新型牙科X線機(jī)的設(shè)計(jì)及樣機(jī)研制

井岡山大學(xué) a.化學(xué)化工學(xué)院；b.機(jī)電學(xué)院；c.附屬醫(yī)院，江西 吉安 343000

新型牙科X線機(jī)的設(shè)計(jì)及樣機(jī)研制

陳海輝a，曾瑩瑩b，吳淑芳c

井岡山大學(xué) a.化學(xué)化工學(xué)院；b.機(jī)電學(xué)院；c.附屬醫(yī)院，江西 吉安 343000

目的采用新的電子技術(shù)和元器件，研制高頻直流牙科X線機(jī)，實(shí)現(xiàn)牙科X線機(jī)高性能化。方法利用高頻逆變?cè)瑢?shí)時(shí)采樣、脈寬調(diào)制確保對(duì)陽極高壓和管電流的閉環(huán)控制；采用TL494構(gòu)建管電流前饋控制策略，根據(jù)管電壓范圍段進(jìn)行分段（非線性）補(bǔ)償陰極空間電荷效應(yīng)。結(jié)果初步試驗(yàn)表明，該控制方法及電路裝置效果良好，實(shí)現(xiàn)了外部無高壓，且加在X線發(fā)射管上的電壓波動(dòng)在1%以內(nèi)，曝光時(shí)間誤差在3%以內(nèi)，拍攝的照片可以清晰顯示出牙髓腔及周圍組織。結(jié)論該樣機(jī)完全可滿足臨床牙科透視要求。

口腔X線機(jī)；高頻牙科X線機(jī)；前饋控制；組合式球管； 陰極電荷空間效應(yīng)

1 研究背景

口腔X線機(jī)是一種專用X線機(jī)，用于牙齒與牙周的攝片，通常分為口腔內(nèi)牙科X線機(jī)和口腔全景機(jī)。口腔內(nèi)牙科X線機(jī)（稱牙片機(jī)）用來拍攝單顆牙齒，而口腔全景機(jī)則用于口腔平面體層攝影和曲面體層攝影。牙片機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在我國使用非常廣泛，主要以單相50 Hz交流電為高壓發(fā)生器電源的X線機(jī)（稱工頻牙片機(jī))居多，發(fā)射管兩端電壓隨時(shí)間從零至最高值，然后從最高值至零[1]。在一個(gè)變化周期內(nèi)，只在電壓峰值附近區(qū)產(chǎn)生的X射線才對(duì)攝影有用（圖1），其余時(shí)間產(chǎn)生的X射線（即軟射線）對(duì)攝影毫無幫助，并且增加了病人輻射吸收的劑量[1]。

圖1 工頻波形電壓

目前，世界上主要的牙科X線機(jī)生產(chǎn)廠家已將研發(fā)重點(diǎn)放到數(shù)字高頻牙科X線機(jī)上，淘汰了工頻牙科X光機(jī)。高頻直流牙科X線機(jī)，是將50 Hz電源經(jīng)過直流逆變成頻率＞20 kHz的矩形波，經(jīng)過倍增整流之后，形成直流高壓（圖2）加在X射線發(fā)射管上，其高壓波動(dòng)在1%以內(nèi)。

高頻機(jī)的出線波譜單純，雜散射線少，成像清晰，在同等條件下比工頻機(jī)減少50%以上的總出線量[2]。我國從事研制適合牙科用的小劑量高頻球管、小容量高頻直流X射線電源的研究很少，據(jù)本文作者所知，公開報(bào)道文獻(xiàn)只有本課題組研究成果[3-6]。

圖2 高頻直流電壓

2 新型牙科X線機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

高頻直流牙科X線機(jī)由液晶顯示板、電源板、控制板、球管、機(jī)架5大部分組成。系統(tǒng)由整流濾波、高頻逆變、脈寬調(diào)制、主機(jī)控制、顯示操作、高頻球管（也稱高壓油箱X射線管）等功能單元構(gòu)成。本系統(tǒng)的核心技術(shù)是高頻逆變監(jiān)控、倍壓整流匹配、高壓油箱絕緣散熱。電源板將50 Hz交流電源經(jīng)過整流、電容平滑為恒定直流電壓后，經(jīng)過IGBT轉(zhuǎn)換成20 kHz的高頻方波電壓。該方波電壓送往高頻球管，經(jīng)變壓器升壓，再經(jīng)倍壓電路，變?yōu)槠交闹绷鞲邏汉螅┘佑赬發(fā)射管的兩極。

2.2 組合式機(jī)頭

本研究研制了一種高頻直流X射線源組合式機(jī)頭[6]，其內(nèi)有X射線發(fā)射管、高壓變壓器、倍增電路、管電壓與管電流檢測(cè)電路及各種絕緣隔離室（圖3），其外觀尺寸：120 mm×120 mm×50 mm。組合式球管經(jīng)真空、干燥處理之后，注入25號(hào)變壓器油，再經(jīng)抽真空密封而成。高壓只在組合式球管內(nèi)產(chǎn)生，大大地提高了整機(jī)的安全性。

圖3 組合式機(jī)頭電路圖

2.3 軟件調(diào)試

系統(tǒng)采用PIC16F877A單片機(jī)控制，開發(fā)環(huán)境為MPLAB7.0?？刂瞥绦虻牧鞒瘫容^復(fù)雜，為了便于程序的調(diào)試和維修，在程序設(shè)計(jì)中大量使用子程序，包括中斷子程序和一般子程序，形成了功能相對(duì)獨(dú)立的模塊。整個(gè)程序包括核心控制模塊、顯示子程序、鍵盤管理、定時(shí)、錯(cuò)誤處理5大功能模塊。如LCD板子程序有：① TEST自檢；② DISPLAY顯示；③ READ讀鍵盤；④ 通訊SCON；⑤LED顯示；⑥ 定時(shí)。電源板（主機(jī)）子程序有：① 自檢；② 通訊；③ 執(zhí)行；④ 出錯(cuò)檢測(cè)；⑤ LED顯示；⑥ 定時(shí)。

2.4 控制策略

采用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管作功率開關(guān)器件，脈寬調(diào)制集成電路作管電壓、管電流控制（圖4～5）；采用單片機(jī)作系統(tǒng)控制，兼作曝光計(jì)時(shí)器。管電流是通過改變燈絲加熱逆變電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)精確控制的，對(duì)陰極空間電荷效應(yīng)進(jìn)行多段補(bǔ)償（圖6）。利用TL494死區(qū)時(shí)間來改變TL494信號(hào)輸出的開度，從而快速改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)弱；TL494死區(qū)時(shí)間受控制于死區(qū)端上的電路參數(shù)值，死區(qū)端擴(kuò)展成多段電路，這些電路對(duì)應(yīng)于單片機(jī)引腳輸出的信號(hào)組合；單片機(jī)根據(jù)管電壓的調(diào)制信號(hào)、管電流設(shè)定數(shù)值，輸出引腳信號(hào)組合，接通選中的某段死區(qū)端電路。該段的電路參數(shù)值就決定了死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)短。

圖4 高頻X線機(jī)管電壓控制

圖5 管電流前饋—反饋控制

圖6 管電流前饋—反饋控制電路

2.5 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

本方案設(shè)計(jì)的高頻直流牙片X線機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）高性能。提高了X線管的輸出效率，大大減少了X射線束中的軟射線，可降低病人的輻射劑量，提高X線照片質(zhì)量，使最短曝光時(shí)間可以更短。

（2）精度高。采用電壓預(yù)置、反饋調(diào)節(jié)的方法，使曝光參數(shù)（kV、mA，時(shí)間或mAs）的控制精度更高。

（3）體積小。高壓變壓器的體積大大縮小，使X射線發(fā)生器（球管）小型化或微型化，對(duì)電源的供電要求大大降低。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

3.1 控制精度

從采樣電路處輸出陽極電壓、管電流到示波器，觀察曝光時(shí)間、電壓波動(dòng)情況[7]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電壓呈直線，其波動(dòng)在1%以內(nèi)，曝光時(shí)間誤差在3%以內(nèi)；用500 W手電鉆突然開、斷為模擬干擾源，測(cè)試抗干擾能力，精度沒有受到干擾。

3.2 臨床實(shí)驗(yàn)

圖7 臨床拍攝牙片

圖8 牙齒標(biāo)本拍攝片

在征得某口腔醫(yī)院的醫(yī)生和病人的同意后，進(jìn)行了臨床實(shí)驗(yàn)。臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以清晰地看到病人的活體牙齒的髓腔（圖7）；可以清晰看到標(biāo)本牙齒的髓腔（圖8）。對(duì)牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)、牙髓腔、牙槽骨、牙周膜、骨硬板顯示很清晰，明顯比傳統(tǒng)牙片機(jī)拍攝的牙片質(zhì)量高。

4 結(jié)論

采用新的電子技術(shù)和元器件，研制出高頻直流牙科X線機(jī)，實(shí)現(xiàn)了牙科X線機(jī)高性能化。電路測(cè)試表明樣機(jī)性能穩(wěn)定，臨床照片表明拍攝圖像質(zhì)量好，完全可滿足臨床透視要求。

[1] 高文帥．高頻直流牙科X射線機(jī)的研制[D]．湖南:南華大學(xué),2008．

[2] 楊偉軍,張陽德．高頻直流牙科X線機(jī)的設(shè)計(jì)及樣機(jī)測(cè)試[J]．中國醫(yī)學(xué)工程,2009,17(5):382-385．

[3] 高文帥,陳海輝．牙科X射線焦皮距的測(cè)量新方法[J]．中國輻射衛(wèi)生雜志,2007,16(4):446-449．

[4] 粟俊杰,陳海輝,張陽德．高頻直流牙科X線機(jī)的研制[J]．中國醫(yī)療器械雜志,2008,32(6):443-448．

[5] 陳文光,饒益花,陳海輝．X射線機(jī)管電流控制方法研究[J]． 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2008,28(4):770-773．

[6] 陳海輝,張陽德,周立新．一種高頻直流X射線源組合式機(jī)頭:中國,200920060095．0[P]．2010-05．

[7] 戴丹,王魏,戴競(jìng),等．X線機(jī)高壓發(fā)生器的測(cè)試[J]．中國醫(yī)療設(shè)備, 2012,27(5):117-118．

Design and Prototype Manufacture of New type Dental X-ray Machine

CHEN Hai-huia, ZENG Ying-yingb, WU Shu-fangc
a. College of Chemistry and Chemical Engineering; b. College of Mechanical Engineering; c. Affiliated Hospital, Jinggangshan University, Ji’an Jiangxi 343000, China

ObjectiveUsing new electronic technique and component, to develop a set of high frequency direct-current dental X-ray machine, thus to realize high performance of dental X-ray machine.MethodsIGBT high frequency inverter, real-time sampling, PWM for the closed-loop control of the tube current and anode high voltage, microcomputer for the precious control, multi-segment compensation for the effect of cathode space electric csharge, combined X-ray tube are introduced to manufacture five sets of dental X-ray machine. TL494 is utilized to construct main circuit of feedforward control of X-ray tube current, based on chosing the compensation factor depended on anode voltage range for cathode space electric charge.ResultsPreliminary results showed that these control methods and circuit devices are effective. The machine has some good features such as, all high voltage parts are inside the tube, the error of tube voltage was less than 1%, the error of exposure time was less than 3%, the photos of the teeth marrow can be clearly seen.Conclusion The sample machine could meet the requirements of medical application.

dental X-ray machine; high frequency dental X-ray machine; feedforward control; combined X-ray tube; effect of cathode space electric csharge

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.08.008

1674-1633(2013)08-0023-03

2012-07-05

2013-05-15

江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（20111BBG7007-1；20123BBG70204）；井岡山大學(xué)科研基金項(xiàng)目（JZB11036）。

本文作者：陳海輝，副教授。

曾瑩瑩，副教授。

作者郵箱：chenhaihui68@126．com