专利名称：在机动化的移动c-臂中利用pid控制器进行目标碰撞检测的方法和设备的制作方法
技术领域：
一般地说本发明涉及检测在成像系统的可移动部件和目标之间的碰撞。具体地说，本发明涉及在机动化的移动C-臂上使用比例积分微分(PID)控制器进行目标碰撞检测。
背景技术：
医疗诊断成像系统包括各种各样的成像模式，比如X-射线系统、计算机断层(CT)系统、超声系统、电子束断层(EBT)系统、磁共振(MR)系统等。医疗诊断成像系统例如通过暴露在能量源比如通过患者的X-射线中产生目标(比如患者)的图像。所产生的图像可用于许多目的。例如，可以检测在目标内部的缺陷。此外，可以确定内部结构或对准的变化。也可以表示在目标内的流体流动。此外，该图像可以显示在目标内目标的存在或者不存在。从医疗诊断成像系统中所获取的信息在许多领域中具有应用，包括医学和制造领域。
辐射成像器比如X-射线机通常精确地设置得接近要成像的患者或目标以便提供预期的成像信息。一种类型的辐射成像器是移动C-臂系统。在医疗领域中，移动C-臂系统例如可用于一般外科、整形治疗、镇痛治疗、血管治疗和心脏治疗。通常，移动C-臂具有安装到主机的一端上的X-射线源和安装在主机的另一端上的检测器(比如图像增强器)。移动C-臂可以相对于要成像的目标(比如患者)移动。
移动C-臂系统的任何轴向机械化运动都可能给患者和成像系统以及其它的设备带来危险。理想的是阻止在移动C-臂和目标(比如患者)之间的碰撞或使其最小化。碰撞的可能性存在于C-臂是通过自动轨迹跟踪移动还是通过从用户接口设备直接用户输入移动。因此，理想的是在移动C-臂由外部用户和自动系统或程序控制时防止碰撞或使碰撞最小化。使发生的碰撞最小化的方法和系统也是非常需要的。
成像系统通常使用两种类型的防碰撞传感器中的一种接触传感器和接近传感器。接近传感器检测目标存在于自C-臂成像设备的移动部件给定的距离内。接近传感器可以是电容接近传感器。当前的接近传感器受到电子电路的复杂性的限制。复杂的附加的电路影响了例如成像系统的成本、保养和性能。当前的传感器系统还受到在传感器和成像系统部件之间的距离的限制。即，操作约束条件限制了例如在接近传感器和成像增强器之间的距离。此外，移动C-臂设备还没有使用电容接近感测。
另一种类型的碰撞传感器是接触传感器。接触传感器可以使用例如缓冲器。接触传感器检测在缓冲器接触到目标时所产生的信号的变化。通常，接触传感器检测与目标的接触导致的压力的变化。
然而，当前的系统将碰撞误作为在系统性能中的误差。这种误解可能导致将更大的功率施加到在机动化的C-臂系统中的马达。最后，该系统可能将可用的最大功率由此将最大的扭矩施加到系统。较高的扭矩可能导致难以承受的较大的力施加在被碰撞的目标上。
因此，需要一种在机动化的移动C-臂系统上进行目标碰撞检测的改进的方法和系统。
发明内容
本发明的某些实施例提供了用于移动的机动化的C-臂成像系统中的改进的碰撞检测的方法和系统。在某一实施例中，该系统包括安置X-射线源和X-射线接收器的可移动C-臂、确定C-臂的实际位置的位置指示器、确定在C-臂的实际位置和所选择的位置之间的位置误差的误差计算器、比较位置误差和位置误差极限的比较器和控制C-臂的运动的运动控制器。比较器基于位置误差和位置误差极限输出停止信号。运动控制器基于停止信号停止C-臂的运动。
在一种实施例中，在位置误差等于或大于位置误差极限时输出停止信号。可替换地，在位置误差等于或大于位置误差极限超过预定的时间量时输出停止信号。在一种实施例中，误差计算器通过从所选择的位置中减去实际的位置确定位置误差。在一种实施例中，使用用户接口和自动控制中至少一种确定所选择的位置。
位置指示器例如可以是编码器。运动控制器可以是比例积分微分(PID)控制器。位置误差极限例如可以是信号值、值表和/或数学函数。
该系统也可以包括驱动C-臂的马达。马达接收来自运动控制器的控制信号。该系统也包括主控制单元。主控制单元将指令传送给运动控制器。主控制单元从比较器中接收停止信号并将停止指令传送给运动控制器。
方法的某些实施例包括确定C-臂的当前位置和计算在当前位置和预期位置之间的位置误差。该方法也包括比较位置误差和位置误差极限并在位置误差等于或大于位置误差极限时产生控制信号以停止C-臂。在一种实施例中，位置误差可以通过从预期的位置中减去实际位置来计算。此外，位置误差极限可以通过使用信号值、值表和/或数学函数确定。预期的位置可以使用用户接口和/或自动控制确定。
附图1所示为根据本发明的某些实施例的移动C-臂成像系统。
附图2所示为根据本发明的一种实施例的机动化的C-臂系统控制器。
附图3所示为根据本发明的一种实施例的C-臂系统控制器的另一实施例。
附图4所示为在根据本发明的一种实施例中使用的C-臂系统控制器。
附图5所示为根据本发明的一种实施例任意C-臂系统的受控制的C-臂位置相对实际的C-臂位置的曲线图。
附图6所示为根据本发明的一种实施例任意C-臂系统的位置误差信号相对位置误差极限图。
附图7所示为根据本发明的一种实施例与位置误差极限相比的位置误差信号。
附图8所示为在根据本发明的一种实施例中使用的移动C-臂系统中的碰撞检测的方法。
具体实施例方式
结合附图的阅读将会更好地理解前文的概述以及下文的本发明的某些实施例的详细描述。为了说明本发明，在附图中示出了某些实施例。然而，应该理解的是，本发明并不限于在附图中所示的结构和手段。
发明的详细描述仅仅为了说明的目的，下文的详细描述参考使用移动的机动化的C-臂的X-射线成像系统的某一实施例。应该理解的是本发明也可以使用其它的成像系统。
附图1所示为在根据本发明的某些实施例中使用的移动C-臂成像系统100。系统100包括C-臂110、图像接收器120、X-射线源130、支撑结构140和有轮的底座150。图像接收器120和X-射线源130安装在C-臂110的相对的位置上。支撑结构140提供C-臂110的支撑并将C-臂110保持在悬挂的位置中。支撑结构140安装在允许系统100可移动的有轮的底座150上。移动C-臂成像系统的实例进一步详细地描述在美国专利US 5,583,909中，在此以引用参考的方式将其结合在本申请中。
支撑结构140为C-臂110提供了稳定的平衡支撑。支撑结构140悬承着C-臂110以便在对例如患者或目标进行成像中使用。支撑结构140也允许C-臂110绕旋转轴旋转(例如手动或使用马达)。支撑结构140连接到例如有轮的底座150以对移动C-臂成像系统100进行再定位。
C-臂110允许图像接收器120和X-射线源130安装并定位在要成像的目标比如患者周围。C-臂110例如可以是圆形的C-形或者弧形部件。C-臂110能够使图像接收器120和X-射线源130相对于位于C-臂110的内部自由空间内的患者或其它目标的宽度和长度有选择性地定位。
图像接收器120例如可以是图像增强器或者在诊断成像中使用的其它的能量接收器。图像接收器120和X-射线源130安装在C-臂110的相对位置上。使用C-臂110和支撑结构140，图像接收器120和X-射线源130可以定位在目标比如患者的周围。图像接收器120和X-射线源130用于产生表示成像的目标的诊断图像。
在操作中，例如患者置于定位在安装于C-臂110上的图像接收器120和X-射线源130之间的桌台上。支撑结构140移动C-臂110。通过移动C-臂100将图像接收器120和X-射线源130定位在相对于患者预期的位置上。图像接收器120可以定位在患者的附近以改善所得到的图像质量。
本发明的某些实施例提供了接触传感器，该传感器例如用于移动C-臂成像系统，比如在上文参考附图1所描述的C-臂成像系统。移动图像接收器120接近患者或其它的目标以改善图形质量增加了在图像接收器120或C-臂110的其它部件和患者、桌台或其它的目标之间的碰撞的危险。某些实施例检测在系统100和正检查的患者或其它的目标之间的碰撞。执行碰撞检测以防止由于C-臂系统100的影响和过补偿而在系统100中产生进一步的误差。
附图2所示为根据本发明的一种实施例的机动化的C-臂系统控制器200。控制器200包括主控制单元210、闭环控制器220和用户接口230。控制器200连接到C-臂系统比如C-臂系统100。闭环控制器220可以包括比例积分微分(PID)运动控制环或其它的控制环。
在操作中，用户通过用户接口230输入指令。用户指令传送到主控制单元210。主控制单元210将位置指令发送给闭环控制器220。闭环控制器220然后将控制信号传送给C-臂系统100。
附图3所示为在根据本发明的一种实施例中使用的C-臂系统控制器300的另一实施例。系统控制器300包括主控制单元310、PID运动控制器320、用户接口330、马达340、位置指示器350和连接到C-臂系统100的误差计算器360。某些实施例利用位置误差值对移动成像系统(比如移动C-臂系统)进行碰撞检测。在部件(比如C-臂110)的运动的过程中连续的位置误差值的绝对值可以与预设值进行比较。如果位置误差值超过预设值则运动可以被停止或减慢。控制器300的操作类似于下文描述的控制器400的操作。
在常规的系统中，PID运动控制器320将碰撞解释为系统100的性能误差。结果，PID运动控制器给马达340施加更大的功率以试图校正性能。然而，增加马达340的功能就增加了对系统100的扭矩。增加的扭矩导致了向与系统100的部件(比如C-臂110)碰撞的目标施加力。
附图4所示为在根据本发明的一种实施例中使用的C-臂系统控制器400。系统控制器400类似于参考附图3描述的C-臂系统控制器300。系统控制器400包括主控制单元410、PID运动控制器420、用户接口430、马达440、位置指示器450、误差计算器460、误差比较器470、位置误差极限480和停止信号490。
C-臂系统控制器400(以及上文描述的控制器200和300)也可以用于其它的系统和成像系统的其它的部件以检测在系统部件和其它的目标之间的碰撞。在变型的实施例中，PID运动控制器420可以以另一运动控制器替换。控制器400(以及控制器200和300)的部件可以以硬件和/或软件实施。这些部件可以单个地实施或可以组合。
位置误差极限480例如可以是信号值、值表或者数学函数。位置误差值的表可以由其它的系统测量或参数得出。在一种实施例中，在发生碰撞时，对于给定的PID控制器420设置，在位置误差和位置误差极限480之间的差值对应于通过系统100的部件(比如C-臂110)施加到碰撞的目标的力的大小。位置误差极限480用作确定何时已经发生碰撞的力的极限。随着在位置误差和位置误差极限480之间的差值的增加，所施加的力的大小增加(例如，部件强烈地影响目标)。相反地，随着在位置误差和位置误差极限之间的差值减小，碰撞力减小(例如，部件不再影响目标)。
附图5所示为根据本发明的一种实施例的任意C-臂系统中指示的或预期的C-臂110相对于实际的C-臂110位置的曲线图。附图5所示为在通过用户输入的预期的位置和通过位置指示器450所测量的实际位置之间的比较。附图5示出了在C-臂110的指示的和实际的位置之间随着时间的位置误差。
附图6绘出了根据本发明的一种实施例对于任意的C-臂系统100在附图5中计算的位置误差信号相对于位置误差极限480的附图。在附图6中，位置误差信号没有超过所界定的位置误差极限480。因此，在附图6中在运动中没有检测到碰撞。
在附图7中，位置误差极限480自在附图6中使用的极限降低。附图7示出了达到位置误差极限480的位置误差信号。等于最大的位置误差极限480的位置误差指示C-臂110已经与正阻止C-臂110的运动的另一目标已经碰撞。在位置误差等于或超过位置误差极限480时，系统100停止以校正碰撞。
PID控制器(比如PID控制器420)是基于反馈的控制器。PID控制器420基于输入信号产生输出运动控制信号。在一种实施例中，PID控制器420基于在所测量的位置值和所界定的极限之间的误差产生输出。PID控制器420接收位置误差信号。PID控制器420使用位置误差信号和来自马达控制单元410的信号产生马达440的运动控制信号。
在操作中，用户通过用户接口将指令传送给系统100。例如，用户可以通过用户接口430选择C-臂110的预期的位置或者可以初始化C-臂运动或跟踪。用户指令传送给主控制单元410。主控制单元410然后将指令转发给PID运动控制器420。PID运动控制器420可以用于C-臂系统100的例如两个机动化的轴向上进行运动控制。PID运动控制器420将控制信号发送给马达440。马达440可以移动例如C-臂110的轨道和/或旋转轴。
位置指示器450将马达440的当前位置与马达440的预期的位置进行比较并产生位置误差信号。位置指示器450可以安装在例如马达440的轴上。在一种实施例中，位置指示器450是编码器，比如光学编码器。该编码器以编码计数测量位置。例如，在马达440的轴的每次旋转中编码器可以产生4000个计数。在一种实施例中，编码器将脉冲信号发送给编码译码器。译码器保持编码计数的绝对值并将脉冲信号转换为位置信号。然后将位置信号发送给误差计算器460。误差计算器460产生位置误差信号。在一种实施例中，误差计算器460可以从预期的位置信号中减去位置信号以确定位置误差信号。在一种实施例中，位置误差对应于大量的编码计数(例如400至2000个编码计数)。位置误差信号反馈回PID控制器420以完成C-臂系统控制器400的控制环。PID控制器420可以基于位置误差信号计算马达440的新的控制信号。
位置误差信号和位置误差极限480反馈到误差比较器470。误差比较器470将位置误差与位置误差极限480进行比较。在一种实施例中，在位置误差的绝对值超过位置误差极限480预定的时间周期(例如50毫秒)时，产生停止信号490。停止信号490传送给主控制单元410。主控制单元410指示PID控制器420以停止系统100的运动。在一种实施例中，位置误差极限480基于C-臂系统100的轴位置和速度连续地调整。对应于预期的停止力的误差值可以加载在主控制单元410中。主控制单元410可以调整位置误差极限480。
附图8所示为根据本发明的一种实施例在移动C-臂系统100中进行碰撞检测的方法800。首先，在步骤810中，确定系统部件(比如C-臂110)的预期的位置。例如，用户可以使用用户接口430指定预期的位置。可替换地，自动控制系统或程序可以确定预期的位置。然后，在步骤820中，确定系统部件(比如C-臂110)的当前位置。例如，编码器可以读取C-臂110的位置。
接着，在步骤830中，将C-臂110的当前或实际的位置与预期的或选择的位置进行比较。例如，用户或自动的输入可以选择或以其它的方式指令C-臂110到一预期的位置。可以将预期的位置与例如来自编码器的位置测量值进行比较。通过比较当前的和预期的位置确定位置误差。例如，可以从预期的位置中减去当前的位置以计算位置误差。例如如果使用编码器，则可以从预期的编码计数中减去所测量的编码计数以确定位置误差。
然后，在步骤840中，将位置误差与预定的误差极限比较。误差极限例如可以是单值、值表或数学函数。在步骤850中，基于在位置误差和误差极限之间的比较产生控制信号。在一种实施例中，如果位置误差大于误差极限则产生控制或停止信号490。可替换地，如果位置误差大于或等于误差极限则产生控制或停止信号490。最后，在步骤860中，基于停止控制信号490控制系统部件(比如C-臂110)的运动。在达到预期的位置是也停止例如C-臂的运动。在碰撞矫正之后可以再次初始化系统部件的运动。此外，位置误差极限480和预定的时间间隔可以调整(例如通过主控制单元410)以提供更加精细的或粗糙的碰撞检测。
例如，在一种实施例中，患者设置在用于X-射线成像的X-射线桌台上。技术人员执行扫描序列并使用用户接口430以移动C-臂110到适当的位置以便X-射线源130和图像接收器120正确对准。技术人员的位置指令从用户接口430传送给主控制单元410。主控制单元410将受指示的C-臂110的位置发送给PID控制器420。PID控制器420将运动控制信号发送给马达440，马达440移动C-臂110。位置指示器450将C-臂110的位置发送回PID控制器420以便在进一步运动控制中使用。如果C-臂110撞击患者的桌台，则通过位置指示器450所记录的C-臂110的当前位置将开始滞后于由主控制单元410所给定的希望或指示的位置。通过误差计算器460和误差比较器470所计算的位置差传送给PID控制器420。PID控制器420基于位置误差信息调整发送给马达440的控制信号。在指示碰撞被认为已经发生而不是另-误差的定义的时间间隔之后，误差比较器470产生停止信号490。主控制单元410接收停止信号490，该停止信号490替代所指示的位置信号。主控制单元410指示PID控制器420停止马达440。PID控制器420将马达速度减小到零以防止损坏系统100、患者桌台或患者。一旦障碍已经消除或者碰撞以其它的方式矫正了，就将新指令传送给主控制单元410以移动C-臂110。
因此，本发明的某些实施例提供了利用已有的系统控制环和控制信号的改善的碰撞检测的系统和方法。某些实施例不需要昂贵且庞大的附加控制环和电路。某些实施例防止了在万一碰撞的情况下控制器错误地施加最大的功率以试图校正系统的运动。某些实施例使施加到被碰撞的目标上的力和对系统和被碰撞的目标的破坏或损坏最小。
虽然参考某些实施例已经描述了本发明，本领域的普通技术人员应该理解的是在不脱离本发明的范围的前提下可以做出各种各样的改变并以等效方案替换。此外，在不脱离本发明的范围下借助于本发明的教导可以进行多种修改以适应特定的情况或材料。因此，希望本发明并不限于所公开的特定的实施例，而是本发明将包括落入附加的权利要求的范围内的所有的实施例。
权利要求
1.一种具有改进的碰撞检测的C-臂系统(100，200，300，400)，所说的系统(100，200，300，400)包括安置X-射线源(130)和X-射线接收器(120)的可移动C-臂(110)；确定所说的C-臂(110)的实际位置的位置指示器(350，450)；确定在所说的C-臂(110)的所说的实际位置和所选择的位置之间的位置误差的误差计算器(360，460)；和比较所说的位置误差和位置误差极限(480)的比较器(470)，所说的比较器(470)基于所说的位置误差和位置误差极限(480)输出停止信号(490)；和控制所说的C-臂(110)的运动的运动控制器(220，320，420)，所说的运动控制器(220，320，420)基于所说的停止信号(490)停止所说的C-臂(110)。
2.权利要求1所述的系统(100，200，300，400)，其中在所说的位置误差等于或大于所说的位置误差极限(480)时输出所说的停止信号(490)。
3.权利要求1所述的系统(100，200，300，400)，其中所说的运动控制器(220，320，420)包括比例积分微分(PID)控制器(220，320，420)。
4.权利要求1所述的系统(100，200，300，400)，进一步包括主控制单元(210，310，410)，所说的主控制单元(210，310，410)将指令传送给所说的运动控制器(220，320，420)，其中所说的主控制单元(210，310，410)从所说的比较器(470)中接收停止信号(490)并将停止指令传送给所说的运动控制器(220，320，420)。
5.一种碰撞检测系统(300，400)，所说的系统(30，400)包括确定连接到所说的碰撞检测系统(300，400)的部件的实际位置的位置指示器(350，450)；确定在所说的实际位置和所选择的位置之间的位置误差的误差计算器(360，460)；和比较所说的位置误差和位置误差极限(480)的比较器(470)，所说的比较器(470)基于所说的位置误差和位置误差极限(480)产生停止信号(490)；和控制所说的部件的运动的运动控制器(320，420)，所说的运动控制器(320，420)基于所说的停止信号(490)停止所说的部件的运动。
6.权利要求5所述的系统(300，400)，其中在所说的位置误差等于或大于所说的位置误差极限(480)超过预定的时间量时所说的比较器(470)产生停止信号(490)。
7.权利要求5所述的系统(300，400)，其中所说的运动控制器(320，420)包括比例积分微分(PID)控制器(320，420)。
8.权利要求7所述的系统(300，400)，其中所说的位置指示器(350，450)包括编码器。
9.一种用于移动C-臂系统(100，200，300，400)中的碰撞检测的方法(800)，所说的方法(800)包括确定C-臂(110)的当前位置(820)；计算在所说的当前位置和预期位置之间的位置误差(830)；比较所说的位置误差和位置误差极限(480)(840)；和在所说的位置误差等于或大于所说的位置误差极限(480)时产生控制信号以停止所说的C-臂(110)(850)。
10.权利要求9所述的方法(800)，其中所说的计算步骤通过从所说的预期位置中减去所说的实际位置来计算所说的位置误差。
全文摘要
本发明的某些实施例涉及碰撞检测系统(300，400)。所说的系统(300，400)包括确定连接到该碰撞检测系统(300，400)的部件的实际位置的位置指示器(350，450)。该系统(300，400)也包括确定在该实际位置和所选择的位置之间的位置误差的误差计算器(360，460)。该系统(300，400)进一步包括比较该位置误差和位置误差极限(480)的比较器(470)。该比较器(470)基于该位置误差和位置误差极限(480)产生停止信号(490)。该系统(300，400)也包括控制该部件的运动的运动控制器(320，420)。该运动控制器(320，420)基于该停止信号(490)停止部件的运动。在位置误差等于或大于位置误差极限(480)时比较器(470)产生停止信号(490)。
文档编号G01B21/00GK1550212SQ200410044760
公开日2004年12月1日 申请日期2004年5月18日 优先权日2003年5月19日
发明者B·A·卡劳斯, J·M·西蒙斯, D·E·巴克尔, B A 卡劳斯, 巴克尔, 西蒙斯 申请人:Ge医疗系统环球技术有限公司