工频X线机的高压整流形式分为单相和三相，单相工频X线机产生的X线软射线成分多，被检者吸收剂量大，影像质量不易保障，故欧、美等发达国家已经明令禁止生产和使用；三相工频X线机虽管电压波形较单相工频X线机平稳，但因整机体积庞大、对供电电源要求高、参数控制和自动化程度低等，所以国际著名厂商已不再生产。

 

  概   述

工频X线机存在许多难以避免的缺点，例如：①体积与重量庞大；②高压波形脉动率高、X线剂量不稳定、软射线成分较多；③曝光参量的准确性和重复性较差。为了克服这些缺点，便将直流逆变技术引入到X线机中，研制出了高频X线机，使高压电源频率由工频(50或60Hz)提高到中频(400Hz~20kHz)、甚至高频(20~100kHz)。高压电源频率在400Hz～20kHz范围内的称为中频X线机，在20kHz以上的称为高频X线机。

一、主要特点

(一)皮肤剂量低

工频X线机，特别是单相全波整流的高频X线机，其高压发生器输出的高压波形是脉动直流，波纹系数为100％，对成像没有任何帮助的软射线成分较多。而高频X线机的高压发生器输出的高压波形近似于恒定直流，脉动率非常低，波纹系数<±5％，输出X线的单色性和高能性大幅提高，可有效降低病人的皮肤剂量。

(二)成像质量高

从X线成像原理可知，连续线谱的X线，物质对其吸收不遵守指数规律，射线通过物质以后，不仅有光子数量的减少，而且还有光子能量的变化，成像质量较差。而单能窄束X线，物质对其吸收遵守指数规律，射线透过物质以后，只有光子数量的减少，没有光子能量的变化，这对提高成像质量十分有利。

(三)输出剂量大

因高频X线机属恒定直流曝光，故在胶片获得同样黑化度的情况下，高频X线机所需的mAs值仅是工频X线机的60％。例如使用50Hz交流电源供电的单相全波整流工频X线机，一个高压脉冲的持续时间为10ms，大于0.707倍峰值的持续时间约为5ms，而高频X线机属恒定直流曝光，10ms的剂量就相当于上述工频X线机曝光20ms的剂量。如果曝光时间相同，高频X线机使用300mA提供的X线剂量与上述工频X线机500mA提供的X线剂量基本相同。

(四)可进行实时控制

高频X线机在曝光过程中可对kV和mA进行实时控制，其kV通常由直流逆变器输出脉冲的频率来调节，逆变器输出频率不仅受kV设定值控制，同时还受kV检测信号控制，在曝光过程中，输出频率可根据检测信号与设定值比较的结果进行迅速的调整跟踪，以确保kV实际值等于设定值。而工频X线机的kV则由自耦变压器调节，虽然在曝光前可以进行补偿，但曝光一旦开始，为防止碳轮移动产生电弧，同时由于曝光时间短，碳轮驱动系统的机械惯性跟不上电信号的变化，碳轮将处于静状态，这时由于电源电压波动或其它因素造成的输出高压变化便无法补偿，所以kV实际值与预示值偏差较大。

同理，高频X线机的mA通常由直流逆变器输出脉冲的宽度来调节，逆变器输出的脉宽不仅受mA设定值控制，同时还受灯丝加热或mA检测信号控制，在曝光过程中，输出脉宽可根据检测信号与设定值比较的结果进行迅速的调整跟踪，以确保mA实际值等于设定值。而工频X线机的mA调节电路则需要设置稳压电源，同时由于空间电荷效应的影响，灯丝加热电路还要对空间电荷进行补偿，尽管采取很多措施，mA实际值与设定值仍有较大误差。

另外，实时控制可以使X线机曝光参量的重复性大大提高。因为高频X线机的设定电路和检测电路可以做得很精确，所以不论影响kV和mA的因素有多少，只要其变化幅度在某一允许范围内，每次曝光输出量都可以保持基本一致，而工频X线机很难做到这一点。

(五)高压变压器的体积小、重量轻

根据变压器的工作原理，变压器初级绕组的匝数和铁芯截面积的乘积，与初级电压和电源频率之间的关系为

NS＝E/4.44fB

式中：N为初级匝数；S为铁芯截面积；E为初级电压；f为工作频率；B为磁通密度。由于f越大，NS就越小，因此高频高压发生器比工频高压发生器的体积和重量要小得多，这一优点对生产便携式和移动式X线机非常有利。采用直流逆变技术的便携式和移动式X线机在X线输出剂量和线质上，在操作轻便灵活上，在对电源适应能力上，在安全与美观上与工频X线机相比都具有无可比拟的优越性。

(六)可实现超短时曝光

X线机能否超短时曝光取决于高压波形的上升沿，高频X线机高压波形上升沿很陡，一般是十几至几十微秒，所以最短曝光时间可达1ms。工频X线机的高压波形按正弦波变化，上升沿缓慢，比如使用50Hz交流电源供电的单相全波整流工频X线机，因为高压次级波形一个脉冲是10ms，而有效电压只占5ms，所以此类X线机的最短曝光时间应大于3ms。

(七)便于智能化

高频X线机使用计算机对整机进行控制和管理，并且这一控制和管理方式与程控X线机相比有着显著的不同。计算机的应用将高频X线机的各种性能提高到一个崭新的水平，比如降落负载、曝光限时、故障报警、实时控制、数据存储、自动处理等，这些都为X线机的数字化和智能化创造了必要条件。

高频X线机和工频X线机机性能对比如表5-1所示。

表5-1 高频X线机和工频X线机性能对比

项目	高频机	工频机	项目	高频机	工频机
线谱	窄	宽	波形	近似直流	1～12脉冲
稳定性	随调稳定	预调不稳定	可控性	实时	预置
有效成分	高	低中	皮肤剂量	中	大
重复性	≤0.02	≤0.05	体积重量	小	大
管电压	＜±5%	＜±10%	设计要求	高	中
mAs值	＜±10%	＜±20%	材料要求	高	一般
短时曝光	1ms	3ms	适用范围	全型号	大中型

 

二、工作原理

高频X线机的电路构成如图5-1所示，它主要由主电路(工频电源→整流电路→主逆变和灯丝逆变→高压发生器)、功率控制电路(主逆变触发控制、灯丝逆变触发控制)、阳极启动电路、键盘及显示电路、接口电路等其它控制电路和计算机系统等构成。

工频电源V₀经整流、滤波后变为540V左右的直流高压V₁，此电压经主逆变电路变成频率为几十千Hz的高频电压V₂，该高频电源送高压变压器初级，次级所获得的交流高频电压经升压整流变成恒直流高压V₃，给X线管提供管电压。管电压的控制一般采用脉宽调制(pulse width modulation，PWM)方式。灯丝加热也采用类似的方法，工频电源V0经过整流、滤波、调整后输出直流电压V₄，逆变后成为几千或几十千Hz的高频电压V₅，该电压送灯丝变压器初级，次级输出作为X线管的灯丝加热电压V₆。管电流的控制一般也采用PWM调制方式。

图5-1  高频X线机的电路构成

计算机控制电路是整个高频X线机的核心，其主要作用是通过读、写数据并发出指令来协调整机电路有条不紊的工作。它一般由单片机和外围电路组成。主逆变触发和灯丝逆变触发大多采用闭环控制模式，在曝光过程中，kV和mA检测信号或灯丝检测信号与曝光参量设定值实时进行比较，比较信号不断跟踪调整主逆变触发脉冲的宽度和灯丝逆变触发脉冲的宽度，从而实时调整kV和mA。通过服务开关可以设置X线管、主机以及主机外围设备的一些参数，同时还可以调用服务程序完成比如模拟曝光、显示实际kV和mA值、显示X线管热容量等多种功能。健盘操作、数码或液晶显示、曝光操作以及X线管阳极启动等都由计算机系统控制和管理。若配以相应的设备，高频X线机还可实现自动亮度控制(automatic brightness control，ABC)和自动曝光控制(automatic exposure control，AEC)，多数还包括较完善的故障检测及保护，故障显示等电路。

 

 直流逆变电源

直流逆变电源或称高频电源，是高频X线机的重要组成部分，是高频X线机区别于工频X线机的标识性电路，它主要由直流电源、直流逆变和逆变控制等三部分构成。

一、直流电源

直流电源是直流逆变的工作电源。小型高频X线机可直接用蓄电池供电，或由220V单相交流电源经整流后转换为直流电源。15kW以下的高频X线机一般使用220V单相交流电源，经桥式整流或倍压整流后转换成直流电源；15kW以上的高频X线机多采用380V三相交流电源，经三相桥式整流、滤波后转换成直流电源。

如图5-2所示的直流电源，由三相~380V电源经整流、大容量电容C₁、C₂、C₃、C₄滤波后提供，电容两端输出电压V₀为约540V左右。由于大容量电容的耐压值一般都在500V以下，为提高电容耐压值，保证其在540V电压下可靠工作，一般采用两个电容串联使用。

图5-2  直流电源

 

二、桥式逆变

将直流电变换为交流电的过程称为直流逆变。直流逆变的方法通常有桥式逆变、半桥式逆变和单端逆变三种。桥式逆变的应用最为普遍，其逆变原理如图5-3所示。

图5-3  桥式逆变工作原理图

图中K₁~K₄为电子开关，Z为负载阻抗。本电路的基本特点是适当控制四只电子开关的动作来实现直流到交流的变换。若电路上能确保四只电子开关按以下顺序开闭，则在负载Z上的电压波形就为正、负交替的矩形波，如图5-4所示。

图5-4  桥式逆变在负载上的波形

时间t₁：K₁、K₂闭合，K₃、K₄断开，电流为i₁，Z上电压为E；

时间t₂：K₁、K₂断开，K₃、K₄断开，电流为0，Z上电压为0；

时间t₃：K₃、K₄闭合，K₁、K₂断开，电流为i₂，Z上电压为-E；

时间t₄：K₃、K₄断开，K₁、K₂断开，电流为0，Z上电压为0；

t₁~t₄为一个周期T，然后周而复始，如果周期T适当的话，就可以输出正负交替的矩形波。

高频X线机的高压逆变通常采用RLC串联谐振的桥式逆变器，逆变器的实际振荡电路如图5-5所示。

图5-5  RLC桥式逆变电路

RLC串联谐振电路的固有振荡频率f_n为

当RLC固有振荡频率f_n等于可控硅触发脉冲频率f_g时，通过负载的电流波形如图5-6(2)所示，A、B两端的电压波形如图5-6(3)实线所示。

图5-6  f_g=f_n时的电流及电压波形

T₀~T₁时间：Q₁，Q₂被触发导通，直流电源E迅速向电容C充电，充电电流i₁上升很快。随着V_C的增加，i₁上升速度减慢，达到最大值后其值开始减小。由于电感的作用，i₁只能逐渐衰减而不能立即减小到零，但电容C的电压仍继续上升。在T₁时刻电容C上充得的电压V_C>E，Q₁、Q₂自行关断，i₁降到零。

T₁～T₂时间：由于V_C>E，所以V_C通过二极管D₁、直流电源E、二极管D₂、RLC电路形成放电回路且放电电流为i₂。由于电阻R的消耗，放电电流小于正向充电电流。在T₂时刻电容C放电完毕，i₂降到零。T₁~T₂期间，由于D₁、D₂管压降反相作用，Q₁、Q₂一直处于截止状态。

T₂~T₃时间：Q₃、Q₄被触发导通，直流电源E通过Q₃、Q₄、RLC对电容C反相充电，充电电流为i₂。在T₃时刻电容C上充得的电压V_C>E，此时Q₃、Q₄截止。

T₃~T₄时间：由于V_C>E，V_C通过二极管D₄、直流电源E、二极管D₃、RLC电路形成放电回路，放电电流为i₁。T₃~T₄期间，由于D₃、D₄的管压降反相作用，Q₃、Q₄一直处于截止状态。

T₀~T₄形成了一个完整的振荡周期，以后重复以上过程，在高压变压器初级即可得到输出频率与逆变桥触发频率相同的高频电压。一般来讲，高频逆变电源的频率越高，经整流滤波后形成直流电压的波纹系数就越小。逆变的极限频率主要受到电子开关元件关断时间的限制，如果超过了这个极限频率就会出现前一组电子开关还未关断后一组就已经接通的情况，发生逆变短路故障。目前，许多电子开关元件的开关频率已经达到40~100kHz，足以满足逆变桥对逆变频率的要求。

在桥式逆变电路的实际应用中，电子开关可由晶体管、晶闸管、场效应管和IGBT等器件构成，但以晶闸管元件和场效应管最为常见，在电子开关的选用上，输出功率较大的逆变器一般都选用晶闸管或IGBT器件元件，比如国产高频X线机的主逆变电路；而输出功率较小的逆变器一般都选用场效应管，比如国产高频X线机的灯丝逆变电路。下面简单介绍两个桥式逆变电路在高频X线机中的应用。

1．IGBT逆变电路  HF-50R型X线机主逆变采用IGBT开关元件，其逆变频率为25kHz。主逆变桥如图5-7所示，补偿电容C、电感L及高压变压器初级线圈形成串联式振荡电路；两个智能功率模块(intelligent power modules，IPM)构成逆变桥的两个桥臂。每个IPM模块将两个IGBT、续流二极管、控制与驱动电路、短路保护、过流保护和过热保护电路等自诊断电路封装在一起，并且具有报警输出功能。当出现上述保护动作时IPM模块可向单片机输出报警信号。因此IPM模块具有高频化、智能化、高可靠性等优点，此优点使电路设计简单、维护方便。

图5-7  IGBT主逆变电路

2．场效应管逆变电路  HF-50R型X线机灯丝逆变采用场效应管开关元件，其逆变桥如图5-8所示，它由4只N沟道绝缘柵场效管Q₁~Q₄构成。灯丝逆变频率为10kHz。

图5-8  场效应管灯丝逆变电路

 

高频X线机的使用

HF50R型X线机是我国自行研制生产的高频X线机，本机与X线管组件、摄影床、胸片架等装置配套，适用于医疗单位对病人进行X线检查。

一、组成及特点

本机主要由控制台(上位计算机)、高压发生器(下位计算机)和X线管装置组成，且控制台与高压发生器分开，整体结构轻巧美观。控制台外形如图5-9所示，高压发生器外形如图5-10所示。高压发生器工作频率为高频，具有管电压波形稳定、曝光时间短、病人剂量低、精度高等优点；采用微处理器控制，大大提高了曝光的重复性，具有自诊断、报警、报错和自保护等功能；故障时提供相应错误代码，减少了排错时间，使设备维修快捷方便。

图5-9  控制台外形图

图5-10  发生器柜外形图

 

二、主要技术参数

（1）三相电源：380±38V。

（2）电源频率：50±1Hz。

（3）电源容量：55kVA。

（4）电源内阻：小于0.3Ω。

（5）保护接地电阻：小于4Ω。

（6）最高输出电压：150kV。

（7）输出最高管电压时的最大管电流：320 mA。

（8）最大输出功率：100 kV、50 mAs (500 mA，100 ms)时大焦点的最大输出功率为50kW。

（9）标称功率：100 kV、50 mAs (500 mA，100 ms)时大焦点的最大输出功率为50kW。150 kV、50mAs(500 mA，100 ms)时小焦点的标称功率为15kW。

（10）最大管电流：500 mA。

（11）X线管焦点尺寸：小焦点0.6mm×0.6mm；大焦点1.2mm×1.2mm。

（12）摄影管电压调节范围：40~150 kV，最小可调节间隔应不大于1 kV。

（13）摄影管电流调节范围：

1）大焦点：125mA；160mA；200mA；250mA；320mA；400mA；500mA，共分7档。

2）小焦点：25mA；32mA；40mA；50mA；63mA；80mA；100mA，共分7档。

（14）曝光时间选择：5ms；6.3ms；8ms；10ms；12.5ms；16ms；20ms；25ms；32ms；40ms；50ms；63ms；80ms；100ms；125ms；160ms；200ms；250ms；320ms；400ms；500ms；630ms；800ms；1000ms；1250ms；1600ms；2000ms；2500ms；3200ms；4000ms；5000 ms，共分31档。

（15）mAs选择：0.5mAs；0.63mAs；0.8mAs；1.0mAs；1.25mAs；1.6mAs；2.0mAs；2.5mAs；3.2mAs；4.0mAs；5.0mAs；6.3mAs；8.0mAs；10mAs；12.5mAs；16mAs；20mAs；25mAs；32mAs；40mAs；50mAs；63mAs；80mAs；100mAs；125mAs；160mAs；200mAs；250mAs；320mAs；400mAs；500mAs，共分31挡。

三、操作面板按键功能介绍

控制台操作面板如图5-11所示。面板左下方设有开、关机按键。面板左边为几个选择按键，从上到下分别为摄影方式选择、探测野选择、屏速选择、密度选择、复位等。面板中央为液晶显示屏，用于X线机工作状态及kV、mA、mAs、ms等曝光参数等的显示。面板右边是曝光参数设置键，从上到下分别是kV+、kV-；mA+、mA-；mAs+、mAs-；ms+、ms-键。面板下方是体型选择、摄影部位和体位选择按键。体型有胖、中、瘦；摄影部位有腰椎、胸腔、颈部、头颅、盆腔、上肢、膝盖、脚踝等；体位分正位和侧位；另外还有器官程序摄影曝光参数存储键。下面简单介绍几个主要按键的功能：

图5-11  控制台操作面板

1．方式选择键  主要包括普通摄影方式、摄影床自动曝光摄影方式(AEC1)或立式摄影架自动曝光摄影方式(AEC2)、器官程序摄影(APR)方式等。

2．探测野选择键  AEC1或AEC2方式时，探测野分中间野、左右野、全野三种组合。

3．屏速选择键  AEC1或AEC2方式时，屏速有高、中、低三档。

4．密度选择键  AEC1或AEC2方式时，胶片密度的调整有-2、-1、0、+1、+2五档。

5．曝光参数设定键  按下kV+、kV-；mA+、mA-；mAs+、mAs-；ms+、ms-键，可增加或减少kV、mA、mAs、ms的设定值。

6．存储键  在器官程序摄影工作方式下，当程序设定的参数不能满足摄影要求时，通过操作kV、mA、mAs、ms等设置键，可修改对应设定值，按存储键，新设定的曝光参数被保存。

其它按键的功能简单易懂，不再详述。

四、使用方法

接通电源，按下控制台上的开机按键，控制台屏幕依次显示“系统自检，请稍后”字样，如上位机和下位机通讯正常，此画面等待大约5秒钟；如果通讯异常，程序自检过程中会显示错误代码。系统自检完毕后，进入操作界面。

1．普通摄影

（1）选择普通摄影方式；

（2）操作按键21~28，对应的kV、mA、mAs、ms设定值增加或减少；

（3）按手闸I档，约1.8秒后听到准备完毕后的蜂鸣器“嘀嘀嘀”的信号后，按下手闸Ⅱ档进行曝光；

（4）曝光结束后松开手闸。

2．器官程序摄影

（1）选择器官程序摄影方式；

（2）作投照方向选择、体形选择、摄影部位选择；

（3）核实部位曝光参数。如曝光参数不能满足要求，可进行修改和存储；

（4）按普通摄影方式要求曝光。

3．自动亮度摄影

（1）选择自动亮度摄影方式；

（2）操作视野选择键确定电离室的工作探头；

（3）根据使用的片盒，操作胶片/增感屏选择键；

（4）操作胶片亮度选择键选择胶片的黑度；

（5）根据摄影部位设定曝光参数；

（6）按普通摄影方式要求曝光。