CN116322519A - 放射学组件以及用于对准这种组件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种放射学组件(10)，其包括：‑用于生成以主发射方向(13)为中心的x射线束(12)的管(11)；‑在由第一方向(D1)和第二方向(D2)限定的平面中延伸的平面传感器(14)，所述方向基本上垂直于主x射线发射方向(13)，该传感器旨在接收x射线(12)；该管的特征在于包括：‑被划分成两个电磁场发射部分的第一分体式发射器(15)；‑被划分成两个电磁场发射部分的第二分体式发射器(16)；‑平面电磁场发射器(24)，‑被牢固地紧固至平面传感器(14)的电磁场传感器(29、30、31、32)；‑旨在确定主发射方向(13)与平面传感器(14)的法线(N1)之间的对准角度以及确定第一对中误差和第二对中误差的处理装置(17)；以及‑用于通过向生成管(11)施加第一校正性移动来校正对准角度，以及通过向生成管(11)施加第一校正性移动和/或第二校正性移动来校正第一对中误差和第二对中误差的装置(171)。

Description

放射学组件以及用于对准这种组件的方法

本发明涉及放射学组件，并且更精确地，涉及放射学组件的两个部件的对准，即，平面传感器相对于x射线管的对准。本发明还涉及用于对准这种放射学组件的方法。本发明属于放射学领域(例如，医学或兽医放射学)，但不限于该领域。本发明可以应用于在安全和工业检查领域。本发明还可以应用于必需将点辐射源与平面传感器对准的其它领域，例如，在红外成像领域。

在本专利申请中，本发明是在应用于放射学组件的情况下提出的。然而，本发明可以应用于需要将两个部件相对于彼此正确定位的其它领域中。

放射学组件由两个部件组成：用于生成x射线束的x射线管，以及射线照相图像的平面传感器。该组件预期主要在医院环境下生成患者的射线照相图像。将需要射线照相的患者置于x射线管与平面传感器之间。这两个部件必须相对于彼此良好定位，以使由x射线管发射的所有x射线被平面传感器捕获。然后，这两个部件被认为是正确对准的。必须在x射线管发射x射线之前进行对准。目的是在获得良好图像质量的同时防止患者被未被传感器捕获到的x射线过度照射。

通常，x射线管由操作者手动对准以面对平面传感器。对准是以平移方式和以旋转方式执行的。对准通常是在患者就位时执行的，即，在将患者定位在x射线管与平面传感器之间时执行的。存在其中平面传感器被遮蔽的许多特定情况。作为示例，可以提及其中将平面传感器置于患者下方用于腹部或骨盆的射线照相的情况。还可以提及其中将平面传感器置于被单(sheet)下方、担架(stretcher)下方甚或保育箱(incubator)中的情况。因此，在这种情况下，操作者很难将x射线管相对于平面传感器对准。

此外，平面传感器的环境可以有若干类型。特别地，该环境可以是病床或者包括金属框架的担架或者用于早产儿的保育箱。因此，传感器的环境可能是关于x射线管相对于平面传感器的正确定位的附加妨碍。

第一部件相对于第二部件的对准包括几个缺陷的校正：对中(centering)缺陷(x射线束未在平面传感器上对中)、取向缺陷(x射线束相对于平面传感器的平面错误地定向)以及垂直度缺陷(x射线束没有垂直照在平面传感器上)。当使用防散射滤线栅(anti-scatter grid)来生成图像时，垂直度缺陷是关键的。然后，将格栅放置在平面传感器上。为了能够被平面传感器检测到，x射线必须垂直于平面传感器照在该传感器上。相对于垂直度的角度容差很小(只有几度)。

有几种方法进行两个部件的对准。首先提及光学对准，其中所述两个部件借助于测量一个部件相对于另一部件的相对位置的光束来进行对准。光学对准无法用于放射学领域，这是因为平面传感器通常会被床单或患者部分遮蔽。

也可以借助于声波束实现对准。然而，当在患者存在的情况下执行对准时，患者可能遮蔽平面传感器的全部或一部分。另外，患者的存在可能会使声波局部衰减，从而破坏对平面传感器与x射线管之间的距离的测量。

还可以基于电磁波的传播时间的测量来执行两个部件的对准。波的传播时间的测量使得可以测量所述两个部件之间的距离。通过三角测量，可以确定所述两个部件相对于彼此的相对位置。然而，由于电磁波的传播时间可能根据患者在所述两个部件(x射线管与平面传感器)之间的位置而发生改变，因此，这种对准技术无法成功地在应用于放射学的情况下使用。另外，由于环境(床、担架等)，可能生成多个回波，这些回波可能具有高于主信号的信号电平。

基于相同的原理，存在基于对电磁信号的衰减的测量来测量两个部件之间的距离的对准技术。由于在应用于放射学的情况下，患者可能会使电磁波局部衰减并因此破坏测量，因此，这种对准技术是不合适的。

而且，专利US 10080542描述了一种使用用于感测x射线管和检测器的绝对位置的取向的传感器来提供用于对准移动x射线设备的x射线管和检测器的信息的方法。在x射线管处沿着穿过x射线管和检测器的轴线生成单个磁场，以便在检测器处借助于传感器进行评估。通过x射线管的绝对取向与检测器的绝对取向之间的差异来计算旋转方面的相对取向信息。通过将磁场的所测得的分量的值与已经预先记录的那些值进行比较，来执行平移方面的相对定位。由于所述信息是在六个移动度(degree of mobility)上获得的，因此，对于单个磁场的测量误差的情况来说，单个磁场的使用在鲁棒性方面显得不足。另外，使用单个磁场涉及使用复杂公式，以便确定六个移动度，从而使对准算法更复杂。

最后，一种牙科放射系统(专利FR 2899349)使用被置于同一平面中的多个电磁场发射器以及能够接收由这些发射器发射的电磁场的一个或两个电磁场接收器。两个接收器的使用使得可以确定传感器的角度取向，但是没有给出关于一个部件相对于另一部件(x射线管相对于平面传感器)的角度的指示。此外，发射器在同一平面中的定位给出了关于平面传感器相对于x射线管的位置的较差指示。应注意，与医学放射学领域中的x射线管与传感器之间的距离(更确切地说约1m至2m)相比，牙科放射学覆盖x射线管与传感器之间相对较短的距离(20cm至30cm)。

本发明旨在通过提供这样的一种放射学组件来减轻前述问题中的所有或一些问题，即，该放射学组件具有多个电磁场发射器，这些电磁场发射器被牢固地紧固至x射线管并且被定位在单独的平面中；并且具有多个电磁场传感器，这些电磁场传感器被定位在平面传感器上并且接收x射线。该组件使得可以明确地知道平面传感器的空间位置，并因此知道其相对于x射线管的位置，从而相对于平面传感器对准和定位x射线管。更具体地，本发明基于相对于x射线管垂直地对准平面传感器，然后围绕x射线的主发射方向居中。

为此，本发明的一个主题是一种放射学组件，该放射学组件包括：

-x射线管，其用于生成以主发射方向为中心的x射线束；

-平面传感器，其在由第一方向并且由第二方向限定的平面中延伸，所述方向基本上垂直于主x射线发射方向，该传感器旨在接收x射线；

其特征在于，该放射学组件包括：

-第一分体式发射器(divided emitter)，其被划分成两个电磁场发射部分，并且被布置成沿基本上垂直于主发射方向的主方向发射第一电磁场，所述分体式发射器的所述两个发射部分中的各个发射部分被定位在x射线束的相应一侧上；

-第二分体式发射器，其被划分成两个电磁场发射部分，并且被布置成沿基本上垂直于主发射方向且与第一电磁场的主方向相交(secant)的主方向发射第二电磁场，所述分体式发射器的所述两个部分中的各个部分被定位在x射线束的相应一侧上；

-所谓的平面电磁场发射器，该所谓的平面发射器是由绕组构成的线圈，该所谓的平面发射器被布置成沿基本上平行于x射线束的主发射方向的主方向发射第三电磁场，主发射方向穿过这些绕组；

-电磁场传感器，其被牢固地紧固至平面传感器，并且能够检测由第一发射器、第二发射器以及所谓的平面发射器沿其主方向交替地发射的第一电磁场、第二电磁场和第三电磁场，并且根据所检测到的电磁场来生成第一电信号、第二电信号和第三电信号；

-处理装置，其用于处理第一电信号、第二电信号和第三电信号，该处理装置旨在确定主发射方向与平面传感器的法线之间的对准角度，确定第一电磁场的所述主发射方向与平面传感器的第一方向之间的第一对中误差，确定第二电磁场的主发射方向与平面传感器的第二方向之间的第二对中误差；

-校正装置，其用于通过向x射线管施加第一校正性移动来校正对准角度，以及通过向x射线管施加第一校正性移动和/或第二校正性移动来校正第一对中误差和第二对中误差。

根据本发明的一个方面，处理装置包括用于辨别所生成的电信号的装置。

根据本发明的一个方面，用于处理第一电信号、第二电信号和第三电信号的处理装置包括估计器(estimator)，该估计器用于估计第一电磁场的主方向与平面传感器的第一方向之间的取向角度。

根据本发明的一个方面，第一分体式发射器的所述两个发射部分和第二分体式发射器的所述两个发射部分中的各个发射部分皆包括至少一个绕组，并且将x射线束的主发射方向定位在第一分体式发射器和第二分体式发射器的所述至少一个绕组之间。

根据本发明的一个方面，所谓的平面发射器包括被x射线束的主发射方向穿过的至少一个绕组。

根据本发明的一个方面，第一分体式发射器的所述两个发射部分和第二分体式发射器的所述两个发射部分以及所谓的平面发射器是扁平线圈(flat coil)。

根据本发明的一个方面，第一校正性移动是x射线管沿主方向中的一个主方向的旋转和/或x射线管沿主发射方向的旋转，并且其中，第二校正性移动是x射线管沿主方向中的一个主方向的平移。

根据本发明的一个方面，平面传感器包括至少一个倾角计。

根据本发明的一个方面，处理装置和校正装置被机械地连接至平面传感器。

根据本发明的一个方面，处理装置和校正装置被机械地连接至x射线管。

本发明还涉及一种用于对准放射学组件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-由第一分体式发射器沿基本上垂直于主发射方向的主方向发射第一电磁场；

-由第二发射器沿基本上垂直于主发射方向的主方向发射第二电磁场；

-由所谓的平面发射器沿基本上平行于主发射方向的主方向发射第三电磁场；

-由传感器检测由第一发射器、第二发射器以及所谓的平面发射器沿其主方向交替地发射的电磁场；

-由传感器根据所检测到的第一、第二、第三电磁场来生成第一、第二、第三电信号；

-评估主发射方向与平面传感器的法线之间的对准角度；

-通过施加第一校正性移动来校正主发射方向与平面传感器的法线之间的对准角度；

-评估第一电磁场的主发射方向与平面传感器的第一方向之间的第一对中误差，并且评估第二电磁场的主发射方向与平面传感器的第二方向之间的第二对中误差；

-通过施加所述第二校正性移动来校正所述第一对中误差和所述第二对中误差；

-可选地，重复前述步骤，直到所述对准角度小于预定义阈值对准角度，和/或直到所述第一对中误差和所述第二对中误差小于预定义阈值第一对中误差和小于预定义阈值第二对中误差。

根据本发明的一个方面，所述方法预先包括校准步骤，该校准步骤旨在根据x射线管的预定位置和平面传感器的预定位置来校准电信号。

根据本发明的一个方面，由发射器发射电磁场的步骤包括向发射器供电的步骤，并且其特征在于，在不同的时刻或者同时以不同的频率地或者同时以相位偏移来向发射器供电，以便区分所发射的电磁场。

根据本发明的一个方面，所述方法包括在校正对中误差的步骤之后评估第一电磁场的主方向与平面传感器的第一方向之间的取向角度的步骤；并且包括在评估取向角度的步骤之后校正第一电磁场的主方向与平面传感器的第一方向之间的取向角度的步骤。

通过阅读以示例的方式给出的一个实施方式的详细描述，将更好地理解本发明，并且其它的优点将变得明显，这些描述通过附图例示，其中：

图1示出了根据本发明的放射学组件的一个实施方式，

图2示出了根据本发明的电磁场发射器的布置的示例，

图3示出了电磁场发射器的保持器的示例，

图4示出了根据本发明的放射学组件的截面图，

图5示意性地示出了根据本发明的对准方法的步骤。

为了清楚起见，在各个图中，相同的要素已经指定了相同的标号。

图1示出了根据本发明的放射学组件10的一个实施方式。该放射学组件10包括x射线管11，该x射线管用于生成以主发射方向13为中心的x射线束12。该放射学组件10包括平面传感器14，该平面传感器在由第一方向D1并且由第二方向D2限定的平面中延伸，所述方向基本上垂直于主发射方向13。平面传感器14旨在接收x射线12。根据本发明，该放射学组件包括第一分体式发射器15，该第一分体式发射器被划分成两个电磁场发射部分20、21，并且被布置成沿基本上垂直于主发射方向13的主方向18发射第一电磁场，该分体式发射器15的两个发射部分20、21中的各个发射部分被定位在x射线束12的相应一侧上。有利地，将分体式发射器15牢固地紧固至用于生成x射线束12的x射线管11。在该构型中，用于生成x射线束12的x射线管11的位置可以从由分体式发射器15发射的电磁场的主方向推导出。

同样地，该放射学组件可以包括第二分体式发射器16，该第二分体式发射器被划分成两个电磁场发射部分22、23，并且被布置成沿基本上垂直于主发射方向13且与第一电磁场的主方向相交的主方向发射第二电磁场，该分体式发射器16的两个发射部分22、23中的各个发射部分被定位在x射线束12的相应一侧上。

换句话说，各个分体式发射器(例如，15)可以被认为是其主面彼此平行的一对发射器20、21，所述发射器中的各个发射器位于x射线束12的相应一侧上。该对发射器20、21(同样对于22、23)等效于将位于两个发射器20、21之间的处于x射线束12中的虚拟发射器。考虑一个分体式发射器(即，一对发射器)，所发射的电磁场等效于将由等效虚拟发射器发射的电磁场。这种布置具有不遮挡x射线的优点，因为该对发射器位于x射线束12的任一侧而非处于它们的x射线束中。此外，发射器的这种布置具有不损坏发射器的优点。具体来说，被置于x射线束中的等效发射器在其使用期间将被x射线损坏。在我们的发明的情况下，发射器不经受x射线，因此从材料抗性(material resistance)的角度来看是受到保护的。

该放射学组件10还可以包括所谓的平面电磁场发射器24，该平面电磁场发射器被布置成沿基本上平行于主发射方向13的主方向9发射第三电磁场。所谓的平面发射器24使得可以具有平行于主发射方向13的电磁场。

如图1所示的发射器的布置使得可以具有这样的电磁场：这些电磁场的主方向处于彼此垂直的三个不同轴线上。由于将发射器牢固地紧固至用于生成x射线束12的x射线管11，因此，处于这三个轴线上的电磁场使得可以确定某种角度信息，从而使得可以比较x射线管11和平面传感器14的不同位置。可以注意到，这三个轴线不必彼此垂直。方向18和19可以是相交的并且形成任何角度(在它们之间以及与主发射方向13之间)。也可以确定x射线管11相对于平面传感器14的相对位置。

第一、第二和第三电磁场的频率经受两个约束：

-由于在分体式发射器15和16以及平面发射器14中使用的跨度(span)和功率相对较小，因此，必需使用足够高的频率以便从噪声中提取信号，同时获得第一、第二和第三电磁场的大范围发射。

-然而，在放射学组件10的环境中存在金属物体需要使用低频。

举例来说，第一、第二和第三电磁场的频率可以是介于100Hz到10kHz之间的频率。

另外，第一、第二和第三电磁场是以固定且不同的取向依次发射的，以避免获得旋转场并且避免第一、第二和第三电磁场之间的任何相互作用。在规定的时段内，以具有固定频率、取向和幅度的场来对这三个方向(优选为垂直的)进行依次独立处理。

放射学组件10包括四个电磁场传感器29、30、31、32。可以将这四个传感器29、30、31、32集成在平面传感器14中。传感器29、30、31、32旨在检测由分体式发射器15和16以及由所谓的平面发射器24发射的电磁场，并根据所检测到的电磁场来生成电信号。应注意，放射学组件可以包括少于四个或多于四个的电磁场传感器。

将传感器29、30、31、32集成在平面传感器14中。这些传感器是以不干扰放射学图像采集的方式来安装的。例如将这些传感器相对于x射线的入射面置于用于检测放射学图像的部件后面。这些传感器可以在平面传感器14上具有任何位置。在这种情况下，需要校正性措施来确定x射线管11相对于平面传感器14的相对位置。相比之下，如果这些传感器相对于平面传感器的中心完全对称地定位，则当传感器29、30、31、32具有完全平衡的信号时，获得相对于用于生成x射线束12的x射线管11的完全对中。

放射学组件10包括用于处理第一、第二、第三电信号的处理装置17。而且，处理装置17包括能够确定主发射方向13与平面传感器14的法线N1之间的对准角度的计算器。处理装置17还包括这样的计算器，即，该计算器能够确定第一电磁场的主发射方向18与平面传感器14的第一方向D1之间的第一对中误差，以及第二电磁场的主方向19与平面传感器14的第二方向D2之间的第二对中误差。根据本发明的放射学组件的特殊特征在于其对准模式。本发明不是如现有技术那样考虑平面传感器的绝对位置，而是在平面传感器的法线N1与x射线的主发射方向13之间执行对准，然后使平面传感器以法线N1为中心，从而与x射线的主发射方向13一起对中。

处理装置17还包括估计器，该估计器用于估计第一电磁场的主方向18与平面传感器14的第一方向D1之间的取向角度。

而且，为了确保放射学组件10的鲁棒性，处理装置17包括用于辨别所生成的电信号的装置。具体地，由于各个所生成的电信号引起校正，因此，必需正确地识别在平面传感器14的传感器29、30、31、32处捕获的电信号。

放射学组件10还包括用于校正对准角度以及第一对中误差和第二对中误差的校正装置171。更具体地，在从处理装置17接收到对准角度以及第一对中误差和第二对中误差后，对于校正对准角度的情况，校正装置171通过x射线管11上的第一校正性移动来起作用；而对于校正第一对中误差和/或第二对中误差的情况，校正装置171通过x射线管11上的第一校正性移动和/或第二校正性移动来起作用。

更具体地，第一校正性移动是x射线管11沿第一电磁场的主方向18和第二电磁场的主方向19中的一个主方向的旋转或者x射线管11沿主发射方向13的旋转。第二校正性移动是x射线管11沿第一电磁场的主方向18和第二电磁场的主方向19中的一个主方向的平移。第一校正性移动与第二校正性移动类似，可以手动执行或者结合校正装置171自动化执行。

而且，以类似的方式，校正装置171能够通过向x射线管11施加第一校正性移动来校正第一电磁场的主方向18与平面传感器14的第一方向D1之间的取向角度。

然而，相对于对准角度和对中误差的评估和校正，取向角度的评估和校正一直是可选的。具体来说，在用于生成x射线束12的x射线管11和平面传感器14正确对准的情况下，也就是说当对准角接近零度时，以及在用于生成x射线束12的x射线管11和平面传感器14正确对中的情况下，也就是说当对中误差接近零时，取向角度因此必然接近零度。因此，该取向角度是使得可以确认用于生成x射线束12的x射线管11和平面传感器14正确对准并且正确对中的度量(measure)。

最后，在一个优选实施方式中，将处理装置17和校正装置171机械地连接至平面传感器14。然而，还可以将处理装置17和校正装置171机械地连接至x射线管11。

当在放射学系统中使用时，典型的操作距离足够大，以使在接收器(即，在我们的情况下的平面传感器14)处测得的磁场可以被认为是来自于磁偶极矩

在原点与发射器块的中心重合的Z轴极坐标系中，在由发射源(在我们的情况下是x射线管11)限定的参考系中具有球坐标

的点M处测得的磁场的分量B_r,B_θ以及/>

因此为：

其中，μ0是基本常数(被称为真空导磁率)，r是发射源与点M之间的距离，θ是接近对准的对准角度。

因此，场B_x、B_y、B_z的在点M测得并且被表示为

以及/>

的分量为：

其中，

是发射源与点M之间的经度角(angle of longitude)。

由于测得了场

以及/>

因此，可以计算接近对准(θ≈0)的标量积。

并且，

依靠在对准策略中可能的简化和近似，由此可以以这样的精度来估计对准偏差，即，该偏差越小，精度越好。该偏差对应于发射器与检测器之间的相对旋转位置。通过在主发射方向13上向检测器(平面传感器14)施加旋转或者在主发射方向13上向发射源(在我们的情况下是x射线管11)施加反向旋转，借助于第一校正性移动来校正该偏差。这种简化还具有导致计算相对简单并因此在计算时间和功率方面成本不高的优点。

在第一电磁场的主方向18上的平移与在第二电磁场的主方向19上的旋转之间存在第一相互作用，并且在第二电磁场的主方向19上的平移与在第一电磁场的主方向18上的旋转之间存在类似的第二相互作用。第一相互作用被描述为，检测器(平面传感器14)与发射源(x射线管11)之间的在第一电磁场的主方向18上的平移涉及在检测器(平面传感器14)处测得的场的旋转，该旋转和检测器(平面传感器14)与发射源(x射线管11)之间的在第二电磁场的主方向19上施加的旋转相似且相反。

该相互作用是通过在检测器(平面传感器14)处使用倾角计来进行解析的，以便评估相对于发射源(x射线管11)的对准。了解对准角度使得可以在检测器(平面传感器14)与发射源(x射线管11)之间施加相对旋转，以便获得平面传感器14与x射线管11之间的对准。

一旦检测器的水平面(由平面传感器14的第一方向D1和第二方向D2形成的平面)和发射源的水平面(由x射线管11的主方向18和19形成的平面)对准，在所述场处测得的角度就仅由分别与主方向18上的第一对中误差和主方向19上的第二对中误差相联系的位移产生。通过类似于上文开发的计算和估计，还可以测量磁场在主方向18和19上的旋转，并且从中推导出第一对中误差和第二对中误差的近似校正值，该近似校正值限定了放射检测器相对于发射源的位置。

当检测器(平面传感器14)和发射源(x射线管11)对准时，该检测器的定位相对于发射源沿主发射方向13的距离不是要被固定在精确值的度量。该距离仅仅必须介于作为防散射滤线栅的特征的最小值与最大值之间。然而，该值可以通过检测器(平面传感器14)中心处的电磁场的模量(module)的度量按以下方式进行估计：取在传感器29、30、31、32处测得的值的平均值，并且使该平均值与作为检测器(平面传感器14)与发射源(x射线管11)之间的距离的函数的感应模量的校准相关联。

由于所有这些公式在接近平面传感器14和x射线管11的对准时变得非常简单，因此，可以以检测器(平面传感器14)越接近目标位置越好的精度来计算位置和角度。这些近似使得可以在局部获得足够的精度，而如果在整个使用场中寻求相同的精度，则解决逆磁问题将变得非常复杂，例如迫使求助于诸如卡尔曼(Kalman)滤波器的方法和算法，这在计算时间方面同样是成本高的，因此对于系统的响应时间或者对于计算器的复杂性是不利的。

图2示出了根据本发明的电磁场发射器15和16的布置的示例。在图2中，放射学组件包括：被划分成两个电磁场发射部分20、21的分体式发射器15，以及被划分成两个电磁场发射部分22、23的分体式发射器16。将被划分成两个电磁场发射部分20、21的第一分体式发射器15布置成沿基本上垂直于主发射方向13的主方向18发射第一电磁场。该分体式发射器15的两个发射部分20、21中的各个发射部分被定位在x射线束12的相应一侧上。同样地，将被划分成两个电磁场发射部分22、23的第二分体式发射器16布置成沿基本上垂直于主发射方向13且基本上垂直于第一电磁场的主方向18的主方向19发射第二电磁场。该分体式发射器16的两个发射部分22、23中的各个发射部分被定位在x射线束12的相应一侧上。

例如，分体式发射器15和16以及所谓的平面发射器24可以是线圈或螺线管。更具体地，分体式发射器15的两个发射部分20、21中的各个发射部分以及分体式发射器16的两个发射部分22、23中的各个发射部分皆包括电流可以流过的至少一个绕组。而且，以这种方式，所谓的平面发射器24包括电流可以流过的至少一个绕组。

如果现在考虑由发射部分20、21和22、23中的各个发射部分的绕组表示的表面，则可以注意到，发射部分20的表面120基本上平行于发射部分21的表面121。而且，由分体式发射器15发射的电磁场具有垂直于表面120和121的主方向18。基于相同的原理，发射部分22的表面122基本上平行于发射部分23的表面123。而且，由分体式发射器16发射的电磁场具有垂直于表面122和123的主方向19。有利地，表面120和121垂直于表面122和123。除了相交之外，主方向18和19还彼此基本上垂直。如果用于生成x射线束12的x射线管11具有正方形形状的发射通量，则这种布置特别有利。因此，x射线12的通量沿主发射方向13在表面120、121、122、123之间发射，而不与发射器15、16相交(并因此不损坏它们)以及不被遮蔽，这是因为发射器15、16没有位于x射线12的通量中。

分体式发射器15和16的这种构型使得可以观察到x射线束12的主发射方向13位于分体式发射器15的至少一个绕组以及分体式发射器16的至少一个绕组之间，并且使得可以确保发射器对20、21以及发射器对22、23中的各个对(这些发射器的相应表面120、121和122、123彼此平行)等效于位于发射器15的表面120、121以及发射器16的表面122、123的中心处的虚拟发射器(该虚拟发射器跟x射线的主发射方向13相齐)，而将单个发射器放置在中心处是不可能的，因为中心是由x射线束所占据的。因此，发射器可以在偏离中心的位置发射与在中心位置发射的电磁场等效的电磁场，而不会遮蔽由x射线管11发射的x射线。另外，分体式发射器15和16以及所谓的平面发射器24的至少一个绕组可以是正方形形状或者矩形形状或者圆形形状。

以相同的方式，由所谓的平面发射器24的绕组表示的表面可以被解释为所谓的平面发射器24的表面124。所谓的平面发射器24的该表面124基本上垂直于表面120、121、122、123。与分体式发射器15和16不同，x射线12的通量可以在绕组处穿过所谓的平面发射器24。x射线12的通量因它穿过一个或多个绕组的事实而不会被所谓的平面发射器24所遮蔽。

如图2所示的发射器的布置使得可以具有其主方向处于彼此垂直的三个不同轴线上的电磁场。由于将分体式发射器15和16以及所谓的平面发射器24牢固地紧固至用于生成x射线束12的x射线管11，因此，在三个轴线上的电磁场使得可以确定某种角度信息，诸如用于生成x射线束12的x射线管11相对于平面传感器14的对准角度、第一对中误差以及第二对中误差、或者取向角度。

可以注意到，这三个轴线不必彼此垂直。方向18和19可以是相交的并且形成任何角度(在它们之间以及与主发射方向13之间)。更广泛地，三个轴线上的电磁场使得可以确定用于生成x射线束12的x射线管11相对于平面传感器14的位置。

在图2中，发射器的数量为三个(15、16、24，即4个发射部分20、21、22、23以及一个发射器24)并且被定位成使得形成长方体。然而，完全可以设想有多于三个发射器，各个发射器皆位于多面体的一个面上，该多面体的面的数量对应于所使用的发射部分和发射器的数量。更大数量的发射器增加了x射线管11相对于平面传感器14的对准角度、第一对中误差和第二对中误差以及可选地取向角度的评估的精度。不过，这个更大的数量增加了生产成本并且增加了信号处理的复杂性。如在图2中，三个发射器代表了角度信息的评估精度与信号处理复杂性之间的非常好的折衷。

图3示出了电磁场发射器的保持器39的示例。对应于图2的构型，保持器39具有彼此基本上垂直的面40、41、42、43、44。面42具有能够接纳发射部分22的凹槽45。同样，面44具有能够接纳发射器24的凹槽46。对于所述面中的各个面同样如此。保持器39包括中间部件47，该中间部件基本上垂直于面40、41、42、43并且基本上平行于面44。中间部件47是紧固装置，其使得可以将保持器39(并因此将发射器15、16、24)牢固地紧固至用于生成x射线束12的x射线管11。

在具有多个其它发射器的构型的情况下，保持器39则具有另一种三维几何形状，该另一种三维几何形状具有多个平面，各个平面皆具有被布置成容纳一个发射器的凹槽。可以有其它布置，特别是其中发射器是在印刷电路板上制造的情况。在这种情况下，可以将扁平线圈固定至充当用于生成x射线束12的x射线管11的刚性且可移动的框架结构的准直器的面。因此，第一分体式发射器15的两个发射部分20、21和第二分体式发射器16的两个发射部分22、23以及所谓的平面发射器24是扁平线圈，从而减小了系统的总尺寸。

也可以设想扁平线圈代替准直器的面或者直接集成在准直器中。

依靠图2和图3所呈现的几何形状，彼此平行的表面对(120和121；122和123)以及发射器在为此目的提供的凹槽中的放置意味着(面42和43的)左绕组和右绕组和/或(面40和41的)前绕组和后绕组是非常对称的，使得可以具有完全以几何形状的中心为中心的磁场而不妨碍x射线的通过。不必在侧面的凹槽中具有多个绕组，底部绕组(即，凹槽46中的面44的底部绕组)足以实现对称性。

换句话说，将各个分体式发射器(15、16)划分成两个电磁场发射部分(20、21；22、23)，它们被配置成，生成在所述发射部分所形成的两个面之间完全对中的电磁场。这两个发射部分各自具有一个表面，它们的两个表面彼此平行。

图4示出了根据本发明的放射学组件10的截面图。如前所述，在图1中，将传感器29、30、31、32集成在平面传感器14中。这些传感器是以不干扰放射学图像采集的方式来安装的。例如将这些传感器相对于x射线的入射面置于用于检测放射学图像的部件后面。

电磁场传感器29、30、31、32例如可以是线圈、磁力计、磁阻器、各向异性磁阻器、磁晶体管、磁二极管、磁通门或者霍尔效应传感器。而且，平面传感器14以及用于生成x射线束12的x射线管11可以包括至少一个倾角计。具体地，被置于x射线管11处和平面传感器14处的倾角计使得可以评估发射部分上(即，x射线管11处)和接收部分上(即，平面传感器14处)的重力加速度。然后，该加速度(其给出绝对矢量，并且对于发射部分和接收部分通常是相同的)必定根据x射线管11相对于平面传感器14的对准、对中以及取向的可观察到的偏差而不同地投影(projected)。

如果x射线管11和平面传感器14是平行的，即，由x射线管11的主方向15和16所形成的平面平行于由平面传感器14的第一方向D1和第二方向D2所形成的平面，则x射线管11的绝对矢量与平面传感器14的绝对矢量共线。

否则，在x射线管11的绝对矢量与平面传感器14的绝对矢量之间形成的角度对应于由x射线管11的主方向15和16所形成的平面与由平面传感器14的第一方向D1和第二方向D2所形成的平面之间的倾斜，并因此对应于x射线管11与平面传感器14之间的未对准。

电磁场传感器29、30、31、32中的各个电磁场传感器皆可以包括放大和滤波电子电路(图中未示出)，该放大和滤波电子电路旨在处理由传感器29、30、31、32中的各个传感器所生成的电信号。各个传感器29、30、31、32皆检测电磁场，并且根据所检测到的电磁场的幅度来生成电信号。所生成的电信号由放大和滤波电子电路进行处理。

根据所使用的传感器的类型，在任何给定时间，各个传感器29、30、31、32皆可以生成一条或更多条信息。如果传感器是单轴的，则它生成单个信息。如果传感器是多轴的，则它生成多条信息。多轴传感器的使用使得可以知道电磁场的幅度及其取向。

在我们的构型中，如果传感器是单轴传感器，则对于平面传感器14的给定位置，生成十二条信息。如果传感器是三轴传感器，则生成36条信息。

所检测到的信号被数字化并发送至处理装置17(图1所示)的计算器，该计算器处理角度信息(诸如倾斜角度)、第一对中误差和第二对中误差、或者平面传感器14相对于用于生成x射线束12的x射线管11的取向角度。然后，以数字形式发送来自传感器29、30、31、32的信息。因此，这些信息可以通过有线链路或无线链路来发送。

图5示意性地示出了根据本发明的对准方法的步骤。根据本发明的用于对准放射学组件10的方法包括以下步骤：

-由第一分体式发射器15沿基本上垂直于主发射方向13的主方向18发射第一电磁场(步骤100)；

-由第二发射器沿基本上垂直于主发射方向13的主方向19发射第二电磁场(步骤101)；

-由所谓的平面发射器沿基本上平行于主发射方向13的主方向9发射第三电磁场(步骤102)；

-由传感器检测由第一发射器15、第二发射器16以及所谓的平面发射器24沿它们的主方向交替地发射的电磁场(步骤110)；

-由传感器29、30、31、32根据检测到的第一、第二、第三电磁场来生成第一、第二、第三电信号(步骤120)；

-评估主发射方向13与平面传感器14的法线之间的对准角度(步骤130)；

-通过施加第一校正性移动来校正主发射方向13与平面传感器14的法线N1之间的对准角度(步骤131)；

-评估第一电磁场的主发射方向18与平面传感器14的第一方向D1之间的第一对中误差，并且评估第二电磁场的主发射方向19与平面传感器14的第二方向D2之间的第二对中误差(步骤140)；

-通过施加第一校正性移动和/或第二校正性移动来校正第一对中误差和第二对中误差(步骤141)。

可选地，重复前述步骤，直到对准角度小于预定义阈值对准角度，和/或直到第一对中误差和第二对中误差小于预定义阈值第一对中误差和小于预定义阈值第二对中误差。

具体地，在放射学组件10包括多个发射器15、16、24的情况下，处理装置17必须包括用于辨别所生成的电信号的装置，这些电信号是所检测到的第一、第二和第三电磁场的函数。

评估主发射方向13与平面传感器14的法线之间的对准角度的步骤130是通过借助于例如上述的放大和滤波电子电路处理第一、第二和第三电信号来执行的。因此，借助于计算器来评估和分析对准角度，以便更好地知道x射线管11与平面传感器14之间的对准差异。具体地，对准角度使得可以揭示由x射线管11处的第一电磁场的主方向18和第二电磁场的主方向19所形成的平面与由平面传感器14的第一方向D1和第二方向D2所形成的平面之间的平行度。

因此，校正对准角度的步骤131使得可以实现x射线管11的垂直于x射线束13的平面与上述平面传感器14的平面之间的平行度。为了做到这一点，施加第一校正性移动以使获得在第一电磁场的主方向18或第二电磁场的主方向19中的一个主方向上的旋转。以这种方式，确保了x射线束12被正确地对准为面对平面传感器14，并且避免了照射在平面传感器14外部。

以相同的方式，评估第一电磁场的主发射方向18与平面传感器14的第一方向D1之间的第一对中误差并且评估第二电磁场的主发射方向19与平面传感器14的第二方向D2之间的第二对中误差的步骤140是通过借助于例如上述放大和滤波电子电路处理第一、第二和第三电信号来执行的。第一对中误差和第二对中误差的评估和分析使得可以揭示在x射线管11与平面传感器14之间潜在缺乏对中。然后，这导致x射线束12照射在平面传感器14的区域之外，这不是最佳的。

然后，校正第一对中误差和第二对中误差的步骤141使得可以相对于平面传感器14重新聚焦x射线管11。为了做到这一点，通过施加第一校正性移动，使x射线管11经受在主发射方向13上的旋转，直到x射线管11的第一电磁场的主方向18平行于平面传感器14的第一方向D1，并且直到第二电磁场的主方向19平行于平面传感器14的第二方向D2。因此，由x射线管11处的第一电磁场的主方向18和第二电磁场的主方向19所形成的平面和由平面传感器14的第一方向D1和第二方向D2所形成的平面共线。

在此之后，通过施加第二校正性移动，使x射线管11经受沿第一电磁场的主方向18和/或沿第二电磁场的主方向19的平移，直到第一电磁场的主方向18和第二电磁场的主方向19在由平面传感器14的第一方向D1和第二方向D2所形成的平面上的投影分别是平面传感器14的第一方向D1和第二方向D2。以这种方式，使x射线管11与平面传感器14对准，这优化了照射。

根据本发明的对准方法可以预先包括校准步骤150，该校准步骤旨在根据x射线管11的预定位置和平面传感器14的预定位置来校准电信号。在该步骤期间，上面提及的角度信息被存储然后被使用，以便确定将在下面的步骤期间考虑的校正项。

根据本发明的对准方法在步骤141之后可以包括：通过借助于例如上述的放大和滤波电子电路处理第一、第二和第三电信号来执行的评估第一电磁场的主方向18与平面传感器14的第一方向D1之间的取向角度的步骤。该步骤使得可以证实第一电磁场的主方向18与平面传感器14的第一方向D1之间的正确的平行度。具体地，尽管在步骤141期间验证了该平行度，但是对取向角度的评估使得可以提供附加的验证，这增加了根据本发明的对准方法的精度和鲁棒性。

因此，用于处理图1所示的放射学组件10的第一、第二、第三电信号的处理装置17可以包括估计器，该估计器用于可选地在估计x射线管11相对于平面传感器14的第一对中误差和第二对中误差和对准角度之外估计取向角度。

另外，在评估取向角度的这个步骤之后，可以引入校正取向角度的附加步骤，以便通过沿主发射方向13施加第一校正性移动来校正第一电磁场的主方向18与平面传感器14的第一方向D1之间的平行度。因此，这个评估和校正取向角度的步骤是可选的，但是增加了对准方法的鲁棒性和精度。

而且，对准方法可以包括在步骤131之后证实x射线管11和平面传感器14的对准的步骤。对准的这个证实步骤使得可以判断上面提及的两个部件的正确对准。为了做到这一点，将在步骤131期间校正的对准角度与阈值对准角度进行比较，该阈值对准角度例如可以是从1°到2°。以这种方式，如果对准的证实不是确凿的，即，如果在步骤131期间校正的对准角度仍保持大于阈值对准角度，则可以通过附加地施加第一校正性移动来使对准角度经受主发射方向13与平面传感器14的法线N1之间的对准角度的新校正(步骤131)。

以相同的方式，对准方法可以包括在步骤141之后证实x射线管11和平面传感器14的对中的步骤。对中的这个证实步骤使得可以判断上面提及的两个部件的正确对中。为了做到这一点，将在步骤141期间校正的第一对中误差和第二对中误差分别与阈值第一对中误差和阈值第二对中误差进行比较，该阈值第一对中误差和阈值第二对中误差例如可以是大约2厘米至5厘米。以这种方式，如果对中的证实不是确凿的，即，如果在步骤141期间校正的第一对中误差和第二对中误差仍保持大于阈值第一对中误差和大于阈值第二对中误差，那么可以使第一对中误差和第二对中误差经受第一对中误差和第二对中误差的新校正(步骤141，通过附加地施加第一校正性移动和/或第二校正性移动来施加)。

因此，可以观察到前述步骤的重复，直到对准角度小于阈值对准角度，和/或直到第一对中误差和第二对中误差小于阈值第一对中误差和小于阈值第二对中误差。

最后，通过电信号以不同的时间或者同时以不同的频率地或者同时以相位偏移来向发射器15、16、24供电，以便区分所发射的电磁场。

换句话说，可以以不同的时间或者同时以不同的频率或者以相位偏移来向第一分体式发射器15和第二分体式发射器16供电。以不同的时间或者同时以不同的频率或者以相位偏移向分体式发射器供电的事实是用于辨别所生成的电信号的一种手段。

同样地，可以以不同的时间或者同时以不同的频率或者以相位偏移向所谓的平面发射器24以及第一分体式发射器15和第二分体式发射器16供电。

所描述的本发明具有优于现有解决方案的若干优点：

-与同步检测相关联的发射源/低频磁接收器组件的组合使得可以降低对准系统相对于外部干扰的灵敏度，所述外部干扰诸如：

--电磁干扰，包括地球磁场，

--在发射源与接收器之间存在物体，这些物体对于包括光在内的高频辐射是不透明的，

-局部检测和计算的原理允许在寻求对准的精度的区域中解决逆磁问题，而不是各处的均匀定位精度，这是不必要的且在计算时间和功率方面成本更高。

-对对准的搜索允许在所述源与接收器之间的距离增加的情况下操作。

-该系统可以在建筑物内部在受干扰影响的环境中操作。

-可以通过添加被牢固地紧固至x射线源及其准直器的发射系统，以及通过添加被集成在检测器的电子器件中的小尺寸传感器来容易地实现本发明。

-所计算的信息可以容易地发送至放射学系统，以便自动地将所述管与检测器对准。

主要的创新是一种方法，该方法使得能够以迭代方式简单地解决发射源与接收器之间的对准问题，而无需求助于复杂的计算、估计以及算法。

该方法基于：

-以小于一秒的速率更新在三个正交方向上发射的磁场的三轴测量值，

-用于计算位置和取向的简化方法，轴线越接近对准则该方法越精确，该方法使得可以通过不需要复杂算法或高计算功率的简化计算来解决逆磁问题，

-可以将原始磁信息与由惯性传感器提供的信息进行组合，以便提高校正的精度，

-可以使用计算的结果，以便促进手动对准，或者以便向自动对准装置发送控制信号。

通过采用优于在空间中的所有点处进行精确定位的对准策略，可以减少所需的计算时间和功率。因此，可以最小化延迟时间，并且可以以更高的频率更新测量。从而，位移将更精确和更少抖动。

Claims (14)

1.一种放射学组件(10)，所述放射学组件包括：

-x射线管(11)，所述x射线管用于生成以主发射方向(13)为中心的x射线束(12)；

-平面传感器(14)，所述平面传感器在由第一方向(D1)并且由第二方向(D2)限定的平面中延伸，所述第一方向和所述第二方向基本上垂直于所述主x射线发射方向(13)，所述传感器旨在接收所述x射线(12)；

其特征在于，所述放射学组件包括：

-第一分体式发射器(15)，所述第一分体式发射器被划分成两个电磁场发射部分(20、21)，并且被布置成沿基本上垂直于所述主发射方向(13)的主方向(18)发射第一电磁场，所述分体式发射器(15)的两个发射部分(20、21)中的各个发射部分被定位在所述x射线束(12)的相应一侧上；

-第二分体式发射器(16)，所述第二分体式发射器被划分成两个电磁场发射部分(22、23)，并且被布置成沿基本上垂直于所述主发射方向(13)且与所述第一电磁场的主方向(18)相交的主方向(19)发射第二电磁场，所述分体式发射器(16)的两个发射部分(22、23)中的各个发射部分被定位在所述x射线束(12)的相应一侧上；

-所谓的平面电磁场发射器(24)，所述所谓的平面发射器(24)是由绕组构成的线圈，所述所谓的平面发射器(24)被布置成沿基本上平行于所述x射线束的所述主发射方向(13)的主方向(9)发射第三电磁场，所述主发射方向(13)穿过所述绕组；

-电磁场传感器(29、30、31、32)，所述电磁场传感器被牢固地紧固至所述平面传感器(14)，并且能够检测由所述第一发射器(15)、所述第二发射器(16)以及所述所谓的平面发射器(24)沿其主方向交替地发射的所述第一电磁场、所述第二电磁场和所述第三电磁场，并且根据所检测到的电磁场来生成第一电信号、第二电信号和第三电信号；

-处理装置(17)，所述处理装置用于处理所述第一电信号、所述第二电信号和所述第三电信号，所述处理装置旨在确定所述主发射方向(13)与所述平面传感器(14)的法线(N1)之间的对准角度，确定所述第一电磁场的主发射方向(18)与所述平面传感器(14)的所述第一方向(D1)之间的第一对中误差，确定所述第二电磁场的主发射方向(19)与所述平面传感器(14)的所述第二方向(D2)之间的第二对中误差；

-校正装置(171)，所述校正装置用于通过向所述x射线管(11)施加第一校正性移动来校正所述对准角度，以及通过向所述x射线管(11)施加所述第一校正性移动和/或第二校正性移动来校正所述第一对中误差和所述第二对中误差。

2.根据权利要求1所述的放射学组件(10)，其中，所述处理装置(17)包括用于辨别所生成的电信号的装置。

3.根据权利要求1所述的放射学组件(10)，其中，用于处理所述第一电信号、所述第二电信号和所述第三电信号的所述处理装置(17)包括估计器，所述估计器用于估计所述第一电磁场的主方向(18)与所述平面传感器(14)的所述第一方向(D1)之间的取向角度。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的放射学组件(10)，其中，所述第一分体式发射器(15)的两个发射部分(20、21)和所述第二分体式发射器(16)的两个发射部分(22、23)中的各个发射部分皆包括至少一个绕组，并且所述x射线束(12)的所述主发射方向(13)被定位在所述第一分体式发射器(15)和所述第二分体式发射器(16)的所述至少一个绕组之间。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的放射学组件(10)，其中，所述所谓的平面发射器(24)包括被所述x射线束(12)的所述主发射方向(13)穿过的至少一个绕组。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的放射学组件(10)，其中，所述第一分体式发射器(15)的两个发射部分(20、21)和所述第二分体式发射器(16)的两个发射部分(22、23)以及所述所谓的平面发射器(24)是扁平线圈。

7.根据权利要求1至5中的一项所述的放射学组件(10)，其中，所述第一校正性移动是所述x射线管(11)沿所述主方向(18、19)中的一个主方向的旋转和/或所述x射线管(11)沿所述主发射方向(13)的旋转，并且其中，所述第二校正性移动是所述x射线管(11)沿所述主方向(18、19)中的一个主方向的平移。

8.根据权利要求1至6中的一项所述的放射学组件(10)，其中，所述平面传感器(14)包括至少一个倾角计。

9.根据权利要求1至7中的一项所述的放射学组件(10)，其中，所述处理装置(17)和所述校正装置(171)被机械地连接至所述平面传感器(14)。

10.根据权利要求1至7中的一项所述的放射学组件(10)，其中，所述处理装置(17)和所述校正装置(171)被机械地连接至所述x射线管(11)。

11.一种用于对准根据前述权利要求中的一项所述的放射学组件(10)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-由所述第一分体式发射器(15)沿基本上垂直于所述主发射方向(13)的主方向(18)发射所述第一电磁场(步骤100)；

-由所述第二发射器沿基本上垂直于所述主发射方向(13)的主方向(19)发射所述第二电磁场；

-由所述所谓的平面发射器沿基本上平行于所述主发射方向(13)的主方向(9)发射第三电磁场；

-由所述传感器检测由所述第一发射器(15、16)、所述第二发射器(15、16)以及所述所谓的平面发射器(24)沿其主方向交替地发射的所述电磁场(步骤110)；

-由所述传感器(29、30、31、32)根据所检测到的所述第一电磁场、所述第二电磁场、所述第三电磁场来生成所述第一电信号、所述第二电信号、所述第三电信号(步骤120)；

-评估所述主发射方向(13)与所述平面传感器(14)的法线之间的所述对准角度；

-通过施加所述第一校正性移动来校正所述主发射方向(13)与所述平面传感器(14)的法线之间的所述对准角度；

-评估所述第一电磁场的主发射方向(18)与所述平面传感器(14)的所述第一方向(D1)之间的所述第一对中误差，并且评估所述第二电磁场的主发射方向(19)与所述平面传感器(14)的所述第二方向(D2)之间的第二对中误差；

-通过施加所述第二校正性移动来校正所述第一对中误差和所述第二对中误差；

-可选地，重复前述步骤，直到所述对准角度小于预定义阈值对准角度，和/或直到所述第一对中误差小于预定义阈值第一对中误差并且所述第二对中误差小于预定义阈值第二对中误差。

12.根据权利要求11所述的对准方法，所述方法包括预先的校准步骤(150)，所述校准步骤旨在根据所述x射线管(11)的预定位置和所述平面传感器(14)的预定位置来校准所述电信号。

13.根据权利要求11和12中的任一项所述的对准方法，其中，由所述发射器发射所述电磁场的步骤包括向所述发射器(15、16、24)供电的步骤，并且在不同的时刻或者同时以不同的频率或者同时以相位偏移来向所述发射器供电，以便区分所发射的电磁场。

14.根据权利要求11至13中的一项所述的对准方法，所述方法包括以下步骤：在校正所述对中误差的步骤之后，评估所述第一电磁场的主方向(18)与所述平面传感器(14)的所述第一方向(D1)之间的取向角度；并且所述方法包括以下步骤：在评估取向角度的步骤之后，校正所述第一电磁场的主方向(18)与所述平面传感器(14)的所述第一方向(D1)之间的所述取向角度。

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