗、精簡和出色的全靜態(tài)設計，特別適用于性價比要求較高的工程應用。
4.根據權利要求1所述的高頻逆變的控制方法，其特征為采用多重化逆變技術，多重化的重數正好等效于開關頻率提高的倍數，從而改善了系統(tǒng)控制的響應特征，各臺逆變器的電壓波形經相位錯開后組合在一起，即使各臺變換器的開關頻率不高，變換器整體卻能收到很好的波形改善效果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于ARM(Advanced RISC Machines)嵌入式技術的醫(yī)用便攜式X射線機高頻高壓發(fā)生器的控制方法和裝置；該裝置包括高頻高壓逆變器及高頻高壓控制單元；將生活用電經過整流濾波變成穩(wěn)定的直流高壓供X射線管工作；控制單元采用高性能的32位ARM微處理器替代傳統(tǒng)的單片機，在嵌入式實時操作系統(tǒng)高效的多任務管理下設計的高頻高壓控制系統(tǒng)，能滿足主電路逆變器及驅動電路控制、AEC控制、ABS控制、kV和mA實時控制等；由于此嵌入式技術的應用，提高了X射線管的效率以及攝影照片的清晰度；滿足其便攜性采用組合機頭，具有卓越的靈活性配置，為X射線技術在應急小場合中的應用解決了關鍵技術問題。
文檔編號H02M1/12GK102237805SQ20101015378
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月22日 優(yōu)先權日2010年4月22日
發(fā)明者尤永, 張學龍, 楊磊, 汪紅志, 黃勇 申請人:上海碧埃荻電子科技有限公司, 張學龍, 楊磊