CT方艙CT機快速升溫控制系統(tǒng)的研制

晁勇，劉帥，彭昭亮，弓行，帥萬鈞，張少東，高華永，董燦

1.中國人民解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院，北京 100048；2.北京航空航天大學，北京 100191；3.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070

CT方艙CT機快速升溫控制系統(tǒng)的研制

晁勇1，劉帥1，彭昭亮2，弓行3，帥萬鈞1，張少東1，高華永1，董燦1

1.中國人民解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院，北京 100048；2.北京航空航天大學，北京 100191；3.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070

1.The First Affliated Hospital of General Hospital of PLA, Beijing 100048, China; 2.Beihang University, Beijing 100191, China; 3.Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou Gansu 730070, China

本文研制了一種車載式CT快速加溫控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了CT機在低溫環(huán)境下的快速啟動。該系統(tǒng)通過采用非接觸式紅外探測器測量CT機高壓油箱表面的溫度，比較實測溫度與預置溫度的差異值，利用STM32單片機控制電暖風機的加熱，使油箱的溫度快速達到CT機工作的最低要求，使得CT機從啟動到初次曝光的時間由原先的2 h縮短至0.5 h，有效縮短了CT方艙的準備時間，有利于戰(zhàn)時和災害救援等緊急情況下的急救工作的及時開展。

車載式CT；單片機；紅外測溫；溫度控制

0 前言

CT機是一種高精密的影像設備，為了保證圖像質(zhì)量的精準性，需要工作于溫度相對穩(wěn)定的環(huán)境下。通常CT機運行的環(huán)境溫度為18～25 ℃，而我國南方和北方、冬季和夏季的野外溫度差異較大，CT方艙溫度控制系統(tǒng)對于CT機的正常工作至關重要[1-5]。

在運輸過程中，CT方艙的溫控系統(tǒng)不工作，CT機主要部件溫度與外部環(huán)境溫度相同。當?shù)竭_救治現(xiàn)場時，CT機要快速投入使用[6]，其工作溫度必須得到滿足。因此CT方艙溫控系統(tǒng)的快速升降溫性能，直接影響CT方艙響應速度的快慢[7-8]。

1 CT方艙溫控系統(tǒng)

CT方艙采用手動推拉翻板擴展方式、雙面擴展艙體結構，艙體四壁采用隔熱板設計，各艙壁銜接處利用橡膠材料密封，以利于隔熱。

按照軍標戰(zhàn)術要求，CT方艙應在-35～+50 ℃的環(huán)境溫度下能夠正常運轉(zhuǎn)，同時CT方艙由開始展開到正常使用的間隔時間應≤2 h。為了保證艙內(nèi)溫度能夠快速升高以達到CT機使用要求，方艙內(nèi)安裝了兩臺3P冷暖空調(diào)和兩臺功率為7 kW的燃油暖風機作為艙內(nèi)溫度調(diào)節(jié)裝置。溫控系統(tǒng)內(nèi)部布局，見圖1。

暖風機和空調(diào)室外機組置于艙外設備間，暖風機出風口位于控制室外左右兩側、方艙前壁板下部，回風口風道位于控制室后壁板底部?？刂剖仪氨谙虏吭O通風管，便于暖通系統(tǒng)回風。通風管采用帶有鉛防護功能的弧形多折風道結構，可屏蔽CT機所產(chǎn)生的X射線。

圖1 CT方艙溫控系統(tǒng)布局圖

空調(diào)室內(nèi)機組固定于控制室外壁頂部，出風口正對CT機架頂部，回風口位于空調(diào)室內(nèi)機下部，形成循環(huán)風路。

在低溫環(huán)境下，暖風機組與空調(diào)機組共同制熱，實現(xiàn)艙內(nèi)快速升溫。在高溫環(huán)境下和CT機工作時，僅有空調(diào)機組制冷，從而保持艙內(nèi)溫度的穩(wěn)定。

CT方艙組裝完成后，分別對艙體進行了高溫和低溫試驗，以測試溫控系統(tǒng)是否能滿足CT機的工況要求。在高、低溫極限條件下，CT機均能夠在規(guī)定的時間內(nèi)完成開機和掃描，且圖像質(zhì)量的變化不大。

2 問題總結及分析

野外試驗時，CT機的開機速度成為了瓶頸。在環(huán)境溫度為-12 ℃時，CT方艙在15 min內(nèi)完成艙體展開，45 min左右艙內(nèi)溫度由-12 ℃升至+18 ℃，此時開啟CT機，CT機界面啟動正常，但當進行CT機球管預熱時，CT機禁止曝光，提示“Tank Communication Error”。此后艙內(nèi)溫度繼續(xù)上升并穩(wěn)定在25 ℃，約1 h后，錯誤提示信息消失，并可進行正常預熱和掃描。

CT機在展開后約2 h后方可進入正常工作狀態(tài)，雖然可滿足設計指標要求，但在緊急救援狀態(tài)下，時間爭取對個體生命有著重大影響。如何在緊急狀態(tài)下實現(xiàn)CT機快速進入正常工作狀態(tài)，是CT方艙溫控系統(tǒng)尚需完善的方面。

CT方艙CT機選用GE公司生產(chǎn)的雙排螺旋CT，經(jīng)查閱其技術資料，CT機在啟動過程中會自檢各模塊的工作狀態(tài)，自檢流程，見圖2。其中涉及溫度的檢測有以下兩項：

圖2 CT機啟動過程及自檢流程

（1）DAS（探測器組件）是否達到35 ℃。DAS溫度是否達到預置溫度并保持穩(wěn)定，將直接影響圖像采集質(zhì)量。

（2）Tank（高壓發(fā)生器油箱）溫度是否＞10 ℃。Tank溫度偏低時，曝光操作容易損壞高壓系統(tǒng)。當Tank溫度傳感器測量溫度＜10 ℃時，CT機將提示“Tank Communication Error”，并禁止曝光操作。

DAS內(nèi)部有加熱組件，當CT機架加電后30 min內(nèi)，DAS溫度將達到預置溫度并保持穩(wěn)定。Tank內(nèi)部充滿高壓絕緣油，熱容量較大，溫度變化緩慢，因此能夠較為客觀地反映升溫過程中Gantry各部分的最低溫度值。在CT機加電后，機架頂部的風扇產(chǎn)生空氣的強制對流，使Tank的溫度逐漸與艙內(nèi)溫度接近，緩慢升高。

由以上分析可知，在緊急情況下可考慮對Tank部分進行快速加溫，即可實現(xiàn)CT機的快速啟動和掃描，但前提是應不造成CT部件的損壞。

3 快速加溫系統(tǒng)的設計

CT機架由旋轉(zhuǎn)部分和固定部分組成，是CT機的主要組成部分，負責產(chǎn)生穿透人體的X射線并采集原始數(shù)據(jù)，傳至圖像處理工作站重建出檢查部位的影像信息。旋轉(zhuǎn)部分通過低壓滑環(huán)系統(tǒng)與固定部分交換數(shù)據(jù)，電源供應也通過滑環(huán)傳輸。Tank位于機架旋轉(zhuǎn)部分，結構為充滿高壓絕緣油的密閉容器，內(nèi)置初級和次級耦合線圈，為CT機球管提供逆變高壓。溫度傳感器浸于Tank內(nèi)部，感知高壓絕緣油的溫度。

在進行快速加溫系統(tǒng)設計時，由于Tank在CT機工作時處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，利用電熱元件直接附著于Tank表面的加溫方法很難實現(xiàn)，主要原因在于：① 機架旋轉(zhuǎn)部分電源系統(tǒng)不能提供額外的大功率加熱電源；② 無多余滑環(huán)通道可利用，無法通過滑環(huán)實現(xiàn)實時溫度顯示和加熱控制；③ 增加的重量破壞旋轉(zhuǎn)部分動平衡，產(chǎn)生安全隱患。因此，必須采用非接觸式測溫和加熱手段，來實現(xiàn)Tank的快速升溫設計。

3.1 快速加溫系統(tǒng)的構建

基于以上分析，設計的快速加溫系統(tǒng)由單片機、非接觸式紅外溫度傳感器、加熱控制電路、電加熱式暖風機和溫度顯示/控制部分組成，系統(tǒng)原理框圖，見圖3。

圖3 快速加溫系統(tǒng)原理框圖

STM32單片機采集紅外溫度傳感器輸出的模擬信號，將其數(shù)字化后，與程序預置的溫度值比較，控制加熱電路工作，實現(xiàn)對Tank的階梯式快速加熱過程。同時為了便于溫度顯示和加熱控制，STM32單片機利用RS232接口與CT控制室的圖像工作站通信，在圖像工作站的溫度控制界面上顯示實時溫度，并接受來自圖像工作站的加熱控制信號。圖像工作站上溫度顯示/控制界面，見圖4。

圖4 溫度顯示/控制界面

CT機架加電后，快速加溫系統(tǒng)開始工作，非接觸式紅外溫度傳感器實時測量Tank表面溫度，溫度數(shù)值實時顯示在圖像工作站上。

加熱模式分為手動控制和自動控制兩種模式。在手動模式下，選擇相應的選項，可實現(xiàn)暖風機全功率（高檔）加熱、半功率（中檔）加熱和停止加熱。在自動模式下，STM32單片機實時比較實測溫度值與預置溫度值之間的差異，自動控制暖風機全功率（高檔）加熱、半功率（中檔）加熱和停止加熱。在程序設計時，規(guī)定溫度＜10 ℃時，系統(tǒng)自動開啟暖風機，采用全功率加熱方式，使Tank快速升溫；當溫度＞10 ℃時，暖風機采用半功率加熱方式，Tank進入緩慢升溫過程；當溫度達到23℃時，關閉暖風機，快速加溫系統(tǒng)停止工作。

快速加熱控制系統(tǒng)初步設計完成后，還應進行數(shù)據(jù)計算，選擇合適功率的暖風機，保證在極限溫度下和規(guī)定時間內(nèi)，Tank溫度滿足CT機掃描條件。

3.2 暖風機功率的選擇

為了便于Tank加熱過程的熱力學計算，可對部分環(huán)境條件近似處理。首先，Tank位于機架殼體內(nèi)部，加熱環(huán)境可近似為密閉空間；其次，暖風機對Tank底部一側加熱，受熱截面為長20 cm、寬10 cm、厚2 mm的長方形不銹鋼層，故可將加熱空間視為被不銹鋼板隔開的密閉空氣室和絕緣油室；最后，暖風機處于溫度變化緩慢的方艙底部，可假設出風口的溫度保持不變，進而將空氣室的溫度近似為恒定值。

3.2.1 Tank升溫公式推導

設K為不銹鋼的導熱系數(shù)，S為導熱面積， △t表示某單位時間段，m為高壓絕緣油的質(zhì)量，c為絕緣油的比熱，△T為絕緣油在該時間段內(nèi)升高的溫度， Tn為加熱空氣的溫度， T為在當前時刻絕緣油的溫度， ρ為高壓絕緣油的密度。則有：

3.2.2 暖風機功率確定

在式(3)中：

而Tank的長、寬、高分別為20 cm、10 cm、35 cm。

所以其總體積為：

Tank內(nèi)含有兩個半徑2 cm、高20 cm的高壓棒，其體積為：

則郵箱內(nèi)高壓絕緣油的體積為：

因而有：

若想在20 min內(nèi)實現(xiàn)Tank從-35 ℃升溫至10 ℃，由式(9)可得：

其中，T1=10 ℃，T0=-35 ℃。求得臨界空氣溫度為：

因此，暖風機的出風溫度需＞53 ℃，本文采用的暖風機出風溫度為55 ℃。根據(jù)熱力學公式：

可以計算得高壓絕緣油從-35 ℃升溫至10 ℃吸收的熱量為：

暖風機出風口與Tank加熱面的距離為30 cm，則進行熱量交換的氣室體積為：

暖風機的出風可以看作對氣室內(nèi)的空氣換氣，設暖風機每秒對氣室換氣3次，則在20 min內(nèi)，暖風機需加熱的空氣總體積為：

由于暖風機的加熱在燃油機對艙體加熱30 min后，此時艙內(nèi)空氣溫度為5 ℃。空氣的密度和比熱分別為：

則暖風機將艙內(nèi)空氣升溫至55 ℃所需要的總熱量為：

加熱過程中的熱損耗為70%，則暖風機的功率為：

因此，暖風機的功率需＞1.957 kW，選用功率為2 kW的暖風機。

3.3 Tank升溫過程模擬曲線

在氣室內(nèi)空氣溫度為55 ℃時，不同起始溫度下，Tank升溫曲線，見圖5。

圖5 Tank升溫曲線圖

從圖中可以看到，在暖風機出風溫度為55 ℃、Tank初始溫度為-35 ℃時，將Tank升溫至10℃的時間大約為1161 s，＜20 min；升溫至25 ℃，需要的時間為1732 s，＜30 min。因而，確保CT方艙可以在展開后30 min內(nèi)投入使用。

3.4 系統(tǒng)實際測試

在完成CT方艙快速加溫系統(tǒng)的安裝后，在環(huán)境溫度為-12 ℃的條件下，對Tank升溫性能進行了測試，測試結果，見表1。

表1 快速加溫系統(tǒng)功效測試結果

由上表可知，在沒有快速加溫系統(tǒng)的情況下，-12 ℃時CT方艙從開始展開到正常運行需要近1.5 h；快速加溫系統(tǒng)工作時，整體展開時間可縮短至0.5 h，從而保證了CT機能夠快速投入使用。

4 結論

研制的快速加溫系統(tǒng)，可提高CT方艙的快速反應能力，為緊急救援工作爭取寶貴時間，解決了精密CT設備用于野外急救環(huán)境的難題，對于其他急救裝備的研制具有一定的借鑒價值。然而，快速加溫過程也會加速設備部件的老化，應限定在緊急救治情況下使用。

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Development of the Rapid Warming Control System of CT System for CT Shelter

CHAO Yong1, LIU Shuai1, PENG Zhao-liang2, GONG Xing3, SHUAI Wan-jun1, ZHANG Shao-dong1, GAO Hua-yong1, DONG Can1

A rapid warming control system for mobile CT system was developed in order to implement the quick start of CT system under the low-temperature environment. With the application of the system, the surface temperature of the high-voltage generator tank of CT system was measured with an infrared non-contact detector to calculate the difference value between the measured temperature and preset temperature. Then the STM32 single chip micyoco of the system was used to control the heating process of the electric heater so that the temperature of the high-voltage generator tank would rise quickly to meet the minimum temperature requirement for supporting the operation of CT system. Thus the time expended during the process from the device start to the initial exposure of CT system was shortened to half an hour from two hours, which indicated that the system can effectively shorten the readiness time of CT shelter and ensure the timeliness of emergency work during wars and disasters.

mobile CT system; single chip microcomputer; infrared temperature measurement; temperature control

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.05.004

1674-1633(2014)05-0013-04

2014-5-5

全軍醫(yī)學科技青年培育項目（13QNP181）。

本文作者：晁勇，醫(yī)學工程科主任，副主任技師，主要研究方向為醫(yī)學裝備管理、研發(fā)和計量檢測。

作者郵箱：yongchg@sina．com