祖賀飛 ，王衛(wèi)東，吳昊， 張政波， 張帥

中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853

基于振動(dòng)分析的X射線管工作狀態(tài)無損檢測(cè)技術(shù)研究

祖賀飛 ，王衛(wèi)東，吳昊， 張政波， 張帥

中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853

本文提出了一種基于振動(dòng)信號(hào)分析的X射線管旋轉(zhuǎn)陽極工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。利用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，對(duì)通過加速度傳感器和高分辨率數(shù)據(jù)采集卡采集到的X射線管旋轉(zhuǎn)陽極的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域和時(shí)頻聯(lián)合分析，完成振動(dòng)特征的提取和處理，實(shí)現(xiàn)了X射線管啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)、剎車等工作狀態(tài)的區(qū)分。

X射線管；旋轉(zhuǎn)陽極；X射線管故障；球管質(zhì)量評(píng)估

0 前言

大型X射線影像設(shè)備是現(xiàn)代醫(yī)院重要的診療設(shè)備，主要包括計(jì)算機(jī)斷層成像設(shè)備（CT：Computed Tomography）、數(shù)字減影血管造影設(shè)備（DSA：Digital Subtraction Angiography）和各類數(shù)字醫(yī)用X線機(jī)（DR：Digital Radiography）等。X射線管是大型X射線影像設(shè)備的重要部件，具有高值、易損的特點(diǎn)，價(jià)格從10萬～150萬元/只不等，在醫(yī)療機(jī)構(gòu)設(shè)備維護(hù)費(fèi)用中占據(jù)相當(dāng)大的比重。由于X射線管臨床使用頻率高、易耗損，大型綜合性醫(yī)院每年新購(gòu)及保修X射線管的費(fèi)用通常高達(dá)數(shù)百萬元[1]。因此對(duì)于臨床工程師和臨床決策部門而言，如何采用科學(xué)的方法辨識(shí)X射線管工作狀態(tài)，開展預(yù)防性維修，無論對(duì)于節(jié)約維修經(jīng)費(fèi)、制定合理的保修策略，還是提高臨床工程保障能力、提高設(shè)備運(yùn)營(yíng)效率都具有重要的研究意義。

X射線管是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作工藝精細(xì)的真空器件，目前通常采用旋轉(zhuǎn)陽極的設(shè)計(jì)形式[2-3]。受限于維修工具和手段，臨床工程保障中可修復(fù)性較低，通常采用更換備用X射線管的方法。X射線管的核心和易損部件是旋轉(zhuǎn)陽極，在通常X射線管的壽命周期內(nèi)與旋轉(zhuǎn)陽極相關(guān)的故障（陽極異響、抱死）占全部故障的大多數(shù)，是X射線管故障中最為常見的故障，X射線管伴隨使用時(shí)間的延長(zhǎng)，由初始良好狀態(tài)逐步出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)陽極異常振動(dòng)和異常噪聲現(xiàn)象，最后出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)陽極劇烈摩擦、抱死，導(dǎo)致緊急停機(jī)[4-6]。由于X射線管的基本工作原理是利用強(qiáng)電場(chǎng)加速電子，高速電子撞擊陽極靶面產(chǎn)生X射線，因此對(duì)X射線管而言，溫度和振動(dòng)這兩個(gè)信號(hào)能夠有效地反映出X射線管的工作狀態(tài)。而且對(duì)于處于異常狀態(tài)的X射線管，振動(dòng)信號(hào)的異常往往要先于溫度異常[1]。本文將基于振動(dòng)分析的機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)/監(jiān)測(cè)技術(shù)用于X射線管狀態(tài)無損檢測(cè)，構(gòu)建了基于LabVIEW的X射線管振動(dòng)信號(hào)采集和分析系統(tǒng)，探索了從時(shí)域、幅值域、頻域和時(shí)頻聯(lián)合分析等多個(gè)角度對(duì)X射線管不同工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了區(qū)分X射線管啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)和剎車等不同工作狀態(tài)的目的，為后續(xù)探索X射線管旋轉(zhuǎn)陽極狀態(tài)無損檢測(cè)、實(shí)現(xiàn)X射線管故障預(yù)判、壽命預(yù)測(cè)等研究提供了技術(shù)途徑和手段。

1 基于LabVIEW的振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)

1.1 硬件

1.1.1 傳感器

由于MEMS技術(shù)的發(fā)展，加速度傳感器實(shí)現(xiàn)了高集成度和小型化封裝，目前已被廣泛用于各類振動(dòng)信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域。由于X射線球達(dá)到正常曝光條件時(shí)旋轉(zhuǎn)陽極轉(zhuǎn)速通常要達(dá)到3,000～10,000r/min ，當(dāng)旋轉(zhuǎn)陽極狀態(tài)異常時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生更高頻率的諧波成分，因此加速度傳感器的頻響應(yīng)覆蓋10倍頻的正常曝光轉(zhuǎn)速[7]?；谝陨戏治?，本系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)采集使用了上海北智科技有線公司生產(chǎn)的三軸向測(cè)量通用型14500加速度傳感器和單軸向測(cè)量通用型傳感器。該類型傳感器屬低阻抗電壓輸出型壓電式加速度傳感器，內(nèi)部集成有信號(hào)調(diào)理電路，輸出靈敏度50～100 mV/g，最大輸出電壓量值為±5V。信號(hào)采集時(shí)，可將兩個(gè)單軸向傳感器分別固定在X射線管管壁的徑向和軸向兩個(gè)位置，或者選擇靠近旋轉(zhuǎn)陽極的部位的管壁放置一個(gè)三軸向傳感器。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集卡

由1.1.1中對(duì)被測(cè)振動(dòng)信號(hào)的估算，可知被測(cè)振動(dòng)信號(hào)的頻率范圍在0.05～1.7kHz，根據(jù)采樣定理，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率不低于3.4 kHz?？紤]到測(cè)量的可靠性和被測(cè)信號(hào)的最大頻率估算誤差，確定數(shù)據(jù)采集卡采樣率不低于34 kHz。本系統(tǒng)采用國(guó)家儀器公司（簡(jiǎn)稱“NI”）的NI USB-9234 數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡為基于USB的4通道高速信號(hào)采集卡，動(dòng)態(tài)范圍102dB。4條輸入通道借助自動(dòng)調(diào)節(jié)采樣率的內(nèi)置抗混疊濾波器，同時(shí)以每通道高達(dá)51.2kHz的速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。

1.2 軟件

系統(tǒng)軟件開發(fā)采用美國(guó)NI 公司推出的面向?qū)ο蟮膱D形化編程語言LabVIEW，搭建測(cè)試軟件分析平臺(tái)。LabVIEW具有高效、靈活、強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能，利用其具有的Express VI（迅捷虛擬儀表），實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)采集、存儲(chǔ)，以及時(shí)域、頻域和時(shí)頻聯(lián)合分析等功能[8-10]，離線分析軟件的前面板如圖1所示。采用本系統(tǒng)可以同時(shí)用各種信號(hào)處理方法，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)特征。其中時(shí)域分析模塊主要用來觀察采集的旋轉(zhuǎn)陽極振動(dòng)信號(hào)波形隨時(shí)間變化的波形；頻域分析模塊采用FFT（快速傅里葉變換）功率譜分析，以分析振動(dòng)信號(hào)的頻率成分；時(shí)頻聯(lián)合分析模塊主要用到了短時(shí)傅立葉變換(STFT)，以觀察信號(hào)的整體時(shí)頻信息[7]。本文通過建立上述振動(dòng)信號(hào)分析模塊，探索提取出能夠反映出X射線管工作狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)特征。

圖1 X射線管旋轉(zhuǎn)陽極工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)前面板

2 基于振動(dòng)分析的X射線管狀態(tài)辨識(shí)

采用本文所述的振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，我們采集了正常狀態(tài)X射線管工作時(shí)的振動(dòng)信號(hào)。通過分析發(fā)現(xiàn)，軸向加速度傳感器的振動(dòng)信號(hào)分量很低，徑向加速度傳感器則振動(dòng)信號(hào)分量較大，且具有明顯的與X射線管工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的信號(hào)特征，如圖2所示。該圖為典型的在X射線管管壁檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)陽極在1個(gè)曝光周期內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)。旋轉(zhuǎn)陽極經(jīng)歷了從待機(jī)到加速啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)曝光、制動(dòng)再到待機(jī)的工作過程，從振動(dòng)信號(hào)中，我們能夠明顯識(shí)別出X射線管旋轉(zhuǎn)陽極在1個(gè)曝光周期內(nèi)的狀態(tài)分為3個(gè)相：第1個(gè)相是旋轉(zhuǎn)陽極啟動(dòng)相，即旋轉(zhuǎn)陽極從啟動(dòng)到達(dá)到曝光要求的平穩(wěn)轉(zhuǎn)速；第2個(gè)相是旋轉(zhuǎn)陽極穩(wěn)態(tài)相，即X射線管開始曝光至曝光結(jié)束的一段時(shí)間；第3個(gè)項(xiàng)是曝光結(jié)束至旋轉(zhuǎn)陽極停轉(zhuǎn)的一段時(shí)間。

圖2 X射線管旋轉(zhuǎn)陽極曝光周期典型振動(dòng)信號(hào)（時(shí)域）

基于這個(gè)具有明顯狀態(tài)特征的X射線管振動(dòng)信號(hào)，我們?cè)诜涤?、頻域和時(shí)頻域?qū)υ撜駝?dòng)信號(hào)進(jìn)行了處理。

2.1 預(yù)處理

通過待機(jī)狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)分析發(fā)現(xiàn)，在旋轉(zhuǎn)陽極不工作時(shí)，加速度傳感器仍能夠采集到來自管壁的振動(dòng)信號(hào)，這部分信號(hào)可能源于X射線管所屬大型影像設(shè)備的擾動(dòng)信號(hào)以及球管內(nèi)的油冷卻系統(tǒng)，因此在針對(duì)旋轉(zhuǎn)陽極的振動(dòng)信號(hào)處理時(shí)，需要使用高通濾波器對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，去除與旋轉(zhuǎn)陽極工作無關(guān)的振動(dòng)信號(hào)（如圖3所示）。

2.2 時(shí)域和幅值域分析

時(shí)域和幅值域有多個(gè)參量可以描述信號(hào)特征，如自相關(guān)和互相關(guān)分析用于判斷信號(hào)的隨機(jī)程度，也可用于檢測(cè)混在在隨機(jī)信號(hào)中的周期信號(hào)；還可以求信號(hào)的均值和方差等統(tǒng)計(jì)量，計(jì)算其概率密度分布等。幅值域分析是每次實(shí)驗(yàn)必不可少的一步，尤其是隨機(jī)信號(hào)數(shù)字特征的偏態(tài)和峰值，可用于故障檢測(cè)和分析。針對(duì)圖2旋轉(zhuǎn)陽極的振動(dòng)信號(hào)，我們采用峭度這個(gè)參數(shù)來識(shí)別3個(gè)不同狀態(tài)（如圖4所示）。

圖3 高通濾波器頻率響應(yīng)

圖4 振動(dòng)信號(hào)各個(gè)階段峭度值

隨著振動(dòng)量的發(fā)生和發(fā)展，峭度會(huì)逐漸增大，峭度對(duì)大幅值非常敏感，當(dāng)其概率增加時(shí)，值將迅速增大，有利于探測(cè)奇異振動(dòng)信號(hào)[11]。

2.3 頻域分析

在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，頻域處理技術(shù)由于快速傅里葉變換FFT算法的提出而得到廣泛應(yīng)用。頻率分析通常包括功率譜分析，頻響函數(shù)分析和倒譜分析等。我們嘗試使用基于FFT的功率譜分析技術(shù)處理圖2旋轉(zhuǎn)陽極3個(gè)狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)，觀察其頻率成分（如圖5所示）。

圖5 FFT功率譜分析

2.4 聯(lián)合時(shí)頻分析

基于傅里葉變換的信號(hào)頻域表示及能量頻域分布揭示了信號(hào)在頻域的特征，但傅里葉變換是一種整體變換，只能了解信號(hào)的全局特性，不能有效檢測(cè)信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化情況。時(shí)頻分析以聯(lián)合時(shí)頻分布的形式來表示信號(hào)的特性，克服了傅里葉分析時(shí)域和頻域完全分離的缺陷，可以較準(zhǔn)確地定位某一時(shí)刻出現(xiàn)哪些頻率分量，以及某一頻率分量分布在哪些時(shí)刻上。聯(lián)合時(shí)頻分析在基于振動(dòng)信號(hào)分析的機(jī)器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)中獲得了廣泛應(yīng)用[12-13]。由于短時(shí)傅里葉變換STFT具有概念直接，算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)整個(gè)信號(hào)采用單一分辨率分析，可反映信號(hào)的整體時(shí)頻趨勢(shì)，我們采用STFT方法處理圖2旋轉(zhuǎn)陽極3個(gè)狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)，觀察其能量在時(shí)頻相平面的分布情況（如6所示）。

圖6 聯(lián)合時(shí)域頻域分析

3 結(jié)論

通過我們研制的信號(hào)采集裝置，能夠有效地采集X射線管在不同工作狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)。LabVIEW為我們提供了一個(gè)快速的信號(hào)采集和分析處理平臺(tái)，在該平臺(tái)我們不僅實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號(hào)的采集和實(shí)時(shí)顯示，還針對(duì)X射線管在1個(gè)曝光周期中的振動(dòng)信號(hào)特點(diǎn)開發(fā)了時(shí)域分析、幅值域分析、頻域分析和聯(lián)合時(shí)頻分析等信號(hào)處理算法。通過數(shù)據(jù)分析處理發(fā)現(xiàn)，幅值域的陡度參數(shù)能夠有效區(qū)分旋轉(zhuǎn)陽極的不同工作狀態(tài)，頻域的基于FFT的功率譜算法雖然能夠提示出每個(gè)階段的不同頻率成分，但是無法提供各個(gè)頻率分量出現(xiàn)的時(shí)刻信息，而基于STFT的聯(lián)合時(shí)頻分析則能夠獲得豐富的時(shí)頻分布信息，可直觀和有效地區(qū)分出旋轉(zhuǎn)陽極的不同工作狀態(tài)。因此幅值域的信號(hào)處理方法，如隨機(jī)信號(hào)數(shù)字特征的偏態(tài)和峰值及聯(lián)合時(shí)頻分析方法可有效地用于X射線管工作狀態(tài)檢測(cè)，識(shí)別異常振動(dòng)信號(hào)和分析。

4 討論

本文僅分析了正常狀態(tài)X射線管在1個(gè)曝光周期內(nèi)，在管壁檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)的特征，在時(shí)域、幅值域、頻域和時(shí)頻域開展了初步的信號(hào)處理和狀態(tài)辨識(shí)工作。故障狀態(tài)下的X射線管的振動(dòng)信號(hào)特征有待在實(shí)際臨床工程保障中發(fā)現(xiàn)和捕捉。旋轉(zhuǎn)陽極不同相在正常和故障狀態(tài)下具有不同特征，其信號(hào)處理分析的方法有可能不同，在對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，需要將各種方法結(jié)合起來權(quán)衡考慮。由于旋轉(zhuǎn)陽極損耗和故障是一個(gè)漸變的過程，我們需要建立一套連續(xù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，周期性的采集旋轉(zhuǎn)陽極的工作振動(dòng)信號(hào)，建立X射線管工作狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。管工作狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，不僅對(duì)于識(shí)別X射線管工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障早期預(yù)警有重要意義，而且可以據(jù)此開展科學(xué)的球管質(zhì)量評(píng)估。該方面的研究對(duì)于探索科學(xué)化、數(shù)字化臨床工程保障研究具有重要意義。

[1]吳昊,王衛(wèi)東,嚴(yán)勇,等.基于振動(dòng)檢測(cè)的X射線管旋轉(zhuǎn)陽極工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)研究[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息,2011,11(5):28-31．

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Research on Status Noninvasive Detecting of X-ray Tube Based on Vibration Signals Analysis

ZU He-fei, WANG Wei-dong,WU Hao, ZHANG Zheng-bo,ZHANG Shuai
Chinese PLA (People's Liberation Army)General Hospital, Beijing, 100853

TH774；R319

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.04.007

1674-1633(2011)04-0022-04

2011-02-28

解放軍總醫(yī)院科技創(chuàng)新苗圃基金項(xiàng)目（09KMM46）。

本文作者：祖賀飛，在職碩士研究生。

王衛(wèi)東，博士，研究員，博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)任中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)保障部醫(yī)學(xué)工程保障中心主任。

通訊作者郵箱：wangwd301@126.com

Abstract:This paper proposes an analysis method to monitor the status of an X-ray tube with rotating anode based on vibration signals analysis. The features were found and dealt with through the analysis of vibration signals detected by accelerometer and high resolution data acquisition card in time domail, frequency domain and time-frequency domain via the NI LabVIEW Visual Instrument Development Platform. This is a new approach to detect the start-up, running and breaking period of X-ray tube with rotating anode.

Key words:X-ray tube; rotating anode; X-ray tube failure; quality analysis of tube