電機輔助的手動控制移動組件、包括這種組件的x射線系統、方法和使用的製作方法

2023-06-12 19:07:21 2

專利名稱：電機輔助的手動控制移動組件、包括這種組件的x射線系統、方法和使用的製作方法
技術領域：
本發明大體上涉及到X射線發生技術。更具體地，本發明涉及到用於獲得目標的X射線圖像的X射線系統、移動X射線系統、C形拱狀部系統。具體地，它涉及到X射線系統相對於被檢查目標的移動和定位。
背景技術：
X射線系統在用於診斷和治療目的的領域內是公知的，包括被檢查目標諸如活體的關注區域的X射線圖像獲取。用於獲取X射線圖像的X射線系統通常包括X射線發生裝置(例如X射線管)以及X射線探測器，所述X射線發生裝置及X射線探測器被設置以及操作性地連接，以獲取被檢查目標的X射線圖像。X射線發生裝置和X射線探測器被設置到目標彼此面向的相對側面。從X射線發生裝置發出的X輻射在X射線探測器的方向上發射，由此穿過被檢查的目標以及隨後在χ射線探測器內產生目標的X射線圖像。χ射線發生裝置和X射線探測器通常都是很大重量的剛性、沉重元件。由此，為了使X射線發生裝置和/或X射線探測器圍繞著被檢查目標移動，例如為了獲取不同方位的 X射線圖像，必須向X射線發生裝置和/或X射線探測器施加作用力，該作用力通常被認為是不可忽略的。

發明內容
由此，需要以降低的作用力需求以及提高的定位精度來輔助性、但是可控的移動X 射線系統的單個元件或裝置。接下來，提供了根據獨立權利要求的電機輔助移動組件、X射線系統、電機輔助移動的方法以及電機輔助移動組件的使用。根據本發明的示例性實施例，提供了一種電機輔助的移動組件，包括第一結構元件、第二結構元件和電機裝置，所述電機裝置包括電機元件。所述第一結構元件和所述第二結構元件相對彼此可移動，所述電機裝置被設置在所述第一結構元件上。所述第二結構元件適合於接收所述第二結構元件相對於所述第一結構元件的期望移動的手動指示。所述電機裝置適合於根據所述手動指示來輔助所述第二結構元件相對於所述第一結構元件的移動。所述電機元件適合於探測所述手動指示。根據本發明的另一個示例性實施例，提供一種X射線系統，包括X射線發生裝置、X 射線探測器、以及電機輔助的動組件。所述射線發生裝置和所述X射線探測器被設置在所述第二結構元件上並且被操作性地連接，以便獲取被檢查目標的X射線圖像。所述電機輔助的移動組件適合於繞著所述目標移動所述X射線發生裝置和所述X射線探測器中的至少一個。
根據本發明的另一個示例性實施例，提供了一種電機輔助移動的方法，包括以下步驟在電機元件中探測出第二結構元件相對於第一結構元件的期望移動的手動指示；以及輔助所述期望移動。根據本發明的另一個示例性實施例，電機輔助的移動組件被用於X射線系統、移動X射線系統、C形拱狀部系統以及病人支撐系統中的至少一個。本發明可看作是對於第一結構元件相對於第二結構元件的手動控制移動能夠改進其控制性能並且增加了改進的功能。例如，在術中方案中，使用X射線獲取系統，例如C形拱狀部。操作者(例如X射線技師)需要在手術之前、手術期間以及手術之後獲取病人的相關圖像。由於C形拱狀部僅僅獲取目標關注區域的限定平面的兩維圖像，因此必須移動C形拱狀部、至少移動它的C 形弓元件，或者重新對齊C形拱狀部，用於不同視角平面的X射線圖像的獲取。同時，手術期間的空間需要或者空間限制使得在沒有圖像被獲取時需要C形拱狀部系統遠離操作臺的定位，以及隨後在圖像被獲取時需要使C形拱狀部系統移動進入手術區域或者從手術區域移動出來。由於C形拱狀部通常地具有很大重量，因此X射線發生器和X射線探測器中至少一個的重新定位會是勞累的工作。此外，當移動C形拱狀部時，需要使X射線探測器和X射線發生裝置在用於先前圖像獲取的限定位置上重新定位，特別是在手術程序的規定部分之後獲取匹配的、連續的X 射線圖像。由此，X射線系統的單個元件或者X射線系統整體的電機輔助可控移動會是有利的。特別地，在機械平衡系統的手動控制移動期間通過電機系統能帶來性能改進。操作者可啟動期望的移動，例如X射線發生裝置和/或X射線探測器繞著軸線的旋轉。這個初始的移動或者移動的指示可被確定出來，並且適當設置的電機可增加重疊的或者附加的作用力，從而降低被移動元件的摩擦力和質量的感覺，由此輔助移動同時由操作者的初始移動/移動指示而手動地控制。特別地，手動控制元件(例如手柄)可被用於提供移動的指示，該元件可不包括傳感器、開關或者類似物。然而，不再需要專門的手動控制元件，這是有利的。相應的手動控制元件可特別地提供用於手動控制輸入的接收並且可適合於接收適當的輸入以用於所有可行的移動或者移動方向。另外的功能是可編程的判定停止，用於引導到優選的或者預設的位置，該位置可被存儲在控制應用中或者可以提供程序，從而使得X射線系統在規定的和/或先前使用的位置上重新定位，以用於圖像獲取。同時，可以利用具有不同的、特定的電機輔助程度的特定使用者程序。可以使用直接驅動電機技術的直接驅動行為，例如不需要單獨的、具有特定齒輪傳輸比的齒輪箱，由此降低了傳動鏈中傳動部件的數量。直接驅動原理允許使用不同操作模式，例如驅動操作模式、離合操作模式以及制動操作模式。驅動操作模式可允許使用如前面描述的電機輔助的手動控制移動。通過使電機元件的供應電力中斷，可以獲得大體上自由運轉的電機元件，這會被看作是本質上自由的運轉而不需要在結構元件的非輔助的手動移動上施加作用力。這樣的操作可被稱作離合操作模式。在制動操作模式中，X射線發生裝置和/或X射線探測器可停止在預定位置上並且可以通過電機反轉而保持在所述位置，可能是由於無意中有作用力施加到C形弓或者至少C形拱狀部元件。相應的電機元件可以是有刷或者無刷電機元件。無刷電機可以在高轉矩以及低速 (包括零速)下提供良好控制行為。因此，可以使用低傳動驅動鏈或者直接驅動鏈，由此得到了高效的傳動。本質上直接驅動的另一個優點在於電機元件電流可以是規定負載下各個轉矩的良好測量值或者指示。移動控制元件可被設定到轉矩或電流模式，其中施加到電機的轉矩由產生的電機電流所確定，作為電機輔助功能性的基礎。換句話說，電機可確定操作者想要做什麼/操作者期望哪種運動，以及由此移動控制元件會對位置反饋起作用並且可以根據期望通過電機元件傳遞需要使X射線系統移動的一部分作用力。進一步功能，例如判定停止、優選定位以及制動可以通過從轉矩模式到速度或定位模式大體上瞬時的切換而獲得，例如「飛速切換」，其中第一結構元件和第二結構元件 (可能包括X射線發生裝置和/或X射線探測器)的絕對位置被確定。位置可還包括第一結構元件與第二結構元件彼此的相對位置。電機輔助功能性的另一個問題是安全方面。在已有系統中，病人周圍的電機驅動部分可以通過按鈕在「停機控制」下得到控制，即當按鈕被釋放時移動大體上被立即停止。 由於本發明的特徵可被看做是省略了專門致動元件、例如用於電機驅動移動的控制和啟動的開關或按鈕，因此必須施加另外的安全測量。安全測量可以例如將輔助移動的轉矩和移動速度限制到需要基本恆定作用力或者操作者指示的水平。在這種恆定作用力或者指示不再存在的情況下，移動可以大體上立即停止。這樣的安全特徵可滿足「單故障安全需要」，意味著提供所需的恆定作用力或者指示的任何單個部件失效都應當引起系統完全關閉到安全狀態並且防止接下來的自動操作，直到各個問題都被校正。本發明可特別地提供下述特徵。電機可以輔助手動控制移動，由此電機輔助移動可以將使X射線系統相對於被檢查的物體移動和/或定位的必要操作作用力降低到較低水平，至少明顯地降低操作作用力。這些降低的操作作用力可導致X射線系統或者X射線束的更快和/或更準確的定位。可以不需要單獨的、專門的「能夠移動」致動器、開關或者按鈕。此外，可以使用預編程判定停止。換句話說，X射線系統的優選、預設的定位可通常被編製程序並且可以自動地執行。這會包括回復到(即返回到)先前使用位置的可能性或者選擇性。同時，電動的停止及保持/制動功能可被實施。電機元件或者電機裝置可被編程從而減小操作作用力，例如被使用者感知的移動質量和摩擦力，但是還可通過使用速度作用性阻尼或者速度依賴性阻尼來限制移動的最大速度。不同的操作模式，例如驅動模式、驅動操作模式、離合操作模式和/或制動操作模式可通過相應地編制電機裝置程序來利用單個部件實現。然而，通常需要手動地定位X射線系統，特別是在電機元件沒被致動時。所有這些可導致系統固有的安全，而不會使系統脫
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通常地，X射線系統的電機裝置(特別是用於醫療成像的、基於C形拱狀部的X射線系統)是基於同步齒型帶裝置。同步齒型帶可被連接到一個結構元件，同時電機元件設置到另一個結構元件上，所述結構元件可以彼此相對移動。C形拱狀部系統的同步齒型帶可以從C形弓元件的一端延伸到另一端，並且可以特別地通過較大的預張力安裝，從而獲得足夠的驅動剛度。電機元件的帶齒的驅動輪可與同步齒型帶的齒鎖定/接合，該同步齒型帶通過至少兩個導引輪而從C形弓進給到電機元件，然而根據本發明的另一個方面，可以使用雙帶驅動裝置，即Omega驅動裝置的另一個實施例。雙帶驅動裝置包括兩個帶，例如兩個帶都是帶齒的。一個帶可沿著C形弓的整個長度被直接地連接到C形弓上，而另一個帶被安裝成齒齒嚙合並且還被設置在電機元件上。當電機元件的電機軸旋轉時，帶在第一導引輪附近的一側脫離嚙合，而在設置於第二導引輪的第二側嚙合。導引輪或輥筒確保適當的嚙合而不會導致偏差。由此，通過致動電機元件，第一結構元件和第二結構元件彼此相對移動。帶的作用力/張力可被認為是僅僅在兩個導引輪之間的相對較小區域內存在，顯著地減小了相關的帶長度以及有助於形成剛度。帶設置在電機軸上、從導引輪或輥筒延伸到C形弓的任一側或者端部的部分可被認為是沒有提供驅動剛度，由此通常不需要包括與一般Omega驅動裝置類似的預張力。雙帶驅動裝置可特別地提供驅動裝置的高剛度，即便是小體積的帶以及沒有預張力或者降低的預張力。應用小的帶可以得到緊湊的設計。沒有預張力或者降低的預張力可以使C形弓沒有任何負載。軸承由此可以是小的以及緊湊的，使用小的間距能夠提高驅動精度以及帶的剛度，電機元件或者電機裝置可被認為是在整個行程/最大可移動上是恆定的。接下來，描述本發明的另一個示例性實施例，特別是關於電機輔助的移動組件。然而，可以理解的是，這些說明同樣可以應用於包括電機輔助的移動組件的系統、電機輔助移動的方法以及電機輔助移動組件的使用。明確地認識到，要求保護實體之間(特別是關於設備類型權利要求、方法類型權利要求與用途類型權利要求實施例之間)的單個或多個特徵的任意改變和互換，是可以想到的並且落入本專利申請的範圍和公開之內。根據本發明的另一個示例性實施例，電機元件可適用於探測出施加給電機裝置的轉矩。換句話說，當手動控制元件被用於提供期望移動的指示時，該指示可導致作用在電機元件上的平移或旋轉作用力，特別是作用在電機元件軸上，這可被看作是嘗試旋轉電機元件的軸，由此向電機元件施加轉矩。電機元件軸的這種嘗試性旋轉可以例如導致電機元件內產生電流，該電流會在電機元件的電連接處被探測到，例如通過電機自身或者相繼的控制系統。這個產生的電流可由此被用於探測施加到電機裝置的轉矩，可能導致規定的反應。根據本發明的另一個示例性實施例，電機裝置可以是直接驅動電機裝置。直接驅動電機裝置可被理解為大體上沒有齒輪或者沒有傳動裝置的電機裝置，由此旋轉被直接地傳動，而不需要提供傳動比，傳動比又可能需要移動額外的元件(例如齒輪鏈或者傳動鏈的元件)，由此增加了精度同時減小了電機裝置的動力需要。
根據本發明的另一個示例性實施例，直接驅動電機裝置適合於包括驅動操作模式、離合操作模式和/或制動操作模式。驅動操作模式可被認為是提供電機輔助移動的操作模式。離合操作模式可被看作是提供第一結構元件相對第二結構元件大體上自由的、沒有輔助的、特別是手動移動的操作模式。在離合操作模式中，大體上沒有動力施加到電機裝置/電機元件。在制動操作模式中，第一結構元件相對於第二結構元件的限定位置可被保持，即便是外界的、可能不希望的作用力施加到結構元件上。制動操作模式可特別地需要確定出結構元件彼此相對的絕對位置。而且在制動操作模式下，電機輔助移動可被減速，直到已經到達限定位置，該位置隨後被保持，即便這時受到額外的外部作用力。根據本發明的另一個示例性實施例，電機元件是無刷電機元件。無刷電機元件可被看作是包括與基於有刷電機的電刷的機械換向系統完全不同的電子控制換向系統的電機元件。在無刷電機元件中，電流和轉矩與施加的電壓和轉速 (每分鐘的轉數或者RPM)被認為是線性相關。無刷電機分別地允許電機元件和電機組件優選的直接驅動行為。根據本發明的另一個示例性實施例，電機裝置適合於通過至少部分地降低第二結構元件的感知移動阻力來輔助第二結構元件的移動，特別是相對於第一結構元件。移動阻力特別地與摩擦力、手動移動作用力和/或第二結構元件相對於第一結構元件的失衡有關。可以理解的是，被移動目標的實際摩擦力、失衡和/或質量本質上不受影響，原因是這些數值可以根據物理上的預定條件而被提供，然而，至少由於使用者或操作者嘗試移動目標而導致的目標的感知摩擦力、質量和/或失衡可被降低或者減小。根據本發明的另一個示例性實施例，組件進一步包括移動控制元件，用於控制第二結構元件相對於第一結構元件的移動。移動控制元件可特別地通過手動控制元件而對提供給電機元件的作用力/轉矩作出反應，由此探測和/或確定出因此產生的電流，從該電流可以得出或者確定出有關期望移動的指示。移動控制元件可隨後通過致動電機元件來輔助期望移動，從而輔助在與期望移動相同方向上的移動。根據本發明的另一個示例性實施例，移動控制元件可以在包括轉矩模式、電流模式、速度模式以及位置模式的組中的至少一種操作模式下操作。特別地，轉矩模式和電流模式以及速度模式和位置模式可彼此組合從而獲得轉矩 /電流模式以及速度/位置模式。在轉矩/電流模式中，期望的移動可被探測到，而在速度/位置模式中，期望的位置可被探測、佔據和/或隨後被保持。根據本發明的另一個示例性實施例，移動控制元件的操作模式可大體上瞬時地切換。具體地，操作模式可大體上在轉矩/電流模式以及速度/位置模式之間瞬時地切換。這樣允許複雜的移動，首先期望移動被指示給移動控制元件以便到達限定位置，這時切換到位置模式，其中第二結構元件相對於第一結構元件的位置被確定出來以及隨後如果當前位置被確定出等於期望位置的話，該位置被保持。移動控制元件可以在轉矩/電流模式和速度/位置模式之間連續地切換，直到到達期望的位置。根據本發明的另一個示例性實施例，電機組件可進一步包括Omega驅動裝置和/ 或雙帶驅動裝置。相應的驅動裝置允許第一結構元件相對於第二結構元件簡單且高效的移動，並且具有提高的精度。根據本發明的另一個示例性實施例，雙帶驅動裝置可包括設置在電機裝置上的可移動帶，以及設置在第二結構元件上的固定帶。可移動帶和固定帶可被設置用於正配合以及電機裝置可被適合於通過致動移動帶而使第二結構元件相對於第一結構元件移動。相應的雙帶驅動裝置可允許以特別提高的精度定位同時降低了帶裝置中的作用力或張力。根據本發明的另一個示例性實施例，組件可進一步包括由絕對位置確定元件、作用力確定元件、壓力確定元件、重量確定元件以及傾斜度確定元件所組成的組中的至少一個元件，所述絕對位置確定元件用來確定第二結構元件相對於第一結構元件的位置。傾斜度確定元件可特別地是單軸或者雙軸傾斜度確定元件。每個確定元件可被用於確定出影響電機輔助的移動組件的移動的參數。各個確定的參數可特別地被移動控制元件使用，以控制輔助移動。參數可被用於輔助移動，而無需使用者或操作者注意，由此導致了優選的、自然的手動控制。確定元件可以是傳感器。參考下面描述的實施例，本發明的這些及其它方面可變得明顯以及被闡明。接下來參考如下附圖描述本發明的示例性實施例。附圖中的說明是示意性的。在不同附圖中，類似或相同的元件被標以類似或相同的附圖標記。附圖沒有按比例繪製，然而可以描述為定性比例。


圖1顯示了根據本發明的C形拱狀部系統的示例性實施例的概覽圖；圖2顯示了圖1中C形拱狀部系統的驅動單元的示例性實施例的概覽圖；圖3顯示了根據本發明的Omega驅動裝置的示例性實施例的詳細視圖；圖4顯示了根據本發明的電機輔助移動組件的移動控制元件的示例性實施例的示意圖；圖5顯示了根據本發明的線性雙帶驅動裝置的示例性實施例的詳細視圖；圖6顯示了根據本發明設置在C形拱狀部系統上的雙帶驅動裝置的示例性實施例的概覽圖；圖7顯示了根據本發明的X射線系統的示例性實施例的概覽圖；圖8顯示了根據圖4的X射線系統的圖像生成部分的詳細視圖；以及圖9顯示了根據本發明的病人支撐部的示例性實施例的概覽圖。
具體實施例方式參考圖1，顯示了根據本發明的C形拱狀部系統的示例性實施例的概覽圖。C形拱狀部X射線系統1包括X射線發生裝置8 (例如X射線管)以及X射線探測器7，所述X射線發生裝置8和X射線探測器7彼此相對定向並且操作性地連接，用於產生目標的X射線圖像。X射線發生裝置8和X射線探測器7都設置在C形弓元件16上。在C 形弓元件16上，設置有手動控制元件4，在圖1中示例性地顯示為手柄或扶手。在圖1中， C形弓16可被認為是構成第二結構元件6，而C形拱狀部系統1的主體可被認為是構成第一結構元件5。電機裝置3設置在第一結構元件5與第二結構元件6之間，S卩，在X射線系統1的主體M與C形弓元件16之間的連接處上。主體M可包括另外的移動元件25，該移動元件在圖1中示例性地設置用於提升和降低C形弓元件16。主體M進一步包括移動控制元件10，該移動控制元件與設置在移動元件25以及第一結構元件5與第二結構元件6之間的連接處的致動器或者電機相連接、並且進一步可以控制X射線發生裝置8和X射線探測器7以產生X射線圖像。根據圖1的C形拱狀部系統1可特別地被理解為用於外科應用的移動X射線系統。 X形弓元件16可以繞兩條軸線轉動，迴轉和旋轉。與移動元件25 —起用於調節移動X射線系統1的高度以及通過使整個X射線系統1在例如手術室的地板上滾動而調節縱向移動能力，目標可設置在旋轉和迴轉軸線的等中心點(即交叉點)。即使當使用者通過使X射線發生裝置8和X射線探測器7繞著被檢查目標9旋轉或迴轉以改變投射角度時，目標的關注點也將會位於圖像中心。根據特定的圖像獲取應用， 使用者可決定通過使用手動控制元件4來完成雙軸或者單軸移動。在僅僅期望單軸移動的情況下，不期望的軸線可被阻擋。接下來的描述，電機元件使C形弓元件16在迴轉移動中移動。操作者利用手動控制元件4來提供期望移動的指示，例如使C形弓元件16逆時針轉動。操作者由此沿著手術室的地板方向向下拉動手動控制元件4，由此給移動控制元件 10指示期望的逆時針旋轉。電機裝置3與移動控制元件10共同確定出存在有對於期望移動的指示以及由此移動控制元件10向電機裝置3發出信號，通過致動電機元件3a以便沿著相同(這裡是逆時針)方向移動來支持或者輔助期望的運動。由此，操作者大體上僅僅需要提供期望移動的初始指示，可以在移動期間通過在期望移動的方向上連續地、輕微地對手動控制元件4施加作用力同時由電機裝置3 (特別是電機元件3a)來提供用於使C形弓元件16或者該元件至少一部分逆時針移動的實際移動能量，從而保持期望移動的指示。下面參考圖2和3，顯示了圖1中C形拱狀部系統1的驅動單元的示例性實施例的概覽圖以及根據本發明的Omega驅動裝置11的示例性實施例的詳細視圖。圖2顯示了用於弓元件16在迴轉方向上由此相對圖1為順時針或者逆時針的電機輔助移動的電機裝置3的基本操作原理。C形弓元件16包括連接到其端部的帶13a，該帶13a沿著C形弓元件16的外周延伸，直到達到導引輪14(從帶的各個端部看)。導引輪14的外周被設置成距離大體上等於帶齒的輪15a的外周，該帶齒的輪1 設置在電機元件軸15上。帶齒的輪1 可以是連接到電機元件軸15上的獨立元件或者可以是電機元件軸 15的整體部分。由於前面提到的導引輪14彼此之間的距離，因此帶齒的帶13a大體上垂直地從C形弓元件16的表面偏轉，繞著導引輪14延伸到電機元件軸15以及它的帶齒的輪 15a0
導引輪14通常具有平滑表面用於帶齒的帶13a圍繞著它們的優選平滑延伸。帶齒的帶13a設置在導引輪14上或者繞著導引輪14的一側大體上是平的，而帶齒的帶13a 位於分別靠近C形弓元件16表面以及電機元件軸15的帶齒的輪15a的表面被設置成帶齒的形式，包括齒和在齒之間的間隙或位於帶齒的帶13a的帶齒的元件之間的凹口。帶齒的帶13a的帶齒的元件大體上是矩形形狀並且適合於與結合到電機元件軸 15的帶齒的輪15a中的齒相匹配，由此提供了帶齒的帶13a的齒與帶齒的輪15a的齒的正 (positive)配合或者正鎖定。電機元件3a被設置在以及連接到第一結構元件5上，該第一結構元件5可被看作是例如通過支架或者主體M大體上連接到手術室的地板。目前，當電機元件3a使電機元件軸15旋轉、由此使帶齒的輪1 旋轉時，由於帶齒的輪1 與帶齒的帶13a的正配合，因此帶13a在帶齒的輪15a的表面上沿著其移動，由此C形弓元件16相對於圖1中順時針或者逆時針轉動。由此，C形拱狀部1被帶齒的帶13a驅動，帶齒的帶13a在C形拱狀部1的兩個端部被固定，使帶齒的帶13a的齒設置在C形弓元件16的外徑或表面上。帶有帶齒的輪1 的電機元件3a被安裝在第一結構元件5上的第一結構元件5與第二結構元件6之間的連接處，該圖2中第二結構元件6是C形弓元件16。導引輪14導引帶齒的輪1 上的帶。在C形拱狀部1的一側，可設置裝置提供張力，由此提供了帶齒的帶13a的充分張緊，以便高度精確的無間隙移動。相應的Omega驅動裝置以及也是相應的雙帶驅動裝置的效率足夠高，從而使得驅動系統可被認為是構成直接驅動。當電機元件3a沒有被施加電能時，例如在離合操作模式下的手動控制期間，電機元件3a對於用於移動的額外作用力的影響可被忽略。對於使用者或者操作者而言，必要的控制力是由摩擦、慣性以及某些剩餘的失衡所導致的。這些作用力儘管對於快速移動而言不舒服而且可能過高，但是仍然被認為對於沒有電機輔助的使用而言是可以接受的。根據本發明的電機輔助功能將會通過將一部分必要的作用力增加到負載而使得手動控制更輕更容易。使用者仍然能感覺到摩擦力和慣性，但是僅僅是降低的程度。失衡可完全地得到補償。圖3顯示了圖2中的Omega驅動裝置，然而進一步顯示了編碼器線纜17b，用於從電機接收與作用在電機元件3a上的轉矩相關的反饋或者用於確定位置、特別是電機元件 3a(其可以是例如無刷電機元件3a)的絕對位置。電能通過線纜17a供給到電機元件。下面參考圖4，顯示了根據本發明的電機輔助的移動組件的移動控制元件的示例性實施例的示意圖。電機裝置3可以是無刷AC、矢量控制電機裝置3，用於C形拱狀部X射線系統1的致動。無刷AC(BLAC)電機可特別地利用電子-正弦矢量控制換向系統。相應的電機類型可提供連續的四象限轉矩和速度，範圍從零開始。電機元件3a通過放大器Kt接收致動電能，並且通過絕對位置反饋編碼器提供關於其位置的反饋，用於換向和伺服控制。在圖4中，兩個基礎模式可被設定，描述成模式 A(PID或位置模式)以及模式B (轉矩/電流模式)。伺服控制器提供功能，如無刷AC換向控制、轉矩/電流控制環、位置(PID)控制環以及「飛速」控制環切換機構。放大器可提供電子換向和電流環。由於電機轉矩可能與電流成比例(Kt)，因此可以實現轉矩控制。PID控制可以對位置錯誤作出反應從而使其最小化。為了實現這個目的， PID控制器可從錯誤的信號提供成比例的、積分的以及派生的數值。「飛速」模式切換可確保在轉換期間不會被感覺到。這可以通過平滑地增加或者降低三個PID參數而實現。控制原理在圖4所示的框圖中顯示，其提供了電機控制器所有功能的概覽。功能被設置在伺服控制器中以及控制元件中。放大器提供了換向和控制環。電流設定點由PID 控制器以及前饋補償產生。電機位置反饋可通過高解析度絕對編碼器而提供。在提供前饋控制系統的情況下，設定電流可通過前饋算法確定出來，特別是根據位置、速度和加速度設定點以及質量、阻尼、摩擦和失衡參數。在這種情況下，設定電流可特別地等於補償電流。PID控制器可校正前饋模型的偏差。在PID模式或者位置或速度控制模式中，「作用/設定輸入切換」元件以及伺服控制器中「PID啟動/關閉」的切換被設定為「模式A」。前饋算法可基於例如物理移動模型而計算出或者確定出期望的電機電流。模型可包括如摩擦力、阻尼、質量和失衡等參數並且可以參考各個物理公式。如果模型匹配、特別是大體上完全匹配模式化實時系統，那麼不需要 PID控制器對於放大器的電流設定點的作用。在這種理論情況下，C形弓元件16的移動可遵循被請求的或者期望的軌跡，而不需要PID控制器的支持。相應的模型可被用作參考，用於輔助模式的輔助設定。在輔助模式期間，PID控制器被切換成閉合以及移動設定點被來自於差分濾波器的實際設定點所替換，這與PID模式下各個數值由設定點發生器所提供不同。在輔助模式下，前饋機構可維持起作用，但是量可被降低到所請求的輔助水平。在輔助模式下，失衡前饋可完全地增加。可利用阻尼作用來避免過高的手動速度，例如通過提供相反的作用力，這會導致極大降低機械電機輸出或者輔助移動或者甚至是抵消的或相反的移動，這種情況下 Pd可以甚至在零以下。通過感知參數或者係數Pm、Pd以及Pf，需要的或者期望的輔助可被調節。在輔助模式下，三個參數可以在零和小於1之間，而在PID模式下，參數可以等於1。係數的可允許範圍在0和1之間，兩個邊界都包括在內。實際的速度和加速度通過實際位置反饋的差分和濾波而被獲取，這在差分濾波器中完成。當移動控制器探測到位置偏移時，移動可特別地被啟動。同時，可以實施優選的定位。通過使用輔助模式，可以實施在預先規劃位置處停下。使用者提供了移動期望方向的手動指示，其中規劃位置位於該方向上。在該位置附近， 控制可以通過PID位置控制器來被自動地支配，促使平穩且精確的停止以及預先規劃的位置。使用者模式控制器提供了從電流環切換到PID環的平穩控制模式。在移動停止之後， 可再次啟用輔助模式。此外，可以實施制動模式，其大體上等於在優選位置處停止，如前面所述。同時，保持/制動功能可以通過在PID模式下保持位置而被實現，其中電機僅僅當離開制動位置時被啟動。圖4的控制元件包括其它的輔助性前饋部件，在例如病人檢查臺被控制的情況下或者病人檢查臺的位置信息被考慮在內的情況下。
輔助前饋輸入可被用於被外部影響所幹擾的其它作用力的補償，例如系統的傾斜或者被檢查目標的改變。補償可特別地在病人支撐部或病人檢查臺上完成，後面參考圖9 進行描述。下面參考圖5，顯示了根據本發明線性雙帶驅動裝置12的示例性實施例的詳細視圖。在圖5中，顯示了雙帶驅動裝置12，這裡作為線性軸驅動。與先前描述的Omega驅動裝置11的主要不同可以認為是大體上在驅動裝置的整個運行長度上加入第二帶齒的帶 13b。也被稱為同步齒型帶的帶齒的帶13a、i;3b在整個移動範圍內處於正鎖定或者齒齒嚙合，除了兩個導引輪14之間的距離或者空間之外，在這裡帶齒的帶13a繞著電機元件軸15 的帶齒的輪15a。相應的驅動裝置可允許在從導引輪14到移動範圍終止的區域內大體上無張力的帶齒的帶13a，使得作用力或者張力僅僅存在於兩個導引輪14與帶齒的輪1 之間很小區域內的帶13a上。通過相應的雙帶驅動裝置12，連接有第一結構元件5的電機元件3a可以相對於第二結構元件6移動。為了容易且相對無摩擦的移動，導引元件18連接到第二結構元件6以及被導引元件19連接到電機元件3a，由此在圖5中位於帶齒的帶13a、b下方的第一結構元件5允許線性移動。在圖5的情況下，被導引元件19相對於導引元件18側向移動可由電機元件3a的旋轉所導致，具體是具有帶齒的輪15a的電機元件軸15的旋轉所導致。由於帶齒的輪15a 的相應旋轉運動，帶齒的帶13a在帶齒的輪15a的一側被向著電機元件3a拉動，而在相反側被推動遠離電機元件3a，這些側取決於旋轉方向。這個移動被導引輪14偏轉，從而得到由於帶齒的帶13a的上/下移動、繼而由於帶齒的輪1 的旋轉移動所導致的側向移動。在希望第二結構元件6向著圖5中的右側移動的情況下，如果假定第一結構元件5位置固定的話，那麼帶齒的輪1 可以順時針旋轉。下面參考圖6，顯示了根據本發明設置在C形拱狀部系統中的雙帶驅動裝置的示例性實施例的概覽圖。在圖6中，雙帶驅動裝置12適合於提供C形弓元件16相對於圖1的迴轉旋轉移動。帶齒的帶1 可被大體連接在C形弓元件的整個外周上。帶齒的帶1 可大體在其整個長度上連接到C形弓元件16，或者由於C形弓元件表面的曲率而僅僅在它的各個端點進行連接。第二帶齒的帶13a(或者嚙合帶)被直接地設置在帶齒的帶13b的上方，其中帶彼此面向的齒可以從導引輪14到C形弓元件16的各個端部形成正配合。在導引輪14之間，帶齒的帶13a繞著電機元件3a的帶齒的輪15a。與圖5中的線性軸驅動相類似，相對較小體積的同步齒型帶可被設置在C形弓元件16的背部，例如粘結到C形弓元件16的外表面，使另一個帶13a與帶齒的帶1 齒齒嚙合。兩個帶(粘結的帶1 和浮動的帶13a)在C形弓元件16的相應端部被固定，然而沒有預張緊或者至少降低的預張緊。帶齒的帶13a繞著電機元件3a的帶齒的輪1 繞環，類似於圖2和圖3中的 Omega驅動裝置。下面參考圖7，顯示了根據本發明X射線系統的示例性實施例的概覽圖。X射線系統21包括天花板安裝的C形拱狀部X射線系統1，其包括X射線發生裝置8和X射線探測器7。在病人支撐部20上，目標9被設置在等中心處或者至少位於X射線發生裝置8與X射線探測器7之間的路徑上。X射線系統21被移動控制元件10所控制，可進一步控制成像參數。天花板安裝的C形拱狀部X射線系統1包括多個移動元件25，所述移動元件被實施成電機輔助移動組件加至2d。電機輔助移動組件加可提供C形拱狀部迴轉的移動，而電機輔助移動組件2b可提供C形拱狀部相對於圖1的旋轉。電機輔助移動組件2d可提供用於X射線發生裝置8與X射線探測器7之間距離的改變。電機輔助移動組件2c可允許C形拱狀部X射線系統1大體上平行於天花板(即C 形拱狀部X射線系統1的天花板支承結構)的兩維線性移動，並且可同時提供圍繞著基本垂直於天花板或者天花板支承結構的另外的旋轉移動。用於調節C形拱狀部X射線系統1 相對於病人支撐部20高度的另外的移動能力可由電機輔助移動組件2b或2c中任一個來實現。此外，病人支撐部20可提供高度調節。所有移動元件25或電機輔助移動組件加至2d都可通過使用者手動控制或者通過移動控制元件10而自動地操作。下面參考圖8，顯示了根據圖4的X射線系統的圖像發生部分的詳細視圖。圖7中包括X射線發生裝置8和X射線探測器7的C形拱狀部X射線系統1從不同角度顯示。各個移動元件或者電機輔助移動組件加至2d的各自移動自由度也被顯示。手動控制元件4可特別地作用於電機輔助移動組件2c，用於平移和旋轉移動。另一個手動控制元件可被用於電機輔助移動組件2a、2b和2d，然而在圖8中沒有顯示出來。C形拱狀部X射線系統1可例如通過安裝到天花板上的導軌而在縱向方向上移動， 可以提供平行於手術室的天花板的兩維移動。它可以是電動移動或者手動控制。示例性的 C形拱狀部X射線系統1可通常超過1000kg，由此在純的手動、無輔助模式下所需要的操作作用力會是非常高的。因此，電機輔助移動組件是有利的。在這種應用中，C形拱狀部X射線系統1可被安裝到被導引元件19，被導引元件可沿著導引元件18移動。帶齒的帶13a、b可被連接到導引元件18的端部，例如適合於與被導引元件19(例如縱向託架)匹配的導軌的端部。其餘的移動能力、特別是電機輔助移動可被認為是與前面描述相同。下面參考圖9，顯示了根據本發明的病人支撐部的示例性實施例的概覽圖。在圖9中，病人支撐部20包括傾斜度確定元件22以及作用力、壓力或質量確定元件23 (例如重量傳感器)，該傾斜度確定元件22適合於確定在一個或兩個軸線上的傾斜度。 被檢查的目標9位於可移動病床上，該病床可以在兩維上移動，如兩個交叉箭頭所表示。病人支撐部20的臺頂部可在縱向及橫向方向上手動地浮動。由於臺基部的剛度， 在延伸的臺頂部位置處會出現傾斜下陷，特別是當遇到沉重的檢查目標9時，這導致了縱向方向上的失衡作用力。然而，對於特定的醫療介入，精確的定位是強制性的。手動控制的輔助移動可補償傾斜下陷並且還可以降低與病人支撐部20相關的摩擦力和質量作用力。病人臺的縱向和/或橫向移動可與圖7和8中C形拱狀部X射線系統1的相類似，除了由於目標9的重量所導致的額外失衡情況。失衡作用力可由(由傾斜度確定元件 22確定的)傾斜角度所確定以及由(由作用力傳感器23確定的)目標9的質量所確定。角度確定元件22或者角度傳感器可測量相對於水平端部的傾斜，而作用力確定元件或者作用力傳感器可測量垂直方向上的作用力。質量、重力加速度以及傾斜下陷角度的正弦值的計算或者乘積可提供失衡作用力。這個數值或者參數可被用作圖4中輔助性前饋的電機輔助貢獻。測量的質量還可被用作質量補償。圖9的機構可提供最優的輔助，而與被檢查目標9的重量或位置無關。儘管在描述中，電機元件3a可特別地被設置在第一結構元件5上以及手動控制元件4可特別地設置在第二結構元件6上，但是可以理解的是，位置的改變或互換是可以想到的。換句話說，電機元件3a也可設置在第二結構元件6上以及手動控制元件4也可設置在第一結構元件5上。應當知道的是，術語「包括」沒有排除其它元件或者步驟以及單數冠詞沒有排除多
同時，結合不同實施例描述的元件可以進行組合。
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還應當知道的是，權利要求中的附圖標記不被認為是限定了權利要求的範圍。 附圖標記列表
1.C形拱狀部X射線系統
2.電機輔助移動組件
3.電機裝置 3a.電機元件
4.手動控制元件
5.第一結構元件
6.第二結構元件
7.X射線探測器
8.X射線發生裝置
9.目標
10.移動控制元件
11.Omega驅動裝置
12.雙帶驅動裝置 13a, b.帶齒的帶
14.導引輪/輥筒
15.電機元件軸 15a.帶齒的輪
16.C形弓元件 17a, b.線纜
18.導引元件
19.被導引元件
20.病人支撐部
21.X射線系統
22.傾斜度確定元件
23.作用力/壓力/質量確定元件
24.主體
25.移動元件
權利要求
1.一種電機輔助的移動組件O)，包括第一結構元件(5)，第二結構元件(6)；以及電機裝置(3)，所述電機裝置包括電機元件(3a)；其中，所述第一結構元件(5)和所述第二結構元件(6)相對彼此可移動；所述電機裝置(3)被設置在所述第一結構元件(5)上；所述第二結構元件(6)適合於接收所述第二結構元件(6)相對於所述第一結構元件 (5)的期望移動的手動指示；所述電機元件(3a)適合於探測所述手動指示；以及所述電機裝置(3)適合於根據所述手動指示來輔助所述第二結構元件(6)相對於所述第一結構元件(5)的移動。
2.如權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述電機元件(3a)適合於探測施加到所述電機裝置(3)的轉矩。
3.如權利要求1或2所述的組件，其特徵在於，所述電機裝置(3)是直接驅動電機裝置。
4.如權利要求3所述的組件，其特徵在於，所述直接驅動電機裝置(3)適合於包括驅動操作模式、離合操作模式以及制動操作模式。
5.如權利要求1-4任一所述的組件，其特徵在於，所述電機元件(3a)是無刷電機元件。
6.如權利要求1-5任一所述的組件，其特徵在於，所述電機裝置(3)適合於通過至少部分地降低所述第二結構元件(6)的感測的移動阻力來輔助所述第二結構元件㈩)的移動。
7.如權利要求1-6任一所述的組件，其特徵在於，還包括移動控制元件(10)，用於控制所述第二結構元件(6)相對於所述第一結構元件(5)的移動。
8.如權利要求7所述的組件，其特徵在於，所述移動控制裝置(10)可以在包括轉矩模式、電流模式、速度模式以及位置模式的組中的至少一種操作模式下操作。
9.如權利要求8所述的組件，其特徵在於，所述移動控制元件的操作模式大體上可以瞬時地切換。
10.如權利要求1-9任一所述的組件，其特徵在於，所述電機裝置C3)還包括Omega驅動裝置(11)和/或雙帶驅動裝置(12)。
11.如權利要求10所述的組件，其特徵在於，所述雙帶驅動裝置(12)包括設置在所述電機裝置( 處的可移動帶(13a)；以及設置在所述第二結構元件(6)處的固定帶(13b)；其中，所述可移動帶(13a)和所述固定帶(13b)被設置成用於正配合；以及所述電機裝置(3)適合於通過致動所述可移動帶(13a)而使所述第二結構元件(6)相對於所述第一結構元件(5)移動。
12.如權利要求1-11任一所述的組件，其特徵在於，還包括由絕對位置確定元件、作用力確定元件(23)、壓力傳感器(23)、重量確定元件以及傾斜度確定元件0 所組成的組中的至少一個元件，所述絕對位置確定元件確定所述第二結構元件(6)相對於所述第一結構元件(5)的位置。
13.一種X射線系統(1，21)，包括X射線發生裝置⑶； X射線探測器(7)；以及如權利要求1-12中至少一個所述的電機輔助的動組件O)，其中，所述射線發生裝置 (8)和所述X射線探測器(7)被設置在所述第二結構元件(6)上並且被操作性地連接，以便獲取被檢查目標(9)的X射線圖像；以及其中，所述電機輔助的移動組件(2)適合於繞著所述目標(9)移動所述X射線發生裝置(8)和所述X射線探測器(7)中的至少一個。
14.一種電機輔助移動的方法，包括以下步驟在電機元件(3a)中探測出第二結構元件(6)相對於第一結構元件(5)的期望移動的手動指示；以及輔助所述期望移動。
15.如權利要求1-12任一所述的電機輔助的移動組件(2)在X射線系統(1，21)、移動 X射線系統、C形拱狀部系統(1)以及病人支撐系統00)中的至少一種上的使用。
全文摘要
提供了一種電機輔助的移動組件2，其包括電機裝置3，該電機裝置3可輔助第一結構元件5相對於第二結構元件6的手動控制移動。電機裝置3的電機元件3a適合於探測出第二結構元件6相對於第一結構元件5的期望移動的手動指示，並且電機裝置3適合於通過提供附加的作用力來輔助(例如支持)這種移動。
文檔編號A61B6/00GK102421364SQ201080020371
公開日2012年4月18日 申請日期2010年4月19日 優先權日2009年5月8日
發明者A·M·賴肯, G·J·米克, R·巴特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司