CN102783968A - 一种用于现场的微剂量医用cbs-ct机 - Google Patents

Abstract

一种用于现场的微剂量医用CBS-CT机，包括扫描头、扫描运动机械、测控和图像处理系统、四轮推车以及病床或担架，所述扫描运动机械置于四轮推车上，所述四轮推车平行病床或担架放置，四轮推车底部设有带制动的轮子，所述扫描运动机械包括有立柱、扫描头支架，所述测控和图像处理系统包括有主机。本发明操作灵活，体积小，重量轻，性价比高，辐射剂量极小，灵敏度高；不需要高精度的可平移升降的定位床，利用定好方位的准直器，可得到带有真实深度信息、简单、直接的三维图像；不受机械装配与振动噪声等影响，可用于急救车上或其他方式的现场使用。

Description

一种用于现场的微剂量医用CBS-CT机

技术领域

本发明涉及一种基于康普顿背散射扫描技术的医用CT机，具体为一种用于现场的微剂量医用CBS-CT机。

背景技术

基于X射线透射原理的医用CT机简称为透射式医用CT机，这种医疗器械已问世近半个世纪，在医学诊断上起到了巨大作用，同时透射式医用CT机也获得了重大进展。但是，目前传统的透射式医用CT机和多排螺旋CT机存在着一些问题，使得医用CT机的使用和发展受到了严重的限制，主要存在以下问题：

其一，设备价格昂贵，辐射剂量大；

其二，设备要求有精密的扫描定位床，操作复杂；

其三，设备无法用于现场，有些部位疾病甚至还不能使用这些透射式CT机。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种用于现场的微剂量医用CBS-CT机，以解决透射式CT机设备价格昂贵，辐射剂量大、要求有精密的扫描定位床以及无法用于现场问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种用于现场的微剂量医用CBS-CT机，包括扫描头、扫描运动机械、测控和图像处理系统、四轮推车以及病床或担架，所述扫描运动机械置于四轮推车上，所述四轮推车平行病床或担架放置，四轮推车底部设有带制动的轮子，所述扫描运动机械包括有立柱、扫描头支架，所述测控和图像处理系统包括有主机，所述主机内设有高分辨率显示器、采传电子学系统、图像工作站、信号无线发射模块、供电机箱、激光相机，所述主机的高分辨显示器下方设有放置键盘的拉伸衬板，主机侧面设有立柱安装座，所述立柱固定在立柱安装座上，立柱上设有依次连接的螺杆、吊臂套管、吊臂，所述螺杆既能升降又能转动，所述吊臂能自动伸缩，所述吊臂末端设有万向节，所述扫描头支架固定在万向节上，所述扫描头固定在扫描头支架上。

作为以上技术的一种优化，所述病床或担架设有改变倾角的装置。

作为以上技术的一种优化，所述激光相机与相机控制模块相连，所述相机控制模块电源输入口与低压直流电源输出口相连。

作为以上技术的一种优化，所述主机通过信号无线发射模块将数字图像无线传输到移动终端上。

所述扫描头包括X射线机、平板探测器，所述X射线机与平板探测器位于被检查者的同一侧，所述X射线机安装在X射线机支架上，所述平板探测器安装在平板探测器支架上，上述X射线机支架、平板探测器支架固定在扫描头支架上，所述X射线机上设有前准直器，所述平板探测器上设有后准直器，前准直器的方向与后准直器的方向之间夹角在100°~150°范围内调节。

作为以上技术的一种优化，所述前准直器的方向与所述后准直器的方向之间夹角，即X射线锥形束的前进方向与背散射X射线束进入平板探测器的方向之间的康普顿背散射夹角。

作为以上技术的一种优化，所述平板探测器为适用于面扫描的非晶硅平板探测器。

所述的X射线机与平板探测器位于被检查者的同一侧，与被检查者的身体部位构成康普顿背散射(CBS)几何学结构。CT机的关键技术是图像重建的质量，透射式医用CT机的图像重建算法是基于雷当变换原理。其实质是把二维问题化为一维问题，即把积分方程组化为线性代数方程组，求解线性减弱系数。而本发明的图像重建，实质是把扫描得到的各组光子计数直接排列出来即得到CBS-CT图像，它不依赖于雷当变换那种复杂的图像重建算法。

康普顿背散射的光子数n_s的计算公式为：

n_s=n₀·ΔV·ΔΩ·{ n_e·[                                                

]_KN} ·f(E₀) ·f(E_C) ·η₁

=C·f(E₀) ·f(E_C) ·n_e  ……(1)

式中：C= n₀·ΔV·ΔΩ· [ ]_KN ·η₁  …….(2)

n_0  ——为入射光子注量率；

ΔV _——为前、后准直孔形成的聚焦体积；

ΔΩ_——为平板探测器有效照射面积对散射点（即检测点）所张的立体角；

_——为康普顿散射微分截面；

n_e ——为电子密度，即单位体积的电子数；

f(E₀)_——为入射束减弱因子；

f(E_C)_——为散射束减弱因子；

η_1 ——为探测效率。

式（1）可用矩阵式改写为：

[n_s]=[A(n_e)][ n_e]   ……(3)

式（3）中矩阵[A(n_e)]称为投影算子，[A]的每一个元素为：

a_ij= n₀·ΔV·ΔΩ ·[ 

]_KN · f(E₀) ·f(E_C)   …….（4）

由式（4）可看出，投影矩阵A是未知的电子密度分布向量n_e的函数，因此，被测物体电子密度分布的图像重建的问题，可以看作为一个非线性方程组的求逆问题：

n_e =[A(n_e)]^-1[

_S]   …….（5）

式中，[

_S]是含有噪声（包括多次散射在内）的实际测量值。

若用μ（E）·P（θ_i）代替n_e· [ 

]_KN，则有

n_s=[C· f(E₀) ·f(E_C)] ·μ（E）         …….（6）

[n_s]={A[μ（E）]}[ μ（E）]          …….（7）

其中投影矩阵[A]元素为

a_ij= n₀·ΔV·ΔΩ · P（θ_i）· f(E₀) ·f(E_C)   …….（8）

这里，线性减弱系数μ（E）的图像重建，即为一个非线性方程组的求逆问题；

μ（E）={A[μ（E）]}^-1[

_S]     …….（9）

式中，[

_S]与式（5）中的一样。

如上所述，CBS-CT图像重建技术原理简单，只是需作如下数据修正，例如探测器的效率数据修正，康普顿散射能量分布的展宽数据修正，多次散射（特别是二次散射、三次散射）的数据修正，几何扩展的数据修正，Compton Profile影响的数据修正，入射束和散射束在物质中减弱的补偿，检测深度增大时误差累积传播的校正，射束硬化的校正等。

与透射式CT机的技术相比，本发明具有以下优点：

（1） 体积小，重量轻，性价比高，操作灵活。

（2） 检测低密度物质（例如人体组织）的灵敏度远远高于透射式医用CT机的灵敏度。

（3） 基于CBS的原理，本发明辐射剂量极小，对人体的副作用远小于透射式医用CT机的辐射剂量。

（4） 图像重建不采用雷当变换，不需要高精度的可平移升降的定位床，只需要一张可改变倾角的普通病床或担架，能让被检查者平躺下就行。

（5） 可提供多层深度信息，利用定好方位的准直器，可得到带有真实深度信息、简单、直接的三维图像。

（6） 图像质量不受机械装配与振动噪声等影响，因此可安装于急救车上或其他方式的现场使用。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明探测采传电子学系统方框图。

图中：1、X射线机，2、X射线机支架，3、前准直器，4、平板探测器，5、后准直器，6、平板探测器支架，7、X射线锥形束，8、被检查部位，9、背散射X射线束，10、立柱，11、立柱安装垫，12、螺杆，13、吊臂，14、吊臂套管，15、万向节，16、扫描头支架，17、四轮推车，18、带制动的轮子，19、扫描头的停放台，20、病床或担架，21、坐标系，22、拉伸衬板，23、图像处理工作站，24、采传电子学系统，25、专用集成电路（ASIC），26、模数转换器（ADC），27、中央处理组件，28、嵌入式系统（ARM），29、接口电路，30、高分辨率的显示器，31、信号无线发射模块，32、移动终端（如手机），33、激光相机，34、相机控制模块，35、直流低压电源，36、供电机箱，37、主机。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。

如图1、图2所示，一种用于现场的微剂量医用CBS-CT机，包括扫描头、扫描运动机械、测控和图像处理系统、四轮推车17以及病床或担架20，所述扫描运动机械置于四轮推车17上，所述四轮推车17平行病床或担架20放置，四轮推车17底部设有带制动的轮子18，所述扫描运动机械包括有立柱10、扫描头支架16，所述测控和图像处理系统包括有主机37，所述主机37内设有高分辨率显示器30、采传电子学系统24、图像工作站23、信号无线发射模块31、供电机箱36、激光相机33，所述主机的高分辨显示器30下方设有放置键盘的拉伸衬板22，主机37侧面设有立柱安装座11，所述立柱10固定在立柱安装座11上，立柱10上设有依次连接的螺杆12、吊臂套管14、吊臂13，所述螺杆12既能升降又能转动，所述吊臂13能自动伸缩，所述吊臂13末端设有万向节15，所述扫描头支架16固定在万向节15上，所述扫描头固定在扫描头支架16上。

所述扫描头包括X射线机1、平板探测器4，所述X射线机1与平板探测器4位于检查者的同一侧，所述X射线机1安装在X射线机支架2上，所述平板探测器4安装在平板探测器支架6上，上述X射线机支架2、平板探测器支架6固定在扫描头支架16上，所述X射线机1上设有前准直器3，所述平板探测器4上设有后准直器5，前准直器3的方向与后准直器5的方向之间夹角在100°~150°范围内调节。

使用前，将四轮推车17推到病床或担架20的侧边，四轮推车17平行病床或担架20放置，并移动到预定坐标系21中的X向位置，将带制动的轮子18的止动脚放下使四轮推车17固定，从立柱安装座11中立柱10升起螺杆12到坐标系21中合适的Z向位置，被检查患者平躺在病床或担架20上，这时将螺杆12转动180°，将扫描头支架16从扫描头的停放台19移到患者被检查部位8的上方，并沿着Z向降下螺杆12到贴近被检查部位8的高度，然后调节吊臂13的位置，再调整万向节15的方位，把扫描头支架16置于合适的位置。再打开供电机箱36中的电源开关，至此开始扫描。

第一步，作坐标系21的Z向扫描，即将螺杆12的高度微降一个步距ΔZ, 启动X射线机1，其发射的X射线经过前准直器3成形为X射线锥形束7，射线到达被检查部位8产生的背散射X射线束9经过后准直器5到达平板探测器4，由采传电子学系统24采集平板探测器4的信号，并传送给图像处理工作站23，接着，再次改变螺杆的高度ΔZ，按此扫描方式重复，直至该Y值处的Z向深度达到预定值，扫描完成。

第二步，根据检查的需要，作坐标系21的Y向扫描，即将吊臂13伸长一个步距ΔY,重复第一步Z向扫描，然后再伸长一个步距ΔY,重复第一步Z向扫描，直至Y向扫描到预定的Y向位置。

第三步，根据检查的需要，作坐标系21的X向扫描，即移动推车17，逐个步距ΔX，重复第一步Z向、第二步Y向扫描，直至扫描头X向扫描到达预定的X向位置。

三个方向扫描完成时，升起螺杆12，缩回吊臂13，转动螺杆12，将扫描头支架16放置在扫描头的停放台19上，关掉供电机箱36的电源，将四轮推车17移到存放位置。

如图2所示，背散射X射线束9通过后准直器5进入平板探测器4，采传电子学系统24采集平板探测器4的信号，平板探测器4输出的信号送入采传电子学系统24的专用集成电路（ASIC）25，将平板探测器4输出的信号进行放大，低频高频噪声抑制和电平转换，随后将处理后的信号送入模数变换器（ADC）26，完成模拟信号向数字信号变换，变换后输出12位~16位分辨率的数字信号，进行多道脉冲幅度分析；然后经过多道脉冲幅度分析的数字信号送入中央处理组件27，经过上述处理的数据通过专用总线送给嵌入式系统（ARM）28，嵌入式系统（ARM）28获取由采传电子学系统24提供的数组格式文件，通过接口电路29分别送给：

其一通过接口电路29送给主机37进行CBS-CT图像重建，并由高分辨率显示器30显示出来，再由带有Dicom3.0的图像工作站23作进一步处理。

其二通过接口电路29经信号无线发射模块31将CBS-CT图像数据无线传输到移动终端32（如手机）。

其三通过接口电路29经相机控制模块34驱动激光相机33拍摄CBS-CT图像，所述相机控制模块34由低压直流电源35驱动。

本发明可安装在急救车上、普通病房、山区野外帐篷里，是对现有透射式医用CT机的重大革新与突破。本发明的技术原理不是X射线透射，而是X射线与物质相互作用的康普顿背散射效应；解决了目前基于透射原理的透射式医用CT机所存在的问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种用于现场的微剂量医用CBS-CT机，包括扫描头、扫描运动机械、测控和图像处理系统、四轮推车以及病床或担架，其特征在于：所述扫描运动机械置于四轮推车上，所述四轮推车平行病床或担架放置，四轮推车底部设有带制动的轮子，所述扫描运动机械包括有立柱、扫描头支架，所述测控和图像处理系统包括有主机，所述主机内设有高分辨率显示器、采传电子学系统、图像工作站、信号无线发射模块、供电机箱、激光相机，所述主机的高分辨显示器下方设有放置键盘的拉伸衬板，主机侧面设有立柱安装座，所述立柱固定在立柱安装座上，立柱上设有依次连接的螺杆、吊臂套管、吊臂，所述螺杆既能升降又能转动，所述吊臂能自动伸缩，所述吊臂末端设有万向节，所述扫描头支架固定在万向节上，所述扫描头固定在扫描头支架上。

2.根据权利要求1所述的一种用于现场的微剂量医用CBS-CT机，其特征在于：所述扫描头包括X射线机、平板探测器，所述X射线机与平板探测器位于被检查者的同一侧，所述X射线机安装在X射线机支架上，所述平板探测器安装在平板探测器支架上，上述X射线机支架、平板探测器支架固定在扫描头支架上，所述X射线机上设有前准直器，所述平板探测器上设有后准直器，前准直器的方向与后准直器的方向之间夹角在100°~150°范围内调节。

3.根据权利要求1所述的一种用于现场的微剂量医用CBS-CT机，其特征在于：所述病床或担架设有改变倾角的装置。

4.根据权利要求1所述的一种用于现场的微剂量医用CBS-CT机，其特征在于：所述激光相机与相机控制模块相连，所述相机控制模块电源输入口与低压直流电源输出口相连。

5.根据权利要求1所述的一种用于现场的微剂量医用CBS-CT机，其特征在于：所述主机通过信号无线发射模块将数字图像无线传输到移动终端上。

6.根据权利要求2所述的一种用于现场的微剂量医用CBS-CT机，其特征在于：所述前准直器的方向与所述后准直器的方向之间夹角，即X射线锥形束的前进方向与背散射X射线束进入平板探测器的方向之间的康普顿背散射夹角。

7.根据权利要求2或6所述的一种用于现场的微剂量医用CBS-CT机，其特征在于：所述平板探测器为采用面扫描的非晶硅平板探测器。

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