C T球管熱負荷關(guān)系數(shù)據(jù)庫的研究

李效銀，錢學(xué)江，劉培霞

0 引言

球管是CT設(shè)備的核心部件之一。隨著X線曝光次數(shù)的增加，球管的X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]。球管的熱容量一般為750～210 kHU[2]，正常情況下，管路油溫不超過40℃，管套外殼溫度低于70℃，說明散熱通風(fēng)良好[3]。一支合格的CT球管在管芯和其他硬件部位沒有嚴重受損的情況下，可連續(xù)曝光30萬s左右[4－5]。傳統(tǒng)的CT球管只有油溫超限保護一個單一的開關(guān)值，計算機無法判定球管的熱相關(guān)狀態(tài)，并且該保護溫度是極限值，保護時球管已經(jīng)受損。本研究利用計算機，以大量變化的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫與球管熱負荷關(guān)系數(shù)據(jù)庫，并進行比對，智能監(jiān)測判斷球管的散熱狀態(tài)及自動控制冷風(fēng)機和CT操作，使球管處于安全的熱運行狀態(tài)。

1 球管的結(jié)構(gòu)及散熱原理

在掃描時，CT球管和其他電器設(shè)備會在機架內(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)定運行，是每個CT廠家要考慮的問題[6]。本研究以溫度、濕度、壓力、液位多個信號為監(jiān)控研究對象，并結(jié)合單片機及接口技術(shù)，應(yīng)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)制電路將信號進行電壓放大，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，利用CPU處理將其顯示在數(shù)碼管上?？梢酝ㄟ^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。

球管結(jié)構(gòu)及油冷卻循環(huán)回路如圖1所示。球管由管套、管芯構(gòu)成，管芯內(nèi)部為高真空狀態(tài)，管芯內(nèi)由燈絲構(gòu)成陰極，旋轉(zhuǎn)鎢合金靶構(gòu)成陽極，陰陽極間加上高壓構(gòu)成高壓電場，燈絲通過加熱產(chǎn)生的熱電子在高壓電場的作用下高速轟擊重金屬陽極靶面，產(chǎn)生X線，1%的能量轉(zhuǎn)化為X線，99%的能量轉(zhuǎn)化為熱量。燈絲和陽極靶的熱量輻射到管芯外殼，由高壓絕緣油吸收，通過油冷卻回路的油泵循環(huán)出來，熱交換器與機架內(nèi)的空氣進行熱交換，達到散熱效果。

圖1 球管結(jié)構(gòu)及油冷卻循環(huán)回路

圖2為計算機智能監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖。CT球管的油路溫度無線監(jiān)控系統(tǒng)包括機架、球管、與CT連接的計算機、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?；芈饭艿郎显O(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算機連接。計算機設(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)實時顯示在顯示器上，監(jiān)控單元用于發(fā)出過熱報警信號、油泵故障報警信號、風(fēng)扇故障報警信號。本研究能夠?qū)η蚬軠囟鹊纳咛峁捲５膱缶苊馇蚬芙?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)進行監(jiān)控，適用于在已有CT上加裝。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)點設(shè)計中，必須對芯片編程實現(xiàn)處理器模塊對傳感模塊采集控制、A/D轉(zhuǎn)換以及控制無線通信模塊的收發(fā)[7]。

圖2 計算機智能監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)庫的建立

從單一的過溫保護升級為智能監(jiān)控，

構(gòu)建經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫和球管熱負荷關(guān)系數(shù)據(jù)庫，計算機將測量的多點溫度數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫進行比對推理，判斷出球管散熱回路的故障及效能狀態(tài)、球管安全運行的冗余負荷，自動恒定掃描機架的環(huán)境溫度，過限自動鎖定CT操作。

2.1 經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫的建立

通過大量的球管故障運行記錄分析和

經(jīng)驗總結(jié)表明，球管都存在一個相對危險的油溫區(qū)間，超過這個油溫區(qū)間，球管損壞的概率就明顯增加。我們總結(jié)了不同型號CT球管的油溫區(qū)間閾值，構(gòu)建了經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫（見表1）。計算機將多點溫度測量數(shù)據(jù)與經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫比對推理，作出預(yù)警、提示和控制。

表1 部分球管經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫表

（1）當(dāng)油溫到達危險區(qū)間時，計算機發(fā)出警告，并可以鎖定CT的操作鼠標(biāo)，等待油溫低于閾值后才能繼續(xù)工作。

（2）當(dāng)油溫升溫速度和降溫速度超過數(shù)據(jù)庫范圍時，計算機判定球管散熱不良，并作出散熱效率提示，維護人員可以及時檢查及處理濾網(wǎng)、灰塵等散熱隱患。

（3）當(dāng)油泵循環(huán)前后油溫差值超過數(shù)據(jù)庫范圍時，計算機作出油泵故障提示，維護人員可以及時排除故障。

2.2 熱負荷關(guān)系數(shù)據(jù)庫的建立

球管的熱負荷是指陽極產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量差值積淀，最大熱負荷就是陽極最大能夠儲存的熱量，也稱熱容量，單位為J，通常也用HU表示，1 MHU=800 000 J，普通X線球管在0.3 MHU以下，CT球管通常在2～8 MHU。熱負荷超過球管的熱容量球管將受損，熱負荷越低，球管壽命越長。通常球管的熱負荷低于熱容量的80%，球管是相對安全的，性能保持良好，壽命大大延長。計算機通過當(dāng)前的油溫值與熱負荷關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行比對，判定當(dāng)前的熱負荷冗余量，求出下一患者掃描模式所需熱負荷量應(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，避免球管過負荷運行。

以SIEMENS EMOTION DUO雙排螺旋CT為例，說明熱負荷與油溫、時間的關(guān)系，球管型號為DURA 302，熱容量為2 600 000 J，10 kW有效功率模式（頭部掃描）持續(xù)掃描，圖3為球管油溫與時間的關(guān)系曲線，圖4為陽極熱負荷與時間的關(guān)系曲線。

圖4 陽極熱負荷與時間的關(guān)系曲線

由圖4的10 kW加熱曲線可知，10 kW模式工作10 min陽極熱負荷從0上升到2 300 000 J（接近極限，在這里設(shè)定該值為安全負荷上限），球管油溫從20℃上升到57.3℃（如圖3所示）。如果進行下一頭部掃描，模式功率10 kW，陽極累積負荷需要300 000 J，球管熱負荷若不超過安全上限需降到2 000 000 J，通過圖4的冷卻曲線可知需要70 s，通過圖3的冷卻曲線可知，經(jīng)過70 s，油溫降到55.6℃。通過油溫與熱負荷曲線關(guān)系計算，下一頭部模式掃描需等待球管油溫降到55.6℃以下或時間間隔70 s以上，球管熱負荷將不超過安全上限。

根據(jù)球管的熱負荷與油溫、時間、掃描模式功率關(guān)系及各種類型的掃描方式，求出不同CT、不同球管各掃描功率級別下的熱負荷冗余與時間、油溫關(guān)系數(shù)據(jù)庫。為便于使用人員簡化操作，分低、中、高3大功率掃描級別，各級別在當(dāng)前油溫區(qū)間應(yīng)等待的時間以進度條的方式提示操作人員，進行下一功率級別掃描建議等待冷卻的時間，操作人員可以合理地安排掃描間隔與掃描模式，盡可能使球管在相對安全的熱負荷區(qū)間運行，球管壽命大大延長，見表2。

2.3 CT球管無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)

表2 部分球管熱負荷關(guān)系數(shù)據(jù)庫表

利用微型無線溫濕度采樣傳感組件，實現(xiàn)無線實時監(jiān)測冷卻油回路多點溫度及掃描機架環(huán)境溫度，從單點單一的開關(guān)量轉(zhuǎn)變?yōu)槎帱c動態(tài)的變化過程量。

由于CT球管是隨著機架轉(zhuǎn)盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，有線測量技術(shù)及工藝復(fù)雜，成本較高。因此，傳統(tǒng)的CT球管CT主機是不采樣油溫的，只是裝有油溫超限保護開關(guān)，這就存在如下弊端：（1）油溫超限保護為極限保護，此時球管已經(jīng)受損。（2）球管冷卻回路各點溫度變化過程無法監(jiān)測，操作人員無法把握當(dāng)前狀態(tài)。

圖5為無線測量結(jié)構(gòu)圖。利用無線測量技術(shù)，實時測量油路多點溫度及掃描架的環(huán)境溫濕度變化過程，操作人員從模糊使用轉(zhuǎn)變?yōu)闇蚀_量化地把握球管油溫狀態(tài)。設(shè)計開發(fā)出了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，這樣既不破壞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架后方的墻上，既增加了機架后方的視野盲區(qū)監(jiān)視功能，又巧妙地利用攝像頭作為接收天線，攝像頭本身距離機架僅1～2 m，無線組件的發(fā)射功率相當(dāng)微小，既遠低于國家規(guī)定的CT機房電磁輻射標(biāo)準，又可靠地傳遞了數(shù)據(jù)。微型無線傳感組件包括2個微型單總線數(shù)字溫度傳感器、1個微型單總線溫濕度一體數(shù)字傳感器，單片機接收信號進行編碼處理并通過射頻模塊發(fā)射。傳感器的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[8]。本系統(tǒng)采用常用的IEPE加速度傳感器，其靈敏度在50～100 mV/℃，最大輸出電壓只為±5 V。

圖5 CT球管油路溫度無線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)語

據(jù)文獻報道[9]，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、管套漏油等各占一定比例。傳統(tǒng)的CT只有油溫超限保護，操作人員無法發(fā)現(xiàn)并及時排除散熱隱患，導(dǎo)致在危險油溫區(qū)間過熱運行，球管受損。

計算機進行智能監(jiān)控并不會降低CT的使用效率。由于傳統(tǒng)的CT患者掃描沒有預(yù)約，使用人員無法把握球管的熱運行狀態(tài)，患者過度集中在某一時間段或短期掃描密集度過大，球管過熱受損，而其余時間段則相對空閑。使用本研究后，操作人員可以合理安排掃描間隔和掃描密集度，操作人員從模糊使用轉(zhuǎn)變?yōu)榱炕?、合理、高效地維護和利用球管，保持了球管的良好性能，避免了球管過熱運行，球管壽命大大延長，綜合效率得以提高。

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