CN114422070A - 一种ct机定子和转子时间同步方法、ct机和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CT机定子和转子时间同步方法、CT机和存储介质，其在CT待机状态下，在定子和转子之间设置同步时钟，通过传输脉冲信号和测量脉冲宽度，得到双方时钟的频率的细微差别，更加精准地实现定子和转子之间时钟同步；在CT扫描状态下，定子侧定时发送机架转子角度信号和时间戳，通过无线通信方式传输到转子侧，时间戳由定子本地晶振计数产生，通过修正补偿的方式，计算机架转子的角度信息，并进一步确定探测器采样的时间，消除扫描阶段的误差累积。本发明能够实现移动CT的旋转机架转子系统和定子系统的信号同步传输，提高探测器的采样时间精度，简化系统结构，降低设备成本和系统功耗。

Description

一种CT机定子和转子时间同步方法、CT机和存储介质

技术领域

本发明涉及移动CT信号的无线传输技术领域，尤其涉及一种CT机定子和转子时间同步方法、CT机和存储介质。

背景技术

CT机的旋转机架的驱动装置包括定子和转子两个部分，其中转子承载X射线球管及探测器，扫描时转子带动二者做围绕病人的圆周运动，X射线穿过组织，由探测器接收其投影产生数字信号，成像软件算法根据不同角度的投影数据，构造出三维图像。CT扫描对探测器的采样角度的精度提出了要求，一般要求在0.1°以内，按旋转一圈1秒估算，转换为探测器的采样时间精度为1/3600＝277.8uS。随着转子旋转速度的提高，该精度要求相应提高。

目前探测器采样的触发信号是由机架定子读取的旋转编码器的角度信号，直接在定子部分产生触发脉冲信号；然后将这个触发脉冲信号和床位信号、零点信号等一起进行编码后，通过滑环以RS485差分电平传输到机架转子部分；解码恢复为转子端的脉冲后，进一步触发探测器对投影图像进行采样。CT滑环的信号环多采用信号复用方式在一套电路上传输多路信号，需要采用时分复用等方式对多路信号进行编解码，由此产生额外的信号抖动失真，这个抖动受滑环的带宽和传输信号路数的多寡影响，对CT成像不利，部分降低了系统的性能。

目前转子上的探测器采样脉冲是依赖于滑环有线传输的，滑环的维护和使用寿命也增加了用户的使用成本，信号质量受滑环传输信道数量和带宽制约，增加了机器的体积、制造、使用和维护成本等。

发明内容

技术目的：针对上述技术问题，本发明公开了一种CT机定子和转子时间同步方法、CT机和存储介质，通过在移动CT的转子和定子之间设置同步时钟，实现时基同步和定期同步校正，能够实现移动CT的旋转机架转子系统和定子系统的信号同步传输，能够提高探测器的采样时间精度，简化了系统结构，降低了设备成本和系统功耗。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种CT机定子和转子时间同步方法，其特征在于，定子侧执行以下步骤：

在CT待机状态下，通过有线信道向转子侧发送同步启动脉冲，用于供转子侧进入时间同步流程；

通过有线信道向转子侧发出频率修正脉冲，用于供转子侧进行频率修正；

通过有线信道向转子侧发出同步脉冲，用于供转子侧统一与定子侧的计时起点；

发出断开有线信道的指令；

在CT机扫描状态下，定时获取转子的实时角度，每获取一个实时角度时，由定子本地时钟产生时间戳，将实时角度和时间戳通过无线信道发送给转子侧。

优选地，所述同步启动脉冲、频率修正脉冲和同步脉冲均以定子侧的本地时钟为基准，在CT机处于待机状态时发出。

优选地，所述时间戳和实时角度以UDP报文格式发送给转子侧。

优选地，所述定子侧在发出频率修正脉冲和同步脉冲之后，或者在通过无线信道接收到转子侧的频率修正和时基同步校对完成的反馈信号之后，发出断开有线信道的指令。

优选地，转子侧执行以下步骤：

通过有线信道接收定子侧发送的同步启动脉冲，进入时间同步流程；

通过有线信道接收定子侧发送的频率修正脉冲，进行频率修正；

通过有线信道接收转子侧发出的同步脉冲，统一与定子侧的计时起点。

优选地，转子侧执行以下步骤：

通过无线信道接收定子侧定时发送的转子的实时角度和时间戳，所述实时角度为定子侧在CT机扫描状态下，定时检测转子的转动角度获得，时间戳为对应每一个实时角度，由定子侧的本地时钟产生；

比较时间戳与转子侧的本地时钟，得到表示无线信道传输的第一延迟数据，根据第一延迟数据、实时角度，计算得到表示无线信道传输延迟造成的转子的理论角度差值。

优选地，所述定子上承载CT机的旋转机架、X射线发生器和探测器，旋转机架在定子侧发出同步启动信号后，转到预设的同步信号位置；

根据所述理论角度差值，计算得到用作控制探测器采样的触发脉冲信号。

一种CT机，其特征在于，包括定子和转子，定子上承载CT机的旋转机架、X射线发生器和探测器，定子和转子之间设置有线信道和无线信道，定子侧设有执行所述方法的定子控制单元，转子侧设有执行所述方法的转子控制单元。

优选地，所述有线信道为连接定子和转子的同步信号连接器，同步信号连接器包括安装在定子上的同步信号连接器插头，和安装在转子上的同步信号连接器插座。

一种存储介质，存储有计算机可执行指令，其特征在于：所述指令在被处理单元执行时用于实现所述方法。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

本发明在CT待机阶段，定时执行同步及频率修正操作，通过定子和定子之间设置同步时钟，将两个部件通过直接电接触方式，传输频率修正脉冲作为参考脉冲来修正两边时钟，采用脉冲方式不仅可以同步双方计时起点，而且可以通过脉冲宽度的测量得到双方时钟的频率的细微差别，更加精准地实现了定子和转子之间时基同步。

本发明在CT曝光扫描阶段，执行定时同步的方法，将定子部分的角度信号加上时间戳，通过无线通信方式传输到转子，时间戳由定子本地晶振计数产生，精度优于50ppm；且采取了修正补偿的方式，在同步阶段根据同步脉冲，计算定子转子两地的本地时钟的频率误差，将此误差带入了定时同步阶段的探测器采样信号计算补偿，可以大大提高了探测器采样的时间精度，消除扫描阶段的误差累积。

本发明采用无线方式传输，不需要滑环和相关的脉冲编解码，大大降低了系统材料成本和使用维护成本，也降低了系统的功耗，适合移动CT使用场景，本发明采用脉冲方式不仅可以同步双方计时起点，而且可以通过脉冲宽度的测量得到双方时钟的频率的细微差别，进行频率校正，以有线信道方式接触式传输脉冲信号，其脉冲的延迟相比无线通信延迟可以忽略不计，而且即使有延迟，也是固定不变的，而非无线通信难以检测和计算的随机延迟。

附图说明

图1为本发明的实施例2的CT机的结构框图；

图2为本发明实施例3中定子侧执行方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的说明。

实施例1

本实施例提供了一种CT机定子和转子时间同步方法，定子上承载CT机的旋转机架和探测器。

(1)在定子侧执行以下步骤：

在CT待机状态下，通过有线信道向转子侧发送同步启动脉冲，用于供转子侧进入时间同步流程；

通过有线信道向转子侧发出频率修正脉冲，用于供转子侧进行频率修正；

通过有线信道向转子侧发出同步脉冲，用于供转子侧统一与定子侧的计时起点；

发出断开有线信道的指令；

在CT机扫描状态下，定时获取转子的实时角度，每获取一个实时角度时，由定子本地时钟产生时间戳，将实时角度和时间戳通过无线信道发送给转子侧。

具体地，同步启动脉冲、频率修正脉冲和同步脉冲均以定子侧的本地时钟为基准，在CT机处于待机状态时发出。

定子侧在发出频率修正脉冲和同步脉冲之后，或者在通过无线信道接收到转子侧的频率修正和时基同步校对完成的反馈信号之后，发出断开有线信道的指令。

(2)转子侧执行以下时基同步校对步骤：

通过有线信道接收定子侧发送的同步启动脉冲，进入时间同步流程；

通过有线信道接收定子侧发送的频率修正脉冲，进行频率修正；

通过有线信道接收转子侧发出的同步脉冲，统一与定子侧的计时起点。

(3)完成时基同步校对后，转子侧执行以下定时同步步骤：

通过无线信道接收定子侧定时发送的转子的实时角度和时间戳，所述实时角度为定子侧在CT机扫描状态下，定时检测转子的转动角度获得，时间戳为对应每一个实时角度，由定子侧的本地时钟产生；

比较时间戳与转子侧的本地时钟，得到表示无线信道传输的第一延迟数据，根据第一延迟数据、实时角度，计算得到表示无线信道传输延迟造成的转子的理论角度差值。

进一步地，在定子上承载CT机的旋转机架、X射线发生器和探测器，旋转机架在定子侧发出同步启动信号后，转到到预设的同步信号位置，根据求得的理论角度差值，计算得到用作控制探测器采样的触发脉冲信号。

实施例2

本实施例提供了一种CT机，包括定子和转子，定子上承载CT机的旋转机架、X射线发生器和探测器，定子和转子之间设置有线信道和无线信道，定子侧设有执行所述方法的定子控制单元，转子侧设有执行所述方法的转子控制单元。

具体地，如图1所示，CT机包括机架定子、机架转子、旋转编码器、旋转电机和传动机构，定子上承载旋转机架、相对设置在旋转机架上的X射线发生器和探测器，旋转编码器用于检测旋转机架的角度，旋转电机通过传动机构连接转子及旋转机架。

其中，定子侧设有定子控制单元和第一无线通信模块，旋转编码器、旋转电机和第一无线通信模块均连接定子控制单元，定子控制单元设有定子同步信号发生器，同步信号发生器用于产生本地时钟以及以本地时钟为基准的各种脉冲信号。

转子侧设有转子控制单元和第二无线通信模块，X射线发生器、探测器和第二无线通信模块均连接转子控制单元，转子控制单元设有产生转子侧本地时钟的晶振电路。

定子控制单元和转子控制单元之间设置同步信号连接器，同步信号连接器用于接收同步信号发生器发出的信号指令，根据信号指令在定子和转子之间建立自动连接或关闭的有线信道；

第一无线通信模块和第二无线通信模块用于在定子和转子之间建立无线信道。

本实施例中，通过在CT的机架定子上安装无线路由器；在定子和转子的控制单元上均设计安装WIFI收发模块，二者之间通过无线路由器实现数据无线传输。

本实施例中，同步信号连接器包括在CT机架定子上设计安装同步信号连接器插头，在转子上设计同步信号连接器插座。定子控制单元通过旋转编码器确定机架的角度，在无扫描曝光进程时驱动机架旋到信号同步位置的角度，此时由相关的机构实现同步连接器插头的插芯和同步连接器插座接触，为下一步信号同步做好信道准备。

实施例3

如图2所示，实施例2中的CT机的同步方法步骤如下：

开机后定子侧的同步信号发生器开始工作，先判断CT是否在曝光扫描状态，若处于曝光扫描状态，不能进行同步操作；当CT完成曝光进入待机状态时，转子旋转到同步连接机位，通过同步连接插芯接触转子的同步连接插座完成同步电路接通，定子发送同步启动脉冲。

定子发送频率修正脉冲，用于供转子侧频率修正。频率修正脉冲为特定脉宽范围的一组脉冲，需要符合同步连接器的传输带宽，而且如果频率太高，脉宽越窄，其上升沿下降沿变化快，对计数器的精度要求高。当转子接收到这个信号时，转子转入再同步状态，依据频率修正脉冲进行频率修正。方法如下：

定子侧时钟周期为τ0,时钟频率f0＝1/τ0；按固定计数值C0发出频率修正脉冲，其脉冲宽度为P0＝C0×τ0＝C0/f0。

频率修正脉冲在转子侧接收，按转子侧的时钟计数得到计数值C1；根据脉冲宽度相等的关系：P1＝P0＝C1/f1＝C0/f0；得到转子侧时钟频率f1与定子侧时钟频率f0的关系为：f1＝f0×C1/C0，并以此值修正转子侧时钟频率。

定子随后通过同步连接器发送同步脉冲，同步脉冲上升沿所对应的本地时钟时刻为t0,该时刻信息通过无线传输给转子接收。脉冲信号传输到转子的接收器，整形后以此脉冲的上升沿读取并记录转子侧的本地时钟时刻为t1；当转子接收到定子通过无线传输过来的t0信息后，计算得到两地的时钟偏差为Δt＝t1-t0；并以此值修改转子侧的时钟值为t^′＝t-Δt，完成定子与转子的时钟同步，t是转子侧同步前的实时时钟数值。

同步完成后同步连接器脱开，机架旋转开始扫描，定子本地的时基计数器生成时间戳，将采集的转子角度信息一起通过无线方式不断发送给转子。

转子根据历史信息计算出实时转子的角度和角速度及角加速度，以此确定发出探测器采集脉冲的时间。

具体地，本发明在CT机待机同步状态，定子同步信号发生器以本地时钟(50MHz,±20ppm)为基准，产生整周期宽度的同步脉冲(50M,1秒)。本发明参考时钟的频率为50MHz，同步脉冲宽度为1S。采用其它频率和脉宽也可以实现同步效果。

本发明在同步完成后，当CT进入扫描曝光进程之初，首先将同步连接器脱离接触，定子将采集到的转子角度θ₀，θ₁，…，θ_n和本地时间戳T₀，T₁，…，T_n，按Δt＝100us的间隔依次通过无线网络以UDP数据报发送到定子接收。也可以通过其它无线传输的方式实现。

定子查询本地时基计数，先按如下公式计算得到转子在每个时刻的角速度w_n和角加速度α_n：

w_n＝(θ_n-θ_n-1)/Δt

α_n＝(w_n-w_n-1)/Δt

在定子最近发出数据的时刻T_n到转子处理数据时刻T_z之间隔足够短的情况下，可以视机架转子在此时间片段内做匀加速(角加速度是不为零的常数)或匀速运动(角加速度为0)，因此可以按如下公式计算出当前时刻t的转子的角速度为：

w_t＝w_n+α_n×(T_z-T_n)

这个时间片段内的角度变化按下式计算：

从而得到此刻机架转子的角度为

θ_z＝θ_n+Δθ

由于转子与旋转机架、及设置于旋转机架上的探测器之间的位置关系是固定不变的，因此将此角度与预设的探测器采样脉冲发出的角度做比较，其结果可作为是否输出采样脉冲的条件。

综上，本发明能够实现移动CT信号无线传输系统实现机架定子和机架转子之间的信号传输，其中定子控制单元在CT待机状态下，驱动旋转电机将机架转子转到同步信号位置，并用同步信号连接器实现两者同步信号互联；随后定子控制单元发出同步信号到转子控制单元，转子控制单元根据脉冲的宽度和沿进行本地时基的校对和频率修正，即为完成时基同步，然后脱开同步信号连接器的接触；在扫描阶段，定子控制单元读取旋转编码器的数值得到转子的实时角度，用定子本地时钟做时间戳，通过无线路由器发送给转子控制单元。转子控制单元接收后用时间戳数据比较转子侧的本地时钟数据，得到无线传输的延迟，再利用历史数据解算可以得到此刻的转子实时角度，然后择机发出触发脉冲信号触发探测器采样。

本发明的方法是通过同步转子和定子的本地时钟，然后把定子得到的角度、角速度、角加速度与本地时间戳等信息通过无线方式发送给转子，由转子计算后得到以本地同步时钟为参考的探测器同步采样触发脉冲信号。此方法理论上能够做到的时间精度取决与转子和定子的晶振的频率精度和二者之间同步时间的间隔长度，如果采取一次扫描时间为40秒，晶振频率精度为50ppm计算，最大时间累积误差为2ms，这是不能允许的。本发明通过修正补偿的方式，在同步阶段转子和定子需按同步脉冲计算两地的时钟频率误差，将此误差带入后面的计算补偿，则可以大大提高时间精度，理论上二者误差趋近于0，考虑到同步期间脉冲上升沿失真带来的误差，采用此方法可以做到的时间精度为3uS内。

本发明作为机架定子旋转角度的信息传输，亦可作为其它实时信息传输的手段。

在本发明的又实施例中，提供了一种存储介质，存储有计算机可执行指令，所述指令在被处理单元执行时用于实现上述方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种CT机定子和转子时间同步方法，其特征在于，定子侧执行以下步骤：

在CT待机状态下，通过有线信道向转子侧发送同步启动脉冲，用于供转子侧进入时间同步流程；

通过有线信道向转子侧发出频率修正脉冲，用于供转子侧进行频率修正；

通过有线信道向转子侧发出同步脉冲，用于供转子侧统一与定子侧的计时起点；

发出断开有线信道的指令；

在CT机扫描状态下，定时获取转子的实时角度，每获取一个实时角度时，由定子本地时钟产生时间戳，将实时角度和时间戳通过无线信道发送给转子侧。

2.根据权利要求1所述的一种CT机定子和转子时间同步方法，其特征在于：所述同步启动脉冲、频率修正脉冲和同步脉冲均以定子侧的本地时钟为基准，在CT机处于待机状态时发出。

3.根据权利要求1所述的一种CT机定子和转子时间同步方法，其特征在于：所述时间戳和实时角度以UDP报文格式发送给转子侧。

4.根据权利要求1所述的一种CT机定子和转子时间同步方法，其特征在于：所述定子侧在发出频率修正脉冲和同步脉冲之后，或者在通过无线信道接收到转子侧的频率修正和时基同步校对完成的反馈信号之后，发出断开有线信道的指令。

5.一种CT机定子和转子时间同步方法，其特征在于，转子侧执行以下步骤：

通过有线信道接收定子侧发送的同步启动脉冲，进入时间同步流程；

通过有线信道接收定子侧发送的频率修正脉冲，进行频率修正；

通过有线信道接收转子侧发出的同步脉冲，统一与定子侧的计时起点。

6.根据权利要求5所述的一种CT机定子和转子时间同步方法，其特征在于，转子侧执行以下步骤：

通过无线信道接收定子侧定时发送的转子的实时角度和时间戳，所述实时角度为定子侧在CT机扫描状态下，定时检测转子的转动角度获得，时间戳为对应每一个实时角度，由定子侧的本地时钟产生；

比较时间戳与转子侧的本地时钟，得到表示无线信道传输的第一延迟数据，根据第一延迟数据、实时角度，计算得到表示无线信道传输延迟造成的转子的理论角度差值。

7.根据权利要求6所述的一种CT机定子和转子时间同步方法，其特征在于，所述定子上承载CT机的旋转机架、X射线发生器和探测器，旋转机架在定子侧发出同步启动信号后，转到预设的同步信号位置；

根据所述理论角度差值，计算得到用作控制探测器采样的触发脉冲信号。

8.一种CT机，其特征在于，包括定子和转子，定子上承载CT机的旋转机架、X射线发生器和探测器，定子和转子之间设置有线信道和无线信道，定子侧设有执行如权利要求1-4任一所述方法的定子控制单元，转子侧设有执行如权利要求5-7任一所述方法的转子控制单元。

9.根据权利要求8所述的一种CT机，其特征在于：所述有线信道为连接定子和转子的同步信号连接器，同步信号连接器包括安装在定子上的同步信号连接器插头，和安装在转子上的同步信号连接器插座。

10.一种存储介质，存储有计算机可执行指令，其特征在于：所述指令在被处理单元执行时用于实现权利要求1至7中任一项所述方法。

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