在機動化的移動c-臂中利用pid控制器進行目標碰撞檢測的方法和設備的製作方法

2023-05-24 16:32:56 3

專利名稱：在機動化的移動c-臂中利用pid控制器進行目標碰撞檢測的方法和設備的製作方法
技術領域：
一般地說本發明涉及檢測在成像系統的可移動部件和目標之間的碰撞。具體地說，本發明涉及在機動化的移動C-臂上使用比例積分微分(PID)控制器進行目標碰撞檢測。
背景技術：
醫療診斷成像系統包括各種各樣的成像模式，比如X-射線系統、計算機斷層(CT)系統、超聲系統、電子束斷層(EBT)系統、磁共振(MR)系統等。醫療診斷成像系統例如通過暴露在能量源比如通過患者的X-射線中產生目標(比如患者)的圖像。所產生的圖像可用於許多目的。例如，可以檢測在目標內部的缺陷。此外，可以確定內部結構或對準的變化。也可以表示在目標內的流體流動。此外，該圖像可以顯示在目標內目標的存在或者不存在。從醫療診斷成像系統中所獲取的信息在許多領域中具有應用，包括醫學和製造領域。
輻射成像器比如X-射線機通常精確地設置得接近要成像的患者或目標以便提供預期的成像信息。一種類型的輻射成像器是移動C-臂系統。在醫療領域中，移動C-臂系統例如可用於一般外科、整形治療、鎮痛治療、血管治療和心臟治療。通常，移動C-臂具有安裝到主機的一端上的X-射線源和安裝在主機的另一端上的檢測器(比如圖像增強器)。移動C-臂可以相對於要成像的目標(比如患者)移動。
移動C-臂系統的任何軸向機械化運動都可能給患者和成像系統以及其它的設備帶來危險。理想的是阻止在移動C-臂和目標(比如患者)之間的碰撞或使其最小化。碰撞的可能性存在於C-臂是通過自動軌跡跟蹤移動還是通過從用戶接口設備直接用戶輸入移動。因此，理想的是在移動C-臂由外部用戶和自動系統或程序控制時防止碰撞或使碰撞最小化。使發生的碰撞最小化的方法和系統也是非常需要的。
成像系統通常使用兩種類型的防碰撞傳感器中的一種接觸傳感器和接近傳感器。接近傳感器檢測目標存在於自C-臂成像設備的移動部件給定的距離內。接近傳感器可以是電容接近傳感器。當前的接近傳感器受到電子電路的複雜性的限制。複雜的附加的電路影響了例如成像系統的成本、保養和性能。當前的傳感器系統還受到在傳感器和成像系統部件之間的距離的限制。即，操作約束條件限制了例如在接近傳感器和成像增強器之間的距離。此外，移動C-臂設備還沒有使用電容接近感測。
另一種類型的碰撞傳感器是接觸傳感器。接觸傳感器可以使用例如緩衝器。接觸傳感器檢測在緩衝器接觸到目標時所產生的信號的變化。通常，接觸傳感器檢測與目標的接觸導致的壓力的變化。
然而，當前的系統將碰撞誤作為在系統性能中的誤差。這種誤解可能導致將更大的功率施加到在機動化的C-臂系統中的馬達。最後，該系統可能將可用的最大功率由此將最大的扭矩施加到系統。較高的扭矩可能導致難以承受的較大的力施加在被碰撞的目標上。
因此，需要一種在機動化的移動C-臂系統上進行目標碰撞檢測的改進的方法和系統。

發明內容
本發明的某些實施例提供了用於移動的機動化的C-臂成像系統中的改進的碰撞檢測的方法和系統。在某一實施例中，該系統包括安置X-射線源和X-射線接收器的可移動C-臂、確定C-臂的實際位置的位置指示器、確定在C-臂的實際位置和所選擇的位置之間的位置誤差的誤差計算器、比較位置誤差和位置誤差極限的比較器和控制C-臂的運動的運動控制器。比較器基於位置誤差和位置誤差極限輸出停止信號。運動控制器基於停止信號停止C-臂的運動。
在一種實施例中，在位置誤差等於或大於位置誤差極限時輸出停止信號。可替換地，在位置誤差等於或大於位置誤差極限超過預定的時間量時輸出停止信號。在一種實施例中，誤差計算器通過從所選擇的位置中減去實際的位置確定位置誤差。在一種實施例中，使用用戶接口和自動控制中至少一種確定所選擇的位置。
位置指示器例如可以是編碼器。運動控制器可以是比例積分微分(PID)控制器。位置誤差極限例如可以是信號值、值表和/或數學函數。
該系統也可以包括驅動C-臂的馬達。馬達接收來自運動控制器的控制信號。該系統也包括主控制單元。主控制單元將指令傳送給運動控制器。主控制單元從比較器中接收停止信號並將停止指令傳送給運動控制器。
方法的某些實施例包括確定C-臂的當前位置和計算在當前位置和預期位置之間的位置誤差。該方法也包括比較位置誤差和位置誤差極限並在位置誤差等於或大於位置誤差極限時產生控制信號以停止C-臂。在一種實施例中，位置誤差可以通過從預期的位置中減去實際位置來計算。此外，位置誤差極限可以通過使用信號值、值表和/或數學函數確定。預期的位置可以使用用戶接口和/或自動控制確定。


附圖1所示為根據本發明的某些實施例的移動C-臂成像系統。
附圖2所示為根據本發明的一種實施例的機動化的C-臂系統控制器。
附圖3所示為根據本發明的一種實施例的C-臂系統控制器的另一實施例。
附圖4所示為在根據本發明的一種實施例中使用的C-臂系統控制器。
附圖5所示為根據本發明的一種實施例任意C-臂系統的受控制的C-臂位置相對實際的C-臂位置的曲線圖。
附圖6所示為根據本發明的一種實施例任意C-臂系統的位置誤差信號相對位置誤差極限圖。
附圖7所示為根據本發明的一種實施例與位置誤差極限相比的位置誤差信號。
附圖8所示為在根據本發明的一種實施例中使用的移動C-臂系統中的碰撞檢測的方法。
具體實施例方式
結合附圖的閱讀將會更好地理解前文的概述以及下文的本發明的某些實施例的詳細描述。為了說明本發明，在附圖中示出了某些實施例。然而，應該理解的是，本發明並不限於在附圖中所示的結構和手段。
發明的詳細描述僅僅為了說明的目的，下文的詳細描述參考使用移動的機動化的C-臂的X-射線成像系統的某一實施例。應該理解的是本發明也可以使用其它的成像系統。
附圖1所示為在根據本發明的某些實施例中使用的移動C-臂成像系統100。系統100包括C-臂110、圖像接收器120、X-射線源130、支撐結構140和有輪的底座150。圖像接收器120和X-射線源130安裝在C-臂110的相對的位置上。支撐結構140提供C-臂110的支撐並將C-臂110保持在懸掛的位置中。支撐結構140安裝在允許系統100可移動的有輪的底座150上。移動C-臂成像系統的實例進一步詳細地描述在美國專利US 5,583,909中，在此以引用參考的方式將其結合在本申請中。
支撐結構140為C-臂110提供了穩定的平衡支撐。支撐結構140懸承著C-臂110以便在對例如患者或目標進行成像中使用。支撐結構140也允許C-臂110繞旋轉軸旋轉(例如手動或使用馬達)。支撐結構140連接到例如有輪的底座150以對移動C-臂成像系統100進行再定位。
C-臂110允許圖像接收器120和X-射線源130安裝並定位在要成像的目標比如患者周圍。C-臂110例如可以是圓形的C-形或者弧形部件。C-臂110能夠使圖像接收器120和X-射線源130相對於位於C-臂110的內部自由空間內的患者或其它目標的寬度和長度有選擇性地定位。
圖像接收器120例如可以是圖像增強器或者在診斷成像中使用的其它的能量接收器。圖像接收器120和X-射線源130安裝在C-臂110的相對位置上。使用C-臂110和支撐結構140，圖像接收器120和X-射線源130可以定位在目標比如患者的周圍。圖像接收器120和X-射線源130用於產生表示成像的目標的診斷圖像。
在操作中，例如患者置於定位在安裝於C-臂110上的圖像接收器120和X-射線源130之間的桌臺上。支撐結構140移動C-臂110。通過移動C-臂100將圖像接收器120和X-射線源130定位在相對於患者預期的位置上。圖像接收器120可以定位在患者的附近以改善所得到的圖像質量。
本發明的某些實施例提供了接觸傳感器，該傳感器例如用於移動C-臂成像系統，比如在上文參考附圖1所描述的C-臂成像系統。移動圖像接收器120接近患者或其它的目標以改善圖形質量增加了在圖像接收器120或C-臂110的其它部件和患者、桌臺或其它的目標之間的碰撞的危險。某些實施例檢測在系統100和正檢查的患者或其它的目標之間的碰撞。執行碰撞檢測以防止由於C-臂系統100的影響和過補償而在系統100中產生進一步的誤差。
附圖2所示為根據本發明的一種實施例的機動化的C-臂系統控制器200。控制器200包括主控制單元210、閉環控制器220和用戶接口230。控制器200連接到C-臂系統比如C-臂系統100。閉環控制器220可以包括比例積分微分(PID)運動控制環或其它的控制環。
在操作中，用戶通過用戶接口230輸入指令。用戶指令傳送到主控制單元210。主控制單元210將位置指令發送給閉環控制器220。閉環控制器220然後將控制信號傳送給C-臂系統100。
附圖3所示為在根據本發明的一種實施例中使用的C-臂系統控制器300的另一實施例。系統控制器300包括主控制單元310、PID運動控制器320、用戶接口330、馬達340、位置指示器350和連接到C-臂系統100的誤差計算器360。某些實施例利用位置誤差值對移動成像系統(比如移動C-臂系統)進行碰撞檢測。在部件(比如C-臂110)的運動的過程中連續的位置誤差值的絕對值可以與預設值進行比較。如果位置誤差值超過預設值則運動可以被停止或減慢。控制器300的操作類似於下文描述的控制器400的操作。
在常規的系統中，PID運動控制器320將碰撞解釋為系統100的性能誤差。結果，PID運動控制器給馬達340施加更大的功率以試圖校正性能。然而，增加馬達340的功能就增加了對系統100的扭矩。增加的扭矩導致了向與系統100的部件(比如C-臂110)碰撞的目標施加力。
附圖4所示為在根據本發明的一種實施例中使用的C-臂系統控制器400。系統控制器400類似於參考附圖3描述的C-臂系統控制器300。系統控制器400包括主控制單元410、PID運動控制器420、用戶接口430、馬達440、位置指示器450、誤差計算器460、誤差比較器470、位置誤差極限480和停止信號490。
C-臂系統控制器400(以及上文描述的控制器200和300)也可以用於其它的系統和成像系統的其它的部件以檢測在系統部件和其它的目標之間的碰撞。在變型的實施例中，PID運動控制器420可以以另一運動控制器替換。控制器400(以及控制器200和300)的部件可以以硬體和/或軟體實施。這些部件可以單個地實施或可以組合。
位置誤差極限480例如可以是信號值、值表或者數學函數。位置誤差值的表可以由其它的系統測量或參數得出。在一種實施例中，在發生碰撞時，對於給定的PID控制器420設置，在位置誤差和位置誤差極限480之間的差值對應於通過系統100的部件(比如C-臂110)施加到碰撞的目標的力的大小。位置誤差極限480用作確定何時已經發生碰撞的力的極限。隨著在位置誤差和位置誤差極限480之間的差值的增加，所施加的力的大小增加(例如，部件強烈地影響目標)。相反地，隨著在位置誤差和位置誤差極限之間的差值減小，碰撞力減小(例如，部件不再影響目標)。
附圖5所示為根據本發明的一種實施例的任意C-臂系統中指示的或預期的C-臂110相對於實際的C-臂110位置的曲線圖。附圖5所示為在通過用戶輸入的預期的位置和通過位置指示器450所測量的實際位置之間的比較。附圖5示出了在C-臂110的指示的和實際的位置之間隨著時間的位置誤差。
附圖6繪出了根據本發明的一種實施例對於任意的C-臂系統100在附圖5中計算的位置誤差信號相對於位置誤差極限480的附圖。在附圖6中，位置誤差信號沒有超過所界定的位置誤差極限480。因此，在附圖6中在運動中沒有檢測到碰撞。
在附圖7中，位置誤差極限480自在附圖6中使用的極限降低。附圖7示出了達到位置誤差極限480的位置誤差信號。等於最大的位置誤差極限480的位置誤差指示C-臂110已經與正阻止C-臂110的運動的另一目標已經碰撞。在位置誤差等於或超過位置誤差極限480時，系統100停止以校正碰撞。
PID控制器(比如PID控制器420)是基於反饋的控制器。PID控制器420基於輸入信號產生輸出運動控制信號。在一種實施例中，PID控制器420基於在所測量的位置值和所界定的極限之間的誤差產生輸出。PID控制器420接收位置誤差信號。PID控制器420使用位置誤差信號和來自馬達控制單元410的信號產生馬達440的運動控制信號。
在操作中，用戶通過用戶接口將指令傳送給系統100。例如，用戶可以通過用戶接口430選擇C-臂110的預期的位置或者可以初始化C-臂運動或跟蹤。用戶指令傳送給主控制單元410。主控制單元410然後將指令轉發給PID運動控制器420。PID運動控制器420可以用於C-臂系統100的例如兩個機動化的軸向上進行運動控制。PID運動控制器420將控制信號發送給馬達440。馬達440可以移動例如C-臂110的軌道和/或旋轉軸。
位置指示器450將馬達440的當前位置與馬達440的預期的位置進行比較並產生位置誤差信號。位置指示器450可以安裝在例如馬達440的軸上。在一種實施例中，位置指示器450是編碼器，比如光學編碼器。該編碼器以編碼計數測量位置。例如，在馬達440的軸的每次旋轉中編碼器可以產生4000個計數。在一種實施例中，編碼器將脈衝信號發送給編碼解碼器。解碼器保持編碼計數的絕對值並將脈衝信號轉換為位置信號。然後將位置信號發送給誤差計算器460。誤差計算器460產生位置誤差信號。在一種實施例中，誤差計算器460可以從預期的位置信號中減去位置信號以確定位置誤差信號。在一種實施例中，位置誤差對應於大量的編碼計數(例如400至2000個編碼計數)。位置誤差信號反饋回PID控制器420以完成C-臂系統控制器400的控制環。PID控制器420可以基於位置誤差信號計算馬達440的新的控制信號。
位置誤差信號和位置誤差極限480反饋到誤差比較器470。誤差比較器470將位置誤差與位置誤差極限480進行比較。在一種實施例中，在位置誤差的絕對值超過位置誤差極限480預定的時間周期(例如50毫秒)時，產生停止信號490。停止信號490傳送給主控制單元410。主控制單元410指示PID控制器420以停止系統100的運動。在一種實施例中，位置誤差極限480基於C-臂系統100的軸位置和速度連續地調整。對應於預期的停止力的誤差值可以加載在主控制單元410中。主控制單元410可以調整位置誤差極限480。
附圖8所示為根據本發明的一種實施例在移動C-臂系統100中進行碰撞檢測的方法800。首先，在步驟810中，確定系統部件(比如C-臂110)的預期的位置。例如，用戶可以使用用戶接口430指定預期的位置。可替換地，自動控制系統或程序可以確定預期的位置。然後，在步驟820中，確定系統部件(比如C-臂110)的當前位置。例如，編碼器可以讀取C-臂110的位置。
接著，在步驟830中，將C-臂110的當前或實際的位置與預期的或選擇的位置進行比較。例如，用戶或自動的輸入可以選擇或以其它的方式指令C-臂110到一預期的位置。可以將預期的位置與例如來自編碼器的位置測量值進行比較。通過比較當前的和預期的位置確定位置誤差。例如，可以從預期的位置中減去當前的位置以計算位置誤差。例如如果使用編碼器，則可以從預期的編碼計數中減去所測量的編碼計數以確定位置誤差。
然後，在步驟840中，將位置誤差與預定的誤差極限比較。誤差極限例如可以是單值、值表或數學函數。在步驟850中，基於在位置誤差和誤差極限之間的比較產生控制信號。在一種實施例中，如果位置誤差大於誤差極限則產生控制或停止信號490。可替換地，如果位置誤差大於或等於誤差極限則產生控制或停止信號490。最後，在步驟860中，基於停止控制信號490控制系統部件(比如C-臂110)的運動。在達到預期的位置是也停止例如C-臂的運動。在碰撞矯正之後可以再次初始化系統部件的運動。此外，位置誤差極限480和預定的時間間隔可以調整(例如通過主控制單元410)以提供更加精細的或粗糙的碰撞檢測。
例如，在一種實施例中，患者設置在用於X-射線成像的X-射線桌臺上。技術人員執行掃描序列並使用用戶接口430以移動C-臂110到適當的位置以便X-射線源130和圖像接收器120正確對準。技術人員的位置指令從用戶接口430傳送給主控制單元410。主控制單元410將受指示的C-臂110的位置發送給PID控制器420。PID控制器420將運動控制信號發送給馬達440，馬達440移動C-臂110。位置指示器450將C-臂110的位置發送回PID控制器420以便在進一步運動控制中使用。如果C-臂110撞擊患者的桌臺，則通過位置指示器450所記錄的C-臂110的當前位置將開始滯後於由主控制單元410所給定的希望或指示的位置。通過誤差計算器460和誤差比較器470所計算的位置差傳送給PID控制器420。PID控制器420基於位置誤差信息調整發送給馬達440的控制信號。在指示碰撞被認為已經發生而不是另-誤差的定義的時間間隔之後，誤差比較器470產生停止信號490。主控制單元410接收停止信號490，該停止信號490替代所指示的位置信號。主控制單元410指示PID控制器420停止馬達440。PID控制器420將馬達速度減小到零以防止損壞系統100、患者桌臺或患者。一旦障礙已經消除或者碰撞以其它的方式矯正了，就將新指令傳送給主控制單元410以移動C-臂110。
因此，本發明的某些實施例提供了利用已有的系統控制環和控制信號的改善的碰撞檢測的系統和方法。某些實施例不需要昂貴且龐大的附加控制環和電路。某些實施例防止了在萬一碰撞的情況下控制器錯誤地施加最大的功率以試圖校正系統的運動。某些實施例使施加到被碰撞的目標上的力和對系統和被碰撞的目標的破壞或損壞最小。
雖然參考某些實施例已經描述了本發明，本領域的普通技術人員應該理解的是在不脫離本發明的範圍的前提下可以做出各種各樣的改變並以等效方案替換。此外，在不脫離本發明的範圍下藉助於本發明的教導可以進行多種修改以適應特定的情況或材料。因此，希望本發明並不限於所公開的特定的實施例，而是本發明將包括落入附加的權利要求的範圍內的所有的實施例。
權利要求
1.一種具有改進的碰撞檢測的C-臂系統(100，200，300，400)，所說的系統(100，200，300，400)包括安置X-射線源(130)和X-射線接收器(120)的可移動C-臂(110)；確定所說的C-臂(110)的實際位置的位置指示器(350，450)；確定在所說的C-臂(110)的所說的實際位置和所選擇的位置之間的位置誤差的誤差計算器(360，460)；和比較所說的位置誤差和位置誤差極限(480)的比較器(470)，所說的比較器(470)基於所說的位置誤差和位置誤差極限(480)輸出停止信號(490)；和控制所說的C-臂(110)的運動的運動控制器(220，320，420)，所說的運動控制器(220，320，420)基於所說的停止信號(490)停止所說的C-臂(110)。
2.權利要求1所述的系統(100，200，300，400)，其中在所說的位置誤差等於或大於所說的位置誤差極限(480)時輸出所說的停止信號(490)。
3.權利要求1所述的系統(100，200，300，400)，其中所說的運動控制器(220，320，420)包括比例積分微分(PID)控制器(220，320，420)。
4.權利要求1所述的系統(100，200，300，400)，進一步包括主控制單元(210，310，410)，所說的主控制單元(210，310，410)將指令傳送給所說的運動控制器(220，320，420)，其中所說的主控制單元(210，310，410)從所說的比較器(470)中接收停止信號(490)並將停止指令傳送給所說的運動控制器(220，320，420)。
5.一種碰撞檢測系統(300，400)，所說的系統(30，400)包括確定連接到所說的碰撞檢測系統(300，400)的部件的實際位置的位置指示器(350，450)；確定在所說的實際位置和所選擇的位置之間的位置誤差的誤差計算器(360，460)；和比較所說的位置誤差和位置誤差極限(480)的比較器(470)，所說的比較器(470)基於所說的位置誤差和位置誤差極限(480)產生停止信號(490)；和控制所說的部件的運動的運動控制器(320，420)，所說的運動控制器(320，420)基於所說的停止信號(490)停止所說的部件的運動。
6.權利要求5所述的系統(300，400)，其中在所說的位置誤差等於或大於所說的位置誤差極限(480)超過預定的時間量時所說的比較器(470)產生停止信號(490)。
7.權利要求5所述的系統(300，400)，其中所說的運動控制器(320，420)包括比例積分微分(PID)控制器(320，420)。
8.權利要求7所述的系統(300，400)，其中所說的位置指示器(350，450)包括編碼器。
9.一種用於移動C-臂系統(100，200，300，400)中的碰撞檢測的方法(800)，所說的方法(800)包括確定C-臂(110)的當前位置(820)；計算在所說的當前位置和預期位置之間的位置誤差(830)；比較所說的位置誤差和位置誤差極限(480)(840)；和在所說的位置誤差等於或大於所說的位置誤差極限(480)時產生控制信號以停止所說的C-臂(110)(850)。
10.權利要求9所述的方法(800)，其中所說的計算步驟通過從所說的預期位置中減去所說的實際位置來計算所說的位置誤差。
全文摘要
本發明的某些實施例涉及碰撞檢測系統(300，400)。所說的系統(300，400)包括確定連接到該碰撞檢測系統(300，400)的部件的實際位置的位置指示器(350，450)。該系統(300，400)也包括確定在該實際位置和所選擇的位置之間的位置誤差的誤差計算器(360，460)。該系統(300，400)進一步包括比較該位置誤差和位置誤差極限(480)的比較器(470)。該比較器(470)基於該位置誤差和位置誤差極限(480)產生停止信號(490)。該系統(300，400)也包括控制該部件的運動的運動控制器(320，420)。該運動控制器(320，420)基於該停止信號(490)停止部件的運動。在位置誤差等於或大於位置誤差極限(480)時比較器(470)產生停止信號(490)。
文檔編號G01B21/00GK1550212SQ200410044760
公開日2004年12月1日 申請日期2004年5月18日 優先權日2003年5月19日
發明者B·A·卡勞斯, J·M·西蒙斯, D·E·巴克爾, B A 卡勞斯, 巴克爾, 西蒙斯 申請人:Ge醫療系統環球技術有限公司