伽马照相机碰撞避免 本发明涉及医学诊断成像系统，并且尤其涉及一种用于实时确定并控制以防止在成像系统的构件和在成像系统部件的运动范围内的对象之间的碰撞的方法和设备。
常规的核医学成像系统包括由机架支撑的一个或多个检测器。机架通常提供检测器的机械运动，以允许检测器在采集图像数据的过程中定位在患者身体周围的各个位置和方向上。因此，图像数据可以从患者周围各种不同的角度采集。在常规的成像系统中，机架是安装于地面的结构。在一些系统中，机架包括检测器安装到其上的一个或多个封闭的环形支架。检测器在径向上可调节并在由环确定的圆形路径的检查区周围移动。患者置于封闭地环内或附近，并且用马达旋转环以将检测器适当地定位在患者周围。特别是在成像序列的准备中，在由操作员控制调节这些成像系统的过程中，成像系统的某些部件可能与在该室内的另一或其它构件碰撞并使成像系统部件造成损坏。例如，在检测器、准直器、患者支架、地板、机架环、传输线源和室内对象比如机柜、门、散热器以及其它已知的设备和对象之间可能发生碰撞。
在其它最近的核诊断成像系统中，悬空的机架结构提供了具有可平移、旋转和可延伸的关节臂的检测器支架，该关节臂提供了三轴线性和可旋转的检测器运动。悬空的机架使检测器悬在空中，由此使得更容易接近卧床的、坐轮椅的和以其它方式更少移动的患者。此外，悬空的机架构造对在各种位置的患者成像提供了更大的灵活性，这在以前是办不到的。
然而，虽然这种系统对诊断成像在许多方面作了显著的改进，但是在整个成像套件中对成像系统部件的运动的改进的范围允许系统部件可能与在该室内的其它部件和对象接触。每个成像套件可能具有与成像系统可能碰撞的不同的固定设备和对象。此外，在成像套件内的对象的数量或位置的变化带来了可能对成像系统造成碰撞和损坏的变化环境。系统部件的碰撞可能导致：(i)对系统造成代价极大的损坏，(ii)在修复过程中的停机时间和损失的收入以及(iii)破坏患者的成像以致后来成像序列必须重新运行一次，由此使患者遭受额外剂量的放射性药物成像试剂。
本发明涉及一种满足如下需要的方法和设备：提供一种执行用于成像系统部件的实时碰撞分析和避免的成像系统。该系统减少了能够损坏该系统的在成像套件内的系统部件和对象之间的碰撞。根据应用本发明原理的一个实施例的设备包括机架、可操作地连接到机架的检测器支架和可操作地连接到检测器支架的检测器。成像控制器控制检测器和检测器支架的操作。包括在控制器内的对象模型阅读器数据组存储与该机架、检测器和检测器支架的表面的属性相关的数据。运动计算数据组以变换矩阵界定在机架、检测器支架和检测器之间的运动学关系(kinematic relationship)。在如该运动学关系内界定的机架、检测器和检测器支架的运动范围内的对象在对象模型数据组内被建模。在控制器中的碰撞检测处理器执行在模型阅读器数据组内的对象之间的实时碰撞分析。
根据本发明原理的方法包括界定多个成像系统部件作为具有顶点的线框(wire frame)表示的步骤。使用用于成像系统部件的变换矩阵在公共坐标系内界定在成像系统内的对象。操作员启动成像系统部件的运动并且位置和运动输入信号被提供给控制器。更新用于成像系统部件的变换矩阵并响应用于成像系统部件的输入信号计算最后的变换，该最后变换表示在预定的时间间隔上成像系统部件的位置。最后变换应用到产生线框的新位置的线框表示，并使用新的线框位置确定在多个成像系统部件中的任何部件之间是否发生碰撞。
应用本发明原理的设备和方法提供了前述和下文描述的并在权利要求中特别指出的其它特征。下文的描述、权利要求和附图阐述了应用本发明的各种原理的示例性实施例。将会理解到，应用本发明原理的不同实施例可以采用各种部件、步骤以及部件和步骤的设置。这些描述的实施例只是指示了几种方式，其中本发明的某些或全部的原理可以以方法或设备实施。附图仅用于说明应用本发明原理的设备和方法的实施例，但并不解释为对本发明的限制。
通过下文对应用本发明的多个方面的方法和设备的详细描述并参考附图，本领域熟练技术人员将会清楚本发明的前述和其它特征和优点，在附图中：
附图1为根据本发明原理的诊断成像系统的示意性表示；
附图2说明显示成像套件内的检测器支架的构造和系统部件的运动类型的悬空的机架成像系统；
附图3说明显示成像套件内的检测器支架的另一构造和系统部件的运动类型的悬空的机架成像系统；
附图4为说明根据本发明原理的设备的框图；
附图5为实施本发明的多个方面的过程的功能流程图；
附图6为供本发明的多个方面使用的用户接口的表示；以及
附图7为根据本发明原理的过程的功能流程图。
参考附图1，核医学成像系统100具有悬空机架102以及控制和图像处理系统104。控制和图像处理系统104包括伽马照相机控制处理器106、操作员接口108、显示系统110和输入装置比如键盘112、触摸屏、跟踪球、操纵杆或其它适合的操作员输入接口。操作员接口也提供通知操作员警告、系统和部件操作状态以及手动系统控制特征。
控制和图像处理系统104协调扫描器100的操作。通过基于已知计算机的系统可以执行在所示的部件和系统中所有控制和成像处理功能，该基于已知计算机的系统具有比如适合的处理器、存储器和存储装置、输入、输出和数据通信能力以及互相进行适合的数据通信的远程定位系统之类的部件系统的可操作的补充。
伽马照相机控制处理器106包括在诊断成像系统内操作的所有适合的计算机硬件和软件部件。机架检测器驱动和位置控制器120可控制地连接到用于跟踪、移动和定位检测器头10、11的各种传感器和驱动机构。机架驱动控制器120可控制地连接到在成像系统的各种控制和系统功能以及操作员接口108之间协调的系统控制器122。系统控制器122可操作地连接到成像控制器124，该成像控制器124适合地连接到执行与图像处理相关的功能的检测器10、11，所述与图像处理相关的功能比如提供扫描规程和检测器定位序列、数据采集、重构、存储、记录、融合或与图像数据的处理相关的其它功能以及提供所采集的图像数据的人可读的显示。碰撞避免功能126可操作地连接到系统控制器122以对成像系统的部件执行当前进行的碰撞避免分析。
机架102用于支持并提供两个伽马检测器10和11的运动，以用于采集患者的图像数据。在某些类型的成像研究中，比如单光子发射计算断层成像(SPECT)中，检测器10和11被放置在纵轴30周围的各种不同的角度上，以从患者身体周围的不同角度采集图像数据。纵轴30通常通过患者的身体长度方向，并对特定的成像研究可以是检测器10和11的旋转中心。在进行数据采集和图像重构处理时，定位检测器10和11的机架102的运动和构造由控制和处理计算机系统104控制。
悬空机架102包括四个构件(梁)14，在它们的端部上连接通常形成矩形。梁14在矩形角上偏离地板的水平方向上被垂直柱子12支撑着。梁14被支撑成偏离地板足够高以使人能够在它们下面行走。可替换地，水平梁14可以安装到天花板上而不是从下面支撑。
机架包括从悬空位置朝下悬挂的两个支撑臂23和24。支撑臂23支撑着检测器10，同时支撑臂24支撑着检测器11。支撑臂23和24允许检测器10和11在x方向(与纵轴30垂直)和z方向(平行于纵轴30)的两个方向上水平平移。此外，支撑臂23和24包括适合的构件以包括棱柱接头，以便每个检测器可以执行“可伸缩”动作，即可以在y方向上延伸或收缩。因此，每个检测器总是通过它的支撑臂从患者上面悬挂，即使检测器本身在成像期间有时位于患者下面。
如下文所述，支撑臂23、24包括适合的旋转接头，其中在支撑部分之间的相对角度可以改变。此外，与常规的基于环的系统相反，检测器的运动路径彼此独立。
对于梁14理想的是具有使机架102的尺寸符合它所位于该室的尺寸的不同长度。每个垂直柱子12可以靠着墙壁或在其附近，以便更加容易接近患者和以其它方式便于主治人员、生命支持系统和其它设备的运动。此外，在与成像系统对象碰撞中涉及的成像套件内的对象的实例包括机柜34(附图2)和散热器36(附图3)。
如上文所述，在定位检测器10和11的过程中悬空机架102提供比常规系统更大的灵活性。在附图1-3中，机架102是三维笛卡儿操纵器，它的每个臂具有允许末端执行器(在这种情况下是伽马检测器)被定位在由这些轴界定的矩形实体体积中的任何地方的用于x、y和z轴的三个棱柱接头。附图2和3所示为相对于患者工作台55的主轴的取向以及成像套件和在该空间内的其它对象。除了三个笛卡儿轴之外，机架102具有在每个臂的端部上用于在患者的周围(即在平行于x轴的线周围)旋转检测器的旋转接头114a和114b。可以包括附加的旋转接头116a和116b以便在成像套件内定位检测器10、11的过程中提供更大的灵活性。
现在转到附图4，碰撞避免功能126监测在机架和成像系统内的对象的运动以及它们相对于其它可运动和固定对象的位置，以减小成像系统部件将与另一对象碰撞的可能性。碰撞避免功能126在可运动的成像系统部件的操作员手动控制器运动过程中特别有效。例如，操作员使用操作员接口108以将检测器10、11置于在患者附近的初始位置以开始用于成像扫描的数据采集。在操作员操纵成像系统部件时，通过计算相对于在成像套件内的其它对象的每个部件的提前位置实时地检查可能的碰撞。
模型阅读器130将每个对象的三维模型存储在碰撞模型文件中。每个对象的描述来自机架系统和成像套件的对象的已知的物理尺寸和开始位置。每个对象文件可以从每个对象的一个或多个几何结构中形成。对象与在成像系统中的链接比如检测器10和11、支撑臂23和24以及患者工作台55关联。
对于在成像系统中的多个对象，多面体足以模拟该结构。每个对象首先通过在三维坐标系中的线框相对于适合的参考框被定义。在线框部分的交点上的每个顶点在参考框中具有X、Y和Z坐标。通过操作员使用如在下文中描述的在附图6中所示的用户接口，可以将新的对象和地点的特定结构增加到模型阅读器130中。如果想要的话，缓冲区可以添加到对象尺寸和坐标中以在对象的表面周围提供碰撞避免处理(CAP)。这可以比对象大1cm-5cm，由此将可能的即将到来的碰撞更早地通知操作员。对象的每个表面进一步分解为用作适合于下文描述的碰撞软件使用的对象的顶点三角模型的一组三角形。
对象处理器132跟踪在成像套件和机架系统内哪些对象当前有效，并与碰撞检测功能136连接以进行成对地(对象到对象)碰撞测试。根据想要的操作，某些对象可能是无效或再有效的。例如，仅仅单个的检测器10和对应的支撑臂23对于给定的临床成像规程是有效的。这样，有效的检测器可能不具有运动到与机柜36碰撞的范围，对于这个特定的成像序列它可能是无效的。然而，扫描的下一患者可能要求两个检测器10、11有效以及机柜34再有效并被对象处理器作为因可能碰撞而检查的对象跟踪。此外，不同的准直器具有不同的形状，并且根据所选择的准直器，各种准直器的不同属性存储在模型阅读器130中。由于不同的临床成像规程可能需要不同的准直器(或者根本没有准直器)，所以表示在检测器上的准直器的对象可以根据需要无效。在一些实例中，对象对可以被确定为它们将永不碰撞。例如，即使患者工作台55在成像序列中可以平移患者，但是它从不会与机柜34或散热器36碰撞。这样，在任何时候不需要碰撞比较并且对象处理器跟踪在对象之间的这些关系以从碰撞检测测试中删除非碰撞对。消除可能的碰撞对象和碰撞对改善了碰撞测试的计算时间。在另一实例中，如果系统构造或成像套件被改变了，则部件可能是无效或有效的。
运动计算功能134计算对象的运动。对象具有速度、位置和旋转。对于要进行碰撞比较的对象，使用变换矩阵建立公共坐标系以从一个坐标系转换为另一个坐标系。在机架系统内的每个链接或对象相对于它的下一连接的链接具有它自身的相对位置。致动器比如马达连接到该链接以便运动并将位置信号提供给控制器。给定的对象可以具有在获得对象相对于公共坐标系中的最终变换矩阵过程中使用的大量中间矩阵。将对象的线框坐标乘以最终变换矩阵得到由下面用于碰撞确定的碰撞算法中使用的对象的当前位置的新坐标。中间矩阵的系数从将每个对象自先前位置旋转并平移到当前位置的致动器中计算。一些中间变换矩阵可以由不止一个对象共享，由此减小了所需的计算资源。
运动计算功能134通过将运动位移加到对象的当前位置来计算对象的运动。例如，在相对正运动中；
[新位置]＝[当前位置]+[提前增量]+[CAP厚度]
以及，对于相对负运动；
[新位置]＝[当前位置]-[提前增量]-[CAP厚度]
这里：
当前位置从映射的对象坐标中读出；
提前增量(lookahead delta)是用于计算由提前0.5秒的时间引起运动变化量的梯形速度分布；
CAP厚度是可以为均匀的或者可替换地唯一应用到对象的每个轴的缓冲区。从碰撞测试中在对象之间的CAP厚度的预计侵入将导致声音报警和停止运动指令给机架驱动控制器120。
所需的碰撞距离描述了在检测到碰撞之前在对象之间允许的接近度。虽然CAP厚度的尺寸反映了所需的碰撞距离，但是在对象之间的物理距离取决于表示该物理对象的内部碰撞避免模型的能力。该模型通常大于该对象，并且将一定的附加距离添加到实际接近度特性中。例如，在该工作台的情况下，由于工作台的下垂或变形，所以已知的工作台的垂直位置仅为在+2.5/-0.5cm(-1.5cm规格)内。由于工作台被模拟为包括它的整个范围，因此3cm的最大变形可以在垂直方向上将3cm添加到在工作台和其它对象之间的最小碰撞接近度中。
一旦计算了新的位置，在模型中的对象必须更新以便可以移动它们到新位置。每个对象具有当前4×4变换矩阵以描述它的空间位置。该矩阵用于变换对象(它的顶点)并计算下一框的对象的新位置，即下一提前检查。在模型文件首先读入时，所有的对象被假定为在已知的开始轴位置，以便可以相对于这个参考位置计算运动。使用变换和运动矩阵计算变换的序列以最终得到每个对象的总的变换矩阵。
一旦更新了对象的位置，则使用算法实施碰撞检测功能136。在本发明中使用的碰撞算法/程序的适当组合包括V-Collide和RAPID。两个程序都可以从在Chapel Hill的北卡罗来纳大学的Ming Lin PhD.得到。RAPID是公共领域的程序包，并且这两个程序的使用进一步描述在V-Collide：Accelerated Collision Detection fof VRML，VMRLProceedings 1977，pp.119-125，在此以参考的方式将其并入。
一般地，V-Collide/RAPID算法计算定向边界框(OBB)的分级树以表示每个对象。在边界框之间的检查可以以连续的级别实现，从具有粗近似的测试进行直到更接近的近似的测试。具体地，快速保守的近似使用扫描和删减算法比如n-body算法在数据库中找到可能的对象碰撞对。然后，使用在利用关于分离平面/分离轴的理论的OBB之间的不相交测试完成交叉测试。如果两个对象的OBB不相交，那么对象不交叉并且不碰撞。如果需要的话，在检查的最后级别可以实施三角-三角交叉测试。
碰撞处理功能138通过系统控制器122通知系统其余部分关于碰撞测试的结果。如果没有检测到碰撞，则运动在正常操作下继续进行。如果检测到碰撞，则碰撞避免功能126发送运动停止给每个有效轴。在允许操作员通过在相反方向移动以退出该碰撞的同时，禁止在该碰撞方向上的继续运动。如果在发现即将到来的碰撞之后，用户继续按压按钮以在碰撞的方向上移动停止的轴，则在用户接口上产生蜂鸣声或可视报警以通知用户。
现在转到附图5，将会更好地理解根据本发明的多个方面的控制过程。控制过程在成像系统加电时以步骤200开始。在步骤200中，在控制和图像处理系统104中的所有的内部状态设定到初始值。该过程进行到步骤202，在步骤202中操作员通过操作员接口108启动运动。在致动器(马达)传感器检测到来自操作员启动运动的系统运动时，传感器信号被发送给控制器并且过程进行到步骤204。在步骤204中，系统开始从连接到机架系统的链接的致动器中搜集所有的位置和运动信息。每个对象为必需的信息查询相关的致动器以更新其相应的中间矩阵。一旦累积完更新该矩阵所需的信息，则计算用于对象的新的最后变换。计算新的最后变换以包括在预定的时间间隔结束时的将来位置，例如提前0.5秒的位置。接着，在步骤206中，用于对象的新的最后变换应用于位置更新对象的线框并提供新的对象位置。更新的线框的新的对象位置被提供给碰撞检测136，在步骤208中执行V-Collide/RAPID碰撞避免算法。如果确定碰撞将发生，则碰撞检测136给碰撞处理功能138提供适当的信号并且该过程进行到步骤210，在步骤210中碰撞处理功能138指示碰撞的系统控制器122。系统控制器122提供适当的控制信号给机架驱动控制器120以停止运动。
如果在步骤208中确定将不会发生碰撞，则该过程进行到步骤212并允许运动。在步骤222之后，该过程返回到步骤204，在步骤204中检测下一位置并重复该过程以估计可能的碰撞。
现在转到附图6和7，进一步理解用于添加碰撞避免分析的新对象的过程。在操作员选择将新的对象添加到成像套件400(附图6)中时，在附图7中的过程在步骤300开始。接着，在步骤302中，成像套件400的表示给操作员呈现在显示器110上。在步骤304中，操作员选择下一对象输入402以启动对象输入对话框。例如，使用字母数字或图形接口技术可以输入新对象404。对象的类型、它的尺寸和在成像套件内的位置可以由操作员提供。可替换地，添加框输入406可以产生插入在成像套件内的对象。在新对象输入之后，在步骤306中将新对象404显示在成像套件400中。在步骤308中，操作员使用代表性输入408、409、触摸屏或鼠标指令定位或修改框的尺寸。在步骤310中新对象的最后位置的坐标和属性被确定，并且该过程继续到步骤312，在步骤312中放置新对象并在模型阅读器130中进行处理。该过程在步骤314中结束。
虽然上文仅参考一个所示的实施例描述了本发明的特定特征，但是，对于任一给定的特定应用，可能是所需并且有利的是这些特征可以与其它实施例的一个或多个其它特征组合。
从上文对本发明的描述中，本领域熟练技术人员将会认识到改进、改变和修改。在本技术领域内的这样的改进、改变和修改意图被所附的权利要求所涵盖。例如，常规的旋转机架伽马照相机结构可应用本发明原理，以便在操作员检测器定位的过程中利用操作员控制避免在系统部件之间的碰撞。