CN102755168A - 用于控制便携式x射线系统的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“用于控制便携式X射线系统的系统和方法”。本文公开的发明主题涉及患者成像系统，以及更确切地说，涉及便携式X射线成像系统。在第一实施例中，呈现了一种患者成像系统(10)。患者成像系统(10)包括：配置成发射X射线的X射线源(14)以及配置成检测发射的X射线并获取患者图像数据的无线X射线检测器(18)。患者成像系统(10)还包括配置成初始化并准备患者成像系统(10)以进行X射线发射和检测的获取控制系统(12)。获取控制系统(12)还配置成从X射线检测器(18)接收获取的患者图像数据，并非确定性地控制X射线源(14)和无线X射线检测器(18)的操作。患者成像系统(10)还包括一个或多个用户接口(20、16)，其配置成指令获取控制系统(12)用户何时准备好患者成像系统(10)以进行初始化，准备X射线发射和检测，以及开始X射线发射和检测。

Description

用于控制便携式X射线系统的系统和方法

有关美国联邦资助的研究和开发的陈述

本发明是依据美国陆军医学研究和装备大队资助的合同编号W81XWH-08-2-0185(阶段I合同编号W81XWH-07-2-0013)、通过政府支持结合完成的。政府在本发明中拥有某些权利。

技术领域

本文公开的发明主题涉及患者成像系统，并且更确切地说，涉及便携式X射线成像系统。

背景技术

在医疗领域中，医生按惯例期望进行患者成像检查以便无创地评估患者的内部组织。虽然患者成像系统(如，X射线成像系统)通常存在于医院和医务室中，但患者必须能够移动到此类位置才能使成像得以执行。但是，某些设置(例如，乡村位置、发展中国家、战地医院等)可能需要便携的患者成像系统，以便可将它们携带到现场。除了便携性外，这些系统还必须是鲁棒的，以便应对系统运输和操作期间的环境限制和条件。

该领域中的一个重要新出现技术是无线X射线检测器。无线X射线检测器提供众多优点，包括便携性和简单架设。在包括无线X射线检测器的便携式患者成像系统中，一个难题是在潜在不可靠的无线通信链路上同步成像系统的多种活动。例如，因为患者成像包括将患者暴露于来自辐射源的辐射，所以重要的是以有效率的方式检测衰减的辐射以将检查的有效性最大化，同时将患者对辐射的暴露最小化。因此，重要的是能够同步辐射源和检测器的操作，以使穿过患者的辐射可恰当地被检测到而不会被不必要地浪费。但是，无线X射线检测器使用的无线通信链路与所有无线通信一样，承受噪声和干扰的影响。因为无线通信链路可能时常遭受吞吐量或等待时间的问题，所以通信链路在送交消息时可能不可用或延迟。

发明内容

在第一实施例中，呈现了一种患者成像系统。该患者成像系统包括：配置成发射X射线的X射线源和配置成检测发射的X射线并获取患者图像数据的无线X射线检测器。该患者成像系统还包括配置成初始化并准备患者成像系统以便进行X射线发射和检测的获取控制系统。该获取控制系统还配置成从X射线检测器接收获取的患者图像数据，并非确定性地控制X射线源和无线X射线检测器的操作。该患者成像系统还包括一个或多个用户接口，其配置成指令获取控制系统用户何时准备好患者成像系统以进行初始化，准备X射线发射和检测，以及开始X射线发射和检测。

在第二实施例中，呈现了一种控制患者成像系统的方法。该方法包括：从用户接收指令以启动患者检查，并向无线X射线检测器发送定义患者检查的参数的初始化清理(scrub)脚本、图像获取脚本、和偏移获取脚本。该方法还包括：指令无线X射线检测器执行初始化清理脚本，从用户接收准备X射线源以发射X射线的指令，以及指令X射线源准备发射X射线。该方法还包括：从用户接收开始从X射线源发射X射线的指令，指令无线X射线检测器执行图像获取脚本，以及从无线X射线检测器接收指示正在开始图像获取脚本的执行的消息。该方法还包括在无线X射线检测器执行图像获取脚本时指令X射线源发射X射线，并且在X射线源未发射X射线时指令无线X射线检测器执行偏移获取脚本。

在第三实施例中，呈现了一种使用X射线成像系统获取X射线图像的方法。该方法包括：经由第一用户接口指令获取控制系统准备无线X射线检测器以进行患者成像检查，经由第二用户接口指令该获取控制系统准备X射线源以进行辐射发射，并且一旦准备好无线X射线检测器进行获取且准备好X射线源进行发射，则经由第二用户接口指令该获取控制系统以激活X射线源发射辐射。

附图说明

当参考附图阅读下文详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在所有附图中，相似的符号表示相似配件，在附图中：

图1是图示根据本发明公开的多个方面的患者成像系统的实施例的框图；

图2是图示根据本发明公开的多个方面的手动开关的实施例的电路图；

图3图示根据本发明公开的多个方面的，用于同步患者成像系统的部件的活动的消息交换的实施例；

图4图示根据本发明公开的多个方面的，在执行初始化清理脚本的实施例时无线X射线检测器的活动；

图5图示根据本发明公开的多个方面的，在执行图像获取脚本的实施例时无线X射线检测器的活动；以及

图6图示根据本发明公开的多个方面的，在执行偏移获取脚本的实施例时无线X射线检测器的活动。

具体实施方式

本发明技术使用系统获取控制器在便携式患者成像系统的部件(例如，辐射源、检测器、用户接口等)之间交换一系列消息来同步它们的操作，从而解决前述同步问题。正如本文描述的，即使由于潜在无线通信复杂因素(例如，连接断开、高等待时间等)导致消息丢失或延迟，该系统控制器仍可以例如确保在激活辐射源之前准备作为整体的系统以进行辐射曝光。因此，正如本文描述的，在系统获取控制器可以仅使用有关源和检测器的内部状态的有限信息来执行功能的情况中，以非确定性的方式控制系统的多种部件是可能的。

转到图1，呈现了一种便携式X射线系统10的实施例。在这种实施例中，系统获取控制器12与X射线源14和手动开关16通信以及与无线X射线检测器18进行无线通信。在一实施例中，为了将便携性最大化，系统获取控制器12可以是膝上型计算机、笔记本计算机、平板计算机或任何此类通用便携式计算装置。X射线源14可以是X射线管、分布式X射线源(如，固态或热电子X射线源)或适于医学或其他图像的获取的任何其他X射线辐射源。无线X射线检测器可以是平面板无线X射线检测器，并且可以包括X射线检测单元的阵列、存储器、处理器以及无线通信接口。

系统获取控制器12控制便携式X射线系统10的操作，并用作系统部件之间的通信集线器，正如下文将更详细描述的。系统获取控制器12包括用户接口20和实时控制器22。用户接口20可以给予操作者如下的机会：输入有关正在成像的患者的信息，对检查作出注解，设置检查的参数等。实时控制器22负责以动态和/或同时发生的方式协商X射线源14、X射线检测器18、手动开关16和用户接口20之间的通信，正如下文将详细讨论的。系统获取控制器12还负责以无线方式从无线X射线检测器接收获取的图像和偏移数据，以便可以将该数据处理成图像。此外，系统获取控制器12还可以物理方式或无线方式连接到远程医疗接口24，以便能够经由因特网或卫星数据连接或作为备选使用GSM、CDMA或其他类似无线或蜂窝网络与远程数据系统交换患者数据。确切地，便携式X射线系统10可以使用前述通信方式的其中之一来与图片归档和通信系统(即，PACS)交换患者数据，以便不同位置处的其他人员可以获得对原始或处理的图像数据的访问。

在一实施例中，手动开关16是可以使用通用串行总线(USB)耦合到系统获取控制器12的手持控制器，正如图2中描绘的电路图所示。如图所示，手动开关16可以包括开关部件26、比较部件28和控制器部件30。开关部件26可以包括两级开关。当操作者使用开关的第一级选择“准备”模式时，将第一信号线路32连接到地34。当操作者使用开关的第二级选择“发射”模式，可以将第一32和第二36信号线路均连接到地34。控制器部件30将开关部件26与比较部件28桥接，比较部件28确定开关部件26的状态，并视情况而将“准备”或“发射”信号回送到控制器部件30。控制器部件30还包括通信控制电路(例如，USB微控制器38或串行微控制器)，该通信控制电路配置成处理手动开关16与系统获取控制器12之间的通信。在一实施例中，使用常见的USB标准接口可以使手动开关16能够容易地与不同的系统获取控制器12断开连接以及与之连接。

正如上文提到的，无线X射线检测器18与系统获取控制器12之间的无线通信链路可能由于环境干扰或其他因素而存在可靠性问题。为了克服此潜在问题，系统获取控制器12的实时控制器22编排一系列的消息交换以在时间上将多种系统部件的活动彼此协同。例如，图3呈现了图示系统操作期间便携式X射线成像系统10的部件之间的消息交换的实现。确切地说，图3图示患者成像检查期间无线X射线检测器18、实时控制器22、手动开关16、X射线源14和用户接口20之间的通信。在该图示中，在两个部件之间延伸的垂直箭头表示在相对的时间点处这两个部件之间的消息交换。应该注意因为两个部件(例如，实时控制器22与无线X射线检测器18)之间的消息交换可以使用标准联网协议(如，TCP)来进行，所以可以将消息交换分成一系列包来进行传输，并且还可以包括一个或多个确认消息的传输以确认原始消息的收到。

该成像过程可以开始于患者成像系统的初始化，在此期间，操作者可以使用用户接口20来输入有关患者的信息。例如，操作者可以将患者的姓名、年龄、性别等输入到图形用户界面。在一些实施例中，操作者可以仅将有关患者的最小量信息输入到系统中，例如序列号或筛选标识符。操作者还可以使用用户接口20来输入患者检查的参数(例如，正在成像的患者的区域、曝光次数、曝光的长度等)或另外指定成像协议。在输入信息之后，操作者可以向用户接口20指示检查可以开始。作为响应，用户接口20向实时控制器22发送消息40，其指示操作者已准备好开始检查过程。

在从用户接口20接收到操作者已准备好开始检查的消息40之后，实时控制器22向无线X射线检测器18发送包含一系列指令(即，脚本)的消息42。更确切地，实时控制器22向检测器18发送三个脚本：初始化清理脚本、图像获取脚本和偏移获取脚本。在其他实现中，可以将这些脚本存储在检测器18上的存储器中，以及消息42可以简单地促使指定的脚本加载到存储器中。这些脚本定义用于患者检查的检测器18参数。例如，这些脚本可以控制图像获取期间检测器18将收集X射线的时间长度(即，检测器曝光时间)。这些脚本还可以定义检测器18在图像获取之前以及之间获取和丢弃数据(通称为清理)的次数，以及清理周期之间的等待时间长度(即，清理延迟时间)。

在发送包含或调用脚本的消息42之后，实时控制器22向无线X射线检测器18发送另一个消息44以指令它开始执行脚本。检测器18通过执行初始化清理脚本46来响应。当执行初始化清理脚本46时，按规律的时间间隔清理检测器20，从而使检测器20的电子元件能够预热和平衡。重复清理检测器18可以起预热电子电路以及防止检测器18累积和无意地将噪声数据(例如，检测到宇宙X射线或电子噪声所产生的数据)并入图像或偏移获取期间收集的数据。

图4描绘了执行初始化清理脚本的实施例时无线X射线检测器18的行为。在图3中，多个方波描绘了检测器18的清理周期，其中峰80表示检测器18获取立即被丢弃的图像。获取之间规律的间隔是清理延迟时间82，如上文提到的，这是在初始化清理脚本46中由实时控制器22定义的。检测器18持续执行初始化清理脚本46，持续地清理直到实时控制器22后来以信号告知停止它为止。

转回到图3，当无线X射线检测器18执行初始化清理脚本46时，操作者可以例如定位患者、X射线检测器18和X射线源14以便获取特定患者图像。一旦将它们定位好，则操作者可以使用手动开关16来选择“准备”模式，然后手动开关16向实时控制器22发送消息48，其指示系统10准备好曝光和图像获取。相应地，实时控制器22在从手动开关16接收到消息48之后，向X射线源14发送消息50以准备发射(即，预热52)。消息50表示准备窗口54的开始，该准备窗口54是由X射线源14完全预热52并准备好54进行稳定的X射线发射的最大时间量定义的期间。正如图示所描绘的，虽然X射线源14在较早时间处实际上准备好54发射时，但缺乏有关X射线源14的状态的确定性信息的实时控制器22将不会在准备窗口54结束之前假定X射线源14已准备好发射。

在操作者已使用手动开关16选择“准备”模式之后的某个点处，操作者可以选择“发射”模式，这使手动开关16向实时控制器22发送患者准备好开始曝光和图像获取的消息56。但是，操作者无需在选择手动开关16上的“发射”模式之前知道X射线源14的状态。如图所示，操作者甚至可以在准备窗口54期间选择“发射”模式，在准备窗口54期间，X射线源14可能未准备好。因此，在进行下一个步骤之前，实时控制器22将等到准备窗口54结束为止。

在实时控制器22接收到操作者已使用手动开关16选择“发射”模式的消息56之后，以及在准备窗口54完成之后，实时控制器22向无线X射线检测器18发送消息58，以指令它开始执行图像获取脚本60。在如此执行之前，初始化清理脚本46可以指令检测器18向实时控制器22发送消息62以指示它将开始执行图像获取脚本60，并且检测器18可以直到实时控制器22接收到消息62之后才接着执行图像获取脚本。

在成功地交换消息62之后，检测器18开始执行图像获取脚本60，其指令检测器18执行指定次数的清理周期，然后才按指定的检测器曝光时间获取图像。图4图示执行图像获取脚本60的实施例时无线X射线检测器18的活动。与图3相似，图4描绘其中峰80表示数据获取的方波。检测器18首先完成一系列N个清理周期，其中数字N以及清理延迟时间82由实时控制器22在图像获取脚本60中来定义。在完成N个清理周期之后，检测器18对于检测器曝光时间84的范围收集X射线，该范围也是由实时控制器22在图像获取脚本60中定义的。最后，检测器获取86图像数据，将其存储在存储器中以便后来传输到系统获取控制器。

再次转到图3，实时控制器接收到检测器将要开始执行图像获取脚本60的消息62之后，向X射线源14发送等待(即，处于准备好状态54)发射66X射线的消息64。将此消息64发送到X射线源14标志曝光窗口68的开始，曝光窗口68是由X射线源14可以发射66X射线的最大时间长度定义的期间。如图所示，X射线源14可以仅对曝光窗口68的一部分来发射66X射线。在其他实现中，X射线源14可以对完整的曝光窗口来发射。

在曝光窗口68结束时，实时控制器22可以向X射线检测器18发送消息70，该消息70指令无线射线检测器18执行偏移获取脚本72。在其他实施例中，在执行偏移获取脚本72之前，检测器18替代地可以在完成图像获取脚本60之后(即，直到曝光窗口68外为止)等待一段的时间量。在某些实施例中，完成图像获取脚本60之后，检测器18可以自动恢复初始化清理脚本46的执行(即，如图4所示的重复清理周期)，直到从实时控制器22接收到消息70为止。例如，在完成图像获取脚本60之后，实时控制器22可以使检测器18能够执行初始化清理脚本46，直到检测器18已将获取的图像数据传送到实时控制器22为止，此时，实时控制器22可以向检测器18发送消息70以便开始偏移获取脚本72的执行。

偏移获取脚本72的目的是，获取偏移图像，也称为暗图像，这是在X射线源14未发射X射线时检测器18获取的图像。可以从获取的患者图像(即，X射线源发射X射线时获取的图像)减去偏移图像，以便减除检测器和/或本地环境中固有的背景噪声。因此，尽管不会有意将检测器对X射线曝光，但是用于获取偏移图像的检测器曝光时间84通常与用于患者图像获取的检测器曝光时间84匹配。

图5图示执行偏移图像获取脚本72的实施例时无线X射线检测器18的活动。与图3-4相似，图5描绘了其中峰80表示数据获取的方波。与图像获取脚本60的执行一样，在偏移获取脚本72的执行期间，检测器18首先完成一系列N个清理周期。数字N和清理延迟时间82由实时控制器22在偏移获取脚本72中定义。在完成N个清理周期之后，检测器18对检测器曝光时间84来收集X射线，即使X射线源14并没有在发射X射线。如上文提到的，用于偏移获取脚本72的检测器曝光时间84通常与用于图像获取脚本60的检测器曝光时间84相同。最后，检测器获取88偏移图像数据，将其存储以便后来传输到系统获取控制器12。

在一实施例中，操作者可以对每个后续图像/偏移获取重复地使用手动开关选择“准备”和“发射”模式。在每个图像/偏移获取之间，检测器18可以执行初始化清理脚本46，直到实时控制器22向检测器发送消息58来指示已连续地选择“准备”和“发射”模式以及准备窗口已完成为止。相应地，所指示的部分74标识图3中对于此实施例的后续图像获取重复的部分。此外，可以将所获取的图像和偏移数据存储在检测器的存储器中，直到每个图像获取(即，X射线图像和关联的偏移)完成为止，此后，无线检测器可以将该数据传递到系统获取控制器12以进行后续处理。

在图3所示的实施例中，有一系列防护措施，可以在实时控制器22的设计中实现，以确保在进行过程中的下一个步骤之前已满足某些条件。例如，在用户接口20向实时控制器22发送消息40以指示操作者准备好开始检查之前，使用手动开关16选择“准备”或“发射”模式将被系统10忽略。同样地，正如先前提到的，在如下所有条件被满足之前，实时控制器22将不向无线X射线检测器18发送消息58以以便开始执行成像获取脚本60：已使用手动开关16选择“准备”模式，已使用手动开关16选择“发射”模式，以及准备窗口54已完成。而且，在如下所有条件已满足之前，实时控制器22也将不向X射线源14发送消息64以发射66X射线：已选择“准备”和“发射”模式，准备窗口54已完成，以及检测器18已经发送消息62来指示它正在开始执行图像获取脚本60。

而且，上文描述的防护措施以及实时控制器22与无线X射线检测器18之间的消息交换的序列确保了发射仅在检测器18执行图像获取脚本60时进行，而无论无线网络的稳定性如何。例如，如果无线X射线检测器18在交换消息62(指示检测器18将要开始图像获取脚本60)之前变成与实时控制器22断开连接，则实时控制器22将在继续进行之前等待消息62，从而潜在地允许检测器有足够时间无线地重新连接到实时控制器22。在另一个示例中，实时控制器22与检测器18之间的无线通信链路可能由于环境噪声而存在高时延，从而延迟消息62从检测器18送达实时控制器22和/或延迟指示消息62已被实时控制器接收到的关联确认消息从实时控制器22送达检测器18。通过要求消息62成功地送达以及被确认之后实时控制器22或检测器18才继续操作，可以有效地将二者的动作同步。

本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，以及还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求定义，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。

10    X射线系统

12    系统获取控制器

14    X射线源

16    手动开关

18    X射线检测器

20    用户接口

22    实时控制器

24    远程医疗接口

26    开关部件

28    比较部件

30    控制器部件

32    第一信号线路

34    地

36    第二信号线路

38    USB微控制器

40    消息

42    消息

44    消息

46    初始化清理脚本

48    消息

50    消息

52    预热

54    准备窗口

56    消息

58    消息

60    图像获取脚本

62    消息

64    消息

66    发射

68    曝光窗口

70    消息

72    偏移获取脚本

74    时间线中指示的部分

80    峰

82    清理延迟时间

84    检测器曝光时间

86    检测器获取图像数据

88    检测器获取偏移数据

Claims (13)

1.一种患者成像系统(10)，包括：

X射线源(14)，其配置成发射X射线；

无线X射线检测器(18)，其配置成检测所发射的X射线并获取患者图像数据；以及

获取控制系统(12)，其配置成初始化并准备所述患者成像系统(10)以进行X射线发射和检测，从所述X射线检测器(18)接收所获取的患者图像数据，并且非确定性地控制所述X射线源(14)和所述无线X射线检测器(18)的操作；以及

一个或多个用户接口(20、16)，其配置成指令所述获取控制系统(12)用户何时准备好所述患者成像系统(10)以进行初始化，准备X射线发射和检测，以及开始X射线发射和检测。

2.如权利要求1所述的系统(10)，其中，所述患者成像系统(10)的初始化包括，将控制脚本(46、60、72)从所述获取控制系统(12)传输到所述X射线检测器(18)，其中所述控制脚本(46、60、72)定义患者成像检查的参数；以及指令所述X射线检测器(18)开始所述控制脚本(46、60、72)的执行。

3.如权利要求2所述的系统(10)，其中，所述控制脚本(46、60、72)包括初始化清理脚本(46)、图像获取脚本(60)、或偏移获取脚本(72)的其中一个或多个。

4.如权利要求2所述的系统(10)，其中，直到所述患者成像系统(10)已初始化并准备好进行X射线发射和检测，已向所述获取控制系统(12)指令所述用户准备好所述患者成像系统(10)以开始X射线发射和检测，以及所述无线X射线检测器(18)已信号告知所述获取控制系统(12)它准备好获取患者图像数据之后，所述获取控制系统(12)才允许所述X射线源(14)发射X射线。

5.如权利要求1所述的系统(10)，其中，所述一个或多个用户接口(20、16)包括计算机图形用户接口(20)，其配置成允许所述用户输入患者信息并向所述患者成像系统(10)指令所述用户准备好所述患者成像系统(10)以进行初始化。

6.如权利要求1所述的系统(10)，其中，所述一个或多个用户接口(20、16)包括手持控制器(16)，所述手持控制器(16)配置成允许所述用户向所述患者成像系统(10)指令所述用户准备好所述患者成像系统(10)以准备X射线发射和检测或开始X射线发射和检测。

7.如权利要求6所述的系统(10)，其中，所述手持控制器(16)包括手动开关(16)，其经由通用串行总线或其他串行接口耦合到所述获取控制系统(12)。

8.一种使用X射线成像系统(10)获取X射线图像的方法，包括：

经由第一用户接口(20)指令(40)获取控制系统(12)准备无线X射线检测器(18)以进行患者成像检查；

经由第二用户接口(16)指令(48)所述获取控制系统(12)准备(52)X射线源(14)以进行辐射发射；以及

一旦所述无线X射线检测器(18)准备好进行获取以及所述X射线源(14)准备好进行发射，则经由所述第二用户接口(16)指令(56)所述获取控制系统(12)激活所述X射线源(14)以发射(66)辐射。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一用户接口(20)是图形用户接口(20)，其配置成允许输入用于所述患者成像检查的患者数据和参数。

10.如权利要求8所述的方法，其中，所述第二用户接口(16)是包括两级开关的手持控制器，其中第一级指令(48)所述获取控制系统(12)准备(52)所述X射线源(14)以进行辐射发射，以及第二级指令(56)所述获取控制系统(12)激活所述X射线源(14)以发射(66)辐射。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述手持控制器(16)经由通用串行总线或其他串行接口耦合到所述获取控制系统(12)。

12.如权利要求8所述的方法，其中，当所述无线X射线检测器(18)完成初始化清理脚本(46)的执行并向所述获取控制器发送它正开始图像获取脚本(60)的消息(62)时，所述获取控制系统(12)确定所述无线X射线检测器(18)准备用于获取。

13.如权利要求8所述的方法，其中，在所述获取控制系统(12)指令(50)所述X射线源(14)准备辐射发射并且经过所述X射线源(14)预热的时间期间(54)之后，所述获取控制系统(12)确定所述X射线源(14)准备好进行辐射发射。

Images