CN102686001A - X射线装置和用于x射线装置的运动控制的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种X射线装置(1)，具有能够在上面按照相对的布置安装X射线源(3)和X射线探测器(4)的C弧(2)、用于相对于支承装置(15)定位C弧(2)的至少一个执行机构(5，6)和用于控制该至少一个执行机构(5，6)的控制装置(13)。所述X射线装置(1)包括至少一个传感器(11，12)，其在C弧(2)的第一位置上采集C弧(2)的变形并且传输到输出信号中，其中，C弧(2)的变形能够通过由操作人员施加的并且在C弧(2)的第二位置上直接或间接作用的力(7，8)来影响。控制装置(13)根据传感器(11，12)的输出信号影响执行机构(5，6)。此外，本发明还描述了一种用于X射线装置的运动控制的方法(70)。

Description

X射线装置和用于X射线装置的运动控制的方法
技术领域
本发明涉及一种X射线装置，具有在其上按照相对的布置可以安装X射线源和X射线探测器的C弧、用于相对于支承装置定位C弧的至少一个执行机构和用于控制该至少一个执行机构的控制装置。
背景技术
在血管造影、心脏学和神经学中的医学诊断和介入系统中目前使用多种X射线设备或X射线装置作为用于成像的基础。X射线设备通常构造为具有C弧，也称为C形臂。C弧通常包括X射线源和通过C形构造的通常为金属的连接支架在相对的位置上的X射线探测器。可以将C弧安装在所谓的支架上或安装在天花板(Decke)上。也可电机驱动的多个运动轴，构成X射线源和X射线探测器相对于检查对象、例如位于患者卧榻上的患者的灵活定位。C弧和其上安装的组件的定位也被称为C弧的移动。
在诊断检查或医学介入中通常多个人员，如医生、护士或医学技术助手，在检查室中忙碌。图1中示例性反映了这种情况，在该情况下患者1016卧于检查台1015上并且借助X射线装置1001来检查，该X射线装置包括了又是安装在支架1014上的C弧1002。通常的工作方式要求参与的医学人员的结构化的工作分工和各个人员的不同工作区域在治疗空间的合理划分。例如，治疗医生1004主要位于患者1016的侧面，护士1003靠近治疗医生1004，麻醉师1005的工作范围是患者1016的头部，助理护士1006具有最大的动作半径并且在工作区域1007中响应。可以理解的是，在检查期间人员的动作半径改变，有可能交叉。为了保证顺利的治疗过程，X射线装置的位置必须与改变的情况匹配。不同的拍摄位置还要求C弧1002的重新定位。在可自由定位的医学X射线系统中可以发生，在此需要复杂的运动来重新定位，所述复杂的运动要求良好培训的人员，以便利用通常的操作装置，例如在检查台上设置的操作棒或按键1010快速并且有针对地进行这点。此外还可以发生如下情形，即，简单的运动，例如改变X射线探测器的高度，可以由却是远离操作装置1010的人员来进行。
迄今为止C弧的位置和姿态通过操作模块来控制，该操作模块通常构造为操作棒和/或按键。这些模块安装在检查台或患者卧榻上、在手推车上或者在单独的空间(控制空间)中。此外，还存在具有有限的定位可能性的通常布置在X射线探测器旁的固定的操作开关。具有C弧系统的重量均衡的和容易操作的机械装置的附加的杠杆或把手，在紧急情况、例如在系统故障时用于解脱患者。在工业应用中还公知无线操作模块，所述操作模块通过无线电连接连接到系统。该方案意味着，操作元件或者固定安装在系统的确定位置上或者必须由使用者携带。
从DE102009004766A1公知了一种X射线装置，其组件部分借助X射线装置的缩小模型来设置，其中对模型组件部分的操纵被转移到对相应的组件部分的调整。该装置的缺陷是，缩小模型布置在中央的位置上并且通常仅由一个人操纵。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种X射线装置，其实现对X射线装置的运动的分散和直观控制。此外还要提供一种用于X射线装置的运动控制的方法。
本发明的基本思路是一种X射线装置，具有在其上按照相对的布置可以安装X射线源和X射线探测器的C弧、用于相对于支承装置定位C弧的至少一个执行机构和用于控制该至少一个执行机构的控制装置。X射线装置包括至少一个传感器，其在C弧的第一位置上采集C弧的变形并且传输到输出信号中，其中C弧的变形可以通过由操作人员施加的并且在C弧的第二位置上直接或间接作用的力来影响。控制装置根据传感器的输出信号影响执行机构。
X射线装置由此包括已知的组件，诸如：具有X射线源和X射线探测器的C弧、至少一个由控制装置控制可以将C弧带入期望位置的执行机构，其中期望位置涉及支承装置，例如以患者卧于其上的检查台形式的支承装置。执行机构通过控制装置的控制此时受到如下影响，即，操作人员(例如医生、护士或医学技术助手)在C弧的一个位置上施加一个力，即，操作人员相对于C弧按压该位置，由此该C弧(不仅是力所作用的位置)稍微弯曲或变形。在C弧的一般的其他位置上，C弧的变形借助传感器来测量。控制装置然后在考虑传感器输出信号的条件下控制执行机构。操作人员对C弧的力作用可以直接进行，即，操作人员相对于C弧上的位置按压。但是，当操作人员例如相对于X射线探测器、X射线源或相对于X射线装置的与C弧固定连接的其他组件按压时，力也可以间接作用于C弧。对于本发明重要的是，X射线设备的定位不再中央地由操作装置进行，而是通过测量由在C弧的多个可能位置上的按压引起的变形来启动。由此，C弧结构的大部分变成一种操作元件，即，C弧只能从一个位置、可能只能由一个人操作这一限制不再存在。通过采用较少的传感器，与实现类似效果的方案相比，可以降低执行的成本和复杂性。最后，该操作概念是直观的，从而不需要对操作人员进行开销大的培训，如对于例如通过按键或操作棒来说所需的那样。
控制装置可以是电子计算机。执行机构，也称为执行器，例如包括电机，必要时具有传动装置、液压或气动调节传动或它们的组等。执行机构允许C弧的定位，其中可以进行平移的、旋转的或混合的平移-旋转运动过程。传感器例如可以是电阻的、压电的、光学的、电感的或电容的传感器。
传感器优选实施为应变计、特别是作为单轴应变计或多轴应变计。缩写为DMS的应变计是用于采集拉伸或压缩变形的测量装置。最通常采用的测量效果是金属材料或半导体材料在变形时的电阻的改变。其他实施方式是电容的、压电的、光弹性的或机械的应变计。通常构造为在薄的塑料基底上由具有3μm至8μm厚度的电阻丝构成的测量光栅的金属应变计在小的形变时就已经改变其电阻并且由此最适合于作为应变传感器。根据应力状态的可测量的作用方向(单轴的、双轴的、三轴的或空间的应力状态)来区分单轴或多轴应变计。其他可以使用的实施方式例如在由Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH，Darmstadt，1989出版的Karl Hoffmann的“An Introduction to Measurements using StrainGages”中给出。
按照本发明的另一种优选实施方式，执行机构通过控制装置的影响产生C弧位置的改变，其中，位置改变的方向包括在由操作人员所施加的力的方向上的分量。
换言之，通过执行机构，例如电机，使得C弧在操作人员试图按压C弧的方向上运动。因为预先规定了执行机构的通常通过轴的运动方向，或者说平移移动可能性，所以足够的是，运动方向与力方向的一个分量一致。结果，操作人员得到如下印象，即，其所施加的力使得C弧基本上在力的方向上运动。这是对于电机支持地移动C弧的非常直观的方法。同时该方法改善了安全性，因为位置改变这样定向，使得C弧闪避该力并且当操作人员不再对C弧施加力时运动停止。安全性的进一步改善通过如下实现，即，在C弧碰撞或碰到障碍物时C弧与移动方向相反并且由此也与操作人员的力方向相反地变形，由此使得C弧的运动变慢或者停止。
在一种有利的扩展中，C弧的位置改变的速度取决于C弧变形的强度，其中C弧变形的强度借助传感器来采集。特别地，在C弧位置改变的速度和采集的C弧变形强度之间存在正相关。这就是说，移动速度取决于由传感器采集的C弧变形并且在探测到C弧大的变形时以比在采集到小的变形时更高速度移动。在此例如可以基于线性关系或按照一种查询表形式的变形-速度值对的对应。根据C弧的几何特性和传感器的定位，在变形强度和由操作人员施加的力的大小之间可以存在不同的关系。例如可以存在线性关系，即，C弧变形与施加的力成比例。但是变形也可以取决于施加力的位置，当例如杠杆作用具有影响时。利用该特征，移动方法更直观，因为由此给出了在力的强度和移动速度之间的容易理解的关系。
有利的是，传感器这样定位在C弧上或者集成在C弧中，使得在C弧变形时传感器的输出信号的改变大于在其他可能的在C弧上的定位或在C弧中的可能的集成的情况。
取决于C弧的几何特性，在外力作用的情况下C弧的不同位置上的变形是不同强烈的，即，传感器分别根据在C弧上的位置的不同来测量变形的不同强度。为了获得传感器的大的输出信号，合适的是，确定C弧的这样的位置，即该位置在特定的力作用情况下具有大的或最大的变形。该位置的确定可以通过一系列测量来进行，在所述一系列测量中在多个位置上测量传感器信号。另一种可能性在于，通过C弧的结构分析确定这样的位置，所述位置在应用定向的力的情况下具有比其他位置更大的变形。这样的结构分析可以通过数学计算来进行或者通过计算机支持的分析，例如基于有限元方法(FEM)。在其结构可以是C弧的机械结构模型的结构分析中特别应当考虑C弧的几何外观和材料特征。传感器的定位既涉及传感器的位置也涉及其取向，因为在给定的作用方向的情况下两个参数都对传感器信号具有影响。传感器可以安装在C弧上，例如通过粘结或其他固定方法或固定装置，或者其可以集成在C弧的材料中。在传感器位置的选择中，除了传感器对变形的大的灵敏度之外，关于作用方向的选择性也是一个标准。因此例如值得期望的是，C弧的变形在C弧不能被移动的方向上也可以不提供输出信号。X射线设备具有越多的运动轴，这点越是重要。同样合适的是，多个单轴工作的传感器或至少一个多轴工作的传感器这样定位，使得起作用的力的方向可以被再现。例如可以这样定位多个单轴的应变计，使得它们相对于力作用从不同的方向是不同地灵敏的并且由此通过单个传感器信号的线性组合可以再现力方向。此外其他边界条件，诸如好的可接近性、简单的固定可能性等在定位传感器时也起作用。
优选地，至少主要通过两个传感器来采集C弧的变形，其中传感器的输出信号的差被传输到控制装置。
其输出信号互相相减的两个传感器的使用，根据传感器的定位的不同一般来说具有如下优点，差信号相对于例如电压波动、温度波动、湿度波动、传感器材料波动或老化现象不太容易受到干扰，或者差信号具有更好的信号电平，即信噪比。在使用第一传感器、第二传感器(称为参考传感器)的情况下，参考传感器可以这样定位，使得C弧的变形不是主要作用于参考传感器的输出信号。但是参考传感器的输出信号在运行条件诸如温度或湿度或运行压力以与第一传感器相同的方式改变的情况下改变。通过形成差来补偿由于运行条件波动引起的传感器信号，从而只有通过C弧变形引起的传感器信号改变才被进一步处理。另一种可能性是，这样定位传感器，使得C弧的变形在参考传感器中以在第一传感器情况下相反方式改变，例如这样定位两个传感器，使得通过C弧的变形拉长第一传感器并且缩短参考传感器。两个传感器信号的差又补偿由运行条件引起的波动并且具有单个传感器双倍大的振幅。
按照另一个优选实施方式，X射线装置的传感器布置在桥式电路的相对的分支中并且桥式电路的电桥输出端电压被传输到控制装置。桥式电路、H电路、H桥或特别是惠斯通电桥是用于测量小的欧姆电阻改变的测量装置。特别是在使用传感器的情况下它们被作为量测换能器采用。它们是现有技术并且例如在U.Tietze und Ch.Schenk，“Halbleiter-Schaltungstechnik”，13.Auflage，Springer-Verlag，Berlin，Heidelberg，2010，第1056页之后中被描述。一般地，桥式电路由四个称为电桥电阻的电阻构成，其中至少一个电桥电阻通过电阻性传感器代表。电阻连接成封闭的环或连接成方形，其中，电压源位于一个对角线中，而电压差(所谓的对角线电压、桥接电压或电桥电压)在另一个对角线中被测量。在桥式电路中区分其中一个电桥电阻是可变的四分之一桥、其中两个电桥电阻是可变的半桥和其中四个电桥电阻是可变的全桥。不变的电桥电阻通常是具有按照传感器电阻的数量级的电阻值的平衡精密电阻。在使用至少两个传感器电阻的情况下优选这样进行其布置，使得电阻在C弧变形时相反地改变并且补偿例如由于温度波动、电压波动或湿度波动引起的相反的效果。
按照本发明的另一个优选实施方式，用于控制执行机构的控制装置考虑传感器的输出信号和对于传感器的输出信号的期望值，其中，对于传感器的输出信号的期望值借助C弧和/或X射线源和/或X射线探测器的结构模型来计算。
通过现代C弧系统的机械装置的由系统带来的灵活性，在通常应用的移动过程中，即例如没有通过操作人员或碰撞引起的附加的力的作用的移动过程中，也出现C弧的小的变形或弯曲。因为这些变形也通过传感器来采集，所以X射线设备的控制装置首先不会区分该固有的变形和通过外力作用引起的变形。借助其中考虑了C弧的几何外观和材料特征和X射线装置的与之相关的组件的结构模型，可以计算在没有外力作用的情况下传感器的输出信号的期望值。根据该比较，例如对于传感器的输出信号的期望值与测量的传感器输出值的差，可以推导出外力作用的数值和方向。结构模型可以包括分析数学模型，其参数通过预先规定，例如从材料表或从测量获得。结构模型参数可以代表C弧系统的物理特征，诸如X射线探测器的质量或C弧的弹性模块。但是还可以考虑这样的结构模型，其参数(所谓的拟合参数)不是直接与物理特征对应，并且其值通过一系列测量和优化方法来调整。对于旋转运动可能性通常在转角和变形之间以第一近似存在正弦关系。其他运动还可以具有线性、平方和其他关系。
合适的是，在计算对于传感器的输出信号的期望值时，考虑C弧和/或X射线源和/或X射线探测器的机械结构的，和/或C弧和/或X射线源和/或X射线探测器的组件的材料特征的，和/或C弧和/或X射线源和/或X射线探测器的位置，和/或C弧和/或X射线源和/或X射线探测器的运动的，和/或C弧和/或X射线源和/或X射线探测器的加速度的模型。C弧的机械结构、C弧的组件的材料特征、C弧的位置和取向、C弧的运动和C弧的加速度对于C弧的变形具有影响，而且不取决于外部力。如果例如在移动时加速C弧，则由于加速的质量的惯性，C弧弯曲。为于传感器信号的清楚解释，考虑该变形。除了C弧的建模，优选在模型中还考虑与C弧相连的组件，例如X射线探测器、X射线源、把手和其他结构，因为它们一般来说同样对X射线系统的静力学和动力学提供贡献。一般地成立，系统和X射线设备的动力学越被更精确地建模，期望值的质量越上升。X射线设备的考虑动力学的结构模型也可以称为X射线设备的动力学模型。与由操作人员施加的力相反，重力、加速力和惯性力可以被称为正则系统力。
本发明的另一个基本思路涉及一种用于X射线装置的运动控制的方法，所述X射线装置具有在其上按照相对的布置可以安装X射线源和X射线探测器的C弧、用于相对于支承装置定位C弧的至少一个执行机构和用于控制该至少一个执行机构的控制装置。至少一个传感器采集C弧的第一位置上的C弧变形并且将该变形传输到输出信号中，其中C弧的变形可以通过由操作人员施加的并且在C弧的第二位置上直接或间接作用的力来影响。控制装置根据传感器的输出信号影响执行机构。
该用于X射线装置的运动控制的方法特别优选包括以下方法步骤：
a)借助测量元件采集在C弧的第一位置上的C弧变形的测量值，所述测量元件包括至少一个传感器、特别是至少一个应变计，其中C弧的变形可以通过由操作人员施加的并且在C弧的第二位置上直接或间接作用的力来影响；
b)计算在C弧的第一位置上C弧变形的测量值的期望值，其中期望值借助结构模型或动力学模型来确定，所述模型考虑C弧和/或X射线源和/或X射线探测器的机械结构，和/或C弧和/或X射线源和/或X射线探测器的组件的材料特征，和/或C弧和/或X射线源和/或X射线探测器的当前位置，和/或C弧和/或X射线源和/或X射线探测器的当前运动，和/或C弧和/或X射线源和/或X射线探测器的当前加速度；
c)形成在C弧的第一位置上C弧变形的测量值与在C弧的第一位置上C弧变形的测量值的期望值之间的差；
d)借助特别是控制装置的组成部分的调节器这样计算控制信号，使得差在数值上的放大被抵消；
e)传输用于特别是执行机构的组成部分的调节元件的控制信号；
f)重复执行方法步骤a)至e)，直到满足中断标准，特别是通过操纵开关。
附图说明
以下详细描述的实施例是本发明的优选实施方式。
其他优选扩展从以下附图连同描述中得到。其中，
图1示意性示出了在利用X射线装置的医学诊断或介入期间的治疗环境；
图2示出了按照本发明的X射线装置的实施例；
图3以侧视图示出了本发明X射线装置的一部分的另一个实施例；
图4以前视图示出了本发明X射线装置的该部分的另一个实施例；
图5以C弧的前视图示出了应变计布置的例子；
图6以C弧的侧视图示出了应变计布置的例子；
图7示出了围绕y轴旋转运动的C弧的实施例；
图8示出了用于测量在x方向上的变形的桥式电路的实施例；
图9示出了用于测量在x方向上的变形的桥式电路的电桥电压的变化的实施例和所测量的值；
图10示出了用于测量在z方向上的变形的桥式电路的实施例；
图11示出了用于测量在z方向上的变形的桥式电路的电桥电压的变化的实施例和所测量的值；
图12示出了力支持的移动的过程的实施例；
图13示出了C弧的坐标系和运动矢量的实施例；
图14示出了用于X射线装置的运动控制的方法的实施例。
具体实施方式
图2示出了按照本发明的X射线装置1的实施例。其包括C弧2，在该C弧上按照相对的布置安装了X射线源3和X射线探测器4。C弧2与支架14相连。通过第一执行机构5，例如电机，可以在z方向上，即在垂直方向9上移动C弧2。通过第二执行机构6，例如具有齿轮传动的电机，可以将C弧2围绕与y轴平行的轴即围绕水平轴10旋转。通过C弧2的移动，X射线源3和X射线探测器4相对于支承装置15(此处是检查对象16(此处是患者)卧于其上的检查台)的位置改变。在C弧2上安装了第一传感器11和第二传感器12，它们作为应变计实施。如果操作人员，例如医生，在C弧2的上面的子区域上在z方向上施加第一力7，即，其在z方向上按压C弧，则C弧2的上面部分轻微地在z方向上变形。该变形作为压缩作用于第一传感器11的位置。该压缩通过第一传感器11来采集并且传输到例如电的输出信号中。输出信号被传输到控制装置13，例如电子计算机，其如下影响第一执行机构5，使得C弧2在方向19上，即在z轴的方向上运动。如果操作人员在C弧2的上面子区域上在x方向上施加第二力8，即，其在x方向上按压C弧，则C弧2的上面部分轻微地在x方向上弯曲。该弯曲作为拉伸作用于第二传感器12的位置。该拉伸通过第二传感器12来采集并且传输到输出信号。该输出信号被进一步传输到控制装置13，所述控制装置如下影响第二执行机构6，使得C弧2执行旋转运动20，即，围绕与y轴平行的轴的运动。例如构造为开关的操作单元21实现该运动的中断。可以看出X射线装置2的直观运动控制，其不要求专业知识：C弧2的侧面压力8使得C弧2在压力方向的方向20上旋转，直到达到了期望的位置并且操作人员结束按压8。在此按压点的位置不限于通过附图标记8表示的位置，而是可以在一个范围上改变。
图3以侧视图示出了按照本发明的X射线装置的一部分的另一个实施例。C弧2还是包括X射线源3、X射线探测器4、执行机构5和传感器11。通过在z方向上在C弧的上面区域中按压7C弧2，C弧的上面部分弯曲并且在此取形状22，X射线探测器4移动一段路径17。C弧的弯曲通过传感器11来采集。未示出的控制装置与传感器11相连，接收传感器信号并这样控制执行机构5，使得C弧2在方向19上，也就是在z方向上移动。
图4以前视图示出了按照本发明的X射线装置的该部分的另一个实施例。C弧2还是包括X射线源3和X射线探测器4。执行机构6可以使得C弧围绕y轴旋转，传感器12在C弧2上这样布置并且取向，使得其能够采集C弧2在x轴的方向上的弯曲。通过在x方向上在C弧的上面区域中按压C弧2，C弧的上面部分弯曲，其中X射线探测器4移动一段路径18并且在此取位置32。C弧的弯曲通过传感器12来采集。未示出的控制装置与传感器12相连，接收传感器信号并且这样控制执行机构6，使得C弧2在方向20上旋转。
图5以前视图示例性示出了在C弧2的一个片段上两个构造为单轴应变计的传感器的位置和取向。图3和图4的笛卡尔坐标系适用。在x方向上作用的并且将C弧2在x方向上变形的力几乎仅由第一应变计11采集，即，C弧2在x方向上的弯曲导致第一应变计11的电阻改变，而第二应变计12的电阻值基本不改变。
图6以侧视图示出了从图5中已知的具有构造为单轴应变计的两个传感器的C弧2的片段。图3和图4的笛卡尔坐标系再次适用。在z方向上作用的并且将C弧2在z方向上变形的力几乎仅由第二应变计12采集，即，C弧2在z方向上的弯曲导致第二应变计12的电阻改变，而第一应变计11的电阻值基本不变。
图7作为另一个实施例示出了具有X射线源3、X射线探测器4、执行机构6和传感器12的C弧2。C弧2从中心θ＝0°位置以偏转角θ31旋转。具有x-，y-和z-轴的笛卡尔坐标系与C弧2相连。除了重力28，外力8作用于X射线探测器4。传感器12构造为电阻性应变计系统，其可以采集C弧2在x方向和在z方向上的变形。为了测量在z方向上的变形，使用两部分的应变计，其传感器面这样定位，使得在C弧在z方向上变形的情况下将第一部分拉伸或压缩，而将第二部分压缩或拉伸。
图8示出了用于分析在x方向上灵敏的传感器12的一种可能的电子电路40。电路40是构造为半桥的桥式电路，其利用例如3V至15V的直流电压(通过上工作电压41和下工作电压42表示)工作。两个在桥式电路中对角线地布置的测量电阻44的代表了在x方向上灵敏的传感器12的电阻，其电阻值取决于图7的C弧2的在x方向上延伸的变形而改变。电子电路40的电阻45构造为平衡精密电阻，其电阻值处于测量电阻44的正常电阻值的数量级，例如120Ω。串联连接的电阻44和45分别形成分压器，在中点上的其电压随着测量电阻44的电阻值改变。通过电阻44和45的布置，中点的两个电压表现相反。从在中点的电位之间测量的并且称为电桥输出端电压的电压43中，可以推导出应变计的变形的大小和变形的方式，即拉伸还是压缩，并且由此可以推导出C弧2的变形。
图9举例示出了图8所示的电路40的电特性的图形分析。其在具有垂直轴46的图中示出以伏特为单位的电桥输出端电压43关于以度为单位的偏转角θ31。实线47相应于当没有外力8作用时在x方向上灵敏的传感器12的电桥输出端电压42。电桥输出端电压42的正弦形形状通过图7所示的在x方向上作用的重力28的分量来解释。在偏转角θ＝0°或θ＝180°的情况下C弧2在x方向上不变形。由此两个测量电阻44具有与其他电阻45相同的电阻值并且电桥输出端电压43为零。在其他偏转角的情况下C弧2由于重力28而稍微变形，由此电桥输出端电压43取不等于零的值。取决于变形的方向，电桥输出端电压43大于或小于零。对于偏转角θ＝30°，在没有外力作用的情况下得到大于零的电桥输出端电压48。如果外力8作用于C弧2上，则得到小于电桥输出端电压48的电桥输出端电压49。这点定性地通过如下来解释，C弧2通过重力28经受在负的x方向上的变形分量，其通过力8的作用部分地补偿，因为力8具有使得C弧2在正的x轴方向上变形的力分量。利用在没有外力作用的情况下偏转角θ和电桥输出端电压47关于偏转角θ的变化的知识通过与测量的电桥输出端电压49进行比较可以推导出外力8。输出端电压47作为偏转角θ的函数可以解释为额定曲线，该额定曲线与测量的实际值49进行比较。实际值49与额定值48的偏差被传输到控制装置，例如电子计算机，该控制装置然后例如借助调节算法控制图7所示的执行机构6。
图10示出了用于分析图7中的在z方向上灵敏的传感器12的电路的实施方式。电路50是构造为全桥的桥式电路，其利用通过以上工作电压51和下工作电压52作为特征的直流电压工作。两个在桥式电路中对角线地布置的第一测量电阻54代表了在z方向上灵敏的传感器12的第一部分的电阻，其电阻值根据图7所示C弧2在z方向上延伸的变形来改变。电子电路50的第二测量电阻55代表了在z方向上灵敏的传感器12的第二部分的电阻，其电阻值同样根据C弧2在z方向上延伸的变形来改变。然而，通过传感器12的定位的方式，测量电阻54和55的电阻值以相反方式改变，因为C弧2在z方向上的变形在传感器12的第一部分中作为拉伸或压缩起作用，而其在传感器12的第二部分中作为压缩或拉伸起作用。串联连接的测量电阻54和55分别形成分压器，在中点的其电压随着测量电阻54和55的电阻值改变。通过电阻54和55的布置，中点的两个电压在C弧变形时也相反地表现。从在中点的电位之间测量的并且被称为电桥输出端电压的电压53中，可以推导出应变计的变形的大小和变形的方式，即，关于z轴拉伸还是压缩，并且由此可以推导出C弧2的变形。
图11举例示出了图10所示电路50的电特性的图形分析。其在具有垂直轴56的图中示出以伏特为单位的电桥输出端电压53关于以度为单位的偏转角θ31。实线57相应于当没有外力8作用时在z方向上灵敏的传感器12的电桥输出端电压42。电桥输出端电压52的正弦形变化通过如下来解释，在偏转角θ＝0°或θ＝180°的情况下C弧2在z方向上最大变形，由此两个测量电阻54和55具有最大不同的电阻值，并且电桥输出端电压53由此取最大值。在其他偏转角的情况下C弧2由于重力28而较少变形，由此电桥输出端电压53取在最大值之间的值。对于偏转角θ＝90°或θ＝270°，电桥输出端电压53理想地等于零。对于偏转角θ＝30°，在没有外力作用的情况下得到电桥输出端电压58。如果外力8作用于C弧2上，则得到大于电桥输出端电压58的电桥输出端电压59。这点定性地通过如下来解释，C弧2通过重力28经受在负的z方向上的变形分量，其通过力8的作用进一步加强，因为力8具有使得C弧2同样在负的z轴方向上变形的力分量。利用在没有外力作用的情况下偏转角θ和电桥输出端电压57关于偏转角θ的变化的知识通过与测量的电桥输出端电压59进行比较可以推导出外力8。输出端电压57作为偏转角θ的函数又可以解释为额定曲线，该额定曲线与测量的实际值59进行比较。实际值59与额定值58的偏差被传输到控制装置，该控制装置然后例如借助调节算法控制图7所示的执行机构6。
图12示意性示出了C弧2的力支持的移动过程的实施例。C弧2包括X射线源3和X射线探测器4。未示出的人的外力8施加在X射线探测器4上，其由此在第二位置32上按压并且同时使得C弧2稍微变形。构造为应变计12和参考应变计52的传感器系统采集C弧2的变形并且在流程步骤61中将应变计12的输出信号和参考应变计52的输出信号的差信号传输到控制装置13。控制装置13例如借助结构模型或动力学模型利用电子计算机计算C弧2在传感器系统的位置上的变形的测量值的期望值，所述模型考虑C弧2的机械结构、C弧2的组件的材料特征、C弧2的当前位置、C弧2的当前运动和C弧2的当前加速度。从C弧2的变形的测量值的期望值与变形的实际测量值的比较，例如通过形成差，计算在传感器的位置上作用于C弧2的或者在C弧2的其他位置上的外力的方向和数值。根据外力的方向和数值的信息，控制装置13这样计算用于执行机构6的控制信号，使得差的数值上的放大被抵消，即，结构模型或动力学模型还包括在调节算法中考虑的执行机构的建模。在流程步骤62中优选将地电子控制信号传输到执行机构6。例如构造为电机的执行机构6在流程步骤63中将电子控制信号转换为机械运动或机械转矩，由此在方向20上移动C弧，该方向包括外力的至少一个方向分量。优选整个流程连续地或按照短的顺序(例如每秒五十次)重复，从而方法处理没有明显延迟地跟随操作人员的改变的运动要求。当例如操纵了断开开关时，该处理结束。
图13示例性示出了具有X射线源3和X射线探测器4的C弧2的可能的坐标系和运动矢量。为了描述C弧2在空间的位置优选使用局部坐标系，该坐标系固定在C弧2的中央点上，所谓的Tool Center Ponit(工具中心点)，TCP，并且与C弧2一起相对于位置固定的参考系运动。该局部的固定于C弧2上的坐标系包括坐标轴CPx 91、TCPy 92和TCPz93，参考系包括坐标轴TCPφ94、TCP
Figure BDA0000140913230000121
95和TCPγ96。C弧2可以进行在坐标系98的各个轴的方向上的平移运动或其线性组合或者在运动箭头99的方向上的平移运动。此外C弧2具有运动分量97，在该运动分量中所谓的源-图像-距离、即在X射线源3和X射线探测器4之间的距离可以被改变。
图14最后示意性示出了用于X射线装置的运动控制的方法的实施例。运动控制也应当理解为具有封闭的作用链的移动，即，严格来说闭环运动调节的情况。待影响的系统(即受控系统)是C弧71，通过作用点、力方向和力的数值限定的外力作为干扰量81作用在该C弧上。由于作用的外力和可弯曲的C弧71，C弧71不仅在外力所作用的位置上变形。构造为应变传感器的测量元件72将在一般不同于外力的作用点的位置上测量的物理测量量、即材料拉伸82转换为电测量信号83。借助C弧71的结构模型73或动力学模型，计算在传感器的测量位置上C弧71变形的电测量值的期望值85。结构模型73考虑C弧71的机械结构、C弧71的组件的材料特性以及给定参数84，诸如C弧71的当前位置、C弧71的当前运动和C弧71的当前加速度。同样，在结构模型73中考虑与C弧相连的组件的机械结构、材料特性和动力学。差元件74形成在测量位置上C弧71变形的测量值83与在该测量位置上C弧71变形的测量值的期望值85之间的差。差86是外力将C弧71除了C弧71由于重力和惯性力变形之外变形多少的度量。优选作为调节算法在电子计算机实现的调节器75从差86中计算控制参数，该控制参数优选作为电控制信号87被传输到包括了执行机构(例如电机)的调节元件76。调节元件76根据控制信号87利用力88或角动量加速C弧71，由此C弧71的位置可以改变。这样构造调节算法，使得C弧71的位置的改变抵消差86的数值上的放大。该过程连续地或以短的顺序重复直到满足中断标准，该中断标准特别可以是操纵断开开关。

Claims (11)

1.一种X射线装置(1)，具有能够在上面按照相对的布置安装X射线源(3)和X射线探测器(4)的C弧(2)、用于相对于支承装置(15)定位该C弧(2)的至少一个执行机构(5，6)和用于控制该至少一个执行机构(5，6)的控制装置(13)，其特征在于，
所述X射线装置(1)包括至少一个传感器(11，12)，该传感器在C弧(2)的第一位置上采集C弧(2)的变形并且传输到输出信号中，其中，C弧(2)的变形能够通过由操作人员施加的并且在C弧(2)的第二位置上直接或间接作用的力(7，8)来影响，并且所述控制装置(13)根据所述传感器(11，12)的输出信号来影响所述执行机构(5，6)。
2.根据权利要求1所述的X射线装置(1)，其特征在于，所述传感器(11，12)包括至少一个应变计、特别是单轴应变计或多轴应变计。
3.根据上述权利要求中任一项所述的X射线装置(1)，其特征在于，所述执行机构(5，6)通过所述控制装置(13)的影响产生C弧(2)位置的改变，其中，位置改变(19，20)的方向包括在由操作人员施加的力(7，8)的方向上的分量。
4.根据权利要求3所述的X射线装置(1)，其特征在于，所述C弧(2)的位置改变的速度取决于借助所述至少一个传感器(11，12)所采集的C弧(2)变形的强度，特别地，在C弧的位置改变(19，20)的速度和借助所述传感器(11，12)所采集的C弧(2)变形强度之间存在正相关。
5.根据上述权利要求中任一项所述的X射线装置(1)，其特征在于，所述传感器(11，12)这样设置在C弧(2)上或者集成在C弧(2)中，使得在C弧(2)变形时所述传感器(11，12)的输出信号的改变大于在其他可能的在C弧(2)上的设置或在C弧(2)中的可能的集成的情况。
6.根据上述权利要求中任一项所述的X射线装置(1)，其特征在于，所述C弧(2)的变形至少主要通过两个传感器(12，52)来采集并且所述传感器(12，52)的输出信号的差被传输到所述控制装置(13)。
7.根据权利要求6所述的X射线装置(1)，其特征在于，所述传感器(11，12)布置在桥式电路(40，50)的相对的分支中并且所述桥式电路(40，50)的电桥输出端电压(43，53)被传输到所述控制装置(13)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的X射线装置(1)，其特征在于，用于控制执行机构(5，6)的所述控制装置(13)考虑所述传感器(11，12)的输出信号和对于该传感器(11，12)的输出信号的期望值(85)，其中，借助C弧(2)和/或X射线源(3)和/或X射线探测器(4)的结构模型(73)来计算对于所述传感器(11，12)的输出信号的期望值(85)。
9.根据权利要求8所述的X射线装置(1)，其特征在于，在计算对于所述传感器(11，12)的输出信号的期望值时，考虑C弧和/或X射线源和/或X射线探测器的机械结构的，和/或C弧和/或X射线源和/或X射线探测器的组件的材料特征的，和/或C弧和/或X射线源和/或X射线探测器的位置，和/或C弧和/或X射线源和/或X射线探测器的运动的，和/或C弧和/或X射线源和/或X射线探测器的加速度的模型。
10.一种用于X射线装置的运动控制的方法(70)，所述X射线装置具有能够在上面按照相对的布置安装X射线源(3)和X射线探测器(4)的C弧(2)、用于相对于支承装置(15)定位该C弧(2)的至少一个执行机构(5，6)和用于控制该至少一个执行机构(5，6)的控制装置(13)，其特征在于，
至少一个传感器(11，12)采集C弧(2)的第一位置上的C弧(2)变形并且将该变形传输到输出信号中，其中，所述C弧(2)的变形能够通过由操作人员施加的并且在C弧的第二位置上直接或间接作用的力(7，8)来影响，并且所述控制装置(13)根据所述传感器(11，12)的输出信号来影响所述执行机构(5，6)。
11.根据权利要求10所述的用于X射线装置的运动控制的方法(70)，包括以下方法步骤：
a)借助测量元件(72)采集在C弧(2)的第一位置上的C弧(2)变形的测量值(83)，所述测量元件包括至少一个传感器(11，12)、特别是至少一个应变计，其中，C弧(2)的变形能够通过由操作人员施加的并且在C弧的第二位置上直接或间接作用的力(7，8)来影响；
b)计算在C弧(2)的第一位置上C弧(2)变形的测量值的期望值(85)，其中，借助结构模型(73)或动力学模型来确定所述期望值(85)，所述结构模型或动力学模型考虑C弧(2)和/或X射线源(3)和/或X射线探测器(4)的机械结构，和/或C弧(2)和/或X射线源(3)和/或X射线探测器(4)的组件的材料特征，和/或C弧(2)和/或X射线源(3)和/或X射线探测器(4)的当前位置，和/或C弧(2)和/或X射线源(3)和/或X射线探测器(4)的当前运动，和/或C弧(2)和/或X射线源(3)和/或X射线探测器(4)的当前加速度；
c)形成在C弧(2)的第一位置上C弧(2)变形的测量值(83)与在C弧(2)的第一位置上C弧(2)变形的测量值的期望值(85)之间的差；
d)借助特别作为控制装置(13)的组成部分的调节器(75)这样计算控制信号(87)，使得差(86)在数值上的放大被抵消；
e)传输用于特别是作为执行机构(5，6)的组成部分的调节元件(76)的控制信号(87)；
f)重复执行方法步骤a)至e)，直到满足中断标准，特别是通过操纵开关(21)。
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