CN103697859A

CN103697859A - 一种用于测量倾斜角的测量装置和一种医疗设备

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Publication number: CN103697859A
Application number: CN201210375759.9A
Authority: CN
Inventors: 丁吉昌; 李钢; 杨巍
Original assignee: Siemens Shanghai Medical Equipment Ltd
Current assignee: Siemens Shanghai Medical Equipment Ltd
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-04-02

Abstract

本发明公开了一种测量装置，用于测量一旋转装置的倾斜角，该旋转装置绕一旋转轴旋转，还公开了一种医疗设备。所述测量装置包括：两个加速度计，布置在所述旋转装置上，并且所述两个加速度计的连线经过所述旋转轴，所述两个加速度计分别测量同一倾斜角时的切向加速度分量和法向加速度分量；一个微程序控制器，用于对所述两个加速度计所测量的切向加速度分量和法向加速度分量进行计算，以获得所述旋转装置的倾斜角；以及一连接电路，用于连接所述两个加速度计与微程序控制器。根据本发明的测量装置具有寿命长、成本较低、测量装置精度高并且检测范围大的优点。

Description

一种用于测量倾斜角的测量装置和一种医疗设备

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种用于测量一绕旋转轴旋转的旋转装置的倾斜角的测量装置，还涉及一种包括该测量装置的医疗设备，尤其涉及用于测量乳腺X线照相系统（Mammo system）。

背景技术

目前，人们常利用电位计和编码器来测量绕旋转轴旋转的旋转装置的移动速度和倾斜角，以使绕旋转轴旋转的旋转装置准确定位。这些方式应用于许多传统的电机控制的技术方案中。例如，在大多数乳腺X线照相系统中，就是采用这些方式来测量旋转机架的移动速度和倾斜角。

其中，电位计的成本较低，通常每2-3年就要更换一次电位计，但乳腺X线照相系统的寿命是10年，那么频繁更换电位计会增加维护成本。

编码器一般分为两类。第一类编码器只记录移动速度但无法记忆当前绝对位置，因此需要软件实时记录当前速度，并且换算成角度记录下来。而第二类编码器则既能记录移动速度又能记忆绝对位置，但成本会比第一类编码器高。

因此，需要研发新的技术方案来测量绕旋转轴旋转的旋转装置的倾斜角。

发明内容

有鉴于此，本发明意欲提出一种新的测量装置，用于测量一旋转装置的倾斜角，所述旋转装置绕一旋转轴旋转，以较低成本来测量旋转装置的旋转角。本发明还欲提出一种包括该测量装置的医疗设备。

根据本发明实施例提供了一种测量装置，用于测量一绕一旋转轴旋转的旋转装置的倾斜角，该测量装置包括：

两个加速度计，布置在所述旋转装置上，并且所述两个加速度计的连线经过所述旋转轴，所述两个加速度计分别测量同一倾斜角时的切向加速度分量和法向加速度分量；

一个微程序控制器，用于对所述两个加速度计所测量的切向加速度分量和法向加速度分量进行计算，以获得所述旋转装置的倾斜角；以及

一连接电路，用于连接所述两个加速度计与微程序控制器。

上述测量装置的成本较低，因为市售的单个加速度计价格约在3美金左右。

另外，由于加速度计极为耐用，并且测量装置的器件集成化、无磨损，从而使得该测量装置使用寿命较长，无需频繁更换，例如乳腺X线照相系统的一般10年的寿命内无需更换。

另外，由于无需实时存储当前角度，所以软件设计相对简单，使得该测量装置易于实现。并且，开机后可以读取当前角度。

此外，加速度计（即，传感器）放置位置较为自由，利于机械机构设计，从而更便于实现该测量装置。

进一步，该测量装置的采样精度较高，可以测量0.2度的运动，可以实现360度范围内全角度检测。

可选地，所述两个加速度计到所述旋转轴的距离相等。

可选地，所述两个加速度计在与所述旋转轴垂直的方向上共面。

可选地，所述两个加速度计与所述旋转轴的距离在10-200cm的范围内，优选地在20-50cm的范围内。

根据一种实施方式，至少一个加速度计为ADXL345加速度计。

具体地，所述加速度计根据以下公式计算倾斜角：

其中，θ为倾斜角，arctan()为反正切函数，A_{X_OUT}为两个加速度计测得的切向加速度分量的平均值，A_{Y_OUT}为任一加速度计测得的法向加速度分量、或者为两个加速度计测得的法向加速度分量的平均值。

优选地，所述微程序控制器还用于根据切向加速度分量和法向加速度分量的正负确定倾斜角在360度范围内的一个值。

根据一种实施方式，所述微程序控制器还用于根据切向加速度分量和法向加速度分量的正负确定倾斜角在360度范围内的一个值，其中，

在满足操作数

为正、A_{X_OUT}为正以及A_{Y_OUT}为正其中任意两者时，确定倾斜角在0-90度范围内的一个值；

在满足操作数

为负、A_{X_OUT}为正以及A_{Y_OUT}为负其中任意两者时，确定倾斜角在90度至180度范围内的一个值；

在满足操作数

为正、A_{X_OUT}为负以及A_{Y_OUT}为负其中任意两者时，确定倾斜角在-180度至-90度范围内的一个值；

在满足操作数

为负、A_{X_OUT}为负以及A_{Y_OUT}为正其中任意两者时，确定倾斜角在-90度至0度范围内的一个值。

可选地，所述微程序处理器用于进一步在满足操作数

为负、A_{X_OUT}为正以及A_{Y_OUT}为负其中任意两者时，将

确定为倾斜角；在满足操作数

为正、A_{X_OUT}为负以及A_{Y_OUT}为负其中任意两者时，将确定为倾斜角。

根据本发明另一实施例，提供了一种医疗设备，其包括：

一绕一旋转轴旋转的旋转机架；和

和一如上所述的测量装置，用于测量旋转机架的倾斜角。

具体地，该医疗设备为一种乳腺X线照相系统、C形臂X光机等。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1示出本发明实施例的测量装置的示意图。

图2示意性示出本发明实施例的两个加速度计与微程序控制器的电路连接。

图3a和3b示出在两个不同倾斜角下加速度计的切向加速度分量（X轴）和法向加速度分量（Y轴）。

图4为倾斜角和加速度计输出加速度的函数的图象。

图5示出根据切向加速度分量和法向加速度分量的正负来确定加速度的象限的示图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。

图1示出根据本发明实施例的测量装置的示意图，该测量装置能够用于测量一绕一旋转轴旋转的旋转装置的倾斜角。其中两个加速度计110和120布置在旋转轴200的两侧，同时地随着旋转装置一起转动，图中示出了两个加速度计在两个不同倾斜角的状态下的位置。两个加速度计110和120沿该旋转轴200方向的正投影位于穿过该旋转轴200的同一直线上，换言之，两个加速度计110和120的连线经过旋转轴200。

两个加速度计110和120到旋转轴200的距离可以相等也可以不相等。优选相等，在相等的条件下计算倾斜角更加方便。理论上来说，加速度计110和120各自到旋转轴200的距离越远，计算精度越高，但是，实际应用中该距离会受到设备本身以及环境条件的限制。因此，加速度计110和120各自到旋转轴200的距离可以根据需要和条件灵活选择，只要能够满足设计要求即可。例如，对于某些应用，该距离在10-200厘米（cm）的范围内可任选，更具体地，在20-50厘米的范围内任选，更具体地，可以为20厘米、30厘米或40厘米等。

图1中的两个加速度计110和120可以以各种方式与旋转装置连接而一起绕旋转轴旋转，只要能够满足上述布置要求即可。

图中的旋转轴200的形状仅是示意，该旋转轴的最根本特征是具有一条位置保持不变的轴线，在实际设备中，该旋转轴可以是一条轴线，旋转的结构件绕该轴线旋转；该旋转轴也可以是一个实际的转轴，该转轴的转动带动其它结构件转动；该旋转轴也可以就是旋转结构件本身，该旋转结构件具有中心轴线。该旋转轴在横向方向可以为具有不同形状的结构，例如可以为中空，具有变直径；而且绕该旋转轴旋转的旋转装置也可以与该旋转轴连接为一体而一起旋转。当图1中的两个加速度计110和120布置在旋转装置上时，这两个加速度计可以直接安装在旋转装置上，也可以通过连杆固定在旋转装置上。

图2示意性示出图1所示实施例的电路连接、控制和计算。如图所示，两个加速度计110和120均采用亚德诺半导体公司（简称ADI，Analog Devices,Inc.）市售的ADXL345加速度计（该加速度计的具体信息可从该公司的如下网页获得：http://www.analog.com/zh/mems-sensors/mems-inertial-sensors/adxl345/products/product.html），通过一连接电路400与微程序控制器（MCU）300的接口连接，从而与微程序控制器300交换数据，微程序控制器300则根据两个加速度计110和120均测量的切向加速度分量和法向加速度分量数据进行计算，以获得绕旋转轴旋转的旋转装置的倾斜角。

ADXL345加速度计是一种微小、轻薄、低功耗的三轴加速度计，测量分辨率很高，固定分辨率为10位，而全分辨率在±16g时高达13位。ADXL345加速度计可以通过SPI（3或4线）或I²C数字接口输出数据。

对于以上用于测量绕旋转轴旋转的旋转装置的倾斜角的测量装置，更具体地，是应用于乳腺X线照相系统的测量装置，其旋转机架是绕旋转轴旋转的旋转装置，旋转轴200是旋转机架的转轴，该测量装置用于测量旋转机架的倾斜角。两个加速度计110和120布置在旋转机架上并且在旋转轴200的两侧，采用前面所述的方式连接在旋转机架上随架该机架一起旋转。两个加速度计可以放置于距离旋转轴轴心20-50cm的范围内。

下面具体说明如何利用加速度计计算和控制绕旋转轴旋转的旋转装置的倾斜角。

图3a和3b示出在两个不同倾斜角下加速度计的X轴方向的切向加速度分量和Y轴方向的法向加速度分量。当加速度计处于静止时，加速度的激励因素仅与重力（g）相关。因此，能够利用加速度计测量切向加速度分量和法向加速度分量，从而利用所测量的切向加速度分量和法向加速度分量来计算倾斜角。

X轴方向的切向加速度分量与倾斜角的正弦成比例。由于与切向加速度分量正交，Y轴方向的法向加速度分量与倾斜角的余弦成比例。图4所示的倾斜角和输出加速度（包括切向加速度分量和法向加速度分量）的函数的图象显示出了上述关系。

一种利用加速度分量计算倾斜角的方法是计算切向加速度分量的反正弦和法向加速度分量的反余弦，类似于计算单轴的方法。但是，更容易和高效的方法是利用切向加速度分量与法向加速度分量的比来计算倾斜角，以下示出具体的计算公式。

\frac{A_{X_OUT}}{A_{Y_OUT}} = \frac{1 g \times \sin (θ)}{1 g \times \cos (θ)} = \tan (θ)

由此，

θ = \arctan (\frac{A_{X_OUT}}{A_{Y_OUT}})

其中，A_{X_OUT}为切向加速度分量，A_{Y_OUT}为法向加速度分量，g为重力加速度，1g表示一个重力加速度，tan()为正切函数，arctan()为反正切函数，θ为倾斜角。倾斜角的单位为弧度或者度，在本发明实施例里面以度（degree）为例。

因为切向加速度分量和法向加速度分量的输出值取决于倾斜角的正弦或余弦，且正弦和余弦函数的倾斜角相等，所以加速度计的最小可解析角度等于最低可解析加速度。

如果使用10位固定分辨率的加速度计，例如ADXL345，则输出范围是±2g，最小可解析加速度是0.0039g。最小加速度能够转化为最小角度，公式是

由此，加速度计可能探测到的最小倾斜度是0.2度。

利用加速度计进行倾斜角检测的基本前提是加速度只与重力相关。实际上可对信号输出进行信号处理，以消除其中的高频部分，因而可以接受一定的可变加速度(ac acceleration)。倾斜检测利用重力矢量及其在法向和切向上的投影来确定倾斜角。由于重力为恒定加速度(dc acceleration)，因此任何额外加入的恒定加速度都会破坏输出信号并导致错误计算。

造成额外恒定加速度的因素可以是机架旋转导致的线性加速度。例如，通常乳腺X线照相系统的旋转机架的运动速度为15±3°/s，加速时间为0.4s，加速度计放置于距离轴心20-50cm的范围内。

对于加速度α，

α = \frac{dω}{dt} = \frac{d^{2} θ}{{dt}^{2}},

其中，ω为角速度，θ为倾斜角，t为时间。

利用以下公式换算为切向线性加速度，

α = \frac{a_{T}}{r}

其中，ω是角速度，a_T是切向线性加速度，r是曲率半径即加速度计距离旋转轴轴心的距离。

例如，在乳腺X线照相系统正常旋转运动过程中，切向线性加速度大约为0.15-0.325m/s²,大致相当于0.015g-0.0325g。

由此，为了实现更高精度的检测，本发明引入第二个加速度计用于消除旋转装置旋转的额外恒定加速度。

例如，如图1所示，当两个加速度计位于旋转轴心的两侧，并且处在对称位置上时，若取静止状态下的切向加速度分量为X，则在运动过程中，

一个加速度计所测的的切向加速度分量为：

X1=X-a_T;

另一个加速度计所测的的切向加速度分量为：

X2=X+a_T,

由此，取A_{X_OUT}=（X1+X2）/2，即将两个加速度计测得的切向加速度分量的平均值作为计算倾斜角所用的切向加速度分量A_{X_OUT}。

通过取两个加速度计所测量的切向加速度分量的平均值，能够去除机架旋转装置旋转而造成的恒定加速度分量的影响。

通常，两个加速度计所测的法向加速度分量不受额外恒定加速度的影响（如图1所示），当距离相等时值也相等，只是切向加速度分量受额外恒定加速度的影响，两个加速度计所测的法向加速度分量相同。由上面的计算式可知，通过取平均值，能够去除旋转装置旋转而造成的恒定加速度分量的影响。

本发明实施例中用来计算倾斜角的法向加速度分量A_{Y_OUT}可以是任一加速度计所测得的法向加速度分量Y1或者Y2，也可以是两个加速度计测得的法向加速度分量Y1和Y2的平均值，即A_{Y_OUT}=(Y1+Y2)/2。

进一步，本发明另一实施例还能够提供360°范围内的倾角，而不仅是0-90°（例如0至360°，或者-180°至+180°，下面以-180°至+180°为例进行说明）。图5示出根据切向加速度分量（X轴方向）和法向加速度分量（Y轴方向）的正负来确定加速度的象限（象限I为0°至90°；象限II为90°至180°；象限III为-180°至-90°；象限IV为-90°至0°）的示图。

采用两轴检测能够对各个象限进行区分，并能在整个360度内测量角度。如图5所示，每个象限均拥有与x轴和法向加速度分量相关联的不同符号组合。

微程序控制器可以根据切向加速度分量和法向加速度分量的正负确定倾斜角在360度范围内的一个值。例如，根据切向加速度分量的正负和法向加速度分量的正负来确定倾斜角在360度范围内的一个值。

进一步，考虑上面描述的操作数

微程序控制器可以根据切向加速度分量的正负、法向加速度分量的正负、以及操作数

的正负这三者中的任意两者来确定倾斜角在360度范围内的一个值。

具体而言，微程序控制器在满足操作数

为正、A_{X_OUT}为正以及A_{Y_OUT}为正其中任意两者时，确定倾斜角在0-90度范围内（象限I）的一个值。例如，微程序控制器可以直接给出倾斜角

微程序控制器在满足操作数

为负、A_{X_OUT}为正以及A_{Y_OUT}为负其中任意两者时，确定倾斜角在90度至180度范围内（象限II）的一个值。例如，微程序控制器可以给出倾斜角

在满足操作数

为正、A_{X_OUT}为负以及A_{Y_OUT}为负其中任意两者时，确定倾斜角在-180度至-90度范围内（象限III）的一个值。例如，微程序控制器可以给出倾斜角为

在满足操作数

为负、A_{X_OUT}为负以及A_{Y_OUT}为正其中任意两者时，确定倾斜角在-90度至0度范围内（象限IV）的一个值。例如，微程序控制器可以直接给出倾斜角

更简单地说，是根据切向加速度分量和法向加速度分量的正负来确定倾斜角的象限。计算倾斜角θ时先计算的是

即先计算出-90°至+90°范围内的值，然后根据倾斜角θ所处的象限来确定实际角度。

以上描述了本发明实施例的用于测量绕旋转轴旋转的旋转装置的倾斜角的测量装置及测量该倾斜角的方法，本发明实施例的技术方案的具有以下诸多优势。

由于加速度计的极为耐用，因而，本发明实施例的测量装置的器件集成化、无磨损，从而能够具有较长的寿命，可以保证在设备整个生命周期内无需频繁更换测量装置，例如乳腺X线照相系统一般10年的寿命内无需更换。

测量装置的成本较低。例如，市售的单个加速度计价格约在3美金左右。

基于上述技术方案，测量装置中微程序控制器的软件设计相对简单，无需实时存储当前角度。并且，开机后可以读取当前角度。

另外，加速度计（即，传感器）放置位置较为自由，利于机械机构设计。

基于上述方案的测量装置采样精度较高，可以测量0.2度的运动，可以实现360度范围内全角度检测。

以上对本发明的用于测量绕旋转轴旋转的旋转装置的倾斜角的测量装置以及确定和/或控制该倾斜角的方法的优选实施方式进行了说明，如上所述，对于本发明的测量装置的具体特征如形状、尺寸可根据上述披露的特征的作用进行具体设计，也可以对本发明的确定和/或控制倾斜角的方法根据本发明所公开的内容以及公共知识进行变更，这些设计均是本领域技术人员能够实现的。另外，本领域技术人员还可以对上述披露的各种实施方式的特征进行组合和变更，以实现本发明之目的为准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。