CN110113995B - 用于监测计算机断层摄影成像系统的系统和方法 - Google Patents

用于监测计算机断层摄影成像系统的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于监测CT系统状态的诊断系统，该诊断系统包括至少一个辐射检测器，其配置成监测CT部件并产生表示与所述CT部件相关的测量数据的信号。该系统还包括与所述检测器通信的诊断计算机设备。该设备被配置为从所述检测器接收电信号，并识别所述电信号中的第一频率。该设备还被配置为将所述电信号中的所述第一频率与存储在存储器中的第一参考频率进行比较。所述第一参考频率至少部分地指示所述CT部件的第一机械状态。该设备还被配置为确定所述电信号中的所述第一频率与所述第一参考频率基本相似，并且作为响应，确定所述CT系统具有所述第一机械状态。

Description

用于监测计算机断层摄影成像系统的系统和方法
背景技术
这里描述的实施方式一般涉及计算机断层摄影(CT)成像系统，更具体地，涉及用于CT成像系统的旋转机架系统。
一些已知的CT成像系统包括具有X射线源和一个或多个X射线检测器的机架。机架具有限定在其中的开口，并且围绕中心旋转轴旋转，以使用X射线源和X射线检测器捕获位于机架开口内的对象上的成像数据。机架通常通过轴承系统安装到CT成像系统，该轴承系统使机架能够旋转。
机架通常以很高的速度旋转，以便在对象的螺旋或圆形扫描期间收集准确的成像数据。因此，至少一些已知的CT成像系统利用昂贵且复杂的轴承系统来实现机架旋转。例如，一些已知的CT成像系统使用丝杠或滚子(roller)型轴承组件，其具有设置在两个轴承环之间的多个滚动元件。这种轴承组件通常利用大量的滚动元件来实现机架的高速旋转。另外，这种轴承组件的部件通常具有相当大的尺寸，因此成本很高。例如，在一些机架轴承组件中使用的轴承环的直径超过一米，即超过三英尺。因此，修理和更换机架轴承组件上的部件通常需要大量的时间和成本。
另外，监测CT系统的机械状态的已知方法需要安装额外的传感器(例如，加速度计、转速计)、维修技术人员到实地考察、或系统的部分拆卸(例如，移除轴承)，以进行故障排除和/或验证疑问。在某些情况下，只有在问题变得足够重要以在操作期间发出可听声音时，才会知道机械问题。在某些情况下，问题持续的时间越长，解决问题的成本就越高，因为一个部件上的压力增加会导致部件的异常操作，并增加系统中其他机械部件的压力。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于监测计算机断层摄影(CT)系统的状态的诊断系统。诊断系统包括至少一个辐射检测器元件，其配置成监测CT部件并产生表示与CT部件相关的测量数据的信号。诊断系统还包括诊断计算机设备，其包括处理器和被耦合到该处理器的存储器。诊断计算机设备与至少一个辐射检测器元件通信。诊断计算机设备被配置为从至少一个辐射检测器元件，接收电信号并识别电信号中的第一频率。诊断计算机设备还被配置为，将电信号中的第一频率与存储在存储器设备中的第一参考频率进行比较。第一参考频率至少部分地指示CT部件的第一机械状态。诊断计算机设备还被配置为，确定电信号中的第一频率与第一参考频率基本相似，并且响应于确定第一频率与第一参考频率基本相似，确定CT系统具有第一机械状态。
在另一方面，提供了一种计算机断层摄影(CT)系统。CT系统包括配置为旋转的机架。机架包括至少一个机架轴承架构件和连接到机架轴承架的机架轴承。机架还包括至少一个辐射检测器元件，其被耦合到至少一个机架轴承架构件。至少一个辐射检测器元件被配置为监测机架轴承，并且被配置为生成表示与机架轴承相关联的测量数据的信号。CT系统还包括诊断计算机设备，其包括处理器和被耦合到该处理器的存储器。诊断计算机设备与至少一个辐射检测器元件通信。诊断计算机设备被配置为从至少一个辐射检测器元件，接收电信号并识别电信号中的第一频率。诊断计算机设备还被配置为，将电信号中的第一频率与存储在存储器设备中的第一参考频率进行比较。第一参考频率至少部分地指示CT部件的第一机械状态。诊断计算机设备还被配置为，确定电信号中的第一频率与第一参考频率基本相似，并且响应于确定第一频率与第一参考频率基本相似，确定CT系统具有第一机械状态。
在又一方面，提供了一种监测计算机断层摄影(CT)系统的方法。CT系统包括至少一个CT部件和包括至少一个辐射检测器元件的诊断系统。诊断系统被耦合到至少一个CT部件。方法包括由诊断系统从至少一个辐射检测器元件接收电信号。该方法还包括利用诊断系统识别电信号中的第一频率。该方法还包括，利用诊断系统将电信号中的第一频率与存储在存储器设备中的第一参考频率进行比较。第一参考频率至少部分地指示至少CT部件的第一机械状态。该方法还包括，利用诊断系统确定电信号中的第一频率与第一参考频率基本相似。该方法还包括，响应于确定第一频率与第一参考频率基本相似，利用诊断系统确定CT系统具有第一机械状态。
附图说明
图1-11示出了本文描述的系统和方法的示例性实施方式。
图1是示例性计算设备的框图；
图2是可包括图1中所示的计算设备的示例性监测和控制系统的部分的框图；
图3是可以使用图1中所示的计算设备和图2中所示的监测和控制系统的示例性计算机断层摄影(CT)成像系统的示意性透视图；
图4是图3所示的CT成像系统的示意图；
图5是可以与图3和4中所示的CT成像系统一起使用的示例性可旋转机架的示意性前视图；
图6是用于与图2所示的监测和控制系统集成的CT成像系统(图3和5中所示)的示例性诊断系统的示意图；
图7是利用图2所示的监测和控制系统，监测图3和4中所示的CT成像系统的示例性方法；
图8是可用于使用图6中所示的诊断系统实现图7中所示方法的示例性过程的流程图；
图9是从CT成像系统(如图3和5所示)的一个辐射检测器元件接收的时域中的原始加速度数据的图形表示；
图10是被变换到频域的图9所示原始加速度数据的图形表示；和
图11是来自一组CT成像系统(图3和5中所示)中的辐射检测器元件的多个指示的图形表示。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将参考许多术语，其应被定义为具有以下含义。
除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数指代。
“可选的”或“可选地”表示随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。
整个说明书和权利要求中使用的近似语言可以用于修饰任何可以允许变化的定量表示，而不会造成与其相关的基本功能的改变。因此，由一个或多个术语(例如“约”、“大约地”和“基本”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量数值的仪器的精度。这里和整个说明书和权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换，这样的范围被识别并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有说明。
如这里所使用的，术语“处理器”和“计算机”以及相关术语(例如，“处理设备”、“计算设备”和“控制器”)不仅限于本领域中称为计算机的那些集成电路，而是泛指微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)和专用集成电路以及其他可编程电路，这些术语在本文中可互换使用。在本文描述的实施方式中，存储器可以包括但不限于计算机可读介质，例如随机存取存储器(RAM)，和/或计算机可读非易失性介质，例如闪存。或者，也可以使用软盘、光盘-只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字通用盘(DVD)。而且，在本文描述的实施方式中，附加的输入通道可以是但不限于，与诸如鼠标和键盘的操作员界面相关联的计算机外围设备。或者，也可以使用其他计算机外围设备，其可以包括例如但不限于扫描仪。此外，在示例性实施方式中，附加的输出通道可以包括但不限于操作员界面监测器。
此外，如这里所使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储器中的任何计算机程序存储器，用于由个人计算机、工作站、客户端和服务器执行。
如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读介质”旨在表示以用于信息的短期和长期存储的任何技术方法实现的任何有形的基于计算机的设备，例如计算机可读指令、数据结构、程序模块和子模块、或任何设备中的其他数据。因此，本文描述的方法可以被编码为收录在有形的、非暂时性的计算机可读介质中的可执行指令，所述计算机可读介质包括但不限于存储设备和/或存储器设备。当由处理器执行时，这些指令使处理器执行本文描述的方法的至少部分。此外，如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读介质”包括所有有形的计算机可读介质，所述计算机可读介质包括但不限于非暂时性计算机存储设备，包括但不限于易失性和非易失性介质，以及可移除和不可移除的介质，例如固件、物理和虚拟存储、CD-ROM、DVD、以及任何其他数字源，如网络或互联网，以及尚未开发的数字手段，唯一的例外是暂时性的传播信号。
此外，如这里所使用的，术语“实时”指的是相关事件发生的时间、测量和收集预定数据的时间、处理数据的时间以及系统对事件和环境的响应时间中的至少一个。在本文描述的实施方式中，这些活动和事件基本上立即发生。
这里描述的实施方式提供了用于改进计算机断层摄影(CT)成像系统内的机械装置的诊断的经济有效的系统和方法。本文描述的系统和方法使用诊断系统来监测机械状态，例如，使用已经安装并用于检测将用于成像的X射线的多个辐射检测器元件，来承载CT成像系统的振动。诊断系统通过辐射检测器元件识别第一频率，并将第一频率与第一存储的参考频率相比较，所述第一存储的参考频率与CT成像系统的第一机械状态相关联。此外，诊断系统确定第一频率具有与第一参考频率的阈值相似度，并且响应于确定第一频率具有第一参考频率的阈值相似度，确定CT成像系统具有第一机械状态。
在一些实施方式中，诊断系统还被配置为，基于第一频率确定CT成像系统可能具有有缺陷的轴承。此外，在一些实施方式中，CT成像系统包括可旋转机架，并且诊断系统还被配置为，基于第一频率确定与可旋转机架相关联的质量不平衡。另外，在一些实施方式中，诊断系统进一步配置为，在CT成像系统执行偏移扫描(例如，周期性校准扫描)时，从辐射检测器元件接收电信号。此外，在一些实施方式中，诊断系统被配置为计算可旋转机架的旋转速度。
此外，在一些实施方式中，诊断系统被配置为检测与每个辐射检测器元件相关联的偏移电流的变化。而且，在一些实施方式中，诊断系统还被配置为，确定第一频率的幅值并计算每个辐射检测器元件上的应力。此外，在一些实施方式中，第一参考频率是多个被存储的参考频率中的一者，并且诊断系统还被配置为，确定第一频率与多个参考频率中的每一者之间的各自的相似度。
由于这里描述的实施方式基本上是基于软件的，因此可以在现有CT成像系统上追溯地部署软件。因此，利用当前的硬件配置在改型活动中节省了大量的时间和费用。另外，这里描述的实施方式便于诊断监测，使得可以基于所获得的材料状态数据来调整维护计划。例如，在预定的时间段内轴承振动特征几乎没有变化有利于推迟昂贵的维护活动。
图1是示例性计算设备105的框图，计算设备105可用于执行计算机断层摄影(CT)成像系统(图1中未示出)的监测和/或控制，并且更具体地，便于执行CT图像系统内机械设备(图1中未示出)的诊断。而且，在示例性实施方式中，计算设备105监测和/或控制与CT成像系统相关联的任何设备、任何系统和任何过程，例如但不限于，机架旋转驱动马达、X射线生成管、辐射检测器元件和用于CT成像系统的各种监测装置(图1中均未示出)。计算设备105包括存储器设备110和可操作地耦合到存储器设备110以用于执行指令的处理器115。在一些实施方式中，可执行指令存储在存储器设备110中。计算设备105可配置为通过编程处理器115来执行本文描述的一个或多个操作。例如，处理器115可以通过将操作编码为一个或多个可执行指令并在存储器设备110中提供可执行指令来编程。在示例性实施方式中，存储器设备110是能够存储和检索可执行指令和/或其他数据等信息的一个或多个设备。存储器设备110可以包括一个或多个计算机可读介质。
存储器设备110可以被配置为存储操作测量值，包括但不限于CT成像系统的实时和历史机械诊断数据和/或任何其他类型的数据。此外，存储器设备110包括但不限于足够的数据、算法和命令，以便于监测和控制相关CT成像系统内的部件。
在一些实施方式中，计算设备105包括被耦合到处理器115的呈现接口120。呈现接口120向用户125呈现诸如用户接口和/或警报之类的信息。在一些实施方式中，呈现接口120包括一个或多个显示设备。在一些实施方式中，呈现接口120呈现与被监测和控制的相关电力分配系统相关联的警报，例如通过使用人机接口(HMI)(图1中未示出)。此外，在一些实施方式中，计算设备105包括用户输入接口130。在示例性实施方式中，用户输入接口130被耦合到处理器115并从用户125接收输入。
通信接口135被耦合到处理器115，并且被配置为，与一个或多个其他设备(例如传感器或另一计算设备105)通信耦合，以及在作为输入通道执行时，对这些设备执行输入和输出操作。通信接口135可以从一个或多个远程设备接收数据和/或向一个或多个远程设备发送数据。例如，一个计算设备105的通信接口135可以将警报发送到另一个计算设备105的通信接口135。
在示例性实施方式中，利用本地控制设备，即局部计算设备105来执行CT成像系统的控制和监测。或者，这种CT成像系统的控制和监测可以作为更大、更全面的系统的部分来执行。
图2是可用于监测和控制CT成像系统201的至少部分的CT监测和控制系统200的部分的框图。CT监测和控制系统200包括至少一个中央处理单元(CPU)215，CPU 215被配置为执行监测和控制算法以及监测和控制逻辑。CPU 215可以经由通信网络225耦合到其他设备220，其中在一些实施方式中，通信网络225包括因特网。在一些实施方式中，CPU 215是计算设备105。在其他实施方式中，CPU 215是控制器。
例如但不限于此，CPU 215通过用户输入接口130和/或呈现接口120(均在图1中示出)与第一操作器230交互。在一个实施方式中，CPU 215向操作员230呈现关于CT成像系统201的信息，例如警报。其他设备220例如但不限于经由用户输入接口130和/或呈现接口120与第二操作员235交互。例如，其他设备220向第二操作员235呈现警报和/或其他操作信息。如本文所使用的，术语“操作员”包括具有与操作和维护CT成像系统201相关的任何能力的任何人，包括但不限于成像技术人员、维修技师，医生和护士。
在一些实施方式中，其他设备220包括一个或多个存储设备，其是适合于存储和/或检索数据的任何计算机操作的硬件，例如但不限于，多个存储单元(例如，廉价磁盘(RAID)配置的冗余阵列中的硬盘或固态磁盘)、存储区域网络(SAN)和/或网络附加存储(NAS)系统。
CT成像系统201包括通过至少一个输入通道245耦合到CPU 215的一个或多个监测传感器240。监测传感器240收集操作测量值，包括但不限于X射线源电压和电流、辐射检测器元件和CT成像系统201的机械装置的诊断。监测传感器240重复地，例如周期性地、连续地和/或根据请求在测量时发送操作测量读数。CPU 215接收并处理操作测量读数。在一个实施方式中，这样的数据可以通过网络225传输，并且可以由能够访问网络225的任何设备访问，包括但不限于台式计算机、膝上型计算机和个人数字助理(PDA)(均未示出)。
在一些实施方式中，针对图2描述的一些部件可以与独立计算设备105(如图1中所示)一起使用，例如但不限于，监测传感器240。在这样的实施方式中，计算设备105包括但不限于足够的数据、算法和命令，以独立地促进如本文所述的CT成像系统201的控制和监测，从而基本上在独立计算设备105内实现CT监测和控制系统200的重要部分。
图3是使用计算装置105(图1和4中所示)和监测和控制系统200(图2和4中所示)的计算机断层摄影(CT)成像系统201的示意性透视图。图4是包括监测和控制系统200的CT成像系统201的示意图。参考图3和4，CT成像系统201包括可旋转机架302(其代表CT扫描仪)、，监测和控制系统200、和机动传送带306，所述机动传送带306用于将容器308(或者，在一些实施方式中，患者)(例如，一件行李箱、或运输容器、或包装)定位在通过机架302限定的机架开口310中。机架302包括X射线源312，其将多色X射线314的扇形束投射到机架302的相对侧上的检测器阵列316。X射线源312包括X射线管(未示出)，X射线管包括被耦合到电源(未示出)的阳极和阴极(例如，但不限于，钨丝)(未示出)，电源接收由处理装置(下面进一步描述)控制的电压和电流。
检测器阵列316包括多个辐射检测器元件318，其在图5中更详细地示出并在下面进一步讨论。检测器元件318是辐射检测器，每个辐射检测器产生一个信号，该信号的幅值表示并且取决于衰减的X射线束在通过被成像的容器308之后的强度。在获取X射线投影数据的螺旋扫描期间，机架302连同X射线源312和检测器阵列316，在箭头330的方向上的平面内并以旋转中心为中心围绕容器308旋转，同时容器308在垂直于旋转平面的z方向332上移动通过机架302。在示例性实施方式中，检测器阵列316包括多个检测器环，每个检测器环具有多个检测器元件318，检测器环具有对应于X射线源312的角度配置。监测传感器240(如图2所示)包括检测器元件318，下面进一步讨论。
机架302和X射线源312由监测和控制系统200控制，监测和控制系统200包括机架控制器336、X射线控制器338、数据采集系统(DAS)340、图像重构器342、传送带控制器344、机架计算机346、大容量存储系统348、操作员控制台350和显示设备352。在一些实施方式中，机架计算机346是计算机105(图1和2中所示)和/或CPU 215(图2中所示)。而且，在一些实施方式中，大容量存储系统348是其他设备220中的一者(图2中所示)。此外，在一些实施方式中，操作员控制台350是用户输入接口130(如图1所示)。此外，在一些实施方式中，显示设备352是呈现接口120(如图1所示)。
机架控制器336控制机架302的旋转速度和位置，而X射线控制器338向X射线源312提供功率和定时信号，并且数据采集系统340从检测器元件318获取模拟数据并将数据转换为数字形式用于后续处理。图像重构器342从数据采集系统340接收数字化的X射线数据，并执行图像重构过程，该过程涉及使用螺旋重构算法过滤投影数据。
机架计算机346与机架控制器336、X射线控制器338和传送带控制器344通信，由此控制信号从机架计算机346发送到控制器336、338、344，并且通过机架计算机346从控制器336、338、344接收信息。机架计算机346还向数据采集系统340提供命令和操作参数，并从图像重构器342接收重构的图像数据。重构的图像数据由机架计算机346存储在大容量存储系统348中，以便随后检索。操作员(第一操作员230或第二操作员235，均在图2中示出)通过操作员控制台350与机架计算机346对接(操作员控制台350可包括例如键盘和图形指示设备)，并在显示设备352上接收输出，例如重构的图像、控制设置和其他信息。机架计算机346是诊断计算设备，即，在示例性实施方式中，机架计算机346包括诊断模块354，下面进一步讨论。
图4的各种系统元件之间的通信由箭头线表示，箭头线表示用于信号通信或机械操作的手段，这取决于所涉及的系统元件。可以通过硬连线或无线布置获得各种系统元件之间的通信。计算机346可以是独立计算机或网络计算机，并且可以包括各种计算机语言的指令，以用于各种计算机平台和各种操作系统。计算机346的其他示例包括具有微处理器、微控制器或其他等效处理设备的系统，所述等效处理设备能够执行计算机可读数据的命令或用于执行控制算法的程序。为了执行规定的功能和期望的处理，以及相关的计算，例如一个或多个执行傅里叶分析算法和这里规定的控制过程，计算机346包括但不限于一个或多个处理器115和存储器110(均在图1中示出)、存储器、一个或多个寄存器、定时、一个或多个中断、通信接口和输入/输出信号接口，以及包括前述中的至少一个的组合。例如，计算机346可以包括输入信号滤波，以实现来自通信接口的这种信号的精确采样和转换或获取。如本文所述，示例性实施方式通过计算机实现的过程和用于实践那些过程的装置来实现。
图5是与CT成像系统201一起使用的可旋转机架302的示意性前视图。机架302包括X射线源312和具有辐射检测器元件318的相对的检测器阵列316。辐射检测器元件318使用光电二极管阵列(未示出)以检测入射辐射。光电二极管对电磁辐射光谱的光学(即人类可见的)范围内的光子自然敏感。因此，更高能量的辐射(例如，X射线)通过闪烁体转换成光学光子，以便由光电二极管即间接检测检测器进行检测。或者，使用吸收和检测诸如X射线和伽马射线等高能光子的光电二极管，即直接检测检测器。本文描述的方法适用于间接和直接检测检测器。光子(直接作为X射线，或者在光学范围内作为X射线起源并且在光学范围内被转换为光子)一旦被光电二极管接收，便于产生用于生成被成像对象的图像的信号。
机架302还包括机架支撑轴承360，其有助于机架302围绕机架旋转轴线362的旋转330。在示例性实施方式中，轴承360是直径约为1米的滚珠轴承。或者，轴承360是能够操作如本文所述的CT成像系统201的任何轴承。机架轴承360通过多个机架轴承架构件364耦合到检测器阵列316和机架302的其余部分。检测器阵列316和相关的机架轴承架构件364至少部分地限定机架轴承360的机械诊断系统。
图6是用于与监测和控制系统200集成的CT成像系统201的示例性诊断系统400的示意图。在示例性实施方式中，诊断系统400包括CT成像系统201的元件，所述元件包括监测和控制系统200的元件。因此，诊断系统400利用现有硬件并且基本上是计算机实现的改进升级。诊断系统400用于从检测器阵列316的各个检测器元件318捕获数据，以执行诊断以确定特定部件(例如，机架轴承360)的机械健康。可旋转机架302的其他部件也可以使用系统400来诊断，例如但不限于机架轴承架构件364、机架壳体(未示出)和机架驱动马达(未示出)。
在示例性实施方式中，诊断系统400包括更新服务器402，其是以下中之一：独立计算设备105(图1和2中所示)、CPU 215(图2中所示)和作为其他设备220(如图2所示)的部分的远程服务器220。更新服务器402通过软件、硬件和固件的任何组合耦合到嵌入在机架计算机346内的诊断模块354，使得诊断模块354和诊断系统400能够如本文所述那样操作。更新服务器402通过通信网络225耦合到诊断模块354，例如但不限于因特网、WAN和LAN。诊断模块354包括耦合到存储器设备110的处理设备115。更新服务器402发送与可旋转机架302和辐射检测器元件318相关联的更新数据403，例如但不限于相应的偏移电流(下面进一步讨论)。
而且，在示例性实施方式中，诊断系统400包括检测器阵列316。检测器阵列316包括多个辐射检测器元件318，图6中仅示出四个，即第一辐射检测器元件404、第二辐射检测器元件406、第三辐射检测器元件408和第四辐射检测器元件410。元件318、404、406、408和410中的每一个还被配置为生成表示与被监测的CT部件(例如，机架轴承360(如图5所示))相关联的测量数据的电信号。
此外，在示例性实施方式中，诊断系统400包括客户端计算设备105/215，其包括耦合到诊断模块354的输出设备352/120。客户端计算设备105/215从机架计算机346接收状态数据412，其中状态数据与辐射检测器元件318相关联(下面更详细地描述)。
图7是利用图2和4中所示的监测和控制系统200，具体地，利用诊断系统400(图6中所示)监测CT成像系统201(图3和4中所示)的示例性方法500。图8是用于使用诊断系统400实现方法500的示例性过程520的流程图。参考图1-8，方法500包括：步骤502，由诊断系统400从至少一个辐射检测器元件318接收电信号522。每个电信号522基本上代表从辐射检测器元件318产生和发射的“偏移电流”，并且电信号522包括与每个辐射检测器元件318相关联的偏移电流的变化。
在示例性实施方式中，每个辐射检测器元件318包括多个光电二极管(未示出)。光电二极管具有“耗尽区”，其限定能隙，即，电子流经光电二极管的势垒。电子必须在稳态下跳过的能隙被称为“带隙”，因为已知电子具有称为带的离散的势能级(相对于原子)，并且带隙是一旦达到稳态，顶部价带(即最大势能)和底部(即最低势能)导带之间的势能差。
电子可以通过热效应获得势能。具体地，可以通过吸收热能来提高电子的势能(能带)。在较高温度，即非零开尔文温度下，这些热激发电子“自发地”跳过带隙。该过程是随机过程，取决于光电二极管中的温度，并且当其连接到更宽的电路时导致流过二极管的小电流。因此，光电二极管经受热电流，通常被称为“暗电流”或“偏移电流”，因为它是即使光电二极管不受光学光子影响(即光电二极管处于完全黑暗中)也流过(例如涓流过)光电二极管的电流。该涓流电流被视为必须从光电二极管在成像条件下产生的任何信号中减去以获得准确的信号值的偏移值。减去偏移电流通常称为“偏移校正”，并将在下面进一步讨论。温度升高会导致“热电流”增加。而且，减小和增加带隙的宽度分别引起固定温度下的热噪声水平的增加和减少。
机械应变定义了受到这种应变的对象长度的变化。这种机械应变是通过良好建立的关系由压缩和膨胀应力(即力)引起的。这些应力由机械耦合到辐射检测器元件318(例如，机架轴承360)的部件引起。元件318的光电二极管具有已知区域，在该已知区域上，诱导力用于限定光电二极管内所诱导的应力。光电二极管的膨胀和收缩也通过其中的耗尽区域经历。因此，扩展耗尽区减小了带隙以及压缩耗尽区增加了带隙。在没有光信号的情况下，带隙的这种变化导致偏移电流的微小变化。因此，通过测量的偏移电流的变化，可以测量通过可旋转机架302的机械耦合部件的机械状态的变化在检测器318上诱导的力的变化。此外，由于理解了偏移电流的变化和与可旋转机架302的机械部件相关联的力之间的关系，因此检测器318便于监测这种机械部件的机械状况并诊断其故障。具体地，每个辐射检测器元件318用作机械换能器。然后，换能器效应用于识别检测器元件318通过其在空间中的移动而经历的与频率相关的力，或当旋转通过空间时检测器元件318从可旋转机架302的基本刚性结构吸收的与频率相关的力。然后，这些与频率相关的力用于识别各种轴承缺陷、系统不平衡，以及创建用于俯仰校准的机架旋转速度的独立估计，以及其他确定，下面进一步讨论。
图9是从CT成像系统201(图3和5中所示)的一个辐射检测器元件318(图4-6中所示)接收的时域中的原始偏移数据的图形表示，即曲线图560。曲线图560包括纵坐标，即y轴562，其表示以任意单位(au)表示的数值，所述单位进一步表示来自特定辐射检测器元件318的振动信号的幅值，类似于加速度计的振动信号的幅值。Y轴562包括从2045.5au延伸到2051au的值，增量为0.5au。曲线图560还包括横坐标，即x轴564，其表示以毫秒(ms)为单位的时间。X轴564包括以500ms的增量从0ms延伸到大约2500ms的值。生成表示电信号522的原始迹线566，其中电信号522表示由辐射检测器元件318产生并从其发射的偏移电流。如在时域中的这种振动迹线的典型情况那样，在迹线566上表示的信号522表现为随机噪声。
再次参考图1-8，方法500还包括：步骤504，通过执行一个或多个傅里叶分析算法526，利用诊断系统400识别电信号522中的第一频率524，从而通过电信号522上的傅里叶变换526确定第一频率524处的加速度的幅值，即第一幅值528。第一频率524和第一幅值528是基于从所有辐射检测器元件318发送的信号522的。
图10是通过傅里叶变换526从时域变换到频域的原始振动数据566(图9中示出)的图形表示，即曲线图570。曲线图570包括纵坐标，即y轴572，其表示对于特定频率从特定辐射检测器元件318(图4-6中所示)接收的以每秒计数为单位的加速度。Y轴572包括以每秒0.01个计数为增量从每秒0个计数延伸到每秒0.07个计数的值。曲线图570还包括横坐标，即x轴574，其表示以赫兹(Hz)为单位的频率。X轴574包括以100Hz为增量从0Hz延伸到1400Hz的值。生成表示变换迹线566的变换迹线576。如在频域中的这种振动迹线的典型情况，迹线576中示出的一些峰值表示作用在辐射检测器元件318上的应力，并且峰值的幅值与应力的幅值成比例；其他峰值是由电噪声引起的。大多数这样的峰值或者是特定检测器元件318固有的，或者来源不明，并不表示故障部件。然而，可旋转机架302是公知的，并且在某些频率处存在对应于已知缺陷的已知峰值。因此，迹线576的某些峰值可用于提供可旋转机架302的部件的机械状态的指示。例如但不限于，大约300Hz处的峰值578指示滚珠通过频率(ball pass frequency)，即当机架轴承360的滚动元件(未示出)滚过轴承360的内圈或外圈(未示出)中的缺陷时的频率。因此，在该示例中，第一频率524(如图8所示)约为300Hz，第一幅值528(如图8所示)约为每秒0.42个计数。
再次参考图1-8，如上所述从第二辐射检测器元件406发送的信号522确定第二频率530和第二幅值532。类似地，如上所述从第M辐射检测器元件发送的信号522确定第M频率534和第M幅值536。
图11是在一组CT成像系统201(图3和5中所示)中发现的来自辐射检测器元件318(图4-6中所示)的多个指示的图形表示，即曲线图580。曲线图580包括纵坐标，即y轴582，其表示在测量的滚珠通过频率最大值(BPFmax)处的峰值的幅值，作为从特定辐射检测器元件318接收的任意单位(au)的均方根值。Y轴582包括以0.05为增量从0延伸到3.0的值。曲线图580还包括横坐标，即x轴584，其表示在所述一组中的若干CT扫描仪中的每一个，每个CT扫描仪包含检测器318。如图11所示，有两种不同的指示分布。大多数指示是负指示586。然而，一些指示是正指示588(只有两个相邻的从同一个CT扫描仪突出的正指示，但在不同时间)，这意味着机架轴承360的一个座圈中的缺陷(如图5所示)。
再次参考图1-8，方法500还包括：步骤506，利用诊断系统400将电信号522中的第一频率524与存储在存储器设备110中的第一参考频率538进行比较，其中第一参考频率528至少部分地指示CT部件(即，机架轴承360)的第一机械状态540。方法500还包括：步骤508，利用诊断系统400，通过确定第一相似性得分542，来确定电信号522中的第一频率524与第一参考频率538基本相似。方法500还包括：步骤510，响应于步骤508中确定第一频率524与第一参考频率538基本相似，利用诊断系统400确定CT成像系统201具有第一机械状态540。
例如，在大约300Hz处的座圈缺陷的情况下，第一参考频率将是300Hz，第一频率将大约是300Hz，并且第一相似性得分将大约是0，从而指示识别出第一状态540，即座圈缺陷。第一相似性得分542可以是数值、范围或定性值。
类似地，将第二频率530与第二参考频率544进行比较以确定第二相似性得分546，然后确定第二机械状态548。将第M频率534与第N参考频率550进行比较以确定第i相似性得分552，从而确定第N机械状态。
如上所述，在被监测的CT部件是机架轴承360的情况下，步骤510，确定CT成像系统201具有第一机械状态540包括：利用诊断系统400，基于电信号522中的第一频率524确定机架轴承360是有缺陷的。诸如第一状态540、第二状态548和第N状态554之类的缺陷可以包括但不限于座圈缺陷、滚子缺陷和可旋转机架302内的质量不平衡。类似的缺陷确定可以用第二频率530直到第M频率534进行。
参考图6和8，诊断系统400还被配置为，通过将预定义的转换因子应用于第一频率524的第一幅值528，来计算第一辐射检测器元件404上的第一应力590。执行类似的操作以确定第二辐射检测器元件406上的第二应力592、第三辐射检测器元件408上的第三应力594、第四辐射检测器元件410上的第四应力596等，用于全套辐射检测器元件318。
参考图8，诊断系统400(图6中示出)被配置为，对CT成像系统201(如图2-4和6所示)上的每个辐射检测器元件318(图4-6中所示)执行偏移扫描。这种偏移扫描是CT成像系统201的校准过程的部分。如上所述使用在偏移扫描期间收集的数据，来确定每个辐射检测器元件318的偏移电流。这些校准通常每天执行并且原位执行，即，它们在CT成像系统201所处的位置进行，而不是在运输之前在工厂进行一次。通常，通过在不产生x射线时获取电信号522的数据，来执行这种偏移扫描。每个单独的辐射检测器元件318将具有不同的测量热电流。在一些实施方式中，在诊断系统400中使用每个不同的偏移电流。在其他实施方式中，获得偏移电流的平均值，并且该值用于所有检测器元件318。
继续参考图8，诊断系统400还可以用于基于电信号522中的第一频率524，来计算可旋转机架302(图3-6中所示)的旋转速度。这种确定通过将机架速度的估计确定为要在机架速度控制方案(未示出)中使用的反馈信号(未示出)，来促进机架302的速度控制。例如，可以选择峰值频率，例如2.5Hz，以表示大约150转/分钟(rpm)的机架速度，并且峰值频率和机架速度之间的关系是线性的。
这里描述的实施方式提供了用于改进计算机断层摄影(CT)成像系统内的机械装置的诊断的经济有效的系统和方法。本文描述的系统和方法使用诊断系统来监测机械状态，例如，使用已经安装并用于检测将用于成像的X射线的多个辐射检测器元件，来承载CT成像系统的振动。在一些实施方式中，诊断系统被配置为确定CT成像系统可能具有有缺陷的轴承。而且，在一些实施方式中，诊断系统还被配置为确定与可旋转机架相关联的质量不平衡。另外，在一些实施方式中，诊断系统还配置为执行偏移扫描，例如周期性校准扫描。在一些实施方式中，诊断系统被配置为计算可旋转机架的旋转速度。此外，在一些实施方式中，诊断系统还配置为检测与每个辐射检测器元件相关联的偏移电流的变化。在一些实施方式中，诊断系统还被配置为确定第一频率的幅值并计算每个辐射检测器元件上的应力。由于这里描述的实施方式基本上是基于软件的，因此可以在现有CT成像系统上追溯地部署软件。因此，利用当前的硬件配置在改型活动中节省了大量的时间和费用。另外，这里描述的实施方式便于诊断监测，使得可以基于所获得的材料状态数据来调整维护计划。例如，在预定的时间段内轴承振动特征几乎没有变化有利于推迟昂贵的维护活动。
这里描述的系统和方法的技术效果包括以下中的至少一个：(a)具有x射线检测和机械状态监测的CT成像系统中的现有x射线检测器单元的双重任务；(b)根据X射线检测器单元的测量值，便于早期发现有缺陷的轴承；(c)在运行期间对轴承的使用寿命进行更一致的机架轴承监测；(d)确定与旋转CT成像系统机架相关的质量不平衡；(e)利用辐射检测器元件促进CT成像系统偏移扫描，例如，周期性校准扫描；(f)利用辐射检测器元件促进计算可旋转机架的旋转速度；(g)检测与每个辐射检测器元件相关的偏移电流的变化；(h)确定每个辐射检测器元件上的应力；(i)在基于软件的实施的情况下，通过对CT成像系统硬件的最小改变，简化并降低对现有CT成像系统进行改造升级的成本；(j)使用机架轴承的材料状态数据来提前或推迟改变校正和预防性维护活动。
CT成像系统的示例性实施方式以及操作这样的系统和设备的方法，不限于本文描述的特定实施方式，而是系统的组件和/或方法的步骤可以独立地并且与本文描述的其他组件和/或步骤分开使用。例如，该方法还可以与使用需要轴承支撑的快速旋转部件的其他X射线成像系统结合使用，并且不限于仅使用本文所述的CT成像系统和方法来实践。而是，示例性实施方式可以结合其他成像系统来实现和使用。
尽管本公开的各种实施方式的具体特征可能在一些附图中示出，而在其他附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来参考和/或要求附图的任何特征。
一些实施方式涉及使用一个或多个电子或计算设备。这样的设备通常包括处理器、处理设备或控制器，例如通用中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、精简指令集计算机(RISC)处理器、特定应用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理(DSP)设备和/或能够执行本文所述功能的任何其他电路或处理设备。本文描述的方法可以被编码为收录在计算机可读介质中的可执行指令，所述计算机可读介质包括但不限于存储设备和/或存储器设备。当由处理设备执行时，这些指令使处理设备执行本文描述的方法的至少部分。以上示例仅是示例性的，因此并不旨在以任何方式限制术语处理器和处理设备的定义和/或含义。
本书面说明书使用示例来公开实施方式，包括最佳实施方式，并且还使本领域技术人员能够实践的实施方式，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。本公开的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有差异的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元素，则这些其他示例落入上述权利要求的范围内。

Claims (27)

1.一种用于监测计算机断层摄影(CT)系统的状态的诊断系统，所述诊断系统包括：
至少一个辐射检测器元件，所述辐射检测器元件被配置成，监测CT部件并生成表示与所述CT部件相关联的测量数据的信号；和
诊断计算机设备，所述诊断计算机设备包括：处理器和被耦合至所述处理器的存储器，所述诊断计算机设备与所述至少一个辐射检测器元件通信，所述诊断计算机设备配置成：
从所述至少一个辐射检测器元件接收电信号；
识别所述电信号中的第一频率；
将所述电信号中的所述第一频率与存储在所述存储器设备中的第一参考频率进行比较，所述第一参考频率至少部分地指示所述CT部件的第一机械状态；
确定所述电信号中的所述第一频率与所述第一参考频率基本相似；和
响应于确定所述第一频率与所述第一参考频率基本相似，确定所述CT系统具有所述第一机械状态。
2.根据权利要求1所述的诊断系统，其中所述CT部件是机架轴承，所述诊断计算机设备还被配置为，基于所述电信号中的所述第一频率确定所述机架轴承是有缺陷的。
3.根据权利要求1所述的诊断系统，其中所述CT部件是可旋转机架，所述诊断计算机设备还被配置为，基于所述电信号中的所述第一频率确定与所述可旋转机架相关联的质量不平衡。
4.根据权利要求1所述的诊断系统，其中所述诊断计算机设备还被配置为，当所述CT系统执行偏移扫描时，从所述至少一个辐射检测器元件接收所述电信号。
5.根据权利要求1所述的诊断系统，其中所述CT部件是可旋转机架，所述诊断计算机设备还被配置为，基于所述电信号中的所述第一频率计算所述可旋转机架的旋转速度。
6.根据权利要求1所述的诊断系统，其中所述诊断计算机设备还被配置为，检测与所述至少一个辐射检测器元件相关联的偏移电流的变化。
7.根据权利要求1所述的诊断系统，其中所述诊断计算机设备还被配置为：
通过对所述电信号的傅里叶变换，确定所述第一频率的幅值；和
通过将预定义的转换因子应用于所述第一频率的所述幅值，来计算所述至少一个辐射检测器元件上的应力。
8.根据权利要求1所述的诊断系统，其中所述第一参考频率是存储在所述存储器设备中的多个参考频率中的一者，所述诊断计算机设备还被配置为，确定所述第一频率和所述多个参考频率中的每个参考频率之间的各自的相似度。
9.根据权利要求1所述的诊断系统，其中所述至少一个辐射检测器元件至少包括：第一辐射检测器元件和第二辐射检测器元件，所述诊断计算机设备还被配置为，确定作用在所述第一辐射检测器元件上的第一应力和作用在所述第二辐射检测器元件上的第二应力。
10.一种计算机断层摄影CT系统，包括：
被配置成旋转的机架，所述机架包括：
至少一个机架轴承架构件；和
被耦合至所述至少一个机架轴承架构件的机架轴承；
至少一个辐射检测器元件，所述辐射检测器元件被耦合至所述至少一个机架轴承架构件，所述至少一个辐射检测器元件被配置成，监测所述机架轴承并生成表示与所述机架轴承相关的测量数据的信号；和
诊断计算机设备，所述诊断计算机设备包括：处理器和被耦合至所述处理器的存储器，所述诊断计算机设备与所述至少一个辐射检测器元件通信，所述诊断计算机设备配置成：
从所述至少一个辐射检测器元件接收电信号；
识别所述电信号中的第一频率；
将所述电信号中的所述第一频率与存储在所述存储器设备中的第一参考频率进行比较，所述第一参考频率至少部分地指示所述机架轴承的第一机械状态；
确定所述电信号中的所述第一频率与所述第一参考频率基本相似；和
响应于确定所述第一频率与所述第一参考频率基本相似，确定所述CT系统具有所述第一机械状态。
11.根据权利要求10所述的CT系统，其中所述诊断计算机设备还被配置为，基于所述电信号中的所述第一频率确定所述机架轴承是有缺陷的。
12.根据权利要求10所述的CT系统，其中所述诊断计算机设备还被配置为，基于所述电信号中的所述第一频率确定与所述机架相关联的质量不平衡。
13.根据权利要求10所述的CT系统，其中所述诊断计算机设备还被配置为，当所述CT系统执行偏移扫描时，从所述至少一个辐射检测器元件接收所述电信号。
14.根据权利要求10所述的CT系统，其中所述诊断计算机设备还被配置为，基于所述电信号中的所述第一频率来计算所述机架的旋转速度。
15.根据权利要求10所述的CT系统，其中所述诊断计算机设备还被配置为，检测与所述至少一个辐射检测器元件相关联的偏移电流的变化。
16.根据权利要求10所述的CT系统，其中所述诊断计算机设备还被配置为：
通过对所述电信号的傅里叶变换，确定所述第一频率的幅值；和
通过将预定义的转换因子应用于所述第一频率的所述幅值，来计算所述至少一个辐射检测器元件上的应力。
17.根据权利要求10所述的CT系统，其中所述第一参考频率是存储在所述存储器设备中的多个参考频率中的一者，所述诊断计算机设备还被配置为，确定所述第一频率和所述多个参考频率中的每个参考频率之间的各自的相似度。
18.根据权利要求10所述的CT系统，其中所述至少一个辐射检测器元件至少包括：第一辐射检测器元件和第二辐射检测器元件，所述诊断计算机设备还被配置为，确定作用在所述第一辐射检测器元件上的第一应力和作用在所述第二辐射检测器元件上的第二应力。
19.一种监测计算机断层摄影(CT)系统的方法，所述CT系统包括：至少一个CT部件和包括至少一个辐射检测器元件的诊断系统，所述诊断系统被耦合至所述至少一个CT部件，所述方法包括：
通过所述诊断系统，从所述至少一个辐射检测器元件接收电信号；
利用所述诊断系统，识别所述电信号中的第一频率；
利用所述诊断系统，将所述电信号中的所述第一频率与存储在存储器设备中的第一参考频率进行比较，所述第一参考频率至少部分地指示所述至少一个CT部件的第一机械状态；
利用所述诊断系统，确定所述电信号中的所述第一频率与所述第一参考频率基本相似；和
响应于确定所述第一频率与所述第一参考频率基本相似，利用所述诊断系统确定所述CT系统具有所述第一机械状态。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述CT部件是机架轴承，其中确定所述CT系统具有所述第一机械状态包括：利用所述诊断系统，基于所述电信号中的所述第一频率确定所述机架轴承是有缺陷的。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述CT部件是可旋转机架，其中确定所述CT系统具有所述第一机械状态包括：利用所述诊断系统，基于所述电信号中的所述第一频率确定与所述可旋转机架相关联的质量不平衡。
22.根据权利要求19所述的方法，其中从所述至少一个辐射检测器元件接收电信号包括：在所述CT系统上执行偏移扫描。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述CT部件是可旋转机架，所述方法还包括：利用所述诊断系统，基于所述电信号中的所述第一频率计算所述可旋转机架的旋转速度。
24.根据权利要求19所述的方法，其中从所述至少一个辐射检测器元件接收电信号包括：利用所述诊断系统，检测与所述至少一个辐射检测器元件相关联的偏移电流的变化。
25.根据权利要求19所述的方法，还包括：
利用所述诊断系统，通过对所述电信号的傅里叶变换确定所述第一频率的幅值；和
利用所述诊断系统，通过将预定义的转换因子应用于所述第一频率的所述幅值，来计算所述至少一个辐射检测器元件上的应力。
26.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一参考频率是存储在所述诊断系统中的多个参考频率中的一者，所述方法还包括：利用所述诊断系统，确定所述第一频率和所述多个参考频率中的每个参考频率之间的各自的相似度。
27.根据权利要求19所述的方法，其中所述至少一个辐射检测器元件至少包括：第一辐射检测器元件和第二辐射检测器元件，所述方法还包括：利用所述诊断系统，确定作用在所述第一辐射检测器元件上的第一应力和作用在所述第二辐射检测器元件上的第二应力。
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