CN107307874B - 用于运行x射线设备的方法以及x射线设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行由X射线发射器和X射线探测器构成的X射线设备的方法，其中在X射线发射器处生成并发送交变磁场，在X射线探测器处由至少两个被安装用于分别检测至少一个与交变磁场相关的物理参量、尤其是磁场强度的传感器来执行所述物理参数的测量，基于所述测量确定X射线探测器相对于X射线发射器的定向。本发明还涉及一种用于执行该方法的X射线设备。

Description

用于运行X射线设备的方法以及X射线设备
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的一种用于运行X射线设备的方法、以及根据权利要求10的前序部分的一种X射线设备。
背景技术
公知的是，需要了解X射线设备的发射器与探测器之间的相对位置和定位，以便利用X射线设备、即利用由X射线发射器和X射线探测器构成的装置来得到所定义的X射线图像。
在本文献意义上的位置包括探测器相对于发射器的平移、以及同样还有探测器相对于发射器分别在所有三个空间轴上的倾斜/扭转，所述空间轴在本文献中可以在德语区中用Roll-Nick-Gier-Winkel（侧倾-俯仰-偏航角）并且在英语区中用roll-pitch-yaw角（侧倾-俯仰-偏航角）来表示，其是学术界中公知的用于描述物体在三维空间中的取向的方案。
在如今的设备中不提供关于X射线探测器与所属X射线发射器的相位位置和定位的信息。
发明内容
本发明的任务是说明一种使得能够可靠地确定所述位置的解决方案。
该任务通过根据权利要求1的特征的一种用于运行X射线设备的方法、以及根据权利要求10的特征的一种X射线设备来解决。其他有利的改进方案由从属权利要求来得出。
在根据本发明的用于运行由X射线发射器和X射线探测器构成的X射线设备的方法中：
a）在X射线发射器处生成并发送交变磁场；
b）在X射线探测器处由至少两个被安装用于分别检测至少一个与交变磁场相关的物理参量、尤其是磁场强度的传感器来执行所述物理参数的测量；
c）基于所述测量确定X射线探测器相对于X射线发射器的定向。
本发明所具有的优点是，使迄今为止手动执行的定向自动化，所述定向在本发明的意义上由探测器相对于发射器的位置来定义，在所述手动执行的定向中X射线发射器与X射线探测器之间的距离部分地用卷尺来测定。与此相对，本发明还实现了更精准的位置确定。尤其是因为探测器的倾斜不能以测量技术来确定，而是仅仅能够通过“目测”来校正。在此，本发明避免了X射线拍摄时的如下错误：所述错误例如导致X射线图像要么质量差（视野、不清晰、低对比度）、要么必须重复，这意味着附加的辐射负荷。
在本发明的一个有利的改进方案中，为了确定而进行至少各一个平面内的平移和/或旋转的计算。
由此可以根据平面数目和所确定的位置偏差的类型，在平移和/或旋转方面有针对性地选择或使用各种用于精确估计位置的数学算法。
如果至少两个用于发送交变磁场的发送装置彼此对称布置地和/或至少两个传感器彼此对称布置地运行，其中测量被执行为使得从传感器方面接收的物理参量、尤其是接收场强彼此之间的比例被形成并且其中所述确定基于所述比例进行，则可以实现平移（平移偏差）的简单确定/估计。但是其仅能在探测器不能有倾斜/扭转可能性的情况下应用。就此，在本发明的意义上提供了一种纯梯度方法。
为了即使在倾斜/扭转的情况下也使得能够实现所述确定，该方法可以被改进为使得至少四个传感器布置在X射线探测器上地运行，相关被执行为使得通过将在当前时刻接收的物理参量与参考参量相关来确定位置估计，并且所述确定基于该位置估计来进行。就此，使用在本发明的意义上被称为球体模型的确定方案。
替代地，尤其是如果平移偏差是不可能的，或者补充地，可以将根据本发明的方法改进为使得至少一对传感器在X射线探测器上彼此正交布置地运行，测量被执行为使得通过应用三角函数、尤其是反正切来基于两个传感器之间的所接收的物理参量确定入射角，并且所述确定基于该入射角进行。由此保证了旋转确定、即更确切而言确定关于发射器的旋转的偏差，所述确定可以基于三角函数、尤其是反正切进行。
当本发明被改进为使得在使用一对以上传感器的情况下为每对确定入射角、形成所述对的入射角的平均值并且所述确定基于入射角的平均值进行时，旋转的偏差确定的精度可以被进一步提高。
优选地，在此交变场被生成为使得磁场具有75KHz至150KHz范围内、尤其是125KHz的频率。由此实现了一个频率范围，该频率范围尤其良好地适于几乎无干扰影响地穿透材料和人体。在此，尤其是125KHz是法规规定的。
如果作为发送装置运行一维、二维和/或三维线圈，则所述确定变得越精确。
如果本发明被改进为使得作为传感器接收线圈运行3轴加速度传感器和/或3轴转速传感器，则针对该实现获得各种自由度，因为所述传感器类型中的每种都带来了可能对具体使用特别有利的特性。
根据本发明的由X射线发射器和X射线探测器构成的X射线设备具有：X射线发射器，其被构造为具有用于生成和发送交变磁场的发送器；以及X射线探测器，其被构造为具有至少两个用于分别检测至少一个与交变磁场相关的物理参量、尤其是磁场强度的传感器；以及用于执行所述物理参数的相关的第一装置。该X射线设备还具有第二装置，该第二装置被构造为使得基于所述测量确定X射线探测器相对于X射线发射器的定向。
X射线设备是一种实现该方法以及由此也实现其优点的实现方案。
相同的情况适用于X射线设备的改进方案，所述改进方案具有用于执行该方法及其改进方案的装置。
附图说明
现在根据在附图中所示的本发明的实施例详细解释本发明。在此：
图1示出了根据现有技术的后面的实施例作为出发点情况所基于的X射线设备装置；
图2示意性地示出了第一实施例，其作为测量原理示出了由本发明定义和描述的球体模型的根据本发明的应用；
图3示意性地示出了第二实施例，其作为测量原理示出了由本发明定义和描述的梯度模型的根据本发明的应用；
图4示出了根据本发明的方法的一个可能的实施例的流程图。
附图中各个元素的在下面进一步描述的部分未示出的实施例或扩展方案是本发明的优选实施方式。但是本发明不限于此。
具体实施方式
图1简化地示出了从现有技术中公知的并且为了后面解释实施例可考虑作为出发点情况的X射线设备装置。
能够看出X射线设备装置的原理性结构，其由（X射线）发射器和（X射线）探测器构成，在（X射线）发射器与（X射线）探测器之间放置要检查的人。
此外示出了，以何种方式可以改变X射线探测器的位置，使得X射线探测器与通常不可移动的发射器具有偏差。
能够看出，可以进行探测器在x-y平面内的位移。即平移偏差。此外，探测器有时也可以被实施为使得其围绕空间x-y-z中的三个轴之一旋转。
这样得出的探测器位置的确定通常手动地执行，并且导致开头所述的缺点。
这些缺点根据本发明通过提供偏差的自动检测而被消除。
在图2中所示的实施例示出了根据本发明对发送器（用发射器的边缘处的划线来表征）Tx1...Tx4的使用——所述发送器Tx1...Tx4放置在发射器上——，以及对接收器（用探测器的边缘处的“x”来符号化示出）Rx1...Rx4的使用。该放置可以如所示那样关于发送器/接收器彼此对称地进行，并且也可以被构造为使得例如接收器彼此正交地安装，其中替代地也可以使用4个以上的接收器Rx1...Rx4。
由此出发，可以针对可设想的偏移可能性确定旋转角和位置。
如果根据该实施例发送器生成交变磁场并且接收器被构造成线圈，则下列原则尤其适用于确定旋转角：
-接收电压由至少两个正交的接收线圈来确定；
-借助于三角函数反正切，可以在采用线性发出的磁场的情况下确定两个接收线圈之间的入射角；
-在多个接收线圈对的情况下，确定所估计的旋转角的平均值；
-在使用三个接收线圈的情况下，一般而言可以通过三角函数来确定位置，但是不限于反正切；
-估计的精度依赖于：
o 由发送线圈生成均匀的场分布；
o 接收线圈的正交性（耦合、安装）；
o 信噪比。
另外，原则上对于根据示例的旋转角的根据本发明的实施有下列各项适用：
-在空间中仅仅围绕一个轴的倾斜或旋转（偏航，俯仰，侧倾）可以通过两个90°交叉的接收线圈（Rx1，Rx2）来测量；
-安装位置是探测器的主轴：
o 偏航接收线圈处于x'y'平面内，
o 俯仰接收线圈处于x'z'平面内，
o 侧倾接收线圈处于y'z'平面内；
-所估计的角度=atan（Rx1处的测量/Rx2处的测量）；
-为了检测围绕两个轴的倾斜，作为一种改进方案需要3D接收线圈；
-接收线圈的校准在角度估计以前进行；
-应当注意，借助于三角函数的角度测量仅能在空间中的均匀相的情况下应用。
为了在给定出发点情况的情况下确定探测器的位置，应当使用两个基本上通过使用测量原理来表征的实施例，一个可以被称为球体模型，并且一个可以被称为梯度模型/方法，其中根据实施例的球体模型的特征在于：
-探测器相对于发送器的位置借助于球体模型来估计；
-所示4个接收器被用于估计探测器的位置x、y、z；
-在此，球体模型基于经验模型，其中：
-经验模型基于场强的测量，该场强一次性在发送器与接收器之间的有关距离的情况下并且在恒定距离情况下在相关区域中确定；并且其中
-针对每个所测量的值最小化每个接收器的成本函数。
在此，在球体模型的情况下，使用下列对X射线装置的事实进行描述/建模的数学方程：
Figure 374279DEST_PATH_IMAGE002
就此给定针对4个接收器的模型方程。在此，针对与探测器的中点具有偏移量并且根据空间角偏航α、侧倾β和俯仰γ具有xn、yn、zn的接收器原则上给定欧拉矩阵M，其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
在如附图中所示围绕z轴旋转的情况下（具有角度的值=45°），该矩阵如下得出：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
从其中可以确定旋转角。
在此，探测器相对于关于所有发送器Txn的中点的位置、即根据图示为移动x=y=10cm的位移从所有接收器Rxn的接收电压中估计。
在此，针对借助于球体方程对x-y平移的估计适用的是，
- x-y估计基于多项式，其中针对该多项式适用的是：
o 场分布不是对称的，
o 多项式确定所有曲线的平均值，
o 借助于多项式给每个所测量的接收电压分配半径；
-根据本发明，对于该估计，因此至少三个接收线圈就足够了（充足是因为或如果z距离是恒定和已知的）；
-估计误差通过添加另外的接收器而被最小化；
-对位移合适的是较小尺度，因为如果使用多项式来估计，则随着变大的位移，误差增加；
-估计原理即使在探测器扭转的情况下也可以应用；
-平均欧几里得距离为1.7cm。
通过一维接收线圈达到的精度是足够的并且提供适宜的解决方案。更精确的结果也可以通过使用二维或三维线圈来实现。
而根据实施例的基于出发点情况如图3中所示出的梯度方法：
-即纯平移位移；-其特征在于：
-xy位移借助于梯度来确定；
-位移可以通过对称的发送和接收配置的接收比来确定，其中
-这仅能在不存在旋转/倾斜时应用；
-梯度仅仅对某个距离有效，使得使用以下原理，在两个相对的接收器的情况下不具有相同的接收场强时，存在位移；
-给定具有0.3cm的平均欧几里得距离。
另外适用的是，根据本发明的实施例用于估计的合适多项式可以在注意如下几点的情况下来确定：
-所测量的接收电压依赖于接收线圈在探测器上的位置（Rx1和Rx2与探测器中心具有与Rx3和Rx4相比更大的距离）。
-对于距离的粗略估计，确定基于所有接收线圈的电压相加的多项式就足够了。
-对于精确的距离估计可以确定以下多项式，该多项式从与探测器的中心具有相等距离的接收线圈的电压中得出。
由此可以在给每个接收线圈根据其在探测器板上的位置分配相应多项式的情况下保证在不同距离的情况下半径与接收电压的良好相关。
因为根据一个替代或补充改进方案，也可以借助于多项式为每个接收器建立球体方程，所以也可以借助于球体模型进行估计，其中当所估计的x和y分量理想地总是对应于0时，z分量可以非常良好地被估计。
如果现在作为根据本发明的方法实现这些测量原理或模型，则可以使用根据图4的实施例。
图4示意性地示出了实施例的流程图，并且在第一步骤S1在初始状态“开始”下开始，从此出发在第二步骤S2中进行校准，在第三步骤S3中该校准作为结果确定电压和角度偏移量，其方式是，在发送器和探测器的所定义的位置处进行测量，例如所述发送器和探测器直接相叠，其中确定每个接收器处的接收电压以及各个接收线圈之间的角度。
在第四步骤S4中，然后进行粗略定位，跟在该定位之后的是，在第五步骤中例如根据上述方案之一或其组合接着估计旋转角。
跟在此后的是，在第六步骤S6中输出空间角偏航/俯仰/侧倾，然后在第七S7步骤中，将探测器旋转到零位置（在任意平移的情况下）。
这导致在第八步骤S8中的z平移的估计，并且在第九步骤S9中的z坐标的输出。紧接着，然后在第十步骤S10中选择模型、例如上面阐述模型之一，在第十一步骤S11中，利用所述模型估计xy平移，并且在第十二步骤S12中可以执行探测器/发送器到零位置的位移。
通过在第十三步骤S13中分析是否达到n迭代，在肯定情况下结束该方法，并且在第十四步骤S14中转移到状态“停止”。
如果否，则重复第五至第十一步骤S5...S11。
在本文献中描述的方案不限于在附图中解释的示例，而是包括由权利要求书包括的所有解决方案，所述解决方案仅仅基于幅度测量及其分析并且在所述解决方案中物体在空间中的位置及其定位通过使用从原则上可能的由多个传感器类型（加速度传感器、陀螺仪）构成的选择中关于类型同类选择的传感器而被实现，所述传感器类型类似地用于飞行物的非专业的位置调节。之所以是类似地，因为其在医学领域中和建筑物的内部区域中的应用未被规定，并且因此部分地仅能利用匹配/限制来实现。

Claims (11)

1.用于运行由X射线发射器和X射线探测器构成的X射线设备的方法，所述X射线设备被构造为使得：
a）在X射线发射器处生成并发送交变磁场；
b）在X射线探测器处由至少两个被安装用于分别检测至少一个与交变磁场相关的磁场强度的传感器来执行所述磁场强度的测量；
c）基于所述测量确定X射线探测器相对于X射线发射器的定向，其中为了确定而进行至少各一个平面内的平移和/或旋转的计算，其中至少两个用于发送交变磁场的发送装置彼此对称布置地和/或至少两个传感器彼此对称布置地运行，其中所述测量被执行为使得从传感器方面接收的接收场强彼此之间的比例被形成，并且其中所述确定基于所述比例进行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
a）至少四个传感器布置在X射线探测器上运行；
b）所述测量被执行为使得通过将在当前时刻接收的接收场强与参考参量相关来确定位置估计；
c）所述确定基于所述位置估计来进行。
3.根据前两个权利要求之一所述的方法，其特征在于，
a）至少一对传感器在X射线探测器上彼此正交布置地运行；
b）所述测量被执行为使得通过应用三角函数来基于两个传感器之间的所接收的接收场强确定入射角；
c）所述确定基于所述入射角进行。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述三角函数是反正切。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在使用一对以上的传感器的情况下：
a）为每对确定入射角；
b）形成所述对的入射角的平均值；
c）所述确定基于入射角的平均值进行。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，交变场被生成为使得磁场具有75KHz至150KHz范围内的频率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述磁场具有125KHz的频率。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为发送装置运行一维、二维和/或三维线圈。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为传感器接收线圈运行3轴加速度传感器和/或3轴转速传感器。
10.由X射线发射器和X射线探测器构成的X射线设备，其特征在于，
a）X射线发射器，其被构造为具有用于生成和发送交变磁场的发送器；
b）X射线探测器，其被构造为具有至少两个用于分别检测至少一个与交变磁场相关的磁场强度的传感器，其中至少两个用于发送交变磁场的发送装置彼此对称布置地和/或至少两个传感器彼此对称布置地运行；以及用于执行所述磁场强度的测量的第一装置，其中所述测量被执行为使得从传感器方面接收的接收场强彼此之间的比例被形成；
c）第二装置，其被构造为使得基于所述测量确定X射线探测器相对于X射线发射器的定向，其中所述确定基于所述比例进行，
d） 第三装置，其被构造为使得为了确定而进行至少各一个平面内的平移和/或旋转的计算。
11.由X射线发射器和X射线探测器构成的X射线设备，其特征在于，具有用于执行根据权利要求2至9之一所述的方法的装置。
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