专利名称：用于减少无意识碰撞的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及成像，更具体地说，涉及用于促使自动移动的结构和接近此移动结构的对象之间的无意识碰撞减少的方法和系统。
背景技术：
用于医疗诊断数据搜集或治疗目的的移动设备会受到与接近该移动设备的障碍物或病人或其它对象的碰撞。由伺服系统(即，用于在软件控制下执行机械运动并且还利用反馈的数字/电气/机械系统)来完成移动。已经设计了当出现正在进行的碰撞时用于中止运动的各种方式。这些方式包括与医疗设备上的减震器或其它目标区域相关联的压力和邻近传感器，以及在设备的伺服系统内与反馈信号相关联的碰撞检测。各类检测具有重要的应用。反馈检测信号可提供比压力和邻近传感器的使用更全面的检测能力，因为反馈会指示沿移动结构的任何位置上出现的对定向运动的阻挡。不过，伺服系统的正常工作也可能产生并非因碰撞引起、但与碰撞引入的信号类似的反馈信号。此外，前馈/反馈可能以下述方式处理使系统自然地在针对碰撞的动力估计运动中、甚至在检测到碰撞之前更不主动，同时保留由输入控制信号得到的动力估计运动中所希望的主动性。
发明内容
在一方面，提供一种用于区分反馈信号是否为伺服系统中无意识碰撞的结果的方法。此方法包括在伺服系统中插入前馈项。
在另一方面，提供一种为伺服系统配置用于响应碰撞的初始主动性水平以及用于响应输入控制信号的所需主动性水平的方法。该方法包括降低用于响应碰撞的初始主动性水平，并保持用于响应输入的所需主动性水平。
在另一方面，提供一种成像系统。该成像系统包括辐射源；经过定位以接收辐射源所发出的辐射的辐射检测器；伺服系统，配置成定位辐射源、检测器和待扫描对象其中至少一个；以及计算机，可操作地与辐射源、检测器和伺服系统相连。计算机配置成在伺服系统中插入前馈项。
在另一个实施例中，提供一种已将程序编码在其中的计算机可读媒体。该程序配置成指示计算机在伺服系统中插入前馈项。
图1说明一种成像系统。
图2说明一种移动C形臂X射线系统。
图3说明一种伺服系统。
图4说明图3中更概括地表示的机电伺服系统的特定示例。
图5说明xi的虚拟环路增益波特图。
图6说明x2的环路增益波特图。
图7说明由阶跃输入xi(命令该机构运动的强制函数)产生的y0以及由阶跃输入x2(碰撞信号)在有前馈和无前馈时产生的y0的仿真响应输出。
图8说明由阶跃输入xi产生的y0以及由脉冲输入x2在有前馈和无前馈时产生的y0的仿真响应输出。
具体实施例方式
本文所述的是便于区分伺服系统中的反馈信号是合法操作(例如机械加载)的结果还是无意识碰撞的结果的方法和设备。
图1说明成像系统10的实施例，其中实现了本文所述的设备和方法。成像系统10的示例包括x射线成像系统、超声波成像系统、磁共振成像(MRI)系统、单光子发射计算机断层分析(SPECT)成像系统、计算机断层分析(CT)成像系统以及正电子发射断层分析(PET)成像系统。成像系统10扫描对象4，诸如心脏、肝脏或肺，生成原始投影数据。在一个实施例中，成像系统包括与对象4耦合的生理信息装置(PID)6。PID 6的例子包括产生心电图(EKG)的心电图仪。PID 6产生生理周期信号，例如包括多个状态、如心脏状态或呼吸周期状态的EKG信号或呼吸信号。
在一个示范实施例中，如图2所示，成像系统10是一个移动C形臂X射线系统10。系统10包括C形臂12，它分别具有内周14和外周16，并在相对的上末端18和下末端19处终止。在本示范实施例中，C形臂12具有均匀环状的C形，但是也可包括任何弧形件。
C形臂12通过支撑装置(如20处总体标明的结构)固定在悬空位置，支撑装置包括安装在带轮的基座24上的支撑臂22。支撑臂22使C形臂12能够绕横向旋转轴30旋转运动，这可通过支撑臂22与C形臂12之间的轴承组件，或者通过相对于基座24可旋转地安装的支撑件22本身来实现。
带轮的基座24使C形臂12能够从第一位置传送到第二位置。这样，基座的轮子用作传送装置，其耦合到支撑结构20，用于将支撑臂22和C形臂12从第一位置传送到第二位置，因为将X射线设备从一个房间移到另一个房间可能是合乎需要的。设备10中如带轮的基座24所提供的这种移动性，提供了例如由医院的许多不同病房中病人增加的访问。
支撑臂22可滑动地安装到C形臂12的外周16上，支撑结构20包括使C形臂12能够绕轨道旋转轴26选择性地、滑动轨道运动到选定位置的必要结构和机构。轴26与C形臂12的曲率中心以及横向旋转轴30重合。可以理解，滑动轨道运动导致C形臂12穿过附件28的各个滑动点移动到支撑臂22。支撑结构20还包括用于将支撑臂22绕横向旋转轴30横向旋转可选量、从而到达选定的横向位置的机构。滑动轨道运动与横向旋转的组合使C形臂12可在两个自由度上操作，即绕两个垂直的轴操作。这给C形臂12的可动性提供了一种球面性(例如，滑动轨道运动和横向旋转使与C形臂12相连的X射线源32基本上移动到假想球面的下半球上的任何纬度/经度点，C形臂12可在假想球面上各处移动)。
系统10包括X射线诊断技术中普遍知晓的X射线源32和图像接收器34，它们分别安装在C形臂12上相对的位置。X射线源32和图像接收器34可统称为X射线源/图像接收器32/34。图像接收器34可以是图像增强器等。C形臂12的轨道运动和横向旋转操作使X射线源/图像接收器32/34能够针对位于C形臂12的内部自由空间36内的病人的宽和长来选择性地定位。更具体地说，系统10包括与计算机38相连的伺服系统(即，用于在软件控制下执行机械运动并还利用了反馈的数字/电气/机械系统)。C形臂12的滑动轨道运动导致X射线源/图像接收器32/34沿各自的弓形运动路径移动。在一个实施例中，图像接收器34固定于C形臂12的内周14上，X射线源32也可固定于内周14上。
本文所用的以单数列举的和用单词“一个”开头的元件或步骤应当理解为不排除多个元件或步骤，除非明确说明了这种排除。此外，本发明提及的“一个实施例”不应被解释为排除了也包含所述特征的其它实施例的存在。
在一个实施例中，计算机38包括诸如软盘驱动器或CD-ROM驱动器之类的装置(未示出)，用以从计算机可读媒体、例如软盘或CD-ROM中读取指令和/或数据。在另一个实施例中，计算机38执行存储于固件中的指令(未示出)。计算机38可被编程为执行本文所述的功能，这里所用的术语计算机不限于仅仅在本领域中称为计算机的那些集成电路，而是广泛地指处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路以及其它可编程电路，这些术语在本文中可互换使用。
虽然上述的特定实施例提及移动C形臂x射线设备，但是本文所述的方法同样适用于其它所有的成像形式，以及任何在不希望与之碰撞的对象周围利用伺服机构的应用。
另外，虽然本文所述的方法是在医疗环境中说明的，但是可以预期，这些方法的有利之处改进了非医疗成像系统、如通常用于工业环境或者运输环境的那些系统，运输环境例如但不限于用于飞机场、其它运输中心、政府大楼、办公大楼等的行李扫描系统。该有利之处也改进了其规模用来研究与人相对的试验动物的微X射线、PET和CT系统。
本文所述的方法和设备采用前馈来提高对在机电运动系统与预期运动路径中一些障碍物之间不想要的碰撞的检测。此外，该方法允许这样优化前馈和反馈，使得系统自然地可以在针对碰撞的动力估计运动中、甚至在检测到碰撞之前更不主动，而同时保留了由输入控制信号(强制函数)所产生的动力估计运动中的所需主动性。图3说明包括反馈机构102(块H)的伺服系统100，该反馈机构接收关于运动或位置的信息，并将这些信息转换成可从输入强制函数xi104中减去的信号。强制函数xi104是控制信号或数字命令，用于引导整个伺服系统作出响应，使得机械输出y0106以预期的方式移动。多个块108(G1和G2)代表伺服系统结构的各个部分，诸如在计算机中处理的数据、电动机、将电动机的传动轴的旋转转换成装置的有效运动或位置的机构。信号x2代表负载函数110，例如，诸如摩擦力或其它往往阻止电动机传动轴所驱动的运动的机械加载等参数。监控点112(M)为系统提供了表示强制函数xi104和已经过了H反馈块102的反馈信号114之间差异的数据。M的值一般较小(取决于定义伺服系统100的许多参数)。但是，在伺服系统100受到施加于xi或x2上的某类型的激励瞬变时，M可能短暂地具有较大的值。通过适当地分析M，可以确定伺服系统100是否遇到了(不希望的)正在进行的碰撞。在这种情况下，伺服系统100的性能可发生变化，以避免由完全执行运动带来的碰撞的有害结果。通过块F1116的前馈允许xi强制函数进行特殊处理，在M112处获得提高的碰撞可检测性。应注意，F1可加到系统中除图3所示点之外的其它点，结果也会变化。监控点M112也可放置在除图3所示位置之外的其它位置，结果也会变化。也可采用除了图3所示的那些点之外的多个点来插入反馈(114)。可以根据任何系统的特征来改变插入前馈的位置、监控点的位置以及反馈的位置。
可考虑将图3所示的伺服系统100的各个部分在拉普拉斯域中表示。那么，分别通过叠加以及利用Mason法则来处理这两个输入xi和x2，得到1A)y0xi=(F1+1)G1G21+G1G2H,1B)y0-x2=G21+G1G2H]]>可选择G1以使y0/x2对于碰撞检测和避免表现得最佳。选择G1的替代形式，将其定义为G1’，选择G1’是为了使y0/xi从强制函数xi的角度来看、但未利用前馈(F1＝0)时表现最佳。最后，利用G1和F1(但不是G1’)，要求与先前的y0/xi表现相同的y0/xi的传递函数，并求解所要求的F1以强化这一结果。以下公式显示了该过程。
2)(F1+1)G1G21+G1G2H=G1′G21+G1′G2H]]>求解F13)F1=G1′(1+G1G2H)-G1(1+G1′G2H)G1(1+G1′G2H)]]>因此，利用伺服系统中的前馈项F1使得伺服系统能够对于y0/xi以及y0/x2均为最优，这样在M点上的碰撞检测监控得到增强，而不会影响到对强制函数xi的响应。附加地插入前馈项以优化y0/xi使得可以凭借标准现有环路参数来分别独立地优化y0/x2，而不受前馈的影响。
图4说明图3中一般表示的机电伺服系统的具体示例。下面给出对于图4的输入xi和x2的闭环响应4)y0=xi(F+1)K2K3K5Z5Z6s2+(F+1)(1Z5+1Z6)K2K3K5s+(F+1)K2K3K51P2P6s4+(1P2+1P6)s3+(K2K3K4K5Z5Z6+1)s2+(1Z5+1Z6)K2K3K4K5s+K2K3K4K5]]>-x2K1K3P6s2+K1K3s1P2P6s4+(1P2+1P6)s3+(K2K3K4K5Z5Z6+1)s2+(1Z5+1Z6)K2K3K4K5s+K2K3K4K5]]>接着，针对y0/xi，选择优选项K5’和Z5’来代替K5和Z5。在没有前馈(F＝0)的情况下，这得到5)y0xi=K2K3K5′Z5′Z6s2+(K5′Z5′+K5′Z6)K2K3s+K2K3K5′1P2P6s4+(1P2+1P6)s2+(K2K3K4K5′Z5′Z6+1)s2+(1Z5′+1Z6)K2K3K4K5′s+K2K3K4K5′]]>通过查看图4，显然6)M＝xi-y0K4利用等式3)可确定F，得到等式7)。
7)K5′sZ5′+1s×sZ6+1sP6+1×K2×(1+K5×sZ5+1s×sZ6+1sP6+1×K3×1sP2+1×K3s×K4)-K5×sZ5+1s×sZ6+1sP6+1×K2×(1+K5′×sZ5′+1s×sZ6+1sP6+1×K2×1sP2+1×K3s×K4)K5×sZ5+1s×sZ4+1sP6+1×K2×(1+K5′×sZ5′+1s×sZ6+1sP6+1×K2×1sP2+1×K3s×K4)]]>重新整理等式7)，得到等式8)8)F=(K2K5′Z5′Z6s2+(1Z5′+1Z6)K2K5′s+K2K5′)(1P2P6s4+(1P2+1P6)s3+(K2K3K4K5Z5Z6+1)s2+(1Z5+1Z6)K2K3K4K5s+K2K3K4K5)-(K2K5Z5Z6s2+(1Z5+1Z4)K2K5s+K2K5)(1P2P6s4+(1P2+1P6)s3+(K2K3K4K5′Z5′Z6+1)s2+(1Z5′+1Z6)K2K3K4K5′s+K2K3K4K5′)(K2K5Z5Z6s3+(1Z5+1Z6)K2K5s+K2K5)(1P2P6s4+(1P2+1P6)s3+(K2K3K4K5′Z5′Z6+1)s2+(1Z5′+1Z6)K2K3K4K5′+K2K3K5K5′)]]>
为了简化，采用标记的变化，参照等式8)。
9)F=(As2+Bs+C)(Ds4+Es3+Ps2+Gs+H)-(Is2+Js+K)(Ds4+Es3+Ls2+Ms+N)(Is2+Js+K)(Ds4+Es3+Ls2+Ms+N)]]>最后得到，10)F=(AD-ID)s6+(AE+BD-IE-JD)s5+(AP+BE+CD-IL-JE-KD)s4+(AG+BP+CE-IM-JL-KE)s3+(AH+BG+CP-IN-JM-KL)s2+(BH+CG-JN-KM)s+CH-KNIDs6+(IE+JD)s5+(IL+JE+KD)s4+(IM+JE+KD)s4+(IM+JL+KE)s3+(IN+JM+KL)s2+(JN+KM)s+KN]]>对于示范应用，图5中给出了为xi优化的环路增益波特图，其中具有表1中所列的相关优化参数。注意，图5中的环路增益波特图是利用K5’和Z5’为xi优化的。由于前馈参数F(等式10)，可利用此图的相位裕度来预测y0/xi的瞬时响应。注意，为达到真正的稳定，可使用采用了K5和Z5(而不是K5’和Z5’)的波特图。
表1图6中给出了为X2优化的环路增益波特图，其中具有表2中所列的相关优化参数。此图是利用K5和Z5为x2优化的。可利用此图的裕度来预测y0/x2的瞬时响应。
表2对于此示范应用所表示的实际系统而言，图4的一些块(包括等式10中给出的F项)可以在计算机中实现，并且那些功能可通过利用拉普拉斯等式的z变换来编程的软件来完成。该系统的其它部分可以电子电路、电动机以及机械驱动部分和其它物理机构的形式来实现。通过适当地利用等式4)、5)和6)，可得到关于示范应用的响应的仿真，就象等式10)中定义的前馈项已应用到实际伺服系统中一样。
在图7中，对于图4的拓扑而言，对来自xi的阶跃响应输入(命令机构移动的强制函数)表示了仿真响应输出y0。在图7中还显示了在采用前馈和不采用前馈时出现的关于在x2(表示碰撞)的阶跃信号的监控点信号M。在应用了前馈时，M监控信号的峰值较大，具有约2.4的比率。注意，由于图7中所用的单位的缘故，在波特图中碰撞阶跃信号是经过放大的，所以可以看到它。由于示例系统采用等于1的反馈常数(即K4＝1)，所以注意到输出y0的幅度与M相等(不同之处仅在于具有相反的极性)。因此，M/x2的曲线也表示y0/x2的曲线(除极性之外)。应当指出，采用前馈的M/x2比不采用前馈的M/x2变化快。这表明y0的变化也更快，因此y0更容易对碰撞信号x2作出响应。在适当利用前馈的情况下，伺服系统在碰撞过程中、甚至在已经处理M监控点信号之前，在动力估计运动中不会如检测碰撞(以及发起命令以停止运动)的方式一样主动。
在图8中，显示了关于xi的阶跃响应输入的仿真响应输出y0，它与图7所示的关于y0的仿真相同。在图8中还显示了在采用前馈和不采用前馈的情况下对于x2上的20毫秒的脉冲(表示不良机构在运动时可能发生的撞击)所产生的监控点信号M。在此情况下，对于采用前馈和不采用前馈的M监控信号峰值的比率约为1.4。注意，由于图8中所用的单位的缘故，在该曲线中脉冲是经过放大的，故可以看到。
采用前馈的仿真比率与不采用前馈的仿真比率的比值为2.4/1.4＝1.7。这意味着，示范伺服系统在进行上述仿真时，可检测到更小的合理碰撞，而不会遇到由于不良机构的撞击所导致的错误警告。因此，一种技术效果是提高了对碰撞激励的灵敏性。由于对碰撞激励的灵敏性得到提高，所以可以增大在M处的检测阈值。伺服系统则更不可能根据由xi强制函数产生的监控信号而发出错误警告。
虽然已经根据各种特定实施例对本发明进行了说明，但是本领域的技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本发明实施修改。
权利要求
1.一种成像系统(10)，包括辐射源(32)；辐射检测器(34)，经过定位以接收所述辐射源发出的辐射；伺服系统(100)，配置成定位所述辐射源、所述检测器以及待扫描的对象(4)其中至少一个；以及计算机(38)，可操作地连接到所述辐射源、所述检测器以及所述伺服系统，所述计算机配置成在所述伺服系统中插入前馈项。
2.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述计算机(38)还配置成插入从强制函数xi(104)导出的前馈项。
3.如权利要求2所述的系统(10)，其特征在于，所述计算机(38)还配置成插入从强制函数xi(104)导出的前馈项，以便优化y0/xi，其中y0为所述伺服系统(100)的输出(106)。
4.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述计算机(38)还配置成在不受所述前馈项影响的前提下优化y0/x2，其中x2为负载函数(110)，y0是所述伺服系统(100)的输出(106)。
5.如权利要求2所述的系统(10)，其特征在于，所述计算机(38)还配置成在不受所述前馈项影响的前提下优化y0/x2，其中x2为负载函数(110)，y0是所述伺服系统(100)的输出(106)。
6.如权利要求3所述的系统(10)，其特征在于，所述计算机(38)还配置成在不受所述前馈项影响的前提下优化y0/x2，其中x2为负载函数(110)。
7.一种将程序编码于其中的计算机可读媒体，所述程序配置成指示计算机(38)在伺服系统(100)中插入前馈项。
8.如权利要求7所述的计算机可读媒体，其特征在于，所述程序还配置成指示所述计算机(38)插入从强制函数xi(104)导出的前馈项。
9.如权利要求7所述的计算机可读媒体，其特征在于，所述程序还配置成指示所述计算机(38)插入从强制函数xi(104)导出的前馈项，以便优化y0/xi，其中y0是所述伺服系统(100)的输出(106)。
10.如权利要求7所述的计算机可读媒体，其特征在于，所述程序还配置成指示所述计算机(38)在不受所述前馈项影响的前提下优化y0/x2，其中x2为负载函数(110)，y0是所述伺服系统(100)的输出(106)。
全文摘要
一种用于区分反馈信号(114)是否为伺服系统(100)中无意识碰撞的结果的方法包括在所述伺服系统中插入前馈项。
文档编号H02P29/00GK1612038SQ200410090199
公开日2005年5月4日 申请日期2004年10月28日 优先权日2003年10月28日
发明者S·E·库尔蒂斯 申请人:Ge医疗系统环球技术有限公司