基于聯(lián)合時頻分析的X射線管旋轉(zhuǎn)陽極振動特征分析研究

祖賀飛，王衛(wèi)東，吳昊，張政波

中國人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853

基于聯(lián)合時頻分析的X射線管旋轉(zhuǎn)陽極振動特征分析研究

祖賀飛，王衛(wèi)東，吳昊，張政波

中國人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853

本文研究了一種利用聯(lián)合時頻分析（Joint Time Frequency Analysis）分析X射線管振動信號特征的方法。該方法利用短時傅里葉變換（Short Time Fourier Transform）的基本原理，并采用LabView中的信號處理工具編寫了振動信號短時傅里葉變換分析程序，通過實驗證明了該方法適用于監(jiān)測X射線管在工作過程中振動信號頻率隨時間變化的情況，為X射線管工作狀態(tài)監(jiān)測提供了有效手段。

聯(lián)合時頻分析；短時傅里葉變換；振動特征； X射線管；旋轉(zhuǎn)陽極

大型X線影像設(shè)備是醫(yī)院診療工作的重要技術(shù)支撐，也是影響醫(yī)院效益的關(guān)鍵設(shè)備，而X射線管是決定大型X線影像設(shè)備運營效益的核心、高值、易耗器件。開展X射線管工作狀態(tài)檢測與評估，指導(dǎo)X射線管的使用、維護、保修和購置等具有較高的經(jīng)濟價值和緊迫性。根據(jù)臨床工程師多年的工作經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，部分X射線管、特別是CT或DSA等高熱容量X射線管的故障中均不同程度存在X射線管旋轉(zhuǎn)陽極故障的現(xiàn)象，且這些故障往往伴隨旋轉(zhuǎn)陽極振動異常，及存在明顯噪聲的規(guī)律，鑒于此基于振動檢測的X射線管旋轉(zhuǎn)陽極工作狀態(tài)監(jiān)測方法被提出[1]。在獲得X射線管振動信號后，如何有效提取故障信號的振動特征，并將之與設(shè)備狀態(tài)準確對應(yīng)是進行狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵。故障特征提取的實質(zhì)就是對信號數(shù)據(jù)進行一系列的分析處理，提取對故障識別有用的信息，主要有適合線性系統(tǒng)和平穩(wěn)信號的時域分析（波形分析、相關(guān)分析、統(tǒng)計分析、軸心分析等）和基于傅里葉變換的頻域分析（幅值譜、功率譜、包絡(luò)譜、倒頻譜等），以及適合于非線性系統(tǒng)和非平穩(wěn)信號的聯(lián)合時頻分析（Joint Time Frequency Analysis，JTFA）、小波分析、Hilbert-Huang變換技術(shù)等[2]。聯(lián)合時頻分析可以同時在時域和頻域中對信號進行分析，利用短時傅里葉變換（Short Time Fourier Transform，STFT）的基本原理，本文將采用聯(lián)合時頻分析中最為常用的短時傅里葉變換對典型X射線管振動信號進行分析，計算出信號不同時刻的功率譜，觀察信號功率譜隨時間的變化情況，探索有效的X射線管故障振動信號特征提取的方法和途徑。

1 材料和方法

1.1 短時傅里葉變換（STFT）分析理論

短時傅里葉變換由Gabor在1946年提出，用以測量聲音信號的頻率定位。對于信號h(t) 的短時傅里葉變換定義為：

1.2 實驗數(shù)據(jù)

圖1 X射線管旋轉(zhuǎn)陽極曝光周期典型振動信號（時域）

圖2 X射線管旋轉(zhuǎn)陽極啟動相振動信號頻域分析

圖1所示為典型的在X射線管管壁檢測到旋轉(zhuǎn)陽極在一個曝光周期內(nèi)的振動信號[4]。當進行X射線管振動信號監(jiān)測時，將獲得連續(xù)、多個該信號，對該信號的啟動項和制動項分別進行FFT分析，如圖2和圖3所示，從圖中可以看到，啟動項振動信號的最高頻率為2187.5Hz、制動項振動信號的頻率降為468.7Hz，可見X射線管旋轉(zhuǎn)陽極振動信號在一個曝光周期內(nèi)存在顯著的頻率變化，該信號為本文時頻聯(lián)合分析方法的對象。

圖3 X射線管旋轉(zhuǎn)陽極制動相振動信號頻域分析

1.3 基于LabView的聯(lián)合時頻分析程序

本文對X射線管振動信號的分析采用美國NI公司的LabView虛擬儀器軟件，該軟件所屬的信號處理工具包（Signal Processing Toolkit）中包含具備短時傅里葉（STFT）變換功能的VI（Virtual Instrument）。本文主要采用STFT Spectrograms VI，該VI可通過選擇端子參數(shù)設(shè)置不同從而設(shè)定不同的STFT窗函數(shù)，常用的窗函數(shù)包括Hanning、Hamming、Blackman-Harris、Exact Blackman、Flat Top、Term B-Harris 、Gaussian等。振動信號的處理程序如圖4所示，采用該程序可快速完成X射線管振動信號的聯(lián)合時頻分析。

圖4 X射線管振動信號時頻聯(lián)合分析程序圖

2 實驗結(jié)果及其分析

圖5-(a) X射線管一個曝光周期振動信號聯(lián)合時頻分析（STFT）結(jié)果

圖1所示X射線管振動信號經(jīng)短時傅里葉（STFT）后得到如圖5所示的時頻聯(lián)合譜。圖5-(a)為采用“Guassian”窗函數(shù)對X射線管一個曝光周期的信號采用STFT變換后的圖譜，圖5-(b)為對具有3個曝光周期的振動信號進行STFT變換的結(jié)果。圖5-(a)和圖5-(b)中橫坐標為時間，縱坐標為頻率，該圖清晰的反映了信號的頻率隨時間變化的情況，在不同時間段，信號的頻率成分是存在明顯的變化規(guī)律的。

圖5-(b) X射線管三個曝光周期振動信號聯(lián)合時頻分析（STFT）結(jié)果

圖6 X射線管振動信號FFT功率譜

3 討論

基于傅里葉變換的信號頻域分析方法，在現(xiàn)代故障診斷過程中起到了重要作用，但傅里葉分析方法也有明顯的局限性，沒有將時域和頻域結(jié)合在一起，只適合于分析連續(xù)的、平穩(wěn)的信號。本文關(guān)注的大熱容量X射線管均采用旋轉(zhuǎn)陽極結(jié)構(gòu)，其完成曝光的過程存在明顯的轉(zhuǎn)速變化[4]，是典型的頻率隨時間變化的信號。圖6是圖5-(b)所示X射線管振動信號的FFT功率譜，即X射線管在3個連續(xù)的曝光周期后進行的FFT分析，從該圖可以看出X射線管振動信號的頻率成分，但是無法得到信號頻率隨時間變化的情況，而這對某些情況下異常振動的監(jiān)測卻意義非凡。例如，如果X射線管振動信號相同的頻率變化分別發(fā)生在24h和發(fā)生在10min內(nèi)，其FFT變換的結(jié)果區(qū)分不出這兩種情況，但是采用STFT變換卻可以清晰的看出頻率隨時間的變化，從而為監(jiān)測者提供了更多的信號分析解讀方法，有利于對故障異常信號的甄別。

4 結(jié)論

基于傅里葉變換的信號頻域分析方法，在現(xiàn)代故障診斷過程中起到了重要作用。但傅里葉分析方法也有明顯的局限性，沒有將時域和頻域結(jié)合在一起，只適合于分析連續(xù)的、平穩(wěn)的信號，如果信號為非平穩(wěn)信號、頻率分量隨時間變化，則基于傅里葉變換的各種譜分析方法不能說明其中某種頻率分量出現(xiàn)在何時及其變化情況[5-7]。X射線管振動信號需要長時間、連續(xù)監(jiān)測，傳統(tǒng)的頻域信號分析方法，如快速傅里葉變換雖然可以分析信號的頻率成分，但是當監(jiān)測者需要了解振動信號頻率隨時間變化的情況時，F(xiàn)FT變換將無能為力。本文關(guān)注的大熱容量X射線管均采用旋轉(zhuǎn)陽極結(jié)構(gòu)，其完成曝光的過程存在明顯的轉(zhuǎn)速變化，如果僅采用基于傅里葉變換的頻域分析，不能將頻率變化與X射線管在旋轉(zhuǎn)陽極起停和穩(wěn)定轉(zhuǎn)速等各個工作狀態(tài)下的變化結(jié)合分析，得到的僅僅是頻率在整個時域的特征。所以，對于頻譜是時間的函數(shù)的X射線管曝光期間的振動信號，單純得到其時域或頻域信息是不夠的，還必須了解信號的頻譜如何隨時間變化，本文采用的聯(lián)合時頻分析方法是一種有效地分析此類信號的方法。

[1] 吳昊,王衛(wèi)東,嚴勇,等.基于振動檢測的X射線管旋轉(zhuǎn)陽極工作狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)研究[J].中國醫(yī)療器械信息,2011, 11(5):28-31．

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Research on Vibration Feature Detecting of X-ray Tube with Rotating Anode Based on the Joint Time Frequency Analysis

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

This paper researches an analysis method of X-ray tube vibration signal feature based on analysis in time-frequency domain. This method provides program of vibration signal STFT by making use of the fundamental of the STFT and signal processing tools of LabView. Experiments prove this method is the same with monitoring vibration signal frequency of the X-ray tube varying with time in working condition, and provides an effective approach to monitor the working status of X-ray tube.

joint time frequency analysis; STFT; vibration feature; X-ray tube; rotating anode

TH774；R319

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.05.014

1674-1633(2011)05-0054-03

2011-04-06

2011-05-04

解放軍總醫(yī)院科技創(chuàng)新苗圃基金（09KMM46）。

本文作者：祖賀飛，在職碩士研究生。

王衛(wèi)東，博士，研究員，博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)任中國人民解放軍總醫(yī)院醫(yī)學保障部醫(yī)學工程保障中心主任。

作者郵箱：zuhefei@163.com