CN105342636A - 多层x射线ct***的探测器***的温度控制***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层X射线CT***的探测器***的温度控制***和方法，所述***包括腔体，设置在腔体内的探测器阵列、主控单元、温度传感器和风扇，其特征在于：温度传感器为分布设置在探测器阵列上的多个温度传感器，主控单元接收温度传感器的输出并控制探测器阵列的采样频率和风扇的工作模式。在每一工作周期内，检测各温度传感器的输出值，取多个温度传感器的中间值或平均值与温控的目标温度进行比较，根据比较结果调整探测器阵列的采样频率以增大或减小探测器阵列的发热量，同时控制风扇的工作模式，实现对探测器***的温度控制。本发明检测温度能够准确反应芯片工作温度，不需要额外引进专用的加热***，降低了探测器***以的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种多层X射线CT***的探测器***，具体涉及用于探测器***的温度控制***及温度控制方法。
背景技术
在X射线CT***中，X射线被用于对受治疗者的局部或对象的内部结构和特性进行成像。所述成像由X射线CT***实现，利用X射线对内部结构和特性成像形成一组薄层平面切片或者对象的一个区域的3D图像。对于医学应用来说，成像对象包括人体。
X射线CT***通常包括一提供锥形X射线束的X射线源，以及面对X射线源设置的紧密排列的一组X射线探测器阵列。X射线源和X射线探测器***被安装在一环形支架上，使用CT***成像的病人通常躺在一合适的支撑垫上，被定位在环形支架内，位于X射线源和探测器***之间。所述环形支架和支撑垫可以相对运动，使得X射线源和探测器***能够沿病人的轴向被定位在所设定的位置。
环形支架包括一可称为定子的固定结构，以及一成为转子的转动结构，所述转子被安装在定子上并可绕轴向转动。在CT***中，X射线源和探测器***被安装在转子上。转子相对于轴向的角度位置是可控的，从而X射线源能够被定位到环绕病人的所需角度，即视角。
探测器***中主要包括有：多枚探测器单元组成的探测器阵列（探测器单元由传感器电路板、接收X射线的闪烁晶体，将闪烁晶体输出光信号转化为电信号的光电二极管和采集光电二极管输出电信号的模数转换器构成，对应每一探测器单元设有一个温度传感器），多个用于给探测器***散热的风扇，控制探测器阵列工作的主控电路板和将上述构成部分组装在一起的机械腔体。其中每个探测器单元中的接收X射线的闪烁晶体，将闪烁晶体输出光信号转化为电信号的光电二极管和采集光电二极管输出电信号的模数转换器工作时对于工作温度十分敏感，在同样能量强度的X射线照射但处于不同的工作温度时，得到的数据的噪声水平是不同的。当探测器阵列中不同的探测器单元的工作温度差距较大时，得到的数据中不同的噪声足以影响最后CT***成像质量的偏差。若一个探测器***不能将工作温度控制在处于相对稳定的状态（此处所述的稳定有时间和空间两方面的含义，即任意时刻探测器阵列中的任意两枚探测器单元的工作温度差值都在***允许的范围内，通常为±1℃），用一束X射线照射在探测器***上，得到的数据的噪声水平会有十分大的差别，这些差别反应在重建图像上会严重影响图像的均匀性和一致性，使得重建后的图像会产生不同种类的伪影。这就需要将探测器***腔体内的探测器阵列中不同的探测器单元的工作温度控制在同一范围内，即需要将探测器***内的工作温度场分布控制在允许的稳定和均匀的范围内(此处所述的稳定是指温度场中各点的温度值与目标温度值的差值的最大值在±1℃以内，均匀是指温度场中各点的温度的差值的最大值在±1℃以内)。
中国发明专利申请CN103713669A公开了一种闭环实施的精确控制CT探测器温度的装置，该装置包括封闭腔体、CT探测器、温度传感器、控制器、加热装置及其热源，所述封闭腔体由具有开口的金属壳体和覆盖该开口的碳纤维板构成，所述CT探测器、温度传感器置于封闭腔体内，所述加热装置是设置在封闭腔体侧面的加热带。通过加热带对封闭腔体加热，使热量通过空气传导和热辐射传递到CT探测器和温度传感器上，根据温度传感器的检测结果，对封闭腔体加热量进行闭环控制，从而控制CT探测器的温度恒定。
上述装置能够对工作温度进行控制，但是存在下列缺陷：1、温度传感器仅对封闭腔体中的几个点采集温度，不能真实的反映探测器模块在不同位置的工作温度；2、需要通过额外的专门的电路来达到控制加温的目的，使成本增加；3、通过控制腔体的温度来间接控制探测器的温度，控制精度不够高。虽然可以通过增设风扇的方法来使腔体内的温度分布变得较为均衡，并在需要的时候用以降温，但是仍然不能克服上述缺陷。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种多层X射线CT***的探测器***的温度控制***，以保证探测器***内探测器阵列在相对一致的温度状态下，从而保证CT***重建图像的均匀性和一致性；本发明的另一发明目的是提供一种通过该***进行温度控制方法。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种多层X射线CT***的探测器***的温度控制***，包括腔体，设置在腔体内的探测器阵列、主控电路板、温度传感器和风扇，所述温度传感器为分布设置在探测器阵列上的多个温度传感器，所述主控电路板上的主控单元接收所述温度传感器的输出并控制所述探测器阵列的采样频率和风扇的工作模式。
上文中，所述主控单元可以采用现场可编程门阵列（FPGA，Field－ProgrammableGateArray），实时采集探测器阵列的各个温度探测点的温度，根据采样得到的温度和设定的工作温度的差值来决定采集光电二极管输出电信号的模数转换器件阵列的采样频率（探测器***的主要发热部件）和探测器***的风扇工作模式（探测器***的散热部件），从而保证探测器***内探测器阵列工作在相对一致的温度状态下。
进一步的技术方案，构成所述探测器阵列的探测器单元主要由传感器电路板、接收X射线的闪烁晶体，将闪烁晶体输出光信号转化为电信号的光电二极管和采集光电二极管输出电信号的模数转换器构成，对应每一探测器单元设有一个温度传感器。
构成所述探测器阵列的探测器单元的具体数量可以根据实际需求任意配置。
上述技术方案中，所述接收X射线的闪烁晶体和将闪烁晶体输出光信号转化为电信号的光电二极管经金属接插件与传感器电路板连接并贴附在传感器电路板的表面。
优选的技术方案，所述温度传感器为热敏电阻，所述热敏电阻设置在。在传感器电路板上，其在传感器电路板上的位置处于与所述接收X射线的闪烁晶体相对的另一面上。
所述热敏电阻位于传感器电路板的中心位置。
有一采集所述热敏电阻数据的模数转换器，所述主控电路板上的主控单元控制各温度探测点上热敏电阻与采集所述热敏电阻数据的模数转换器间回路的通断。采用该方案达到实时采集探测器阵列上所有温度探测点的温度的目的，由于只需使用一枚用于温度采样的高速模数转换器，可以降低探测器***以及CT整机的生产成本。
一种多层X射线CT***的探测器***的温度控制方法，包括下列步骤：
(1)在探测器阵列上分布设置多个温度传感器，在探测器***的腔体内分布设置多个风扇，设定温控的目标温度范围，设定工作周期；
(2)在每一工作周期内，检测各温度传感器的输出值，取所述多个温度传感器的中间值或平均值与温控的目标温度范围的中间值进行比较，根据比较结果调整探测器阵列的采样频率以增大或减小探测器阵列的发热量，同时控制风扇的工作模式以增大或减小探测器阵列的散热量；
(3)复重步骤(2)，实现对探测器***的温度控制。
上述技术方案中，在探测器阵列的每个探测器单元上设置一个温度传感器。
上述技术方案中，是将整个腔体内的温度场控制在相对稳定和均匀的范围内而非一固定的目标值。在工程实现上是无法将一个空置量始终保持在一个固定的值。
上述技术方案中，设定的温度控制的工作周期最小为1毫秒。从而在高精度下保证了探测器***的温度控制过程是连续的，从而保证了探测器***腔体内的温度场能连续的工作在一个稳定和均匀的范围内。
上述技术方案中，所述探测器阵列中每个探测器单元的接收闪烁晶体的模数转换器采样频率为大于1000赫兹。之所以设定这个范围是因为超出此范围的设定将会给所述模数转换器引入额外的噪声。具体来说若采样频率下限为0赫兹，此时模数转换器的模拟部分长时间不工作。当温控***需要将采样频率调节至某一大于0赫兹的频率时，需要一段稳定的时间用来消除模数转换器的模拟部分长时间不工作所积累的噪声，大大降低温控***工作的连续性。
上述技术方案中，所述风扇的工作模式包括风扇全关、开启其中一个或多个风扇，开启一个或多个风扇时指定开启风扇的所在位置以使***均衡散热。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明在探测器阵列上广泛均匀地设置了温度传感器，使检测温度能够准确反应每个探测器单元工作温度，从而准确的反应探测器腔体内的温度场的分布水平。保证了探测器***内探测器阵列每个探测器单元工作在允许的温度范围内。
2、本发明通过对探测器***自身的采样频率的调节控制整个探测器***的发热量，而不需要额外引进专用的加热***，从而降低了探测器***以及CT整机的生产成本。
3、本发明将探测器单元作为一个整体，将接收X射线的闪烁晶体和将闪烁晶体输出光信号转化为电信号的光电二极管经金属接插件与传感器电路板连接并贴附在传感器电路板的表面，采集光电二极管输出的模数传感器和温度传感器贴附于传感器电路板的另一面；而非将闪烁晶体、光电二极管和温度传感器直接集成在一起。将闪烁晶体光电二极管和温度传感器直接集成工艺十分复杂，本发明降低了生产成本。同时由于光电二极管中通过的电信号极其微小，而温度传感器中通过的电信号比闪烁晶体中通过的电信号大很多，将两者直接集成必然引入新的噪声。
附图说明
图1是本发明实施例中X射线CT***的探测器***的温控***概要图。
图2是本发明实施例中单枚探测器单元组织形式的俯视图。
图3是本发明实施例中单枚探测器单元组织形式的截面图。
图4是本发明一种实施例中多枚探测器单元组成的探测器阵列的组织形式图。
图5是本发明另一种实施例中多枚探测器单元组成的探测器阵列的组织形式图。
图6是本发明实施例中探测器阵列上分布的热敏电阻RTD的温度采集控制示意图。
图7是本发明实施例中X射线CT***的探测器***的温控***温度控制流程说明图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例：
图1是本发明的一个实施例中X射线CT***的探测器***的温控***概要图。图中作为整个探测器***的主控单元（主控单元采用FPGA，从而保证了整个温控过程中温度采集，温度运算，温度调节所花费的时间最少）201，通过均匀分布在探测器阵列上的37个温度传感器T1-T37203获取探测器阵列202的温度，同时调节探测器阵列202的采样频率和风扇F1-F8204的工作模式，以达到精确控制探测器***工作温度的目的。
图2是本发明实施例中单枚探测器单元的俯视图。图中301为搭载有采集光电二极管输出微小电信号的模数转换器的传感器电路板。图中303为采集光电二极管输出微小电信号的模数转换器，其中虚线框代表其所处位置位于传感器电路板相对于闪烁晶体的另一面。图中302为单枚探测器单元中的接收X射线的闪烁晶体和将闪烁晶体输出光信号转化为电信号的光电二极管，其固定方式为通过金属接插件紧紧的贴附于传感器电路板的一面。这种组织方式中金属接插件不仅导热性好而且接触面大。故单枚探测器单元中的接收X射线的闪烁晶体，将闪烁晶体输出光信号转化为电信号的光电二极管和采集光电二极管输出电信号的模数转换器温度测定上可以被看作一个整体。从而只需在传感器电路板301上合适的位置搭装一枚高精度的热敏电阻，主控单元即能获知单枚探测器单元作为一个整体的温度信息。
图3是本发明实施例中单枚探测器单元组织形式的截面图。单枚探测器302单元中的接收X射线的闪烁晶体和将闪烁晶体输出光信号转化为电信号的光电二极管紧紧贴着传感器电路板301的一面。传感器电路板301的另一面分布着采集光电二极管微小电信号的模数转换器303和热敏电阻304。热敏电阻304位于传感器电路板301的中心位置，处于此位置更能准确的表现单枚探测器单元作为一个整体的工作时的温度状态。
图4是本发明一种实施例中多枚探测器单元组成的探测器阵列的组织形式图。所述组织形式中18枚探测器单元并排组织成为一种组织形式的探测器阵列410。图5是本发明另一种实施例中多枚探测器单元组成的探测器阵列的组织形式图。所述组织形式中10枚探测器单元并排组织成为另一种组织形式的探测器阵列510。本发明中的探测器阵列组织形式包含以上两种但不仅限于以上两种，用户可以按需求设定。
图6是本发明实施例中探测器阵列上分布的热敏电阻RTD的温度采集控制示意图。主控单元FPGA601控制各RTD603回路的选通。选通规则为从RTD1始每间隔一段时间（本实施例中设定为1毫秒）顺序选通下一RTD回路并且关闭当前RTD回路。即在第1毫秒时选通RTD1回路，其余回路关闭；在第2毫秒时选通RTD2回路，其余回路关闭；依次类推，在第n毫秒时选通RTDn回路，其余回路关闭；在第n+1毫秒时选通RTD1回路，其余回路关闭。在选通每一RTD回路时，主控单元FPGA601同时控制采集RTD回路的模数转换器件602对所述回路进行采样，从而得到所述RTD回路的数据即探测器阵列中某处温度探测点的温度。
图7是本发明的一个实施例中X射线CT***的探测器***的温控***的工作流程700。在本实施例中探测器***选取37枚探测器单元组成探测器整阵列。第一步701，以秒为单位获得37枚探测器的工作温度值。第二步702，在本实施例中取37枚探测器的温度值的中间值与温控的目标温度进行差值运算。在另一种实施例中也可以取37枚探测器的温度值的平均值与温控的目标温度进行差值运算。第三步703，将运算结果代入温控算法得到对应的探测器***的采样频率。第四步704，根据此次计算得的采样频率和前一次算得的采样频率决定风扇的工作模式。
控制算法介绍：用M代表37个温度值得中间值，用T代表设定的目标温度范围的中间值（此例中设定为30℃），用e代表目标温度值T和37个温度中间值M的差值，即e=T-M，用J代表探测器***更新的采样频率，Ju代表更新的探测器***的采样频率。公式如下：
上述公式转化成离散形式为：
在具体实施中，需要在探测器***的主控单元中用到一个缓存用来存储目标温度与实际温度的差值e，用e（N）代表温度的差值（N=0,1,...,511）,N=511代表当前时刻点，N=0代表当前时刻点之前第511个时刻点。
风扇工作模式介绍：以安装8台风扇为例，将探测器***的风扇工作模式分为8种，分别为：
0.C0风扇全关
1.C1只打开风扇F5
2.C2只打开风扇F3和F6
3.C3只打开风扇F3、F5和F6
4.C4只打开风扇F1、F3、F6和F8
5.C5只打开风扇F1、F3、F5、F6和F8
6.C6只打开风扇F1、F2、F3、F6、F7和F8
7.C7只打开风尚F1、F2、F3、F5、F6、F7和F8
温度控制：
探测器***采样频率的控制：
若第一个温度数据M0大于设定温度T，则第一个时间点的探测器***的采样频率设为1000赫兹；若第一个温度数据M0小于设定温度T，则第一个时间点的探测器***的采样频率设为6250赫兹。从第二个时间点开始探测器***的采样频率由PID算法计算所得J(N)所决定，其中J(N)大于6250赫兹时，探测器***的采样频率设定为6250赫兹；J(N)小于1000赫兹时，探测器***的采样频率设定为1000赫兹；J(N)大于1000赫兹小于6250赫兹时，探测器***的采样频率设定为J(N)。
探测器***的风扇控制：
若第一个温度数据M0大于设定温度T，则风扇工作模式设为C7；若第一个温度数据M0小于设定温度T，则风扇工作模式设为C0。从第二个时间点开始，每当J(N)小于1000赫兹且e(N)小于0时，风扇工作模式从Ck变为Ck+1（其中k=1,2,3,...,7）；每当J(N)大于6250赫兹且e(N)大于0时，风扇工作模式从Cn变为Cn-1（其中n=2,3,...,7）。
以上实施例中的数值仅用于帮助理解本发明，在实际使用中可以根据具体情况调整。例如，可以根据探测器阵列的规模设置不同数量的温度传感器和风扇；根据风扇数量不同设置不同的风扇工作模式以适应散热的需要；根据情况调整采样频率的上限。
Claims (10)
1.一种多层X射线CT***的探测器***的温度控制***，包括腔体，设置在腔体内的探测器阵列、主控电路板、温度传感器和风扇，其特征在于：所述温度传感器为均匀分布设置在探测器阵列上的多个温度传感器，所述主控电路板上的主控单元接收所述温度传感器的输出并同时控制所述探测器阵列的采样频率和风扇的工作模式。
2.根据权利要求1所述的多层X射线CT***的探测器***的温度控制***，其特征在于：构成所述探测器阵列的探测器单元主要由传感器电路板、接收X射线的闪烁晶体，将闪烁晶体输出光信号转化为电信号的光电二极管和采集光电二极管输出电信号的模数转换器构成，对应每一探测器单元设有一个温度传感器。
3.根据权利要求2所述的多层X射线CT***的探测器***的温度控制***，其特征在于：所述接收X射线的闪烁晶体和将闪烁晶体输出光信号转化为电信号的光电二极管经金属接插件与传感器电路板连接并贴附在传感器电路板的表面。
4.根据权利要求2所述的多层X射线CT***的探测器***的温度控制***，其特征在于：所述温度传感器为热敏电阻，所述热敏电阻设置在传感器电路板上，其在传感器电路板上的位置处于与所述接收X射线的闪烁晶体相对的另一面上。
5.根据权利要求4所述的多层X射线CT***的探测器***的温度控制***，其特征在于：所述热敏电阻位于传感器电路板的中心位置。
6.根据权利要求4所述的多层X射线CT***的探测器***的温度控制***，其特征在于：有一采集所述热敏电阻数据的模数转换器，所述主控电路板上的主控单元控制各温度探测点上热敏电阻与采集所述热敏电阻数据的模数转换器间回路的通断。
7.一种多层X射线CT***的探测器***的温度控制方法，其特征在于：(1)在探测器阵列上分布设置多个温度传感器，在探测器***的腔体上分布设置多个风扇，设定温控的目标温度范围，设定工作周期；
(2)在每一工作周期内，检测各温度传感器的输出值，取所述多个温度传感器的中间值或平均值与温控的目标温度范围的中间值进行比较，根据比较结果调整探测器阵列的采样频率以增大或减小探测器阵列的发热量，同时控制风扇的工作模式以增大或减小所述腔体的散热量；
(3)复重步骤(2)，实现对探测器***的温度控制。
8.根据权利要求7所述的多层X射线CT***的探测器***的温度控制方法，其特征在于：在探测器阵列的每个探测器单元上设置一个温度传感器。
9.根据权利要求7所述的多层X射线CT***的探测器***的温度控制方法，其特征在于：设定的探测器阵列的采样频率为大于1000赫兹。
10.根据权利要求7所述的多层X射线CT***的探测器***的温度控制方法，其特征在于：所述风扇的工作模式包括风扇全关、开启其中一个或多个风扇，开启一个或多个风扇时指定开启风扇的所在位置以使所述腔体内的整个温度场的分布均匀。
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