CN100415168C - 用于x射线成像的筒形台架定位装置 - Google Patents
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Abstract
这项发明揭示一种与移动型手推车、天花板、地板、墙壁或患者体检台连接的机器人控制的五个自由度的X射线筒形台架定位装置。该定位系统能附着到悬臂式O-形的或C-形的筒形台架上。定位系统能沿着三条正交的轴线X-Y-Z精确地平移附着的筒形台架而且能在保持筒形台架中心固定的同时围绕着X轴线和Y轴线确定筒形台架的取向(见图1)。定位装置分别提供筒形台架围绕着X轴线和Y轴线等角点的和非等角点的“倾斜”和“摇摆”旋转。等角点的“摇摆”旋转是两个平移和一个旋转的多轴组合。此外，比探测器提供的视场大的视场是通过多轴协同动作的附加组合在纯粹的AP(前/后)和横向的探测器位置提供的。每个轴都可以用手控制或用位置反馈机械化以允许储存筒形台架的位置变化。机械化的轴使筒形台架能够快速地和正确地返回预先设定的筒形台架位置和取向。用来扩大成像物体的视场的系统和方法把X射线源和探测器的旋转与筒形台架的多轴平移结合起来。
Description
相关的专利申请
这份申请要求在此通过引证将其全部教导并入的于2002年8月21日申请的美国专利临时申请第60/405,098号的利益。这份申请与在此通过引证将其全部教导并入的于2003年6月11日申请的美国专利申请第10/459,405号有关。
本发明的现有技术
医疗实践业已表明主要作为放射科的诊断工具三维成像的巨大价值。包括手术室、加护病房和急诊部门在内的其它诊疗领域依赖二维成像(荧光透视、超声波、二维移动型X射线)作为诊断和指导治疗的主要手段。这主要是由于操作传统的三维装置必不可少的成本、尺寸和专业技术。此外，放射性CT扫描器是为了以牺牲移动性为代价获取最高的图像质量而设计的。用于“非放射学部门”的能够在同一装置中完成2D和3D成像的真正实用的移动型成像的解决办法还没有开发。早期的尝试只是没有着手解决在满足预期的图像品质水平的时候要维持相当大的体积的真实需求。过去，已经有为着手解决这种需求推荐的两种类型的装置。一种类型的装置使用移动型的C-形悬臂而且使它围绕着解剖体自旋，例如，来自Siemens AGTM的Siremobil Iso-C3D系统。这些基于C-形悬臂的尝试有有限的视场，在程序上是繁琐的，而且对图像品质有固有的限度。
其它人已经尝试制作固定内径的移动型CT，例如，ButllerW.E.等人1998年在“A mobile CT Scanner with Intraoperative andICU Application(在手术进行中和加护病房应用的移动型CT扫描器)”中描述的装置，(http://neurosurgery.mgh.harvard.edu/mobileCT.htm)。然而，这些所谓的“移动型CT扫描器”是以提高传统的固定式CT扫描器的剂量水平为特色的，它们难以机动，而且它们在需要它们的时候不能完成2D成像。
一般地说，荧光透视C-形悬臂的尝试满足移动性和灵活性的标准，但是在图像品质和图像容积方面不足。“移动型CT扫描器”试图满足图像容积和品质的标准，但是无法解决可用性和成本的实际问题。此外，当今最高水平的CT扫描器不能以与移动型荧光透视系统相同的方式平移和倾斜。
用于“非放射学部门”也能够完成2D成像的3-D成像的真正可移动的实用的解决办法尚未出现。这主要是由于当前的X线断层扫描器实际上不能移动这一事实。无法以与移动型C-形悬臂相同的自由度移动CT扫描器已经阻碍了接受和使用移动型三维成像。这已经把三维计算机X线断层扫描成像的价值局限于主要作为放射科诊断工具的领域。
需要有供医院的手术室、加护病房、急诊室和其它部门；流动的外科手术中心；医师办公室和军事战场使用的真正可移动的能在多个自由度中平移和倾斜的并且能够完成二维和三维X射线成像的移动型CT扫描器。
本发明的概述
本发明一方面涉及用来使辐射成像系统的筒形台架相对于待成像的物体定位的方法和装置。在一个实施方案中，定位装置为筒形台架提供五个自由度，包括沿着三条正交的轴线(X-Y-Z)的平移动作和围绕着X-和Y-轴线的旋转动作。
用于辐射成像系统的五个自由度的筒形台架定位装置包括用来在第一方向相对于支撑结构平移筒形台架的第一线性定位器；用来在第二方向相对于支撑结构平移筒形台架的第二线性定位器，其中第二方向与第一方向是正交的；用来在第三方向上相对于支撑结构平移筒形台架的第三线性定位器，其中第三方向与第一和第二方向是正交的；用来使筒形台架相对于支撑结构围绕着第一轴线旋转的第一旋转定位器；以及用来使筒形台架相对于支撑结构围绕着第二轴线旋转的第二旋转定位器。控制系统促使定位装置把筒形台架移动到预先定义的位置和取向。预先定义的位置和取向可以是用户设定的，或可以是基于储存的定位数据设定的。优选的是，定位装置包括用来确定筒形台架在三维空间中的位置和/或取向的位置反馈机构。
筒形台架定位装置能把一端连结到诸如可移动的手推车、天花板、地板、墙壁或患者检查台之类的支撑结构上，而且能把另一端附着到诸如O-形的或C-形的筒形台架之类的筒形台架上，从而以悬臂方式支撑筒形台架。筒形台架定位装置可以用手工操作使筒形台架定位，或者可以用允许储存特定的筒形台架位置和取向的位置反馈实现机械化。该定位装置对于包括三维计算机X线断层扫描(CT)成像和二维X射线照相扫描在内的医学成像应用以及其它的医学、科学和工业应用是特别有利的。
在另一方面，筒形台架定位装置提供筒形台架分别围绕着X-轴线和Y-轴线的等角点的和非等角点的“倾斜式”和“摇摆式”旋转。等角点的“摇摆式”即Y轴线的旋转是借助筒形台架定位装置的平移和旋转的组合动作完成的。
更一般地说，本发明的成像系统包括筒形台架，它有为获得位于筒形台架里面的物体的图像可操作的辐射源和探测器；支撑结构；以及以悬臂方式把筒形台架固定到支撑结构上的筒形台架定位装置。定位装置是可操作的，以使筒形台架围绕着与筒形台架的等角点轴线平行但不在同一直线上的第一轴线旋转。本文中使用的筒形台架的等角点轴线是与筒形台架图像容积的中心(即，等角点)相交的轴线，例如，筒形台架的垂直轴线。控制系统促使筒形台架定位装置围绕着第一轴线旋转筒形台架和在第二和第三轴线上平移筒形台架，以便近似于筒形台架围绕着筒形台架的等角点轴线的旋转。
本发明进一步涉及使筒形台架围绕着等角点轴线旋转的方法，其中包括：使筒形台架围绕着与等角点轴线平行但不在同一直线上的轴线旋转；在第一方向把筒形台架平移第一距离；以及在第二方向把筒形台架平移第二距离，以便将筒形台架的等角点维持在固定位置。
在第三方面，本发明涉及用来增大辐射成像系统的视场的系统和方法。在一个实施方案中，比较大的视场是通过模拟当辐射源和探测器处在纯粹的前/后位置或纯粹的横向位置的时候筒形台架组件围绕辐射源焦点的旋转获得的。通过一个旋转和两个平移的多轴线组合，围绕焦点的旋转是可能的。通过把筒形台架组件移动到两个或三个筒形台架围绕焦点旋转的位置和把作为结果发生的数据用数字计算方法“缝合”在一起，能获得大视场图像。
在第四方面，本发明涉及用来扩大成像物体的视场的把辐射源和探测器在筒形台架里面的旋转和筒形台架的多轴平移合并的筒形台架成像系统和方法。筒形台架被平移以使探测器移动到更接近成像物体的位置，因此增大视场。优选的是，探测器被移动到与筒形台架里面的中心在待成像物体上而且包围待成像物体的“虚拟圆”相切。当辐射源和探测器通过筒形台架旋转的时候，筒形台架协调地平移，以致探测器保持与虚拟圆相切，类似于“呼拉圈”在人体躯干上的运动。
附图简要说明
本发明的上述的和其它的目的、特征和优点从下面关于在相似的参考字符在不同的视图中处处表示相同的零部件的附图中举例说明的本发明的优选实施方案的更具体的描述将变得明显。这些图画不必依比例绘制，而是强调举例说明本发明的原理。
图1是已把筒形台架定位装置安装到悬臂式O-形筒形台架和可移动的手推车上的X射线扫描系统的示意图；
图2展示五个自由度的筒形台架定位装置；
图3展示沿着X轴线平移筒形台架圈的筒形台架定位装置；
图4展示沿着Y轴线平移筒形台架圈的筒形台架定位装置；
图5A-5C展示沿着Z轴线平移筒形台架圈的筒形台架定位装置；
图6A-6C展示围绕着X轴线旋转筒形台架圈的筒形台架定位装置；
图7A-7C展示围绕着Y轴线旋转筒形台架圈的筒形台架定位装置；
图8A-8C举例说明围绕着Y轴线实现等角点的“摇摆式”旋转的方法；
图9举例说明围绕着X射线辐射源的焦点倾斜筒形台架以获得大视场前-后X射线图像的方法；
图10举例说明围绕着X射线辐射源的焦点倾斜筒形台架以获得大视场横向X射线图像的方法；
图11举例说明筒形台架定位装置中影响平移和旋转动作的定位阶段；
图12是五个自由度的筒形台架定位装置的分解示意图；
图13展示用于X轴线平移的定位装置；
图14展示用于Y轴线平移的定位装置；
图15展示用于Z轴线平移的定位装置；
图16展示用于围绕着某条轴线旋转动作的定位装置；
图17展示用筒形台架定位装置安装在地板上的悬臂式筒形台架圈；
图18展示用筒形台架定位装置安装在墙壁上的悬臂式筒形台架圈；
图19展示用筒形台架定位装置安装在天花板上的悬臂式筒形台架圈；
图20展示有筒形台架定位装置的成像系统，患者在筒形台架圈的中心；
图21展示为了增大探测器的视场筒形台架已垂直地平移的成像系统；
图22展示为了维持与围住患者的虚拟圆的相切关系探测器被旋转到45度位置而且筒形台架已平移的图21的系统；
图23展示探测器被旋转到90度位置的图21的系统；
图24展示探测器被旋转到135度位置的图21的系统；
图25展示探测器被旋转到180度位置的图21的系统；
图26展示探测器被旋转到225度位置的图21的系统；
图27展示探测器被旋转到270度位置的图21的系统；
图28展示探测器被旋转到315度位置的图21的系统；
图29展示用来获得大视场CT图像的“呼拉圈”数据收集矩阵。
本发明的详细描述
本发明的优选实施方案描述如下。
图1是依照本发明的一个实施方案展示X射线扫描系统10的示意图。X射线扫描系统10包括固定到可能是可移动的或静止的手推车、患者检查台、墙壁、地板或天花板的支撑结构上的筒形台架11。如图1所示，筒形台架11借助筒形台架定位装置20以悬臂方式固定在可移动的手推车12上。如同下面进一步详细描述的那样，筒形台架定位装置20能相对于支撑结构平移和/或倾斜筒形台架11以便按照许多成像位置和取向将筒形台架11定位。
图1中可移动的手推车12可以非必选地包括电源、X射线功率发生器、和用来控制X射线扫描装置的操作和实现图像处理、X射线图像储存或其它数据处理功能的计算机系统。在优选的实施方案中，计算机系统控制定位装置20使筒形台架11能够被很快地移动到用户定义的特定的位置和取向。计算机优选有能够储存与特定的筒形台架位置和/或取向有关的定位信息的存储器。这个储存的定位信息能用来在需要时把筒形台架自动地移动到预先定义的配置。
可移动的手推车12优选还包括诸如平板显示器之类用来显示X射线扫描器获得的图像的显示系统60。显示器也可以包括准许用户与扫描系统互动和控制扫描系统功能的用户界面功能，例如，触摸屏控制器。在特定的实施方案中，受用户控制的悬吊式按钮板或脚踏开关能控制扫描系统的功能。
人们将会理解一个或多个固定单元也能实现可移动的手推车12的任何功能。
依照一个方面，本发明的X射线扫描系统能用来获得物体(例如，患者)的二维平面图像或三维计算机X线断层扫描(CT)图像。在图1所示的实施方案中，筒形台架11通常是有把成像物体放在其中的中央孔口的圆形的或“O-形的”机架。人们将会理解，诸如“C-形”筒形台架之类各种不同的其它筒形台架配置也能被使用。在一个实施方案中，筒形台架11包括把X射线射束投射到筒形台架的中央孔口之中，经过成像物体到在筒形台架中位于对面的探测器阵列(例如，平板数字式探测器阵列)之上的X射线辐射源(例如，旋转阳极的脉冲X射线辐射源)。然后，探测器收到的X射线能被用来使用众所周知的技术产生物体的二维图像或三维图像。
X射线辐射源能够以连续的或步进的方式围绕着筒形台架11的内部空间旋转，以致X射线射束能在部份的或全部的360度旋转范围内以各种不同的角度穿过物体和共同的等角点投射。探测器阵列也围绕着筒形台架的内部空间与X射线辐射源的旋转协调地旋转，以致对于X射线辐射源的每个投射角，探测器阵列都在筒形台架上被定位在X射线辐射源对面。因此，该装置能够在部份的或全部的360度旋转范围内获得任何投射平面中的目标物体的高质量的X射线图像。
图2举例说明依照本发明的一个方面的五个自由度的筒形台架定位装置20。定位装置20能在一侧与筒形台架11连接，从而以悬臂方式把筒形台架固定到可移动的手推车12或其它的支撑结构上。在优选的实施方案中，定位装置20是受机器人控制的，而且准许筒形台架11在五个自由度中相对于支撑结构平移和旋转，包括沿着x-、y-和z-轴线平移动作和围绕着x-和y-轴线旋转动作。筒形台架定位装置20能用手控制，或者，在优选的实施方案中，它是能借助电机械移动到预期位置的机械化系统。计算机化的动作控制系统能附着到定位器的机械化部件上，而筒形台架的一个或多个考虑周全的位置和取向可以储存在计算机的存储器中。在扫描系统操作期间，预先定义的筒形台架位置和取向可以很容易地被快速找回。
筒形台架定位装置的各种不同的平移动作是在图3-5中举例说明的。图3是展示筒形台架定位装置20在X轴的方向把筒形台架平移距离dX的扫描系统的侧视图。图4是展示筒形台架定位装置20在Y轴的方向把筒形台架平移距离dY的扫描系统的侧视图。图5是展示筒形台架定位装置20在Z轴的方向把筒形台架从在中心位置左边的第一位置平移距离dZ到中心位置，然后向中心位置右边平移距离dZ到第三位置的扫描系统的俯视图。
图6和7依照本发明的一个方面举例说明筒形台架定位装置20的旋转动作。图6是展示筒形台架定位装置20使筒形台架围绕系统的X轴线旋转的扫描系统的正视图。这种“倾斜”旋转动作是等角点的，以致筒形台架的图像容积的中心在筒形台架围绕着X轴线旋转的时候保持固定。
图7是展示筒形台架定位装置20使筒形台架围绕着系统的Y轴旋转的扫描系统的俯视图。依照一个方面，定位装置20能够借助旋转动作和平移动作的组合实现真正的筒形台架围绕Y轴的等角点“摇摆”旋转。这是在图8A-8C中举例说明的。在这个实施方案中，筒形台架定位装置20在一侧这样与筒形台架连接，以致筒形台架13可以自由地围绕着旋转点800旋转。这个旋转动作是围绕着与筒形台架的Y轴线平行的轴线的。然而，因为这个旋转动作与筒形台架的Y轴线不在同一直线上，所以这个旋转动作导致筒形台架等角点801在XZ-平面中的平移。如图8A-C所示，使筒形台架旋转角度θ使筒形台架的等角点在Z轴方向平移距离dZ和在X轴方向平移dX。为了补偿这种平移动作并因此模拟真实的等角点的“摇摆”旋转，定位装置20平移筒形台架使之回到分别对准x-轴和z-轴的方向，如图6所示。如图8B所示，把等角点801带回它的初始位置必不可少的Z轴平移距离(dZ)是dZ＝R*tan(θ)，其中R是筒形台架的半径。如图8C所示，把等角点801带回它的初始位置必不可少的X轴线平移距离dX是dX＝R*[tan(θ)sin(θ)+cos(θ)-1]，其中R是筒形台架的半径。对于任何筒形台架旋转角(θ)，把等角点带回它的最初位置并因此模拟真实的Y轴旋转必不可少的z-轴和x-轴平移的距离可以是由能够自动控制定位装置20完成适当的平移校正的系统控制器确定的。
在此通过引证将其全部教导并入的于2003年3月18日申请的同样等待审批的美国专利申请第10/392,365号描述使用较小的探测器阵列实现较大的物体成像的系统和方法。这份申请描述在辐射成像系统中借助在实质上垂直于辐射束轨道的方向上相对于辐射源平移探测器阵列的探测器定位器获得“有效的”大视场。
依照一个方面，本发明的筒形台架定位装置20能够通过控制筒形台架相对于成像物体的平移和/或旋转动作获得大“有效的”大视场。如图5所示，例如，筒形台架定位装置20能够通过在Z轴的方向平移筒形台架11扩大成像系统轴向或纵向的视场。物体的三个二维平面图像或三维CT图像能按如下序列获得：筒形台架(并因此探测器)被平移距离dZ到中心左边时的第一图像，筒形台架和探测器在中心位置的第二图像，以及筒形台架和探测器被平移距离dZ到中心右边时的第三图像。然后，这三个继续获得的图像可以合并，或“缝合”在一起，产生轴向视场比使用单一的固定探测器可获得的视场宽的图像。这种技术有利地准许否则将在纵长方向(例如，人体脊柱)延伸到筒形台架视场外面的物体几乎同时成像。
图9举例说明通过围绕着辐射源13的焦点900旋转筒形台架获得物体的广角2D前/后图像的方法。当辐射源13在筒形台架的最高位置而探测器14在底部的时候，或者当探测器14在最高位置二辐射源13在底部的时候，即通常被称为前/后(AP)配置的时候，可以使用这种方法。定位装置20通过使筒形台架围绕着X轴线旋转，然后通过在Y轴线和Z轴线的方向平移筒形台架使焦点900回到它的最初位置校正焦点900在YZ平面中的平移动作来模拟围绕着辐射源焦点900的旋转。这种一个旋转动作和两个校正平移的技术类似于结合图7和8A-8C描述的Y轴“摇摆”旋转。如图9所示，这种模拟筒形台架围绕着辐射源13的焦点900旋转的技术使扫描器能够在不同的探测器位置连续地获得多重前/后图像，然后用数字计算方法把合成数据“缝合”在一起产生有效的大视场AP图像。
图10展示应用同样的技术获得有效的大视场2D横向物体图像。在这里，辐射源和探测器两者都在筒形台架的X轴线上(即，横向位置)。筒形台架定位装置围绕着Y轴线使筒形台架绕轴旋转，而且在XZ-平面中平移，以便模拟围绕着X射线焦点900的旋转。这使扫描器能够在不同的探测器位置连续地获得多重横向物体图像，然后用数字计算方法把合成数据“缝合”在一起产生有效的大视场横向图像。
这种获得有效的大2D物体图像的方法能推广到辐射源和探测器在筒形台架上彼此相对定位以致连接辐射源和探测器的直线垂直于筒形台架的旋转轴线的任何筒形台架定位装置和筒形台架的配置。这样，筒形台架定位装置能使筒形台架旋转和平移以近似围绕着辐射源焦点的旋转，并因此产生广角的2D物体图像。
现在翻到图11，五个自由度的筒形台架定位装置20被详细地显示。在举例说明的实施方案中，装置20包括三个线性定位装置，包括用于X轴平移的进/出定位器305、用于Y轴平移的垂直定位器307和用于Z轴平移的横向定位器309。装置20进一步包括两个旋转定位装置，包括用于X轴旋转的倾斜定位器311和用来影响Y轴旋转的摇摆定位器312。各种不同的定位装置被安装在垂直的安装托架313上。定位装置20的各个组成部分被展示在图12中的分解图中。如同在此举例说明的那样，摇摆定位器312在一端与进/出定位器305连接，而在另一端与垂直托架313连接。这准许进/出定位器305在X轴线方向平移定位装置的上面部分和筒形台架。摇摆定位器312能够使整个托架313以及筒形台架相对于进/出定位器和支撑结构围绕着垂直轴线旋转。托架313附着到垂直定位器307的一个部分上，而垂直定位器309的第二部分连同筒形台架一起在垂直方向上相对于托架和支撑结构是可移动的。垂直定位器309的可移动部分附着到横向定位器311的一个部分上，而横向定位器311的第二部分连同筒形台架一起在横向的方向上相对于托架和支撑结构是可移动的。最后，倾斜定位器311被固定到横向定位器311的可移动部分上，而倾斜定位器311把筒形台架安装到装置20上的部分使筒形台架相对于支撑结构围绕着X轴旋转。
现在翻到图13，用于X轴平移的进/出定位器305包括用来使悬臂式筒形台架圈朝向或远离支撑结构平移的机械化组件。进/出定位器包括顶板315，摇摆旋转定位器312是用螺栓固定在该顶板之上的(见图11)。顶板315借助与安装在附着到底板317上的导轨座320上的线性导轨321配对的块状体319可沿着底板317的长度移动。齿轮传动的伺服马达323借助马达座325刚性地安装在底板317上。球头螺杆组件327安装在底板317上，而且沿着底板317的长度平行于线性导轨321铺设。球头螺杆组件包括与球头螺杆螺帽配对的球头螺杆。螺帽被牢固地固定到顶板315上。马达323借助马达联轴节使球头螺杆按顺时针方向或反时针方向旋转。球头螺杆无论是按顺时针方向还是按反时针方向的旋转都使球头螺杆螺帽(并因此使顶板315)上下移动球头螺杆的长度。当它被伺服马达323沿着底板317的长度移置的时候，线性导轨和块状体操纵顶板。这样，悬臂式筒形台架组件能以受控方式朝向或远离诸如可移动的手推车、地板、墙壁、天花板或患者检查台之类的支撑结构平移。
图14展示用来相对于支撑结构垂直地平移悬臂式筒形台架的垂直定位器307。在图14所示的实施方案中，垂直定位器307是在结构和操作方面与进/出定位器305本质上同一的机械化组件。然而，垂直定位器307是垂直地定向的，以致块状体319能相对于底板317向上或向下平移。如图14所示，垂直定位器包括一组骑在安装在附着到底板317的一侧上的导轨座320上的线性导轨321上的块状体319。块状体319如同结合图13描述的那样相对于底板317被伺服马达323和球头螺杆组件327平移。在底板317的另一侧是第二组导轨座322。这些导轨座322被用来制导垂直定位器307相对于垂直安装托架313的上下移动，如图11所示。垂直定位器317的球头螺杆组件327的块状体319和螺帽被固定到安装托架313的后壁上。因此，当马达323和球头螺杆组件327相对于底板317线性地平移螺帽的时候，受块状体319制导的底板317相对于托架313垂直地上下移动。
图15展示用来相对于支撑结构在横向的方向平移悬臂式筒形台架的横向定位器309。在这个实施方案中，横向定位器309包括在横向的方向上这样定向以致块状体319能相对于底板317在Z轴方向上平移的机械化组件。如图15所示，横向定位器包括与一组骑在安装在导轨座320上的线性导轨321上的块状体319连接的托架板344。导轨座320刚性地附着在底板317的一侧。齿轮传动的伺服马达323和齿轮箱340也附着在底板317上。马达323的齿轮箱340被连接到有可沿着底板317的长度横向移动的皮带的皮带传动组件342。皮带被这样接到托架板344上，以致当皮带传动组件被马达和齿轮箱驱动的时候，受块状体319制导的托架板344相对于底板317在横向的方向上平移。如图12所示，横向定位器309的底板刚性地附着在垂直定位器307的底板上。因此，整个横向定位器309是随着进/出定位器305和垂直定位器307各自的动作进/出或垂直地上/下平移。横向定位器309的托架板能附着到筒形台架圈上以便相对于托架313和支撑结构左右横向平移圈。
图16展示用来使悬臂式筒形台架相对于支撑结构旋转的旋转定位器。一个这样的旋转定位器能作为用于筒形台架X轴旋转的倾斜定位器311使用，而第二个旋转定位器能作为用来影响筒形台架Y轴旋转的摇摆定位器312使用。轴承用内环335相对于直径大于内环的外环组件339旋转。外环339刚性地附着在接口板346上。内环335受齿轮传动的伺服马达347和齿轮箱348驱动而且相对于外环339是可旋转的。当旋转定位器作为X轴倾斜定位器311使用的时候，外环339被固定到横向定位器309的托架板344上，然后内环335可以被固定到筒形台架上，如图15所示，因此使筒形台架能相对于筒形台架定位器的其余部分和固定的支撑结构倾斜。当旋转定位器作为Y轴摇摆定位器312使用的时候，内环335被固定到进/出定位器305的顶板315上，而外环339被固定到垂直的安装托架313上，如图12所示，因此使筒形台架定位装置的上面部分和筒形台架本身能相对于进/出定位器305和支撑结构围绕着垂直轴线旋转。
依照一个方面，为了使筒形台架能够沿着每度平移或旋转动作精确地定位，组成筒形台架定位装置20的每个定位器组件305、307、309、311和312包括用来把位置反馈信息提供给其各自的伺服马达的机构。例如，参照图13，线性的编码磁带可以贴在线性导轨321上，而且读码磁头可以位于顶板315上以便读编码磁带和提供指示顶板315和底板317的相对位置的反馈数据。类似地，参照图16，旋转编码器能用来确定内环335和外环339的相对角位置。优选的是，位置反馈机构是绝对的位置编码器系统，以致在任何给定的时刻计算机化的动作控制系统都能精确地确定圈定位装置在所有的自由度中的平移和/或旋转位置，并因此能确定筒形台架在三维空间中的位置和取向。
现在翻到图17-19，展示悬臂式筒形台架11和筒形台架定位装置20的各种不同实施方案。在图17中，筒形台架定位装置20借助进/出定位器305的底板355安装在地板上。倾斜定位器311被安装在筒形台架11的一侧。筒形台架定位装置是可操作的以便相对于固定的房间平移和倾斜筒形台架11。
图18展示一侧安装在墙壁357上而另一侧安装在筒形台架11上因此允许悬臂式筒形台架相对于固定的房间平移和倾斜的筒形台架定位装置20。在图19中，筒形台架定位装置20一侧被固定到天花板359上，而另一侧被固定到筒形台架11上。圈定位装置20和筒形台架11可能以同样的方式安装到任何适当的支撑结构上，例如安装到放置正在接受检查的患者的台子上。
依照又一方面，本发明涉及把辐射源和探测器的旋转与筒形台架圈在两个正交的方向上的平移合并使待成像物体的视场达到最大值的辐射成像系统和方法。这种方法能使用X射线扫描系统和先前结合图1描述的筒形台架定位装置来实现。
图20-29举例说明这种用放大的视场获得三维CT物体重构的技术的一个实例。如图20所示，扫描系统包括放在筒形台架11里面的人类患者811。患者811被支撑在患者检查台813上，而且最初以筒形台架圈11的等角点为中心。筒形台架定位装置20在x-和y-方向被部份地延长，以致进/出定位器和垂直定位器近似地在它们各自的行程中心。X射线源13和探测器14在筒形台架里被旋转到0度位置，以致辐射源在筒形台架的上死点，而探测器在筒形台架的底部，直接在患者下面。
接下来，筒形台架定位装置20在Y轴方向上把筒形台架11垂直地向上平移，直到筒形台架的内孔直径与中心位于成像物体上而且有略大于物体和任何支撑结构(例如，台子813)的直径的虚拟圆815相切，如图21所示。通过移动成像物体使之更靠近探测器，统的视场被增大。一旦筒形台架如图所示被定位，X射线图就能被捕获到计算机存储器，而且被储存，以便查看或进一步处理。
为了获得3D CT图像，辐射源和探测器在筒形台架里面旋转以便获得来自各种不同的投射角的X射线数据。优选的是，在围绕着物体旋转扫描期间，系统维持筒形台架内孔圆和虚拟圆相切，以便维持探测器被增大的视场。这能通过与探测器的旋转相协调地控制筒形台架的平移动作得以完成，如图22-28所示。
例如，如图22所示，探测器14已经在筒形台架上从0度位置移动到45度位置。当探测器旋转的时候，筒形台架定位装置20把筒形台架在X轴的方向上平移第一距离并且在Y轴的方向上平移第二距离，以致筒形台架的内孔在探测器的位置保持与包围患者和支撑台的虚拟圆815相切。这个过程当探测器旋转到90度(图23)、135度(图24)、180度(图25)、225度(图26)、270度(图27)和315度(图28)的时候被重复。在探测器和辐射源的每个后来的旋转位置(或至少在每个获得X射线投射数据的位置)，筒形台架定位装置20都沿着x-和y-轴平移筒形台架以便维持探测器14与虚拟圆815的相切。当探测器已经旋转完整的360度并且回到0度角位置的时候，筒形台架平移回到图21所示的它的最初位置。因此，筒形台架11在XY平面中与探测器的旋转动作相协调地不断地移动，以便维持筒形台架在探测器位置与借助物体和支撑结构定义的虚拟圆相切。这种筒形台架相对于虚拟圆的多轴平移动作类似于“呼拉圈”围绕着人体躯干的运动。对于探测器的每次X射线曝光，辐射源和探测器的旋转角度和筒形台架的平移位置都被记录下来。然后，储存的筒形台架位置被输入CT算法，以产生三维物体重构。因为筒形台架的“呼拉圈”式平移，重建图像的视场大于用传统的等角点筒形台架扫描获得的图像。CT数据收集矩阵的子集展示在图29中。
在此描述的增加区域探测器的视场的筒形台架定位装置的使用拥有若干超过在辐射成像系统中用来改善视场的其它技术的优点。例如，通过平移整个筒形台架来移动探测器使之更靠近物体，视场能够在不减小筒形台架的内径和不必增加X射线锥形射束的发散度并因此增加射束的尾端效应的情况下增大。另外，本发明增大视场的方法很容易被快速地实现，而且不需要为了模拟宽的视场而增添多个探测器的费用或把辐射源移动到多个位置。本发明的方法也不需要或只需要一点点附加的数据收集时间，而且对于成像必须更安全地快速完成的应用(例如，注射造影剂的旋转血管整型术contrast injected rotational angioplastry)是特别有用的。
在此描述X射线成像系统和方法可以被有利地用于二维的和/或三维的X射线扫描。顺着筒形台架旋转来自设定角的个别的二维投射能被看到，或遍及部分的或全部的旋转收集的多重投射可以使用锥形或扇形的射束断层扫描重构技术重建。这项发明可能如同在通过引证在此将其全部教导并入的于2003年3月13日申请的共同拥有的美国专利申请第10/389,268号中描述的那样被用来以准同时的方式获得多平面的X射线图像。
本发明的探测器阵列包括二维平板固态探测器阵列。然而，人们将理解，各种不同的探测器和探测器阵列能被用于这项发明，包括在典型的诊断型扇形射束或锥形射束成像系统(例如，利用图像增强器技术的C-形臂荧光镜、或单切片的或多切片的CT扫描器、或可移动的和固定房间的荧光镜装置)中使用的任何探测器配置。优选的探测器是使用无定形硅闪烁器技术的二维薄膜晶体管X射线探测器。
在又一方面，O形的筒形台架可以包括至少部份地与筒形台架圈分离以便在筒形台架圈上提供允许待成像的物体沿径向方向进出筒形台架圈的中心成像区域的孔口或“断口”的区段。这种类型的装置的优点是有能力为了完成X射线成像操纵在目标物体(例如，患者)周围的X射线筒形台架，然后关闭物体周围的筒形台架，从而引起对物体最小的破坏。用于X射线成像的“可断开的”筒形台架装置的例子是在通过引证在此将全部教导其并入的于2002年12月12日申请的共同拥有的美国专利申请第10/319,407号中描述的。
在本发明的某些实施方案中，例如在筒形台架定位装置为了在多重探测器位置获得图像而平移和/或旋转筒形台架的场合，扫描系统可以是编程的，以便把在多重探测器位置获得的数据再次投射到单一虚拟的等直线的(equilinear)或等角的探测器阵列之上，例如，在通过引证在此将其全部教导并入的与本申请同时申请的以“Apparatus and Method for Reconstruction of VolumetricImages in Divergent Scanning Computed Tomography System(在发散扫描的计算机断层摄影系统中用于重构体积图像的装置和方法)”为题的共同悬而未决的美国专利申请(代理人的诉讼案件第3349.1005-001号)中描述的。
虽然在这里展示的实施方案包括五个自由度的筒形台架定位装置，但是人们将会理解，本发明的各种不同的其它实施方案存在，其中筒形台架定位装置在某些方向能够平移或倾斜，但是在其它方向不能。
尽管这项发明已参照其优选的实施方案被具体地展示和描述，但是熟悉这项技术的人将理解在形式和细节方面各种不同的改变可以在不脱离权利要求书所囊括的本发明的范围的情况下得以完成。例如，虽然在此展示和且描述的特定的实施方案一般地涉及X射线成像应用，但是人们将进一步理解，本发明的原理也可以拓展到其它的医学和非医学的成像应用，例如，包括磁共振成像(MRI)、正电子发射断层摄影(PET)、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)、超声波成像和照相成像。
另外，尽管在这里展示和描述的实施方案一般地涉及医学成像，但是人们将会理解本发明可以用于许多其它应用，包括工业应用，例如，材料的测试和分析、容器的检验和大物体的成像。
Claims (14)
1. 一种用于辐射成像系统的五个自由度的筒形台架定位装置，该筒形台架定位装置适合以悬臂方式把呈O-形的筒形台架圈连结到支撑结构上，其中包括：
用来相对于支撑结构在第一方向平移筒形台架的第一线性定位器；
用来相对于支撑结构在第二方向平移筒形台架的第二线性定位器，第二方向是与第一方向正交的；
用来相对于支撑结构在第三方向平移筒形台架的第三线性定位器，第三方向是与第一和第二方向正交的；
用来相对于支撑结构围绕着第一轴线旋转筒形台架的第一旋转定位器；以及
用来相对于支撑结构围绕着第二轴线旋转筒形台架的第二旋转定位器，第二轴线是与第一轴线正交的；
呈O-形的筒形台架圈适合相对于支撑结构围绕着第三轴线把x-射线源旋转360度，第三轴线是与第一和第二轴线正交的。
2. 根据权利要求1的筒形台架定位装置，进一步包括：
用来控制筒形台架的平移和旋转动作的控制系统。
3. 根据权利要求2的筒形台架定位装置，其中控制系统促使筒形台架定位装置把筒形台架移动到用户定义的位置和取向。
4. 根据权利要求2的筒形台架定位装置，其中控制系统基于储存的定位数据促使筒形台架定位装置到某个位置和取向。
5. 根据权利要求2的筒形台架定位装置，进一步包括用来相对于支撑结构确定筒形台架的位置的位置反馈机构。
6. 根据权利要求1的筒形台架定位装置，其中筒形台架进一步包括位于X-射线源对面用来探测投射的辐射的探测器。
7. 根据权利要求6的筒形台架定位装置，其中X-射线源和探测器可环绕筒形台架的内部空间旋转，以便在各种不同的投射角下获得物体图像。
8. 根据权利要求7的筒形台架定位装置，其中X-射线源和探测器是可操作的，以便获得物体的二维X射线图像。
9. 根据权利要求7的筒形台架定位装置，其中X-射线源和探测器是可操作的，以便获得物体的三维X射线图像。
10. 根据权利要求1的筒形台架定位装置，其中支撑结构至少包括墙壁、地板和天花板之一。
11. 根据权利要求1的筒形台架定位装置，其中支撑结构包括手推车。
12. 根据权利要求1的筒形台架定位装置，其中支撑结构包括用来支撑待成像物体的台子。
13. 根据权利要求1的筒形台架定位装置，其中支撑结构是可移动的。
14. 根据权利要求1的筒形台架定位装置，进一步包括用来安装线性定位器和旋转定位器的托架。
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