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제안 방법
- KA3525의 EA- 단으로 인가되는 신호는 실제 발생된 관전압과 관전류 신호를 감압한 후 보호 회로를 거쳐 feedback 된 신호이며, 기준이 되는 analog 신호보다 비율이 높은 경우 KA3525에서 출력되는 신호가 on이 되는 비율을 낮추고, 낮은 경우 on이 되는 비율을 높여 항상 일정한 관전압과 관전류가 유지될 수 있도록 구성하였다.
- 이렇게 발생한 analog 신호는 관전압과 관전류의 생성에 사용되는 기준전압이 된다. 각각의 관전압과 관전류 제어회로에 사용된 KA3525에서 기준전압 신호와 검출회로를 통해 실시간으로 feedback 된 실제 관전압과 관전류 값을 비교한 후 항상 균일한 값이 발생할 수 있도록 PWM 신호를 제어한다. 관전압제어회로에서 발생한 PWM 신호는 IGBT (insulated gate bipolar transistor) 스위칭회로를 통해 고주파로 변환된 후, 충ㆍ방전보드를 거쳐 충전된 콘덴서 전압을 고전압 트랜스포머 1차 코일에 공급하여 X선관에 인가되는 고전압을 발생시키는 역할을 한다.
- 또한 인체의 진단에 사용되는 의료용 X선 장비는 정확한 영상 획득을 위해 균질의 X선 공급이 필수적이며 이를 위해서는 관전류와 관전압의 정밀한 제어가 요구되어 본 연구에서는 관전압과 관전류의 제어에 PWM 제어방식을 채택하였다. 관전압과 관전류 각각의 제어회로에는 PWM 제어 전용 IC(integrated circuir)인 KA3525를 사용하였으며 EA+ 단에 입력되는 analog 신호와 EA- 단에 인가되는 feedback 신호를 비교하여 PWM 출력을 제어하였다. 그림 3에 PWM 제어에 사용된 KA3525의 회로도를 나타냈다.
- 관전압은 40∼100 kV까지 20 kV 단위로 실험조건을 변화하였으며, 관전류는 각각의 관전압 실험조건에서 50∼300 mA까지 50 mA 단위로 변화시키며 각각 3회 측정하여 평균 조사선량을 조사한 후 결과를 그림 6에 나타냈다.
- TMS320은 처리속도 150 Mbps, 고속 입출력이 가능한 I/O port, 고속 sampling, 주변장치의 요청에 대한 고속 인터럽트 등이 가능하며 신속한 응답특성을 가진다. 또한 DSP의 동작을 위한 전원공급은 TP767, 콘솔 및 제어신호와 DSP통신을 위한 RS323, 알고리즘 저장을 위해 EEPROM을 모듈로 제작하였다. DSP 모듈에서 발생하는 PWM 신호는 0000∼4,095까지 4,096 단계로 펄스폭의 변화가 가능하며, X선 발생장치의 관전압과 관전류의 정밀한 출력제어를 담당한다.
- 제작된 X선 기기는 관전압과 관전류의 정밀 제어를 위해 기준전압신호와 검출회로를 통해 feedback 된 신호를 비교하여 균일한 출력이 유지되도록 하였다. 또한 X 선관에 안정된 직류 고전압을 인가하기 위해 전파정류 방식을 채용하였다. 제어신호의 경우 콘솔에서 설정된 관전압과 관전류 값에 따라 DSP에서 4,096단계로 분할된 PWM 신호를 발생하도록 구성하였다.
- X선은 강한 이온화능을 가지고 있어 장시간 노출시 부작용이 발생할 수 있어 국제방사선방호위원회(ICRP: international commission on radiological protection)는 방사선방호체계를 세분화 시켜 방사선 피폭에 대해 규제를 권고하고 있다[10]. 또한 인체의 진단에 사용되는 의료용 X선 장비는 정확한 영상 획득을 위해 균질의 X선 공급이 필수적이며 이를 위해서는 관전류와 관전압의 정밀한 제어가 요구되어 본 연구에서는 관전압과 관전류의 제어에 PWM 제어방식을 채택하였다. 관전압과 관전류 각각의 제어회로에는 PWM 제어 전용 IC(integrated circuir)인 KA3525를 사용하였으며 EA+ 단에 입력되는 analog 신호와 EA- 단에 인가되는 feedback 신호를 비교하여 PWM 출력을 제어하였다.
- 평활용 콘덴서는 제작된 X선 발생장치의 보조전원 역할을 하며 사용 대기 상태에서 X선 기기에 전원을 인가하면 A/D converter회로를 통해 평활용 콘덴서에 직류전원이 공급되어 충전이 이루어지도록 하였다. 또한, 충전 시 콘덴서에 직류전원을 바로 인가하면 순간적으로 대전류가 발생하여 주변회로 및 부품에 손상을 입히므로 회로에 별도의 저항을 연결하여 약 20 A 정도의 전류로 서서히 충전이 진행되도록 precharge 기능을 채용해 보호회로를 구성하였다.
- 반가층 실험은 조사선량 실험과 동일한 조건에서 실험하였으며 X선이 발생하는 초점으로부터 FDD(focus detector distance) 사이의 중간 위치인 50 cm에 Al 필터 지지대를 설치하고 1∼4 mm까지 1 mm 단위로 Al 필터를 증가시켜 측정하였다.
- 본 연구에서는 20 kHz의 구동주파수를 사용한 인버터 방식의 의료용 X선 시스템을 펄스폭 제어 방식을 사용하여 설계ㆍ제작하였다. 제작된 X선 기기는 관전압과 관전류의 정밀 제어를 위해 기준전압신호와 검출회로를 통해 feedback 된 신호를 비교하여 균일한 출력이 유지되도록 하였다.
- 인버터 방식은 기존의 방식에 비해 촬영의 고성능화, 전원 장치의 소형화 및 안정적인 출력발생이 가능하다는 장점이 있어 이의 개발과 보완이 이뤄지고 있다[7-9]. 본 연구에서는 펄스폭 변조 방식 (PWM: pulse width modulation)을 이용한 인버터 방식의 X선 고전압 장치를 설계ㆍ제작하였으며, X선 시스템을 구성하여 PWM 동작, 관전압과 관전류의 부하변동에 따른 조사선량의 변화 및 선질 등 그 특성을 분석하였다.
- 사용된 KA3525의 구동 주파수는 시정수에 의해 결정되며 본 장치는 20 kHz로 구동될 수 있도록 설계하였다. DSP에서 4,096 단계로 분류된 신호의 동작을 확인하기 위해 오실로스코프를 이용하여 각 단계에서 발생하는 펄스폭에 따른 변화를 그림 4에 나타냈으며, D/A converter를 거친 기준 전압의 변화를 그림 5에 나타냈다.
- 1 초로 고정하고 관전압과 관전류 값을 변화시키면서 조사선량을 측정하였다. 실시간으로 변화하는 관전압과 조사선량을 측정하기 위해 FLUKE社의 VICTOREEN NERO 6000M을 사용하였으며, 안전을 위해 납으로 구성된 공간을 구축하여 측정을 진행하였다. 조사선량의 측정을 위해 FDD(focus detector distance)를 100 cm로 설정하고 조사되는 방사선량을 측정하였다.
- 반가층 실험은 조사선량 실험과 동일한 조건에서 실험하였으며 X선이 발생하는 초점으로부터 FDD(focus detector distance) 사이의 중간 위치인 50 cm에 Al 필터 지지대를 설치하고 1∼4 mm까지 1 mm 단위로 Al 필터를 증가시켜 측정하였다. 실험은 조사선량 실험과 동일한 실험조건에서 필터의 변화에 따라 각각 3회씩 디텍터에 도달하는 조사선량을 측정하였다. 반가층 실험은 Al 필터를 사용하지 않은 고유여과상태의 X선 평균선량을 100%로 하고 각각의 Al 필터를 사용하여 여과된 선량값을 바탕으로 투과율(%)을 측정하였으며 그 결과를 그림 7에 나타냈다.
- X선관 장치의 초점에서 발생하는 X선은 불균등한 연속 스펙트럼을 가지며 이중 에너지가 낮고 파장이긴 광자들은 감광재료 및 디텍터(detector)에 도달하기 전 대부분 피사체에 흡수되어 방사선 피폭을 증가 시키는 요인이 된다. 이러한 피폭을 감소시키고 양질의 영상을 얻기 위해서는 X선 장치에서 발생하는 X선 광자의 투과력 즉 선질이 우수하여야 하며 선질 분석을 위해 반가층(HVL : helf value layer) 실험을 하였다.
- 제어보드는 관전압 제어회로, 관전류 제어회로, 검출회로로 구성되어 관전압 및 관전류의 출력을 PWM 방식을 사용하여 정밀 제어한다. 제어콘솔에서 설정된 관전압과 관전류 값에 따라 DSP에서는 4,096단계로 분할된 PWM 신호를 발생시키며, CPU 보드 내의 D/A converter 회로를 거처 analog 신호로 변환되게 된다.
- 본 연구에서는 20 kHz의 구동주파수를 사용한 인버터 방식의 의료용 X선 시스템을 펄스폭 제어 방식을 사용하여 설계ㆍ제작하였다. 제작된 X선 기기는 관전압과 관전류의 정밀 제어를 위해 기준전압신호와 검출회로를 통해 feedback 된 신호를 비교하여 균일한 출력이 유지되도록 하였다. 또한 X 선관에 안정된 직류 고전압을 인가하기 위해 전파정류 방식을 채용하였다.
- 제작된 의료용 X선 시스템의 조사선량을 확인하기 위해 조사시간을 0.1 초로 고정하고 관전압과 관전류 값을 변화시키면서 조사선량을 측정하였다. 실시간으로 변화하는 관전압과 조사선량을 측정하기 위해 FLUKE社의 VICTOREEN NERO 6000M을 사용하였으며, 안전을 위해 납으로 구성된 공간을 구축하여 측정을 진행하였다.
- 조사선량 평가는 관전압을 40∼100 kV까지 20 kV 단위로 실험조건을 설정하고, 관전류를 각각의 관전압 실험조건에서 50∼300 mA까지 50 mA단위로 변화시켜 조사선량을 측정하였다.
- 실시간으로 변화하는 관전압과 조사선량을 측정하기 위해 FLUKE社의 VICTOREEN NERO 6000M을 사용하였으며, 안전을 위해 납으로 구성된 공간을 구축하여 측정을 진행하였다. 조사선량의 측정을 위해 FDD(focus detector distance)를 100 cm로 설정하고 조사되는 방사선량을 측정하였다.
- 본 연구에서는 고전압을 안정적으로 발생시키기 위해 18,800 uF의 대용량 평활용 콘덴서를 사용하였다. 평활용 콘덴서는 제작된 X선 발생장치의 보조전원 역할을 하며 사용 대기 상태에서 X선 기기에 전원을 인가하면 A/D converter회로를 통해 평활용 콘덴서에 직류전원이 공급되어 충전이 이루어지도록 하였다. 또한, 충전 시 콘덴서에 직류전원을 바로 인가하면 순간적으로 대전류가 발생하여 주변회로 및 부품에 손상을 입히므로 회로에 별도의 저항을 연결하여 약 20 A 정도의 전류로 서서히 충전이 진행되도록 precharge 기능을 채용해 보호회로를 구성하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 X선관은 Toshiba社의 E7239로 전자를 방출하는 음극(cathode)과 방출된 전자와 충돌해 X선을 발생시키는 양극(anode)으로 구성되어 있다. 사용된 X 선관은 양극 타깃의 손상을 줄이고 열을 분산시켜 효과적으로 X선이 발생할 수 있도록 회전 양극을 사용하였으며 베어링, 축, 텅스텐 타깃 등으로 이루어져 있다.
- 본 연구에서는 고전압을 안정적으로 발생시키기 위해 18,800 uF의 대용량 평활용 콘덴서를 사용하였다. 평활용 콘덴서는 제작된 X선 발생장치의 보조전원 역할을 하며 사용 대기 상태에서 X선 기기에 전원을 인가하면 A/D converter회로를 통해 평활용 콘덴서에 직류전원이 공급되어 충전이 이루어지도록 하였다.
- 본 연구에 사용된 X선관은 Toshiba社의 E7239로 전자를 방출하는 음극(cathode)과 방출된 전자와 충돌해 X선을 발생시키는 양극(anode)으로 구성되어 있다. 사용된 X 선관은 양극 타깃의 손상을 줄이고 열을 분산시켜 효과적으로 X선이 발생할 수 있도록 회전 양극을 사용하였으며 베어링, 축, 텅스텐 타깃 등으로 이루어져 있다. 양극 회전자는 고정자 코일에 전원이 공급되면 회전자계에 의해 약 3,200 rpm의 고속으로 회전하게 된다.
- 또한 X 선관에 안정된 직류 고전압을 인가하기 위해 전파정류 방식을 채용하였다. 제어신호의 경우 콘솔에서 설정된 관전압과 관전류 값에 따라 DSP에서 4,096단계로 분할된 PWM 신호를 발생하도록 구성하였다. 오실로스코프를 사용하여 제어신호를 측정한 결과 제어신호의 증화에 따라 발생한 기준전압을 측정한 결과 선형적인 증가 형태를 보이는 것을 확인하였다.
- CPU 보드는 DSP(digital signal processor) 모듈과 연동하여 장치의 전반적인 제어신호를 생성하고 분배하는 역할을 한다. 제작된 CPU 보드는 시스템 제어 및 연산을 위해 구성된 DSP 모듈, bucky 및 rotor 등 외부기기의 추가 연결이 가능하도록 구성된 AUX interface, 관전압 및 관전류의 발생을 위해 DSP에서 생성된 PWM 제어신호를 아날로그 신호로 변환하여 공급하는 D/A converter 등으로 구성되어 있다. 그림 2에 CPU 보드의 구성도를 나타냈다.
- 제작된 X선 시스템은 동작에 대한 신호를 발생시키는 콘솔, 구성된 시스템의 각부에 필요한 제어 및 연산을 담당하는CPU(central processing unit) 보드, 관전압 및 관전류의 정밀한 출력 제어를 위한 PWM 제어 및 보상회로, 상용 전원을 입력받아 안정적인 고압을 발생시키는 충ㆍ방전 회로 등으로 구성된 control unit, X선관에 인가되는 직류 고전압을 생성하는 고압 발생 장치로 구성되어 있다.
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