基于振动分析的X射线管工作状态无损检测技术研究

祖贺飞 ，王卫东，吴昊， 张政波， 张帅

中国人民解放军总医院，北京 100853

基于振动分析的X射线管工作状态无损检测技术研究

祖贺飞 ，王卫东，吴昊， 张政波， 张帅

中国人民解放军总医院，北京 100853

本文提出了一种基于振动信号分析的X射线管旋转阳极工作状态监测方法。利用LabVIEW虚拟仪器开发平台，对通过加速度传感器和高分辨率数据采集卡采集到的X射线管旋转阳极的振动信号进行时域、频域和时频联合分析，完成振动特征的提取和处理，实现了X射线管启动、运转、刹车等工作状态的区分。

X射线管；旋转阳极；X射线管故障；球管质量评估

0 前言

大型X射线影像设备是现代医院重要的诊疗设备，主要包括计算机断层成像设备（CT：Computed Tomography）、数字减影血管造影设备（DSA：Digital Subtraction Angiography）和各类数字医用X线机（DR：Digital Radiography）等。X射线管是大型X射线影像设备的重要部件，具有高值、易损的特点，价格从10万～150万元/只不等，在医疗机构设备维护费用中占据相当大的比重。由于X射线管临床使用频率高、易耗损，大型综合性医院每年新购及保修X射线管的费用通常高达数百万元[1]。因此对于临床工程师和临床决策部门而言，如何采用科学的方法辨识X射线管工作状态，开展预防性维修，无论对于节约维修经费、制定合理的保修策略，还是提高临床工程保障能力、提高设备运营效率都具有重要的研究意义。

X射线管是结构复杂、制作工艺精细的真空器件，目前通常采用旋转阳极的设计形式[2-3]。受限于维修工具和手段，临床工程保障中可修复性较低，通常采用更换备用X射线管的方法。X射线管的核心和易损部件是旋转阳极，在通常X射线管的寿命周期内与旋转阳极相关的故障（阳极异响、抱死）占全部故障的大多数，是X射线管故障中最为常见的故障，X射线管伴随使用时间的延长，由初始良好状态逐步出现旋转阳极异常振动和异常噪声现象，最后出现旋转阳极剧烈摩擦、抱死，导致紧急停机[4-6]。由于X射线管的基本工作原理是利用强电场加速电子，高速电子撞击阳极靶面产生X射线，因此对X射线管而言，温度和振动这两个信号能够有效地反映出X射线管的工作状态。而且对于处于异常状态的X射线管，振动信号的异常往往要先于温度异常[1]。本文将基于振动分析的机器运行状态检测/监测技术用于X射线管状态无损检测，构建了基于LabVIEW的X射线管振动信号采集和分析系统，探索了从时域、幅值域、频域和时频联合分析等多个角度对X射线管不同工作状态数据进行处理，实现了区分X射线管启动、运转和刹车等不同工作状态的目的，为后续探索X射线管旋转阳极状态无损检测、实现X射线管故障预判、寿命预测等研究提供了技术途径和手段。

1 基于LabVIEW的振动信号采集系统

1.1 硬件

1.1.1 传感器

由于MEMS技术的发展，加速度传感器实现了高集成度和小型化封装，目前已被广泛用于各类振动信号测量领域。由于X射线球达到正常曝光条件时旋转阳极转速通常要达到3,000～10,000r/min ，当旋转阳极状态异常时，通常会产生更高频率的谐波成分，因此加速度传感器的频响应覆盖10倍频的正常曝光转速[7]。基于以上分析，本系统振动信号采集使用了上海北智科技有线公司生产的三轴向测量通用型14500加速度传感器和单轴向测量通用型传感器。该类型传感器属低阻抗电压输出型压电式加速度传感器，内部集成有信号调理电路，输出灵敏度50～100 mV/g，最大输出电压量值为±5V。信号采集时，可将两个单轴向传感器分别固定在X射线管管壁的径向和轴向两个位置，或者选择靠近旋转阳极的部位的管壁放置一个三轴向传感器。

1.1.2 数据采集卡

由1.1.1中对被测振动信号的估算，可知被测振动信号的频率范围在0.05～1.7kHz，根据采样定理，数据采集卡的采样频率不低于3.4 kHz。考虑到测量的可靠性和被测信号的最大频率估算误差，确定数据采集卡采样率不低于34 kHz。本系统采用国家仪器公司（简称“NI”）的NI USB-9234 数据采集卡，该采集卡为基于USB的4通道高速信号采集卡，动态范围102dB。4条输入通道借助自动调节采样率的内置抗混叠滤波器，同时以每通道高达51.2kHz的速率对信号进行数字化处理。

1.2 软件

系统软件开发采用美国NI 公司推出的面向对象的图形化编程语言LabVIEW，搭建测试软件分析平台。LabVIEW具有高效、灵活、强大的数字信号处理功能，利用其具有的Express VI（迅捷虚拟仪表），实现振动信号采集、存储，以及时域、频域和时频联合分析等功能[8-10]，离线分析软件的前面板如图1所示。采用本系统可以同时用各种信号处理方法，发现振动信号特征。其中时域分析模块主要用来观察采集的旋转阳极振动信号波形随时间变化的波形；频域分析模块采用FFT（快速傅里叶变换）功率谱分析，以分析振动信号的频率成分；时频联合分析模块主要用到了短时傅立叶变换(STFT)，以观察信号的整体时频信息[7]。本文通过建立上述振动信号分析模块，探索提取出能够反映出X射线管工作状态的振动信号特征。

图1 X射线管旋转阳极工作状态监测与分析系统前面板

2 基于振动分析的X射线管状态辨识

采用本文所述的振动信号采集系统，我们采集了正常状态X射线管工作时的振动信号。通过分析发现，轴向加速度传感器的振动信号分量很低，径向加速度传感器则振动信号分量较大，且具有明显的与X射线管工作状态对应的信号特征，如图2所示。该图为典型的在X射线管管壁检测到旋转阳极在1个曝光周期内的振动信号。旋转阳极经历了从待机到加速启动、稳态曝光、制动再到待机的工作过程，从振动信号中，我们能够明显识别出X射线管旋转阳极在1个曝光周期内的状态分为3个相：第1个相是旋转阳极启动相，即旋转阳极从启动到达到曝光要求的平稳转速；第2个相是旋转阳极稳态相，即X射线管开始曝光至曝光结束的一段时间；第3个项是曝光结束至旋转阳极停转的一段时间。

图2 X射线管旋转阳极曝光周期典型振动信号（时域）

基于这个具有明显状态特征的X射线管振动信号，我们在幅值域、频域和时频域对该振动信号进行了处理。

2.1 预处理

通过待机状态的振动信号分析发现，在旋转阳极不工作时，加速度传感器仍能够采集到来自管壁的振动信号，这部分信号可能源于X射线管所属大型影像设备的扰动信号以及球管内的油冷却系统，因此在针对旋转阳极的振动信号处理时，需要使用高通滤波器对振动信号进行预处理，去除与旋转阳极工作无关的振动信号（如图3所示）。

2.2 时域和幅值域分析

时域和幅值域有多个参量可以描述信号特征，如自相关和互相关分析用于判断信号的随机程度，也可用于检测混在在随机信号中的周期信号；还可以求信号的均值和方差等统计量，计算其概率密度分布等。幅值域分析是每次实验必不可少的一步，尤其是随机信号数字特征的偏态和峰值，可用于故障检测和分析。针对图2旋转阳极的振动信号，我们采用峭度这个参数来识别3个不同状态（如图4所示）。

图3 高通滤波器频率响应

图4 振动信号各个阶段峭度值

随着振动量的发生和发展，峭度会逐渐增大，峭度对大幅值非常敏感，当其概率增加时，值将迅速增大，有利于探测奇异振动信号[11]。

2.3 频域分析

在数字信号处理领域，频域处理技术由于快速傅里叶变换FFT算法的提出而得到广泛应用。频率分析通常包括功率谱分析，频响函数分析和倒谱分析等。我们尝试使用基于FFT的功率谱分析技术处理图2旋转阳极3个状态的振动信号，观察其频率成分（如图5所示）。

图5 FFT功率谱分析

2.4 联合时频分析

基于傅里叶变换的信号频域表示及能量频域分布揭示了信号在频域的特征，但傅里叶变换是一种整体变换，只能了解信号的全局特性，不能有效检测信号频率随时间的变化情况。时频分析以联合时频分布的形式来表示信号的特性，克服了傅里叶分析时域和频域完全分离的缺陷，可以较准确地定位某一时刻出现哪些频率分量，以及某一频率分量分布在哪些时刻上。联合时频分析在基于振动信号分析的机器工作状态监测中获得了广泛应用[12-13]。由于短时傅里叶变换STFT具有概念直接，算法简单，易于实现等优点，对整个信号采用单一分辨率分析，可反映信号的整体时频趋势，我们采用STFT方法处理图2旋转阳极3个状态的振动信号，观察其能量在时频相平面的分布情况（如6所示）。

图6 联合时域频域分析

3 结论

通过我们研制的信号采集装置，能够有效地采集X射线管在不同工作状态的振动信号。LabVIEW为我们提供了一个快速的信号采集和分析处理平台，在该平台我们不仅实现了振动信号的采集和实时显示，还针对X射线管在1个曝光周期中的振动信号特点开发了时域分析、幅值域分析、频域分析和联合时频分析等信号处理算法。通过数据分析处理发现，幅值域的陡度参数能够有效区分旋转阳极的不同工作状态，频域的基于FFT的功率谱算法虽然能够提示出每个阶段的不同频率成分，但是无法提供各个频率分量出现的时刻信息，而基于STFT的联合时频分析则能够获得丰富的时频分布信息，可直观和有效地区分出旋转阳极的不同工作状态。因此幅值域的信号处理方法，如随机信号数字特征的偏态和峰值及联合时频分析方法可有效地用于X射线管工作状态检测，识别异常振动信号和分析。

4 讨论

本文仅分析了正常状态X射线管在1个曝光周期内，在管壁检测到的振动信号的特征，在时域、幅值域、频域和时频域开展了初步的信号处理和状态辨识工作。故障状态下的X射线管的振动信号特征有待在实际临床工程保障中发现和捕捉。旋转阳极不同相在正常和故障状态下具有不同特征，其信号处理分析的方法有可能不同，在对振动信号进行分析时，需要将各种方法结合起来权衡考虑。由于旋转阳极损耗和故障是一个渐变的过程，我们需要建立一套连续的数据采集系统，周期性的采集旋转阳极的工作振动信号，建立X射线管工作状态数据库。管工作状态数据库的建立，不仅对于识别X射线管工作状态，实现故障早期预警有重要意义，而且可以据此开展科学的球管质量评估。该方面的研究对于探索科学化、数字化临床工程保障研究具有重要意义。

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Research on Status Noninvasive Detecting of X-ray Tube Based on Vibration Signals Analysis

ZU He-fei, WANG Wei-dong,WU Hao, ZHANG Zheng-bo,ZHANG Shuai
Chinese PLA (People's Liberation Army)General Hospital, Beijing, 100853

TH774；R319

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.04.007

1674-1633(2011)04-0022-04

2011-02-28

解放军总医院科技创新苗圃基金项目（09KMM46）。

本文作者：祖贺飞，在职硕士研究生。

王卫东，博士，研究员，博士生导师。现任中国人民解放军总医院医学保障部医学工程保障中心主任。

通讯作者邮箱：wangwd301@126.com

Abstract:This paper proposes an analysis method to monitor the status of an X-ray tube with rotating anode based on vibration signals analysis. The features were found and dealt with through the analysis of vibration signals detected by accelerometer and high resolution data acquisition card in time domail, frequency domain and time-frequency domain via the NI LabVIEW Visual Instrument Development Platform. This is a new approach to detect the start-up, running and breaking period of X-ray tube with rotating anode.

Key words:X-ray tube; rotating anode; X-ray tube failure; quality analysis of tube