基于聯(lián)合時(shí)頻分析的X射線管旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極振動(dòng)特征分析研究

祖賀飛，王衛(wèi)東，吳昊，張政波

中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853

基于聯(lián)合時(shí)頻分析的X射線管旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極振動(dòng)特征分析研究

祖賀飛，王衛(wèi)東，吳昊，張政波

中國(guó)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(shí)頻分析（Joint Time Frequency Analysis）分析X射線管振動(dòng)信號(hào)特征的方法。該方法利用短時(shí)傅里葉變換（Short Time Fourier Transform）的基本原理，并采用LabView中的信號(hào)處理工具編寫(xiě)了振動(dòng)信號(hào)短時(shí)傅里葉變換分析程序，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該方法適用于監(jiān)測(cè)X射線管在工作過(guò)程中振動(dòng)信號(hào)頻率隨時(shí)間變化的情況，為X射線管工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了有效手段。

聯(lián)合時(shí)頻分析；短時(shí)傅里葉變換；振動(dòng)特征； X射線管；旋轉(zhuǎn)陽(yáng)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(yùn)營(yíng)效益的核心、高值、易耗器件。開(kāi)展X射線管工作狀態(tài)檢測(cè)與評(píng)估，指導(dǎo)X射線管的使用、維護(hù)、保修和購(gòu)置等具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和緊迫性。根據(jù)臨床工程師多年的工作經(jīng)驗(yàn)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(yáng)極故障的現(xiàn)象，且這些故障往往伴隨旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極振動(dòng)異常，及存在明顯噪聲的規(guī)律，鑒于此基于振動(dòng)檢測(cè)的X射線管旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法被提出[1]。在獲得X射線管振動(dòng)信號(hào)后，如何有效提取故障信號(hào)的振動(dòng)特征，并將之與設(shè)備狀態(tài)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)是進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。故障特征提取的實(shí)質(zhì)就是對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的分析處理，提取對(duì)故障識(shí)別有用的信息，主要有適合線性系統(tǒng)和平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)域分析（波形分析、相關(guān)分析、統(tǒng)計(jì)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(hào)的聯(lián)合時(shí)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(shí)頻分析可以同時(shí)在時(shí)域和頻域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，利用短時(shí)傅里葉變換（Short Time Fourier Transform，STFT）的基本原理，本文將采用聯(lián)合時(shí)頻分析中最為常用的短時(shí)傅里葉變換對(duì)典型X射線管振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，計(jì)算出信號(hào)不同時(shí)刻的功率譜，觀察信號(hào)功率譜隨時(shí)間的變化情況，探索有效的X射線管故障振動(dòng)信號(hào)特征提取的方法和途徑。

1 材料和方法

1.1 短時(shí)傅里葉變換（STFT）分析理論

短時(shí)傅里葉變換由Gabor在1946年提出，用以測(cè)量聲音信號(hào)的頻率定位。對(duì)于信號(hào)h(t) 的短時(shí)傅里葉變換定義為：

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 X射線管旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極曝光周期典型振動(dòng)信號(hào)（時(shí)域）

圖2 X射線管旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極啟動(dòng)相振動(dòng)信號(hào)頻域分析

圖1所示為典型的在X射線管管壁檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極在一個(gè)曝光周期內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)[4]。當(dāng)進(jìn)行X射線管振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)時(shí)，將獲得連續(xù)、多個(gè)該信號(hào)，對(duì)該信號(hào)的啟動(dòng)項(xiàng)和制動(dòng)項(xiàng)分別進(jìn)行FFT分析，如圖2和圖3所示，從圖中可以看到，啟動(dòng)項(xiàng)振動(dòng)信號(hào)的最高頻率為2187.5Hz、制動(dòng)項(xiàng)振動(dòng)信號(hào)的頻率降為468.7Hz，可見(jiàn)X射線管旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極振動(dòng)信號(hào)在一個(gè)曝光周期內(nèi)存在顯著的頻率變化，該信號(hào)為本文時(shí)頻聯(lián)合分析方法的對(duì)象。

圖3 X射線管旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極制動(dòng)相振動(dòng)信號(hào)頻域分析

1.3 基于LabView的聯(lián)合時(shí)頻分析程序

本文對(duì)X射線管振動(dòng)信號(hào)的分析采用美國(guó)NI公司的LabView虛擬儀器軟件，該軟件所屬的信號(hào)處理工具包（Signal Processing Toolkit）中包含具備短時(shí)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(guò)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(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)的聯(lián)合時(shí)頻分析。

圖4 X射線管振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻聯(lián)合分析程序圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

圖5-(a) X射線管一個(gè)曝光周期振動(dòng)信號(hào)聯(lián)合時(shí)頻分析（STFT）結(jié)果

圖1所示X射線管振動(dòng)信號(hào)經(jīng)短時(shí)傅里葉（STFT）后得到如圖5所示的時(shí)頻聯(lián)合譜。圖5-(a)為采用“Guassian”窗函數(shù)對(duì)X射線管一個(gè)曝光周期的信號(hào)采用STFT變換后的圖譜，圖5-(b)為對(duì)具有3個(gè)曝光周期的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行STFT變換的結(jié)果。圖5-(a)和圖5-(b)中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為頻率，該圖清晰的反映了信號(hào)的頻率隨時(shí)間變化的情況，在不同時(shí)間段，信號(hào)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(gè)曝光周期振動(dòng)信號(hào)聯(lián)合時(shí)頻分析（STFT）結(jié)果

圖6 X射線管振動(dòng)信號(hào)FFT功率譜

3 討論

基于傅里葉變換的信號(hào)頻域分析方法，在現(xiàn)代故障診斷過(guò)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(méi)有將時(shí)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(hào)。本文關(guān)注的大熱容量X射線管均采用旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，其完成曝光的過(guò)程存在明顯的轉(zhuǎn)速變化[4]，是典型的頻率隨時(shí)間變化的信號(hào)。圖6是圖5-(b)所示X射線管振動(dòng)信號(hào)的FFT功率譜，即X射線管在3個(gè)連續(xù)的曝光周期后進(jìn)行的FFT分析，從該圖可以看出X射線管振動(dòng)信號(hào)的頻率成分，但是無(wú)法得到信號(hào)頻率隨時(shí)間變化的情況，而這對(duì)某些情況下異常振動(dòng)的監(jiān)測(cè)卻意義非凡。例如，如果X射線管振動(dòng)信號(hào)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(shí)間的變化，從而為監(jiān)測(cè)者提供了更多的信號(hào)分析解讀方法，有利于對(duì)故障異常信號(hào)的甄別。

4 結(jié)論

基于傅里葉變換的信號(hào)頻域分析方法，在現(xiàn)代故障診斷過(guò)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(méi)有將時(shí)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(hào)，如果信號(hào)為非平穩(wěn)信號(hào)、頻率分量隨時(shí)間變化，則基于傅里葉變換的各種譜分析方法不能說(shuō)明其中某種頻率分量出現(xiàn)在何時(shí)及其變化情況[5-7]。X射線管振動(dòng)信號(hào)需要長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的頻域信號(hào)分析方法，如快速傅里葉變換雖然可以分析信號(hào)的頻率成分，但是當(dāng)監(jiān)測(cè)者需要了解振動(dòng)信號(hào)頻率隨時(shí)間變化的情況時(shí)，F(xiàn)FT變換將無(wú)能為力。本文關(guān)注的大熱容量X射線管均采用旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，其完成曝光的過(guò)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(yáng)極起停和穩(wěn)定轉(zhuǎn)速等各個(gè)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(gè)時(shí)域的特征。所以，對(duì)于頻譜是時(shí)間的函數(shù)的X射線管曝光期間的振動(dòng)信號(hào)，單純得到其時(shí)域或頻域信息是不夠的，還必須了解信號(hào)的頻譜如何隨時(shí)間變化，本文采用的聯(lián)合時(shí)頻分析方法是一種有效地分析此類信號(hào)的方法。

[1] 吳昊,王衛(wèi)東,嚴(yán)勇,等.基于振動(dòng)檢測(cè)的X射線管旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)研究[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息,2011, 11(5):28-31．

[2] 韓清凱,于濤,王德友,等.故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性振動(dòng)分析與診斷方法[M].北京:科學(xué)出版社,2010:128-141.

[3] 李振春,刁瑞,韓文功,等.線性時(shí)頻分析方法綜述[J].勘探地球物理進(jìn)展,2010,33(4):239-246.

[4] 祖賀飛,王衛(wèi)東,吳昊,等.基于振動(dòng)分析的X射線管工作狀態(tài)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2011,26(4):22-25．

[5] 李舜酩,李香蓮.振動(dòng)信號(hào)的現(xiàn)代分析技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008:45-46.

[6] 房鴻,李耀宗,黃悅.新型X射線管的研制與性能測(cè)試[J].真空,2005,(5):36-38.

[7] 楊建,侯新生,鄭永明,等.基于非介入式X射線管電壓測(cè)量的研究[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù),2008,(5):110-112.

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。現(xiàn)任中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)保障部醫(yī)學(xué)工程保障中心主任。

作者郵箱：zuhefei@163.com