【作 者】吳昊，王衛(wèi)東，嚴勇，張帥，祖賀飛，陳衛(wèi)彬

中國人民解放軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程保障中心計量測試研究室，北京，100853

基于振動檢測的X射線管旋轉(zhuǎn)陽極
工作狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)研究

【作 者】吳昊，王衛(wèi)東，嚴勇，張帥，祖賀飛，陳衛(wèi)彬

中國人民解放軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程保障中心計量測試研究室，北京，100853

提出了一種基于振動信號監(jiān)測的X射線管工作狀態(tài)無損檢測與分析的方法。利用Labview虛擬儀器開發(fā)平臺，采用加速度傳感器、24位高分辨率數(shù)據(jù)采集卡和計算機建立X射線管振動信號采集分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了X射線管振動信號的快捷、高效采集與存儲，并完成振動特征的提取和處理，為有效診斷X射線管旋轉(zhuǎn)陽極早期故障探索了新的途徑。

X射線管；旋轉(zhuǎn)陽極；工作狀態(tài)；振動；監(jiān)測

0 引言

大型X射線影像設(shè)備是醫(yī)院重要的診療設(shè)備，主要包括計算機斷層成像設(shè)備（Computer Tomography，以下簡稱“CT”）、數(shù)字減影血管造影設(shè)備（Digital Substraction Angiography，以下簡稱“DSA”）和各類普通醫(yī)用X線機等。X射線管是大型X射線影像設(shè)備的主要的高值、易損部件。以CT用X射線管為例，價格從40萬元/只至150萬元/只不等，DSA用X射線管價格也多在50萬元/只至120萬元/只左右，即使價格相對便宜的普通醫(yī)用X射線管，價格也多在10萬元/只至30萬元/只左右。為此，醫(yī)院每年往往需要投入大量資金新購X射線管或為其購買保修。目前在國內(nèi)一些大型三級甲等醫(yī)院，大型X射線影像設(shè)備的配置規(guī)模已達數(shù)十臺，每年僅新購X射線管或為其購買保修就需花費數(shù)百萬元，甚至上千萬元。以解放軍總醫(yī)院為例，2006年5月至2009年3月，僅更換CT用X射線管就達17只、DSA用X射線管8只。然而，由于X射線管是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作工藝精細的真空器件，臨床工程師在日常的保障工作中受限于研究工具和手段，往往對其束手無策。但是經(jīng)驗豐富的臨床工程師在對大型X射線影像設(shè)備進行長年保障的過程中，還是逐漸總結(jié)出X射線管在全壽命周期內(nèi)的性能變化，往往可以通過一些外部物理特征的變化，如溫度、振動、聲音等，通過感官感知，例如：利用觸覺——用手觸摸X射線管管套以確定X射線管的溫度是否過高、振動是否異常；利用聽覺——用耳朵判斷X射線管旋轉(zhuǎn)陽極軸承是否存在異響。特別值得關(guān)注的是，根據(jù)放軍總醫(yī)院2006年以來的統(tǒng)計，在CT、DSA、DR等大型影像設(shè)備的X射線管故障中存在三大特點：一是與X射線管旋轉(zhuǎn)陽極相關(guān)的故障占全部故障的77%，幾乎所有更換的CT和DSA用X射線管都存在旋轉(zhuǎn)陽極異響問題，X射線管旋轉(zhuǎn)陽極故障確實是X射線管故障中最為常見的故障[1-2]；二是廣泛存在X射線管旋轉(zhuǎn)陽極性能下降先于X射線質(zhì)量下降的現(xiàn)狀，部分X線管在旋轉(zhuǎn)陽極產(chǎn)生較大噪聲異常的情況下，仍可正常發(fā)出X射線，完成圖像掃描；三是對于熱容量大、轉(zhuǎn)速高的CT、DSA用X射線管存在如圖1所示的狀態(tài)變化過程，即X射線管由初始良好狀態(tài)伴隨使用，逐步出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)陽極異常振動和異常噪聲現(xiàn)象，最后出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)陽極劇烈摩擦、卡死、緊急停機，繼而陽極靶面損壞。同時，由于旋轉(zhuǎn)陽極結(jié)構(gòu)具有熱容量大、焦點小的突出優(yōu)點[3]，目前大型X射線影像設(shè)備的X射線管均采用旋轉(zhuǎn)陽極X射線管。鑒于以上原因，我們認為要提高醫(yī)院大型X線影像設(shè)備的保障水平，迫切需要尋找科學(xué)、可靠、有效的X射線管旋轉(zhuǎn)陽極工作狀態(tài)檢測方法，從而有效預(yù)測X射線管的壽命。

圖1 X射線管旋轉(zhuǎn)陽極故障發(fā)展模式圖Fig.1 The development mode of the malfunction of X ray tube’s revolving anode

對類似X射線管旋轉(zhuǎn)陽極等旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷最早開始于20世紀60年代，最初應(yīng)用于航天航空與軍用機械的軸承檢測，進入20世紀80-90年代，伴隨硬件技術(shù)的進步與小波分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等信號分析處理理論的完善，旋轉(zhuǎn)機械的振動分析逐步從理論走向?qū)嵺`，并在電力機械等行業(yè)得到實際應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益[4-6]。目前世界主要的X線醫(yī)用設(shè)備生產(chǎn)廠商，如西門子公司、飛利浦公司和通用電氣公司等，提供給醫(yī)院用戶的X射線管工作狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)防系統(tǒng)，主要是基于X射線管的溫度監(jiān)測，其原理是當X線設(shè)備因使用過于頻繁或散熱系統(tǒng)故障等導(dǎo)致X射線管陽極靶面溫度過高，就會觸發(fā)保護機制，強制停止曝光，從而實現(xiàn)對陽極靶面的保護。雖然，溫度監(jiān)測能避免陽極靶面的突發(fā)損壞，但是對于包括陽極靶面和軸承的整個陽極旋轉(zhuǎn)機構(gòu)而言，缺乏對振動特征等慢變狀態(tài)信號的監(jiān)測與分析，故開展基于振動分析的X射線管旋轉(zhuǎn)陽極工作狀態(tài)檢測研究具有重要現(xiàn)實意義。本文通過研究建立基于Labview的X射線管振動的信號采集、分析系統(tǒng)，實現(xiàn)X射線管旋轉(zhuǎn)陽極狀態(tài)的無損、非介入式的檢測，探索更加科學(xué)、合理、準確的X射線管技術(shù)診斷方法，從而為X射線管故障預(yù)判、壽命預(yù)測等提供定量分析依據(jù)，進而為延長X射線管使用壽命、降低設(shè)備停機時間、合理制定保修策略、節(jié)約設(shè)備保障費用、提高大型X線設(shè)備運營綜合效益等提供準確、可靠的決策數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件 X射線管振動信號采集系統(tǒng)

X射線管數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要功能分為兩大方面：一是振動信號的采集，包括信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集等；二是振動信號的記錄，主要用于在線或離線信號分析。X射線管振動信號采集分析系統(tǒng)的框圖見圖2虛線部分。

圖2 X射線管振動信號采集分析系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram for the collection of the vibrant signals of X ray tube

1.2 軟件 X射線管振動信號分析系統(tǒng)

X射線管振動信號分析系統(tǒng)主要功能是對已存儲振動信號實現(xiàn)讀取和分析，分析功能主要分為三部分，分別是時域特征、頻域特征和視頻聯(lián)合特征的提取，為進一步判斷X射線管工作模式、分析其狀態(tài)提供工具。軟件功能框圖如圖3所示。

2 硬件系統(tǒng)

2.1 傳感器選擇

正確選擇振動信號傳感器是搭建X射線管振動信號采集系統(tǒng)的第一步，其關(guān)鍵在于對被測振動信號三個方面的分析與估算，分別是振動測試現(xiàn)場環(huán)境的特點、被測振動量的大小，以及被測振動信號的頻率范圍。下面分別從這三個方面論述本硬件系統(tǒng)傳感器的選擇。

2.1.1 傳感器類型選擇

圖3 X射線管振動信號軟件分析系統(tǒng)功能框圖Fig.3 Function block diagram of software for the analysis of the vibrant signals of X ray tube

振動常采用位移、速度和加速度傳感器檢測，由于位移傳感器需要與被測對象相對空間位置固定、速度傳感器體積和質(zhì)量偏大，故本系統(tǒng)采用加速度傳感器。其特點是體積小、質(zhì)量輕、不易損壞。在壓電式、壓阻式、電容式、電感式以及光電式等眾多加速度傳感器類型中，壓電式傳感器具有動態(tài)范圍大、頻率范圍寬、不需要任何外界電源的特點，同時對被測件影響小、受外界干擾也小，而且其體積小、重量輕、堅固耐用、安裝使用方便等特點。所以，本系統(tǒng)選用壓電式加速度傳感器。其中低阻抗電壓輸出型（以下縮寫為“IEPE”）壓電加速度傳感器采用恒電流電壓源供電，測量的信號質(zhì)量好、噪聲小、抗干擾能力強，適宜遠距離測量。綜合考慮電離輻射防護、測試環(huán)境等因素，故本采集系統(tǒng)最終確定選用IEPE型壓電加速度傳感器。

2.1.2 傳感器靈敏度與量程范圍的估算

傳感器靈敏度與測量范圍成反比，故需要在靈敏度和測量范圍之間權(quán)衡取舍。本系統(tǒng)采用常用的IEPE加速度傳感器，其靈敏度在(50～100) mV/g，最大輸出電壓量值為±5 V，因傳感器的最大量程等于最大輸出電壓與靈敏度的比值，故本系統(tǒng)可測加速度范圍為50～100 g 。

2.1.3 被測量頻率范圍估算

根據(jù)其他振動測量工程案例的經(jīng)驗可知，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的軸承常見故障頻率分為諧波和非諧波分量，其中諧波分量多在基頻的1倍、2倍和3倍處，非諧波分量的頻率范圍為30000～120000 r/min[4]。目前常用的X射線管轉(zhuǎn)速為3600～12000 r/min，可以估算出，被測振動的頻率范圍為3600～120000 r/min。

基于以上分析，本系統(tǒng)采用上海北智技術(shù)有線公司生產(chǎn)的三軸向測量通用型14500加速度傳感器和單軸向測量通用型傳感器。

2.2 采集卡

由2.1中對被測振動信號的估算可知，被測振動信號的頻率范圍在0.06～2 kHz，根據(jù)采樣定理[7]，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率不低于4 kHz?？紤]到到測量的可靠性和被測信號的最大頻率估算誤差，確定數(shù)據(jù)采集卡采樣率不低于40 kHz。經(jīng)過對比，考慮到與NI Labview軟件的配合，本系統(tǒng)采用美國國家儀器公司（簡稱“NI”）的NI USB-9234 數(shù)據(jù)采集卡。NI USB-9234作為基于USB的4通道動態(tài)信號采集模塊，能針對集成電路壓電式(IEPE)與非集成電路壓電式(IEPE)傳感器，進行高精度音頻測量，具有102 dB動態(tài)范圍，并能對加速度傳感器和麥克風進行軟件可選式交流/直流耦合與集成電路壓電式(IEPE)信號調(diào)理。4條輸入通道借助自動調(diào)節(jié)采樣率的內(nèi)置抗混疊濾波器，同時以每通道高達51.2 kHz的速率對信號進行數(shù)字化。

3 軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)軟件開發(fā)采用美國NI 公司推出的面向?qū)ο蟮膱D形化編程語言Labview，該開發(fā)軟件具有直觀，可視化強的特點，有利于快速搭建測試軟件分析平臺。Labview具有高效、靈活、強大的數(shù)字信號處理功能，本文利用其具有的Express VI（迅捷虛擬儀表），快速實現(xiàn)振動信號采集、存儲，以及時域、頻域和時頻聯(lián)合分析等功能[8-9]，離線分析軟件的前面板如圖4所示。本文所述軟件系統(tǒng)之所以同時匯集時域分析、頻域分析和聯(lián)合時頻分析，是因為對于可能出現(xiàn)的X射線管旋轉(zhuǎn)陽極故障振動信號特征還缺乏深入研究，采用本系統(tǒng)可以同時用各種信號處理方法，從而更好的發(fā)現(xiàn)振動信號特征。其中時域分析模塊主要用來觀察采集的旋轉(zhuǎn)陽極振動信號波形隨時間變化的波形；頻域分析模塊主要包括FFT（快速傅里葉變換）功率譜分析，用以分析振動信號的頻率成分；時頻聯(lián)合分析模塊主要用到了短時傅立葉變換(STFT)，用以觀察頻域或時域特征均不明顯的振動信號[10]。本文通過建立上述振動信號分析模塊，探索提取出具有診斷價值的振動信號特征。

圖4 X射線管旋轉(zhuǎn)陽極工作狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)前面板Fig. 4 The front panel of the surveillance and analysis system of the working condition of X ray tube’s revolving anode

4 測試結(jié)果與振動信號處理方法

采用本文所述振動信號采集分析系統(tǒng)，即可采集到X射線管工作時的狀態(tài)信號，如圖5為典型的X射線管旋轉(zhuǎn)陽極在一個曝光周期內(nèi)的時域振動信號。通過圖5，可將X射線管旋轉(zhuǎn)陽極在一個曝光周期內(nèi)的狀態(tài)簡單分為兩個相：第一個相是旋轉(zhuǎn)陽極啟停相，即旋轉(zhuǎn)陽極從啟動到達到曝光要求的轉(zhuǎn)速，以及從曝光結(jié)束到旋轉(zhuǎn)陽極停轉(zhuǎn)；第二個相是旋轉(zhuǎn)陽極穩(wěn)態(tài)相，即旋轉(zhuǎn)陽極達到轉(zhuǎn)速后開始曝光直至曝光結(jié)束的一段時間。不同相在正常和故障狀態(tài)下具有不同特征，其信號處理分析的方法有可能不同。在對振動信號進行分析時，需要將各種方法結(jié)合起來權(quán)衡考慮。圖4所示振動信號監(jiān)測與分析系統(tǒng)列舉了常用的時域、頻域和聯(lián)合時頻分析方法。以下對圖4中所用振動信號分析方法作簡要說明。

圖5 X射線管旋轉(zhuǎn)陽極曝光周期典型振動信號（時域）Fig.5 The typical vibration signal (time domain) in exposure cycle of rotated anode of X-ray tube

時域振動波形分析：通過該分析可以從宏觀上判斷X射線管旋轉(zhuǎn)陽極在整個曝光周期內(nèi)振動信號幅值的變化，如圖5和圖4中“1回放波形”和“3全部數(shù)據(jù)”。

頻譜分析：本文采用快速傅里葉變換的頻譜，主要分析旋轉(zhuǎn)陽極曝光周期內(nèi)振動各相的頻率成分，可以利用FFT功率譜結(jié)合旋轉(zhuǎn)陽極軸承的特定頻率對其狀態(tài)進行判斷，如圖4中“2實時頻譜”。

聯(lián)合時頻分析：在處理信號時，對于非穩(wěn)態(tài)型號如仍假設(shè)數(shù)據(jù)是平穩(wěn)或線性的，將得到錯誤的分析結(jié)果[10] 。此時，采用聯(lián)合時頻分析非常適合旋轉(zhuǎn)機構(gòu)振動信號非平穩(wěn)或非線性的情況。圖4中“4聯(lián)合時頻分析”采用了短時傅里葉變換，是一種常見的時頻分析方法。

階次分析：用于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中，機械特征隨速度變化而變化，如當旋轉(zhuǎn)速度改變時，每一個單個的諧波的頻率寬度變寬，一些頻率成分會發(fā)生重疊，這將導(dǎo)致FFT功率譜變得模糊，不再適合分辨旋轉(zhuǎn)機構(gòu)振動部件的特征，此時采用階次分析可以獲得振動特征。圖4中“5階次分析”包含幅值和相位的階次分析。

波特圖分析：旋轉(zhuǎn)機械在啟停過程中包含了豐富的振動信息，波特圖可以將旋轉(zhuǎn)陽極啟停過程中振動幅值和相位隨轉(zhuǎn)速變化的情況，以圖的形式表達，如圖4中“6波特圖”。

5 總結(jié)與討論

本文提出的基于振動分析的X射線管旋轉(zhuǎn)陽極工作狀態(tài)監(jiān)測與分析方法，初步實現(xiàn)了X射線管旋轉(zhuǎn)陽極工作狀態(tài)信息的采集與分析，解決了在不拆解X射線管的情況下，對旋轉(zhuǎn)陽極的狀態(tài)檢測問題，完成X射線管保障和使用由經(jīng)驗到理論、由感性到理性、由定性到定量的轉(zhuǎn)變，為更加科學(xué)、準確的對X射線管進行技術(shù)診斷奠定了基礎(chǔ)。下一步將對振動信號的特征提取進行深入研究，采用更多的振動信號處理方法分析數(shù)據(jù)（如小波變換、波德圖、奈奎斯特圖、瀑布圖等），并逐步建立X射線管振動信號的標準圖譜，探索X射線管工作狀態(tài)的模式識別等問題，努力實現(xiàn)對X射線管的壽命預(yù)測，綜合X射線管曝光次數(shù)、曝光時間等數(shù)據(jù)，確定最佳保修策略，提高X射線管維護保障的科學(xué)性，從而降低保障經(jīng)費支出，提升設(shè)備運營效益。

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Research of Working Condition Monitoring and Analyzing System for Rotating Anode X-ray Tube Based on the Vibration Measurement

【 Writers 】Wu Hao, Wang Weidong, Yan Yong, Zhang Shuai, Zu Hefei, Chen Weibin
Medical Engineering Support Center, Chinese PLA People’s Liberation Army General Hospital, Beijing,100853

X-ray tube, rotating anode, working condition, vibration, monitoring

R445.4

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2011.01.007

1671-7104(2011)01-0028-04

2010-11-08

解放軍總醫(yī)院科技創(chuàng)新苗圃基金，No:09KMM46.

吳昊，在職研究生，研究方向：醫(yī)療設(shè)備的計量檢測與質(zhì)量控制技術(shù)研究，E-mail:wmdwh@126.com

王衛(wèi)東，研究員，E-mail:wangwd301@126.com

【 Abstract 】A non-invasive detecting and analyzing method which used to monitor the working condition of rotating anode X-ray was proposed. Based on the NI development environment, accelerometer, 24-bit high resolution data acquisition card and personal computer were connected to construct the system for collecting the vibration signal of X-ray tube. Results demonstrate that the system could acquire and store the vibration data of X-ray tube quickly and efficiently. The characteristics of vibration, were extracted and processed, which proposed a new approach to detect the malfunction of rotating anode X-ray early and effectively.