CN106821403A - C型臂系统旋转角度校准装置及c型臂系统校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及CT系统参数校准技术领域，尤其涉及一种C型臂系统旋转角度校准装置及C型臂系统校准方法，所述装置包括运动转换组件、位移传感器、数据传输器和处理器，运动转换组件设置为与C型臂相连，将C型臂的旋转运动转换为直线运动，位移传感器与运动转换组件相连，设置为采集运动转换组件的位移信号，并将位移信号传输给与该位移传感器相连的数据传输器，处理器与所述数据传输器相连，设置为接收并分析所述数据传输器发送的位移信号。该装置操作简单，工作稳定可靠，且在使用过程中，无需曝光X射线，可以降低辐射风险。

Description

C型臂系统旋转角度校准装置及C型臂系统校准方法

技术领域

本发明涉及CT系统参数校准技术领域，尤其涉及C型臂系统旋转角度校准装置及C型臂系统校准方法。

背景技术

基于X光辐射的医疗诊断设备被称为C型臂，C型臂设备越来越广泛地被应用于医学领域中，C型臂可以沿导轨绕病人待检查或者待治疗的部位运动，可以实现对不便移动或挪动的病人进行全方位检查的目的。由C型臂一端的X射线光源、C型臂相对设置的另一端的X射线探测器或者图像增强器等机械结构构成的X射线装置越来越广泛地被作为诊断器械使用。

在X光三维图像重建中，C型臂的X射线光源和探测器的运行轨迹是否符合预设轨迹将影响到重建图像的质量。C型臂系统运行过程中机械结构的抖动会造成X光源的投影采集角度与预设角度不同的情况，可能导致重建图像中出现伪影，影响图像重建质量。而机械结构的抖动缺乏观测手段，使得对机械结构的抖动的校准和修正较为困难。

相关技术中，对CT系统结构参数进行校准的方法通常是对静态状态下系统参数与设计目标之间的差异进行的标定，并不能对系统运动过程中产生的误差进行校准和修正，此外，相关技术中的校准方法还需要X光成像，会对人体产生额外的辐射风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种C型臂系统旋转角度校准装置和利用该C型臂系统旋转角度校准装置对C型臂系统进行校准的方法，可以解决不能对运动状态下的C型臂系统的旋转角度进行校准的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种C型臂系统旋转角度校准装置，包括运动转换组件、位移传感器、数据传输器和处理器；所述运动转换组件设置为与C型臂相连，将C型臂的旋转运动转换为直线运动；所述位移传感器与所述运动转换组件相连，设置为采集所述运动转换组件的位移信号，并将所述位移信号传输给与所述位移传感器相连的所述数据传输器；所述处理器与所述数据传输器相连，设置为接收并分析所述数据传输器发送的位移信号。

一种利用上述C型臂系统旋转角度校准装置对C型臂系统进行校准的方法，包括：

1)处理器控制位移传感器置零，在C型臂校准旋转一周过程中，所述位移传感器采集并传输所述运动转换组件直线运动的位移信号至数据传输器；

2)根据接收到的所述数据传输器发送的位移信号，所述处理器计算得到与C型臂在每个时刻的旋转角度值对应的校准值，并将所述每个时刻的旋转角度值与对应的校准值组成标准值对；

3)在C型臂自由旋转过程中，当C型臂系统的控制器控制C型臂的目标角度值与所有标准值对中的旋转角度值均不匹配时，利用所述标准值对对所述目标角度值进行插值法修正。

作为优选，所述插值法为线性插值法。

作为优选，所述C型臂系统旋转角度校准装置中的运动转换组件包括：底座、凸轮、纵向齿条、传动齿轮组和横向齿条；

所述凸轮通过固定轴固定于所述底座上，所述固定轴位于所述凸轮的几何中心上，并垂直于所述底座，所述凸轮的几何中心与C型臂的旋转中心重合；所述纵向齿条一端与所述凸轮的轮廓线接触，另一端连接有弹性件，所述弹性件与C型臂一端的探测器垂直接触；所述横向齿条通过所述传动齿轮组与所述纵向齿条传动连接，所述横向齿条一端连接有所述位移传感器。

作为优选，所述传动齿轮组包括两个齿轮，所述两个齿轮同轴设置，其中一个齿轮与所述纵向齿条相啮合，另一个齿轮与所述横向齿条相啮合。

作为优选，与所述纵向齿条相啮合的齿轮的直径小于与所述横向齿条相啮合的齿轮的直径。

作为优选，所述传动齿轮组的齿轮数多于两个，多个齿轮同轴设置，且直径互不相同，其中一个齿轮与所述纵向齿条相啮合，其余齿轮中的任一个与所述横向齿条相啮合。

作为优选，与所述纵向齿条相啮合的齿轮的直径小于与所述横向齿条相啮合的齿轮的直径。

作为优选，所述弹性件为弹簧。

一种利用上述C型臂系统旋转角度校准装置对C型臂系统进行校准的方法，包括：

1)处理器控制位移传感器置零，并保持凸轮固定不动；在C型臂以恒定的角速度ω旋转一周过程中，位移传感器采集并输出横向齿条直线运动的位移信号至数据传输器，处理器记录数据传输器采集的位移信号f(t)，其中t为时间；

2)当凸轮的轮廓线满足：r＝r(θ)，其中r为极径，θ为C型臂在校准旋转过程中的旋转角度值，θ＝ωt，θ∈[0,360)，传动齿轮组的放大倍数为α时；处理器计算得到与每个时刻的旋转角度值对应的校准值将每个时刻的旋转角度值θ与对应的校准值Θ组成标准值对(Θ，θ)；

3)在C型臂自由旋转过程中，当C型臂系统的控制器判定目标角度值与所有标准值对中的旋转角度值均不匹配时，在标准值对中选取最接近目标角度值的两个旋转角度值θ1和θ2分别对应的校准值Θ1和Θ2，利用选取的两个校准值Θ1和Θ2对目标角度值进行插值法修正，得到差值结果，所述差值结果为所述目标角度值对应的修正后的角度。

作为优选，所述插值法为线性插值法。

本发明的有益效果：

本发明提供一种C型臂系统旋转角度校准装置及利用该C型臂系统旋转角度校准装置对C型臂系统进行校准的方法，该校准装置包括运动转换组件、位移传感器、数据传输器和处理器，运动转换组件设置为与C型臂相连，将C型臂的旋转运动转换为直线运动，位移传感器与运动转换组件相连，设置为采集运动转换组件的位移信号，并将位移信号传输给与该位移传感器相连的数据传输器，处理器与数据传输器相连，设置为接收并分析所述数据传输器发送的位移信号。该装置操作简单，工作稳定可靠，且在使用过程中，无需曝光X射线，可以降低辐射风险。

附图说明

图1是本发明所述的C型臂系统旋转角度校准装置和C型臂系统的结构示意图。

图中：

1-底座；2-凸轮；3-固定轴；4-纵向齿条；5-弹簧；6-传动齿轮组；7-横向齿条；8-位移传感器；9-数据传输器；10-处理器；11-C型臂；12-光源；13-探测器；14-控制器。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种C型臂系统旋转角度校准装置，包括：运动转换组件、位移传感器8、数据传输器9和处理器10。

运动转换组件包括底座1、凸轮2、纵向齿条4、弹簧5、传动齿轮组6以及横向齿条7。凸轮2通过固定轴3固定于底座1上，固定轴3位于凸轮2的几何中心上，并垂直于底座1，凸轮2在底座1上的位置可以根据需要进行调节。纵向齿条4一端与凸轮2的轮廓线接触，该端可沿凸轮2的轮廓线运动，纵向齿条4的另一端连接有弹簧5。横向齿条7通过传动齿轮组6与纵向齿条4传动连接。位移传感器8连接于横向齿条7远离纵向齿条4的一端，数据传输器9与位移传感器8相连接，用于采集位移传感器8的读数。处理器10设置为与数据传输器9相连接，接收并分析数据传输器9发送的数据。

传动齿轮组6可以包括两个齿轮，两个齿轮同轴设置，其中一个齿轮与纵向齿条4相啮合，另一个齿轮与横向齿条7相啮合，与纵向齿条4相啮合的齿轮的直径小于与横向齿条7相啮合的齿轮的直径。传动齿轮组6的齿轮数也可以多于两个，多个齿轮同轴设置，且直径互不相同，其中一个齿轮与纵向齿条4相啮合，其余齿轮中的任一个与横向齿条7相啮合，与纵向齿条4相啮合的齿轮的直径小于与横向齿条7相啮合的齿轮的直径。多个齿轮可满足对放大倍数的灵活调整。

本发明还提供一种利用C型臂系统旋转角度校准装置对C型臂系统进行校准的方法。将运动转换组件与C型臂11连接，具体的，将C型臂11一端的光源12中心与C型臂11另一端的探测器13中心对齐；使固定轴3穿过凸轮2的几何中心并固定在底座1上，并令凸轮2轮廓线的起始点与探测器13的中心对齐，其中，凸轮2的几何中心与C型臂11的旋转中心重合；使纵向齿条4一端与凸轮2轮廓线的起始点接触，另一端连接的弹簧5与探测器13接触；将横向齿条7通过传动齿轮组6与纵向齿条4传动连接，令位移传感器8连接在横向齿条7的一端。

连接完成后对C型臂系统进行校准和修正，步骤包括：

1)处理器10控制位移传感器8置零，C型臂系统的控制器14控制C型臂11沿逆时针方向旋转一周，位移传感器8采集并传输运动转换组件直线运动的位移信号至数据传输器9，数据传输器9将采集到的位移信号发送至处理器10，具体如下：

在C型臂11校准旋转过程中，保持凸轮2固定不动，C型臂系统的控制器14控制C型臂11以恒定的角速度ω逆时针旋转，C型臂11的旋转运动通过纵向齿条4和横向齿条7转换为直线运动，位移传感器8采集并输出横向齿条7直线运动的位移信号至数据传输器9，数据传输器9将得到的位移信号发送至处理器10，处理器10记录数据传输器9采集的位移信号f(t)，其中t为时间；

2)根据数据传输器9发送的位移信号，处理器10计算得到与C型臂11在每个时刻的旋转角度值对应的校准值，并将每个时刻的旋转角度值与对应的校准值组成标准值对，具体如下：

设定凸轮2的轮廓线满足：r＝r(θ)，其中r为极径，θ表示在C型臂校准旋转过程中的旋转角度值，θ＝ωt，θ∈[0,360)；设定传动齿轮组6的放大倍数为α；处理器10计算得到与每个时刻的旋转角度对应的校准值将每个时刻的旋转角度值θ与对应的校准值Θ组成标准值对(Θ，θ)；

3)在C型臂11的自由旋转过程中，当C型臂的控制器14判定目标角度值与所有标准值对中的旋转角度值均不匹配时，利用该标准值对对该目标角度值进行插值法修正，具体如下：

若C型臂系统的控制器14判定目标角度值与所有标准值对中的旋转角度值均不匹配时，在标准值对中选取最接近目标角度值的两个旋转角度值θ1和Θ2分别对应的校准值θ1和Θ2，利用选取的两个校准值Θ1和Θ2对目标角度值进行插值法修正，得到差值结果，并将差值结果作为目标角度值对应的修正后的角度。

上述操作中，在步骤1)和步骤2)中，利用C型臂系统旋转角度校准装置对C型臂系统进行校准的过程中，C型臂系统的光源12处于关闭状态，从而可以降低辐射风险。校准之后，该装置的处理器10可以计算得到与C型臂11每个时刻的旋转角度值对应的校准值，并将每个时刻的旋转角度值与对应的校准值组成标准值对。

上述操作中，在步骤3的操作中，C型臂系统的控制器14利用上述标准值对中的旋转角度值θ和校准值Θ对C型臂11在自由旋转过程中的目标角度值进行修正。

可选地，C型臂系统的控制器14与C型臂系统旋转角度校准装置的处理器10通信连接，处理器10将多个标准值对发送至控制器14。在C型臂自由旋转过程中，当控制器14控制C型臂11旋转的目标角度值与所有标准值对中的旋转角度值均不匹配时，利用标准值对中的旋转角度值和校准值对C型臂的目标角度值进行插值法修正。

在本实施例中，步骤3)中的插值法为线性插值法。当然，在其他实施例中，也可以采用其他合适的插值方法。

该方法操作简单，工作稳定可靠，且在使用过程中，无需曝光X射线，大大降低了辐射风险。

实施例2

为简便起见，仅描述第二实施方式与第一实施方式的区别点，区别之处在于，所述运动转换组件也可以为其他可实现旋转运动转化为直线运动的机械结构，例如曲柄滑块机构或曲柄连杆机构等。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种C型臂系统旋转角度校准装置，其特征在于，包括运动转换组件、位移传感器、数据传输器和处理器；

所述运动转换组件设置为与C型臂相连，将C型臂的旋转运动转换为直线运动；所述位移传感器与所述运动转换组件相连，设置为采集所述运动转换组件的位移信号，并将所述位移信号传输给与所述位移传感器相连的所述数据传输器；所述处理器与所述数据传输器相连，设置为接收并分析所述数据传输器发送的位移信号。

2.根据权利要求1所述的C型臂系统旋转角度校准装置，其特征在于，所述运动转换组件包括：底座、凸轮、纵向齿条、传动齿轮组和横向齿条；

所述凸轮通过固定轴固定于所述底座上，所述固定轴位于所述凸轮的几何中心上，并垂直于所述底座，所述凸轮的几何中心设置为与C型臂的旋转中心重合；所述纵向齿条一端与所述凸轮的轮廓线接触，另一端连接有弹性件，所述弹性件设置为与C型臂一端的探测器垂直接触；所述横向齿条通过所述传动齿轮组与所述纵向齿条传动连接，所述横向齿条一端连接有所述位移传感器。

3.根据权利要求2所述的C型臂系统旋转角度校准装置，其特征在于，所述传动齿轮组包括两个齿轮，所述两个齿轮同轴设置，其中一个齿轮与所述纵向齿条相啮合，另一个齿轮与所述横向齿条相啮合。

4.根据权利要求3所述的C型臂系统旋转角度校准装置，其特征在于，与所述纵向齿条相啮合的齿轮的直径小于与所述横向齿条相啮合的齿轮的直径。

5.根据权利要求2所述的C型臂系统旋转角度校准装置，其特征在于，所述传动齿轮组的齿轮数多于两个，多个齿轮同轴设置，且直径互不相同，其中一个齿轮与所述纵向齿条相啮合，其余齿轮中的任一个与所述横向齿条相啮合。

6.根据权利要求5所述的C型臂系统旋转角度校准装置，其特征在于，与所述纵向齿条相啮合的齿轮的直径小于与所述横向齿条相啮合的齿轮的直径。

7.根据权利要求2所述的C型臂系统旋转角度校准装置，其特征在于，所述弹性件为弹簧。

8.一种利用权利要求1所述的C型臂系统旋转角度校准装置对C型臂系统进行校准的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)处理器控制位移传感器置零，在C型臂校准旋转一周过程中，所述位移传感器采集并传输所述运动转换组件直线运动的位移信号至数据传输器；

2)根据接收到的所述数据传输器发送的位移信号，所述处理器计算得到与C型臂在每个时刻的旋转角度值对应的校准值，并将所述每个时刻的旋转角度值与对应的校准值组成标准值对；

3)在C型臂自由旋转过程中，当C型臂系统的控制器控制C型臂的目标角度值与所有标准值对中的旋转角度值均不匹配时，利用所述标准值对对所述目标角度值进行插值法修正。

9.一种利用权利要求2所述的C型臂系统旋转角度校准装置对C型臂系统进行校准的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)处理器控制位移传感器置零，并保持凸轮固定不动；在C型臂以恒定的角速度ω旋转一周过程中，位移传感器采集并输出横向齿条直线运动的位移信号至数据传输器，处理器记录数据传输器采集的位移信号f(t)，其中t为时间；

2)当凸轮的轮廓线满足：r＝r(θ)，其中r为极径，θ为C型臂在校准旋转过程中的旋转角度值，θ＝ωt，θ∈[0,360)，传动齿轮组的放大倍数为α时；处理器计算得到与每个时刻的旋转角度值对应的校准值将每个时刻的旋转角度值θ与对应的校准值Θ组成标准值对(Θ，θ)；

3)在C型臂自由旋转过程中，当C型臂系统的控制器判定目标角度值与所有标准值对中的旋转角度值均不匹配时，在标准值对中选取最接近目标角度值的两个旋转角度值Θ1和Θ2分别对应的校准值Θ1和Θ2，利用选取的两个校准值Θ1和Θ2对目标角度值进行插值法修正，得到差值结果，所述差值结果为所述目标角度值对应的修正后的角度。

10.根据权利要求8或9所述的校准方法，其特征在于，所述插值法为线性插值法。