CN1028600C - 具有位置探测器的层析x光摄象机 - Google Patents

Abstract

一种层析X光摄象机，具有一个带X光源的转动部件和当X光运行操作时驱动转动部件绕其轴转动的驱动件，还有一个静态的基准部件和确定转动部件和静态基准件元件相对位置的装置。由于该机能保证定位正确，因此图象质量极为理想，与同类机型比较，其体积小，重量轻，价格也不昂贵。

Description

本发明是丹尼尔·阿卑宁（Danlel    Abenalm）1988年4月13日提出的关于“具有位置探测器的层析X光摄象机”的美国专利申请的继续。

总的来说，本项发明是关于层析X光摄象机的发明，这种设备相对于被X光照射的物体动态地工作。具体地说，本项发明是关于这种设备运动部件位置定位的发明。

层析X光摄象机已经运用了许多年。最为人知的型式是CAT（计算机化的轴向的X光摄象技术）扫描摄象机，它通过采集通过人体的多层次的、每一层内横截面上的、片状的X光束进行工作。典型的CAT扫描摄象机包括一个X光源和一组装在套环对面的探测器。在工作时，这个套环在一个假想平面内绕患者转动。在转动过程中，能够从各个不同的角度在该假想平面内采集到许许多多X光束，经过熟知的反射过程进行数学处理就会得出结论，产生了在这个平面内关于人体横截面的图象。

摄象过程中的一个重要条件是层析X光摄象器件与患者之间的准确、稳定的定位，在转动过程中和多次摄象与更换患者过程中都是如此。相反，定位不准就会影响整个扫描的数据。为了解决这个问题，目前的CAT扫描摄象机一般又大又重并且包含一个要装层析X光摄象器件的较重的套环。支撑这样重的设备需要设备机座有附加的质量和尺寸。

这种结构的设备既成本高又难于重新定位，并且需要较大的地面空间，在地面空间有限的情况下则无法使用。这种又大又重的设备的另一个缺点是转动部件的磨损，经过一段时间，这种磨损将导致定位不准。

在过去的技术领域里，层析X光摄象机的另一种型式是X光源和一组探测器都装在C型构架上，这是典型的悬臂结构，在患者上方进行操作。虽然这种设备能够在较宽范围内进行操作，但是还是需要较大的空间和自重，也有定位性能不良的问题。

根据上述，本项发明提供了一种改进的层析X光摄象机，它能监控层析X光摄象器件的定位以提供准确的扫描摄象数据，并且和同类设备相比体积小、重量轻。这种类型的X光设备具有一个转动部件，它至少带有一个X光源，还具有这样一个部件，它能驱动转动部件在X光照射时绕转动轴作旋转运动。这里，我们的改进包括静态的基准部件和确定转动部件和静态的基准部件之间位置关系的部件。在本项发明的精髓中，转动部件定义了一个转动平面，并确定了在该转动平面上的两个相互垂直坐标的位置关系。

本项发明根据附图进行直观地说明，

其中：

附图1是CAT扫描摄象机的一个正面视图，它对应着本项发明的一个实施例;

附图1A是附图1的一个变型实施例的局部详示图;

附图1B是附图1的变型实施例的另一个局部详示图;

附图2是CAT扫描摄象机的正面视图，它对应着本项发明的另一个实施例;

附图3是CAT扫描摄象机的一个透视图，当然它是就本项发明的另一个实施例而言的;

附图4是附图3所示设备的一个局部详细图解。

总地来说，本项专利申请涉及1988年2月26日伯纳德·M·戈登（Bernard    M·Gordon）提出的题为“层析X光摄象机”的美国专利申请，其专利号为160657。同本项专利申请一样，它转让给了麻萨诸塞州，皮博迪的模拟公司。该项发明的说明在此作为参考资料而被结合在一起。

转动部件是一个可转动套环，它定义了第一个假想的旋转平面，基准环位于第二个假想平面内，第二个假想平面或者实质上与套环转动平面平行，或者与之重合。一对位置探测部件在第二或第一假想平面内以相互垂直坐标探测环的位置。第三个位置探测部件以实质上垂直第二假想平面的坐标探测环的位置，还可有一探测部件以与第一假想平面相垂直的坐标上进行探测以响应上述第三探测部件。

如附图1所示，CAT扫描摄象机10一般包含一个带有层析X光摄象器件的可转套环12和一个静态支撑部件14。支撑部件14包含一个支承该设 备的机座16和一个可转动地安装套环12的环形构架18。这种可转动的装配可通过带有小轮17的任何适宜的部件来实现。这种小轮17沿构架18上的成型轨道运动。机座16一般包含设备重新定位的部件，具体包含小轮20和两条支撑轨22。

套环12包含多种完成CAT扫描摄象功能的部件。核心部件包含一个X光源24和一组X光探测器列阵26。该套环可能还包括设备构成所需的各种部件。本项发明的具体设置包括一个X光源24的电源28，包括一个电子组件30，该电子组件为探测器列阵26的输出进行数学处理并为X光摄象套环12提供控制，包括一个电子组件30的电源32和一个驱动部件34。该驱动部件34包含一个使套环12能在环形构架18内转动的电源。各个部件可根据需要通过导线互相连接成电路，这些虽然没有在图上表示出来，但可经过任何适当路线进行布置，例如可通过中空环形部件36。

另外，套环12还包含一对加强板38，它们连接着X光源24和探测器列阵组26。加强板38按三角形进行布置以利用三角形几何结构稳定性的优点，探测器列阵26安装在第三个刚体板39上，它形成了三角形的第三边。

转动部件定义了一个转动平面，该转动平面内的两个相互垂直的坐标进一步确定位置关系，确定位置关系的部件包含一个圆环形的与转动轴同轴安装的引导部件，还含有探测该引导部件相对转动部件或静基准部件的相对位置的部件。

安装在加强板38上的是一对位置探测器40，安装探测器40的目的是探测不转动的基准环42的位置。它们相互垂直地安装以套环12转动平面内的两个坐标来探测可转套环12和基准环42之间的相对位置。图示的基准环42附加在一个静态基准上，如患者台44，它也可附加在环形构架18或机座16的一部分上。图示的基准环42和患者台44在比例上较套环12要小一些，这样做的目的是为了清楚起见。基准环42一般和加强板38所确定的转动圆几乎是一样大的。

探测器40可通过任意可行的方法来探测基准环42，如直接机械式接触或通过反射能。在各种情况下，探测器都探测该探测器和基准环42之间的距离。另外，还可安装一个或多个探测器在实质上垂直于套环转动平面和基准环42的平面的坐标上探测基准环42和套环12之间的相对位置。还可以具有第四个探测套环相对于基准环的角度的部件。

附图1A说明了一种探测器40的详细情况及其和基准环42的接触情况。探测器40中包括一个凸轮作用杆46，它跟踪基准环42，还包含一个可变电阻48，并且该可变电阻48是通过上述凸轮作用杆进行控制的。凸轮作用杆46通过弹簧50进行偏移运动，并且包括一个凸轮52，该凸轮可转动地安装在杆的一端以和基准环42相接合作用。可变电阻48通过产生电信号来反映用机械方法探测到的基准环的位置，可变电容也可用在可变电阻48的位置。所述这种机械式位置探测装置可以包含一对机械式位置探测器，该位置探测器还具有由机械地探测基准环位置而产生电信号的部件。机械式探测器固定在套环上，而基准环固定在静态基准部件上。

附图1B说明了探测器40的另一个具体方案，它通过反射回来的能量来测量到基准环42的距离。声波发送器54和一个控制器56连接在一起。这个控制器使发送器54向基准环42发送声音短脉冲并接收从该环反射回来的声能，声波发送与接收之间的延时表明了到基准环42的距离。尽管图示的方法使用的是声波，其他传播能量的方法，如光波、无线电波也是可以的。基准环42上也可有可读代码显示装置，使得在扫描摄象过程中的角度位置和探测结果能够显示出来。所述这个探测方案，也可以包含至少一个具有反射能的发射源和至少一个探测这种反射能的探测器。

在工作过程中，附图1所示的设备10不停地探测可转套环12和基准环42之间的相对位置。当套环12转动时，基准环42和探测器40之间的距离不断地得到测量。测量结果被电子组件30转换成数字读数，它用在X光反射过程中以产生所扫描薄层的图象。两个探测器40相互垂直的设置提供了可转套环12假想转动平面上二维尺寸或X-Y坐标的完整数据。这种转动平面可能平行于附图1所示的平面。

附图2表明了本项发明的另一个实施例，这里可转套环的相对位置是通过X光探测器26测量的。附图2仅仅表明了CAT扫描摄象机的本质特 点，它包括带有X光源24的套环60及探测列阵，也表明了患者62、患者台64和基准环66。探测器列阵26被表明由68、70、72三个扇区的探测器所组成。68扇区的探测器从患者62身上采集数据，并可以为了这种目的以任何适当的方式进行结构布置。70扇区和72扇区中所示的其他探测器用来确定基准环66和X光源24及70、72扇区探测器之间的相对位置。70扇区的探测器包括探测器74至探测器81、72扇区探测器包括探测器82至探测器89。各个扇区所示的探测器的数目不是严格不变的，能够根据设备的设计进行变化。

基准环66由X光半透明材料构成，定位在从X光源24至探测列阵26的X光束所确定的一个想像平面内，包含有能从结论图象中观察摄象质量的部件，这样，用于从患者62身上采集数据的X光束也通过基准环66并且有轻微衰减。由于基准环66的几何形状所决定，通过患者62中心的X光束，例如中心径向线94，通过基准环66的衷减程度最小。这种衰减随着X光束的角度从中心线94到外边缘的变化而略有增加，这种情况是可以接受的，因为患者体内的“信息”也随着径向线和中心线的夹角的增加而减少。患者体内信息最复杂的地方在正中心处，随着角度向头部的边缘偏转、随着角度向躯体的边缘偏转而减少。这样，接近患者外边缘方向的递增衰减也是可以接受的，甚至是所希望的，因为它减小了必须通过探测器测量的X光信号的动态范围。基准环66可用任何适宜材料制成，例如玻璃纤维或其他化合物。

附图2所示的径向线定义了径向光束96至径向光束101，X光源12辐射的X光通过这些光束照射在70扇区和72扇区的探测器上。径向光束96和径向光束99内的X光通过基准环66后没有任何衰减，这样，探测器74、75、82和83基于附图2所示的基准环66和套环60之间的位置关系将记录最强的信号。相反，通过径向光束97和径向光束100并照射在探测器76-78和探测器84-86的X光将有最大程度的衰减，这种衰减从探测器76至探测器77递增，在探测器78处衰减最大。类似地，这种衰减从探测器84至探测器85衰减程度递增，从而接收信号减弱，从而对探测器86接收到最弱的信号，这种衰减随着X光必须通过基准环66的越来越多的部分而递增。

如果基准环66和套环60之间的相对位置保持不变，这些探测器的读数应当保持一个常数。可是，如果这种位置关系发生了变化，那么这些探测器将以可以计量的方式表明这种变化。例如，如果基准环相对于套环60向左移动，探测器74和75的接收信号将有明显的减弱，因为这种信号经过基准环66要有一个衰减过程。类似地，探测器84和探测器85等将表明衰减程度的减弱，相应地产生的接收信号增强了。以此类推，如果基准环66相对于套环60做向下的相对移动，探测器76和探测器84将表明输出信号的加强，相应的衰减减弱。尽管基准环相对于套环向其右上方移动，探测器74至探测器81也将表明它们的输出信号没有发生变化，而探测器82和探测器83将表明输出信号的相对减弱以示通过基准环的衰减，其他的探测器84-89也将各自表明相应输出信号的变化。也就是说，探测器部件中具有装在套环上的并能探测从X光源来的X光束以确定基准环位置的探测器。应当注意的是，这个解释是基于基准环66的移动。尽管这是被探测器探测到的移动，由于套环60的转动而产生的定位不准也将导致实际上的相对运动。

附图2所示的实施例也总结了确定摄象质量的装置，这种摄象的质量是由采集到的摄象数据所反应的图象而得到的。基准环66可包含多个取象目标物104，这些取象目标物104可具有简单的已知的形状，如环形和/或它们的X射线密度，基准环66的X射线密度也是已知的。尽管以前的CAT摄象者们一般清除了反射过程中的周围结构的图象，基准环66和取象目标物104的图形在实际X光的照射下会重新产生这种具体图象以表明摄象的质量。如果仅仅应用取象物的形状，其清晰性将表明所采集到的摄象数据的准确性。在这种情况下，取象目标物104仅需具有和基准环66不同的当然是末知的X射线的密度。在取象目标物104和基准环66的X射线密度已知的条件下，就X光的强度而言，得到X光的进一步的信息以评价一连串的骨骼图象的效能是有用的。

基准环66也可用来对患者62和套环60之间的角度位置进行测量，这是通过就基准环66的X射线密度而言提供一组可探测的图形来完成的。基准环可有附加的取象目标物104或如图示105扇 区一样使基准环66成为一种有凹坑边的扇形的形状。这样的形状可由70扇区和72扇区的探测器进行探测以在摄象过程中提供准确的角度信息。

附图3和附图4进一步表明了本项发明的精髓。X光摄象设备110再现了其包括一个机座112、支撑结构114、X光部件116和基准环118。支撑结构114通过小轮120可移动地安装在机座112上，其机座112上的位置由执行机构122来进行控制。执行机构122可用任何适当的型式，如液压的或电控的。

X光部件116带有一个X光源和探测器列阵（末表示出来）以及任何前面已讨论过的合适的部件。部件116可转动地安装在支撑结构114上，允许CAT扫描摄象过程中相对于患者进行成角度的摄象，这就是X光照射患者的过程，部件116上附带一个操作杆124，它通过执行机构126进行控制以确定部件116的角度位置。

类似地，基准环118也可转地安装在支撑结构114上。基准环118和部件116可绕同一水平轴线旋转一个角度。这使得基准环118可处于部件116所需要的任何角度位置上进行应用。基准环118的位置也可进行电子探测，其信号用于控制执行机构126。通过这种方法，基准环118也可通过手工操作进行定位，使得部件116跟踪到一个选定的位置。可以用任何适当方式安装这个探测器。附图4表示了一个电位计128的局部放大图，它安装在支撑结构114的上端130处。基准环118的支承构件132可旋转地安装在水平轴134上并和电位计128的滑动指针相连。通过这种方法，由电位计128测量到的基准环118的角度位置可用来控制执行机构126，这是通过任何适宜的控制电路来实现的。电位计128也可安装在环部件上，并与一个电桥网络相连接，除非套环116和基准环118是准确定位的，不然就会形成输出信号，这样的信号可用来通过适当的控制机构来驱动执行机构126。在这种方式下，基准环118可用来探测其和套环116之间的相对位置，这是在实质上垂直于套环116的假想转动平面的坐标上进行的。

最后，多个传感器134安装在构件116上来探测转动扫描过程中基准环的位置。这些传感器即在上述构件116的转动平面内工作又在实质上垂直于该平面的坐标上进行工作。它们也可对构件116的转动位置进行测量。另外，它们也可应用几种不同的探测技术。

本项发明构造了一种CAT扫描摄象设备，它能提供准确的扫描数据，和过去这方面的设备相比重量轻、体积小。关于摄象平面内的定位不准，其偏差能够测量出来，测量的结果用于提高数据采集的精度。X光部件转动平面的定位不准可用来纠正定位和/或者使得采集数据无效。也可不用附加设备进行旋转测量，这些测量排除了以往的自重大、体积大的问题，大大降低了成本，提高了设备的精确度。

上面所述的本项发明的实施例旨在通过附图进行解释并没有局限于此的思想。在这项技术领域中有造诣的人可以对这种实施例进行各种修改和变动，这也不背离所附权利要求中所定义的本项发明的范围。

Claims (17)

1、一种层析X光摄象机，该摄象机用于执行对物体(62)的层析检测并包含：

(a)X光线源(24)；

(b)在物体(62)层析检测的过程中绕转动中心线转动的用来支承至少一个X光线源(24)的可转动支承部件(12)；

(c)在层析检测过程中用来传感X光线并产生由每个探测器探测的X光线表示的电信号的多个探测器(26)；

(d)为了将被检测物体的图象背面投射而处理电信号的部件；

其特征是，所述层析X光摄象机还包含：

静止的基准部件(42)相对所述可转动部件定位，以使之当所述可转动部件绕所述转动中心线转动时保持静止；

用于在所述检测过程中计量可转动支承部件和静止基准部件之间相对位置关系的部件(40)；

用于在所述检测过程中产生表示可转动支承部件和静止基准部件之间相对位置关系的数据的部件，以便当背面投射被检测物体的图象时，可利用该数据在背面投射图象中补偿由于可转动支承部件和静止基准部件之间的机械振动。

2、如权利要求1所述层析X光摄象机，其特征在于：可转动支承部件（12）定义了一个转动平面，并且转动平面内的两个相互垂直的坐标进一步地确定了位置关系。

3、如权利要求2所述层析X光摄象机，其特征在于：具有的引导部件是一环（42）。

4、如权利要求3所述层析X光摄象机，其特征在于，可转动支承部件是可转动套环（12），它定义了第一假想的转动平面，并且环（42）位于第二假想平面内，该第二假想平面或者实质上与套环（12）的第一转动平面平行，或者是与之重合。

5、如权利要求4所述层析X光摄象机，其特征在于：探测部件包含两个位置探测部件，它们在第二假想平面内以两个相互垂直的坐标探测环的位置。

6、如权利要求5所述层析X光摄象机，其特征在于：探测部件包含第三位置探测部件（128），该探测部件以实质上垂直于第二假想平面的坐标探测环的位置。

7、如权利要求6所述层析X光摄象机，其特征在于：还包含确定套环位置的部件（126），该部件以实质上垂直于第一转动平面的坐标上响应第三探测部件。

8、如权利要求5所述层析X光摄象机，其特征在于：量测位置关系的部件（40）包含固定在套环上并适宜用来传感从X光线源来的X光线，以确定环的位置的X光线探测器（70，72）。

9、如权利要求8所述层析X光摄象机，其特征在于：环（66）是半透明的并包含能从结论图象中观察检测质量的部件。

10、如权利要求9所述层析X光摄象机，其特征在于：该装置包含具有已知形状的取象目标物部件。

11、如权利要求9所述层析X光摄象机，其特征在于：该装置包含具有已知X光线密度的取象目标物部件。

12、如权利要求5所述层析X光摄象机，其特征在于：量测位置关系的部件（40）和产生所述数据的所述部件包含一对机械的位置探测器，该位置关系探测器（48）包含响应由机械地探测环位置及其表示的所述数据而提供电信号的部件。

13、如权利要求12所述层析X光摄象机，其特征在于：机械式位置探测器（60）是固定在套环（12）上，并且，环是固定到静止基准部件上。

14、如权利要求5所述层析X光摄象机，其特征在于：探测部件包含第四个用来探测套环（12）相对于环（42）的角度位置的部件（105）。

15、如权利要求3所述层析X光摄象机，其特征在于：静止基准部件包含一张患者台部件（64）并且环（42）固定到患者台上。

16、如权利要求2所述层析X光摄象机，其特征在于：探测部件包含至少一个具有反射能的发射源和至少一个探测这反射能的探测器。

17、如权利要求1所述层析X光摄象机，其特征在于：可转动支承部件（12）定义一转动平面，并且，在所述检测过程中，量测可转动支承部件和静止基准部件之间位置关系的所述部件（40）以及产生所述数据的部件包含设置在所述转动平面中的为了量测位置关系和产生表示所述数据的电信号的探测器部件。

Images