一种防止产生运动干涉的装置和方法 【技术领域】
本发明涉及医用X射线诊断和/或治疗技术，特别涉及一种在医用X射线诊断和/或治疗中防止产生运动干涉的装置和方法。
背景技术
当前，在医学上，当需要对患者进行诊断和/或治疗时，通常采用图1所示医用X射线诊断和/或治疗装置。如图1所示，该装置包括一个用于支撑待检查患者的病人支撑系统11，可水平或垂直移动；相对于病人支撑系统11作旋转移动的X射线检查装置。其中，X射线检测装置具体包括：L型臂121和C型臂122，C型臂122通过安装在L型臂121上的C型臂支架125连接到L型臂121上，C型臂支架125能够支撑C型臂122进行R轴旋转；同时，C型臂122还可相对于L型臂121作纵向旋转，即C轴旋转；C型臂122的一端安装有X射线源123，另一端安装有可相对于病人支撑系统11做向心或离心运动，或者说以C型臂122两端作轴向运动的X射线探测器124。
当采用上述装置对患者进行诊断和/或治疗时，病人支撑系统11支撑待检测患者进行水平或垂直方向运动、X射线探测器124作向心或离心运动，以及C型臂122进行C轴旋转或R轴旋转等情况下，都可能产生运动干涉，也就是说，各组成部分之间或各组成部分与患者之间均可能发生碰撞。同时，外部入侵物体、障碍物或操作者也可能和前述几种运动产生运动干涉。而一旦发生运动干涉，则可能会对装置造成损坏，甚至对患者或操作者造成伤害。所以，防止运动干涉的发生是本领域一个亟待解决的问题。
为此，现有技术中已经提出了一些解决方案。比如：
1、在图1所示医用X射线诊断和/或治疗装置的基础上设置一带测试电极的电磁目标检测器，通过该电磁目标检测器来检测装置各组成部分的运动情况，以防止产生运动干涉。但是，该解决方案在实际应用中会存在一定问题，比如，在临床射频消融术中，射频的辐射作用可能会对电磁信号产生干扰，从而造成电磁目标探测器的误信号输出；另外，电磁目标探测器仅对金属和半导体等物体具有高敏度反应，而对高频介质物体，如有机玻璃支撑架等反应很不灵敏，从而可能检测不到这些物体引起的运动干涉，造成碰撞的发生。也就是说，这种方案的检测准确度难以保证。
2、采用接触式防撞原理：当C型臂与患者、病人支撑系统或其它障碍物等发生接触时，通过测力计测量接触碰撞力的大小，如果超过规定，则停止或反向控制C型臂的运动。但是，该方案只有在接触发生时才适用，防碰撞安全性较差。
可见，现有技术中虽然给出了一些防止在医用X射线诊断和/或治疗装置中产生运动干涉的方案，但这些方案均有其各自的缺陷，所以均不是解决问题的理想方式。
【发明内容】
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种防止产生运动干涉的装置，能够准确安全地防止可能产生的运动干涉。
本发明的另一目的在于提供一种防止产生运动干涉的方法，能够准确安全地防止可能产生的运动干涉。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种防止产生运动干涉的装置，该装置适用于医用X射线诊断和/或治疗领域，包括：
可水平和垂直移动的用于支撑待检测患者的病人支撑系统；
相对于病人支撑系统做旋转移动的X射线检查装置，包括：L型臂以及在L型臂的支撑下可进行旋转的C型臂，所述C型臂的一端安装有X射线源，另一端安装有可相对于病人支撑系统做向心或离心运动的X射线探测器；
该装置还包括：
安装在所述X射线源或所述X射线探测器，或所述X射线源和所述X射线探测器上的超声目标检测器，所述超声目标检测器中包括N个超声发射和接收传感器，所述N为正整数，所述N个超声发射和接收传感器按所述X射线探测器或X射线源，或所述X射线探测器和X射线源的外围周长进行均匀分布，且所述N个超声发射和接收传感器的发射和接收面与所述C型臂的运动轴线之间呈预先设定的角度；
所述超声目标检测器，用于按照分时扫描驱动和分时扫描接收的工作模式控制所述N个超声发射和接收传感器分别进行超声发射和回波信号接收，并依据所述接收到的回波信号以及依据分时扫描时超声发射和接收传感器的位置而确定的运动干涉方位信息控制所述防止产生运动干涉的装置中各组成部分的运动。
一种防止产生运动干涉的方法，该方法基于上述防止产生运动干涉的装置实现，包括：
A、按照分时扫描驱动和分时扫描接收的工作模式控制N个超声发射和接收传感器分别进行超声发射和回波信号接收；
B、依据所述接收到的回波信号以及依据分时扫描时超声发射和接收传感器的位置而确定的运动干涉方位信息控制所述防止产生运动干涉的装置中各组成部分的运动。
可见，采用本发明的技术方案，在X射线检查装置上安装超声目标检测器，该超声目标检测器中包括N个超声发射和接收传感器，且这N个超声发射和接收传感器按照本发明所设定的特殊方式进行分布；在工作过程中，超声目标检测器按照分时扫描驱动和分时扫描接收的工作模式控制这N个超声发射和接收传感器分别进行超声发射和回波信号的接收，并依据接收到的回波信号以及依据分时扫描时超声发射和接收传感器的位置而确定地运动干涉方位信息控制本发明所述防止产生运动干涉的装置中各组成部分的运动。与现有技术相比，本发明所述方案不但可以实现非接触式防撞，而且该方案的实现不会受射频影响，保证了检测信号的准确度；另外，由于超声波仅对干涉物体的形状产生作用，不存在材质选择性，所以不会存在漏检某些物体引起的运动干涉的现象。总之，本发明所述方案能够准确安全地检测到可能引起运动干涉的物体，从而防止运动干涉的产生。
【附图说明】
图1为现有医用X射线诊断和/或治疗装置的组成结构示意图。
图2为本发明防止产生运动干涉的装置实施例的组成结构示意图。
图3为本发明实施例中超声目标检测器的组成结构示意图。
图4为本发明实施例中N个超声发射和接收传感器的排列方式示意图。
图5为图4的仰视图。
图6为本发明防止产生运动干涉的方法实施例的流程图。
图7为本发明实施例中分时扫描工作模式对应的波形示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步地详细说明。
针对现有技术中存在的问题，本发明中提出一种防止产生运动干涉的方案，该方案适用于医用X射线诊断和/或治疗领域。具体实现包括：在现有医用X射线诊断和/或治疗装置的基础上，在X射线源或X射线探测器，或X射线源和X射线探测器上安装超声目标检测器，该超声目标检测器中包括N个超声发射和接收传感器，其中N为正整数。N个超声发射和接收传感器按X射线探测器或X射线源，或X射线探测器和X射线源的外围周长进行均匀分布，且这N个超声发射和接收传感器的发射和接收面与C型臂的运动轴线之间呈预先设定的角度，比如135°。超声目标检测器按照分时扫描驱动和分时扫描接收的工作模式控制这N个超声发射和接收传感器分别进行超声发射和回波信号接收，并依据超声发射时的基波信号相位以及接收到的回波信号相位确定测距值，依据分时扫描时超声发射和接收传感器的位置确定运动干涉方位信息，根据测距值大小及运动干涉方位信息控制整个装置中各组成部分的运动，从而能够在一定安全距离之内中止可能产生碰撞的相向运动，即防止运动干涉的产生。
另外，还可以依据测距值及运功干涉方位信息进行指示和告警，即：连接一显示装置，在显示装置上显示出关于本发明所述防止产生运动干涉的装置的整体组成结构的三维模拟图像，并根据运动干涉方位信息及测距值在适当的位置显示一模拟障碍物(本发明中，将可能引起运动干涉的物体统称为障碍物)，同时，该障碍物将进行指示和报警，比如可将该障碍物设置为闪烁形式并发出声音，从而使操作者可以直观地观察障碍物的方位和距离，提醒操作者注意安全。
下面通过具体的实施例对本发明所述方案作进一步地详细说明：
图2为本发明防止产生运动干涉的装置实施例的组成结构示意图。如图2所示，该装置包括：
可水平和垂直移动的用于支撑待检测患者的病人支撑系统21；
相对于病人支撑系统做旋转移动的X射线检查装置，具体包括：L型臂221以及在L型臂的支撑下可进行旋转的C型臂222，C型臂222的一端安装有X射线源223，另一端安装有可相对于病人支撑系统21做向心或离心运动的X射线探测器224；
安装在X射线源223或X射线探测器224，或X射线源223和X射线探测器224上的超声目标检测器23(图中所示表示在两个位置均安装)。
在实际应用中，超声目标检测器23的具体安装位置可根据需要确定，但无论安装在哪里，其工作原理都是一样的。如果按照图2所示，在X射线源223和X射线探测器224上均安装超声目标检测器23，那么这两个超声目标检测器23的工作是彼此独立的，各自按照本发明所述方式进行工作。
超声目标检测器23与图2所示防止产生运动干涉的装置一起上电工作，其具体结构如下：
图3为本发明实施例中超声目标检测器23的组成结构示意图。如图3所示，包括：
N(N≥1)个超声发射和接收传感器231，这N个超声发射和接收传感器231按编号从1到N的顺序，在X射线探测器224或X射线源223，或X射线探测器224和X射线源223的外围周长进行均匀分布，且这N个超声发射和接收传感器231的发射和接收面与C型臂222的运动轴线之间呈135°角，如图4和5所示。其中，图4为N个超声发射和接收传感器的排列方式示意图，图5为图4的仰视图。当然，这里所提到的角度的具体取值仅为举例说明，并不用于限制本发明的技术方案。
此外，超声目标检测器23中进一步包括：信号处理器232，用于按照分时扫描驱动和分时扫描接收的工作模式控制N个超声发射和接收传感器231分别进行超声发射和回波信号接收，并依据超声发射时的基波信号相位以及接收到的回波信号相位确定测距值，将测距值与预先设定的安全阀值进行比较，如果测距值小于安全阀值，则依据分时扫描时的超声发射和接收传感器231位置确定运动干涉方位信息并发送给运动控制器233；
运动控制器233，用于依据接收到运动干涉方位信息控制图2所示装置中各组成部分的运动，如病人支撑系统21的水平或垂直方向移动、C型臂222的C轴或R轴旋转以及X射线探测器224的向心或离心运动等。当然，在实际应用中，如果装置中还有其它组成部分可以运动，本发明所述方案将同样适用。
其中，信号处理器232中进一步包括：方位编码器1、电子扫描发生器2、收发转换器3、发射驱动器4、模拟转换开关5、存储单元6、回波接收器7、测距处理器8、运动阻碍比较器9、方位处理器10以及电子扫描开关11；当然，在实际应用中，这些组成部分的具体功能均需要在微处理器中的程序产品的控制下实现。
当整个装置上电工作后，方位编码器10将当前需要进行扫描的超声发射和接收传感器231的方位标识号提供给电子扫描发生器2；这里所提到的方位标识号通常是指各超声发射和接收传感器231的编号，比如1到N中的一个数，按照编号从1到N的顺序对各超声发射和接收传感器231进行扫描。电子扫描发生器2根据接收到的方位标识号，控制与当前需要进行扫描的超声发射和接收传感器231对应的电子扫描开关11关闭，并在当前需要进行扫描的超声发射和接收传感器231对应的扫描位置启动一个占空比为50％的收发脉冲。在实际应用中，可为该收发脉冲设置一定保护时间间隔。这样处理的好处在于：可以使超声发射和接收传感器231在由发射状态转换为接收状态时，能够有一定的恢复时间；另外还可以防止将发射的基波信号震荡误认为是回波信号进行接收。收发转换器3用于控制模拟转换开关5来完成对超声发射和接收传感器231的双工切换；在收发脉冲启动的同时，收发转换器3控制模拟转换开关5处于发射状态，如图3所示，发射驱动器4产生固有基频的基波信号，通过处于发射状态的模拟转换开关5以及与当前需要进行扫描的超声发射和接收传感器231对应的处于关闭状态的电子扫描开关11发射到当前需要进行扫描的超声发射和接收传感器231，进而由超声发射和接收传感器231将该基波信号发射出去；在将发射驱动器4中产生的基波信号发射出去的同时，模拟转换开关5将该基波信号的相位保存在存储单元6中；在收发脉冲的占时区结束后，收发转换器3控制模拟转换开关5处于接收状态，将通过当前需要进行扫描的超声发射和接收传感器对应的处于关闭状态的电子扫描开关11接收到的回波信号发送给回波接收器7。之后，测距处理器8计算存储单元6中保存的基波相位与回波接收器7中接收到的回波信号的相位的差值，并根据该差值计算测距值，发送给运动阻碍比较器9。其中，测距值的计算方式为：d表示测距值，表示相位差值，340m/s为声速。运动阻碍比较器9将接收到的测距值与预先设定的安全阀值进行比较，如果测距值小于安全阀值，则通知方位处理器10向运动控制器233发送运动干涉方位信息。安全阀值的具体取值可根据实际需要或根据经验进行设置。方位处理器10在接收到运动阻碍比较器9的通知后，根据接收自方位编码器1的方位标识号确定当前进行扫描的超声发射和接收传感器231的位置，并根据所述位置确定运动干涉方位信息，将确定出的运动干涉方位信息发送给运动控制器233。由于各超声发射和接收传感器的分布情况是预先可知的，所以知道了方位标识号，也就等于知道了超声发射和接收传感器231的位置信息，进而能够知道障碍物所在的方位信息，即运动干涉方位信息。
运动控制器233中进一步包括：状态标识器12、运动相向分析器13和程序控制开关组14。
状态标识器12用于记录图2所示防止产生运动干涉的装置中各组成部分的运动状态。运动相向分析器13接收到来自方位处理器10的运动干涉方位信息后，根据状态标识器12中记录的信息确定在运动干涉方位上存在运动的组成部分，并向与存在运动的组成部分对应的程序控制开关发送中止命令。由于预先已经确定了障碍物所在方位信息，那么运动相向分析器13要作的就是分析出在该方位上存在哪些运动，比如，病人支撑系统21是不是在向障碍物作相向运动，如果是，则中止病人支撑系统21的运动，从而避免碰撞的发生。程序控制开关组14由M个程序控制开关组成，每个程序控制开关分别串联在用于控制图2所示防止产生运动干涉的装置中各组成部分的运动状态的运动控制电路中；每个程序控制开关在接收到来自运动相向分析器13的中止命令后，由关闭状态转换为打开状态。也就是说，通常状态下，各程序控制开关设置为关闭状态，从而保证其对应的各组成部分能够正常工作。
另外，本发明实施例中，对于可能造成运动干涉的组成部分，采用的是中止其运动的方式。但在实际应用中，也可以采用其它的控制方式来达到同样的防止产生运动干涉的目的。比如，在运动控制器233中设置一减速装置15，用于接收来自运动相向分析器13的调速命令，根据该命令降低与在运动干涉方位上存在运动的组成部分对应的运动执行电机的转速。或者，还可以设置多个不同的安全阀值，将计算得到的测距值分别与不同的安全阀值进行比较，不同的安全阀值对应不同的运动执行电机转速。也就是说，安全阀值越大时，转速可相应越快，安全阀值越小时，转速越低，以防止碰撞发生。
需要说明的是，当超声发射和接收传感器231未接收到回波信号(在扫描位置无运动干涉)或接收到回波信号但计算出的测距值大于安全阀值时，信号处理器232中的电子扫描发生器2将继续扫描下一扫描位置上的超声发射和接收传感器231，直至运动干涉被检测出后执行上述中止运动的操作。另外，电子扫描发生器2对N个超声发射和接收传感器231按照编号从1到N的顺序进行扫描这一过程的执行时间将会被限定在一定范围内，以防止未被扫描到的位置发生碰撞而不能及时检测到。这一时间的具体设置需要根据图2所示装置中各组成部分的运动速度来确定。
基于上述介绍，图6为本发明防止产生运动干涉的方法实施例的流程图。如图6所示，包括以下步骤：
步骤601：按照分时扫描驱动和分时扫描接收的工作模式控制N个超声发射和接收传感器分别进行超声发射和回波信号接收。
图7即为本发明实施例中分时扫描工作模式对应的波形示意图。参照图7所示，为N个超声发射和接收传感器分别进行编号，如从1到N，按照编号顺序，在每个超声发射和接收传感器对应的扫描位置启动一个占空比为50％的收发脉冲，在该收发脉冲的占时区，通过超声发射和接收传感器发送基波信号并保存基波信号的相位，在收发脉冲的空时区，扫描并接收回波信号。其中，收发脉冲设置为具有一定保护时间间隔t1。
步骤602：依据接收到的回波信号以及依据分时扫描时超声发射和接收传感器的位置而确定的运动干涉方位信息控制所述防止产生运动干涉的装置中各组成部分的运动。
本步骤的具体实现包括：计算保存的基波信号的相位与接收到的回波信号的相位的差值，即图7中的并根据该差值计算测距值，即计算差值与声速的乘积，得到的结果即为测距值；将测距值与预先设定的安全阀值进行比较，如果测距值小于安全阀值，则将依据分时扫描时超声发射和接收传感器的位置而确定的运动干涉方位信息与预先记录的防止产生运动干涉的装置中各组成部分的运动状态进行比较，确定在运动干涉方位上存在运动的组成部分，并中止其运动。
图6所示方法的具体工作流程请参照图2～5所示装置实施例中的相应说明，此处不再赘述。
总之，采用本发明的技术方案，不但可以实现非接触式防撞，而且该方案的实现不会受射频影响，保证了检测信号的准确度；另外，由于超声波仅对干涉物体的形状产生作用，不存在材质选择性，所以不会存在漏检某些物体引起的运动干涉的现象。也就是说，本发明所述方案能够准确安全地检测到可能引起运动干涉的物体，从而防止运动干涉的产生。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。