电力电子,正在用看不见的光守护你的健康

文章简介:本文是生活中的电、电源与电力电子科普征文大赛的三等奖作品,作者:杨书豪,来自复旦大学工程与应用技术研究院、上海碳化硅功率器件工程技术研究中心

医学影像学借助于某种介质(如X射线、超声波等)与人体相互作用,把人体内部组织器官以影像方式表现出来,供诊断医师根据影像提供的信息进行判断,从而对人体的健康状况进行评价,通过自然科学、工程、生物学、医学等多学科知识交叉渗透, 发展迅猛。具有强穿透力的X射线被广泛应用于医学诊断,如X光机、计算机断层扫描CT(Computed Tomography)等高端医疗影像设备。你了解X射线吗?你知道电力电子学是如何帮助我们获得X射线的吗?希望这一篇简单的科普文能够给你带来新的认识。

1895年,德国物理学家伦琴(Wilhelm Rontgen)用一个阴极管做实验时发现了X射线,1901年被授予诺贝尔物理学奖,促使整个医疗影像技术向前迈进了一大步。

伦琴的照片和伦琴夫人手指的X光图片,图片来源:bilibili

我们眼睛所能看到的光——可见光,是电磁波大家族中的一员,占据了整个大家庭的一小部分。X射线,也就是人们常说的X光,恰好也是电磁波大家族的成员,是咱们可见光的邻居,只不过它是人眼无法看到的,是名副其实的“看不见的光”。

电磁波家族,图片来源:cnblogs

X射线波长短,光子能量充沛,能够穿越绝大部分物质,当X射线与物质相互作用时,X射线会撞击电子,转移一部分的能量到该物质上并被该物质所吸收。人体中,骨骼富含钙元素,相较于肌肉等软组织富含的碳、氢、氧元素,钙拥有更多的电子,也更容易吸收X射线使得胶片变亮。基于这一原理,计算机断层扫描技术,也就是我们常说的CT应运而生,1972年第一台CT的诞生为人类的生命健康带来了新的曙光。

第一台CT和发明者戈弗雷·亨斯菲尔德,图片来源:listverse

X射线我们有了基本的了解,那么我们是怎么得到X射线的呢?医疗领域中,常见的医疗影像设备例如CT、计算机放射成像CR(Computed Radiography)、数字放射成像DR(Digital Radiography)等,都是利用医用高压发生器系统驱动X射线球管来发出X射线的。

X射线球管,图片来源:TOSHIBA

球管内X射线的产生,通俗来说需要两个条件:一是高速运动的电子流,二是适当的金属障碍物,它的结构和工作原理大概可以这样理解。从结构上来看,球管的两端分别是阴极和阳极,连接着高压发生器的两端,这个高压是多高呢?大约40kV~150kV。阴极连接着可以加热的灯丝,阳极连接着可以旋转的金属靶。当阴极灯丝加热时通过热电效应会发射出热电子,阴极和阳极之间由于高压发生器提供了高压电场,这些电子在高压电场的加速下能够猛烈地轰击到旋转的阳极金属靶上,发生能量的转换,此时约有99%的能量在碰撞中转换成了热能发散掉,只剩下1%的能量转换成了辐射X射线光子。

X射线产生系统,图片来源:[1]

是不是很神奇呢?那么高压发生器又是怎么工作的呢?这就不得不提到电力电子学和功率半导体了。

电力电子学是一门基于功率半导体开关组合模式的电磁能量高效变换的学科,功率半导体就是实现这些电能高效转换的半导体器件。高压发生器的电路拓扑有许多种类,以下图所示的一种较为常见的拓扑为例来为大家讲解。对于不熟悉电学领域的朋友可能会略显晦涩,但是将每个部分做成动画分解一下,你会有所了解。

高压发生器的一种常见拓扑

第一部分,为一级整流单元,功率半导体器件整流二极管是其中的重要组成部分。在二极管的作用下这一部分能够将380V,50Hz的三相电转化为约535V的直流电,将交流电转化为直流电的过程称为“整流”。

第二部分,为逆变单元,功率半导体器件IGBT或MOSFET是其中的重要组成部分。这一部分的作用是通过功率半导体器件的开关动作,将整流后的直流电转换为高频的方波交流电,将直流电转化为交流电的过程称为“逆变”。

第三部分,为谐振单元。这一部分通过利用电学中无源器件的谐振效应,可以有效降低IGBT或MOSFET在高速开关过程中的开关损耗,提高工作效率。下图所示的这种拓扑主要由两个电容和一个电感组成谐振网络,称为LCC串并联谐振变换器。

第四部分,为高压整流单元。这一部分主要由高频变压器和整流二极管组成,它的作用是将高频几百伏的低压交流电转换为40kV至150kV的高压直流电。

第五部分,为X射线球管。与前文介绍的内容相同,在阴极部分,通过灯丝加热电路来加热内部灯丝发射热电子,电子经过高压直流电场的加速后猛烈轰击旋转电机控制的阳极金属靶上,便能产生X射线了。

为了医生正确的诊断,X射线图像应当具有合适的对比度、亮度以及分辨率。为了达到这些要求,高压发生器必须做到“稳、准、快”——输出电压波动小纹波小的稳定性、精确控制无超调的准确性、数毫秒内响应的快速性。如此严格的要求再加上高效率、模块化、微型化、数字化、可远程控制化的发展趋势,无疑给广大相关科研工作者和工程师们带来了无限的机遇与挑战。

2020年初至今,新型冠状病毒肺炎席卷了全世界,严重影响着每一个人的生命健康,如何提升早期筛查率成为疫情防控的重点。一项包括50466例新冠肺炎患者的荟萃分析显示[2],胸部CT对新冠肺炎的检出率为96.6%。CT凭借简单,快速,灵敏度高等优势,在新冠肺炎的诊治中广泛使用。尽管新冠肺炎的确诊需要依赖病原学或血清学诊断,但是新冠肺炎也具有较特异的CT表现,熟练掌握新冠肺炎的CT诊断及鉴别诊断,再同时结合患者的流行病学,实验室检查及临床特征,可以及早筛选出疑似患者,有利于患者的早诊早治及对疫情传播的防控。

新冠肺炎确诊患者的CT表现,双肺后部及外周多发磨玻璃密度灶,图片来源:[3]

从伦琴幸运地发现X射线开始,X射线就为人类的健康带来了奇迹。时至今日,全世界的医院和诊所每年进行超过1亿次的人体扫描来治疗疾病和拯救生命。人民群众的生命健康,永远离不开医务工作者辛勤的工作和努力。而这一切的背后,在你我看不见的地方,广大劳动者和国家政府同样在为每个人的健康而默默付出,当然,也少不了半导体和电力电子的帮忙。

(作者注:*文章仅供科普参考,部分内容未进行严谨的表述,文中未标注来源的图片为自绘作品。)

参考文献

[1] 伍梁. 高压直流LCC谐振变换器状态轨迹控制策略及其模块化级联技术[D]. 浙江大学, 2020.

[2] Sun P , Qie S , Liu Z , et al. Clinical characteristics of 50466 hospitalized patients with 2019‐nCoV infection[J]. Journal of Medical Virology, 2020, 92(1).

[3] 陈钊,王荣福.CT在新型冠状病毒肺炎诊断与鉴别诊断中的应用价值[J].CT理论与应用研究,2020,29(03):273-279.

[4] S Mao, Li C, Li W, et al. Unified Equivalent Steady-State Circuit Model and Comprehensive Design of the LCC Resonant Converter for HV Generation Architectures[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(9): 7531-7544.

[5] J-A Martin-Ramos, Pernia A-M, Diaz J, et al. Power Supply for a High-Voltage Application[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2008, 23(4): 1608-1619.

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