(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧源と、前記交流電圧源に一次巻線が接続されその電圧を昇圧する高電圧変圧器と、前記高電圧変圧器の二次巻線に接続され昇圧された交流電圧を直流高電圧に変換する高電圧整流器と、前記高電圧整流器に接続されこの直流高電圧を平滑化するコンデンサと、前記コンデンサに接続されたＸ線管と、からなるＸ線高電圧装置において、
前記Ｘ線管からのＸ線の放射を停止した時に、前記コンデンサに蓄えられていた電荷のエネルギーにて生じる前記波尾部分を除去して管電圧を急激に降下させるとともに、前記除去した波尾部分のエネルギーを前記高電圧変圧器の前記二次巻線側から前記一次巻線側の電気エネルギー蓄積素子に前記高電圧変圧器を経由せずに回生させる波尾エネルギー回生手段を備えることを特徴とするＸ線高電圧装置。
【請求項２】
前記波尾エネルギー回生手段は、前記コンデンサの両端電圧がほとんどゼロあるいはマイナスになるまで前記コンデンサの放電を持続させる第２の電気エネルギー蓄積素子を備えることを特徴とする請求項１に記載のＸ線高電圧装置。
【請求項３】
前記波尾エネルギー回生手段は、第二の変圧器と、スイッチと、整流器とを有し、前記第二の変圧器の一次巻線とスイッチとからなる直列接続体は、前記Ｘ線管のアノードとカソード間に接続され、前記整流器は前記第二の変圧器の二次巻線に接続され、前記整流器の出力を前記電気エネルギー蓄積素子に接続してなる請求項１に記載のＸ線高電圧装置。
【請求項４】
前記電気エネルギー蓄積素子は、直流電源、バッテリー、コンデンサのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３記載のＸ線高電圧装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用または工業用のＸ線発生用電源装置に係わり、Ｘ線管からのＸ線の放射を停止する期間にこのＸ線管のアノードとカソード間の電圧（以下、管電圧と記す）を高速に下降させることにより、前記Ｘ線管のアノードとカソード間に流れる電流（以下、管電流と記す）の大小に係わらず常に設定撮影時間と実際の撮影時間との誤差を小さくするとともに、軟Ｘ線の発生を防止することのできるＸ線高電圧装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、Ｘ線高電圧装置の管電圧を高速に制御する装置が開発されてきた。これらＸ線高電圧装置では、通常、高電圧変圧器の交流高電圧出力を高電圧整流器で整流し、これを高電圧側に付加したコンデンサや高電圧ケーブルの有している浮遊容量などのコンデンサで平滑して直流高電圧をＸ線管に供給している。
【０００３】
この場合、高電圧整流器が在るために、前記コンデンサに蓄えられた電荷の放電はＸ線管を経由するルートしかないために、管電圧を高速で立ち上げることは比較的容易であるが、管電圧を高速に降下させることが困難であるという技術的な課題がある。このため、血管内の血流を動画としてシネフィルムに撮影するシネ撮影や、血管でカテーテルを操作するとき高画質なリアルタイム画像を得るためのパルス透視など、高速なパルス状管電圧が要求されるＸ線高電圧装置では、管電圧の下降時の波形（以下、波尾と呼ぶ）が問題になる。すなわち、この波尾はＸ線フィルムやＸ線テレビ上に形成されるＸ線画像にはほとんど効果がなく、そのうえ、被験者に対する有害な被曝になりやすい低エネルギーＸ線がＸ線管から多量に放射されることになる。これは、特に、インターベンショナルラジオロジーに代表される高画質透視下での医療行為に対して、無効被曝という現象によってこの有効性を阻害するほどのものである。
【０００４】
ここで、前記コンデンサに蓄積された電荷を放電するために、どの程度の時間が必要であるか、また、それが本来のパルス状高電圧出力に対してどの程度の電力損失（発熱）になるかを試算してみる。たとえば、Ｘ線管を抵抗負荷ＲＬ、コンデンサの静電容量をＣｆとみなすと、コンデンサの放電の時定数は、ＲＬ×Ｃｆとなる。パルス透視を想定して、仮に、管電圧を１００ｋＶ，管電流を１０ｍＡ，静電容量Ｃｆを５０００ｐＦと仮定すると、管電圧の波尾の時定数は次式で表せる。
【０００５】
【数１】
0004104191.tif 000002
通常、パルス透視のパルスレートは１５〜６０ｐｕｌｓｅ／ｓで、その周期は６６．７ｍｓ〜１６．７ｍｓ程度、管電圧パルスの幅は、３〜数ｍｓである。従って、波尾の時定数が５０ｍｓの場合には、管電圧はゼロまで降下することはなく、実際に必要なパルス幅の数倍にもなる波尾が存在することになる。
【０００６】
図５は、このような条件における従来の管電圧波形を示したもので、この図から、波尾がゼロに到達する前に、次のパルス状管電圧が上昇しはじめ、低管電圧のＸ線が多量に放出され、またＸ線管に常に管電圧が供給され続けて発熱することが分かる。
【０００７】
更に、この管電圧の波尾の期間は、Ｘ線管で前記コンデンサに蓄えられた電力を消費することになるので、それだけＸ線管の内部温度を上昇させ、その寿命を早めたり、パルスＸ線出力後の許容Ｘ線条件を制約するなどの問題が生じる。
【０００８】
このような問題を解決する一つの方法として、特開平８−２１２９４８にＸ線管のアノード・カソード間に電流制限用インピーダンスと高電圧スイッチとの直列体を設け、高電圧側のコンデンサに蓄積された電荷を高速で放電できる方式が開示されている。
また、電流制限用インピーダンスを設けないで、テトロード（四極真空管）を用いてアノード・カソード間を短絡させ、テトロードで電流を制限する方法もある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の方法は、いずれもコンデンサに蓄積された電荷のエネルギをインピーダンスやテトロードで消費させるという方法である。
このときの消費電力は、パルスレートを６０ｐｕｌｓｅ／ｓとして、
【数２】
0004104191.tif 000003
と算定できる。
【００１０】
従って、パルス透視をしている間、上記電流制限用インピーダンスやテトロードでは常に１．５ｋＷもの電力を損失し発熱していることになる。そのため、この電流制限用インピーダンスやテトロードを冷却しなければならず、Ｘ線高電圧装置の高電圧部の小型化が困難なものであった。更に、テトロードは消耗品であるばかりでなく、高価であるという別の問題点をもっている。
【００１１】
本発明装置は、以上で説明した従来の技術における課題を解消して、管電圧の波尾を高速に降下させるとともに、コンデンサに蓄積されたエネルギによる高電圧部での発熱を防止することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、交流電圧源と、前記交流電圧源に一次巻線が接続されその電圧を昇圧する高電圧変圧器と、前記高電圧変圧器の二次巻線に接続され昇圧された交流電圧を直流高電圧に変換する高電圧整流器と、前記高電圧整流器に接続されこの直流高電圧を平滑化するコンデンサと、前記コンデンサに接続されたＸ線管と、からなるＸ線高電圧装置において、前記Ｘ線管からのＸ線の放射を停止した時に、前記コンデンサに蓄えられていた電荷のエネルギーにて生じる前記波尾部分を除去して管電圧を急激に降下させるとともに、前記除去した波尾部分のエネルギーを前記高電圧変圧器の前記二次巻線側から前記一次巻線側の電気エネルギー蓄積素子に前記高電圧変圧器を経由せずに回生させる波尾エネルギー回生手段を備える。前記波尾エネルギー回生手段は、前記コンデンサの両端電圧がほとんどゼロあるいはマイナスになるまで放電を持続させる第2の電気エネルギー蓄積素子を備えても良い。このように構成することによって、Ｘ線曝射停止時に前記コンデンサに蓄積された電荷のエネルギーを交流電圧源若しくは他の電気エネルギー蓄積要素に回生されるので、従来の電流制限用インピーダンスやテトロード及びこれらの冷却装置が不要となってＸ線高電圧装置の高電圧部の小型化が可能となると共に、この時の電力が有効に利用できるという利点が生じる。
【００１３】
また、第二の変圧器と、スイッチと、整流器とを有し、前記第二の変圧器の一次巻線とスイッチとからなる直列接続体は、前記Ｘ線管のアノードとカソード間に接続され、前記整流器は前記第二の変圧器の二次巻線に接続され、前記整流器の出力を前記電気エネルギー蓄積素子に接続してされるものである。 このように構成することによって、比較的簡単な構成で回生手段を実現できる。また、電気エネルギー蓄積素子は、直流電源、バッテリー、コンデンサのいずれかである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第一の実施例としてインバータ式Ｘ線高電圧装置に本発明を適用した例を示す図である。１０は交流電源、１１は交流電源１０に接続されこの交流電圧を直流に変換する整流器、１２は整流器１１に接続されこの直流電圧を平滑化する第一のコンデンサ、１３は第一のコンデンサ１２に接続され平滑化された直流電圧を高周波の交流電圧に変換するインバータ、１４はインバータ１３に接続されこの高周波の交流電圧を昇圧する高電圧変圧器、１５は高電圧変圧器の二次側に接続され昇圧された交流電圧を整流する高電圧整流器、１６は高電圧整流器１５に接続されその出力電圧を平滑化する第二のコンデンサで、これは高電圧整流器１５と以下で述べるＸ線管とを接続する高電圧ケーブルの浮遊容量と、必要に応じて追加された平滑用高電圧コンデンサで構成されている。１７は第二のコンデンサ１６に接続されたＸ線管である。また、Ｘ線管１７のアノードとカソード間には、第二の変圧器２０と半導体スイッチ２１との直列接続体がＸ線管１７と並列に接続され、さらにこの第二の変圧器２０の二次巻線は整流器２２に接続され、整流器２２の出力は回生用端子２５，２６を介して第一のコンデンサ１２に接続されている。
【００１５】
ここで半導体スイッチ２１は高電圧側に接続されているため、その構造と駆動方法には特別の配慮が必要ではあるが、その形態としては、前記特開平８−２１２９４８に開示されているので、ここでは説明を省略する。
【００１６】
また、高電圧変圧器１５の巻き数比は、商用の交流電源１０から医療用などに必要な１５０ｋＶ程度までの管電圧を得るためにおよそ１：４００〜９００程度になるが、第二の変圧器は例えば１００：１程度の降圧ができるような巻き数比を選んでおく。
【００１７】
次に、こうして構成された第一の実施例についてその動作を説明する。図３は第一の実施例に対する半導体スイッチ２１のオン，オフのタイミングとそのときの管電圧波形とを示している。インバータ１３を動作させて高周波の交流を高電圧変圧器１４に供給し、これを高電圧整流器１５が整流し、さらに、第二のコンデンサ１６が平滑すると立ち上がりが高速（例えば１ｍｓ程度）の管電圧がＸ線管に印加される。その後、管電圧を急激に下降させようとしても、第二のコンデンサ１６に充電された電荷は高電圧整流器１５に阻止されてしまい、従来はＸ線管を通じて放電されるしかなかった。
【００１８】
これに対して本実施例では、半導体スイッチ２１をオンすることによって第二の変圧器２０の一次側（右側，高電圧側）に管電圧を印加し、これを例えば前記巻き数比に応じて１／１００倍に降圧して整流器２２に供給する。整流器２２は第二の変圧器の二次巻線（左側，低電圧側）の電圧が第一のコンデンサ１２の電圧より高い間は導通して図１の右側から左側へ電流が流れる。このとき、図３に示したように第二のコンデンサ１６に蓄積された電荷のエネルギの大半は第二の変圧器２０を介してインバータ１３の入力側の第一のコンデンサ１２に回生されることになる。その結果、図３に示すように管電圧がスイッチ２１のターンオンと同時に急激に降下し、波尾を大幅に低減できる。
【００１９】
さらに、高電圧側のエネルギの大半を低圧側に回生できるため発熱の心配がないという大きな利点がある。
【００２０】
図２は、本発明の第二の実施例を示す図である。第二の実施例では、第一の実施例で第二の変圧器の一次巻線と半導体スイッチ２１の直列体にさらにリアクトル２３を直列に接続している。また、この直列体と逆並列に第二の高電圧ダイオード２４を接続している。それ以外は、図１の第一の実施例と同様である。
【００２１】
図４は、第二の実施例における動作を示している。図１における第一の実施例では、第二のコンデンサ１６の両端の電圧が第二の変圧器２０で降圧されたあと、第一のコンデンサ１２（回生用端子２５，２６）の電圧より高い間だけ高電圧側に蓄積された電力の回生が行われた。そのため、半導体スイッチ２１がオンしても管電圧の波尾が効果的に低減できるのはこのような電圧の条件が整っている間だけとなり、管電圧をほぼゼロまで急激に降下させることは困難である。これに対して、第二の実施例では、半導体スイッチ２１がターンオンして、一度流れ始めた第二のコンデンサ１６の放電電流をリアクトル２３に電流のエネルギとして蓄え、平滑容量１６の両端の電圧がほとんどゼロあるいは、図４に示したようにわずかにマイナスになるまで放電を持続させることが可能である。第二のコンデンサ１６の両端の電圧がマイナスになろうとすると高電圧ダイオード２４がオンしてこの電圧をほぼゼロに固定するため、Ｘ線管に負の電圧がかかるようなことはなく、波尾をほぼゼロ電圧まで急激に低下させることができる。
【００２２】
ここで、述べた第二の高電圧ダイオード２４はＸ線管に逆方向電圧がかからないようにしてあるもので、実際には改めて設けることなく、高圧整流器１５で代用することも可能である。
【００２３】
また、ここで設けたリアクトル２３は、改めて部品として用意するのではなく、第二の変圧器の漏れインダクタンスを有効に利用することもできる。
上記、第一，第二の実施例では、第二の変圧器として鉄心入りの変圧器を仮定して説明したが、これは必ずしも鉄心入りである必要はなく、空心トランスであってもよい。空心トランスは鉄心の飽和が起こらないという利点がある。
【００２４】
また、第二のコンデンサに蓄積された電荷のエネルギを第一，第二の実施例では、インバータ１３の前段の第一のコンデンサ１２に回生したが、必ずしもこれにこだわらず、他の直流電源やバッテリー，コンデンサなどであってもよく、その場合は回生されたエネルギを直接的には管電圧発生とは別の用途に利用することができる。
【００２５】
さらに、これらの実施例では、スイッチ２１は、サイリスタ，ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，バイポーラトランジスタなどの半導体スイッチを仮定して説明したが、これに限らず同様の働きが可能なスイッチ用いることもできる。
【００２６】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明装置では、高電圧側のコンデンサに蓄積された電荷のエネルギを低電圧側に回生することによって、管電圧の波尾を速やかに降下させることが可能であり、かつ、そのエネルギを次の管電圧パルスを発生させるために有効に利用することができる。従って、被験者にとって有害な低エネルギＸ線による被曝を低減し、小型高効率のＸ線高電圧装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例図。
【図２】本発明の第二の実施例図。
【図３】第一の実施例図における動作波形図。
【図４】第二の実施例図における動作波形図。
【図５】従来装置における管電圧波形図。
【符号の説明】
１０  交流電源
１１  整流器
１２  第一のコンデンサ
１３  インバータ
１４  高電圧変圧器
１５  高電圧整流器
１６  第二のコンデンサ
１７  Ｘ線管
２０  第二の変圧器
２１  半導体スイッチ
２２  整流器
２３  リアクトル
２４  高電圧ダイオード
２５，２６  回生用端子
【図１】
0004104191.tif 000004
【図２】
0004104191.tif 000005
【図３】
0004104191.tif 000006
【図４】
0004104191.tif 000007
【図５】
0004104191.tif 000008