CN102046090B - 空气轴承动态z轴平衡 - Google Patents

Abstract

一种医学成像系统(100)包括固定机架(102)和在检查区域(108)周围绕着Z轴转动的转动机架(104)。空气轴承(106)将转动机架(104)可转动地联结到固定机架(102)。辐射源(110)附连到转动机架(104)且随转动机架(104)转动，并发出穿过检查区域的辐射。探测器阵列(112)附连到转动机架(104)上位于检查区域相对于辐射源(110)相对一侧，并探测穿过检查区域(108)的辐射。动态Z轴不平衡确定系统(116)直接从空气轴承(106)确定转动机架(104)Z轴方向不平衡，且所确定的不平衡用于在Z轴方向定位附连到转动机架(104)的平衡质量(114)，由此沿Z轴平衡转动机架(104)。

Description

空气轴承动态Z轴平衡

技术领域

本申请涉及医学成像系统，具体应用于计算机断层成像(CT)。但也可用于其它医学成像以及非医学成像应用。

背景技术

计算机断层成像(CT)扫描机包括固定机架与转动机架，所述转动机架在检查区域周围相对于固定机架围绕纵轴或Z轴转动。转动机架经由例如球轴承等轴承支承在固定机架上。辐射源与辐射敏感探测器阵列附连到转动机架上位于检查区域相对两侧。例如热交换器、准直器、电源模块等其它元件也附连到转动机架。辐射源发出辐射穿过检查区域并照射探测器阵列，由此产生指示辐射的信号。重构器重构所述信号以产生容积图像数据。

在一种布局中，辐射源、探测器阵列与多种其它元件从转动机架悬出。在这种布局中，每一悬臂伸出的元件所关联力矩往往导致所述元件围绕附连到转动机架的端部转动。通常，所述力矩为所述元件在Z轴方向长度和作用在元件上力(重力和径向力)的函数，所述力为元件质量和角加速度的函数。因此，元件围绕转动机架的分布可造成动态不平衡，或往往使转动机架和轴承在Z轴方向摆动或扭曲。通常所述扭曲随转速增加而加大。

动态Z轴平衡是将平衡质量(balancing mass)安装到转动机架以使Z轴方向平衡(或减小不平衡)的技术。对于动态Z轴平衡，应确定例如每一元件质量以及元件从转动机架沿Z轴方向延伸距离的平方等参数。距离的平方源自作用力与力矩臂尺寸。动态平衡的作用力是由于系统转动，并以径向方向定向。动态Z轴不平衡也可认为是两平面不平衡，并代表在所述两平面内所需的校正质量以消除不平衡。

对于转动机架经由球轴承由固定机架支承的扫描机，加速计等已用于测量Z轴不平衡。作为其实例，加速计已安装到固定机架中指定区域，以测量与不平衡转动机架相关联并已转移到固定机架的振动。加速计产生电气信号指示不平衡，所述信号用于确定适当的平衡质量以及平衡质量的Z轴位置以抵消不平衡。但是，扫描机相关技术的不断进步可使扫描机采用其它类型的轴承用于在固定机架上支承转动机架。尽管安装到固定机架的加速计很好地适用于基于球轴承的系统，它们对于其它类型的轴承则未必适用。

发明内容

本申请各方面可解决前述问题。

根据一个方面，一种成像系统包括固定机架和在检查区域周围绕着Z轴转动的转动机架。空气轴承将转动机架可转动地联结到固定机架。辐射源附连到转动机架、随转动机架一起转动、并发出穿过检查区域的辐射。探测器阵列附连到转动机架上位于所述检查区域的相对于所述辐射源相对一侧，探测器阵列探测穿过所述检查区域的辐射。动态Z轴不平衡确定系统直接从空气轴承确定转动机架在Z轴方向的不平衡，所确定的不平衡用于在Z轴方向定位附连到转动机架的平衡质量，由此沿Z轴平衡转动机架。

根据另一方面，一种方法包括测量医用成像系统的转动机架的Z轴不平衡。转动机架经由联结到固定机架的空气轴承而转动，并在空气轴承处测量Z轴不平衡。该方法还包括确定平衡质量的Z轴位置以抵消所测量的Z轴不平衡，以及根据所确定的位置定位平衡质量，由此在Z轴方向平衡转动机架。

根据另一方面，一种方法包括将空气轴承的轴承座从医学成像系统的固定机架的轴承座安装位置拆卸下来；将动态Z轴不平衡确定系统附加到所述位置；以及使医学成像系统的转动机架在Z轴方向动态地平衡，其中，转动机架经由空气轴承可转动地联结到固定机架，且由动态Z轴不平衡确定系统在轴承处直接测量从转动机架转移到轴承的振动载荷。

根据另一方面，一种用于成像系统的动态Z轴不平衡确定系统包括配置为安装到成像系统的固定部分的安装支架；轴承座垫块；联结到并置于安装支架与轴承座垫块之间的载荷测量装置；以及空气轴承的轴承座，其中，所述轴承座联结到所述轴承座垫块与载荷测量装置相反的一侧。

本发明采用多种元件和元件配置，且以不同步骤和步骤配置的形式。附图仅用于描述优选实施例，不应视为限制本发明。

附图说明

图1显示医学成像系统的实例。

图2显示空气轴承的后视图，包括环状部分和多个轴承座。

图3显示空气轴承的透视图，包括环状部分和多个轴承座。

图4显示空气轴承以及转子和动态Z轴不平衡确定系统的侧视图。

图5显示动态不平衡确定系统的实例。

图6显示动态Z轴不平衡其标定方法的实例。

图7显示用于动态Z轴不平衡确定系统的方法的实例。

具体实施方式

首先参见图1，计算机断层成像(CT)扫描机100包括固定机架102和转动机架104。转动机架104经由空气轴承106可转动地支承在固定机架102上。在于1999年10月27日提交的发明名称为“空气静力学的CT悬浮”的美国专利6,276,145(申请号09/428,431)中描述了合适空气轴承的实例。

转动机架104在检查区域108周围相对于固定机架102围绕纵轴或Z轴转动。在所述实例中，转动机架104配置为以高达300转每分钟(RPM)的转速转动，例如对基于心脏的应用约为220RPM。转动机架104通常也为刚性，具有约20赫兹(Hz)的第一自然频率。

由于转动机架104的刚性，从附连到转动机架104的元件转移到轴承106的振动载荷(若存在)往往基本在转移到固定机架102之前大体衰减，因此在轴承106处相对于固定机架102上所述区域具有更高强度。

诸如X射线管的辐射源110附连到转动机架104并从其悬出。辐射源110发出穿过检查区域108的辐射。在该实例中，所发出辐射由附连到转动机架104的源准直器校准以产生大体圆锥形的辐射束。在其它实施例中，所述准直器将辐射校准以产生大体扇形或其它形状的射束。

辐射敏感探测器阵列112从转动机架104悬出并附连于其上，使其正对检查区域108与辐射源110相对一侧的角度弧。探测器阵列112包括在Z轴方向延伸并检测穿过检查区域108的辐射的一排或多排辐射敏感探测器元件。

例如热交换器、准直器、电源模块等其它元件尽管未图示，也附连到转动机架104并由其悬出。

平衡质量114选择性地附连到转动机架104以使元件在转动机架104上的重量分布平衡，并抵消因作用在元件上力而产生的可导致轴承106转动时摆动或扭曲的任何力矩或转矩。平衡质量114通常在X-Y平面内多个不同指定位置添加在转动机架104上，并沿Z轴可调整以在Z轴方向平衡转动机架104。为了清楚起见，在该非限制性实例中仅显示在一个任意位置的一组平衡质量114。

固定机架102配置为使其不会因扫描目的而倾斜，使得相对于固定机架102因扫描目的而倾斜的结构，所述固定机架102通常刚度更高。与转动机架104相似，固定机架具有约为20赫兹(Hz)的第一自然频率。

动态Z轴不平衡确定系统116产生信号，表示当转动机架104转动时转动机架104沿Z轴的不平衡。如上所述，因从转动机架104悬出的元件(质量)的分布以及在不同转速下作用在元件上的重力和径向力可能产生不平衡。注意当轴承106为空气轴承时，转动机架104通常总是处于自由浮动状态。

如以下更详细描述，在一个实施例中，动态Z轴不平衡确定系统116包括振动测量系统，例如联结到轴承106、与其集成并与其操作性连通的载荷传感器(load cell)等。此处动态Z轴不平衡确定系统116通常不需要额外空间用于安装。相反，动态Z轴不平衡确定系统116占用与其它情况下由轴承106和轴承支承结构所占用空间大致相同空间。这不同于常规技术，其中除其它元件附加到固定机架102的专设区域外，加速计等附加到固定机架102。

动态Z轴不平衡确定系统116联结到轴承106，其直接从轴承106测量表示转动机架104的Z轴不平衡的振动信息，至少部分地由于转动机架104的刚度以及因此的振动载荷的阻尼衰减，在所述轴承处振动程度相对于固定机架102远为强烈。作为实例，当转动机架104以约220RPM(3.67Hz)转动时，多数残余振动在转移到固定机架102之前衰减。

诸如榻椅的患者支台118在检查区域108支承患者。患者支台118可与转动机架104的转动协同地沿Z轴移动，以便于获得螺旋、轴向或其它所需扫描轨迹。

重构器120将来自探测器的投影数据重构以产生表示检查区域以及在扫描过程中置于其中的任一物体的容积数据。

通用计算系统用作操作控制台122。操作控制台122包括例如显示器和/或打印机等人工可读取的输出设备，以及例如键盘和/或鼠标等输入设备。控制台122中所存入软件可使操作者(包括例如当进行动态Z轴平衡时在标定过程中)控制所述系统100运行。在这种标定过程中，所述软件使得技术人员确定适当的Z轴平衡质量的定位从而减小转动机架104的Z轴扭曲或摆动。

图2、图3与图4显示轴承106不同视图。图2显示由扫描机100之后所见的轴承106的视图，图3显示沿图2中A-A剖视所见的透视图，且图4显示沿图2中A-A剖视所见的侧视图。图4也显示转子402、在空气轴承106与转子402之间的实例连接404，以及动态不平衡确定系统116。

首先参考图2，轴承106包括第一部分202，具有大体环状双阶梯圆环。如图3与图4所示，第一部分202的每一侧包括双阶梯，且所述阶梯形成“T”形第一部分202。参见图2、图3与图4，轴承106也包括第二部分203，其包括一个或多个轴承座204，每一轴承座相对于第一部分202被放置在不同位置。在所述实例中，有七个轴承座204，两个位于轴承106前侧，三个位于轴承106背侧，两个位于轴承106之下。所述数量和位置仅仅用于说明用途，并非限制性。在每一轴承座204与第一部分202之间存在诸如三(3)微米气隙的气隙。

如上所述，在一个实施例中动态Z轴不平衡确定系统116与轴承106集成。如图4所示，动态Z轴不平衡确定系统116与至少一个轴承座204集成，且除轴承座204外其包括轴承座安装垫块206、振动载荷测量装置208以及安装支架210。

另见图5显示，图中显示轴承座204附连到轴承座安装垫块206，所述安装垫块附连到振动载荷测量装置208(在该实例中为载荷传感器)，所述振动载荷测量装置附连到安装支架210。所述安装支架210附连到固定机架102。不同类型紧固机构可用于将这些元件紧固在一起。非限制性实例包括螺母与螺栓、螺钉、铆钉、焊接等。

也可设想变体。

在上述实例中，动态不平衡确定系统116显示为扫描机100的部分。在另一实施例中，动态不平衡确定系统116为可取下地安装。作为其实例，技术人员可暂时从固定机架102取下轴承座204中的一个，并代之以动态Z轴不平衡确定系统116。在将转动机架104沿Z轴动态平衡之后，动态不平衡确定系统116可被取下且轴承座204可被重新附加到扫描机100。

在另一实例中，动态不平衡确定系统116的输出被连续或间断地反馈到平衡元件，所述平衡元件沿Z轴自动定位所述平衡质量，例如其在Z轴方向自动地移动配重，以保持系统平衡。

在另一实施例中，安装支架210为固定机架102的一部分，动态Z轴平衡系统的其余各部分如上所述附加到其上。

在另一实施例中，多个动态不平衡确定系统116同时安装在扫描机100上。

在另一实施例中，扫描机100配置成倾斜。

图6显示基于空气轴承的系统的转动机架104的动态Z轴平衡的方法。在602处，在轴承106处直接测量转动机架104上与转动质量对应的振动载荷。在604处，测量值被用于确定不平衡(若存在)。在606处，确定平衡质量的Z轴位置调整。在608处，平衡质量114(若需要)相应地沿Z轴定位。如果系统已平衡或不平衡低于预设平衡阈值，当前平衡质量114无需调整。任何调整可由系统100自动或技术人员人工完成。这些步骤可重复。

图7显示基于空气轴承的系统的转动机架104的动态Z轴平衡的方法。在702处，从轴承106取下轴承座204中的一个。在704处，将不平衡确定系统116可取下地附连到轴承106。在706处，对转动机架104进行动态Z轴标定过程。在708处，在动态Z轴标定过程之后，从转动机架104取下不平衡确定系统116。在710处，轴承座204重新附加到转动机架104。

本发明已参考优选实施例进行描述。可通过阅读并理解前述详细描述进行修改和变更。应可知本发明包括属于所附权利要求或等同范围内的所有这种修改和变更。

Claims (13)

1.一种成像系统（100），包括：

固定机架（102）；

在检查区域（108）周围绕着Z轴转动的转动机架（104）；

将转动机架（104）可转动地联结到固定机架（102）的空气轴承（106）；

附连到转动机架（104）的辐射源（110），其中，所述辐射源（110）随转动机架（104）一起转动、并发出穿过检查区域的辐射；

附连到转动机架（104）上位于所述检查区域的相对于所述辐射源（110）相对一侧的探测器阵列（112），其中，所述探测器阵列（112）探测穿过所述检查区域的辐射；

附连到转动机架（104）的平衡质量（114）；以及

直接从空气轴承（106）确定转动机架（104）在Z轴方向的不平衡的动态Z轴不平衡确定系统（116），其中，所述成像系统（100）利用所确定的不平衡在Z轴方向定位所述平衡质量（114），由此沿Z轴平衡转动机架（104）；

其特征在于，所述动态Z轴不平衡确定系统（116）包括振动载荷测量装置（208），所述振动载荷测量装置测量从转动机架（104）转移到空气轴承（106）的振动载荷，其中，所述动态Z轴不平衡确定系统（116）还包括：

轴承座垫块（206）；以及

安装支架（210），其中，所述安装支架（210）附连到固定机架（102），所述振动载荷测量装置（208）附连到所述安装支架（210），所述轴承座垫块（206）附连到所述振动载荷测量装置（208），且所述轴承座（204）附连到所述轴承座垫块（206）。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述振动载荷测量装置（208）是载荷传感器（208）。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述辐射源（110）和探测器阵列（112）从转动机架（104）悬出，振动载荷则是由于当转动机架（104）转动时作用在探测器阵列（112）和转动机架（104）上的重力和径向力。

4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述空气轴承（106）包括：

附连到转动机架（104）的第一部分（202）；以及

附连到固定机架（102）的第二部分（203），其中，动态Z轴不平衡确定系统（116）附连到所述第二部分（203）。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第二部分（203）包括一个或多个轴承座（204），所述动态Z轴不平衡确定系统（116）与所述一个或多个轴承座（204）中的一个集成。

6.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统自动定位平衡质量（114）。

7.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，从所述转动机架（104）转移到所述轴承（106）的大体所有振动载荷在转移到所述固定机架（102）之前衰减掉。

8.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述动态Z轴不平衡确定系统（116）与轴承（106）的轴承座（204）和轴承座支承结构占用相同大小空间。

9.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，在进行动态Z轴标定时，所述动态Z轴不平衡确定系统（116）可取下地安装在固定机架（102）上。

10.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述动态Z轴不平衡确定系统（116）可与所述空气轴承（106）的轴承座（204）交换。

11.一种用于在Z轴方向平衡如权利要求1所述的成像系统（100）的转动机架（104）的方法，其特征在于，所述方法包括：

测量所述成像系统（100）的转动机架（104）的Z轴不平衡，其中，转动机架（104）经由联结到固定机架（102）的空气轴承（106）而转动，并通过测量从转动机架（104）转移到空气轴承（106）的振动载荷在空气轴承（106）处测量Z轴不平衡；

确定平衡质量（114）的Z轴位置以抵消所测量的Z轴不平衡；

根据所确定的位置定位平衡质量（114），由此在Z轴方向平衡转动机架（104）。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，载荷传感器（208）测量从转动机架（104）转移到空气轴承（106）的振动载荷。

13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，转动机架（104）包括从转动机架（104）悬出的元件，且Z轴不平衡是由于作用在悬出的元件上的重力以及径向力。