CN110811652B - 用于移动x射线成像系统的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明题为“用于移动X射线成像系统的系统和方法”。本发明提供了用于移动x射线成像系统的各种方法和系统。在一个实施方案中，系统包括：机架，该机架具有彼此相对地安装在其上的x射线源和x射线检测器；支架，该支架联接到机架并被配置成使机架相对于支架旋转；和机械臂，该机械臂将支架联接到基部，机械臂包括至少三个连杆和四个接头。

Description

用于移动X射线成像系统的系统和方法

技术领域

本文所公开的主题的实施方案涉及x射线成像系统，并且具体地涉及移动x射线成像系统机架。

背景技术

经常期望从若干不同位置对患者进行x射线检查，并且通常优选在无需重新定位患者的情况下这样做。移动C形臂x射线成像系统已经开发出以满足这些需求，并且现在在医学和外科领域中是众所周知的。C形臂x射线成像系统特别有用，因为它足够小并且具有足够的移动性以在操作或检查情况下出现，而无需医生反复移动或要求患者改变位置以获得合适的图像。

术语“C形臂”是指机器的大致C形机架，x射线源和x射线检测器在C形臂的相对端上安装到该大致C形机架，使得由x射线源发射的x射线入射在x射线检测器上并由x射线检测器检测。x射线源和x射线检测器被定位成使得例如，当人体末端插置在x射线源与x射线检测器之间并用x射线照射时，x射线检测器产生表示插置对象的特性的数据。所产生的数据通常显示在监视器上并以电子方式存储。

发明内容

在一个实施方案中，系统包括：机架，该机架具有彼此相对地安装在其上的x射线源和x射线检测器；支架，该支架联接到机架并被配置成使机架相对于支架旋转；以及机械臂，该机械臂将支架联接到移动基部并被配置成调整支架相对于移动基部的位置，其中机械臂包括三个连杆和四个接头。以这种方式，移动x射线成像系统可以具有增加的等中心位移和运动范围。

应当理解，提供上面的简要描述来以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的精选概念。这并不意味着识别所要求保护的主题的关键或必要特征，该主题的范围由具体实施方式后的权利要求书唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上文或本公开的任何部分中提到的任何缺点的实施方式。

附图说明

通过参考附图阅读以下对非限制性实施方案的描述将更好地理解本发明，其中以下：

图1示出了示出根据实施方案的示例移动x射线成像系统的部件的框图；

图2示出了根据实施方案的处于第一铰接配置的示例移动x射线成像系统的示意图；

图3示出了示出根据实施方案的处于第一铰接配置的示例移动x射线成像系统的简化图；

图4示出了根据实施方案的处于第二铰接配置的示例移动x射线成像系统的示意图；

图5示出了根据实施方案的处于第三铰接配置的示例移动x射线成像系统的示意图；

图6示出了示出根据实施方案的移动x射线成像系统的最大角度延伸的简化图；

图7示出了示出根据实施方案的用于提供相同C形臂位置的不同铰接配置的简化图；

图8示出了根据实施方案的用于移动x射线成像系统的转矩平衡系统的示意图；

图9示出了根据实施方案的用于调整移动x射线成像系统的位置的示例方法的高级流程图；

图10示出了描绘示例移动x射线成像系统从第一铰接配置移动到第二铰接配置的示意图；

图11至图13描绘了用于将移动x射线成像系统的部件从第一铰接配置调整到第二铰接配置的不同示例轨迹；

图14示出了根据实施方案的示例移动x射线成像系统的侧绘画视图；

图15示出了图14的示例移动x射线成像系统的顶部绘画视图；

图16和图17示出了图14的示例移动x射线成像系统的透视绘画视图；

图18示出了示出用于调整等中心位置的示例铰接配置的一组简化图；

图19示出了示出根据实施方案的围绕与等中心不同的点的动态旋转的一组简化图；

图20至图25描绘了根据实施方案的用于通过移动x射线成像系统执行锥形束计算断层摄影的示例轨迹；以及

图26描绘了根据实施方案的用于通过移动x射线成像系统执行线性层析合成的示例轨迹。

具体实施方式

以下描述涉及移动x射线成像系统的各种实施方案。如图1至图3中描绘的，移动x射线成像系统可以包括具有至少三个连杆和四个接头的机械臂以用于相对于移动基部调整C形臂支架的位置并从而调整与其联接的C形臂架。机械臂的连杆的配置使得能够增加运动范围以实现期望等中心位置，如图4至图7中描绘的。移动x射线成像系统可以包括转矩平衡系统，诸如图8所描绘的基于弹簧的转矩平衡系统，以用于减小机械臂的电动机上的负载。用于控制移动x射线成像系统的方法(诸如图9所描绘的方法)包括确定对移动x射线成像系统的一个或多个部件的位置调整以将成像系统的等中心与期望等中心位置对准。为了将移动x射线成像系统的等中心从第一位置调整到第二位置(如图10所描绘)，可以根据各种考虑因素(诸如重量平衡、房间内的障碍物、机器臂的连杆的长度等)使用多个不同的轨迹，如图11至图13所描绘。在图14至图17中描绘了具有不同轮配置的示例移动x射线成像系统。图18描绘了用于调整等中心位置的机械臂的示例铰接配置。同时，图19描绘了用于围绕除等中心以外的点旋转C形臂机架的示例铰接配置。在围绕除等中心以外的点进行成像期间动态旋转x射线源和x射线检测器允许不同的等中心轨迹，并因此允许各种x射线成像模式，如图20至图26中描绘的。

图1示出了示出示例移动x射线成像系统100的部件的框图。移动x射线成像系统100包括安装在C形臂机架110上的x射线源105和x射线检测器107。

检测器臂系统170包括用于调整x射线检测器107的位置的检测器臂电动机或检测器升降器172。例如，如本文进一步讨论的，检测器升降器172可以相对于C形臂机架110平移和/或旋转x射线检测器107。

C形臂机架110包括用于调整C形臂机架110的位置的C形臂电动机112。更具体地，C形臂机架110机械联接到包括C形臂电动机112的C形臂支架111，并且可以驱动C形臂电动机112以调整C形臂机架110相对于C形臂支架111的位置，如在本文参照图2至图5进一步描述的。

移动x射线成像系统100还包括经由C形臂支架111机械联接到C形臂机架110的机械臂120。机械臂120包括多个连杆122和位于连杆122之间的接头处的电动机124，如本文进一步描述的。具体地，机械臂120的多个连杆122包括：第一连杆，该第一连杆联接到C形臂支架111并且从而在第一连杆与C形臂支架111之间形成用于调整C形臂支架111相对于第一连杆的位置的第一机动接头；第二连杆，该第二连杆联接到第一连杆并且从而在第一连杆与第二连杆之间形成用于调整第一连杆相对于第二连杆的位置的第二机动接头；以及第三连杆，该第三连杆联接到第二连杆并且从而在第二连杆与第三连杆之间形成用于调整第二连杆相对于第三连杆的位置的第三机动接头。此外，第三连杆机械联接到移动基部140，从而在第三连杆与移动基部140之间形成用于调整第三连杆相对于移动基部140的位置的第四机动接头。

移动基部140包括用于驱动一个或多个轮144以调整移动基部140的位置的一个或多个电动机142。此外，一个或多个轮144可以是自由的或非机动的，如本文进一步描述的。例如，轮144可以包括两个机动轮(其中每个机动轮具有两个电动机142)和一个非机动轮。

移动x射线成像系统100还包括控制器150，该控制器包括处理器152和非暂态存储器154。用于控制移动x射线成像系统100的方法可以作为可执行指令155存储在非暂态存储器154中并由处理器152执行。在本文中参照图6进一步描述了可作为指令155实现的示例方法。

移动x射线成像系统100还包括用户接口160以用于从移动x射线成像系统100的用户或操作者接收输入。用户接口160可以通信地联接到控制器150，以用于将用户经由用户接口160输入的命令提供给控制器150。用户接口160可以包括以下中的一个或多个：键盘、鼠标、轨迹球、一个或多个旋钮、一个或多个操纵杆、触摸板、触摸屏、一个或多个硬和/或软按钮、智能电话、麦克风、虚拟现实装置等。因此，用户接口160可以使用虚拟现实装置或交互式显示设备(例如，触摸屏)来启用语音控制以及信息(诸如模拟运动或可能碰撞)的显示。在一些示例中，用户接口160可以相对于移动x射线成像系统100远程定位。例如，用户接口160可以经由有线或无线连接通信地联接到控制器150和/或移动x射线成像系统100，并且可以远离移动基部140定位。

如本文进一步讨论的，移动x射线成像系统100的用户可以例如经由用户接口160输入期望等中心位置。然后，控制器150可以确定对检测器臂系统170、C形臂机架110、机械臂120和移动基部140中的一个或多个的位置调整，以将移动x射线成像系统100的等中心与期望等中心位置对准。作为另一个示例，移动x射线成像系统100的用户可以经由用户接口160直接控制移动x射线成像系统100的一个或多个部件相对于移动x射线成像系统100的其他部件的位置。例如，用户可以经由操纵杆或旋钮直接输入例如对移动x射线成像系统100的一个或多个部件的位置调整。作为另一个示例，可以预编程移动x射线成像系统100的部件的运动，使得用户不直接控制任何移动，而是启动预编程运动的开始。该运动可以包括复杂运动，具有等中心的连续运动。

控制器150还通信地联接到显示设备165以用于显示经由x射线检测器107获取的一个或多个x射线图像。另外，在一些示例中，控制器150、用户接口160和显示设备165中的一个或多个可以远离移动x射线成像系统100的其余部件定位(例如，与其远程定位)。

移动x射线成像系统100还可包括转矩平衡系统180，以用于在调整移动x射线成像系统100的一个或多个部件的位置时平衡移动x射线成像系统100。在一个示例中，转矩平衡系统180包括多个电动机182，其中电动机182被配置成生成施加到机械臂120的平衡转矩。更具体地，电动机182生成平衡转矩以平衡在C形臂机架110、机械臂120和移动基部140之间生成的转矩。为此，电动机182可以包括机械臂120的电动机124。

转矩平衡的非主动解决方案，诸如配重、弹簧(包括基于气体的弹簧)、缆线和滑轮可以优于基于电动机的转矩平衡。在一个示例中，转矩平衡系统180包括多个弹簧184，其中弹簧184被配置成生成施加到机械臂120的平衡转矩。更具体地，弹簧184生成平衡转矩以平衡在C形臂机架110、机械臂120和移动基部140之间生成的转矩。在本文中参照图8进一步描述了包括弹簧184的示例性转矩平衡系统180。

移动x射线成像系统100还可以包括冷却系统190以用于冷却x射线源105和/或x射线检测器107。作为说明性和非限制性示例，冷却系统190可以包括一个或多个柔性管和泵以用于向x射线源105提供冷却流体以便将热能传递远离x射线源105。冷却系统190可以独立地主动冷却x射线源105和x射线检测器107，或者在一些示例中，可以通过用于x射线源105的冷却回路的任何合适类型的衍生物来冷却x射线检测器107。

图2示出了示例性移动x射线成像系统200的示意图。移动x射线成像系统200包括图1中描绘的部件。例如，移动x射线成像系统200包括安装在C形臂机架210上的x射线源205和x射线检测器207。C形臂机架210经由C形臂支架212和机械臂220联接到移动x射线成像系统200的移动基部240。如本文进一步描述的，可以控制C形臂支架212和机械臂220，以调整成像等中心209(在本文也简称为等中心点209)相对于移动基部240的位置，调整C形臂机架210相对于移动基部240的位置，和/或调整x射线源205和x射线检测器207相对于等中心209的位置。

具体地说，C形臂机架210的等中心209包括光轴线(由x射线源205的焦点305和x射线检测器207的中心或x射线检测器207的穿过焦点305的法线定义)和C形臂旋转轴线沿着支架212的交叉点。在一些示例中，第一连杆221在第二接头225处相对于第二连杆224旋转，使得第一连杆221总是与等中心对准。然而，应当理解，在其他示例中，第一连杆221可以不与等中心对准。

C形臂支架212包括支架基部213，该支架基部联接到C形臂机架210并且被配置成使C形臂机架210沿着机架轨道211在所描绘的x-y平面中旋转。为此，支架基部213可以包括一个或多个电动机(未示出)，诸如C形臂电动机112，以用于使C形臂机架210沿着机架轨道211滑动。C形臂机架210可以在-x-y平面中围绕旋转轴线或等中心点209相对于C形臂支架212旋转，使得x射线源205和x射线检测器207相对于等中心点209在x-y平面中旋转。

此外，如所描绘的，C形臂支架212还包括机械联接到支架基部213的支撑基部214。支撑基部214继而机械联接到机械臂220的第一连杆221，从由此在第一连杆221与C形臂支架212之间形成第一接头222。机械臂220的电动机124被配置成在机动第一接头222处相对于机械臂220的第一连杆221旋转C形臂支架212并因此旋转C形臂机架210，使得C形臂机架210在所描绘的y-z平面中旋转。也就是说，C形臂支架212在y-z平面中相对于第一连杆221在第一接头222处旋转。以这种方式，支架基部213和与其联接的C形臂机架210(以及安装到C形臂机架210的部件)可以相对于机械臂220的第一连杆221在-y-z平面中旋转。因此，C形臂机架210和安装在其上的部件可以在三维空间中经由C形臂支架212和第一接头222围绕等中心点209旋转(例如，在x-y平面中经由C形臂支架212，以及在y-z平面中经由第一接头222)。

另外，机械臂220的第一连杆221在第二接头225处机械联接到机械臂220的第二连杆224。机械臂220包括位于接头225处的电动机124(图2中未示出)以用于使第一连杆221相对于第二连杆224旋转。具体地，第一连杆221可以在所描绘的x-y平面中围绕第二接头225旋转，具有运动范围226。应当理解，运动范围226是理论上的并且在实践中，第一连杆221以及因此C形臂机架210可能无法围绕第二接头225完全旋转。

机械臂220的第二连杆224经由第三接头227机械联接到机械臂220的第三连杆228。机械臂220包括位于第三接头227处的电动机124(图2中未示出)，以用于使第二连杆224在x-y平面中相对于第三连杆228旋转，具有运动范围229。与第一连杆221的运动范围226一样，应当理解，第二连杆224相对于第三连杆228的运动范围229是理论上的，并且在实践中，第二连杆224的运动范围可以仅包括所描绘的运动范围229的子集。

另外，机械臂220的第三连杆228在第四接头230处机械联接到移动基部240。机械臂220包括位于第四接头230处的电动机124(图2中未示出)，以用于使第三连杆228在x-y平面中相对于移动基部240旋转，具有运动范围231。与运动范围226和229一样，第三连杆228相对于移动基部240的运动范围231是理论上的。

因此，移动x射线成像系统200的机械臂220包括第一连杆221、第二连杆224和第三连杆228，以及第一接头222、第二接头225、第三接头227和第四接头230。第一接头222在所描绘的y-z平面中提供自由度，而第二接头225、第三接头227和第四接头230各自在所描绘的x-y平面中提供自由度。每个接头被机动化以使得机械臂220的连杆能够相对于彼此以及相对于C形臂机架210和移动基部240相对运动。通过控制每个连杆的相对位置，C形臂机架210以及安装在其上的x射线源205和x射线检测器207的位置可相对于移动基部240在三维空间中进行调整。

移动x射线成像系统200还包括检测器臂系统270，该检测器臂系统包括被配置成调整x射线检测器207的位置的一个或多个机械臂。可以控制检测器臂系统270以增加或减小x射线检测器207与C形臂机架210的距离，由此调整移动x射线成像系统200的成像中心218的位置，该成像中心位于x射线检测器207与x射线源205之间的中心点。如本文进一步讨论的，可以控制移动x射线成像系统200的除检测器臂系统270之外的部件以调整成像中心218在三维空间中的位置。例如，控制机械臂220使得成像中心218能够在所描绘的x-y平面中平移。此外，C形臂机架210在第一接头222处的y-z平面中的旋转，以及C形臂机架210相对于C形臂支架212的旋转，调整x射线源205和x射线检测器207在三维空间中相对于成像中心218的相对位置。

移动基部240包括多个轮，包括从动轮244和自由轮246。从动轮244可以由一个或多个电动机242驱动，以用于移动该移动基部240并因此移动整个移动x射线成像系统200。除了沿x轴(即，向左和向右)移动该移动x射线成像系统200之外，电动机242可以沿z方向驱动从动轮244，从而使得移动x射线成像系统200能够在x-z平面中以任何定向来重新定位。作为示例，可以为每个从动轮244提供两个电动机242，其中一个电动机242包括牵引电动机并且第二电动机242包括方向电动机。在其他示例中，可以使用双轮(具有差动牵引电动机)、全向轮或其他类型的机动轮。自由轮246可以不由电动机驱动。此外，如所描绘的，从动轮244可以定位在移动基部240的前方(即，移动基部240的靠近C形臂机架210的一侧上)，并且因此可以有利地定位成更靠近移动x射线成像系统200的重心。如本文中参照图14至图17进一步讨论的，在一些示例中，自由轮246可以朝向C形臂机架210延伸的结构上定位在移动基部240的前侧处。在一些示例中，移动x射线成像系统200的所有轮可以是从动轮244。

在一些示例中，移动x射线成像系统200可以包括容纳在移动基部240的壳体245内的高压发生器274。在移动基部240内设置高压发生器274增加了移动基部240的重量，从而稳定移动x射线成像系统200。此外，在移动基部240内设置高压发生器274消除了容纳远离移动x射线成像系统200的高压发生器274的需要，从而消除通常经由拴系件288连接到x射线源205以用于为x射线源205提供高电压的长高压缆线。

移动x射线成像系统200还可以包括转矩平衡系统272，以用于主动或被动地平衡由机械臂和C形臂机架的不同铰接配置生成的静态转矩。虽然转矩平衡系统272被描绘为定位在移动基部240内，但应当理解，转矩平衡系统272可以集成到机械臂组件中并且因此可以在机械臂220的外部和/或内部。如所描绘的，机械臂220和230的连杆包括短连杆，并且因此在所描绘的示例中，第三连杆228与移动基部240之间的接头230相对靠近等中心209地垂直(例如，在y方向上)定位。在这种示例中，转矩平衡系统272可以包括一个或多个电动机，诸如机械臂220的电动机124，以用于生成平衡转矩。

在其他示例中，机械臂220的连杆包括长连杆以提供机械臂的延伸范围并从而提供C形臂机架210的延伸范围。在此类示例中，第三连杆228与移动基部240之间的接头230可以垂直定位在较低位置(例如，更靠近地板)。在此类示例中，转矩平衡系统272可以包括一个或多个弹簧，诸如弹簧184，以用于生成转矩来平衡移动x射线成像系统200。在本文中参照图8进一步描述具有长连杆或短连杆的移动x射线成像系统和基于弹簧的转矩平衡系统272的示例配置。

此外，拴系件288可以将移动x射线成像系统200联接到其中安装有移动x射线成像系统200的房间的天花板。可以经由拴系件288提供电力、数据和冷却。

在一些示例中，C形臂机架210可以包括复合材料以减小C形臂机架210的总重量，以及提供对C形臂机架210的部件的保护。例如，C形臂机架210可以包括坚固但轻质的复合材料，使得C形臂组件(包括C形臂机架210以及安装在其上的x射线源205和x射线检测器207)的重心更靠近旋转轴线或等中心点209。相比之下，用较重材料构造C形臂机架210的先前方法会致使C形臂组件的重心远离与等中心点209重合的旋转中心或旋转轴线，并且朝向C形臂机架210，其中支架212如图2所描绘的那样被联接。减小C形臂机架210的重量并因此使C形臂组件的重心与旋转轴线209更紧密地对准有利地实现了对C形臂机架的定位的控制。复合结构(由单个部件或一组有限的模制元件制成)可以包括附加功能，诸如支持检测器运动、覆盖管底、为电缆提供导管和冷却流体管道、提供热和电气屏障等。这与通常由弯曲的挤出铝梁形成典型金属C形臂结构形成鲜明对比。

此外，在一些示例中，可以在移动基部240处设置机载发电机、热交换器和电池以消除拴系件228并从而实现移动x射线成像系统200的完全自主操作。

移动x射线成像系统200的机械臂220和C形臂支架212以第一铰接配置描绘。图3示出了处于不同铰接配置300的移动x射线成像系统200的简化图，其中机械臂220处于图2所描绘的第一铰接配置，而检测器臂系统270延伸以使得检测器207更靠近等中心209。应当理解，移动x射线成像系统200的配置使得能够相对于先前方法扩展移动x射线成像系统200的总运动范围。

例如，图4示出了处于第二铰接配置400的移动x射线成像系统200的示意图。图5示出了处于第三铰接配置500的移动x射线成像系统200的示意图。此外，在第三铰接配置500中，如所描绘的，x射线检测器207经由检测器臂系统270远离C形臂机架210延伸，由此调整成像中心218的位置。在两个示例中，C形臂机架210相对于C形臂支架212重新定位。

另外，图6示出了移动x射线成像系统200的铰接配置610和移动x射线成像系统200的另一个铰接配置620。具体地，铰接配置610和620描绘了C形臂机架210的最大角度延伸。

图7示出了移动x射线成像系统200，其中机械臂220的连杆处于铰接配置710和另一个铰接配置720。尽管机械臂220的铰接配置710和720基本上不同，但C形臂机架210相对于等中心点209保持在相同的位置。因此，对于给定的C形臂位置存在多个铰接配置。

图8示出了用于移动x射线成像系统800的转矩平衡系统801的示意图。转矩平衡系统801包括用于机械臂820的每个接头的多个弹簧，并因此包括第一弹簧802、第二弹簧804和第三弹簧806。应当注意，转矩平衡系统801不包括用于机械臂的第一连杆821与C形臂支架812之间的第一接头的弹簧，但在一些示例中，转矩平衡系统801还可以包括用于第一连杆821与C形臂支架812之间的第一接头的第四弹簧。

转矩平衡系统801还包括从臂组件的接头延伸的多个杆，包括从第一连杆821与第二连杆824之间的第二接头825延伸的第一杆831，从第二连杆824与第三连杆828之间的第三接头827延伸的第二杆832，以及从第二接头827延伸的第三杆833。第一杆831经由第一机械连杆841联接到第二杆832，而第三杆833经由第二机械连杆842联接到移动基部840。

如所描绘的，第一弹簧802将第一连杆821联接到第一杆831以提供第一平衡转矩，第二弹簧804将第二连杆824联接到第二杆832以提供第二平衡转矩，并且第三弹簧806将第三连杆828联接到移动基部840以提供第三平衡转矩。

转矩平衡系统801的配置，具体是如所描绘的杆和机械连杆的配置，根据机械臂和C形臂机架的铰接配置使得多个弹簧能够抵消施加到机械臂和移动基部的转矩。

此外，第三连杆828经由第四接头830联接到移动基部840，使得第三连杆828可以相对于移动基部840围绕第三接头830旋转。如上文所讨论的，与图2所描绘的机械臂220的连杆相比，第二连杆824和第三连杆828是长连杆。在这种示例中，第四接头830可以定位成更靠近地板，使得第四接头830在垂直方向上低于C形臂机架810的等中心。

图9示出了用于调整移动x射线成像系统的位置的示例方法900的高级流程图。具体地，方法900涉及控制移动x射线成像系统(诸如上文描述的移动x射线成像系统200)的一个或多个部件以调整移动x射线成像系统的等中心的位置。图1至图8的系统和部件描述了方法900，但是应当认识到，方法可以在不脱离本公开的范围的情况下用其他系统和部件来实现。例如，方法900可以作为可执行指令155存储在移动x射线成像系统100的控制器150的非暂态存储器154中，并且可以由控制器150的处理器152执行。

方法900在905处开始。在905处，方法900接收期望等中心位置的指示。可以例如经由用户接口(诸如用户接口160)接收期望等中心位置的指示。期望等中心位置可以包括三维坐标(例如，x，y，z)中的位置的指示，并且在一些示例中还可以包括x射线源和检测器相对于等中心的定向。作为另一个示例，期望等中心位置可以包括用户希望调整等中心的方向。

在907处，方法900评估移动x射线成像系统的当前位置配置。例如，方法900评估移动x射线成像系统的每个部件相对于每个其他部件的位置配置，以及移动x射线成像系统的部件相对于其中定位有移动x射线成像系统的环境(例如，房间)的位置配置。方法900评估移动x射线成像系统的当前位置配置以便确定对移动x射线成像系统的一个或多个部件的位置调整，这些位置调整将移动x射线成像系统的等中心与在905处接收的期望等中心位置对准。在一个示例中，方法900确定移动x射线成像系统的当前等中心与期望等中心位置之间的向量。如本文进一步讨论的，方法900然后确定对移动x射线成像系统的一个或多个部件的位置调整，以使等中心沿着矢量移动到期望等中心位置。

因此，在910处继续，方法900确定期望等中心位置是否在移动基部的范围内。如果可以在不调整移动基部的位置的情况下实现期望等中心位置，则期望等中心位置在移动基部的范围内。也就是说，如果在不驱动移动基部的轮以平移和/或旋转移动基部的情况下，移动x射线成像系统的等中心可以与期望等中心位置对准，则期望等中心位置在移动基部的范围内。

如果期望等中心位置不在移动基部的范围内(“否”)，则方法900继续到915，其中方法900确定对移动基部的位置的位置调整。位置调整可以包括移动基部的位置相对于移动基部的当前位置的旋转和/或平移。

在915处确定对移动基部的位置的位置调整之后，或者如果在910处期望等中心位置在移动基部的范围内(“是”)，则方法900继续到920。在920处，方法900确定期望等中心位置是否在机械臂的范围内。如果等中心可以通过调整机械臂的一个或多个连杆的位置而与期望等中心位置对准，则期望等中心位置在机械臂的范围内。可以根据在915处确定的对移动基部的位置调整来考虑机械臂的范围。如果期望等中心位置不在机械臂的范围内(“否”)，则方法900继续到925，其中方法900确定对臂的一个或多个连杆的位置调整。

在925处确定对机械臂的一个或多个连杆的位置调整之后，或者如果在920处期望等中心位置在移动基部的范围内(“是”)，则方法900继续到930。在930处，方法900确定期望等中心位置是否在C形臂机架定向的范围内。如果移动x射线成像系统的等中心可以如上文所讨论的那样通过相对于C形臂支架旋转C形臂机架和/或相对于C形臂支架沿着轨道滑动C形臂机架而与期望等中心位置对准，则期望等中心位置在C形臂机架定向的范围内。如果期望等中心位置不在C形臂机架定向的范围内(“否”)，则方法900继续到935，其中方法900确定对C形臂机架定向的位置调整。

在935处确定对C形臂机架定向的位置调整之后，或者如果在930处期望等中心位置在C形臂机架定向的范围内(“是”)，则方法900继续到940，其中方法900确定期望等中心位置是否在检测器臂或检测器升降器的范围内。如果期望等中心位置不在检测器升降器的范围内(“否”)，则方法900继续到945。在945处，方法900确定对检测器升降器的位置调整。

在945处确定对检测器升降器的位置调整之后，或者如果在940处期望等中心在检测器升降器的范围内(“是”)，则方法900继续到950。在950处，方法900根据确定的位置调整来控制移动x射线成像系统的一个或多个电动机。例如，方法900可以控制一个或多个电动机以驱动移动基部的轮来重新定位基部，控制机械臂的一个或多个电动机以提供连杆的不同铰接配置，控制支架以调整C形臂相对于支架的定向，和/或控制检测器臂系统以调整x射线检测器的位置。方法900可以同时控制一个或多个电动机，使得同时应用所确定的位置调整。例如，方法900可以同时调整移动基部、机械臂的一个或多个连杆、机架和检测器臂的位置，使得等中心与期望等中心位置对准。

应当理解，可以确定对移动x射线成像系统的部件的位置调整集，使得移动x射线成像系统的等中心与期望等中心位置对准，同时保持移动x射线成像系统的整体平衡。作为说明性示例，可以通过调整机械臂的第二连杆相对于第三连杆的位置使移动x射线成像系统的等中心与期望等中心位置对准。然而，如果方法900仅控制第二连杆以将等中心位置调整到期望等中心位置，则移动x射线成像系统将失去平衡并可能翻倒。为了避免这种情况，方法900可以确定对机械臂的连杆和机架的位置调整，这些位置调整在应用时将使等中心与期望等中心位置对准，而不会致使移动x射线成像系统翻倒。也就是说，如上文所讨论的，图2中描绘的机械臂的每个部件的运动范围是理论上的。可以设计和实施对机械臂的连杆的位置调整的限制，使得即使在最极端的铰接位置也可以通过余量确保平衡。因此，方法900可以仅在此类确定的限制内调整每个部件的位置。

在应用位置调整之后，移动x射线成像系统的等中心与期望等中心位置对准。然后方法900返回。

作为可以如何控制移动x射线成像系统的部件以使移动x射线成像系统的等中心与期望等中心位置对准的说明性示例，图10描绘了具有第一等中心位置1011的移动x射线成像系统200的第一铰接配置1010，以及具有第二等中心位置1021的移动x射线成像系统200的第二铰接配置1020。尽管没有明确地描绘，但第二铰接配置1020可以包括C形臂机架210经由支架212在y-z平面中的旋转。

为了说明移动x射线成像系统200如何可以从第一铰接配置1010调整到第二铰接配置1020，图11至图13描绘了不同部件在两种配置之间的不同轨迹。具体地，图11包括一组曲线图1100，其示出了每个部件的从第一铰接配置1010到第二铰接配置1020的基本线性轨迹，其中控制每个部件(即，第二连杆224、第三连杆228和支架212)，使得对应角度或位置的增加随时间推移是线性的。该组曲线图1100包括第二连杆224的角度随时间推移的曲线1110，第三连杆228的角度随时间推移的曲线1120，支架212相对于机架210的轨道211的位置的随着时间推移的曲线1130，以及C形臂机架210相对于支架212的旋转角度的随着时间推移的曲线1140。如所描绘的，移动x射线成像系统200的部件在时间T1处于第一铰接配置1010，并且随时间推移线性地控制每个部件，直到部件处于第二铰接配置1020的时间T2。在这种示例中，用于控制移动x射线成像系统200的方法900可以确定包括图11中描绘的线性轨迹的位置调整。

然而，在一些情况下，图11中描绘的线性轨迹可能是不利的或完全不可能的。例如，C形臂机架210可能与房间内的地板或另一个对象碰撞，或者在时间T1和T2之间的移动x射线成像系统200的中间配置可以不平衡到移动x射线成像系统200翻倒的点。因此，可以通过非线性轨迹控制移动x射线成像系统200的部件以从第一铰接配置1010转变到第二铰接配置1020。

作为说明性示例，图12示出了一组曲线图1200，其示出了移动x射线成像系统的部件如何可以从第一铰接配置1010转变到第二铰接配置1020，而图13示出了一组曲线图1300，示出了部件从第一铰接配置1010到第二铰接配置1020的替代轨迹。

如图12所示，该组曲线图1200包括第二连杆角度的随时间推移的曲线1210，第三连杆角度的随时间推移的曲线1220，支架轨道位置的随时间推移的曲线1230，以及支架旋转角度的随时间推移的曲线1240。类似地，如图13所示，该组曲线图1300包括第二连杆角度的随时间推移的曲线1310，第三连杆角度的随时间推移的曲线1320，支架轨道位置的随时间推移的曲线1330，以及支架旋转角度的随时间推移的曲线1340。如所描绘的，可以用基本上不同于图11的线性轨迹的轨迹来控制部件。例如，在第二连杆224和第三连杆228的曲线1210和1220中示出的轨迹分别描绘了第二连杆224来回摆动，而第三连杆228在顺时针缓慢旋转之前首先逆时针旋转以到达第二铰接配置1020。然后将相对于支架212的轨道位置调整得更靠近第二铰接配置1020，而第三连杆228开始朝向第二铰接配置1020顺时针旋转，如曲线1220和1230的轨迹所描绘的。类似地，图13示出了每个部件的基本上不同的轨迹，其可以反映移动x射线成像系统200的不同转矩平衡系统或者其中例如定位有移动x射线成像系统200的房间内的不同障碍物。

图14示出了根据实施方案的示例移动x射线成像系统1400的侧绘画视图。图15示出了示例移动x射线成像系统1400的顶部绘画视图，而图16和图17示出了示例移动x射线成像系统1400的透视绘画视图。如图14中描绘的，移动x射线成像系统1400包括定位在移动x射线成像系统1400的重心处的机动轮1406。移动x射线成像系统1400还包括定位在从移动基部朝向C形臂机架延伸的结构上的一个或多个自由或非机动轮1405，如所描绘的。在一些示例中，移动x射线成像系统1400包括位于移动基部后侧的一个或多个自由轮1407。此外，图15至图17描绘了相对于工作台1505定位的移动x射线成像系统1400，其示出了如何选择性地控制C形臂机架以调整x射线源和检测器相对于工作台1505的位置。

作为相对于工作台1505重新定位等中心的示例，图18示出了示出用于调整等中心位置的示例铰接配置的一组简化图。如配置1810所描绘的，等中心可以平移远离移动基部。如配置1820所描绘的，等中心可以从地板垂直平移并远离移动基部。如配置1830所描绘的，等中心可以朝向移动基部平移。如配置1840所描绘的，等中心可以垂直并朝向移动基部平移。向上移动等中心允许将桌子高度适应到医生的舒适工作位置，或者特定手术中的解剖结构的高度。

应当理解，除了调整移动x射线成像系统的等中心之外，机械臂还允许C形臂机架围绕等中心以外的点旋转。作为示意性示例，图19示出了示出围绕与等中心点209不同的点1911的动态旋转的一组简化图。具体地，C形臂机架210围绕点1911旋转，该点是在x射线源的焦点305处生成的x射线束1905的极限。因此，等中心轨迹是圆形的圆弧。具体地，移动x射线成像系统从第一铰接配置1910转换到第二铰接配置1920以使C形臂机架210围绕点1911旋转，并且然后到第三铰接配置1930以使C形臂机架210进一步围绕点1911旋转，其中等中心点209在每个配置中与点1911不同。在每个接头的运动范围内，任何任意轨迹都是可能的，包括平移、圆形旋转、椭圆旋转、线性和圆形段的组合等。

通过不同轨迹相对于等中心调整C形臂机架的位置的能力允许移动x射线成像系统用于锥形束计算断层摄影。作为移动x射线成像系统可以围绕与等中心不同的点旋转的原因的示意性示例，图20至图25描绘了根据实施方案的用于通过移动x射线成像系统执行锥形束计算断层摄影(CBCT)的示例轨迹。具体地，图20示出了标准CBCT的轨迹2000。检测器和源围在单次旋转中围绕等中心旋转，在此描绘为约200度(例如，180度加上锥角)。重建的体积以灰色显示。通过围绕与参照图19所述的等中心不同的点旋转C形臂机架，通过双旋转，大视场(LFOV)CBCT是可能的。例如，如图21所描绘的，轨迹2100包括围绕第一旋转中心的第一旋转和围绕第二旋转中心的第二旋转。围绕虚拟中心的每个旋转为约220度(例如，120度加上虚拟锥角)。图22描绘了用于第一旋转的第一轨迹2200，而图23描绘了用于第二旋转的轨迹2300。如图21所描绘的，重建的FOV是图20中描绘的标准CBCT体积的FOV的直径的两倍。因此，可以通过模拟两倍大的检测器来获得两倍大的重建体积。

作为由本文描述的移动x射线成像系统实现的扩展等中心轨迹如何可以用于不同的成像场景的又一示例，图24和图25描绘了具有椭圆形横截面的重建体积的轨迹2400和2500。等中心的轨迹是圆形的圆弧和平移。在C形臂机架的旋转范围不足以实现上文讨论的LFOV CBCT的情况下，可以选择这样的选项。

最后，图26描绘了用于通过移动x射线成像系统执行线性层析合成的示例轨迹2600。简单地移动成像链并以规定间隔获取图像。轨迹2600因此允许断层合成型重建。由于C形臂机架可以在三维空间中旋转，轨迹2600可能以任何定向执行，因此允许用于重建感兴趣对象的最有利定向。此外，立体视觉是相同模式的变化，包括获取具有适度分离(例如，相隔五厘米)的一对图像。可以获取一对图像(例如，立体快照)，或者可以使用低频立体模式(即，两个位置之间的振荡)。

图1至图8、图10和图14至18示出了具有各种部件的相对定位的示例配置。如果示出直接彼此接触或直接联接，则此类元件可以至少在一个示例中分别被称为直接接触或直接联接。类似地，至少在一个示例中，示为彼此邻接或相邻的元件可以分别彼此邻接或彼此相邻。作为示例，处于彼此共面接触的部件可以被称为处于共面接触。作为另一个示例，在至少一个示例中，彼此分开定位并且其间仅有空间而没有其他部件的元件可以被这样引用。作为又一个示例，被示为位于彼此上/下，彼此相对的侧面、或彼此的左/右示出的元件可以相对于彼此这样引用。另外，如图所示，在至少一个示例中，元件的最顶部元件或点可以被称为部件的“顶部”，并且元件的最底部元件或点可以被称为部件的“底部”。如本文所使用的，顶部/顶部、上/下、上方/下方可以相对于附图的垂直轴线并且用于描述附图的元件相对于彼此的定位。这样，在一个示例中，在其他元件上方示出的元件垂直地定位在其他元件的上方。作为又一个示例，附图内描绘的元件的形状可以被称为具有那些形状(例如，诸如为圆形、直线、平面、弯曲、圆形、倒角、成角度等)。此外，在至少一个示例中，示为彼此相交的元件可以被称为相交元件或彼此相交。此外，在一个示例中，被示为在另一个元件内或被示在另一个元件外的元件可以被这样引用。

本公开的技术效果包括用于x射线成像系统的C形臂机架的增加的位移。本公开的另一个技术效果包括同时控制移动x射线成像系统的多个部件以调整移动x射线成像系统的等中心。

在一个实施方案中，系统包括：机架，该机架具有彼此相对地安装在其上的x射线源和x射线检测器；支架，该支架联接到机架并被配置成使机架相对于支架旋转；以及机械臂，该机械臂将支架联接到基部，该机械臂包括至少三个连杆和四个接头。

在系统的第一示例中，基部包括移动基部，并且系统还包括由一个或多个电动机驱动的一组轮，该组轮联接到移动基部。在系统的可选地包括第一示例的第二示例中，该系统还包括用于抵抗由机械臂的至少三个连杆、机架和基部的配置生成的静态转矩的转矩平衡系统。在系统的可选地包括第一示例和第二示例中的一个或多个的第三示例中，转矩平衡系统包括多个弹簧，每个弹簧被配置成在机械臂的至少三个连杆的对应旋转接头、机架和移动基部附近施加平衡转矩。在系统的可选地包括第一示例至第三示例中的一个或多个的第四示例中，转矩平衡系统包括配重系统。在系统的可选地包括第一示例至第四示例中的一个或多个的第五示例中，机械臂的至少三个连杆可相对于移动基部在第一平面中移动，其中机械臂的在机械臂的连杆与支架之间的接头被配置成使支架在垂直于第一平面的平面中相对于连杆旋转，并且其中支架被配置成使机架沿着机架的轨道相对于支架旋转。在系统的可选地包括第一示例至第五示例中的一个或多个的第六示例中，系统还包括定位并容纳在移动基部内以用于向x射线源提供高电压的高压发生器。在系统的可选地包括第一示例至第六示例中的一个或多个的第七示例中，机架为C形的，并且x射线源和x射线检测器安装在C形机架的相对端部处。在系统的可选地包括第一示例至第七示例中的一个或多个的第八示例中，系统还包括控制器和用户接口，其中控制器经由用户接口接收期望等中心位置，并且其中控制器控制机械臂的至少三个连杆中的一个或多个以将机架的等中心调整到期望等中心位置。在系统的可选地包括第一示例至第八示例中的一个或多个的第九示例中，控制器同时控制机械臂的至少三个连杆中的一个或多个以将等中心调整到期望等中心位置。在系统的可选地包括第一示例至第九示例中的一个或多个的第十示例中，第二机械臂与移动基部之间的联接的垂直高度与第一机械臂和第二机械臂的长度负相关。

在另一个实施方案中，一种用于移动x射线成像系统的方法，包括：接收期望等中心位置的指示；计算对移动x射线成像系统的一个或多个部件的位置调整；以及控制一个或多个电动机以调整一个或多个部件的位置以使移动x射线成像系统的等中心与期望等中心位置对准。

在该方法的第一示例中，同时控制一个或多个电动机以同时调整一个或多个部件的位置。在方法的可选地包括第一示例的第二示例中，根据当前等中心位置和期望等中心位置计算位置调整。在方法的可选地包括第一示例和第二示例中的一个或多个的第三示例中，控制一个或多个电动机以调整一个或多个部件的位置包括控制移动基部、联接到C形机架的支架、联接到支架的第一连杆、联接到第一连杆的第二连杆、以及将第二连杆联接到移动基部的第三连杆的一个或多个电动机。在方法的可选地包括第一示例至第三示例中的一个或多个的第四示例中，系统还包括控制一个或多个电动机以调整一个或多个部件的位置，以便在成像期间围绕与等中心不同的点动态地旋转一个或多个部件。

在又一个实施方案中，一种系统包括：C形机架，该C形机架具有安装在其上的x射线源和x射线检测器；支架，该支架联接到C形机架并被配置成使C形机架相对于支架平移；机械臂的第一连杆，该第一连杆在第一接头处联接到支架，支架可在第一接头处相对于第一连杆在第一平面中旋转；机械臂的第二连杆，该第二连杆在第二接头处联接到第一连杆，第一连杆可在第二接头处相对于第二连杆在垂直于第一平面的第二平面中旋转；机械臂的第三连杆，该第三连杆在第三接头处联接到第二连杆，第二连杆可在第三接头处相对于第三连杆在第二平面中旋转；移动基部，该移动基部在第四接头处联接到第三连杆，第三连杆可在第四接头处相对于移动基部在第二平面中旋转；以及控制器，该控制器通过非暂态存储器中的指令来配置，指令在被执行时致使控制器：接收期望等中心位置；以及控制支架、第一连杆、第二连杆、第三连杆和移动基部中的一个或多个以将x射线源和x射线检测器的等中心调整到期望等中心位置。

在该系统的第一示例中，系统还包括通信地联接到控制器的用户接口，其中控制器经由用户接口接收期望等中心位置。在系统的可选地包括第一示例的第二示例中，控制器被进一步配置成计算对支架、第一连杆、第二连杆、第三连杆和移动基部中的一个或多个的位置调整，以使等中心与期望等中心位置对准。在系统的可选地包括第一示例和第二示例中的一个或多个的第三示例中，控制器同时控制支架、第一连杆、第二连杆、第三连杆和移动基部中的一个或多个以调整等中心。

如本文所用，以单数形式列举并且以单词“一”或“一个”开头的元件或步骤应当被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确说明此类排除。此外，对本发明的“一个实施方案”的引用不旨在被解释为排除也包含所引用特征的附加实施方案的存在。此外，除非明确地相反说明，否则“包含”、“包括”或“具有”具有特定特性的元件或多个元件的实施方案可包括不具有该特性的附加此类元件。术语“包括”和“在……中”用作相应术语“包含”和“其中”的通俗语言等同物。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，而不旨在对其对象施加数字要求或特定位置次序。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使相关领域中的普通技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包含的方法。本发明可取得专利权的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域普通技术人员想到的其他示例。如果此类其它示例具有与权利要求书的字面语言没有区别的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有微小差别的等效结构元素，则此类其它示例旨在落入权利要求书的范围内。

Claims (8)

1.一种用于移动x射线成像系统的系统，包括：

机架，所述机架具有彼此相对地安装在其上的x射线源和x射线检测器；

支架，所述支架联接到所述机架并被配置成使所述机架相对于所述支架旋转；

机械臂，所述机械臂将所述支架联接到基部，所述机械臂包括至少第一至第三连杆和第一至第四接头；和

转矩平衡系统，所述转矩平衡系统用于抵抗由所述机械臂的所述至少第一至第三连杆、所述机架和所述基部的配置生成的静态转矩，其中所述转矩平衡系统包括：

第一至第三弹簧；

第一杆，所述第一杆从第二接头延伸，所述第二接头位于第一连杆和第二连杆之间；

第二杆，所述第二杆从第三接头延伸，所述第三接头位于第二连杆和第三连杆之间；和

第三杆，所述第三杆从所述第三接头延伸，

其中，

所述第一杆通过第一机械连杆联接到所述第二杆，

所述第三杆通过第二机械连杆联接到所述基部，

第一弹簧将所述第一连杆联接到所述第一杆，以提供第一平衡转矩，

第二弹簧将所述第二连杆联接到所述第二杆，以提供第二平衡转矩，并且

第三弹簧将所述第三连杆联接到所述基部以提供第三平衡转矩。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述基部包括移动基部，并且还包括由一个或多个电动机驱动的一组轮，所述一组轮联接到所述移动基部。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述机械臂的所述至少第一至第三连杆能够相对于所述基部在第一平面中移动，其中所述机械臂在所述机械臂的连杆与所述支架之间的接头被配置成使所述支架在垂直于所述第一平面的平面中相对于所述连杆旋转，并且其中所述支架被配置成使所述机架沿着所述机架的轨道相对于所述支架旋转。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括控制器和用户接口，其中所述控制器经由所述用户接口接收期望等中心位置，并且其中所述控制器控制所述机械臂的所述至少第一至第三连杆中的一个或多个以将所述机架的等中心调整到所述期望等中心位置。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述控制器同时控制所述机械臂的所述至少第一至第三连杆中的一个或多个以将所述等中心调整到所述期望等中心位置。

6.根据权利要求1所述的系统，其中第一连杆与所述基部之间的联接的垂直高度与所述至少第一至第三连杆中的所述第一连杆和第二连杆的长度负相关。

7.一种使用如权利要求1－6中任何一项所述用于移动x射线成像系统的系统的方法，包括：

接收期望等中心位置的指示；

计算对所述移动x射线成像系统的一个或多个部件的位置调整；以及

控制一个或多个电动机以调整所述一个或多个部件的位置以使所述移动x射线成像系统的等中心与所述期望等中心位置对准。

8.一种用于移动x射线成像系统的系统，包括：

C形机架，所述C形机架具有安装在其上的x射线源和x射线检测器；

支架，所述支架联接到所述C形机架并被配置成使所述C形机架相对于所述支架平移；

机械臂的第一连杆，所述第一连杆在第一接头处联接到所述支架，所述支架能够在所述第一接头处相对于所述第一连杆在第一平面中旋转；

所述机械臂的第二连杆，所述第二连杆在第二接头处联接到所述第一连杆，所述第一连杆能够在所述第二接头处相对于所述第二连杆在垂直于所述第一平面的第二平面中旋转；

所述机械臂的第三连杆，所述第三连杆在第三接头处联接到所述第二连杆，所述第二连杆能够在所述第三接头处相对于所述第三连杆在所述第二平面中旋转；

移动基部，所述移动基部在第四接头处联接到所述第三连杆，所述第三连杆能够在所述第四接头处相对于所述移动基部在所述第二平面中旋转；

控制器，所述控制器通过非暂态存储器中的指令来配置，所述指令在被执行时致使所述控制器：

接收期望等中心位置；以及

控制所述支架、所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆和所述移动基部中的一个或多个以将所述x射线源和所述x射线检测器的等中心调整到所述期望等中心位置；和

转矩平衡系统，所述转矩平衡系统用于抵抗由所述机械臂的所述第一连杆、所述第二连杆和所述第三连杆、所述C形机架和所述移动基部的配置生成的静态转矩，其中所述转矩平衡系统包括：

第一至第三弹簧；

第一杆，所述第一杆从所述第二接头延伸，所述第二接头位于所述第一连杆和所述第二连杆之间；

第二杆，所述第二杆从所述第三接头延伸，所述第三接头位于所述第二连杆和所述第三连杆之间；和

第三杆，所述第三杆从所述第三接头延伸，

其中，

所述第一杆通过第一机械连杆联接到所述第二杆，

所述第三杆通过第二机械连杆联接到所述移动基部，

第一弹簧将所述第一连杆联接到所述第一杆，以提供第一平衡转矩，

第二弹簧将所述第二连杆联接到所述第二杆，以提供第二平衡转矩，并且

第三弹簧将所述第三连杆联接到所述移动基部以提供第三平衡转矩。