Brevet FR2941587A1 — publié le 20100730

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne les dispositifs d'imagerie médicale et plus particulièrement une alimentation électrique d'un tube à rayons X et notamment l'alimentation électrique d'un système à tomographie par rayons X. Et elle concerne également les applications industrielles, telles que le contrôle par rayons X des bagages dans les aéroports, en permettant une différenciation de la densité et de la nature des objets observés. io ETAT DE LA TECHNIQUE La tomographie (en anglais, � Computed Tomography �, (CT)) est un procédé d'imagerie médicale par rayons X qui permet, à partir d'une pluralité d'images bidimensionnelles (2D) acquises autour d'un objet ou d'un patient à imager d'obtenir une image tridimensionnelle (3D) de l'objet ou du patient. 15 Tout au long de l'acquisition donc à haute fréquence (environ 1 à 10 kHz), il est parfois souhaitable de changer la nature des rayons X notamment pour imager de manière contrastée un patient ou un objet. Tel que connu en soi, la nature des rayons X est notamment changée en modifiant la tension d'alimentation du tube à rayons X entre deux niveaux 20 nommés kV+ et kV-. Un tel changement doit pouvoir se faire le plus rapidement possible en faisant commuter rapidement la tension d'alimentation du tube à rayons X d'une première tension à une seconde tension. Une telle commutation doit par exemple se faire entre 10�s et 30 �s. 25 Par exemple pour un temps de commutation de 20�s, cela correspond à un dixième de la période des acquisitions, en prenant par exemple une fréquence d'acquisition de 5khz. Or, l'alimentation haute tension du tube à rayons X comprend une capacité de filtrage, a laquelle vient s'ajouter la capacité parasite Cp du 30 câble haute tension (pour un tube monopolaire et par polarité dans le cas d'un tube bipolaire). Lorsque cette dernière se décharge, par le courant consommé par le tube il en résulte un temps de transition de kV+ à kV- dépendant de ce courant et qui est souvent prohibitif. Par exemple, pour des tensions kV+=140 kV et, kV-=80 kV, une 5 capacité est de 500 pF, et le courant consommé est de 600 mA. Le temps de transition de kV+ a kV- qui en résulte est égal à 50�s. On a représenté sur la figure 1 un schéma illustrant le câble haute tension 10, auquel on a affecté symboliquement toute la capacité haute tension à Cp (capacité de filtrage plus capacité parasite), le tube à rayons X 10 11, l'alimentation A fournissant les deux hautes tensions kV+ et kV-. Si on veut décharger cette capacité Cp plus rapidement autrement que dans le tube, cela génère de l'énergie qu'il convient de dissiper. La recharge demande également au générateur de refournir cette énergie avec le même temps de transition. Il en résulte une complexification de 15 l'alimentation. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention concerne une alimentation haute tension pour un tube à rayons X qui commute rapidement d'une tension à une autre et qui est 20 récupérative sans pertes, ne nécessitant pas de dispositif(s) supplémentaire(s) pour, dissiper/restaurer l'énergie issue de la décharge/recharge de la capacité haute tension (celle ci incluant le câble d'alimentation). Ainsi, selon un premier aspect l'invention concerne une alimentation 25 électrique d'un tube à rayons X un dispositif générateur de haute tension destiné à transmettre une haute tension au tube à rayons X comprenant : une capacité principale ; au moins une source de tension destinée à alimenter la capacité principale ; un dispositif de stockage d'énergie comprenant une capacité auxiliaire destinée à recevoir de la capacité 30 principale une quantité d'énergie et a refournir cette énergie à la capacité principale ; un dispositif de commande disposé entre le dispositif générateur 20 25 30 et le dispositif de stockage, les dispositifs générateur, de stockage et de commande étant connectés en série, le dispositif de commande étant apte à connecter ou isoler le dispositif de stockage du dispositif générateur de manière à ce que le tube à rayons X soit alimenté par une haute tension variable très rapidement entre une première haute tension et une seconde haute tension. L'alimentation électrique selon le premier aspect de l'invention pourra en outre comporter facultativement au moins l'une des caractéristiques suivantes: io - le dispositif de commande comprend un premier ensemble, un second ensemble chacun formé par un interrupteur monté en antiparallèle d'une diode ; - la capacité auxiliaire est fonction de la capacité principale de sorte qu'en fonctionnement : l'énergie entre le dispositif générateur 15 et le dispositif de stockage soit conservée ; et que la charge entre le dispositif générateur et le dispositif de stockage soit conservée ; - le dispositif de commande comprend une inductance formant avec les capacités principale et auxiliaire un circuit résonant série, l'inductance étant disposée entre les deux ensembles ; - le dispositif de commande comprend un transformateur connecté entre les deux ensembles ; - la source de tension est une source haute tension continue apte à délivrer une première haute tension et une seconde haute tension ; - la source de tension est constituée d'une première source haute tension continue apte à délivrer une première haute tension ou une tension nulle et d'une seconde source haute tension continue apte à délivrer une seconde haute tension s'additionnant en fonctionnement en série avec la première source de haute tension ; - le dispositif de stockage d'énergie comprend en outre un interrupteur et une source d'alimentation continue, variable, de faible puissance, destinée à régler le rapport entre les tensions d'alimentation du tube. Selon un second aspect, l'invention concerne un procédé d'alimentation d'un tube à rayons X au moyen d'une alimentation d'un tube à rayons X selon l'une des revendications précédentes au cours duquel :on charge la capacité principale au moyen de la source haute tension continue délivrant une première haute tension et on positionne les ensembles de sorte que le courant ne circule qu'au travers du dispositif générateur, le tube à rayons X étant alimenté par une première haute tension ; on décharge la io capacité principale au travers du dispositif de stockage en positionnant les ensembles de sorte que le courant circule du dispositif générateur vers le du dispositif de stockage ; on positionne l'ensemble formé par l'interrupteur et la diode de manière à isoler le dispositif de stockage du dispositif générateur de manière à ce que le tube soit alimenté par une première haute tension ou 15 une seconde haute tension fonction de la charge et de la décharge des capacités ; on recharge la capacité principale depuis le dispositif de stockage en positionnant les ensembles de sorte que le courant circule du dispositif de stockage vers la capacité principale du dispositif générateur. Et selon un troisième et dernier aspect, l'invention concerne un 20 système d'imagerie radiologique à rayons X comprenant une alimentation pour un tube à rayons X selon le premier aspect de l'invention. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront 25 encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels outre la figure 1 déjà discutée - la figure 2 illustre un premier mode de réalisation d'une alimentation selon l'invention ; 30 - la figure 3 illustre un second mode de réalisation d'une alimentation selon l'invention ; - la figure 4 illustre un troisième mode de réalisation d'une alimentation selon l'invention ; - la figure 5 illustre une alternative au troisième mode de réalisation ; - les figures 6a à 6f illustrent la commutation d'une première tension à une seconde tension par la mise en oeuvre d'une alimentation d'un tube à rayons X conforme au troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 7 illustre les tensions et intensités aux bornes des io capacités principale et auxiliaire d'une alimentation d'un tube à rayons X conforme au troisième mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Les figures 2 à 4 illustrent différents modes de réalisation d'une 15 alimentation électrique d'un tube à rayons X. Dans chaque mode de réalisation, l'alimentation est constituée de trois dispositifs. Un dispositif DG générateur de haute tension destiné à transmettre une haute tension au tube à rayons X, un dispositif Ds de stockage d'énergie 20 destiné à accumuler de l'énergie issue du dispositif générateur de haute tension et à refournir l'énergie accumulée au dispositif générateur DG de haute tension et un dispositif de commande apte à connecter ou isoler le dispositif de stockage Ds du dispositif générateur DG de manière à ce que le tube à rayons X soit alimenté par une haute tension variable très rapidement 25 entre une première haute tension kV+ et une seconde haute tension kV-. Chaque mode de réalisation permet la commutation d'une première haute tension kV+ à une seconde haute tension kV- sans dissipation d'énergie. On décrit ci-dessous de manière plus précise chaque mode de 3o réalisation. Premier mode de réalisation On a représenté sur la figure 2 un premier mode de réalisation d'une alimentation Al électrique d'un tube à rayons X. Le dispositif DG générateur comprend une capacité principale C1 et un ensemble formé par une première source S haute tension continue pouvant commuter d'une tension (V+ ù V-) volts à 0 volt et une seconde source S' haute tension pouvant générer une seconde tension V- volts. Ces sources S et S' sont des sources unidirectionnelles en courant, simples et classiques en électronique de puissance de type connues. io La première source S est connectée à la seconde source S' qui est elle-même connectée à la masse (ou inversement). Le dispositif DS de stockage d'énergie comprend une capacité C2 auxiliaire. La capacité C2 auxiliaire est connectée à la seconde source S' haute tension. 15 Le dispositif de commande comprend un premier ensemble IN1 et un second ensemble IN2, chacun constitué d'un interrupteur I unidirectionnel commandé (composant classique tel que transistor, thyristor,...) associé à une diode D montée en antiparallèle de l'interrupteur I. Les ensembles IN1 et IN2 sont commandés pour permettre l'échange 20 des charges et courants dans un sens et l'autre entre le dispositif DG générateur connecté au tube et le dispositif DS de stockage. Le dispositif de commande Ds comprend une inductance L disposée entre les deux ensembles IN1 et IN2. Les capacités C1 principale et auxiliaire C2 et l'inductance L sont 25 connectées en série lorsque les interrupteurs IN1 et IN2 sont passants et forment donc un circuit LC résonant série, dont la demi-période est égale à 1L IL Cl.l,2 C~+C2 La tension délivrée par cette alimentation Al varie entre kV- Volts et kV+ Volts, par exemple entre 100 et 200 kV (générateur RX industriels) (ou 80 kV et 160 kV (générateurs RX médicaux ...), les tensions des sources S et S' étant ajustées en conséquence). Pour que la commutation s'opère, les deux sources S et S' délivrent respectivement de 0 à 100 kV et +100 kV. Selon la position des interrupteurs I des ensembles IN1, IN2, le courant circule dans un sens ou dans l'autre et la tension délivrée par la source S s'additionne à la tension délivrée par la seconde source S' de sorte que la tension d'alimentation du tube à rayons X puisse commuter de 100 kV à 200 kV. io Dans ce mode de réalisation, la capacité auxiliaire C2 joue le rôle de réservoir d'énergie. En effet, la capacité C1 principale, selon la position de l'interrupteur I du premier ensemble IN1, se décharge dans la capacité C2 auxiliaire qui stocke l'énergie issue de la capacité principale C1. La capacité C2 auxiliaire 15 refournit l'énergie a C1 lorsque l'on ferme l'interrupteur I de l'ensemble IN2. Grâce au circuit résonant, les interrupteurs se ferment et sont ouverts a courant nul, donc sans pertes. C'est ainsi qu'il n'y a aucune énergie supplémentaire perdue lors de la commutation d'une tension à une autre. Second mode de réalisation 20 On a représenté sur la figure 3 un second mode de réalisation d'une alimentation électrique A2 d'un tube à rayons X. Ce mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce que le dispositif DG générateur comprend une seule source S haute tension continue , pouvant commuter d'une première tension V+ volts à une seconde 25 haute tension V- volts. Le dispositif DS de stockage d'énergie et le dispositif de commande sont quant à eux identiques à ceux du premier mode de réalisation. La tension délivrée par cette alimentation varie entre kV- volts et kV+ volts par exemple entre 100 et 200 kV. 30 Le fonctionnement de cette alimentation A2 est identique à l'alimentation Al. Dans ce mode de réalisation, la capacité C1 principale se charge et se décharge partiellement entre V+ et V- dans la capacité C2 auxiliaire, qui évolue entre 0 et une tension non nulle. La capacité C2 auxiliaire est calculée en fonction de C1, V+ et V- pour jouer le rôle de réservoir d'énergie, l'énergie accumulée au cours de la charge de la capacité C1, étant entièrement restituée lorsque la capacité auxiliaire C2 se décharge de sorte que la tension d'alimentation du tube à rayon X puisse commuter de 100 kV à 200 kV. Le dimensionnement des capacités satisfait aux principes de io conservation de l'énergie et de conservation de la charge. Selon le principe de conservation de l'énergie et de conservation de la charge on a Ci � v , + )2 û (Vi)2) = c2 (va)' V2 = VI+ + V1- C1 (V,+ ùV:)= C2V2 C= V~+ ùV~ C V+ +V- ' où Vl+et V1 -sont respectivement les tensions maximale et minimale aux bornes de la capacité C1 principale et V2 est la tension aux bornes de la 15 capacité C2 auxiliaire. Notons que Vl+ et VI- correspondent aux tensions V+ et V-délivrées par la source S d'alimentation. En conséquence, dans le cas où l'alimentation commute de 100 kV à 200 kV on obtient V2= 300 kV et C2 = 3 C1 . Des composants supportant de telles valeurs de tension sont 20 réalisables de manière complexe par mise en série de composants de tensions raisonnables. Troisième mode de réalisation Ce mode de réalisation permet de simplifier la réalisation des du second ensemble IN2 et de la capacité C2 auxiliaire du second mode de 25 réalisation. On a représenté sur la figure 4 le principe général de ce troisième mode de réalisation de l'alimentation A3 électrique d'un tube à rayons X. Dans ce mode de réalisation, un transformateur T est interposé entre les deux ensembles 'Ni, IN2 du dispositif Ds de commande. Le primaire 'aire du transformateur T est connecté au premier ensemble 'Ni et le secondaire "aire du transformateur T est connecté au 5 second ensemble IN2. Le transformateur T a son rapport de transformation choisi pour obtenir une basse tension au secondaire .Les composants des dispositifs Ds de stockage et de commande Ds (composants IN1, IN2, C2 et la source Vo) deviennent donc des composants basses tensions ou courants ou encore io facilement réalisables et commandables. Le transformateur T est également conçu pour que son inductance de fuite constitue l'inductance résonante L du mode de réalisation précédent. De manière additionnelle, cette alimentation A3 peut comprendre une source Vo de tension connectée en parallèle de la capacité C2 auxiliaire. 15 La mise en oeuvre d'une source additionnelle Vo permet de donner de la flexibilité sur le choix des valeurs V+ et V-, autour d'un rapport donné, typiquement par exemple en médical CT, les couples V+ et V- sont (70-140), (80-140), (70-150), (80-150) ou (70-120). Le dimensionnement des capacités satisfait aux principes de 20 conservation de l'énergie et de conservation de la charge. Selon le principe de conservation de l'énergie et de conservation de la charge on a et ( ( v l + )2 - (vl )2) = c (vz )' Q1 = Qa Ci (V1+ ù V1-) = 1 C2V2 m m VZ - - V1++V1_ m C2 = ma V ùVI C a Vl+ + Vl_ où Vl+et V1 -sont respectivement les tensions maximale et minimale 25 aux bornes de la capacité C1 principale et V2 est la tension aux bornes de la capacité C2 auxiliaire où Q1 et Q2 sont en fait AQ1 = 0171+ -V1) et 3.02 = AQ1.m = C2(V2 -0), m est le rapport tension primaire (haute tension) à tension secondaire (basse tension) du transformateur T. Notons que V+et Vl- correspondent aux tensions V+ et V- délivrées par la source S d'alimentation. En conséquence, dans le cas où l'alimentation commute de 100 kV à 200 kV on obtient avec m=300 par exemple, V2=1 kV. Dans ce mode de réalisation, le transformateur T permet d'avoir un étage basse tension et un étage haute tension de part et d'autre du primaire 'aire et du secondaire l'aire. On a représenté sur la figure 5 une alternative à ce troisième mode de réalisation d'une alimentation A3 électrique d'un tube à rayons X. io Cette fois la capacité C1 principale est formée par une pluralité de capacités C montées en série. Ceci est quasi naturel car n capacités C en série sont équivalentes a une seule capacité de valeur C/n. C'est d'ailleurs ainsi que sont réalisées les capacités haute tension. La figure 5 illustre un montage doubleur de tension par étage, avec 15 deux diodes et deux capacités en série. On aurait pu utiliser un montage non doubleur avec quatre diodes (deux diodes mises a la place des 2 capacités) et une seule capacité, remplaçant les deux capacités en série de la figure 5. La réalisation des générateurs haute tension, la plus courante est de générer par n blocs des fractions de la haute tension HT/n, toutes égales, 20 que l'on met en série comme sur la figure 5, et donc on se retrouve avec les capas en série, égales et chargées toutes a la même tension. Un autre mode de réalisation des générateurs haute tension est de générer une moyenne tension alternative, que l'on vient multiplier par des montages diodes û capacités. C'est ce qui est fait couramment pour les 25 petites puissances, inferieures aux puissances nécessaires pour une application CT, médical ou industriel. Avec les multiplieurs, on a bien aussi des capas en série, mais avec des tensions qui ne sont pas toutes égales. L'invention est encore applicable mais avec un résultat de moindre qualité, mais ce cas ne concerne pas une application CT. 30 En effet, outre l'utilisation du transformateur T qui permet d'avoir un étage basse tension et donc une capacité C2 auxiliaire basse tension, l'architecture spécifique mise en place pour la capacité C1 permet de mettre en oeuvre une capacité C1 et des composants basses tensions. Ainsi dans ce mode de réalisation, les capacités C1, C2 sont toutes les deux basses tensions ce qui permet d'utiliser des composants classiques (transistors et diodes de un ou quelques kV). En fonctionnement, l'alimentation A4 délivre une tension comprise entre 100 et 200 kV selon que la capacité principale C1 se charge ou se décharge. Il est à noter que dans ce mode de réalisation de l'alimentation, la io capacité C1 principale se charge et se décharge partiellement au travers de la capacité auxiliaire C2. Fonctionnement de l'alimentation On a représenté sur les figures 6a à 6e un cycle de commutation d'une première tension égale à 100 kV à une seconde tension égale à 200 15 kV délivré par la tension d'alimentation A3 selon le troisième mode de réalisation. Pour expliciter ce cycle de commutation, on part d'un état E1 où capacité C1 principale est chargée et que la tension V1 aux bornes de cette capacité est égale à V1=200 kV (voir partie figure 7). 20 A ce stade, lorsque la source S d'alimentation délivre 200 kV la tension V2 et l'intensité aux bornes de la capacité C2 auxiliaire est nulle (voir partie 1 de la figure 7). Comme illustré sur la figure 6a les deux interrupteurs I des ensembles IN1 IN2 du dispositif de commande Ds sont ouverts de sorte que les dispositifs 25 générateur DG et de stockage Ds sont isolés l'un par rapport à l'autre. Une fois la capacité C1 principale chargée, on ferme E2, on va décharger la capacité C1 dans le dispositif de stockage et donc dans le même temps charger la capacité C2 auxiliaire. Notons que la source Vo additionnelle va permettre une charge plus rapide de la capacité C2 3o auxiliaire. Une fois la capacité principale déchargée on ouvre E3 tous les interrupteurs des ensembles de manière ù comme déjà indiqué ù à ce que les dispositifs générateur et de stockage soient isolés l'un par rapport à l'autre. L'effet est que l'alimentation A3 a commuté de la première tension à la seconde tension soit de 100 kV à 200 kV (voir partie 3 de la figure 7). Puis lorsque l'on veut commuter de la seconde tension à la première tension, on ferme E4 l'interrupteur de l'ensemble connecté au secondaire du transformateur T de sorte que la capacité C2 auxiliaire se décharge du io dispositif DS de stockage au dispositif DG générateur (voir partie 4 de la figure 7). La capacité C2 auxiliaire déchargée, on ouvre E5 tous les interrupteurs de l'alimentation de sorte que le courant ne circule pas entre le dispositif DG générateur et dispositif DS de stockage. L'effet principal est que l'alimentation 15 A3 a commuté de la seconde tension à la première tension soit de 200 kV à 100 kV (voir partie 5 de la figure 6). REVENDICATIONS1. Alimentation électrique d'un tube à rayons X comprenant : - un dispositif (DG) générateur de haute tension destiné à transmettre une haute tension au tube à rayons X comprenant : o une capacité principale (C1) ; o au moins une source (S) de tension destinée à alimenter la capacité principale (C1) ; un dispositif (Ds) de stockage d'énergie comprenant io o une capacité auxiliaire (C2) destinée à recevoir de la capacité (C1) principale une quantité d'énergie et a refournir cette énergie à la capacité (C1) principale ; un dispositif (Dc) de commande disposé entre le dispositif générateur (DG) et le dispositif de stockage (Ds), les dispositifs 15 générateur (DG), de stockage (Ds) et de commande (Dc) étant connectés en série, le dispositif de commande (Dc) étant apte à connecter ou isoler le dispositif de stockage (Ds) du dispositif générateur (DG) de manière à ce que le tube à rayons X soit alimenté par une haute tension variable très rapidement entre une première 20 haute tension (kV+) et une seconde haute tension (kV-). 2. Alimentation électrique d'un tube à rayons X selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de commande (Dc) comprend un premier ensemble (IN1), un second ensemble (IN2) chacun formé par un interrupteur 25 (I) monté en antiparallèle d'une diode (D). 3. Alimentation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la capacité (C2) auxiliaire est fonction de la capacité (C1) principale de sorte qu'en fonctionnement 30 - l'énergie entre le dispositif (DG) générateur et le dispositif (Ds) de stockage soit conservée ; et que- la charge entre le dispositif (DG) générateur et le dispositif (Ds) de stockage soit conservée. 4. Alimentation électrique d'un tube à rayons X selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le dispositif (Dc) de commande comprend une inductance (L) formant avec les capacités principale (C1) et auxiliaire (C2) un circuit résonant série, l'inductance étant disposée entre les deux ensembles. io 5. Alimentation électrique d'un tube à rayons X selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le dispositif (Dc) de commande comprend un transformateur (T) connecté entre les deux ensembles (IN1, IN2). 6. Alimentation électrique selon l'une des revendications 1 à 4, 15 caractérisée en ce que la source (S) de tension est une source haute tension continue apte à délivrer une première haute tension (V+) et une seconde haute tension (V-). 7. Alimentation électrique d'un tube à rayons X selon l'une des 20 revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la source de tension est constituée d'une première source (S) haute tension continue apte à délivrer une première haute tension (V+) ou une tension nulle et d'une seconde source (S') haute tension continue apte à délivrer une seconde haute tension (V) s'additionnant en fonctionnement en série avec la première source (S) de 25 haute tension. 8. Alimentation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de stockage d'énergie comprend en outre un interrupteur (IN3) et une source (Vo) d'alimentation continue , variable , de 30 faible puissance, destinée à régler le rapport entre les tensions d'alimentation du tube. 9. Procédé d'alimentation d'un tube à rayons X au moyen d'une alimentation d'un tube à rayons X selon l'une des revendications précédentes au cours duquel - on charge la capacité (C1) principale au moyen de la source (S) haute tension continue délivrant une première haute tension (V+) et on positionne les ensembles (IN1, IN2) de sorte que le courant ne circule qu'au travers du dispositif (DG) générateur, le tube à rayons X étant alimenté par une première haute tension (kV1) ; - on décharge la capacité (C1) principale au travers du dispositif io (Ds) de stockage en positionnant les ensembles (IN1, IN2) de sorte que le courant circule du dispositif (DG) générateur vers le du dispositif (Ds) de stockage ; - on positionne l'ensemble formé par l'interrupteur (IN) et la diode de manière à isoler le dispositif (Ds) de stockage du dispositif (DG) 15 générateur de manière à ce que le tube soit alimenté par une première haute tension (kV1) ou une seconde haute tension (kV2) fonction de la charge et de la décharge des capacités (C1, C2) ; - on recharge la capacité (C1) principale depuis le dispositif (Ds) de stockage en positionnant les ensembles (IN1, IN2) de sorte que le 20 courant circule du dispositif (De) de stockage vers la capacité principale (C1) du dispositif (DG) générateur. 10. Système d'imagerie radiologique à rayons X comprenant une alimentation pour un tube à rayons X selon l'une des revendications 1 à 8. 25