一种具有温控功能的平板探测器及其温度控制方法与流程

1.本发明涉及医疗影像设备领域，尤其涉及一种具有温控功能的平板探测器及其温度控制方法。


背景技术：

2.由于像素灰度、噪声水平受环境温度影响较大，往往不可忽略，所以平板探测器在实际临床使用中，一般都需要在开机后，等待1个小时左右的时间，直到探测器内部温度稳定下来，才被允许使用，目的就是要保证有足够好的影像性能，总是能满足诊断要求。同时，对于内部无温控的平板探测器，除需要更长的稳定时间外，全功耗电路带来的内部温度过高，也会导致图像噪点增多，性能退化。此外，由于受外部环境温度影响，系统内部温度变化大，给设备校准和图像处理算法带来挑战，影像性能也难以得到保证。
3.例如，在公开号为cn1752881a的专利申请中，其平板探测器直接通过温度反馈控制方式以实现导热装置对探测器进行温度调节，加热方式较为单一，完成加热需要等待的时间长；又比如，在公开号为cn203970408u的专利申请中，其平板探测器将温度调控模块外设来对其内部的器件进行温度调节，虽然可以节省内部空间，但使得整体的集成性不佳，结构安装繁琐，摆放受到限制，且其热量交换的线路单一，未对探测器内部不同区域的电路板的发热情况进行区别，容易导致加热不均匀，影响成像效果。
4.将平板探测器稳定在某一种或几种温度条件下，能给系统设计带来巨大的好处。系统长期工作在最大功耗，在某些环境下有系统过热风险，图像上容易产生坏像素，且系统随机噪声变高。如果持续工作在低功耗模式，则在连续使用时，系统温度变化大，系统校正效果会退化，暗噪声增加。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种具有温控功能的平板探测器及其温度控制方法，所述技术方案如下：一方面，本发明提供了一种具有温控功能的平板探测器，包括影像传感器，所述影像传感器为光敏部件，用于负责阵列成像；金属结构框架，所述金属结构框架用于支撑所述影像传感器，同时作为所述影像传感器热交换的导热介质；热发生或交换单元，所述热发生或交换单元用于系统制热或制冷，所述热发生或交换单元直接作用于所述金属结构框架；工作电路，所述工作电路包括温度侦测电路、电源电路、主控电路和图像采集时序控制电路，其中所述温度侦测电路包含多个温度传感器，所述温度传感器分布在所述平板探测器上的多个位置，以实现对当前环境温度、所述影像传感器温度、所述金属结构框架温度和所述工作电路温度中多个位置点进行温度侦测；
pid温控模块，所述pid温控模块根据预设的目标温度和所述温度侦测电路侦测到的实际温度计算并调节所述热发生或交换单元的工作参数，并驱动所述热发生或交换单元加热或者散热，使所述影像传感器达到并稳定在所述目标温度。
6.进一步地，所述热发生或交换单元采用电辅热和/或半导体热泵进行加热；所述热发生或交换单元采用自然冷却、风冷、水冷、电冷中的一种或多种方式进行冷却。
7.进一步地，所述平板探测器还包括温控策略执行模块，所述温控策略执行模块能够采用一种或多种温控策略对所述影像传感器加热或者散热，所述pid温控模块根据所述目标温度和所述温度侦测电路侦测到的实际温度计算并调节所述温控策略执行模块的参数，并驱动所述温控策略执行模块对所述影像传感器加热或者散热。
8.进一步地，所述温控策略执行模块包括功率调节单元，所述功率调节单元用于在所述pid温控模块的驱动下调节所述热发生或交换单元的加热功率/散热功率；若所述实际温度高于目标温度且其差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述功率调节单元提高散热功率和/或降低加热功率；若所述实际温度低于目标温度且其差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述功率调节单元降低散热功率和/或提高加热功率。
9.进一步地，所述温控策略执行模块包括第一功率单元、第二功率单元及占空比调节单元，所述第一功率单元的工作功耗高于所述第二功率单元的工作功耗，所述占空比调节单元用于在所述pid温控模块的驱动下调节所述第一功率单元、第二功率单元的工作时间占空比；若所述实际温度高于目标温度且其差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述占空比调节单元调低所述第一功率单元的工作时间占空比；若所述实际温度低于目标温度且其差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述占空比调节单元调高所述第一功率单元的工作时间占空比。
10.进一步地，所述温控策略执行模块包括功耗切换控制单元及多个设置在所述平板探测器内设电路板上的电路模块，各个电路模块具有不同的热容且支持功耗切换，所述功耗切换控制单元用于在所述pid温控模块的驱动下控制部分或全部电路模块切换功耗以枚举全部的热容组合；若所述实际温度高于目标温度且其差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述功耗切换控制单元切换热容组合，以使得热容值降低；若所述实际温度低于目标温度且其差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述功耗切换控制单元切换热容组合，以使得热容值升高。
11.进一步地，所述温控策略执行模块包括以下三个温控策略执行模块的自由组合：第一温控策略执行模块包括功率调节单元，所述功率调节单元用于在所述pid温控模块的驱动下调节所述热发生或交换单元的加热功率/散热功率；第二温控策略执行模块包括第一功率单元、第二功率单元及占空比调节单元，所述第一功率单元的工作功耗高于所述第二功率单元的工作功耗，所述占空比调节单元用于在所述pid温控模块的驱动下调节所述第一功率单元、第二功率单元的工作时间占空比；第三温控策略执行模块包括功耗切换控制单元及多个设置在所述平板探测器内设电路板上的电路模块，各个电路模块具有不同的热容且支持功耗切换，所述功耗切换控
制单元用于在所述pid温控模块的驱动下控制部分或全部电路模块切换功耗以枚举全部的热容组合。
12.另一方面，本发明提供了一种平板探测器的温度控制方法，包括以下步骤：s1、采集环境温度，确定平板探测器目标温度的设定方式，以根据所述环境温度及设定方式得到目标温度；s2、将得到的目标温度输入pid温控模块中，所述pid温控模块利用pid算法驱动温控策略执行模块对所述平板探测器进行加热或散热；s3、检测所述平板探测器当前的实际温度，并把实际温度信息反馈至所述pid温控模块；s4、判断目标温度与实际温度的差异是否在预设范围内，若是，则所述温控策略执行模块保持当前的加热或散热的功耗参数对所述平板探测器进行加热或散热并重复执行s3
‑
s4，否则执行s5；s5、根据目标温度与实际温度的差异，所述pid温控模块利用pid算法调节所述温控策略执行模块功耗参数，以使得所述平板探测器达到并稳定在所述目标温度，并重复执行s3
‑
s4。
13.进一步地，在步骤s1中，所述目标温度等于所述环境温度，或者，所述目标温度等于所述环境温度外加一个正向偏移量，或者，所述目标温度等于某一固定值，或者，所述目标温度与环境温度之间呈预建的基础函数关系。
14.进一步地，所述pid温控模块能够驱动所述温控策略执行模块以下一种或者多种的温控策略对所述平板探测器进行加热或散热：在第一温控策略中，所述温控策略执行模块包括功率调节单元，所述功率调节单元用于在所述pid温控模块的驱动下调节热发生或交换单元的加热功率/散热功率，若所述实际温度高于目标温度且其差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述功率调节单元提高散热功率和/或降低加热功率，若所述实际温度低于目标温度且其差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述功率调节单元降低散热功率和/或提高加热功率；在第二温控策略中，所述温控策略执行模块包含包括第一功率单元、第二功率单元及占空比调节单元，所述第一功率单元的工作功耗高于所述第二功率单元的工作功耗，所述占空比调节单元用于在所述pid温控模块的驱动下调节所述第一功率单元、第二功率单元的工作时间占空比，若所述实际温度高于目标温度且其差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述占空比调节单元调低所述第一功率单元的工作时间占空比；若所述实际温度低于目标温度且其差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述占空比调节单元调高所述第一功率单元的工作时间占空比；在第三温控策略中，所述温控策略执行模块包括功耗切换控制单元及多个设置在所述平板探测器内设电路板上的电路模块，各个电路模块具有不同的热容且支持功耗切换，所述功耗切换控制单元用于在所述pid温控模块的驱动下控制部分或全部电路模块切换功耗以枚举全部的热容组合，若所述实际温度高于目标温度且其差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述功耗切换控制单元切换热容组合，以使得热容值降低，若所述实际温度低于目标温度且其差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述
功耗切换控制单元切换热容组合，以使得热容值升高。
15.本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：a. 能够精确快速使得平板探测器达到目标温度并维持稳定；b. 可减少产品开机使用的等待时间，提高产品的可用性；c. 利于常温下得到最优的图像性能；d. 合理调配平板探测器的内部热量交换。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明实施例提供的具有温控功能的平板探测器结构示意图；图2是本发明实施例提供的具有温控功能的平板探测器控制框架示意图；图3是本发明实施例提供的具有温控功能的平板探测器电路模块热容组合示意图。
18.其中，附图标记分别为：1
‑
影像传感器，2
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金属结构框架，3
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热发生或交换单元，4
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工作电路，5
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温度侦测点。
具体实施方式
19.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
20.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
21.在本发明的一个实施例中，提供了一种具有温控功能的平板探测器，参见图1，包括影像传感器1、金属结构框架2、工作电路4、热发生或交换单元3和pid温控模块，所述影像传感器1为光敏部件，用于负责阵列成像；所述金属结构框架2用于支撑所述影像传感器1，同时作为所述影像传感器1热交换的导热介质；所述工作电路包括温度侦测电路、电源电路、主控电路和图像采集时序控制电路，工作电路也是一种热发生单元，所述工作电路设置在一个或多个所述平板探测器内设的电路板上，所述温度侦测电路包含多个温度传感器，它们按某种规则分布在探测器各个位置，其中所述温度侦测电路能够对环境温度、所述影
像传感器1温度、所述金属结构框架2温度和所述工作电路温度中的一点或多点进行温度侦测；所述热发生或交换单元3用于制热或制冷，所述热发生或交换单元3可直接作用于所述金属结构框架2，也可直接将金属结构框架2作为热交换介质；所述pid温控模块根据预设的目标温度和所述温度侦测电路侦测到的实际温度计算并调节所述热发生或交换单元3的工作参数，并驱动所述热发生或交换单元3加热或者散热，使所述影像传感器1达到并稳定在所述目标温度。
22.具体地，参见图1，所述影像传感器1与所述金属结构框2上表面接触，所述电路板设置在所述金属结构框2的下方，并在所述平板探测器的外壳内部，所述平板探测器内部设有多个不同热容的电路模块，所述电路模块可设置在一整块的电路板上，也可以分开设置在多块电路板上，所述温度侦测电路通过将多个温度测量单元分布在不同温度侦测点5上，以对环境温度、影像传感器温度、金属结构框架温度和内部电路温度进行一点或多点侦测，并将温度数据输出至所述pid温控模块。所述pid温控模块根据预设的目标温度和所述温度侦测电路侦测到的实际温度计算并调节所述热发生或交换单元3的工作参数，并驱动所述热发生或交换单元3加热或者散热，其中，所述热发生或交换单元包括但不限于采用风冷、水冷、电辅热和半导体热泵等方式进行工作。除使用热发生或交换单元外，所述pid温控模块还可以利用所述温控策略执行模块借助于内部工作电路自身较大的高低功耗差异，来替代热发生或交换单元，完成对影像传感器1的温度控制，此情形利用的是不同功耗下加热和散热效率的差异，所以没有完整的冷热交换概念，执行温控利用的时机是系统处于空闲状态。需要说明的是，所述实际温度可以等于侦测到的所述影像传感器1温度，也可以是等于所述温度侦测电路侦测到的所述平板探测器内部的多个温度值的算术值，以真实反映所述平板探测器内部的温度。
23.在本发明的一个实施例中，所述平板探测器还包括温控策略执行模块，参见图2，所述温控策略执行模块采用多种温控策略对所述影像传感器1加热或者散热，所述pid温控模块根据所述目标温度和所述温度侦测电路侦测到的实际温度计算并调节所述温控策略执行模块的参数，选择合适的温控策略，并驱动所述温控策略执行模块对所述影像传感器1加热或者散热。所述pid温控模块还可以设有用来比较环境温度和实际温度差异的比较器，将差异结果进行pid算法计算，以输出控制所述温控策略执行模块的功耗参数。
24.其中，所述温控策略执行模块包括以下三个温控策略执行模块的自由组合：第一温控策略执行模块包括功率调节单元，所述功率调节单元用于在所述pid温控模块的驱动下调节所述热发生或交换单元3的加热功率/散热功率；第二温控策略执行模块包括第一功率单元、第二功率单元及占空比调节单元，所述第一功率单元的工作功耗高于所述第二功率单元的工作功耗，所述占空比调节单元用于在所述pid温控模块的驱动下调节所述第一功率单元、第二功率单元的工作时间占空比；第三温控策略执行模块包括功耗切换控制单元及多个设置在所述平板探测器内设电路板上的电路模块，各个电路模块具有不同的热容且支持功耗切换，所述功耗切换控制单元用于在所述pid温控模块的驱动下控制部分或全部电路模块切换功耗以枚举全部的热容组合。
25.在本发明的一个实施例中，提供了一种用于平板探测器的温度控制方法，包括以下步骤：
s1、采集环境温度，确定平板探测器目标温度的设定方式，以根据所述环境温度及设定方式得到目标温度；s2、将得到的目标温度输入pid温控模块中，所述pid温控模块利用pid算法驱动温控策略执行模块对所述平板探测器进行加热或散热；s3、检测所述平板探测器当前的实际温度，并把实际温度信息反馈至所述pid温控模块；s4、判断目标温度与实际温度的差异是否在预设范围内，若是，则所述温控策略执行模块保持当前的加热或散热的功耗参数对所述平板探测器进行加热或散热并重复执行s3
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s4，否则执行s5；s5、根据目标温度与实际温度的差异，所述pid温控模块利用pid算法调节所述温控策略执行模块的功耗参数，以使得所述平板探测器达到并稳定在所述目标温度，并重复执行s3
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s4。
26.在步骤s1中，利用目标温度选择策略模块进行确定目标温度，目标温度的设定方式至少有以下两种选择策略：第一种设定方式，适用于环境温度无大的变化，若所述环境温度在单位时间内的变化量在参照范围内，所述目标温度等于所述环境温度，或者，所述目标温度等于所述环境温度外加一个正向偏移量，所述正向偏移量能够覆盖所述环境温度在单位时间内的变化量，所述正向偏移量可以定义为某一固定值，或一个相对环境温度而变化的值。
27.还可以在所述目标温度与环境温度之间呈预建的基础函数关系，以使所述目标温度与环境温度之间的偏移量随环境温度上升而逐渐降低，这样的设计使得整体设备温度总是相对较低且稳定。
28.第二种设定方式，所述目标温度等于某一固定值。该方式只考虑设备自身的稳定性，忽略外部温度的影响，由于稳定后的温度总是一个固定值，有利于图像校正处理；但同时，如果设定的目标温度与环境温度差异较大时，达到目标温度会需要更长的时间；当环境温度高于预设目标温度时，该控制会失效。
29.以上两种设定方式用户可根据环境温度的实际情况进行选择，需要说明的是，所述目标温度可单独使用影像传感器的温度作为参考，也可值所述平板探测器的其他温度受控部件。
30.在步骤s2中，所述pid温控模块可以根据目标温度，也可以根据目标温度和环境温度的差异，利用pid算法，得到驱动温控策略执行模块的初始功耗参数，以对所述平板探测器进行加热或散热。需要说明的是所述功耗参数包括但不限于功率的大小以及运行的频率和时长等等。
31.在本发明的一个实施例中，所述温控策略执行模块包括以下三个温控策略执行模块的自由组合：第一温控策略执行模块包括功率调节单元，所述功率调节单元用于在所述pid温控模块的驱动下调节所述热发生或交换单元的加热功率/散热功率；若所述实际温度高于目标温度且两者差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述功率调节单元提高散热功率和/或降低加热功率；若所述实际温度低于目标温度且其差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述功率调节单元降低散热功率和/或提高加热功率。
32.具体地，借助于通用的pid算法，执行pid温控后输出的温度作为反馈输入，计算目标点与反馈输入的差异，根据差异决定热发生或交换单元的加热/散热功率，循环此过程，直到最后达到并稳定到目标温度，其优点是控制算法简单，只要相应的pid参数选择好，能快速达到目标温度，并且不受设备工作状态的影响。
33.第二温控策略执行模块包括第一功率单元、第二功率单元及占空比调节单元，所述第一功率单元的工作功耗高于所述第二功率单元的工作功耗，所述占空比调节单元用于在所述pid温控模块的驱动下调节所述第一功率单元、第二功率单元的工作时间占空比；若所述实际温度高于目标温度且两者差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述占空比调节单元调低所述第一功率单元的工作时间占空比；若所述实际温度低于目标温度且其差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述占空比调节单元调高所述第一功率单元的工作时间占空比。
34.具体地，第一功率单元、第二功率单元分别对应所述平板探测器内部电路板的最高与最低功耗状态，然后通过pid算法，定义一个周期时间t内，开启最高功耗与最低功耗的占空比，如果内部存在多块电路板时，可同时控制多块电路板以最高功耗和最低功耗按照占空比运行。该策略的优点是控制算法简单，只要相应的pid参数选择好，能快速达到目标温度，但由于高低功耗切换到温度稳定有一定滞后性，实际温度控制过程容易产生偏差和震荡，在系统处于运行采图期间，该控制策略会暂时失效。
35.第三温控策略执行模块包括功耗切换控制单元及多个设置在所述平板探测器内设电路板上的电路模块，各个电路模块具有不同的热容且支持功耗切换，所述功耗切换控制单元用于在所述pid温控模块的驱动下控制部分或全部电路模块切换功耗以枚举全部的热容组合；若所述实际温度高于目标温度且其差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述功耗切换控制单元切换热容组合，以使得所述电路模块组合的热容值降低；若所述实际温度低于目标温度且其差值超过预设的阈值范围，则所述pid温控模块驱动所述功耗切换控制单元切换热容组合，以使得所述电路模块组合的热容值升高。
36.具体地，枚举电路模块所有的功耗类型，利用内部支持功耗切换的各电路模块工作时的热容不同，形成不同的加热组合，然后根据目标温度与实际温度的差异，周期性的控制系统运行在不同的功耗类型组合下，使系统最终稳定到目标温度。
37.以上三种温控策略可单独存在工作也可自由组合存在工作，即还包括同时存在两种及以上的温控策略的情况，便于根据实际情况，选择合适的温控策略。需要说明的是，目标温度的设定方式的各方案与温控策略的各方案可以自由组合形成新的温控技术方案，该组合方案仍处于本实施例的保护范围内。
38.在本发明的一个实施例中，所述平板探测器内部包括影像传感器、铝结构框架、支持高低功耗切换的工作电路，这里使用工作电路的高低功耗代替专用的热发生或交换单元来描述温度控制过程，参见图3。
39.其中，工作电路包括温度侦测电路、电源电路、主控电路、图像采集时序控制电路及各种外部电子模块组成，以上电路可以电路模块的形式分布在电路板上。其中温度侦测电路包含多个温度测量单元，用于完成对环境温度，影像传感器温度，金属结构框架温度，内部电路温度的多点实时侦测。电路在工作时会产生热量，如果没有电源管理，系统将一直持续在高功耗，最终达到热量平衡，此时，电路产生热量的速率与系统热量耗散的速率应相
等或相近。
40.通过主控电路中的程序，可控制不同部分的内部电路及外部电子模块在高低功耗之间切换。定义在相同时间内电路模块对系统温热量的贡献比例为这部分电路的热容，假设内部电路高功耗的热容分别记为k1，k2，k3
…
，则可以形成不同的热容组合，如k1，k1 k3，k2 k3，k1 k2 k3
…
，内部每一部分电路的热容可通过在一定温度条件，一定时间，一定组合条件下测算得到。一般通过读取外部环境温度与该部分电路工作时靠近该电路部分金属结构框架的温度，即可近似计算得到该电路模块的热容值。借助于高功耗与低功耗时各电路模块产生的热容不同，通过实时侦测当前温度与目标温度差异，利用pid温控算法，可控制平板探测器稳定到预设目标的温度。
41.此处预设目标温度为影像传感器需控制达到的温度，定义为当前环境温度加偏移值，设备上电后，内部各部分初始温度应与环境温度一致，间歇性读取目标温度与当前环境温度值，并利用pid温控算法得到pid控制参数，建立一张pid控制参数与热容组合的对应表，在计算得到pid控制参数时，启动对应的热容组合电路，使对应电路模块运行在高功耗状态。
42.使用系统电路不同热容这一特征来完成温度控制，会有一些限制，例如平板探测器在正常获取图像时，需要工作在高功耗状态，此时温度控制会失效。另外，总的高低功耗之间应保持足够的差异，以使系统达到目标温度稳定状态不必有太久的等待时间。
43.本发明提供的具有温控功能的平板探测器及其温度控制方法利用该平板的内部结构设计模型和温度反馈，能够精确快速地完成探测器温度控制，使之几乎不再受外部环境温度的影响，一方面可减少产品开机使用的等待时间，提高产品的可用性，另一方面，也有利于常温下得到最优的图像性能。
44.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。