定位x射线成像装置的系统和方法及对应x射线成像装置的制作方法

专利名称：定位x射线成像装置的系统和方法及对应x射线成像装置的制作方法
定位X射线成像装置的系统和方法及对应X射线成像装置技术领域
本发明通常涉及医学成像系统，以及尤其是用于医学成像领域的X射线装置。
更具体地，本发明的主题通常涉及安装在移动设备上的X射线成像装置。
背景技术：
X射线装置通常包括成像组件，该成像组件包括X射线管和在X射线发射的方向上与X射线管相反地放置的X射线探测器。通常将该管和探测器放置在臂的两个相互相反的端上，以便可以容易地通过探测器探测到通过管发射的X射线。
这样的装置用于以诊断或介入治疗为目的的血管造影检查。
在这些检查期间，需要产生X射线所照射的患者身体上的感兴趣的区域的射线照片。为了这个目的，在患者已经躺在检查台上之后，使得X射线管和探测器面向要进行射线照相的区域并以感兴趣的区域周围为中心。
在现有技术中，已知若干种用于产生射线照片的X射线装置。
首先，已知X射线装置固定在地面上，其中支撑X射线管和探测器的臂包括若干自由度，使得将X射线束安置到面向感兴趣的区域成为可能。
然而这种类型的装置具有较大缺陷，该缺陷和这样的事实相关仅仅在介入治疗的开始和结束时需要射线照相术。
其间，患者的进入应当优先。然而，在不使用该装置时不能将它从检查台移除，以至于，特别地在检查台上的患者的转移和放置会由于该笨重的系统的存在而改变。
另外，可以将传统的移动X射线成像系统安装在车架(Carriage)上，该车架可以手动移动并且包含用于向X射线管供应电力的一定数量的电池。
由于由X射线管输送的必要功率不再足够获得令人满意的图像质量和(特别是) 对比度，因此这种类型的装置不适用于血管造影检查。
而且，因为支撑管和探测器的臂的直径不足够大，所以这种类型的移动X射线装置不允许复杂的角度形成。
类似地，这些移动X射线装置达不到足够的转动速度以允许高质量的三维图像重建。最后，即使这样的装置的重量是设计用于血管造影术的X射线装置的重量的一半，但是由于它的相对大的尺寸和它的重量(可以达到300kg)，它仍然很难移动。
另外，已知用于血管造影术的X射线装置是悬挂于天花板并且例如在电动机的帮助下可以通过移动车架在导轨上移动。
这种类型的装置也具有若干缺陷。
首先，许多系统已经附加到检查台周围的天花板上，因此已经扰乱了患者周围的空间，并导致难以装配导轨。
其次，将X射线装置安装在天花板上显著地增加了患者的机会性污染的风险。特别是，由于清洁导轨的困难性，当装置在导轨中滑动时，微粒很可能落下并污染患者。
另外，在某些手术室中，在患者上方生成无菌层流。在这种情况下，该流很可能吹动导轨上存在的微粒，接着该微粒可以进入该层流并到达患者。
因此，需要一种移动成像系统，该移动成像系统能够容易地并自动地在手术室中、 并尤其相对于检查台布置。
可参考文献FR2945724，该文献公开了一种安装在自动移动设备上的X射线成像装置，该自动移动设备能够以独立的方式或在可以由操作者操作的控制台的控制下自动地移动。该X射线装置配备有导航系统，该导航系统可以计算相对于预定轨道的用于成像装置的轨道。
然而，需要确定X射线成像装置的当前位置来计算轨道，以及相对于预定轨道校正所算出的轨道。
也可以使用光学读取器来确定当前位置，该光学读取器可操作地对表示它们在环境中的位置的二维坐标的条形码进行读取或解码，以及对包含在条形码中的信息进行解码。
在另一实施例中，导航系统可以与GPS或全球定位系统通信，可操作地计算X射线装置的位置。
在又一示例中，导航系统可操作地使用激光束发射器跟踪位于手术室中的反射器或探测器的位置，并由入射激光束和反射激光束之间的持续时间来计算X射线成像装置的当前位置。
已经发现这样的导航系统十分昂贵，并可能对来自环境的互相作用的干扰敏感。 特别地，激光可能受到吊杆、墙壁反射的影响，或可能受外部光干扰。发明内容
鉴于前述情况，本发明的目标在于，减小这些缺陷并且确定X射线成像装置的位置而无需任何与环境的互相作用。
因此，本发明的主题是一种用于确定安装在自动移动设备上的X射线成像装置的位置的系统，该系统包括接合到参考点和该装置的至少一个机械连杆(link)，以及一组测量器件，该测量器件用于测量在移动时相对于参考点和装置的所述连杆的转动角度的变化。
因此，该系统使仅仅由参考点(例如手术室内的固定位置)与X射线装置之间的连杆的布局的变化来确定X射线成像装置的位置成为可能。
根据另一特征，该连杆可以包括至少两根彼此接合的杆，并具有分别接合到所述参考点和装置的相反端。
因此，该系统可以包括安装在将第一杆连结到参考点的第一接合上的第一探测器件，安装在连结两杆的第二接合上的第二探测器件，以及安装在将第二杆连结到装置的第三接合上的第三探测器件。
在一实施例中，每个探测器件包括角度编码器。
在另外的实施例中，该系统还包括计算器件，该计算器件用于由连杆的长度和所测得的角度变化来计算X射线装置的位置。
可以由下列等式计算装置的坐标和方向
X = Lcos α I+Lcos ( α 1+ α 2)
Y = Lsin α I+Lsin ( α 1+ α 2)
θ = α 1+α 2+α 3
其中
X和Y代表在笛卡尔坐标系内装置的坐标；以及
Θ代表X射线装置的方向。
根据另一方面，本发明提供一种X射线成像装置，该X射线成像装置包括安装在自动移动设备上的成像组件以及如上定义的用于确定相对于参考点的X射线成像装置的位置的系统。
根据另外的方面，本发明提供一种对安装在自动移动设备上的X射线成像装置进行定位的方法，该方法包括步骤
-测量接合到参考点和X射线装置的机械连杆的转动角度的变化，所述转动角度在移动时相对于参考点和装置来测量；以及
_由所测得的角度和所述连杆的长度来计算装置的坐标。


本发明的其他目标、特征和优点将在阅读仅以非限制性示例给出并参考了附图的如下描述时显露，附图中
-图I是根据本发明的一个方面的X射线装置的示意-图2图示用于确定图I的X射线成像装置的位置的系统的一个实施例；
-图3是图2的连杆的示意图，示出了用于计算X射线成像装置的位置的计算函数；以及
-图4和图5是示出了位置计算的精度的图表。
具体实施方式
首先参考图1，图示了根据本发明的一个示范性而非限制性的应用的用于三维 (3D)医学成像的X射线成像装置I的透视图。
特别地，预计该成像装置I执行将要研究的对象(例如患者身体的一部分)的图像米集。
如可以看出的，该装置I主要包括成像组件，该成像组件具有能够在发射方向发射X射线束3的X射线管2，以及放置在臂5 (在实例中为弓形的形式)的两个相互相反的端上的X射线探测器4，以便由管2发射的X射线入射在探测器4上。
将臂5安装成能在转动地安装在固定支撑7上的第二臂6上滑动，该固定支撑7 自身安装在基座组件上，该基座组件具有可操作地在手术室或检查室的地板上到处移动的自动移动设备8。
因此，支撑7、转动臂6和臂5三者全部是彼此相对铰接的，以便成像组件可以在三个维度上移动并因此从各种入射角度产生将要检查的器官的图像。
在射线照相术中，使得管2和探测器4面向躺在检查台10上的患者的身体9中感兴趣的区域，以便当感兴趣的区域插入在X射线管2和探测器4之间时，该区域被X射线照射并且探测器4产生表示插入的感兴趣的区域的特性的数据。
如可以看出的,在所示的示范性实施例中，移动设备8包括旋转系统,所述旋转系统包括放置于后部的两个横向的驱动和转向轮11以及两个自由前轮12，驱动轮与包括耦合到驱动电动机的转向电动机的驱动器件相关联。
因此，基座组件可以是自动化可编程设备，并且可以与导航系统关联，该导航系统可操作地计算相对于预定轨道的用于X射线成像装置的轨道或路径。
可以嵌入到X射线装置或远程控制台内的导航系统还可操作地计算装置的当前位置，以便允许将装置I在手术室中、尤其是相对于检查台10精确地放置。
因此，根据编程阶段或在可以由操作者操作的控制台的控制下，X射线装置能够在手术室中自动地移动。
这是在特定的情况下，尤其是，为了将管2和探测器4面向将要射线照相的感兴趣的区域放置而面向检查台安置X射线装置期间，或者当不再使用X射线装置时，X射线装置向不挡道的等待位置移动期间。
例如，导航系统可以计算X射线装置I的当前位置，特别是成像组件的位置，以便生成信号给移动设备8来相对于最佳的或预编程的轨道或路径来操纵基座组件。
在图I中也可以看出，装置I配备有直立于例如支撑7的臂13，并且其中布置一组连接元件。这些连接元件可以包括尤其是致力于为装置供应电力的一组电力和电连接电缆；一组输送管，其中流通着冷却液(例如水)；以及一组数据传输信道，例如光纤类型的信道。
在这种情况下该组连接元件连接到位于远程设备间的远程操纵台上。
该连接元件放置于支撑设备14中，该支撑设备14包含例如能够将连接元件束限制在水平面并且位于手术室或检查室的天花板附近的铰接连杆链。
支撑设备14 一端连接到直立臂13，而相反端连接到例如安装在如所示的天花板附近的手术室的墙壁上的固定支撑元件15。
例如，链14可以配备有一组链连杆，其每个彼此铰接，以便当基座组件和因而X射线成像装置I在地板上到处移动时，链发生变形。
应当理解的是，链14的相互相反的端分别接合到支撑元件15和臂13。
为了确定它的当前位置，X射线成像装置配备有与导航系统关联的定位系统。
如图I和图2所示，定位系统包括至少一个位于链14下方的机械连杆16，并具有接合到支撑元件15和直立臂13的两个相互相反的端17和18。
在图I和图2的示范性实施例中，连杆16包括彼此接合的两个直杆19和20。
每个杆具有接合到其他杆的对应端的第一端以及相反端，即用附图标记17和18 表示的分别接合到支撑元件15和直立臂13的端。
换句话说，连杆16依靠两个枢轴A和A’安装到支撑元件15和直立臂13上，以便当通过移动设备在地板上到处移动X射线成像装置时，发生围绕枢轴A的第一杆19的转动角度的变动以及围绕枢轴A’的装置的转动角度的变动。另外，由杆19和杆20形成的角度根据X射线装置I的移动而变化。
定位系统还配备有计算器件，该计算器件包括与程序存储器关联的计算机，其可操作地监视相对于支撑元件15和直立臂13的连杆16的转动角度的变动，以及臂19和臂 20之间的转动角度的变化，并从中推导出相对于由枢轴A在这种情况下形成的参考点的X射线装置的实际位置。
如图2和图3所示，杆的每端配备有角度测量编码器，例如22，以便测量支撑元件 15的方向X和第一杆19之间的角度α 1，第一杆19和第二杆20之间的角度α 2，以及第二杆20和X射线装置的通常轴线(general axis) Z之间的角度α 3。
现有技术中这种角度测量编码器是众所周知的，并且将不进行进一步公开。
现在参考图3，计算器件使用角度α ，α2和α 3的所测得的值来计算X射线装置系统的实际位置和方向。特别是，计算器件使用下列等式来计算在笛卡尔坐标系内装置的坐标X和Y以及相对于支撑元件15的通常轴线的X射线装置的方向Θ :
X = Lcos α I+Lcos ( α 1+ α 2)
Y = Lsin α I+Lsin ( α 1+ α 2)
θ = α 1+α 2+α 3
其中，L表示每根杆的长度。
应当理解的是，每根杆都具有足够的刚性来为X射线成像装置的据此算出的位置提供足够的精度。
例如，每根杆都以由碳纤维制造的管的形式实现。
还应当理解的是，在上述实施例中，具有配备有三个角度编码器的两根杆的定位系统能够计算X射线成像装置的位置，而无需与装置所位于的环境进行任何互相作用，并且无需增加装置的体积尺寸。
然而，将注意到本发明不限于所描述的实施例。
事实上，在上述实施例中，接合到参考点和装置的连杆包括两根杆。
应当理解的是，这样的连杆可以配备有不同数量的杆，并且可以包括至少一根杆。
优选地，连杆可以包括至少两根杆，例如如上面所公开的两根杆，或者三根或更多的杆。
另外，连杆可以包括引线连杆(wire link)，其引线连结到直立臂13，并缠绕在安装于支撑元件15上的筒(drum)上。引线连杆可以例如包括弹簧加载设备，并且与可操作地计数缠绕在筒上的引线的回转(revolution)数量的编码器，以及可操作地探测相对于支撑元件15的筒的角度方向的另外的编码器关联。
最后参考图4和图5，将理解的是，上面公开的定位系统能够在检查台10周围以O.5mm的精度确定X射线成像装置的位置。
此外，可以以O. 02°的精度确定相对于预定方向(例如支撑元件15的通常方向) 的X射线成像装置的角度。
将理解，可以依靠X射线成像装置得到这样的精度，该X射线成像装置安装在自动移动设备上，并且包括至少一个接合到参考点和装置的机械连杆，和一组用于测量移动时相对于参考点和装置的所述连杆的转动角度的变化的角度编码器。
权利要求
1.一种用于确定安装在自动移动设备(8)上的X射线成像装置(I)的位置的系统，其特征在于，所述系统包括至少一个接合到参考点(17)和所述装置的机械连杆(16)，以及一组测量器件(22)，所述测量器件用于测量移动时相对于所述参考点和所述装置的所述连杆的转动角度的变化。
2.如权利要求I所述的系统，其特征在于，所述连杆包括至少两根杆(19、20)，所述至少两根杆彼此接合并且具有分别接合到所述参考点和所述装置的相反的端(17、18)。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统包括安装在将第一杆(19)连结至所述参考点的第一接合(17)上的第一探测器件，安装在连结所述两根杆(19、20)的第二接合上的第二探测器件，以及安装在将所述第二杆(20)连结至所述装置的第三接合上的第三探测器件。
4.如权利要求I至3中的任一项所述的系统，其特征在于，所述探测器件的每个包括角度编码器。
5.如权利要求I至4中的任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括计算器件， 所述计算器件用于由所述连杆的长度和所测得的角度变化来计算所述X射线装置的位置。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，由下列等式计算所述装置的坐标和方向X = Lcos a I+Lcos ( α 1+ α 2)Y = Lsin α I+Lsin ( α 1+ α 2)θ = α 1+ α 2+ α 3其中X和Y代表在笛卡尔坐标系内所述装置的所述坐标；以及Θ代表所述X射线装置的所述方向。
7.一种包括安装在自动移动设备上的成像组件的X射线成像装置，其特征在于，所述X 射线成像装置包括根据权利要求1-6的任一项的用于确定相对于参考点的所述X射线成像装置的位置的系统。
8.一种用于对安装在自动移动设备上的X射线成像装置进行定位的方法，其特征在于，所述方法包括步骤测量接合到参考点(17)和所述X射线装置(I)的机械连杆的转动角度的变化，在移动时相对于所述参考点和所述装置来测量所述转动角度；以及由所测得的角度和所述连杆的长度来计算所述装置的坐标。
全文摘要
本发明的名称是“定位X射线成像装置的系统和方法及对应X射线成像装置”。本系统用于确定安装在自动移动设备(8)上的X射线成像装置(1)的位置，该系统包括至少一个接合到参考点(17)和该装置的机械连杆，以及一组测量器件(22)，该测量器件用于测量移动时相对于参考点和该装置的所述连杆的转动角度的变化。
文档编号A61B6/00GK102940501SQ201210376210
公开日2013年2月27日 申请日期2012年7月13日 优先权日2011年7月13日
发明者R·穆兰, C·马丁内斯费雷拉 申请人:通用电气公司