CN1871508A - 具有光电数据传输的计算机断层摄影装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计算机断层摄影装置，其中来自转子的数据以光电形式进行传输，在计算机断层摄影装置操作期间该转子绕转动轴转动。为此目的，在转子上，设置有至少一个发射器，其向安装在转动轴上的接收器发射光，该光用待传输的数据进行调制。

Description

具有光电数据传输的计算机断层摄影装置

本发明涉及计算机断层摄影装置，其中来自转子的数据以光电方式进行传输。

已知的计算机断层摄影装置，如X线计算机断层摄影装置或SPECT系统(单光子发射计算机断层摄影)，包括采样单元，所谓的台架。通常，台架包括环形转子和转子可旋转地安装在其中的定子。待检查的物体或其部分位于转子内。在SPECT系统中，在转子上附着有若干个检测器(例如，伽马照相机)。为采集待检查物体的图像数据，转子处于转动状态且检测来自待检查物体的发射，该发射由事先注入的放射性材料产生。采用已知的算法，将检测器提供的电子信号重建成图像。

在X线计算机断层摄影装置的情形中，在转子上附着有至少一个X射线源以及至少一个X射线图像检测器。为产生待检查物体的剖面图像或体积图像，转子绕物体转动，在此期间，来自X射线源的X射线从不同角度穿透物体并由X射线图像检测器检测。X射线图像检测器将X射线转换成电信号，根据该电信号，重建单元采用已知的重建算法重建图像。

根据计算机断层摄影装置的结构，重建单元位于定子上，从而由检测器产生的信号不得不以数据的形式从转子传输到定子上。可选择地，还已知一些计算机断层摄影装置，其中至少一部分重建单元安装在转子上，从而已部分处理的数据或整个图像的数据要从转子传输以供进一步处理(例如，用于可视化)。在许多系统中，除包含图像信息的数据外，系统的监视或控制数据也要从转子传输。

数据通过例如机械滑动环从转动的转子传输到定子。这种机械滑动环常常不可靠或易于发生故障。可选择地，可采用光学滑动环，但它们需要用于光束偏转的复杂光学元件。此外，光波导中的光依赖于角度的运行长度或运行时间在此也成问题。

对于X线计算机断层摄影装置，目前已显现出采用多行检测器以例如能够在转子每转动一周采集更大量数据的趋势。然而这导致极大增加了每单位时间内要传输的数据。为此目的，在前述系统的情况中要增加滑动环的数目，这从经济的角度考虑是不令人满意的而且进一步增加了故障的易发性。

欧洲专利申请EP0336167公开了一种用于具有光波导的计算机断层摄影装置的光电耦合系统。该光波导具有柔性但为扭转稳定的结构，且其一端固定连接到发光发射器。其另一端固定在转动轴承的横向部分中，该转动轴承偏心地与可绕转动轴转动的支撑装置刚性连接。然而，这种系统的缺点是支撑装置转动时，光波导象鞭子一样绕待检查的物体转动。

本发明的一个目的是研制一种低廉且简单的传输来自台架转子的数据的方法。

该目的根据权利要求1由计算机断层摄影装置实现，计算机断层摄影装置具有：台架，该台架包括在操作状态中绕转动轴转动的转子；在转子上附着的至少一个发射器，以用于向转动轴方向发射数据调制光；在转动轴上安装的至少一个接收器，以用于接收由发射器穿过自由空间发射的数据调制光。

附着在转子上的为至少一个发射器，该发射器被提供用于在转动轴方向发射光。为进行数据传输，该光由待传输的数据进行调制，其中可以采用已知的装置和方法，如幅度调制。

术语“光”在此应广义地理解。例如，可采用来自可见或不可见光谱区域的光，以及具有宽光谱的光，单色光或激光(同相的光子)。光可由发射器以线形或锥形光束的形式发射。为了影响装在发射器内的发射器元件、实际光源，发射器可包括另外的装置(反射镜、透镜等)，以对由发射器元件产生的光产生影响，从而例如使发射器发出的光束成形。

接收由发射器穿过自由空间发射的光的接收器位于转动轴上。该接收器例如通过钩状保持装置可同时与计算机断层摄影装置机械耦合。然而，可选择地，也可将接收器固定在计算机断层摄影装置附近，例如固定在墙上。除实际光敏接收元件以外，接收器还可包括影响发射光的装置(反射镜、透镜等)。

在根据本发明的发射器和接收器的布置中，要确保光传播条件以及数据传输条件对于转子转动的每个角度是实际上相同的，从而实际上不依赖于转子转动的角度。例如，从每个转动角度光覆盖从发射器到接收器的相同路径长度。从而避免了例如可在光学滑动环情形中出现的光运行长度和运行时间依赖于转动角度的问题。

根据本发明的这种布置与已知系统相比特别经济，因为全部部件能够以合理的成本制造并以结构简单的方式集成在计算机断层摄影装置中。这一点通过在选择发射器和接收器的安装点时的较大灵活性而得到进一步提高。

随着X线图像检测器新技术的发展，出现了较陈旧的计算机断层摄影装置不得不装备新的检测器的情况。如果这与来自转子的每单元时间的数据增量传输相关联，则现有的滑动环通常不能完成这样一个任务。为避免该限制，可安装另外的滑动环，但在此要解决较大的机械问题，因为计算机断层摄影装置通常未能设计成以这种方式进行扩充。然而已表明，根据本发明的计算机断层摄影装置的结构可在较陈旧设备的情况下以极其容易和廉价的方式进行翻新，因为必需的部件只占较小的空间，而且这些部件的位置通常可设置得非常灵活，从而可能在现有的机械结构中进行极其简单的集成。例如，发射器在转子上的安装位置以及接收器沿转动轴的安装位置可实际上根据需要进行选择。人们必需仅确保发射器在转动轴方向发射光，接收器能够接收光并且在计算机断层摄影装置的正常使用的情况下，待检查物体不会遮挡该光束。

如果待检查物体是患者，则在EP0336167中所公开的布置的情形下，如果患者进入光导的“飞行路径”中，就会存在患者受到伤害或光导受到破坏的危险。操作人员也会面临同样的危险。类似情形可出现在计算机断层摄影装置进行行李检查的情形中，例如当一件行李无意中滑出传送带时。然而，在本发明的情形中，如果人或物体进入光路，则光的发射只会被部分或全部打断，从而既不会伤到人(或损伤该件行李)，也不会破坏该装置。

为防止数据传输在光被遮盖时受到中断，根据权利要求2，例如，在转子上附着两个发射器。用同样的数据以同样的相位对两个发射器的光进行调制。如果转子附近的人现在将他的手放到转子和接收器之间，从而当转子转动时他的手不时位于发射器之一和接收器之间，因而遮挡住该发射器的光，则相对于第一发射器偏移附着在转子上的第二发射器的光就会到达接收器。该接收器具有这样的灵敏结构以致于只来自一个发射器的光的光强就足以进行数据传输。另一个避免数据传输中断的选择是根据权利要求3所述的发射器，特别是与权利要求10相结合。

为能够采用平行的多个通道进行数据传输，根据权利要求4将发射光的光谱分成多个区域。为此目的，例如根据权利要求5的发射器可包括多个发射器元件，每个发射器元件具有不同的光谱。这种发射器元件包括，例如，具有窄光谱的光源或具有宽光谱和滤波器的光源。在每个情形中用不同数据调制发射器元件的光并将其发射到接收器，接收器根据权利要求9进行构建。可选择地，与权利要求10相结合的发射器元件的光也可发射到各个不同的接收器，每个接收器构造成接收光谱区域中的一个。根据权利要求9的接收器包括，例如，具有不同滤波器的宽带接收元件，或若干窄带接收元件。具有多个平行通道的可选择结构包括，根据权利要求6，在转子上安装多个发射器，每个发射器发射各光谱区域的光。在此，接收器也可根据权利要求9和/权利要求10进行构建。

特别地当采用以细光束(例如激光)形式发射光的发射器时，在操作过程中，光可能不会准确地到达到接收器上或发射方向可能会在稍稍偏离对准方向。为避免由与其相关联的数据传输中断，接收器可根据权利要求7进行构建。在实际的光接收元件前面例如有一个扩散盘，该扩散盘放大照射光束或透镜系统的横截面，其将光束偏转到它的焦点上，接收元件设置该焦点处。这类光学装置还可由一束光导组成，光导的第一端设置在光束照射的平面内，而光导的第二端终止于接收器的接收元件前面。

如果发射器根据权利要求8进行构建，则接收器处的发射光的光强特别大，且也由接收器接收到的来自周围的杂散光具有较小的破坏影响。

在医学中，计算机断层摄影装置常常构建成具有可旋转台架，从而能够改变图像数据采集的平面。当进行旋转运动时且在固定接收器的情形下，转动轴的位置相对于接收器被改变，从而光可不再由接收器接收。另一方面，采用根据权利要求11的本发明的构造，导致接收器相应地跟随旋转运动。这可例如通过接收器与台架的固定机械耦合来实现。如果接收器固定到墙上，则在小旋转角度的情形下，接收器可相应于转动运动在墙上移动，例如通过电子控制轨道系统。可选择地，可以根据权利要求7构建接收器并以这样的一种方式配置光学装置，即，即使在旋转轴移位时光也能到达接收器元件。

本发明的这些和其它方面通过参照此后描述的实施例而得到说明和变得更为明显。

附图中：

图1示出根据本发明的计算机断层摄影装置，

图2示出接收单元的第一种结构，

图3示出接收单元的第二种结构，

图4示出具有可转动台架的接收单元的第三种结构。

图1中所示的计算机断层摄影装置可用于，例如，生成患者截面图像或体积图像的医学中，或机场行李检查中。该装置包括台架，其转子1被示意性示出并可绕与z方向平行延伸的转动轴14转动。为清楚起见，在此未示出定子。呈扁平管状并用于容纳转子和定子的外壳也未示出。为转动，转子1由电机2以优选恒定的但可调整的角速度驱动。将束源S，例如，X线管，固定到转子1上。束源设置有准直器装置3，其从束源S产生的放射线提取锥形射束4。锥形射束4穿过未更具体示出的物体，该物体位于圆柱形检查区域13内。在穿过检查区域13后，X射线束14照射到二维检测器单元16上，该检测器单元16固定在转子1上并且沿着转子1的轮廓弯曲。另外或可选择地，检测器单元16构建成可检测到由物体散射的X射线。

由α_max表示的射束4的第一孔径角(位于x-y平面内的边缘处的束4的射线包围由束源S和转动轴14定义的平面的角度)则决定检查区域13的直径，在测量值采集期间，待检查物体必须位于该检查区域13内。由β_max表示的射束4的孔径角(由在束源S和转动轴14定义的平面内沿z方向的两个最外射线形成的角度)则决定检查区域13的厚度，在测量值采集期间，待检查的物体必须位于该检查区域内。

由检测器单元16采集的测量数据提供到发射器20a和20b，发射器20a和20b发射以各光束21a和21b形式的由测量数据调制的光。每个发射器20a和20b在此包括一个或多个发射器单元，如发光二极管、灯或激光二极管。如果需要，可在发射器20a和20b内提供用于对由发射器发射的光产生光学影响的另外装置，如透镜或反射镜。根据所使用的发射器单元和光学装置的类型，光以光束21a和21b的形式或以锥形光束22a或22b的形式发射。开始时，将考虑以光线形式发射光的发射器，例如采用激光的发射器的情况。对应于待发射的数据的光的调制根据已知方法来实现，这些已知方法可在技术文献中找到。例如，已知用于调制的至少四个效应和调制器：电-吸收，电光调制器，普克尔盒(Pockels cell)和声光调制器。这些效应和调制器以及相应的激光发射器及其特性在Profile Optische Systeme GmbH，2000年5月的“Basic Note DWDM Systems”一文中进行描述，其在此无需进一步详细描述。如图1所示，如果采用发射同样信息的多个发射器，则应当注意，各发射器的调制至少几乎在相同相位发生。

这样，光线能够到达接收器30，外壳(未示出)被设置有环形槽，其可选择性地充有透明圆盘。每个发射器20a和20b设置有调整装置，未示出，如调整螺钉，从而能够精确地将各光束21a或21b的方向调整到接收器30的位置处。为防止光束21a或21b由于调整误差而导致未能由接收器30接收，该调整误差还包括在操作期间由于例如振动而导致的失准，采用根据图2所示的接收器是明智的。

这种接收器包括扩散盘40，例如，光束21a照射到该扩散盘上。通过已知的效应，光束21a的光在扩散盘40内分布在光束21a入射点周围的圆形区域41上，此处在图2中以深色线表示。在扩散盘后面首先有一个第一接收元件42，例如，光电二极管、光电三极管或其它已知的光敏部件。如果光束21a准确照射到扩散盘40与转动轴14的交点上，则当转子1转动时，扩散盘上圆形区域41的位置不会改变。如果由于发射器20a未对准，光束21a照射到扩散盘40上偏离交点的某处，则圆形区域41相应于转动运动在扩散盘上围绕交点移动。相对于交点会在中心形成类似圆形区域，在该区域内光仍会散射开，无论转动角度如何，且在其后面安装有接收元件42。因此，在未对准的一定程度上，确保接收器42总能接收到光。

代替图2中的接收器，也可采用图3所示的这种接收器。在此，代替采用扩散盘40，可在光束21a和接收元件42之间放置透镜44。该透镜设计成使入射光线偏转到接收部分42，不考虑其在透镜上的入射点。作为透镜44的替换形式，可采用菲涅尔透镜。也可设想图2和图3中接收器的组合。

图1中的发射器20a和20b也可有选择地包括发射具有各个不同光谱区域的光的多个发射器单元，例如，具有不同波长的激光二极管或具有不同滤波器的光源。为对光进行调制，可然后对每个发射单元采用各个不同的数据，从而可采用多个平行通道进行数据传输。发射器单元布置成彼此十分接近，从而在附图中，相应的各光线共同形成光束21a或21b。当分别用于每个光谱区域的每个通道的分离接收器单元布置在扩散盘40后面时，采用图2中的接收器可接收这种多通道发射器的光。图2中示出两个接收器单元42和43。

为了实现多个平行通道，发射器20a和20b还可以包括，例如，两个发射器单元，其中一个发射器在接收器30的方向分别发射其光束21a和21b，另一个发射器在接收器31的方向发射其光线(未示出)。

如上所述，发射器20a和20b还可设计成它们以锥形光束22a和22b的形式发射光。为此目的，每个发射器可包括具有反射器和透镜系统的光源。然而，可选择地，可采用用于具有将光束扩展成锥形光束的已知装置的激光源。当光照射到接收器31上时，各锥形光束22a和22b会具有至少与接收器的光接收器面积一样大的横截面积23。如果横截面积23仍然更大，则就可避免由发射器20a和20b的可能未对准所产生的问题，在这一点上，比较与图2相关的描述。

在图1中，由接收器30和/或31接收的光首先由接收器内的一单元(未示出)解调。而后所获得的测量数据继续传送到重建单元10，重建单元10根据测量数据重建由锥形束4覆盖的检测区域13的部分中的吸收分布。当转子1旋转一周时，待检测的物体完全被射束4穿透，结果，每旋转一周可生成相应二维或三维图像数据记录并将其显示在监视器11上。

电机2、重建单元10、束源S和测量数据从检测器单元16向重建单元10的传输由适当的控制单元7控制。如果待检查的物体在z方向较大以至超出射束4的范围，则检查区域可通过同样由控制单元7控制的电机5平行于转动轴14和z轴的方向移位。通过使检查区域13的前进速度与转子1的角速度的比为恒定比的方式来实现控制电机2和5。

假设一个人接近计算机断层摄影装置，从而利用水平放置的发射器20a和20b，他/她遮住由发射器中的一个发射的光21a或21b，当转子转动时，发射器20a和20b的光可替换地受到该人体的遮挡，而与此同时，另一发射器的光未被遮挡。发射器20a和20b以及相应的接收器30设计成使只需一个发射器20a或20b的光强就足以传输数据。即使一个发射器20a或20b的光受到遮挡，也能确保数据传输。在用于行李检查的计算机断层摄影装置的情形中，可以将传送带上的行李从左手边引入计算机断层摄影装置，对它进行检查，而后让它落到右手边的处于低水平处的传送带上，或通过传送带向下倾斜运行到转子1和接收器30之间(图1中转子1和接收器30之间的距离未按比例)将它送出计算机断层摄影装置之外。在这种情况下，光束21a和21b诚然交替定期地受到行李件的打断并且还可能受到倾斜运行的传送带的打断，但通过光线未受遮挡的另一个发射器仍能确保数据传输。

已知一些计算机断层摄影装置，其中台架是可转动的。即使在这种计算机断层摄影装置的情形下，可采用相应的发射器和接收器。假设在图1中未示出的台架构建成绕x轴旋转(相应的部件未示出)，从而在旋转期间，转子1和转动轴14同样绕x轴转动，而接收器30或31保持在其位置。如果发射器20a和20b每个都发射各自的锥形光束22a和22b，则台架可旋转直到接收器31处于区域23的边缘。如果台架现在继续旋转，则接收器31不再能够接收光。一个可能性是为接收器31设置驱动单元32，该驱动单元32由控制单元7以这样的一种方式控制，即接收器31根据台架的旋转在轨道33上移动，以便发射器20a和20b的光能够到达接收器。如果台架另外还可以绕y轴旋转，则接收器31的定位装置可以是相应的二维设计。当然，接收器30也可装备有定位装置。

作为定位装置的替换形式，在可旋转台架情形下，还可采用根据图2的接收器，特别是在如光束21a的线形光线的情况下。在该情况下，通过扩散盘的适当结构，一方面必须确保即使在台架旋转时光束21a也总能照射到扩散盘上，另一方面必须确保扩散盘使光束21a散射到足够大的区域上。这在图4中首先采用左手扩散盘40示出。在台架的非倾斜状态中，转动轴14大致居中地穿过左手边扩散盘40而运行。入射光束散射到区域41上并由接收元件42接收。台架的倾斜状态采用右手扩散盘40在图4中示出。转动轴14已改变了其相对于扩散盘的位置，而且现在呈现为转动轴14a，结果是散射区域41a与区域41相比已向上移位。然而，区域41a的大小设置成使接收元件42仍能接收散射光。如果台架只能绕一个轴旋转，则扩散盘40可以是矩形带条的形式。

Claims (11)

1、一种计算机断层摄影装置，

-具有台架，其包括在操作状态中绕转动轴转动的转子并且传输来自该转子的数据，

-具有附着到转子上的至少一个发射器，用于在转动轴方向发射光，所述光由所述数据调制，

-具有安装在转动轴上的至少一个接收器，用于接收由发射器通过自由空间发射的光。

2、根据权利要求1所述的计算机断层摄影装置，具有至少两个发射器，其相对于彼此偏移地附着在转子上。

3、根据权利要求1所述的计算机断层摄影装置，具有在至少两个不同方向发射光的发射器。

4、根据权利要求1所述的计算机断层摄影装置，其中发射光的光谱被分成多个区域且各区域的光可由不同数据进行调制。

5、根据权利要求4所述的计算机断层摄影装置，其中每个发射器发射一个区域的光。

6、根据权利要求4所述的计算机断层摄影装置，其中发射器发射来自多个区域的光。

7、根据权利要求1所述的计算机断层摄影装置，其中接收器包括用于偏转和/或散射光束的光学装置。

8、根据权利要求1所述的计算机断层摄影装置，其中发射器发射激光。

9、根据权利要求4所述的计算机断层摄影装置，其中接收器能够接收彼此分离开的发射光的多个光谱区域。

10、根据权利要求1所述的计算机断层摄影装置，具有多个接收器，它们连续地布置在转动轴上。

11、根据权利要求1所述的计算机断层摄影装置，具有可旋转的台架和用于在执行旋转运动时使接收器的位置保持在转动轴上的装置。

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