CN111887870A - 防散射x射线计算机断层仪及使用方法 - Google Patents
防散射x射线计算机断层仪及使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了防散射X射线计算机断层仪及使用方法，属于医疗设备领域，包括倾斜支架和旋转支架，旋转支架相对倾斜支架转动连接，旋转支架上均布有多个X射线光源‑后准直器组件，倾斜支架上设有探测器组件，探测器组件为圆形，且设在X射线光源‑后准直器组件的外圈；X射线光源‑后准直器组件包括配对设置且位置相对固定的X射线光源和后准直器，探测器组件用来接收直接来自X射线光源、通过后准直器的主射线；旋转支架的中部设有成像区，系统可对成像区内的患者组织进行结构成像，X射线光源和后准直器相对成像区异侧设置。本发明设置后准直器，解决了散射的问题，提升扫描速度，提高成像质量。
Description
技术领域
本发明属于医疗设备领域，涉及医学影像设备，尤其涉及防散射X射线计算机断层仪及使用方法。
背景技术
CT即电子计算机断层扫描，它是利用X线束，与X射线探测器一同围绕人体的某一部位进行断面扫描，具有扫描时间快，图像清晰等特点，可用于多种疾病的检查，CT发展经历了五代，以下介绍一下各代CT的结构和特点：
a.第一代CT，采取旋转/平移方式进行扫描采集，一个角度的投影由于采用笔形X线束和对应1～2个探测器采用平移扫描的方式获得；然后旋转到下一个角度，采集下一个角度的投影。第一代CT采集的数据少，耗时长，图像质量差。
b.第二代CT，扫描方式也采取旋转/平移方式，X射线由笔束变为扇形，探测器对应增至几十个。第二代CT扫描范围、采集数据均有所增加，扫描速度有所加快，图像质量亦有所提高。
第一代CT、第二代CT，时间分辨率太差，只能用于头颅和四肢成像；扫描时间也太过于长。在当今的临床上已无应用。
c.第三代CT，扫描方式为旋转方式，探测器数量增至成百上千个，一个角度内的投影由探测器一次完成，不需要探测器的平移。第三代CT，扫描时间在以内，伪影大为减少，图像质量明显提高。
第三代CT，是当前CT的最主要存在形式，与最初的雏形第三代CT相比，加入了滑环和多排探测器等技术。第三代CT的缺点是，转盘转速已经接近机械和部件的极限；多光源、多组探测器的解决方案，布置两组就基本没有空间了。
d.第四代CT，探测器数量更多，多达几千个；探测器呈圆环状排列，探测器不再需要旋转，只有X射线管围绕患者旋转，即旋转/固定式。第四代CT扫描速度较快。
第四代CT，受成本较高的困扰，但其最大问题是散射问题得不到解决。
e.第五代CT，利用一个电子枪产生的电子束轰击环形钨靶，圆环形排列的探测器采集信息。第五代CT，扫描速度最快。
第五代CT，设备庞大、设备复杂，成本太高；第五代CT还存在高真空、高散射等技术问题。
发明内容
本发明要解决的问题是在于提供防散射X射线计算机断层仪及使用方法，设置后准直器，解决了散射的问题，提升扫描速度，提高成像质量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：防散射X射线计算机断层仪及使用方法，包括倾斜支架和旋转支架，所述旋转支架相对倾斜支架转动连接，所述旋转支架上均布有多个X射线光源-后准直器组件，所述倾斜支架上设有探测器组件，所述探测器组件为圆形，且设在所述X射线光源-后准直器组件的外圈；
所述X射线光源-后准直器组件包括配对设置且位置相对固定的X射线光源和后准直器，所述探测器组件用来探测通过后准直器的X射线；
所述旋转支架的中部设有成像区，系统可对成像区内的患者组织进行结构成像，所述X射线光源和后准直器相对成像区异侧设置。
进一步的，所述倾斜支架、旋转支架和成像区均同轴设置，所述旋转支架通过轴承结构相对倾斜支架转动连接，所述旋转支架与在倾斜支架上旋转，具体连接和驱动方式为行业共知，不做具体限定。
进一步的，所述后准直器设置在旋转支架上，位于成像区与探测器之间，所述后准直器的每个单元均与所述X射线源的焦点对齐设置。
进一步的，每次采集时，后准直器在探测器组件上方停留时间总占比相同，遵循以下公式：
准直器隔板的角速度×旋转中心到探测器的距离×一帧采集时间＝像素中心距的整数倍。
进一步的，所述探测器组件包括底座、支板、电路板和探测器，所述底座为圆形，所述支板为L形且固锁在所述底座上，多个所述支板均布设置且形成圆形，所述电路板固定在所述支板靠近后准直器的一侧，一个支板对应一个电路板设置，所述探测器设在所述电路板远离所述支板的一侧，一个电路板对应一个探测器设置；
所述电路板相对X射线源布置在视野的异侧，所述电路板与旋转中心线平行，各个所述电路板的扩展面均经过X射线源的焦点。
进一步的，所述倾斜支架的两侧架设在固定支架上且与所述固定支架铰接，所述倾斜支架的一侧设有驱动件，所述驱动件的一端铰接在所述固定支架上，另一端的出力轴与所述倾斜支架的下端铰接。
进一步的，所述驱动件为油缸或电动推杆，所述驱动件的数量为两个且在所述倾斜支架的宽度方向分散设置，所述倾斜支架的出力轴通过U形的铰接座与所述倾斜支架铰接，另一端通过U形的铰接座与所述固定支架铰接。
进一步的，所述倾斜支架为板状结构，所述倾斜支架一侧的两端设有加强筋，所述固定支架包括底板，所述底板上端面的两侧设有支柱，所述加强筋通过轴承结构与所述支柱铰接，所述支柱上设有减重孔。
1、防散射X射线计算机断层仪的使用方法，包括以下步骤，
S1、患者定位，患者位于成像区内，居中，根据不同的患者需求，通过驱动件进行旋转支架的倾斜角度调整；
S2、旋转支架旋转，同时探测器组件相对旋转支架静止不动，X射线源在进行X射线曝光的同时，与后准直器一起绕患者旋转，进行数据采集；
S3、数据采集，在每一个采集角度，主射线通过后准直器从而被探测器接收，大部分散射线被后准直器阻挡，三组X射线光源-后准直器组件同时曝光，旋转支架进行120°的旋转，完成旋转一周所需的采集数据。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果如下。
1、本发明均布有多个X射线光源-后准直器组件，实现多光源快速采集，完成一圈投影采集的时间更短了；而且多组对称摆放，动平衡更容易实现，有利于转速的提高，后准直器的使用，很大程度上解决了困扰第四代CT的散射问题；
2、本发明的探测器组件固定在倾斜支架上，探测器静态设置，这样传统结构中的滑环中将不再需要大数据量的数据传输通道，从技术上为更多排的探测器、甚至覆盖全身的探测器的使用提供了可能，探测器与后准直器的分离，后准直器与X射线光源相对固定的一起旋转去除散射，提高系统稳定性和数据传输速度。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明防散射X射线计算机断层仪及使用方法正视的结构示意图；
图2是本发明防散射X射线计算机断层仪及使用方法后视的结构示意图；
图3是本发明图2的A部详图；
图4是本发明倾斜支架和旋转支架及相关零件配合后正视的结构示意图；
图5是本发明倾斜支架和旋转支架及相关零件配合后在形成光源区的结构示意图；
图6是本发明倾斜支架和旋转支架及相关零件配合后后视的结构示意图；
图7是本发明探测器组件的结构示意图；
图8是本发明后准直器正视的结构示意图；
图9是本发明后准直器后视的结构示意图。
附图说明：
1、固定支架；11、底板；12、支柱；121、减重孔；13、驱动件；131、铰接座；2、倾斜支架；21、槽轮；22、皮带；23、旋转电机；24、加强筋；3、旋转支架；31、底座；311、加强凸起；312、定位凸起；32、支板；33、电路板；34、探测器；4、X射线光源；5、后准直器；51、第一挡板；52、第二挡板；6、成像区；8、光源区。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为相对的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
后准直器一般是由高原子序数的的金属制成的一维栅格或二维栅格，后准直器可以让垂直于对应栅格的X射线通过，对其他方向的X射线有阻碍其通过的能力；后准直器在第三代CT中广泛采用；本专利提出在第四代CT中采用后准直器。
如图1-图9所示，防散射X射线计算机断层仪及使用方法，包括倾斜支架2和旋转支架3，旋转支架3相对倾斜支架2转动连接，旋转支架3上均布有多个X射线光源-后准直器组件，倾斜支架2上设有探测器组件3，探测器组件3为圆形，且设在X射线光源-后准直器组件的外圈；多组X射线光源4可连续曝光，这样在多组布局时X射线光源4、探测器组件3直接可严格等间隔布置，不同组的探测器34的采集可同步进行；本申请中，采用三组X射线光源-后准直器组件同时采集，只需旋转1/3圈即可获取传统CT一周扫描才能获取的数据，将采用专门针对多源同时采集的算法，进行数据处理和图像重建，快速得到高质量的断层图像。
X射线光源-后准直器组件包括配对设置且位置相对固定的X射线光源4和后准直器5，探测器组件3用来接收X射线光源4中通过后准直器5的主射线；X射线光源4发射后形成光源区8。
旋转支架3的中部设有成像区6，系统可对成像区内的患者组织进行结构成像，X射线光源4和后准直器5相对成像区6对称设置。
探测器组件3为圆形，为了实现高速旋转，快速采集，圆形的探测器组件3围绕患者一圈组成静止探测器34环的方案，通过该技术方案，使得多角度同时采集成为可能，从而可极大缩短数据采集时间，同时，由于扫描中，探测器组件3固定在倾斜支架2上，始终保持静止，探测器组件3将不处于旋转支架3的旋转部分，与旋转支架3分离设置，极大减轻轴承压力，既能保证扫描中更稳定的动平衡，又能减少磨损增加系统的使用寿命，采用探测器34环固定的方案，数据传输不用通过滑环，也无需通过无线传输，直接通过有线连接即可得到，能够实现更快速更稳定的数据传输。
X射线源产生X射线，在通过患者后，会产生大量的散射线，对采集信号造成干扰，影响图像质量，通过其对侧放置后准直器5，且后准直器5的每个单元与X射线源的焦点严格对齐，在任意采集角度，只有处于后准直器5单元与X射线源焦点连线上的射线才能通过准直器被探测器34接收，而绝大部分散射线都不处于准直器单元的接收角内，从而被阻止，旋转过程中，每一组X射线源和后准直器5一起旋转，相对位置不变，从而确保任意角度都能去除大部分的散射线，本申请通过三组X射线光源-后准直器组件的均匀分布，实现多源同时采集，提高采集速度，更优选地，X射线光源-后准直器组件也可采用更多组进行均布设置，同样可以达到本申请的技术效果。
后准直器5靠近探测器组件3入射面的地方安装，后准直器5一般采用一维或者二维准直器，在本申请中，采用二维准直器，后准直器5采用立体的圆环式框架结构，后准直器5的内部前端均布有多个竖直设置的第一挡板51，第一挡板51的延展面经过多个X射线光源4的焦点设置，后准直器5内部的后端设置多个水平设置的第二挡板52，第二挡板52和第一挡板51垂直设置，多个第一挡板51均布设置，多个第二挡板52均布设置，进一步过滤了散射光源，有利于提升成像的质量。
优选地，倾斜支架2、旋转支架3和成像区6均同轴设置，旋转支架3通过轴承结构相对倾斜支架2转动连接，旋转支架3远离倾斜支架2的一侧设有槽轮21，槽轮21内设有驱动其转动的皮带22，皮带22通过固设在倾斜支架2上的旋转电机23驱动，皮带22结构简单，成本低，动力传递更加稳定可靠。
优选地，后准直器5的外圈与探测器组件3的内圈平行设置，后准直器5靠近探测器组件3的内圈设置，后准直器5的每个单元均与X射线源的焦点对齐设置。
优选地，通过旋转支架3设计，保证扫描数据的重复性，旋转支架3可360度旋转，满足全周扫描的需求，每次采集时，后准直器5在探测器组件3上方停留时间总占比相同，遵循以下公式：准直器隔板的角速度×旋转中心到探测器34的距离×一帧采集时间＝像素中心距的整数倍，这样可以让转动起始位置不确定性带来的影响降至最低，后准直隔板在每次投影采集时，扫过探测器34像素的间隔的整数倍，例如：一圈，4000个像素；后准直器5与探测器组件3一一对应，一圈采样4000次，则后准直器5的运动，不会产生伪影，通过上述设置，只要旋转支架3的旋转速度稳定，对曝光时间起点没要求。
优选地，探测器组件3包括底座31、支板32、电路板33和探测器34，底座31为圆形，支板32为L形且固锁在底座31上，多个支板32均布设置且形成圆形，电路板33固定在支板32靠近后准直器5的一侧，一个支板32对应一个电路板33设置，探测器34设在电路板33远离支板32的一侧，一个电路板33对应一个探测器34设置；每个组探测器的中心法线经过旋转中心，多个探测器34形成环状的结构，可为单排或多排设置，在实际使用的过程中，探测器组件3和X射线源跟随倾斜支架2一起倾斜设置，方便对患者进行图像的采集，数据采集更加全面和到位，由于本结构采用后准直器5与探测器组件3分离，和X射线源一起旋转，旋转支架3与传统CT系统有很大差别，本申请的旋转支架3，确保每一组X射线源和后准直器5在任意角度都保持相对位置不变，且保证数据采集时每一个准直器单元和探测器34单元都能严格对齐。
更优选地，底座31的上端设有加强凸起311，底座31靠近成像区6的一侧设有向上的定位凸起312，探测器34的下端与定位凸起312的上端面接触设置，对探测器34起到一定的支撑作用，同时对其安装位置起到限位的作用，保证多个探测器34的高度位置一致，提升结构的安装定位精度，有利于后续图像采集的质量，保证旋转120即可实现一周的图像采集。
电路板33相对X射线源布置在视野的异侧，电路板33与旋转中心线平行，各个电路板33的扩展面均经过X射线源的焦点，后准直器5随旋转支架3一起转动，后准直器5的上下端面与旋转中心线垂直，或接近垂直各个准直器片的扩展面经过旋转中心，X射线源焦点是围绕旋转中心旋转的，平均意义上近似到旋转中心，造成的误差较其他方法可能比较好。
电路板33相对X射线源布置在视野的异侧，电路板33与旋转中心线平行，各个电路板33的扩展面均经过X射线源的焦点，后准直器5随旋转支架3一起转动，后准直器5的上下端面与旋转中心线垂直，或接近垂直各个准直器片的扩展面经过旋转中心，X射线源焦点是围绕旋转中心旋转的，平均意义上近似到旋转中心，造成的误差较其他方法可能比较好。
后准直器5造成的主束损失，因CT算法是基于透射扫描与亮场的比，所以恒定比例的损失，对图像影响较小，但考虑到光源位置不同亮场不同，所以，本CT的亮场数据，是光源的每个位置，有一个对应的亮场数据，这里说明一下，探测器34、准直器、光源焦点的相对位置不固定，是本专利的特点和难点。
优选地，倾斜支架2的两侧架设在固定支架1上且与固定支架1铰接，倾斜支架2的一侧设有驱动件13，驱动件13的一端铰接在固定支架1上，另一端的出力轴与倾斜支架2的下端铰接，驱动件13的出力轴伸缩，实现了对倾斜支架2的倾斜和摇摆控制，方便多个角度进行数据的采集；更优选地，驱动件13为气缸、油缸或电动推杆，也可以采用其他等效结构，实现前后伸缩，能带动倾斜支架2角度的调整即可，驱动件13的数量为两个且在倾斜支架2的宽度方向分散设置，受力更加均衡，倾斜的过程中更加平稳，在实际应用的过程中，两个驱动件13采用同一个控制中心，保证两个驱动件13的同步性，倾斜支架2的出力轴通过U形的铰接座131与倾斜支架2铰接，另一端通过U形的铰接座131与固定支架1铰接，此结构中，铰接座131采用加工件即可实现。
优选地，倾斜支架2为板状结构，采用型材加工而成即可，这样取材方便，成本低，根据实际使用的需求，外表面涂敷防锈漆层，颜色可任意进行调整，根据实际情况进行选择和设定，倾斜支架2一侧的两端设有加强筋24，固定支架1包括底板11，底板11上端面的两侧设有支柱12，加强筋24通过轴承结构与支柱12铰接，支柱12上设有减重孔121，减少支柱12的重量，一定程度上，降低了整个结构的重量，提升了整个结构移动的便捷性，后续量产应用的时候，整个结构可放置到移动结构上，可以是移动小车或者其他的固定结构，方便进行转移和搬运，提升整个设备的利用率。
在实际工作的过程中，执行CT扫描时，探测器组件3静止不动，光源在进行X射线曝光的同时，与后准直器5一起绕患者旋转，进行数据采集，通过后准直器5与X射线源的位置相对固定，在每一个采集角度，都只有主射线能通过后准直器5从而被探测器34接收，而大部分散射线都可被后准直器5阻挡，从而提高图像质量，通过三组X射线光源-后准直器组件同时曝光，只需进行120°的旋转，即可完成旋转一周所需的采集数据，通过专门的数据处理系统，便可快速得到断层图像，本申请在去除散射的同时，能够实现超快扫描。
除了本申请中提及的结构，以下结构也在本申请的保护范围之内，Z向增加多组球管，以保证更大覆盖的设计，也受本专利的保护；通过稀疏投影和重建是本专利实现低剂量的一个手段；也可通过低mA实现低剂量，也可通过人工智能辅助进行投影和重建。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.防散射X射线计算机断层仪，其特征在于：包括倾斜支架和旋转支架，所述旋转支架相对倾斜支架转动连接，所述旋转支架上均布有多个X射线光源-后准直器组件，所述倾斜支架上设有探测器组件，所述探测器组件为圆形，且设在所述X射线光源-后准直器组件的外圈；
所述X射线光源-后准直器组件包括配对设置且位置相对固定的X射线光源和后准直器，所述探测器组件用来探测通过后准直器的X射线；
所述旋转支架的中部设有成像区，系统可对成像区内的患者组织进行结构成像，所述X射线光源和后准直器相对成像区异侧设置。
2.根据权利要求1所述的防散射X射线计算机断层仪，其特征在于：所述倾斜支架、旋转支架和成像区均同轴设置，所述旋转支架通过轴承结构相对倾斜支架转动连接，所述旋转支架远离所述倾斜支架的一侧设有槽轮，所述槽轮内设有驱动其转动的皮带，所述皮带通过固设在所述倾斜支架上的旋转电机驱动。
3.根据权利要求1所述的防散射X射线计算机断层仪，其特征在于：所述后准直器设置在旋转支架上，位于成像区与探测器之间，所述后准直器的每个单元均与所述X射线源的焦点对齐设置。
4.根据权利要求1所述的防散射X射线计算机断层仪，其特征在于：每次采集时，后准直器在探测器组件上方停留时间总占比相同，遵循以下公式：
准直器隔板的角速度×旋转中心到探测器的距离×一帧采集时间＝像素中心距的整数倍。
5.根据权利要求1所述的防散射X射线计算机断层仪，其特征在于：所述探测器组件包括底座、支板、电路板和探测器，所述底座为圆形，所述支板为L形且固锁在所述底座上，多个所述支板均布设置且形成圆形，所述电路板固定在所述支板靠近后准直器的一侧，一个支板对应一个电路板设置，所述探测器设在所述电路板远离所述支板的一侧，一个电路板对应一个探测器设置；
所述电路板相对X射线源布置在视野的异侧，所述电路板与旋转中心线平行，各个所述电路板的扩展面均经过X射线源的焦点。
6.根据权利要求1-5任一项所述的防散射X射线计算机断层仪，其特征在于：所述倾斜支架的两侧架设在固定支架上且与所述固定支架铰接，所述倾斜支架的一侧设有驱动件，所述驱动件的一端铰接在所述固定支架上，另一端的出力轴与所述倾斜支架的下端铰接。
7.根据权利要求6所述的防散射X射线计算机断层仪，其特征在于：所述驱动件为气缸、油缸或电动推杆，所述驱动件的数量为两个且在所述倾斜支架的宽度方向分散设置，所述倾斜支架的出力轴通过U形的铰接座与所述倾斜支架铰接，另一端通过U形的铰接座与所述固定支架铰接。
8.根据权利要求7所述的防散射X射线计算机断层仪，其特征在于：所述倾斜支架为板状结构，所述倾斜支架一侧的两端设有加强筋，所述固定支架包括底板，所述底板上端面的两侧设有支柱，所述加强筋通过轴承结构与所述支柱铰接，所述支柱上设有减重孔。
9.权利要求1-6任一项所述的防散射X射线计算机断层仪的使用方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、患者定位，患者受检部位位于成像区内，居中，根据不同的患者需求，通过驱动件进行旋转支架的倾斜角度调整；
S2、旋转支架旋转，同时探测器组件相对旋转支架静止不动，X射线源在进行X射线曝光的同时，与后准直器一起绕患者旋转，保证进行数据采集时对散射线的屏蔽；
S3、数据采集，在每一个采集角度，主射线通过后准直器从而被探测器接收，大部分散射线被后准直器阻挡，三组X射线光源-后准直器组件同时曝光，旋转支架进行120°的旋转，就可完成旋转一周投影所需数据的采集。
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