專利名稱:用于減少無意識碰撞的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域:
本發(fā)明總體上涉及成像,更具體地說,涉及用于促使自動移動的結構和接近此移動結構的對象之間的無意識碰撞減少的方法和系統(tǒng)。
背景技術:
用于醫(yī)療診斷數(shù)據(jù)搜集或治療目的的移動設備會受到與接近該移動設備的障礙物或病人或其它對象的碰撞。由伺服系統(tǒng)(即,用于在軟件控制下執(zhí)行機械運動并且還利用反饋的數(shù)字/電氣/機械系統(tǒng))來完成移動。已經(jīng)設計了當出現(xiàn)正在進行的碰撞時用于中止運動的各種方式。這些方式包括與醫(yī)療設備上的減震器或其它目標區(qū)域相關聯(lián)的壓力和鄰近傳感器,以及在設備的伺服系統(tǒng)內與反饋信號相關聯(lián)的碰撞檢測。各類檢測具有重要的應用。反饋檢測信號可提供比壓力和鄰近傳感器的使用更全面的檢測能力,因為反饋會指示沿移動結構的任何位置上出現(xiàn)的對定向運動的阻擋。不過,伺服系統(tǒng)的正常工作也可能產(chǎn)生并非因碰撞引起、但與碰撞引入的信號類似的反饋信號。此外,前饋/反饋可能以下述方式處理使系統(tǒng)自然地在針對碰撞的動力估計運動中、甚至在檢測到碰撞之前更不主動,同時保留由輸入控制信號得到的動力估計運動中所希望的主動性。
發(fā)明內容
在一方面,提供一種用于區(qū)分反饋信號是否為伺服系統(tǒng)中無意識碰撞的結果的方法。此方法包括在伺服系統(tǒng)中插入前饋項。
在另一方面,提供一種為伺服系統(tǒng)配置用于響應碰撞的初始主動性水平以及用于響應輸入控制信號的所需主動性水平的方法。該方法包括降低用于響應碰撞的初始主動性水平,并保持用于響應輸入的所需主動性水平。
在另一方面,提供一種成像系統(tǒng)。該成像系統(tǒng)包括輻射源;經(jīng)過定位以接收輻射源所發(fā)出的輻射的輻射檢測器;伺服系統(tǒng),配置成定位輻射源、檢測器和待掃描對象其中至少一個;以及計算機,可操作地與輻射源、檢測器和伺服系統(tǒng)相連。計算機配置成在伺服系統(tǒng)中插入前饋項。
在另一個實施例中,提供一種已將程序編碼在其中的計算機可讀媒體。該程序配置成指示計算機在伺服系統(tǒng)中插入前饋項。
圖1說明一種成像系統(tǒng)。
圖2說明一種移動C形臂X射線系統(tǒng)。
圖3說明一種伺服系統(tǒng)。
圖4說明圖3中更概括地表示的機電伺服系統(tǒng)的特定示例。
圖5說明xi的虛擬環(huán)路增益波特圖。
圖6說明x2的環(huán)路增益波特圖。
圖7說明由階躍輸入xi(命令該機構運動的強制函數(shù))產(chǎn)生的y0以及由階躍輸入x2(碰撞信號)在有前饋和無前饋時產(chǎn)生的y0的仿真響應輸出。
圖8說明由階躍輸入xi產(chǎn)生的y0以及由脈沖輸入x2在有前饋和無前饋時產(chǎn)生的y0的仿真響應輸出。
具體實施例方式
本文所述的是便于區(qū)分伺服系統(tǒng)中的反饋信號是合法操作(例如機械加載)的結果還是無意識碰撞的結果的方法和設備。
圖1說明成像系統(tǒng)10的實施例,其中實現(xiàn)了本文所述的設備和方法。成像系統(tǒng)10的示例包括x射線成像系統(tǒng)、超聲波成像系統(tǒng)、磁共振成像(MRI)系統(tǒng)、單光子發(fā)射計算機斷層分析(SPECT)成像系統(tǒng)、計算機斷層分析(CT)成像系統(tǒng)以及正電子發(fā)射斷層分析(PET)成像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)10掃描對象4,諸如心臟、肝臟或肺,生成原始投影數(shù)據(jù)。在一個實施例中,成像系統(tǒng)包括與對象4耦合的生理信息裝置(PID)6。PID 6的例子包括產(chǎn)生心電圖(EKG)的心電圖儀。PID 6產(chǎn)生生理周期信號,例如包括多個狀態(tài)、如心臟狀態(tài)或呼吸周期狀態(tài)的EKG信號或呼吸信號。
在一個示范實施例中,如圖2所示,成像系統(tǒng)10是一個移動C形臂X射線系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括C形臂12,它分別具有內周14和外周16,并在相對的上末端18和下末端19處終止。在本示范實施例中,C形臂12具有均勻環(huán)狀的C形,但是也可包括任何弧形件。
C形臂12通過支撐裝置(如20處總體標明的結構)固定在懸空位置,支撐裝置包括安裝在帶輪的基座24上的支撐臂22。支撐臂22使C形臂12能夠繞橫向旋轉軸30旋轉運動,這可通過支撐臂22與C形臂12之間的軸承組件,或者通過相對于基座24可旋轉地安裝的支撐件22本身來實現(xiàn)。
帶輪的基座24使C形臂12能夠從第一位置傳送到第二位置。這樣,基座的輪子用作傳送裝置,其耦合到支撐結構20,用于將支撐臂22和C形臂12從第一位置傳送到第二位置,因為將X射線設備從一個房間移到另一個房間可能是合乎需要的。設備10中如帶輪的基座24所提供的這種移動性,提供了例如由醫(yī)院的許多不同病房中病人增加的訪問。
支撐臂22可滑動地安裝到C形臂12的外周16上,支撐結構20包括使C形臂12能夠繞軌道旋轉軸26選擇性地、滑動軌道運動到選定位置的必要結構和機構。軸26與C形臂12的曲率中心以及橫向旋轉軸30重合。可以理解,滑動軌道運動導致C形臂12穿過附件28的各個滑動點移動到支撐臂22。支撐結構20還包括用于將支撐臂22繞橫向旋轉軸30橫向旋轉可選量、從而到達選定的橫向位置的機構?;瑒榆壍肋\動與橫向旋轉的組合使C形臂12可在兩個自由度上操作,即繞兩個垂直的軸操作。這給C形臂12的可動性提供了一種球面性(例如,滑動軌道運動和橫向旋轉使與C形臂12相連的X射線源32基本上移動到假想球面的下半球上的任何緯度/經(jīng)度點,C形臂12可在假想球面上各處移動)。
系統(tǒng)10包括X射線診斷技術中普遍知曉的X射線源32和圖像接收器34,它們分別安裝在C形臂12上相對的位置。X射線源32和圖像接收器34可統(tǒng)稱為X射線源/圖像接收器32/34。圖像接收器34可以是圖像增強器等。C形臂12的軌道運動和橫向旋轉操作使X射線源/圖像接收器32/34能夠針對位于C形臂12的內部自由空間36內的病人的寬和長來選擇性地定位。更具體地說,系統(tǒng)10包括與計算機38相連的伺服系統(tǒng)(即,用于在軟件控制下執(zhí)行機械運動并還利用了反饋的數(shù)字/電氣/機械系統(tǒng))。C形臂12的滑動軌道運動導致X射線源/圖像接收器32/34沿各自的弓形運動路徑移動。在一個實施例中,圖像接收器34固定于C形臂12的內周14上,X射線源32也可固定于內周14上。
本文所用的以單數(shù)列舉的和用單詞“一個”開頭的元件或步驟應當理解為不排除多個元件或步驟,除非明確說明了這種排除。此外,本發(fā)明提及的“一個實施例”不應被解釋為排除了也包含所述特征的其它實施例的存在。
在一個實施例中,計算機38包括諸如軟盤驅動器或CD-ROM驅動器之類的裝置(未示出),用以從計算機可讀媒體、例如軟盤或CD-ROM中讀取指令和/或數(shù)據(jù)。在另一個實施例中,計算機38執(zhí)行存儲于固件中的指令(未示出)。計算機38可被編程為執(zhí)行本文所述的功能,這里所用的術語計算機不限于僅僅在本領域中稱為計算機的那些集成電路,而是廣泛地指處理器、微控制器、微計算機、可編程邏輯控制器、專用集成電路以及其它可編程電路,這些術語在本文中可互換使用。
雖然上述的特定實施例提及移動C形臂x射線設備,但是本文所述的方法同樣適用于其它所有的成像形式,以及任何在不希望與之碰撞的對象周圍利用伺服機構的應用。
另外,雖然本文所述的方法是在醫(yī)療環(huán)境中說明的,但是可以預期,這些方法的有利之處改進了非醫(yī)療成像系統(tǒng)、如通常用于工業(yè)環(huán)境或者運輸環(huán)境的那些系統(tǒng),運輸環(huán)境例如但不限于用于飛機場、其它運輸中心、政府大樓、辦公大樓等的行李掃描系統(tǒng)。該有利之處也改進了其規(guī)模用來研究與人相對的試驗動物的微X射線、PET和CT系統(tǒng)。
本文所述的方法和設備采用前饋來提高對在機電運動系統(tǒng)與預期運動路徑中一些障礙物之間不想要的碰撞的檢測。此外,該方法允許這樣優(yōu)化前饋和反饋,使得系統(tǒng)自然地可以在針對碰撞的動力估計運動中、甚至在檢測到碰撞之前更不主動,而同時保留了由輸入控制信號(強制函數(shù))所產(chǎn)生的動力估計運動中的所需主動性。圖3說明包括反饋機構102(塊H)的伺服系統(tǒng)100,該反饋機構接收關于運動或位置的信息,并將這些信息轉換成可從輸入強制函數(shù)xi104中減去的信號。強制函數(shù)xi104是控制信號或數(shù)字命令,用于引導整個伺服系統(tǒng)作出響應,使得機械輸出y0106以預期的方式移動。多個塊108(G1和G2)代表伺服系統(tǒng)結構的各個部分,諸如在計算機中處理的數(shù)據(jù)、電動機、將電動機的傳動軸的旋轉轉換成裝置的有效運動或位置的機構。信號x2代表負載函數(shù)110,例如,諸如摩擦力或其它往往阻止電動機傳動軸所驅動的運動的機械加載等參數(shù)。監(jiān)控點112(M)為系統(tǒng)提供了表示強制函數(shù)xi104和已經(jīng)過了H反饋塊102的反饋信號114之間差異的數(shù)據(jù)。M的值一般較小(取決于定義伺服系統(tǒng)100的許多參數(shù))。但是,在伺服系統(tǒng)100受到施加于xi或x2上的某類型的激勵瞬變時,M可能短暫地具有較大的值。通過適當?shù)胤治鯩,可以確定伺服系統(tǒng)100是否遇到了(不希望的)正在進行的碰撞。在這種情況下,伺服系統(tǒng)100的性能可發(fā)生變化,以避免由完全執(zhí)行運動帶來的碰撞的有害結果。通過塊F1116的前饋允許xi強制函數(shù)進行特殊處理,在M112處獲得提高的碰撞可檢測性。應注意,F(xiàn)1可加到系統(tǒng)中除圖3所示點之外的其它點,結果也會變化。監(jiān)控點M112也可放置在除圖3所示位置之外的其它位置,結果也會變化。也可采用除了圖3所示的那些點之外的多個點來插入反饋(114)??梢愿鶕?jù)任何系統(tǒng)的特征來改變插入前饋的位置、監(jiān)控點的位置以及反饋的位置。
可考慮將圖3所示的伺服系統(tǒng)100的各個部分在拉普拉斯域中表示。那么,分別通過疊加以及利用Mason法則來處理這兩個輸入xi和x2,得到1A)y0xi=(F1+1)G1G21+G1G2H,1B)y0-x2=G21+G1G2H]]>可選擇G1以使y0/x2對于碰撞檢測和避免表現(xiàn)得最佳。選擇G1的替代形式,將其定義為G1’,選擇G1’是為了使y0/xi從強制函數(shù)xi的角度來看、但未利用前饋(F1=0)時表現(xiàn)最佳。最后,利用G1和F1(但不是G1’),要求與先前的y0/xi表現(xiàn)相同的y0/xi的傳遞函數(shù),并求解所要求的F1以強化這一結果。以下公式顯示了該過程。
2)(F1+1)G1G21+G1G2H=G1′G21+G1′G2H]]>求解F13)F1=G1′(1+G1G2H)-G1(1+G1′G2H)G1(1+G1′G2H)]]>因此,利用伺服系統(tǒng)中的前饋項F1使得伺服系統(tǒng)能夠對于y0/xi以及y0/x2均為最優(yōu),這樣在M點上的碰撞檢測監(jiān)控得到增強,而不會影響到對強制函數(shù)xi的響應。附加地插入前饋項以優(yōu)化y0/xi使得可以憑借標準現(xiàn)有環(huán)路參數(shù)來分別獨立地優(yōu)化y0/x2,而不受前饋的影響。
圖4說明圖3中一般表示的機電伺服系統(tǒng)的具體示例。下面給出對于圖4的輸入xi和x2的閉環(huán)響應4)y0=xi(F+1)K2K3K5Z5Z6s2+(F+1)(1Z5+1Z6)K2K3K5s+(F+1)K2K3K51P2P6s4+(1P2+1P6)s3+(K2K3K4K5Z5Z6+1)s2+(1Z5+1Z6)K2K3K4K5s+K2K3K4K5]]>-x2K1K3P6s2+K1K3s1P2P6s4+(1P2+1P6)s3+(K2K3K4K5Z5Z6+1)s2+(1Z5+1Z6)K2K3K4K5s+K2K3K4K5]]>接著,針對y0/xi,選擇優(yōu)選項K5’和Z5’來代替K5和Z5。在沒有前饋(F=0)的情況下,這得到5)y0xi=K2K3K5′Z5′Z6s2+(K5′Z5′+K5′Z6)K2K3s+K2K3K5′1P2P6s4+(1P2+1P6)s2+(K2K3K4K5′Z5′Z6+1)s2+(1Z5′+1Z6)K2K3K4K5′s+K2K3K4K5′]]>通過查看圖4,顯然6)M=xi-y0K4利用等式3)可確定F,得到等式7)。
7)K5′sZ5′+1s×sZ6+1sP6+1×K2×(1+K5×sZ5+1s×sZ6+1sP6+1×K3×1sP2+1×K3s×K4)-K5×sZ5+1s×sZ6+1sP6+1×K2×(1+K5′×sZ5′+1s×sZ6+1sP6+1×K2×1sP2+1×K3s×K4)K5×sZ5+1s×sZ4+1sP6+1×K2×(1+K5′×sZ5′+1s×sZ6+1sP6+1×K2×1sP2+1×K3s×K4)]]>重新整理等式7),得到等式8)8)F=(K2K5′Z5′Z6s2+(1Z5′+1Z6)K2K5′s+K2K5′)(1P2P6s4+(1P2+1P6)s3+(K2K3K4K5Z5Z6+1)s2+(1Z5+1Z6)K2K3K4K5s+K2K3K4K5)-(K2K5Z5Z6s2+(1Z5+1Z4)K2K5s+K2K5)(1P2P6s4+(1P2+1P6)s3+(K2K3K4K5′Z5′Z6+1)s2+(1Z5′+1Z6)K2K3K4K5′s+K2K3K4K5′)(K2K5Z5Z6s3+(1Z5+1Z6)K2K5s+K2K5)(1P2P6s4+(1P2+1P6)s3+(K2K3K4K5′Z5′Z6+1)s2+(1Z5′+1Z6)K2K3K4K5′+K2K3K5K5′)]]>
為了簡化,采用標記的變化,參照等式8)。
9)F=(As2+Bs+C)(Ds4+Es3+Ps2+Gs+H)-(Is2+Js+K)(Ds4+Es3+Ls2+Ms+N)(Is2+Js+K)(Ds4+Es3+Ls2+Ms+N)]]>最后得到,10)F=(AD-ID)s6+(AE+BD-IE-JD)s5+(AP+BE+CD-IL-JE-KD)s4+(AG+BP+CE-IM-JL-KE)s3+(AH+BG+CP-IN-JM-KL)s2+(BH+CG-JN-KM)s+CH-KNIDs6+(IE+JD)s5+(IL+JE+KD)s4+(IM+JE+KD)s4+(IM+JL+KE)s3+(IN+JM+KL)s2+(JN+KM)s+KN]]>對于示范應用,圖5中給出了為xi優(yōu)化的環(huán)路增益波特圖,其中具有表1中所列的相關優(yōu)化參數(shù)。注意,圖5中的環(huán)路增益波特圖是利用K5’和Z5’為xi優(yōu)化的。由于前饋參數(shù)F(等式10),可利用此圖的相位裕度來預測y0/xi的瞬時響應。注意,為達到真正的穩(wěn)定,可使用采用了K5和Z5(而不是K5’和Z5’)的波特圖。
表1圖6中給出了為X2優(yōu)化的環(huán)路增益波特圖,其中具有表2中所列的相關優(yōu)化參數(shù)。此圖是利用K5和Z5為x2優(yōu)化的??衫么藞D的裕度來預測y0/x2的瞬時響應。
表2對于此示范應用所表示的實際系統(tǒng)而言,圖4的一些塊(包括等式10中給出的F項)可以在計算機中實現(xiàn),并且那些功能可通過利用拉普拉斯等式的z變換來編程的軟件來完成。該系統(tǒng)的其它部分可以電子電路、電動機以及機械驅動部分和其它物理機構的形式來實現(xiàn)。通過適當?shù)乩玫仁?)、5)和6),可得到關于示范應用的響應的仿真,就象等式10)中定義的前饋項已應用到實際伺服系統(tǒng)中一樣。
在圖7中,對于圖4的拓撲而言,對來自xi的階躍響應輸入(命令機構移動的強制函數(shù))表示了仿真響應輸出y0。在圖7中還顯示了在采用前饋和不采用前饋時出現(xiàn)的關于在x2(表示碰撞)的階躍信號的監(jiān)控點信號M。在應用了前饋時,M監(jiān)控信號的峰值較大,具有約2.4的比率。注意,由于圖7中所用的單位的緣故,在波特圖中碰撞階躍信號是經(jīng)過放大的,所以可以看到它。由于示例系統(tǒng)采用等于1的反饋常數(shù)(即K4=1),所以注意到輸出y0的幅度與M相等(不同之處僅在于具有相反的極性)。因此,M/x2的曲線也表示y0/x2的曲線(除極性之外)。應當指出,采用前饋的M/x2比不采用前饋的M/x2變化快。這表明y0的變化也更快,因此y0更容易對碰撞信號x2作出響應。在適當利用前饋的情況下,伺服系統(tǒng)在碰撞過程中、甚至在已經(jīng)處理M監(jiān)控點信號之前,在動力估計運動中不會如檢測碰撞(以及發(fā)起命令以停止運動)的方式一樣主動。
在圖8中,顯示了關于xi的階躍響應輸入的仿真響應輸出y0,它與圖7所示的關于y0的仿真相同。在圖8中還顯示了在采用前饋和不采用前饋的情況下對于x2上的20毫秒的脈沖(表示不良機構在運動時可能發(fā)生的撞擊)所產(chǎn)生的監(jiān)控點信號M。在此情況下,對于采用前饋和不采用前饋的M監(jiān)控信號峰值的比率約為1.4。注意,由于圖8中所用的單位的緣故,在該曲線中脈沖是經(jīng)過放大的,故可以看到。
采用前饋的仿真比率與不采用前饋的仿真比率的比值為2.4/1.4=1.7。這意味著,示范伺服系統(tǒng)在進行上述仿真時,可檢測到更小的合理碰撞,而不會遇到由于不良機構的撞擊所導致的錯誤警告。因此,一種技術效果是提高了對碰撞激勵的靈敏性。由于對碰撞激勵的靈敏性得到提高,所以可以增大在M處的檢測閾值。伺服系統(tǒng)則更不可能根據(jù)由xi強制函數(shù)產(chǎn)生的監(jiān)控信號而發(fā)出錯誤警告。
雖然已經(jīng)根據(jù)各種特定實施例對本發(fā)明進行了說明,但是本領域的技術人員將會認識到可在權利要求的精神和范圍內對本發(fā)明實施修改。
權利要求
1.一種成像系統(tǒng)(10),包括輻射源(32);輻射檢測器(34),經(jīng)過定位以接收所述輻射源發(fā)出的輻射;伺服系統(tǒng)(100),配置成定位所述輻射源、所述檢測器以及待掃描的對象(4)其中至少一個;以及計算機(38),可操作地連接到所述輻射源、所述檢測器以及所述伺服系統(tǒng),所述計算機配置成在所述伺服系統(tǒng)中插入前饋項。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)(10),其特征在于,所述計算機(38)還配置成插入從強制函數(shù)xi(104)導出的前饋項。
3.如權利要求2所述的系統(tǒng)(10),其特征在于,所述計算機(38)還配置成插入從強制函數(shù)xi(104)導出的前饋項,以便優(yōu)化y0/xi,其中y0為所述伺服系統(tǒng)(100)的輸出(106)。
4.如權利要求1所述的系統(tǒng)(10),其特征在于,所述計算機(38)還配置成在不受所述前饋項影響的前提下優(yōu)化y0/x2,其中x2為負載函數(shù)(110),y0是所述伺服系統(tǒng)(100)的輸出(106)。
5.如權利要求2所述的系統(tǒng)(10),其特征在于,所述計算機(38)還配置成在不受所述前饋項影響的前提下優(yōu)化y0/x2,其中x2為負載函數(shù)(110),y0是所述伺服系統(tǒng)(100)的輸出(106)。
6.如權利要求3所述的系統(tǒng)(10),其特征在于,所述計算機(38)還配置成在不受所述前饋項影響的前提下優(yōu)化y0/x2,其中x2為負載函數(shù)(110)。
7.一種將程序編碼于其中的計算機可讀媒體,所述程序配置成指示計算機(38)在伺服系統(tǒng)(100)中插入前饋項。
8.如權利要求7所述的計算機可讀媒體,其特征在于,所述程序還配置成指示所述計算機(38)插入從強制函數(shù)xi(104)導出的前饋項。
9.如權利要求7所述的計算機可讀媒體,其特征在于,所述程序還配置成指示所述計算機(38)插入從強制函數(shù)xi(104)導出的前饋項,以便優(yōu)化y0/xi,其中y0是所述伺服系統(tǒng)(100)的輸出(106)。
10.如權利要求7所述的計算機可讀媒體,其特征在于,所述程序還配置成指示所述計算機(38)在不受所述前饋項影響的前提下優(yōu)化y0/x2,其中x2為負載函數(shù)(110),y0是所述伺服系統(tǒng)(100)的輸出(106)。
全文摘要
一種用于區(qū)分反饋信號(114)是否為伺服系統(tǒng)(100)中無意識碰撞的結果的方法包括在所述伺服系統(tǒng)中插入前饋項。
文檔編號H02P29/00GK1612038SQ200410090199
公開日2005年5月4日 申請日期2004年10月28日 優(yōu)先權日2003年10月28日
發(fā)明者S·E·庫爾蒂斯 申請人:Ge醫(yī)療系統(tǒng)環(huán)球技術有限公司