一种用于医学影像拍摄场景的联动装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及一种医学影像采集设备，尤其涉及一种用于医学影像拍摄场景中x射线球管与平板探测器的联控装置。


背景技术：

2.传统的医学影像设备，例如dr机和动态影像机，大多由一个可以手动或者自动移动的x射线球管，和一个可升降的摄片架组成。拍摄时，需要医师每次进入放射室，调整患者的姿势和立式摄片架上平板探测器的高度，并将x射线球管手动移动到合适的位置。对于影像技师来说，需要长期地训练才保证医学影像的拍摄质量，包括平板探测器高度，放射源与平板探测器距离（sid）等相关因素。为了获得高质量的x线片，对影像技师提出较高的专业要求。有时需要影像技师反复调整x射线球管和平板探测器的高度、反复拍摄才能获得临床医师需要的x线片。
3.目前临床上尚无用于医学影像领域的机械臂和电动立式胸片架的联动系统，尤其在临床医学拍摄时，影像技师无法准确地摆放x射线球管和移动平板探测器，通常通过目测或者临床经验预估患者的拍摄部位高度，然后移动平板探测器到拍摄位置，并移动x射线球管到合适的拍摄位置，包括对放射源与平板探测器距离（sid）和平板探测器高度的设置，进行医学影像拍摄。
4.当影像技师设置参数时发生失误，需要反复调整sid和平板探测器高度，势必导致患者暴露在更多剂量的电离辐射下。因此，设计一种可以准确设置医学影像参数的联动系统，鲜见其必要性。


技术实现要素：

5.本发明的目的旨在提出一种用于医学影像拍摄场景的联动装置及其控制方法，以提高医师效率和准确性，减少暴露于电离辐射下。。
6.本发明实现上述一个目的的技术解决方案是，一种用于医学影像拍摄场景的联动装置，其特征在于包括：x射线球管、电动立式胸片架和联控单元，其中所述x射线球管通过带法兰盘的固定器装接于六轴工业机械臂的末端，定位及朝向可调，所述电动立式胸片架装有平板探测器并设有驱动平板探测器调节定位的步进电机和plc驱动控制器，所述联控单元设有信号相连的上位机和激光位移传感器，所述激光位移传感器光源朝下地安装于电动立式胸片架上，机械臂的驱动端和plc驱动控制器分别信号接入上位机，通过联控单元，平板探测器的高度及x射线球管拍摄参数sid关联机械臂的基座标系。
7.上述用于医学影像拍摄场景的联动装置，进一步地，所述上位机通过rs485控制器及其通信协议连接plc驱动控制器和激光位移传感器，且上位机通过ethernet通信线及其协议连接六轴工业机械臂，获取平板探测器和机械臂末端的位置与运动规划，发送控制指令。
8.本发明实现上述另一个目的的技术解决方案是，一种用于医学影像拍摄场景联动
的控制方法，其特征在于：以六轴工业机械臂装夹x射线球管并带动在六个自由度上移动及定位；以电动立式胸片架承载并驱动平板探测器在垂直方向上升降，采用联控单元作为六轴工业机械臂和电动立式胸片架的连接载体，上位机通过c＃编程语言控制移动两者并联动完成整个医学影像拍摄；包括步骤：s1、前期准备阶段，将电动立式胸片架的片盒中心位置转换至六轴工业机械臂的基坐标系上。s2、拍摄及参数设定阶段，细化步骤为：s21、由影像医师在上位机输入、手动设置患者拍摄时的sid值sid；s22、通过上位机手动调控六轴工业机械臂、携带x射线球管到达初始高度位置，并使x射线光源射出方向和姿态保持与地面平行，上位机获取光源点的位置；s23、上位机将sid参数值、初始光源点位置和准备阶段所获片盒中心位置进行整合，生成x射线球管新的定位，并通过ethernet通信线传送至六轴工业机械臂，移动至指定位置；s24、上位机根据当前坐标值换算得到目标距离；s25、开启激光位移传感器，实时获取当前距离，并与目标距离进行比较：若，则通过rs485通信控制电动立式胸片架驱动片盒下降，若，则通过rs485通信控制电动立式胸片架驱动片盒上升，若，则通过rs485通信控制电动立式胸片架锁定片盒高度；s26、联动控制结束，开展医学拍摄。
9.应用本发明联动装置及其控制方法的技术解决方案，与现有调控方法相比，具备显著的进步性：本发明所采用的六轴工业机械臂和电动立式胸片架均为可编程控制，可由影像医师直接通过上位机进行控制，操作便捷的同时有效提高了医师的工作效率；另一方面所采用的六轴工业机械臂和电动立式胸片架精度高和负载大，可以完成多种医学影像的拍摄需求，在整体性能方面提升可靠性。
附图说明
10.图1为本发明用于医学影像拍摄场景的联动装置的系统结构示意图。
11.图2为本发明联动装置中x射线球管的装接细节示意图。
12.图3为本发明联动装置控制方法中前期准备阶段的流程示意图。
13.图4为本发明联动装置控制方法中拍摄及参数设定阶段的具体流程示意图。
具体实施方式
14.以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。
15.医学影像中，自动化地准确拍摄一直是一个难点。在进行医学影像研究中，发现诊断一些特定部位的疾病时，x射线球管的拍摄角度需要符合医学场景和影像医师的要求。通过专业影像科医师了解到，在x射线机器正常运行情况下，首先需要对x射线球管的位置及方向进行调整，以方便x射线球管的射线口对准患者需要拍摄的部位。其次平板探测器作为医学影像的成像系统，也需要影像医师控制立式摄片架调整到合适的高度。因此，在医学影
像的科研中，需要有一种自动化装置，可以联动x射线球管和立式胸片架上的平板探测器在同一平面并保持x射线源的发射线与平板探测器的表面保持垂直，提高医学图像的质量，并协助影像技师提高拍摄的准确度和节约时间。
16.本发明研发了一种用于医学影像拍摄场景的联动装置，常规医学影像采集的两大核心部件是x射线球管、立式胸片架。而如图1和图2所示，该联动装置大致包括三个部分。其一是固定x射线球管的运动部分，包括六轴工业机械臂a1，x射线球管a3通过带法兰盘a1-1的固定器a2装接于机械臂的末端，定位及朝向可调；其二是用于控制平板探测器运动的电动立式胸片架c1，主要包括一个步进电机和plc驱动控制器（未图示）；其三是用于通信联控六轴工业机械臂和电动立式胸片架的联控单元，主要包括信号相连的上位机b1和激光位移传感器d1，实时获取激光位移传感器d1的光源发射口到电动立式胸片架c1的底板平面c2的距离，以此探测电动立式胸片架产生的位移，一个rs485控制器及其通信协议连接上位机和电动立式胸片架，传输升降控制的指令并反馈运动状态，一根ethernet通信线及其协议连接并获取六轴工业机械臂末端的位置信息和运动规划，发送控制指令。通过该联控单元，上位机对所有的硬件驱动进行控制，形成一个自动化的联动系统，平板探测器的高度及x射线球管拍摄参数sid关联机械臂的基座标系。
17.从更进一步细化特征来看，x射线球管的x射线光源a4射出方向与法兰盘所在平面保持垂直，并受驱于六轴工业机械臂连同法兰盘一并朝向可调。六轴工业机械臂具有包括x-y-z空间坐标和a-b-c空间姿态的自由度，且受控保持1mm以内的运行精度和重复精度。该六轴工业机械臂承重能力强，可固定x射线球管稳定运行且可编程控制。
18.上述电动立式胸片架c1设有作为平板探测器承载体的片盒c3，该片盒与步进电机的驱动链条相连并受驱于上位机的指令在2.2m的行程内、垂直方向升降移动。
19.作为联动装置的动力源设计，根据不同硬件的驱动参数：包含对应六轴工业机械臂供应的380v三相交流电、对应电动立式胸片架供应的220v交流电和对应激光位移传感器供应的24v直流电。
20.为更清楚地理解上述联动装置的功能实现，以下从控制方法的实例性介绍，进一步详述其操作过程。
21.该联动装置以六轴工业机械臂装夹x射线球管并带动在六个自由度上移动及定位；以电动立式胸片架承载并驱动平板探测器在垂直方向上升降，采用联控单元作为六轴工业机械臂和电动立式胸片架的连接载体，上位机通过c＃编程语言控制移动两者并联动完成整个医学影像拍摄。其步骤包括如图3所示的前期准备阶段s1，将电动立式胸片架的片盒中心位置转换至六轴工业机械臂的基坐标系上。因此，需要获得片盒中心位置在六轴工业机械臂的基座标系下的z轴坐标值z与激光位移传感器与底板平面的距离d之间的关系：。具体地，在六轴工业机械臂的法兰盘上安装带有锥头部分的刚体探测件，通过机器人四点法标定片盒中心位置的tcp，求得值（即tool center point的简称，意为工具中心点）。具体是指使用机器人将空间中某一个点的世界坐标转换至机器人基坐标系的方式，在本发明中，提前采用这个方法获得电动立式胸片架中片盒的工具中心点坐标，这样就确定了片盒中心点的运动范围，因为胸片架只会在z方向运动而不会改变x和y方向的数值。同时打开激光位移传感器获取距离。使用相同的方法测量10组数据，获得
，求得平均数b作为最终的偏移量。
22.此外，需要获得片盒中心位置在六轴工业机械臂的基座标系下与x射线球管的光源点以及拍摄参数sid之间的关系：，其中θ为x射线球管的光源点与探测器盒的中心点在x-y平面上的姿态夹角，通常情况下忽略夹角，取θ=0。
23.还包括如图4所示的拍摄及参数设定阶段s2，细化步骤为：s21、由影像医师在上位机输入、手动设置患者拍摄时的sid值sid。
24.s22、通过上位机手动调控六轴工业机械臂、携带x射线球管到达初始高度位置，并使x射线光源射出方向和姿态保持与地面平行，上位机获取光源点的位置。
25.s23、上位机将sid参数值、初始光源点位置和准备阶段所获片盒中心位置进行整合，生成x射线球管新的定位，并通过ethernet通信线传送至六轴工业机械臂，移动至指定位置。
26.s24、上位机根据当前坐标值换算得到目标距离。
27.s25、开启激光位移传感器，实时获取当前距离，并与目标距离进行比较：若，则通过rs485通信控制电动立式胸片架驱动片盒下降，若，则通过rs485通信控制电动立式胸片架驱动片盒上升，若，则通过rs485通信控制电动立式胸片架锁定片盒高度。
28.s26、联动控制结束，开展医学拍摄。
29.综上关于本发明用于医学影像拍摄场景的联动装置及其控制方法结合图示的方案介绍和实施例详述可知，与现有其它方法相比，除具备突出的实质性特点外，还具备显著的进步性：1、采用高精度的六轴工业机械臂，可电脑编程控制，拥有6个空间自由度，可以精确控制x射线球管的移动位置和运动轨迹。2、采用上位机控制六轴工业机械臂和电动立式胸片架，所受外界干扰较少，采用的电动立式胸片架和激光位移传感器的精度都为1mm。3、采用上位机远程控制，医师可以位于铅房外对六轴工业机械臂和电动立式胸片架进行调节，减少暴露在x射线下的风险；4、采用的工业机械臂的负载60kg，结构强度和负载能力满足x射线球管及其夹具30kg的重量。总体来看，该装置操作便捷的同时有效提高了医师的工作效率，可以完成多种医学影像的拍摄需求，在整体性能方面提升可靠性。
30.除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。