はじめに| 新しい技術、新しい機会
CMOS（相補型金属酸化膜半導体）検出器の急速な進歩は、X線画像診断に新たな可能性をもたらしました。画像ソフトウェアは、検出器からの信号に隠された膨大な情報を抽出できるようになりました。一般的なX線撮影システムを、COPD（慢性閉塞性肺疾患）の検出など、特定の用途に合わせて最適化することで、得られる3D画像の品質は、ほんの数年前のCTスキャナの画像と同等です。このようなシステムのコストは、CTスキャナの数分の1です。
高品質な画像はX線源から始まります。検出器とソフトウェアの性能を最大限に引き出すには、X線発生装置をシステムに完全に統合する必要があります。つまり、画像チェーンの他の部分との双方向通信が可能で、X線管への電力供給、制御、保護も可能でなければなりません。これらの課題に対処するには、新たなパワーエレクトロニクス技術の活用が不可欠であり、このような複雑な製品の開発には新たなアプローチが求められます。
課題| 未来のX線発生装置の開発
新世代のCMOS検出器は、高フレームレートでの透視撮影を可能にしました。新型機器では30フレーム/秒（FPS）が標準で、60FPSも間もなく登場し、90FPSも間近に迫っています。連続X線撮影、断層撮影、CINE画像撮影などの他の画像撮影技術も、この流れに追随しています。このような高フレームレートの画像撮影には、同期したX線パルスが必要であり、これはX線管に電力を供給する高電圧のオン/オフを非常に高速に行う必要があることを意味します。高電圧の立ち上がり時間と立ち下がり時間が短いことは、次の2つの理由から極めて重要です。(1) 画像に寄与しない低線量放射線を患者に最小限に抑えるため、(2) CMOS検出器を適切にリセットするための十分な時間を確保するためです。
高速パルス出力に加え、波形の頂点でオーバーシュートやリンギングを生じさせることなく、最大設定電圧を達成することが望ましいです。また、高品質の画像を得るためには、パルス間の高い再現性も不可欠です。すべてのジェネレータは様々なX線管球と連携する必要があり、管球は非常に非線形な負荷です。様々な患者の解剖学的構造に対応できるよう、幅広い動作条件において均一な電力品質が求められます。
上記は、従来のアナログ制御の欠点です。電圧と電流出力のさまざまな組み合わせに対してフィードバック ループ パラメータを最適化することは不可能であり、このようなソリューションはシステム全体のパフォーマンスに制限を設ける妥協策となります。
オンザフライ適応制御システムは、高性能放射線システムの障害を取り除くアプローチです。
解決策| 「フルデジタル」が救世主
これらの課題に対処するため、 Advanced High Voltage社は、X線発生装置用の完全デジタル制御高電圧電源を開発しています。この制御システムは、最新世代のDSP（デジタル信号プロセッサ）をベースにしています。これにより、校正された動作点（システムとX線管に応じて14～30段階の設定）ごとにフィードバックループ補償を最適化し、他の設定のパラメータを補間することが可能になります。
パワー エレクトロニクス回路に最適化されたシミュレーション ソフトウェアと長年の実践経験を組み合わせることで、ループ補償パラメータの初期セットを決定します。ただし、シミュレーションで得られる成果には限界があり、諺にあるように、真価は実際に試してみなければわかりません。この場合、「実際に試す」のは、必要なすべてのインターフェイスを備えた制御ボードと、X 線管が接続された高電圧電力ステージの役割を果たす HIL404 リアルタイム シミュレーション デバイスです。制御ボードはシステム入力を処理し、PWM MOSFET 駆動信号とフィラメント電流リファレンスを生成し、これらが HIL デバイスに送信されます。HIL404 は、非線形 X 線管を搭載した高電圧電力ステージをエミュレートし、PWM およびフィラメント リファレンス入力に対応する電圧と電流のフィードバックを送信します。基本動作に加えて、HIL によって重大な障害も返されます。
HIL SCADAの仮想制御パネルでは、すべての重要な機能が利用可能であり、オシロスコープビューでは高電圧インバータの動作に関する重要な洞察が得られます。高電圧およびフィラメント制御に直接アクセスでき、障害のエミュレーションも容易に行えます。
ソフトウェアおよびファームウェア開発の観点から見ると、制御ボードは HIL デバイスを、選択した X 線管を搭載した高電圧発生器として認識します。
HILのメリット| HILは時間とコストを節約します
HIL ベースの X 線発生器開発の最も価値のある利点は、次のようにまとめられます。
- 同時作業:
- デジタル制御アルゴリズム、
- ジェネレータファームウェアの開発、
- ソフトウェアおよびGUI開発、
- ハードウェア インターフェイスとパワー トレインの開発。
- ジェネレータの開発とシステム統合の大部分は、実際のX線管を使用せずに実行できるため、鉛室や放射線防護などは必要ありません。作業は、システム全体が机の上に収まるオフィス環境で行うことができます。
- 追加のX線管の統合が容易で、作業のほとんどは管の仕様に基づいて実行できます。
- 強化されたコラボレーション: 開発タスクを異なる場所のチーム間で分散できます。
- 早期の顧客関与: 顧客の開発者は、ジェネレータ開発チームと並行してシステム統合に取り組むことができます。
- 製造および顧客サービスの問題のトラブルシューティングはリモートで実行できます。
- システムの展開時に役立つよう、顧客のセットアップを迅速に複製できます。
HILをエンジニアリングプロセスに統合することで、未来のハイエンドX線画像生成装置の開発が可能になります。この新しいアプローチは、市場投入までの時間を短縮し、生成装置メーカーとシステムインテグレーター間の連携を強化します。その結果、高度な診断画像機能を備えたシステムが実現し、放射線科医は患者に質の高いケアを提供するためのツールを利用できるようになります。
クレジット
テキスト| ボリス・サシック
ビジュアル| ボリス・サシック
編集者| デボラ・サント
