CN1946343A - 开放通路的空气轴承机架 - Google Patents
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Abstract
诊断成像系统(10)包括围绕旋转的机架(14)上的检查区域(20)而旋转的X射线源(16)。被放置在病床(30)上的对象纵向地平移通过检查区域(20)。成像系统是标准化的，使得通用子组件适配于接纳任何可选直径的开孔(24)。通用子组件包括固定的机架(12)和由支撑部件(50)所支撑的轴承圈(52)。标准电动机模块(28)、标准电源滑环模块56和标准信息传输模块58被布置在轴承圈(52)周围。标准模块(28，56，58)的数目由用户规定。
Description
本发明涉及诊断成像技术。它特别在具有空气轴承系统的计算机X射线层析术中找到具体的应用，并将特别地参照它而进行描述。然而，本发明在其它诊断成像系统中也能找到应用。
在计算机X射线层析术(CT)成像中，对象被放置在对象平台上，它使对象纵向移动以穿过CT扫描仪的开孔。X射线管被安装在旋转机架上，机架围绕开孔旋转以便把X射线的扇形波束、楔形波束、或圆锥波束投射到由开孔规定的检查区域。包括检测器单元阵列的一维或二维辐射检测器被安装在X射线管的对面以检测和测量传送到开孔的辐射强度。放置在开孔内检查区域中的对象与X射线相互作用并吸收一部分X射线。典型地，X射线检测器也被安装在旋转的机架上。然而，在某些结构中，X射线检测器安装在旋转的机架周围的静止机架的环上。不论哪一种结构，来自X射线检测器的强度数据都被重建以产生在开孔内成像区域中的对象的一部分的二维或三维图像表示。
出于成本和技术考虑，提出了机架的机械设计，使得可以容纳CT扫描仪所设计的对象的病人开孔(开孔直径)最小化。对于实验室扫描仪，30cm的开孔已足够。对于多数人体检查，40cm或50cm的开孔已足够。对于要把辅助设备伴随对象一起进入开孔的肿瘤应用，80-90cm的开孔是有利的。
旋转机架适合于尽可能接近开孔。例如，X射线管越接近开孔，在以给定的速度旋转期间加到X射线管的离心力越低。在CT扫描仪中使用的旋转阳极X射线管具有的钨阳极其重量可达2-4公斤。把X射线管运行在较高的离心力下需要不同的轴承和对X射线管内部作另外的设计，即较高的离心力需要更昂贵的X射线管。同样地，当X射线检测器在旋转机架上旋转时，X射线检测器离轴承越近，X射线检测器跨越给定的弧的周界越短。
X射线管使用必须被传送到旋转机架的大量电功率。这典型地通过被放置在离孔直径尽可能近的滑动环而完成。在当前的设计中，滑动环的直径越大，花费越高。而且，滑动环的直径越大，在滑动环与电刷之间的速度越快速。更高的相对速度需要更高的性能，因此电刷越昂贵。类似的考虑适用于把旋转检测器积累的数据从旋转机架送回机架的静止部分的设施。
另外，旋转机架的直径越大以及笨重的部件被放置得愈朝外，当以给定的速度旋转时它的动量越大。因此，由于旋转机架的直径变为更大，要保持相同的加速度速率，就牵涉到越来越大功率的电动机。为了从检测器重建数据，重建处理器需要X射线源的因而也需要旋转机架的角度位置的精确测量值。为此，当前的设计利用精确的编码器，或者其它角度位置测量设备典型地是围绕旋转机架而安装的。这样的角度位置编码器或等同的技术典型地是非常精确的，以及它们的周界长度越长，它们的成本越高。
使得旋转机架和相关设备的直径最小化除了在成本方面以外，还有其它优点。例如，随着直径或距离变得更大，公差、进行对准的精度等等都会变为更加重要的问题。在大的直径下振动可能是更大的问题。在更大的直径下轴承和其它硬件问题也变得更复杂。
因此，在技术上共同的认识是CT扫描仪的旋转机架应当匹配于开孔直径，并且二者都具有最小的实际直径。虽然这趋于使扫描仪的每个型号的零件的成本最小化，但每种开孔直径的型号具有独特的零件系列。对于具有不同直径的扫描仪系列中的每种扫描仪都要有独特的零件，导致对每种直径的扫描仪要有定做设计的成本和相对较大的零件库存量。这也导致独特的关键部件的设计，它导致高的NRE成本和大大地加长进入市场的时间，而同时减小系统的通用性。现有技术的这些缺点由于更快速的旋转速度和不断增长的检测器图像数据的同时切片的数量(它代表今天的CT扫描仪设计的前沿)而变得更严重。
本发明设想一种克服上述的问题和其它问题的新的和改进的方法和设备。
按照本发明的一个方面，公开了CT扫描仪子组件。该子组件包括一个通用静止机框架和多种可选择的截面尺寸中一个尺寸的对辐射是半透明的开孔。多个通用轴承部件被安装在静止机架上。通用环形轴承圈被可旋转地支撑在支撑部件上。至少一个通用电动机模块带动环形轴承圈旋转。一个装置把X射线源和辐射检测器安装在离轴承圈径向向里的多个可选择的距离中的任一个距离，以使得通用轴承部件和轴承圈用来制造在多种开孔尺寸中具有任一个尺寸的CT扫描仪。
按照本发明的另一个方面，公开了制造CT扫描仪的方法。制作一个用于CT扫描仪的通用子组件。选择适当直径的开孔。把所选择的直径的开孔安装到通用子组件上。把X射线管和辐射检测器的阵列安装到通用子组件上。
本发明的一个优点在于，对于不同的病人开孔提供标准扫描仪子组件。
本发明的另一个优点在于，通过添加上更大数目的相同的模块容易进行性能升级。
再一个优点在于减小的成本。
通过阅读和理解以下的优选实施例的详细说明，本领域技术人员将明白本发明另外的优点和好处。
本发明可以采取各种部件和部件的组合以及各种步骤和步骤的组合的各种形式。附图仅仅用来说明优选实施例，而不是看作为限制本发明。
图1显示利用空气支持系统的示例性诊断成像设备；
图2A示意地显示具有较大的开孔的扫描仪；
图2B示意地显示具有较小的开孔的扫描仪；
图3是示意地显示围绕锥形空气轴承圈安装某些成像系统部件的截面图；
图4示意地显示围绕矩形空气轴承圈的某些成像系统部件的安装；
图5示意地显示围绕空气轴承圈的某些成像系统部件的另一种安装；以及
图6示意地显示围绕空气轴承圈的某些成像系统部件的另一种安装。
参照图1，计算机X射线层析术(CT)成像设备或扫描仪10包括支撑旋转机架14的静止机架12。使静止机架12的尺寸适合于通过入口或其它门口进入常规的成像场所。诸如X射线管16的X射线源和源校直器18一起产生扇形、圆锥形、楔形、或其它形状的X射线束，该X射线束被引导跨越检查区域20而到达X射线检测器阵列22。优选地，X射线检测器22安装在旋转机架14上。检查区域20被规定处在固定于静止机架12的一个带装饰的对辐射是半透明的开孔或保护屏24之内，以保护对象不受移动部件影响。当旋转机架被一个或多个电动机28在诸如空气轴承、磁轴承等等的高速轴承上旋转时，解析器或编码器26确定旋转机架的角度取向。
对象支架或病床30由电动机32驱动以便沿Z轴纵向移动到检查区域。优选地，病床的至少一部分是对X射线是局部或完全半透明的。
由检测器22收集的投射数据被传送到数字数据存储器40。重建处理器42通过使用经滤波的背投影、n-PI重建方法或其它重建方法，重建所获取的投射数据，以生成对象或对象的所选择的部分的三维图像表示，并把它存储在体积图像存储器44。图像表示被呈现或由视频处理器46进行处理，产生人可看见的图像，并在图形用户接口48或其它显示设备、打印设备等等上显示，以供操作员观看。
优选地，图形用户接口48被编程，使得操作员与CT扫描仪10接口而允许操作员初始化、执行、和控制CT成像进程。图形用户接口48可任选地与诸如医院或诊所的信息网络那样的通信网进行接口，通过该通信网，重建图像被传送到医护人员，接入病人信息数据库等等。
继续参考图1，旋转机架14借助多个空气轴承座50从静止机架12上悬空，诸如授权给飞利浦医疗系统(Phillips Medical Systems)的美国专利No.6,404,845中更详细地描述的。空气轴承座50在薄的空气垫上支撑旋转机架14的铝转子54的外部周界表面或空气轴承圈52，为旋转机架提供一个接近无摩擦的表面，因此使得轴承以合理的系统成本而适用于高速度旋转。
参照图2A-2B，通常在CT扫描仪中使用的各种通用部件被安装在旋转机架14上。正如下面更详细地讨论的，电动机28、电源滑环和电刷组件56、编码器26、信息传输组件58、X射线管16、检测器22和其它部件被安装在空气轴承系统中与空气轴承圈52相邻或沿着空气轴承圈52的可利用的区域。把X射线管16和检测器22放置在转子外表面52附近，如图2A所示，规定了一个大开孔的扫描仪。把X射线管16和检测器22紧密放置在一起，如图2B所示，则规定了一个小开孔的扫描仪。这具有下列优点：CT扫描仪部件可得到标准化和避免要求对每个开孔尺寸或特定的应用进行定制设计。通过使用通用部件，非重复工程和重复产品成本得以减小。通用部件的使用提供与ISO 14001的兼容性(环境考虑)，因为通用部件需要较少的、用于生产的消耗品，这对于生产独特的铸件是特别重要的，而现在可以使这种生产成为最少。
参照图3，空气座(air pad)50被安装在具有一对收缩的轴承面的空气轴承圈52的侧面周围60。在这个实施例中，相同的座同时提供径向和横向支撑和引导。电动机28被安装在轴承圈52的外环62旁边。优选地，电动机28是直线感应电动机(LIM)，它是一个跨越几个弧度的分段模块。电动机28在轴承圈52中感应反作用磁场，这些磁场用于推动。对于要把机架更快加速的CT扫描仪型号，沿轴承圈52可添加上更多的电动机模块28。任选地，可在与直线电动机28互动的空气轴承圈表面的上面或下面加铁块以提高效率。任选地，直线电动机28的磁体或绕组可嵌入轴承圈52中。在这个设计中，最好使用同步环形电动机。
继续参照图3，电源滑环和电刷组件56被安装在轴承圈52旁边。更特定地，电源滑环或分段68被放置在轴承圈53的外环62旁边。虽然电源滑环168可以是连续的同心环，但最好是不连续的环，而是一个或多个分段68，它们沿圆周围绕轴承圈52，这样，至少一个静止电刷组件70在任何给定的时间接触每个滑环分段68，通常，使用的分段越多，则供应所需要的电功率而需要的每个分段上的电刷支架就越少。反之也正确，例如如果使用较少的数目的分段，则每分段需要有更多的电刷支架。每个电刷组件70包括一个支架和多条被固定在支架的纤维线(未示出)，正如在授权给University of Virginia的美国专利No.4,360,699和美国专利No.4,415,635中描述的。纤维线经由径向支架与滑动环68接触。纤维线电刷使得电刷组件70和滑动环分段68以高达约152.5直线m/s的任何速度互相相对移动。纤维电刷具有最小的磨损，允许几亿次旋转的寿命以及实际上消除与在许多CT扫描仪滑动环设计中利用的碳复合电刷有关的的电刷灰尘。滑环分段设计比起现有的CT扫描仪滑环设计提供更高的灵活性，容易安装和替换，以及显著节约成本。对于具有更高功率的X射线管的CT扫描仪型号，将再次以模块化和低成本的方式，增加更多类似的电刷支架和/或类似的电源滑环分段，而无需改变机架设计。
替换地，可使用旋转变换器来以感应方式传送电功率。任选地，变换器的旋转部分可以与空气轴承圈组合成一体。
继续参照图3和再次参照图2A-2B，信息传输组件58被布置在轴承圈52旁边。椭圆透镜72和光接收器或检测器74固定地沿空气轴承圈52的部分而安装，接收来自围绕外围表面放置的一行二极管76的光。每个透镜72延伸若干弧度，以及被设计成把在透镜下任何点接收的光聚焦到一个共同的聚焦点，例如，到聚焦点的路径是恒定的，与旋转机架14的位置无关。优选地，静止机架12被划分成各个象限，而在每个象限上安装单个光收集组件72，74。光源，即发光二极管76，被放置在旋转部分，使得在任何时间点至少有一个发光二极管被光学地连接到光收集组件72，74。四个光收集组件和单条圆周线上的光源足以匹配当前的一个四十分片扫描仪的至少5.3G比特/秒的数据传输率。当然，也预期可按模块方式添加收集组件来提高数据传送速率。在这种情形下，旋转机架14被分割成相等的分段而其光源当前在每个象限中以统一的方式工作，使得它们的透镜围绕空气轴承圈52是等间隔的。任选地，为提高数据传输率，可以通过利用具有更高光功率输出的光源，和/或通过使用波分复用，和/或通过按照光源所处在的象限以电子方式切换光源使得相邻的信道被每个光收集组件接收来实现。类似地，并且通过少得多的硬件和光学带宽，可实施在机架的旋转部分与它的定子之间的双向光控制链路。这个链路也可以部分地在信息传输组件的光的HW内实现。
继续参照图2A和3，解析器或编码器26布置在轴承圈52的外环62旁边。优选地，编码器26包括围绕轴承圈52的周界跨越360度的多个记号标记或其它按规律间隔的定时单元80。记号标记80被蚀刻或用别的方法固定在轴承圈52上。当旋转机架14旋转时，光学读出头82读出记号标记(tick marks)80，并确定旋转机架14的角度位置。相对较新的技术提供记号标记的经济而精确的机械加工或蚀刻，而且读出头可以对在轴承本身上或在容易固定在轴承上的独立组件上的绝对位置记号标记实现非常高速度的读操作，从而克服了传统的解析器和或编码器的成本/尺寸问题。也可以预期磁性记号和磁读出头，光学编码器环和类似的信号检出器等等。
参照图4，空气轴承圈52具有矩形截面。空气轴承座50被安装在侧面外围60和轴承圈52的径向最外表面84上。环状支撑86，88从轴承圈侧面外围60延伸以提供用于电源滑环68、编码器环26和其它适当部件的环状安装装置或表面。直线电动机28可被耦合到环状支撑86，88之一或可被插入空气轴承座50之间以便与圆周支撑表面或与具有更多铁含量的基础层相互作用。
参照图5和6，电源滑环68安装在轴承圈侧面外围60和最外面的表面84上。例如，功率滑动环68在空间允许时可安装在转子的外部周围的任何地方。应当指出，位置编码器和电动机仍然与图2A和2B所示的相同。
本发明是相对于优选实施例描述的。其它人在阅读和理解前面的详细说明后可以作出修改和改变。本发明打算看作为包括所有这样的、来自所附权利要求或其等价物的范围的修改和改变。
Claims (18)
1.一种CT扫描仪组件，包括：
通用静止机架框(12)；
对辐射是半透明的开孔(24)，具有多种可选择的截面尺寸的一种尺寸；
多个通用轴承部件(50)，被安装在静止机架(12)上；
通用环状轴承圈(52)，可旋转地支撑在轴承部件(50)上；
至少一个通用电动机模块(28)，用于转动通用环状轴承圈(52)；以及
安装装置(100)，用于把X射线源(16)和辐射检测器(22)安装在离轴承圈(52)径向朝内的多个可选择距离中的任一个距离处，使得通用轴承部件(50)和轴承圈(52)被用来制作具有多种开孔尺寸的任一种开孔尺寸的CT扫描仪。
2.如在权利要求1中阐述的扫描仪，其中轴承圈52具有三角形和矩形横向截面之一。
3.如在权利要求1中阐述的扫描仪，其中至少一个通用电动机模块(28)包括直线感应电动机模块(LIM)。
4.如在权利要求1中阐述的扫描仪，还包括：
多个电动机模块，用来更快地使轴承圈(52)加速。
5.如在权利要求1中阐述的扫描仪，至少一个电动机模块(28)被嵌在轴承圈(52)中。
6.如在权利要求1中阐述的扫描仪，还包括：
通用电源滑环(56)，它被布置在轴承圈(52)旁边，它至少向至少一个电动机(28)提供电功率，每个滑环组件(56)至少包括：
布置在轴承圈(52)上的环状功率滑环部分(68)；以及
安装在固定机架(12)上的至少两个电刷支架(70)。
7.如在权利要求6中阐述的扫描仪，还包括：
固定在每个支架(70)上的多个纤维线电刷。
8.如在权利要求6中阐述的扫描仪，还包括：多个电源滑环组件(56)。
9.如在权利要求1中阐述的扫描仪，还包括：信息传输组件(58)，它被布置在轴承圈(52)的各个部分的旁边用以发送和接收数据，每个信息传输组件(58)包括：
布置在轴承圈(52)上的多个发射器(76)；以及
布置在静止框架(12)的多个接收器(74)。
10.如在权利要求9中阐述的扫描仪，还包括：
至少一个椭圆透镜72，它接收来自发射器(76)的光线并把接收的光线聚焦到公共的聚焦点。
11.如在权利要求10中阐述的扫描仪，其中通用空气轴承圈(52)被分割成象限，并且还包括：
一个透镜(72)，被布置在每个相关的象限，以使得当轴承圈52旋转时，至少一个发光二极管(76)位于各象限中的一个透镜(72)之下。
12.如在权利要求1中阐述的扫描仪，还包括：
布置在轴承圈(52)上的多个定时单元(80)；以及
布置在静止机架(12)上的读出传感器(82)，用以读出定时单元(80)的位置。
13.一种制造CT扫描仪(10)的方法，包括
为CT扫描仪产生通用的子组件；
选择适当直径的开孔(24)；
把所选直径的开孔安装到通用子组件上；以及
把X射线管(16)和辐射检测器阵列(22)安装到通用子组件上。
14.权利要求13的方法，还包括：
选择一种电动机模块；以及
把多个电动机模块安装到通用子组件上。
15.权利要求13的方法，还包括：
根据选择的开孔直径，安装X射线管和检测器阵列，以使得X射线管和检测器阵列被安装成尽可能互相靠近并且尽可能靠近开孔。
16.权利要求13的方法，还包括：
根据选择的开孔直径，选择X射线管的尺寸和检测器阵列的长度；以及
选择在X射线管与检测器阵列之间的安装距离。
17.权利要求13的方法，其中通用子组件包括：
通用静止机架框(12)：
安装在静止机架(12)上的多个通用轴承部件(50)；
可旋转地支撑在支撑部件(50)上的通用环状轴承圈(52)；
至少一个通用电动机模块(28)，用于转动公共的环状轴承圈(52)；以及
安装装置(100)，用于把X射线源(16)和辐射检测器(22)安装在多个可选择的距离的任一个距离处。
18.可适配的标准化的模块化成像系统，包括：
通用静止机架框(12)：
对辐射是半透明的开孔(24)，具有多种规定直径中的一种直径；
安装在静止机架(12)上的多个通用轴承部件(50)；
可旋转地支撑在支撑部件(50)上的标准环状轴承圈(52)；
布置在轴承圈(52)旁边的多种标准模块，每个模块可以按模块添加，这种多样性包括一个或多个以下的模块：
标准电动机模块(28)，用于转动环状轴承圈(52)，
标准电源滑环(56)，用于给成像系统的旋转部件提供电功率，以及
标准信息传输滑环模块(58)，用于发送数据到成像系统的旋转部分和从该部分接收数据；以及
安装装置(100)，用于把X射线源(16)和辐射检测器(22)安装在离轴承圈(52)径向向里的多个可选距离的任一个距离处，以使得标准轴承部件(50)和标准轴承圈(52)用来制作具有多个开孔尺寸的任一个开孔尺寸的CT扫描仪。
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