专利名称：：用于平衡ct台架机构的系统和方法
技术领域：
：本发明涉及CT系统，特别涉及用于平衡CT台架构件的方法和系统。
背景技术：
：目前计算机层析X射线摄影(ComputedTomography)(″CT″)系统应用非常广泛。CT系统拍摄物体或人的X射线图像，以提供科学的和/或医学的信息。总体上说，CT系统包括一个放在外罩内的大的台架机构(gantrymechanism)，该外罩具有一个环形的开口，物体或人就被放在开口内。该台架机构包括一个旋转基座构件(rotatingbasemember)，该旋转基座构件上安装有一个X射线管和检测器板(detectorplate)。随着该基座构件旋转且物体或人沿旋转轴线移动，X射线图像就被拍摄下来用于后续的分析。一般来说，旋转基座构件还有安装在其上的其它系统元件，如热交换器和发生器。X射线管、检测器板和其他元件随该基座构件一起旋转。重要的是，平衡该旋转基座构件，从而它均匀转动，并获得令人满意的高质量图像。CT台架旋转部分的不平衡导致整个台架机构的频率为每转一次的振动动作。这种动作对图像的质量是不利的，并且当这种动作超过一个确定的临界值时会产生伪影(artifact)。一般来说，CT台架机构于被船运到最终目的地之前，在建造和调校CT系统的工厂里被平衡过。CT系统也被现场平衡过，一般是在元件因使用而被替换时，比如一根新的X射线管。为了确保CT系统的精确性能，现场平衡尤其重要。然而，当前用于现场平衡台架机构的方法和系统存在缺陷。于是，就需要改进用于平衡CT台架机构的系统和方法，特别是用于现场平衡该机构的系统和方法。
发明内容本发明包括一种用于在工厂和现场平衡CT台架机构的改进的方法和系统。根据本发明，甚至在现场条件下，也可以对CT台架机构既进行静态平衡又进行动态平衡。对于本发明，静态和动态这两种不平衡均能被测量出来，并且如果有必要的话可以被消除。本发明与现有的CT静态平衡方法相比，会使用户节省时间和降低复杂程度。对于本发明，平衡配重(balanceweight)被添加在CT台架机构的旋转基座构件的两个预定位置上。这两个位置相隔大约90°。在该两个位置上设置有细长杆构件，根据平衡CT系统的需要，在其上安放各种平衡配重、间隔片(spacer)和填隙片(shim)。这些配重、间隔片和填隙片允许不平衡的Z轴坐标的改变，以在恰当的Z坐标处提供恰当的配重。优选地，当从CT台架机构的前面观察时，这两个位置被设置在旋转基座构件的左下象限中。由于需要平衡X射线管的重量和为了静态及动态的平衡调节，所以这些位置是优选。在台架机构的固定基座构件上在不平衡引起较高应变(strain)的地方设置有应变计。该应变计被连接到一个平衡传感器电路，该电路又与台架处理器相连。固件(firmware)用于以预定的采样频率对传感器的输出进行采样。首先在带有工厂中安装好的配重的原始运行(baselinerun)期间进行应变测量，以得到一参考基准。然后，对在已知(known)位置带有试验配重的试验运行进行附加测量。于是，这些原始测量量和试验测量量被用于计算需要在该两个预定位置加载的配重的量和它们在Z轴上的位置。该系统的最终的合力和力矩被计算出来，并且确定出这两堆(stack)配重中的每一堆的新配置，它们将产生出这些合力和力矩。然后，在旋转基座构件的该两个预定位置处的杆状构件上，设置配重、间隔片和填隙片的适当配置。两个不同厚度的钢板用于提供大部分配重。轻的铝质间隔片和填隙片被用于把配重堆的质量置于目标Z位置的中心位置。需要的话，使用小配重对该质量进行精确调节。对于本发明，配重、间隔片和填隙片在数量和排列二者上的具体量经计算得出。对于本发明，既可以在工厂也可以在现场进行CT台架系统的旋转基座构件的静态和动态平衡。而且，随本系统还提供有给用户的具体用法说明，以消除猜测工作并提供精确平衡。仅有两个用于平衡配重的位置而不是许多位置，这也是有利的，且提供了现场更容易的调节。最后，对于本发明，需要有限数量和类型的平衡配重。本发明的上述目的和其他目的、特征和优点在下面对根据附图实现本发明的优选实施例的详细描述中是很明显的。图1示意性展示了一个常规CT系统；图2是台架机构(不带盖子)的正视图，该台架机构包括旋转和固定基座构件；图3是图2所示台架机构的透视图，为了清楚起见去除了若干元件；图4是旋转基座构件的分解透视图，示出根据本发明所使用的平衡元件；图5是旋转基座构件的后视图；图6是可随本发明一起使用的平衡电路的示意图；图7是示出随本发明一起使用的一优选方法的流程图。附图标记说明12台架构件14病床构件16环形部分18基座构件20旋转基座构件22固定基座构件24X射线管构件26检测器板构件30病人32Z轴34热交换器36高压发生器38高压变压器40轴承座42托架构件44轴向马达装置50配重堆机构50A基座构件50C间隔片构件50D填隙构件50E配重构件50E′轻配重构件50F微调构件52配重系统52A基座构件52B杆构件52C间隔片构件52D填隙构件52E配重构件52E′轻配重构件52F微调构件52堆机构54应变计传感器56应变计传感器60螺母61垫圈构件62螺母70试验配重72位置80试验配重82螺母构件90电路图92缓冲电路板94高通滤波器96增益组件98次级板100滤波器构件102多路复用器104功能元件106信号108电压偏置110台架处理器112转换器114微处理器116固件120监视器122打印机200流程图具体实施方式图1展示了一个常规CT系统，总体上由附图标记10表示。该CT系统包括台架构件12和病床(patienttable)构件14。该台架构件12包括环形部分16和基座部分18。如图2-5所示，旋转基座构件20位于该环形部分16内，而固定基座构件22设置在该基座构件18内。根据标准CT系统，X射线管和准直仪24与检测器板构件26一起被设置在旋转基座构件20上。病人30或其他物体被放置在病床构件14上，并沿着Z轴32移动，Z轴32是旋转基座构件20和台架构件12的旋转轴。X射线管构件24和检测器板构件26彼此相对地位于台架构件上，且随着病床构件移动穿过台架构件12的中心开口时，拍摄病床构件14上的病人30或物体的X射线图像。如图2所示，若干元件和辅助构件被设置在旋转基座构件20上。这些一般包括热交换器34、高压发生器36和高压变压器(highvoltagetank)38。此外，如CT系统常见的那样，旋转基座构件20上还带有轴向轴承(axialbearing)和滑环(未示出)。轴承座40用于将该轴向轴承连接到固定基座构件22上。该滑环被连接到托架构件42上，在图4和5中更详细地展示了该托架构件。如CT系统中通常的那样，电源通过滑环和滑环刷(slipringbrush)供给到旋转基座构件上的电元件。轴向马达装置(axialmotorassembly)44用于使基座构件20相对于固定基座构件22旋转。旋转基座构件上的元件的相对位置经常用从十二点钟位置开始的度数来表示。这示于图2中，其中0度点示于十二点钟位置。根据本发明所用的系统，当台架构件从前面观察时，度数按逆时针方向计量。于是，90°位置位于九点钟位置，180°位置处于六点钟位置，等等。根据本发明，如图2和4中具体示出的那样，平衡配重系统被应用在两个预定位置50和52上。此外，一对应变计传感器54和56被安装在固定基座构件22上，优选地邻近底部或下部。由于设置在旋转基座构件20上的各种元件的重量和它们的相对位置，台架构件在旋转时通常是不平衡。这种不平衡在X轴和Y轴方向两者上，以及Z轴方向上。CT台架机构的旋转部分的不平衡导致整个台架的频率为每转一次的振动动作。由于当该动作增大而超过某临界值时会产生伪影(artifact)，因此此动作对于图像质量是不利的。这种不平衡首先在建造和校准CT系统的工厂中被减到最小。当元件因维护而被更换时，平衡需要现场恢复。由于可容易地获得所有平衡设备和系统，所以通过已知系统，工厂中台架的平衡更容易且更精确。然而，在现�。捎谌狈τ糜诰菲胶馑璧墓ぞ吆拖低常胶馐抢训摹T台架的两平面平衡(two-planebalancing)(即静态和动态平衡)是困难的，由于没有连续的平面(continuousplane)供配重连接到其上或从其上移走。来自两平面平衡过程的输出包括四个值。它们是需要在两平面中的每一个上在系统上连接或自该系统去除以平衡该系统的配重的质量和角位置。每个平面被定义为每个试验配重的Z坐标。根据惯例，Z轴是台架的旋转轴。通过使用针对由不平衡引起的力和力矩的方程式，这四个数值可看作变量，并且可以用四个不同的值(differentvaluables)交换，只要力和力矩保持不变即可。在这方面，通过预先选择加载两个质量(mass)的角度来改变两个平衡配重的质量和Z坐标。这消除了需要具有无限个用于配置平衡配重的位置的连续平面的问题。通过与几堆较重的特别是由钢材制成的平衡配重一起使用尤其是用如铝的轻质材料制成的间隔片和填隙片，使得质量的Z坐标是可变的。该间隔片和填隙片用于将平衡配重安置在它们的正确的Z坐标处。对于一种优选的台架构件，如通用电气的惠普尔台架(GeneralElectricHpowergantry)，平衡配重的位置在107°和180°(见图2)。这些位置尤其平衡X射线管的重量，X射线管具有大质量且为了对准会被重新定位。此外，这些位置相隔大约90°，以进行适当的静态和动态平衡调整。在这方面，根据本发明，虽然平衡配重的准确位置取决于所用的特定系统，但是优选的是这两个位置相隔约90°。旋转基座构件的不平衡通过两个应变计传感器54和56测量。虽然可以使用任何等同类型的应变计，但是应变计优选地由压电陶瓷材料制成并且是自供能量的。如图2和4所示，配重系统50和52中的每一个都分别包括基座构件50A和52A，且分别包括多个杆构件50B和52B以保持平衡构件。配重系统50和52也可能分别包括一个或多个间隔片构件50C和52C，分别包括一个或多个填隙构件50D和52D，分别包括一个或多个重的配重构件50E和52E，分别包括一个或多个轻的配重构件50E’和52E’，以及分别包括一个或多个微调构件(trimmember)50F和52F。杆构件50B和52B优选地是螺杆构件，使得平衡和配重构件通过螺纹紧固件，如螺母60和62，固定在该杆构件上。虽然图4中示出了仅一个螺母构件以及相应的垫圈构件61和63，但是很容易理解，在所有杆构件50B和52B上使用了类似的螺母和垫圈构件组。配重被用于沿着所有三个X、Y和Z轴方向来平衡旋转基座构件。间隔片和填隙片被用于沿Z轴方向移动配重。此外，如图4所示，优选地使用六个杆构件50B和四个杆构件52B以准确和可靠地将配重、间隔片和填隙构件保持在适当的位置上。当然，可以理解的是，可以使用或提供任何数量的杆构件。此外，各种间隔片、填隙片和配重的尺寸和重量可根据每个CT系统的需要和要求来使用。在这方面，根据本发明，间隔片和填隙构件均由轻质材料制成，比如铝；而配重构件却由较重的材料来制成，比如钢。当附件和电子元件被添加到旋转基座构件20上，且基座构件被旋转时，固定基座构件22在X轴和Y轴方向上，并沿Z方向轻微挠曲。根据经验发现，当旋转基座构件20转动时，固定基座构件22在底部或下部“A”附近伸缩或移动最大。于是，根据本发明的优选实施例，应变计传感器54和56被设置在该区域A内。作为平衡CT台架机构的初始步骤，试验配重被设置在旋转基座构件上，并且采用一个或多个原始运行来测量系统对已知不平衡的敏感度。这包括通常的两平面法，并对每个平面计算不平衡、大小和相位角。为此目的，如附图5所示，试验配重70在位置72被连接到旋转基座构件20上。该试验配重70用紧固件连接，如固定螺丝74，并被设置在已知位置上。根据本发明的优选实施例，如图2中从前面观察的那样，位置72处于36°位置。此外，利用另一个预定位置处的试验配重，进行第二次试验运行。在这方面，根据本发明的一个实施例，试验配重80在180°位置被连接到杆构件52B上并用螺母构件82紧固。如所示出的那样，应变计54和56被安装在固定基座构件22的下部，在该处，旋转基座构件20的不平衡导致了较高的应变。图6描述了一个电路图90，在该图中设置有两个应变计传感器54和56。应变计传感器54测量X轴方向的应变，而应变计传感器56测量Z轴方向的应变。来自应变计传感器54和56的输入首先经过一平衡传感器缓冲电路板(balancesensorbufferboard)92，该板包括一对高通滤波器94和增益组件(gainmember)96。这些信号随后被发送到次级板98，该板包括滤波器构件100和多路复用器102。该多路复用器还具有选择功能元件(selectfunction)104。来自多路复用器的信号106随后被参考电压偏置(referencevoltageoffset)108所影响，并被送入病床台架处理器110。该处理器110包括模拟数字转换器112和微处理器114。该微处理器114以固件116装载以进行必要的计算。该微处理器的输出118被送入监视器120，并可选择地送入打印机122，以显示和可选择地打印出合适的平衡计算结果和指令。该固件116用于以固定的采样频率对来自传感器的输出采样，如每秒40个样。采样数据被写入一个文件。采用最小二乘法，对两个传感器中的每一个，按矢量(大小和相位角)形式，求解该信号的每转一次的部分(once-per-revolutionportion)。最小二乘法使得对于固件程序可以提供每个应变计被采样的瞬间的台架角度。与傅里叶近似法(Fourier-basedapproach)相比，最小二乘法也更稳定(robust)并且不依赖于在时间上准确相等地间隔的数据。然而，当数据在时间上相等分隔时，该方法导致通常的傅里叶方程。如上所述，在原始运行期间(即最初的不平衡)，在台架上进行应变计测量，并且X轴和Z轴方向上的每转一次的矢量被计算出来。然后，进行通常的两次试运行，每次都在已知位置处具有试验配重，并且每转一次的矢量得以求解(X1、Z1、X2、Z2)。由这些矢量确定一灵敏度矩阵(sensitivitymatrix)。由于这提供了以这些矢量的大小和相位角工作的自然方法(naturalmethod)，因此使用复数。敏感度矩阵与X和Z分量的恒等式如下列出XZ=a11a12a21a22UaUb⇒UaUb=a11a12a21a22-1XY]]>a11=X1-XUaTa12=X2-XUbTa21=Z1-ZUaTa22=Z1-ZUbT]]>X＝原始运行期间来自传感器54的应变(大小和相位，或实部和虚部)X1＝第一次试运行期间来自传感器54的应变X2＝第二次试运行期间来自传感器54的应变Z＝原始运行期间来自传感器56的应变Z1＝第一次试运行期间来自传感器56的应变Z2＝第二次试运行期间来自传感器56的应变UaT＝maTRaT∠θaTUbT＝mbTRbT∠θbTUa＝maRa∠θaUb＝mbRb∠θb灵敏度矩阵[a]可以被储存，并在以后再次使用。这是该台架结构的函数而不是不平衡的，因此将不随时间而改变。例如，当一个元件被替换时，其可以被再次使用以简单地检查平衡条件。当元件的改变导致说明书中未记载的不平衡时，其也可以被再次使用以对一组配重的新配置进行求解。由于试验配重不需要被连接，因此再次使用节省了平衡该系统所需的时间。一旦Ua和Ub已知，需要被添加到系统中以静态和动态地平衡该系统的配重的质量和Z轴位置能被计算出来。原始运行和试运行期间台架上初始堆的质量所引起的累积力和力矩被计算出来，并与平衡台架所需的质量和质量中心引起的力和力矩结合。这就是最终的合力和力矩。于是，产生相同合力和力矩的每一堆的新配置得以确定。新配置包括间隔片、填隙片、厚金属配重、薄金属配重和微调配重。该新配置由一软件程序来决定，该软件程序独立地用于对两堆配重50和52中的每一堆的求解。解算器以目标质量和质量位置的中心开始。首先，间隔片50C和52C被设置在杆构件上。间隔片被用于提供对配重的Z轴位置的粗调。于是，配重50E、50E’和52E和52E’按需要使用，还有系统所具有的填隙构件50D和52D。优选地，为每个平衡配重系统50和52配备九个铝制填隙片。这些填隙片或者可以横跨配重，集中在配重的间隔片一侧，或者集中在配重的远离间隔片的一侧。这些填隙片被用于对配重构件的Z轴位置提供精细调节。于是，对符合质量目标值的厚配重、薄配重和微调配重的组合，包括间隔片和填隙片的小质量，求解该算法。于是，递增地将这些填隙片向间隔片移动，从而将质量的中心向目标Z轴坐标移动，直到所有的填隙片抵靠间隔片或目标Z轴坐标达到。每次填隙片被移动，对各种配重平衡元件的组合求解该算法。其后，如果没有符合Z轴目标，则移动间隔片和填隙片，且该过程被重复直到达到目标质量和目标Z轴坐标两者。平衡堆的配置允许质量和质量的中心的Z轴坐标的范围具有充足的可调性，以覆盖可能出现的不平衡的范围。被解算程序和算法所用的一些等式如下力Fx＝-Im(Ua)-Im(Ub)Fy＝Re(Ua)+Re(Ub)力矩Mx＝(Zpiv-Za)Re(Ua)+(Zpiv-Zb)Re(Ub)My＝(Zpiv-Za)Im(Ua)+(Zpiv-Zb)Im(Ub)静态和动态的不平衡St=Fx2+Fy2]]>Dy=Mx2+My2]]>平衡堆质量m107=FxY‾107]]>m180=Fy-m107Y‾107Y‾180]]>每个平衡堆的质量的中心的Z轴坐标Z‾107=zpiv+Mym107X‾107]]>Z‾180=zpivMx=m107Y‾107(Z‾107-zpiv)m180Y‾180]]>预定的质量和间隔片被用于防止对称重和测量单个部件的需要。建立解算算法，使得其在给定间隔片、填隙片和配重的公差(包括厚度方面和质量方面)的条件下，收敛于平衡状态。每个平衡堆50和52均包括两种不同厚度的配重板，以提供大部分配重。轻的铝制间隔片和填隙片被用于将堆的质量的中心移动到目标Z轴位置。微调配重被用于提供对质量的最终调节。作为维护工具(servicetool)，解算算法以控制台120上的软件执行。这求出元件的精确组合，从而获得所需质量和目标Z轴坐标的每个堆。本发明的输出通过屏幕120和打印机122，以隔离物、填隙片、厚配重、薄配重和微调配重的在数量和布置两方面的精确配方的形式提供给用户。这导致用户的时间和复杂性的减少。用户不必现场测量质量和质量的中心。于是，每转两次的信号被用于检查损坏的应变计传感器。该每转两次的信号对于台架是正常的，并且不受任何不平衡严重影响。然而，如果该每转两次的信号下降到低于一预定水平，则用户被警告以检查传感器或电路中的问题。变量Zpiv是旋转系统的质量中心的位置。如果该质量被添加到此平面上，则动态不平衡将不被改变。通常，对于本发明，只需要对该值的评估。本发明可适用于现场或者工厂，或者这两种场合。它提供了方便，这尤其允许现场对旋转基座构件和台架的平衡。本发明消除了CT台架的两平面平衡所需的猜测工作。该两个平衡平面通常不具有与平衡配重实际上能被连接到台架上的少数位置相同的Z轴坐标。这减少了用户所需要的练习。由于只留出两个用于平衡配重的位置来保持平衡配重而不是多个位置，因此本发明还简化了台架的设计。同时，使用了有限数量和类型的平衡配重。台架上两个平衡位置的预选择和“移动方法”的使用简化了CT台架的平衡。已知的方法使用多个位置来添加平衡配重，以通过将一个平面解决方案(one-planesolution)(质量和相位角)分离成最接近的多个位置来静态地平衡台架。对于本发明，静态和动态的平衡可以同时进行。本发明使用一种算法来计算平衡该系统的间隔片、填隙片、厚板、薄板和微调配重的精确组合。每种类型的间隔片、填隙片、板和微调配重的平均重量和平均厚度在该算法中提供，因此用户不再有提供这些信息的负担。为了简单起见，还使用了提供相对大的信号且自供能的应变计传感器。示意性说明本发明方法的一优选实施例的流程图示于图7，且总地用附图标记200表示。虽然本发明已经结合一个或多个实施例进行了描述，但是需要明白的是，已经描述的特定机构、过程和程序仅仅是对本发明原理的解释说明。在不脱离由随后所附的权利要求所限定的本发明的主旨和范围的情况下，可以对所描述的方法和设备进行各种修改。权利要求1.一种用于平衡具有固定基座构件和旋转基座构件的CT台架机构的系统，该旋转基座构件(20)具有设置于其上的X射线管(24)和检测器板(26)，第一配重堆机构(50)具有第一已知的多个配重构件和间隔片，第二配重堆机构(52)具有第二已知的多个配重构件和间隔片，所述第一和第二堆构件安置在所述旋转基座构件上预定位置处，以及一对应变计传感器(54)、(56)安置在所述固定基座构件上相邻于所述旋转基座构件。2.如权利要求1所述的系统，其中，所述间隔片包括单独的间隔片构件(50C)、(52C)和单独的填隙构件(50D)、(52D)。3.如权利要求1所述的系统，其中，所述配重构件包括第一组具有第一质量的单独的配重构件(50)、以及第二组具有不同于所述第一质量的第二质量的单独的配重构件(52)。4.如权利要求1所述的系统，其中，所述预定位置隔开约90度。5.如权利要求1所述的系统，其中，所述预定位置在所述旋转基座构件上位于约107度和180度位置。6.一种用于平衡CT台架机构的方法，该CT台架机构具有固定基座构件(22)、旋转基座构件(20)和Z轴，并且具有安置在所述旋转基座构件上的X射线管(24)和检测器板(26)，该方法包括步骤提供在所述旋转基座构件上第一预定位置处的第一多个单独的配重构件(50)和间隔片；提供在所述旋转基座构件上第二预定位置处的第二多个单独的配重构件(52)和间隔片；在所述旋转基座构件上安置试验配重；进行第一次原始运行，测量该系统的不平衡，并计算不平衡大小和相位角；在试验配重安置在所述旋转基座构件上预定位置处的条件下，进行两次附加试验运行；计算静态和动态地平衡所述机构所需的质量和质量的Z轴位置；以及安置所述第一和第二多个配重构件和间隔片，以符合所述计算。7.如权利要求6所述的方法，其中，所述第一和第二多个配重构件和间隔片构件的所述预定位置在所述旋转基座构件上107度和108度位置处。8.如权利要求6所述的方法，还包括步骤调整对所述第一和第二多个配重构件和间隔片的所述安置，以完成该平衡。9.如权利要求6所述的方法，还包括步骤进行测试以检查平衡效果。10.如权利要求6所述的方法，其中，对该系统的该不平衡的所述测量利用至少一对应变计构件(54)、(56)来进行。全文摘要一种用于平衡CT台架机构的系统和方法。在旋转基座构件(20)上预先选定两个平衡位置，并在每个位置上设置多堆间隔片、填隙片以及配重。应变计传感器(54)、(56)设置在固定基座构件(22)上，并被包括为传感器电路的一部分。试验和测试运行确定添加到该系统上以对其进行静态和动态平衡所需的质量和质量的Z位置。文档编号G01M1/32GK1575767SQ20041007132公开日2005年2月9日申请日期2004年7月19日优先权日2003年7月18日发明者马克·E·雷兹尼塞克,埃里克·M·普拉特,肖恩·P·费斯勒申请人:Ge医药系统环球科技公司
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