CT球管冷却及油路温度无线监控系统的研究

钱学江，李效银，刘培霞

中国人民解放军第八九医院 放射科，山东 潍坊 261021

CT球管冷却及油路温度无线监控系统的研究

钱学江，李效银，刘培霞

中国人民解放军第八九医院 放射科，山东 潍坊 261021

0 前言

X线计算机体层摄影（Computed Tomography，CT）是最主要的影像技术之一。CT球管是CT设备的核心部件之一[1]，主要由管芯、管套、散热器、绝缘油以及一些附属配件等组成[2]。正常情况下，管路油温≤40 ℃，管套外壳温度＜70 ℃，说明球管散热通风良好[3]。而随着X线曝光次数的增加，球管的X线辐射性能和散热能力会逐渐下降，最终需要进行更换。球管更新所需的费用占据CT设备运转成本中的绝大部分，因此正确合理地使用和保护好球管不仅可以获得高质量图像，而且还可以延长球管的使用寿命。

1 总体设计

无线发射接收模块采用单总线数字传感器，采用相当便利的数据传输系统作为无线通讯工具，具有很强的灵活性。为使得发射电路及天线的体积和发射功率尽可能小，该模块利用扫描机架后方的摄像头作为接收天线，既增加了监视的实用功能，又使接收距离缩小到1.5 m。通过对元器件的选择、布局和封装的不断改进，发射模块体积缩小到火柴盒大小，重量＜100 g，信号接收良好，安装简便。

CT球管油路温度无线监控系统包括机架、球管、与CT连接的计算机、显示器，球管包括管壳，管壳外设有冷却油，冷却油沿回路管道循环流动，回路管道上设有油泵及风扇，风扇后方的回路管道上设有第一温度传感器，球管与油泵之间的回路管道上设有第二温度传感器，温度传感器与无线发射处理器连接，无线接收处理器与计算机连接，计算机设有显示单元和监控单元，显示单元用于将温度数据实时显示在显示器上，监控单元用于发出过热报警信号、油泵故障报警信号、风扇故障报警信号。处理单元采用TI公司生产的低功耗芯片MDP430-248系列，在节点设计中，必须对芯片编程实现处理器模块采集控制、A/D转换以及控制无线通讯模块的收发[4]。计算机智能监控结构图，见图1。

该监控系统使球管过热报警更精确，避免球管过热损坏；使用者能够直观方便地观察球管温度，并对油泵、风扇的工作状态进行监控；适合加装在已有CT上。该系统可无线监测CT球管冷却油循环回路多点温度及扫描机架内环境温湿度，通过计算机比对球管的热负荷曲线进行推理，测算出安全的扫描富裕量，避免球管在瞬间危险负荷状态下运行，同时可智能控制冷风机以相匹配的冷却功率冷却扫描机架，增强球管的散热效率，等效提高球管的热容量。系统构成一个封闭的控制反馈回路，将球管置于安全运行范围内。实践表明，球管的使用寿命平均延长了3倍，性能等效于1.5～2倍未使用该检测系统的球管的热容量。

图1 计算机智能监控结构图

2 球管热负荷与寿命

球管热负荷主要表现在旋转阳极承受的热量，这与球管的曝光功率（管电压、管电流、曝光时间）有关。热负荷越大，阳极轴承、玻璃外壳、金属外壳等部件变形老化的概率加大，球管损坏的可能性增加。球管负荷越低，寿命越长。

球管的热负荷是指阳极产生的热量与散发的热量差值的积淀，最大热负荷就是阳极能够储存的最大热量，也称热容量，单位焦耳，通常也用HU单位表示，1MHU=800000 J。普通X光球管热容量≤0.3 MHU，CT球管热容量通常为2～8 MHU。热负荷超过球管热容量，球管将受损，热负荷越低，球管寿命越长。通常球管的热负荷＜80%热容量时，球管相对安全，性能保持良好，寿命会得到延长。计算机通过当前的油温值与热负荷关系数据库进行比对，判定当前的热负荷冗余量，求出下一病人扫描模式所需热负荷量应等待的时间间隔并作出提示，操作人员可以合理安排扫描模式的条件与扫描间隔，避免球管过荷运行。

3 低噪音高功率冷风机

球管是一个大的高真空的阴极射线二极管，是产生X射线的部件，其工作流程为：阴极灯丝加热，产生自由电子云集，这时向阴阳两级加120～140 kV高压，电势差陡增；在高压电场驱动下，处于活跃状态的自由电子束，由阴极高速撞击阳极钼基钨靶，发生能量转换；约1%的电能形成X线，由窗口发射，99%的电能转换为热能，由散热系统散发[5]。CT扫描时，球管和其他电器部件会在机架内产生很多热量，如何将热量排出以保证探测器、DAS系统和其他电子设备的正常稳定运行，是每个CT厂家都要考虑的重要问题[6-7]。CT球管冷却系统通常采用风-冷却-油-冷却-球管的方式，注意观察球管冷却系统的工作效率极为重要，最重要的就是定期清洁过滤网上的灰尘，使风的流速始终保持最佳状态，以提高冷却效率[8]。

3.1 冷风机散热

冷风机室外散热势必需要对机房进行改造，为解决这一难题，本研究将冷凝水淋雾在蒸发器上，中和了产生的热量。此外，冷风机功率越大，噪声越大。为克服冷风机功率越大，噪声越大的缺点，我们在冷风机的外壳设计上运用了声学原理，通过出风蜂窝孔的径深、方向及布局设计，使其噪声低于CT自有噪声。处理器在空闲状态下可自行关闭，在低耗状态下降低电压，可以大幅度地减少能量消耗。

3.2 冷风机接口对接兼容性

不同型号的CT对接方式和布局是不一样的，这势必对产品的推广造成困难，加重生产成本。本设计采用可变组合接口，可以根据不同布局自由组合。

4 讨论

（1）设计所用关键技术。① 油路温度无线监测技术，自主设计微型无线温湿度采样组件，构建CT球管无线温度监测系统，实时监控油路温度变化，避免球管过热损坏。② 油路冷却技术，自主设计专用冷风机，建立智能闭环回路冷却控制系统，提高CT球管散热效率。

（2）技术工艺流程。本设计以温度、湿度、压力、液位等多个信号为监控研究对象，结合单片机及接口技术，应用软件编程对系统实行控制。利用传感器采集信号，经调理电路将信号进行电压放大，再经A/D转换，把模拟信号转换成数字信号，利用CPU处理后，将数据显示在数码管上。且可以通过按键设定密码和温度的上下限，当所测信号低于或高于设定值时，系统发出报警信号，保障工作环境安全。

（3）系统功能。① 能够测量并实时显示球管油循环回路循环前后油路温度、扫描机架内环境温度、环境湿度。② 控制计算机将采样数据与球管热负荷特性曲线进行比对推理，求出球管安全热负荷冗余量，当球管热负荷超过安全上限时发出警告并锁定CT主机鼠标，强制CT球管冷却，避免球管过热受损，球管寿命得以延长。③ 控制主机根据球管油路温度、扫描机架环境温度自动启动冷风机，并使冷风机以相匹配的冷却功率对扫描机架运送冷风，加速扫描机架内的空气流量，与球管产生的热量通过油循环回路的散热器进行热交换，加速球管散热，提高散热效率，等效提高球管热容量。可以实现更大容量，大功率球管才能负荷的大范围，大剂量，长时间扫描。④ 控制计算机将采样数据与历史数据库和经验数据库进行比对，可以判定球管油循环回路效率是否良好及是否发生故障，方便操作人员及时发现并排除隐患及故障，避免球管受损。⑤ 附加摄像头监视功能，便于操作人员观察扫描机架后方视野盲区，及时发现并排除如增强造影可能发生的针头错位、脱落等，避免导致可能危及病人健康的医疗事故。

5 结语

该监测系统应用性较强、操作方便、控制灵活，利用单片机实现球管油路温度及环境温度等的实时监控并具有超限报警功能，可以作为工厂和家居环境的监控系统。

[1] 云庆辉,李向东,王政,等．CT球管的故障诊断及合理使用[J]．中国医学装备,2012,9(7):74-76．

[2] 刘俊松,吕文昌．CT（X线）球管的原理、使用和养护[J]．中国医疗器械信息,2005,11(5):48-50．

[3] 郑劼,盛群．从球管常见故障谈CT球管的维护和保养[J]．中国CT和MRI杂志,2007,5(3):56-57．

[4] 黄棉波,杨丰,王磊,等．基于无线传感器的患者运动信号检测系统设计及其应用[J]．医疗卫生装备,2011,32(1):4-6,15．

[5] 蒋友好．CT故障的分析与预防措施[J]．中国医疗器械杂志, 2011,35(4):307-309．

[6] 张永平．影响CT球管寿命的几个重要因素[J]．实用放射学杂志,2001,17(9):653．

[7] 白小寿,李君．Lightspeed 3．X螺旋CT球管旋转阳极故障诊断与分析[J]．中国医疗设备,2012,27(9):146-147．

[8] 田跃忠,盛元相,宁路江,等．CT球管使用寿命与运行强度关系探讨[J]．中国医学影像杂志,2000,8(2):144-145．

Research on Wireless Monitoring System of CT Tube Cooling and Oil-Way Temperature

QIAN Xue-jiang, LI Xiao-yin, LIU Pei-xia

Department of Radiology, The 89thHospital of PLA,Weifang Shandong 261021, China

目的 设计一种用于提高CT球管降温速度及检测CT球管温度的监控系统，以保护球管并延长其寿命。方法 将温度传感器与无线发射处理器连接，无线接收处理器与计算机连接，通过计算机上的显示单元和监控单元，实现球管温度的实时监控。结果 该系统的节点设计精巧，可成功采集球管的瞬间温度变化，进行简洁的人机交互监控。结论 该系统可以较准确地用于任何类型CT球管温度的实时监控。

CT球管；温度传感器；无线发射处理器；无线接收处理器；热负荷；冷风机

Objective To design a monitoring system to improve the cooling speed and detect the temperature of CT tube to protect CT tube and prolong its lifetime. Methods To connect the temperature sensor with wireless launch processor and then connect wireless receiving processor with the computer. Thus the real-time monitoring of CT tube temperature can be implemented though display unit and monitoring unit of the computer. Results The variation of instantaneous temperature of CT tube can be captured successfully and human-computer interaction monitoring can be implemented through the application of the system with light and handy node design. Conclusion The system can be accurately applied to implement the real-time monitoring of various types of CT tube.

CT tube; temperature sensor; wireless launch processor; wireless receiving processor; thermal load; air cooler

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.05.010

1674-1633(2014)05-0033-03

2014-01-05

2014-04-09作者邮箱：89ygk@163．com