CN105011954A - 血管机c型臂的控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开血管机C型臂的控制方法及其系统，该方法包括：A、接收用户控制血管机运动指令，获取当前血管机的C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值；B、根据预先定义的坐标系间的转换分别得到左前斜/右前斜轨迹方程和头位/足位轨迹方程，并利用所获取的当前角度值求出轨迹数据；C、控制C型臂旋转轴和C型臂角度调节轴根据所得出的轨迹数据依次运动并保持同步。本发明系统实现了ISO中心不在Pivot轴上的DSA血管机体位角度运动轨迹的精确计算，使DSA血管机的运动控制系统能够精确控制C型臂的按照左前斜/右前斜、头位/足位体位角度定义的轨迹运动，从而方便了图像采集以及医师操作。

Description

血管机C型臂的控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及X射线血管造影领域，尤其涉及一种血管机C型臂根据体位角度轨迹精确控制方法及其系统。

背景技术

如图1所示的为DSA血管机，其C型臂100两端分别设置探测器200和球管300，为实现对病灶照射中心(ISO中心)的多方位照射，C型臂100的运动往往是多个运动轴的复合运动，例如，C型臂整体可围绕机座旋转轴(Pivot轴)进行水平旋转，可通过C型臂旋转轴(Rotation轴)实现头位/足位角度调整，可通过C型臂调节轴(Angulation轴)实现左前斜/右前斜角度调整。DSA血管机在介入放射治疗等实际应用中，需要保证体位角度的精确控制，并且能够按照体位角度轨迹运动。

体位角度主要有几种状态的描述，主要包括对左前斜角度(LAO)、右前斜(RAO)角度、头位/足位角度(CAU)的定义，如图2-7所示。这里方位的定义是按照X射线探测器(或者影像增强器，图2-6中病人上方的部分)相对于病人的方位而定的，黑色箭头代表X线的方向，图2-4分别表示右前斜30°、标准位、左前斜40°；图5-7分别表示头位30°、标准位、足位20°。

由于现有DSA血管机的病灶照射中心(ISO中心)不在血管机座旋转轴(Pivot轴)上，其利用单轴运动或者其他两轴联动算法生成的体位角度轨迹均无法保证体位角度的准确性，更无法实现血管机C型臂运动过程中的精确控制。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种血管机C型臂的控制方法及其系统，旨在解决目前ISO中心不在Pivot轴上的DSA血管机体位角度运动轨迹不精确的问题。

本发明的技术方案如下：

一种血管机C型臂的控制方法，其中，所述方法包括以下步骤：

A、接收用户控制血管机运动指令，获取当前血管机的C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值；

B、根据预先定义的坐标系间的转换分别得到左前斜/右前斜轨迹方程和头位/足位轨迹方程，并利用所获取的当前C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值计算出左前斜/右前斜轨迹数据和头位/足位轨迹数据；

C、控制C型臂旋转轴和C型臂角度调节轴分别根据所述左前斜/右前斜轨迹数据和头位/足位轨迹数据依次运动并保持同步。

所述的血管机C型臂的控制方法，其中，所述预先定义的坐标系均符合右手定则，其包括：

坐标系A、表示为血管机主坐标系，所述坐标系A的y轴平行于导管床中线，z轴定义在机座旋转轴上；

坐标系B、表示为轨迹运动的主坐标系，所述坐标系B的原点设置在探测器和球管中心连线中心点上，其x、y、z轴分别平行于所述坐标系A的x、y、z轴；

坐标系C、表示为C臂的随动坐标系，所述坐标系C的原点设置在探测器和球管中心连线中心点上，球管到探测器为其z轴的方向，其x轴垂直于C型臂所在平面；

坐标系D、表示为轨迹运动的起始坐标系，所述坐标系D的原点设置在探测器和球管中心连线中心点上，其z轴方向与所述坐标系B的z轴方向相同；

坐标系E、由所述坐标系C绕其z轴旋转，并使坐标系C的y轴在坐标系C的z轴与坐标系B的y轴所成平面内形成。

所述的血管机C型臂的控制方法，其中，定义探测器和球管中心连线的中心点到探测器中心的向量为旋转向量。

所述的血管机C型臂的控制方法，其中，所述根据预先定义的坐标系间的转换分别得到左前斜/右前斜轨迹方程，并利用所获取的当前角度值计算出左前斜/右前斜轨迹数据具体为：

根据坐标系定义，利用所获取的当前血管机的C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值计算得到当前左前斜/右前斜的角度值和当前头位/足位的角度值；

计算得出左前斜/右前斜轨迹方程^dV₁＝R_y*R_x*^dZ₁，其中，所述^dV₁表示由坐标系C中变换到坐标系D中并利用所述当前左前斜/右前斜的角度值计算得出的已知向量，所述^dZ₁表示坐标系D中z轴方向的特定向量，Rx为定义的坐标系D的x轴旋转矩阵 $\mathrm{Rx}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(a\right)& -\sin \left(a\right)\\ 0& \sin \left(a\right)& \cos \left(a\right)\end{array}\right],$ Ry为定义的坐标系D的y轴旋转矩阵 $\mathrm{Ry}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(b\right)& 0& \sin \left(b\right)\\ 0& 1& 0\\ -\sin \left(b\right)& 0& \cos \left(b\right)\end{array}\right],$ a为C型臂调节角度值，b为C型臂旋转角度值；

保持当前头位/足位的角度值不变以及机座旋转角度值不变，根据左前斜/右前斜的角度值逐度递减或递增的原则利用所计算出的左前斜/右前斜轨迹方程逐一求解出与左前斜/右前斜的角度值对应的C型臂旋转角度值和C型臂调节角度值，形成左前斜/右前斜轨迹数据。

所述的血管机C型臂的控制方法，其中，所述^dV₁利用坐标系B中的旋转向量的旋转公式 $R_{\mathrm{lao}}^b{}_b=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{lao}\right)& 0& -\sin \left(\mathrm{lao}\right)\\ 0& 1& 0\\ \sin \left(\mathrm{lao}\right)& 0& \cos \left(\mathrm{lao}\right)\end{array}\right]$ 及当前左前斜/右前斜的角度值计算得出，其中，所述lao为当前左前斜/右前斜的角度值。

所述的血管机C型臂的控制方法，其中，所述根据预先定义的坐标系间的转换得到头位/足位轨迹方程，并利用所获取的当前角度值计算出头位/足位轨迹数据具体为：

根据坐标系定义，利用所获取的当前血管机的C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值计算得到当前左前斜/右前斜的角度值和当前头位/足位的角度值；

计算得出头位/足位轨迹方程^dV₂＝R_y*R_x*^dZ₂，其中，所述^dV₂表示由坐标系E中变换到坐标系D中并利用所述当前头位/足位的角度值计算得出的已知向量，所述^dZ₂表示坐标系D中z轴方向的特定向量，Rx为定义的坐标系D的x轴旋转矩阵 $\mathrm{Rx}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(a\right)& -\sin \left(a\right)\\ 0& \sin \left(a\right)& \cos \left(a\right)\end{array}\right],$ Ry为定义的坐标系D的y轴旋转矩阵 $\mathrm{Ry}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(b\right)& 0& \sin \left(b\right)\\ 0& 1& 0\\ -\sin \left(b\right)& 0& \cos \left(b\right)\end{array}\right],$ a为C型臂调节角度值，b为C型臂旋转角度值；

保持当前左前斜/右前斜的角度值不变以及机座旋转角度值不变，根据头位/足位的角度值逐度递减或递增的原则利用所计算出的头位/足位轨迹方程逐一求解出与头位/足位的角度值对应的C型臂旋转角度值和C型臂调节角度值，形成头位/足位轨迹数据。

所述的血管机C型臂的控制方法，其中，所述^dV₂利用坐标系E中的旋转向量的旋转公式 $R_{\mathrm{cau}}^t=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(\mathrm{cau}\right)& -\sin \left(\mathrm{cau}\right)\\ 0& \sin \left(\mathrm{cau}\right)& \cos \left(\mathrm{cau}\right)\end{array}\right]$ 及当前头位/足位的角度值计算得出，其中，所述cau为当前头位/足位的角度值。

所述的血管机C型臂的控制方法，其中，所述左前斜/右前斜轨迹数据和头位/足位轨迹数据为数据队列表的形式。

一种血管机控制系统，其中，所述系统包括：

初始角度值读取模块，用于接收用户控制血管机运动指令，获取当前血管机的C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值；

轨迹生成及运算模块，用于根据预先定义的坐标系间的转换分别得到左前斜/右前斜轨迹方程和头位/足位轨迹方程，并利用初始角度值读取模块所获取的当前角度值进一步计算得出左前斜/右前斜轨迹数据和头位/足位轨迹数据；

控制模块，用于控制C型臂旋转轴和C型臂角度调节轴根据所得出的左前斜/右前斜轨迹数据和头位/足位轨迹数据依次运动并保持同步。

所述的血管机控制系统，其中，所述系统中还设置有用于实时监测血管机运动状态的绝对编码器。

有益效果：本发明提供一种血管机C型臂根据体位角度轨迹精确控制方法及其系统。该系统实现了ISO中心不在Pivot轴上的DSA血管机体位角度运动轨迹的精确计算，使DSA血管机的运动控制系统能够精确控制C型臂的按照左前斜/右前斜、头位/足位体位角度定义的轨迹运动。在临床应用上，本发明所提供的方法能够保证无论C臂处于运动过程中还是静止状态，都能够精确地保证了体位角度的精确控制，从而方便了后续的图像采集以及医师操作。

附图说明

图1为DSA血管机结构示意图。

图2为DSA血管机右前斜30°的体位角度示意图。

图3为DSA血管机左前斜/右前斜轨迹标准位示意图。

图4为DSA血管机左前斜40°的体位角度示意图。

图5为DSA血管机头位30°的体位角度示意图。

图6为DSA血管机头位/足位轨迹标准位示意图。

图7为DSA血管机足位20°的体位角度示意图。

图8为本发明具体实施例中DSA血管机C型臂根据体位角度轨迹精确控制方法流程图。

图9为本发明具体实施例中左前斜/右前斜轨迹数据列表。

图10为本发明具体实施例中Matlab根据图9中轨迹数据模拟的左前斜/右前斜轨迹。

图11为本发明具体实施例中头位/足位轨迹数据列表。

图12为本发明具体实施例中Matlab根据图11中轨迹数据模拟的头位/足位轨迹。

图13为本发明具体实施例中DSA血管机C型臂根据体位角度轨迹精确控制系统原理框图。

图14为本发明具体实施例中DSA血管机C型臂根据体位角度轨迹精确控制系统的电气系统图。

图15为本发明具体实施例中采用模拟软件验证左前斜/右前斜轨迹的模拟图一。

图16为本发明具体实施例中采用模拟软件验证左前斜/右前斜轨迹的模拟图二。

图17为本发明具体实施例中采用模拟软件验证左前斜/右前斜轨迹的模拟图三。

图18为本发明具体实施例中利用如图14所示的电气系统上计算数据和控制器控制各轴进行LAO/RAO轨迹运动后各轴绝对编码器实际采集到的数据对比表。

图19为本发明具体实施例中采用模拟软件验证头位/足位轨迹的模拟图一。

图20为本发明具体实施例中采用模拟软件验证头位/足位轨迹的模拟图二。

图21为本发明具体实施例中采用模拟软件验证头位/足位轨迹的模拟图三。

图22为本发明具体实施例中利用如图14所示的电气系统上计算数据和控制器控制各轴进行头位/足位轨迹运动后各轴绝对编码器实际采集到的数据对比表。

图23为ISO中心设置在Pivot轴上的DSA血管机结构示意图。

具体实施方式

本发明提供血管机C型臂根据体位角度轨迹精确控制方法及其系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图8所示的一种血管机C型臂的控制方法，其中，所述方法包括以下步骤：

S100、接收用户控制血管机运动指令，获取当前血管机的C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值。

S200、根据预先定义的坐标系间的转换分别得到左前斜/右前斜轨迹方程和头位/足位轨迹方程，并利用所获取的当前C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值进一步计算得出左前斜/右前斜轨迹数据和头位/足位轨迹数据。

较佳的是，所述左前斜/右前斜轨迹数据和头位/足位轨迹数据均以数据队列表的形式输出。

为便于说明本发明的左前斜/右前斜轨迹和头位/足位轨迹如何得出，首先进行如下的坐标系定义和坐标系转换说明。

所述预先定义的坐标系是针对DSA血管机的运动特点建立，其中，所述预先定义的坐标系包括：

坐标系A、表示为血管机主坐标系，所述坐标系A的y轴平行于导管床中线，z轴就是机座旋转轴；

坐标系B、表示为轨迹运动的主坐标系，所述坐标系B的原点设置在所述探测器和球管中心连线中心点(即ISO中心)上，其x、y、z轴分别平行于所述坐标系A的x、y、z轴；

坐标系C、表示为C臂的随动坐标系，所述坐标系C的原点设置在探测器和球管中心连线中心点上，球管到探测器为其z轴的方向，其x轴垂直于C型臂所在平面；

坐标系D、表示为轨迹运动的起始坐标系，即假设C型臂运动前处于本坐标系状态。其是由所述坐标系B绕其z轴旋转一定角度得到(D是计算C型臂旋转角度值和C型臂调节角度值的坐标系)；

坐标系E、即为头位/足位(CAU)运动坐标系，由所述坐标系C绕其z轴旋转，并使坐标系C的y轴在坐标系C的z轴与坐标系B的y轴所成平面内形成。而CAU运动则可用向量绕本坐标系的x轴旋转来表示。

建立坐标系之前，定义探测器和球管中心连线的中心点到探测器中心的向量为旋转向量，即先假设Pivot轴已经转动了角度p0(任意值)，假设ISO中心到探测器中心的这段向量是我们要旋转的向量l，并规定所有坐标系方向符合右手定则，根据上述的坐标系定义，则体位角度在坐标系中有如下描述：

设：探测器中心为M，球管中心为N。则M、N连线中心点即为ISO中心，反映到坐标系A中则有：

左前斜/右前斜(LAO/RAO)角度为：直线MN在XOZ平面的投影与Z轴夹角。

头位/足位(CAU)角度为：直线MN与XOZ平面的夹角。

而左前斜/右前斜(LAO/RAO)轨迹定义为：保证头位/足位角度为当前角度不变，LAO/RAO角度逐刻度增大或者减小产生的轨迹。

头位/足位轨迹定义为：保证LAO/RAO角度为当前角度不变，头位/足位角度逐刻度增大或者减小产生的轨迹。

定义统一的各轴旋转矩阵：

$\mathrm{Rx}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(a\right)& -\sin \left(a\right)\\ 0& \sin \left(a\right)& \cos \left(a\right)\end{array}\right];$

$\mathrm{Ry}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(b\right)& 0& \sin \left(b\right)\\ 0& 1& 0\\ -\sin \left(b\right)& 0& \cos \left(b\right)\end{array}\right];$

$\mathrm{Rz}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(c\right)& -\sin \left(c\right)& 0\\ \sin \left(c\right)& \cos \left(c\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$

其中，Rx表示绕x轴旋转，旋转角为a；Ry表示绕y轴旋转，旋转角为b；Rz表示绕z轴旋转，旋转角为c。

若旋转之前点坐标为A(x0y0z0)，则经过旋转变换后A1点为：

A1(x1 y1 z0)＝Rz*Ry*Rx*A(*为矩阵乘法)

其可简便表示为表示把坐标系C中的坐标换算到坐标系B中。下标表示当前的坐标是，上标表示转换完成的坐标系。如果多个坐标系连续转换，可有即可以看作是前面的旋转矩阵的下标和后面的旋转矩阵的上标相约，得到新的旋转坐标矩阵。如果带入向量，可得：即把坐标系D中的一个向量折算到坐标系B中表示。

根据如上的定义和说明，所述步骤S200中根据预先定义的坐标系间的转换分别得到左前斜/右前斜轨迹方程，并利用所获取的当前角度值进一步计算得出左前斜/右前斜轨迹数据具体为：

首先，根据坐标系定义，利用所获取的当前DSA血管机的C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值计算得到当前左前斜/右前斜的角度值和当前头位/足位的角度值。血管机开机启动，读取起始位置参数，即读取当前C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值，根据上述的定义可直接计算出当前左前斜/右前斜的角度值和当前头位/足位的角度值。

其次，计算得出左前斜/右前斜轨迹方程^dV₁＝R_y*R_x*^dZ₁，其中，所述^dV₁表示由坐标系C中变换到坐标系D中，并利用所述当前左前斜/右前斜的角度值计算得出的已知向量，所述^dZ₁表示坐标系D中z轴方向的特定向量，Rx为定义的坐标系D的x轴旋转矩阵 $\mathrm{Rx}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(a\right)& -\sin \left(a\right)\\ 0& \sin \left(a\right)& \cos \left(a\right)\end{array}\right],$ Ry为定义的坐标系D的y轴旋转矩阵 $\mathrm{Ry}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(b\right)& 0& \sin \left(b\right)\\ 0& 1& 0\\ -\sin \left(b\right)& 0& \cos \left(b\right)\end{array}\right],$ a为C型臂调节角度值，b为C型臂旋转角度值。所述^dV₁是利用坐标系B中的向量旋转公式 $R_{\mathrm{lao}}^b{}_b=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{lao}\right)& 0& -\sin \left(\mathrm{lao}\right)\\ 0& 1& 0\\ \sin \left(\mathrm{lao}\right)& 0& \cos \left(\mathrm{lao}\right)\end{array}\right]$ 及当前左前斜/右前斜的角度值计算得出，其中，所述lao为当前左前斜/右前斜的角度值，坐标系B中的向量即为所定义的旋转向量(即向量l)。

实际上，代表LAO/RAO轨迹的方程^dV₁＝R_y*R_x*^dZ₁这样形成和求解的：

首先需要理解的是，C型臂做LAO/RAO轨迹，其需要保持头位(足位)角度不变，而根据上述的坐标系定义，即为向量l绕着坐标系B的y轴旋转。当LAO角度为lao时(即lao为当前左前斜/右前斜的角度值)，旋转公式为：

$R_{\mathrm{lao}}^b{}_b=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{lao}\right)& 0& -\sin \left(\mathrm{lao}\right)\\ 0& 1& 0\\ \sin \left(\mathrm{lao}\right)& 0& \cos \left(\mathrm{lao}\right)\end{array}\right];$

坐标系C中的向量转动了lao角度后在坐标系B中的表示为公式再把^bV表示到坐标系D中，形成如下公式通过该公式计算得到了向量^dV再计算出在坐标系D中，D的z轴分别绕x轴和y轴旋转多少角度得到^dV，即可得到左前斜/右前斜轨迹方程^dV＝Ry*Rx*^dZ。通过该方程可解出两个角度，分别是C型臂旋转角度值和C型臂调节角度值。

最后，保持当前头位/足位的角度值不变以及机座旋转角度值不变，根据左前斜/右前斜的角度值逐度递减或递增的原则利用所计算出的左前斜/右前斜轨迹方程逐一求解出与左前斜/右前斜的角度值对应的C型臂旋转角度值和C型臂调节角度值，形成左前斜/右前斜轨迹数据。

由于头位/足位的角度值和机座旋转角度值均保持不变，而前斜/右前斜的角度值逐度变化，则通过上述已知条件可求解出一系列的C型臂旋转角度值和C型臂调节角度值，利用上述步骤进行循环计算，至所有点得出，即完成了左前斜/右前斜轨迹的计算。

以图9的轨迹数据表为例，表中第一行为当前的系统状态：Angulation是30度、Rotation是60度、Pivot是-20度，即其起始位置是(30，60，-20)，则根据上述的体位角度定义，计算出LAO/RAO角度为50.943度、头位/足位角度为-46.5822度(实际操作时利用matlab计算得出)。而根据LAO/RAO轨迹的定义，保证头位/足位角度为-46.5822不变，使LAO/RAO角度从50.943度开始逐度变化：49.943度、48.943度、47.943度......。由此表中的后三列均得到确定，再根据所得到的左前斜/右前斜轨迹就能解出每一列的C型臂调节角度值(Angulation角度)和C型臂旋转角度值(Rotation角度)。图10为Matlab模拟图9所示轨迹数据表得出的LAO/RAO轨迹图示。

同理，所述步骤S200中根据预先定义的坐标系间的转换得到头位/足位轨迹方程，并利用所获取的当前角度值进一步计算得出头位/足位轨迹数据具体为：

首先，根据所获取的当前血管机的C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值计算得到当前左前斜/右前斜的角度值和当前头位/足位的角度值。该处起始位置及计算过程与左前斜/右前斜轨迹部分的相同。

其次，计算得出头位/足位轨迹方程^dV₂＝R_y*R_x*^dZ₂，其中，所述^dV₂表示坐标系E中向量变换到坐标系D中，并利用所述当前头位/足位的角度值计算得出的已知向量，所述^dZ₂表示坐标系D中z轴方向的特定向量，Rx为定义的坐标系D的x轴旋转矩阵 $\mathrm{Rx}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(a\right)& -\sin \left(a\right)\\ 0& \sin \left(a\right)& \cos \left(a\right)\end{array}\right],$ Ry为定义的坐标系D的y轴旋转矩阵 $\mathrm{Ry}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(b\right)& 0& \sin \left(b\right)\\ 0& 1& 0\\ -\sin \left(b\right)& 0& \cos \left(b\right)\end{array}\right],$ a为C型臂调节角度值，b为C型臂旋转角度值。所述^dV₂利用坐标系E中的向量旋转公式 $R_{\mathrm{cau}}^t=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(\mathrm{cau}\right)& -\sin \left(\mathrm{cau}\right)\\ 0& \sin \left(\mathrm{cau}\right)& \cos \left(\mathrm{cau}\right)\end{array}\right]$ 及当前头位/足位的角度值计算得出，其中，所述cau为当前头位/足位的角度值，坐标系E中的向量即为所定义的向量l。

实际上，代表头位/足位轨迹的方程^dV₂＝R_y*R_x*^dZ₂这样形成和求解的：

根据头位/足位轨迹及坐标系的定义可以发现，实现头位/足位轨迹的关键在于找到坐标系E，坐标系E的作用为使向量l绕着E的x轴旋转即为头位/足位轨迹运动。因此可这样理解坐标系E，坐标系E是把坐标系B绕y轴旋转，使z轴与向量在xoz平面的投影重合得到的。当然绕坐标系E的x轴运动也可以实现头位/足位轨迹运动。

根据如上解释，先求得坐标系C到坐标系E时，绕z轴旋转的角度theta。把坐标系B的y轴换算到C中。得到公式其中，向量^cV在坐标系C的xoy平面的投影与y轴夹角即为theta。

则tan theta＝^cV(x)/^cV(y)，那么坐标系C到坐标系E的旋转矩阵为其中c＝theta。

进一步地，坐标系E到坐标系D的旋转矩阵为，其中 $R=\mathrm{Ry}*\mathrm{Rx},R_t^d_d^c=R_{\′}^d{}_t.$

当头位/足位角度为cau时，坐标系E中的转换矩阵为

$R_{\mathrm{cau}}^t=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(\mathrm{cau}\right)& -\sin \left(\mathrm{cau}\right)\\ 0& \sin \left(\mathrm{cau}\right)& \cos \left(\mathrm{cau}\right)\end{array}\right];$

坐标系E中向量l做完一个角度的头位/足位轨迹运动后，在D中的表示为从而得到向量^dV，然后计算出在坐标系D中，D的z轴分别绕x轴和y轴旋转多少角度得到^dV，即得到头位/足位轨迹方程^dV＝Ry*Rx*^dZ通过该方程可解出两个角度，分别是C型臂旋转角度值和C型臂调节角度值。

最后，保持当前左前斜/右前斜的角度值不变以及机座旋转角度值不变，根据头位/足位的角度值逐度递减或递增的原则利用所计算出的头位/足位轨迹方程逐一求解出与头位/足位的角度值对应的C型臂旋转角度值和C型臂调节角度值，形成头位/足位轨迹数据。

由于LAO/RAO的角度值和机座旋转角度值均保持不变，而头位/足位的角度值逐度变化，则通过上述已知条件可求解出一系列的C型臂旋转角度值和C型臂调节角度值，利用上述步骤进行循环计算，至所有点得出，即完成了左前斜/右前斜轨迹的计算。

以图11的轨迹数据表为例，表中第一行为当前的系统状态，Angulation角度是30度、Rotation角度是60度、Pivot角度是-20度、即其起始位置是(30，60，-20)，则根据上述的体位角度定义，计算出LAO/RAO角度为50.943度、头位/足位角度为-46.5822度(实际操作时利用matlab计算得出)。而根据头位/足位轨迹的定义，保证LAO/RAO角度为50.943度不变，使头位/足位角度从-46.5822度开始逐度变化：-45.5822度、-44.5822度、-43.5822度......。因此表中的后三列均得到确定，再根据所得到的头位/足位轨迹方程就能解出每一列的C型臂调节角度值(Angulation角度)和C型臂旋转角度值(Rotation角度)。如图12为Matlab模拟图9所示轨迹数据表得出的LAO/RAO轨迹图示。

S300、控制C型臂旋转轴和C型臂角度调节轴根据所得出的左前斜/右前斜轨迹数据和头位/足位轨迹数据依次运动并保持同步。

如图13所示的一种血管机C型臂根据体位角度轨迹精确控制系统，其中，所述系统包括：

初始角度值读取模块100，用于接收用户控制血管机运动指令，获取当前血管机的C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值，具体如步骤S100所述。

轨迹生成及运算模块200，用于根据预先定义的坐标系间的转换分别得到左前斜/右前斜轨迹方程和头位/足位轨迹方程，并利用所获取的当前角度值进一步计算得出左前斜/右前斜轨迹数据和头位/足位轨迹数据，具体如步骤S200所述。

控制模块300，用于控制C型臂旋转轴和C型臂角度调节轴根据所得出的左前斜/右前斜轨迹数据和头位/足位轨迹数据依次运动并保持同步，具体如步骤S300所述。

所述轨迹生成及运算模块的最终输出的是如图9和图11所示的数据队列，在轨迹运动中Pivot轴不发生运动。LAO/RAO轨迹：保证头位/足位角度为角度不变，LAO/RAO角度逐刻度变化；头位/足位轨迹：保证LAO/RAO角度为角度不变，头位/足位角度逐刻度变化，在电气控制上即为使C型臂角度调节轴(Angulation轴)和C型臂旋转轴(Rotation轴)按照数据队列里中的数据依次运动并保持同步。

如图14所示，由于LAO/RAO轨迹及头位/足位轨迹的实现依赖于精确的位置控制，本发明的电气系统中C型臂旋转轴(Rotation轴)、C型臂调节轴(Angulation轴)、机座旋转轴(Pivot轴)三个轴的电机分别选用伺服电机10、伺服电机20和伺服电机30，并针对上述三个伺服电机分别设置伺服驱动器11、伺服驱动器21、伺服驱动器31。使系统实现位置控制模式。本发明的控制器40是ARM+FPGA结构的嵌入式系统。控制器40的运算单元根据当前的各轴的角度计算出LAO/RAO轨迹和头位/足位轨迹数据，并存入RAM中，轨迹数据可以是如图9和图11所示的前三列的数据队列，其中Pivot轴的角度是不变的。在系统需要走LAO/RAO轨迹或头位/足位轨迹时，控制器40的通讯单元按照顺序，依照一定的速率把RAM中的数据队列发给伺服驱动器11(即Angulation伺服驱动器)和伺服驱动器21(即Rotation伺服驱动器)，并保证两轴的电机伺服电机10和伺服电机20同步，从而实现C型臂血管机的精确体位角度轨迹运动。

同时本发明针对C型臂旋转轴(Rotation轴)、C型臂调节轴(Angulation轴)、机座旋转轴(Pivot轴)分别设置绝对编码器12、绝对编码器22、绝对编码器32。利用这些绝对编码器来检测当前各轴的真实角度，从而实现消除运动回差和对血管机运动状态实时检测的目的。

利用模拟软件验证本发明的C型臂根据体位角度轨迹精确控制方法，当起始点为Pivot＝-20度，Angulation＝0度，Rotation＝0度的RAO/LAO轨迹运动如图15-17所示，其中，图15为LAO/RAO为0度，头位/足位为0度时模拟软件模拟的C型臂血管机的状态图，图16为LAO/RAO为45度，头位/足位为0度时模拟软件模拟的C型臂血管机的状态，图17为LAO/RAO为135度，头位/足位为0度时模拟软件模拟的C型臂血管机的状态。从上述模拟状态图可以看出，C型臂能够按照本发明的RAO/LAO体位角度定义的轨迹实现精确控制。

如图18所示的是在DSA血管机的电气系统上(如图14所示)计算数据和控制器控制各轴进行LAO/RAO轨迹运动后各轴绝对编码器实际采集到的数据对比表。条件是Pivot为-20度，其中A为Angulation角度，R为Rotation角度，X为LAO/RAO角度，Y为头位/足位角度。从该表中可以看出，通过本发明的轨迹控制方法能够使实际数据比较好的逼近计算数据，并使实际体位角度误差在正负1度之内。

当起始点为Pivot＝-20度，Angulation＝0度，Rotation＝0度的头位/足位轨迹运动如图19-21所示，其中，图19为LAO/RAO为0度，头位/足位为0度时模拟软件模拟的C型臂血管机的状态图，图20为LAO/RAO为0度，头位/足位为-45度时模拟软件模拟的C型臂血管机的状态图，图21为LAO/RAO为0度，头位/足位为45度时模拟软件模拟的C型臂血管机的状态图。从上述模拟状态图可以看出，C型臂能够按照本发明的头位/足位体位角度定义的轨迹实现精确控制。

如图22所示的是在DSA血管机的电气系统上(如图14所示)计算数据和控制器控制各轴进行头位/足位轨迹运动后各轴绝对编码器实际采集到的数据对比表。条件是Pivot为-20度，其中A为Angulation角度，R为Rotation角度，X为LAO/RAO角度，Y为头位/足位角度。从该表中可以看出，通过本发明的轨迹控制方法能够使实际数据比较好的逼近计算数据，并使实际体位角度误差在正负1度之内。

本发明提供一种血管机C型臂根据体位角度轨迹精确控制方法及其系统。该系统实现了ISO中心不在Pivot轴上的DSA血管机体位角度运动轨迹的精确计算，使DSA血管机的运动控制系统能够精确控制C型臂的按照左前斜/右前斜、头位/足位体位角度定义的轨迹运动。虽然上述实施例采用ISO中心不在Pivot轴上的DSA血管机体进行说明，不过本发明的方法和系统也同样可以运用在如图23所示的ISO中心设置在Pivot轴上的DSA血管机体。在临床应用上，本发明所提供的方法能够保证无论C臂处于运动过程中还是静止状态，都能够精确地保证了体位角度的精确控制，从而方便了后续的图像采集以及医师操作。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种血管机C型臂的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A、接收用户控制血管机运动指令，获取当前血管机的C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值；

B、根据预先定义的坐标系间的转换分别得到左前斜/右前斜轨迹方程和头位/足位轨迹方程，并利用所获取的当前C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值计算出左前斜/右前斜轨迹数据和头位/足位轨迹数据；

C、控制C型臂旋转轴和C型臂角度调节轴分别根据所述左前斜/右前斜轨迹数据和头位/足位轨迹数据依次运动并保持同步。

2.根据权利要求1所述的血管机C型臂的控制方法，其特征在于，所述预先定义的坐标系均符合右手定则，其包括：

坐标系A、表示为血管机主坐标系，所述坐标系A的y轴平行于导管床中线，z轴定义在机座旋转轴上；

坐标系B、表示为轨迹运动的主坐标系，所述坐标系B的原点设置在探测器和球管中心连线中心点上，其x、y、z轴分别平行于所述坐标系A的x、y、z轴；

坐标系C、表示为C臂的随动坐标系，所述坐标系C的原点设置在探测器和球管中心连线中心点上，球管到探测器为其z轴的方向，其x轴垂直于C型臂所在平面；

坐标系D、表示为轨迹运动的起始坐标系，所述坐标系D的原点设置在探测器和球管中心连线中心点上，其z轴方向与所述坐标系B的z轴方向相同；

坐标系E、由所述坐标系C绕其z轴旋转，并使坐标系C的y轴在坐标系C的z轴与坐标系B的y轴所成平面内形成。

3.根据权利要求2所述的血管机C型臂的控制方法，其特征在于，定义探测器和球管中心连线的中心点到探测器中心的向量为旋转向量。

4.根据权利要求3所述的血管机C型臂的控制方法，其特征在于，所述根据预先定义的坐标系间的转换分别得到左前斜/右前斜轨迹方程，并利用所获取的当前角度值计算出左前斜/右前斜轨迹数据具体为：

根据坐标系定义，利用所获取的当前血管机的C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值计算得到当前左前斜/右前斜的角度值和当前头位/足位的角度值；

计算得出左前斜/右前斜轨迹方程^dV₁＝R_y*R_x*^dZ₁，其中，所述^dV₁表示由坐标系C中变换到坐标系D中并利用所述当前左前斜/右前斜的角度值计算得出的已知向量，所述^dZ₁表示坐标系D中z轴方向的特定向量，Rx为定义的坐标系D的x轴旋转矩阵 $\mathrm{Rx}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(a\right)& -\sin \left(a\right)\\ 0& \sin \left(a\right)& \cos \left(a\right)\end{array}\right],$ Ry为定义的坐标系D的y轴旋转矩阵 $\mathrm{Ry}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(b\right)& 0& \sin \left(b\right)\\ 0& 1& 0\\ -\sin \left(b\right)& 0& \cos \left(b\right)\end{array}\right],$ a为C型臂调节角度值，b为C型臂旋转角度值；

保持当前头位/足位的角度值不变以及机座旋转角度值不变，根据左前斜/右前斜的角度值逐度递减或递增的原则利用所计算出的左前斜/右前斜轨迹方程逐一求解出与左前斜/右前斜的角度值对应的C型臂旋转角度值和C型臂调节角度值，形成左前斜/右前斜轨迹数据。

5.根据权利要求4所述的血管机C型臂的控制方法，其特征在于，所述^dV₁利用坐标系B中的旋转向量的旋转公式 $R_{\mathrm{lao}}^b{}_b=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{lao}\right)& 0& -\sin \left(\mathrm{lao}\right)\\ 0& 1& 0\\ \sin \left(\mathrm{lao}\right)& 0& \cos \left(\mathrm{lao}\right)\end{array}\right]$ 及当前左前斜/右前斜的角度值计算得出，其中，所述lao为当前左前斜/右前斜的角度值。

6.根据权利要求3所述的血管机C型臂的控制方法，其特征在于，所述根据预先定义的坐标系间的转换得到头位/足位轨迹方程，并利用所获取的当前角度值计算出头位/足位轨迹数据具体为：

根据坐标系定义，利用所获取的当前血管机的C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值计算得到当前左前斜/右前斜的角度值和当前头位/足位的角度值；

计算得出头位/足位轨迹方程^dV₂＝R_y*R_x*^dZ₂，其中，所述^dV₂表示由坐标系E中变换到坐标系D中并利用所述当前头位/足位的角度值计算得出的已知向量，所述^dZ₂表示坐标系D中z轴方向的特定向量，Rx为定义的坐标系D的x轴旋转矩阵 $\mathrm{Rx}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(a\right)& -\sin \left(a\right)\\ 0& \sin \left(a\right)& \cos \left(a\right)\end{array}\right],$ Ry为定义的坐标系D的y轴旋转矩阵 $\mathrm{Ry}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(b\right)& 0& \sin \left(b\right)\\ 0& 1& 0\\ -\sin \left(b\right)& 0& \cos \left(b\right)\end{array}\right],$ a为C型臂调节角度值，b为C型臂旋转角度值；

保持当前左前斜/右前斜的角度值不变以及机座旋转角度值不变，根据头位/足位的角度值逐度递减或递增的原则利用所计算出的头位/足位轨迹方程逐一求解出与头位/足位的角度值对应的C型臂旋转角度值和C型臂调节角度值，形成头位/足位轨迹数据。

7.根据权利要求6所述的血管机C型臂的控制方法，其特征在于，所述^dV₂利用坐标系E中的旋转向量的旋转公式 $R_{\mathrm{cau}}^t=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left(\mathrm{cau}\right)& -\sin \left(\mathrm{cau}\right)\\ 0& \sin \left(\mathrm{cau}\right)& \cos \left(\mathrm{cau}\right)\end{array}\right]$ 及当前头位/足位的角度值计算得出，其中，所述cau为当前头位/足位的角度值。

8.根据权利要求1所述的血管机C型臂的控制方法，其特征在于，所述左前斜/右前斜轨迹数据和头位/足位轨迹数据为数据队列表的形式。

9.一种血管机控制系统，其特征在于，所述系统包括：

初始角度值读取模块，用于接收用户控制血管机运动指令，获取当前血管机的C型臂旋转角度值、C型臂调节角度值及机座旋转角度值；

轨迹生成及运算模块，用于根据预先定义的坐标系间的转换分别得到左前斜/右前斜轨迹方程和头位/足位轨迹方程，并利用初始角度值读取模块所获取的当前角度值进一步计算得出左前斜/右前斜轨迹数据和头位/足位轨迹数据；

控制模块，用于控制C型臂旋转轴和C型臂角度调节轴根据所得出的左前斜/右前斜轨迹数据和头位/足位轨迹数据依次运动并保持同步。

10.根据权利要求9所述的血管机控制系统，其特征在于，所述系统中还设置有用于实时监测血管机运动状态的绝对编码器。