Page 19 - 《中国医疗器械杂志》2025年第6期

Chinese Journal of Medical Instrumentation 2025年 第49卷 第6期

研 究 与 论 著

动阳极旋转；②控制X射线的输出（kV, mA, mAs）， 1.2 逆变器模块抑制纹波的理论基础
让球管产生合适剂量的X射线；③控制阴极管以及 在高压发生器内部安装逆变器，提高逆变频率，
阳极靶面的接口单元。 使用高通滤波装置抑制纹波是业界常用的方法之
高压发生器原理及结构如图1所示，控制板通 一 [9-10] 。其理论基础可以从以下几个方面进行解释：
1）脉冲宽度调制（pulse width modulation，
过接口电路与控制主机连接。网电源则通过高压包 （
[11]
前置驱动电路与高压包相连。高压包前置驱动电路 PWM） ，信号的频率越高，每个周期内的纹波
能量越分散。这是因为高频PWM信号的周期更
[4]
包括隔离变压器 、接口板、负载连接器、断路
短，单位时间内开关动作更频繁，使得纹波电流和
器、网电源连接器。控制电路与高压包及驱动电路
[12]
电压的波动被分散到更多的周期中 。
通过双重绝缘进行电气隔离。
（ 2）根据输入电流及输入电压傅里叶级数的
控制板
双 展开[式(1)和式(2)]，输入电源可分解为基波和一系
阴极 主控制板 阳极 重 列谐波 。提高频率会使得这些谐波的频率更高，
[13]
驱动 驱动 绝
缘 LC电路或者LCL电路对高频交流信号更易滤除。
高压包 ∑ ∞
双重绝缘 I L(t) = I t + (I n cos(nωt +φ n )) (1)
n=1
L ∑
接口板 负 ∞
隔离 （滤波、 载 断 网电 U L(t) = U t + (U n cos(nωt +φ n )) (2)
N n=1
变压 整流、 连 路 源连 式中： I L(t) 、 U L(t) 分别为LC电路电流、电压； 、
PE 器 AC/DC 接 器 接器 I t U t
转换） 器 分别为电流、电压基波分量； I n 、 U n 分别为电流、
图1 高压发生器原理及结构 电压谐波分量； ω为谐波分量角速度； φ n 为谐波分
Fig.1 Principle and structure of high-voltage generator 量相位。

表1列出了曝光条件对成像质量的影响。由此 （ 3）对于低通滤波器，其截止频率决定了能
可见，高压发生器输出的管电压、管电流叠加了干 够通过的频率范围。当PWM信号频率提高时，滤
扰信号，会影响最后的成像质量，产生图像不清 波器对高频纹波的抑制效果更好。例如，对于一个
100 kHz的PWM信号，如果使用1 kHz的低通滤波器，
晰、过曝等问题，更有甚者，由于加载因素过大，
高频纹波会被有效滤除，从而显著降低纹波幅度。
还会直接影响患者以及医护人员的生命健康。
（ 4）在输出电容中，纹波的峰峰值为：

表1 曝光条件对成像质量的影响
Tab.1 Impact of exposure conditions on imaging quality V pp = I load ×∆T (3)
C
曝光 对图像质量的影响 式中： ∆T 为充放电周期（即开关频率的倒数）。提
条件
[14]
高开关频率 会缩短 ∆T ，从而直接降低纹波幅值。
①对比度：管电压越高，X射线的能量越强，穿透力
也越强。高电压可以减少组织密度不同导致的光学 1.3 逆变器
密度分布的不均性 [5,6] ，但会降低图像的对比度。
电压/kV ②散射线：高电压会产生更多的散射线，导致图 绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar
像质量下降。 transistor, IGBT）是一种由双极型晶体管（bipolar
[7]
③辐射剂量：高电压可以减少管电流 ，从而降低 junction transistor, BJT）和金属−氧化物−半导体场
X线管产生的热量，减少患者的辐射剂量
效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field effect
①图像亮度：管电流越大，单位时间内通过X射线
管的电子数越多，产生的X光子数量也越多，图像 transistor, MOSFET）组成的复合全控型电压驱动
管电流 越亮。 式功率半导体器件。
/mA ②辐射剂量：较高的管电流可以减少图像噪声， 如图2所示，其左侧所示为IGBT等效电路图，
提高图像质量；而管电流的增加会直接导致辐射
剂量的增加 其右侧所示为电路中的常用符号，当MOSFET的
①运动伪影 [7-8] ：较短的曝光时间可以减少运动伪 G极达到导通电压时，集电极C导通，电流通过集
曝光 影，提高图像的清晰度。 电极C流向发射极E；当MOSFET的G极关断时，集
时间/s ②图像噪声：较短的曝光时间可能导致图像噪声 [15-16]
[8]
增加 ，需要通过增加管电流来补偿 电极C到发射极E的电流被截止 。
①图像清晰度：焦点越小，X射线的投射越集中， IGBT具有高输入阻抗，类似MOSFET，IGBT
焦点 图像边缘越清晰，分辨率越高。 的栅极输入阻抗高，驱动电路简单。其低导通压降
大小 ②辐射剂量：使用小焦点时，需要较低的管电流，
可能导致辐射剂量减弱，但需要更长的曝光时间 的优势使其适合在高电流的环境下使用。IGBT可
自动曝 曝光剂量：AEC可以根据预设的感光效应（E值）自 承受电压高达6 500 V，可通过电流高达3 600 A，
光控制 动控制曝光剂量，确保图像质量的同时减少辐射剂量 开关速度达上万次/秒。

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