新型牙科X线机的设计及样机研制

井冈山大学 a.化学化工学院；b.机电学院；c.附属医院，江西 吉安 343000

新型牙科X线机的设计及样机研制

陈海辉a，曾莹莹b，吴淑芳c

井冈山大学 a.化学化工学院；b.机电学院；c.附属医院，江西 吉安 343000

目的采用新的电子技术和元器件，研制高频直流牙科X线机，实现牙科X线机高性能化。方法利用高频逆变元件，实时采样、脉宽调制确保对阳极高压和管电流的闭环控制；采用TL494构建管电流前馈控制策略，根据管电压范围段进行分段（非线性）补偿阴极空间电荷效应。结果初步试验表明，该控制方法及电路装置效果良好，实现了外部无高压，且加在X线发射管上的电压波动在1%以内，曝光时间误差在3%以内，拍摄的照片可以清晰显示出牙髓腔及周围组织。结论该样机完全可满足临床牙科透视要求。

口腔X线机；高频牙科X线机；前馈控制；组合式球管； 阴极电荷空间效应

1 研究背景

口腔X线机是一种专用X线机，用于牙齿与牙周的摄片，通常分为口腔内牙科X线机和口腔全景机。口腔内牙科X线机（称牙片机）用来拍摄单颗牙齿，而口腔全景机则用于口腔平面体层摄影和曲面体层摄影。牙片机结构相对简单，价格低廉，在我国使用非常广泛，主要以单相50 Hz交流电为高压发生器电源的X线机（称工频牙片机)居多，发射管两端电压随时间从零至最高值，然后从最高值至零[1]。在一个变化周期内，只在电压峰值附近区产生的X射线才对摄影有用（图1），其余时间产生的X射线（即软射线）对摄影毫无帮助，并且增加了病人辐射吸收的剂量[1]。

图1 工频波形电压

目前，世界上主要的牙科X线机生产厂家已将研发重点放到数字高频牙科X线机上，淘汰了工频牙科X光机。高频直流牙科X线机，是将50 Hz电源经过直流逆变成频率＞20 kHz的矩形波，经过倍增整流之后，形成直流高压（图2）加在X射线发射管上，其高压波动在1%以内。

高频机的出线波谱单纯，杂散射线少，成像清晰，在同等条件下比工频机减少50%以上的总出线量[2]。我国从事研制适合牙科用的小剂量高频球管、小容量高频直流X射线电源的研究很少，据本文作者所知，公开报道文献只有本课题组研究成果[3-6]。

图2 高频直流电压

2 新型牙科X线机系统结构

2.1 硬件结构

高频直流牙科X线机由液晶显示板、电源板、控制板、球管、机架5大部分组成。系统由整流滤波、高频逆变、脉宽调制、主机控制、显示操作、高频球管（也称高压油箱X射线管）等功能单元构成。本系统的核心技术是高频逆变监控、倍压整流匹配、高压油箱绝缘散热。电源板将50 Hz交流电源经过整流、电容平滑为恒定直流电压后，经过IGBT转换成20 kHz的高频方波电压。该方波电压送往高频球管，经变压器升压，再经倍压电路，变为平滑的直流高压后，施加于X发射管的两极。

2.2 组合式机头

本研究研制了一种高频直流X射线源组合式机头[6]，其内有X射线发射管、高压变压器、倍增电路、管电压与管电流检测电路及各种绝缘隔离室（图3），其外观尺寸：120 mm×120 mm×50 mm。组合式球管经真空、干燥处理之后，注入25号变压器油，再经抽真空密封而成。高压只在组合式球管内产生，大大地提高了整机的安全性。

图3 组合式机头电路图

2.3 软件调试

系统采用PIC16F877A单片机控制，开发环境为MPLAB7.0。控制程序的流程比较复杂，为了便于程序的调试和维修，在程序设计中大量使用子程序，包括中断子程序和一般子程序，形成了功能相对独立的模块。整个程序包括核心控制模块、显示子程序、键盘管理、定时、错误处理5大功能模块。如LCD板子程序有：① TEST自检；② DISPLAY显示；③ READ读键盘；④ 通讯SCON；⑤LED显示；⑥ 定时。电源板（主机）子程序有：① 自检；② 通讯；③ 执行；④ 出错检测；⑤ LED显示；⑥ 定时。

2.4 控制策略

采用绝缘栅场效应管作功率开关器件，脉宽调制集成电路作管电压、管电流控制（图4～5）；采用单片机作系统控制，兼作曝光计时器。管电流是通过改变灯丝加热逆变电路的驱动信号的脉冲宽度来实现精确控制的，对阴极空间电荷效应进行多段补偿（图6）。利用TL494死区时间来改变TL494信号输出的开度，从而快速改变驱动信号的强弱；TL494死区时间受控制于死区端上的电路参数值，死区端扩展成多段电路，这些电路对应于单片机引脚输出的信号组合；单片机根据管电压的调制信号、管电流设定数值，输出引脚信号组合，接通选中的某段死区端电路。该段的电路参数值就决定了死区时间长短。

图4 高频X线机管电压控制

图5 管电流前馈—反馈控制

图6 管电流前馈—反馈控制电路

2.5 设计特点

本方案设计的高频直流牙片X线机具有以下优点：

（1）高性能。提高了X线管的输出效率，大大减少了X射线束中的软射线，可降低病人的辐射剂量，提高X线照片质量，使最短曝光时间可以更短。

（2）精度高。采用电压预置、反馈调节的方法，使曝光参数（kV、mA，时间或mAs）的控制精度更高。

（3）体积小。高压变压器的体积大大缩小，使X射线发生器（球管）小型化或微型化，对电源的供电要求大大降低。

3 实验及结果

3.1 控制精度

从采样电路处输出阳极电压、管电流到示波器，观察曝光时间、电压波动情况[7]。实验结果表明：电压呈直线，其波动在1%以内，曝光时间误差在3%以内；用500 W手电钻突然开、断为模拟干扰源，测试抗干扰能力，精度没有受到干扰。

3.2 临床实验

图7 临床拍摄牙片

图8 牙齿标本拍摄片

在征得某口腔医院的医生和病人的同意后，进行了临床实验。临床实验结果可以清晰地看到病人的活体牙齿的髓腔（图7）；可以清晰看到标本牙齿的髓腔（图8）。对牙釉质、牙本质、牙髓腔、牙槽骨、牙周膜、骨硬板显示很清晰，明显比传统牙片机拍摄的牙片质量高。

4 结论

采用新的电子技术和元器件，研制出高频直流牙科X线机，实现了牙科X线机高性能化。电路测试表明样机性能稳定，临床照片表明拍摄图像质量好，完全可满足临床透视要求。

[1] 高文帅．高频直流牙科X射线机的研制[D]．湖南:南华大学,2008．

[2] 杨伟军,张阳德．高频直流牙科X线机的设计及样机测试[J]．中国医学工程,2009,17(5):382-385．

[3] 高文帅,陈海辉．牙科X射线焦皮距的测量新方法[J]．中国辐射卫生杂志,2007,16(4):446-449．

[4] 粟俊杰,陈海辉,张阳德．高频直流牙科X线机的研制[J]．中国医疗器械杂志,2008,32(6):443-448．

[5] 陈文光,饶益花,陈海辉．X射线机管电流控制方法研究[J]． 核电子学与探测技术,2008,28(4):770-773．

[6] 陈海辉,张阳德,周立新．一种高频直流X射线源组合式机头:中国,200920060095．0[P]．2010-05．

[7] 戴丹,王魏,戴竞,等．X线机高压发生器的测试[J]．中国医疗设备, 2012,27(5):117-118．

Design and Prototype Manufacture of New type Dental X-ray Machine

CHEN Hai-huia, ZENG Ying-yingb, WU Shu-fangc
a. College of Chemistry and Chemical Engineering; b. College of Mechanical Engineering; c. Affiliated Hospital, Jinggangshan University, Ji’an Jiangxi 343000, China

ObjectiveUsing new electronic technique and component, to develop a set of high frequency direct-current dental X-ray machine, thus to realize high performance of dental X-ray machine.MethodsIGBT high frequency inverter, real-time sampling, PWM for the closed-loop control of the tube current and anode high voltage, microcomputer for the precious control, multi-segment compensation for the effect of cathode space electric csharge, combined X-ray tube are introduced to manufacture five sets of dental X-ray machine. TL494 is utilized to construct main circuit of feedforward control of X-ray tube current, based on chosing the compensation factor depended on anode voltage range for cathode space electric charge.ResultsPreliminary results showed that these control methods and circuit devices are effective. The machine has some good features such as, all high voltage parts are inside the tube, the error of tube voltage was less than 1%, the error of exposure time was less than 3%, the photos of the teeth marrow can be clearly seen.Conclusion The sample machine could meet the requirements of medical application.

dental X-ray machine; high frequency dental X-ray machine; feedforward control; combined X-ray tube; effect of cathode space electric csharge

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.08.008

1674-1633(2013)08-0023-03

2012-07-05

2013-05-15

江西省科技支撑计划项目（20111BBG7007-1；20123BBG70204）；井冈山大学科研基金项目（JZB11036）。

本文作者：陈海辉，副教授。

曾莹莹，副教授。

作者邮箱：chenhaihui68@126．com