HIL技術を活用した放射線撮影用高電圧電源の開発

はじめに | 新技術、新たな機会

CMOS（相補型金属酸化膜半導体）検出器の急速な進歩は、X線ベースの診断画像診断に新たな可能性を開いています。 画像処理ソフトウェアは、検出器から得られる信号に隠された膨大な情報を抽出できるようになった。一般放射線撮影システムはCOPD（慢性閉塞性肺疾患）の検出など特定のタスク向けに最適化可能であり、得られる3D画像の品質はわずか数年前のCTスキャナー画像と同等である。このようなシステムのコストはCTスキャナーのコストのほんの一部に過ぎない。

高品質な画像診断は発生源から始まる。検出器とソフトウェアの性能を最大限に引き出すためには、X線発生装置がシステムと完全に統合されている必要がある。すなわち、画像診断チェーンの他の部分と双方向通信が可能であること、X線管への電力供給・制御・保護機能を具備することが必須である。こうした課題に対応するには、新たな電力電子技術を採用し、この複雑な製品開発に向けた新たなアプローチが求められる。

課題 | 未来に向けたX線発生装置の開発

新世代のCMOS検出器により、高フレームレートでの透視検査が可能となった：30フレーム毎秒（FPS）が新装置の標準であり、60FPSが間もなく登場し、90FPSも視野に入っている。連続撮影、断層撮影、CINE撮影といった他の画像技術もこれに追随する。 このような高速度撮像には同期したX線パルスが必要であり、X線管を駆動する高電圧を極めて高速にオン/オフしなければならない。高電圧の立ち上がり時間と立ち下がり時間を短くすることが極めて重要である理由は二つある：(1) 画像形成に寄与しない低線量被ばくを患者に与えないため、(2) CMOS検出器の適切なリセットに十分な時間を確保するためである。

高速パルス発生に加え、波形頂点において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。また、高品質な画像を得るために極めて重要なパルス間再現性の高さを実現することも重要である。あらゆる発生装置は様々なX線管と連動する必要があり、X線管は非常に非線形の負荷である。広範囲の動作条件下において、様々な患者の解剖学的構造に対応しつつ、同等の電力品質が要求される。

上記の点が、従来のアナログ制御の限界である：電圧と電流出力の多様な組み合わせに対してフィードバックループのパラメータを最適化することは不可能であり、そのような解決策は妥協案に過ぎず、システム全体の性能に制限を設けることになる。

オンザフライで適応可能な制御システムは、高性能な放射線撮影システムの障害を取り除くアプローチである。

解決策 | 「完全デジタル化」が救いの手となる

これらの課題に対応するため、Advanced High Voltage社はX線発生装置向け完全デジタル制御の高電圧電源を開発中である。制御システムは最新世代のDSP（デジタル信号プロセッサ）を基盤としており、これにより各校正動作点（システムおよびX線管に応じて14～30の設定）におけるフィードバックループ補償の最適化が可能となり、他の設定に対するパラメータの補間も行えるようになる。

電力電子回路向け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、ループ補償パラメータの初期設定を決定する。しかしシミュレーションには限界があり、諺にあるように「結果は実際に試してみなければわからない」のである。 本ケースにおける「実証の場」とは、必要なインターフェースを全て備えた制御基板と、X線管が接続された高電圧パワーステージの役割を担うHIL404リアルタイムシミュレーション装置である。制御基板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基準値を生成してHIL装置へ送信する。 HIL404は非線形X線管を負荷とした高電圧パワーステージをエミュレートし、PWM信号とフィラメント基準入力に対応する電圧・電流フィードバックを出力します。基本動作に加え、HILは重大な故障状態も再現します。

HIL SCADAの仮想制御パネルでは全ての重要な機能が利用可能であり、オシロスコープ表示は高電圧インバータの動作に関する重要な知見を提供します。高電圧制御とフィラメント制御は直接アクセス可能で、故障状態を容易にエミュレートできます。

ソフトウェアおよびファームウェア開発の観点から、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装置として認識する。

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線発生装置開発における最も価値ある利点は、以下の通り要約できる：

• 以下の作業を同時進行で：
  • デジタル制御アルゴリズム
  • ジェネレータのファームウェア開発
  • ソフトウェアおよびGUI開発
  • ハードウェアインターフェースおよびパワートレイン開発；
• 発電機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施可能です。したがって、鉛室や放射線防護などの設備は不要です。作業はオフィス環境で行え、システム全体が机の上に収まります。
• 追加のX線管の容易な統合、ほとんどの作業は管の仕様に基づいて実施可能；
• 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させることが可能；
• 早期の顧客参画：顧客側の開発者は、ジェネレータ開発チームと並行してシステム統合作業を進められる。
• 生産およびカスタマー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施可能です；
• 顧客の設定は、システム導入時の支援のために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、次世代の高性能放射線発生装置の開発が可能となる。この新たなアプローチは市場投入までの時間を短縮し、発生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する。その結果、高度な診断画像処理能力を備えたシステムが実現し、放射線科医は患者への質の高い医療を提供するツールを手に入れる。

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