CN103876759A - X射线摄影系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X射线摄影系统，包括胸片架、平板探测器、放射源、限束器和悬吊架，放射源的运动由放射源的多个电动轴控制，平板探测器的运动由平板探测器的多个电动轴控制，X射线摄影系统还包括：检测单元，获得放射源的多个电动轴的初始检测值和当前检测值以及平板探测器的多个电动轴的初始检测值和当前检测值；计算装置，根据放射源的多个电动轴的初始检测值、平板探测器的多个电动轴的初始检测值和当前检测值计算放射源的多个电动轴的预计值；放射源驱动单元，驱动放射源的多个电动轴；控制单元，控制放射源驱动单元驱动放射源的多个电动轴，使得放射源运动至预计位姿。本发明还涉及一种用于该X射线摄影系统的控制方法。

Description

X射线摄影系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及医学影像领域，更具体的说，还涉及一种X射线摄影系统及其控制方法。

背景技术

传统的X射线摄影系统具有X射线放射源和X射线探测器，X射线从X射线放射源发出，通过检查对象后被X射线探测器接收。由于检查需求的不同，接收器可能有不同的摆位，为了保证X射线放射源和X射线探测器的相对位置不变，就要求X射线放射源要随着X射线探测器的位置的变化而变化。

传统的X射线摄影系统采用手动控制的方法，为了使X射线放射源和X射线探测器对准，要求X射线放射源根据X射线探测器位置的变化做水平、纵向以及垂直方向的移动，同时能够围绕垂直轴和水平轴旋转。这些都可以通过手动控制得以实现，但是手动控制过程比较繁琐，需要的操作时间较长，这样不仅增加了操作者的工作量而且容易延误救治时机。

目前已经有一些X射线摄影系统采用电动控制，但是其电动程度还不发达，一般的X射线摄影系统的X射线放射源仅在几个方向上能够实现电动控制，因此随动功能有限。如柯达7100、飞利浦VS等的X射线摄影系统的X射线放射源仅能实现水平横向、水平纵向以及放射源垂直方向的电动随动移动，水平旋转轴、竖直旋转轴方向只能用手动控制实现。当按下随动按钮后，平板探测器会检测是否与X射线放射源正对且与地面成90°夹角，如果不是，平板探测器会调整至达到上述条件，然后启动随动功能，当检测器检测到平板探测器发生上下或左右移动时，相应电机会驱动X射线放射源以使其达到与平板探测器的相对位置与初始时的相对位置相同为止，如果随动完成，按下取消随动按钮即结束随动功能。

当用户按下随动按钮后，若平板探测器垂直于地面且放射源与之正对，当平板探测器沿垂直轴进行上下移动时，X射线放射源可以实现电动随动，从而保证射线野能够打在平板探测器上。但是当平板探测器的水平轴倾斜角度发生偏转时，上述方案则无法实现随动功能，这时就需要医生手动操控，这样一方面精度无法保证，另一方面不方便医生进行调节，延误了救治时机。

柯达7500在上述技术方案的基础上采取了将水平旋转轴改为电动控制的技术方案，从而使得当平板探测器水平轴倾斜角度发生偏转时的X射线放射源随动功能也能够实现，但是若医生将平板探测器沿平板偏向轴旋转，则X射线放射源仍无法实现电动随动功能，需要医生手动调节。

在专利公开号为CN100581464C的专利文献中公开了一种医疗成像器械的手动以及电动随动控制方法，该方法的放射源能够实现水平横向、水平纵向、放射源垂直、水平旋转、竖直旋转五个方向的电动随动控制，但是仍无法实现限束器旋转方向的电动随动控制，在某些情况下，仍然需要医生手动调节。

发明内容

为解决现有X射线摄影系统中因医生需手动摆位而延误救治时机、精度无法保证等问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种不需手动摆位、精度高的放射源电动随动控制的X射线摄影系统。

本发明的另外一个目的是提供一种不需手动摆位、精度高的放射源电动随动控制的X射线摄影系统的控制方法。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种X射线摄影系统，包括胸片架、平板探测器、放射源、限束器和悬吊架，平板探测器设置在胸片架上，放射源设置在悬吊架上，限束器设置在放射源中，放射源的运动由放射源的多个电动轴控制，平板探测器的运动由平板探测器的多个电动轴控制，X射线摄影系统还包括：

检测单元，检测单元包括放射源检测单元和平板探测器检测单元，放射源检测单元用于获得放射源的多个电动轴的初始检测值和当前检测值，平板探测器检测单元用于获得平板探测器的多个电动轴的初始检测值和当前检测值，放射源的多个电动轴包括限束器旋转轴，平板探测器的多个电动轴包括平板偏向轴；

计算装置，计算装置根据放射源的多个电动轴的初始检测值、平板探测器的多个电动轴的初始检测值和平板探测器的多个电动轴的当前检测值计算放射源的多个电动轴的预计值：

放射源驱动单元，放射源驱动单元包括多个放射源驱动电机，多个放射源驱动电机分别用于驱动放射源的多个电动轴；和

控制单元，控制单元根据放射源的多个电动轴的预计值控制放射源驱动单元驱动放射源的多个电动轴，使得放射源运动至预计位姿。

在另一个方案中，计算装置包括：

第一计算单元，第一计算单元通过放射源的多个电动轴的初始检测值计算放射源的初始位姿，通过平板探测器的多个电动轴的初始检测值计算平板探测器的初始位姿，以及通过平板探测器的多个电动轴的当前检测值计算平板探测器的当前位姿；

第二计算单元，第二计算单元通过放射源的初始位姿和平板探测器的初始位姿计算放射源和平板探测器的初始相对位姿；

第三计算单元，第三计算单元通过平板探测器的当前位姿以及放射源和平板探测器的初始相对位姿计算放射源的预计位姿；和

第四计算单元，第四计算单元通过放射源的预计位姿计算放射源的多个电动轴的预计值。

在又一个方案中，第四计算单元运用迭代法逆运动学方法计算放射源的多个电动轴的预计值。

在又一个方案中，第四计算单元根据放射源的初始位姿和预计位姿之间的偏差利用雅克比矩阵计算放射源的多个电动轴的移动量；将放射源的多个电动轴的移动量与放射源的多个电动轴相应的当前检测值进行叠加，得到放射源的多个电动轴的中间计算值；由放射源的多个电动轴的中间计算值计算放射源的中间计算位姿；

将放射源的中间计算位姿反馈给第四计算单元反复迭代计算，当误差满足要求后，输出放射源的多个电动轴的位移量；以及

将放射源的多个电动轴的初始检测值与放射源的多个电动轴的位移量进行叠加，得到放射源的多个电动轴的预计值。

在又一个方案中，X射线摄影系统还包括存储单元，存储单元用于保存平板探测器与放射源的初始相对位姿。

在又一个方案中，限束器旋转轴为通过限束器的几何中心，并且垂直于限束器第一表面和第二表面的电动轴，限束器绕限束器旋转轴转动。

在又一个方案中，平板偏向轴为通过平板探测器的中心，并且垂直于平板探测器的第三表面和第四表面的电动轴，平板探测器可绕平板偏向轴转动。

在又一个方案中，放射源的多个电动轴还包括水平横向轴、水平纵向轴、放射源垂直轴、水平旋转轴和竖直旋转轴。

在又一个方案中，放射源的运动包括：放射源在水平横向轴的控制下沿水平横向方向移动，放射源的水平纵向轴的控制下沿水平纵向方向移动，放射源在放射源垂直轴的控制下沿放射源垂直方向移动，放射源绕水平旋转轴、放射源绕竖直旋转轴转动以及限束器绕限束器旋转轴转动。

在又一个方案中，平板探测器的多个电动轴还包括平板垂直轴和水平倾斜轴。

在又一个方案中，平板探测器的运动包括：平板探测器在平板垂直轴的控制下沿平板垂直方向移动，平板探测器绕水平倾斜轴转动和绕平板偏向轴转动。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种用于上述X射线摄影系统的控制方法，控制方法包括以下步骤：

获得放射源的多个电动轴的初始检测值；

获得平板探测器的多个电动轴的初始检测值；

获得平板探测器的多个电动轴的当前检测值；

根据放射源的多个电动轴的初始检测值、平板探测器的多个电动轴的初始检测值和平板探测器的多个电动轴的当前检测值计算放射源的多个电动轴的预计值；以及

根据放射源多个电动轴的预计值控制多个放射源驱动电机分别驱动放射源的多个电动轴到达预计值，使得放射源运动至预计位姿。

在又一个方案中，根据放射源的多个电动轴的初始检测值、平板探测器的多个电动轴的初始检测值和平板探测器的多个电动轴的当前检测值计算放射源的多个电动轴的预计值包括：

通过获得的放射源的多个电动轴的初始检测值计算放射源的初始位姿，以及通过获得的平板探测器的多个电动轴的初始检测值计算平板探测器的初始位姿；

通过放射源的初始位姿和平板探测器的初始位姿计算放射源和平板探测器的初始相对位姿；

通过获得的平板探测器的多个电动轴的当前检测值计算平板检测器的当前位姿；

根据平板探测器的当前位姿以及放射源和平板探测器的初始相对位姿计算放射源的预计位姿；以及

根据放射源的预计位姿计算放射源的多个电动轴的预计值。

通过柯达7500以及专利公开号为CN100581464C的专利改进可以看出，放射源的电动轴越多，则放射源的随动功能越强。依据机器人学原理可知，若空间中的一个机械臂拥有六个自由度：水平横向自由度、水平纵向自由度、垂直自由度、滚动自由度、倾斜自由度和偏航自由度，则在无障碍的前提下，机械臂末端可以到达空间中任何一个位姿。因此，本发明提出了放射源六自由度电动随动控制方法，若放射源拥有六个电动轴：水平横向轴、水平纵向轴、放射源垂直轴、水平旋转轴、竖直旋转轴和限束器旋转轴，则放射源可以在空间电动摆成任意位姿。这样在平板探测器摆放到任意位姿时，放射源都能够自动电动随动，保证与平板探测器的相对位姿不发生变化，从而大大缩短了X射线摄影系统的摆位时间，且摆位位姿更灵活，精度更高，弥补了以往方案在这方面的不足。

附图说明

图1是本发明的X射线摄影系统的结构示意图；

图2是本发明的X射线摄影系统的连接关系示意图；

图3是本发明的X射线摄影系统控制放射源运动的流程图；

图4是本发明的X射线摄影系统的空间坐标定义图；

图5是本发明的X射线摄影系统的迭代法逆运动学的控制框图；

图6是本发明的迭代法解逆运动学算法的流程图；

图7是本发明的控制单元和放射源驱动单元实现X射线摄影系统的放射源的控制的框图；

图8是本发明的第一实施例的X射线摄影系统的放射源电动随动的结构示意图；

图9是本发明的第二实施例的X射线摄影系统的放射源电动随动的结构示意图。

具体实施方式

下面，参照附图描述本发明的X射线摄影系统及其控制方法的实施例。需要注意的是，这里描述的实施例是为了使本领域的技术人员理解本发明提供的，并不能理解成是对本发明的限制。

图1是本发明的X射线摄影系统100的结构示意图。如图1所示，X射线摄影系统100包括胸片架102、平板探测器104、放射源110、限束器112和悬吊架108，平板探测器104设置在胸片架102上，放射源110设置在悬吊架108上，限束器112设置在放射源110中。放射源110的运动由放射源110的多个电动轴控制，平板探测器104的运动由平板探测器104的多个电动轴控制。

图2是本发明的X射线摄影系统100的连接关系示意图。如图2所示，X射线摄影系统100还包括检测单元160、计算装置150、控制单元180和放射源驱动单元190。

检测单元160包括放射源检测单元164和平板探测器检测单元162，放射源检测单元164用于获得放射源110的多个电动轴的初始检测值和当前检测值，平板探测器检测单元162用于获得平板探测器104的多个电动轴的初始检测值和当前检测值。

计算装置150根据放射源110的多个电动轴的初始检测值、平板探测器104的多个电动轴的初始检测值和平板探测器104的多个电动轴的当前检测值计算放射源110的多个电动轴的预计值。

放射源驱动单元190包括多个放射源驱动电机，分别用于驱动放射源110的多个电动轴。

控制单元180根据放射源110的多个电动轴的预计值控制放射源驱动单元190驱动放射源110的多个电动轴，使得放射源110运动至预计位姿。

如图1所示，平板探测器104的多个电动轴包括平板偏向轴136。此外，平板探测器104的多个电动轴还包括平板垂直轴114和水平倾斜轴106。水平倾斜轴106是通过平板探测器104的中心，垂直于图1所在平面的电动轴。平板偏向轴136是通过平板探测器104的中心，垂直于平板探测器104的第三表面1042和第四表面1044的电动轴。

进一步地说，平板探测器104的运动包括：沿平板垂直方向移动、以及绕水平倾斜轴106的转动和平板偏向轴136转动。具体地说，如图1所示，平板探测器104在平板垂直轴114(由电机驱动)的控制下，能够沿平板垂直方向上下移动。平板探测器104能够在水平倾斜轴106(由电机驱动)的控制下，绕水平倾斜轴106转动；平板探测器104能够在平板偏向轴136(由电机驱动)的控制下，绕平板偏向轴136转动。

也就是说，平板探测器104有三个自由度，分别为平板垂直自由度、平板倾斜自由度和平板偏航自由度。其中，平板探测器104在平板垂直方向上下移动对应于平板垂直自由度，平板探测器104绕水平倾斜轴106转动对应于平板倾斜自由度，平板探测器104绕平板偏向轴136转动对应于平板偏航自由度。

进一步地说，平板探测器104的位姿由平板探测器104的平板垂直自由度、平板倾斜自由度、平板偏航自由度的值确定。平板探测器104的初始位姿为启动随动功能按钮后，平板探测器104的平板垂直自由度、平板倾斜自由度、平板偏航自由度的值。平板探测器104的当前位姿为第二计算单元计算放射源110和平板探测器104的初始相对位姿后，平板探测器104的平板垂直自由度、平板倾斜自由度、平板偏航自由度的值。

如图1所示，放射源110的多个电动轴包括限束器旋转轴138。此外，还包括水平横向轴120、水平纵向轴122、放射源垂直轴124、水平旋转轴146和竖直旋转轴142。限束器旋转轴138为通过限束器112的几何中心，并与限束器112的第一表面1122和第二表面1124垂直的电动轴。

进一步地说，放射源110的运动包括：沿水平横向、水平纵向、放射源垂直方向移动，以及绕水平旋转轴146、竖直旋转轴142和限速器旋转轴138转动。具体的说，放射源110在水平横向轴120(由电机驱动)的控制下，能够沿水平横向方向左右移动，放射源110在水平纵向轴122(由电机驱动)的控制下，能够沿水平纵向方向前后移动，放射源110放射源垂直124(由电机驱动)的控制下，能够沿放射源垂直方向上下移动。放射源110在水平旋转轴146(由电机驱动)的控制下，绕水平旋转轴146转动，放射源110在竖直旋转轴142(由电机驱动)的控制下，绕竖直旋转轴142转动，放射源110在限束器旋转轴138(由电机驱动)的控制下，绕限束器转轴138转动。如图1所示，放射源110的转动包括绕水平旋转轴146的转动128，绕竖直旋转轴142的转动126以及限束器112绕限束器旋转轴138的转动134。

也就是说，放射源110有六个自由度，分别为水平横向自由度、水平纵向自由度、放射源垂直自由度、滚动自由度、倾斜自由度和偏航自由度。其中，放射源110在水平横向左右移动对应于水平横向自由度，放射源110在水平纵向前后移动对应于水平纵向自由度，放射源110在放射源垂直方向上下移动对应于放射源垂直自由度，放射源110绕竖直旋转轴142转动对应于滚动自由度，放射源110绕水平旋转轴146转动对应于倾斜自由度，放射源110绕限束器旋转轴138转动对应于偏航自由度。

进一步地说，放射源110的位姿由放射源110的水平横向自由度、水平纵向自由度、放射源垂直自由度、滚动自由度、倾斜自由度和偏航自由度的值确定。放射源110的初始位姿为启动随动功能按钮后，放射源110在水平横向自由度、水平纵向自由度、放射源垂直自由度、滚动自由度、倾斜自由度和偏航自由度的值。放射源110的预计位姿，为通过平板探测器104的当前位姿与放射源110和平板探测器104的相对位姿计算出的放射源110的预计的水平横向自由度、水平纵向自由度、放射源垂直自由度、滚动自由度、倾斜自由度和偏航自由度的值。

进一步地说，放射源110和平板探测器104的初始相对位姿为按下启动按钮后，放射源110的水平横向自由度、水平纵向自由度、放射源垂直自由度、滚动自由度、倾斜自由度和偏航自由度的值和平板探测器104的平板垂直自由度、平板倾斜自由度、平板偏航自由度的值之间的相互对应关系。

进一步地说，如图2所示，计算装置150包括第一计算单元152、第二计算单元154、第三计算单元156和第四计算单元158。

第一计算单元152，用于通过放射源检测单元164获得的放射源110的多个电动轴的初始检测值计算放射源110的初始位姿，通过平板探测器检测单元162获得的平板探测器104的多个电动轴的初始检测值计算平板探测器104的初始位姿，以及通过平板探测器检测单元162获得的平板探测器104的多个电动轴的当前检测值计算平板探测器104的当前位姿。如图2所示，X射线摄影系统100还包括存储单元170，存储单元170保存平板探测器104与放射源110的初始相对位姿。

第二计算单元154，用于通过放射源110和平板探测器104的初始位姿计算放射源110和平板探测器104的初始相对位姿。

第三计算单元156，用于通过平板探测器104的当前位姿以及放射源110和平板探测器104的初始相对位姿计算放射源110的预计位姿。

第四计算单元158，用于通过放射源110的预计位姿计算放射源110的多个电动轴的预计值。

放射源110的多个电动轴的初始检测值是当启动随动功能按钮后，放射源检测单元164获得的放射源110的多个电动轴的值。放射源110的多个电动轴的当前检测值是第四计算单元根据放射源110的初始位姿和预计位姿之间的偏差利用雅克比矩阵计算放射源110的多个电动轴的移动量后，在迭代过程中，放射源检测单元164获得的放射源110的多个电动轴的值(若为第一次迭代，则为放射源110的初始检测值)。

平板探测器104的多个电动轴的初始检测值是当启动随动功能按钮后，平板探测器检测单元162获得的平板探测器104的多个电动轴的值。平板探测器104的个电动轴的当前检测值是在第二计算单元154计算放射源110和平板探测器104的初始相对位姿后，平板探测器检测单元162获得的平板探测器104的多个电动轴的值。

图3是本发明的X射线摄影系统100控制放射源110运动的流程图。如图3所示，该方法包括以下步骤：

S10：按下启动随动功能的按钮，启动随动功能；

S20：获得放射源110的多个电动轴的初始检测值和获得平板探测器104的多个电动轴的初始检测值；

S30：通过获得的放射源110的多个电动轴的初始检测值计算放射源110的初始位姿，以及通过获得的平板探测器104的多个电动轴的初始检测值计算平板探测器104的初始位姿；

S40：通过放射源110的初始位姿和平板探测器104的初始位姿计算放射源110和平板探测器104的初始相对位姿；

S50：获得平板探测器104的多个电动轴的当前检测值；

S60：通过获得的平板探测器104的多个电动轴的当前检测值计算平板检测器104的当前位姿；

S70：平板探测器104的当前位姿是否变化；

若平板探测器104的当前位姿与初始位姿相同，则获得平板探测器104的多个电动轴的当前检测值；

若平板探测器104的当前位姿与初始位置不同，则根据平板探测器104的当前位姿以及放射源110和平板探测器104的初始相对位姿计算出放射源110的预计位姿；

S80：根据平板探测器104的当前位姿以及放射源110和平板探测器104的初始相对位姿计算放射源110的预计位姿；

S90：根据放射源110的预计位姿计算放射源110的多个电动轴的预计值；

S100：根据放射源110多个电动轴的预计值控制多个放射源驱动电机分别驱动放射源110的多个电动轴到达预计值，使得放射源110运动至预计位姿。

S110：是否按下随动按钮；

S120：退出随动功能。

图4是本发明的X射线摄影系统100的空间坐标定义图。如图4所示，对空间坐标中的各个坐标系的定义如下：(x₀，y₀，z₀)是全局坐标系，(x_k，y_k，z_k)为放射源110的中间坐标系(其中k取1、2、3、4或5)，(x₆，y₆，z₆)为放射源110的焦点坐标系，(x_b1，y_b1，z_b1)、(x_b2，y_b2，z_b2)为平板探测器104的中间坐标系，(x_b3，y_b3，z_b3)为平板探测器104的中心的坐标系。

上述空间坐标的Denavit-Hartenberg参数如下表1所示：

连杆(k)	bk	αk	dk	θk
					1	0	90°	d1	0
2	0	-90°	d2	90°
					3	0	0°	d3	0
4	0	90°	0	θ4
					5	0	90°	d5	θ5
6	0	0	d6	θ6

表1

表1中各参数的定义为：b_k为z_k轴与z_k-1轴的距离，α_k为z_k轴与z_k-1轴之间的夹角，d_k为x_k轴与x_k-1轴的距离，θ_k为x_k轴与x_k-1轴之间的夹角，其中k取1、2、3、4、5或6。

每个变量的获得方式如下表2：

变量名	获取方式
		d1	放射源检测单元164获得
d2	放射源检测单元164获得
		d3	放射源检测单元164获得
θ4	放射源检测单元164获得
		θ5	放射源检测单元164获得
d5	固定值，放射源检测单元164获得
		θ6	放射源检测单元164获得
d6	固定值，放射源检测单元164获得

表2

表2中，当启动随动功能按钮后，d₁是通过放射源检测单元164获得的放射源110的水平横向轴120的初始检测值。d₂是通过放射源检测单元164获得的放射源110的水平纵向轴122的初始检测值。d₃通过放射源检测单元164获得的放射源110的放射源垂直轴124的初始检测值。θ₄通过放射源检测单元164获得的放射源110的竖直旋转轴142的初始检测值。θ₅通过放射源检测单元164获得的放射源110的水平旋转轴146的初始检测值。θ₆通过放射源检测单元164获得的放射源110的限束器旋转轴138的初始检测值。

当第四计算单元根据放射源110的初始位姿和预计位姿之间的偏差利用雅克比矩阵计算放射源110的多个电动轴的移动量后，在迭代过程中，d₁是通过放射源检测单元164获得的放射源110的水平横向轴120的当前检测值。d₂是通过放射源检测单元164获得的放射源110的水平纵向轴122的当前检测值。d₃通过放射源检测单元164获得的放射源110的放射源垂直轴124的当前检测值。θ₄通过放射源检测单元164获得的放射源110的竖直旋转轴142的当前检测值。θ₅通过放射源检测单元164获得的放射源110的水平旋转轴146的当前检测值。θ₆通过放射源检测单元164获得的放射源110的限束器旋转轴138的当前检测值。

d₅、d₆是放射源检测单元164获得的固定值。

相邻坐标系的齐次变换矩阵可以用下式表示：

$T_j^i=\left[\begin{array}{cccc}{c}_j& -s_j{c}_{\mathrm{\αj}}& s_j{s}_{\mathrm{\αj}}& a_j{c}_j\\ s_j& c_j{c}_{\mathrm{\αj}}& -c_j{s}_{\mathrm{\αj}}& a_j{s}_j\\ 0& s_{\mathrm{\αj}}& c_{\mathrm{\αj}}& d_j\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中c_j表示cosθ_j，s_j表示sinθ_j，s_αj表示sinα_j，c_αj表示cosα_j，ⁱT_j表示坐标系j到坐标系i的齐次变换矩阵，其中j可取1、2、3、4、5、6，i可取0、1、2、3、4、5，其中j＝i+1。

将上述i，j的值和表1中对应的数值带入上述齐次变换矩阵，得到以下矩阵：

$T_1^0=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& -1& 0\\ 0& 1& 0& d_1\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$ $T_2^1=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& -1& 0\\ 1& 0& 0& 0\\ 0& -1& 0& d_2\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$ $T_3^2=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& d_3\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$T_4^3=\left[\begin{array}{cccc}{c}_4& 0& s_4& 0\\ s_4& 0& -c_4& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$ $T_5^4=\left[\begin{array}{cccc}{c}_5& 0& s_5& 0\\ s_5& 0& -c_5& 0\\ 0& 1& 0& d_5\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$ $T_6^5=\left[\begin{array}{cccc}{c}_6& -s_6& 0& 0\\ s_6& c_6& 0& 0\\ 0& 0& 1& d_6\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

则放射源110的正运动学公式可推出来为：⁰T₆＝⁰T₁×¹T₂ײT₃׳T₄×⁴T₅×⁵T₆。

用上述同样的方法可以得到胸片架102上的平板探测器104的正运动学公式为：^b3T₀＝^b3T_b2×^b2T_b1×^b1T₀。

所以由正运动学公式计算出的放射源110和平板探测器104的相对位姿的矩阵^b3T₆的表达式为：^b3T₆＝^b3T₀×⁰T₆。其中，矩阵⁰T₆表示放射源110的初始位姿，矩阵^b3T₀表示平板探测器104的初始位姿，矩阵^b3T₆表示放射源110和平板探测器104的初始相对位姿。

放射源110的焦点在坐标系(x₆，y₆，z₆)原点，平板探测器104的中心在坐标系(x_b3，y_b3，z_b3)的原点。

在放射源110随着平板探测器104电动随动的过程中需要保证放射源110和平板探测器104的初始相对位姿的矩阵^beT₆不变。

当随动功能启动后，由放射源检测单元164获得放射源110的多个电动轴的初始检测值，由平板探测器检测单元162获得平板探测器104的多个电动轴的初始检测值。第一计算单元152通过获得的平板探测器104的多个电动轴的初始检测值计算出平板探测器104的初始位姿，平板探测器104的初始位姿的矩阵表达式为^b3T₀。通过获得的放射源110的多个电动轴的初始检测值计算出放射源110的初始位姿，放射源110的初始位姿的矩阵表达式为⁰T₆。第二计算单元154通过正运动学公式计算出平板探测器104和放射源110的初始相对位姿，平板探测器104和放射源110的初始相对位姿的矩阵为^b3T₆，其中矩阵^b3T₆的表达式为：^b3T₆＝^b3T₀×⁰T₆。

由平板探测器检测单元162获得平板检测器104的多个电动轴的当前检测值。由第一计算单元152通过获得的平板探测器104的多个电动轴的当前检测值计算平板检测器104的当前位姿，平板检测器104的当前位姿的矩阵表达式为^b3T′₀。若平板探测器104的当前位姿与初始位姿相同，则获取平板探测器104的多个电动轴的当前检测值；若平板探测器104的当前位姿与初始位姿不同，则由第三计算单元156通过平板探测器104的当前位姿和平板探测器104和放射源110的初始相对位姿，利用正运动学公式计算出放射源110的预计位姿，放射源110的预计位姿矩阵为⁰T′₆，其中矩阵⁰T′₆的表达示为：⁰T′₆＝^b3T′₀ ^-1×^b3T₆。

得到放射源110的预计位姿矩阵⁰T′₆后，第四计算单元158根据放射源110的预计位姿计算出放射源110的多个电动轴的预计值。其中第四计算单元158是运用迭代法逆运动学方法计算放射源110的多个电动轴的预计值。

图5是本发明的X射线摄影系统100的迭代法逆运动学的控制框图。如图5所示，将放射源110的预计位姿的矩阵⁰T′₆输入第四计算单元158，第四计算单元158根据放射源110的初始位姿和预计位姿之间的偏差利用雅克比矩阵(参考Robot Modelling and Contro1)计算放射源110的多个电动轴的移动量Δθ，Δd(Δθ，Δd包括上述表2中提到的各个θ和d的变化值)。求得移动量Δθ，Δd之后，将放射源110的多个电动轴的移动量Δθ，Δd与放射源110的多个电动轴的当前检测值d，θ(d，θ包括上述表2中提到的各个θ和d的当前检测值，若为第一次迭代，则包括上述表2中提到的各个θ和d的初始检测值)进行叠加，得到计算后的放射源110的多个电动轴的中间计算值。根据正运动学公式计算出放射源110的中间计算位姿，放射源110的中间计算位姿的矩阵表达式为⁰T₆″，然后将该中间计算位姿反馈给第四计算单元158继续计算迭代，当误差满足要求后，输出放射源110的多个电动轴的位移量。

图6是本发明的迭代法解逆运动学算法的流程图。如图6所示，其中x′为放射源110的预计位姿，x为迭代后的放射源110的中间计算位姿，Δx为x′和x的差值。q′为给定的放射源110的多个电动轴的初始检测值，包括d′，θ′(d′，θ′为上述表2中各个θ和d的初始检测值)，q为通过第四计算单元158计算后的放射源110多个电动轴的值，包括d，θ，Δq为计算得到的放射源110的多个电动轴的移动量，包括Δθ，Δd。f_diff(Δq)为对放射源110的多个电动轴的移动量Δθ，Δd求范数的函数，由于放射源110有六个自由度，则有：γ是用于判断放射源是否已经到达预计位姿的足够小正整数，J(q)为针对放射源110的多个电动轴的雅克比矩阵。

输入放射源110的预计位姿x′，算出放射源110的预计位姿x′和的经此前计算迭代后的放射源110的中间计算位姿x(若为第一次迭代则为放射源110的初始位姿)差值Δx＝x′-x。由Δx计算得到的放射源110的多个电动轴的移动量Δq＝J^-1(q)Δx，则计算迭代后的放射源110的多个电动轴的值q＝q′+Δq。若此时对放射源110的多个电动轴的移动量求范数的函数小于γ，则输出这个经计算迭代后的放射源110的多个电动轴的值q。若此时

大于或等于γ，则继续返回第一步迭代，此时由正运动学公式求解出x′＝f_kinematic(q)(即为第一步迭代中的放射源110的预计位姿)，其中f_kinematic(q)＝^b3T₆，其中^b3T₆为上文所述包含放射源110的多个电动轴的值q的正运动学矩阵，其表达式为：^b3T₆＝^b3T₀×⁰T₆。反复迭代，直到对放射源110的多个电动轴的移动量Δθ，Δd求范数的函数f_diff(Δq)小于用于判断放射源110是否已经到达预计位姿的足够小正整数γ后，则输出这个经计算迭代后的放射源110的多个电动轴的值q，即为放射源110的多个电动轴的预计值。

奇异位置在轨迹规划时需要避免，因为在奇异位置，很小的末端速度都会导致很大的关节速度，在末端也会输出很大的作用力，很不安全。令雅克比矩阵的秩为零，即可求得奇异位置。

图7是本发明的控制单元180和放射源驱动单元190实现X射线摄影系统100的放射源110的控制的框图。如图7所示，得到上述经过迭代法逆运动学计算求出的放射源110的多个电动轴的预计值q后，计算出放射源110的多个电动轴的预计值q与初始的放射源110的多个电动轴的初始检测值q′的误差ε(包括上述表2中提到的各个θ和d的初始检测值和预计值之间的误差)。经过PID控制器计算出控制放射源110的多个电动轴运动的多个放射源驱动电机的转速v，通过控制单元180控制放射源驱动单元190驱动放射源110的多个电动轴，放射源驱动单元190中的多个放射源驱动电机分别驱动放射源110的多个电动轴到达实际值q″(包括上述表2中提到的各个θ和d的当前检测值)。通过不断的反馈控制，达到放射源110的多个电动轴的实际值q″与预计值q一致。由上述放射源驱动单元190中的多个放射源驱动电机分别驱动放射源110的多个电动轴，使放射源110的多个电动轴到达预计值，从而使放射源110到达预计位姿，实现随动功能。

第一实施例

图8是本发明的第一实施例的X射线摄影系统200的放射源110电动随动的结构示意图。在图8中，与上文描述的具体实施方式中的相同的部件具有相同的标记。同时，与上文描述的具体实施方式中的相同部件在本实施例中将不再重复描述。

初始时平板探测器104位于A位置，放射源110位于B位置，限束器112在C位置。当平板探测器104绕水平倾斜轴106转动时，即平板探测器104由A位置旋转到D位置时，要使平板探测器104与放射源110的相对位姿与初始相对位姿保持一致，需要放射源110能电动随动到G位置，同时限束器112电动随动到H位置。但是柯达7100、飞利浦VS等的X射线摄影系统的放射源110只能从B位置电动随动到的E位置，限束器112从C位置电动随动到F位置，要使放射源随110电动随动到G位置，只能手动调节。

在本实施例中，启动随动功能按钮后，获得放射源110的多个电动轴的初始检测值，获得平板探测器104的多个电动轴的初始检测值；

通过获得的放射源110的多个电动轴的初始检测值计算放射源110的初始位姿，以及通过获得的平板探测器104的多个电动轴的初始检测值计算平板探测器104的初始位姿；

通过放射源110的初始位姿和平板探测器104的初始位姿计算放射源110和平板探测器104的初始相对位姿；

当平板探测器104移动到D位置后，获得平板探测器104的多个电动轴的当前检测值；

通过获得的平板探测器104的多个电动轴的当前检测值计算平板检测器104的当前位姿；

根据平板探测器104的当前位姿以及放射源110和平板探测器104的初始相对位姿计算放射源110的预计位姿G；

根据放射源110的预计位姿G，运用迭代法逆运动学计算放射源110的多个电动轴的预计值；

根据放射源110多个电动轴的预计值控制多个放射源驱动电机分别驱动放射源110的多个电动轴到达预计值，使放射源110达到G位置，同时限束器112达到H位置，整个过程都是有电动随动控制的，不需要手动控制。

第二实施例

图9是本发明的第二实施例的X射线摄影系统300的放射源110电动随动的结构示意图。在图9中，与上文描述的具体实施方式和/或第一实施例中的相同的部件具有相同的标记。同时，与上文描述的具体实施方式和/或第一实施例中的相同部件在本实施例中将不再重复描述。

初始时平板检测器104位于a位置，放射源110位于b位置，限束器112位于c位置，启动随动功能按钮后，获得放射源110的多个电动轴的初始检测值，获得平板探测器104的多个电动轴的初始检测值；

通过获得的放射源110的多个电动轴的初始检测值计算放射源110的初始位姿，以及通过获得的平板探测器104的多个电动轴的初始检测值计算平板探测器104的初始位姿；

通过放射源110的初始位姿和平板探测器104的初始位姿计算放射源110和平板探测器104的初始相对位姿；

当平板探测器104沿平板垂直轴114向上移动，并绕平板倾斜轴106转动到达d位置时，获得平板探测器104的多个电动轴的当前检测值；

通过获得的平板探测器104的多个电动轴的当前检测值计算平板检测器104的当前位姿，根据平板探测器104的当前位姿以及放射源110和平板探测器104的初始相对位姿计算放射源110的预计位姿e；

根据放射源110的预计位姿e，运用迭代法逆运动学计算放射源110的多个电动轴的预计值；

根据放射源110多个电动轴的预计值控制多个放射源驱动电机分别驱动放射源110的多个电动轴到达预计值，使放射源110达到e位置，同时限束器112达到f位置，整个过程都是有电动随动控制的，不需要手动控制。

如以上两个实施例所述，当平板探测器104无论是沿平板垂直轴114移动，绕水平倾斜轴106转动，还是绕平板偏向轴136转动，或同时发生这几个方向的移动或转动时，可以通过如上述两个实施例所述的方法，使放射源110通过电动随动到空间的相应位姿。

虽然本申请详细说明了本发明的几个优选的具体实施例，图示并描绘了本发明的某些优选特征，但是对于本领域的技术人员来说，只要原则上不背离本发明的新型特征和优点，可以对本发明做出许多变化和改进。因此，所提出的权利要求书将在本发明的真正构思范围内覆盖所有这些变化和改进。

Claims (13)

1.一种X射线摄影系统，包括胸片架、平板探测器、放射源、限束器和悬吊架，所述平板探测器设置在胸片架上，所述放射源设置在悬吊架上，所述限束器设置在放射源中，所述放射源的运动由放射源的多个电动轴控制，所述平板探测器的运动由平板探测器的多个电动轴控制，其特征在于：所述X射线摄影系统还包括：

检测单元，所述检测单元包括放射源检测单元和平板探测器检测单元，所述放射源检测单元用于获得放射源的多个电动轴的初始检测值和当前检测值，所述平板探测器检测单元用于获得平板探测器的多个电动轴的初始检测值和当前检测值，所述放射源的多个电动轴包括限束器旋转轴，所述平板探测器的多个电动轴包括平板偏向轴；

计算装置，所述计算装置根据放射源的多个电动轴的初始检测值、平板探测器的多个电动轴的初始检测值和平板探测器的多个电动轴的当前检测值计算放射源的多个电动轴的预计值；

放射源驱动单元，所述放射源驱动单元包括多个放射源驱动电机，所述多个放射源驱动电机分别用于驱动放射源的多个电动轴；和

控制单元，所述控制单元根据放射源的多个电动轴的预计值控制放射源驱动单元驱动放射源的多个电动轴，使得放射源运动至预计位姿。

2.如权利要求1所述的X射线摄影系统，其特征在于：所述计算装置包括：

第一计算单元，所述第一计算单元通过放射源的多个电动轴的初始检测值计算放射源的初始位姿，通过平板探测器的多个电动轴的初始检测值计算平板探测器的初始位姿，以及通过平板探测器的多个电动轴的当前检测值计算平板探测器的当前位姿；

第二计算单元，所述第二计算单元通过放射源的初始位姿和平板探测器的初始位姿计算放射源和平板探测器的初始相对位姿；

第三计算单元，所述第三计算单元通过平板探测器的当前位姿以及放射源和平板探测器的初始相对位姿计算放射源的预计位姿；和

第四计算单元，所述第四计算单元通过放射源的预计位姿计算放射源的多个电动轴的预计值。

3.如权利要求1所述的X射线摄影系统，其特征在于：所述第四计算单元运用迭代法逆运动学方法计算放射源的多个电动轴的预计值。

4.如权利要求3所述的X射线摄影系统，其特征在于：所述第四计算单元根据放射源的初始位姿和预计位姿之间的偏差利用雅克比矩阵计算放射源的多个电动轴的移动量；

将放射源的多个电动轴的移动量与放射源的多个电动轴相应的当前检测值进行叠加，得到放射源的多个电动轴的中间计算值；由放射源的多个电动轴的中间计算值计算放射源的中间计算位姿；

将放射源的中间计算位姿反馈给第四计算单元反复迭代计算，当误差满足要求后，输出放射源的多个电动轴的位移量；以及

将放射源的多个电动轴的初始检测值与放射源的多个电动轴的位移量进行叠加，得到放射源的多个电动轴的预计值。

5.如权利要求1所述的X射线摄影系统，其特征在于：所述X射线摄影系统还包括存储单元，所述存储单元保存平板探测器与放射源的初始相对位姿。

6.如权利要求1所述的X射线摄影系统，其特征在于：所述限束器旋转轴为通过限束器的几何中心，并且垂直于限束器第一表面和第二表面的电动轴，所述限束器绕所述限束器旋转轴转动。

7.如权利要求1所述的X射线摄影系统，其特征在于：所述平板偏向轴为通过平板探测器的中心，并且垂直于平板探测器的第三表面和第四表面的电动轴，所述平板探测器绕所述平板偏向轴转动。

8.如权利要求1至7中任一项所述的X射线摄影系统，其特征在于：所述放射源的多个电动轴还包括水平横向轴、水平纵向轴、放射源垂直轴、水平旋转轴和竖直旋转轴。

9.如权利要求8所述的X射线摄影系统，其特征在于：所述放射源的运动包括：所述放射源在所述水平横向轴的控制下沿所述水平横向方向移动，所述放射源在所述水平纵向轴的控制下沿水平纵向方向移动，所述放射源在所述放射源垂直轴的控制下沿放射源垂直方向移动，所述放射源绕所述水平旋转轴转动、所述放射源绕所述竖直旋转轴转动以及所述限束器绕所述限束器旋转轴转动。

10.如权利要求1至7中任一项所述的X射线摄影系统，其特征在于：所述平板探测器的多个电动轴还包括平板垂直轴和水平倾斜轴。

11.如权利要求10所述的X射线摄影系统，其特征在于：所述平板探测器的运动包括：所述平板探测器在平板垂直轴的控制下沿平板垂直方向移动，所述平板探测器绕所述水平倾斜轴转动和绕所述平板偏向轴转动。

12.一种用于如权利要求1至11中任一项所述的X射线摄影系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：

获得放射源的多个电动轴的初始检测值；

获得平板探测器的多个电动轴的初始检测值；

获得平板探测器的多个电动轴的当前检测值；

根据放射源的多个电动轴的初始检测值、平板探测器的多个电动轴的初始检测值和平板探测器的多个电动轴的当前检测值计算放射源的多个电动轴的预计值；以及

根据放射源多个电动轴的预计值控制多个放射源驱动电机分别驱动放射源的多个电动轴到达预计值，使得放射源运动至预计位姿。

13.如权利要求12所述的X射线摄影系统的控制方法，其特征在于：根据放射源的多个电动轴的初始检测值、平板探测器的多个电动轴的初始检测值和平板探测器的多个电动轴的当前检测值计算放射源的多个电动轴的预计值包括：

通过获得的放射源的多个电动轴的初始检测值计算放射源的初始位姿，以及通过获得的平板探测器的多个电动轴的初始检测值计算平板探测器的初始位姿；

通过放射源的初始位姿和平板探测器的初始位姿计算放射源和平板探测器的初始相对位姿；

通过获得的平板探测器的多个电动轴的当前检测值计算平板检测器的当前位姿；

根据平板探测器的当前位姿以及放射源和平板探测器的初始相对位姿计算放射源的预计位姿；以及

根据放射源的预计位姿计算放射源的多个电动轴的预计值。

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