CN109674486A - 用于静态ct成像系统的前准直装置及其静态ct成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于静态CT成像系统的前准直装置，包括：限束内环、限束外环、至少两个传动组件和多个支撑组件；其中，限束内环和限束外环平行设置在射线源环和探测器环之间；限束外环固定设置；限束内环在传动组件和支撑组件的作用下，可相对于限束外环移动，从而改变限束内环和限束外环之间的限束宽度。上述用于静态CT成像系统的前准直装置，通过传动组件带动限束内环进行移动，可对限束内环和限束外环之间的限束宽度进行连续调节，从而调节CT扫描的层厚。这种具有双环结构的前准直装置，适用于在射线源和探测器都是整环结构的静态CT成像系统中使用。本发明同时公开了包括上述前准直装置的静态CT成像系统。

Description

用于静态CT成像系统的前准直装置及其静态CT成像系统

技术领域

本发明涉及一种用于静态CT成像系统的前准直装置，同时涉及包括上述前准直装置的静态CT成像系统，属于X射线辐射成像领域。

背景技术

CT(Computed Tomography)是电子计算机断层扫描技术的简称。CT扫描仪是一种功能强大的医学影像诊断设备，其利用X射线对人体某一范围进行逐层横断扫描，获取投影信息，再由计算机进行数据处理和图像重建。X射线的成像过程主要为：X射线源产生X光子，X光子在X射线源的焦点处以直线路径向各个方向发射；在进入成像物体的X光子中，一部分被成像物体的原子直接吸收；一部分则直接穿透成像物体到达与X射线源相对的探测器，这部分X光子即直射X光子，直射X光子的信息用于图像重建。然而，实际过程中，还有一部分X光子会与成像物体的原子发生碰撞改变运动方向，并损失部分能量，这部分X光子即散射X光子。散射X光子不符合图像重建算法要求，即使到达探测器也无法对成像做出贡献，但是，如果不能剔除散射X光子，反而将增加重建图像的噪声，影响CT图像的质量。

为了解决X光子散射的问题，在配置有一个射线源和一个弧形探测器组件的传统CT扫描仪中，通常以X射线源的焦点为圆心，在X射线源朝向探测器的一侧设置前准直装置，从焦点发出的扇形X射线穿过前准直装置，前准直装置通过控制X光束的宽度来调整层厚参数以及屏蔽无效的散射X光线对人体的伤害，前准直装置会紧密贴合在X射线的发出窗口。

目前，在具有由若干个射线源组成的环形射线源的静态CT成像系统中，也有类似的前准直器。例如，在公开号为CN102379716A的发明专利申请文件中公开了一种静态CT扫描仪系统，其中，X射线源系统包括若干个基于碳纳米管的X射线源模块，若干个X射线源模块均匀分布在一环形轨道上，并每个X射线源模块下方对应设置有一准直器，多个准直器构成一准直器环；探测器系统包括若干个探测器模块，若干个探测器模块的探测面构成一环形圈然后与环形轨道平行放置；X射线源系统可通过准直器的准直器夹缝将发射的X射线束投射到探测器系统的探测面上。

然而，对于具有由密集排列的多焦点射线源组成的环形射线源的静态CT成像系统来说，上述这种与X射线源一一对应设置前准直器的方式并不适用。例如，在公开号为CN105361900A的发明专利申请中公开了一种静态实时CT成像系统及其成像控制方法，该静态CT成像系统由环形探测器和环形X射线源组成，环形射线源的每一个焦点发出的扇形X射线与相邻焦点发出的扇形X射线均有重叠，因此，不能像传统的螺旋CT一样，在每个射线源的X射线出口处设置对应的单一前准直装置来进行限束。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种用于静态CT成像系统的前准直装置。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种包括上述前准直装置的静态CT成像系统。

为了实现上述技术目的，本发明采用下述技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种用于静态CT成像系统的前准直装置，包括：限束内环、限束外环、至少两个传动组件和多个支撑组件；

其中，所述限束内环和所述限束外环平行设置在射线源环和探测器环之间；所述限束外环固定设置；所述限束内环在所述传动组件和所述支撑组件的作用下，可相对于所述限束外环移动，从而改变所述限束内环和所述限束外环之间的限束宽度。

其中较优地，所述传动组件包含电机、电机架、联轴器、丝杠、丝杠固定端轴承座、丝杠浮动端轴承座和限束内环转接件；

其中，所述丝杠浮动端轴承座固定在探测器支架上，所述丝杠固定端轴承座固定在支撑外环上，所述电机通过所述电机架设置在支撑外环外侧，所述电机通过所述联轴器与所述丝杠连接，在所述丝杠上设置有所述限束内环转接件；所述限束内环转接件与所述限束内环联接；

当所述电机旋转时，所述电机带动所述丝杠旋转，并通过所述限束内环转接件带动所述限束内环相对于所述限束外环移动。

其中较优地，所述支撑组件包含光轴导轨、外环转接支座和内环移动转接件；其中，

所述光轴导轨的一端与探测器环联接，另一端与支撑外环联接；所述限束内环通过所述内环移动转接件与所述光轴导轨联接并可在所述光轴导轨上自由移动；所述限束外环通过所述外环转接支座与所述光轴导轨联接，所述限束外环固定不动。

其中较优地，所述传动组件和所述支撑组件分别设置在所述射线源环中相邻两个射线源模组之间的安装间隙中。

其中较优地，两个所述传动组件对称设置在两个相对的安装间隙中，多个所述支撑组件分别设置在其余的安装间隙中。

其中较优地，还包括X光屏蔽内环和X光屏蔽外环，所述X光屏蔽内环安装在所述限束内环与所述探测器环之间，所述X光屏蔽外环安装在所述支撑外环上。

其中较优地，所述限束内环和所述限束外环具有同样的直径，所述限速内环和所述限束外环端面平行。

其中较优地，所述限束内环和所述限束外环分别是由金属材质制成的圆环形结构，截面形状为L型，并在内侧粘贴一层铅皮。

其中较优地，两个所述传动组件通过控制系统实现同步驱动。

其中较优地，所述控制系统包括计算机、主控制器、电机驱动器、电机、编码器及限位开关，其中，所述电机驱动器、所述电机、所述编码器及所述限位开关分别有2组。

其中较优地，所述限位开关为红外线光电开关，所述限位开关安装在探测器支架上位置固定不变，限位开关挡块安装在所述限束内环上。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种包括上述前准直装置的静态CT成像系统。所述静态CT成像系统还包括轴向平行设置的射线源环和探测器环；其中，所述射线源环由紧密排列成环形的多个X射线源组成，所述探测器环由紧密排列成环形的多个探测器组成；

在扫描时序控制器的控制下，各X射线源依照扫描时序发射X射线，所述X射线穿过所述前准直装置后，投照到对应的探测器上。

本发明所提供的用于静态CT成像系统的前准直装置，由限束内环和限束外环组成，通过传动丝杠带动限束内环进行移动，可对限束内环和限束外环之间的限束宽度进行连续调节，可以调节CT扫描的层厚。这种具有双环结构的前准直装置，适用于在射线源和探测器都是整环结构的静态CT成像系统中使用，用于实现对多焦点射线源发射的X射线进行限束，并且对所有射线源发射的X射线均不会造成影响。这种双环结构的前准直装置，结构新颖，对X射线的限束调节和屏蔽效果好，结构简单，成本低。

附图说明

图1是静态CT成像系统的结构示意图，展示了射线源环和探测器环；

图2是图1所示射线源环中的多焦点射线源的焦点分布和射线扇束范围示意图；

图3是本发明所提供的前准直装置中传动组件和支撑组件的布置位置示意图；

图4是本发明所提供的前准直装置的结构示意图；

图5是本发明所提供的前准直装置的传动组件的结构示意图；

图6是本发明所提供的前准直装置的限束原理示意图；

图7是本发明所提供的前准直装置的支撑组件的结构示意图；

图8是本发明所提供的前准直装置的运动控制示意图；

图9是前准直装置中，限位开关的安装结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行进一步地详细描述。

本发明所提供的前准直装置可用于对静态CT成像系统中射线源环中密集排列的多焦点射线源发出的X射线束进行限束和屏蔽无效X散射线。

如图1所示的静态CT成像系统，包括轴向平行设置的射线源环1和探测器环2，射线源环1和探测器环2不在同一平面内，射线源环1和探测器环2同心设置。其中，射线源环1由紧密排列成环形的多个X射线源20组成，探测器环2由紧密排列成环形的多个探测器21组成；在扫描时序控制器的控制下，各X射线源20依照扫描时序发射窄束X射线，窄束X射线穿过前准直装置然后透过被测物体后投照到对应的探测器21上，与此同时，扫描时序控制器控制对应的探测器21进行像素采集，其余探测器的像素区域处于不响应状态，这样，散射射线对有效的采集区域的贡献将大大减小。然后，探测器21将相应的曝光信息送入CT主机，用于完成图像的实时重建和可视化再现。

图2是图1所示射线源环1中的焦点分布和射线范围示意图，其中射线源环1包括密集排列的多个X射线焦点3，每个X射线焦点3发射窄束X射线，窄束X射线具有角度为θ的X射线扇角，相邻多个X射线焦点3发射的窄束X射线所对应的X射线范围均具有重叠。从图中可看出，在图1所示的射线源环1中，并不能像传统的螺旋CT一样在每个单一焦点的正前方安装一个前准直器，否则会遮挡相邻其他焦点的射线范围。

因此，本发明提供了一种全新的具有双环结构的前准直装置，该前准直装置通过合适的安装位置实现对多个焦点发出的X射线进行限束和屏蔽，并且限束宽度可调整，从而通过调整限束宽度调整CT扫描的层厚。CT扫描的层厚在CT的临床应用中是一个很重要的指标。

结合图3至图7可知，本发明所提供的用于静态CT成像系统的前准直装置，包括限束内环11和限束外环12，其中，限束内环11和限束外环12具有同样的直径，并平行设置在射线源环1和探测器环2之间，限束内环11和限束外环12端面平行。射线源环1中所有焦点在扇角θ范围内发射的X射线均可从限束内环11和限束外环12之间通过，限束内环11和限束外环12用于对X射线的宽度进行限制。限束外环12固定设置，限束外环12具有微调功能，限束外环12调整到位后固定；限束内环11可相对于限束外环12移动，从而改变限束内环11和限束外环12之间的限束宽度。图6所示为单个焦点所发射的X射线从限束内环11和限束外环12之间通过，并且，限束内环11和限束外环12分别对X射线两侧宽度进行限制的示意图，限束内环11和限束外环12之间的限束宽度决定了扫描层厚。

该前准直装置还包括至少两个传动组件和多个支撑组件。多个传动组件用于同时驱动限束内环11相当于限束外环12移动，多个支撑组件用于给限束内环11的移动提供稳定的支撑。传动组件和支撑组件的设置数量可以根据射线源环1中的射线源模组的数量决定。限束内环11在传动组件和支撑组件的作用下，可相对于限束外环12移动，从而改变限束内环11和限束外环12之间的限束宽度。

下面结合图1至图3，以具有6个射线源模组的射线源环1为例，对传动组件和支撑组件的设置方式进行介绍。如图2所示，射线源环1中密集排列的焦点3中具有几个空缺，该空缺的数量取决于射线源环的结构设计。一般地，射线源环1很难做成一个整体，射线源环1通常由几个射线源模组螺接组成，在相邻两个射线源模组之间具有安装间隙，传动组件和支撑组件分别设置在射线源环1中相邻两个射线源模组之间的安装间隙中。如图1所示，在本实施例给出的示例中，射线源环1由六个射线源模组组成，相邻的射线源模组之间的安装间隙正好是焦点空缺位置5，传动组件和支撑组件分别设置在射线源环1中的6个安装间隙中。这个位置可以作为传动组件中的丝杠或者支撑组件中的光轴导轨的安装位置。

下面以2个传动组件和4个支撑组件的安装方式为例进行介绍。如图3所示，第一传动组件13和第二传动组件14分别设置在相对的两个焦点空缺位置5上，第一支撑组件15、第二支撑组件16、第三支撑组件17和第四支撑组件18分别设置在其余四个焦点空缺位置5上，从而两个传动组件结合四个支撑组件可以给限束内环11和限束外环12提供稳定的驱动和支撑，使得限束内环11的整环结构可以同步移动。

下面结合图4至图7对本发明所提供的前准直装置的结构进行具体介绍。该前准直装置包含限束内环11、限束外环12、X光屏蔽内环23、X光屏蔽外环24、第一传动组件13、第二传动组件14、第一支撑组件15、第二支撑组件16、第三支撑组件17和第四支撑组件18。

其中，限束内环11和限束外环12是由金属材质制成的圆环形结构，其截面形状为L型(参见图6)，并在内侧分别粘贴一层铅皮，增加X光屏蔽能力。X光屏蔽内环23安装在限束内环11与探测器环2之间，用于遮挡照射到限束内环11和探测器环2之间的散射线；X光屏蔽外环24安装在支撑外环6上，用于遮挡照射到限束外环12和射线源环1之间的散射线。这样，X光屏蔽内环23、探测器环2、射线源环1和X光屏蔽外环24就形成了一个X射线的包围体，防止无效X光的泄露。

第一传动组件13和第二传动组件14的结构相同，在此仅以其中一个传动组件的结构进行介绍。如图5所示，传动组件包含电机7(含电机驱动器、编码器)、电机架27、联轴器28、丝杠8(例如滚珠丝杠)、丝杠固定端轴承座29、丝杠浮动端轴承座26、限束内环转接件9。其中，丝杠浮动端轴承座26固定在探测器支架10上，丝杠固定端轴承座29固定在支撑外环6上，电机7通过电机架27设置在支撑外环6外侧，电机7通过联轴器28与丝杠8连接，在丝杠8上设置有限束内环转接件9；限束内环转接件9与限束内环11联接。如图6所示，当电机7旋转时，电机7带动丝杠8旋转，并通过限束内环转接件9带动限束内环11相对于限束外环12移动。限束内环11和限束外环12之间的距离即为限束宽度。第一传动组件13和第二传动组件14对称设置在圆周上，可以同时给限束内环11的整个圆环结构提供相同的驱动力，驱使整个圆环同步移动。

第一支撑组件15、第二支撑组件16、第三支撑组件17和第四支撑组件18的结构相同，在此仅以其中一个支撑组件的结构进行介绍。如图7所示，支撑组件包含光轴导轨30、外环转接支座31和内环移动转接件32。四个光轴导轨30的一端分别与探测器环2联接，另一端与支撑外环6联接，这部分结构形成了整套前准直的支撑结构。限束内环11通过内环移动转接件32与光轴导轨30联接并可在光轴导轨30上自由移动；限束外环12通过外环转接支座31与光轴导轨30联接，限束外环12经微整到合适位置后固定不动。当第一传动组件13和第二传动组件14驱动限束内环11相对于限束外环12移动时，限束内环11带动内环移动转接件32沿着光轴导轨30稳定移动，从而保证了限束内环11的整个圆环结构相对于限束外环12同步移动。

上面对本发明所提供的前准直装置的结构进行了介绍，下面结合图8对该前准直装置的控制系统进行介绍。

第一传动组件13和第二传动组件14通过图8所示的控制系统可实现同步驱动。其中，丝杠8与限束内环11通过内环转接件9联接，从而实现限束内环11的前后移动，限束内环11移动后与限束外环12之间形成的间隙即为限束宽度，通过丝杠8的精确运动可实现限束宽度的微调，满足不同扫描层厚的需求。

前准直装置的运动控制示意图如图8所示，运动控制部分由计算机、主控制器、电机驱动器、电机7、编码器及限位开关35组成，其中，电机驱动器、电机7、编码器及限位开关35分别有2组。计算机用于发送运动控制指令和接收编码器的位置及限位开关的状态；主控制器用于实现前准直装置的运动控制功能，包括接收计算机发送的运动控制指令并产生电机驱动器的控制脉冲，对编码器反馈的位置脉冲进行计数，检测限位开关状态，将位置信息反馈给计算机；电机驱动器的作用是按接收到的控制脉冲和控制方向，产生步进电机的驱动电压电流信号；电机7的作用是在电机驱动器的控制下，带动前准直装置的运动执行机构进行运动；编码器的作用是对运动的实时位置进行测量，以脉冲的形式输出到主控制器，用于主控制器对编码器输出的脉冲进行计数，并计算实际的位置值。

限位开关的结构图见图9，限位开关35可以为红外线光电开关，限位开关35安装在探测器支架10上位置固定不变，限位开关挡块36安装在限束内环11上，当限束内环11和限束外环12之间的开口最大时，限位开关挡块36移入到限位开关35中，光电限位开关状态变化，主控制器会检测到限位开关35的实时状态。限位开关35有两个作用，一是作为限束内环11和限束外环12最大开口位置的限位检测，另一个是作为编码器计数值初始位置校正开关。

运动控制过程如下：系统上电后，主控制器控制2个电机7运动到限位开关35处停止，此时限束内环11和限束外环12之间的开口最大，当主控制器检测2个限位开关35到位后，分别对2个编码器的计数值设置为初始值，在后面的运动控制中，主控制器在此初始值的基础上进行加减计数。当主控制器收到计算机发送的运动控制指令后，同步控制两个电机7一起运动，两个电机7的运动速度和运动的总脉冲数相同，并根据编码器反馈的实际计数值进行运动补偿，使限束内环11和限束外环12在停止时保持平行。

上面对本发明所提供的用于静态CT成像系统的前准直装置进行了介绍。本发明同时提供了包括上述前准直装置的静态CT成像系统。相对于在每个X射线源模组下方单独设置准直器来说，本发明所提供的前准直装置具有双环结构，通过在射线源环和探测器环之间设置平行的限束内环和限束外环，对从射线源环中紧密排列的多焦点射线源发出的X射线进行限束，使得相邻焦点发出的X射线均能从限束内环和限束外环之间通过，并且对所有射线源发射的X射线均不会造成影响。相对于在单个射线源前独立设置准直器来说，上述双环结构可以避免在圆周方向对紧密排列的多焦点射线源发出的X射线造成阻碍。

综上所述，本发明所提供的用于静态CT成像系统的前准直装置，由限束内环和限束外环组成，通过传动丝杠带动限束内环进行移动，可对限束内环和限束外环之间的限束宽度进行连续调节，从而调节CT扫描的层厚。这种具有双环结构的前准直装置，适用于在射线源和探测器都是整环结构的静态CT成像系统中使用，用于实现对多焦点射线源发射的X射线的限束和对无效散射线的屏蔽。这种双环结构的前准直装置，结构新颖，尤其对窄束X射线的限束调节和屏蔽效果好，结构简单，成本低。并且，本发明同时提供了双环结构的传动组件和支撑组件，通过同步移动的两个传动组件，实现了限束内环整环结构的同步移动。

以上对本发明所提供的用于静态CT成像系统的前准直装置及其静态CT成像系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (12)

1.一种用于静态CT成像系统的前准直装置，其特征在于包括限束内环、限束外环、至少两个传动组件和多个支撑组件；

其中，所述限束内环和所述限束外环平行设置在射线源环和探测器环之间；所述限束外环固定设置；所述限束内环在所述传动组件和所述支撑组件的作用下，可相对于所述限束外环移动，从而改变所述限束内环和所述限束外环之间的限束宽度。

2.如权利要求1所述的用于静态CT成像系统的前准直装置，其特征在于：

所述传动组件包含电机、电机架、联轴器、丝杠、丝杠固定端轴承座、丝杠浮动端轴承座和限束内环转接件；

其中，所述丝杠浮动端轴承座固定在探测器支架上，所述丝杠固定端轴承座固定在支撑外环上，所述电机通过所述电机架设置在所述支撑外环外侧，所述电机通过所述联轴器与所述丝杠连接，在所述丝杠上设置有所述限束内环转接件；所述限束内环转接件与所述限束内环联接；

当所述电机旋转时，所述电机带动所述丝杠旋转，并通过所述限束内环转接件带动所述限束内环相对于所述限束外环移动。

3.如权利要求1所述的用于静态CT成像系统的前准直装置，其特征在于：

所述支撑组件包含光轴导轨、外环转接支座和内环移动转接件；其中，所述光轴导轨的一端与探测器环联接，另一端与支撑外环联接；所述限束内环通过所述内环移动转接件与所述光轴导轨联接并可在光轴导轨上自由移动；所述限束外环通过外环转接支座与所述光轴导轨联接，所述限束外环固定不动。

4.如权利要求1所述的用于静态CT成像系统的前准直装置，其特征在于：

所述传动组件和所述支撑组件分别设置在所述射线源环中相邻两个射线源模组之间的安装间隙中。

5.如权利要求4所述的用于静态CT成像系统的前准直装置，其特征在于：

两个所述传动组件对称设置在两个相对的安装间隙中，多个所述支撑组件分别设置在其余的安装间隙中。

6.如权利要求1所述的用于静态CT成像系统的前准直装置，其特征在于还包括X光屏蔽内环和X光屏蔽外环，所述X光屏蔽内环安装在所述限束内环与所述探测器环之间，所述X光屏蔽外环安装在所述支撑外环上。

7.如权利要求1所述的用于静态CT成像系统的前准直装置，其特征在于：

所述限束内环和所述限束外环具有相同的直径，所述限束内环和所述限束外环端面平行。

8.如权利要求1所述的用于静态CT成像系统的前准直装置，其特征在于：

所述限束内环和所述限束外环分别是由金属材质制成的圆环形结构，截面形状为L型，并在内侧粘贴一层铅皮。

9.如权利要求1所述的用于静态CT成像系统的前准直装置，其特征在于：

两个所述传动组件通过控制系统实现同步驱动。

10.如权利要求9所述的用于静态CT成像系统的前准直装置，其特征在于：

所述控制系统包括计算机、主控制器、电机驱动器、电机、编码器及限位开关，其中，电机驱动器、电机、编码器及限位开关分别有2组。

11.如权利要求10所述的用于静态CT成像系统的前准直装置，其特征在于：

所述限位开关为红外线光电开关，所述限位开关安装在探测器支架上，位置固定不变；限位开关挡块安装在所述限束内环上。

12.一种静态CT成像系统，包括轴向平行设置的射线源环和探测器环，其特征在于还包括权利要求1至11中任意一项所述的前准直装置；

其中，所述射线源环由紧密排列成环形的多个X射线源组成，所述探测器环由紧密排列成环形的多个探测器组成；

在扫描时序控制器的控制下，各X射线源依照扫描时序发射X射线，所述X射线穿过所述前准直装置后，投照到对应的探测器上。