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Title:
CIRCUIT FOR DIRECT CONTROL OF THE ANODE CURRENT OF AN X- RAY TUBE WITH MONOPOLAR OR BIPOLAR POWER SUPPLY BY MEANS OF THE AUTOMATIC REGULATION OF THE GRID CURRENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2024/074737
Kind Code:
A1
Abstract:
A circuit that aims to control directly the anode current of a cold cathode X-ray tube by means of a feedback signal proportional to the current of the anode itself (IA) by means of the automatic regulation of the grid current (IG) of the X- ray tube, the control being carried out by means of a closed loop comprising: a closed loop control circuit (CLR1) that generates an amplified error signal (SMOD) that is the amplified difference between the signal proportional to the anode current (IA) and the demanded current of the anode (IDEM); a Digital Sequencer circuit that converts the received signal into several digital control signals; a grid current control circuit that receives the digital control signals from the Digital Sequencer circuit and comprises at least one set formed by an inverter (INV) and optionally a converter (DC-DC CONV); and a voltage and current adapter transformer (TR), the rectified output of which supplies the grid intensity (IG) necessary to obtain the demanded anode intensity (IA). It avoids having to calibrate and/or characterize the curve of the anode current (IA) versus the grid current (IG), keeping the X-ray tube in perfect condition throughout its useful life.

Inventors:
DÍAZ CARMENA ÁNGEL (ES)
MOLINA CASLA JOSÉ LUIS (ES)
MIRÓN QUIRÓS AGUSTÍN (ES)
Application Number:
PCT/ES2023/070286
Publication Date:
April 11, 2024
Filing Date:
May 05, 2023
Export Citation:
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Assignee:
SOC ES DE ELECTROMEDICINA Y CALIDAD S A (ES)
International Classes:
H05G1/34
Foreign References:
US20200367350A12020-11-19
US20120286692A12012-11-15
CN109068468A2018-12-21
Attorney, Agent or Firm:
LOPEZ CAMBA, Maria Emilia (ES)
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Claims:
REIVINDICACIONES

1.- Circuito de control directo de la corriente del ánodo en un tubo de Rayos-X por medio de la regulación automática de la corriente de rejilla, donde el ánodo (A) está unido a una fuente de alimentación (VAK) ó (VAK/2) que está conectada a tierra a través de un medidor de la corriente del ánodo, mientras que el cátodo (K) está conectado también a tierra, por otro lado, la rejilla (G) está conectada mediante un lazo cerrado de control con la corriente del ánodo, donde dicho lazo de control en la realización preferente pero no limitativa mostrada comprende:

- Un circuito Controlador del lazo cerrado (CLR1 ) que comprende un comparador en el que se lleva a cabo una comparación entre una señal proporcional a la corriente del ánodo (IA) y una señal de demanda de la corriente del ánodo (IDEM) obteniéndose una señal de error amplificada (SMOD) señal que es la diferencia amplificada entre la señal proporcional a la corriente del ánodo (IA) y la corriente demandada del ánodo (IDEM),

- Un circuito de Secuenciador Digital conectado con el circuito de Control del lazo cerrado (CLR1 ) y que recibe la señal de error amplificada (SMOD) y que convierte la señal recibida en vahas señales digitales de control

- Un circuito controlador de la corriente de rejilla que recibe las señales digitales de control del circuito Secuenciador Digital y que comprende al menos un conjunto formado por un inversor (INV) y opcionalmente un conversor (CONV DC-DC), siendo aplicadas dichas señales digitales de control al conversor (CONV DC-DC) y al inversor (INV) que alimenta a un transformador, cuya salida rectificada suministra una corriente de rejilla (IG) tal que permite obtener una corriente de ánodo prácticamente igual a la corriente demandada (IDEM). 2.- Circuito de control según la reivindicación 1 caracterizado porque el circuito de Controlador del lazo cerrado (CLR1 ) además comprende un amplificador de ganancia G(s) dispuesto a la salida del comparador.

3.- Circuito de control según la reivindicación 1 ó 2 caracterizado porque el circuito controlador de la corriente de rejilla (IG) comprende además una conexión a una tensión de alimentación (Vsup) conectada al conjunto del inversor (INV) y opcionalmente al convertidor DC-DC (CONV DC-DC). Donde la salida del inversor (INV) está conectada con un transformador (TR), y la salida de este transformador (TR) está conectada a un rectificador (RECT) cuyas salidas están conectadas a la rejilla y a tierra.

4.- Circuito de control según la reivindicación 3 caracterizado porque el convertidor DC-DC está formado por un condensador (C) en paralelo con un primer interruptor (Q1 ) y un diodo (D1 ) y, por otro lado por una bobina (L) y un diodo de retomo (D2) en paralelo al conjunto formado por el primer interruptor (Q1 ) y la bobina (L), mientras que el inversor está formado por un puente que comprende un segundo interruptor (Q2), un tercer interruptor (Q3), un cuarto interruptor (Q4) y un quinto interruptor (Q5), donde el segundo interruptor (Q2) y el quinto interruptor (Q5) están en serie formando una primera rama, mientras que el tercer interruptor (Q3), el cuarto interruptor (Q4) están en serie forman una segunda rama, quedando ambas ramas en paralelo entre sí, de manera que cada rama en su mitad está conectada con un transformador (TR1 ) cuya salida está conectada a un puente rectificador donde se obtiene la corriente de rejilla (IG), mientras que del extremo inferior de ambas ramas del inversor y del convertidor DC-DC van conectadas a tierra.

5.- Circuito de control según las reivindicaciones 1 y 3 caracterizado porque el convertidor (DC-DC) y el inversor (INV) están integrados en un solo inversor y controlado en tensión y/o en corriente, obteniéndose resultados muy similares. 6.- Circuito de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el circuito Secuenciador Digital cuando recibe la orden de exposición (EXP) genera dos señales, una primera señal (S1 ) para el convertidor (CONV DC-DC) y un segundo grupo de señales (S2) de control para el inversor (INV).

7.- Circuito de control según la reivindicación 6 caracterizado porque el circuito Secuenciador Digital comprende un flip-flop (FF1 ) disparado por flanco positivo, que cuenta con una entrada de activación a la que está conectada una puerta AND (AND1 ) que a su vez tiene como entradas una señal de reloj (CLOCK) y una señal de comienzo de exposición (EXP); y una señal de reseteo (RES) a la que está conectada un comparador (COMP1 ) que a su vez tiene como entradas la señal de error amplificada (SMOD) y el valor instantáneo del diente de sierra (DS), de manera que el flip-flop (FF1 ) activará su salida (Q) cuando las entradas de la puerta (AND1 ) sean ambas “1”, mientras que cuando alcance y/o supere el valor de la señal de error amplificada (SMOD) y el valor instantáneo del diente de sierra (DS) en el comparador (COMP1), provocará que su salida sea “0”, reiniciando la salida (Q) de (FF1 ), hasta que sea encendido de nuevo en el siguiente ciclo de reloj (CLOCK).

8.- Circuito de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la alimentación es una alimentación monopolar desde una fuente de alimentación (VAK) donde el ánodo (A) está unido a una fuente de alimentación (VAK) que está conectada a tierra a través de un shunt para medir la corriente del ánodo IA, mientras que el cátodo (K) está conectado también a tierra.

9.- Circuito controlador de la exposición de rayos-x por medio de una corriente de rejilla, según cualquiera de las reivindicaciones 1-7 caracterizado porque la alimentación es una alimentación bipolar donde el ánodo (A) está unido a la fuente de alimentación (VAK/2) que está conectada a tierra a través de un shunt para medir la corriente del ánodo (IA), mientras que el cátodo (K) está conectado a otra fuente de alimentación (VAK/2) que también está conectada a tierra.

REIVINDICACIONES MODIFICADAS recibidas por la oficina Internacional el 9 de Octubre de 2023 (09.10.2023)

1.- Circuito de control directo de la corriente del ánodo en un tubo de Rayos-X por medio de la regulación automática de la corriente de rejilla, donde el ánodo (A) está unido o bien a una fuente de alimentación (VAK) que está conectada a tierra, mientras que el cátodo (K) está conectado a tierra, o bien a una fuente de alimentación (VAK/2) mientras que el cátodo (K) está conectado a otra fuente de alimentación (VAK/2) que también está conectada a tierra, por otro lado, la rejilla (G) está conectada mediante un lazo cerrado de control con la corriente del ánodo, donde dicho lazo de control comprende:

- Un circuito Controlador del lazo cerrado (CLR1 ) que comprende un comparador en el que se lleva a cabo una comparación entre una señal proporcional a la corriente del ánodo (IA) y una señal de demanda de la corriente del ánodo (IDEM) obteniéndose una señal de error amplificada (SMOD) señal que es la diferencia amplificada entre la señal proporcional a la corriente del ánodo (IA) y la corriente demandada del ánodo (IDEM),

- Un circuito de Secuenciador Digital conectado con el circuito de Control del lazo cerrado (CLR1) y que recibe la señal de error amplificada (SMOD) y que convierte la señal recibida en vahas señales digitales de control

- Un circuito controlador de la corriente de rejilla que recibe las señales digitales de control del circuito Secuenciador Digital y que comprende al menos un conjunto formado por un inversor (INV) y opcionalmente un conversor (CONV DC-DC), siendo aplicadas dichas señales digitales de control al conversor (CONV DC-DC) y al inversor (INV) que alimenta a un transformador, cuya salida rectificada suministra una corriente de rejilla (IG) tal que permite obtener una corriente de ánodo prácticamente igual a la corriente demandada (IDEM).

HOJA MODIFICADA (ARTICULO 19) 2.- Circuito de control según la reivindicación 1 caracterizado porque el circuito de Controlador del lazo cerrado (CLR1 ) además comprende un amplificador de ganancia G(s) dispuesto a la salida del comparador.

3.- Circuito de control según la reivindicación 1 ó 2 caracterizado porque el circuito controlador de la corriente de rejilla (IG) comprende además una conexión a una tensión de alimentación (Vsup) conectada al conjunto del inversor (INV) y opcionalmente al convertidor DC-DC (CONV DC-DC). Donde la salida del inversor (INV) está conectada con un transformador (TR), y la salida de este transformador (TR) está conectada a un rectificador (RECT) cuyas salidas están conectadas a la rejilla y a tierra.

4.- Circuito de control según la reivindicación 3 caracterizado porque el convertidor DC-DC está formado por un condensador (C) en paralelo con un primer interruptor (Q1) y un diodo (D1) y, por otro lado por una bobina (L) y un diodo de retorno (D2) en paralelo al conjunto formado por el primer interruptor (Q1 ) y la bobina (L), mientras que el inversor está formado por un puente que comprende un segundo interruptor (Q2), un tercer interruptor (Q3), un cuarto interruptor (Q4) y un quinto interruptor (Q5), donde el segundo interruptor (Q2) y el quinto interruptor (Q5) están en serie formando una primera rama, mientras que el tercer interruptor (Q3), el cuarto interruptor (Q4) están en serie forman una segunda rama, quedando ambas ramas en paralelo entre sí, de manera que cada rama en su mitad está conectada con un transformador (TR1 ) cuya salida está conectada a un puente rectificador donde se obtiene la corriente de rejilla (IG), mientras que del extremo inferior de ambas ramas del inversor y del convertidor DC-DC van conectadas a tierra.

5.- Circuito de control según las reivindicaciones 1 y 3 caracterizado porque el convertidor (DC-DC) y el inversor (INV) están integrados en un solo inversor y controlado en tensión y/o en corriente.

HOJA MODIFICADA (ARTICULO 19) 6.- Circuito de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el circuito Secuenciador Digital cuando recibe la orden de exposición (EXP) genera dos señales, una primera señal (S1 ) para el convertidor (CONV DC-DC) y un segundo grupo de señales (S2) de control para el inversor (INV).

7.- Circuito de control según la reivindicación 6 caracterizado porque el circuito Secuenciador Digital comprende un flip-flop (FF1 ) disparado por flanco positivo, que cuenta con una entrada de activación a la que está conectada una puerta AND (AND1) que a su vez tiene como entradas una señal de reloj (CLOCK) y una señal de comienzo de exposición (EXP); y una señal de reseteo (RES) a la que está conectada un comparador (COMP1) que a su vez tiene como entradas la señal de error amplificada (SMOD) y el valor instantáneo del diente de sierra (DS), de manera que el flip-flop (FF1) activará su salida (Q) cuando las entradas de la puerta (AND1 ) sean ambas “1”, mientras que cuando alcance y/o supere el valor de la señal de error amplificada (SMOD) y el valor instantáneo del diente de sierra (DS) en el comparador (COMP1 ), provocará que su salida sea “0”, reiniciando la salida (Q) de (FF1 ), hasta que sea encendido de nuevo en el siguiente ciclo de reloj (CLOCK).

8.- Circuito de control según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque en caso de que la alimentación sea una alimentación monopolar desde una fuente de alimentación (VAK) donde el ánodo (A) está unido a una fuente de alimentación (VAK), esta fuente de alimentación (VAK) está conectada a tierra a través de un shunt para medir la corriente del ánodo IA.

9.- Circuito controlador de la exposición de rayos-x por medio de una corriente de rejilla, según cualquiera de las reivindicaciones 1-7 caracterizado porque en caso de que la alimentación sea una alimentación bipolar donde el ánodo (A) está unido a la fuente de alimentación (VAK/2), esta fuente de alimentación

HOJA MODIFICADA (ARTICULO 19) (VAK) está conectada a tierra a través de un shunt para medir la corriente del ánodo (IA)..

HOJA MODIFICADA (ARTICULO 19)

Description:
CIRCUITO DE CONTROL DIRECTO DE LA CORRIENTE DEL ÁNODO DE UN TUBO DE RAYOS-X CON ALIMENTACIÓN MONOPOLAR O BIPOLAR POR MEDIO DE LA REGULACIÓN AUTOMÁTICA DE LA CORRIENTE DE

REJILLA

DESCRIPCIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN

Es objeto de la presente invención, tal y como el título de la invención establece un circuito de control directo de la corriente del ánodo de un tubo de rayos-x de cátodo frío por medio de la regulación automática de la corriente de rejilla.

Caracteriza a la presente invención el especial diseño y configuración de todos y cada uno de los elementos que forman parte del circuito de control de manera que se consigue controlar la corriente del ánodo (IA) de Rayos-X por medio de un control de lazo cerrado en el que una señal de retroalimentación directamente proporcional a la corriente del propio ánodo (IA) es utilizada para la regulación automática de la corriente de la rejilla (IG) del tubo de Rayos-X.

De esta forma evitamos la necesidad de tener que calibrar y/o caracterizar la curva de la corriente del ánodo (IA) versus la corriente de rejilla (IG). La corriente del ánodo (IA) es un parámetro fundamental que hay que controlar con mucha precisión, porque es el responsable de la cantidad de fotones de Rayos-X emitidos por el ánodo del tubo.

Gracias a las características del circuito se consigue una mayor precisión y estabilidad de la radiación emitida durante toda la vida del tubo de Rayos-X, sin necesidad de tener que hacer recalibraciones periódicas debido a los cambios en las características del tubo de Rayos-X por la degradación sufrida durante su uso cotidiano, ya que dicha degradación queda compensada por el lazo cerrado de control del circuito de la presente invención. Por lo tanto, la presente invención se circunscribe dentro del ámbito de los aparatos de Rayos-X y particularmente de entre los de cátodo frío.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En el estado de la técnica es conocido que la energía de una radiación de Rayos-X depende de los kV aplicados entre ánodo y cátodo, mientras que la cantidad de radiación depende de la corriente del ánodo, así como del tiempo de la exposición.

Actualmente se emplean tubos de rayos-X de cátodo frío o de temperatura ambiente, llamados así para distinguirlos de los tubos de emisión termoiónica donde se necesita un filamento incandescente para calentar el cátodo y permitirle que pueda emitir electrones hacia el ánodo. Con esta nueva tecnología de cátodo frío, el control de la emisión de los electrones se lleva a cabo a través de un cátodo (a temperatura ambiente) formado por una serie de nanotubos de carbono y donde, entre el cátodo y el ánodo se ha interpuesto una rejilla. Entre la rejilla y el cátodo se aplica un campo eléctrico lo suficientemente alto como para extraer los electrones que son atraídos y acelerados por el ánodo. Los electrones que llegan a impactar en el ánodo hacen que se liberen fotones de Rayos-X que son emitidos por el ánodo con una energía determinada por la tensión aplicada entre el ánodo y el cátodo. Para controlar la cantidad de electrones que impactan en el ánodo, es necesario controlar el campo eléctrico entre la rejilla y el cátodo.

En la figura 1 se puede ver el esquema de un aparato de rayos-x de cátodo frío alimentado al tubo de rayos-x con una fuente monopolar, donde se puede observar un ánodo (A), un cátodo (K) formado por una serie de nanotubos de carbono y en disposición enfrentada al ánodo (A) y entre los cuales se ha interpuesto una rejilla (G), existiendo un primer lazo formado por el ánodo (A), el cátodo (K) y una fuente de alimentación monopolar (KV) entre ambos. En la figura 1a, vemos el mismo tubo, pero alimentado con una fuente bipolar, con la mitad de la tensión alimentando al ánodo (A) y la otra mitad de la tensión alimentando al cátodo (K), con el centro de ambas fuentes conectadas a tierra, para reducir el estrés en los aislamientos de la propia fuente y del tubo de rayos-x respecto a tierra. También hay un segundo lazo formado por la rejilla (G), el cátodo (K) y una fuente de alimentación (V) que puede estar controlada por tensión o por corriente. Ambos lazos comparten un tramo común, de manera que por el primer lazo circula una corriente IA, y en el segundo lazo una corriente IG, mientras que en el tramo común discurre una corriente IA+IG.

En la figura 2 se muestra una gráfica que viene a expresar que la corriente del ánodo (IA) es lineal con la corriente de la rejilla (IG), mientras que en la figura 3 se muestra como la relación entre la corriente del ánodo (IA) y la corriente de la rejilla (IG) con relación a la tensión de la rejilla (VG) es exponencial y por lo tanto controlar la corriente del ánodo (IA) a través de la tensión de la rejilla es muy complicado.

En la figura 4 se puede observar un esquema de un circuito para controlar la corriente del ánodo (IA), donde el ánodo está conectado a tierra a través de una fuente de alimentación (VAG), la rejilla (G) está conectada directamente a tierra, y el cátodo (K) está conectado a tierra a través de una fuente de alimentación (Vsup) y un interruptor MOSFET, en el que cae una tensión (Vcont) y que está controlado mediante una señal de demanda de la corriente de cátodo (IKDemand).

En el esquema de control mostrado en la figura 4 se cumple que:

VGK = Vsup - Vcont

VAK = VAG + VGK

VAK = VAG + Vsup - Vcont Este esquema de control lleva a cabo un control lineal de la corriente de cátodo (IK) pero de manera muy compleja, además, requiere un MOSFET capaz de trabajar a vahos miles de voltios, del orden de 4.000 voltios y donde la caída de tensión entre fuente y drenador es muy grande.

Otro inconveniente muy grande de este tipo de control es que la tensión entre el ánodo y el cátodo del tubo de Rayos-X, depende de la tensión de la rejilla (la cual varía con el envejecimiento del tubo de Rayos-X), lo cual impacta directamente en la energía de la radiación emitida.

En las figuras 5 y 5a, se muestra un control de la exposición de rayos-X mediante el control de la corriente de rejilla, manteniendo independiente la tensión entre el ánodo y el cátodo (VAK monopolar o bipolar) pero esa corriente de rejilla tiene que ser previamente conocida para obtener la corriente de ánodo deseada. Esa corriente de rejilla se determina por medio de una calibración previa o por medio de una caracterización de la curva IA versus IG mostrada en la figura 2, que puede verse modificada por el uso cotidiano del tubo de Rayos-X y que además varía entre tubos del mismo tipo debido a las tolerancias en su proceso de producción. La ventaja de este tipo de controlador es que al conocerse previamente la corriente IG necesaria, dicha IG se puede precargar en el convertidor DC-DC antes de iniciar la exposición de Rayos-X y de esa manera acortar en algunos microsegundos el comienzo de la exposición de Rayos-X. Acortar este tiempo es fundamental para técnicas de escaneo y para realizar la exposición de Rayos-X en el momento exacto que se necesite, como por ejemplo en una línea de producción en serie donde los objetos a radiografiar viajan por una cinta transportadora. Teniendo en cuenta que, para más del 90% de las aplicaciones radiológicas ese tiempo no es crítico, es preferible enfocarse en la precisión, estabilidad y menor tiempo de parada del equipo para tener que realizar nuevas recalibraciones.

Por lo tanto, es objeto de la presente invención desarrollar un circuito de control directo de la corriente del ánodo de un tubo de rayos-x de cátodo frío por medio de la regulación automática de la corriente de rejilla (es decir, sin necesidad de conocer dicha corriente por medio de una calibración o caracterización previa). Además, el circuito de control que alimenta a la rejilla está aislado del circuito que alimenta al circuito entre el ánodo y el cátodo, lo que establece una tensión entre el ánodo y el cátodo VAK (monopolar o bipolar) constante e independiente del control de rejilla, obteniéndose un circuito controlador como el que a continuación se describe.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención queda recogido en su esencialidad en la reivindicación independiente y las diferentes realizaciones están recogidas en las reivindicaciones dependientes.

El circuito objeto de la invención está diseñado para controlar directamente la corriente del ánodo (IA) de la exposición de Rayos-X por medio de una señal de retroalimentación proporcional a la corriente del ánodo, y que es empleada para controlar de forma automática la corriente de la rejilla (IG) del tubo de Rayos-X para mantener precisa y estable la corriente del ánodo (IA) demandada (IDEM) y que finalmente es la responsable de la cantidad de fotones de Rayos-X que son emitidos.

El control de la corriente del ánodo (IA) se lleva a cabo mediante un circuito que alimenta automáticamente la corriente de rejilla (IG) por medio de un control en lazo cerrado, que comprende:

- Un circuito Controlador del lazo cerrado en el que se lleva a cabo una comparación entre una señal proporcional a la corriente del ánodo (IA) y una señal de demanda de la corriente del ánodo (IDEM) obteniéndose una señal que es la diferencia amplificada entre la señal proporcional a la corriente del ánodo y la corriente demandada del ánodo,

- Un circuito Secuenciador Digital conectado con el Controlador del lazo cerrado y que recibe la señal de la diferencia amplificada entre la señal proporcional a la corriente del ánodo y la corriente demandada del ánodo y que convierte la señal recibida en varias señales digitales de control.

- Un circuito controlador de la corriente de rejilla que recibe las señales digitales de control del circuito Secuenciador Digital y que comprende al menos un inversor y opcionalmente un conversor DC-DC, siendo aplicadas dichas señales digitales de control al conversor DC-DC y al inversor, para mediante un transformador adaptador y un rectificador a su salida, lograr una corriente de rejilla tal, que permite obtener una corriente de ánodo prácticamente igual a la corriente demandada.

El circuito Controlador del lazo cerrado de forma preferente pero no limitativa comprende un comparador que cuenta con una primera entrada que recibe una señal de una corriente proporcional a la corriente del ánodo (IFB) y una segunda entrada que es la señal demandada de la corriente del ánodo (IDEM). Las dos señales son comparadas y amplificadas con una ganancia G(s), entregando a su salida una señal de la diferencia amplificada entre la señal proporcional a la corriente del ánodo y la corriente demandada del ánodo.

El circuito controlador de la corriente de rejilla (IG) en una posible forma de realización no limitativa comprende una conexión a una tensión de alimentación (Vsup) conectada con un convertidor DC-DC (CONV DC-DC), conocido como “buck converter”, éste a su vez está conectado con un inversor cuya salida está conectada con un transformador, y la salida de este transformador está conectada a un rectificador cuyas salidas están conectadas a la rejilla y a tierra.

Es de reseñar, que el convertidor DC-DC y el inversor, podrían estar integrados en un solo inversor con otra topología diferente a la descrita y controlado en tensión y/o en corriente, obteniéndose un resultado similar al descrito en la presente invención. Lo mismo sucede con el Controlador del lazo cerrado, que podría ser analógico o digital, con resultados prácticamente ¡guales. El circuito Secuenciador Digital, en una posible forma de realización, cuando recibe la orden de exposición (EXP) genera dos señales, una primera señal (S1 ) para el convertidor DC-DC y un segundo grupo de señales (S2) de control para el inversor (INV).

En una forma de realización preferente pero no limitativa el convertidor DC-DC está formado por un condensador en paralelo con un primer interruptor y un primer diodo y por una bobina y un diodo de retomo dispuestos en paralelo al conjunto formado por el primer interruptor y la bobina.

El inversor está formado por un puente que comprende un segundo interruptor, un tercer interruptor, un cuarto interruptor y un quinto interruptor, donde el segundo interruptor y el quinto interruptor están en serie formando una primera rama, mientras que el tercer interruptor, el cuarto interruptor están en señe forman una segunda rama, quedando ambas ramas en paralelo entre sí.

Cada rama en su mitad está conectada con un transformador cuya salida está conectada a un puente rectificador donde se obtiene la intensidad de rejilla necesaria, mientras que del extremo inferior de ambas ramas del inversor y del convertidor DC-DC van conectados a tierra.

Gracias al circuito de control descrito se consigue un control de la corriente de ánodo directamente al controlar la alimentación de la rejilla mediante el transformador TR. Dicho transformador TR, podría suministrar tensiones de rejilla de hasta 15 kV o más, si fuera necesario. Al ser el circuito de control de rejilla independiente del circuito Ánodo-Cátodo, la tensión VAK (ya sea monopolar o bipolar) no se ve en absoluto afectada por el control de la rejilla. Como la tensión VAK es la responsable de la energía con que se emite la radiación, la dosis total emitida de Rayos-X es mucho más precisa y estable.

El circuito de control directo de la corriente de ánodo tiene ventajas muy importantes que resultarían fundamentales en cualquier equipo radiológico fijo o portátil y que se podrían aplicar perfectamente a un equipo con tomografía y/o tomosíntesis, con uno o con múltiples tubos de rayos-x controlados independientemente:

- En primer lugar, el control de la rejilla no altera en absoluto la tensión ánodo-cátodo.

- En segundo lugar, el circuito de control de la rejilla puede llegar a suministrar 15KV o más si fuera necesario (igual que en la patente del control de la exposición).

- Y, en tercer lugar, el equipo no precisa de ningún tipo de calibración, caracterización y/o mantenimiento, permaneciendo con su precisión óptima durante toda la vida del equipo.

Salvo que se indique lo contrario, todos los elementos técnicos y científicos usados en la presente memoria poseen el significado que habitualmente entiende un experto normal en la técnica a la que pertenece esta invención. En la práctica de la presente invención se pueden usar procedimientos y materiales similares o equivalentes a los descritos en la memoria.

A lo largo de la descripción y de las reivindicaciones la palabra “comprende” y sus vahantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención.

EXPLICACION DE LAS FIGURAS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente. En la figura 1 , podemos observar el esquema de un aparato de rayos-x de cátodo frío alimentando al tubo de rayos-x con una fuente monopolar.

En la figura 1a, vemos el mismo esquema del aparato de rayos-x de cátodo frío, pero alimentando al tubo de rayos-x con una fuente bipolar.

En la figura 2 se muestra una gráfica que viene a expresar que la corriente del ánodo (IA) es lineal con la corriente de la rejilla (IG).

En la figura 3 se muestra la relación entre la corriente del ánodo (IA) y de la corriente de la rejilla (IG) con relación a la tensión de rejilla (VG).

En la figura 4 se puede observar un esquema de un circuito para controlar la corriente del ánodo (IA) a través de la corriente del cátodo (IK), que a su vez afecta a la tensión entre ánodo y cátodo VAK (y por lo tanto también afecta a la energía de la radiación emitida) según el estado del arte.

En las figuras 5 y 5a, vemos con alimentación monopolar y bipolar respectivamente, el circuito controlador de la exposición de rayos-x a través de la corriente de rejilla (IG) que requiere un proceso de caracterización y/o calibración de dicha corriente para obtener la corriente de ánodo (IA) requerida.

En la figura 6 se muestra el diagrama de bloques del control empleado en la realización objeto de la invención con alimentación monopolar del tubo de rayos-x, que consiste en controlar directamente la corriente de ánodo (IA) a través del control automático de la corriente de rejilla (IG).

En la figura 6a se muestra el mismo diagrama de bloques, pero con alimentación bipolar del tubo de rayos-x.

En la figura 7 se muestra una forma preferente no limitativa de realización del circuito controlador de la corriente de rejilla, donde el convertidor DC-DC está formado por un condensador (C) en paralelo con un primer interruptor (Q1 ) y un diodo (D1 ); y por una bobina (L) y un diodo de retomo (D2) en paralelo al conjunto formado por el primer interruptor (Q1) y la bobina (L). La salida del convertidor DC-DC alimenta al inversor formado por los transistores Q2, Q3, Q4 y Q5 que a su vez alimentan con una corriente alterna de alta frecuencia al transformador TR1. La salida de TR1 , se rectifica para entregar corriente continua a la rejilla del tubo de Rayos-X.

En la figura 8 se muestra un ejemplo ilustrativo del ciclo de trabajo del Secuenciador Digital, trabajando con un Controlador del lazo cerrado del tipo analógico, en los instantes previo a la exposición de Rayos-X, durante la exposición de Rayos-X y al final de la exposición de Rayos-X.

En la figura 9 se muestra una posible forma de realización de un circuito de control de corriente con un modulador de ancho de pulso PWM, partiendo de una entrada de control analógica (SMOD) para actuar directa y digitalmente sobre el Convertidor DC-DC.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las figuras se describe seguidamente un modo de realización preferente de la invención propuesta.

Las figuras 1 a 5 y 5a corresponden a explicaciones del estado del arte del control de la exposición de rayos-x.

En las figura 6 y 6a, se puede observar el diagrama de bloques del circuito controlador directo de la corriente de ánodo (IA), donde el ánodo (A) está unido a una fuente de alimentación (VAK con alimentación monopolar o bipolar) que está conectada a tierra a través de un medidor de la corriente del ánodo (IA), mientras que el cátodo (K) está conectado también a tierra, por otro lado, la rejilla (G) está conectada mediante un lazo cerrado de control con la corriente del ánodo, donde dicho lazo de control en la realización preferente pero no limitativa mostrada comprende:

- un circuito Controlador del lazo cerrado (CLR1 ) del tipo PID o similar, que de forma preferente pero no limitativa, tiene una primera entrada que recibe una señal de una corriente (IFB) que es proporcional a la corriente del ánodo (IA) y una segunda entrada que es la señal demandada de la corriente del ánodo (IDEM). Las dos señales son comparadas y amplificadas mediante un amplificador de ganancia G(s), entregando a su salida una señal de error amplificada (SMOD) que es la diferencia amplificada entre la señal proporcional a la corriente del ánodo y la corriente demandada del ánodo (IDEM).

- Un circuito Secuenciador Digital, donde hay una primera entrada, que es la salida del Controlador del lazo cerrado, en concreto la señal de error amplificada (SMOD) y una segunda entrada que es la señal de orden de exposición de Rayos-X (EXP). Este Secuenciador Digital genera una primera salida (S1) que controla el Convertidor DC-DC por medio de una señal PWM y un segundo grupo de señales (S2) que secuencian el funcionamiento del inversor (INV), cuando se recibe la señal de exposición de Rayos-X (EXP).

- Un circuito controlador de la corriente de rejilla (IG) que de forma preferente pero no limitativa, comprende una conexión a una tensión de alimentación (Vsup) conectada con un convertidor DC-DC (CONV DC- DC), conocido como “buck converter”, éste a su vez está conectado con un inversor (INV) cuya salida está conectada con un transformador (TR), y la salida de este transformador (TR) está conectada a un rectificador (RECT) cuyas salidas están conectadas a la rejilla (G) y a tierra.

En la figura 6 la alimentación es una alimentación monopolar desde una fuente de alimentación (VAK) donde el ánodo (A) está unido a la fuente de alimentación (VAK) que está conectada a tierra a través de un shunt para medir la corriente del ánodo IA, mientras que el cátodo (K) está conectado también a tierra.

Mientras que en la figura 6a la alimentación es una alimentación bipolar donde el ánodo (A) está unido a la fuente de alimentación (VAK/2) que está conectada a tierra a través de un shunt para medir la corriente del ánodo (IA), mientras que el cátodo (K) está conectado a otra fuente de alimentación (VAK/2) que también está conectada a tierra.

En la figura 7 se muestra una forma preferente no limitativa de realización de los anteriores elementos del circuito controlador de la corriente de rejilla, donde el convertidor DC-DC está formado por un condensador (C) en paralelo con un primer interruptor (Q1 ) y un diodo (D1 ) y, por otro lado, por una bobina (L) y un diodo de retomo (D2) en paralelo al conjunto formado por el primer interruptor (Q1 ) y la bobina (L).

El inversor está formado por un puente que comprende un segundo interruptor (Q2), un tercer interruptor (Q3), un cuarto interruptor (Q4) y un quinto interruptor (Q5), donde el segundo interruptor (Q2) y el quinto interruptor (Q5) están en serie formando una primera rama, mientras que el tercer interruptor (Q3), el cuarto interruptor (Q4) están en serie forman una segunda rama, quedando ambas ramas en paralelo entre sí.

Cada rama en su mitad está conectada con un transformador (TR1 ) cuya salida está conectada a un puente rectificador donde se obtiene la corriente de rejilla (IG), mientras que del extremo inferior de ambas ramas del inversor y del convertidor DC-DC van conectadas a tierra.

En la figura 8 se muestra el ejemplo del funcionamiento del Secuenciador Digital en diferentes ciclos de reloj (C1 a C12), y el estado de los diferentes interruptores (Q1 , Q2, Q3, Q4, Q5), así como las entradas de orden de exposición (EXP) y la señal de error, que en este ejemplo es una señal analógica amplificada (SMOD). En el ciclo (C1), no hay orden de exposición y por lo tanto los 5 transistores (Q1 , Q2, Q3, Q4 y Q5) están apagados.

En el ciclo (C2) se recibe la orden de exposición (EXP) y el transistor (Q1 ) comienza a modular, de acuerdo con señal de error amplificada (SMOD) comparada con la señal del diente de sierra (DS) que está sincronizado con una señal de reloj (CLOCK) y generada en el propio secuenciador Digital. A la vez, se da la orden de encender la diagonal formada por los transistores (Q2) y (Q4), manteniendo apagados (Q3) y (Q5).

En el ciclo (C3), el transistor (Q1) sigue modulando de la misma forma que en el ciclo anterior, es decir, controlado por las señales (SMOD) y (DS). Ahora se apaga la diagonal de los transistores (Q2) y (Q4), y se enciende la diagonal opuesta (Q3 y Q5), generado una señal de corriente alterna para alimentar al transformador (TR), cuya salida se rectifica para proporcionar la corriente continua de rejilla (IG) necesaria para alcanzar el valor de la corriente de ánodo requerida.

Desde los ciclos (C2) al ciclo (C11 ) se sigue manteniendo el mismo control en el transistor (Q1). También se sigue manteniendo la alternancia en las diagonales del inversor, es decir que cuando (Q2) y (Q4) están encendidos, los transistores (Q3) y (Q5) están apagados, invirtiendo el estado de conducción de los cuatro transistores del inversor en el siguiente ciclo.

Eventualmente, en este ejemplo es en el ciclo (C12), la señal (EXP) da la orden de terminar la exposición. En ese momento se apagan instantánea y simultáneamente los 5 transistores (Q1 , Q2, Q3, Q4 y Q5). En ese instante, la corriente deja de circular hacia la rejilla, apagando instantáneamente la exposición de Rayos-X. La energía almacenada en la inductancia (L), se transfiere a la fuente de alimentación (Vsup) a través de los diodos (D1 ) y (D2) y todo vuelve al estado inicial como en el ciclo (C1 ). Finalmente, en la figura 9 se muestra el circuito que convierte la señal analógica de error amplificada (SMOD) en una señal digital, que es la que controla al transistor (Q1 ) y que a su vez controla la corriente de salida (ISLIP) del convertidor DC-DC. Como puede observarse comprende un flip-flop (FF1 ) disparado por flanco positivo, que cuenta con una entrada de activación a la que está conectada una puerta AND (AND1) que a su vez tiene como entradas una señal de reloj (CLOCK) y una señal de comienzo de exposición (EXP); y una señal de reseteo (RES) a la que está conectada un comparador (COMP1 ) que a su vez tiene como entradas la señal de error amplificada (SMOD) y el valor instantáneo del diente de sierra (DS), de manera que el flip-flop (FF1 ) activará su salida (Q) para encender al transistor (Q1) cuando las entradas de la puerta (AND1 ) sean ambas “1”, mientras que cuando alcance y/o supere el valor de la señal de error amplificada (SMOD) y el valor instantáneo del diente de sierra (DS) en el comparador (COMP1 ), provocará que su salida sea “0”, reiniciando la salida (Q) de (FF1 ) y apagando el transistor (Q1 ), hasta que sea encendido de nuevo en el siguiente ciclo de reloj (CLOCK).

Es de destacar, que el rizado de corriente de rejilla (IG) que, aunque es directamente proporcional a la corriente anódica, sin embargo, no tiene ninguna influencia en el control de la dosis de la exposición de Rayos-X, ya que ésta depende de la cantidad de fotones que se generan en el ánodo del tubo, es decir de la integral durante el tiempo de exposición de la corriente anódica, internacionalmente conocida como mAs. Por el contrario, el rizado de la tensión (VAK) sí que tiene mucha importancia, porque genera fotones de distinta energía, lo cual tiene un impacto directo muy importante en la dosis emitida.

Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se hace constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba, siempre que no altere, cambie o modifique su principio fundamental.