CT球管冷卻及油路溫度無線監(jiān)控系統(tǒng)的研究

錢學(xué)江，李效銀，劉培霞

中國人民解放軍第八九醫(yī)院 放射科，山東 濰坊 261021

CT球管冷卻及油路溫度無線監(jiān)控系統(tǒng)的研究

錢學(xué)江，李效銀，劉培霞

中國人民解放軍第八九醫(yī)院 放射科，山東 濰坊 261021

0 前言

X線計(jì)算機(jī)體層攝影（Computed Tomography，CT）是最主要的影像技術(shù)之一。CT球管是CT設(shè)備的核心部件之一[1]，主要由管芯、管套、散熱器、絕緣油以及一些附屬配件等組成[2]。正常情況下，管路油溫≤40 ℃，管套外殼溫度＜70 ℃，說明球管散熱通風(fēng)良好[3]。而隨著X線曝光次數(shù)的增加，球管的X線輻射性能和散熱能力會逐漸下降，最終需要進(jìn)行更換。球管更新所需的費(fèi)用占據(jù)CT設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)成本中的絕大部分，因此正確合理地使用和保護(hù)好球管不僅可以獲得高質(zhì)量圖像，而且還可以延長球管的使用壽命。

1 總體設(shè)計(jì)

無線發(fā)射接收模塊采用單總線數(shù)字傳感器，采用相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)作為無線通訊工具，具有很強(qiáng)的靈活性。為使得發(fā)射電路及天線的體積和發(fā)射功率盡可能小，該模塊利用掃描機(jī)架后方的攝像頭作為接收天線，既增加了監(jiān)視的實(shí)用功能，又使接收距離縮小到1.5 m。通過對元器件的選擇、布局和封裝的不斷改進(jìn)，發(fā)射模塊體積縮小到火柴盒大小，重量＜100 g，信號接收良好，安裝簡便。

CT球管油路溫度無線監(jiān)控系統(tǒng)包括機(jī)架、球管、與CT連接的計(jì)算機(jī)、顯示器，球管包括管殼，管殼外設(shè)有冷卻油，冷卻油沿回路管道循環(huán)流動，回路管道上設(shè)有油泵及風(fēng)扇，風(fēng)扇后方的回路管道上設(shè)有第一溫度傳感器，球管與油泵之間的回路管道上設(shè)有第二溫度傳感器，溫度傳感器與無線發(fā)射處理器連接，無線接收處理器與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)設(shè)有顯示單元和監(jiān)控單元，顯示單元用于將溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在顯示器上，監(jiān)控單元用于發(fā)出過熱報(bào)警信號、油泵故障報(bào)警信號、風(fēng)扇故障報(bào)警信號。處理單元采用TI公司生產(chǎn)的低功耗芯片MDP430-248系列，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，必須對芯片編程實(shí)現(xiàn)處理器模塊采集控制、A/D轉(zhuǎn)換以及控制無線通訊模塊的收發(fā)[4]。計(jì)算機(jī)智能監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖，見圖1。

該監(jiān)控系統(tǒng)使球管過熱報(bào)警更精確，避免球管過熱損壞；使用者能夠直觀方便地觀察球管溫度，并對油泵、風(fēng)扇的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；適合加裝在已有CT上。該系統(tǒng)可無線監(jiān)測CT球管冷卻油循環(huán)回路多點(diǎn)溫度及掃描機(jī)架內(nèi)環(huán)境溫濕度，通過計(jì)算機(jī)比對球管的熱負(fù)荷曲線進(jìn)行推理，測算出安全的掃描富裕量，避免球管在瞬間危險(xiǎn)負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，同時(shí)可智能控制冷風(fēng)機(jī)以相匹配的冷卻功率冷卻掃描機(jī)架，增強(qiáng)球管的散熱效率，等效提高球管的熱容量。系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)封閉的控制反饋回路，將球管置于安全運(yùn)行范圍內(nèi)。實(shí)踐表明，球管的使用壽命平均延長了3倍，性能等效于1.5～2倍未使用該檢測系統(tǒng)的球管的熱容量。

圖1 計(jì)算機(jī)智能監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖

2 球管熱負(fù)荷與壽命

球管熱負(fù)荷主要表現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)陽極承受的熱量，這與球管的曝光功率（管電壓、管電流、曝光時(shí)間）有關(guān)。熱負(fù)荷越大，陽極軸承、玻璃外殼、金屬外殼等部件變形老化的概率加大，球管損壞的可能性增加。球管負(fù)荷越低，壽命越長。

球管的熱負(fù)荷是指陽極產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量差值的積淀，最大熱負(fù)荷就是陽極能夠儲存的最大熱量，也稱熱容量，單位焦耳，通常也用HU單位表示，1MHU=800000 J。普通X光球管熱容量≤0.3 MHU，CT球管熱容量通常為2～8 MHU。熱負(fù)荷超過球管熱容量，球管將受損，熱負(fù)荷越低，球管壽命越長。通常球管的熱負(fù)荷＜80%熱容量時(shí)，球管相對安全，性能保持良好，壽命會得到延長。計(jì)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，求出下一病人掃描模式所需熱負(fù)荷量應(yīng)等待的時(shí)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(yùn)行。

3 低噪音高功率冷風(fēng)機(jī)

球管是一個(gè)大的高真空的陰極射線二極管，是產(chǎn)生X射線的部件，其工作流程為：陰極燈絲加熱，產(chǎn)生自由電子云集，這時(shí)向陰陽兩級加120～140 kV高壓，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，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換；約1%的電能形成X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)[5]。CT掃描時(shí)，球管和其他電器部件會在機(jī)架內(nèi)產(chǎn)生很多熱量，如何將熱量排出以保證探測器、DAS系統(tǒng)和其他電子設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行，是每個(gè)CT廠家都要考慮的重要問題[6-7]。CT球管冷卻系統(tǒng)通常采用風(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，最重要的就是定期清潔過濾網(wǎng)上的灰塵，使風(fēng)的流速始終保持最佳狀態(tài)，以提高冷卻效率[8]。

3.1 冷風(fēng)機(jī)散熱

冷風(fēng)機(jī)室外散熱勢必需要對機(jī)房進(jìn)行改造，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。此外，冷風(fēng)機(jī)功率越大，噪聲越大。為克服冷風(fēng)機(jī)功率越大，噪聲越大的缺點(diǎn)，我們在冷風(fēng)機(jī)的外殼設(shè)計(jì)上運(yùn)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(jì)，使其噪聲低于CT自有噪聲。處理器在空閑狀態(tài)下可自行關(guān)閉，在低耗狀態(tài)下降低電壓，可以大幅度地減少能量消耗。

3.2 冷風(fēng)機(jī)接口對接兼容性

不同型號的CT對接方式和布局是不一樣的，這勢必對產(chǎn)品的推廣造成困難，加重生產(chǎn)成本。本設(shè)計(jì)采用可變組合接口，可以根據(jù)不同布局自由組合。

4 討論

（1）設(shè)計(jì)所用關(guān)鍵技術(shù)。① 油路溫度無線監(jiān)測技術(shù)，自主設(shè)計(jì)微型無線溫濕度采樣組件，構(gòu)建CT球管無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控油路溫度變化，避免球管過熱損壞。② 油路冷卻技術(shù)，自主設(shè)計(jì)專用冷風(fēng)機(jī)，建立智能閉環(huán)回路冷卻控制系統(tǒng)，提高CT球管散熱效率。

（2）技術(shù)工藝流程。本設(shè)計(jì)以溫度、濕度、壓力、液位等多個(gè)信號為監(jiān)控研究對象，結(jié)合單片機(jī)及接口技術(shù)，應(yīng)用軟件編程對系統(tǒng)實(shí)行控制。利用傳感器采集信號，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，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，利用CPU處理后，將數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上。且可以通過按鍵設(shè)定密碼和溫度的上下限，當(dāng)所測信號低于或高于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號，保障工作環(huán)境安全。

（3）系統(tǒng)功能。① 能夠測量并實(shí)時(shí)顯示球管油循環(huán)回路循環(huán)前后油路溫度、掃描機(jī)架內(nèi)環(huán)境溫度、環(huán)境濕度。② 控制計(jì)算機(jī)將采樣數(shù)據(jù)與球管熱負(fù)荷特性曲線進(jìn)行比對推理，求出球管安全熱負(fù)荷冗余量，當(dāng)球管熱負(fù)荷超過安全上限時(shí)發(fā)出警告并鎖定CT主機(jī)鼠標(biāo)，強(qiáng)制CT球管冷卻，避免球管過熱受損，球管壽命得以延長。③ 控制主機(jī)根據(jù)球管油路溫度、掃描機(jī)架環(huán)境溫度自動啟動冷風(fēng)機(jī)，并使冷風(fēng)機(jī)以相匹配的冷卻功率對掃描機(jī)架運(yùn)送冷風(fēng)，加速掃描機(jī)架內(nèi)的空氣流量，與球管產(chǎn)生的熱量通過油循環(huán)回路的散熱器進(jìn)行熱交換，加速球管散熱，提高散熱效率，等效提高球管熱容量?？梢詫?shí)現(xiàn)更大容量，大功率球管才能負(fù)荷的大范圍，大劑量，長時(shí)間掃描。④ 控制計(jì)算機(jī)將采樣數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)庫和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，可以判定球管油循環(huán)回路效率是否良好及是否發(fā)生故障，方便操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除隱患及故障，避免球管受損。⑤ 附加攝像頭監(jiān)視功能，便于操作人員觀察掃描機(jī)架后方視野盲區(qū)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除如增強(qiáng)造影可能發(fā)生的針頭錯(cuò)位、脫落等，避免導(dǎo)致可能危及病人健康的醫(yī)療事故。

5 結(jié)語

該監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用性較強(qiáng)、操作方便、控制靈活，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)球管油路溫度及環(huán)境溫度等的實(shí)時(shí)監(jiān)控并具有超限報(bào)警功能，可以作為工廠和家居環(huán)境的監(jiān)控系統(tǒng)。

[1] 云慶輝,李向東,王政,等．CT球管的故障診斷及合理使用[J]．中國醫(yī)學(xué)裝備,2012,9(7):74-76．

[2] 劉俊松,呂文昌．CT（X線）球管的原理、使用和養(yǎng)護(hù)[J]．中國醫(yī)療器械信息,2005,11(5):48-50．

[3] 鄭劼,盛群．從球管常見故障談CT球管的維護(hù)和保養(yǎng)[J]．中國CT和MRI雜志,2007,5(3):56-57．

[4] 黃棉波,楊豐,王磊,等．基于無線傳感器的患者運(yùn)動信號檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J]．醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2011,32(1):4-6,15．

[5] 蔣友好．CT故障的分析與預(yù)防措施[J]．中國醫(yī)療器械雜志, 2011,35(4):307-309．

[6] 張永平．影響CT球管壽命的幾個(gè)重要因素[J]．實(shí)用放射學(xué)雜志,2001,17(9):653．

[7] 白小壽,李君．Lightspeed 3．X螺旋CT球管旋轉(zhuǎn)陽極故障診斷與分析[J]．中國醫(yī)療設(shè)備,2012,27(9):146-147．

[8] 田躍忠,盛元相,寧路江,等．CT球管使用壽命與運(yùn)行強(qiáng)度關(guān)系探討[J]．中國醫(yī)學(xué)影像雜志,2000,8(2):144-145．

Research on Wireless Monitoring System of CT Tube Cooling and Oil-Way Temperature

QIAN Xue-jiang, LI Xiao-yin, LIU Pei-xia

Department of Radiology, The 89thHospital of PLA,Weifang Shandong 261021, China

目的 設(shè)計(jì)一種用于提高CT球管降溫速度及檢測CT球管溫度的監(jiān)控系統(tǒng)，以保護(hù)球管并延長其壽命。方法 將溫度傳感器與無線發(fā)射處理器連接，無線接收處理器與計(jì)算機(jī)連接，通過計(jì)算機(jī)上的顯示單元和監(jiān)控單元，實(shí)現(xiàn)球管溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。結(jié)果 該系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)精巧，可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 該系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確地用于任何類型CT球管溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

CT球管；溫度傳感器；無線發(fā)射處理器；無線接收處理器；熱負(fù)荷；冷風(fēng)機(jī)

Objective To design a monitoring system to improve the cooling speed and detect the temperature of CT tube to protect CT tube and prolong its lifetime. Methods To connect the temperature sensor with wireless launch processor and then connect wireless receiving processor with the computer. Thus the real-time monitoring of CT tube temperature can be implemented though display unit and monitoring unit of the computer. Results The variation of instantaneous temperature of CT tube can be captured successfully and human-computer interaction monitoring can be implemented through the application of the system with light and handy node design. Conclusion The system can be accurately applied to implement the real-time monitoring of various types of CT tube.

CT tube; temperature sensor; wireless launch processor; wireless receiving processor; thermal load; air cooler

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.05.010

1674-1633(2014)05-0033-03

2014-01-05

2014-04-09作者郵箱：89ygk@163．com