醫用X 光機運動定位方法

初振東，魏清超

（1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032；2.華能遼寧清潔能源有限責任公司，沈陽110000）

1 引 言

醫用X 光機在實際工作時，需要對運動部件在運動軌跡上的位置進行準確定位，常用的運動部件有懸吊架、探測器、C 型臂、壓迫器、機架等。根據運動部件的空間位置信息，系統可以控制醫用X 光機完成各種擺位操作[1]。運動軸的位置定位精度直接影響醫用X 光機的擺位準確性，進而影響拍攝圖像的質量。

現有方案中，多采用電位計反饋的方式，對運動部件的位置進行定位。運動部件在其運動軌跡上運動時，通過機械結構，使得其對應的電位計阻值產生變化，數據采集模塊可根據電位計阻值情況，定位到運動部件在其運動軌跡上的實際位置。在醫用X 光機中，通過電位計反饋的方式進行位置定位時，主要有以下缺點：

1) 為了準確測量電位計的電阻值，需設計高精度的模擬處理和采集電路，而該部分電路的總體成本較高。

2) 運動部件在一個運動軌跡上運動時，必須對應一個電位計，當同一個運動部件可以多軸運動時，必須對應多個電位計，電位計數量的增加，導致安裝繁瑣，同時成本增加。

3) 運動部件運動時，如果其對應的電位計安裝不當，容易造成電位計偏心旋轉，使電位計損壞。

4) 電位計在首次安裝時，需要根據行程位置，將電位計阻值調整到大概范圍，調整不當，或者未經調整便進行運動操作，容易造成電位計超出額定范圍，進而損壞電位計。

5) 電位計一般有三個引腳，分別為阻值最大端、阻值最小端和中間抽頭端，而常用的激勵方式為，阻值最大端接至正電源，阻值最小端接至負電源，中間抽頭端接至數據采集模塊。實際操作過程中，容易接錯引線，導致部件運動至極限位置時，正負電源近似于短路，造成電路損壞。

通過加速度法可進行醫用X 光機運動定位。配合固定位置處的光電開關和運動軸的電機電流，以計算運動部件的實時位置[2]。加速度定位法比傳統的電位計定位法成本更低，且安裝簡單。當同一運動部件可以多軸運動時，通過一個多軸加速度傳感器，便可獲得位置定位結果，節省成本和安裝空間。

2 系統結構

提供的醫用X 光機的運動定位方法，通過高精度加速度傳感器，配合光電開關和運動軸的電機電流，即可完成運動軸的位置定位。系統的結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統結構框圖

通過加速度傳感器模塊實時測量運動部件在運動軌跡上的加速度值，在同一時刻，需要多次采集傳感器輸出的加速度值[3]，最后將得到的加速度值進行濾波處理，得到該時刻的真實加速度值。運動部件在運動過程中，其電機會有一定的電流輸出，該電流輸出被電機電流檢測模塊檢測到。主控器通過加速度傳感器模塊輸出的加速度值，和電機電流檢測模塊輸出的電流值，計算出各個時刻點的加速度值。根據得到的加速度值，便可計算各時刻點的速度值，進而計算時間間隔下的位移值，最后根據位移累加的原則，計算運動部件的實時位置[4]。

在部件運動軌跡的固定位置處，會安裝光電開關，光電開關的數量根據運動行程的長短，以及定位精度的需求確定。由于光電開關的安裝位置固定，故運動部件每次觸發光電開關時，主控器會重新記錄運動部件的位置，進而消除通過加速度計算位移而產生的累積誤差[5]。

為保證系統上電后可以記錄之前的位置信息，設計掉電檢測模塊和存儲模塊。主控器根據掉電檢測模塊的檢測結果，判斷系統是否斷電，如判斷結果為系統斷電，則通過存儲模塊保存當前的位置信息。

3 運動定位算法介紹

部件在實際運動過程中，存在由于機械安裝等原因造成的卡滯現象，運動卡滯會直接影響加速度傳感器的輸出加速度值，即卡滯時的傳感器輸出加速度值并不能真實反映部件的運動加速度[6]。運動卡滯時，電機電流會產生變化，根據測試好的比例系數和電機電流變化量，可計算運動部件的真實加速度。部件在實際運動過程中，可能是變加速運動，故為了提高計算精度，在Δt 時間間隔下，取起始加速度和終止加速度的平均值作為Δt 時間間隔下的平均加速度[7]。

加速度計算公式如下：

速度計算公式如下：

位移計算公式如下：

運動部件在運動過程中，如果沒有觸發固定位置處的光電開關，則其位置計算公式如下：

運動部件在運動過程中，如果觸發固定位置處的光電開關，則根據光電開關的位置，更新當前位置，此時，其位置計算公式如下：

此后，在此位置基礎上，再進行累計位移計算，進而消除積分運算的累計誤差，提高精度。

4 系統控制流程圖

系統控制流程如圖2 所示。

圖2 系統控制流程圖

初始化各模塊后，主控器會判斷是否有固定位置處的光電開關觸發，如果有固定位置處的光電開關觸發，則更新當前位置信息。如果沒有固定位置處的光電開關觸發，則獲取加速度傳感器輸出的加速度值，實際應用時，需要多次采集加速度值，并對采集到的加速度值進行濾波處理，以便得到相對準確的加速度值[8-9]。得到傳感器輸出的加速度值后，主控器會采集電機的電流值，并根據電機電流的變化量，計算部件運動的實際加速度值。根據加速度值，可以計算部件的運動速度和實際運動位移。

5 結 束 語

通過“加速度定位法”實現醫用X 光機的運動定位，通過加速度傳感器實時測量運動軸的加速度，通過濾波算法得到準確加速度，根據加速度與位移的關系，計算運動位移，為了保證測量精度，需選用合理的時間間隔進行積分運算。同時在運動行程的固定位置處，安裝光電開關，進而消除位移計算產生的累積誤差，并且，實時監控運動軸的電機電流，根據校正好的比例系數，在電機電流突變處，對運動的瞬態加速度進行補償，以提高測量精度。提出的“加速度定位法”比常用的“電位計定位法”成本更低，安裝更加簡單，具有較好的實用價值。