TVS瞬態(tài)二極管在SPECT探測器系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

侯艷龍HOU Yan-long

（濱松光子科技（廊坊）有限公司，廊坊 065001）

0 引言

單光子發(fā)射計算機斷層裝置（Single photon emission computed tomography，SPECT）是目前臨床上應(yīng)用最廣泛的核醫(yī)學(xué)儀器，廣泛應(yīng)用于臨床診斷和醫(yī)學(xué)研究，其可以進行功能成像，對疾病特別是腫瘤的早期診斷有重要意義。

當(dāng)前形勢下，伴隨著SPECT設(shè)備的逐步普及，設(shè)備的安全以及EMC問題已經(jīng)作為強制性項目來管控。我們了解到，電壓或電流的瞬態(tài)干擾是造成電子電路及設(shè)備損壞的主要原因，常給人們帶來無法估量的損失。傳統(tǒng)的處理方式就是直接增加再生電阻模塊，每一個電機都會產(chǎn)生反電動勢，那么每一個運動軸就會增加一個再生電阻模塊，主流的產(chǎn)品目前均為進口，對于SPECT多軸的運動系統(tǒng)來說，安裝成本比較高，并且該模塊體積較大，需要較大的安裝空間。

如何優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升產(chǎn)品的性價比，滿足日益增長的核醫(yī)學(xué)需求，解決技術(shù)壟斷，已經(jīng)迫在眉睫。

本文所研究的保護電路，不僅成本低、體積小，更重要的是打破了技術(shù)壁壘的“窗戶紙”，以最簡化的方式解決復(fù)雜的安全問題。所帶來的技術(shù)價值、經(jīng)濟價值以及社會價值都是一種可觀的存在。

1 SPECT系統(tǒng)簡介

1.1 核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備

核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備是通過探測器對事先引入人體的放射性核素進行跟蹤、探測、掃描并由計算機分析重建，生成放射性分布的平片或斷層影像圖。該圖像能夠更準(zhǔn)確提供臟器血流、代謝、功能和引流方面的信息，為早期臨床治療方案提供科學(xué)的依據(jù)，隨著國家大力推廣核醫(yī)學(xué)設(shè)備，相信核醫(yī)學(xué)的春天即將來臨。

1.2 SPECT成像原理及組成

SPECT是在γ照相機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備。它的基本構(gòu)造有探測器、旋轉(zhuǎn)運動機架、計算機及其輔助設(shè)備組成。圖1是成像的原理框圖。

圖1 SPECT成像原理框圖

1.3 SPECT中的運動控制

SPECT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，會面臨一個很重要的問題，就是安全，國外的SPECT普及的時間比較久，所以很多的應(yīng)用程序已形成模塊化，而國內(nèi)的SPECT剛剛進入一個窗口期，拿來主義或許是一個開始，但不是未來的趨勢，如何與國外的產(chǎn)品競爭中取得優(yōu)勢，勢必國產(chǎn)技術(shù)需要取得突破性的發(fā)展，解決“卡脖子”問題。

SPECT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的運動模塊會高速開始、高速停止，復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致很多的安全隱患，所以如何解決安全隱患，避免醫(yī)療事故，這是任何醫(yī)療設(shè)備必須要解決的問題。

本文所研究的安全保護模塊，實現(xiàn)了以最簡化的方式解決復(fù)雜的安全問題，打破了技術(shù)壁壘的“窗戶紙”，據(jù)目前已經(jīng)使用的設(shè)備來說，單臺SPECT設(shè)備成本可降低幾萬元，同時，不僅僅是直觀上的經(jīng)濟效益，更重要的是打破進口設(shè)備的使用局限，拓展了國產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用，具有更重要的社會價值。

2 TVS瞬態(tài)二極管的設(shè)計應(yīng)用

2.1 SPECT系統(tǒng)中的運動模式

SPECT臨床使用中的位置會參考人體與探測器之間的距離，包括病人擺位以及輪廓掃描裝置開啟，目的是為達到理想的位置需求，那么探測器就會頻繁的快速啟動/停止，產(chǎn)生反電動勢就會不斷的沖擊設(shè)備，如圖2所示。

圖2 反電動勢沖擊示意圖

電機帶動負載進行順時針/逆時針旋轉(zhuǎn)，快速停止的瞬間，根據(jù)楞次定律：感應(yīng)出的電動勢總是阻礙電機的旋轉(zhuǎn)反向，因此感應(yīng)電動勢必然與電樞直流電壓相反，如上圖箭頭所示方向，產(chǎn)生的反電動勢反向沖擊電源，電源就會出現(xiàn)過壓保護，導(dǎo)致Vbus電壓輸出不穩(wěn)定，影響伺服驅(qū)動器正常工作，產(chǎn)生電機故障，出現(xiàn)運動不連續(xù)。甚至較大的反電動勢會影響伺服驅(qū)動器的性能，出現(xiàn)設(shè)備損壞以及不可預(yù)知情況，從而導(dǎo)致安全事故。

目前SPECT探測器中配置輪廓掃描裝置已經(jīng)作為最基本的配置，輪廓的基本特性就是要保證探測器表面與人體表面始終保持最貼近，會根據(jù)人體的曲線，電機不斷的啟動/停止（例如：0.1s以內(nèi)負載速度達到：660mm/min，同樣在0.1s內(nèi)速度由660mm/min降到0）。不光基于此，病人的前期擺位以及旋轉(zhuǎn)的主機架偏載情況下的高速旋轉(zhuǎn)，都會在一定的時間內(nèi)，發(fā)生較大的速度變化，反電動勢就會必然產(chǎn)生。因此，SPECT運動系統(tǒng)中的反電動勢保護，抑制瞬態(tài)干擾的要求就會越來越高，正如圖2所示，需要增加保護電路。

2.2 TVS瞬態(tài)二極管原理

TVS是一種二極管形式的高效能保護器件。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10的負12次方秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。由于它具有響應(yīng)速度快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于計算機系統(tǒng)、通訊設(shè)備、交/直流電源、汽車、電子鎮(zhèn)流器、家用電器、儀器儀表（電 度 表），RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、數(shù)字照相機的保護、共模/差模保護、RF耦合/IC驅(qū)動接收保護、電機電磁波干擾抑制、聲頻/視頻輸入、傳感器/變速器、工控回路、繼電器、接觸器噪音的抑制等各個領(lǐng)域。

在電機啟動/停止的時候，會產(chǎn)生一個較高的反電動勢（瞬態(tài)干擾），使用TVS二極管增加在電源輸出的兩端，當(dāng)其電壓超過突崩潰準(zhǔn)位時，直接分流過多的電流。TVS二極管是箝位器，會抑制超過其崩潰電壓的過高電壓。當(dāng)過電壓消失時，TVS二極管會自動復(fù)歸，而其吸收的能量比類似額定的其他電路要大很多。

2.3 TVS瞬態(tài)二極管保護電路的設(shè)計

2.3.1 SM15T的性能特點

SM15TY是意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的一款瞬態(tài)抑制二極管，具有低漏電流（0.2uA，25℃），耐高溫（150℃）以及功率高（1250W）特性。并且箝位電壓準(zhǔn)確，響應(yīng)快。（圖3）

圖3 SMT15TY特性關(guān)系圖

2.3.2 SM15T瞬態(tài)二極管保護電路工作原理

保護電路主要有如下器件組成：單相二極管，雙向SM15T二極管及其他元器件構(gòu)成，圖4為保護電路的工作框圖。

圖4 瞬態(tài)二極管保護電路工作框圖

工作原理：

驅(qū)動器在控制電機旋轉(zhuǎn)的時候，本身驅(qū)動器的邏輯電源與提供電機旋轉(zhuǎn)的電源是分開的，其目的就是為了避免電機電源處產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾（比如：反電動勢）影響驅(qū)動器的邏輯控制，但是實際上，這樣的電源分別供給有時候也不能滿足電機的正常工作，上述框圖中描述的電源輸出，即為電機的供電電源，電機電源輸出之后經(jīng)過有SM15T二極管為主體的保護電路后，不做任何特殊衰減，提供電機正常工作的電源供給，SM15T工作在反向截止端，此時他不影響電路的任何功能。

當(dāng)電機突然停止，會產(chǎn)生與正常電機電源供給相反的電動勢，即：反電動勢，SM15T瞬態(tài)二極管并聯(lián)在電源兩端，在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，當(dāng)電路中由于干擾出現(xiàn)大幅度的瞬態(tài)干擾電壓或脈沖電流時，它在極短的時間內(nèi)（最高可達到1×10-12秒）迅速轉(zhuǎn)入反向?qū)顟B(tài)，并將電路的電壓箝位在所要求的安全數(shù)值上，從而有效的保護電子線路中精密元器件免受損壞。干擾脈沖過去后，TVS又轉(zhuǎn)入反向截止?fàn)顟B(tài)。由于在反向?qū)〞r，其箝位電壓低于電路中其它器件的最高耐壓，因此起到了對其它元器件的保護作用。TVS能承受的瞬時脈沖功率可達上千瓦，其箝位時間＜1ns[1]。

2.4 保護電路的實際使用

利用TVS瞬態(tài)二極管為主體制作的保護電路，體積較小，安裝簡單，可以應(yīng)用在多軸的SPECT系統(tǒng)中，每一個電機含一個保護電路或者一個伺服驅(qū)動器的電源輸入端直接增加一個保護電路，如圖5所示。

圖5 TVS制作的保護電路實際應(yīng)用圖示

3 結(jié)果與分析

3.1 抑制效果

SPECT在實際使用的過程中，特別是在快速響應(yīng)環(huán)節(jié)（例如：0.1s以內(nèi)負載速度達到：660mm/min，同樣在0.1s內(nèi)速度由660mm/min降到0），反電動勢比較高（如圖6左圖所示），經(jīng)過TVS瞬態(tài)二極管保護電路之后，電壓輸出波形明顯改善（如圖6右圖所示），電源輸出穩(wěn)定，不再受電機頻繁啟動/停止影響。

圖6 保護電路增加前后對比圖示

3.2 穩(wěn)定性測試結(jié)果

根據(jù)SPECT不同電機軸的運動需求，分別測試12Vdc、24Vdc、48Vdc電源條件下的電源輸出特性。

①12Vdc：0.1s以內(nèi)負載速度達到：660mm/min，同樣在0.1s內(nèi)速度由660mm/min降到0；②24Vdc：0.5s以內(nèi)負載速度達到：3000mm/min，同樣在0.5s內(nèi)速度由3000mm/min降到0；③48Vdc：0.1s以內(nèi)負載速度達到：660mm/min，同樣在0.1s內(nèi)速度由660mm/min降到0。

測試結(jié)果如7圖所示，針對以上3種運動需求，電源輸出穩(wěn)定，電機工作正常，滿足使用需求，基于此工作方式，可推廣用于SPECT系統(tǒng)中。

圖7 穩(wěn)定性測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文介紹了一種利用TVS瞬態(tài)二極管設(shè)計的保護電路在SPECT探測器運動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，這一電路可抑制瞬間產(chǎn)生的反電動勢，使直流電源輸出穩(wěn)定可以實現(xiàn)SPECT運動系統(tǒng)運動的持續(xù)性，且成本較低，體積較小。

實驗證明，這種保護電路安裝簡單，工作穩(wěn)定性高，體積小，成本低可以在SPECT運動控制系統(tǒng)上廣泛應(yīng)用。