[논문]진단 X-선용 40kW 고주파 고압 전원 시스템

김학성; 박영국; 오준용; 성기봉

문제 정의

요구된다“顺®I. 이에 따라 본 논문에서는 진단 X-선 발생용 HFG(High Frequency Generator) 로서개발 상용화된 40kW급(최대 관전압 125kV, 최대 관전류 800mA) X-선 전원 장치에 대하여 소개한다. 본 장치는 X-선 피폭량인 mAs량을 별도의 X-선량 측정 센서를 사용하지 않고, V/F 컨버터 회로만을 사용하여 간단하지만 고정밀도의 최소 피폭량 제어를 실현하였고, 기존 페라이트 위주의 고주파 고압 변압기에 철심을 사용 코스트 절감을 꾀하였으며, 이와 함께 고전압 발생 장치의 핵심인 고압 변압기의 설계에 있어서도 분할 권선 방식을 사용한 배압회로를 통하여 보다 용이한 절연 방식을 구현하였고, 인버터부의 고주파 구동을 통하여 기존 장치들 중 동급 용량 내비 고압 변압기를 포함한 고주파 고전압 발생회로의 크기를 최소화하였다.

제안 방법

관진압, 관전류 그리고 X-선량은 모두 구농 패널의 CPU를 통해 지령치가 설정도]고, 이지령치에 대한 모든 제어는 고전압-제어기에서 실제값이 피드백 되어 설정치를 추종하도록 구성하였다. X-선 조사중 관전압은 고압 발생회로부에 내장되어 있는 CR 분압저항 회로를 통해 관전압 PI제어기에 피드백 되어지고, 관전압 제어기의 출력 관전압 제어량에 따라 설정 관전압을 추종할 수 있도록 구성하였다. 또한 관전류인 mA제어는 기존의 제어기가 X-선 촬영시, 환자가 가장 영향을 받는 X-선 피폭량인 mAs량을 피드백하지 않고, 단지 m厶값만을 김 출하여 X-선 발사 시간만으로, 필라멘트 가열량에 따른 관전류를 제어함으로서 정밀한 피폭량 제어를 수행하지 못하였다.
나타내었다. 관진압, 관전류 그리고 X-선량은 모두 구농 패널의 CPU를 통해 지령치가 설정도]고, 이지령치에 대한 모든 제어는 고전압-제어기에서 실제값이 피드백 되어 설정치를 추종하도록 구성하였다. X-선 조사중 관전압은 고압 발생회로부에 내장되어 있는 CR 분압저항 회로를 통해 관전압 PI제어기에 피드백 되어지고, 관전압 제어기의 출력 관전압 제어량에 따라 설정 관전압을 추종할 수 있도록 구성하였다.
따라서 X-선 피폭에 따른 환자의 안정성을 높일 수 있도록 하였고 실제 제작된 시스템에서는 X-선 발사 모드가 시간을 기준으로 구눙할 수 있는 타임 모드와 X-선량을 기준으로 운전할 수 있는 mAs 모드를 모두 사용할 수 있도록 구성하였다. 또한, 정밀하고 응답 특성이 빠른 관전류제어를 위하여 관전류와 직접 관계가 있는 필라멘트 가열에 있어 기존의 예열 다음에 mA 지령치 가열을 하는 2단계 방식을 개선, 3단계 방식인 예열 다음에 오버-슛 시간을 추가하고 mA 지령치 가열을 행함으로서 관전류의 빠른 응답 특성을 구현하였다.
X-선 조사중 관전압은 고압 발생회로부에 내장되어 있는 CR 분압저항 회로를 통해 관전압 PI제어기에 피드백 되어지고, 관전압 제어기의 출력 관전압 제어량에 따라 설정 관전압을 추종할 수 있도록 구성하였다. 또한 관전류인 mA제어는 기존의 제어기가 X-선 촬영시, 환자가 가장 영향을 받는 X-선 피폭량인 mAs량을 피드백하지 않고, 단지 m厶값만을 김 출하여 X-선 발사 시간만으로, 필라멘트 가열량에 따른 관전류를 제어함으로서 정밀한 피폭량 제어를 수행하지 못하였다.
본 장치는 X-선 피폭량인 mAs량을 별도의 X-선량 측정 센서를 사용하지 않고, V/F 컨버터 회로만을 사용하여 간단하지만 고정밀도의 최소 피폭량 제어를 실현하였고, 기존 페라이트 위주의 고주파 고압 변압기에 철심을 사용 코스트 절감을 꾀하였으며, 이와 함께 고전압 발생 장치의 핵심인 고압 변압기의 설계에 있어서도 분할 권선 방식을 사용한 배압회로를 통하여 보다 용이한 절연 방식을 구현하였고, 인버터부의 고주파 구동을 통하여 기존 장치들 중 동급 용량 내비 고압 변압기를 포함한 고주파 고전압 발생회로의 크기를 최소화하였다. 또한, X-선 관전류 제어에 관계되는 필라멘트의 가열 방식을 3단계 순서인 예열, 오버-슈 지령 치가열로 수행함으로써 관전류의 빠른 응답특성을 구현하였다. 이에 따른 시스템 동작과 특성은 실험 파형을 통하여 나타내었다.
05T)을 사용하였고, 고주파 고전압 변압기의 1차측 권선수를 12턴, ‘2차측 권선수를 870턴으로 하는 다중분할 권선(8단) 방식에 의한 배전압 회로를 채택하여 고압 절연의 편이성과 향후 용량 증가시의 유연한 대응이 가능하도록 설계, 제작함으로서 동급 대비 고압 변압기를 포함한 고압 탱크의 크기를 최소형화 하였다. 또한, 대지간 정전용량 보상용 CR 분압 저항 회로를 통한 고전압 X-선 관전압의 실제값을 고전압 발생용 제어회로에 피드백 함으로서, X-선 관전압의 모니터링과 고정밀도의 X-선 관전압 발생이 가능하도록 하였다.
수 있도록 구성하였다. 또한, 정밀하고 응답 특성이 빠른 관전류제어를 위하여 관전류와 직접 관계가 있는 필라멘트 가열에 있어 기존의 예열 다음에 mA 지령치 가열을 하는 2단계 방식을 개선, 3단계 방식인 예열 다음에 오버-슛 시간을 추가하고 mA 지령치 가열을 행함으로서 관전류의 빠른 응답 특성을 구현하였다. 또한, 필라멘트 가열 전류를 RMS-DC 컨버터 회로를 사용하여 측정하고 제어함으로서 실제에 가까운 필라멘트 가열 전류가 제어되고 이에 따른 보다 정밀한 X-선 관전류(mA)를 얻을 수 있었다.
또한, 제작된 HFG 시스템의 출력 특성으로서 부하변동에 따른 X-선 관전류와 관전압 파형을 실험을 통하여 나타내었다.
본 장치에서 사용된 고주파 고압 변압기는 철심 (0.05T)을 사용하였고, 고주파 고전압 변압기의 1차측 권선수를 12턴, ‘2차측 권선수를 870턴으로 하는 다중분할 권선(8단) 방식에 의한 배전압 회로를 채택하여 고압 절연의 편이성과 향후 용량 증가시의 유연한 대응이 가능하도록 설계, 제작함으로서 동급 대비 고압 변압기를 포함한 고압 탱크의 크기를 최소형화 하였다. 또한, 대지간 정전용량 보상용 CR 분압 저항 회로를 통한 고전압 X-선 관전압의 실제값을 고전압 발생용 제어회로에 피드백 함으로서, X-선 관전압의 모니터링과 고정밀도의 X-선 관전압 발생이 가능하도록 하였다.
의료 진단용 40kW급 X-선 전원 장치에 대하여 고압 발생 장치의 구성과 X-선 관전압, 관전류, 피폭량 제어에 대하여 기존 제어 방식과 비교 설명하였고 특히, 본 시스템의 핵심이라 할 수 있는 고주파 고전압 변압기의 등가회로를 통한 기생 성분에 대하여 기술하였다.
이에 본 장치에서는 X-선 피폭량인 mAs량을 별도의 X-선량 측정용 센서를 사용하지 않고도 X-선량에 해당하는 mAs값을 V/F 컨버터회로를 사용 검출할 수 있도록 함으로서 X-선관에 흐르는 전류인 m厶값 뿐만 아니라, 인체에 직접 영향이 있는 mAs값을 1 Pulse당 0.02mAs로 카운드하고 제어함으로서, 실제 X-선량에 해당하는 mAs량을 정밀하게 검출할 수 있도록 하여 최소 피폭량 제어를 실현하였다.
인버터부는 전-브리지(Full-Bridge) 형태의 직류-교류 변환회로로 구성하였고, 반노체 스위칭 소자로는 IGBT를 채용 고정된 주파수에서 위상을 제어하는 위상 천이 펄스폭(Phase-Shift PWM) 방식을 사용하여 스위칭 하였고, 고전압 변압기의 1차측에 20kH&의 고정된 주파수의 고주파 펄스 전압을 인가함으로써 장치의 소형경량화와 소음 감소를 도모하였디..

성능/효과

리플을 보여주고 있음을 알 수 있다. 또한, X-선량에 영향을 주는 관전류인 mA파형이 상승 시간과 하강 시간 모두 매우 양호함을 보여주고 있다.
또한, 정밀하고 응답 특성이 빠른 관전류제어를 위하여 관전류와 직접 관계가 있는 필라멘트 가열에 있어 기존의 예열 다음에 mA 지령치 가열을 하는 2단계 방식을 개선, 3단계 방식인 예열 다음에 오버-슛 시간을 추가하고 mA 지령치 가열을 행함으로서 관전류의 빠른 응답 특성을 구현하였다. 또한, 필라멘트 가열 전류를 RMS-DC 컨버터 회로를 사용하여 측정하고 제어함으로서 실제에 가까운 필라멘트 가열 전류가 제어되고 이에 따른 보다 정밀한 X-선 관전류(mA)를 얻을 수 있었다.
이에 따라 본 논문에서는 진단 X-선 발생용 HFG(High Frequency Generator) 로서개발 상용화된 40kW급(최대 관전압 125kV, 최대 관전류 800mA) X-선 전원 장치에 대하여 소개한다. 본 장치는 X-선 피폭량인 mAs량을 별도의 X-선량 측정 센서를 사용하지 않고, V/F 컨버터 회로만을 사용하여 간단하지만 고정밀도의 최소 피폭량 제어를 실현하였고, 기존 페라이트 위주의 고주파 고압 변압기에 철심을 사용 코스트 절감을 꾀하였으며, 이와 함께 고전압 발생 장치의 핵심인 고압 변압기의 설계에 있어서도 분할 권선 방식을 사용한 배압회로를 통하여 보다 용이한 절연 방식을 구현하였고, 인버터부의 고주파 구동을 통하여 기존 장치들 중 동급 용량 내비 고압 변압기를 포함한 고주파 고전압 발생회로의 크기를 최소화하였다. 또한, X-선 관전류 제어에 관계되는 필라멘트의 가열 방식을 3단계 순서인 예열, 오버-슈 지령 치가열로 수행함으로써 관전류의 빠른 응답특성을 구현하였다.
위의 파형으로 알 수 있듯이 본 연구에서 개발된 최대전압 125kV, 40kW용량의 X-선 발생 장치는 촬영 인체 부위에 따른 X-선 관전압, 관전류 그리고 X-선 발사 시간의 제어 동작이 매우 안정된 상태임을 알 수 있다.

후속연구

향후 과제로는 X-선 관전압 관전류 용량의 증대에 따른 새로운 고전압 회로 방식의 개발과 그리고 시스템 구동 판넬부의 PC 기반 제어와 또한 투시와 촬영이 모두 가능한 2-Tube HFG 시스템의 개발이라 할 수 있다.

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