专利名称：一种自适应加速度补偿装置和方法
技术领域：
本发明涉及机械领域，特别是自适应加速度补偿装置和方法。
背景技术：
在X射线计算机断层成像(Computed Tomography,CT)设备中，机架旋转速度的变化会导致成像结果较差及引起其他问题。闭环控制是解决机架旋转速度的稳定性的ー种有效方法，其关键在于要从控制对象那里获得实时反馈，以实时调整机架的旋转速度，但这会极大地增加产品成本，目前通常在高端CT中使用。为达到既稳定机架的旋转速度，又不过多增加产品成本的目的，目前在低端CT中采用ー种“半闭环控制”办法以进行折衷，如无传感器磁场控制(sensor-less flux control, SFC)方法和磁场定向控制(field-oriented regulation,FOR)方法等,这些方法可从所用的电机中估计出机架的旋转速度。在SFC中，可根据电机的铭牌来估计相位电压和电流，并以此作为反馈。在FOR中，根据位于电机输出轴上的编码器得到电机的旋转速度等信息，并以此作为反馈。然而SFC并不能使机架旋转速度的稳定性得到较大提高；F0R虽然比SFC能更好地稳定机架的旋转速度，但是其成本比SFC高出上千元。此外，在上述半闭环控制方法中并没有考虑电机驱动皮带的转动。可见，目前在低端CT中并没有真正实现低成本的闭环控制。
发明内容
本发明的目的在于提供ー种自适应加速度补偿装置和方法，以用较低的成本来保持机架旋转速度的稳定性，以克服现有技术中半闭环控制方法的成本较高或者机架旋转速度稳定性较差的缺陷。有鉴于此，本发明提供ー种自适应加速度补偿装置，所述装置包括ー个位置传感器和ー种控制组件，其中所述位置传感器用于对X射线球管的位置进行采样，以得到ー采样信号；所述控制组件根据所述采样信号产生相应的补偿加速度，使连续两次读片间机架的旋转速度保持不变。以用较低的成本来保持机架旋转速度的稳定性，并简化数据采集系统控制电路板的结构和成本。根据本发明的一个实施例，所述控制组件包括ー个固定模快，用于存储机架的旋转加速度的基本特性曲线；和ー个调整模快，用于根据所述采样信号产生一校正系数，并用该校正系数来调整所述基本特性曲线，以产生所述补偿加速度。用于得到所述补偿加速度。进ー步，所述装置包括ー种信号格式转换器和ー个电机驱动器，其中所述信号格式转换器将所述补偿加速度的信号格式转换成所述电机驱动器能识别的信号格式；所述电机驱动器根据所述能识别的信号格式产生相应的自适应频率，以驱动电机来带动机架进行旋转。用于根据所述补偿加速度来驱动机架进行旋转，以补偿或抵消连续两次读片间旋转速度的差异，使连续两次读片间旋转速度基本保持不变。进ー步，所述装置包括一获取组件，用于获取机架的旋转加速度的基本特性曲线，并传送给所述控制组件。
根据本发明的又一个实施例，所述获取组件为一种能从机架上移除的可移除组件。以方便用于各种类型的CT，从而简化现有CT设备的设计，降低CT的成本。根据本发明的又一个实施例，所述可移除组件包括一种刻度尺，其上具有复数个刻度；ー种环形底带，其下部具有ー个突出部分，该突出部分沿Z方向水平插入机架旋转部分为其预留的狭槽内，且所述刻度尺紧固在所述环形底带上；一种位于机架静止部分上的读刻度头，用于接收所述刻度尺上的刻度信号，以获取机架的旋转速度信息。根据本发明的又一个实施例，所述刻度尺为ー种磁栅尺；所述环形底带为ー种承载所述磁栅尺的钢带。本发明还提供ー种自适应加速度补偿方法，所述方法包括ー个位置传感器对X射线球管的位置进行采样，以得到ー采样信号；根据所述采样信号产生相应的补偿加速度，使连续两次读片间机架的旋转速度保持不变。以用较低的成本来保持机架旋转速度的稳定性。根据本发明的一个实施例，所述根据采样信号来产生补偿加速度的方法包括获取机架的旋转加速度的基本特性曲线；根据所述采样信号产生一校正系数，并用该校正系数来调整所述基本特性曲线，以产生所述补偿加速度。用于得到所述补偿加速度。根据本发明的另ー个实施例，所述获取基本特性曲线的步骤包括用一种能从机架上移除的可移除组件来获取所述基本特性曲线。根据本发明的又一个实施例，所述方法包括信号格式转换器将所述补偿加速度的信号格式转换成电机驱动器能识别的信号格式；电机驱动器根据所述能识别的信号格式 产生相应的自适应频率，以驱动电机来带动机架进行旋转。用于根据所述补偿加速度来驱动机架进行旋转，以补偿或抵消连续两次读片间旋转速度的差异，使连续两次读片间旋转速度基本保持不变。从上述方案中可以看出，本发明的自适应加速度补偿装置和方法使得不同旋转周期及同一旋转周期内两次读片间的旋转速度的差异最小化，从而保证旋转速度的稳定性，以得到高质量的成像，并实现对旋转速度的闭环控制。同时本发明相比现有CT设备只需增加信号格式转换器和控制程序即可，信号格式转换器价格很便宜，控制程序可以整合到机架的静止主控板中，相比FOR和高端CT中的闭环控制方法，本发明的成本大大降低。另外，本发明只需ー个位置传感器，从而简化数据采集系统的电路板设计，降低成本。此外，获取机架的旋转加速度的基本特性曲线能从机架上移除，使各种类型的CT设备能通用该可移除组件，从而简化现有CT设备的设计，降低CT的成本。
下面将通过參照附图详细描述本发明的实施例，使本领域技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中图I为本发明自适应加速度补偿装置的示意图。图2为本发明可移除组件的示意图。图3为本发明自适应调整重力引起的加速度的示意图。图4为本发明自适应加速度补偿方法的示意图。附图标记
I控制组件2信号格式转换器3电机驱动器4 电机5位置传感器6机架旋转部分8机架静止部分11刻度尺 12读刻度头13环形底带步骤101 107本发明的自适应加速度补偿方法。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进ー步详细说明。本发明提供ー种自适应加速度补偿装置和方法，以用较低的成本实现对机架旋转速度的闭环控制，提高机架旋转的稳定性。以下以CT设备为例，具体说明本发明自适应加速度补偿装置和方法。图I为本发明自适应加速度补偿装置的示意图，其包括ー种控制组件I和位置传感器5，其中位置传感器5对X射线球管的位置进行采样，以得到ー采样信号；控制组件I根据所述采样信号产生相应的补偿加速度，使连续两次读片间机架的旋转速度基本保持不变。当然，本发明的装置也可以包括两个以上位置传感器，不过ー个位置传感器的成本更低。位置传感器5包括上方的传感器(位于机架静止部分)和下方的感应部件(位于机架旋转部分6上)，只有当感应部件与传感器的距离小干“检出距离”时，位置传感器才会有“感应”，并产生如高电平“I”等响应信号。据此，本发明只需采用ー个位置传感器即可获得机架旋转的零点參照标识，并以此作为采样信号，其可以是机架的旋转频率。相比高端CT设备中采用大量位置传感器来实现闭环控制的方式而言，本发明大大筒化数据采集系统的电路板设计，同时大大降低产品成本，使得本发明的装置和方法能用于低端CT设备中。控制组件I包括ー个固定模快和ー个调整模快，控制组件I可以整合到静止主控板中，其中固定模快用于存储机架的旋转加速度的基本特性曲线，该基本特性曲线在CT设备交付给客户之前就已经预编程好了，并且不会再改变，除非工程师再次编程。这是因为CT机架的旋转特性曲线是不会改变的，除非对机架进行组件替换。CT机架的旋转速度可分解为四个分量不变的基线速度分量、重力引起的变量、摩擦引起的变量和随机变量。目前在低端CT系统中，由于扫描过程中电机驱动器3的频率是不变的，所以低频率的重力引起的变量和摩擦引起的变量也是不变的，一旦装配好机架，重力弓I起的变量和摩擦引起的变量就是可预测出的。例如可以根据机架配重重心的偏移来得到重力引起的变量。更确切的说，重力引起的加速度和摩擦引起的加速度也是可预测的，这里摩擦引起的加速度可看作对重力引起的加速度的幅度改变。如果电机驱动器3的频率在扫描过程中发生改变，例如，在闭环控制中，尽管旋转速度会根据反馈来实时调整，但是由于机架的旋转特性曲线是不变的，所以重力引起的加速度和摩擦引起的加速度仍是可预测的。而随机变量对成像质量的影响相比重力引起的变量和摩擦引起的变量对成像质量的影响就相对小很多。此外，目前在低端CT设备中，常采用固定时间触发方法来采集X射线投影数据，即检测器(DMS, Data measurement system)在固定的时间间_ At内读片(readingノ。可以通过整合在扫描仪中的旋转速度測量和控制系统来获取上述旋转特性曲线。可是在现有CT设备中，每台CT扫描仪都配备有各自的、专门的旋转速度測量和控制系统，这些旋转速度測量和控制系统并不具备通用性，这样CT设备的成本就相对较高。为了降低成本，本发明提出一种能从CT机架上移除的可移除组件来获取旋转加速度的基本特性曲线，如图2所示。该可移除组件能用于各种类型的CT设备中，即，在測量 出一台CT设备的旋转特性曲线后，就可以从该台CT设备中移除，之后再安装到另一台CT设备中測量其旋转特性曲线，这样CT扫描仪就不必各自配有旋转速度的測量和控制系统，从而简化现有CT设备的设计，大大降低CT的成本。图2中可移除组件包括—种刻度尺11，其上具有复数个刻度。刻度尺11例如为ー种磁栅尺或本领域技术人员熟知其他标尺或刻度，如光门控标尺，不过磁栅尺的价格更加便宜，更易于自动控制，且具有更高的时间/空间分辨率。优选地，刻度尺11上的刻度等间隔布置。对于磁栅尺而言，最好每个刻度的南极都朝向机架中心，北极都背离机架中心，或者北极都朝向机架中心，南极都背离机架中心。ー种环形底带13，其环绕布置在机架旋转部分上，环形底带的下部具有ー个突出部分(如楔形)，该突出部分能沿Z方向水平插入机架旋转部分为其预留的狭槽内，且刻度尺11紧固在所述底带上，如用特定的粘合剂使磁栅尺紧紧地、永久地固定在的环形底带上。因此环形底带13连同其上粘合的刻度尺11可从机架上移除。环形底带13例如为ー种承载所述磁栅尺的钢带。Z方向为CT检查床进出机架中心的方向。—种位于机架静止部分8上的读刻度头12，用于接收刻度尺11上的刻度信号。例如读刻度头12为ー种传感器，当其接收到刻度信号时可产生一个高电平脉冲信号，于是就得到机架的旋转速度信息，经过计算后得到旋转加速度的基本特性曲线。当从一台CT设备中移除该可移除组件时，只需将环形底带13的下部从所述狭槽中拔出，并将读刻度头12拆卸下即可。之后，控制组件的调整模快就根据位置传感器5的采样信号来产生一校正系数，并用该校正系数来调整所述基本特性曲线，以产生自适应补偿加速度。如根据所述采样信号得到X射线球管第i次旋转一周所需的旋转时间Ti，再根据Ti来产生ー调整系数ai;并用A来调整所述基本特性曲线的幅度\ AM，如AM，得到如图3虚线所示的自适应补偿加速度曲线。接着控制组件将所述补偿加速度传送给电机驱动器3，使电机驱动器3根据所述补偿加速度产生自适应的调节频率，以驱动电机4来带动机架进行旋转。于是电机4产生自适应补偿加速度以抵消重力引起的加速度，以稳定机架的旋转。如图3所示为本发明自适应调整重力引起的加速度的示意图，其中横坐标为读片序号，纵坐标为经归一化后的加速度的大小，实线为重力引起的加速度曲线，为一正弦曲线，虚线为自适应补偿加速度，其与该正弦曲线的幅度基本相等，只是相位相反，点划线为通过本发明的闭环控制调整后的加速度，其大小基本为O，可见本发明的装置很好地保证了机架旋转的稳定性。如果机架旋转的稳定性很好，那么旋转速度的变化、机架的抖动及其对成像质量的影响都会降低到最小。图3中在X射线管每次旋转过程中要进行1100次以上的读片，且相邻两次连续读片间的时间间隔是不变的。然而控制组件并不能直接将所述补偿加速度传送给电机驱动器3，因为电机驱动器3无法识别控制组件生成的补偿加速度的格式，所以本发明的装置进ー步包括ー种信号格式转换器2，其将补偿加速度的信号格式(如，用数字表示的信号格式)转换成电机驱动器3能识别的信号格式,如高阈值逻辑(high threshold Iogic7HTL)等形式的信号(如脉冲信号)。这样就可以用HTL形式的信号作为机架旋转速度的反馈信号，从而真正实现对机架旋转的闭环控制。
可见用本发明的装置能保证连续两次读片间机架的旋转速度大小基本相等，从而实现机架旋转的稳定性，減少CT图像中的伪影，使低端CT设备无需通过増加位置传感器等昂贵的校正系统就能提高成像质量。另外，相比现有FOR半闭环控制方法，本发明只需要増加ー种信号格式转换器和控制程序即可在低端CT设备中真正实现对旋转速度的闭环控制，从而极大地降低产品成本。图4为本发明自适应加速度补偿方法的示意图，该方法包括步骤101，获取机架的旋转加速度的基本特性曲线。可以采用本领域技术人员熟知的各种方法来获取该基本特性曲线，不过从降低产品成本的角度考虑，本发明采用ー种可移除组件来获取该基本特性曲线。可移除组件包括一种刻度尺、一种环形底带和ー种读刻度头，具体细节和其它实施方式已在自适应加速度补偿装置中可移除组件中有具体说明，这里不再赘述。步骤102，ー个位置传感器5对X射线球管的位置进行采样，以得到ー采样信号。步骤103，根据所述采样信号产生一校正系数，并用该校正系数来调整所述基本特性曲线，以产生所述补偿加速度，使连续两次读片间机架的旋转速度保持不变。具体的调整过程和产生的补偿加速度曲线已在本发明装置的调整模快中有具体说明，这里不再赘述。步骤104，信号格式转换器2将所述补偿加速度的信号格式转换成电机驱动器3能识别的信号格式。步骤105，电机驱动器3根据所述能识别的信号格式产生自适应的调整频率，以驱动电机4。步骤106，电机4根据所述补偿加速度来驱动机架进行旋转。从而对当前机架旋转的加速度进行补偿，以最小化两次读片间旋转速度的差异。进ー步，本发明的加速度补偿方法包括步骤107，进行成像质量测试以验证补偿加速度的补偿效果。可以对图像进行高对比度测试或者空进分辨率测试等本领域技术人员熟知的测试方法来验证本发明产生的补偿加速度的补偿效果。如设置ー个门限值，当测试參数低于该门限值时，表明本发明的补偿效果良好。本发明涉及医疗设备领域，特别是ー种自适应加速度补偿装置和方法，其用于调整机架的旋转速度。所述装置包括一个位于机架的旋转部分的位置传感器和ー种控制组件，其中所述位置传感器用于对X射线球管的位置进行采样，以得到ー采样信号；所述控制组件用于根据所述采样信号产生相应的补偿加速度，使连续两次读片间机架的旋转速度保持不变。本发明还提供ー种自适应加速度补偿方法。本发明的装置和方法能使连续两次读片间机架的旋转速度基本不变，提高机架旋转的稳定性；且仅需要ー个位置传感器，节省产品成本；井能实现闭环控制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种自适应加速度补偿装置，所述装置包括一种控制组件和一个位置传感器，其中 所述位置传感器对X射线球管的位置进行采样，以得到一采样信号； 所述控制组件根据所述采样信号产生相应的补偿加速度，使连续两次读片间机架的旋转速度保持不变。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述控制组件包括 一个固定模快，用于存储机架的旋转加速度的基本特性曲线；和 一个调整模快，用于根据所述采样信号产生一校正系数，并用该校正系数来调整所述基本特性曲线，以产生所述补偿加速度。
3.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括一种信号格式转换器和一个电机驱动器，其中 所述信号格式转换器将所述补偿加速度的信号格式转换成所述电机驱动器能识别的信号格式； 所述电机驱动器根据所述能识别的信号格式产生相应的自适应频率，以驱动电机来带动机架进行旋转。
4.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括 一获取组件，用于获取机架的旋转加速度的基本特性曲线，并传送给所述控制组件。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述获取组件为一种能从机架上移除的可移除组件。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述可移除组件包括 一种刻度尺，其上具有复数个刻度； 一种环形底带，其下部具有一个突出部分，该突出部分沿Z方向水平插入机架旋转部分为其预留的狭槽内，且所述刻度尺紧固在所述环形底带上； 一种位于机架静止部分上的读刻度头，用于接收所述刻度尺上的刻度信号，以获取机架的旋转速度信息。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于， 所述刻度尺为一种磁栅尺； 所述环形底带为一种承载所述磁栅尺的钢带。
8.—种自适应加速度补偿方法，所述方法包括 一个位置传感器对X射线球管的位置进行采样，以得到一采样信号； 根据所述采样信号产生相应的补偿加速度，使连续两次读片间机架的旋转速度保持不变。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据采样信号来产生补偿加速度的方法包括 获取机架的旋转加速度的基本特性曲线； 根据所述采样信号产生一校正系数，并用该校正系数来调整所述基本特性曲线，以产生所述补偿加速度。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述获取基本特性曲线的步骤包括 用一种能从机架上移除的可移除组件来获取所述基本特性曲线。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括信号格式转换器将所述补偿加速度的信号格式转换成电机驱动器能识别的信号格式； 电机驱动器根据所述能识别的信号格式产生相应的自适应频率，以驱动电机来带动机架进行旋转。
全文摘要
本发明涉及医疗设备领域，特别是一种自适应加速度补偿装置和方法。所述装置包括一个位置传感器和一种控制组件，其中所述位置传感器用于对X射线球管的位置进行采样，以得到一采样信号；所述控制组件用于根据所述采样信号产生相应的补偿加速度，使连续两次读片间机架的旋转速度保持不变。本发明还提供一种自适应加速度补偿方法。本发明的装置和方法能使连续两次读片间机架的旋转速度基本不变，从而提高机架旋转的稳定性；且仅需要一个位置传感器，从而节省产品成本；并能实现闭环控制。
文档编号A61B6/03GK102846330SQ20111018083
公开日2013年1月2日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者张纪庄, 杨容, 王薇 申请人:上海西门子医疗器械有限公司