Высокоточные фильтрующие конденсаторы для специализированной 3D-спиральной компьютерной томографии молочной железы.

Высокоточные фильтрующие конденсаторы для специализированной 3D-спиральной компьютерной томографии молочной железы.

Резюме

Ткань молочной железы обеспечивает очень низкий рентгеновский контраст, поэтому небольшой дрейф в кВ превращается в видимый шум. Специализированная 3D-спиральная КТ молочной железы поддерживает погрешность измерения кВ в пределах ±0.5%, и этот предел определяет характеристики фильтрующего конденсатора. В этой статье приведена зависимость кВ от единиц Хаунсфилда (HU), пределы провисания и пульсаций, а также параметры конденсатора и этапы скрининга, которые позволяют поддерживать длинное спиральное сканирование в пределах допустимых значений.

1. Введение

Рак молочной железы — наиболее распространенное онкологическое заболевание у женщин, и ранняя диагностика меняет прогноз. Маммография и цифровая томография молочной железы (ЦТМЖ) сталкиваются с трудностями из-за перекрытия тканей и трехмерной локализации. Специализированная трехмерная спиральная компьютерная томография молочной железы с поворотом на 360° восстанавливает трехмерный объем, что позволяет более четко отображать микрокальцификации, границы поражений и структуры протоков.

Ткань молочной железы имеет небольшие различия в ослаблении сигнала. Жировая ткань, железистая ткань, опухоли и кальцификаты имеют схожие эффективные атомные номера, поэтому контрастность изображения низкая. В этом случае система КТ молочной железы должна поддерживать высокое напряжение питания в пределах ±0.5% или даже ±0.25%. Аналогичным образом необходимо регулировать и ток трубки.

Любая ошибка в киловольтах проявляется в виде шума изображения, а шум маскирует ранний сигнал. В этой статье объясняется механизм управления генератором 3D-спиральной компьютерной томографии молочной железы и приводятся правила выбора конденсаторов для фильтра и цепи умножителя.

2. Основной механизм

Дрейф 2.1 кВ и число КТ

Слой половинного ослабления рентгеновского спектра соответствует напряжению в кВ, а КТ-число ткани соответствует этому спектру. Изменение напряжения в кВ сдвигает КТ-число примерно на:

ΔHU ≈ (∂HU/∂kV) · ΔkV

где ΔHU — сдвиг КТ-числа, ∂HU/∂kV — чувствительность КТ-числа к напряжению трубки, а ΔkV — ошибка напряжения трубки.

Для тканей молочной железы чувствительность составляет 2–5 HU/кВ. При ±0.5 кВ в точке с напряжением 100 кВ ΔHU достигает ±1–2.5 HU. Для КТ молочной железы требуется разрешение контрастности мягких тканей лучше 5 HU, поэтому эта ошибка использует 20–50% доступного контраста. При ±1% кВ контрастность между небольшим кальцификатом и железистой тканью может опускаться ниже уровня шума.

2.2 Доза и кВ

Доза рентгеновского излучения изменяется в соответствии с степенным законом при изменении напряжения на рентгеновской трубке:

D ∝ kV^n

где D — доза в мГр, кВ — напряжение трубки, а n — показатель степени от 2 до 3.

При n = 2.5 изменение напряжения на ±0.5% приводит к смещению дозы примерно на ±1.25%. Протоколы для исследования молочной железы работают при низкой дозе, и итеративная модель реконструкции считывает этот уровень дозы, поэтому дрейф дозы изменяет модель шума и итоговое изображение.

2.3 Провал напряжения при спиральном сканировании

Спиральное сканирование охватывает весь цикл вращения, поэтому источник питания никогда не останавливается. Фильтрующий конденсатор должен переносить заряд между импульсами. Провал напряжения происходит следующим образом:

ΔV = I_tube · t_pulse / C_filter

где ΔV — просадка напряжения, I_tube — ток трубки, t_pulse — ширина импульса экспозиции, а C_filter — емкость фильтра.

При токе 10 мА и импульсе длительностью 20 мс с пределом просадки 50 В емкость C_filter должна достигать 4 мкФ. При напряжении 100 кВ этот блок накапливает 20 Дж, поэтому в конструкции используются последовательно-параллельные массивы керамических компонентов вместо одного большого блока.

2.4 Волновой эффект и цикл восстановления

Высоковольтные пульсации изменяют поток в каждом ракурсе. Итеративная реконструкция предполагает стабильную статистику проекции, поэтому пульсации нарушают это предположение и добавляют полосовые артефакты. Пульсации выглядят следующим образом:

V_ripple = I_ripple / (2π · f_ripple · C_filter)

где V_ripple — амплитуда пульсаций, I_ripple — ток пульсаций, f_ripple — частота пульсаций, а C_filter — емкость фильтра. Увеличьте C_filter, увеличьте f_ripple или добавьте второй LC-каскад.

При пульсациях свыше ±1% спектр мощности шума смещается вверх, а обнаруживаемость низкоконтрастных сигналов падает на 15–25%. В многоступенчатом фильтре компоненты также должны совпадать по значению и точке резонанса.

Рис. 1 — При напряжении 100 кВ, токе 20 мА и частоте 50 кГц для компенсации провалов напряжения требуется 8 мкФ, тогда как для компенсации пульсаций — 637 нФ, поэтому конденсаторная батарея N4700 емкостью 10–20 мкФ обеспечивает погрешность измерения напряжения в пределах ±0.5%.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Провисание изображения при сканировании на большом расстоянии.

Спиральное сканирование молочной железы длится 10–30 секунд при высоком коэффициенте заполнения. Если фильтр рассчитан на стандартный генератор КТ, напряжение проседает во время сканирования, поэтому первый срез выглядит ярким, а последний — темным. Петля обратной связи не может полностью скорректировать этот медленный дрейф, поскольку цифровой контроллер добавляет интегральное нарастание и задержку.

Проблема 2: Пакетное распространение в последовательной структуре.

Две детали могут одновременно соответствовать техническим характеристикам и при этом отличаться. Разброс емкости и коэффициента деления напряжения смещает деление напряжения между каскадами, что добавляет низкочастотные пульсации на выходе. Эти пульсации следуют за периодом вращения или частотой инвертора, и простой фильтр не может их удалить. На изображении они проявляются в виде кольцевых или полосовых артефактов.

Проблемный момент 3: Изменение параметров в течение дня сканирования.

Температура и влажность в помещении меняются в течение дня, и пациент, и оборудование выделяют тепло. В результате емкость и тангенс угла диэлектрических потерь изменяются с температурой, что сдвигает резонанс фильтра и коэффициент усиления петли обратной связи. В результате первое сканирование утром и последнее сканирование днем ​​перестают совпадать.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Задайте размер фильтра, исходя из обоих пределов.

Фильтр должен одновременно соответствовать пределу пульсаций и пределу провисания:

C_filter ≥ max ( I_ripple / (2π · f_ripple · V_ripple_max) , I_tube · t_pulse / ΔV_max )

где V_ripple_max — целевое значение пульсаций, ΔV_max — целевое значение провисания, а остальные символы — как указано выше.

При напряжении 100 кВ, токе 20 мА и частоте 50 кГц, с целевым значением пульсаций 0.1% и целевым значением просадки 0.05%, величина пульсаций достигает примерно 637 нФ, а величина просадки — 8 мкФ. Величина просадки является наиболее значимой, поэтому емкость блока 10–20 мкФ является нормальной.

Стратегия 2: Разделить ослабление на π-фильтре

Первый каскад расположен на выходе инвертора и использует конденсаторы емкостью от 100 нФ до 1 мкФ для подавления пульсаций при переключении. пленочный конденсатор На первом этапе, где пульсации напряжения невелики, а ток велик, схема работает хорошо. Второй этап расположен непосредственно у лампы и использует несколько микрофибровых конденсаторов для подавления провалов на низких частотах.

Небольшой последовательно включенный индуктор индуктивностью в несколько мГн устанавливает LC-точку ниже частоты переключения и выше полосы пропускания управляющего сигнала, благодаря чему контур остается стабильным.

Стратегия 3: Использовать диэлектрик класса I.

Детали класса I сохраняют свои свойства при изменении температуры и напряжения. N4700 Обеспечивает погрешность ±30 ppm/°C, коэффициент напряжения в пределах ±1% и скорость старения менее 0.1% в год. Деталь класса II может потерять более 20% своей стоимости под воздействием смещения, что приводит к смещению угла фильтра и нарушению расчета пульсаций.

Стратегия 4: Разделите участников на пары и проведите отбор.

Проведите проверку на 100% фильтрующих и умножительных элементов, чтобы исключить ранние отказы. Затем сгруппируйте их по емкости, коэффициенту детерминации и току утечки, поддерживая разброс внутри каждой цепочки в пределах ±1%. HVC поддерживает проверку AQL 0.25, высокотемпературную проверку и парную поставку по запросу.

Стратегия 5: Добавить прямую связь в контур FPGA.

Рассчитайте заряд, необходимый для следующего импульса, исходя из заданного значения напряжения (кВ) и тока трубки, затем сдвиньте коэффициент заполнения вперед. Добавьте таблицу температур, которая корректирует дрейф емкости и тангенса угла диэлектрических потерь (tanδ). Упреждающая компенсация сокращает время установления напряжения на 30–50% и уменьшает погрешность измерения температуры на порядок.

Стратегия 6: Связать электрические данные с данными изображений.

Для каждой системы рядом с результатами, полученными с помощью водяного фантома, регистрируются значения кВ, мА и пульсаций. Когда шум изображения перемещается в производственной партии, запись указывает на партию конденсаторов или высоковольтный модуль. Эта связь замыкает цикл от компонента к клиническому изображению.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC для этого узла

Трехмерная спиральная компьютерная томография молочной железы требует стабильной емкости, низкого уровня пульсаций, высокой однородности компонентов и длительного срока службы. Фильтровый блок пропускает 100 кВ и накапливает 20 Дж, поэтому важны как диэлектрик, так и корпус. Компания HVC производит компоненты класса N4700 I для этих задач на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• TCC ±30 ppm/°C. Емкость сохраняется в диапазоне от −55 °C до +125 °C, поэтому заданное значение kV остается неизменным по мере нагревания сканирующей камеры в течение дня.
• Погрешность VCC в пределах ±1%. Смещение не снижает значение, поэтому угол фильтра остается там, где его определило моделирование.
• Коэффициент потерь ниже 0.15% на частоте 100 кГц. Потери остаются низкими на частоте переключения, поэтому пульсации тока мало нагревают аккумуляторную батарею мощностью 20 Дж.
• Частицы разряда менее 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Экранированные компоненты не изменяют своего значения из-за внутреннего разряда в течение длительного срока службы.
• Допуск ±3% при сортировке на этапе тестирования. Жесткая сортировка и парная поставка позволяют удерживать разброс напряжения в пределах ±1%, что обеспечивает равномерное распределение напряжения по всем каскадам.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. Vishay HVCC, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV используются в крупномасштабном производстве компьютерной томографии молочной железы для производителей оборудования для визуализации из списка Fortune 500.

Для блока 100 кВ HVCT8G Последовательное подключение винтовых клемм обеспечивает передачу напряжения на единицу площади и позволяет уменьшить длину массива.

Что касается обратной связи, то резистор выборки HVRGXP поддерживает зависимость коэффициента деления от температуры, которую и считывает петля кВ.

В каскаде умножения конденсаторы соединяются в пары с выпрямительные диоды выбраны для одного и того же термического класса и с одинаковым временем восстановления.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, в то время как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в моделировании фильтров, компоновке блоков, планировании испытаний на выгорание и исследованиях корреляции качества изображения.

Отправьте диапазон кВ и мА, целевое значение пульсаций, топологию фильтра и коэффициент заполнения сканирования. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист согласования конденсаторов с номерами деталей, данными DF и ESR на рабочей частоте, а также комплект для оценки с двумя образцами. HVR-BSP Регуляторные резисторы поставляются с одной и той же линии для делителя и умножителя.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Насколько низким должно быть значение кВ для 3D-спиральной КТ молочной железы?

В пределах ±0.5%, а для высококлассных систем — ±0.25%. Причина — контрастность. Чувствительность тканей молочной железы составляет 2–5 HU/кВ, поэтому ±0.5 кВ при 100 кВ сдвигает значение КТ на ±1–2.5 HU. Разрешение контрастности мягких тканей составляет 5 HU, поэтому более свободное ограничение по кВ использует значительную часть поля зрения.

В2: Почему предел провисания превышает предел пульсации?

Поскольку спиральный импульс за короткое время генерирует большой заряд. При токе 20 мА и длительностью импульса 20 мс с пределом просадки 50 В для компенсации просадки требуется 8 мкФ. Для компенсации пульсаций при частоте 50 кГц и целевом значении 0.1% требуется всего 637 нФ. Сначала рассчитайте значение, исходя из большего значения, затем проверьте меньшее.

В3: Можно ли использовать конденсаторы класса II для экономии места?

Нет, если угол фильтра должен сохранять свои свойства. Деталь класса II может потерять более 20% своих характеристик при высоком напряжении смещения, поэтому угол смещается вместе с заданным значением кВ. Деталь класса I, такая как N4700, сохраняет свои свойства в пределах ±1% при повышении напряжения и ±30 ppm/°C при повышении температуры.

Вопрос 4: Как предотвратить распространение эффекта «ряби» на реконструкцию?

Используйте два фильтрующих каскада и подберите компоненты. Первый каскад на выходе инвертора уменьшает пульсации переключения, а второй каскад на лампе уменьшает провалы в низкочастотном диапазоне. Распределение струн должно быть в пределах ±1%, поскольку неподобранная струна добавит резонансный пик в полосу частот, которую вы пытаетесь отфильтровать.

В5: Какое обследование необходимо для проведения компьютерной томографии молочной железы с использованием конденсатора?

Проверка работоспособности 100% компонентов, затем сортировка по емкости, коэффициенту разряда и току утечки. Дополнительно проводится тест на частичный разряд при напряжении, в 0.8 раза превышающем номинальное, с ограничением в 5 пКл. Емкость и сопротивление изоляции могут быть измерены для компонента, который все еще разряжается внутри, поэтому решение принимается на основе теста на частичный разряд.

В6: Как обеспечить стабильную работу фильтра в течение всего дня сканирования?

Контролируйте температуру в помещении и поддерживайте стабильность параметров компонентов. Ограничьте колебания температуры в помещении во время сканирования, используйте диэлектрик класса I, чтобы значения и tanδ оставались неизменными, и добавьте в контур управления таблицу температур, которая корректирует оставшийся дрейф. Проверьте показания напряжения (кВ) при первом и последнем сканировании за день.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Си Джей Хурдакис, Определение практического пикового напряжения (ППВ) диагностической рентгеновской трубки на основе средних значений или средних пиковых значений напряжения.Физика в медицине и биологии, том 56, № 7, стр. 2199-2217, 2011. https://doi.org/10.1088/0031-9155/56/7/019
8. Дж. К. Джарратано, Р. Г. Ваггенер, Дж. М. Хевези и Р. Дж. Шалек, Сравнение методов определения пикового киловольтажа (кВп) диагностических рентгеновских аппаратов с использованием делителя напряжения, модифицированной кассеты Ардрана-Крукса и спектрометра Ge(Li).Медицинская физика, том 3, № 3, стр. 142-147, 1976. https://doi.org/10.1118/1.594280
9. Бушберг Дж. Т., Зайберт Дж. А., Лейдхолдт Э. М. и Бун Дж. М., Основы физики медицинской визуализации, 3-е изд. Филадельфия: Wolters Kluwer / Lippincott Williams & Wilkins, 2012.
10. Схемы защиты от дугового разряда и внешние последовательные ограничивающие резисторыSpellman High Voltage Electronics Corporation, Примечание по применению AN-13, https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-13 .
11. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com