CN103767725B - 一种用于平衡ct机架的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于平衡CT机架的方法和装置，无需额外添加仪器即可获得不平衡信息。所述方法包括：获取CT机架采集数据时获得的、机架旋转一周所形成脉冲的波动链；根据所述波动链获得质心偏离旋转中心的偏心角，并计算不平衡大小；根据所述偏心角和不平衡大小调整配重点的重量，以使得质心处于旋转中心。所述装置包括与数据采集单元信号连接的处理器，数据采集单元用于采集机架旋转一周所形成脉冲的波动链，处理器根据波动链获得质心偏离旋转中心的偏心角，并计算不平衡大小；处理器根据偏心角和不平衡大小调整配重点的重量，以使得质心处于旋转中心。本发明在CT机架采集数据的同时完成不平衡信息的采集，结构和操作简单，配重精度高。

Description

一种用于平衡CT机架的方法和装置

技术领域

本发明涉及医疗机械技术领域，特别是涉及一种用于平衡CT机架的方法。

背景技术

CT机的旋转机架上安装有若干部件，在进行机械设计时，会考虑质量分布的均衡性，以使得CT机的旋转机架能够均匀转动，从而获得高质量的图像。

请参考图1，图1为现有技术中CT机架在一种具体实施方式中的装配结构示意图。

实际上，由于各个部件在机械加工和安装的过程中存在误差，导致机架的质量分布不均匀，即机架的质心M偏离旋转中心，这种偏心将导致质心M处产生合力F_合，如图1所示。

可以把F_合分解为沿直径方向的力F_向和沿切线方向的力F_切，F_合的周期性变化将导致两个分力的周期性变化，而其分量F_切的周期性变化将在机架转动时叠加一个周期的力矩，造成机架转动时的速度不均匀。当F_合达到一定程度时会影响图像质量，由其所引起的振动还会影响轴承的寿命。因此，需要在机架上设置配重点，并通过在配重点增减合适的重量使机架旋转部分的质心尽量处于机架的旋转中心，以减小质心偏移造成的影响。

针对上述问题，专利号为200410071323.6的专利公开了一种“用于平衡CT台架机构的系统和方法”，借助特定的传感器进行不平衡信息的采集，以进行合理配重；专利号为201110145218.2的专利公开了一种“动平衡测量方法及装置及装有该装置的CT机”，通过对动平衡的测量在CT机的轴向进行配重。

可见，现有技术中通常需要借助CT机以外的其他仪器获得CT机的不平衡信息，然后再进行配重；而其他仪器的增加不仅使得CT机的结构更为复杂，还需要增加额外的测量和传输步骤，使得对CT机架的平衡过程较为复杂。

因此，如何设计一种用于平衡CT机架的方法和装置，以便在不额外添加其他仪器的基础上获得不平衡信息进行配重，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于平衡CT机架的方法，在CT机架采集数据的同时即可获得不平衡信息，无需单独进行采集，从而简化了检测过程。

本发明的另一目的是提供一种用于平衡CT机架的装置，无需额外添加其他仪器，即可获得不平衡信息，从而进行合理配重，实现CT机架的平衡设置。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于平衡CT机架的方法，包括以下步骤：

11）获取CT机架采集数据时获得的、机架旋转一周所形成脉冲的波动链；

12）根据所述波动链获得质心偏离旋转中心的偏心角，并计算不平衡大小；

13）根据所述偏心角和不平衡大小调整配重点的重量，以使得质心处于旋转中心。

在机架旋转的过程中，CT机架同时进行数据的采集，所采集的数据中即包括机架旋转一周所形成脉冲的波动链，本发明的方法通过所述波动链提供机架的不平衡信息，以根据所述不平衡信息调整配重，实现CT机架的平衡设置；与现有技术中采用额外参数提供机架的不平衡信息相比，本发明的方法通过机架旋转一周的波动链提供不平衡信息，故可以在CT机架采集数据的同时完成不平衡信息的采集，进而简化了操作步骤，提高了配重的效率以及操作的便捷性；同时，通过CT机架采集的数据获取不平衡信息可以提高信息的准确性，以便更为精确地调整机架的配重，提高机架平衡设置的可靠性。

优选地，所述步骤11）具体包括以下步骤：

机架每转相同角度，进行一次采样，获取每次采样所形成脉冲的曲线，各角度对应的曲线在机架的旋转方向依次连接形成所述波动链。

CT机架的采样可以采用等角度采样，将一周等分为较小的若干份，在机架每转相同的角度时进行一次采样，获得对应的脉冲曲线；由于机架的不平衡导致其转过相同角度所需的时间不同，且脉冲的持续时间与采样时间相对应，则当机架旋转一周，每次的脉冲曲线为长短不一的曲线，形成所述波动链。上述过程中的采样频率较高，能够保证采集数据的有效性。

优选地，CT机架进行采样时采集的数据为没有X射线曝光的数据，以减小辐射，节约能源。

优选地，在所述步骤11）之前还包括步骤00）：

调整驱动机架旋转的电机的力矩电压，使机架旋转达到稳态。

在进行数据采集之前可以首先调整机架的旋转状态，以便将其旋转速度稳定在一定范围内，从而保证所采集数据的真实有效性。

优选地，所述步骤12）具体包括以下步骤：

121）将所述波动链进行傅里叶变换，并取其一次谐波，其他分量至零，以得到所述波动链的余弦函数，所述余弦函数的相位角为所述偏心角；

122）根据所述余弦函数以及偏心角计算不平衡大小。

优选地，在所述步骤122）中，所述不平衡大小通过机架的质量（m）与偏心距离（r）的乘积表示，并采用如下公式获得：

$\left|\stackrel{\→}{P}\right|=\frac{2\mathrm{\πJ}(t_i-t_{i+1})}{\mathrm{gN}{t}_{i+1}{t}_i^2\sin \mathrm{\α}}$

其中，为不平衡矢量，J为转动惯量，N为机架旋转一周所转过的相同角度的个数，t_i为机架转过第i个相同角度所需的时间，t_i+1为机架转过第i+1个相同角度所需的时间，α为所述偏心角。

采用上述公式，可以基于转动惯量进行不平衡大小的计算，以简化计算过程，利用CT机架所采集的数据即可完成计算。

本发明还提供一种用于平衡CT机架的装置，CT机架上具有进行数据采集的数据采集单元，以及用于平衡CT机架的配重点，所述装置包括与所述数据采集单元信号连接的处理器，所述数据采集单元用于采集机架旋转一周所形成脉冲的波动链，所述处理器根据所述波动链获得质心偏离旋转中心的偏心角，并计算不平衡大小；所述处理器根据所述偏心角和不平衡大小调整所述配重点的重量，以使得质心处于旋转中心。

本发明的装置利用CT机架上的数据采集单元进行不平衡信息的采集，与现有技术中额外添加检测装置相比，本发明的结构较为简单，简化了机架的整体结构，使用更为便捷；更为重要的是，由于数据采集单元本身所采集数据的精度较高，可以更为准确地提供机架的不平衡信息，以便于进行合理配重，提高机架平衡的准确性。

优选地，还包括实时检测机架旋转速度的检测器，所述检测器与所述处理器信号连接，所述处理器根据机架旋转速度调整电机的力矩电压，以使得机架旋转达到稳态。

本发明的处理器还可以对电机的力矩电压进行控制，以控制机架达到稳态，从而提高后续采集数据的准确性。

附图说明

图1为现有技术中CT机架在一种具体实施方式中的装配结构示意图；

图2为本发明所提供方法在一种具体实施方式中的流程示意图；

图3为进行平衡配重的原理示意图；

图4为本发明的方法中进行采样的原理示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种用于平衡CT机架的方法，在CT机架采集数据的同时即可获得不平衡信息，无需单独进行采集，从而简化了检测过程。

本发明的另一核心是提供一种用于平衡CT机架的装置，无需额外添加其他仪器，即可获得不平衡信息，从而进行合理配重，实现CT机架的平衡设置。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图2，图2为本发明所提供方法在一种具体实施方式中的流程示意图。

本领域技术人员应该理解，CT机架在进行旋转的过程中会进行数据采集，本发明的用于平衡CT机架的方法，利用CT机架旋转过程中采集的数据获取不平衡信息，进而根据所述不平衡信息进行配重，以使得机架的质心处于其旋转中心，消除不平衡因素。

具体地，本发明的方法包括以下步骤：

S11：调整电机的力矩电压，使机架旋转达到稳态。可以通过软件设置，使得驱动机架旋转的电机工作在“力矩”模式下，在机架旋转的过程中，不断读取机架的旋转速度，并实时改变电机的控制电压，以便将机架的旋转速度稳定在一定的范围内，使得机架旋转达到稳态；

S12：采集数据。机架旋转稳定后，系统发出采集数据的命令，CT机架进行数据的采集，采集的数据可以为没有X射线曝光的数据；

S13：获取波动链。从CT机架采集的数据中获取机架旋转一周所形成脉冲的波动链；

S14：根据所述波动链计算质心偏离旋转中心的偏心角α。可以将所述波动链进行傅里叶变换，并取其一次谐波，其他分量至零，经过整理可以得到波动链的余弦函数，所述余弦函数的相位角即为所述偏心角α；

S15：计算不平衡大小。以表示不平衡矢量，矢量的模即为不平衡大小，所述矢量的模可以等于机架的质量m与质心偏离旋转中心的偏心距离r的乘积，并可以通过如下公式获得：

$\left|\stackrel{\→}{P}\right|=\frac{2\mathrm{\πJ}(t_i-t_{i+1})}{\mathrm{gN}{t}_{i+1}{t}_i^2\sin \mathrm{\α}}---\left(1\right)$

其中，为不平衡矢量，J为转动惯量，N为机架旋转一周所转过的相同角度的个数，t_i为机架转过第i个相同角度所需的时间，t_i+1为机架转过第i+1个相同角度所需的时间，α为所述偏心角，t_i和t_i+1可以通过波动链转换形成的余弦函数计算得出；

S16：根据偏心角α和不平衡大小调整配重点的重量，以使得质心处于旋转中心，实现机架的平衡设置。

请进一步参考图3，图3为进行平衡配重的原理示意图。

由背景技术可知，机架的转速不均和振动是由于机架在其偏心位置产生的两个分量F_向和F_切（M＝F_切r，其中M为力矩）的影响带来的，而两个分量均与质心距旋转中心的距离r有关，因此只要将整个机架的质心调整至机架的旋转中心（r＝0）处即可解决机架的转速不均和振动问题。通过在配重点增加或者减少相应的质量便可调整质心的位置和合外力大小。因此，可以定义矢量表征一个物体的偏心程度，定义其模为

$\left|\stackrel{\→}{P}\right|=\mathrm{mr}---\left(2\right)$

式（2）表征了偏心的大小，其方向沿径向向外，其矢量角度定义为物体在某一固定位置，质心相对旋转中心的偏心角，即上述偏心角α。因此只要消除不平衡矢量带来的影响即可实现配重平衡，配重平衡示意图如图3所示。

如图3所示，由于机架的不平衡存在于垂直旋转轴线的平面，故以垂直于机架旋转轴线的平面为坐标面，并通过X轴和Y轴将其划分为四个区域，假定机架的质心M处于其中一个区域；由于偏心，机架在旋转时在其质心M处会产生一个不平衡的矢量为此，可以在与其方向相反的另外两个区域设置配重点，即图3中的配重点M1和配重点M2，通过在两个配重点添加一定的重量以分别形成两个向量和

当时，不平衡向量被平衡掉了，此时：

$\stackrel{\→}{P}\cos \mathrm{\α}+{\stackrel{\→}{P}}_1{\cos \mathrm{\α}}_1+{\stackrel{\→}{P}}_2{\cos \mathrm{\α}}_2=0---\left(3\right)$

$\stackrel{\→}{P}\sin \mathrm{\α}+{\stackrel{\→}{P}}_1{\sin \mathrm{\α}}_1+{\stackrel{\→}{P}}_2{\sin \mathrm{\α}}_2=0---\left(4\right)$

即机架的质心处于旋转中心，其中α₁、α₂为配重点M1、M2相对于旋转中心的偏心角。实际应用中，配重点M1和M2是固定的，因此，α₁、α₂是已知的，未知数只有和以及和α，只要知道了和α，我们就能计算出和从而进行合理配重。

可见，本发明的方法首先需要获得矢量的模和偏心角α，因此，本发明的方法采用上述步骤S11～S15获得和α，最后在步骤S16中采用上述公式（3）和（4）计算得到两个配重点的重量，以便调整两个配重点的重量，最终使得机架的质心处于旋转中心。

请参考图4，图4为本发明的方法中进行采样的原理示意图。

具体地，在步骤S12中，机架可以进行等角采样。将一周360度等分为N个角度，机架每转一个相同的角度进行一次采样，获取每次采样所形成脉冲的曲线，将各个角度对应的曲线在机架的旋转方向依次连接，形成的曲线就是波动链，波动链反映了机架旋转一周所形成脉冲的长短。

N的取值依赖较多的因素，例如建像的精度、数据的大小以及运算的快慢等；通常情况下，N的取值较大，以便将圆周等分为N个较多的小角度，提高采样精度。

在上述过程中，由于每次采样都会产生一个脉冲，该脉冲确定了采样的开始和结束时间，即该脉冲持续的时间就是采样时间，也就是说，脉冲的长短与转动所需的时间相对应。在机架旋转的过程中，由于机架的不平衡，导致其在有的位置转的慢，故转过相同的角度耗费的时间较长；而在有的角度转的快，故转过相同的角度耗费的时间较短，因此，机架旋转一周，每次的脉冲波动依次连接就会形成长短不一的曲线，这条曲线即为所述波动链。由于波动链是由于机架的不平衡引起的，故波动链即可反应机架的不平衡，本发明的方法就利用所述波动链提取机架的不平衡信息。

详细地，在电机的“力矩”模式下，机架受到来自电机的驱动力是一定的，但由于机架受到因偏心产生的切向力F切，在F切产生的力矩的作用，机架的速度会有一个周期性的波动，力矩的幅度越大，波动的幅度就越大，这种波动会通过波动链反映出来。将波动链进行傅里叶变换即可得到余弦函数的公式：

$t\left(n\right)=c_0+A\cos (2\mathrm{\π}\frac{n}{N}+\mathrm{\θ})---\left(5\right)$

其中，t为波动链曲线，n为采样次数，A为振幅，θ为初始相位，c₀为在纵轴方向的偏移量。由式（5）可以看出，波动链是周期变化的，当2πn/N+θ=2π时对应的t刚好取得最大幅值A。由于t与转速成反比，t取得最大值意味着速度最小，而速度最小又意味着质心刚好转过图3的y轴上，且y>0，也就是说，θ实际上可以用来近似确定质心偏心的位置，即可以认为θ＝α，从而得到偏心角α，如上述步骤S14所述。

进一步，在步骤S15中，需要计算矢量的模的大小。由于在旋转过程中质心M处的力矩变化仅受重力影响，因此，可以认为合外力矩

M＝Ja＝mgrsinθ(6)

其中，M为合外力矩，a为角加速度，J为转动惯量，取θ＝α，即可获得偏心位置不平衡向量的模：

$\left|\stackrel{\→}{P}\right|=\mathrm{mr}=\frac{\mathrm{Ja}}{g\sin \mathrm{\α}}---\left(7\right)$

式（7）中仅存在未知量a（J为常数），可以假设质心处于第i个采样区域中，由于各个采样区域的角度一致，即并且的值很小，因此可以认为第i个采样区域的起始角速度为终止角速度为得

$a=\frac{{\mathrm{\ω}}_{i+1}-{\mathrm{\ω}}_i}{t_i}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{i+1}-{\mathrm{\ω}}_i}{t_i}=\frac{2\mathrm{\π}(t_i-t_{i+1})}{N{t}_{i+1}{t}_i^2}---\left(8\right)$

将式（8）代入式（7）得到式（1）所示的公式，由于式（1）中的各个变量均已知，故可以计算得出矢量的大小，然后将上文计算出来的α和代入式（3）和式（4），就可以计算出和的大小，即两个配重点需要增加或减少的重量，以便在步骤S16中增减配重点的重量，将机架的质心调整到其旋转中心。

本领域技术人员应该可以理解，本文中步骤S11的设置可以稳定机架的旋转状态，与机架刚开始旋转就进行数据采集相比，添加步骤S11后可以提高采集数据的有效性；在步骤S12中，由于X射线曝光对于机架的不平衡影响较小，故在进行不平衡信息的采集时，可以不进行X射线曝光，以减小辐射。

需要说明的是，步骤S12和步骤S13实际上都是数据采集的过程，步骤S13中获取的波动链在步骤S12进行数据采集时就已经获得，步骤S13仅仅是一个提取数据的过程，以便后续使用，这也是本发明与现有技术的区别；现有技术中需要独立于CT机架的运行系统单独设置一个检测设备执行检测步骤，以获取不平衡信息，而本发明通过CT机架本身采集数据中的波动链即可获得不平衡信息，整个过程较为简单，处理更为迅速，且所获得的数据精度较高，便于后续进行合理配重。

此外，在获取波动链之后，本发明可以采用傅里叶变换以得到波动链的余弦函数，从而获得偏心角α，进一步借助所述余弦函数和偏心角α得到矢量的大小。也就是说，仅在采用傅里叶变换进行波动链的处理时，首先执行上述步骤S14，然后执行步骤S15，在采用其他处理方式进行处理时，可以不限定步骤S14和步骤S15的顺序，以便根据处理需要调整处理步骤的顺序，最终获得和α的值。

本发明还提供一种用于平衡CT机架的装置，在CT机架上具有进行数据采集的数据采集单元，在机架旋转的过程中，所述数据采集单元进行数据的采集；CT机架上还具有用于平衡CT机架的配重点；本发明的用于平衡CT机架的装置包括与所述数据采集单元信号连接的处理器，所述数据采集单元进行数据采集时，可以获得机架旋转一周所形成脉冲的波动链，所述处理器根据所述波动链获得质心偏离旋转中心的偏心角α，并计算不平衡矢量的大小，所述处理器还可以根据所述偏心角α和不平衡矢量的大小调整所述配重点的重量，以使得质心处于旋转中心。

本发明的装置利用CT机架上的数据采集单元进行不平衡信息的采集，与现有技术中额外添加检测装置相比，本发明的结构较为简单，简化了机架的整体结构，使用更为便捷；更为重要的是，由于数据采集单元本身所采集数据的精度较高，可以更为准确地提供机架的不平衡信息，以便于进行合理配重，提高机架平衡的准确性。

可以想到，本发明的装置还可以包括实时检测机架旋转速度的检测器，所述检测器与所述处理器信号连接，所述处理器根据机架旋转速度调整电机的力矩电压，以使得机架旋转达到稳态，从而提高后续采集数据的准确性。

所述信号连接是指以有线或者无线的方式实现信号传递的一种连接方式。

以上对本发明所提供的用于平衡CT机架的方法和装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于平衡CT机架的方法，其特征在于，包括以下步骤：

11)获取CT机架采集数据时获得的、机架旋转一周所形成脉冲的波动链；

12)根据所述波动链获得质心偏离旋转中心的偏心角，并计算不平衡大小；

13)根据所述偏心角和不平衡大小调整配重点的重量，以使得质心处于旋转中心；

所述步骤11)具体包括以下步骤：机架每转相同角度，进行一次采样，获取每次采样所形成脉冲的曲线，各角度对应的曲线在机架的旋转方向依次连接形成所述波动链。

2.如权利要求1所述的用于平衡CT机架的方法，其特征在于，CT机架进行采样时采集的数据为没有X射线曝光的数据。

3.如权利要求1所述的用于平衡CT机架的方法，其特征在于，在所述步骤11)之前还包括步骤00)：

调整驱动机架旋转的电机的力矩电压，使机架旋转达到稳态。

4.如权利要求1-3任一项所述的用于平衡CT机架的方法，其特征在于，所述步骤12)具体包括以下步骤：

121)将所述波动链进行傅里叶变换，并取其一次谐波，其他分量至零，以得到所述波动链的余弦函数，所述余弦函数的相位角为所述偏心角；

122)根据所述余弦函数以及偏心角计算不平衡大小。

5.如权利要求4所述的用于平衡CT机架的方法，其特征在于，在所述步骤122)中，所述不平衡大小通过机架的质量(m)与偏心距离(r)的乘积表示，并采用如下公式获得：

$\left|\stackrel{\→}{P}\right|=\frac{2\mathrm{\π}J(t_i-t_{i+1})}{{\mathrm{gNt}}_{i+1}{t}_i^{2}sin\mathrm{\α}}$

其中，为不平衡矢量，J为转动惯量，N为机架旋转一周所转过的相同角度的个数，t_i为机架转过第i个相同角度所需的时间，t_i+1为机架转过第i+1个相同角度所需的时间，α为所述偏心角。

6.一种用于平衡CT机架的装置，CT机架上具有进行数据采集的数据采集单元，以及用于平衡CT机架的配重点，其特征在于，包括与所述数据采集单元信号连接的处理器，所述数据采集单元用于采集机架旋转一周所形成脉冲的波动链，机架每转相同角度，进行一次采样，获取每次采样所形成脉冲的曲线，各角度对应的曲线在机架的旋转方向依次连接形成所述波动链；所述处理器根据所述波动链获得质心偏离旋转中心的偏心角，并计算不平衡大小；所述处理器根据所述偏心角和不平衡大小调整所述配重点的重量，以使得质心处于旋转中心。

7.如权利要求6所述的用于平衡CT机架的装置，其特征在于，还包括实时检测机架旋转速度的检测器，所述检测器与所述处理器信号连接，所述处理器根据机架旋转速度调整电机的力矩电压，以使得机架旋转达到稳态。