X射线发生器

相关申请的交叉引用

本申请要求分别于2019年12月27日和2020年10月30日提交韩国专利申请号10-2019-0176499和10-2020-0143124的优先权，通过引用将其全部内容并入本文。

技术领域

本发明涉及一种X射线发生器。

背景技术

近年来，随着半导体技术和信息处理技术的发展，X射线照相术正迅速地被采用数字传感器的数字射线照相术(DR)取代。然而，X射线照相技术也在不断地研究和发展，以用于特定的应用。

一个例子是口腔内X射线照相术，它主要用于牙科诊所。

口腔内X射线照相术是一种X射线成像技术，用于获得受试者口腔内有限区域的X射线图像。X射线传感器被放置在受试者的口腔内，X射线从布置在口腔外的X射线发生器发射，从而获得牙齿和周围组织的X射线图像。口腔内X线图像具有低失真、高分辨率、高清晰度和相对较低的辐射暴露的优点，因此，X射线图像主要用于需要高分辨率图像的种植手术或根管治疗。

用于口腔内X射线照相的X射线照相设备被称为便携式X射线发生器，并且在大多数情况下，X射线图像通常是由操作员手持的X射线照相设备拍摄的。为了增加口腔内X射线照相术的方便性和准确性，并且提高X射线发生器的利用率，口腔内X射线照相术要求降低X射线发生器的重量和尺寸。

发明内容

本发明的目的是提供一种X射线发生器，其具有轻而紧凑的主体，并且具有由于减少X射线产生的等待时间而提高的效率。

为了实现本发明的目的，提供了一种X射线发生器，包括：升压器，其被配置为将从电压源供应的第一直流电压升压到高于第一直流电压的第二直流电压；至少一个电容器，其被配置为接收第二直流电压并从第二直流电压产生充电电压；转换器，其被配置为将充电电压转换为驱动电压；X射线源，其被配置为接收驱动电压并发射X射线；以及控制器，其被配置为控制升压器、转换器、以及X射线源。第二直流电压的大小是可变的。控制器计算将X射线源冷却到预定温度或以下所需的冷却时间，根据冷却时间确定第二直流电压的大小，并且在为冷却时间执行的冷却操作期间将第二直流电压施加于电容器。

升压器可以包括：输入端子，其包括连接到电压源的电感器；输出端子，其包括连接到电容器的二极管；以及开关元件，其打开和关闭使得输入端子和输出端子彼此连接或彼此断开。控制器可以控制开关元件的开关周期，以控制第二直流电压的大小。

升压电路可以包括：输入电容器，其并联在电压源和电感器之间；以及输出电容器，其并联在二极管和电容器之间。

控制器可在为冷却时间执行的冷却操作期间停止将驱动电压施加于X射线源。

X射线发生器还可以包括用户输入单元，该用户输入单元从用户接收包括X射线成像模式和成像条件的X射线成像信息，并且控制器可以基于X射线成像信息计算冷却时间。

X射线发生器还可以包括温度传感器，其测量X射线源的温度，并且控制器可以基于X射线源的温度计算冷却时间。

本发明的效果是提供一种高效的X射线发生器，其具有轻而紧凑的主体以便于使用，并且能够通过最小化X射线生成的等待时间来提高成像效率。

附图说明

在结合附图的情况下，从以下详细描述中可以更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，其中：

图1是示出根据本发明一个实施例的X射线发生器的总体结构的透视图；

图2是示出根据本发明一个实施例的X射线发生器的结构的图；

图3是示出根据本发明一个实施例的X射线发生器的电源单元的电路图；

图4是示出根据本发明一个实施例的X射线发生器的升压器的电路图；

图5是示出根据本发明一个实施例的X射线发生器的控制器的框图；

图6和7是示出根据本发明一个实施例的驱动X射线发生器的方法的流程图。

具体实施方式

参照附图和下面描述的实施例，将更清楚地理解上述目的、特征和优点。

在下面的描述中，根据本发明概念的示例性实施例的具体结构或功能描述仅用于说明目的。根据本发明概念的实施例可以以各种形式实现，并且不应被解释为局限于本应用的说明书中所描述的实施例。

根据本发明概念的实施例可以经历各种改变以具有各种形式，并且只有一些特定的实施例在附图中被示出并且在本公开中被详细描述，它们仅用于说明目的，不应被解释为仅限于本发明。因此，本发明应被解释为不仅包含具体实施例，而且还包含落入本发明概念和技术精神范围内的所有修改、等效物和替换物。

应理解的是，当任何元件被称为“连接到”或“耦合到”另一元件时，它可以直接连接到或直接耦合到另一元件，或者间接连接或间接耦合到另一元件，其中有另一元件介入。相反，应当理解的是，当一个元件被称为“直接耦合”或“直接连接”到另一元件时，它们之间不存在介入元件。用于描述构成元件之间关系的其他表述，如“之间”和“直接在…之间”或“相邻”和“直接相邻”应以相同的方式解释。本文使用的术语仅用于描述特定的实施例，并不打算限制本发明的范围。如本文所用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意欲包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还应当理解的是，在本公开使用时，术语“包括”、“包含”或“具有”指定所述特征、区域、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征，区域，整数、步骤、操作、元件、组件和/或组合的存在或增加。

此外，除非另有定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本发明所属领域的技术人员通常理解的含义相同。还应当理解的是，这些术语(例如在常用词典中定义的术语)应被解释为具有与其在相关技术和本发明的上下文中的含义相一致的含义，并且除非在本文中明确定义，否则不能以理想化或过于正式的意义来解释。

在下文中，参考附图将详细描述本发明的模式，在附图中，相似的参考符号表示相似的元件。

图1是示出根据本发明一个实施例的X射线发生器的总体结构的透视图。

如图所示，根据本发明的一个实施例的X射线发生器包括：主体10，其中安装了稍后将描述的电源单元、控制器、转换器、X射线源等；设置在主体10的一侧的手柄12，允许用户握住X射线发生器进行使用；发射开关14，设置在主体10的一侧，优选在手柄12附近，供用户操作以发射X射线；发射端口20，设置在主体10的一侧，并且被配置为发射X射线；沿着发射端口20的外围设置的屏蔽板22，以将X射线发生器的用户对从X射线发生器发射的X射线的暴露降到最低；设置在主体10的一侧的仪表板32，其被配置为显示与操作相关的消息和各种类型的X射线成像信息，包括成像模式和成像条件；用户输入单元34，例如用于用户操作的按钮或刻度盘；以及设置在手柄12的一侧的电源连接器36，其连接到外部电源以接收作为电压源或电池充电电源的外部电源。

因此，用户握着手柄12并举起主体10以使用仪表板32和用户输入单元34设置适当的成像模式和成像条件，将主体10的发射端口20对准X射线应用目标位置，并操纵发射开关14以通过发射端口20发射X射线到X射线应用目标位置。屏蔽板22阻止X射线向后散射，以最小化用户对X射线的暴露。电源连接器36通过适配器等连接到外部电源，以接收作为电压源或电池充电电源的外部电源。

图1只是根据本发明的X射线发生器的示例，并且X射线发生器的形状或结构可以改变。

图2是示出根据本发明的X射线发生器的内部结构的图，并且仅示出描述本发明所需的部分。

如图所示，根据本发明的X射线发生器包括电源单元100、控制器200、功率转换器300和X射线源400。

电源单元100包括电压源102、开关104、升压器106和电容器108。

电压源102可以是电池。具体地，它可以是商用主电池或者商用辅助电池。电池可以是一个电池或者两个或者更多个电池。当电池是主电池并且耗尽时，主电池将更换为新电池。当电池为辅助电池且耗尽时，电池将被充电以再次用作电压源。在电池为商用主电池的前提下，在根据本发明的X射线发生器中，唯一需要更换或改变的配置是电池。正如后面将要描述的，根据本发明的X射线发生器中的电压源的要求是能够提供低电压(例如2.5V到4.2V)的电压源。本发明使用商用主电池或商用辅助电池作为电压源，从而使X射线发生器的尺寸最小化，并使电池的充电时间最小化。

作为参考，根据本发明的X射线发生器的电压源102可以是外部电源而不是电池。当电压源102是辅助电池时，可以使用外部电源对辅助电池充电。

开关104控制电压源102和升压器106之间的电连接和断开，从而阻断或允许从电压源102供应到升压器106的第一直流电压。

开关104根据从控制器200接收到的开/关控制信号进行打开和关闭。

开关104接收来自控制器200的“打开”(ON)控制信号，并将电压源102和升压器106相互电连接在一起。当电压源102和升压器106通过开关104连接时，从电压源102输出的第一直流电压被升压器106升压到第二直流电压，并且电容器108被辅助直流电压充电。当开关104从控制器200接收到“关闭”(OFF)控制信号时，它将电压源102和升压器106电断开。当开关14关闭使得电压源102和升压器106彼此断开时，来自电压源102的电压供应被切断，并且电容器108的充电停止。

尽管本公开中的描述和图中的图示显示开关104被插入到电压源102和升压器106之间，但是开关104可能位于升压器106和电容器108之间。

升压器106通过开关104连接到电压源102，并且根据开关104的开/关状态控制升压器106的驱动。升压器106将从电压源102输出的第一直流电压转换为用于给电容器108充电的第二直流电压。例如，升压器106从电压源102接收2.5V到4.2V范围内的低电压作为第一直流电压，将第一直流电压升压到24V到30V(0.15A)范围内的高电压，作为适合对电容器108充电的第二直流电压。为此，升压器106包括DC/DC升压转换器电路。

图3是示出在电源单元100包括电压源102和由多个串联电容元件组成的电容器108的情况下，根据本发明的X射线发生器的电源单元的电路图，升压器106接收第一直流电压(在2.5V到4.2V的范围内)，该第一直流电压是电压源102的输出电压，并将第一直流电压转换为第二直流电压(在24V到30V的范围内)，该第二直流电压是适于对电容器108充电的电压。

图4是根据本发明的X射线发生器的升压器106的电路图。升压器106包括：输入端子106a，其包括与电压源102串联的电感器；输出端子106b，其包括与电容器108串联的二极管D；以及开关元件SW，用于控制输入端子106a和输出端子106b之间的电连接和断开。输入电容器Cin并联在电压源102和电感In之间，并且输出电容器Cout并联在二极管D和电容器108之间。

当开关元件SW打开时，向电感器In提供电流。相反，当开关元件SW关断时，电流从电感器In放电，并且比第一直流电压更高的第二直流电压被发送到电容器108。第二直流电压的大小取决于开关元件SW的开关周期而变化，并且后面要描述的控制器200控制开关元件SW的开关周期，以调整第二直流电压的大小。

参考如图2，电容器108由升压器106提供的辅助直流电压充电。电容器108向转换器300提供充电电压以进行X射线发射。电容器108由至少两个串联的电容器元件组成。例如，假设电力为65kV、3mA，则驱动X射线源400需要1秒，电容器108由2到4个电容器元件组成，电容器元件的电容量为25F～30F。假设电容器元件是尺寸约为

在一个对比示例的情况下，其中只使用从电池输出的第一直流电压，因为需要向X射线源400瞬时施加高电压，电池的寿命和耐久性降低。在另一个对比示例的情况下，其中只使用特别设计的大功率电池的直流电压，存在的问题是X射线发生器的成本增加。在另一个对比示例的情况下，其中只使用大容量电容器的直流电压，因为电容器的能量密度低，所以电源单元的尺寸增大。因此，不方便使用X射线发生器。在另一个对比示例的情况下，其中仅使用低电容电容器的直流电压，存在的问题是由于每次执行射线照相操作时都要给X射线发生器的电池充电的困扰，因此使用X射线发生器不方便。

然而，在本发明中，电源单元100由用高能量密度电池实现的电压源102和由串联以输出高电压的多个电容器元件实现的电容器108组成。由于电源单元的尺寸减小，X射线发生器相应地轻便并且紧凑，从而提高了X射线发生器的成像效率和方便性。

控制器200控制根据本发明的X射线发生器装置的整体操作。

参考图1，当用户通过仪表板32和用户输入单元34输入诸如成像模式和成像条件的X射线成像信息时，控制器200控制转换器300来调整供应给X射线源400的电压的大小。当用户通过发射开关14输入X射线发射命令时，控制器200控制转换器300向X射线源400提供驱动电压，从而发射X射线。当X射线成像完成时，控制器200控制转换器300不向X射线源400提供驱动电压，从而停止X射线发射。然而，在为冷却时间执行的冷却操作期间(冷却时间是执行X射线发射之后的预定时间段)，即使用户通过发射开关14输入X射线发射命令，控制器200也控制转换器300不向X射线源400提供驱动电压，以便X射线源400可以冷却到预设温度或以下。

具体而言，根据本发明的X射线发生器的控制器200基于X射线源400的温度或基于在通过用户输入单元34输入X射线成像信息之后或在X射线源执行X射线发射之后的X射线成像信息来计算冷却时间。此外，控制器控制升压器106的驱动时间和第二直流电压的大小，使得电容器108的充电电压在计算的冷却时间内等于或高于预定电压。此外，在电容器108充电完成后，当X射线源400的温度降低到预定温度或更低时，控制器200在仪表板32上显示X射线发射准备就绪消息，该消息通知准备好进行X射线成像。

另外，根据本发明的X射线发生器的控制器200监视电源单元102和X射线源400的状态，并基于监视结果通过仪表板32向用户提供适当的通知消息，控制器200测量电池的剩余电压，并在仪表板32上显示电池更换请求信息，以在电池的剩余电压等于或小于预设水平时请求更换电池。此外，控制器200检查电容器108是否过充电或短路，并且当检测到过充电或短路时，在仪表板32上显示电容器异常通知消息。此外，控制器测量X射线源400的实时温度，并在仪表板32上显示实时温度。

图5是示出根据本发明一个实施例的X射线发生器的控制器的结构的图。

如图5所示，控制器200包括：逻辑操作电路210，其配备有用于X射线照相术的一系列控制算法；存储器240，用于存储用于计算冷却时间的X射线成像信息或用于存储X射线源400的每个温度的冷却时间信息；电源单元100；电源管理模块230，用于监控电压源102和电容器108；温度传感器250，用于测量X射线源400的温度；和计时器260，用于计算冷却时间的时间。

下面将详细描述控制器200的操作。

参照图2，转换器300将从电容器108提供的充电电压升压到用于驱动X射线源400的驱动电压(例如，65KV，3mA)，并将驱动电压提供给X射线源400。

转换器300包括逆变器302、主升压器304和副升压器306。例如，主升压器304包括变压器，并且副升压器304包括考克罗夫(Cockcroft-Walton)发生器。Cockcroft-Walton发生器由n倍电压整流电路或Cockcroft乘法器和整流电路组成。

转换器300由从控制器200发送到逆变器302的开/关控制信号来控制。当“打开”(ON)控制信号从控制器200发送到逆变器302时，转换器300将从电源单元100的电容器108提供的充电电压转换为驱动电压，并将驱动电压提供给X射线源400，使得X射线源400根据驱动电压发射X射线。

在根据X射线成像信息发射X射线之后，控制器200通过向逆变器302发送“关闭”(OFF)控制信号来切断供应给X射线源的驱动电压，从而停止X射线源的X射线发射。

X射线源400从转换器300接收驱动电压，产生X射线，并将X射线发射给被摄体。X射线源400是场发射X射线源，包括具有发射器的阴极电极、具有X射线目标表面的阳极电极，以及控制发射器的场发射的门极电极。

图6和7是示出根据本发明驱动X射线发生器的方法的流程图。将参考图1-5以及图6-7描述X射线发生器的驱动方法和控制器的具体操作。本公开提供了根据本发明的X射线发生器的驱动方法的两个实施例。第一实施例和第二实施例之间的共同操作将在标记为第一实施例的部分中描述，并且在下面标记为“第二实施例”的部分中仅描述第一实施例和第二实施例之间的不同。

[第一实施例]

为了驱动根据本发明的X射线发生器，控制器200控制电源管理模块230以检查电容器108的充电电压是否等于或大于预定电压值(ST10)。

当电容器108的充电电压高于或等于预定的电压值时，控制器200关闭电源单元100的开关104，以阻断第二直流电压，使得第二直流电压不能被传送到电容器108，从而防止电容器108的过度充电(ST15)。相反，当电容器108的充电电压低于预定的电压值时，控制器200打开电源单元100的开关104，使得第二直流电压可以被传送到电容器108，从而用第二直流电压对电容器108进行充电(ST22)。第二直流电压的大小是预先设定的。

控制器200使用温度传感器250检查X射线源400的温度(ST20)。

当X射线源400的温度高于预定温度时，控制器200维持冷却操作，通过该冷却操作，即使用户通过发射开关14输入X射线发射命令，也阻止从转换器300到X射线源400的驱动电压的传输(ST25)。另一方面，当X射线源400的温度低于预定温度时，控制器200在仪表板32上显示X射线发射准备就绪消息，并等待用户的X射线发射命令(ST30)。

随后，当用户通过用户输入单元34输入诸如成像模式和成像条件的X射线成像信息、并通过按下X射线发射开关14输入X射线发射命令时，控制器200调整转换器300的驱动电压并将调整后的驱动电压发送到X射线源400，从而根据X射线成像信息执行X射线成像操作，并且X射线源400发射X射线(ST35、ST40)。当没有输入X射线发射命令时，控制器200则等待通过X射线发射开关14输入的X射线发射命令(ST30)。

另外，当通过用户输入单元34输入X射线成像信息时，控制器200基于存储在存储器240中的冷却时间信息来计算估计的冷却时间。冷却时间信息以表格的形式配置，其中每条X射线成像信息与特定的冷却时间相关联(ST50)。

作为参考，第一实施例与下面描述的第二实施例的不同之处在于电容器108的充电时间被最大化，为此，控制器200基于通过用户输入单元34输入的X射线成像信息来计算估计的冷却时间。因此，控制器200在通过用户输入单元34输入X射线成像信息之后计算估计的冷却时间。即，在X射线源400执行X射线发射之前或者在X射线源400执行X射线的发射时进行估计冷却时间的计算。

接下来，控制器200确定用于在计算的冷却时间内完成电容器108的充电的第二直流电压的大小(ST55)。冷却时间和第二直流电压的大小具有反比线性关系。因此，用于根据冷却时间计算第二直流电压的大小的预定函数被存储在存储器240中，或者以分别匹配第二直流电压和冷却时间的表的形式存在的第二直流电压信息被存储在存储器240中。

接下来，控制器200控制升压器106以将第一直流电压升压至第二直流电压，第二直流电压具有在步骤ST55中确定的大小。为此，控制器200调整升压器106的开关元件SW的开关周期。打开时间和第二直流电压的大小具有正比关系。

另一方面，当根据期望的X射线成像信息完成X射线发射时，控制器200阻断从转换器300传输到X射线源400的驱动电压，从而停止X射线发射(ST60)。

接下来，控制器200在冷却时间内保持冷却操作。在冷却操作期间，即使用户通过发射开关14输入X射线发射命令，从转换器300输出的驱动电压也被阻止从而不输入到X射线源400，在这种情况下，控制器200显示消息，该消息通知在仪表板32上执行冷却操作。优选地，剩余冷却时间可与仪表板32上的消息一起显示(ST25)。

接着，当冷却时间结束时，控制器200再次执行步骤ST10和随后的步骤。

在本实施例中，控制器200在X射线发射的同时确定包括在X射线成像信息中的每个成像条件的冷却时间以及第二直流电压的大小，并且控制第二升压器106以输出具有所确定大小的第二直流电压，通过该操作，可以确保电容器108的最大充电时间，其将X射线产生的等待时间减至最小。等待时间是由于在冷却时间结束后电容器108的充电电压不足而产生的。

[第二实施例]

就步骤ST10到步骤ST40的操作而言，根据第二实施例的驱动X射线发生器的方法基本上与第一实施例的方法相同。然而，第二实施例的驱动方法与第一实施例的驱动方法不同在于，控制器200在完成X射线发射(ST60)后，使用温度传感器250测量X射线源400的实时温度，而不是在开始步骤ST40的X射线发射时计算包括在X射线成像信息中的每个成像条件的冷却时间。

接着，基于X射线源400的实时温度计算X射线源400的每一温度的冷却时间。为此，在存储器240中存储作为分别匹配X射线源400的温度和冷却时间的表的每个温度冷却时间信息。

接下来，控制器200确定用于在计算的冷却时间期间将电容器108充电到预定电压值或更大的第二直流电压的大小(ST55)，并且调整升压器106的开关元件SW的开关周期，使得升压器106输出具有在步骤ST55中确定的大小的第二直流电压(ST60)。

与第一实施例相比，第二实施例的优点在于，可以根据X射线源400的实时温度来确定冷却时间，但是缺点在于，由于在X射线发射完成之后进行冷却时间的计算，因此电容器108的充电时间略微缩短。

因此，优选地，控制器200控制升压器106在执行X射线发射的同时输出具有预定大小的第二直流电压，并且，在步骤ST55之后，控制器200调整第二直流电压使其具有在步骤ST55中确定的大小。

虽然已经参考示例性模式对本发明进行了具体说明和描述，但是应当理解的是，本发明不限于所公开的示例性模式，并且可以对其进行修改。

因此，本发明的范围不应局限于优选实施例，而是应当由权利要求及其等效物限定。

附图标记的说明

100：电源单元

200：控制器

300：功率转换器

400：X射线源