X射線裝置和用於x射線裝置的運動控制的方法

2024-02-16 23:21:15

專利名稱：X射線裝置和用於x射線裝置的運動控制的方法
技術領域：
本發明涉及一種X射線裝置，具有在其上按照相對的布置可以安裝X射線源和X射線探測器的C弧、用於相對於支承裝置定位C弧的至少一個執行機構和用於控制該至少一個執行機構的控制裝置。
背景技術：
在血管造影、心臟學和神經學中的醫學診斷和介入系統中目前使用多種X射線設備或X射線裝置作為用於成像的基礎。 X射線設備通常構造為具有C弧，也稱為C形臂。C弧通常包括X射線源和通過C形構造的通常為金屬的連接支架在相對的位置上的X射線探測器。可以將C弧安裝在所謂的支架上或安裝在天花板(Decke)上。也可電機驅動的多個運動軸，構成X射線源和X射線探測器相對於檢查對象、例如位於患者臥榻上的患者的靈活定位。C弧和其上安裝的組件的定位也被稱為C弧的移動。在診斷檢查或醫學介入中通常多個人員，如醫生、護士或醫學技術助手，在檢查室中忙碌。圖I中示例性反映了這種情況，在該情況下患者1016臥於檢查臺1015上並且藉助X射線裝置1001來檢查，該X射線裝置包括了又是安裝在支架1014上的C弧1002。通常的工作方式要求參與的醫學人員的結構化的工作分工和各個人員的不同工作區域在治療空間的合理劃分。例如，治療醫生1004主要位於患者1016的側面，護士 1003靠近治療醫生1004，麻醉師1005的工作範圍是患者1016的頭部，助理護士 1006具有最大的動作半徑並且在工作區域1007中響應。可以理解的是，在檢查期間人員的動作半徑改變，有可能交叉。為了保證順利的治療過程，X射線裝置的位置必須與改變的情況匹配。不同的拍攝位置還要求C弧1002的重新定位。在可自由定位的醫學X射線系統中可以發生，在此需要複雜的運動來重新定位，所述複雜的運動要求良好培訓的人員，以便利用通常的操作裝置，例如在檢查臺上設置的操作棒或按鍵1010快速並且有針對地進行這點。此外還可以發生如下情形，即，簡單的運動，例如改變X射線探測器的高度，可以由卻是遠離操作裝置1010的人員來進行。迄今為止C弧的位置和姿態通過操作模塊來控制,該操作模塊通常構造為操作棒和/或按鍵。這些模塊安裝在檢查臺或患者臥榻上、在手推車上或者在單獨的空間(控制空間)中。此外，還存在具有有限的定位可能性的通常布置在X射線探測器旁的固定的操作開關。具有C弧系統的重量均衡的和容易操作的機械裝置的附加的槓桿或把手，在緊急情況、例如在系統故障時用於解脫患者。在工業應用中還公知無線操作模塊，所述操作模塊通過無線電連接連接到系統。該方案意味著，操作元件或者固定安裝在系統的確定位置上或者必須由使用者攜帶。從DE102009004766A1公知了一種X射線裝置，其組件部分藉助X射線裝置的縮小模型來設置，其中對模型組件部分的操縱被轉移到對相應的組件部分的調整。該裝置的缺陷是，縮小模型布置在中央的位置上並且通常僅由一個人操縱。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，提供一種X射線裝置，其實現對X射線裝置的運動的分散和直觀控制。此外還要提供一種用於X射線裝置的運動控制的方法。本發明的基本思路是一種X射線裝置，具有在其上按照相對的布置可以安裝X射線源和X射線探測器的C弧、用於相對於支承裝置定位C弧的至少一個執行機構和用於控制該至少一個執行機構的控制裝置。X射線裝置包括至少一個傳感器，其在C弧的第一位置上採集C弧的變形並且傳輸到輸出信號中，其中C弧的變形可以通過由操作人員施加的並且在C弧的第二位置上直接或間接作用的力來影響。控制裝置根據傳感器的輸出信號影響執行機構。X射線裝置由此包括已知的組件，諸如具有X射線源和X射線探測器的C弧、至少一個由控制裝置控制可以將C弧帶入期望 位置的執行機構，其中期望位置涉及支承裝置，例如以患者臥於其上的檢查臺形式的支承裝置。執行機構通過控制裝置的控制此時受到如下影響，即，操作人員(例如醫生、護士或醫學技術助手)在C弧的一個位置上施加一個力，即，操作人員相對於C弧按壓該位置，由此該C弧(不僅是力所作用的位置)稍微彎曲或變形。在C弧的一般的其他位置上，C弧的變形藉助傳感器來測量。控制裝置然後在考慮傳感器輸出信號的條件下控制執行機構。操作人員對C弧的力作用可以直接進行，S卩，操作人員相對於C弧上的位置按壓。但是，當操作人員例如相對於X射線探測器、X射線源或相對於X射線裝置的與C弧固定連接的其他組件按壓時，力也可以間接作用於C弧。對於本發明重要的是，X射線設備的定位不再中央地由操作裝置進行，而是通過測量由在C弧的多個可能位置上的按壓引起的變形來啟動。由此，C弧結構的大部分變成一種操作元件，S卩，C弧只能從一個位置、可能只能由一個人操作這一限制不再存在。通過採用較少的傳感器，與實現類似效果的方案相比，可以降低執行的成本和複雜性。最後，該操作概念是直觀的，從而不需要對操作人員進行開銷大的培訓，如對於例如通過按鍵或操作棒來說所需的那樣。控制裝置可以是電子計算機。執行機構，也稱為執行器，例如包括電機，必要時具有傳動裝置、液壓或氣動調節傳動或它們的組等。執行機構允許C弧的定位，其中可以進行平移的、旋轉的或混合的平移-旋轉運動過程。傳感器例如可以是電阻的、壓電的、光學的、電感的或電容的傳感器。傳感器優選實施為應變計、特別是作為單軸應變計或多軸應變計。縮寫為DMS的應變計是用於採集拉伸或壓縮變形的測量裝置。最通常採用的測量效果是金屬材料或半導體材料在變形時的電阻的改變。其他實施方式是電容的、壓電的、光彈性的或機械的應變計。通常構造為在薄的塑料基底上由具有3 μ m至8 μ m厚度的電阻絲構成的測量光柵的金屬應變計在小的形變時就已經改變其電阻並且由此最適合於作為應變傳感器。根據應力狀態的可測量的作用方向(單軸的、雙軸的、三軸的或空間的應力狀態)來區分單軸或多軸應變計。其他可以使用的實施方式例如在由Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH,Darmstadt, 1989 出版的 Karl Hoffmann 的 「An Introduction to Measurements usingStrain Gages」 中給出。按照本發明的另一種優選實施方式，執行機構通過控制裝置的影響產生C弧位置的改變，其中，位置改變的方向包括在由操作人員所施加的力的方向上的分量。換言之，通過執行機構，例如電機，使得C弧在操作人員試圖按壓C弧的方向上運動。因為預先規定了執行機構的通常通過軸的運動方向，或者說平移移動可能性，所以足夠的是，運動方向與力方向的一個分量一致。結果，操作人員得到如下印象，即，其所施加的力使得C弧基本上在力的方向上運動。這是對於電機支持地移動C弧的非常直觀的方法。同時該方法改善了安全性，因為位置改變這樣定向，使得C弧閃避該力並且當操作人員不再對C弧施加力時運動停止。安全性的進一步改善通過如下實現，即，在C弧碰撞或碰到障礙物時C弧與移動方向相反並且由此也與操作人員的力方向相反地變形，由此使得C弧的運動變慢或者停止。在一種有利的擴展中，C弧的 位置改變的速度取決於C弧變形的強度，其中C弧變形的強度藉助傳感器來採集。特別地，在C弧位置改變的速度和採集的C弧變形強度之間存在正相關。這就是說，移動速度取決於由傳感器採集的C弧變形並且在探測到C弧大的變形時以比在採集到小的變形時更高速度移動。在此例如可以基於線性關係或按照一種查詢表形式的變形-速度值對的對應。根據C弧的幾何特性和傳感器的定位，在變形強度和由操作人員施加的力的大小之間可以存在不同的關係。例如可以存在線性關係，即，C弧變形與施加的力成比例。但是變形也可以取決於施加力的位置，當例如槓桿作用具有影響時。利用該特徵，移動方法更直觀，因為由此給出了在力的強度和移動速度之間的容易理解的關係。有利的是，傳感器這樣定位在C弧上或者集成在C弧中，使得在C弧變形時傳感器的輸出信號的改變大於在其他可能的在C弧上的定位或在C弧中的可能的集成的情況。取決於C弧的幾何特性，在外力作用的情況下C弧的不同位置上的變形是不同強烈的，即，傳感器分別根據在C弧上的位置的不同來測量變形的不同強度。為了獲得傳感器的大的輸出信號，合適的是，確定C弧的這樣的位置，即該位置在特定的力作用情況下具有大的或最大的變形。該位置的確定可以通過一系列測量來進行，在所述一系列測量中在多個位置上測量傳感器信號。另一種可能性在於，通過C弧的結構分析確定這樣的位置，所述位置在應用定向的力的情況下具有比其他位置更大的變形。這樣的結構分析可以通過數學計算來進行或者通過計算機支持的分析，例如基於有限元方法(FEM)。在其結構可以是C弧的機械結構模型的結構分析中特別應當考慮C弧的幾何外觀和材料特徵。傳感器的定位既涉及傳感器的位置也涉及其取向，因為在給定的作用方向的情況下兩個參數都對傳感器信號具有影響。傳感器可以安裝在C弧上，例如通過粘結或其他固定方法或固定裝置，或者其可以集成在C弧的材料中。在傳感器位置的選擇中，除了傳感器對變形的大的靈敏度之外，關於作用方向的選擇性也是一個標準。因此例如值得期望的是，C弧的變形在C弧不能被移動的方向上也可以不提供輸出信號。X射線設備具有越多的運動軸，這點越是重要。同樣合適的是，多個單軸工作的傳感器或至少一個多軸工作的傳感器這樣定位，使得起作用的力的方向可以被再現。例如可以這樣定位多個單軸的應變計，使得它們相對於力作用從不同的方向是不同地靈敏的並且由此通過單個傳感器信號的線性組合可以再現力方向。此外其他邊界條件，諸如好的可接近性、簡單的固定可能性等在定位傳感器時也起作用。優選地，至少主要通過兩個傳感器來採集C弧的變形，其中傳感器的輸出信號的差被傳輸到控制裝置。其輸出信號互相相減的兩個傳感器的使用，根據傳感器的定位的不同一般來說具有如下優點，差信號相對於例如電壓波動、溫度波動、溼度波動、傳感器材料波動或老化現象不太容易受到幹擾，或者差信號具有更好的信號電平，即信噪比。在使用第一傳感器、第二傳感器(稱為參考傳感器)的情況下，參考傳感器可以這樣定位，使得C弧的變形不是主要作用於參考傳感器的輸出信號。但是參考傳感器的輸出信號在運行條件諸如溫度或溼度或運行壓力以與第一傳感器相同的方式改變的情況下改變。通過形成差來補償由於運行條件波動引起的傳感器信號，從而只有通過C弧變形引起的傳感器信號改變才被進一步處理。另一種可能性是，這樣定位傳感器，使得C弧的變形在參考傳感器中以在第一傳感器情況下相反方式改變，例如這樣定位兩個傳感器，使得通過C弧的變形拉長第一傳感器並且縮短參考傳感器。兩個傳感器信號的差又補償由運行條件引起的波動並且具有單個傳感器雙倍大的振幅。按照另一個優選實施方式，X射線裝置的傳感器布置在橋式電路的相對的分支中並且橋式電路的電橋輸出端電壓被傳輸到控 制裝置。橋式電路、H電路、H橋或特別是惠斯通電橋是用於測量小的歐姆電阻改變的測量裝置。特別是在使用傳感器的情況下它們被作為量測換能器採用。它們是現有技術並且例如在U. Tietze und Ch. Schenk,「Halbleiter-Schaltungstechnik，，，13. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg,2010，第1056頁之後中被描述。一般地，橋式電路由四個稱為電橋電阻的電阻構成，其中至少一個電橋電阻通過電阻性傳感器代表。電阻連接成封閉的環或連接成方形，其中，電壓源位於一個對角線中，而電壓差(所謂的對角線電壓、橋接電壓或電橋電壓)在另一個對角線中被測量。在橋式電路中區分其中一個電橋電阻是可變的四分之一橋、其中兩個電橋電阻是可變的半橋和其中四個電橋電阻是可變的全橋。不變的電橋電阻通常是具有按照傳感器電阻的數量級的電阻值的平衡精密電阻。在使用至少兩個傳感器電阻的情況下優選這樣進行其布置，使得電阻在C弧變形時相反地改變並且補償例如由於溫度波動、電壓波動或溼度波動弓I起的相反的效果。按照本發明的另一個優選實施方式，用於控制執行機構的控制裝置考慮傳感器的輸出信號和對於傳感器的輸出信號的期望值，其中，對於傳感器的輸出信號的期望值藉助C弧和/或X射線源和/或X射線探測器的結構模型來計算。通過現代C弧系統的機械裝置的由系統帶來的靈活性，在通常應用的移動過程中，即例如沒有通過操作人員或碰撞引起的附加的力的作用的移動過程中，也出現C弧的小的變形或彎曲。因為這些變形也通過傳感器來採集，所以X射線設備的控制裝置首先不會區分該固有的變形和通過外力作用引起的變形。藉助其中考慮了 C弧的幾何外觀和材料特徵和X射線裝置的與之相關的組件的結構模型，可以計算在沒有外力作用的情況下傳感器的輸出信號的期望值。根據該比較，例如對於傳感器的輸出信號的期望值與測量的傳感器輸出值的差，可以推導出外力作用的數值和方向。結構模型可以包括分析數學模型，其參數通過預先規定，例如從材料表或從測量獲得。結構模型參數可以代表C弧系統的物理特徵，諸如X射線探測器的質量或C弧的彈性模塊。但是還可以考慮這樣的結構模型，其參數(所謂的擬合參數)不是直接與物理特徵對應，並且其值通過一系列測量和優化方法來調整。對於旋轉運動可能性通常在轉角和變形之間以第一近似存在正弦關係。其他運動還可以具有線性、平方和其他關係。合適的是，在計算對於傳感器的輸出信號的期望值時，考慮C弧和/或X射線源和/或X射線探測器的機械結構的，和/或C弧和/或X射線源和/或X射線探測器的組件的材料特徵的，和/或C弧和/或X射線源和/或X射線探測器的位置，和/或C弧和/或X射線源和/或X射線探測器的運動的，和/或C弧和/或X射線源和/或X射線探測器的加速度的模型。C弧的機械結構、C弧的組件的材料特徵、C弧的位置和取向、C弧的運動和C弧的加速度對於C弧的變形具有影響，而且不取決於外部力。如果例如在移動時加速C弧，則由於加速的質量的慣性，C弧彎曲。為於傳感器信號的清楚解釋，考慮該變形。除了 C弧的建模，優選在模型中還考慮與C弧相連的組件，例如X射線探測器、X射線源、把手和其他結構，因為它們一般來說同樣對X射線系統的靜力學和動力學提供貢獻。一般地成立，系統和X射線設備的動力學越被更精確地建模，期望值的質量越上升。X射線設備的考慮動力學的結構模型也可以稱為X射線設備的動力學模型。與由操作人員施加的力相反，重力、加速力和慣性力可以被稱為正則系統力。本發明的另一個基本思路涉及一 種用於X射線裝置的運動控制的方法，所述X射線裝置具有在其上按照相對的布置可以安裝X射線源和X射線探測器的C弧、用於相對於支承裝置定位C弧的至少一個執行機構和用於控制該至少一個執行機構的控制裝置。至少一個傳感器採集C弧的第一位置上的C弧變形並且將該變形傳輸到輸出信號中，其中C弧的變形可以通過由操作人員施加的並且在C弧的第二位置上直接或間接作用的力來影響。控制裝置根據傳感器的輸出信號影響執行機構。該用於X射線裝置的運動控制的方法特別優選包括以下方法步驟a)藉助測量元件採集在C弧的第一位置上的C弧變形的測量值，所述測量元件包括至少一個傳感器、特別是至少一個應變計，其中C弧的變形可以通過由操作人員施加的並且在C弧的第二位置上直接或間接作用的力來影響；b)計算在C弧的第一位置上C弧變形的測量值的期望值，其中期望值藉助結構模型或動力學模型來確定，所述模型考慮C弧和/或X射線源和/或X射線探測器的機械結構，和/或C弧和/或X射線源和/或X射線探測器的組件的材料特徵，和/或C弧和/或X射線源和/或X射線探測器的當前位置，和/或C弧和/或X射線源和/或X射線探測器的當前運動，和/或C弧和/或X射線源和/或X射線探測器的當前加速度；c)形成在C弧的第一位置上C弧變形的測量值與在C弧的第一位置上C弧變形的測量值的期望值之間的差；d)藉助特別是控制裝置的組成部分的調節器這樣計算控制信號，使得差在數值上的放大被抵消；e)傳輸用於特別是執行機構的組成部分的調節元件的控制信號；f)重複執行方法步驟a)至e)，直到滿足中斷標準，特別是通過操縱開關。


以下詳細描述的實施例是本發明的優選實施方式。其他優選擴展從以下附圖連同描述中得到。其中，圖I示意性示出了在利用X射線裝置的醫學診斷或介入期間的治療環境；圖2示出了按照本發明的X射線裝置的實施例；圖3以側視圖示出了本發明X射線裝置的一部分的另一個實施例；圖4以前視圖示出了本發明X射線裝置的該部分的另一個實施例；
圖5以C弧的前視圖示出了應變計布置的例子；圖6以C弧的側視圖示出了應變計布置的例子；圖7示出了圍繞y軸旋轉運動的C弧的實施例；圖8示出了用於測量在X方向上的變形的橋式電路的實施例；圖9示出了用於測量在X方向上的變形的橋式電路的電橋電壓的變化的實施例和所測量的值； 圖10示出了用於測量在z方向上的變形的橋式電路的實施例；圖11示出了用於測量在z方向上的變形的橋式電路的電橋電壓的變化的實施例和所測量的值；圖12示出了力支持的移動的過程的實施例；圖13示出了 C弧的坐標系和運動矢量的實施例；圖14示出了用於X射線裝置的運動控制的方法的實施例。
具體實施例方式圖2示出了按照本發明的X射線裝置I的實施例。其包括C弧2，在該C弧上按照相對的布置安裝了 X射線源3和X射線探測器4。C弧2與支架14相連。通過第一執行機構5，例如電機，可以在z方向上，即在垂直方向9上移動C弧2。通過第二執行機構6，例如具有齒輪傳動的電機，可以將C弧2圍繞與y軸平行的軸即圍繞水平軸10旋轉。通過C弧2的移動，X射線源3和X射線探測器4相對於支承裝置15 (此處是檢查對象16 (此處是患者)臥於其上的檢查臺)的位置改變。在C弧2上安裝了第一傳感器11和第二傳感器12，它們作為應變計實施。如果操作人員，例如醫生，在C弧2的上面的子區域上在z方向上施加第一力7，即，其在z方向上按壓C弧，則C弧2的上面部分輕微地在z方向上變形。該變形作為壓縮作用於第一傳感器11的位置。該壓縮通過第一傳感器11來採集並且傳輸到例如電的輸出信號中。輸出信號被傳輸到控制裝置13，例如電子計算機，其如下影響第一執行機構5，使得C弧2在方向19上，即在z軸的方向上運動。如果操作人員在C弧2的上面子區域上在X方向上施加第二力8，S卩，其在X方向上按壓C弧，則C弧2的上面部分輕微地在X方向上彎曲。該彎曲作為拉伸作用於第二傳感器12的位置。該拉伸通過第二傳感器12來採集並且傳輸到輸出信號。該輸出信號被進一步傳輸到控制裝置13，所述控制裝置如下影響第二執行機構6，使得C弧2執行旋轉運動20，S卩，圍繞與γ軸平行的軸的運動。例如構造為開關的操作單元21實現該運動的中斷。可以看出X射線裝置2的直觀運動控制，其不要求專業知識C弧2的側面壓力8使得C弧2在壓力方向的方向20上旋轉，直到達到了期望的位置並且操作人員結束按壓8。在此按壓點的位置不限於通過附圖標記8表示的位置，而是可以在一個範圍上改變。圖3以側視圖示出了按照本發明的X射線裝置的一部分的另一個實施例。C弧2還是包括X射線源3、X射線探測器4、執行機構5和傳感器11。通過在Z方向上在C弧的上面區域中按壓7C弧2，C弧的上面部分彎曲並且在此取形狀22，X射線探測器4移動一段路徑17。C弧的彎曲通過傳感器11來採集。未示出的控制裝置與傳感器11相連，接收傳感器信號並這樣控制執行機構5，使得C弧2在方向19上，也就是在z方向上移動。圖4以前視圖示出了按照本發明的X射線裝置的該部分的另一個實施例。C弧2還是包括X射線源3和X射線探測器4。執行機構6可以使得C弧圍繞y軸旋轉，傳感器12在C弧2上這樣布置並且取向，使得其能夠採集C弧2在X軸的方向上的彎曲。通過在X方向上在C弧的上面區域中按壓C弧2，C弧的上面部分彎曲，其中X射線探測器4移動一段路徑18並且在此取位置32。C弧的彎曲通過傳感器12來採集。未示出的控制裝置與傳感器12相連，接收傳感器信號並且這樣控制執行機構6，使得C弧2在方向20上旋轉。圖5以前視圖示例性示出了在C弧2的一個片段上兩個構造為單軸應變計的傳感器的位置和取向。圖3和圖4的笛卡爾坐標系適用。在X方向上作用的並且將C弧2在X方向上變形的力幾乎僅由第一應變計11採集，即，C弧2在X方向上的彎曲導致第一應變計11的電阻改變，而第二應變計1 2的電阻值基本不改變。圖6以側視圖示出了從圖5中已知的具有構造為單軸應變計的兩個傳感器的C弧2的片段。圖3和圖4的笛卡爾坐標系再次適用。在z方向上作用的並且將C弧2在z方向上變形的力幾乎僅由第二應變計12採集，即，C弧2在z方向上的彎曲導致第二應變計12的電阻改變，而第一應變計11的電阻值基本不變。圖7作為另一個實施例示出了具有X射線源3、X射線探測器4、執行機構6和傳感器12的C弧2。C弧2從中心Θ = 0°位置以偏轉角Θ 31旋轉。具有X-，y_和z_軸的笛卡爾坐標系與C弧2相連。除了重力28，外力8作用於X射線探測器4。傳感器12構造為電阻性應變計系統，其可以採集C弧2在X方向和在z方向上的變形。為了測量在z方向上的變形，使用兩部分的應變計，其傳感器面這樣定位，使得在C弧在z方向上變形的情況下將第一部分拉伸或壓縮，而將第二部分壓縮或拉伸。圖8示出了用於分析在X方向上靈敏的傳感器12的一種可能的電子電路40。電路40是構造為半橋的橋式電路，其利用例如3V至15V的直流電壓(通過上工作電壓41和下工作電壓42表示)工作。兩個在橋式電路中對角線地布置的測量電阻44的代表了在X方向上靈敏的傳感器12的電阻，其電阻值取決於圖7的C弧2的在X方向上延伸的變形而改變。電子電路40的電阻45構造為平衡精密電阻，其電阻值處於測量電阻44的正常電阻值的數量級，例如120Ω。串聯連接的電阻44和45分別形成分壓器，在中點上的其電壓隨著測量電阻44的電阻值改變。通過電阻44和45的布置，中點的兩個電壓表現相反。從在中點的電位之間測量的並且稱為電橋輸出端電壓的電壓43中，可以推導出應變計的變形的大小和變形的方式，即拉伸還是壓縮，並且由此可以推導出C弧2的變形。圖9舉例示出了圖8所示的電路40的電特性的圖形分析。其在具有垂直軸46的圖中示出以伏特為單位的電橋輸出端電壓43關於以度為單位的偏轉角Θ31。實線47相應於當沒有外力8作用時在X方向上靈敏的傳感器12的電橋輸出端電壓42。電橋輸出端電壓42的正弦形形狀通過圖7所示的在X方向上作用的重力28的分量來解釋。在偏轉角Θ=0°或Θ =180°的情況下C弧2在X方向上不變形。由此兩個測量電阻44具有與其他電阻45相同的電阻值並且電橋輸出端電壓43為零。在其他偏轉角的情況下C弧2由於重力28而稍微變形，由此電橋輸出端電壓43取不等於零的值。取決於變形的方向，電橋輸出端電壓43大於或小於零。對於偏轉角Θ =30°，在沒有外力作用的情況下得到大於零的電橋輸出端電壓48。如果外力8作用於C弧2上,則得到小於電橋輸出端電壓48的電橋輸出端電壓49。這點定性地通過如下來解釋，C弧2通過重力28經受在負的X方向上的變形分量，其通過力8的作用部分地補償，因為力8具有使得C弧2在正的X軸方向上變形的力分量。利用在沒有外力作用的情況下偏轉角Θ和電橋輸出端電壓47關於偏轉角Θ的變化的知識通過與測量的電橋輸出端電壓49進行比較可以推導出外力8。輸出端電壓47作為偏轉角Θ的函數可以解釋為額定曲線，該額定曲線與測量的實際值49進行比較。實際值49與額定值48的偏差被傳輸到控制裝置，例如電子計算機，該控制裝置然後例如藉助調節算法控制圖7所示的執行機構6。圖10示出了用於分析圖7中的在z方向上靈敏的傳感器12的電路的實施方式。電路50是構造為全橋的橋式電路，其利用通過以上工作電壓51和下工作電壓52作為特徵的直流電壓工作。兩個在橋式電路中對角線地布置的第一測量電阻54代表了在z方向上靈敏的傳感器12的第一部分的電 阻，其電阻值根據圖7所示C弧2在z方向上延伸的變形來改變。電子電路50的第二測量電阻55代表了在z方向上靈敏的傳感器12的第二部分的電阻，其電阻值同樣根據C弧2在z方向上延伸的變形來改變。然而，通過傳感器12的定位的方式，測量電阻54和55的電阻值以相反方式改變，因為C弧2在z方向上的變形在傳感器12的第一部分中作為拉伸或壓縮起作用，而其在傳感器12的第二部分中作為壓縮或拉伸起作用。串聯連接的測量電阻54和55分別形成分壓器，在中點的其電壓隨著測量電阻54和55的電阻值改變。通過電阻54和55的布置，中點的兩個電壓在C弧變形時也相反地表現。從在中點的電位之間測量的並且被稱為電橋輸出端電壓的電壓53中，可以推導出應變計的變形的大小和變形的方式，即，關於z軸拉伸還是壓縮，並且由此可以推導出C弧2的變形。圖11舉例示出了圖10所示電路50的電特性的圖形分析。其在具有垂直軸56的圖中示出以伏特為單位的電橋輸出端電壓53關於以度為單位的偏轉角Θ31。實線57相應於當沒有外力8作用時在z方向上靈敏的傳感器12的電橋輸出端電壓42。電橋輸出端電壓52的正弦形變化通過如下來解釋，在偏轉角Θ =0°或Θ =180°的情況下C弧2在z方向上最大變形，由此兩個測量電阻54和55具有最大不同的電阻值，並且電橋輸出端電壓53由此取最大值。在其他偏轉角的情況下C弧2由於重力28而較少變形，由此電橋輸出端電壓53取在最大值之間的值。對於偏轉角Θ =90°或Θ = 270°，電橋輸出端電壓53理想地等於零。對於偏轉角Θ =30°，在沒有外力作用的情況下得到電橋輸出端電壓58。如果外力8作用於C弧2上,則得到大於電橋輸出端電壓58的電橋輸出端電壓59。這點定性地通過如下來解釋，C弧2通過重力28經受在負的z方向上的變形分量，其通過力8的作用進一步加強，因為力8具有使得C弧2同樣在負的z軸方向上變形的力分量。利用在沒有外力作用的情況下偏轉角Θ和電橋輸出端電壓57關於偏轉角Θ的變化的知識通過與測量的電橋輸出端電壓59進行比較可以推導出外力8。輸出端電壓57作為偏轉角Θ的函數又可以解釋為額定曲線，該額定曲線與測量的實際值59進行比較。實際值59與額定值58的偏差被傳輸到控制裝置，該控制裝置然後例如藉助調節算法控制圖7所示的執行機構6。圖12示意性示出了 C弧2的力支持的移動過程的實施例。C弧2包括X射線源3和X射線探測器4。未示出的人的外力8施加在X射線探測器4上，其由此在第二位置32上按壓並且同時使得C弧2稍微變形。構造為應變計12和參考應變計52的傳感器系統採集C弧2的變形並且在流程步驟61中將應變計12的輸出信號和參考應變計52的輸出信號的差信號傳輸到控制裝置13。控制裝置13例如藉助結構模型或動力學模型利用電子計算機計算C弧2在傳感器系統的位置上的變形的測量值的期望值，所述模型考慮C弧2的機械結構、C弧2的組件的材料特徵、C弧2的當前位置、C弧2的當前運動和C弧2的當前加速度。從C弧2的變形的測量值的期望值與變形的實際測量值的比較，例如通過形成差，計算在傳感器的位置上作用於C弧2的或者在C弧2的其他位置上的外力的方向和數值。根據外力的方向和數值的信息，控制裝置13這樣計算用於執行機構6的控制信號，使得差的數值上的放大被抵消，即，結構模型或動力學模型還包括在調節算法中考慮的執行機構的建模。在流程步驟62中優選將地電子控制信號傳輸到執行機構6。例如構造為電機的執行機構6在流程步驟63中將電子控制信號轉換為機械運動或機械轉矩，由此在方向20上移動C弧，該方向包括外力的至少一個方向分量。優選整個流程連續地或按照短的順序(例如每秒五十次)重複，從而方法處理沒有明顯延遲地跟隨操作人員的改變的運動要求。當例如操縱了斷開開關時，該處理結束。 圖13示例性示出了具有X射線源3和X射線探測器4的C弧2的可能的坐標系和運動矢量。為了描述C弧2在空間的位置優選使用局部坐標系，該坐標系固定在C弧2的中央點上，所謂的Tool Center Ponit (工具中心點)，TCP，並且與C弧2—起相對於位置固定的參考系運動。該局部的固定於C弧2上的坐標系包括坐標軸CPx 91、TCPy 92和TCPZ93，參考系包括坐標軸TCP04、TCP φ 95和TCPY96。C弧2可以進行在坐標系98的各個軸的方向上的平移運動或其線性組合或者在運動箭頭99的方向上的平移運動。此外C弧2具有運動分量97，在該運動分量中所謂的源-圖像-距離、即在X射線源3和X射線探測器4之間的距離可以被改變。圖14最後示意性示出了用於X射線裝置的運動控制的方法的實施例。運動控制也應當理解為具有封閉的作用鏈的移動，即，嚴格來說閉環運動調節的情況。待影響的系統(即受控系統)是C弧71，通過作用點、力方向和力的數值限定的外力作為幹擾量81作用在該C弧上。由於作用的外力和可彎曲的C弧71，C弧71不僅在外力所作用的位置上變形。構造為應變傳感器的測量元件72將在一般不同於外力的作用點的位置上測量的物理測量量、即材料拉伸82轉換為電測量信號83。藉助C弧71的結構模型73或動力學模型，計算在傳感器的測量位置上C弧71變形的電測量值的期望值85。結構模型73考慮C弧71的機械結構、C弧71的組件的材料特性以及給定參數84，諸如C弧71的當前位置、C弧71的當前運動和C弧71的當前加速度。同樣，在結構模型73中考慮與C弧相連的組件的機械結構、材料特性和動力學。差元件74形成在測量位置上C弧71變形的測量值83與在該測量位置上C弧71變形的測量值的期望值85之間的差。差86是外力將C弧71除了 C弧71由於重力和慣性力變形之外變形多少的度量。優選作為調節算法在電子計算機實現的調節器75從差86中計算控制參數，該控制參數優選作為電控制信號87被傳輸到包括了執行機構(例如電機)的調節元件76。調節元件76根據控制信號87利用力88或角動量加速C弧71，由此C弧71的位置可以改變。這樣構造調節算法，使得C弧71的位置的改變抵消差86的數值上的放大。該過程連續地或以短的順序重複直到滿足中斷標準，該中斷標準特別可以是操縱斷開開關。
權利要求
1.ー種X射線裝置(I)，具有能夠在上面按照相対的布置安裝X射線源(3)和X射線探測器(4)的C弧(2)、用於相對幹支承裝置(15)定位該C弧(2)的至少ー個執行機構(5，6)和用於控制該至少ー個執行機構(5，6)的控制裝置(13)，其特徵在幹， 所述X射線裝置(I)包括至少ー個傳感器(11，12)，該傳感器在C弧(2)的第一位置上採集C弧⑵的變形並且傳輸到輸出信號中，其中，C弧⑵的變形能夠通過由操作人員施加的並且在C弧(2)的第二位置上直接或間接作用的力(7，8)來影響，並且所述控制裝置(13)根據所述傳感器(11，12)的輸出信號來影響所述執行機構(5，6)。
2.根據權利要求I所述的X射線裝置(I)，其特徵在於，所述傳感器(11，12)包括至少ー個應變計、特別是單軸應變計或多軸應變計。
3.根據上述權利要求中任一項所述的X射線裝置(I)，其特徵在於，所述執行機構(5，6)通過所述控制裝置(13)的影響產生C弧(2)位置的改變，其中，位置改變(19，20)的方向包括在由操作人員施加的力(7，8)的方向上的分量。
4.根據權利要求3所述的X射線裝置(I)，其特徵在於，所述C弧(2)的位置改變的速度取決於藉助所述至少一個傳感器(11，12)所採集的C弧(2)變形的強度，特別地，在C弧的位置改變(19，20)的速度和藉助所述傳感器(11，12)所採集的C弧(2)變形強度之間存在正相關。
5.根據上述權利要求中任一項所述的X射線裝置(I)，其特徵在於，所述傳感器(11，12)這樣設置在C弧(2)上或者集成在C弧(2)中，使得在C弧(2)變形時所述傳感器(11，12)的輸出信號的改變大於在其他可能的在C弧(2)上的設置或在C弧(2)中的可能的集成的情況。
6.根據上述權利要求中任一項所述的X射線裝置(I)，其特徵在於，所述C弧(2)的變形至少主要通過兩個傳感器(12，52)來採集並且所述傳感器(12，52)的輸出信號的差被傳輸到所述控制裝置(13)。
7.根據權利要求6所述的X射線裝置(I)，其特徵在於，所述傳感器(11，12)布置在橋式電路(40,50)的相對的分支中並且所述橋式電路(40,50)的電橋輸出端電壓(43,53)被傳輸到所述控制裝置(13)。
8.根據上述權利要求中任一項所述的X射線裝置(I)，其特徵在於，用於控制執行機構(5,6)的所述控制裝置(13)考慮所述傳感器(11，12)的輸出信號和對於該傳感器(11，12)的輸出信號的期望值(85)，其中，藉助C弧⑵和/或X射線源(3)和/或X射線探測器(4)的結構模型(73)來計算對於所述傳感器(11，12)的輸出信號的期望值(85)。
9.根據權利要求8所述的X射線裝置(I)，其特徵在於，在計算對於所述傳感器(11，12)的輸出信號的期望值時，考慮C弧和/或X射線源和/或X射線探測器的機械結構的，和/或C弧和/或X射線源和/或X射線探測器的組件的材料特徵的，和/或C弧和/或X射線源和/或X射線探測器的位置，和/或C弧和/或X射線源和/或X射線探測器的運動的，和/或C弧和/或X射線源和/或X射線探測器的加速度的模型。
10.一種用於X射線裝置的運動控制的方法(70)，所述X射線裝置具有能夠在上面按照相対的布置安裝X射線源(3)和X射線探測器(4)的C弧(2)、用於相對幹支承裝置(15)定位該C弧(2)的至少ー個執行機構(5，6)和用於控制該至少ー個執行機構(5，6)的控制裝置(13)，其特徵在幹，至少ー個傳感器(11，12)採集C弧(2)的第一位置上的C弧(2)變形並且將該變形傳輸到輸出信號中，其中，所述C弧(2)的變形能夠通過由操作人員施加的並且在C弧的第二位置上直接或間接作用的力(7，8)來影響，並且所述控制裝置(13)根據所述傳感器(11，12)的輸出信號來影響所述執行機構(5，6)。
11.根據權利要求10所述的用於X射線裝置的運動控制的方法(70)，包括以下方法步驟 a)藉助測量元件(72)採集在C弧(2)的第一位置上的C弧(2)變形的測量值(83)，所述測量元件包括至少ー個傳感器(11，12)、特別是至少ー個應變計，其中，C弧(2)的變形能夠通過由操作人員施加的並且在C弧的第二位置上直接或間接作用的力(7，8)來影響； b)計算在C弧(2)的第一位置上C弧(2)變形的測量值的期望值(85)，其中，藉助結構模型(73)或動力學模型來確定所述期望值(85)，所述結構模型或動力學模型考慮C弧(2)和/或X射線源(3)和/或X射線探測器⑷的機械結構，和/或C弧⑵和/或X射線源⑶和/或X射線探測器⑷的組件的材料特徵，和/或C弧⑵和/或X射線源(3)和/或X射線探測器⑷的當前位置，和/或C弧⑵和/或X射線源(3)和/或X射線探測器⑷的當前運動，和/或C弧⑵和/或X射線源(3)和/或X射線探測器⑷的當前加速度； c)形成在C弧(2)的第一位置上C弧(2)變形的測量值(83)與在C弧(2)的第一位置上C弧(2)變形的測量值的期望值(85)之間的差； d)藉助特別作為控制裝置(13)的組成部分的調節器(75)這樣計算控制信號(87)，使得差(86)在數值上的放大被抵消； e)傳輸用於特別是作為執行機構(5，6)的組成部分的調節元件(76)的控制信號(87)； f)重複執行方法步驟a)至e)，直到滿足中斷標準，特別是通過操縱開關(21)。
全文摘要
本發明涉及一種X射線裝置(1)，具有能夠在上面按照相對的布置安裝X射線源(3)和X射線探測器(4)的C弧(2)、用於相對於支承裝置(15)定位C弧(2)的至少一個執行機構(5，6)和用於控制該至少一個執行機構(5，6)的控制裝置(13)。所述X射線裝置(1)包括至少一個傳感器(11，12)，其在C弧(2)的第一位置上採集C弧(2)的變形並且傳輸到輸出信號中，其中，C弧(2)的變形能夠通過由操作人員施加的並且在C弧(2)的第二位置上直接或間接作用的力(7，8)來影響。控制裝置(13)根據傳感器(11，12)的輸出信號影響執行機構(5，6)。此外，本發明還描述了一種用於X射線裝置的運動控制的方法(70)。
文檔編號H05G1/02GK102686001SQ20121005693
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月6日 優先權日2011年3月14日
發明者G.阿爾特瓦特, S.舒斯特, S.薩特勒 申請人:西門子公司