CT方舱CT机快速升温控制系统的研制

晁勇，刘帅，彭昭亮，弓行，帅万钧，张少东，高华永，董灿

1.中国人民解放军总医院第一附属医院，北京 100048；2.北京航空航天大学，北京 100191；3.兰州交通大学，甘肃 兰州 730070

CT方舱CT机快速升温控制系统的研制

晁勇1，刘帅1，彭昭亮2，弓行3，帅万钧1，张少东1，高华永1，董灿1

1.中国人民解放军总医院第一附属医院，北京 100048；2.北京航空航天大学，北京 100191；3.兰州交通大学，甘肃 兰州 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

本文研制了一种车载式CT快速加温控制系统，实现了CT机在低温环境下的快速启动。该系统通过采用非接触式红外探测器测量CT机高压油箱表面的温度，比较实测温度与预置温度的差异值，利用STM32单片机控制电暖风机的加热，使油箱的温度快速达到CT机工作的最低要求，使得CT机从启动到初次曝光的时间由原先的2 h缩短至0.5 h，有效缩短了CT方舱的准备时间，有利于战时和灾害救援等紧急情况下的急救工作的及时开展。

车载式CT；单片机；红外测温；温度控制

0 前言

CT机是一种高精密的影像设备，为了保证图像质量的精准性，需要工作于温度相对稳定的环境下。通常CT机运行的环境温度为18～25 ℃，而我国南方和北方、冬季和夏季的野外温度差异较大，CT方舱温度控制系统对于CT机的正常工作至关重要[1-5]。

在运输过程中，CT方舱的温控系统不工作，CT机主要部件温度与外部环境温度相同。当到达救治现场时，CT机要快速投入使用[6]，其工作温度必须得到满足。因此CT方舱温控系统的快速升降温性能，直接影响CT方舱响应速度的快慢[7-8]。

1 CT方舱温控系统

CT方舱采用手动推拉翻板扩展方式、双面扩展舱体结构，舱体四壁采用隔热板设计，各舱壁衔接处利用橡胶材料密封，以利于隔热。

按照军标战术要求，CT方舱应在-35～+50 ℃的环境温度下能够正常运转，同时CT方舱由开始展开到正常使用的间隔时间应≤2 h。为了保证舱内温度能够快速升高以达到CT机使用要求，方舱内安装了两台3P冷暖空调和两台功率为7 kW的燃油暖风机作为舱内温度调节装置。温控系统内部布局，见图1。

暖风机和空调室外机组置于舱外设备间，暖风机出风口位于控制室外左右两侧、方舱前壁板下部，回风口风道位于控制室后壁板底部。控制室前壁下部设通风管，便于暖通系统回风。通风管采用带有铅防护功能的弧形多折风道结构，可屏蔽CT机所产生的X射线。

图1 CT方舱温控系统布局图

空调室内机组固定于控制室外壁顶部，出风口正对CT机架顶部，回风口位于空调室内机下部，形成循环风路。

在低温环境下，暖风机组与空调机组共同制热，实现舱内快速升温。在高温环境下和CT机工作时，仅有空调机组制冷，从而保持舱内温度的稳定。

CT方舱组装完成后，分别对舱体进行了高温和低温试验，以测试温控系统是否能满足CT机的工况要求。在高、低温极限条件下，CT机均能够在规定的时间内完成开机和扫描，且图像质量的变化不大。

2 问题总结及分析

野外试验时，CT机的开机速度成为了瓶颈。在环境温度为-12 ℃时，CT方舱在15 min内完成舱体展开，45 min左右舱内温度由-12 ℃升至+18 ℃，此时开启CT机，CT机界面启动正常，但当进行CT机球管预热时，CT机禁止曝光，提示“Tank Communication Error”。此后舱内温度继续上升并稳定在25 ℃，约1 h后，错误提示信息消失，并可进行正常预热和扫描。

CT机在展开后约2 h后方可进入正常工作状态，虽然可满足设计指标要求，但在紧急救援状态下，时间争取对个体生命有着重大影响。如何在紧急状态下实现CT机快速进入正常工作状态，是CT方舱温控系统尚需完善的方面。

CT方舱CT机选用GE公司生产的双排螺旋CT，经查阅其技术资料，CT机在启动过程中会自检各模块的工作状态，自检流程，见图2。其中涉及温度的检测有以下两项：

图2 CT机启动过程及自检流程

（1）DAS（探测器组件）是否达到35 ℃。DAS温度是否达到预置温度并保持稳定，将直接影响图像采集质量。

（2）Tank（高压发生器油箱）温度是否＞10 ℃。Tank温度偏低时，曝光操作容易损坏高压系统。当Tank温度传感器测量温度＜10 ℃时，CT机将提示“Tank Communication Error”，并禁止曝光操作。

DAS内部有加热组件，当CT机架加电后30 min内，DAS温度将达到预置温度并保持稳定。Tank内部充满高压绝缘油，热容量较大，温度变化缓慢，因此能够较为客观地反映升温过程中Gantry各部分的最低温度值。在CT机加电后，机架顶部的风扇产生空气的强制对流，使Tank的温度逐渐与舱内温度接近，缓慢升高。

由以上分析可知，在紧急情况下可考虑对Tank部分进行快速加温，即可实现CT机的快速启动和扫描，但前提是应不造成CT部件的损坏。

3 快速加温系统的设计

CT机架由旋转部分和固定部分组成，是CT机的主要组成部分，负责产生穿透人体的X射线并采集原始数据，传至图像处理工作站重建出检查部位的影像信息。旋转部分通过低压滑环系统与固定部分交换数据，电源供应也通过滑环传输。Tank位于机架旋转部分，结构为充满高压绝缘油的密闭容器，内置初级和次级耦合线圈，为CT机球管提供逆变高压。温度传感器浸于Tank内部，感知高压绝缘油的温度。

在进行快速加温系统设计时，由于Tank在CT机工作时处于旋转状态，利用电热元件直接附着于Tank表面的加温方法很难实现，主要原因在于：① 机架旋转部分电源系统不能提供额外的大功率加热电源；② 无多余滑环通道可利用，无法通过滑环实现实时温度显示和加热控制；③ 增加的重量破坏旋转部分动平衡，产生安全隐患。因此，必须采用非接触式测温和加热手段，来实现Tank的快速升温设计。

3.1 快速加温系统的构建

基于以上分析，设计的快速加温系统由单片机、非接触式红外温度传感器、加热控制电路、电加热式暖风机和温度显示/控制部分组成，系统原理框图，见图3。

图3 快速加温系统原理框图

STM32单片机采集红外温度传感器输出的模拟信号，将其数字化后，与程序预置的温度值比较，控制加热电路工作，实现对Tank的阶梯式快速加热过程。同时为了便于温度显示和加热控制，STM32单片机利用RS232接口与CT控制室的图像工作站通信，在图像工作站的温度控制界面上显示实时温度，并接受来自图像工作站的加热控制信号。图像工作站上温度显示/控制界面，见图4。

图4 温度显示/控制界面

CT机架加电后，快速加温系统开始工作，非接触式红外温度传感器实时测量Tank表面温度，温度数值实时显示在图像工作站上。

加热模式分为手动控制和自动控制两种模式。在手动模式下，选择相应的选项，可实现暖风机全功率（高档）加热、半功率（中档）加热和停止加热。在自动模式下，STM32单片机实时比较实测温度值与预置温度值之间的差异，自动控制暖风机全功率（高档）加热、半功率（中档）加热和停止加热。在程序设计时，规定温度＜10 ℃时，系统自动开启暖风机，采用全功率加热方式，使Tank快速升温；当温度＞10 ℃时，暖风机采用半功率加热方式，Tank进入缓慢升温过程；当温度达到23℃时，关闭暖风机，快速加温系统停止工作。

快速加热控制系统初步设计完成后，还应进行数据计算，选择合适功率的暖风机，保证在极限温度下和规定时间内，Tank温度满足CT机扫描条件。

3.2 暖风机功率的选择

为了便于Tank加热过程的热力学计算，可对部分环境条件近似处理。首先，Tank位于机架壳体内部，加热环境可近似为密闭空间；其次，暖风机对Tank底部一侧加热，受热截面为长20 cm、宽10 cm、厚2 mm的长方形不锈钢层，故可将加热空间视为被不锈钢板隔开的密闭空气室和绝缘油室；最后，暖风机处于温度变化缓慢的方舱底部，可假设出风口的温度保持不变，进而将空气室的温度近似为恒定值。

3.2.1 Tank升温公式推导

设K为不锈钢的导热系数，S为导热面积， △t表示某单位时间段，m为高压绝缘油的质量，c为绝缘油的比热，△T为绝缘油在该时间段内升高的温度， Tn为加热空气的温度， T为在当前时刻绝缘油的温度， ρ为高压绝缘油的密度。则有：

3.2.2 暖风机功率确定

在式(3)中：

而Tank的长、宽、高分别为20 cm、10 cm、35 cm。

所以其总体积为：

Tank内含有两个半径2 cm、高20 cm的高压棒，其体积为：

则邮箱内高压绝缘油的体积为：

因而有：

若想在20 min内实现Tank从-35 ℃升温至10 ℃，由式(9)可得：

其中，T1=10 ℃，T0=-35 ℃。求得临界空气温度为：

因此，暖风机的出风温度需＞53 ℃，本文采用的暖风机出风温度为55 ℃。根据热力学公式：

可以计算得高压绝缘油从-35 ℃升温至10 ℃吸收的热量为：

暖风机出风口与Tank加热面的距离为30 cm，则进行热量交换的气室体积为：

暖风机的出风可以看作对气室内的空气换气，设暖风机每秒对气室换气3次，则在20 min内，暖风机需加热的空气总体积为：

由于暖风机的加热在燃油机对舱体加热30 min后，此时舱内空气温度为5 ℃。空气的密度和比热分别为：

则暖风机将舱内空气升温至55 ℃所需要的总热量为：

加热过程中的热损耗为70%，则暖风机的功率为：

因此，暖风机的功率需＞1.957 kW，选用功率为2 kW的暖风机。

3.3 Tank升温过程模拟曲线

在气室内空气温度为55 ℃时，不同起始温度下，Tank升温曲线，见图5。

图5 Tank升温曲线图

从图中可以看到，在暖风机出风温度为55 ℃、Tank初始温度为-35 ℃时，将Tank升温至10℃的时间大约为1161 s，＜20 min；升温至25 ℃，需要的时间为1732 s，＜30 min。因而，确保CT方舱可以在展开后30 min内投入使用。

3.4 系统实际测试

在完成CT方舱快速加温系统的安装后，在环境温度为-12 ℃的条件下，对Tank升温性能进行了测试，测试结果，见表1。

表1 快速加温系统功效测试结果

由上表可知，在没有快速加温系统的情况下，-12 ℃时CT方舱从开始展开到正常运行需要近1.5 h；快速加温系统工作时，整体展开时间可缩短至0.5 h，从而保证了CT机能够快速投入使用。

4 结论

研制的快速加温系统，可提高CT方舱的快速反应能力，为紧急救援工作争取宝贵时间，解决了精密CT设备用于野外急救环境的难题，对于其他急救装备的研制具有一定的借鉴价值。然而，快速加温过程也会加速设备部件的老化，应限定在紧急救治情况下使用。

[1] 武超,谭树林,苏卫华,等．车载移动式CT方舱的设计[J]．医疗卫生装备,2013,34(6):7-10．

[2] 张虎军,张超群,蔡峰,等．“5．12"抗震救灾医疗卫生装备应用及问题[J]．解放军医院管理杂志,2008,15(9):806-807．

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[7] 王鹏,万胜平,王云芳．浅谈CT的安装验收与维护[J]．中国医疗设备,2012,27(2):145-146,154．

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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

全军医学科技青年培育项目（13QNP181）。

本文作者：晁勇，医学工程科主任，副主任技师，主要研究方向为医学装备管理、研发和计量检测。

作者邮箱：yongchg@sina．com