用于x射线系统中的快速千伏切换的系统和方法
【技术领域】
[0001]一般来说，本文所公开的主题涉及电压切换系统，以及更具体来说，涉及用于成像系统、例如诊断X射线成像系统中的电压切换的方法和设备。
【背景技术】
[0002]在常规计算机控制断层扫描(CT)X射线成像系统中，X射线源将锥形X射线束发射到受检者或对象、例如患者或行李件。射束经受检者衰减之后照射到辐射探测器阵列上。在控测器阵列所接收的经衰减射束辐射的强度取决于受检者对X射线束的衰减。探测器阵列的各探测器元件产生指示那个特定探测器元件所接收的X射线强度的独立电信号。电信号经过量化并且传送给数据处理系统供分析，这一般引起图像的呈现。
[0003]CT成像系统可包括能量鉴别(ED)、多能量(ME)和/或双能量(DE) CT成像系统，其可称作EDCT、MECT和/或DECT成像系统。EDCT、MECT和/或DECT成像系统配置成测量能量敏感投影数据。可通过修改X射线管的工作电压或者利用X射线束滤波技术(例如能量敏感X射线生成技术)，或者通过使用能量鉴别的探测器或者采用光子计数探测器或双层探测器(例如能量敏感X射线探测技术)的能量敏感数据获取，使用多个所施加X射线谱来获取能量敏感投影数据。
[0004]通过X射线生成技术，各种系统配置利用X射线管的工作电压的修改，包括:(I)使用X射线管的不同工作电压从对象的两个依次扫描来获取投影数据，(2)利用X射线管的工作电压的快速切换来获取投影数据，以获取投影视图的交替子集的低能量和高能量信息，或者(3)使用具有X射线管的不同工作电压的多个成像系统来并发获取能量敏感信息。
[0005]EDCT/MECT/DECT提供允许材料表征的能量鉴别能力。例如，在对象散射不存在的情况下，系统利用来自两个所施加光子谱、即低能量和高能量入射X射线谱的信号。低能量和高能量入射X射线谱的特征通常在于所施加X射线束的平均能量。例如，低能量X射线谱包括具有较低能量光子的X射线光子，从而产生相对于高能量X射线谱的较低平均能量。来自低能量和高能量X射线谱的所探测信号、从两个不同所施加谱(X射线生成技术)或者通过相同所施加谱的区域(X射线探测技术)提供充分信息，以估计被成像材料的有效原子数。X射线衰减机制(康普顿散射或光电吸收)或者两个基本材料(通常为用于患者扫描的水和钙)的能量敏感衰减性质通常用来实现有效原子数的估计。
[0006]双能量扫描能够得到诊断CT图像，其通过利用能量敏感测量来增强图像中的对比度分离。为了促进能量敏感测量的处理，所施加X射线谱在积分周期期间应当是恒定的。例如，获取低能量和高能量投影数据的交织子集(与两个独立扫描)的这类CT系统应当进行操作以在获取间隔期间将加速电压保持稳定。另外，从一个电压电平到另一个电压电平的变化应当非常快速发生。不太稳定的X射线管工作电压和/或较慢工作电压切换时间引起所施加X射线谱的有效平均能量(时变X射线谱的平均能量的平均数)的差的减小，这降低表征不同材料中的系统的保真度。
[0007]因此，虽然例如通过使用高频发生器来切换X射线管电位(电压)可解决与常规双能量扫描(获取对于对象的交替扫描的能量敏感投影数据)相关的问题的一部分，这种配置不一定始终提供某些成像应用所需的切换速度。例如，因心脏运动而不能通过简单地切换人胸的两个依次扫描之间的X射线源电位，来有效地执行心脏成像。此外，对于将X射线电位的快速切换用于投影角的子集的系统，X射线管电位的切换速度对于为心脏成像固定运动所需的快速扫描架旋转可能不是充分的。部分因连接装置和X射线管的电缆的电容，常常存在高频发生器与X射线管之间的切换工作电位的响应的延迟。
[0008]响应时间的延迟取决于X射线管的X射线束电流，因为射束电流也帮助或阻碍关联系统电容的放电。相应地，将发生器从第一(低)电压或低kVp电平切换到第二(高)电压或高kVp电平中的上升时间受到高压发生器的功率限制，其对许多医疗应用中的双能量成像可能是未达最佳标准的。类似地，将高kVp切换到低kVp电平之间的下降时间因对系统电容的放电的需要而一般非常缓慢，其有效地降低所施加谱的能量分离，从而引起降低材料表征灵敏度因此引起双能量成像的有效性。因此，这些不充分切换速度常常导致投影数据对不一致性，从而引起重构图像中的条纹伪影。另外，用于行李检查的许多工业CT系统利用固定阳极管配置，其具有作为某个数量级或者比与采用旋转阳极技术的医疗CT系统配合使用的X射线束电流要低许多的X射线束电流。因此，切换X射线管的工作电压所需的时间极长。
[0009]对于射线照相X射线成像系统，上述限制也适用。射线照相X射线系统获取被成像对象的一个或多个视图，其可作为二维投影图像来呈现，或者在获取若干更多投影数据的一些情况下，作为使用层析X射线照相组合技术所生成的三维图像来呈现。例如因将发生器连接到X射线管的高压电缆的电容、X射线管电容本身、发生器的功率以及可限制切换速度的X射线束电流，与切换速度有关的上述限制适用于X射线射线照相或层析X射线照相组合系统。
【发明内容】
[0010]某些实施例考虑用于改进电力系统控制的电子系统，其包括:第一电感器，包括第一端子和第二端子；切换布置，包括:第一二极管，包括阴极端子和阳极端子；第二二极管，包括阴极端子和阳极端子；第一开关，包括第一端子和第二端子；第二开关，包括第一端子和第二端子；电容器，包括第一端子和第二端子；以及能量操纵电路，包括第一端子和第二端子，能量操纵电路的第一端子与第一开关的第二端子电联系，其中电感器、切换布置和电容器与至少一个电压源串联电联系。
[0011]在一些实施例中，电感器、切换布置和电容器与至少一个电压源串联电联系。在一些实施例中，第一二极管的阳极端子与第二二极管的阳极端子电联系；其中第一开关的第一端子与第一二极管的阴极端子电联系，以及第一开关的第二端子与第一二极管的阳极端子电联系，其中第二开关的第一端子与第二二极管的阳极端子电联系，以及第二开关的第二端子与第二二极管的阴极端子电联系，并且其中能量操纵电路的第一端子与第一二极管的阳极端子电联系。
[0012]在一些实施例中，该系统还包括连接到所有开关的开关定时控制单元，其中开关定时控制包括计算开关的通和断定时的例程，以在低到高转变和高到低转变之后对电容器重新建立适当初始条件。在一些实施例中，能量操纵电路包括电阻器。在一些实施例中，能量操纵电路包括:电阻器，包括第一端子和第二端子；第二电感器，包括第一端子和第二端子；以及第三二极管，包括阴极端子和阳极端子，其中第二电感器与电阻器串联电联系，第二电感器和电阻器共同与第三二极管并联，其中能量操纵电路的第一端子与第三二极管的阴极端子电联系。在一些实施例中，能量操纵电路包括:第三开关，包括第一端子和第二端子；第二电感器，包括第一端子和第二端子；第三二极管，包括阴极端子和阳极端子；以及第四二极管，包括阴极端子和阳极端子，其中第二电感器经由电气结点与第三开关串联电联系，第二电感器和第三开关共同与第三二极管并联，其中能量操纵电路的第一端子与第三二极管的阴极端子电联系，并且其中第四二极管的阳极端子与电气结点电联系。
[0013]在一些实施例中，第一开关和第二开关包括BJT晶体管、MOSFET IGBT、晶闸管或者任何开关装置，开关装置可由Si (硅)、SiC (碳化硅)、氮化镓或者适合构建开关装置的任何其他半导体材料来制作。在一些实施例中，至少一个电压源包括围绕环芯的多个绕组。在一些实施例中，至少一个电压源还包括一组二极管和电容，其经连接以形成整流器或倍增器。在一些实施例中，电子系统与多个基本相同的电子系统串联，作为用于计算机断层扫描的X射线发射系统的部分。
[0014]某些实施例考虑一种用于电力系统中的快速kV切换的方法，包括:断开第一开关而闭合第二开关，以产生第一电压；以及断开第二开关而闭合第一开关，以产生第二电压，其中第一开关包括:第一端子，与第一二极管的阴极端子电联系；第二端子，与第一二极管的阳极端子和第二二极管的阳极端子电联系；以及其中第二开关包括:第一端子，与第一二极管的阳极端子、第二二极管的阳极端子和转变改进电路的第一结点电联系；以及第二端子，与第二二极管的阴极端子电联系；第一和第二开关，与电感器和电容器以及一个或多个电压源串联电联系。
[0015]在一些实施例中，断开第一开关而闭合第二开关以产生第一电压以及断开第二开关而闭合第一开关以产生第二电压包括计算第一开关和第二开关的通和断定时，以在低到高和高到低kV的每一转变之后对电容器重新建立适当初始条件。在一些实施例中，能量操纵电路包括电阻器。在一些实施例中，能量操纵电路包括:电阻器，包括第一端子和第二端子；第二电感器，包括第一端子和第二端子；以及第三二极管，包括阴极端子和阳极端子，其中第二电感器与电阻器串联电联系，第二电感器和电阻器共同与第三二极管并联，其中能量操纵电路的第一端子与第三二极管的阴极端子电联系。
[0016]在一些实施例中，能量操纵电路包括:第三开关，包括第一端子和第二端子；第二电感器，包括第一端子和第二端子；第三二极管，包括阴极端子和阳极端子；以及第四二极管，包括阴极端子和阳极端子，其中第二电感器经由电气结点与第三开关串联电联系，第二电感器和第三开关共同与第三二极管并联，其中能量操纵电路的第一端子与第三二极管的阴极端子电联系，并且其中第四二极管的阳极端子与电气结点电联系，以及第四二极管的阴极端子与至少一个电压源的端子电联系。在一些实施例中，第一开关和第二开关包括BJT晶体管。在一些实施例中，至少一个电压源包括围绕环芯的多个绕组。在一些实施例中，开关是电子系统的部分，电子系统与多个基本相同的电子系统串联，作为用于计算机断层扫描的X射线发射系统的部分。
[0017]设想实施例的任何组合或置换。通过以下结合附图所考虑的详细描述，其他目的和特征将变得显而易见。但是要理解，附图仅说明而不是作为本发明的限制的定义来设计。
【附图说明】
[0018]图1是按照本发明的一实施例、具有内插器电路的开关架构的简化框图。
[0019]图2是按照本发明的一实施例、具有集成内插器电路的另一个开关架构的简化框图。
[0020]图3是示出按照本发明的一实施例、用于内插器电路的连接布置的框图。
[0021]图4是示出按照本发明的另一个实施例、用于内插器电路的连接布置的框图。
[0022]图5是示出按照本发明的另一个实施例、用于内插器电路的连接布置的框图。
[0023]图6是示出本发明的各个实施例的操作的简化电路示意图。
[0024]图7是示出各个实施例的低到高电压操作的波形的图表。
[0025]图8是示出各个实施例的高到低电压操作的波形的图表。
[0026]图9是按照本发明的一实施例的内插器电路的示意图。
[0027]图10是按照本发明的另一个实施例的内插器电路的示意图。
[0028]图11是图9和图10的内插器电路的模块的示意图。
[0029]图12A是可与其结合实现各个实施例的计算机断层扫描(CT)成像系统的示图。图12B是图12A的CT成