CN110720938B - 一种用于x射线球管的监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于X射线球管的监控方法，包括将X射线球管监测系统的输出信号，经过信号处理器进行处理和转化后发送给监控主机，监控主机将处理后的信号整合到显示界面，显示供现场人员参考，监控主机将处理后的信号进行故障判断，将监测结果和状态信息本地存储；所述X射线球管监测系统包括匹配X射线球管阳极转子振动特性的振动监测设备，所述振动监测装置包括振动传感器和微震传感器，所述微震传感器安装在X射线球管管套内。本发明改进了X射线球管的结构、密封和供电方式，实现了X射线球管工作状态的实时监控、故障诊断与故障预警、延长了产品的使用寿命。

Description

一种用于X射线球管的监控方法

技术领域

本发明涉及涉及医疗设备技术领域，尤其是涉及一种用于X射线球管的监控方法。

背景技术

X射线球管是X射线机设备发出X射线的源，也是X射线机易损的主要部件(正常的使用寿命是逐渐老化的过程与使用频次、使用条件、使用环境有关)，目前市场上各应用X射线机领域配套使用的X射线球管(包括进口品牌、国产品牌的各类X射线球管)存在如下缺陷：

(1)目前市场上生产销售的X射线机设备中的X射线球管，无法观察X射线球管内的X射线球管芯内的阳极靶面、阴极灯丝的状态，在工作人员调试设备时往往需要用眼直接观察X射线球管靶面状态、旋转方向(如果是旋转阳极靶面时)、大、小焦点灯丝切换、灯丝加压增温等无负载时的工作状态。现在只能采取拆下与X射线球管安装联接的束光器、X射线球管射线窗口的铝滤过片(还有些厂家生产的X射线球管铝滤过片是用胶粘上的，无法拆卸)才能观察X射线球管无负载时的工作状态。因避免辐射伤害，更观察不了X射线球管在有载(出射线)时的工作状态。另外，用户在长期使用X射线机设备时也无法随时观察X射线球管工作状态(如阳极的靶面龟裂等),不清楚X射线球管老化状况。

(2)目前市场上生产销售的X射线机设备，在实际使用中常常有高条件、多频次的连续使用(间隔时间很短)，这时X射线球管往往处于温度较高的临界保护状态，X射线球管管套与X射线球管芯之间的高压绝缘油由于温度高而造成热涨，使X射线球管阴极端的膨胀鼓(橡胶材料)过度鼓起。由于没有监测手段，用户不知道X射线球管这种状态而继续使用，就会造成膨胀鼓膨胀过劳状态、老化破裂。在用户使用X射线机设备时也发生过因膨胀鼓破裂而导致热高压绝缘油喷出X射线球管的事例。

(3)目前市场上生产销售的X射线机设备中，对X射线球管的实际(实际是指X射线球管真正发出的X射线，下同)发生的剂量、实际的单次曝光(X射线球管出射线)时间、实际的累积曝光时间、实际的曝光总次数没有统计监测(有些只是统计的预制选择的参数而非X射线球管所发出的实际剂量)。但确是用户需要了解X射线球管老化状态的重要参考指标。

(4)目前市场上生产销售的X射线机设备中的X射线球管，对X射线球管套的温度管控是采用机械式的温度开关(如图1所示)，当X射线球管套温度达到70度时机械开关断开，控制X射线机设备禁止再使用，只有X射线球管套的温度降低几度以后才可以继续使用，但由于是机械式的温度开关，对X射线球管套温度控制的离散型很大，同时对X射线球管处于低温时的环境下没有管控，会影响X射线球管的使用寿命。用户在使用X射线机设备过程中更无法了解X射线球管套的实时温升状态。

(5)目前市场上生产销售的X射线机设备中的旋转阳极X射线球管，对旋转阳极转动的监控是采取的对定子线圈预制参数的监控。旋转阳极X射线球管的阳极靶面转动是由X射线球管管套内的阳极侧的定子线圈通电后产生旋转磁场，使处于真空玻璃壳体内阳极靶面的连接轴转子感应产生旋转(类似单相异步电机原理)。监测定子线圈供电的启动电压、启动工作电流虽然正常，但却不能保证转子的转速达到所设计需求的正常转速(旋转阳极X射线球管中速旋转转速约2800转/分钟，旋转阳极X射线球管高速旋转转速约9800转/分钟)，如因长期使用X射线球管、支撑转子的轴承老化、转动不平衡稳导致实际的阳极靶面转速下降直至卡死停转，这时继续使用X射线球管会造成阳极靶面过热融化，阳极靶面金属溢出导致X射线球管真空度极速下降，X射线球管管电流过大，造成X射线机设备的损坏。据统计X射线球管的损坏需更换X射线球管芯的80％左右都是因转速问题所造成的，同时也给X射线机设备带来损坏。所以无法实时监控旋转阳极转动的转速就无法降低用户的损失。

目前市场上在售的X射线球管由管套和球管芯构成。管套为X射线球管芯的外部结构，管芯由阴极、阳极组成，包括灯丝组，旋转阳极靶等构件，加电压后可发射X射线。目前市场上大部分在售的X射线球管缺乏全面的工作状态实时监测设备和监测手段，无数据分析，无状态显示，无储存记录功能，无联网通信功能，无故障预警与诊断功能，导致在使用中X射线球管和X射线机故障和事故频发。

发明内容

针对上述现有产品无法全面了解X射线球管工作状态的功能缺陷，本发明的目的在于提供一种完整的，实时可视化的，全数字的，基于标准通信接口的状态监控系统。为实现上述目的，其技术方案如下所述：

一种用于X射线球管的监测方法，其特征在于，包括：

步骤A：将X射线球管监测系统的输出信号；

步骤B：步骤A输出的信号，经过信号处理器进行处理和转化后发送给监控主机；

步骤C：监控主机将处理后的信号整合到显示界面，显示供现场人员参考；

步骤D：监控主机将处理后的信号进行故障判断；

步骤E：将监测结果和状态信息本地存储。

进一步的，所述步骤A包括：通过匹配X射线球管阳极转子振动特性的振动监测设备对X射线球管工作状态信息进行监控；

所述步骤B包括：有用于将信号放大、信号调理、信号采集和信号处理的电路板，所述电路板包括模拟电路部分、单片机部分、通信电路部分和电源部分；

所述步骤D包括：设定X射线球管工作状态的信息的标定值，监控主机将处理信号与标定值进行故障判断；

所述步骤E包括：监控主机将监测结果和状态信息反馈给X射线机，X射线机可根据反馈的工作状态决定是否允许X射线曝光操作。

进一步的，还包括步骤F，若X射线球管工作状态出现故障，则X摄像机停止曝光操作。

进一步的，所述振动监测设备包括通过压电式加速度传感器对振动监测设备的输出信号进行处理，通过前置放大器、主放大器和滤波电路对信号进行放大和调理，用AD转化与信号采集对数据进行采集，将采集的数据进行信号处理与故障判断，相关信号信息一方面传输给通信模块，对于故障判断信息通过报警电路进行报警提示；

进一步的，所述振动监测设备的监测方法包括多个步骤，具体如下：

步骤1：在下一个秒脉冲到来时振动监测设备开始读取1秒内采样的4096点的数据；

步骤2：计算全部数据的平方和得到信号能量值，判断能量值是否超过阈值；

步骤3：发出故障报警，记录故障时间、能量、频率质心及4096点数据，并执行步骤1；

步骤4：对4096个数据进行FFT运算，得到4096点的幅频值；对4096点的幅频值选取2048个低幅频值，舍弃2048个高幅频值；对选取的2048个数据按照序号加权求和，得到频率质心；

步骤5：在下一个秒脉冲到来时振动监测设备开始读取1秒内采样的4096点的数据，根据信号范围判断数据有效性，若数据无效，则执行步骤1；若数据有效，执行步骤2；

步骤6：计算全部数据的平方和得到信号能量值，若超过阈值，执行步骤2；若未超过阈值，则执行步骤4；

步骤7：判断频率质心是否超过阈值范围，若超过，执行步骤3；若未超过阈值，则执行步骤1。

进一步的，还包括获取提供X射线球管监测数据的用户的用户信息，同时转发给云端应用服务器进行储藏。

进一步的，用户需要获取X射线球管监测数据时，还包括：

获取该用户的用户信息；

根据该用户信息确定出对应的X摄像球管的监测数据，并且反馈给X射线机主机。

一种X射线球管监控系统，其特征在于，包括：

内建实时动态监测的X射线球管，所述X射线球管包括；所述X射线球管监测系统包括匹配X射线球管阳极转子振动特性的振动监测设备，所述振动监测装置包括振动传感器和微震传感器，所述微震传感器安装在X射线球管管套内。

进一步，所述X射线球管监测系统还包括设置在X射线球管内部电路板设备舱中的电路板，所述电路板通过二极管半波整理、RC滤波处理、电容积分运算和电阻分压对电流互感信号进行处理，同时设置对采集电路进行保护的稳压管。

本发明提供的一种用于X射线球管的监控方法，改进X射线球管的结构，增加多种传感器及相应的信号放大、调理、采集、处理电路，通信功能和通信协议。同时还全新设计了能够显示、存储、联网通信的主机，实现了X射线球管工作状态的实时监控、故障诊断与故障预警、延长了产品的使用寿命。内建实时动态监测功能的X射线球管及监控主机可共同组成一个网络智能设备，支出多种状态数据的云端应用服务器处理，多种设备远程查询。

附图说明

图1为市场上大部分在售X射线球管工作网络示意图；

图2为内建实时动态监测的X射线球管和监控主机的工作网络示意图；

图3为匹配X射线球管阳极转子振动特性的振动监测设备的信号处理流程示意图；

图4为振动监测设备的组成；

图5为振动监测方法流程；

图6为两个振动传感器和一个微震动传感器在工作中某一秒采样的波形数据及其对应功率谱；

图7为X射线球管三次启停的振动质心。

具体实施方式

图1为市场上大部分X射线球管工作环境。在这种工作环境中，X射线球管仅仅作为X射线机的一个执行器件，除了仅有的温控开关和主机电流检测外，X射线球管无信号采集与反馈装置，更谈不上对射线管工作状态的多维度实时动态监测。要改变上述问题，首先应该改变X射线球管的外部环境。将X射线球管从X射线机的执行器件改变为网络上的一个智能设备，这个设备除了能够完成现有的X射线球管发射X射线的功能外，还需要感知自身的工作状态，向网络传输自己的状态数据，接受来自网络的信息和指令，调整自身的工作参数。下面，参考附图对本发明的实施例进行具体说明。

为了兼容原有的X射线机结构和安装方式，X射线球管的外观结构没有大的改动，但增加了一台与其配合共同实现网络智能设备的监控主机。本实施例中X射线机为市场上已有的射线机，监控主机向其反馈X射线球管的工作状态，X射线机可根据反馈的工作状态决定是否允许X射线曝光操作，形成了如图2所示的内建实时动态监测的X射线球管和监控主机的工作网络环境。

一种用于X射线球管的监测方法，其特征在于，包括：根据内建实时动态监测的X射线球管通过匹配X射线球管阳极转子振动特性的振动监测设备对X射线球管工作状态信息进行监控，通过X射线球管内输出的信号，利用其内部的电路板将信号进行处理和转化后发，并基于内部的通信电路将状态信号通过本地通信线路上传给监控主机，监控主机接收到信号后，进行抗噪和锐化处理，可直接将其整合到显示界面，显示供现场人员参考；与设定X射线球管工作状态的信息的标定值，监控主机将处理信号与标定值进行故障判断解码图像，检测结果和状态信息本地存储，并且反馈给X射线机主机，射线机可根据反馈的工作状态决定是否允许X射线曝光操作。若X射线球管工作状态出现故障，则X摄像机停止曝光操作。同时也可以转发给云服务器供各种终端设备查询。

本发明可以实现“一对一，一对多”的服务，所谓“一对一”，即监控主机也可向X射线球管下发运行参数，实现X射线球管和监控主机的双向通信。监控主机为PC机或嵌入式计算机，具有显示接口、网络通信接口和其他常用输入输出设备，同时具有与X射线球管的通信接口。在监控主机上运行软件，软件可获取来自X射线球管的状态数据，进行处理和故障检测，还进行状态的整合显示。所谓“一对多”即监控主机能将状态的数据及将状态数据发送到云端应用服务器上，可供多种设备进行访问获取X射线球管的当前和历史工作状态数据，达到一对多的目的。设备内网与互联网通过网络防火墙隔离，多种设备(如PC、笔记本电脑、平板电脑和智能手机等)可访问云端应用服务器，获取X射线球管的当前和历史工作状态数据。

进一步的，一种用于X射线球管的监测方法还包括获取提供X射线球管监测数据的用户的用户信息，同时转发给云端应用服务器进行储藏。当用户需要获取X射线球管监测数据时，还可以获取该用户的用户信息；根据该用户信息确定出对应的X摄像球管的监测数据，并且反馈给X射线机主机。

进一步的，一种用于X射线球管的监测方法还包括获取提供X射线球管监测数据的用户的用户信息，同时转发给云端应用服务器进行储藏。当用户需要获取X射线球管监测数据时，还可以获取该用户的用户信息；根据该用户信息确定出对应的X摄像球管的监测数据，并且反馈给X射线机主机。

一种X射线球管监控系统，包括：内建实时动态监测的X射线球管，所述X射线球管包括匹配X射线球管阳极转子振动特性的振动监测设备，所述振动监测装置包括振动传感器和微震传感器，所述微震传感器安装在X射线球管管套内，所述压力传感器安装在X射线球管油密封腔的管壁上，所述温度传感器为多个安装在X射线球管内部。

进一步的，所述X射线球管监测系统还包括设置在X射线球管内部电路板设备舱中的电路板，所述电路板通过二极管半波整理、RC滤波处理、电容积分运算和电阻分压对电流互感信号进行处理，同时设置对采集电路进行保护的稳压管。所述电路板为圆形采用单一12V供电，RJ45网络接口，所述电路板有上下左右共4个安装孔，安装在X射线球管内部电路板设备舱中。

如图3所示的所述振动监测设备包括振动传感器和微震传感器，所述振动传感器设置在X射线球管管套内和外部附着位置，所述微震传感器安装在X射线球管管套内部，针对传感器输出的微弱电压信号，通过信号放大电路对信号进行放大和调理，用AD采集电路进行数据采集，将采集数据送给单片机或嵌入式计算机进行信号处理。将振动、微震信号处理的结果与标定的物理量相匹配，可识别出当前X射线球管工作的噪声、幅度、扭矩、转速、偏向、功率等状态信息，上述状态信息打包后由通信电路上传到监控主机；监控主机收到数据包后，对数据包进行处理，将转速等X射线球管的状态信息信息与图像整合显示，同时监控主机还基于故障模型，匹配异常振动和转速的信息，进行故障检测。振动和转速等信息本地存储，同时上传云端服务器供多种终端查询,并且反馈给X射线机主机。

进一步，信号放大电路对信号进行放大和调理，放大电路主要由三级运放实现，第一级为前置放大器，基于AD797运算放大器芯片，实现40db的固定低噪声放大。第二级和第三级基于NE5532运算放大器芯片，可更改反馈电阻实现可变增益信号放大。

如图4所示为振动监测设备的组成，所述振动监测设备通过压电式加速度传感器对振动传感器和微震传感器输出的信号进行处理，通过前置放大器、主放大器和滤波电路对信号进行放大和调理，用AD转化与信号采集对数据进行采集，将采集的数据进行信号处理与故障判断，相关信号信息一方面由通信模块进行信息本地存储，同时上传云端服务器供多种终端查询,并且反馈给X射线机主机，对于故障判断信息通过报警电路进行报警提示，操作人员进行相关处理。具体的，如图5所示，所述振动监测设备的监测方法包括多个步骤，具体如下：

步骤1：在下一个秒脉冲到来时振动监测设备开始读取1秒内采样的4096点的数据；

步骤2：计算全部数据的平方和得到信号能量值，判断能量值是否超过阈值；

步骤3：发出故障报警，记录故障时间、能量、频率质心及4096点数据，并执行步骤1；

步骤4：对4096个数据进行FFT运算，得到4096点的幅频值；对4096点的幅频值选取2048个低幅频值，舍弃2048个高幅频值；对选取的2048个数据按照序号加权求和，得到频率质心；

步骤5：在下一个秒脉冲到来时振动监测设备开始读取1秒内采样的4096点的数据，根据信号范围判断数据有效性，若数据无效，则执行步骤1；若数据有效，执行步骤2；

步骤6：计算全部数据的平方和得到信号能量值，若超过阈值，执行步骤2；若未超过阈值，则执行步骤4；

步骤7：判断频率质心是否超过阈值范围，若超过，执行步骤3；若未超过阈值，则执行步骤1。

图6为一次X射线球管正常工作中振动传感器和微震传感器采集1秒的波形数据和对应的功率谱，可见不论是振动还是微震信号，其功率谱均反映X射线球管工作时的频率特性，主要由旋转阳极的旋转特性和射线管的本振频率构成，功率谱的改变可反映出X射线球管的工作状态的改变。图7为在45秒的三次启停中X射线球管振动质心的变化图。横坐标为时间，单位为秒，纵坐标为振动功率谱的质心；根据图7可知，X射线球管启动后，转速增加，其功率谱质心随之增加；停机后，转速下降，功率谱质心随之下降。综上，通过压电式加速度传感器对振动信号的采集后，经过FFT运算计算幅频值，对选取的2048个数据按照序号加权求和，得到频率质心，通过判断频率质心与设定阈值的偏差，判断X射线球管的转速大小，对X射线球管的工作状态进行判断。若频率质心超过阈值则发出警报信息，操作人员进行停机等操作，同时记录故障时间、能量、频率质心及4096点数据，同时相关数据同步到云端，作为大数据的一部分为后续研究提供基础数据。

综上所述，通过本发明的实施，使X射线设备的发生源-X射线球管的状态得到实时监测、智能化控制，使X射线设备的使用用户了解X射线球管的老化状态，提前预防备件，减少因X射线球管老化续更换的停机时间。同时在X射线球管最终因老化损坏之前停止使用也降低了X射线设备的其他高压部件的损坏率，降低使用成本。

Claims (4)

1.一种用于X射线球管的监测方法，其特征在于，包括：

步骤A：将X射线球管监测系统的输出信号；

步骤B：步骤A输出的信号，经过信号处理器进行处理和转化后发送给监控主机；

步骤C：监控主机将处理后的信号整合到显示界面，显示供现场人员参考；

步骤D：监控主机将处理后的信号进行故障判断；

步骤E：将监测结果和状态信息本地存储；

所述步骤A包括：通过匹配X射线球管阳极转子振动特性的振动监测设备对X射线球管工作状态信息进行监控；

所述步骤B包括：有用于将信号放大、信号调理、信号采集和信号处理的电路板，所述电路板包括模拟电路部分、单片机部分、通信电路部分和电源部分；

所述步骤D包括：设定X射线球管工作状态的信息的标定值，监控主机将处理信号与标定值进行故障判断；

所述步骤E包括：监控主机将监测结果和状态信息反馈给X射线机，X射线机可根据反馈的工作状态决定是否允许X射线曝光操作；

所述振动监测设备包括通过压电式加速度传感器对振动监测设备的输出信号进行处理，通过前置放大器、主放大器和滤波电路对信号进行放大和调理，用AD转化与信号采集对数据进行采集，将采集的数据进行信号处理与故障判断，相关信号信息一方面传输给通信模块，对于故障判断信息通过报警电路进行报警提示；

所述振动监测设备的监测方法包括多个步骤，具体如下：

步骤1：在下一个秒脉冲到来时振动监测设备开始读取1秒内采样的4096点的数据；

步骤2：计算全部数据的平方和得到信号能量值，判断能量值是否超过阈值；

步骤3：发出故障报警，记录故障时间、能量、频率质心及4096点数据，并执行步骤1；

步骤4：对4096个数据进行FFT运算，得到4096点的幅频值；对4096点的幅频值选取2048个低幅频值，舍弃2048个高幅频值；对选取的2048个数据按照序号加权求和，得到频率质心；

步骤5：在下一个秒脉冲到来时振动监测设备开始读取1秒内采样的4096点的数据，根据信号范围判断数据有效性，若数据无效，则执行步骤1；若数据有效，执行步骤2；

步骤6：计算全部数据的平方和得到信号能量值，若超过阈值，执行步骤2；若未超过阈值，则执行步骤4；

步骤7：判断频率质心是否超过阈值范围，若超过，执行步骤3；若未超过阈值，则执行步骤1。

2.根据权利要求1所述的一种用于X射线球管的监测方法，其特征在于，还包括步骤F，若X射线球管工作状态出现故障，则X摄像机停止曝光操作。

3.根据权利要求1所述的一种用于X射线球管的监测方法，其特征在于，还包括获取提供X射线球管监测数据的用户的用户信息，同时转发给云端应用服务器进行储藏。

4.根据权利要求1所述的一种用于X射线球管的监测方法，其特征在于，用户需要获取X射线球管监测数据时，还包括：

获取该用户的用户信息；

根据该用户信息确定出对应的X摄像球管的监测数据，并且反馈给X射线机主机。

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