一种CT探测装置及其温度控制方法与流程

一种ct探测装置及其温度控制方法
技术领域
1.本发明涉及医学成像技术领域，具体而言，涉及一种ct探测装置及其温度控制方法。


背景技术：

2.x射线ct是x射线断层扫描技术的简称，通过对ct数据进行重建得到被扫描物体的断层图像，通过对断层图像中的特征数据进行分析，实现对被扫描物体中危险物品的识别。
3.ct机中核心部件是探测器，探测器主要由光栅、闪烁体、光电传感单元、ad转换器等部件组成，这些部件的一些重要特性受温度影响敏感；其中，闪烁体需要在相对稳定的温度下进行工作，对温度变化十分敏感，这时就需要对闪烁体及其周围的环境进行温度控制。ct探测器内不同闪烁体的温度分布不均会导致不同探测器模块的响应不一致，从而导致ct探测器异常，影响图像质量。
4.目前，针对探测器的温控策略是通过对探测器周围空气温度进行调节，从而实现对探测器的温度控制。然而，在外部环境温度稳定情况下，用这种调节方式控制温度稳定在温差为
±
2℃以内已经是极限，且对闪烁体的材料温度特性要求比较高；一旦外部环境温度发生较大变化，需要较长时间才能将探测器温度调节至工作温度，达到稳态。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种ct探测装置及其温度控制方法，能够解决上述提到的至少一个技术问题。具体方案如下：
6.根据本发明的具体实施方式，第一方面，本发明提供一种ct探测装置，包括基座、设置于所述基座上的控制模块和多个探测模块，每个探测模块包括：
7.金属支架，该金属支架固定于所述基座；
8.闪烁体以及与所述闪烁体连接的转换单元，所述闪烁体与所述转换单元相对设置于所述金属支架的同一表面，所述闪烁体暴露于所述基座外，用于接收x射线，所述转换单元用于对x射线进行处理；
9.闭环加热单元，该闭环加热单元设置于所述金属支架背离所述闪烁体的表面，与所述控制模块电连接，用于当所述转换单元的自发热量无法维持所述闪烁体处于预设工作温度时，调节所述闪烁体的当前温度，使其维持在预设工作温度。
10.可选的，所述闭环加热单元包括加热电阻和温度传感器，所述加热电阻和温度传感器均设置于所述金属支架背离所述闪烁体的表面，且分别与所述控制模块电连接；其中，所述温度传感器用于采集所述金属支架表面实时温度；所述控制模块根据所述金属支架表面实时温度控制所述加热电阻产生热量，该热量通过所述金属支架传输给所述闪烁体。
11.可选的，所述加热电阻为薄膜热电阻，该薄膜热电阻粘贴于所述金属支架表面。
12.可选的，所述控制模块包括脉冲宽度变调电路，该脉冲宽度变调电路用于控制所述加热电阻的功率，产生不同的热量。
13.可选的，所述控制模块还包括处理单元，该处理单元用于接收所述温度传感器采集的金属支架表面实时温度，并根据所述金属支架表面实时温度得到所述闪烁体的当前温度。
14.可选的，所述闪烁体的温度随着所述金属支架表面实时温度的变化而呈线性变化。
15.可选的，所述金属支架为片状结构，用于将所述转换单元的自发热量及闭环加热单元产生的热量传输给所述闪烁体。
16.可选的，所述闪烁体处于平衡态时实时温差在
±
0.5℃以内。
17.根据本发明的具体实施方式，第二方面，本发明提供一种如上任一所述ct探测装置的温度控制方法，包括：当转换单元产生的自发热量使闪烁体达到预设工作温度后，实时采集金属支架表面温度；若所述金属支架表面温度低于所述预设工作温度，则控制闭环加热单元工作，并将产生的热量通过所述金属支架传输给所述闪烁体；当所述闪烁体的实时温度达到所述预设工作温度时，控制所述闭环加热单元停止工作，此时所述转换单元将自发热量传输给所述闪烁体，使其维持在预设工作温度。
18.可选的，所述方法还包括：在所述转换单元产生自发热量的过程中，控制所述闭环加热单元工作，将产生的热量传输给所述转换单元，直到所述转换单元的自发热量达到所述闪烁体的预设工作温度，此时所述闭环加热单元停止工作。
19.本发明实施例的上述方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：
20.第一，本发明通过分布式控制闪烁体温度，使其维持在预设工作温度，能够提升扫描图像质量；
21.第二，将探测装置处于稳态时实时温差控制在
±
0.5℃，极大降低了对闪烁体温度特性的要求，对主流闪烁体材料的纯度和加工工艺可以大幅度放宽，在保证图像质量的同时，降低了闪烁体的成本；
22.第三，该ct探测装置充分利用了转换单元自热的能量，降低了能源的损耗。
附图说明
23.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
24.图1示出了本发明实施例提供的一种ct探测装置的结构示意图；
25.图2示出了图1所示ct探测装置的主视图；
26.图3示出了图1所示ct探测装置的俯视图；
27.图4示出了图1所示ct探测装置中闭环加热单元的工作原理示意图；
28.图5示出了本发明另一实施例提供的一种ct探测装置温度控制方法流程图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施
例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
30.在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
31.应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
32.应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但不应限于这些术语。
33.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
34.下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。
35.实施例1
36.图1示出了一种ct探测装置的结构示意图，图2示出了图1所示ct探测装置的主视图；图3示出了图1所示ct探测装置的俯视图。如图1-3所示，所述ct探测装置设置于ct机旋转架上，用来接收球管发射的x射线，并通过对x射线进行信号处理得到扫描图像，具体扫描原理请参阅现有技术关于ct机的记载。
37.如图1-3所示，本发明实施例提供一种ct探测装置100，包括基座10、设置于所述基座上的控制模块20和多个探测模块30，每个探测模块30包括：
38.金属支架31，该金属支架31固定于所述基座10；
39.闪烁体32以及与所述闪烁体连接的转换单元33，所述闪烁体32与所述转换单元33相对设置于所述金属支架31的同一表面，所述闪烁体32暴露于所述基座10外，用于接收x射线，所述转换单元33用于对x射线进行处理；
40.闭环加热单元34，该闭环加热单元34设置于所述金属支架31背离所述闪烁体32的表面，与所述控制模块20电连接，用于当所述转换单元33的自发热量无法维持所述闪烁体处于预设工作温度时，调节所述闪烁体的当前温度，使其维持在预设工作温度。
41.其中，该基座10主要是用于安装，将探测装置固定在ct机的旋转架(图中未示)上。所述基座10的形状不限，具体根据实际需求设置，只要能够承载控制模块20和多个探测模块30，并将闪烁体部分暴露在基座外即可，例如可以为不规则形状、矩形、梯形等。
42.本实施例中，所述基座10包括底座11、相对设置于所述底座两端的第一侧壁12以及第二侧壁13、以及位于所述第一侧壁12以及第二侧壁13之间的开口。各个结构可以是一体注塑成型，也可以是固定连接。其中，所述开口、第一侧壁、第二侧壁及底座构成一内部空间。
43.所述多个探测模块30设置于所述基座10的开口处，且依次沿所述第一侧壁12向所述第二侧壁13延伸设置。多个探测模块30相互独立，互不干扰，每个探测模块30的温度均为
单独控制，每个探测模块视为一个独立控制区。
44.所述金属支架31设置于所述开口处，通过隔热元件与所述基座10固定，用于将所述转换单元33的自发热量及闭环加热单元34产生的热量全部传输给所述闪烁体32，避免部分热量传递给所述基座10，其中，所述隔热元件可以为塑料卡钉、隔热胶等。
45.所述金属支架31为采用金属材料制成的较薄厚度的片状结构，导热速度快，能够提高热量的传输效率。所述金属材料可以为不锈钢、金、银等材料。本实施例中，所述金属支架31为片状矩形结构，所述金属支架所在长度方向垂直于所述多个探测模块的延伸方向，所述金属支架所在宽度方向平行于所述多个探测模块的延伸方向。
46.如图3所示，所述闪烁体32设置于所述金属支架31背对所述内部空间的一侧，所述转换单元33同样设置于背对所述内部空间的一侧，与所述闪烁体相对设置，且与所述闪烁体连接，图3中所述转换单元被其它结构例如基座、壳体所遮挡。其中，所述闪烁体32具有朝向发射源的能量接收面，该能量接收面远离所述金属支架31表面，用于接收发射源例如球管发射的射线，当射线中的高能粒子撞击闪烁体时，闪烁体能将高能粒子的动能转变为光能而发出闪光，闪烁体可以以晶体形式存在，因此也可以称为闪烁晶体，闪烁体用于将x射线转换为可见光。本实施例中，所述闪烁体32贴合于所述金属支架表面，利于快速吸收热量。
47.所述转换单元33包括光电转换器331以及模数转换芯片332，构成一个模块电路，所述模数转换芯片连接于所述光电转换器远离所述闪烁体32的一侧，所述光电转换器与所述闪烁体相对设置，光电转换器331用于将光信号转换为电信号，模数转换芯片332用于将光电转换器件的电信号转换为数字信号，以便于后端信号处理单元(图中未示)处理。
48.所述转换单元33在工作过程中会不断产生自热，从当前室温升高至闪烁体的预设工作温度，之后进入自热维持状态，该自热维持状态是指所述闪烁体的温度依靠所述转换单元的自发热量来控制。由于转换单元的自发热量是略低于预设工作温度平衡态的热耗散，此时可以通过调节闭环加热单元的工作状态来保证闪烁体区域的温度稳定。其中，所述预设工作温度可以根据ct探测器的最佳工作温度范围来进行设定，一般情况下已知闪烁体的最佳工作温度。
49.所述闭环加热单元34，用于在转换单元33的自发热量无法维持所述闪烁体保持在预设工作温度时，在自发热量的基础上进行温度补偿，也就是说通过所述转换单元的自热能量与所述闭环加热单元的热量共同控制所述闪烁体温度维持在预设工作温度，在该过程中，充分利用模块电路的自热能量，降低了能源损耗。
50.具体的，如图1-4所示，所述闭环加热单元34包括加热电阻341和温度传感器342，所述加热电阻和温度传感器均设置于所述金属支架31背离所述闪烁体的表面，且分别与所述控制模块电连接；其中，所述温度传感器342用于采集所述金属支架表面实时温度；所述控制模块20根据所述金属支架表面实时温度控制所述加热电阻341产生热量，该热量通过所述金属支架31传输给所述闪烁体32。所述金属支架31表面散热效率小于所述加热电阻341对金属支架31的热传导效率，这是由于散热主要通过热对流效应，吸热通过热传导效应，根据材料物料特性热对流效率明显低于热传导效率。本实施例中，所述加热电阻341与所述闪烁体32在不同表面相对设置。
51.可以理解为，所述加热电阻341和所述温度传感器342设置于同一表面，且均面向
所述内部空间，防止损坏。其中，所述加热电阻341为采用导热性好的材料制成，通过控制其输出不同的功率，产生不同的热量。所述加热电阻的数量不限，根据实际需求设置，可以为一个或者多个。
52.本实施例中，所述加热电阻341为薄膜热电阻，通过防热胶粘贴于所述金属支架靠近内部空间的表面，通过设置薄膜热电阻能够减小探测装置的重量，且所述探测装置结构简单、方便制作。
53.所述温度传感器的灵敏度小于0.2℃，本实施例中，采用的温度传感器的灵敏度为0.02℃
±
0.01℃。需要说明的是，所述温度传感器342采集的始终是所述金属支架的表面温度，由于加热电阻热量通过金属支架传导直接作用于闪烁体，基于所述闪烁体的温度随着所述金属支架表面温度的变化而呈线性变化，因此，保证所述金属支架表面温度的稳定即认为保证所述闪烁体预设工作温度的稳定。由于热传导效率远大于热辐射与热对流，以下具体介绍所述金属支架表面温度与所述闪烁体预设工作温度的热传导关系：
54.假设所述金属支架与加热电阻接触面温度为t0℃，所述闪烁体的预设工作温度为t1℃，探测装置内空气稳态温度为t2℃，所述闪烁体面积为a，所述金属支架壁厚为b；
55.根据牛顿冷却定律，所述闪烁体的散热量q
散
＝h*(t
2-t1)*a；
56.根据热传导方程，所述闪烁体吸收的热量q
吸
＝λ*(t
0-t1)*a/b；
57.热平衡时q
散
＝q
吸
，根据h*(t
2-t1)*a＝λ*(t
0-t1)*a/b得出：
[0058][0059]
其中，h为闪烁体表面对流传热系数，单位w/(m^2.k)，λ为金属支架导热系数。
[0060]
由于t2通常是恒定值，因此通过调节加热电阻保证t0的稳定，即可以保持t1稳定。
[0061]
所述控制模块20，设置于所述基座10的底座，用于控制所述加热电阻341和所述温度传感器342。图4示出了所述控制模块与所述加热电阻以及温度传感器的工作原理示意图，如图4所示，所述控制模块20包括处理单元21及脉冲宽度变调电路22，所述处理单元20包括采集电路211和运算器212，所述采集电路211与所述温度传感器电连接，用于接收所述温度传感器发送的金属支架的温度信号，所述运算器212用于接收所述采集电路发送的金属支架表面实时温度信号并通过上述公式(1)转换为闪烁体的当前温度。
[0062]
所述脉冲宽度变调电路22与所述加热电阻341电连接，同时与所述处理单元20中的运算器212连接，用于根据所述闪烁体的当前温度，控制所述加热电阻的发热功率，产生补偿热量。其中，所述脉冲宽度变调电路能够精确控制所述加热电阻输入电压在极小的波动范围内变化，假设一个加热电阻的额定有效发热功率为10w，利用脉宽调制电路，调节输入电压的占空比，可以将有效发热功率控制在0-10w的任意值，从而实时调节补偿热量。具体的，当所述闪烁体当前温度低于所述预设工作温度时，此时存在补偿温度，该补偿温度为预设工作温度与当前温度之差，通过控制所述脉冲宽度变调电路向所述加热电阻输出的脉宽信号的脉冲宽度，将加热电阻的有效发热功率对应于所述补偿温度，最终使所述闪烁体达到预设工作温度。
[0063]
本发明中，申请人发现利用上述结构的ct探测装置，通过控制采样周期、运算时间、输出延时的总和小于温度变化积分时间，可以控制所述闪烁体处于稳定状态时实时温差在
±
0.2℃以内，其中，所述采样周期是指利用温度传感器采样的频率设计(微秒级别)，
运算时间是指运算器根据温度变化内部运算并输出脉宽波形的时间(毫秒级别)，所述输出延时是指脉冲宽度变调电路将脉宽信号发送至加热电阻的延时(纳秒级别)；温度变化的积分时间指的是温度传感器在数十毫秒(ms)内会采集多个数据，用求积分的方式定义其温度更接近真实值，可以理解为所述温度变化的积分时间就是某一个时间段内的平均温度。本实施例中，将所述采样周期、运算时间、输出延时都加起来的时间为ms级，且小于10ms级的温度变化积分时间。可选的，由于绝大多数闪烁体在
±
0.5℃内物理特性稳定性对于成像系统稳定性已经足够，同时为了包容安装与制造的误差，因此实际应用中将稳态实时温差控制在
±
0.5℃。
[0064]
在其它可选的实施例中，所述闭环加热单元可用于所述转换单元的自热爬升阶段，即所述转换单元从当前室温升高至预设工作温度的过程，相比所述转换单元通过自发热量升温，能够加快自热速度，进一步提高扫描效率。
[0065]
在其它可选的实施例中，所述ct探测装置还包括一壳体(图中未示)和设置于所述壳体上的风扇(图中未示)。所述壳体匹配套设于所述基底外壁，所述闪烁体通过所述壳体暴露，所述壳体用于保护所述探测器模块，进一步防止灰尘进入内部空间。所述壳体的形状与所述基底的形状相适配，在此不作限制。
[0066]
所述风扇设置于所述壳体上，面向所述探测器模块，与所述控制模块电连接，用于探测装置外部温度剧烈上升时开启，增大所述探测装置内部空间的热耗散，形成新的稳态。具体的，当所述外部环境温度剧烈上升时，所述转换单元的自发热量会高于预设工作温度，此时风扇开启，对探测装置内部降温直到预设工作温度。可以理解为，当外部环境温度稳定，所述探测装置正常工作时，所述风扇不工作，如此可降低风扇工作频率，同时改善探测器内部的防尘效果。
[0067]
本实施例提供的一种ct探测装置，采用分布式设置闭环加热单元，所述转换单元自发热量结合闭环加热单元的热量，使所述ct探测装置的闪烁体温度稳定，能够提升扫描图像质量；另，该ct探测装置充分利用了转换单元自热的能量，降低了能源的损耗；最后，将探测装置处于稳态时实时温差控制在
±
0.5℃，极大降低了对闪烁体温度特性的要求，对主流闪烁体材料的纯度和加工工艺可以大幅度放宽，在保证图像质量的同时，降低了闪烁体的成本。
[0068]
实施例2
[0069]
基于上述实施例提供的ct探测装置，本发明实施例2进一步提供一种上述ct探测装置温度控制方法，如图5所示，所述方法具体包括：
[0070]
s10，当转换单元产生的自发热量使闪烁体达到预设工作温度后，实时采集金属支架表面温度；
[0071]
该步骤中，所述温度传感器实时采集金属支架表面温度，并传输给所述控制模块。
[0072]
s20，若所述金属支架表面温度低于所述预设工作温度，则控制闭环加热单元工作，并将产生的热量通过所述金属支架传输给所述闪烁体；
[0073]
该步骤中，在所述闭环加热单元工作的过程中，该闭环加热单元产生的热量同时传输给所述闪烁体与转换单元，使所述转换单元的自发热量达到预设工作温度，并将闪烁体的温度达到预设工作温度，温度达到平衡态。
[0074]
s30，当所述闪烁体的实时温度达到所述预设工作温度时，控制所述闭环加热单元
停止工作，此时所述转换单元将自发热量传输给所述闪烁体，使其维持在预设工作温度。
[0075]
该步骤中，所述闭环加热单元并非一直工作，只是在所述转换单元的自发热量无法维持所述闪烁体的预设工作温度时作为补偿手段，提升所述闪烁体的温度使其达到预设工作温度，从而处于平衡态。也就是说，所述闪烁体的温度一旦达到预设工作温度，所述闭环加热单元即停止工作，依靠所述转换单元的自发热量维持平衡态，如此反复。
[0076]
在其它可选的实施例中，在步骤s10之前，所述方法还包括：
[0077]
在所述转换单元产生自发热量的过程中，控制所述闭环加热单元工作，将产生的热量传输给所述转换单元，直到所述转换单元的自发热量达到所述闪烁体的预设工作温度，此时所述闭环加热单元停止工作。通过该步骤能够缩短所述转换单元的自热时间，提高检测效率。
[0078]
在其它可选的实施例中，所述方法还包括：
[0079]
s40，当所述闪烁体的实时温度超过所述预设工作温度时，控制所述风扇开启，降低所述闪烁体温度至所述预设工作温度。
[0080]
本实施例中其它具体内容请参阅实施例1中的记载，在此不再赘述。
[0081]
最后，本发明实施例提供的一种ct探测装置的温度控制方法，采用分布式加热闪烁体，通过控制闭环加热单元补偿温度，使所闪烁体温度稳定，能够提升扫描图像质量；另，充分利用了转换单元自热的能量，降低了能源的损耗；最后，将探测装置处于稳态时实时温差控制在
±
0.5℃，极大降低了对闪烁体温度特性的要求，对主流闪烁体材料的纯度和加工工艺可以大幅度放宽，在保证图像质量的同时，降低了闪烁体的成本。
[0082]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。