CN101797184B - 医学器械的监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于医学器械的监控系统，其中医学器械包括机器人(1)和可由机器人(1)运动的图像采集部件(2)。此监控系统设有固定在医学器械上的射线源(L)以及远离医学器械的用于接收由射线源(L)发送的射线(LS)的射线接收器(K)。一个比较装置(V)将射线(LS)在射线接收器(K)上的入射地点，与射线(LS)在射线接收器(K)上的一个或多个预定的入射地点相比较。此外，本发明还涉及一种相应的用于医学器械的监控方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种医学器械的监控系统，以及涉及一种医学器械的监控方法。
背景技术
在不同的医学领域，例如在神经放射学和普通的血管造影术中，越来越多地实施三维应用，其中借助X射线成像装置生成检查对象的三维图像数据组。为了产生三维图像数据组尤其使用C臂X射线仪，借助它们在利用大面积探测器的情况下采集许多不同的投影，探测器与相对置的X射线管一起，至少在部分圆形轨迹上绕检查对象旋转。因此采用这种可以在血管造影术中在侵入式手术的成像时使用的C臂系统，可以通过恰当的运动学和运动过程，获得用于产生计算机断层造影图像的数据。为此，为了使C臂在预定的轨迹内绕照相对象运动，可以通过机器人促成C臂的运动。这例如就是指在西门子公司的C臂系统“Axiom Artis zeego”中的情况。
高质量再现所拍摄的图像的前提条件是，准确了解扫描期间C臂实际经过的轨迹。应用于重建的轨迹必须能高精度地再现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种医学器械的监控系统以及一种相应的方法，它们支持检验医学器械运动的精度。
上述技术问题通过一种用于医学器械的监控系统以及通过一种相应的用于监控医学器械的方法得以解决。
按照本发明的监控系统涉及一种医学器械的监控系统，其中医学器械包括机器人和可由机器人运动的图像采集部件。此监控系统具有一个固定在医学器械上的射线源以及一个远离医学器械的射线接收器。该射线接收器用于接收由射线源发送的射线。此外还存在一个比较装置，用于将射线在射线接收器上的入射地点，与射线在射线接收器上的一个或多个预定的入射地点相比较。
医学器械的结构设计为，将其图像采集部件以恰当的方式与机器人连接，从而通过机器人的运动能实现图像采集部件的运动。射线源固定在此医学器械上。在这里一些固定的可能性是固定在机器人和/或图像采集部件上。通过机器人或图像采集部件的运动带动射线源。若射线源射束状发射，则通过机器人或图像采集部件的运动改变射束的空间位置。
除射线源外，监控系统还有一个射线接收器。它不固定在医学器械上，而是处于远离它的地方。因此与射线源相反，通过机器人或图像采集部件的运动并不带动射线接收器。一种固定射线接收器的可能性例如是固定在此医学器械处于其中的那个房间的墙壁上。在这里将射线接收器定位为，使得至少在某些机器人构型的情况下或当图像采集部件相应地定向时，可使射线从射线源到达射线接收器并可由射线接收器进行检测。
射线接收器有二维分辨能力。因此它能识别，射线在什么地点命中射线接收器。由此便有可能将射线在射线接收器上的实际入射地点与预先规定的入射地点进行比较。实际入射地点可以根据对射线接收器检测到的数据的评估或处理结果得出。作为入射地点可例如使用一个平均值，例如入射区的重心。
所述比较装置可以是射线接收器的组成部分。与之不同，它也可以是医学器械或另一个装置的组成部分。在这种情况下实施从射线接收器到医学器械或另一个装置的数据传输。
射线源优选地涉及激光器。在这里不同类型的激光器均能导致可由比较装置得到的合理的结果。例如由激光器发射的射线并不一定要有圆形的横截面。
射线接收器可涉及摄像机。它优选地有高的，例如百万像素级的分辨率。
图像采集部件可以是C臂X射线仪。然而本发明不受此限制；本发明也适用其他类型由机器人运动的摄像设备。
特别有利的是，机器人具有沿笛卡儿坐标系六个方向的运动自由度。换句话说，在这种情况下在机器人与图像采集部件之间的固定点以及与之相应地还有图像采集部件，可以在三维空间内自由运动。
按本发明的扩展设计，将比较装置设计为，当入射地点偏离其中一个或多个预定的入射地点时它输出一个信号。在这里可例如涉及故障信号或报警信号。所述信号可以光学地实现，例如显示在显示器上，或声学地实现，例如用警报声。此外也有利的是，该信号导致停止图像采集部件的工作。在X射线成像的情况下，病人不应遭受将导致无法评估的结果的射线。
一个或多个预定的入射地点可以由规定的入射地点和与之相关的公差区组成。在这里例如可以涉及一个可能的入射地点绕一个中心的圆。
本发明的方法用于监控医学器械。医学器械包括机器人和可由机器人运动的图像采集部件。从一个固定在医学器械上的射线源发送射线。由一个远离医学器械的射线接收器接收由射线源发送的射线。将接收的射线在射线接收器上的入射地点，与射线在射线接收器上的一个或多个预定的入射地点相比较。
以上涉及本发明的监控系统及其设计和扩展设计的说明，也相应地适用于本发明的方法。有关本发明的方法在下面说明的设计和扩展设计，也相应地适用于按照本发明的监控系统。
在本发明的一项扩展设计中，根据基于入射地点偏离一个或多个预定入射地点发出的信号，对机器人实施校准。由信号的存在获悉机器人或图像采集部件的运动与预测的不同。一个或多个预定的入射地点与预测相对应。为了运动应当相应地重新拟定预测，为此必须校准机器人。这种校准可包含完全不同的步骤和措施；具体的设计取决于机器人的结构和工作方式。
按本发明的设计，机器人按第一种规定的构型运动，以及接着将入射地点与一个或多个预定的第一入射地点进行比较。在这里，机器人一种规定的状态和与之相应地图像采集部件一个规定的空间位置，与机器人的一种构型相应。若占据此位置，射线源发出射线，并检验射线接收器是否在一个属于第一构型的入射地点接收该射线。在机器人运动功能正确或在正确模拟系统时，可以肯定没有或至少没有大的偏离。
有利的是，机器人在第一种构型后按第二种规定的构型运动，以及接着将入射地点与一个或多个预定的第二入射地点进行比较。以此方式可以驶过两种或更多种构型，以保证彻底检验机器人的运动。
一个或多个第一入射地点可以与一个或多个第二入射地点相同。尤其当机器人有多个运动自由度时，通常存在多种可导致射线源的射线在射线接收器上有相同入射地点的构型。与之不同，一个或多个预定的第一和第二入射地点也可以彼此不同。
与射线的入射地点相比较的一个或多个预定的入射地点，优选地在考虑到机器人参数的情况下事先确定。此外，也可以顾及射线源和射线接收器的参数。例如可以使用参数模型，此时系统的每种构型与这些参数的一种规定的组合相应。若在所述模型中使用规定的参数，则由此可以算出，射线在什么地点命中接收器。
有利的是，此方法在医学器械正规运行之外实施。也就是说，在借助医学器械采集图像时，停止通过射线源发送射线和/或确定并检验在射线接收器上的入射地点。因此医学器械的正规运行，在时间上与其检验分开。
附图说明
下面借助实施例详细说明本发明。其中：
图1表示X射线设备；
图2表示X射线设备和监控系统；以及
图3示意表示监控系统的工作原理。
具体实施方式
图1示意表示形式上为C臂X射线仪的X射线设备。在这里，X射线设备的C臂2的操控由曲臂机器人1实施。C臂2与机器人1的机器人手接合，通过它可以在一个可预定的运动轨道上绕病人运动。也就是说，机器人臂可以沿一个规定的围绕病人的轨迹，运动X射线源3和X射线探测器4。基于曲臂机器人1的结构，有六个自由度的C臂2可在空间自由运动，也就是说，它可以灵活地沿任一方向在空间运动，并因而相对于病人置于任何方向和位置。这种X射线设备例如适用于血管造影术。
在X射线设备运行时，沿C臂2准确规定的轨迹采集图像序列。通过使用采集的数据，可运用恰当的算法重建病人的图像。为获得图像的高的重建质量，C臂2随时间的位置必须非常精确地与预定的轨迹相对应。与之相应地，应当使用配备高绝对运动精度的的机器人。为达到这种精度，有必要完美地校准运动学和动力学模型的参数。下文也称为系统参数的这些参数，与机器人1和C臂2的参数相应，以及例如包括几何比例和刚度。若已知系统参数，则可以将机器人1控制为，使C臂2准确地按预定的轨迹运动。
然而也可以使用没有绝对精度的机器人；在这种情况下应至少存在相对精度，亦即重复精度。
系统参数通常在生产厂制造机器人1后在校准的框架内确定，并告知X射线设备的运行者。机器人1因而涉及一种所谓绝对精确的定位装置。存在的问题是，系统参数可随时间改变。其中的原因例如是磨损、安装因素、温度变化及发生碰撞。对于系统参数的恒定性特别关键的是机器人1的突然制动，例如通过使用紧急开关，由此基于机器人1大的重量产生很大的力。
若系统参数改变，则C臂2的实际轨迹偏离计算轨迹。其结果是，一方面降低图像质量。另一方面应考虑到，由此会使病人遭受不必要辐射量。
因此有时必须进行重新校准。然而，对于保证质量有决定意义的在这些必要的重新校准之间的时间间隔却完全不清楚，因为不存在有关的经验值，也就是说往往不能预报所列举的这些因素发生的时间。尤其不能用工业机器人推断经验值，与仅实施离开和靠近运动的机器人1相反，它们连续运动。
机器人1或C臂2在其运动时的自由度越多，系统参数变化的后果越明显。若仅沿一个轴进行运动，则误差可以通过恰当的算法补偿。这例如可以这样实现，即，通过采集一个已知人体模型的图像，并与C臂2在正确地亦即按照计算运动时预期的图像比较。然而这种误差修正和补偿只是在一个有限的狭窄范围内才有可能。当机器人1有多个运动自由度并因而有可能明显偏离预定轨迹时，采用这种方法将毫无成果。
图2表示图1所示的X射线设备有一个监控系统。监控系统包括一个摄像机K和一个激光器L。摄像机K位置不变地固定在所述X射线设备处于其中的房间里，而激光器L固定在X射线设备的一个可运动的部分上。图2表示将激光器L安装在C臂2上的X射线源3附近的情况。与之不同，另一些定位也是可能和有利的，例如安装在用A标示的区域内。
借助图3说明监控系统的工作原理。激光器L的射线LS在入射地点Si命中表面F，它被摄像机K检测。为达到足够高的分辨率，使用高分辨率的摄像机K，例如百万像素摄像机。激光束LS命中的摄像机K的敏感区，相应于激光束LS在表面F上的投影，通常由许多相关联的像素组成。通过将此生成物在数学上近似为圆或椭圆，可以确定此生成物的中心。由此获知激光束LS在摄像机K上当时的投影，亦即实际投影Si。通过时间平均可达到进一步提高精度。为此使用一种静态测量方法，按此方法机器人1在测量期间暂时不运动，所以机器人1保持其位置不变。通过在此期间对中心取平均值，消除摄像机K的像素噪声。
若已知由机器人1和C臂2组成的系统的系统参数、激光器L的参数例如其射束取向、以及摄像机K相对于机器人1的相对位置，则可以计算任何机器人构型或机器人1的关节构型，亦即在摄像机K上承接激光束LS的何种投影。在图3中将一个算出的这种投影称为额定投影Ss。
为了检验系统参数是否改变，起动一种规定的机器人或机器人关节构型，并将实际投影Si和计算的与此机器人构型相应的额定投影Ss相比较。若出现偏差，则说明系统参数已发生变化，从而应实施对机器人1的重新校准。
当不准确模拟时，亦即在并非所有的系统参数均准确已知的情况下，一种规定的状况的控制必然导致实际投影Si与额定投影Ss不能准确一致。这同样涉及下述情况：使用于计算的模型含有与真实情况相比不同的或较少的参数。后者相当于存在非模拟化影响。所述的偏差可看作对当前所使用的系统模型质量的度量。在图3中用ΔS表示的基于系统模型不完善造成的像点偏离，应在评估时计入。例如可以确定一个绕额定投影Ss半径为ΔS的圆作为公差区。圆的尺寸可以根据多次测量并采用恰当的统计学方法得出。只要实际投影Si仍处于公差区内部，便可以认为实际投影Si与额定投影Ss有足够的一致性。
如已提及的那样，摄像机K固定安装在所述X射线设备处于其中的房间内。因为X射线设备与摄像机K没有相互连接，所以起先没有准确地知道激光器L与摄像机K的相对位置。然而计算额定投影Ss的前提条件不仅要了解系统参数，而且还要得知摄像机K与激光器L之间的相对位置。因此在安置监控系统时必须获知摄像机K的所述相对位置。为此建立若干机器人构型，以及根据摄像机位置的初始假定确定相关投影的位置。根据测量与计算的偏差并通过调整模型的参数加以平衡，可以获知所要查找的相对位置。
借助介绍的监控系统，通过比较实际投影Si与额定投影Ss，可以从事质量检验。这不在X射线设备正规运行期间进行。确切地说，在规定的时间，例如每天一次在X射线设备投入运行前，建立某些机器人构型。这些机器人构型优选地事先确定为，它们总是导致相同的额定投影Ss。基于机器人1有多个运动自由度，所以在完全不同的机器人构型的情况下可以得到相同的额定投影Ss。这意味着，尽管使用唯一的额定投影Ss，仍能检验所有的系统参数。与之不同，也可以使用有各不相同的额定投影Ss的机器人构型。
在建立具体的机器人构型后，相互比较实际投影Si与额定投影Ss。若没有超出上述公差区，则导致质量检验有效的结果。这意味着，系统参数没有显著改变。所述的比较针对多种机器人构型进行，以确保没有一个系统参数经受显著改变。
借助比较装置V实施实际投影Si与额定投影Ss的比较。这通过恰当的步骤获得由摄像机采集并可能已经处理的数据。比较装置V可以涉及一种独立的装置。但是它也可以是另一个装置的一个组成部分，例如它可以集成组合在机器人1的控制器内。
优选地，在每次检验时测试相同的机器人构型。在这种情况下存在一套固定的决定测试目的的状况。然而也可以与此不同，使用变化的机器人构型。例如可以使用特别适用于检验一个或多个规定的系统参数的机器人构型，从而根据需要和现实的情况可以将目标更明确地对准某些系统参数的恒定性。
若确定在实施实际投影Si与额定投影Ss之间的偏差超出公差区，则监控系统优选地自动报警。这应通知X射线设备的主管，使设备在重新校准机器人1之前不应再使用。
所介绍的监控系统的特征在于高的精度。基于使用百万像素的摄像机，所以可以探测在μm范围内的偏离。所述的高精度还允许引入一种分级式报警系统，从而在小偏差时指示要立即实施重新校准，在中等偏差时发出明确的警告，以及在大偏差时自动造成X射线设备不可能投入运行。
此外，所介绍的监控系统还可以经济地实现：不仅摄像机K而且激光器L均涉及价廉物美的标准化部件。
最后，所介绍的监控系统需要小的空间位置。既不需要大规模地变更X射线设备，也不必大量改造X射线设备处于其中的房间。
上面通过一种实施例说明本发明。当然在不脱离本发明框架的条件下可以实施许多变更和修改。
Claims (17)
1.一种用于医学器械的监控系统，其中医学器械包括机器人(1)和可由机器人(1)运动的图像采集部件(2)，此监控系统具有固定在医学器械上的射线源(L)、远离医学器械的用于接收由射线源(L)发送的射线(LS)的射线接收器(K)、比较装置(V)，该比较装置用于将射线(LS)在射线接收器(K)上的入射地点(Si)，与射线(LS)在射线接收器(K)上的一个或多个预定的入射地点(SS)相比较，所述射线源(L)涉及激光器，所述射线接收器(K)涉及摄像机，将由所述激光器和所述摄像机组成的系统设置为，使得激光器朝摄像机的方向发射激光。
2.按照权利要求1所述的监控系统，其中，所述图像采集部件(2)是C臂X射线仪。
3.按照权利要求1或2所述的监控系统，其中，所述机器人(1)具有沿笛卡儿坐标系六个方向的运动自由度。
4.按照权利要求1或2所述的监控系统，其中，所述比较装置(V)设计为，当所述入射地点(Si)偏离所述一个或多个预定的入射地点(SS)时输出一个信号。
5.按照权利要求1或2所述的监控系统，其中，所述一个或多个预定的入射地点(SS)包括规定的入射地点和与之相关的公差区(ΔS)。
6.一种医学器械的监控方法，其中医学器械包括机器人(1)和可由机器人(1)运动的图像采集部件(2)，其中，从固定在医学器械上的射线源(L)发送射线(LS)，由远离医学器械的射线接收器(K)接收由射线源(L)发送的射线(LS)，以及将接收的射线(LS)在射线接收器(K)上的入射地点(Si)，与射线(LS)在射线接收器(K)上的一个或多个预定的入射地点(SS)相比较，所述射线源(L)涉及激光器，所述射线接收器(K)涉及摄像机，将由所述激光器和所述摄像机组成的系统设置为，使得激光器朝摄像机的方向发射激光。
7.按照权利要求6所述的方法，其中，所述图像采集部件(2)是C臂X射线仪。
8.按照权利要求6所述的方法，其中，所述机器人(1)具有沿笛卡儿坐标系六个方向的运动自由度。
9.按照权利要求6所述的方法，其中，当所述入射地点(Si)偏离所述一个或多个预定的入射地点(SS)时输出一个信号。
10.按照权利要求9所述的方法，其中，根据信号对机器人(1)进行校准。
11.按照权利要求6至10之一所述的方法，其中，所述一个或多个预定的入射地点(SS)包括规定的入射地点和与之相关的公差区(ΔS)。
12.按照权利要求6所述的方法，其中，所述机器人(1)按第一种规定的构型运动，以及接着将入射地点(Si)与一个或多个预定的第一入射地点(SS)进行比较。
13.按照权利要求12所述的方法，其中，所述机器人(1)在按第一种构型运动后按第二种规定的构型运动，以及接着将入射地点(Si)与一个或多个预定的第二入射地点(SS)进行比较。
14.按照权利要求13所述的方法，其中，所述一个或多个预定的第一入射地点(SS)与一个或多个预定的第二入射地点(SS)一致。
15.按照权利要求13所述的方法，其中，所述一个或多个预定的第一入射地点(SS)与一个或多个预定的第二入射地点(SS)不同。
16.按照权利要求6至10之一所述的方法，其中，在考虑机器人(1)参数的情况下，事先确定所述一个或多个预定的入射地点(SS)。
17.按照权利要求6至10之一所述的方法，此方法在医学器械正规运行之外实施。
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