способ контроля состояния криосистемы охлаждения экрана магнитно-резонансных томографов

Формула изобретения

Способ контроля состояния криосистемы охлаждения экранов магниторезонансных томографов путем отслеживания изменения давления гелия в контуре охлаждения, отличающийся тем, что дополнительно введены периодическая запись аудиосигнала работы криосистемы в зоне криостата, разложение его в спектр, оценка относительного изменения с течением времени уровней отдельных спектральных составляющих путем сравнения их уровня с установленными для криосистемы порогами, формирование по отслеживаемой динамике этих изменений предупредительных сигналов о необходимости проверки функционирования, а затем и замены конкретных составляющих криосистемы, уровни возбужденных спектральных составляющих от которых превысили установленные пороги.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в магнитно-резонансных томографах (МРТ).

Известен способ контроля технического состояния криосистемы охлаждения экранов МРТ, заключающийся в учете фактического времени работы системы в целом и отдельных ее частей, слежением за давлением гелия в контуре охлаждения и рекомендуемой заменой составляющих системы через установленный теоретически и эмпирически скорректированный промежуток времени (RGD 5100-2 Cold Head and RW 40004200 Compressor. Service Manual 46-294439P4, revision 8, LEYBOLD VACUUM).

Однако этот способ влечет за собой высокие эксплуатационные расходы и не обеспечивает низкой вероятности отказов системы вследствие многопараметрической зависимости надежности функционирования от одиночных и случайным образом совпадающих сбоев составляющих криосистемы. Примерами наложения и собственно сбоев могут служить перебои электропитания и неисправности криокомпрессора, двигателя криоголовки, дисплейсера, попадания масляных и газовых паров и капель в гелий, перегрев гелия из-за проблем в водяном контуре охлаждения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ контроля технического состояния криосистемы охлаждения экранов МРТ, состоящий из эмпирического отслеживания изменения давления гелия в контуре охлаждения, выпадения росы на частях криоголовки, повышения расхода гелия в криостате и заметной по этим признакам отклонения от нормального функционирования основных составляющих системы (дисплейсера, адсорбера, криокомпрессора) [Tomicon-Avance S50 Components, part 3. System manual, doc. No.1273, Bruker Medizintechnik. 1997].

Известный способ не обеспечивает надежной работы МРТ из-за неприведенных сбоев эксплуатационных режимов, присутствия примесей в газе и масле, неравномерности износа трущихся рабочих частей криоголовки, криокомпрессора. В результате, несмотря на порой преждевременную замену дорогостоящих составляющих системы (таких как дисплейсер, адсорбер), имеют место аварийные сбои работы, приводящие к выбросу гелия из криостата, потери сверхпроводящего магнитного поля и остановки магнитно-резонансного томографа. Это влечет за собой весьма высокие экономические потери.

Цель изобретения - повышение надежности функционирования МРТ за счет контроля спектрального состава аудиосигнала работы криосистемы охлаждения экранов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля состояния криосистемы охлаждения экранов магнитно-резонансных томографов отслеживания изменения давления гелия в контуре охлаждения дополнительно введены периодическая запись аудиосигнала работы криосистемы в зоне криостата, разложение его в спектр, оценка относительного изменения с течением времени уровней отдельных спектральных составляющих путем сравнения их уровня с установленными для криосистемы порогами, формирование по отслеживаемой динамике этих изменений предупредительных сигналов о необходимости проверки функционирования, а затем и замены конкретных составляющих криосистемы, уровни возбужденных спектральных составляющих от которых превысили установленные пороги.

На фиг.1 показан спектр аудиосигнала криосистемы, снятый сразу после замены основных элементов - дисплейсера и адсорбера.

На фиг.2 - спектр аудиосигнала криосистемы через 8000 часов работы (рекомендованный заводом-изготовителем период замены дисплейсера). Спектральные составляющие 1, 2, 3 изменены незначительно. Никаких внешних проявлений неисправной работы криосистемы нет. Замена дисплейсера не требуется.

Фиг.3 демонстрирует контрольный замер спектральных составляющих 1, 2, 3 через 12000 часов работы. Очевидно изменение контролируемых уровней, но не ниже установленных пороговых значений.

Фиг.4 - спектр аудиосигнала криосистемы по примеру 1.

Фиг.5 - первоначальный спектр аудиосигнала криосистемы по примеру 1.

Фиг.6 - блок-схема реализации способа.

Способ работает следующим образом. В соответствии с техническими эксплуатационными условиями считывают показания давления газа в контуре охлаждения экранов.

Аудиосигнал в кабине МРТ периодически снимают в паузах работы сверхпроводящего магнитно-резонансного томографа (в период между сканированием), используя радиосигнал штатного переговорного канала. Типовой платой аналого-цифрового преобразователя персонального компьютера (звуковой адаптер - SoundBlaster, например, Creative AuduoPCI CT5880) сигнал вводят в компьютер. Стандартной программой звукозаписи (например, в ОС Windows 98/2000/NT доступ через Пуск /Программы/Стандартные/Развлечения/Звукозапись) сигнал записывают в соответствующий текущей дате файл. Любой из многочисленных типовых программ-звукоанализаторов (например, содержащейся в пакете WinOnCD) производят визуализацию спектра и либо визуальную, либо машинную оценку конкретных выбранных спектральных составляющих. Далее, в машинном варианте обработки, производят программную оценку динамики временного изменения уровня конкретных спектральных составляющих и сравнивают эти уровни с установленными порогами. Как видно из приведенных выше спектрограмм, уровни конкретных спектральных составляющих свидетельствуют о работоспособности соответствующих составляющих криосистемы. По их состоянию относительно предварительно установленных порогов вырабатывается разрешительный сигнал или при превышении порога - сигнал тревоги (ALARM). При выяснении превышения порога уровня конкретной спектральной составляющей принимают решение о необходимости замены конкретной составляющей криосистемы (или нескольких). В полуавтоматическом режиме оператор производит периодическую оценку уровней спектральных составляющих и принимают решение о необходимых заменах частей оборудования.

В качестве примера реализации способа операторный анализ состояния системы при его использовании на сверхпроводящем магнитно-резонансном томографе "Tomikon S50" фирмы "Bruker" с собственно магнитом фирмы "Magnits". Для охлаждения экранов криостата указанного магнита используется Coold Head RGD 5/100-2 гелиевые компрессоры Coolpaak 6000 Coolpaak 6000 M фирмы "Leybold Vacuum", обеспечивающие рекомендуемое поддержание давления гелия в контуре охлаждения экранов в диапазоне 14-26 bar. Рекомендуемые фирмой-изготовителем интервалы замены адсорберов - 8000 часов, дисплейсеров - 24000 часов работы. Эмпирически установлено оптимальное номинальное давление гелия в контуре охлаждения экранов 20-22 bar, способствующее повышению надежности при наиболее продолжительной работе указанных компрессоров.

В соответствии с техническими эксплуатационными условиями обслуживающий технический персонал ежедневно считывает показания давления гелия в контуре охлаждения экранов по показанию манометра, установленного на гелиевом компрессоре Coolpaak 6000. В номинале оно устанавливается равным 22 bar (20 bar для Coolpaak 6000 M). С помощью штатного канала радиосвязи врача с пациентом еженедельно, в промежутках между сканированием, аудиосигнал с микрофона, установленного внутри трубы криостата (для указанного томографа) в клетке Фарадея МРТ, преобразуется в радиочастотный сигнал канала звуковой связи. Возможно снятие аудиосигнала в любое время (в том числе и во время сканирования). Однако в этом случае потребуется дополнительная фильтрация перемагничивающих и градиентных шумов известного спектра, т.е. к дополнительным операциям. Уровень сигнала может быть изменен регулятором "громкости" с операторской консоли. Он устанавливается близким к максимальному с тем, чтобы избежать самовозбуждения усилителей в случае перегрузки звуковым сигналом и одновременно обеспечить меньший уровень помех в результирующем спектре. В простейшем случае, осуществляют запись звукового сигнала любым способом. Например, снимая радиочастотный сигнал с выхода предусилителя канала звуковой связи кабелем сопряжения, подключив его к стандартному аудиовходу персонального компьютера (PC). При этом с помощью стандартных программ, входящих, например, в пакет Microsoft Office (программы "Звукозапись"), создается типовой аудиофайл (например, типа .wav). Время записи определяется, исходя из используемых далее, способов спектрального анализа. Даже для простейших программ, входящих в типовые пакеты аудиозаписи современных PC (например, в пакет WinOnCD), для полноты анализа достаточно несколько (1-5) секунд. Этот этап записи может быть также просто реализован с помощью подключения к типовому аудиовходу PC стандартного микрофона, расположив его у выходного динамика врача операторной консоли. В случае обнаружения падения (колебания) давления в контуре охлаждения экранов (на 1-2 bar) при ежедневном контроле операцию записи соответствующего аудиофайла также осуществляют ежедневно. Спектральный состав полученного аудиосигнала может быть исследован различными путями, как типовыми (входящими, например, в пакеты для записи аудиофайлов), так и специализированными программами спектрального анализа. Используя, например, подпрограмму пакета WinOnCD, получают спектральную картину (фиг.1, 5), анализируя полученный аудиофайл. Первоначально, для нормально функционирующей криосистемы - с новыми Cold Head (дисплейсером), компрессором (адсорбером) - для указанных ранее составляющих криосистемы характерна спектрограмма, приведенная на фиг.5. В ней отсутствуют как нижние (менее 280 Гц), так и верхние (выше 1,8 кГц) частоты, а спектральные составляющие диапазона 280-344 Гц, характерно возбуждаемые дисплейсером DC 100 (Cold Head RGD 5/100-2), имеют средний (по сравнению частотными составляющими 80-1000 Гц - примерно половинный) уровень. Следует отметить, что расположение съемника (микрофона) сигнала в зоне криостата (кабине МРТ), как и амплитудно-частотная (при известной нелинейности) характеристика тракта звукового канала связи в основном определяют общий уровень в спектральной области, сохраняя соотношения спектральных составляющих. Поскольку проводимые операции осуществляются в одних условиях с помощью одних и тех же элементов, линейные и нелинейные спектральные искажения легко нормируются. Т.е. производится "оценка относительного изменения с течением времени уровней отдельных спектральных составляющих". При этом, исходя из первоначально полученного спектра (фиг.5), легко задать критичные пороги для конкретных спектральных составляющих. Так, для указанной выше конкретной криосистемы для спектральных составляющих диапазона 280-344 Гц целесообразен 80% критичный порог относительно уровней спектральных составляющих диапазона 800-1000 Гц. В процессе эксплуатации (старения) уровень спектральных составляющих диапазона 280-344 Гц меняется, постепенно возрастая. Однако возможен и скачкообразный (в том числе и временный) характер превышения заданного 80% порога. Это связано с сбоями в работе криосистемы, вызванными различными факторами: от нарушения герметичности гелиевого контура до отключения электропитания. Если, например, после устранения сбоев (устранения, например, утечки гелия в контуре охлаждения экранов из-за временного нарушения герметизации соединительных трубопроводов) уровень рассматриваемой спектральной составляющей вернулся к близкому с предыдущим, ниже установленного порога, возможна дальнейшая эксплуатация МРТ без ремонта криосистемы. В случае устойчивого (в течение десятков часов) превышения порогового значения, тем более с дальнейшим ростом, необходимая замена как минимум дисплейсера "холодной головы". Как установка порога, так и динамика поведения, приведенной в качестве примера, уровня спектральной составляющей индивидуальна (определяется конструктивными особенностями компонент криосистемы) и требует первоначальной нормировки (настройки). Оператор, анализируя текущую спектрограмму, сравнивает ее с первоначальной и предыдущими, используя установленные пороговые критерии. Совокупность признаков, включающих в себя изменение давление гелия в контуре охлаждения экранов, превышение установленных порогов для конкретных спектральных составляющих, характер их превышения (стабильность динамики), позволяют дефектовать составляющие криосистемы. В рассмотренном случае - дисплейсер.

По второму примеру реализации (фиг.6) заявляемого способа радиочастотный сигнал канала звуковой связи (см. рассмотренный ранее этап примера реализации) подается на анализатор спектра, в котором выделяются установленные спектральные составляющие. Если рассматривать те же, что и в предыдущем примере компоненты оборудования, то, например, для дисплейсера интерес будет представлять выделенная спектральная компонента 280-344 Гц. В пороговом формирователе тревожных сигналов устанавливаются значения порогов, исходя, из 80%-ного уровня выделенной спектральной составляющей диапазона 800-1000 Гц для компоненты, возбуждаемой дисплейсером (280-344 Гц), 20% - для абсорбера (80-100 Гц), 50% - для гелиевого компрессора (40-50 Гц). Как частота составляющей, так и уровень порога уточняется при аппаратно-программной настройке формирователя тревожных сигналов. Конкретная реализация последнего может содержать интегрирующие элементы для динамического усреднения в формирователе тревожных сигналов помеховых выбросов. Сигналы тревоги устройства индикации в совокупности с изменением давления в контуре охлаждения экранов являются основанием для замены тех элементов криосистемы, от которых был сформирован соответствующим образом сигнал тревоги.

В третьем примере реализации заявляемого способа радиочастотный сигнал канала звуковой связи также подается на штатный аудиовход PC. На компьютере регулярно (с программируемым периодом или по командам оператора) запускается программа записи аудиосигнала, выходной файл которой (например формата.wav) анализируется специализированной программой спектрального анализа. Последняя, после разложения и фильтрации сигнала в спектральной области формирует, например, по аналогии с рассмотренным в электронном варианте, алгоритм анализа: 80%-го уровня выделенной спектральной составляющей диапазона 800-1000 Гц для компоненты, возбуждаемой дисплейсером (280-344 Гц), 20% - для абсорбера (80-100 Гц), 50% - для гелиевого компрессора (40-50 Гц), пороги, с которыми сравниваются интересующие выделенные компоненты. Выходным продуктом такой программы могут являться сообщения тревог по превысившим пороги компонентам. На основании этих сообщений оператор, предварительно проконтролировав, как указывалось ранее, давление в контуре охлаждения экранов, принимает решение о замене дефектного узла.