CN110584691A - 具有加速度传感器的计算机断层扫描设备 - Google Patents

具有加速度传感器的计算机断层扫描设备 Download PDF

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CN110584691A CN201910506004.XA CN201910506004A CN110584691A CN 110584691 A CN110584691 A CN 110584691A CN 201910506004 A CN201910506004 A CN 201910506004A CN 110584691 A CN110584691 A CN 110584691A
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A·延施
F·基斯林
U·屈恩
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Abstract

本发明涉及具有加速度传感器的计算机断层扫描设备，该计算机断层扫描设备具有：承载框架；旋转框架，该旋转框架借助于旋转轴承被支承，使得旋转框架相对于承载框架围绕旋转轴线能够旋转；用于检测获取加速度数据的加速度传感器；以及用于处理加速度数据的数据处理单元，其中加速度传感器被布置在旋转框架上并被构造为微机电系统。

Description

具有加速度传感器的计算机断层扫描设备
技术领域
本发明涉及一种具有用于获取加速度数据的加速度传感器的计算机断层扫描设备、以及一种用于处理计算机断层扫描设备的加速度传感器的加速度数据的方法。
背景技术
在计算机断层扫描设备中，旋转框架以高质量和高转速旋转。例如，旋转框架可具有高达1600千克或更高的质量和高达240转/分钟或更高的转速。为了保护患者和工作人员，要对旋转框架的旋转的机械安全性监控和维护。特别是，必须监控旋转框架的不平衡性质并在必要时通过平衡进行补偿。这可以例如通过被集成到计算机断层扫描设备中的平衡系统来完成。
利用该平衡系统，在已经维修和/或更换计算机断层扫描设备的部件的维修操作之后，可以检查剩余的不平衡。然后如果超过剩余不平衡的先前定义的极限值，则启动系统的平衡过程。在传统的计算机断层扫描设备中，使用两个单轴传感器在两个平面上测量不平衡以进行动态平衡。在此，两个传感器放置在两个不同的位置处。例如，这些传感器可以是基于动圈原理的振动速度传感器。
另外，对于计算机断层扫描设备，必须测量旋转框架的转速和倾斜角度。根据相关指南，必须使用两个或多个冗余测量路径以确保首次故障安全性。这对于倾斜运动尤其重要，因为倾斜运动是改变机架的外轮廓并因此增加碰撞风险的运动。由此增加了测量技术和成本的支出。
在传统的计算机断层扫描设备中总共使用两个传感器来确定不平衡并且使用另外两个传感器来确定倾斜角度。为了确定转速，在传统的计算机断层扫描设备中使用传感器系统，传感器系统在旋转框架上具有均匀结构以及至少一个接近传感器，接近传感器与该均匀结构配合。
均匀结构可以例如被形成为孔带。另外，传感器系统可以具有零点标记，零点标记例如是长孔的形式，用于确定旋转角度。例如，至少一个接近传感器可以被设计用于均匀结构的感应扫描。传感器系统尤其可以包括两个接近传感器，这些接近传感器相对于旋转轴线偏移例如90度的角度布置。在确定旋转角度和检测旋转方向时，这实现了更高的分辨率。
旋转框架的转速、加速度传感器与旋转轴线RZ的距离以及加速度传感器的测量范围相互匹配，使得加速度传感器一方面不会过载，并且另一方面可以足够精确地测量。
发明内容
本发明所具有的目的是提供一种传统传感器系统的备选方案，用于计算机断层扫描设备的旋转框架的旋转和/或不平衡。
独立权利要求的每个主题都可以实现这个目的。在从属权利要求中考虑本发明的进一步有利的方面。
本发明涉及一种计算机断层扫描设备，具有：
-承载框架，
-旋转框架，旋转框架借助于旋转轴承被支承，使得旋转框架相对于承载框架围绕旋转轴线能够旋转，
-用于获取加速度数据的加速度传感器，以及
-用于处理加速度数据的数据处理单元，
-其中加速度传感器被布置在旋转框架上，并且被构造为微机电系统。
本发明的实施方式规定，加速度传感器被构造成：获取关于彼此垂直且分别垂直于旋转轴线的两个方向中的每个方向的加速度数据。
本发明的实施方式规定，加速度传感器被构造成：获取关于平行于旋转轴线的方向的加速度数据。
本发明的实施方式规定，数据处理单元被构造成基于加速度数据确定测量参量，测量参量涉及旋转框架围绕旋转轴线的旋转和/或选自这样的组：该组包括旋转框架的旋转角度、角速度和角加速度。
本发明的实施方式规定，数据处理单元被构造成：基于加速度数据确定旋转框架的不平衡和/或测量参量，测量参量涉及旋转框架的平衡。
本发明的实施方式涉及一种计算机断层扫描设备，还具有：
-倾斜框架，倾斜框架相对于承载框架围绕倾斜轴线能够被倾斜支承，其中旋转轴承被容纳在倾斜框架中，
-其中数据处理单元被构造成：基于加速度数据确定倾斜框架的倾斜角度。
本发明的实施方式规定，数据处理单元被构造成：基于加速度数据确定旋转轴承的轴承损坏。
本发明的实施方式涉及一种计算机断层扫描设备，还具有：
-X射线管，其具有阳极旋转轴承，该阳极旋转轴承用于：相对于X射线管的电子束而可旋转地支承X射线管的阳极，
-其中数据处理单元被构造成基于加速度数据确定阳极旋转轴承的轴承损坏。
本发明的实施方式涉及一种计算机断层扫描设备，还具有：
-检测器，检测器被设置在旋转框架上并且用于获取投影数据，
-投影数据准备单元，投影数据准备单元被设置在旋转框架上并且被构造成用于准备用于数据传输的投影数据，
-其中加速度传感器被集成在检测器和/或投影数据准备单元中。
本发明还涉及一种处理计算机断层扫描设备的加速度传感器的加速度数据的方法，其中所述方法包括以下步骤：
–使计算机断层扫描设备的旋转框架相对于计算机断层扫描设备的承载框架围绕旋转轴线进行旋转，其中旋转框架通过旋转轴承可旋转地被支承，
-通过加速度传感器获取加速度数据，其中加速度传感器被布置在计算机断层扫描设备的旋转框架上，并且被构造为微机电系统，以及
-处理加速度数据，其中，基于加速度数据，确定测量参量，该测量参量涉及旋转框架围绕旋转轴线的旋转，和/或该测量参量选自如下组，该组包括旋转框架的旋转角度、角速度和角加速度。
本发明的实施方式规定，基于加速度数据，确定旋转框架的不平衡和/或与旋转框架的平衡相关的测量参量。
本发明的实施方式规定，计算机断层扫描设备的倾斜框架相对于承载框架倾斜，其中旋转轴承被容纳在倾斜框架中，其中基于加速度数据确定倾斜框架的倾斜角度。
本发明的实施方式规定，基于加速度数据确定旋转轴承的轴承损坏。
本发明的实施方式规定，计算机断层扫描设备的X射线管的阳极相对于X射线管的电子束旋转，其中阳极通过阳极旋转轴承可旋转地被支承，其中基于加速度数据确定X射线管的阳极旋转轴承的轴承损坏。
数据传输尤其可以是通信网络中的数据传输。投影数据的准备尤其可以是以数据分组形式的投影数据的处理。投影数据准备单元例如可以具有网络处理器，该网络处理器被构造为以数据分组的形式处理投影数据。
特别地，加速度传感器可以位于投影数据准备单元的壳体内。例如，投影数据准备单元可以具有电板，其中在电板上布置有网络处理器和加速度传感器。
由此，可以节省被布置于投影数据准备单元和检测器之外的加速度传感器使用单独壳体和/或单独电源和/或单独数据连接所产生的成本。特别地，加速度传感器相对于旋转框架布置成不可移动。作为加速度传感器的备选或附加方案，可以使用用于地球磁场的陀螺仪和/或场强传感器。
在本发明的范围内，关于本发明的不同实施方式和/或不同的权利要求类别(方法、用途、装置、系统、布置等)描述的特征，可以组合成本发明的另外的实施方式。例如，涉及装置的权利要求也可以利用结合方法描述或要求保护的特征来改型，并且反之亦然。方法的功能特征在此可以通过相应构造的具体组件执行。除了在本申请中明确描述的本发明的实施方式之外，可以想到本发明的本领域技术人员能够实现的各种其他实施方式，而不脱离本发明的范围，只要该范围由权利要求预先确定即可。
在本申请的上下文中，术语“基于”可以特别在表达“使用”的意义下被理解。特别是，基于第二特征产生(备选地：检测、确定等)第一特征所依据的表述不排除的是，可以基于第三特征产生(备选地：求取、确定等)第一特征。
在下文中，将参考附图借助于实施例解释本发明。附图中的表示是示意性的、大幅简化并且不一定按比例。
附图说明
图示：
图1示出了具有单轴加速度传感器的计算机断层扫描设备，
图2示出了具有两个单轴加速度传感器的计算机断层扫描设备，
图3示出了具有双轴加速度传感器的计算机断层扫描设备，
图4示出了具有三轴加速度传感器的计算机断层扫描设备，
图5示出了具有两个三轴加速度传感器的计算机断层扫描设备，以及
图6示出了用于处理计算机断层扫描设备的加速度传感器的加速度数据的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了具有单轴加速度传感器M11的计算机断层扫描设备1，单轴加速度传感器被构造为微机电系统(MEMS)，以用于获取旋转框架D的加速度数据并且布置在旋转框架D上。计算机断层扫描设备1包括机架20、隧道形开口9、患者支承装置10和控制装置30。机架20具有承载框架F，倾斜框架O和转子24。借助于承载框架F上的倾斜支承装置，倾斜框架O围绕倾斜轴线相对于承载框架F能够被倾斜地布置，该倾斜轴线是水平的并且垂直于旋转轴线RZ。转子24借助于旋转轴承相对于倾斜框架O围绕旋转轴线RZ可旋转地布置在倾斜框架O上并且具有旋转框架D。
患者13能够被引入到隧道形开口9中。采集区域4位于隧道形开口9中。在采集区域4中，患者13的待成像区域被定位成使得辐射27可以从辐射源26到达待成像区域，并且在与待成像区域相互作用之后可以到达辐射检测器28。患者支承装置10具有支承基座11和支承板12，以支承患者13。支承板12可以相对于支承基座11可移动地布置在支承基座11处，使得支承板12在支承板12的纵向方向上能够引入到采集区域4中。
计算机断层扫描设备1被构造成基于电磁辐射27获取采集数据。计算机断层扫描设备1具有采集单元。采集单元是投影数据采集单元，其具有辐射源26，例如X射线管，以及检测器28，例如X射线检测器，特别是能量分辨的X射线检测器。辐射源26被布置在转子24的旋转框架D上，并且被构造成利用辐射量子27发射辐射27，例如X射线辐射。检测器28被布置在转子24的旋转框架D上并且被构造成检测辐射量子27。辐射量子27可以从辐射源26到达患者13的待成像区域，并且在与待成像区域相互作用之后撞击检测器28。以这种方式，可以以投影数据的形式借助于所述采集单元获取待成像区域的采集数据。
控制装置30被构造成接收由采集单元所获取的采集数据。控制装置30被构造成控制计算机断层扫描设备1。控制设备30具有数据处理单元35、计算机可读介质32和处理器系统36。控制装置30，特别是数据处理单元35，由具有计算机的数据处理系统形成。控制装置30具有图像重建设备34。图像重建设备34可以基于采集数据重建医学图像数据集。
计算机断层扫描设备1具有分别与控制装置30连接的输入装置38和输出装置39。输入装置38被构造成输入控制信息，例如，图像重建参数、检查参数等。特别地，输出装置39被构造成输出控制信息、图像和/或声信号。
数据处理单元35被构造成根据所描述的方面中的一个方面来处理加速度数据。数据处理单元35特别被构造成基于加速度数据监控旋转框架D的移动。举例来说，在此可以将基于加速度数据确定的值，特别是旋转框架D的加速度的峰值与预定阈值进行比较。阈值在此可以被选择成使得阈值对应于旋转框架D的不同程度的不平衡。根据比较结果，可以借助于控制装置30触发措施，例如以计算机断层扫描设备1的警告、功能限制或功能锁为形式的措施。
在图1中所示的计算机断层扫描设备1没有集成平衡系统。在需要时，可以通过连接到计算机断层扫描设备1的外部平衡系统来进行平衡。因此，仅需要使用加速度传感器来监测不平衡，从而成本可以大大降低。
图2示出了计算机断层扫描设备1，具有单轴加速度传感器M11和单轴加速度传感器M12，它们分别被构造为微机电系统(MEMS)，以用于获取旋转框架D的加速度数据并且布置在旋转框架D上。基于M11和M12的加速度数据，可以监测旋转框架D的不平衡，并且可以确定与旋转框架D的平衡相关的测量参量。例如，基于这些测量参量，可以确定布置在旋转框架D上的平衡配重的位置和/或质量。
图3示出了具有双轴加速度传感器M2的计算机断层扫描设备1，双轴加速度传感器被构造为微机电系统(MEMS)，以用于获取旋转框架D的加速度数据并且布置在旋转框架D上。基于M2的加速度数据，尤其可以确定动态不平衡，并且例如以平面中的矢量的形式表示动态不平衡。因此，总共仅需要一个加速度传感器来监测不平衡和平衡。
图4示出了具有三轴加速度传感器M3的计算机断层扫描设备1，三轴加速度传感器被构造为微机电系统(MEMS)，以用于获取旋转框架D的加速度数据并且布置在旋转框架D上。三轴加速度传感器M3例如可以以堡盟GAM900的形式实现和/或具有高达16g或更高的测量范围。
三轴加速度传感器M3布置在旋转框架D上，使得X轴垂直于旋转轴线RZ和Y轴，Y轴垂直于旋转轴线RZ，并且相对于旋转轴线RZ径向向外指向，并且Z轴平行于旋转轴线RZ。在图4中，X轴由箭头x表示，Y轴由箭头y表示，Z轴由箭头z表示。
原则上，可以使用加速度传感器M3的三个轴的其他取向，特别是三个轴中没有一个轴垂直于或平行于旋转轴线RZ的取向。然后，在确定测量参量时，要考虑相应的变换关系和/或要组合来自多个轴的加速度值。
基于加速度传感器M3的加速度数据，可以确定用于旋转、倾斜运动和不平衡的测量参量。由于旋转轴线RZ的基本水平方向，加速度传感器M3穿过地球重力场，导致加速度值的+/-1g调制。
基于与在X轴方向上和/或在Y轴方向上的加速度有关的加速度数据，可以确定旋转框架D的旋转角度和/或角速度和/或角加速度。特别地，加速度传感器M3可以在旋转框架D的旋转期间连续地通过位置P0、P90、P180和P270。P90和P0之间的旋转角度为90度。P180和P0之间的旋转角度为180度。P270和P0之间的旋转角度为270度。
当倾斜框架O被定向成使得旋转轴线RZ是水平的时，对于静止的旋转框架D例如得到在X轴方向上的以下加速度值：P0中为0、P90中为1g，P180中为0，并且P270中为-1g，以及在Y轴方向上的以下加速度值：P0中为-1g，P90中为0、P180中为1g，并且P270中为0。在此，g是重力加速度。
如果倾斜框架O被定向成使得旋转轴线RZ是水平的，则针对以角速度ω均匀旋转的旋转框架D例如得到在X轴方向上的以下加速度值：P0中为0，P90中为1g，P180中为0，并且P270中为-1g，以及在Y轴方向上的以下加速度值：P0中为-1g+ay，P90中为ay，P180中为1g+ay，并且P270中为ay。在此，ay是离心加速度ay＝ω2r。r是加速度传感器M3与旋转轴线RZ的距离。
如果倾斜框架O被定向成使得旋转轴线RZ是水平的，则针对以角加速度a执行加速旋转的旋转框架D例如得到在X轴方向上的以下加速度值：P0中为-ax，P90中为1g-ax，P180中为-ax，并且P270中为-1g-ax，以及在Y轴方向上的以下加速度值：P0中为-1g+ay，P90中为ay，P180中为1g+ay，并且P270中为ay。在此，ax＝αr是切向加速度。
通过评估轻微+/-1g调制的相位位置，根据X轴方向上的加速度值例如可以确定旋转框架D的旋转角度。通过确定在一个或多个回转上沿X轴方向的加速度的平均值，根据X轴方向上的加速度值例如可以确定旋转框架D的角加速度α。该平均值形成在X轴方向上的加速度值的+/-1g调制的偏置量ax，并且与角加速度α成比例。
通过评估轻微+/-1g调制的相位位置，根据Y轴方向的加速度值例如可以确定旋转框架D的旋转角度，该相位位置相对于X轴方向上的加速度值的+/-1g调制是以90度被移相的。因此，基于X轴方向上的加速度值和Y轴方向上的加速度值，可以确定旋转框架D的旋转的旋转方向。
通过确定在一个或多个回转上沿Y轴方向的加速度的平均值，根据Y轴方向上的加速度值例如可以确定旋转框架D的角速度ω。该平均值形成在Y轴方向上的加速度值的+/-1g调制的偏置量ay，并且随角速度ω平方地增加。
Z轴方向上的加速度值等于gsinθ。在此，θ是旋转轴线RZ为水平时的为零的倾斜角度。因此，倾斜角度θ可以根据Z轴方向上的加速度值来确定。如果旋转轴线RZ相对于水平而偏转倾斜角度θ，则在上述考虑中，加速度值的+/-1g调制必须由加速度值的+/-1gcosθ调制代替。通过参考重力加速度，可以基于加速度数据自动校准旋转角度和倾斜角度。特别地，可以基于旋转角度和倾斜角度的加速度数据在每种情况下确定零位置。
此外，基于加速度传感器M3的加速度数据，可以确定旋转框架D的不平衡和/或与旋转框架D的平衡相关的测量参量。此外，基于加速度传感器M3的加速度数据，可以监视被形成为围绕旋转框架D的旋转轴线RZ相对于承载框架F可旋转支承的旋转轴承的操作状态，特别是为了确定旋转轴承的轴承损坏。
此外，基于加速度传感器M3的加速度数据，可以监测X射线管26的阳极旋转轴承的运行状态，特别是为了确定阳极旋转轴承的轴承损坏。特别地，可以使用滤波器来选择和检查加速度数据中的特征频率。
此外，基于加速度传感器M3的加速度数据，可以监视计算机断层扫描设备1的运输，特别是对于可能例如对旋转轴承造成损坏的冲击。
图5示出了计算机断层扫描设备1，包括两个三轴加速度传感器M31和M32，它们分别被构造为微机电系统(MEMS)，以用于获取旋转框架D的加速度数据并且布置在旋转框架D上。计算机断层扫描设备1具有投影数据准备单元N，投影数据准备单元被布置在旋转框架D处并且被构造成准备用于数据传输的投影数据，特别是用于从旋转框架D到控制装置30的数据传输。加速度传感器M31和M32分别被集成到投影数据准备单元N中。通过使用两个加速度传感器M31和M32，提供两个冗余测量路径以保证首次故障安全性。
图6示出了用于处理计算机断层扫描设备1的加速度传感器的加速度数据的方法的流程图。其中所述方法包括以下步骤：
–使计算机断层扫描设备1的旋转框架D相对于计算机断层扫描设备1的承载框架F围绕旋转轴线RZ进行旋转，其中旋转框架D通过旋转轴承可旋转地被支承，
-借助于加速度传感器M11、M2、M3获取RA加速度数据，其中加速度传感器M11、M2、M3被布置在计算机断层扫描设备1的旋转框架D上并且被构造为微机电系统，以及
-处理PA加速度数据，其中基于加速度数据确定测量参量，该测量参量涉及旋转框架D围绕旋转轴线RZ的旋转，和/或该测量参量选自如下组，该组包括旋转框架D的旋转角度、角速度和角加速度。

Claims (14)

1.一种计算机断层扫描设备(1)，包括：
-一个承载框架(F)，
-一个旋转框架(D)，所述旋转框架借助于旋转轴承被支承，使得所述旋转框架(D)相对于所述承载框架(F)围绕旋转轴线(RZ)能够旋转，
-一个加速度传感器(M11、M2、M3)，用于获取加速度数据，以及
-一个数据处理单元(35)，用于处理所述加速度数据，
-其中所述加速度传感器(M11、M2、M3)被布置在所述旋转框架(D)上并且被构造为微机电系统。
2.根据权利要求1所述的计算机断层扫描设备(1)，
-其中所述加速度传感器(M11、M2、M3)被构造成：获取关于彼此垂直并且分别垂直于所述旋转轴线(RZ)的两个方向(x，y)中的每个方向的加速度数据。
3.根据权利要求1或2所述的计算机断层扫描设备(1)，
-其中所述加速度传感器(M11、M2、M3)被构造成：获取关于与所述旋转轴线(RZ)平行的方向(z)的加速度数据。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的计算机断层扫描设备(1)，-其中所述数据处理单元(35)被构造成：基于所述加速度数据确定测量参量，所述测量参量涉及所述旋转框架(D)围绕所述旋转轴线(RZ)的旋转，和/或所述测量参量选自如下组，所述组包括所述旋转框架(D)的旋转角度、角速度和角加速度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的计算机断层扫描设备(1)，-其中所述数据处理单元(35)被构造成：基于所述加速度数据确定所述旋转框架(D)的不平衡，和/或确定涉及所述旋转框架(D)的平衡的测量参量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的计算机断层扫描设备(1)，还具有：
-一个倾斜框架(O)，所述倾斜框架相对于所述承载框架(F)围绕倾斜轴线能够被倾斜支承，其中所述旋转轴承被容纳到所述倾斜框架(O)中，
-其中所述数据处理单元(35)被构造成：基于所述加速度数据确定所述倾斜框架(O)的倾斜角度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的计算机断层扫描设备(1)，-其中所述数据处理单元(35)被构造成：基于所述加速度数据确定所述旋转轴承的轴承损坏。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的计算机断层扫描设备(1)，还具有：
-一个X射线管(26)，所述X射线管具有一个阳极旋转轴承，所述阳极旋转轴承用于：相对于所述X射线管(26)的电子束，可旋转地支承所述X射线管(26)的阳极，
-其中所述数据处理单元(35)被构造成：基于所述加速度数据，确定所述阳极旋转轴承的轴承损坏。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的计算机断层扫描设备(1)，还具有：
-一个检测器(28)，所述检测器被布置在所述旋转框架(D)上，并且用于获取投影数据，
-一个投影数据准备单元(N)，所述投影数据准备单元被布置在所述旋转框架(D)上，并且被构造用于准备所述投影数据，以用于数据传输，
-其中所述加速度传感器(M11、M2、M3)被集成到所述检测器(28)中，和/或被集成到所述投影数据准备单元(N)中。
10.一种用于处理计算机断层扫描设备(1)的加速度传感器的加速度数据的方法，其中所述方法包括以下步骤：
-使所述计算机断层扫描设备(1)的一个旋转框架(D)相对于所述计算机断层扫描设备(1)的一个承载框架(F)围绕旋转轴线(RZ)进行旋转(RR)，其中所述旋转框架(D)通过一个旋转轴承可旋转地被支承，
-借助于一个加速度传感器(M11、M2、M3)获取(RA)所述加速度数据，其中所述加速度传感器(M11、M2、M3)被布置在所述计算机断层扫描设备(1)的所述旋转框架(D)上，并且被构造为微机电系统，以及
-处理(PA)所述加速度数据，其中基于所述加速度数据确定测量参量，所述测量参量涉及所述旋转框架(D)围绕旋转轴线(RZ)的旋转，和/或所述测量参量选自如下组，所述组包括所述旋转框架(D)的旋转角度、角速度和角加速度。
11.根据权利要求10所述的方法，
-其中基于所述加速度数据，确定所述旋转框架(D)的不平衡，和/或确定与所述旋转框架(D)的平衡相关的测量参量。
12.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，
-其中所述计算机断层扫描设备(1)的一个倾斜框架(O)相对于所述承载框架倾斜，其中所述旋转轴承被容纳到所述倾斜框架(O)中，
-其中基于所述加速度数据，确定所述倾斜框架(O)的倾斜角度。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，
-其中基于所述加速度数据，确定所述旋转轴承的轴承损坏。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，
-其中所述计算机断层扫描设备(1)的一个X射线管(26)的阳极相对于所述X射线管(26)的电子束旋转，其中所述阳极借助于一个阳极旋转轴承可旋转地被支承，
-其中基于所述加速度数据，确定所述X射线管(26)的所述阳极旋转轴承的轴承损坏。
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