CN110121298A - 移动式x射线设备的弧形件的支撑件 - Google Patents

Abstract

一种用于将移动式x射线装置的C形臂定位在水平位置中、从而使得标准的移动式x射线设备能够对直立站立的对象或患者实施CBCT采集的支撑装置。

Description

移动式x射线设备的弧形件的支撑件

技术领域

本发明总体涉及在移动式x射线设备上实施的锥形束图像的采集。

背景技术

锥形束计算机断层摄影术（或CBCT，也称为C形臂CT）是由X射线计算机断层摄影术组成的医学成像技术，其中X射线是发散的，从而形成锥形。尤其，CBCT在种植牙科、介入放射学(IR)中的治疗计划和诊断中已经变得越来越重要。CBCT胜于常规CT的优点在于，与CT检查相比，到患者的递送剂量较低。但是，还存在经济原因，即该技术原则上可以使用常规的基于C形臂的X射线设备实施，该设备与CT扫描仪装备相比，便宜得多。

也许是因为此技术的增加使用，CBCT扫描仪现在在牙科中发现许多应用，诸如在口腔外科和畸齿矫正学领域中。CBCT技术通常在此医学领域的专用X射线装备中实现。集成的CBCT也是图像引导放射治疗(IGRT)中的患者定位和验证的重要工具。在此应用中，用于实施CBCT采集的仪器（modality）与放射治疗设备自身相同。

还使用CBCT技术对其他身体部位（诸如四肢）进行成像。某些应用需要患者可以在站立或直立位置中成像。这例如是运动医疗保健的情况，但是并不限于此领域。存在各种技术解决方案来满足这些要求，并且其可以分成2组：

- 基于C形臂的系统（开环）

- 环形系统（闭环）。

这两种方法都有其特定限制和约束。

大多数闭环形系统是专用装备，其在大型静止装备和较小、但移动的设备之间变化。此处提及的大型静止设备大多数集成到专用房间中，并且无法用于对处于站立位置的患者进行成像，因为它们与患者在采集期间位于其上的工作台组合使用。在此情况下，源和探测器对在采集期间围绕其转动的旋转轴线水平定向。

在一些情况下，在市场上可获得的较小且移动的设备可以与站立患者一起使用，因为它们通常在考虑特定身体部位（诸如四肢）的情况下来设计。然而，这些设备的应用范围是有限的。患者接近采集区域并且在这些较小设备的采集期间操纵空间非常有限，这降低了患者舒适度。这些类型的系统大多数并不允许用于其他非既定应用。

然而，为了克服这些限制，系统被不断被改进。在本技术中（诸如例如在US8348506中）已经描述了若干系统，其中公开一种闭环装备，其尤其适于有助于患者接近设备的采集中心，目的是改善准备和采集期间的患者体验。

第二类CBCT系统是所谓的基于C形臂的系统，其基于数字X射线探测器以及X射线准直器和源按相对位置安装到其的C形可旋转臂。在围绕患者的单个轨道中，生成覆盖感兴趣的大解剖区的完整体积数据集，根据其，可以创建亚毫米的各向同性重建。高效的二维X射线探测器允许极佳的低剂量可探测能力，这是不存在于基于图像增强器探测器的3D血管造影系统上的能力。

基于C形臂的CBCT系统通常集成在固定或移动的X射线系统中。

固定的X射线系统中的C形臂通常安装到专用房间的墙壁或天花板，使得固定到所述刚性C形臂的探测器-源对可以围绕患者旋转，患者位于水平工作台上。工作台是x射线室装备的一部分并且专用于x射线系统。

在移动式x射线系统中，C形臂安装在移动式推车上，该移动式推车还包括x射线发生器、电池和图像处理工作站。C形臂安装在悬架系统或C形臂支架的悬挂点处。整个移动式x射线设备可以移动到患者所处的房间或区域。C形臂可以定位在患者周围，在x射线检查期间，患者通常躺在床上或干预工作台上。

在CBCT采集期间，C形臂通常定向在直立（垂直）位置中，以便使C形臂的弧形件实施垂直或近垂直定向的圆形路径。C形臂CBCT系统通过探测器-源对安装在其上的弧形件的单个210-220°（180°加上扇角）旋转生成完整的体积数据集。患者在整个采集期间静止。可以稍微调适所述旋转的圆形路径的倾斜度以便适应患者位置或特定采集要求，并且这通过改变弧形件和悬架系统或C形臂支架之间的悬挂点的倾斜度来实现。

然而，此倾斜度仅可在一定限度内调适。当探测器-源对的CBCT采集路径描述垂直定向的圆形移动时，可接受力（即，有限扭矩）被施加到悬挂点，在该悬挂点处C形臂附接到C形臂悬架系统。当圆形采集路径变得越来越倾斜时（即，当C形臂的弧形件的倾斜度增大时），不再是这种情况。特别是在C形臂定向在水平位置中的最极端情况下，当探测器-源对在采集期间旋转时，极端扭矩施加到C形臂系统的悬挂点。考虑到典型的C形臂测量直径为1米，并且准直器和x射线源组合的重量计及大约100kg，扭矩可以导致此构造为1000Nm。这些极端力防止C形臂在圆形移动期间的稳定移动，因为弧形件、探测器和源的组合重量在其旋转期间从一侧移位到另一侧。除了在这些情况下弧形件和悬挂点的内部摩擦可以完全防止系统移动的事实以外，在这些情况下很可能发生机械断裂。因此，在大多数C形臂系统中，C形臂的弧形件在悬挂点处的倾斜或倾斜度电子或机械受限以防止机械损坏和危险情况。因此，可以安全地指出，当C形臂处于水平位置中时，现今既无不固定的C形臂系统也无移动的C形臂系统支持CBCT采集。

另一问题是由于组件的重量和移动导致的采集期间的C形臂的机械挠曲。重建算法至少需要准确知道在采集期间源、探测器和对象的位置。在机械装备经受机械力的情况下，可能危害此准确知道。C形臂挠曲的大小在管和探测器组件中为几毫米并且在系统更加成角度时（我们已知的示例在45°的投影空间中显示高达14mm的C形臂挠曲）增加。在其中C形臂水平定位（以90°，或者在需要能够对直立站立的受试者实施CBCT采集的位置中）的最极端情况下，所描述的挠曲将甚至更引人注目，并且将在不采取补偿测量的情况下防止准确图像重建。

然而，由于只要实施适当的几何校准，C形臂挠曲便可再现，即使在陡峭测角下也是如此，因此精确3D重建是可能的。然而，由于该校准实施起来繁琐且复杂，并且由于其需要定期实施，因此如果可以完全避免此情况，则将更实用。

在使用基于C形臂的系统的CBCT采集期间遇到的第三个问题是整个系统（并且因此所附接的图像生成组件）在弧形件的圆形移动期间的振动。这些振动无法被忽视，并且对所产生（重建）的图像质量产生负面影响。如果可以减少或补偿这些振动，则将会更好。

发明内容

本发明提供一种用于在CBCT采集期间支撑移动式x射线装置的C形臂的可旋转弧形件的定位装置，其包括：基座，所述基座被构造成用于将所述装置定位在地板上并且支撑水平定位的C形顶部表面，所述基座高度可调节；水平定位的C形顶部表面，其适于支撑所述可旋转弧形件，其特征在于所述顶部表面包括摩擦减小机构，所述摩擦减小机构嵌入所述顶部表面中，从而沿由所述弧形件在CBCT采集期间实施的水平圆形轨迹的方向减小所述表面和所述可旋转弧形件之间的摩擦，如权利要求1中所阐述。

上述方面通过如在权利要求1中阐述的装置解决。

在本发明的上下文中，移动式x射线仪器大体由两个主要组件组成：便携式成像系统（包括C形臂）上的X射线发生器和图像系统以及用于存储和操纵图像的工作站单元。成像系统单元可以实施允许在多种条件下、并且甚至在介入治疗（诸如心脏病学、整形外科和泌尿学）中使用的多种移动。

C形臂提供适当结构来安装图像增强器或数字平板探测器和X射线管，其中光束限制设备（准直器）彼此直接相对定位。在本发明的上下文中，C形臂由悬架系统或C形臂支架、可旋转弧形件的悬挂点和可旋转弧形件自身组成。内部C形臂是探测器和源直接安装在其上的C形刚性拱形件。在本发明的上下文中，内部C形臂被称为可旋转弧形件。可旋转弧形件被捕获并保持（至少部分）在被称为外部C形臂的包封结构中。此外部C形臂借助于枢转安装结构枢转地附接到（大多垂直定向的）支架上。此枢转安装结构可以在支架上向上或向下移动。

外部C形臂充当履带托架，其旨在沿着通常总共横跨210-220度的圆形轨迹捕获和传送内部C形臂。

C形臂能够进行许多移动。当C形臂定位在其直立位置中（x射线源和准直器向上定向，并且探测器朝向底部定向）时，典型设备支持以下移动（这些数字在实际设备上测量并且仅充当示例）：

- 水平行程：约200 mm

- 轨道行程：约115度

- 机动垂直行程：460 mm

- 围绕水平轴线的C形臂旋转 +/- 210度。

在本发明的上下文中，假定C形臂结构旋转到水平位置中（这是适于直立或站立的受试者的CBCT采集的位置），此后面C形臂旋转被称为C形臂的水平圆形轨迹。此移动通过外部C形臂结构的履带托架中的马达在内部C形臂上实现。在本发明的上下文中，内部C形臂实施在CBCT采集期间横跨最大210度的水平圆形轨迹。源-探测器对在弧形件上方行进约210度（180°加上扇角）以便收集用于锥形束图像重建的所需投影数据。

本发明适用于移动式x射线设备，其移动方面涉及整个仪器可以从一个位置移动到另一位置的特征。换句话说，包括C形臂的系统是移动的，并且可以容易在一个位置处移动和重新定位。

本发明的对接机构是两部分式机械布置，其一部分在移动式x射线仪器上实现，并且另一部分在本发明的支撑和定位装置上实现。更特定来说并且优选地，在仪器侧预见有锁定机构，其可以将移动式x射线系统夹紧到支撑和定位装置侧处的尤其预见的点。对接机构确保移动式x射线仪器可以牢固、但可移除地附接到定位装置，并且这是在精确预先确定的夹紧点处，以便确保两个设备的预先确定且牢固联接。

在从属权利要求中阐述具体示例和优选实施例。

本发明的有益之处在于，在此申请中公开的支撑装置使得能够使用标准移动式x射线设备（C形臂）来借助水平C形臂移动实施CBCT采集。

本发明克服标准移动式x射线设备的机械限制以确保C形臂在用于CBCT采集的圆形移动期间的稳定且平滑移动。所公开系统的另一个优点在于，移动式x射线设备可以借助于对接机构容易地从支撑装置安装和拆卸。这确保移动式x射线设备仍可以像以前一样使用。另一优点在于，在弧形件的水平定位期间，不需要实施复杂校准或测量以计及采集几何结构的机械变形。而且，可以防止整个系统的振动，此类振动通常由弧形件在采集循环期间的移动引起。

根据以下描述和附图，本发明的其他优点和实施例将变得显而易见。

附图说明

图1显示本发明的定位装置的实施例。该附图用透视图显示实施例，并且指示其部件：水平定位的C形顶部表面[10]、基座[20]和摩擦减小机构[11]的实施例。

图2显示移动式基于C形臂的x射线设备，其C形臂结构旋转到水平位置中。C形臂结构和x射线设备的主要组件显示和指示在附图上：移动式推车[40]、内部C形臂结构[41]、外部C形臂结构[42]，箭头指示内部C形臂[46]在CBCT采集期间的水平圆形轨迹的方向。x射线源[44]和探测器[45]对按彼此相对位置安装在内部C形臂结构[41]上。C形臂结构借助于枢转安装结构[43]安装到垂直支架[47]。枢转安装结构可以上下移动。

图3显示结合移动式基于C形臂的x射线设备和位于设备的采集中心的直立站立的患者[30]的定位装置的稍微不同实施例。在该设备的此实施例中显示的差别（与图1中绘示的设备相比）是其基座[20]，所述基座[20]包括四个支撑支腿并且高度[21]可调节。还显示不同类型的摩擦减小机构[11]；一组轮子与内部C形臂结构的旋转路径对准。

具体实施方式

在以下详细描述中，足够详细地参考上述附图，从而允许所属领域的技术人员实践下文解释的实施例。

本发明的实施例提供一种用于在CBCT采集期间支撑移动式x射线装置的C形臂的可旋转弧形件[41]的定位装置，其包括：基座[20]，该基座[20]被构造成用于将所述装置定位在地板上并且支撑水平定位的C形顶部表面[10]；水平定位的C形顶部表面，其适于支撑所述可旋转弧形件，其特征在于所述顶部表面包括摩擦减小机构[11]，所述摩擦减小机构[11]嵌入所述顶部表面中，从而沿在CBCT采集期间实施的水平圆形轨迹的方向减小所述表面和所述可旋转弧形件[41]之间的摩擦。

在本发明中在图1中装置的被称为[20]的基座是该装置的充当装置在地板上的基架的部件。由于装置旨在承载至少C形臂的弧形件[41]和[42]、探测器[45]和具有准直器的x射线源[44]的重量，因此所述基座需要足够坚固以承载所述重量。因此，在不同的可能实施例中，基座[20]可以执行为不同形状的地板站立解决方案，其可以是实心基座，也可以是包括支撑支腿（诸如工作台的支腿）的基座。稳定性是最重要的因素，并且由于要承载的重量可能容易超过200kg，因此必须相应地选择材料。

在一些情况下，该装置的基座可以锚固到地板以便使安装更永久，并且同时提供更多稳定性。锚固基座具有如下优点：整个CBCT x射线系统的机械稳定性将增加，这将防止可能对采集质量产生负面影响的机械变形、振动和干扰等。

可选地，该装置的基座可能适于高度[21]可调节。不管所实现的基座的类型如何，调节基座的高度的设置是为了确保整个表面顶部[10]高度可调节。

由于该装置的基座必须支撑C形臂的C形弧形件，因此基座的形状适于弧形件自身的形状。这意味着，整体基架的形状或者在使用一组支腿的情况下，至少3个支撑支腿的布置适于维持C形弧形件。

C形件的形状差不多为圆形，这意味着，在原本圆形结构中预见切口以允许患者进入近似圆形采集中心。切口覆盖至少30°，从而留下最小开口以便得以进入装置的中心，同时所述切口应该至多140°-150°以便能够支持C形臂的（通常为210°-220°）的圆形运动。后来调适导致该装置的与所支撑弧形件自身的形状相比更接近闭合“C”的形状。

类似地，该装置的水平定位的C形顶部表面适于其需要支撑的C形臂的弧形件的形状。定位装置的顶部表面的理想形状优选地是水平定向的可旋转弧形件的下侧的表面的平坦区域的精确配合。此平坦区域可以覆盖所述弧形件的整个水平下侧，或者可以仅是弧形件的表面的更窄区域。

如上所述，水平定位的C形顶部表面搁置在装置的基座上。此顶部表面通常将必须由坚固材料制成，因为其必须将支撑C形臂的重量分布在其表面上。因此，顶部表面将具有至少由其需要分布的重量确定的一定厚度。

顶部表面不仅必须支撑C形臂的所支撑弧形件的重量，而且还需要促进弧形件在其沿着C形表面顶部的形状的移动期间的圆形运动。换句话说，顶部表面应该被调适成使得弧形件和定位装置（弧形件搁置在其上）的顶部表面之间的摩擦在其相应（圆形）运动期间被最小化。这可以借助于摩擦减小机构或材料的不同实施方案来实现。在此上下文中，可以使用在本领域中已知供用作两个部件的接触表面的2种低摩擦材料的组合来减小2个滑动表面之间的摩擦。此类材料的示例为聚四氟乙烯(PTFE)（更广泛称为铁氟龙）或“Delrin”（来自DuPont公司的产品）。对于实现此类应用，该表面的润滑看似是不切实际的。

替代性地，可以通过向表面顶部施用机械调适件来减小2个部件（C形臂的弧形件和定位装置的表面顶部）之间的摩擦。这些调适件可以是一系列轮子，其施用到2个表面（定位装置的顶部表面，或C形臂的弧形件的下表面）中的任一者。然后，所述轮子布置的行进方向遵循弧形件相对于定位装置的相对移动的相同圆形轨迹。因此，轮子的旋转轴线应该从C形件的中心沿径向方向并且平行于表面顶部布置。为了确保最小接触，必须施用最少3个轮子，但是优选地，具有在C形件的整个长度上布置在等距位置处的多个轮子（大于20个），并且这甚至呈超过1个圆形行形式。更多轮子确保弧形件的重量在可用轮子上的更好分布，并且还确保更平滑（无振动）的圆形移动。

在另一实施例中，可以用内置到表面顶部的表面的一组轴承、滚珠轴承或滚轮轴承替代该轮子布置。这些替代物的滚动方向应该遵循C形臂（弧形件）的可移动部分的相同圆形形状以便最佳地减小摩擦。因此，轮子、轴承、滚珠轴承或滚轮轴承按弧形构型设置，其中滚动方向遵循C形臂的可移动部分的圆形形状。

本发明中的定位装置始终结合具有实施锥形束采集的能力的移动式基于C形臂的x射线设备使用。移动式x射线设备必须满足以下要求：

- 其能够将C形臂定向到水平位置中，

- 其必须能够执行CBCT采集循环（在弧形件上约210-220°的半圆形采集路径期间实施连续曝光），

- 其必须能够处理/重建所采集图像数据。

在第一步骤中并且作为用于将C形臂定位到定位装置上的准备步骤，将C形臂定位到垂直（或直立）位置中，从而确保悬挂点被提升高于定位装置的表面顶部。随后，将C形臂的弧形件旋转到其搁置位置中（即，源将在C形臂的顶部上，并且探测器在底部处）。当C形臂处于此位置中时，C形臂可以倾斜（围绕悬挂点旋转），而没有对C形臂进入到水平位置中造成损坏的任何风险。首先将弧形件放置在其搁置位置中会确保弧形件或多或少地达到平衡，从而避免悬挂点上的不必要力（扭矩）。

在第二步骤中，使移动式x射线设备接近定位装置。在将C形臂降低到表面顶部上之前，在表面顶部上方移动C形臂（其处于水平位置中）并使其与表面顶部对准。

定位装置的表面顶部的高度确定可以对站立的受试者实施的成像应用的范围。在定位装置可以以不同可调节高度支撑C形臂的弧形件的情况下，可以支持许多各种不同应用。当高度可以从0 cm调节到100 cm时，可以对直立站立或坐着的受试者成像人体的下部部分的几乎任何感兴趣区，这是优于本领域中已知的不同设备的适用性的巨大优点。

当C形臂的弧形件下降到装置的表面顶部上时，必须确保弧形件正确且牢固地定位在表面上，从而允许弧形件沿着由摩擦减小机构预见的路径实施圆形移动。

在本发明的另一实施例中，可以预见可选的对接机构，其需要在C形臂（诸如外部C形臂）的采集序列期间适于定位装置和不动部分两者。不动部分是C形臂的一部分，其在CBCT采集所需的移动期间并不移动。对接机构必须被理解为，定位装置能够接纳C形臂的一部分，以便将其锁定到机械握把中以确保C形臂弧形件与表面顶部的更正确和稳定对准。可以设想许多不同的对接机构实施方案；但是共同要求是对接机构能够使两个组件在3个正交方向上不动。因此，可以假设对接机构与两个组件的至少2个点接触，以便确保牢固附接。

一旦C形臂定位（并且可选地对接）到定位装置上，便可以定位患者，并且x射线设备可以开始锥形束采集。为此目的，弧形件将旋转到其极端角度中的一者以呈现起始点。此时，定位装置维持弧形件的总表面（和重量）的至少75%，这使C形臂免受原本将施加到其的极大力。

当圆形移动开始以采集CBCT数据集时，弧形件搁置在定位装置的（几乎）无摩擦表面上，从而允许整个轨迹上的平滑且良好控制的通道。在采集期间完全没有上述负面影响（振动、机械变形…），这致使好得多的图像重建质量和较少的机械问题（诸如磨损和断裂）。

Claims (10)

1.一种用于在CBCT采集的圆形移动期间支撑移动式x射线装置[40]的C形臂的可旋转弧形件[41]的定位装置，其包括：

- 基座[20]，其被构造成用于将所述装置定位在地板上并且支撑水平定位的C形顶部表面[10]，

- 水平定位的C形顶部表面[10]，其被布置成以一种方式支撑所述可旋转弧形件[41]，使得当水平定位并且处于支撑状态时，所述C形臂的所述可旋转弧形件[41]的其半圆形表面的至少75%搁置在所述水平定位的C形顶部表面[10]上，并且所述C形顶部表面[10]的形状适于所述所支撑可旋转弧形件[41]的下侧的表面的形状，

- 所述水平定位的C形顶部表面[10]还包括嵌入所述C形顶部表面中的摩擦减小机构[11]，所述摩擦减小机构[11]被布置成当所述可旋转弧形件[41]水平定位并且处于支撑状态时减小所述C形顶部表面[10]和所述可旋转弧形件[41]的所述下侧的表面的所述平坦区域之间的摩擦，

-所述摩擦减小机构[11]以一种方式沿水平圆形轨迹[46]的方向对准，使得当所述可旋转弧形件[41]水平定位并且处于支撑状态时被允许沿着预见路径实施所述水平圆形轨迹。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述C形为接近圆形。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述C形中的切口覆盖在30°和150°之间。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述基座高度可调节。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其包括对接机构以用于在CBCT采集序列期间将所述移动式x射线设备的所述水平定位的C形臂的不动部分按固定位置锁定到所述基座。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述对接机构优选地附接到所述C形臂的枢转点。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述机械摩擦减小机构[11]包括内置到所述表面并且按弧形构型设置的一组多个轮子、滚珠、轴承或滚轮，其中所述轮子的滚动方向遵循所述移动式x射线设备的所述C形臂的可移动部分的圆形形状。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述基座包括单个块状支撑结构。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述基座包括至少3个支撑支腿。

10.一种用于实施直立站立的患者的CBCT采集的X射线设备，其包括：

- 根据权利要求1所述的装置，

- 移动式x射线设备，其具有C形臂台架，所述C形臂台架支撑按在直径上相对的构型定位的X射线源和数字探测器并且允许围绕待成像对象的圆形移动。