CN100571633C - X射线计算机断层摄影设备 - Google Patents
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Abstract
一种用简单的控制就能在很宽范围内调整台架旋转部分的旋转平衡的计算机断层摄影设备。计算机断层摄影设备(100)包括:旋转部分(130),其具有X射线管(102),旋转部分(130)具有用于检测来自X射线管的X射线的X射线探测器;至少两个质量块体(M1,M2),它们放置在该旋转部分上,可以在圆周方向上移动;驱动部分(72),其用于移动该至少两个质量块体;传感器(S),其用于测量该旋转部分的振动;以及控制器(137),其用于基于传感器的输出控制驱动部分来驱动上述质量块体。
Description
技术领域
本发明涉及一种X射线CT(计算机断层摄影)设备,其围绕作为要接受检查的受检者的患者辐射X射线,并且对获得的投影数据进行处理以生成该受检者的断层摄影图象,更具体地,涉及一种改善台架旋转部分平衡的X射线计算机断层摄影术。
背景技术
X射线计算机断层摄影设备包括位于台架旋转部分上的X射线管和多排X射线探测器。台架旋转部分的不平衡可能在该台架旋转部分旋转的过程中导致振动,这很大程度上影响了图象的质量。因此,在台架制造过程和组件(例如,X射线管或者多排X射线探测器)更换过程中对该台架旋转部分的旋转平衡进行调整。
需要该台架旋转部分以更高速度旋转以减少要接受检查的受检者的检查时间。作用在该台架旋转部分上的离心力与该台架旋转部分的旋转速度(角速度)的平方成比例。例如,如果台架旋转部分的旋转速度变为两倍,离心力就变为四倍。因此,为了将振动抑制到当前水平,需要使台架旋转部分的不平衡变为四分之一或者使台架旋转部分的刚性为当前台架旋转部分的四倍。
由于台架旋转部分刚性的增加使得该设备更大并增加其成本,优选的是使台架旋转部分的不平衡变小。例如,在美国专利No.6,550,317和美国专利No.6,748,806中描述的方法就被应用到调整台架旋转部分的旋转平衡的方法中。
专利文件1的发明是用于调整台架旋转部分静态旋转平衡的方法。然而,该专利文件1中揭示的方法要求重复布置小质量块体(mass body)(下文中可能称为质量块(mass)),这使得操作时间更长。此外,这种方法不能用于动态旋转平衡的变化。
专利文件2的发明是用于调整动态旋转平衡的方法,其中将至少两个块从台架旋转部分的中心向着半径方向移动。该发明解决了专利文件1的问题。然而,专利文件2中揭示的方法用两个块只能在小范围内调整旋转平衡。为了在大范围内调整旋转平衡,就需要三个或者更多的块,这同样需要复杂的控制。
发明内容
本发明提供一种使用简单的控制就能在很宽范围内调整台架旋转部分旋转平衡的X射线计算机断层摄影设备。
该X射线计算机断层摄影设备的第一方面包括:旋转部分,其具有X射线管和用于检测来自X射线管的X射线的X射线探测器;至少两个质量块体,其设置在旋转部分,并可以在圆周方向上移动;驱动部分,用于移动至少两个质量块体;传感器,用于测量该旋转部分的振动;以及控制器,用于基于该传感器的输出控制该驱动部分以移动至少两个质量块体。
根据该结构,可以移动质量块体从而使质心的偏心度变小。在美国专利No.6,748,806中,上述质量块体从台架旋转部分中心向着半径方向移动。将质量块体向着半径方向移动特定距离的情况与质量块体在圆周方向上移动特定距离的情况相比,在布置在相同半径处的情况下,质量块体在圆周方向上移动的情况能够使质心的偏心度达到1.41倍。这意味着,较小的质量块体也能够使得质心偏心。
根据该X射线计算机断层摄影设备的第二方面,质量块体在圆周方向上移动的半径是第一半径和与第一半径不同的第二半径。
在每个具有不同半径的第一半径和第二半径上分别设置质量块体,以便在精细调整的情况下,移动位于较小半径处的质量块体,而在粗调整的情况下,移动位于较大半径处的质量块体。从而,能够容易地执行精细调整和粗调整。
根据该X射线计算机断层摄影设备的第三方面,当X射线管和/或X射线探测器安装到旋转部分上时,就确定了至少两个质量块体的基础位置。
当X射线管或者其它组件安装到旋转部分上时,就通过计算X射线管或其它组件的重量来确定质量块体的基础位置,从而使得质心靠近旋转中心。此后,使旋转部分旋转并用传感器测量该旋转部分的振动。因此,旋转部分不会共振从而该X射线计算机断层摄影设备不会损坏。
根据该控制器的第四方面,当基于传感器的输出确定该旋转部分处于机械共振状况时,将质量块体移动预定的距离而不需要计算质量块体的行进量。
旋转部分持续的共振使得有可能对包括该旋转部分的X射线计算机断层摄影设备造成损坏的可能性增大。因此,为了迅速地脱离共振,只要一确定发生了共振就迅速将质量块体移动预定的距离而不需要计算块体的行进量。因此,该旋转部分不会共振从而该X射线计算机断层摄影设备不会损坏。
根据该控制器的第五方面,基于传感器的输出计算质量块体的行进量,并由驱动部分将质量块体移动所计算的行进量。
当将质量块体移动所计算的行进量时,使得质心的偏心接近旋转中心,这是在可允许的范围内的。因此,尽管旋转速度变得更快,振动仍保持较低。
该X射线计算机断层摄影设备的第六方面包括用于支撑旋转部分的两个支撑物。传感器包括用于检测第一方向上的振动的第一传感器和用于检测垂直于该第一方向的第二方向上的振动的第二传感器。该第一传感器和第二传感器分别设置在两个支撑物上。
对振动检测的不同很大程度上依赖于用于测量旋转部分振动的传感器的布置。在该方面,该第一传感器附连到一个支撑物上以检测在第一方向上的振动,同时该第二传感器附连到另一个支撑物上以检测在第二方向上的振动。因此,可以容易地计算出质心的偏心度。
根据该X射线计算机断层摄影设备的第七方面,质量块体作为线性电机装备的可移动件相对于定子移动。
该线性电机装备在响应方面很优秀,并且组成可移动块体的永磁体或者线圈可以用作所述质量块体。因此,所述质量块体适于减小质心的偏心度。
根据该X射线计算机断层摄影设备的第八方面,至少质量两个块体具有不同的重量。
质量块体的重量不同,从而在精细调整的情况下,移动较轻的质量块,而在粗调整的情况下,移动较重的质量块。从而,能够容易地执行精细调整和粗调整。
本发明的X射线计算机断层摄影设备的优点为:通过在圆周方向上移动质量块就能在宽范围内调整旋转平衡,使用简单的控制就能使质心的偏心度减小。特别是,使质量块体在圆周方向上移动的半径和多个质量块体的重量不同,从而能够容易地执行精细调整和粗调整。
附图说明
本发明的上述方面、其它优点和更多的特征将从参考附图对下列说明性的、非限定性的实施方式的描述中变得更加明了,其中:
图1是示出X射线CT设备100的结构的方框图。
图2是台架101内部的放大截面图。
图3是在X-Y平面中示出X射线CT设备100的台架旋转部分130的第一实施方式的示意图。
图4是示出调整台架旋转部分130的旋转平衡的方法的说明图。
图5示出平衡调整操作概要的流程。
图6是在X-Y平面中示出X射线CT设备100的台架旋转部分130的第二实施方式的示意图。
图7是在X-Y平面中示出X射线CT设备100的台架旋转部分130的第三实施方式的示意图。
具体实施方式
<X射线CT设备的一般布置>
图1是示出X射线CT设备100的一般布置的透视图。该设备通常包括托架111,受检者的身体躺在其上;台架101,向受检者的身体辐射X射线并采集透射穿过该受检者身体的X射线;以及操作控制台50,适于根据从台架101发送的数据显示X射线照相图象。
台架101可通信地与CT控制单元140和各种后面将要描述的其它装置耦接,并配置成在CT控制单元140的控制下操作。
在台架101内部设有:X射线管102,用于产生X射线;X射线管控制器103,其与X射线管102相连接;准直器120,具有用于限制X射线辐照范围的开口;开口控制电机121,用于调节准直器120的开口(狭缝或孔)的尺寸;以及用于驱动开口控制电机121的开口控制电机驱动器122。穿过准直器120的X射线形成沿台架101旋转方向并在X射线辐照范围限制内的X射线锥形束(称作“锥束”)。由托架电机112向身体的轴向,也就是Z轴方向,移动卧位躺在托架111上的受检者的身体。该托架电机112由托架电机驱动器113驱动。
在台架101内部还设有多排X射线探测单元104,其包括多排探测通道,每个通道都具有多个探测器。每个探测器的长度取决于扇形角(通常是60°左右)。探测通道在沿Z轴方向的方向(元件方向)上布置。多排X射线探测单元104是,例如,由组合使用的闪烁体和光电二极管构成的。
台架101包括至少一个数据采集单元或者DAS(代表数据采集系统)105,其从探测通道的输出采集投影数据。数据采集单元105的数量可以是一个或者多个(例如,四个,八个,十六个或者三十二个),并且每个数据采集单元105都与X射线探测单元104连接。例如,包括四个数据采集单元105的台架101,通常被称为“4DAS”,包括在元件方向上布置成四排的探测通道,并能在X射线管102的一个旋转周期中获得四个切片图象。X射线管102和X射线探测单元104设置在台架101中相对的位置处,从而在X射线管102和X射线探测单元104之间留出用于容纳受检者身体的中空空间。
X射线管102和X射线探测单元104附连到台架旋转部分130上,从而X射线管102和X射线探测单元104围绕受检者身体旋转的同时保持相对于彼此的相对位置。台架旋转电机131和台架旋转电机驱动器132与台架旋转部分130连接,并且台架旋转部分130由台架旋转电机驱动器132来调节以在大约0.3秒到大约1.0秒旋转一次。传感器S附连到围绕台架旋转部分130的区域,它们检测台架旋转部分130的振动。致动器M设置在台架旋转部分130中,并由致动器控制器137启动。
CT控制单元140可通信地连接到操作控制台50。响应于来自操作控制台50的指令,各种控制信号被发送到X射线管控制器103、托架电机驱动器113、开口控制电机驱动器122、旋转电机驱动器132、致动器控制器137和DAS105。由数据采集单元135采集的数据发送到操作控制台50,在该操作控制台中重建图象并显示横截面图象。
X射线CT设备100提供操作模式的用户可选择选项:全扫描式,其中从360°的投影数据重建图象,以及半扫描式,其中从180°加一个单位扇角的投影数据重建图象。
操作控制台50通常具体表现为工作站,如图1所示,其主要包括存储引导程序等的ROM 52,用作主存储器的RAM 53和执行控制整个设备的指令的CPU54。
在操作控制台50中提供硬盘驱动或者HDD 51,不仅用于存储操作系统,也用于存储给台架101提供各种指令和用于根据从台架101接收的数据重建和显示X射线横截面图象的图象处理程序。VRAM 55是在其中展开(deploy)要显示的图象数据的存储器,也就是,图象数据等能够在VRMM 55中展开并从而在监视器56中显示。操作者使用键盘57和鼠标58来执行各种操作和处理。
<台架101内部的结构>
图2是台架101内部的放大截面图。在放置于地板上的基座81上设有旋转球82。在旋转球82上设有待前后(fore and aft)倾斜的子基座83。在台架101中设有旋转电机131(参见图1),并且台架旋转部分130可以在轴承90上旋转。将旋转电机131的旋转通过图中没有示出的皮带传送到台架旋转部分130,由此台架旋转部分130旋转。台架旋转部分130包括:轨道(rail)72,其是线性电机装备的定子;自动推进的计数器负载(counter load)M(如图3所示),其是作为质量块体的线性电机装备的可移动件;X射线管102;准直器120以及其中的X射线探测单元104。
台架旋转部分130进一步具有附连到其上的滑环135,该滑环用作旋转电极。滑环135是环形的电导体,其中共中心地固定多个环,其中每个环具有不同的直径。由于用作静止电极的片簧(其为电导体)的弹性,滑环135受压以与片簧的刷子相接触。因此,给线性电机装备、X射线管102、开口控制电机121或者包括在台架旋转部分130中的其它组件供电。此外,将来自X射线探测单元104的X射线探测信号经过滑环135传送到CT控制单元140。
<台架旋转部分130的平衡调整>
《第一实施方式》
图3是在X-Y平面示出X射线CT设备100的台架旋转部分130的第一实施方式的示意图。图3中没有示出X射线管102和其它组件。具有半径r1且其中心为台架旋转部分130旋转中心O的圆环形轨道72附连到台架旋转部分130。自动推进计数器负载M1、M2、M3、M4沿环形轨道72附连。
环形轨道72和自动推进计数器负载M1-M4构成线性电机装备。多个能随着电流在N极和S极之间切换的线圈沿着环形轨道72的圆周设置,也就是,环形轨道72是线性电机装备的定子。对于自动推进计数器负载M1-M4,N极朝向线圈的永磁体和S极朝向线圈的永磁体交替设置,也就是,自动推进计数器负载M1-M4是线性电机装备的可移动部分。然后,切换线圈的电流产生磁场(N极和S极),从而由于自动推进计数器负载M1-M4的永磁体的磁推斥和磁吸引使自动推进计数器负载M1-M4以预定的速度在预定的方向上移动。不需要对自动推进计数器负载M1-M4提供上述块,而仅需要永磁体的自重。
N极朝向自动推进计数器负载M1-M4的永磁体和S极朝向自动推进计数器负载M1-M4的永磁体可以在环形轨道72上交替放置,并且多个能够在N极和S极之间切换的线圈可以设置到自动推进计数器负载M1-M4。在这种情况下,向线圈供电的布线变得复杂。不需要对自动推进计数器负载M1-M4提供重量,而仅需要线圈的自重。
都用于检测台架旋转部分130的振动的加速度传感器S1和加速度传感器S2安装到支撑台架旋转部分130的支撑物139上。加速度传感器S1检测例如在X轴方向上的位移,而加速度传感器S2检测例如在Y轴方向上的位移。静态或者回转传感器(gyro sensor)可以用于加速度传感器S1或S2。加速度传感器可以由位移传感器替换,例如非接触类型的位移计,如激光位移计,或者由用于测量膨胀和收缩的形变传感器替换。
图4是示出调整台架旋转部分130的旋转平衡的方法的说明图。如图4所示,首先,将自动推进计数器负载M3和M4移动到关于旋转中心O与X射线管对称的位置。这是因为,通常由于特别重的重量作用在X射线管102和准直器120放置的部分上,台架旋转部分130的质心向着X射线管102偏心。另外,自动推进计数器负载M1和M2分别布置在距X射线管102的位置+90度的位置和距X射线管102的位置-90度的位置。在图4中,根据该设计,当将自动推进负载M3和M4移动到关于旋转中心O与X射线管对称的位置时,由于X射线管102和准直器120造成的质心的偏心得到校正。如果在设计中能获得质心偏离旋转中心O的方向和距离,可以根据该设计移动自动推进计数器负载M1-M4。
加速度传感器S1检测X轴方向的加速度,而加速度传感器S2检测Y轴方向的加速度。然后,获得下列方程式:
Acc(S1)=K1*e*ω2*cos(α0+θ)
Acc(S2)=K2*e*ω2*sin(α0+θ)
θ=ω*t
其中,K1和K2是小于1的传递系数(transfer coefficient),其为未知值且其是由旋转件、倾斜件、轴承等的重量比来决定的。
e是从旋转中心O到质心CM的距离,其是未知值。
α0是由台架旋转部分130的位置和质心CM构成的角度,其是未知值。
θ是由连接加速度传感器S1,S2的轴(在图4中,是X轴)和台架旋转部分130构成的角度,其是已知的。
ω是角速度,其是已知的。
加速度传感器S1、S2的输出在采样时间T1、T2...Tn读出,并应用到上述方程式以获得上述未知值。从每个采样时间的加速度传感器S1、S2的输出获得e和α0的平均值。因此,可以确定台架旋转部分103的质心CM的偏心位置。
<平衡调整的操作>
下面,将使用如图5所示的流程来说明平衡调整的操作。
在步骤C31中,首先,检查加速度传感器S1和加速度传感器S2是否有故障。此外,检查自动推进计数器负载M1到M4是否能够移动。
在步骤C32中,将自动推进计数器负载M1到M4移动到初始位置。如图4所示,初始位置是自动推进计数器负载M3和M4放置成关于旋转中心O与X射线管102对称的位置。
在步骤C33中,操作数初始化到C=1以检查自动推进计数器负载M1-M4的行进量的操作数。
在步骤C34中,台架旋转部分130由旋转电机131以预定速度旋转。当旋转速度变得更快时,能够容易地对加速度传感器S1和加速度传感器S2进行检测。然而,这并不需要以台架旋转部分130突然共振的最大速度旋转,所述共振可能导致损害。
在步骤C35中,加速度传感器S1和S2的输出在采样时间T1、T2...Tn读出。
在步骤C36中,当加速度传感器S1和S2在特定循环感测到强烈振动时,立刻确定其处于机械共振状态。在没有机械共振的情况下,进行步骤C38,而在机械共振的情况下,进行步骤C37。
在步骤C37中,为了脱离机械共振,至少将自动推进计数器负载M1-M4中的一个移动特定的距离。该特定的距离不是从操作中获得的值,而是预定的距离,例如,10cm。在步骤C37之后,返回到步骤C35以脱离机械共振。
在步骤C38中,如图4所示,从加速度传感器S1和S2的输出计算台架旋转部分130的质心CM的偏心量。
在步骤C39中,确定质心CM的偏心量是否小于阈值。阈值是通过考虑CT扫描操作中台架旋转部分130的最大旋转速度获得的。如果质心CM的偏心量小于阈值,就进行步骤C42。如果质心CM的偏心量不小于阈值,就进行步骤C40。
在步骤C40中,确定对于自动推进计数器负载M1的行进量和自动推进计数器负载M4的行进量的操作数C是否大于预定数P。如果操作数C大于预定数P,那么进行步骤C44。如果操作数C不大于预定数P,那么进行步骤C41。
在步骤C41中,计算每个自动推进计数器负载M的行进量,并以由致动器控制器137获得的行进量移动自动推进计数器负载M。理论上,自动推进计数器负载M1和自动推进计数器负载M4的行进使得质心CM的偏心量小于阈值。因此,操作可以结束,但是为了确认,进行步骤C35,并读出加速度传感器S1和S2的输出以确认台架旋转部分130的实际旋转状况。
在步骤C42中,质心CM的偏心量小于阈值,自动推进计数器负载M1到自动推进计数器负载M4锁定。具体来说,将都朝向彼此的可移动件的极性和线性电机装备的定子的极性不同地设置。
在步骤C43中,将台架旋转部分130的状况发送到操作控制台50以用于图象再现。当从投影数据再现图象时,X射线管102的焦点位移很重要。因此,尽管质心CM的偏心量小于阈值,仍将从该传感器获得的振动状况发送到操作控制台50,以便能够在考虑X射线管102的焦点位移的情况下再现图象。
在步骤C44中,由于操作数C大于预定数P,台架旋转部分130的旋转停止。然后,将出错记录发送到操作控制台50。即使将自动推进计数器负载M1和自动推进计数器负载M4移动预定次数P,台架旋转部分130的质心CM的偏心量也不可能减小。这是因为轴承90可能损坏或者台架旋转部分130内的组件可能损坏。
<第二实施方式>
图6是在X-Y平面示出X射线CT设备100的台架旋转部分130的第二实施方式的示意图。在图6中未示出X射线管102和其它组件。圆环形轨道72具有半径r1且圆环形轨道74具有半径r2,它们的中心是台架旋转部分130的旋转中心O,这些圆环形轨道都附连到台架旋转部分130。然后,自动推进计数器负载M1、M2沿环形轨道72附连。此外,自动推进计数器负载M3、M4沿环形轨道74附连。
当自动推进计数器负载M1-M4具有相同的重量,具有更小半径的一个可以精细地控制。因此,这里提供具有半径r1的圆环形轨道72和具有不同于半径r1的半径r2的圆环形轨道74。对于质心CM的偏心量大的情况,移动自动推进计数器负载M1和M2,而对于质心CM的偏心量小的情况,移动自动推进计数器负载M3和M4,从而使得质心CM的偏心量小于阈值,并能容易地且精细地控制。
<第三实施方式>
图7是在X-Y平面示出X射线CT设备100的台架旋转部分130的第三实施方式的示意图。中心是台架旋转部分130的旋转中心O的两个具有半径r1的圆弧环形轨道76和具有半径r1的圆弧环形轨道77,附连到台架旋转部分130。然后,自动推进计数器负载M1、M2沿环形轨道76附连。此外,自动推进计数器负载M3、M4沿环形轨道77附连。
从图7中可以理解,自动推进计数器负载M3的重量是自动推进计数器负载M1或M2的1.5到两倍。使用圆弧环形轨道76、77是因为,如果在设计中将质心CM设计得靠近旋转中心O,自动推进计数器负载M不必要移动很长距离。此外,通常,由于很大重量作用在设有X射线管102和准直器120的部分,台架旋转部分130的质心向着X射线管102偏心。因此,将自动推进计数器负载3的质心CM靠近旋转中心O放置。此外,自动推进计数器负载M1和M2具有较自动推进计数器负载M3轻的重量,其能容易地且精细地受到控制。
第三实施方式中的圆弧环形轨道能够应用到如在第二实施方式中的具有不同半径的环形轨道。例如,制备具有相同重量的自动推进计数器负载M1和M3,具有比半径r1短的半径r2的两个圆弧环形轨道76,以及具有半径r1的环形轨道77。自动推进计数器负载M2和M3设置在两个环形轨道76上,而自动推进计数器负载M1设置在具有半径r1的环形轨道77上。从而,自动推进计数器负载M1可以用于粗调整,而自动推进计数器负载M2和M3可以用于精细调整。
当前实施方式的图象重建方法可以是使用传统公知Feldkamp方法的三维图象重建方法。在当前实施方式中,并不将扫描限制到特定的扫描方法。换句话说,传统扫描(轴扫描)、螺旋扫描、变节距螺旋扫描、螺旋穿梭扫描(helicalshuttle canning)都可以带来相同的效果。此外,不限制台架101的倾斜,也就是,被称为倾斜扫描的倾斜台架101也可以带来相同的效果。此外,当前实施方式可以应用到,例如,与心博信号同步的心博图象重建。
在当前实施方式中,描述了医学X射线CT设备100,但是当前实施方式可以应用到X射线CT-PET设备、X射线CT-SPECT设备以及其它利用工业X射线CT设备的设备或者其它设备。
Claims (7)
1、一种计算机断层摄影设备,包括:
旋转部分,其具有X射线管和用于探测来自所述X射线管的X射线的X射线探测器;
至少两个质量块体,设置在所述旋转部分上,并可以在圆周方向上移动;
驱动部分,用于移动所述的至少两个质量块体;
传感器,用于测量所述旋转部分的振动;以及
控制器,用于基于所述传感器的输出控制所述驱动部分移动所述质量块体,其中所述质量块体在圆周方向上移动的半径是第一半径和与所述第一半径不同的第二半径。
2、如权利要求1所述的计算机断层摄影设备,其中当所述X射线管和所述X射线探测器中的至少一个设置在所述旋转部分时,就确定了所述至少两个质量块体的基础位置。
3、如权利要求1-2之一所述的计算机断层摄影设备,其中当所述控制器基于所述传感器的输出确定所述旋转部分处于机械共振状况时,将所述质量块体移动预定的距离而不需要计算所述质量块体的行进量。
4、如权利要求1-2之一所述的计算机断层摄影设备,其中所述控制器基于所述传感器的输出计算所述质量块体的行进量,并由所述驱动部分将所述质量块体移动所计算的行进量。
5、如权利要求1-2之一所述的计算机断层摄影设备,进一步包括两个用于支撑所述旋转部分的支撑物,所述传感器包括用于检测第一方向上的振动的第一传感器和用于检测垂直于所述第一方向的第二方向上的振动的第二传感器;所述第一传感器和所述第二传感器分别设置在所述两个支撑物上。
6、如权利要求1-2之一所述的计算机断层摄影设备,其中所述质量块体相对于定子作为线性电机装备的可移动件移动。
7、如权利要求1所述的计算机断层摄影设备,其中所述的至少两个质量块体具有不同的重量。
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