用於平衡ct臺架機構的系統和方法

2023-09-20 01:37:20 2

專利名稱：：用於平衡ct臺架機構的系統和方法
技術領域：
：本發明涉及CT系統，特別涉及用於平衡CT臺架構件的方法和系統。
背景技術：
：目前計算機層析X射線攝影(ComputedTomography)(″CT″)系統應用非常廣泛。CT系統拍攝物體或人的X射線圖像，以提供科學的和/或醫學的信息。總體上說，CT系統包括一個放在外罩內的大的臺架機構(gantrymechanism)，該外罩具有一個環形的開口，物體或人就被放在開口內。該臺架機構包括一個旋轉基座構件(rotatingbasemember)，該旋轉基座構件上安裝有一個X射線管和檢測器板(detectorplate)。隨著該基座構件旋轉且物體或人沿旋轉軸線移動，X射線圖像就被拍攝下來用於後續的分析。一般來說，旋轉基座構件還有安裝在其上的其它系統元件，如熱交換器和發生器。X射線管、檢測器板和其他元件隨該基座構件一起旋轉。重要的是，平衡該旋轉基座構件，從而它均勻轉動，並獲得令人滿意的高質量圖像。CT臺架旋轉部分的不平衡導致整個臺架機構的頻率為每轉一次的振動動作。這種動作對圖像的質量是不利的，並且當這種動作超過一個確定的臨界值時會產生偽影(artifact)。一般來說，CT臺架機構於被船運到最終目的地之前，在建造和調校CT系統的工廠裡被平衡過。CT系統也被現場平衡過，一般是在元件因使用而被替換時，比如一根新的X射線管。為了確保CT系統的精確性能，現場平衡尤其重要。然而，當前用於現場平衡臺架機構的方法和系統存在缺陷。於是，就需要改進用於平衡CT臺架機構的系統和方法，特別是用於現場平衡該機構的系統和方法。
發明內容本發明包括一種用於在工廠和現場平衡CT臺架機構的改進的方法和系統。根據本發明，甚至在現場條件下，也可以對CT臺架機構既進行靜態平衡又進行動態平衡。對於本發明，靜態和動態這兩種不平衡均能被測量出來，並且如果有必要的話可以被消除。本發明與現有的CT靜態平衡方法相比，會使用戶節省時間和降低複雜程度。對於本發明，平衡配重(balanceweight)被添加在CT臺架機構的旋轉基座構件的兩個預定位置上。這兩個位置相隔大約90°。在該兩個位置上設置有細長杆構件，根據平衡CT系統的需要，在其上安放各種平衡配重、間隔片(spacer)和填隙片(shim)。這些配重、間隔片和填隙片允許不平衡的Z軸坐標的改變，以在恰當的Z坐標處提供恰當的配重。優選地，當從CT臺架機構的前面觀察時，這兩個位置被設置在旋轉基座構件的左下象限中。由於需要平衡X射線管的重量和為了靜態及動態的平衡調節，所以這些位置是優選。在臺架機構的固定基座構件上在不平衡引起較高應變(strain)的地方設置有應變計。該應變計被連接到一個平衡傳感器電路，該電路又與臺架處理器相連。固件(firmware)用於以預定的採樣頻率對傳感器的輸出進行採樣。首先在帶有工廠中安裝好的配重的原始運行(baselinerun)期間進行應變測量，以得到一參考基準。然後，對在已知(known)位置帶有試驗配重的試驗運行進行附加測量。於是，這些原始測量量和試驗測量量被用於計算需要在該兩個預定位置加載的配重的量和它們在Z軸上的位置。該系統的最終的合力和力矩被計算出來，並且確定出這兩堆(stack)配重中的每一堆的新配置，它們將產生出這些合力和力矩。然後，在旋轉基座構件的該兩個預定位置處的杆狀構件上，設置配重、間隔片和填隙片的適當配置。兩個不同厚度的鋼板用於提供大部分配重。輕的鋁質間隔片和填隙片被用於把配重堆的質量置於目標Z位置的中心位置。需要的話，使用小配重對該質量進行精確調節。對於本發明，配重、間隔片和填隙片在數量和排列二者上的具體量經計算得出。對於本發明，既可以在工廠也可以在現場進行CT臺架系統的旋轉基座構件的靜態和動態平衡。而且，隨本系統還提供有給用戶的具體用法說明，以消除猜測工作並提供精確平衡。僅有兩個用於平衡配重的位置而不是許多位置，這也是有利的，且提供了現場更容易的調節。最後，對於本發明，需要有限數量和類型的平衡配重。本發明的上述目的和其他目的、特徵和優點在下面對根據附圖實現本發明的優選實施例的詳細描述中是很明顯的。圖1示意性展示了一個常規CT系統；圖2是臺架機構(不帶蓋子)的正視圖，該臺架機構包括旋轉和固定基座構件；圖3是圖2所示臺架機構的透視圖，為了清楚起見去除了若干元件；圖4是旋轉基座構件的分解透視圖，示出根據本發明所使用的平衡元件；圖5是旋轉基座構件的後視圖；圖6是可隨本發明一起使用的平衡電路的示意圖；圖7是示出隨本發明一起使用的一優選方法的流程圖。附圖標記說明12臺架構件14病床構件16環形部分18基座構件20旋轉基座構件22固定基座構件24X射線管構件26檢測器板構件30病人32Z軸34熱交換器36高壓發生器38高壓變壓器40軸承座42託架構件44軸向馬達裝置50配重堆機構50A基座構件50C間隔片構件50D填隙構件50E配重構件50E′輕配重構件50F微調構件52配重系統52A基座構件52B杆構件52C間隔片構件52D填隙構件52E配重構件52E′輕配重構件52F微調構件52堆機構54應變計傳感器56應變計傳感器60螺母61墊圈構件62螺母70試驗配重72位置80試驗配重82螺母構件90電路圖92緩衝電路板94高通濾波器96增益組件98次級板100濾波器構件102多路復用器104功能元件106信號108電壓偏置110臺架處理器112轉換器114微處理器116固件120監視器122印表機200流程圖具體實施方式圖1展示了一個常規CT系統，總體上由附圖標記10表示。該CT系統包括臺架構件12和病床(patienttable)構件14。該臺架構件12包括環形部分16和基座部分18。如圖2-5所示，旋轉基座構件20位於該環形部分16內，而固定基座構件22設置在該基座構件18內。根據標準CT系統，X射線管和準直儀24與檢測器板構件26一起被設置在旋轉基座構件20上。病人30或其他物體被放置在病床構件14上，並沿著Z軸32移動，Z軸32是旋轉基座構件20和臺架構件12的旋轉軸。X射線管構件24和檢測器板構件26彼此相對地位於臺架構件上，且隨著病床構件移動穿過臺架構件12的中心開口時，拍攝病床構件14上的病人30或物體的X射線圖像。如圖2所示，若干元件和輔助構件被設置在旋轉基座構件20上。這些一般包括熱交換器34、高壓發生器36和高壓變壓器(highvoltagetank)38。此外，如CT系統常見的那樣，旋轉基座構件20上還帶有軸向軸承(axialbearing)和滑環(未示出)。軸承座40用於將該軸向軸承連接到固定基座構件22上。該滑環被連接到託架構件42上，在圖4和5中更詳細地展示了該託架構件。如CT系統中通常的那樣，電源通過滑環和滑環刷(slipringbrush)供給到旋轉基座構件上的電元件。軸向馬達裝置(axialmotorassembly)44用於使基座構件20相對於固定基座構件22旋轉。旋轉基座構件上的元件的相對位置經常用從十二點鐘位置開始的度數來表示。這示於圖2中，其中0度點示於十二點鐘位置。根據本發明所用的系統，當臺架構件從前面觀察時，度數按逆時針方向計量。於是，90°位置位於九點鐘位置，180°位置處於六點鐘位置，等等。根據本發明，如圖2和4中具體示出的那樣，平衡配重系統被應用在兩個預定位置50和52上。此外，一對應變計傳感器54和56被安裝在固定基座構件22上，優選地鄰近底部或下部。由於設置在旋轉基座構件20上的各種元件的重量和它們的相對位置，臺架構件在旋轉時通常是不平衡。這種不平衡在X軸和Y軸方向兩者上，以及Z軸方向上。CT臺架機構的旋轉部分的不平衡導致整個臺架的頻率為每轉一次的振動動作。由於當該動作增大而超過某臨界值時會產生偽影(artifact)，因此此動作對於圖像質量是不利的。這種不平衡首先在建造和校準CT系統的工廠中被減到最小。當元件因維護而被更換時，平衡需要現場恢復。由於可容易地獲得所有平衡設備和系統，所以通過已知系統，工廠中臺架的平衡更容易且更精確。然而，在現場，由於缺乏用於精確平衡所需的工具和系統，平衡是困難的。CT臺架的兩平面平衡(two-planebalancing)(即靜態和動態平衡)是困難的，由於沒有連續的平面(continuousplane)供配重連接到其上或從其上移走。來自兩平面平衡過程的輸出包括四個值。它們是需要在兩平面中的每一個上在系統上連接或自該系統去除以平衡該系統的配重的質量和角位置。每個平面被定義為每個試驗配重的Z坐標。根據慣例，Z軸是臺架的旋轉軸。通過使用針對由不平衡引起的力和力矩的方程式，這四個數值可看作變量，並且可以用四個不同的值(differentvaluables)交換，只要力和力矩保持不變即可。在這方面，通過預先選擇加載兩個質量(mass)的角度來改變兩個平衡配重的質量和Z坐標。這消除了需要具有無限個用於配置平衡配重的位置的連續平面的問題。通過與幾堆較重的特別是由鋼材製成的平衡配重一起使用尤其是用如鋁的輕質材料製成的間隔片和填隙片，使得質量的Z坐標是可變的。該間隔片和填隙片用於將平衡配重安置在它們的正確的Z坐標處。對於一種優選的臺架構件，如通用電氣的惠普爾臺架(GeneralElectricHpowergantry)，平衡配重的位置在107°和180°(見圖2)。這些位置尤其平衡X射線管的重量，X射線管具有大質量且為了對準會被重新定位。此外，這些位置相隔大約90°，以進行適當的靜態和動態平衡調整。在這方面，根據本發明，雖然平衡配重的準確位置取決於所用的特定系統，但是優選的是這兩個位置相隔約90°。旋轉基座構件的不平衡通過兩個應變計傳感器54和56測量。雖然可以使用任何等同類型的應變計，但是應變計優選地由壓電陶瓷材料製成並且是自供能量的。如圖2和4所示，配重系統50和52中的每一個都分別包括基座構件50A和52A，且分別包括多個杆構件50B和52B以保持平衡構件。配重系統50和52也可能分別包括一個或多個間隔片構件50C和52C，分別包括一個或多個填隙構件50D和52D，分別包括一個或多個重的配重構件50E和52E，分別包括一個或多個輕的配重構件50E』和52E』，以及分別包括一個或多個微調構件(trimmember)50F和52F。杆構件50B和52B優選地是螺杆構件，使得平衡和配重構件通過螺紋緊固件，如螺母60和62，固定在該杆構件上。雖然圖4中示出了僅一個螺母構件以及相應的墊圈構件61和63，但是很容易理解，在所有杆構件50B和52B上使用了類似的螺母和墊圈構件組。配重被用於沿著所有三個X、Y和Z軸方向來平衡旋轉基座構件。間隔片和填隙片被用於沿Z軸方向移動配重。此外，如圖4所示，優選地使用六個杆構件50B和四個杆構件52B以準確和可靠地將配重、間隔片和填隙構件保持在適當的位置上。當然，可以理解的是，可以使用或提供任何數量的杆構件。此外，各種間隔片、填隙片和配重的尺寸和重量可根據每個CT系統的需要和要求來使用。在這方面，根據本發明，間隔片和填隙構件均由輕質材料製成，比如鋁；而配重構件卻由較重的材料來製成，比如鋼。當附件和電子元件被添加到旋轉基座構件20上，且基座構件被旋轉時，固定基座構件22在X軸和Y軸方向上，並沿Z方向輕微撓曲。根據經驗發現，當旋轉基座構件20轉動時，固定基座構件22在底部或下部「A」附近伸縮或移動最大。於是，根據本發明的優選實施例，應變計傳感器54和56被設置在該區域A內。作為平衡CT臺架機構的初始步驟，試驗配重被設置在旋轉基座構件上，並且採用一個或多個原始運行來測量系統對已知不平衡的敏感度。這包括通常的兩平面法，並對每個平面計算不平衡、大小和相位角。為此目的，如附圖5所示，試驗配重70在位置72被連接到旋轉基座構件20上。該試驗配重70用緊固件連接，如固定螺絲74，並被設置在已知位置上。根據本發明的優選實施例，如圖2中從前面觀察的那樣，位置72處於36°位置。此外，利用另一個預定位置處的試驗配重，進行第二次試驗運行。在這方面，根據本發明的一個實施例，試驗配重80在180°位置被連接到杆構件52B上並用螺母構件82緊固。如所示出的那樣，應變計54和56被安裝在固定基座構件22的下部，在該處，旋轉基座構件20的不平衡導致了較高的應變。圖6描述了一個電路圖90，在該圖中設置有兩個應變計傳感器54和56。應變計傳感器54測量X軸方向的應變，而應變計傳感器56測量Z軸方向的應變。來自應變計傳感器54和56的輸入首先經過一平衡傳感器緩衝電路板(balancesensorbufferboard)92，該板包括一對高通濾波器94和增益組件(gainmember)96。這些信號隨後被發送到次級板98，該板包括濾波器構件100和多路復用器102。該多路復用器還具有選擇功能元件(selectfunction)104。來自多路復用器的信號106隨後被參考電壓偏置(referencevoltageoffset)108所影響，並被送入病床臺架處理器110。該處理器110包括模擬數字轉換器112和微處理器114。該微處理器114以固件116裝載以進行必要的計算。該微處理器的輸出118被送入監視器120，並可選擇地送入印表機122，以顯示和可選擇地列印出合適的平衡計算結果和指令。該固件116用於以固定的採樣頻率對來自傳感器的輸出採樣，如每秒40個樣。採樣數據被寫入一個文件。採用最小二乘法，對兩個傳感器中的每一個，按矢量(大小和相位角)形式，求解該信號的每轉一次的部分(once-per-revolutionportion)。最小二乘法使得對於固件程序可以提供每個應變計被採樣的瞬間的臺架角度。與傅立葉近似法(Fourier-basedapproach)相比，最小二乘法也更穩定(robust)並且不依賴於在時間上準確相等地間隔的數據。然而，當數據在時間上相等分隔時，該方法導致通常的傅立葉方程。如上所述，在原始運行期間(即最初的不平衡)，在臺架上進行應變計測量，並且X軸和Z軸方向上的每轉一次的矢量被計算出來。然後，進行通常的兩次試運行，每次都在已知位置處具有試驗配重，並且每轉一次的矢量得以求解(X1、Z1、X2、Z2)。由這些矢量確定一靈敏度矩陣(sensitivitymatrix)。由於這提供了以這些矢量的大小和相位角工作的自然方法(naturalmethod)，因此使用複數。敏感度矩陣與X和Z分量的恆等式如下列出XZ=a11a12a21a22UaUbUaUb=a11a12a21a22-1XY]]>a11=X1-XUaTa12=X2-XUbTa21=Z1-ZUaTa22=Z1-ZUbT]]>X＝原始運行期間來自傳感器54的應變(大小和相位，或實部和虛部)X1＝第一次試運行期間來自傳感器54的應變X2＝第二次試運行期間來自傳感器54的應變Z＝原始運行期間來自傳感器56的應變Z1＝第一次試運行期間來自傳感器56的應變Z2＝第二次試運行期間來自傳感器56的應變UaT＝maTRaT∠θaTUbT＝mbTRbT∠θbTUa＝maRa∠θaUb＝mbRb∠θb靈敏度矩陣[a]可以被儲存，並在以後再次使用。這是該臺架結構的函數而不是不平衡的，因此將不隨時間而改變。例如，當一個元件被替換時，其可以被再次使用以簡單地檢查平衡條件。當元件的改變導致說明書中未記載的不平衡時，其也可以被再次使用以對一組配重的新配置進行求解。由於試驗配重不需要被連接，因此再次使用節省了平衡該系統所需的時間。一旦Ua和Ub已知，需要被添加到系統中以靜態和動態地平衡該系統的配重的質量和Z軸位置能被計算出來。原始運行和試運行期間臺架上初始堆的質量所引起的累積力和力矩被計算出來，並與平衡臺架所需的質量和質量中心引起的力和力矩結合。這就是最終的合力和力矩。於是，產生相同合力和力矩的每一堆的新配置得以確定。新配置包括間隔片、填隙片、厚金屬配重、薄金屬配重和微調配重。該新配置由一軟體程序來決定，該軟體程序獨立地用於對兩堆配重50和52中的每一堆的求解。解算器以目標質量和質量位置的中心開始。首先，間隔片50C和52C被設置在杆構件上。間隔片被用於提供對配重的Z軸位置的粗調。於是，配重50E、50E』和52E和52E』按需要使用，還有系統所具有的填隙構件50D和52D。優選地，為每個平衡配重系統50和52配備九個鋁製填隙片。這些填隙片或者可以橫跨配重，集中在配重的間隔片一側，或者集中在配重的遠離間隔片的一側。這些填隙片被用於對配重構件的Z軸位置提供精細調節。於是，對符合質量目標值的厚配重、薄配重和微調配重的組合，包括間隔片和填隙片的小質量，求解該算法。於是，遞增地將這些填隙片向間隔片移動，從而將質量的中心向目標Z軸坐標移動，直到所有的填隙片抵靠間隔片或目標Z軸坐標達到。每次填隙片被移動，對各種配重平衡元件的組合求解該算法。其後，如果沒有符合Z軸目標，則移動間隔片和填隙片，且該過程被重複直到達到目標質量和目標Z軸坐標兩者。平衡堆的配置允許質量和質量的中心的Z軸坐標的範圍具有充足的可調性，以覆蓋可能出現的不平衡的範圍。被解算程序和算法所用的一些等式如下力Fx＝-Im(Ua)-Im(Ub)Fy＝Re(Ua)+Re(Ub)力矩Mx＝(Zpiv-Za)Re(Ua)+(Zpiv-Zb)Re(Ub)My＝(Zpiv-Za)Im(Ua)+(Zpiv-Zb)Im(Ub)靜態和動態的不平衡St=Fx2+Fy2]]>Dy=Mx2+My2]]>平衡堆質量m107=FxY107]]>m180=Fy-m107Y107Y180]]>每個平衡堆的質量的中心的Z軸坐標Z107=zpiv+Mym107X107]]>Z180=zpivMx=m107Y107(Z107-zpiv)m180Y180]]>預定的質量和間隔片被用於防止對稱重和測量單個部件的需要。建立解算算法，使得其在給定間隔片、填隙片和配重的公差(包括厚度方面和質量方面)的條件下，收斂於平衡狀態。每個平衡堆50和52均包括兩種不同厚度的配重板，以提供大部分配重。輕的鋁製間隔片和填隙片被用於將堆的質量的中心移動到目標Z軸位置。微調配重被用於提供對質量的最終調節。作為維護工具(servicetool)，解算算法以控制臺120上的軟體執行。這求出元件的精確組合，從而獲得所需質量和目標Z軸坐標的每個堆。本發明的輸出通過屏幕120和印表機122，以隔離物、填隙片、厚配重、薄配重和微調配重的在數量和布置兩方面的精確配方的形式提供給用戶。這導致用戶的時間和複雜性的減少。用戶不必現場測量質量和質量的中心。於是，每轉兩次的信號被用於檢查損壞的應變計傳感器。該每轉兩次的信號對於臺架是正常的，並且不受任何不平衡嚴重影響。然而，如果該每轉兩次的信號下降到低於一預定水平，則用戶被警告以檢查傳感器或電路中的問題。變量Zpiv是旋轉系統的質量中心的位置。如果該質量被添加到此平面上，則動態不平衡將不被改變。通常，對於本發明，只需要對該值的評估。本發明可適用於現場或者工廠，或者這兩種場合。它提供了方便，這尤其允許現場對旋轉基座構件和臺架的平衡。本發明消除了CT臺架的兩平面平衡所需的猜測工作。該兩個平衡平面通常不具有與平衡配重實際上能被連接到臺架上的少數位置相同的Z軸坐標。這減少了用戶所需要的練習。由於只留出兩個用於平衡配重的位置來保持平衡配重而不是多個位置，因此本發明還簡化了臺架的設計。同時，使用了有限數量和類型的平衡配重。臺架上兩個平衡位置的預選擇和「移動方法」的使用簡化了CT臺架的平衡。已知的方法使用多個位置來添加平衡配重，以通過將一個平面解決方案(one-planesolution)(質量和相位角)分離成最接近的多個位置來靜態地平衡臺架。對於本發明，靜態和動態的平衡可以同時進行。本發明使用一種算法來計算平衡該系統的間隔片、填隙片、厚板、薄板和微調配重的精確組合。每種類型的間隔片、填隙片、板和微調配重的平均重量和平均厚度在該算法中提供，因此用戶不再有提供這些信息的負擔。為了簡單起見，還使用了提供相對大的信號且自供能的應變計傳感器。示意性說明本發明方法的一優選實施例的流程圖示於圖7，且總地用附圖標記200表示。雖然本發明已經結合一個或多個實施例進行了描述，但是需要明白的是，已經描述的特定機構、過程和程序僅僅是對本發明原理的解釋說明。在不脫離由隨後所附的權利要求所限定的本發明的主旨和範圍的情況下，可以對所描述的方法和設備進行各種修改。權利要求1.一種用於平衡具有固定基座構件和旋轉基座構件的CT臺架機構的系統，該旋轉基座構件(20)具有設置於其上的X射線管(24)和檢測器板(26)，第一配重堆機構(50)具有第一已知的多個配重構件和間隔片，第二配重堆機構(52)具有第二已知的多個配重構件和間隔片，所述第一和第二堆構件安置在所述旋轉基座構件上預定位置處，以及一對應變計傳感器(54)、(56)安置在所述固定基座構件上相鄰於所述旋轉基座構件。2.如權利要求1所述的系統，其中，所述間隔片包括單獨的間隔片構件(50C)、(52C)和單獨的填隙構件(50D)、(52D)。3.如權利要求1所述的系統，其中，所述配重構件包括第一組具有第一質量的單獨的配重構件(50)、以及第二組具有不同於所述第一質量的第二質量的單獨的配重構件(52)。4.如權利要求1所述的系統，其中，所述預定位置隔開約90度。5.如權利要求1所述的系統，其中，所述預定位置在所述旋轉基座構件上位於約107度和180度位置。6.一種用於平衡CT臺架機構的方法，該CT臺架機構具有固定基座構件(22)、旋轉基座構件(20)和Z軸，並且具有安置在所述旋轉基座構件上的X射線管(24)和檢測器板(26)，該方法包括步驟提供在所述旋轉基座構件上第一預定位置處的第一多個單獨的配重構件(50)和間隔片；提供在所述旋轉基座構件上第二預定位置處的第二多個單獨的配重構件(52)和間隔片；在所述旋轉基座構件上安置試驗配重；進行第一次原始運行，測量該系統的不平衡，並計算不平衡大小和相位角；在試驗配重安置在所述旋轉基座構件上預定位置處的條件下，進行兩次附加試驗運行；計算靜態和動態地平衡所述機構所需的質量和質量的Z軸位置；以及安置所述第一和第二多個配重構件和間隔片，以符合所述計算。7.如權利要求6所述的方法，其中，所述第一和第二多個配重構件和間隔片構件的所述預定位置在所述旋轉基座構件上107度和108度位置處。8.如權利要求6所述的方法，還包括步驟調整對所述第一和第二多個配重構件和間隔片的所述安置，以完成該平衡。9.如權利要求6所述的方法，還包括步驟進行測試以檢查平衡效果。10.如權利要求6所述的方法，其中，對該系統的該不平衡的所述測量利用至少一對應變計構件(54)、(56)來進行。全文摘要一種用於平衡CT臺架機構的系統和方法。在旋轉基座構件(20)上預先選定兩個平衡位置，並在每個位置上設置多堆間隔片、填隙片以及配重。應變計傳感器(54)、(56)設置在固定基座構件(22)上，並被包括為傳感器電路的一部分。試驗和測試運行確定添加到該系統上以對其進行靜態和動態平衡所需的質量和質量的Z位置。文檔編號G01M1/32GK1575767SQ20041007132公開日2005年2月9日申請日期2004年7月19日優先權日2003年7月18日發明者馬克·E·雷茲尼塞克,埃裡克·M·普拉特,肖恩·P·費斯勒申請人:Ge醫藥系統環球科技公司