MAGYAR NÉPKÖZTÁRSASÁG üjfwsifo IffiSP SZABADALMI LEÍRÁS SZOLGÁLATI TALÁLMÁNY Nemzetközi osztályozás: ^ ^ p l i l H P Bejelentés napja: 1979. V. 3. (ME 2273) NSZ0 3 H 05 G 1/44 Közzététel napja: 1982. X. 28. ORSZÁGOS TALÁLMÁNYI ftr eahadaltnl tár.. / HIVATAL Megjelent: 1985. VI. 30. Feltalálók. Antal Sebestyén, oki. villamosmérnök, Budapest (50%), Bátki László, elektrotechnikus, Budapest (30%), Nagy Czirok Csaba, vili. üzemmérnök, Budapest (20%). Szabadalmas: MEDICOR Művek, Budapest Automatikus dózisteljesítmény szabályozó áramkör röntgenképerősítős röntgen berendezésekhez A találmány tárgya automatikus dózisteljesítmény szabályozó áramkör röntgenképerősítős röntgen berendezésekhez, amelynek röntgengenerátora a röntgencső üzemi paramétereit szabályozó egységgel van összekötve, és tartalmaz a fényerősség pillanatnyi értékével arányos jelet előállító 5 érzékelőt, amely jelátalakító áramkörön keresztül a szabályozó egység vezérlő bemenetéhez csatlakozik. Az automatikus dózisteljesítmény szabályozó berendezések két nagy csoportra oszthatók. Egyrészük a páciens mögötti dózisteljesítményt tartják állandó értéken, ilyenek pél- 10 dául az ionizációs kamra érzékelőkkel rendelkező berendezések. A szabályozó berendezések másik csoportja a röntgenképerősítő kimenő ernyőjének a fénysűrűségét stabilizálja, és ezt fotofélvezetők (fényelem, fotodióda stb.) fotoelektronsokszorozók, illetve a vidikon jelének felhasználásával érik 15 el. A röntgenképerősítő átalakítási tényezője a beállított üzemi feszültség függvényében változik (több, mint kettes faktorral). A fotoelektronsokszorozók esetében hátrányt jelent a fotoelektronsokszorozó nagy szórása, magas tápfeszültségigénye, nagy mérete. A televíziós rendszerű szabályo- 20 zás hátrányaként említhető a nagyobb meghibásodási valószínűség, amely a bonyolultabb elektronikát tartalmazó szabályozási lánc következménye. A fotofélvezetö érzékelőkkel épített szabályozók aránylag kevéssé tudnak elterjedni a dózisteljesítménnyel arányos ellenőrzőjel alacsony szintje 25 miatt. A röntgenképerősítő kimenő ernyőjének fénysűrűségét állandó szinten tartó szabályozók közös vonása, hogy az ellenőrzőjelet a röntgenképerősítőről származtatják. E célból a képerősítő kimenő ernyőjének fénysűrüségét vagy a 30 képerősítő fotókatód áramát használják fel. A fotókatód áram és a kimenő ernyő fénysűrűsége között szigorú arányosság van. Az egyik legmodernebb automatikus dózisteljesítmény szabályozó berendezésnél a szabályozáshoz szükséges ellenőrzőjelet a röntgenképerősítő fotokatódjáról származtatják, majd egyenáramú erősítés után egy alapjellel összehasonlítva használják fel a röntgengenerátor feszültségének befolyásolására. A röntgenképerősítő fotokatódjáról levehető jel igen kis szintű, és nagysága követi a röntgenteljesítmény periodikus ingadozásait. Ismert módon a kisegyenfeszültségek felerősítése az elkerülhetetlen nullponteltolódás és drift jelenségek miatt nagyon nehéz. A dózisteljesítmény szabályozásánál ehhez a nehézséghez járul még az a körülmény is, hogy az ellenőrzőjelet lüktető egyenfeszültség képezi, amelynek átlagértéke nem kellően hűen fejezi ki a dózisteljesítmény pillariatértékét. A dózisteljesítmény ugyanis a pillanatnyi röntgenfeszültség négyzetétől függő mennyiség, és esetleges változásait a teljes periódusokra vett átlag csak csökkentett mértékű változása kíséri. További nehézséget képez, hogy a szabályozás időállandója nagy, ami az egyenfeszültségű átlag ingadozási sebességével nem áll összhangban, ezért a létrejött szabályozás stabilizálásához bonyolult megoldásokra van szükség, amelyek mind a szabályozás hatékonyságit csökkentik. A találmány feladata olyan automatikus dózisteljesítmény szabályozó áramkör létrehozása röntgenképerősítős röntgen berendezésekhez, amely egyrészt pontos mintavételt biztosít a dózisteljesítménnyel arányos jelből, másrészt pedig széles- -i-
3 4 körűen alkalmazható, stabil és gyors beavatkozást biztosít, amely mentes az ismert megoldások fentiekben felsorolt hiányosságaitól. A találmánnyal automatikus dózisteljesítmény szabályozó áramkört hoztunk létre röntgenképerősítős röntgen berendezésekhez, amelynek röntgen generátora aröntgencsőüzemi paramétereit szabályozó egységgel van összekötve, továbbá tartalmaz a fényerősség pillanatértékével arányos jelet előállító érzékelőt, amely jelátalakító áramkörön keresztül a szabályozó egység vezérlő bemenetéhez csatlakozik, és a találmány szerint a röntgengenerátornak a rajta lévő váltakozófeszültséggel arányos jelet előállító szinkronizáló kimenete van, és ez a kimenet kapujelképző áramkör vezérlő bemenetéhez csatlakozik, a jelátalakító áramkörben elektronikus kapcsoló van, amelynek vezérlő bemenete a kapujelképző áramkör kimenetével van összekötve, az elektronikus kapcsoló bemenete az érzékelő kimenetével kapcsolódik, kimenete pedig erősítőn és szintrögzítő áramkörön keresztül csatlakozik a szabályozó egység vezérlő bemenetéhez A szinkronizáló kimenettel vezérelt kapujelképző áramkör gondoskodik arról, hogy az elektronikus kapcsoló a röntgencsövet vezérlő lüktető egyenfeszültséghez képest meghatározott merev fázisban, adott ideig legyen nyitott állapotban, és így a kapcsolt ellenőrző jel nagyságát csak a tényleges dózisjel értéke tudja meghatározni. Az elektronikus kapcsoló kimeneti jele ezenkívül könnyen feldolgozható és erősíthető váltakozó feszültség jel lesz, aminek felerősített, szintrögzített reprezentálása már megbízható ellenőríőjelet képez a szabályozáshoz. A találmány egy célszerű kiviteli alakjánál a kapujel képző áramkörben a röntgengenerátor szinkronizáló kimenetével szinkronizált jelgenerátor, ennek kimenetében kapcsolt komparátor és a komparátor kimenetével összekötött bemenetű, a kapujel időtartamát beállító monostabil multivibrator van, amelynek kimenetei közvetlenül vagy erősítőn keresztül az elektronikus kapcsoló vezérlő bemenetével vannak összekötve. Ilyen kapcsolási elrendezés mellett a mintavétel fázisa és a mintavett jel impulzusának időtartama a vezérlő váltakozófeszültséghez képest tetszőlegesen beállítható és megválasztható, ami a szabályozás érzékenységét és stabilitását alapvetően javítja. A pillanatnyi dózisjellel arányos feszültséget érzékeld áramkör lehet a röntgenképerősítő katódjához csatlakoztatott ellenállás vagy a képútba iktatott külön fotoérzékelő. A találmány szerinti áramkörben lévő szabályozó egység célszerűen tartalmaz első és második komparátort, amelyek jelbemenetei a szintrögzítő áramkör kimenetével vannak összekötve és referencia bemenetei első illetve második alapjelképzővel kapcsolódnak, kimenetei pedig időzítő áramkörökön és beavatkozó szerveken keresztül a röntgengenerátor szabályozó bemenetével vannak összekötve. Ilyen módon a két komparátor lehetővé teszi a szabályozási értéktartomány alsó és felső határainak kijelölését. Beavatkozás csak akkor történik, ha a mintavett ellenőrzőjel a rögzített értéktartomány alsó vagy felső határát átlépi. Az időzítő áramkörök jelenléte gondoskodik arról, hogy a határok túllépése után a beavatkozáshoz szükséges időállandón belül újabb beavatkozást módosító vezérlés ne keletkezhessék. Ezzel a szabályozás egyidejűleg gyors és stabil is lesz, lengések, túlszabályozások nem keletkezhetnek. A találmány egy előnyös kiviteli alakjánál az első és második alapjelképző bemenetei a röntgen berendezésnek a röntgensugárképét korlátozó tubus vagy sugárrekesz jelenlétét érzékelő kimenetével vannak összekötve. Ez a kapcsolat lehetővé teszi, hogy a szabályozásfigyelembevegye a tubus vagy sugárrekesz által gyöngített dózisra való üzemmódot, aminek következtében a dózist a megfelelő gyengített értéknél tartja állandó szinten. 5 Célszerű továbbá, ha az időzítő áramköröket egy-egy monostabil multivibrator képezi, és a beavatkozó szervek szervomotorral vannak összekötve, amely a röntgengenerátorban elrendezett toroid transzformátorral van kapcsolatban. A monostabil multivibrátorok a beállított időzítésnek meg- 10 felelő ideig érzéketlenek újabb indító jelekkel szemben, ezért alkalmazásuk lehetővé teszi a gyors érzékelés és a lassúbb szabályozás időállandói között a megfelelő operatív összhang kialakítását. A találmány szerinti megoldás hatásos érzékelés, váltako- 15 zóáramú erősítés és megfelelően összekapcsolt érzékelési és beavatkozási időállandói révén alkalmas a dózisteljesítmény megbízható és egyszerű szabályozására a gyakorlatban előforduló üzemmódok mindegyikében. A találmányt a továbbiakban egy kiviteli példa kapcsán, 20 a rajz alapján ismertetjük részletesebben. A rajzon az 1. ábra a röntgenfeszültség, a dózisteljesítmény és a mintavett jel idődiagramját szemlélteti, és a 2. ábra a találmány szerinti automatikus dózisteljesítmény szabályozó áramkör egy előnyös kiviteli alakjának a tömb- 25 vázlata. Most a 2. ábrára hivatkozunk, amelyen hagyományos kialakítású röntgenképerősítős röntgenberendezést tüntettünk fel, amely a találmány szerinti automatikus dózisteljesítmény szabályozó áramkörrel van ellátva. 30 18 röntgengenerátor 19 röntgen berendezés, azaz röntgencső és kisegítő áramköre részére a szükséges feszültségellátást biztosítja. A 18 röntgen generátor célszerűen toroid transzformátort tartalmaz, amellyel az előállított feszültség nagysága változtatható. 35 A 19 röntgen berendezés előtt vázlatosan jelöltük a 20 pácienset. A rajta keresztülhatoló röntgensugarak útjában 21 röntgen képerősítő helyezkedik el, amely megfelelő optikai rendszerhez csatlakozik. A találmány szempontjából annak van jelentősége, hogy 40 a 21 röntgen képerősítő által vett pillanatnyi fényjelet egy érzékelő áramkör analóg feszültségjellé alakítja át. Ebből a célból felhasználható például a 21 röntgen képerősítő katódjához csatlakoztatott R ellenállás vagy egy külön 22 fotoérzékelő, amely az optikai rendszer megfelelő részénél helyez- 45 kedik el. Az érzékelő áramkör kimenete 1 elektronikus kapcsolójelbemenetével van összekötve. Az 1 elektronikus kapcsolónak két vezérlő bemenete van, és ezen vezérlő bemenet, továbbá a 18 röntgen generátornak egy szinkronizáló kimenete között kapujelképző áramkör helyezkedik el. 50 A kapujelképző áramkör tartalmaz 2 jelgenerátort, amelynek indító bemenete az említett szinkronizáló kimenettel van összekötve, 3 komparátort, amit a 2 jelgenerátor kimenete vezérel, a 2 jelgenerátor kimenetével összekötött indító bemenetű 4 monostabil multivibrátort, továbbá két 5 és 6 55 erősítőt, amelyek a 4 monostabil multivibrator ponált és negált kimeneteit csatlakoztatják az 1 elektronikus kapcsoló két vezérlő bemenetéhez. Az 1 elektronikus kapcsoló kimenete váltakozó feszültségű 7 erősítőn keresztül 8 szintrögzítő áramkörhöz csatlako- 60 zik. A szabályozó egység a 8 szintrögzítő áramkör kimenete és a 18 röntgengenerátor szabályozó bemenete között helyezkedik el, és tartalmaz két hiszteréases 9 és 10 komparátort, amelyek jelbemenete a 8 szintrögzítő áramkör kimenetével van összekapcsolva, referencia bemenetük pedig két 11 65 és 12 alapjelképző kimenetéhez csatlakozik. A 11 és 12 alap
5 6 jelképzők a szabályozás alsó, illetve felső határait állítják be, és ezen két határ között beavatkozás nem történik. Abban az esetben, ha a 19 röntgen berendezéshez a sugárteljesítmény csökkentésére tubust vagy sugárrekeszt lehet csatlakoztatni, akkor ezt a tényt a 19 röntgen berendezés és a 11 és 12 alapjelképzők között létesített összeköttetés közli a 11 és 12 alapjelképzőkkel, ami az alapjel szintjének megfelelő megváltozását vonja maga után. A 9 és 10 komparátorok kimenete egy-egy 13 és 14 monostabil multivibrator indító bemenetével van összekötve. A13 és 14 monostabil multivibrátorok kimenete 15 és 16 beavatkozó szerveken, célszerűen teljesítményerősítőkön keresztül 17 szervomotor egy-egy bemenetéhez csatlakozik. A 17 szervomotor a 18 röntgen generátorban elrendezett toroid transzformátor forgatására alkalmas. A találmány szerinti megoldás működésének ismertetése előtt az 1. ábra diagramjaira hivatkozunk. A Graetz kapcsolásban működő 18 röntgengenerátor kimeneti feszültségét 1' hullámalak szemlélteti. A 19 röntgenberendezés által előállított dózisteljesítmény ingadozását a 2' hullámalak szemlélteti, amely már sokkal meredekebb és keskenyebb az 1' hullámalaknál. A 2. ábrán vázolt berendezésben a 18 röntgengenerátor szinkronizáló kimenetén például a kimeneti feszültség nullszintjénél jelenik meg egy-egy impulzus, ami a 2 jelgenerátor bemenetéhez kapcsolódva annak kimeneti impulzusait szinkronizálja. A 2 jelgenerátor kimeneti impulzusai például háromszög alakban időben növekvő értékűek, és a 3 komparátor egy adott szint elérésekor átbillen, kimenetén impulzus keletkezik. A 3 komparátor referencia jelének változtatásával a kimeneti impulzus és a generátorfesziiltség nullértéke közötti fázishelyzet tetszőlegesen változtatható. A 4 monostabil multivibrátort ez az impulzus indítja, és kimenetén adott időzítésnek megfelelő időtartamra impulzus jelenik meg. Ezen impulzus kezdete és 5 erősítőn keresztül nyitja az 1 elektronikus kapcsolót, vége pedig a 6 erősítőn keresztül az 1 elektronikus kapcsolót záija. Az 1 elektronikus kapcsolón keresztül csak annak nyitott állapota idejére jelenik meg az érzékelő feszültsége, azaz a pillanatnyi dózisteljesítménnyel arányos jel. Az 1. ábrán a 3' hullámalak az 1 elektronikus kapcsoló kimeneti feszültségét szemlélteti. Ha az 1 elektronikus kapcsoló mintavételezési periódusát a generátorfeszültséggel szinkron állítjuk be, akkor az 1. ábrán vázolt módon a mintavett jel értéke egybeesik a dózisteljesítmény maximumának időszakával, amikor a dózisteljesítmény a szabályozás szempontjából lényeges értéket veszi fel. Nyilvánvaló módon az így nyert mintavett jel sokkal érzékenyebben követi a dózisteljesítmény változásait, mint a 2' hullámalaknak a teljes periódusra vett átlagértéke, amit az ismert szabályozó berendezések ellenőrzőjelként használnak. A mintavett jel esetünkben váltakozó feszültség, amit a 7 erősítő néhányraillivoltosszintről megfelelő szintre felerősít, és értékét a 8 szintrögzítő áramkör rögzíti. A 8 szintrögzítő áramkör kimenetéről a két 9 és 10 komparátor az 1. ábrán vonalkázott területtel jelölt időszakban megkapja a mintavett jel felerősített és szintrögzített reprezentánsát. A 9 komparátor akkor működik, ha a jelszint kisebb, mint a 11 alapjelképzö által beállított legkisebb megengedett érték, a 10 komparátor működésének feltétele pedig a 12 alapjelképző által beállított legnagyobb jelszint túllépése. Ha a mintavett jel például kisebb a megengedett legkisebb jelszintnél, akkor a 19 komparátor átbillen és működteti a 13 monostabil multivibrátort. Ennek időzítése lényegesen nagyobb a mintavett jelek periódusidejénél. A 13 monostabil multivibrator impulzusa alatt a 15 beavatkozó szerv első irányban működteti a 17 szervomotort, aminek hatására a toroid transzformátor elfordul és feszültsége növekedni 5 kezd. Ennek megfelelően a mintavett jel értéke is növekszik, a 9 komparátor visszabillen. A 13 monostabil multivibrator visszabillenése után már nem kap indító impulzust, így a 17 szervomotor megáll és a dózisteljesítmény a kívánt szinten lesz. 0 Fordított esetben, tehát ha a mintavett jel értéke nagyobb a felső határnál, akkor a 10 komparátor billen át, és a 14 monostabil multivibrator a 17 szervomotort az ellenkező irányban működteti. Az itt leírt működés alapján könnyen beláthatjuk, hogy ) 5 egyszerű és hatásos dózisteljesítmény szabályozást valósítottunk meg, ahol a mintavételi periódus tetszőleges fázishelyzetbe és időtartamra beállítható, amivel az adott üzemmódot legjobban jellemző mintavételi szakasz kiválasztása válik lehetségessé. 20 A beavatkozás gyors indítású, de lassú időállandójára való tekintettel adott ideig érzéketlen is, ami a felesleges lengések, túlszabályozások kiküszöbölését eredményezi. A fent bemutatott működés nem korlátozható a csak példa kedvéért ismertetett konkrét kapcsolási elrendezésre, 25 az abban leírt egyes áramkörök más ismert analóg megoldásokkal a találmány alapgondolatától való eltávolodás nélkül helyettesíthetők. 30 Szabadalmi igénypontok 1. Automatikus dózisteljesítmény szabályozó áramkör röntgenképerősítős röntgenberendezésekhez, amelynek röntgengenerátora a röntgencső üzemi paramétereit szabá- 35 lyozó egységgel van összekötve, továbbá tartalmaz a fényerősség pillanatértékével arányos jelet előállító érzékelőt, amely jelátalakító áramkörön keresztül a szabályozó egység vezérlő bemenetéhez csatlakozik, azzal jellemezve, hogy a röntgen generátornak (18) a rajta lévő váltakozófeszültség- 40 gel arányos jelet előállító szinkronizáló kimenete van, és ez a kimenet kapujelképző áramkörön vezérlő bemenetéhez csatlakozik, a jelátalakító áramkörben elektronikus kapcsoló (1) van, amelynek vezérlő bemenete a kapujelképző áramkör kimenetével van összekötve, és az elektronikus kapcsoló 45 (1) bemenete az érzékelő kimenetével kapcsolódik, kimenete pedig erősítőn (7) és szintrögzítő áramkörön (8) keresztül csatlakozik a szabályozó egység vezérlő bemenetéhez. 2. Az 1. igénypont szerinti automatikus dózisteljesítmény szabályozó áramkör kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a 50 kapujelképző áramkörben a röntgen generátor (18) szinkronizáló kimenetével szinkronizált jelgenerátor (2), ennek kimenetéhez kapcsolt komparátor (3) és a komparátor (3) kimenetével összekötött bemenetű, a kapujel időtartamát beállító monostabil multivibrator (4) van, amelynek kimene- Í5 tei közvetlenül vagy erősítőkön (5, 6) keresztül az elektronikus kapcsoló (1) vezérlő bemenetével vannak összekötve. 3. Az 1. igénypont szerinti automatikus dózisteljesítmény 60 érzékelőt a röntgen képerősítő (21) katódjához csatlakoztatott ellenállás (R) vagy a képútba iktatott fotoérzékelő (22) képezi. 4. Az 1. igénypont szerinti automatikus dózisteljesítmény szabályozó áramkör kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a (>5 szabályozó egység tartalmaz első és második komparátort 3-3-
7 8 (9, 10), amelyek bemenetei a szintrögzítő áramkörnek (8) a kimenetével vannak összekötve, első és második alapjelképzőt (11, 12), amelyek kimenetei az első illetve második komparátor (9, 10) referencia bemeneteihez csatlakoznak, és a komparátorok (9, 10) kimenetei időzítő áramkörön és beavatkozó szerven keresztül vannak a röntgen generátor (ÍR) szabályozó bemenetével összekötve. 5. A 4. igénypont szerinti automatikus dózisteljesítmény első és második alapjelképző (11, 12) bemenetei a röntgen berendezésnek (19) a röntgensugárképét korlátozó tubus vagy sugárrekesz jelenlétét érzékelő kimenetével vannak öszszekötve. 5 6. A 4. igénypont szerinti automatikus dózisteljesítmény időzítő áramköröket egy-egy monostabil multivibrátor (13, 14) képezi, és a beavatkozó szervek (15, 16) szervomotorral (17) vannak összekötve, amely a röntgen generátorban (18) 10 elrendezett toroid transzformátorral van kapcsolatban. 1 rajz, 2 ábra A kiadásért felel a Közgazdasági és Jogi Könyvkiadó igazgatója 84.5136.66-4 Alföldi Nyomda, Debrecen Felelős vezető: Benkö István igazgató -4-
v / t[sec] 1. ábra 2. ábra -D-