CN113303821A - 一种x射线数字成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X射线数字成像系统，所述X射线数字成像系统包括U型臂、设置在所述U型臂第一端的X射线球管模组、设置在所述U型臂第二端的平板探测器，所述X射线数字成像系统还包括与所述X射线球管模组连接的X射线发生器模组，所述X射线发生器模组部分或全部地设置于所述第二端。本发明提供的X射线数字成像系统减少了整个成像系统的总重量，有助于降低旋转轴的负载设计要求以及提高旋转运动成像时的稳定性。

Description

一种X射线数字成像系统

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，特别涉及一种X射线数字成像系统。

背景技术

X射线成像系统在医疗领域中有着越来越多的应用，能够对人体的特定部位进行扫描，扫描结果能够辅助医生作出诊断，甚至往往是重要的诊断依据，在脑科、骨科、牙科等领域都有重要的作用。

现有技术中，X射线球管模组和X射线发生器模组一般都位于U型臂的发射源一侧，两者的总重量大大高于另一端平板探测器的重量；此外，因成像需要，被探测的物体一般会更靠近探测器侧。因此，传统U型臂的设计往往会在探测器端增加一定非功能相关的负重予以重量平衡，或者大幅增强转轴处连接部分的机械强度去补偿受力不均匀造成的负面影响，这大大提高了整个成像系统的成本。

过重的系统也会进一步降低旋转运动成像时拍摄的稳定性、拍摄速度，对诊断的准确性有负面影响；并且，过重或配重不平衡的系统还会加快U型臂转轴的磨损速度，缩短X射线成像系统的使用寿命。

除此以外，系统的X光发射源和探测器一般是基于特定场景需求，被设计成相对固定的配合。这往往无法实现X光发射源与其他场景下平板探测器的组合应用，X光发射源的利用率不能被充分利用。

并且，X射线球管模组中的发射球管一般采用平躺式设计，即，阴极灯丝和阳极靶处于同一平面；定义该平面为右手直角系中的x-y平面，由于X射线球管特有的足跟效应，会导致观测物体接收到的y方向两侧的X射线能量大小不一致，进而造成探测器成像时两侧的X光能量密度有很大的差异，这不利于系统在某些特定场景下的应用；比如，牙科诊治中获取口腔影像时，足跟效应会使得部分影像不够清晰，严重时可能导致漏诊或误诊。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种X射线数字成像系统，能够减少整个成像系统的总重量，从而降低旋转轴的负载设计要求以及提高旋转运动成像时的稳定性，也为球管的其它设置方式提供了可能。所述技术方案如下：

本发明提供了一种X射线数字成像系统，所述X射线数字成像系统包括U型臂、设置在所述U型臂第一端的X射线球管模组、设置在所述U型臂第二端的平板探测器，所述平板探测器与所述X射线球管模组相对设置，所述X射线数字成像系统还包括与所述X射线球管模组连接的X射线发生器模组，所述X射线发生器模组部分或全部地设置于所述第二端，所述X射线发生器模组通过高压电缆与所述X射线球管模组连接。

进一步地，所述X射线发生器模组包括X射线发生器高压逆变电路、X射线发生器控制电路、X射线发生器电源电路，且所述的X射线发生器高压逆变电路、X射线发生器控制电路、X射线发生器电源电路中的一个或多个设置于所述的第二端。

进一步地，所述X射线发生器高压逆变电路部分或全部地设置于固体绝缘材料中。

进一步地，所述固体绝缘材料为固态硅胶和/或气凝胶。

进一步地，所述X射线发生器高压逆变电路到所述平板探测器的距离大于所述X射线发生器控制电路和/或所述X射线发生器电源电路到所述平板探测器的距离。

进一步地，所述X射线发生器高压逆变电路到所述平板探测器的距离大于所述X射线发生器控制电路到所述平板探测器的距离，和/或，所述X射线发生器高压逆变电路到所述平板探测器的距离大于所述X射线发生器电源电路到所述平板探测器的距离。

进一步地，所述X射线球管模组包括X射线球管，所述X射线球管包括真空管、设置在所述真空管中的阴极灯丝、与所述阴极灯丝相对地设置在所述真空管中的阳极靶，所述真空管具有与水平方向成夹角的第一轴向，所述阴极灯丝设置在所述第一轴向的一端，所述阳极靶设置在所述第一轴向的另一端，所述夹角的大小为0～180°。

进一步地，所述第一轴向垂直于水平方向，和/或，所述阳极靶的设置高度大于所述阴极灯丝的设置高度。

进一步地，所述X射线球管模组包括X射线球管，所述X射线球管包括真空管与所述真空管相对设置的窗口，所述真空管中产生的X射线能够从所述窗口射出，所述X射线球管模组还包括旋转驱动系统，所述旋转驱动系统能使得所述X射线球管绕转动轴旋转，所述转动轴的长度方向与所述X射线从所述窗口射出的出射方向不平行。

进一步地，所述所述转动轴的长度方向与所述X射线从所述窗口射出的出射方向共面，和/或，所述所述转动轴的长度方向与所述X射线从所述窗口射出的出射方向垂直。

本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：

a.采用各组成部件的新型布局方式，减少了整个成像系统的总重量，有助于降低旋转轴的负载设计要求以及提高旋转运动成像时的稳定性；

b.X射线发生器模块的高压电路部分采用固态材料绝缘保护，减少设计所需的爬电和空气间隙距离要求，从而进一步减少其体积和重量大小；

c.X射线发生器的高压电路原理X射线球管，减少对X射线球管的辐射干扰，X射线球管可以卸除部分屏蔽设置，进一步轻量化，且X射线球管的状态也更加稳定；

d.球管侧的可用空间增大，X射线球管能够采用直立式设计，规避“足跟效应”；

e.应用于牙科影像场景中时，能够保证对目标牙齿拍摄时辐射强度一致，同时减少对大脑部位的辐射；

f.球管侧的轻量化使得能够增加旋转驱动系统，获得可选的多个X射线出射方向，进而使得X射线数字成像系统能集成更多平板探测器，延长使用寿命、满足更多需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的X射线数字成像系统的X-Z平面的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的X射线数字成像系统的X-Y平面的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的X射线数字成像系统的X-Z平面的效果示意图；

图4是本发明实施例提供的X射线数字成像系统的X-Y平面的效果示意图；

图5是本发明实施例提供的X射线数字成像系统的立体示意图；

图6是现有技术的X射线数字成像系统的示意图；

图7是本发明实施例提供的X射线数字成像系统的模块连接示意图；

图8是本发明实施例提供的X射线数字成像系统的可旋转的球管的示意图；

图9是本发明实施例提供的X射线数字成像系统集成多个平板探测器的示意图；

图10是本发明实施例提供的X射线数字成像系统集成多个平板探测器的仰视示意图。

其中，附图标记分别为：1-X射线球管，11-真空管，12-阳极靶，13-阴极灯丝，14-窗口，141-强辐射侧，142-弱辐射侧，143-辐射衰减方向，15-第一轴向，16-转动轴，17-出射方向，2-X射线发生器模组，21-X射线发生器高压逆变电路，22-X射线发生器控制电路，23-X射线发生器电源电路，3-平板探测器，4-U型臂，5-待测目标，51-待测目标的第一侧，52-待测目标的第二侧，6-主控模块，71-第一驱动电机，72-第二驱动电机，73-第三驱动电机，74-第四驱动电机。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

参见图1～图7，在本发明的一个实施例中，提供了一种轻型的X射线数字成像系统，所述X射线数字成像系统包括U型臂4、集成在U型臂4上的主控模块6、设置在所述U型臂4第一端的X射线球管模组、设置在所述U型臂4第二端的平板探测器3，X射线球管模组发出的X射线能够投射在平板探测器3上；U型臂4能够绕一长度方向穿过其自身的轴旋转。

所述X射线数字成像系统还包括与所述X射线球管模组连接的X射线发生器模组2，X射线发生器模组用于为X射线球管1中的阴极、阳极提供高压，使得电极能够发射粒子流。所述X射线发生器模组2部分或全部地设置于所述第二端。

球管和发生器的重量都比较重。不同于现有技术将这两者设于同侧，本实施例中将这两者设于U型臂4的异侧，因此，不需要像现有技术一样面对大额配重的问题，减少了整个成像系统的总重量，有助于降低旋转轴的负载设计要求以及提高旋转运动成像时的稳定性；并且，X射线发生器的高压电路原理X射线球管，减少对X射线球管的辐射干扰，X射线球管可以卸除部分屏蔽隔离设置，进一步轻量化，且X射线球管的状态也更加稳定。

一般来说，所述X射线发生器模组包括X射线发生器高压逆变电路21，X射线发生器控制电路22，X射线发生器电源电路23，且所述的X射线发生器高压逆变电路21、X射线发生器控制电路22、X射线发生器电源电路23中的一个或多个设置于所述的第二端。

在本发明的一个实施例中，所述X射线发生器高压逆变电路21设置于所述的第二端。

发生器模组的分模块设置，使得在配重时更加灵活、配重方式更加合理，有利于得到最轻的配重方案。

所述X射线发生器模组通过高压电缆与所述X射线球管模组连接。分模块设计时，所述X射线发生器高压逆变电路通过高压电缆与所述X射线球管模组连接。高压逆变模块和高压球管模块通过高压线缆形成分立式设计，一方面减少了U型臂右侧的重量，另一方面高压逆变模块用来取代U型臂左侧的额外配重。

优选地，所述X射线发生器高压逆变电路21到所述平板探测器3的距离大于所述X射线发生器控制电路22和/或所述X射线发生器电源电路23到所述平板探测器3的距离，以消除高压电路辐射对平板探测器3可能产生的干扰。参见图1，X射线发生器高压逆变电路21不仅相对远离平板探测器3，还设置在U型臂4较高的部分上，减小了高压电路对使用者造成危险的可能性。

在本发明的一个实施例中，所述X射线发生器高压逆变电路21部分或全部地设置于轻型固体绝缘材料中。“轻型”指绝缘材料的密度小于现有技术中液体油绝缘材料的密度；优选地，所述固体绝缘材料为固态硅胶和/或气凝胶。由于采用低密度的固体绝缘材料代替传统的液体油绝缘的方式，有效减少了模块的重量。

具体地，X射线发生器高压逆变电路21的电子元件、PCB基板均包覆、“浸没”在轻型固定绝缘材料中。且由于轻型固体绝缘材料的良好绝缘效果、极低的介电系数，电子元件之间的距离可以大大缩小而不担心爬电或高压击穿，整个电路模块的体积都能够大大减小。相应地，整个系统的体积也进一步减小。

需要注意的是，本发明的实施例除了为设备减重以外，还带来了其它的意想不到的技术效果。现有技术中，由于球管与发生器设置于同一侧，因此球管必须采用平躺式设置，以与发生器集成在相靠近的空间。而在本发明的实施例中，球管侧没有了发生器，因此，球管能够按照以下实施例中的方式来设置：

所述X射线球管模组包括X射线球管1，所述X射线球管1包括真空管11、设置在所述真空管11中的阴极灯丝13、与所述阴极灯丝13相对地设置在所述真空管11中的阳极靶12，所述真空管11具有与水平方向成夹角的第一轴向15，所述阴极灯丝13设置在所述第一轴向15的一端，所述阳极靶12设置在所述第一轴向15的另一端，所述夹角的大小为0～180°。

对于所述第一轴向，不规定其的正反方向，只指出其所在的直线。也即，上文中提高的“0～180°”包含了阳极靶12的高度高于阴极灯丝13的高度和阳极靶12的高度低于/等于于阴极灯丝13的高度的情况。

所述X射线球管1包括与所述真空管11相对设置的窗口14，所述真空管11产生的X射线能够从所述窗口14射出，一般地，当X射线数字成像系统工作时，X射线从所述窗口14射出，穿透待测目标5后射至U型臂4另一端的平板探测器3上，从而得到待测目标5的X射线影像，并且，在所述第一轴向15的方向上，呈现出均匀的强X射线分布。

现有技术的平躺式设计(参见图6)会造成水平方向上辐射强度的分布不均匀，特别不利于水平方向上的拍摄。

不同于现有技术，本实施例中，由于X射线球管1能够以不同的方向设置，因此，在拍摄的主要方向上，能够规避足跟效应带来的辐射强度分布不均的影响，相应的，由于辐射沿其它方向衰减，使得能够按需减弱对重要器官的辐射强度，从而减轻X射线对重要器官的影响。比如，在x-z平面产生的足跟效应能够降低患者脑部软组织吸收的X射线剂量水平，起到进一步保护患者的作用。

根据应用场景的不同，所述夹角的大小范围可缩为60°～120°；进一步地，所述夹角的大小还可以为80°～100°。

在某些特定的应用场景中，比如牙科对口腔影像的拍摄，所述第一轴向15垂直于水平方向。需要注意的是，此处的“垂直”应考虑器械自身精度、地理位置、室内地面等对精确度产生的影响，在合理的误差范围内，只要技术方案产生的效果是保证牙齿所在的方向(如左侧牙齿至右侧牙齿)上辐射强度均匀分布，那这样的技术方案均应该落入本发明的保护范围之内。并且，在拍摄牙片时，所述阳极靶12的高度优选大于所述阴极灯丝13的高度，由于大脑位于牙齿上方，因此能够有效减弱对大脑的辐射量，强辐射区域集中于牙齿，获得X射线强度高且分布均匀的高质量牙片。

参见图1和图3，强辐射侧141的射线穿过待测目标的第一侧51，达到平板探测器3并成像；弱辐射侧142的射线穿过待测目标的第二侧52达到平板探测器3，可能成像也可能不成像。一般而言，成像区域，或者说需求的成像区域，是待测目标的第一侧51或待测目标靠近第一侧51的部分，待测目标的第二侧52不是主要的成像目标，或者，是特殊地需要减弱辐射量的成像目标。

图3中，表现出衰减方向143是沿着Z轴正方向的，相应的，参见图4，在作为成像主要方向的Y轴方向上，辐射强度分布均匀。需要注意的是，本发明的某些实施例中，右手直角系XYZ的Z可以视为竖直方向，但某些实施例中，Z也可以为其它方向。

在本发明的一个实施例中，所述X射线球管模组还包括与所述X射线球管1连接的第一旋转驱动模块，所述第一旋转驱动模块能够使得所述X射线球管1绕第二轴向旋转，所述第二轴向穿过所述X射线球管1且与所述第一轴向15成夹角。可选地，所述第二轴向垂直于所述第一轴向。也就是说，足跟效应所影响的方向是可调节的，使得一台X射线数字成像系统就能够适用于特殊的牙科病人或牙科以外更多场景的应用。

本发明实施例的的分立式设计不仅为X射线球管1的直立式设置提供了充足的空间，也使得能在低重量的情况下在U型臂4的球管侧能设置更多的装置。

参见图1，X射线数字成像系统上还设置有第一驱动电机71、第二驱动电机72、第三驱动电机73、第四驱动电机74，可以分别用于驱动球管旋转、驱动U型臂4的壁身的各个部分相对伸缩地移动。

为实现X射线球管模组1的旋转功能，第一驱动电机71被设计在U型臂4的发射源端控制其旋转角度；为实现U型臂4两端的位置调节功能，第二驱动电机72、第三驱动电机73分别被设计在U型臂4两端，用于控制两臂在x方向的移动；为实现平板探测器3的位置调节功能，第四驱动电机74被设计在U型臂探测器端，用于控制其在y和z方向的移动。所有电机a～d的运动控制均主控模块6负责处理和控制。

参见图2、图8～图10，在本发明的一个实施例中，所述X射线球管模组还包括第二旋转驱动模块，所述第二旋转驱动模块能使得所述X射线球管1绕一长度方向穿过所述真空管11的转动轴16旋转，所述转动轴16的长度方向与所述X射线从所述窗口14射出的出射方向垂直。此设置方便在后续的使用中在X射线数字成像系统上集成更多的平板探测器3，除了图1～图5所示的平板探测器3以外，还能够在其它方向上也设置平板探测器3。转动轴16可以与第一轴向15重合，也可以不重合。

优选地，所述转动轴16的长度方向与所述X射线从所述窗口射出的出射方向共面，以保证出射方向变化与转动轴16的转动角度一致。更优选地，二者位于同一竖直平面上；更优选地，所述所述转动轴的长度方向与所述X射线从所述窗口射出的出射方向垂直。

相对于中间位置，旋转的角度范围可以为-45°～45°，也可以更大或更小。

需要注意的是，球管可旋转、可集成多个平板探测器3的方案，其前提是球管的直立式设置，平躺式设置的话，可旋转的球管要么因发射方向17的范围沿着竖直方向变化而失去实用性，要么在旋转时会较大地改变阳极和阴极的位置，安全性受到严重的影响。

整个系统一般搭载一块特定大小功能的平板探测器用于特定场景，而该旋转结构能够让用户通过调节X光发射源光线的位置，在其他角度与其他所需种类的平板探测器3配合成像，这能够降低用户额外购置新系统所产生的成本。

在本发明的一个实施例中，所述平板探测器3的靠近所述X射线发生器模组的一侧设置有绝缘屏蔽材料。由于在探测器端引入了x射线发生器电路，为了避免探测器信号的干扰，在探测器的周围会采用绝缘屏蔽材料的处理，同时进一步屏蔽高压电路对探测带来的影响。

具体来说，市场上现有的功能相似的U型臂系统，重量普遍在40～50kg左右；而本发明实施例提供的X射线数字成像系统的总重量在15kg左右，也可以通过调整模块组合的方式，将总重量进一步控制在10kg以内。因此，在轻便、耐用、安全、便用、成像质量等方面，本发明实施例提供的X射线数字成像系统有着远远超过现有技术的优越性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种X射线数字成像系统，其特征在于，所述X射线数字成像系统包括U型臂(4)、设置在所述U型臂(4)第一端的X射线球管模组、设置在所述U型臂(4)第二端的平板探测器(3)，所述平板探测器(3)与所述X射线球管模组相对设置，所述X射线数字成像系统还包括与所述X射线球管模组连接的X射线发生器模组(2)，所述X射线发生器模组(2)部分或全部地设置于所述第二端，所述X射线发生器模组(2)通过高压电缆与所述X射线球管模组连接。

2.如权利要求1所述的X射线数字成像系统，其特征在于，所述X射线发生器模组包括X射线发生器高压逆变电路(21)、X射线发生器控制电路(22)、X射线发生器电源电路(23)，且所述的X射线发生器高压逆变电路(21)、X射线发生器控制电路(22)、X射线发生器电源电路(23)中的一个或多个设置于所述的第二端。

3.如权利要求2所述的X射线数字成像系统，其特征在于，所述X射线发生器高压逆变电路(21)部分或全部地设置于固体绝缘材料中。

4.如权利要求3所述的X射线数字成像系统，其特征在于，所述固体绝缘材料为固态硅胶和/或气凝胶。

5.如权利要求2所述的X射线数字成像系统，其特征在于，所述X射线发生器高压逆变电路(21)到所述平板探测器(3)的距离大于所述X射线发生器控制电路(22)到所述平板探测器(3)的距离，和/或，所述X射线发生器高压逆变电路(21)到所述平板探测器(3)的距离大于所述X射线发生器电源电路(23)到所述平板探测器(3)的距离。

6.如权利要求2所述的X射线数字成像系统，其特征在于，所述X射线发生器高压逆变电路(21)的设置高度高于或等于所述X射线发生器控制电路(22)的设置高度，和/或，所述X射线发生器高压逆变电路(21)的设置高度高于或等于所述X射线发生器电源电路(23)的设置高度。

7.如权利要求1～6中任一项所述的X射线数字成像系统，其特征在于，所述X射线球管模组包括X射线球管(1)，所述X射线球管(1)包括真空管(11)、设置在所述真空管(11)中的阴极灯丝(13)、与所述阴极灯丝(13)相对地设置在所述真空管(11)中的阳极靶(12)，所述真空管(11)具有与水平方向成夹角的第一轴向(15)，所述阴极灯丝(13)设置在所述第一轴向(15)的一端，所述阳极靶(12)设置在所述第一轴向(15)的另一端，所述夹角的大小为0～180°。

8.如权利要求7所述的X射线数字成像系统，其特征在于，所述第一轴向(15)垂直于水平方向，和/或，所述阳极靶(12)的设置高度大于所述阴极灯丝(13)的设置高度。

9.如权利要求1所述的X射线数字成像系统，其特征在于，所述X射线球管模组包括X射线球管(1)，所述X射线球管(1)包括真空管(11)与所述真空管(11)相对设置的窗口(14)，所述真空管(11)中产生的X射线能够从所述窗口(14)射出，所述X射线球管模组还包括旋转驱动系统，所述旋转驱动系统能使得所述X射线球管(1)绕转动轴(16)旋转，所述转动轴(16)的长度方向与所述X射线从所述窗口(14)射出的出射方向不平行。

10.如权利要求9所述的X射线数字成像系统，其特征在于，所述所述转动轴(16)的长度方向与所述X射线从所述窗口(14)射出的出射方向共面，和/或，所述所述转动轴(16)的长度方向与所述X射线从所述窗口(14)射出的出射方向垂直。

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