晁勇，劉帥，彭昭亮，弓行，帥萬(wàn)鈞，張少東，高華永，董燦

1.中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院，北京 100048；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；3.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070

CT方艙CT機(jī)快速升溫控制系統(tǒng)的研制

晁勇1，劉帥1，彭昭亮2，弓行3，帥萬(wàn)鈞1，張少東1，高華永1，董燦1

1.中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院，北京 100048；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；3.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070

1.The First Affliated Hospital of General Hospital of PLA, Beijing 100048, China; 2.Beihang University, Beijing 100191, China; 3.Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou Gansu 730070, China

本文研制了一種車(chē)載式CT快速加溫控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了CT機(jī)在低溫環(huán)境下的快速啟動(dòng)。該系統(tǒng)通過(guò)采用非接觸式紅外探測(cè)器測(cè)量CT機(jī)高壓油箱表面的溫度，比較實(shí)測(cè)溫度與預(yù)置溫度的差異值，利用STM32單片機(jī)控制電暖風(fēng)機(jī)的加熱，使油箱的溫度快速達(dá)到CT機(jī)工作的最低要求，使得CT機(jī)從啟動(dòng)到初次曝光的時(shí)間由原先的2 h縮短至0.5 h，有效縮短了CT方艙的準(zhǔn)備時(shí)間，有利于戰(zhàn)時(shí)和災(zāi)害救援等緊急情況下的急救工作的及時(shí)開(kāi)展。

車(chē)載式CT；單片機(jī)；紅外測(cè)溫；溫度控制

0 前言

CT機(jī)是一種高精密的影像設(shè)備，為了保證圖像質(zhì)量的精準(zhǔn)性，需要工作于溫度相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境下。通常CT機(jī)運(yùn)行的環(huán)境溫度為18～25 ℃，而我國(guó)南方和北方、冬季和夏季的野外溫度差異較大，CT方艙溫度控制系統(tǒng)對(duì)于CT機(jī)的正常工作至關(guān)重要[1-5]。

在運(yùn)輸過(guò)程中，CT方艙的溫控系統(tǒng)不工作，CT機(jī)主要部件溫度與外部環(huán)境溫度相同。當(dāng)?shù)竭_(dá)救治現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，CT機(jī)要快速投入使用[6]，其工作溫度必須得到滿(mǎn)足。因此CT方艙溫控系統(tǒng)的快速升降溫性能，直接影響CT方艙響應(yīng)速度的快慢[7-8]。

1 CT方艙溫控系統(tǒng)

CT方艙采用手動(dòng)推拉翻板擴(kuò)展方式、雙面擴(kuò)展艙體結(jié)構(gòu)，艙體四壁采用隔熱板設(shè)計(jì)，各艙壁銜接處利用橡膠材料密封，以利于隔熱。

按照軍標(biāo)戰(zhàn)術(shù)要求，CT方艙應(yīng)在-35～+50 ℃的環(huán)境溫度下能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)CT方艙由開(kāi)始展開(kāi)到正常使用的間隔時(shí)間應(yīng)≤2 h。為了保證艙內(nèi)溫度能夠快速升高以達(dá)到CT機(jī)使用要求，方艙內(nèi)安裝了兩臺(tái)3P冷暖空調(diào)和兩臺(tái)功率為7 kW的燃油暖風(fēng)機(jī)作為艙內(nèi)溫度調(diào)節(jié)裝置。溫控系統(tǒng)內(nèi)部布局，見(jiàn)圖1。

暖風(fēng)機(jī)和空調(diào)室外機(jī)組置于艙外設(shè)備間，暖風(fēng)機(jī)出風(fēng)口位于控制室外左右兩側(cè)、方艙前壁板下部，回風(fēng)口風(fēng)道位于控制室后壁板底部?？刂剖仪氨谙虏吭O(shè)通風(fēng)管，便于暖通系統(tǒng)回風(fēng)。通風(fēng)管采用帶有鉛防護(hù)功能的弧形多折風(fēng)道結(jié)構(gòu)，可屏蔽CT機(jī)所產(chǎn)生的X射線(xiàn)。

圖1 CT方艙溫控系統(tǒng)布局圖

空調(diào)室內(nèi)機(jī)組固定于控制室外壁頂部，出風(fēng)口正對(duì)CT機(jī)架頂部，回風(fēng)口位于空調(diào)室內(nèi)機(jī)下部，形成循環(huán)風(fēng)路。

在低溫環(huán)境下，暖風(fēng)機(jī)組與空調(diào)機(jī)組共同制熱，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)快速升溫。在高溫環(huán)境下和CT機(jī)工作時(shí)，僅有空調(diào)機(jī)組制冷，從而保持艙內(nèi)溫度的穩(wěn)定。

CT方艙組裝完成后，分別對(duì)艙體進(jìn)行了高溫和低溫試驗(yàn)，以測(cè)試溫控系統(tǒng)是否能滿(mǎn)足CT機(jī)的工況要求。在高、低溫極限條件下，CT機(jī)均能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成開(kāi)機(jī)和掃描，且圖像質(zhì)量的變化不大。

2 問(wèn)題總結(jié)及分析

野外試驗(yàn)時(shí)，CT機(jī)的開(kāi)機(jī)速度成為了瓶頸。在環(huán)境溫度為-12 ℃時(shí)，CT方艙在15 min內(nèi)完成艙體展開(kāi)，45 min左右艙內(nèi)溫度由-12 ℃升至+18 ℃，此時(shí)開(kāi)啟CT機(jī)，CT機(jī)界面啟動(dòng)正常，但當(dāng)進(jìn)行CT機(jī)球管預(yù)熱時(shí)，CT機(jī)禁止曝光，提示“Tank Communication Error”。此后艙內(nèi)溫度繼續(xù)上升并穩(wěn)定在25 ℃，約1 h后，錯(cuò)誤提示信息消失，并可進(jìn)行正常預(yù)熱和掃描。

CT機(jī)在展開(kāi)后約2 h后方可進(jìn)入正常工作狀態(tài)，雖然可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，但在緊急救援狀態(tài)下，時(shí)間爭(zhēng)取對(duì)個(gè)體生命有著重大影響。如何在緊急狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)CT機(jī)快速進(jìn)入正常工作狀態(tài)，是CT方艙溫控系統(tǒng)尚需完善的方面。

CT方艙CT機(jī)選用GE公司生產(chǎn)的雙排螺旋CT，經(jīng)查閱其技術(shù)資料，CT機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)自檢各模塊的工作狀態(tài)，自檢流程，見(jiàn)圖2。其中涉及溫度的檢測(cè)有以下兩項(xiàng)：

圖2 CT機(jī)啟動(dòng)過(guò)程及自檢流程

（1）DAS（探測(cè)器組件）是否達(dá)到35 ℃。DAS溫度是否達(dá)到預(yù)置溫度并保持穩(wěn)定，將直接影響圖像采集質(zhì)量。

（2）Tank（高壓發(fā)生器油箱）溫度是否＞10 ℃。Tank溫度偏低時(shí)，曝光操作容易損壞高壓系統(tǒng)。當(dāng)Tank溫度傳感器測(cè)量溫度＜10 ℃時(shí)，CT機(jī)將提示“Tank Communication Error”，并禁止曝光操作。

DAS內(nèi)部有加熱組件，當(dāng)CT機(jī)架加電后30 min內(nèi)，DAS溫度將達(dá)到預(yù)置溫度并保持穩(wěn)定。Tank內(nèi)部充滿(mǎn)高壓絕緣油，熱容量較大，溫度變化緩慢，因此能夠較為客觀地反映升溫過(guò)程中Gantry各部分的最低溫度值。在CT機(jī)加電后，機(jī)架頂部的風(fēng)扇產(chǎn)生空氣的強(qiáng)制對(duì)流，使Tank的溫度逐漸與艙內(nèi)溫度接近，緩慢升高。

由以上分析可知，在緊急情況下可考慮對(duì)Tank部分進(jìn)行快速加溫，即可實(shí)現(xiàn)CT機(jī)的快速啟動(dòng)和掃描，但前提是應(yīng)不造成CT部件的損壞。

3 快速加溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

CT機(jī)架由旋轉(zhuǎn)部分和固定部分組成，是CT機(jī)的主要組成部分，負(fù)責(zé)產(chǎn)生穿透人體的X射線(xiàn)并采集原始數(shù)據(jù)，傳至圖像處理工作站重建出檢查部位的影像信息。旋轉(zhuǎn)部分通過(guò)低壓滑環(huán)系統(tǒng)與固定部分交換數(shù)據(jù)，電源供應(yīng)也通過(guò)滑環(huán)傳輸。Tank位于機(jī)架旋轉(zhuǎn)部分，結(jié)構(gòu)為充滿(mǎn)高壓絕緣油的密閉容器，內(nèi)置初級(jí)和次級(jí)耦合線(xiàn)圈，為CT機(jī)球管提供逆變高壓。溫度傳感器浸于Tank內(nèi)部，感知高壓絕緣油的溫度。

在進(jìn)行快速加溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，由于Tank在CT機(jī)工作時(shí)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，利用電熱元件直接附著于Tank表面的加溫方法很難實(shí)現(xiàn)，主要原因在于：① 機(jī)架旋轉(zhuǎn)部分電源系統(tǒng)不能提供額外的大功率加熱電源；② 無(wú)多余滑環(huán)通道可利用，無(wú)法通過(guò)滑環(huán)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度顯示和加熱控制；③ 增加的重量破壞旋轉(zhuǎn)部分動(dòng)平衡，產(chǎn)生安全隱患。因此，必須采用非接觸式測(cè)溫和加熱手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)Tank的快速升溫設(shè)計(jì)。

3.1 快速加溫系統(tǒng)的構(gòu)建

基于以上分析，設(shè)計(jì)的快速加溫系統(tǒng)由單片機(jī)、非接觸式紅外溫度傳感器、加熱控制電路、電加熱式暖風(fēng)機(jī)和溫度顯示/控制部分組成，系統(tǒng)原理框圖，見(jiàn)圖3。

圖3 快速加溫系統(tǒng)原理框圖

STM32單片機(jī)采集紅外溫度傳感器輸出的模擬信號(hào)，將其數(shù)字化后，與程序預(yù)置的溫度值比較，控制加熱電路工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)Tank的階梯式快速加熱過(guò)程。同時(shí)為了便于溫度顯示和加熱控制，STM32單片機(jī)利用RS232接口與CT控制室的圖像工作站通信，在圖像工作站的溫度控制界面上顯示實(shí)時(shí)溫度，并接受來(lái)自圖像工作站的加熱控制信號(hào)。圖像工作站上溫度顯示/控制界面，見(jiàn)圖4。

圖4 溫度顯示/控制界面

CT機(jī)架加電后，快速加溫系統(tǒng)開(kāi)始工作，非接觸式紅外溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量Tank表面溫度，溫度數(shù)值實(shí)時(shí)顯示在圖像工作站上。

加熱模式分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式。在手動(dòng)模式下，選擇相應(yīng)的選項(xiàng)，可實(shí)現(xiàn)暖風(fēng)機(jī)全功率（高檔）加熱、半功率（中檔）加熱和停止加熱。在自動(dòng)模式下，STM32單片機(jī)實(shí)時(shí)比較實(shí)測(cè)溫度值與預(yù)置溫度值之間的差異，自動(dòng)控制暖風(fēng)機(jī)全功率（高檔）加熱、半功率（中檔）加熱和停止加熱。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，規(guī)定溫度＜10 ℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟暖風(fēng)機(jī)，采用全功率加熱方式，使Tank快速升溫；當(dāng)溫度＞10 ℃時(shí)，暖風(fēng)機(jī)采用半功率加熱方式，Tank進(jìn)入緩慢升溫過(guò)程；當(dāng)溫度達(dá)到23℃時(shí)，關(guān)閉暖風(fēng)機(jī)，快速加溫系統(tǒng)停止工作。

快速加熱控制系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)完成后，還應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，選擇合適功率的暖風(fēng)機(jī)，保證在極限溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，Tank溫度滿(mǎn)足CT機(jī)掃描條件。

3.2 暖風(fēng)機(jī)功率的選擇

為了便于Tank加熱過(guò)程的熱力學(xué)計(jì)算，可對(duì)部分環(huán)境條件近似處理。首先，Tank位于機(jī)架殼體內(nèi)部，加熱環(huán)境可近似為密閉空間；其次，暖風(fēng)機(jī)對(duì)Tank底部一側(cè)加熱，受熱截面為長(zhǎng)20 cm、寬10 cm、厚2 mm的長(zhǎng)方形不銹鋼層，故可將加熱空間視為被不銹鋼板隔開(kāi)的密閉空氣室和絕緣油室；最后，暖風(fēng)機(jī)處于溫度變化緩慢的方艙底部，可假設(shè)出風(fēng)口的溫度保持不變，進(jìn)而將空氣室的溫度近似為恒定值。

3.2.1 Tank升溫公式推導(dǎo)

設(shè)K為不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，S為導(dǎo)熱面積， △t表示某單位時(shí)間段，m為高壓絕緣油的質(zhì)量，c為絕緣油的比熱，△T為絕緣油在該時(shí)間段內(nèi)升高的溫度， Tn為加熱空氣的溫度， T為在當(dāng)前時(shí)刻絕緣油的溫度， ρ為高壓絕緣油的密度。則有：

3.2.2 暖風(fēng)機(jī)功率確定

在式(3)中：

而Tank的長(zhǎng)、寬、高分別為20 cm、10 cm、35 cm。

所以其總體積為：

Tank內(nèi)含有兩個(gè)半徑2 cm、高20 cm的高壓棒，其體積為：

則郵箱內(nèi)高壓絕緣油的體積為：

因而有：

若想在20 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)Tank從-35 ℃升溫至10 ℃，由式(9)可得：

其中，T1=10 ℃，T0=-35 ℃。求得臨界空氣溫度為：

因此，暖風(fēng)機(jī)的出風(fēng)溫度需＞53 ℃，本文采用的暖風(fēng)機(jī)出風(fēng)溫度為55 ℃。根據(jù)熱力學(xué)公式：

可以計(jì)算得高壓絕緣油從-35 ℃升溫至10 ℃吸收的熱量為：

暖風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與Tank加熱面的距離為30 cm，則進(jìn)行熱量交換的氣室體積為：

暖風(fēng)機(jī)的出風(fēng)可以看作對(duì)氣室內(nèi)的空氣換氣，設(shè)暖風(fēng)機(jī)每秒對(duì)氣室換氣3次，則在20 min內(nèi)，暖風(fēng)機(jī)需加熱的空氣總體積為：

由于暖風(fēng)機(jī)的加熱在燃油機(jī)對(duì)艙體加熱30 min后，此時(shí)艙內(nèi)空氣溫度為5 ℃?？諝獾拿芏群捅葻岱謩e為：

則暖風(fēng)機(jī)將艙內(nèi)空氣升溫至55 ℃所需要的總熱量為：

加熱過(guò)程中的熱損耗為70%，則暖風(fēng)機(jī)的功率為：

因此，暖風(fēng)機(jī)的功率需＞1.957 kW，選用功率為2 kW的暖風(fēng)機(jī)。

3.3 Tank升溫過(guò)程模擬曲線(xiàn)

在氣室內(nèi)空氣溫度為55 ℃時(shí)，不同起始溫度下，Tank升溫曲線(xiàn)，見(jiàn)圖5。

圖5 Tank升溫曲線(xiàn)圖

從圖中可以看到，在暖風(fēng)機(jī)出風(fēng)溫度為55 ℃、Tank初始溫度為-35 ℃時(shí)，將Tank升溫至10℃的時(shí)間大約為1161 s，＜20 min；升溫至25 ℃，需要的時(shí)間為1732 s，＜30 min。因而，確保CT方艙可以在展開(kāi)后30 min內(nèi)投入使用。

3.4 系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試

在完成CT方艙快速加溫系統(tǒng)的安裝后，在環(huán)境溫度為-12 ℃的條件下，對(duì)Tank升溫性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 快速加溫系統(tǒng)功效測(cè)試結(jié)果

由上表可知，在沒(méi)有快速加溫系統(tǒng)的情況下，-12 ℃時(shí)CT方艙從開(kāi)始展開(kāi)到正常運(yùn)行需要近1.5 h；快速加溫系統(tǒng)工作時(shí)，整體展開(kāi)時(shí)間可縮短至0.5 h，從而保證了CT機(jī)能夠快速投入使用。

4 結(jié)論

研制的快速加溫系統(tǒng)，可提高CT方艙的快速反應(yīng)能力，為緊急救援工作爭(zhēng)取寶貴時(shí)間，解決了精密CT設(shè)備用于野外急救環(huán)境的難題，對(duì)于其他急救裝備的研制具有一定的借鑒價(jià)值。然而，快速加溫過(guò)程也會(huì)加速設(shè)備部件的老化，應(yīng)限定在緊急救治情況下使用。

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Development of the Rapid Warming Control System of CT System for CT Shelter

CHAO Yong1, LIU Shuai1, PENG Zhao-liang2, GONG Xing3, SHUAI Wan-jun1, ZHANG Shao-dong1, GAO Hua-yong1, DONG Can1

A rapid warming control system for mobile CT system was developed in order to implement the quick start of CT system under the low-temperature environment. With the application of the system, the surface temperature of the high-voltage generator tank of CT system was measured with an infrared non-contact detector to calculate the difference value between the measured temperature and preset temperature. Then the STM32 single chip micyoco of the system was used to control the heating process of the electric heater so that the temperature of the high-voltage generator tank would rise quickly to meet the minimum temperature requirement for supporting the operation of CT system. Thus the time expended during the process from the device start to the initial exposure of CT system was shortened to half an hour from two hours, which indicated that the system can effectively shorten the readiness time of CT shelter and ensure the timeliness of emergency work during wars and disasters.

mobile CT system; single chip microcomputer; infrared temperature measurement; temperature control

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.05.004

1674-1633(2014)05-0013-04

2014-5-5

全軍醫(yī)學(xué)科技青年培育項(xiàng)目（13QNP181）。

本文作者：晁勇，醫(yī)學(xué)工程科主任，副主任技師，主要研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)裝備管理、研發(fā)和計(jì)量檢測(cè)。

作者郵箱：yongchg@sina．com