具体实施方式

现在将参考附图更详细地描述特定实施例。在下面的描述中，即使在不同的附图中，针对相同的元件使用相同的附图标记。提供描述中定义的内容，诸如详细的构造和元件，以帮助全面理解示范性实施例。而且，众所周知的功能或结构没有被详细描述，因为它们会将以不必要的细节掩盖实施例。

图1示意性和示例性地示出了用于控制C型臂系统的系统的实施例，所述系统包括用于确定用于控制C型臂系统的控制协议的装置。系统100包括控制单元110，用于根据由装置120确定的控制协议控制C型臂系统140的C型臂144的运动。

该实施例的示例性C型臂系统140包括附接器件141，其可以可移动和/或可旋转地连接到天花板、或包括C型臂系统140的房间的墙壁或地板。此外，C型臂系统140包括通过滚转器件143和螺旋桨器件142附接到附接器件141的C型臂144。螺旋桨器件142允许围绕由螺旋桨器件142限定的C型臂144的螺旋桨轴线进行旋转运动148。在这里所示的优选的实施例中，螺旋桨器件142提供位于水平面内的螺旋桨轴。滚转器件143允许C型臂144围绕滚转轴线的滚转运动147。在所示的优选实施例中，滚转轴也位于水平面内并且垂直于螺旋桨轴。C型臂144还包括辐射源145和辐射探测器146，用于探测来自辐射源145的辐射，该辐射已经穿过躺在台面131上的对象，例如患者130。

控制单元110适于控制C型臂144的运动。特别地，控制单元110控制C型臂144相对于螺旋桨运动148和侧倾运动147的运动。此外，控制单元110适于控制C型臂系统140，使得辐射源145遵循由装置120提供的控制协议中定义的特定滚转角和螺旋桨角确定的位置的序列。在由控制协议提供的每个位置处，可以采集患者130的图像。当从C型臂144的非移动位置启动C型臂系统140时，控制单元110可以还适于控制C型臂144的运动，使得C型臂144缓慢地被加速并且如果达到了C型臂144的期望速度，则开始遵循控制协议提供的位置的序列。例如，控制单元110可以适于在开始C型臂144的运动时根据辐射源145的预定加速轨迹来控制C型臂144，而控制单元110然后可以适于控制C型臂144，使得加速轨迹被连接到控制协议提供的辐射源145的轨迹而不中断，使得加速轨迹和控制协议提供的轨迹导致C型臂的连续运动臂144。优选地，控制单元110控制C型臂系统140使得在已经遵循加速轨迹之后开始采集投影数据，即患者130的图像。

装置120适于确定针对C型臂系统140的控制协议。装置120包括倾斜平面提供单元121和控制协议确定单元122。倾斜平面提供单元121适于提供相对于垂直平面132倾斜的倾斜平面133。例如，倾斜平面提供单元可以被配置为从用户接收期望的倾斜平面133并提供接收到的倾斜平面133。优选地，倾斜平面提供单元接收倾斜平面133与垂直平面132之间的期望倾斜角以及期望倾斜方向，并且基于倾斜角和倾斜方向来提供倾斜平面133。替代地，倾斜角可以与正号或负号一起提供以指示倾斜平面的倾斜方向，其中，正负号与倾斜方向之间的关系可以基于预定约定。此外，倾斜平面提供单元121可以被配置为向用户提供多个可能的轨迹、多个固定倾斜角和/或多个固定倾斜平面，其中，倾斜平面提供单元121然后适于基于用户的选择来提供倾斜平面。

控制协议确定单元122适于通过确定滚转角的序列和螺旋桨角的序列来确定控制协议，使得所述辐射源145遵循以下轨迹：所述轨迹包括倾斜平面133中的圆形分量并且还允许C型臂系统140采集投影数据以用于断层摄影图像重建。例如，如果辐射源145的轨迹仅包括倾斜平面中的圆形分量，则控制协议确定单元122适于针对由螺旋桨器件142提供的每个螺旋桨角确定由滚转器件143提供的滚转角，使得辐射源145位于倾斜平面133内。在此处所示的实施例中，这对应于在倾斜平面133内向探测器146提供辐射的辐射源145。这样的轨迹的优点如图2所示。

在图2中，示出了患者130的断层摄影图像重建的图像切片200。在这种情况下，患者130的断层图像是通过使用C型臂系统(如C型臂系统140)的常规断层图像采集采集的，其中，没有定义倾斜平面133并且辐射源145的轨迹包括垂直平面132内的主圆形分量。这由框210的方向示意性地指示。在这种情况下，在区域211中示出的可以被视为高度衰减对象的患者牙齿的投影导致在图像重建期间例如在区域212中非常突出的图像伪影。特别地，图像伪影在区域212中非常突出，位于对患者的诊断感兴趣的图像重建的一部分内，例如，在经常使用断层摄影成像评估的大脑损伤的情况下患者的头。图2还示意性地示出了图像由辐射源145沿着位于倾斜平面133内的圆形分量采集的情况。在这种情况下，如框220示意性指示的，由辐射源145提供给探测器146的辐射遵循不导致患者头部感兴趣区域(像脑)内患者牙齿的图像伪影的路径。因此，提供倾斜平面133允许为由辐射源145提供的辐射选择路径，所述路径允许避免由于例如感兴趣区域中的高衰减对象而导致的图像伪影。

在下文中，将讨论一些示例性轨迹，其中，对于这些轨迹，假设台面131和对象处于头部位置，即台面131的纵轴平行于螺旋桨轴定向，使得螺旋桨轴基本上对应于穿过台面中间的线131。图3示出了关于螺旋桨轴线320的螺旋桨角和关于螺旋桨轴线310的滚转角的序列的示例性表示，当倾斜平面133由15°的倾斜角定义时，其限定了倾斜平面133中的辐射源145的轨迹。为了定义倾斜平面的方向，对于这种情况，进一步定义了当辐射源145在台面131下方时C型臂应该倾斜-15°。在该示例性情况下，辐射源145遵循仅包括倾斜平面133内的圆形分量的轨迹。为确保轨迹位于具有在朝向C型臂系统140的方向上倾斜的15°的倾斜角倾斜平面133内，当螺旋桨角为0°时，滚转角必须为-15°，当螺旋桨角为-90°或+90°时滚转角必须为0°，并且当螺旋桨角为-180°或+180°时滚转角必须为+15°。这由曲线图330示出。

例如，可以通过使用以下公式来确定如图330中所示的轨迹：

Roll(λ)＝Acos(2πfλ+φ) (1)

其中，Roll表示滚转角，λ在0到1的范围内并且指示螺旋桨角，A对应于提供的倾斜角度，f是轨迹的选定频率，并且φ对应于选定的相移。参数λ可以通过螺旋桨角范围的变换来确定。例如，如果螺旋桨角的范围从0°到360°，则对于λ，该范围可以线性变换到0到1的范围。频率f指的是空间频率并且指示在C型臂围绕螺旋桨轴的完整旋转期间C型臂围绕滚转轴的振荡次数。

例如，如果轨迹应该只包括倾斜平面中的圆形分量，f可以被选择为1并且φ可以被选择为0。在其他实施例中，参数f和φ可以用于实现轨迹的其他要求，例如，用于通过选择f大于1来引入非圆形分量或用于通过相应地选择φ来确定轨迹的起点和终点。另外，φ也可以用于确定在辐射源145的轨迹中的何处提供相对于台面131的位置的最大滚转角。此外，还可以在上述公式中引入其他条件。例如，提供对称轨迹通常是有利的，在该轨迹上应用条件

Roll(0)＝-Roll(1)。 (2)

该条件使得上述公式(1)为：

在利用该关系替换第一公式中的φ，得到满足对称轨迹的对称条件的滚转角公式。

为了允许C型臂系统140采集用于断层摄影图像重建的投影数据，必须采集患者130的视图的完整集合。例如，这可以通过从围绕螺旋桨轴超过180°的多个视图中采集投影数据来实现。因此，控制协议确定单元122可以适于根据图3中所示的曲线图330确定略大于180°的任何范围作为辐射源145的位置序列和相应的滚转角的序列和螺旋桨角的序列作为控制协议。例如，在一个实施例中，控制协议确定单元122可以确定曲线图330的-100°和+100°螺旋桨角之间的滚转角的序列和螺旋桨角的序列作为控制协议的部分。

在更高级的实施例中，辐射源145遵循的轨迹可以包括另外的非圆形分量。在这些情况下，控制协议确定单元122可以适于例如确定非圆形分量，使得C型臂系统140可以获得满足Tuy条件的投影数据。特别地，可以引入非圆形分量，其包括垂直于倾斜平面133的辐射源145的前后移动分量。此外，可以通过引入更多的轨迹分量来对轨迹进行啁啾，其中，啁啾对应于提供另外的轨迹分量，使得得到的分量包括随螺旋桨角变化的频率，例如，如在图4的曲线图420中所示。将关于图4更详细地解释这样的轨迹。曲线图410示出了在不提供倾斜平面133并且辐射源145遵循包括位于垂直平面132内的圆形分量的满足Tuy条件的轨迹的公知情况下的啁啾。轴440示出滚转角并且轴430显示当轨迹被啁啾时针对这样的轨迹的螺旋桨角。啁啾导致曲线图410中的轨迹具有从较低螺旋桨角处的较低频率到较高螺旋桨角处的较高频率的频移。

曲线图420示出了本发明的包括倾斜角为15°的倾斜平面133的情况的滚转角和螺旋桨角的序列。为了满足Tuy条件，辐射源145的轨迹包括额外的非圆形分量，所述分量包括围绕在-17°和+17°之间的滚转轴前后运动。在这种情况下选择添加前后运动分量，使得对于在-160°到-90°之间的螺旋桨角，倾斜平面133中圆形分量的前后运动和滚转运动几乎是相互抵消，使得仅提供针对这些螺旋桨角的小的滚转角。这导致轨迹的啁啾并且具有可以避免与台面131或患者130的部分碰撞的进一步优点。

相应地，曲线图420也是本发明的另一实施例的示例，其中装置120还包括图1中未示出的适于提供台面131的位置和取向的台面位置提供单元。在这样的实施例中，控制协议确定单元122适于进一步基于台面131的位置和取向来确定包括滚转角的序列和螺旋桨角的序列的控制协议。例如，当控制协议确定单元122适于考虑到台面131的位置和取向时，可以确定控制协议的滚转角的序列和螺旋桨角的序列，使得C型臂144的部分与台面131或患者130的部分之间的碰撞风险可以被最小化。例如，如果辐射源145的轨迹仅包括倾斜平面133中的圆形分量，则控制协议确定单元122可以适于根据图3中所示的曲线图330选择螺旋桨角的序列，使得辐射源145或探测器146位于穿过患者130或台面131的水平面内的螺旋桨角在辐射源145的轨迹中仅被提供一次。在此处示例性示出的实施例中，这将对应于选择包括大约90°的螺旋桨角仅一次的螺旋桨角的序列，其中，这样的序列可以是分别介于-60°到120°之间的螺旋桨角的序列。

如果将额外的非圆形分量引入辐射源145的轨迹中，例如，为了满足Tuy条件，则可以选择该额外的非圆形分量来操纵辐射源145的轨迹，使得碰撞风险C型臂144与台面131或患者130之间的距离被最小化。如上所述，这种实施例的示例在图4的曲线图420中给出。

例如，可以通过使用对应于公式(1)的扩展的以下公式来确定如图420中所示和上面讨论的啁啾轨迹：

其中，在该公式中，与公式(1)的参数对应的参数用相同的字符表示，并且k和m是控制轨迹的啁啾的参数。参数k和m可以与频率f一起使用，用于引入非圆形分量，例如，以满足Tuy条件。但是，也可以使用上述公式(4)将其他条件引入到轨迹中。例如，在一些实施例中，在λ＝1提供轨迹的最大值。特别地，该条件可用于采集满足Tuy条件的轨迹，因为这样的边界条件使得更难找到穿过辐射源145的轨迹的平面。如果在这种情况下m被选择为0，则此条件导致如下的相移：

将公式(4)中的φ利用这种关系替换，导致滚转角公式满足以下条件：该轨迹的最大值总是在λ＝1处提供，如上所述，其使得可以更容易地找到满足Tuy条件的轨迹。根据给定的示例，还可以选择轨迹的其他条件并将其引入公式(4)。需要说明的是，上述公式(1)和公式(4)仅用于描述上述实施例中定义的轨迹并确定相应的滚转角和螺旋桨角。或者，这些公式可以以修改的形式或其他数学描述使用，例如，像傅立叶级数这样的级数展开，可以用来描述轨迹并确定特定条件下相应的滚转角和螺旋桨角。

在下文中，参考图5所示的流程图来描述用于确定用于控制C型臂系统140的控制协议的方法500的实施例。在步骤510中，提供相对于垂直平面132倾斜的倾斜平面133。例如，可以参考用户的输入来提供倾斜平面133。在下一步骤520中，通过确定C型臂CT系统140的C型臂144的滚转角的序列和螺旋桨角的序列来确定控制协议，使得辐射源145遵循以下轨迹，所述轨迹包括倾斜平面133中的圆形分量并且允许C型臂系统140采集用于断层摄影图像重建的投影数据。

在许多应用中，锥形束C型臂系统的锥形束CT扫描用于在三个维度上可视化患者的软组织，例如，可视化患者头部中的卒中或肝脏中的肿瘤。目前，这种锥形束CT由辐射源的圆形轨迹制成，即在垂直平面中具有圆形轨迹。有了这样的轨迹，只能在旋转的平面内获得精确的重建。在旋转平面之外，即垂直平面，锥形束CT表现出的伪影比远离该平面的更强烈。这是由于没有满足Tuy条件。

可以通过轨迹的额外非圆形分量获得无伪影的断层图像。对于这样的轨迹，轨迹的封闭区域，即凸包，必须包围感兴趣的区域，从而满足Tuy条件。这样的轨迹可以通过C型臂系统来实现，例如通过双轴扫描，即通过在投影数据的采集期间提供螺旋桨角和滚转角的序列。在这样的双轴扫描中，即在投影数据的采集中，C型臂CT系统的C型臂根据包括螺旋桨角的序列和滚转角的序列的预定控制协议移动，C型臂在主旋转轴(例如螺旋桨旋转轴)和副旋转轴(例如滚转旋转轴)上同时移动。在这种情况下，系统必须以与圆形扫描相同的方式围绕主轴移动超过180°，同时在副旋转轴上前后移动。在神经成像的一个示例中，C型臂被定位为扫描患者的头部，主旋转轴由螺旋桨轴实现，并且副旋转轴由滚转轴实现。

根据本发明，提出了替代垂直平面132中的圆形扫描而通过倾斜C型臂来提供倾斜平面中的成角度扫描。例如，在有角度的头部CT扫描中，可以预期小脑中牙齿的伪影更少。此外，在该示例中，甲状腺(其为该区域中最敏感的器官)上的X射线剂量可以显著降低。

因此，本发明提出例如成角度的锥形束CT扫描。包括在相对于垂直平面倾斜的倾斜平面中的圆形分量的锥束CT扫描对于例如神经成像是有益的。对于大多数应用，10°到25°绝对角的倾斜平面的轻微角度预计就足够了。角度，即倾斜平面中的运动，可以由滚转运动提供，例如，在神经成像中，台面处于头部位置，即台面被定位成使得台面的纵轴是平行于螺旋桨轴。在这种情况下，由于滚转套筒，即滚转器件，物理连接到螺旋桨器件，并且在扫描期间，螺旋桨装置使C型臂移动超过180°，因此滚转角不应保持恒定以实现倾斜平面内的运动。相反，滚转角应该连续调整以提供倾斜平面中的运动。除了倾斜平面中的圆形分量之外，轨迹还可以包括其他分量，例如用于满足Tuy条件的运动分量。

对于纯圆形扫描，即仅包含倾斜平面中的圆形分量的扫描，在头部扫描情况下，即在螺旋桨位置低于-90°和高于+90度的情况下，角度(即倾斜)导致台面下方的正滚转角°。在这样的应用中，角度可能导致与台面和/或患者发生碰撞。对于肥胖患者或当患者偏离中心位置时，这种风险进一步增加。在本发明的一个实施例中，提出了在确定辐射源的轨迹时提供额外的措施以避免或降低碰撞风险。

例如，当确定滚转角的序列和螺旋桨角的序列时，控制协议确定单元可以考虑的轨迹的重要方面可以是相对于Tuy条件的完整性，为提高稳定性和可重复性的不同旋转轴的最小使用，辐射源(即X射线管)的平行于阳极旋转轴的中等或最小加速度以最小化管上的回转负载，最小化图像采集时间以避免运动伪影并且通过减少螺旋桨旋转方向上的角度范围来实现更高的空间分辨率，或增加旋转和加速度，和/或最小化碰撞风险。

特别地，在所提出的实施例中，控制协议确定单元可以适于最小化碰撞风险，例如，通过选择相对于台面或患者的位置的开始位置。例如，对称扫描，从-100°到+100°的螺旋桨角，在头部扫描中产生台面和患者肩膀的两个通道，而如果选择开放轨迹，即从-80°到+120°的螺旋桨角的轨迹，在头部扫描中只提供了台面和患者肩膀的一个通道，因此有足够的空间来定位患者，使得可以避免碰撞。此外，如果将非圆形分量(例如，满足Tuy条件的前后运动)添加到倾斜平面中的圆形分量中，则可以定义该非圆形分量，使得当C型臂经过患者的台面和/或肩部时辐射源的整体轨迹基本上为0°，以避免碰撞。对于传统的头部扫描，此条件适用于大约-90°或+90°。此外，如果提供非圆形分量，例如前后运动，以满足Tuy条件，则可以选择非圆形分量，使得辐射源轨迹的总滚转角在台面之下为负。在台面之下，负滚转角将传统头部扫描中的C型臂移动到自由空间，而正角将其移向台面和/或患者。例如，可以选择非圆形分量，使得台面之下的非圆形分量的负滚转角抵消或减小在倾斜平面中提供圆形分量可能需要的正滚转角。因此，可以避免或降低碰撞风险。

还提出了，对于特定应用，放宽上述用于确定控制协议的标准可能是可接受的，以支持其他建议，例如，提供平行于阳极旋转的轴的X射线管的中等/最小加速度的一个方面，例如，可以通过允许正弦频率的啁啾但满足所有其他约束并仅提供一个横向交叉来放宽。此外，当最小化螺旋桨角以最小化扫描时间时，可能违反Tuy条件。但是，在中等情况下，这是可以接受的，其中，示出导致伪影的体素可以在重建的体积中被屏蔽，而不是向用户显示。此外，根据患者的尺寸，可选择具有较低角度的轨迹，即倾斜平面的倾斜。例如，在对非常肥胖的患者进行头部扫描期间轨迹包括60°的螺旋桨角和大约10°的滚转角的一些应用中，这可能导致碰撞。在这种情况下，可以减少倾斜平面的倾斜以防止这种碰撞。

这样的轨迹可以使用经典的C型臂系统或C型臂系统来实现，所述系统允许使用两个机器人臂单独移动源和探测器。后者也将允许在采集期间源探测器距离的变化。为了实现更大的视野，还可以使用偏心探测器在两个不同的偏移的位置上对轨迹执行两次。

虽然在上述实施例中，C型臂系统是传统的C型臂系统，但在其他实施例中，C型臂系统也可以是如下C型臂系统，其中探测器和源可以使用两个机器人臂相互独立地移动。在这种情况下，螺旋桨和滚转角可以根据传统的C型臂系统来定义，例如，相对于辐射源与探测器之间的视线。

尽管在上述实施例中，台面被提供在头部位置，即在用于提供患者头部的断层摄影图像的典型位置，但在其他实施例中，台面可以以不同的方式定位和定向。例如，台面的取向可以垂直于上例中所示的方向。在这种情况下，控制协议确定单元适于确定滚转角的序列和螺旋桨角的序列，使得螺旋桨角提供在相应倾斜平面中移动辐射源所需的C型臂的倾斜并且滚转角提供了采集用于断层图像重建的投影数据所需的移动。此外，在其他实施例中，台面可以相对于C型臂系统任意定向和定位，并且控制协议确定单元适于考虑台面的位置和取向，使得提供辐射源的对应轨迹。

尽管在上述实施例中对象是患者，但在其他实施例中对象可以是动物或者甚至是无生命的对象，例如手提箱。因此，虽然在以上实施例中本发明是在医学应用的上下文中描述的，但是本发明也可以应用于其他上下文，例如，在边境控制的上下文中。

尽管在上述实施例中成像的感兴趣区域是患者的头部，但是在其他实施例中，可以对诸如心脏、肝脏或患者的任何其他器官的其他感兴趣区域进行成像。可以将关于患者头部描述的原理相应地应用于这些其他感兴趣区域。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。

单个单元或装置可以完成权利要求中列举的几项的功能。尽管特定措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

由一个或几个单元或设备执行的诸如生成倾斜平面或确定控制协议之类的过程可以由任何其他数量的单元或设备执行。例如，这些过程可以由单个设备执行。这些用于确定控制协议的装置的流程和/或控制可以作为计算机程序的程序代码单元和/或作为专用硬件来实现。

计算机程序可以存储/分布在适合的介质上，例如与其他硬件一起被提供或作为其他硬件的部分被提供的光学存储介质或固态介质，但是计算机程序也可以以其他形式分布，例如经由因特网或其他的有线或无线的电信系统分布。

本发明的各方面可以在计算机程序产品中实现，所述计算机程序产品可以是存储在计算机可读存储设备上的计算机程序指令的集合，所述计算机可读存储设备可以由计算机执行。本发明的指令可以是任何可解释的或可执行的代码机制，包括但不限于脚本，可解释的程序，动态链接库(DLL)或Java类。指令可以作为完整的可执行程序，部分可执行程序，作为对现有程序的修改(例如更新)或对现有程序的扩展(例如插件)来提供。而且，本发明的处理的部分可以分布在多个计算机或处理器上。

如上所述，计算机程序可以使处理器或控制器根据控制协议实施控制方法。处理器或控制器可以用软件和/或硬件以多种方式实现，以执行所需的各种功能。处理器是控制器的一个示例，其采用可以使用软件(例如，微代码)编程的一个或多个微处理器来执行所需的功能。然而，控制器可以在采用或不采用处理器的情况下实现，并且还可以被实现为用于执行一些功能的专用硬件与用于执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程的微处理器和相关联的电路)的组合。

可以在本公开的各种实施例中使用的控制器部件的范例包括但不限于，常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。

在各种实现方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联，诸如易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM。存储介质可以编码有一个或多个程序，所述程序当在一个或多个处理器和/或控制器上执行时执行所需的功能。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内，或者可以是可转移的，使得存储在其上的一个或多个程序可以加载到处理器或控制器中。

权利要求书中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。

本发明涉及一种用于确定用于控制包括辐射源的C型臂系统的控制协议的装置。所述控制协议包括滚转角的序列和螺旋桨角的序列。所述装置包括：倾斜平面提供单元，其用于提供相对于垂直平面倾斜的倾斜平面；以及控制协议确定单元，其用于通过确定所述滚转角的序列和所述螺旋桨角的序列来确定控制协议，使得辐射源遵循以下轨迹，所述轨迹包括所述倾斜平面中的圆形分量并且允许C型臂系统采集投影数据以进行断层摄影图像重建。所述装置允许以改进的质量采集计算机断层摄影图像，并减少辐射敏感区域中的辐射。

尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的。本发明不限于公开的实施例。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管特定措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。可以将计算机程序存储/分布在与其它硬件一起提供或者作为其它硬件的部分提供的诸如光存储介质或者固态介质的合适介质上，但是还可以以诸如经因特网或者其它有线或无线电信系统的其它形式分布。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。