KR20130085630A - 진동 제어 장치와 진동 제어 방법, 컴퓨터 단층 촬영 장치 - Google Patents

진동 제어 장치와 진동 제어 방법, 컴퓨터 단층 촬영 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전체가 회전할 때 회전체의 불균형에 의해 발생하는 진동을 줄이기 위해 회전체의 진동 상태에 따라 회전체를 지지하는 에어 베어링의 압력을 적절히 조절하여 진동을 억제하기 위한 것이다. 이를 위한 본 발명에 따른 진동 제어 장치는, 회전체의 주변에 마련되어 회전체에 유체 베어링 갭을 형성하는 유체 베어링과; 회전체의 불균형 정보에 근거하여 회전체의 불균형이 해소되도록 유체 베어링의 압력을 가변 제어하는 압력 레귤레이터를 포함할 수 있다.

Description

진동 제어 장치와 진동 제어 방법, 컴퓨터 단층 촬영 장치{VIBRATION CONTROL APPARATUS, VIBRATION CONTROL METHOD AND COMPUTED TOMOGRAPHY SCANNER}
본 발명은 진동 제어에 관한 것으로, 특히 회전체의 편심에 의해 발생하는 진동을 억제하기 위한 진동 제어에 관한 것이다.
CT 스캐너는 갠트리와 환자용 테이블, 콘솔로 이루어지며. 환자용 테이블 위에 환자가 누운 채로 갠트리 중앙의 검사 영역을 통과할 때 갠트리가 회전하면서 방사선을 발생시켜서 환자의 신체에 투영하고 이 때 얻은 영상을 컴퓨터로 재구성하여 인체 내부 단면의 영상을 생성한다.
CT 스캐너의 갠트리의 내부에는, 방사선을 발생시키는 방사선 소스(source)와, 이 방사선 소스로부터 조사되어 환자에게 투영되는 방사선을 검출하여 검출된 방사선에 대응하는 전기 신호를 생성하는 방사선 검출부, 방사선 소스에서 방사선을 생성하여 조사하는데 필요한 에너지를 제공하는 고전압 생성부, 그 밖에 CT 스캐닝을 위해 필요한 다양한 장치들이 마련된다.
갠트리의 내부에 마련되는 방사선 소스와 방사선 검출부, 고전압 생성부를 포함하는 다양한 장치들 각각의 설치 위치가 비대칭적이고, 또 각 장치들의 무게가 서로 다를 수 있다. 따라서 갠트리가 회전할 때 이와 같은 비대칭 배치 구조 때문에 편심이 발생하고, 이로 인해 갠트리에 진동이 발생할 여지가 크다. 갠트리의 진동은 CT 스캐너의 검사 영상의 품질을 떨어뜨리는 원인이 되므로 반드시 해결해야 할 문제이다. CT 스캐너뿐만 아니라, 회전하는 구조물의 회전 시 발생하는 진동은 구조물의 성능과 내구성 등에 밀접한 관련이 있어서 모든 회전하는 구조물에 있어서 중요한 해결 과제이다.
본 발명에 따른 진동 제어 장치는, 회전체의 주변에 마련되어 회전체에 유체 베어링 갭을 형성하는 유체 베어링과; 회전체의 불균형 정보에 근거하여 회전체의 불균형이 해소되도록 유체 베어링의 압력을 가변 제어하는 압력 레귤레이터를 포함할 수 있다.
상술한 유체 베어링이 에어 베어링일 수 있다.
상술한 압력 레귤레이터가 전공 레귤레이터일 수 있다.
상술한 진동 제어 장치는, 유체 베어링을 복수 개 구비하고, 복수의 유체 베어링 각각의 압력을 독립적으로 가변 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 진동 제어 방법은, 회전 구조물의 회전체를 회전시키고; 회전체의 주변에 마련되는 유체 베어링을 통해 회전체에 유체 베어링 갭을 형성하며; 회전체의 불균형 정보에 근거하여 회전체의 불균형이 해소되도록 유체 베어링의 압력을 가변 제어할 수 있다.
상술한 유체 베어링이 에어 베어링일 수 있다.
상술한 압력 레귤레이터를 이용하여 유체 베어링의 압력을 가변시킬 수 있다.
상술한 압력 레귤레이터가 전공 레귤레이터일 수 있다.
상술한 유체 베어링을 복수 개 구비하고, 복수의 유체 베어링 각각의 압력을 독립적으로 가변 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 컴퓨터 단층 촬영 장치는, 검사 대상의 주위를 회전하면서 컴퓨터 단층 촬영 영상을 생성하도록 마련되는 갠트리와; 갠트리의 주변에 마련되어 갠트리에 유체 베어링 갭을 형성하는 유체 베어링과; 갠트리의 불균형 정보에 근거하여 갠트리의 불균형이 해소되도록 유체 베어링의 압력을 가변 제어하는 압력 레귤레이터를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 회전체가 회전할 때 회전체의 불균형에 의해 발생하는 진동을 줄이기 위해 회전체의 진동 상태에 따라 회전체를 지지하는 에어 베어링의 압력을 적절히 조절하여 진동을 억제하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 진동 제어 장치가 적용되는 회전체의 일 실시 예로서 컴퓨터 단층 촬영 장치 즉 CT 스캐너(Computed Tomography Scanner)를 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 나타낸 CT 스캐너의 갠트리의 내부 구성을 나타낸 도면.
도 3은 도 1에 나타낸 CT 스캐너의 제어 계통을 나타낸 도면.
도 4는 도 1에 나타낸 갠트리의 유체 베어링 결합 구조를 나타낸 도면.
도 5는 도 4에 나타낸 에어 베어링을 나타낸 도면.
도 6은 에어 베어링의 압력 조절을 위한 전공 레귤레이터부(Electro-Pneumatic Regulator Unit)의 연결 상태를 나타낸 도면.
도 7은 전공 레귤레이터를 이용한 에어 베어링의 압력 조절 상태를 나타낸 도면.
도 8은 전공 레귤레이터의 제어 계통을 나타낸 도면.
도 9는 도 1에 나타낸 CT 스캐너의 진동 제어 방법을 나타낸 도면.
도 1은 본 발명의 진동 제어 장치가 적용되는 회전체의 일 실시 예로서 컴퓨터 단층 촬영 장치 즉 CT 스캐너(Computed Tomography Scanner)를 나타낸 도면이다. 본 발명은 회전체가 회전할 때 회전체의 불균형에 의해 발생하는 진동을 줄이기 위해 회전체의 진동 상태에 따라 회전체를 지지하는 에어 베어링의 압력을 적절히 조절하여 진동을 억제하는 것으로서, 도 1의 CT 스캐너(100)의 갠트리(102)를 회전체의 일례로 들고자 한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, CT 스캐너(100)는 갠트리(102)와 환자용 테이블(104), 콘솔(106)을 포함한다. 갠트리(102) 내부에는 방사선을 투영하고 이를 검출하기 위한 장치들이 마련되며, 갠트리(102)는 이 장치들과 함께 회전 가능하도록 설치된다. CT 스캐너(100)는 환자용 테이블(104) 위에 환자가 누운 채로 갠트리(102) 중앙의 검사 영역을 통과할 때 갠트리(102)에서 방사선을 발생시켜서 환자의 신체에 투영하고 이 때 얻은 영상을 컴퓨터로 재구성하여 인체 내부 단면의 영상을 생성한다. 콘솔(106)은 사용자가 CT 스캐너(100)를 조작하기 위한 것으로서, 조작 패널과 모니터를 포함한다. CT 스캐너(100)는 종류에 따라 방사선 대신 초음파를 이용할 수도 있다.
도 2는 도 1에 나타낸 CT 스캐너(100)의 갠트리(102)의 내부 구성을 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, CT 스캐너(100)의 갠트리(102)의 내부에는, 방사선을 발생시키는 방사선 소스(source)(202)와, 이 방사선 소스(202)로부터 조사되어 환자에게 투영되는 방사선을 검출하여 검출된 방사선에 대응하는 전기 신호를 생성하는 방사선 검출부(204), 방사선 소스(202)에서 방사선을 생성하여 조사하는데 필요한 에너지를 제공하는 고전압 생성부(206), 그 밖에 CT 스캐닝을 위해 필요한 다양한 장치들이 마련된다. 도 2에서 알 수 있듯이, 갠트리(102)의 내부에 마련되는 방사선 소스(202)와 방사선 검출부(204), 고전압 생성부(206)를 포함하는 다양한 장치들 각각의 설치 위치가 비대칭적이고, 또 각 장치들의 무게가 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 만약 방사선 소스(202)와 방사선 검출부(204), 고전압 생성부(206)의 무게가 서로 다른 경우, 도 2에 나타낸 것과 같은 비대칭 배치 구조에서는 갠트리(102)가 회전할 때 편심에 의해 갠트리에 진동이 발생할 여지가 크다. 본 발명은 이와 같은 회전체(갠트리(102))가 회전할 때 편심에 의한 진동이 발생하지 않도록 회전체의 진동을 제어하기 위한 것이다.
도 3은 도 1에 나타낸 CT 스캐너(100)의 제어 계통을 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 방사선 검출부(204)는 방사선 소스(202)로부터 조사되어 환자에게 투영되는 방사선을 검출하여 검출된 방사선에 대응하는 전기 신호를 생성한다. 방사선 검출부(204)에서 생성되는 전기 신호는 샘플링을 거쳐 샘플링 저장부(302)에 투영 데이터로서 저장되며, 이후 복원부(304)가 샘플링 저장부(302)의 투영 데이터를 재구성(복원)하여 영상 정보를 만들어낸다. 복원부(304)에 의해 만들어진 영상 정보는 저장부(306)에 저장된다. 영상 처리부(308)는 영상 저장부(306)에 저장되어 있는 영상 정보를 가공하여 슬라이스, 프로젝션, 3D 렌더링 등의 다양한 형태의 영상을 생산한다. 영상 처리부(308)에 의해 생산된 영상은 디스플레이부(310)를 통해 디스플레이 되거나, 영상 저장부(312)에 저장된다.
도 4는 도 1에 나타낸 갠트리(102)의 유체 베어링 결합 구조를 나타낸 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, CT 스캐너(100)가 환자의 신체를 스캐닝하기 위해 환자의 주변을 회전할 때 회전에 따른 소음과 마찰을 없애기 위해 에어 베어링(402a)(402b)(402c)을 이용한다. 본 발명의 설명에서 에어 베어링(402a)(402b)(402c) 각각을 언급할 때에는 402a, 402b, 402c와 같이 개별적인 참조 부호를 사용하고, 에어 베어링(402a)(402b)(402c) 모두를 언급할 때에는 이를 대표하여 참조 부호 402를 사용하고자 한다. 에어 베어링(402)은 유체 베어링의 일 예로서, 공기 이외에 다른 유체를 이용한 베어링을 사용할 수도 있다. 에어 베어링(402)은, 높은 압력으로 공기를 분출시켜서 그 힘에 의해 회전체(갠트리(102))가 에어 베어링(402) 사이에서 지지되어 회전하도록 한다.
도 5는 도 4에 나타낸 에어 베어링을 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 에어 베어링(402)은 얇은 압축 공기 막(유체 막)(502)을 이용하여 갠트리(102)의 접촉면과의 사이에 마찰 없는 하중 베어링 접촉면이 형성되도록 한다. 에어 베어링(402)은 갠트리(102)의 접촉면과의 직접적인 접촉이 이루어지지 않기 때문에 다른 종류의 베어링에서 발생할 수 있는 마찰이나 마모, 윤활 문제를 피할 수 있고 정밀 위치 제어와 고속 응용 분야에 뚜렷한 장점을 가진다. 에어 베어링(402)에 의해 만들어진 압축 공기 막(502)에 의해 에어 베어링(402)과 갠트리(102) 사이에 유체 베어링 갭(fluid bearing gap)(504)이 형성된다. 본 실시 예에서는 에어 베어링(402)을 사용하므로, 이 유체 베어링 갭(504)은 에어 베어링 갭이 된다. 이 유체 베어링 갭(504)에 의해 에어 베어링(402)과 갠트리(102) 사이에 접촉 및 마찰이 발생하지 않으면서도 에어 베어링(402)에 의해 갠트리(102)가 회전 가능하도록 지지될 수 있다. 압축 공기 막(502)은 공기의 유량을 제한하도록 에어 베어링(402)에 형성되는 오리피스(orifice) 또는 다공성 물질(porous media)을 통해 토출되는 공기에 의해 만들어진다. 본 발명에서는 압축 공기 막(502)을 형성하기 위해 에어 베어링(402)에서 토출되는 공기의 토출 압력을 가변 제어함으로써 회전체(갠트리(102))의 회전 시 발생하는 진동을 억제한다.
도 6은 에어 베어링의 압력 조절을 위한 전공 레귤레이터부(Electro-Pneumatic Regulator Unit)(604a)(604b)(604c)의 연결 상태를 나타낸 도면이다. 본 발명의 설명에서 전공 레귤레이터부(604a)(604b)(604c) 각각을 언급할 때에는 604a, 604b, 604c와 같이 개별적인 참조 부호를 사용하고, 전공 레귤레이터부(604a)(604b)(604c) 모두를 언급할 때에는 이를 대표하여 참조 부호 604를 사용하고자 한다. 이 전공 레귤레이터부(604)는 에어 베어링(402)의 토출 압력을 조절하기 위한 압력 레귤레이터로서, 전기 신호의 크기에 비례하는 압력을 발생시키기 위한 장치이다. 이다. 에어 베어링(402) 각각에는 개별적인 배관을 통해 에어 공급부(602)로부터 공급되는 공기가 유입된다. 에어 공급부(602)로부터 공급되는 공기가 각 에어 베어링(402)에 전달되는 중간에 전공 레귤레이터부(604)를 통해 각 에어 베어링(402)에서 토출되는 공기의 압력 조절이 이루어진다. 각각의 에어 베어링(402)에 대해 독립적인 투출 압력의 가변 제어가 가능하도록 전공 레귤레이터부(604)를 설치한다. 전공 레귤레이터부(604)는 설정 압력 값과 출력 압력을 비교하여 출력 압력이 설정 압력 값을 추종하도록 토출 공기의 압력을 가변 제어한다. 설정 압력 값의 예를 들면, 회전체(갠트리(102))의 진동을 감소시키는데 필요한 에어 베어링(402) 각각의 목표 압력 조절 값이라 할 수 있다.
도 7은 전공 레귤레이터부(604)를 이용한 에어 베어링의 압력 조절 상태를 나타낸 도면이다. 도 7에서 참조 부호 702로 나타낸 것은 갠트리(102)의 질량 중심이 한 쪽으로 치우친 것(즉 편심)을 나타낸 것이다. 본 발명에서는 이와 같은 편심이 발생한 부분에 가까운 에어 베어링(402c)의 토출 공기압(화살표)을 증가시켜서 편심에 의한 영향(진동과 소음, 마찰 등)이 최소가 되도록 한다. 또한 에어 베어링(402b)의 토출 공기압을 다소 증가시킴으로써 에어 베어링(402c)과의 협력을 통해 갠트리(102)의 하부에 형성되는 더 큰 하중에 대비할 수 있다. 이와 같이 에어 베어링(402) 각각의 토출 공기압을 독립적으로 가변 제어함으로써 회전하는 갠트리(102)의 진동 억제를 고려한 최적의 압력 제어가 가능하다. 회전체인 갠트리(102)의 편심 여부와 진동 정도는, CT 스캐너(100)의 개발 단계에서 미리 갠트리(102)의 테스트 회전을 실시하여 확인하고, 편심을 상쇄시켜서 진동을 억제할 수 있는 에어 베어링(402) 각각의 압력 정도를 설정하여 갠트리(102)외 회전 위치(각도) 및 속도에 대한 에어 베어링(402) 각각의 압력 정도의 관계를 불균형 정보로서 데이터화하고, CT 스캐너(102)의 실제 운전 시 CT 스캐너(102)의 제어부가 이 불균형 정보를 참조하여 에어 베어링(402) 각각의 압력을 가변 제어하도록 한다. 갠트리(102)의 회전 위치(각도)는 갠트리(102)를 구동하는 모터의 인코더 등을 이용할 수 있다.
도 8은 전공 레귤레이터의 제어 계통을 나타낸 도면이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 에어 베어링(402)에 입력되는 공기는 입력 밸브(802)와 토출 밸브(804)를 통해 토출된다. 토출 밸브(804)를 통해 토출되는 공기의 압력은 압력 센서(806)에 의해 검출되고, 그 검출 값이 제어부(808)에 제공된다. 제어부(808)에는 갠트리 불균형 정보(810)를 통해 갠트리(102)의 회전을 안정화시키는데 필요한 에어 베어링(402) 각각의 목표 압력을 확보한다. 제어부(808)는 이 목표 압력을 압력 센서(806)의 검출 압력과 비교하여 목표 압력과 검출 압력 사이의 차이를 계산하고, 계산된 차이에 근거하여 입력 밸브(802) 및 토출 밸브(804)를 제어하여 토출 공기압을 가변 제어함으로써 토출 밸브(804)의 토출 공기압이 목표 압력을 추종하도록 한다. 전압-전류 변환부(812)는, 제어부(808)에서 발생하는 압력 제어 신호의 전압 레벨에 비례하는 크기의 전류 신호로 변환하여 입력 밸브(802) 및 토출 밸브(804)에 제공함으로써 입력 밸브(802) 및 토출 밸브(804) 각각에서의 압력 제어가 이루어질 수 있도록 한다.
도 9는 도 1에 나타낸 CT 스캐너의 진동 제어 방법을 나타낸 도면이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 갠트리(102)가 정지한 상태에서 환자용 테이블(104) 위에 환자가 누운 채로 갠트리(102) 중앙의 검사 영역에 진입하기 전에 에어 베어링(402)을 구동하여 갠트리(102)를 회전시키기 위한 준비를 한다(902). 에어 베어링(402)을 구동함으로써 에어 베어링(402)과 갠트리(102) 사이에 에어 베어링 갭이 형성되어 에어 베어링(402)이 갠트리(102)의 하중을 지지하게 된다(904). 에어 베어링(402)이 갠트리(102)의 하중을 지지하는 상태에서 CT 스캐닝을 위해 갠트리(102)를 구동하여 회전시킨다(906). 갠트리(102)가 회전하는 동안 환자용 테이블(104)은 갠트리(102) 중앙이 검사 영역을 통과하게 된다.
갠트리(102)가 회전하는 동안 갠트리(102)의 불균형(편심) 구간에서는 갠트리(102)의 불균형이 감소하도록 에어 베어링(402)의 토출 압력을 조절한다(908). 에어 베어링(402)의 토출 압력 조절은, 갠트리(102)의 편심 정도가 큰 위치에서는 에어 베어링(402)의 토출 공기압을 증가시키고, 상대적으로 편심 정도가 작은 위치에서는 에어 베어링(402)의 토출 공기압을 감소시키거나 또는 유지함으로써 회전하는 갠트리(102)와 모든 에어 베어링(402) 사이에 항상 균일한 베어링 갭이 형성되도록 이루어진다. 이를 위해 3개의 에어 베어링(402a)(402b)(402c) 각각에서의 토출 공기압이 독립적으로 가변 제어된다. 이와 같은 에어 베어링(402)의 토출 공기압의 가변 제어를 통해 회전하는 갠트리(102)의 진동을 억제할 수 있다.
이와 같이 갠트리(102)가 회전하는 동안 불균형 억제를 위한 에어 베어링(402)의 토출 압력을 조절하면서 갠트리(102)를 정속 회전시키고 CT 스캐닝을 수행하여 CT 이미지를 촬영한다(910). 이후 CT 이미지 촬영이 모두 완료되면 갠트리(914)를 감속하여 정지시킨다(912).
100 : CT 스캐너
102 : 갠트리
104 : 환자용 테이블
106 : 콘솔
202 : 방사선 소스
204 : 방사선 검출부
206 : 고전압 생성부
302 : 샘플링 저장부
304 : 복원부
306 : 영상 저장부
308 : 영상 처리부
310 : 디스플레이부
312 : 영상 저장부
402(402a, 402b, 402c) : 에어 베어링(유압 베어링)
502 : 압축 공기 막(유체 막)
504 : 에어 베어링 갭(유체 베어링 갭)
604(604a, 604b, 604c) : 전공 레귤레이터부(압력 레귤레이터)
702 : 갠트리의 편심
802 : 입력 밸브
804 : 토출 밸브
806 : 압력 센서
808 : 제어부
810 : 갠트리 불균형 제어부
812 : 전압-전류 변환부

Claims (10)

  1. 회전체의 주변에 마련되어 상기 회전체에 유체 베어링 갭을 형성하는 유체 베어링과;
    상기 회전체의 불균형 정보에 근거하여 상기 회전체의 불균형이 해소되도록 상기 유체 베어링의 압력을 가변 제어하는 압력 레귤레이터를 포함하는 진동 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 베어링이 에어 베어링인 진동 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 레귤레이터가 전공 레귤레이터인 진동 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 베어링을 복수 개 구비하고, 상기 복수의 유체 베어링 각각의 압력을 독립적으로 가변 제어하는 진동 제어 장치.
  5. 회전 구조물의 회전체를 회전시키고;
    상기 회전체의 주변에 마련되는 유체 베어링을 통해 상기 회전체에 유체 베어링 갭을 형성하며;
    상기 회전체의 불균형 정보에 근거하여 상기 회전체의 불균형이 해소되도록 상기 유체 베어링의 압력을 가변 제어하는 진동 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유체 베어링이 에어 베어링인 진동 제어 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    압력 레귤레이터를 이용하여 상기 유체 베어링의 압력을 가변시키는 진동 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 압력 레귤레이터가 전공 레귤레이터인 진동 제어 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 유체 베어링을 복수 개 구비하고, 상기 복수의 유체 베어링 각각의 압력을 독립적으로 가변 제어하는 진동 제어 방법.
  10. 검사 대상의 주위를 회전하면서 컴퓨터 단층 촬영 영상을 생성하도록 마련되는 갠트리와;
    상기 갠트리의 주변에 마련되어 상기 갠트리에 유체 베어링 갭을 형성하는 유체 베어링과;
    상기 갠트리의 불균형 정보에 근거하여 상기 갠트리의 불균형이 해소되도록 상기 유체 베어링의 압력을 가변 제어하는 압력 레귤레이터를 포함하는 컴퓨터 단층 촬영 장치.
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