(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、これに接続され出力電圧が制御可能である直流交流変換回路と、前記直流交流変換回路の出力を高電圧化する高電圧トランスと、前記高電圧トランスの交流出力を整流し、Ｘ線発生装置のＸ線管に高電圧を印加する高電圧整流器と、Ｘ線管に印加される電圧と目標電圧との差がゼロとなるように前記直流交流変換回路を制御するフィードバック制御手段とを備えたＸ線発生装置用高電圧電源装置において、
前記フィードバック制御手段は、Ｘ線管に印加される電圧を検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された電圧と前記目標電圧とを入力し、その差分に対し積分ゲインを用いた積分、乗算ゲインを用いた乗算及び微分ゲインを用いた微分の少なくとも１の演算を行なう演算手段と、前記Ｘ線発生装置の管電圧、管電流、高電圧ケーブル長を含む条件の異なる値における前記演算のゲインの最適値を調整点データとして格納する格納手段と、設定された条件におけるゲインを前記調整点データから補間によって求め、前記演算手段に与えるゲイン決定手段とを備えたことを特徴とするＸ線発生装置用高電圧電源装置。
【請求項２】
前記比較手段、前記演算手段及び前記ゲイン決定手段の各演算は、マイクロプロセッサに組込まれたソフトウェアによって実行されることを特徴とする請求項１記載のＸ線発生装置用高電圧電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線発生装置用高電圧電源装置（以下、Ｘ線高電圧装置という）に係わり、特に管電圧の制御及び設定に特徴のあるＸ線高電圧装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、Ｘ線透過装置やＸ線ＣＴ装置に用いられるＸ線高電圧装置に要求される負荷（管電圧と管電流との比）は非常に広範囲が要求される。
【０００３】
Ｘ線高電圧装置は、被写体の厚さや組織に対して適切なコントラストと濃度のＸ線画像を得るために、これらの全ての負荷の範囲に対して、常に一定の高速な立ち上がり時間と、オーバーシュートや振動のない安定した出力電圧が得られる必要がある。
【０００４】
しかしながら、従来の装置によれば、管電圧を制御する際に制御系の積分ゲインと比例ゲインをスイッチの組合せによって切換えているため、例えば管電流を一定として、少しずつ管電圧を変化させながらＸ線撮影をしていった場合、あるところで急激に積分ゲインや比例ゲインが切換わり、発生するＸ線量が不連続に変化するおそれがある。このようなＸ線量の不連続な変化は、微妙に異なる被写体に合せて管電圧、管電流及びＸ線照射時間等の条件を調整して画像診断に最適なＸ線写真を得るためには好ましくないことである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来の装置の問題点を解決し、管電圧、管電流、高電圧ケーブル長の全ての組み合わせにおいて常に最適な制御パラメータを選定し、一定の管電圧の立ち上がり時間と安定な定常電圧とを得ることが可能なＸ線高電圧装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明のＸ線高電圧装置は、直流電源と、これに接続され出力電圧の制御可能な直流交流変換回路と、直流交流変換回路の出力を高電圧化する高電圧トランスと、高電圧トランスの交流出力を整流し、Ｘ線発生装置のＸ線管に高電圧を印加する高電圧整流器と、Ｘ線管に印加された電圧と目標電圧との差がゼロとなるように直流交流変換回路を制御するフィードバック制御手段とを備え、更にフィードバック制御手段は、Ｘ線管に印加される電圧を検出する検出手段と、検出手段によって検出された電圧と目標電圧とを入力し、減算、ゲイン乗算等の演算を行う演算手段と、Ｘ線発生装置の複数の動作条件におけるゲインの最適値を調整点データとして格納する格納手段と、設定された条件におけるゲインを調整点データから補間によって求め、演算手段に与える補間手段とを備えたものである。
【０００７】
本発明においてフィードバック制御手段（比較手段、演算手段及びゲイン決定手段）は、デジタル信号処理手段（ＤＳＰ）或いは高速マイクロプロセッサを用いることが好ましい。
【０００８】
このようなＸ線高電圧装置において、ゲイン決定手段はＸ線発生装置の設定条件（管電圧、管電流）、装置の据え付け情報等のデータ及び予め格納手段に格納されている調整点データから最適なゲインを補間によって求め、この最適ゲインをフィードバック制御手段の演算手段に出力する。演算手段は設定電圧と検出した実際の管電圧とを比較し、最適ゲインを乗じて、制御量を決定する。具体的には、直流交流変換回路の出力電圧を調整する。これにより広範囲にわたって測定条件を変化させていった場合でも常に、一定の管電圧の立ち上がり時間と安定な定常電圧とを得ることができる。また特にフィードバック制御手段における補間及びゲイン乗算等の演算を高速マイクロプロセッサにより行うことにより、高速で応答性よく管電圧を制御することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のＸ線高電圧装置の一実施例について図１を参照して説明する。このＸ線高電圧装置の電源装置部分は、直流電流を供給する直流電源１０、直流電源１０に直列に接続され直流電流をオンオフするスイッチ１１、直流電源１０に直列に接続されスイッチ１１から出力される断続的な直流電流を平滑するリアクトル１３、直流電源１０に並列に接続されスイッチ１１がオフしているときリアクトル１３に流れる電流を連続的に流すためのダイオード１２、直流電源１０に並列に接続されリアクトル１３から出力される電流を電圧に変換し更に平滑化するコンデンサ１４、コンデンサ１４の出力電圧を交流に変換するインバータ１５、インバータ１５の出力電圧を昇圧し高電圧の交流に変換する高電圧トランス１６、高電圧トランス１６の二次側に接続される高電圧の交流を整流する高電圧整流器１７及び高電圧整流器１７に並列に接続され高電圧整流器１７の出力電圧を平滑化するコンデンサ１８を備えており、Ｘ線を出力するＸ線管１９はコンデンサ１８に並列に接続されている。スイッチ１１としては絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下、「ＩＧＢＴ」という）を用いているが、オンオフ時間を制御できるスイッチであればこれに限定されない。またコンデンサ１８としては高電圧ケーブルの浮遊容量を利用することもでき、これに加えて高電圧コンデンサを併用することもできる。
【００１０】
この高電圧装置は、更に管電圧を設定し、制御する制御系として、Ｘ線管１９の両端の管電圧を検出する電圧検出手段８０、スイッチ１１のオン時間の割合（デューティ）を決定し、デューティ信号として発生するデューティ発生回路２１及び電圧検出手段８０により検出された管電圧と目標とする管電圧（設定電圧）との差がゼロとなるようにデューティ発生回路２１に指令を送るフィードバック制御回路が備えられている。
【００１１】
フィードバック制御回路は、外部から設定された目標管電圧（設定管電圧）と電圧検出手段８０によって検出された管電圧とを入力しその差を出力する比較器２２と、比較器２２の出力を積分して積分ゲインを乗ずる積分器２４と、検出された管電圧に微分ゲインを乗ずる微分器２５と、検出された管電圧に比例ゲインを乗ずる乗算器２６と、積分器２４の出力から乗算器２６の出力と微分器２５の出力を差し引いて出力する比較器２３と、比較器２３の出力からデューティを得るデューティ発生回路２１とを備えている。
【００１２】
積分器２４は、このフィードバック制御において、出力される管電圧と設定管電圧との差がゼロとなるように作用し、また乗算器２６と微分器２５とは、オーバーシュートを抑制し安定な管電圧を出力するように作用する。これら演算器（積分器２４、微分器２５及び乗算器２６の総称）の積分ゲイン、微分ゲイン及び比例ゲインは、次に述べるゲイン決定手段によって与えられる。
【００１３】
演算器の各ゲインを求めるためのゲイン決定手段は、予め様々な条件における最適ゲインをデータとして管理する調整点データ格納手段２８と、外部から入力される設定管電圧、設定管電流及びＸ線発生装置の据付条件によって決まる高電圧ケーブル長と調整点データ格納手段２８に格納された調整点データとに基づいて最適ゲインを補間して求め、積分ゲイン、微分ゲイン及び比例ゲインをそれぞれ積分器２４、微分器２５及び乗算器２６に出力する補間演算器２７とを備えている。調整点データ及びそれに基づく補間方法については後に詳述するが、本発明の装置では、補間によって求められる微妙に最適化された制御ゲインを利用して管電圧のフィードバック制御を行う。このため、従来の装置のようにスイッチでゲインを切り換えるアナログ回路の比例積分制御回路は不向きであり、好適にはマイクロプロセッサとソフトウエア制御を適用したデジタル技術によって実現する。但し、アナログ回路でも乗算器などを利用して実現することもできる。
【００１４】
次にこのような構成のＸ線高電圧装置の動作について説明する。
【００１５】
まず、外部から設定管電圧、設定管電流、高電圧ケーブル長が補間演算器２７に入力されると、補間演算器２７は調整点データに基づき、設定された条件における最適な積分ゲイン、微分ゲイン及び比例ゲインを補間により求め、これらゲインを積分器２４、微分器２５及び乗算器２６に設定する。この状態で、設定管電圧と検出された管電圧（フィードバック制御ループが開始する前の初期状態では０）を比較器２２で比較し、その差電圧を得る。これが積分器２４に入力され、差電圧を積分した後、補間演算器２７で得られた積分ゲインを乗じて比較器２３に出力する。同時に、検出された管電圧は微分器２５と乗算器２６に入力され、前者は補間演算器２７で得られた微分ゲインを乗じて比較器２３へ出力され、後者は補間演算器２７で得られた比例ゲインを乗じて比較器２３へ出力される。比較器２３は積分器２４の出力から微分器２５と乗算器２６の出力を差し引いた出力をデューティ発生回路２１に出力する。デューティ発生回路２１は、この比較器２３からの出力によりスイッチ１１のオン時間（デューティ）を決定し、スイッチ１１を駆動する。
【００１６】
デューティが決定されると、スイッチ１１はデューティ発生回路２１からの指令に応じて設定されたことにより、一定周波数でオンオフを繰り返す。スイッチ１１がオンしているときは直流電流１０からリアクトル１３を介してコンデンサ１４に電流が流入する。この後スイッチ１１がオフするとリアクトル１３に流れていた電流はそのまま流れようとするため、リアクトル１３からコンデンサ１４及びダイオード１２を経てリアクトル１３へと電流がながれる。このとき、デューティが大きいと直流電源１０は大部分の時間コンデンサ１４に電力を供給し続けるので、コンデンサ１４の両端の電圧は高くなる。反対にデューティが小さいと供給される電力が抑制されてコンデンサ１４の両端の電圧は低くなる。このように、スイッチ１１のデューティによってインバータ１５の入力電圧が制御される。
【００１７】
コンデンサ１４の出力電圧はインバータ１５に入力され、高周波の交流に変換される。高電圧トランス１６は巻数比が大きいため、一次側にインバータ１５から出力される交流が入力されると、二次側には高電圧の交流が出力される。この出力を高電圧ダイオードからなる高電圧整流器１７で整流して高電圧の直流が得られる。この直流は更にコンデンサ１８により平滑され、低リップルの直流が得られる。
【００１８】
このようにして、Ｘ線管１９に印加される電圧を設定管電圧と等しくすることができる。
【００１９】
次に、補間演算器２７における調整点データの補間方法について説明する。補間演算器２７により演算に先立って、調整点データ格納手段２８には、Ｘ線発生装置の複数の動作条件或いは据付条件における最適なゲインを、複数の調整点データとして格納している。このような調整点データの一部を図２に示した。ここでは積分ゲイン、微分ゲイン及び比例ゲインのそれぞれについて、横軸に管電圧と管電流との比である負荷抵抗をとり、縦軸にゲインをとって示している。ここに示した例では、例えば最適な積分ゲインは負荷抵抗が増加するにつれ緩やかに小さくなる傾向があり、複数（図では４つ）の調整点１〜４において予め求めた最適ゲインを結んでゲイン曲線として示している。
【００２０】
補間演算器２７は、このような調整点データから補間により、設定された管電圧及び管電流における最適なゲインを求める。即ち、設定管電圧と設定管電流との比（負荷抵抗）をｒとした場合、ｒは負荷抵抗ｒ1と負荷抵抗ｒ2との間にあるので、ｒにおける最適な積分ゲインｂは、調整点２、即ち負荷抵抗ｒ0における最適積分ゲインｂ0と調整点３、即ち負荷抵抗ｒ1における最適積分ゲインｂ1との間に存在している。ここで調整点２と調整点３との間において積分ゲイン曲線が直線であると仮定すると、式（１）に示す関係が成り立つ。
【００２１】
【数１】
0003778304.tif 000002
ｂ'は近似的にｂ'＝ｂと置けるので、この関係式により設定点ｒの最適積分ゲインｂを求めることができる。
【００２２】
尚、設定点の最適積分ゲインｂを求めるに際し、図２の最適積分ゲインの曲線自体或いはその係数を調整点データとして保持し、直接最適積分ゲインｂを求めることも可能であるが、実際の装置で全ての負荷抵抗の組み合わせにおける調整を行って、全ての点における最適ゲインを得ておくことは現実的ではない。従って、前述したように例えば４点の調整点で代表させ、これらの最適のものだけを利用する。
【００２３】
比例ゲイン及び微分ゲインについても同様にして設定点ｒの最適積分ゲインｂを求めることができる。
【００２４】
ところで、図２に示す例では縦軸、横軸ともにリニアな目盛りである場合についてものであるが、既に述べたようにＸ線高電圧装置で使用される管電圧、管電流の範囲は共に非常に広い。従って、負荷抵抗が大きい領域においては縦軸、横軸ともに対数目盛りを用いる方が少ない調整点で全体のゲインを表現することができ便利である。このような場合には、負荷抵抗が大きい領域については、両方を対数目盛にしたグラフ上に複数の調整点データを求めておき、これら調整点データから最適ゲインを補間することができる。
【００２５】
この場合にも両対数目盛グラフに描かれる積分ゲイン曲線は、図２に示したように部分的に１次直線と近似できる積分ゲイン曲線となり、例えば調整点２と調整点３との間に設定点があるとき、式（２）のような関係が成り立つ。
【００２６】
【数２】
0003778304.tif 000003
従って、式（２）から設定点（負荷抵抗ｒ）の最適積分ゲインｂを求めることができる。
【００２７】
尚、上述した補間方法の２つ例は、いずれも２点の調整点から最適積分ゲインを求めているが、他の調整点も利用して３点以上から設定点における値を求めてもよい。この場合は、例えば３点を通る適当な２次曲線を仮定し、係数を具体的に求めることによりすることができる。設定点における比例ゲインの最適値ａ、微分ゲインの最適値ｃについても同様の補間演算によって求めることができる。
【００２８】
このように補間演算から求めた最適制御ゲインは、全ての負荷抵抗に対して必ず連続的に変化し、従来装置のようにスイッチの切換による制御特性の急変は生じない。従って、常に一定の立ち上がり時間を提供できると共に、Ｘ線撮影時の微妙な条件設定に対して常に連続的な制御ゲインが調整され、条件に対して直線的に写真のコントラストや写真濃度が変化する良好なＸ線診断画像を得ることができる。
【００２９】
ところで、図２では調整点データとして負荷抵抗と最適ゲインとの曲線を示したが、最適ゲインは高電圧ケーブルの長さによっても変化する。一般に高電圧ケーブルの長さは装置の据付条件によって固有のものであり、据付条件が変化すると高電圧ケーブル長も変る。従って据付条件の変化をも考慮する場合には、高電圧ケーブルの長さと最適ゲインとの関係も予め求めて調整点データ格納手段２８に確保しておく必要がある。図３はこのような関係を、縦軸に最適ゲインをとり、横軸に高電圧ケーブル長をとり、図２と同様に各調整点を結ぶ曲線として表したものである。尚、図では、例えば積分ゲインについての１つの曲線しか示されていないが、フィードバック制御系が比例制御及び微分制御を含む場合には、これらについてのゲイン（調整点データ）もデータとして格納される。
【００３０】
高電圧ケーブル長は、装置の据付条件決まると補間演算器２７に高電圧ケーブル長Ｌとして入力される。ここでは２つの据付条件（ケーブル長Ｌ0、Ｌ1調整点５、６）における最適ゲイン（ｅ0、ｅ1）が調整点データとして格納されている。入力された高電圧ケーブル長Ｌが、Ｌ0＜Ｌ＜Ｌ1であるとすると、そのときの最適ゲインｅは、調整点５（Ｌ0）のゲイン値ｅ0と調整点６（Ｌ2）のゲイン値ｅ1との間に存在しているとする。この場合も、２つの調整点間がリニアであると仮定した場合、図２を用いた説明の場合と同様に、
【００３１】
【数３】
0003778304.tif 000004
式（３）により、入力条件における最適ゲインｅを求めることができる。また、この場合にもゲイン曲線の近似曲線（例えば２次曲線）の係数から最適ゲインｅを求めるも可能である。各のケーブル長（Ｌ0、Ｌ1）について前述の式（１）又は式（２）から求められた最適ゲイン（ｂL0、ｂL1）を利用して、補間することも可能である。
【００３２】
また、図２では管電圧／管電流（負荷抵抗）に対し最適ゲインを割当てているが、これはＸ線管１９の管電圧−管電流特性が、理想的にはフィラメント電流を一定とすれば一定の傾きの直線として表されることを前提としたものである。しかし、現実には管電圧−管電流特性は図５に示すように低電圧では管電流はほとんどゼロであり、管電圧が上昇するに従って管電流は次第に飽和する。従って、管電圧と管電流の比、即ち負荷抵抗が同じである場合でも、管電圧が高いときと低いときとでは最適フィードバックゲインは少し異なる。
【００３３】
このような管電圧と管電流との特性を考慮した最適ゲインの求め方について、図４を用いて説明する。図４は、管電圧を縦軸に、管電流を横軸にとって、管電圧／管電流比の異なる４本の直線を示しており、各直線上に高電圧の場合と低電圧の場合の２つの調整点（ｐ0、ｑ0）、（ｐ1、ｑ1）・・・における最適ゲインが予め求められている。即ち、調整点ｐ0、ｑ0はそれぞれ負荷抵抗が同じであり、ｐ0は電圧が高い場合を、ｑ0は電圧が低い場合を示している。
【００３４】
このような調整点データに基づき最適ゲインを補間して求めるには、設定電圧ｖ及び設定電流ｉが設定されると、この設定された点ｗが調整点ｐ1、ｑ1のある直線と調整点ｐ2、ｑ2のある直線との間にあることから、まず調整点ｐ1、ｑ1のデータから、電圧が設定電圧ｖと同じで負荷抵抗が調整点ｐ1、ｑ1と同じである点ｓ1についての最適ゲインデータを補間により求める。この補間の手法は、図２によって示したものと同様である。即ち、この場合式（１）におけるｒ1を調整点ｐ1における電圧値、ｒ0を調整点ｑ1における電圧値、ｒを設定電圧値ｖとし、ｂ1及びｂ0をそれぞれ、調整点ｐ1、ｑ1における最適ゲイン値と定義することにより、式（１）により点ｓ1における最適ゲインｂを求めることができる。同様にして、調整点ｐ2、ｑ2のデータから電圧が設定電圧ｖと同じで負荷抵抗が調整点ｐ2、ｑ2と同じである点ｓ2についての最適ゲインデータを補間により求める。
【００３５】
このように電圧が設定電圧ｖと同じで、電流が異なる２点ｓ1、ｓ2についての最適ゲインを求めた後、これら２点のデータから更に補間によって設定点ｗの最適ゲインを補間により求める。
【００３６】
この例では、４つの調整点における最適制御ゲインから補間により設定点における最適制御ゲインを求めたが、この他にも任意の３点の最適制御ゲインを調整点として用い、それらに囲まれた設定点の最適ゲインを補間によって求めてもよい。
【００３７】
このように管電圧−管電流特性を考慮してゲインを決定し、フィードバック制御に使用することにより、さらに連続的な制御特性を得ることができる。
【００３８】
尚、以上の実施例では、積分器、乗算器及び微分器を備えたフィードバック制御系について各演算器のゲインをそれぞれ求める場合を説明したが、一般にフィードバック制御では積分、比例、微分などが種々の組合せで利用される。本発明においてもこれら制御要素の組み合わせは、前述の実施例に限定されず、装置の特性に応じて自由に決めることができる。また、複数のパラメータを配列として表す状態フィードバックという形態をとった場合にも適用でき、その場合でも状態フィードバック要素におけるゲインを補間によって求めることができる。
【００３９】
また以上の実施例では、Ｘ線高電圧装置の出力管電圧を制御するために、スイッチ１１のデューティを調整する方法、即ちデューティ発生回路２０を介してスイッチ１１を制御する場合を示したが、管電圧を制御する方法としてはこれに限らず直接インバータ１５の各スイッチのオン時間やオンするタイミングを調整して行ってもよい。この場合、スイッチ１１、ダイオード１２、リアクトル１３、コンデンサ１４は不要であり、直流電源１０を直接インバータ１５の入力側に接続することができる。また、インバータの出力側に共振用のリアクトルやコンデンサを接続してインバータの周波数を制御することにより管電圧を調整してもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のＸ線高電圧装置によれば、出力管電圧を制御するためのフィードバック制御として複数の調整点データと補間演算から求めた最適制御ゲインを利用することによって、全ての負荷抵抗に対して、常に一定の立ち上がり時間と安定な管電圧とを出力することができ、Ｘ線撮影時の微妙な条件設定において写真のコントラストや写真濃度を自由に調整できる。
【００４１】
特にこれら補間及びゲイン演算を高速マイクロプロセッサでデジタル処理することにより、最適フィードバックを極めて高速で応答性よく行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のＸ線高電圧装置の一実施例を示すブロック図。
【図２】  最適ゲインの負荷抵抗（管電圧／管電流）による変化を示すグラフ。
【図３】  最適ゲインの高電圧ケーブル長による変化を示すグラフ。
【図４】  Ｘ線管の管電圧−管電流特性に応じた二次元的な補間を説明する図。
【図５】  Ｘ線管の管電圧−管電流特性を示すグラフ。
【符号の説明】
１０・・・・・・直流電源
１５・・・・・・インバータ（直流交流変換回路）
１６・・・・・・高電圧トランス
１７・・・・・・高電圧整流器
１９・・・・・・Ｘ線管
２１・・・・・・デューティ発生回路
２２、２３・・・・・・比較器
２４・・・・・・積分器（演算手段）
２５・・・・・・微分器（演算手段）
２６・・・・・・乗算器（演算手段）
２７・・・・・・補間演算器（ゲイン決定手段）
２８・・・・・・調整点データ格納手段（ゲイン決定手段）
８０・・・・・・電圧検出手段
【図１】
0003778304.tif 000005
【図２】
0003778304.tif 000006
【図３】
0003778304.tif 000007
【図４】
0003778304.tif 000008
【図５】
0003778304.tif 000009