人体SPECT机械系统运行状态监测装置研制

摘要

　　人体SPECT是一种大型核医学影像设备，广泛应用于脑、肺、肾、心脏等人体器官的疾病检查与功能研究。在SPECT工作过程中，其机械系统驱动两个数百公斤的探测器围绕或贴近人体进行运动，通过探测体内部放射性示踪剂的分布情况获得器官的功能图像。SPECT机械系统工作状态的可靠性直接关系到人身安全，因此有必要对其运行状态进行监测，以提前察觉潜在危险信号，保证设备稳定运行。

　　本文在分析SPECT机械系统工作特点的基础上，提出了一种多参数运行状态监测方案，并研制了一款基于STM32单片机的SPECT机械系统运行状态监测装置。该装置主要由信号采集，数据的处理、传输、分析和存储等模块组成。通过测量振动、噪声、应力/应变三类参数监测SPECT机械系统的运行状态。

　　针对SPECT机械系统中的主回转运动机构、探测器平移及旋转机构的运行状态监测，采用了振动信号测量方案。选用压电式加速度传感器作为振动信号感知器件，以磁吸方式安装在运动机构监测点测量设备运行时的振动情况。设计了基于STM32F103ZE和AD7606的单片机数据采集系统，对传感器输出的模拟电压信号进行采集，然后通过串口将数据传输至上位计算机。应用LabVIEW软件设计了数据显示、分析程序，通过用户界面可以观测数据波形，进行统计分析、相关性分析和功率谱分析。

　　对于SPECT机械系统的应力/应变监测，首先应用有限元法对SPECT机械系统承载情况进行仿真分析，确定了关键承载部件。选用电阻式应变片作为传感器，搭建了惠斯通电桥的测量电路，经基于OP07C的集成运放电路将测量信号转变为模拟电压信号输出。然后基于AD7606芯片进行模数转换，利用STM32单片机将转换后的数据信息传输至PC机，借助LabVIEW虚拟软件对处理后的数据进行应力/应变分析。其中，采用示波器对应变参数进行数据观察；采用统计分析方法对应力参数进行分析。

　　为较全面评估SPECT机械系统运行状态，设计了噪声采集模块对设备中的丝杠、齿轮、减速器等运动机构的机械噪声、驱动电机的电磁噪声，以及整机噪声进行监测。选用驻极体传声器作为噪声传感器，搭建了基于LM386的音频功率放大电路，将采集信号转变为模拟电压信号，再利用STM32单片机内部的ADC功能模块进行AD转换并输出数字信号，通过LabVIEW软件对数据进行统计分析。

　　该系统已完成原理样机试制，并对SPECT机械系统运行状态进行监测实验。结果显示，该装置采集到的信号数据相对准确，且采集装置工作稳定，可有效监测人体SPECT设备机械系统的运行状态，并为评估SPECT机械系统的使用寿命提供数据支持。

　　关键词：SPECT机械系统，运行状态监测，数据采集，LabVIEW,单片机

ABSTRACT

　　Human SPECT is a large nuclear medical imaging device, which is widely used in disease examination and functional research of brain, lung, kidney, heart and other human organs. In SPECT, its mechanical system drives two detectors of several hundred kilograms around or close to the body to obtain functional images of the organ by detecting the distribution of radioactive tracers within the body. The reliability of SPECT system working state is directly related to personal safety, so it is necessary to monitor the working state of SPECT system to detect potential dangerous signals in advance and ensure the stable operation of the device.

　　Based on analyzing the working characteristics of SPECT mechanical system, this paper presents a multiparameter monitoring scheme and develops a SPECT monitoring device based on STM32 single chip microcomputer. The device is mainly composed of signal acquisition, data processing, transmission, analysis and storage modules. The working state of SPECT mechanical system was monitored by measuring three parameters: vibration, noise and stress/strain.

　　Vibration signal measurement scheme was used to monitor the running state of the main rotary motion mechanism, the translation and rotation mechanism of detector in SPECT mechanical system. Piezoelectric acceleration sensor is selected as vibration signal sensing device, which is installed at the monitoring point of motion mechanism by magnetic absorption to measure the vibration of the equipment when running. A single-chip microcomputer data acquisition system based on STM32F103ZE and AD7606 is designed to collect the analog voltage signal output by the sensor, and then transmit the data to the top computer through serial port. LabVIEW software is used to design the data display and analysis program. Through the user interface, data waveform can be observed for statistical analysis, correlation analysis and power spectrum analysis.

　　For the stress/strain monitoring of SPECT mechanical system, the finite element method was used to simulate and analyze the carrying condition of SPECT mechanical system. The resistance strain gauge is used as the sensor to build the measurement circuit of wheatstone bridge. The measurement signal is converted into analog voltage signal output by the integrated operational amplifier based on OP07C. Then, the AD7606chip is used for analog-to-digital conversion. STM32 single-chip microcomputer is used to transfer the converted data information to PC, and LabVIEW virtual software is used for stress/strain analysis of the processed data. The strain parameters are observed by oscilloscope. The stress parameters are analyzed by statistical analysis.

　　noise acquisition module was designed to monitor the mechanical noise of the moving mechanism such as lead screw, gear and reducer, the electromagnetic noise of the driving motor, and the whole machine noise. Elector microphone is selected as the noise sensor, and an audio power amplifier circuit based on LM386 is built to convert the collected signal into an analog voltage signal. The ADC function module inside STM32 microcontroller is used for AD conversion and digital signal output, and the data are statistically analyzed by LabVIEW software.

　　The system has been produced and monitored with SPECT mechanical system. The results show that the signal data collected by the device is relatively accurate and stable, and it can effectively monitor the running state of SPECT device and provide data support for evaluating the service life of SPECT system.

　　KEY WORDS: SPECT Mechanical System, Operation Monitoring, Data Acquisition, LabVIEW, Single Chip Microcomputer

目 录

　　第一章绪论

　　1.1选题背景与研究意义

　　1.1.1选题背景

　　据中国保监会发布的通知显示，我国公民心、脑、肿瘤等6种重大疾病的发生率随着年龄的增长而急剧增加[1].面对此类严重的疾病现象，用于检查和诊治这类疾病的大型医疗影像设备SPECT1（Single-PhotonEmissionComputedTomography,单光子发射计算机断层成像技术）就成为了医院等部门提升服务水平的途径之一。同时，SPECT设备作为一台高新技术医疗仪器，不仅有利于医生对患者病情的分析和治愈，而且也有助于推进这个国家科学技术水平的发展。

　　据文献资料显示：2009年，国内SPECT百万人口拥有量为0.81台/百万人口，通过估算2015年全国大型医用设备SPECT的数量大概为786-1374台[2].但相对我国十几亿人口的实际情况而言，SPECT设备的数量仍然不能满足要求。

　　由此可知我国正面临着SPECT设备供不应求的市场需求。然而，如果通过国外采购的方式，一台双探头SPECT设备的价格约为350万~500万人民币[3].面对如此巨大的成本，医疗机构必然选择将该负担转移到普通患者的医务费用当中，而我国的三四线城市及偏远城镇将彻底无法承受这样昂贵的价格。更重要的是，在使用SPECT设备过程中又有出现安全事故的危险。此前美国一位患者在使用通用医疗的某款SPECT设备检查时，被重量约为590公斤的探测器猛然坠落而砸死[4].随后，通用公司先后数次主动向美国的食品和药物管理局申请招回相关设备，并提议暂停使用GE医疗的有关核医学设备产品，截止到GE工程师检查完设备系统。但此件事情不仅造成了GE公司巨大的经济损失，还给患者心理上留下了恐惧的阴影。

　　随着我国医疗场所SPECT设备使用数量的增多，出现危险的机率也随之增加。此前，我国也出现了SPECT设备召回情况，例如：中国的飞利浦公司主动调回了部分SPECT设备相关产品[5].由于SPECT设备属于大型医疗影像设备，制造成本很高，如果发生故障不仅会威胁患者的生命安全，也会使企业付出沉重的代价。例如，设备有效使用期限内的失效，因而产生的保修费、召回费、企业亏损、信誉与名声的损失、翻新成本等[6],通过量化产生的费用发现，不如将这些费用转移至产品试验成本。

　　但是，面对SPECT设备频繁出现故障，生产者又该采取什么措施降低风险，减小事故的发生机率呢？换言之，如何保证人体SPECT设备可靠运行，如何提前准确地预估SPECT设备使用寿命将成为生产者十分关心的问题。因此，提升SPECT设备产品可靠性乃是医疗设备生产企业面临的当务之急。首选方法就是对SPECT设备进行实时监测，将潜在故障尽早发现并解决问题。

　　本课题源自北京市教委市属高校创新能力提升计划项目"大型医学影像设备SPECT机电系统研制"（项目编号：TJSHG201310017035）的子课题。

　　1.1.2研究意义

　　本课题围绕人体SPECT设备机械系统运行状态监测装置开展一系列的研究工作，对SPECT设备机械系统运行状态进行可靠性在线监测装置的设计。通过检测SPECT机械系统运行状态，为设备正常运行提供可靠性的保障。同时，此装置的研发成功将有助于提升我国自主研发的SPECT设备可靠性技术，更重要的是对我国的医疗设备技术前进起到推动作用。

　　1.2国内外研究现状

　　1.2.1SPECT设备发展现状

　　（1）国际SPECT设备发展现状现在，SPECT产品在国际上的发展现状主要是由德国的Siemens医疗、荷兰的Philips医疗、美国的GE医疗等集团垄断，他们的研发技术和产品水平均可称为相对成熟，但价格不菲。

　　a）德国Siemens医疗

　　西门子医疗于2004年提出一款新的融合影像技术-TruePoint（真视点）技术[7,8],并推出了SymbiaE系列SPECT产品；随后，在此基础上又推出了SymbiaT系列SPECT产品；近期又推出了SymbiaEvo?Excel系统SPECT产品，该产品机身薄34.1cm,孔径宽101.2cm,占地面积最小只要16.5m2;具有优秀的灵敏度与分辨率、机身灵巧、功能强大等特点[9].如图1-1所示。

　　b）荷兰Philips医疗

　　目前，飞利浦医疗共有两款SPECT系列产品，分别是BrightViewXSPECT系统和BrightViewXCTSPECT/CT系统。BrightViewXSPECT是一款体积虽小但功能强大的SPECT系统，设计紧凑，占地面积仅为4.72×3.5m;应用了新技术CloseUp,可通过智能控制软件缩短探测器与人体之间的距离，提升图像质量[10].

　　BrightViewXCT是飞利浦集合众多功能和服务优势于一体的SPECT/CT系统，如图1-2所示，其核心在于CoPlanarFP（将BrightViewSPECT与先进的平板探测器CT技术整合在共面设计中。）使得配准更加精准[11].

　　c）美国GE医疗

　　美国GE公司基于其专利Alcyone技术推出了Discovery系列SPECT产品，它是世界上第一个应用半导体探测器的SPECT设备[12].近几年，GE又相继推出了OptimaNM/CT640型光子SPECT和DiscoveryNM/CT670型光子SPECT.DiscoveryNM/CT670是通过将CT技术与SPECT技术综合，制成了新型号的SPECT/CT分子医学影像设备，此过程既大幅度提升了SPECT设备的检查和诊断效果，还被认为是将核医学从"unclearmedicine"领域上升到"clearmedicine"领域的一次升华[13,14].如图1-3所示。

　　（2）国内SPECT设备发展现状目前，我国的人体SPECT设备研发团队主要有深圳贝斯达（BASDA）、北京滨松光子和北京永新医疗等公司。

　　其中，深圳贝斯达（BASDA）医疗股份有限公司于2013年成功研发出国内第一台BDH-180型SPECT,如图1-4所示，该设备具有通用的医学数字成像和通信标准接口，能够轻松实现网络互联和远程诊断，操作简便，价格合理等优点，但仅适用于180°模式固定检测成像，无法实现变角度工作模式[15,7].

　　北京滨松公司研制的BHP6601型SPECT,如图1-5所示，曾在中国人民解放军总医院核医学科进行安装，并经测试各项技术参数符合NEMA标准后，与Siemens公司的E.CAM型SPECT设备进行对比[16,17,18].结果显示，BHP6601型SPECT设备具有友好的界面环境，可满足临床需求并且与进口SPECT设备的可靠性相比性能相当；但是在人性化设计与自动化程度方面还有待提升。该设备于2006年11月被国家相关部门准产[19].

　　北京永新医疗设备有限公司独立自主研发的人体SPECT设备，是我国第一台全部采用数字化、可变换角度的双探头SPECT设备，如图1-6所示。依靠增加安装多个针孔准直器的方式，节省了探头的旋转运动过程就能够实现对甲状腺、心脏等微小器官的功能图像采集，且速度快、精确度高，该产品已于2017年4月27日由国家相关部门获许上市[20].本人所在课题组有幸参与了该设备机电系统的研制工作。

　　1.2.2SPECT设备机械系统检测技术发展现状

　　目前针对SPECT设备机械系统可靠性检测的文献较少，检索到的文献主要为本课题组发表的相关论文。

　　2015年北京工业大学的田融冰同学利用三维建模和仿真软件对SPECT机架机械系统做了设计与仿真分析。依靠三维建模软件对SPECT机械系统进行了重点运动机构的设计和建模；同时在此过程中，还对减速器、滚珠丝杠、电机、丝杠轴承、同步带齿轮等标准件进行选型和校验，结果显示所选零件型号满足设备使用要求。随后，利用有限元分析软件对SPECT设备机架机械系统进行仿真分析，结果显示机械系统在满足强度、刚度等安全要求的同时不会发生共振现象，符合稳定性指标[7].

　　2017年北京化工大学的刘立国同学基于虚拟疲劳试验技术，如图1-7所示。

　　先对SPECT机械系统建立仿真模型，然后依靠ADAMS软件对运动过程中的整机做了运动学分析，对轴承座以及X向移动机构平键进行动力学分析。结果表明整机运动仿真参数设置合理；轴承座和X向移动机构平键在运转过程中都满足寿命要求。最后，又利用ANSYSWorkbench软件对承受极大负载的轴承座螺钉连接结构做静力学分析，得到应力分析图解，结果表明满足应力要求[3].

　　1.2.3旋转机械设备运行状态监测技术发展现状

　　由于未检索到直接分析SPECT机械系统状态检测的文献，鉴于SPECT机械系统的构成和工作特点，对具有类似结构的旋转类设备的状态检测技术进行了检索分析，涉及的相关设备包括风力发电机组、数控机床等。

　　设备运行状态监测装置是指在被测设备处于工作状态时，对其运行状况进行定时或连续的监测，同时管理人员可以通过监测装置的显示界面进行数据的分析或回放，对设备的故障做出诊断。早在二十世纪中期，美国的JohnS.Johnson首次提出在运行状态下对装置进行监测，但因条件限制只能进行离线状态监测；直到1980年左右，借助于局部放电的监测技术克服了在线连续监测的困难[21].目前，设备运行状态监测装置已在风机、机床、汽车等领域得到了广泛的应用。

　　风力发电机组同样作为一种大型旋转型设备，其主要由齿轮箱和发电机组成，它们工作的效率将直接影响整个风机的工作性能。2007年新疆工业大学的时轶同学依据振动测试技术对风力发电机组中的齿轮箱和发电机进行了相应的振动测试[22].通过在22个关键的测试点安装振动传感器，对风力发电机组的整体结构和运行特性进行诊断。结合该设备的相关振动原理、故障类型、相关调节技术以及设备轴承的信号特点的计算方法，对现场测试数据进行分析。结果显示电机轴承保持架存在故障，随后停机检查发现轴承保持架与分析结果相同，确实存在磨损现象。由此验证通过实时监测风力发电机组的振动特性，可提前预估其可靠性寿命。

　　2011年石荣波通过分析数控机床故障发生的原因，发现绝大多数故障是因为机床主要部件间的相互作用力或因为周围环境改变造成的逐渐性故障。因此，对机床主要部件的相关参数进行测试，研制出了一款集机床运行状态监测和故障预警、诊断、排除为一体的智能保障系统。该系统可在线进行故障诊断，及时预报关键部件的使用状态，提高了机床可靠性的评估精度。随后又以丝杠为例对其进行故障信号监测，如图1-8所示，将新旧两个丝杠的振动信号进行对比，如图1-9所示，发现旧的丝杠在测试过程中传动功能加速衰减，测得的振动信号更显著。因此可以借助对丝杠的振动形式，提前对设备寿命进行评估，保证设备在安全的情况下可靠运行[23].

　　由于风力发电机的叶片重量很大，有些可达10吨左右[24],因此风力发电机也可被定义为重型旋转设备。2011年陈得民通过研究风机结构，提出基于无线传输技术在风机主支撑杆位置和副支撑杆与叶片结合处通过粘贴应变片的方式对风机应力进行监测，从而研究风机因弯曲受力引起的变形情况[25],如图1-10所示。通过实际应用，验证了该应力监测系统具有良好的性能效果，确保了风机组的平稳运行。由此可知通过实时监测风机的应力应变特性，可诊断其重载荷运行状态时的可靠性，并以此评估其预期使用寿命。

　　2016年印度的DeepamGoyal,B.S.Pabla等人针对机床运行状态下轴承的振动情况进行了信号采集[26].通过建立简单的振动参数试验平台，如图1-11所示，以微控制器为基础对轴承部件的振动信号进行数据采集，通过LabVIEW软件进行分析，如图1-12所示。随后，将此系统在振动钻机上进行了试验，通过校准试验数据和加速度计测量数据验证了系统的可行性。该系统无需改变机床的结构即可监测其运行状态，测量快速又准确。预计该系统既可以减少机床停机维修时间，又降低了复杂性机床设备的维修成本。

　　昆明机床研究院的张明旭和李朝万，针对机床主轴箱进行了振动和噪声参数测试[27].通过指定转速时啮合频率计算和频谱分析中最大频率的方法，对主轴转速为2000r/min时测量的振动和噪声信号进行分析。结果发现机床噪声主要来源于变速箱，且齿轮啮合频率和噪声频率相同。因此，可通过减小齿轮啮合频率降低噪声水平。

　　目前，市场上存在的机械状态监测或故障诊断产品很多，虽然部分监测产品的参数精度能够满足测试要求，但存在测量参数单一、功能片面、缺乏针对性的问题，无法直接用于SPECT设备机械系统运行状态的监测，因此有必要研制一款SPECT机械系统运行状态监测装置。

　　1.3论文主要研究内容

　　本论文主要研究内容为：针对人体SPECT机械系统工作特点，研制开发一种多参数状态监测装置，获得SPECT机械系统运行时的振动、应力/应变、噪声等状态信息，为设备维护和可靠运行提供参考依据和有效保障。本文的主要研究内容包含：

　　（1）结合SPECT机械系统结构特点，确定人体SPECT机械系统运行状态监测装置设计目标，并进行总体方案设计；

　　（2）为振动参数、应力/应变参数、噪声参数分别确定关键测试点，并选择各参数传感器类型；

　　（3）多个传感器数据采集系统的硬件和软件设计；

　　（4）应用研制的SPECT机械系统状态监测装置对SPECT设备运行时的振动、应力/应变、噪声信号进行采集和分析，验证所研制的多参数监测装置满足设计要求。

　　第二章 SPECT 机械系统状态监测总体方案设计
　　2.1 SPECT 机械系统工作特点分析
　　2.2 确定主要测量参数
　　2.3 测量方案设计
　　2.3.1 硬件设计方案
　　2.3.2 软件设计方案
　　2.4 本章小结

　　第三章 振动监测模块设计
　　3.1 振动监测模块方案设计
　　3.1.1 方案设计
　　3.1.2 确定关键测试点及技术指标
　　3.2 振动监测模块下位机设计
　　3.2.1 传感器工作原理
　　3.2.2 选取元器件
　　3.2.3 硬件部分设计
　　3.3 振动监测模块上位机设计
　　3.3.1 基于 LabVIEW 软件上位机设计
　　3.3.2 信号分析方法
　　3.4 本章小结

　　第四章 应力/应变监测模块设计
　　4.1 应力/应变监测模块方案设计
　　4.1.1 方案设计
　　4.1.2 确定关键测试点及技术指标
　　4.2 应力/应变监测模块下位机设计
　　4.2.1 传感器工作原理
　　4.2.2 选取元器件
　　4.2.3 硬件部分设计
　　4.3 应力/应变监测模块上位机设计
　　4.3.1 基于 LabVIEW 的软件模块设计
　　4.3.2 信号分析方法
　　4.4 本章小结

　　第五章 噪声监测模块设计
　　5.1 噪声监测模块方案设计
　　5.1.1 方案设计
　　5.1.2 确定关键测试点及技术指标
　　5.2 噪声监测模块下位机设计
　　5.2.1 传感器工作原理
　　5.2.2 选取元器件
　　5.2.3 硬件部分设计
　　5.3 噪声监测模块上位机设计
　　5.3.1 基于 LabVIEW 的软件模块设计
　　5.3.2 信号分析方法
　　5.4 本章小结

　　第六章 实验测试
　　6.1 安装与调试
　　6.2 结果分析
　　6.3 本章小结

第七章 结论与展望

　　7.1 结论

　　为了保障人体 SPECT 设备机械系统运行状态的稳定性，因此需要研制一款低成本、高精度、多参数的人体 SPECT 机械系统运行状态监测装置。该装置通过实时监测振动参数、应力/应变参数、噪声参数评估 SPECT 机械系统的运行情况。该装置可以预测 SPECT 机械系统的使用寿命，使 SPECT 机械系统故障率下降从而提升了产品的可靠性能。

　　本课题主要完成了以下工作内容：

　　（1）研究了在使用 SPECT 设备过程中机械系统稳定运行占有的重要地位，仔细分析了大型旋转类机械设备监测方法，在此基础上对人体 SPECT 机械系统运行状态监测装置进行了软硬件方案探究。

　　（2）针对振动参数采集模块，采用了加速度振动传感器、STM32 单片机等主要设备构成了程序的实体部分，在软件方面进行了可视化功能、分析功能、存储功能设计，软件模块由 LabVIEW 进行编程调试。

　　（3）针对应力/应变参数采集模块，采用了电阻应变片、ADC7606、STM32单片机等主要设备组成了程序的硬件部分，在软件方面进行了数据处理、分析、存储设计，软件模块由 LabVIEW 进行编程调试。

　　（4）针对噪声参数采集模块，采用了驻极体传声器、STM32 单片机等主要设备构成了程序实体件部分，在软件方面进行了数据分析设计，数据存储设计，软件模块由 LabVIEW 进行编程调试。

　　（5）利用研制的人体 SPECT 机械系统运行状态监测装置对 SPECT 机械系统进行了相关参数检测，并对结果进行解析，基本可以验证 SPECT 机械系统的稳定性。证明了所设计的监测装置基本可以满足最初的设计目标。

　　7.2 研究展望

　　目前本文研制的人体 SPECT 机械系统运行状态监测装置属于初步完成了原理样机设计，还未达到可以推入市场的程度。同时，充分考虑到 SPECT 机械系统控制的复杂性和使用的安全性，该装置还需要进一步优化和完善。本监测装置的优化和完善部分内容如下：

　　（1）由于目前只针对影响 SPECT 机械系统稳定性的三个主要参数振动、应力应变、噪声进行了监测，但是随着在不同环境下 SPECT 设备的使用，会受到温度、湿度等多种因素影响，因此还需要进一步查找和研究影响 SPECT 设备机械系统稳定运行的相关参数。

　　（2）由于 SPECT 设备属于大型旋转类设备，通过无线监测方式较为方便，而本产品仅实现了原理样机有线方式的监测，需要做进一步研究。

　　（3）由于时间原因，目前产品只对 SPECT 设备进行了短时间的监测，不能通过数据分析出设备的潜在问题，还需要进行长时间的信号监测和分析。

　　（4）由于人体 SPECT 机械系统运行状态监测装置需要对 SPECT 机械系统进行实时监测，因此对采集卡的存储容量要求较大，需要扩大系统内存。

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致 谢

　　岁月如梭，韶光易逝。转眼间三年的研究生生活即将结束，谨此我要向我的导师、同学和家人们致以诚挚的感谢。

　　感谢郭丽峰老师在研究生期间给予无私的关怀和帮助。攻读硕士研究生期间，郭老师渊博的知识、严谨的治学态度和精益求精的工作作风给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅，并将成为我终身学习的榜样。同时，也要感谢薛建平老师给予的大力支持。

　　感谢胡成彬、王嵩、周梅、张雪、王姝琼、白兰兰等同学在学习和生活中给予的帮助和支持。每当遇到困难时，是你们为我提供了宝贵的意见。在这段难忘的青春岁月里，记录了我们共同的欢乐和辛酸。

　　特别感谢我的家人，是你们背后默默的付出，才让我的生活和学习变得顺利。

　　家人的支持是我一生最重要的动力源泉。

　　最后，再次对我的导师、同学和家人们表示感谢！

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