C T球管热负荷关系数据库的研究

李效银，钱学江，刘培霞

0 引言

球管是CT设备的核心部件之一。随着X线曝光次数的增加，球管的X线辐射性能会逐渐下降，最终导致图像质量的下降，此时必须更换球管[1]。球管的热容量一般为750～210 kHU[2]，正常情况下，管路油温不超过40℃，管套外壳温度低于70℃，说明散热通风良好[3]。一支合格的CT球管在管芯和其他硬件部位没有严重受损的情况下，可连续曝光30万s左右[4－5]。传统的CT球管只有油温超限保护一个单一的开关值，计算机无法判定球管的热相关状态，并且该保护温度是极限值，保护时球管已经受损。本研究利用计算机，以大量变化的数据为基础，通过构建经验数据库与球管热负荷关系数据库，并进行比对，智能监测判断球管的散热状态及自动控制冷风机和CT操作，使球管处于安全的热运行状态。

1 球管的结构及散热原理

在扫描时，CT球管和其他电器设备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厂家要考虑的问题[6]。本研究以温度、湿度、压力、液位多个信号为监控研究对象，并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后经调制电路将信号进行电压放大，再经A/D转换，利用CPU处理将其显示在数码管上。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温度时发出报警，并快速处理，使工作环境更加安全。

球管结构及油冷却循环回路如图1所示。球管由管套、管芯构成，管芯内部为高真空状态，管芯内由灯丝构成阴极，旋转钨合金靶构成阳极，阴阳极间加上高压构成高压电场，灯丝通过加热产生的热电子在高压电场的作用下高速轰击重金属阳极靶面，产生X线，1%的能量转化为X线，99%的能量转化为热量。灯丝和阳极靶的热量辐射到管芯外壳，由高压绝缘油吸收，通过油冷却回路的油泵循环出来，热交换器与机架内的空气进行热交换，达到散热效果。

图1 球管结构及油冷却循环回路

图2为计算机智能监控结构图。CT球管的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。本研究能够对球管温度的升高提供宽裕的报警，避免球管经极限条件而损耗；使用者对球管温度的观察直观方便，能对油泵、风扇的工作状态进行监控，适用于在已有CT上加装。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对传感模块采集控制、A/D转换以及控制无线通信模块的收发[7]。

图2 计算机智能监控结构图

2 数据库的建立

从单一的过温保护升级为智能监控，

构建经验数据库和球管热负荷关系数据库，计算机将测量的多点温度数据与数据库进行比对推理，判断出球管散热回路的故障及效能状态、球管安全运行的冗余负荷，自动恒定扫描机架的环境温度，过限自动锁定CT操作。

2.1 经验数据库的建立

通过大量的球管故障运行记录分析和

经验总结表明，球管都存在一个相对危险的油温区间，超过这个油温区间，球管损坏的概率就明显增加。我们总结了不同型号CT球管的油温区间阈值，构建了经验数据库（见表1）。计算机将多点温度测量数据与经验数据库比对推理，作出预警、提示和控制。

表1 部分球管经验数据库表

（1）当油温到达危险区间时，计算机发出警告，并可以锁定CT的操作鼠标，等待油温低于阈值后才能继续工作。

（2）当油温升温速度和降温速度超过数据库范围时，计算机判定球管散热不良，并作出散热效率提示，维护人员可以及时检查及处理滤网、灰尘等散热隐患。

（3）当油泵循环前后油温差值超过数据库范围时，计算机作出油泵故障提示，维护人员可以及时排除故障。

2.2 热负荷关系数据库的建立

球管的热负荷是指阳极产生的热量与散发的热量差值积淀，最大热负荷就是阳极最大能够储存的热量，也称热容量，单位为J，通常也用HU表示，1 MHU=800 000 J，普通X线球管在0.3 MHU以下，CT球管通常在2～8 MHU。热负荷超过球管的热容量球管将受损，热负荷越低，球管寿命越长。通常球管的热负荷低于热容量的80%，球管是相对安全的，性能保持良好，寿命大大延长。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，求出下一患者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，避免球管过负荷运行。

以SIEMENS EMOTION DUO双排螺旋CT为例，说明热负荷与油温、时间的关系，球管型号为DURA 302，热容量为2 600 000 J，10 kW有效功率模式（头部扫描）持续扫描，图3为球管油温与时间的关系曲线，图4为阳极热负荷与时间的关系曲线。

图4 阳极热负荷与时间的关系曲线

由图4的10 kW加热曲线可知，10 kW模式工作10 min阳极热负荷从0上升到2 300 000 J（接近极限，在这里设定该值为安全负荷上限），球管油温从20℃上升到57.3℃（如图3所示）。如果进行下一头部扫描，模式功率10 kW，阳极累积负荷需要300 000 J，球管热负荷若不超过安全上限需降到2 000 000 J，通过图4的冷却曲线可知需要70 s，通过图3的冷却曲线可知，经过70 s，油温降到55.6℃。通过油温与热负荷曲线关系计算，下一头部模式扫描需等待球管油温降到55.6℃以下或时间间隔70 s以上，球管热负荷将不超过安全上限。

根据球管的热负荷与油温、时间、扫描模式功率关系及各种类型的扫描方式，求出不同CT、不同球管各扫描功率级别下的热负荷冗余与时间、油温关系数据库。为便于使用人员简化操作，分低、中、高3大功率扫描级别，各级别在当前油温区间应等待的时间以进度条的方式提示操作人员，进行下一功率级别扫描建议等待冷却的时间，操作人员可以合理地安排扫描间隔与扫描模式，尽可能使球管在相对安全的热负荷区间运行，球管寿命大大延长，见表2。

2.3 CT球管无线温度监测系统

表2 部分球管热负荷关系数据库表

利用微型无线温湿度采样传感组件，实现无线实时监测冷却油回路多点温度及扫描机架环境温度，从单点单一的开关量转变为多点动态的变化过程量。

由于CT球管是随着机架转盘连续旋转的，有线测量技术及工艺复杂，成本较高。因此，传统的CT球管CT主机是不采样油温的，只是装有油温超限保护开关，这就存在如下弊端：（1）油温超限保护为极限保护，此时球管已经受损。（2）球管冷却回路各点温度变化过程无法监测，操作人员无法把握当前状态。

图5为无线测量结构图。利用无线测量技术，实时测量油路多点温度及扫描架的环境温湿度变化过程，操作人员从模糊使用转变为准确量化地把握球管油温状态。设计开发出了微型无线采样组件模块，将微型探头贴附在球管油路回路的金属管壁，这样既不破坏CT球管本身，组件微小的体积和质量也不影响转盘配重及转速。在该系统增加有线的监视摄像功能，摄像头固定在球管所在的机架后方的墙上，既增加了机架后方的视野盲区监视功能，又巧妙地利用摄像头作为接收天线，摄像头本身距离机架仅1～2 m，无线组件的发射功率相当微小，既远低于国家规定的CT机房电磁辐射标准，又可靠地传递了数据。微型无线传感组件包括2个微型单总线数字温度传感器、1个微型单总线温湿度一体数字传感器，单片机接收信号进行编码处理并通过射频模块发射。传感器的灵敏度与测量范围成反比，故需要在灵敏度和测量范围之间权衡取舍[8]。本系统采用常用的IEPE加速度传感器，其灵敏度在50～100 mV/℃，最大输出电压只为±5 V。

图5 CT球管油路温度无线监控系统结构图

3 结语

据文献报道[9]，在球管损坏中，灯丝断路及阳极靶面损坏各占43%，真空不良、散热欠佳、旋转阳极不转、管套内传感器损坏、管套漏油等各占一定比例。传统的CT只有油温超限保护，操作人员无法发现并及时排除散热隐患，导致在危险油温区间过热运行，球管受损。

计算机进行智能监控并不会降低CT的使用效率。由于传统的CT患者扫描没有预约，使用人员无法把握球管的热运行状态，患者过度集中在某一时间段或短期扫描密集度过大，球管过热受损，而其余时间段则相对空闲。使用本研究后，操作人员可以合理安排扫描间隔和扫描密集度，操作人员从模糊使用转变为量化、合理、高效地维护和利用球管，保持了球管的良好性能，避免了球管过热运行，球管寿命大大延长，综合效率得以提高。

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