TWI586221B - Ｘ光管負載機構與三維造影掃描系統 - Google Patents

Description

X光管負載機構與三維造影掃描系統

本發明是有關於一種擺動與旋轉元件，且特別是有關於一種能以有限角度複合方向掃描配置的X光管擺動與旋轉元件。

X光放射成像包含醫學、工業、保全、農業等應用範圍，以醫學應用為例主要有三種需求，分別是二維造影(下稱2D造影)、時間動態透視攝影以及三維造影(下稱3D造影)，而所使用的儀器分別是醫學通用型X光機、醫學透視攝影儀以及CT(Computed Tomography，三維用電腦斷層掃描儀)，其中2D造影與時間動態透視攝影等兩種方式產生平面影像供使用者判讀。以醫學X光2D造影(如胸腔X光前後位造影)為例，平面影像缺乏深度資訊，各深度之組織器官重疊，造成細微構造難以辨識，例如胸腔造影時之若病灶位於心臟前後、中膈腔、橫膈、脊椎等位置即不易判讀。3D造影如CT採用360度全角度之造影方式，X光源與偵檢器共弧共圓環繞位於中央的病患進行造影，產生多個深度的斷層切面三維影像，以供使用者判讀。CT雖可提供完整之斷層三維影像，但其高費用與高劑量(數十倍至百倍)，使得 CT通常被定位在醫學診斷之第二線檢查工具，而無法作為第一線檢查工具使用。根據NCRP(美國輻射防護與測量委員會，National Council on Radiation Protection)第160號報告，美國25年來平均每人每年有效劑量，由1980年的3.1mSv(毫西弗)增加至2006年5.5mSv，統計結果發現這增加的來源主要來自醫學輻射，在該25年統計間由0.5mSv增至3.0mSv，亦即在25年間，美國醫學影像的醫療輻射劑量增加了6倍，而醫療輻射劑量的上升幅度與X光CT的普及度呈現正相關，故合理推斷CT的廣泛使用是導致醫療輻射劑量增加的原因，如何致力於輻射劑量風險最小化且不犧牲三維影像品質與醫學效益，是放射影像技術發展趨勢。

為此，除上述2D平面造影、CT造影方法外，近年發展出採用有限角度之掃描造影方式，稱為數位斷層合成造影術。相較於2D平面造影方法，該數位斷層合成造影術所產生的類3D影像解決傳統平面影像缺乏深度資訊的問題，相較於CT採用360度全角度之造影方式，該數位斷層合成造影術的優勢在於僅以有限角度之投影資訊獲得類似CT的三維斷層切片，此舉不僅能因有限的掃瞄角度而使得放射造影輻射劑量低於CT，且容易融合於現有的醫學通用型X光機，藉以實現單一X光機型滿足醫學X光放射成像的三種需求。

然而，傳統數位斷層合成造影術採用有限角度掃描方向的配置，影響造影物體內部具有方向性結構之3維切面影像的清晰程度。從先前造影實驗來看，若造影的有限角度掃描配置採用醫學通用型X光機常用之縱長向掃描配置，可以發現該造影儀的X光管負載機構沿著造影床的縱長方向擺動並造影，X光管負載機構移動與擺動方向正好與人體頸動脈的生長方向 平行，因而所得出的3維切面影像中的頸動脈影像清晰可見，而頭骨裂痕方向與縱長方向擺動的方向不同，故無法清楚顯示頭骨裂痕之病灶。若採用左右向掃描配置，也就是該左右向掃描配置與縱長向掃描配置呈現水平上的直角關係，由於頭骨裂痕方向與左右掃描方向相近，使得頭骨裂痕能清晰可見，反觀頸動脈，頸動脈的生長方向與左右掃描方向垂直，使得3維切面影像模糊。由此可知，數位斷層合成掃描的有限角度掃描造影方向配置對不同被測物結構有顯著影響，3D切面影像中的造影物體結構清晰度與有限角度掃描方向配置有關。從醫學角度來看，人體骨骼、呼吸道、血管與大部分組織結構之生長方向複雜，傳統單一方向掃描設計不能滿足所謂通用型X光機對不同造影部位或多樣之待造影物造影的需求。

本發明提供一種X光管負載機構，在有限角度下能以縱長向、左右向、斜向及複合方向之數位斷層合成掃描。

本發明提供一種三維造影掃描系統，其X光管負載機構設計可降低三維空間定位之困難度，提高複合方向之數位斷層合成掃描之應用可行性。

本發明提出一X光管負載機構，X光管負載機構包括一X光管、一擺動元件以及一旋轉元件。X光管包含一焦斑位置及一X光射束窗口，其中焦斑位置為產生一X光射束的位置，且X光射束通過X光射束窗口。擺動元件連接於X光管，擺動元件具有一第一旋轉軸，第一旋轉軸通過焦斑位置，且擺動元件以焦斑位置為圓心而繞著第一旋轉軸旋轉以在一有限擺 動範圍內擺動X光管。旋轉元件連接於擺動元件，旋轉元件具有一第二旋轉軸，第一旋轉軸垂直於第二旋轉軸，且旋轉元件繞第二旋轉軸旋轉，以驅動X光管及擺動元件轉動。

本發明提出一種三維造影掃描系統，三維造影掃描系統包括一造影平台以及至少一X光管負載機構。造影平台用以支撐一待造影物，待造影物具有一聚焦點。X光管負載機構包含一X光管、一擺動元件以及一旋轉元件。X光管包含一焦斑位置及一X光射束窗口，其中焦斑位置為產生一X光射束的位置，且X光射束通過X光射束窗口。擺動元件連接於X光管，擺動元件具有一第一旋轉軸，第一旋轉軸通過焦斑位置，且擺動元件以焦斑位置為圓心而繞著第一旋轉軸旋轉以在一有限擺動範圍內擺動X光管。旋轉元件連接於擺動元件，旋轉元件具有一第二旋轉軸，第一旋轉軸垂直於第二旋轉軸，旋轉元件繞第二旋轉軸旋轉，以驅動X光管及擺動元件轉動，旋轉元件轉動X光管至第一旋轉軸垂直於焦斑位置至聚焦點連線之角度，而擺動元件擺動X光管，使X光射束指向待造影物的聚焦點。

基於上述，在本發明之X光管負載機構及三維造影掃描系統中，藉由擺動元件的第一旋轉軸以及旋轉元件的第二旋轉軸，而能達到在有限角度下能以縱長向、左右向、斜向及複合方向之數位斷層合成掃描。並且，由於X光管內的焦斑位置為產生X光射束的位置，也是擺動元件的第一旋轉軸以及旋轉元件的第二旋轉軸相互垂直的位置，且第一旋轉軸通過焦斑位置，如此配置之下，此焦斑位置能做為X光射束發射、X光負載機構擺動元件與旋轉元件運動之原點，因此，X光射束發射起點及發射向量可以從X光負載機構位置與雙軸旋轉位置去定位，如此X光管負載機構設計可降 低三維空間定位之困難度，藉以簡化後續影像重建演算，並提高複合方向之數位斷層合成掃描之應用可行性。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

22‧‧‧X光射束中心軸

50‧‧‧三維造影掃描系統

52‧‧‧造影平台

54‧‧‧移動單元

60‧‧‧待造影物

62‧‧‧待造影物

100‧‧‧X光管負載機構

110‧‧‧X光管

112‧‧‧焦斑位置

114‧‧‧X光射束窗口

120‧‧‧擺動元件

121‧‧‧第一旋轉軸

122‧‧‧邊緣為弧形之弧形部件

122A‧‧‧弧形邊緣第一端

122B‧‧‧弧形邊緣第二端

124‧‧‧連接部

130‧‧‧旋轉元件

132‧‧‧端部

134‧‧‧第二旋轉軸

R1‧‧‧有限擺動範圍

第1圖為本發明的X光管負載機構的示意圖。

第2圖為本發明的X光管負載機構另一角度的示意圖。

第3圖為本發明的三維造影掃描系統的示意圖。請參閱第1圖至第3圖。

以下謹結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此限制本發明的保護範圍。

第1圖為本發明的X光管負載機構的示意圖。第2圖為本發明的X光管負載機構另一角度的示意圖。請參閱第1圖及第2圖。

在本實施例中，X光管負載機構100包括一X光管110、一擺動元件120以及一旋轉元件130，其中擺動元件120連接於X光管110，旋轉元件130連接於擺動元件120。

X光管110外觀呈一圓柱形。X光管110包含一焦斑位置112及一X光射束窗口114，其中焦斑位置112為產生一X光射束的位置，且X光 射束通過X光射束窗口114。

焦斑位置112位於X光管110內部且鄰近X光射束窗口114。以第1圖為例，焦斑位置112例如位於X光管110中間位置。然而，於其他實施例中，焦斑位置112亦可位於X光管110內偏左或偏右等其他位置，本實施例不限制焦斑位置在X光管內部的配置位置。

擺動元件120具有一第一旋轉軸121，第一旋轉軸121垂直於X光射束中心軸22方向，而X光射束中心軸22為焦斑位置112與X光射束窗口114中心點的兩點連線，且第一旋轉軸121通過焦斑位置112。

詳細而言，擺動元件120包含一邊緣為弧形之部件122與一連接部124。邊緣為弧形之部件122連接於連接部124，連接部124固設至X光管110，邊緣為弧形之部件122包含相對的一弧形邊緣第一端122A與一弧形邊緣第二端122B。

邊緣為弧形之部件122可移動地設於旋轉元件130的一端部132。如此一來，擺動元件120的邊緣為弧形之部件122以焦斑位置112為圓心而繞著第一旋轉軸121旋轉以在一有限擺動範圍R1內擺動X光管110，而有限擺動範圍R1為在邊緣為弧形之部件122的弧形邊緣第一端122A與邊緣為弧形之部件122的弧形邊緣第二端122B之間。因此，邊緣為弧形之部件122在旋轉元件130的端部132移動，並同時擺動X光管110。

需說明的是，擺動元件120的機構設計上，擺動元件120例如包含一邊緣為弧形齒條之部件，以本實施例而言是將擺動元件120設計成一弧形齒輪，而此弧形齒輪固定在X光管110上，如此配置之下，藉由弧形齒輪的傳動而以第一旋轉軸121為旋轉圓心，來擺動X光管110，並藉由弧形齒 輪的外型特徵而將X光管在有限擺動範圍R1內擺動。上述擺動元件的機構設計上是以齒輪為舉例，然而，本實施例不以此為限制，於一實施例中，擺動元件可以為時規皮帶輪及導螺桿、蝸桿及蝸輪等以機械傳動的方式。

於另一實施例中，擺動元件亦可以是以磁力傳動的方式，也就是在擺動元件上裝設一磁性元件，而在旋轉元件上裝設一電磁性元件，欲調整X光管之擺動角度時，可輸出一控制訊號改變電磁鐵元件的磁通量，以產生並調控磁性吸附力(或磁性排斥力)的數值大小，進而可推動磁性元件接近(或遠離)電磁鐵元件，可改變擺動元件與相應旋轉元件的相對擺動位置，進而達到擺動X光管110的目的。

此外，邊緣為弧形之部件122之外型例如為圓形、半圓形、橢圓形、扇形或具曲面形狀，然本實施例不以此為限，只要能藉由此邊緣為弧形之部件122之外型特徵，而能將X光管在有限擺動範圍R1內擺動的結構均屬本實施例的應用範疇內。旋轉元件130具有一第二旋轉軸134，第一旋轉軸121垂直於第二旋轉軸134，第二旋轉軸134通過焦斑位置112。

如此一來，旋轉元件130繞第二旋轉軸134旋轉，以驅動X光管110及擺動元件120轉動。

第3圖為本發明的三維造影掃描系統的示意圖。請參閱第1圖至第3圖。

在本實施例中，三維造影掃描系統50包括一造影平台52、至少一X光管負載機構100以及一移動單元54。X光管負載機構100可參閱前述第1圖至第2圖的說明。

造影平台52用以支撐一待造影物60，待造影物60具有一聚焦 點62，待造影物60例如為一人體。

移動單元54連接於X光管負載機構100，移動單元54例如為一機械結構而用以將X光管負載機構100移動至造影平台52的一造影位置上，以掃描待造影物60。

在此配置之下，旋轉元件130轉動X光管110至第一旋轉軸121垂直於焦斑位置112至聚焦點62連線之角度，而擺動元件120擺動X光管110，使X光射束指向待造影物60的聚焦點62。

綜上所述，在本發明之X光管負載機構及三維造影掃描系統中，藉由擺動元件的第一旋轉軸以及旋轉元件的第二旋轉軸，而能達到在有限角度下能以縱長向、左右向、斜向及複合方向之數位斷層合成掃描。並且，由於X光管內的焦斑位置為產生X光射束的位置，也是擺動元件的第一旋轉軸以及旋轉元件的第二旋轉軸相互垂直的位置，且第一旋轉軸與第二旋轉軸通過焦斑位置，如此配置之下，此焦斑位置能做為X光射束發射、X光負載機構擺動元件與旋轉元件運動之原點，因此，X光射束發射起點及發射向量可以從X光負載機構位置與雙軸旋轉位置去定位，如此X光管負載機構設計可降低三維空間定位之困難度，藉以簡化後續影像重建演算，並提高複合方向之數位斷層合成掃描之應用可行性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

22‧‧‧X光射束中心軸

100‧‧‧X光管負載機構

110‧‧‧X光管

112‧‧‧焦斑位置

114‧‧‧X光射束窗口

120‧‧‧擺動元件

121‧‧‧第一旋轉軸

122‧‧‧弧形部件

122A‧‧‧第一端

122B‧‧‧第二端

124‧‧‧連接部

130‧‧‧旋轉元件

132‧‧‧端部

134‧‧‧第二旋轉軸

R1‧‧‧有限擺動範圍

Claims (14)

1. 一種X光管負載機構，包括：一X光管，包含一焦斑位置及一X光射束窗口，其中該焦斑位置為產生一X光射束的位置，且該X光射束通過該X光射束窗口；一擺動元件，連接於該X光管，該擺動元件具有一第一旋轉軸，該第一旋轉軸通過該焦斑位置，且該擺動元件以該焦斑位置為圓心而繞著該第一旋轉軸旋轉以在一有限擺動範圍內擺動該X光管；以及一旋轉元件，連接於該擺動元件，該旋轉元件具有一第二旋轉軸，該第二旋轉軸通過該焦斑位置，該第一旋轉軸垂直於該第二旋轉軸，且該旋轉元件繞該第二旋轉軸旋轉，以驅動該X光管及該擺動元件轉動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之X光管負載機構，其中該第一旋轉軸垂直於該X光射束中心軸方向，而該X光射束中心軸為該焦斑位置與該X光射束窗口中心點的兩點連線。
3. 如申請專利範圍第1項所述之X光管負載機構，其中該擺動元件包含一邊緣為弧形之部件，該邊緣為弧形之部件包含相對的一弧形邊緣第一端與一弧形邊緣第二端，該有限擺動範圍為在該邊緣為弧形之部件的該弧形邊緣第一端與該邊緣為弧形之部件的該弧形邊緣第二端之間。
4. 如申請專利範圍第3項所述之X光管負載機構，其中該邊緣為弧形之部件之外型為圓形、半圓形、橢圓形、扇形或具曲面形狀。
5. 如申請專利範圍第1項所述之X光管負載機構，其中該擺動元件包含一邊緣為弧形齒條之部件。
6. 如申請專利範圍第1項所述之X光管負載機構，其中該擺動元件包含一時規皮帶輪及導螺桿，或蝸桿及蝸輪。
7. 如申請專利範圍第1項所述之X光管負載機構，其中該擺動元件與該旋 轉元件各包含一磁性元件與一電磁性元件。
8. 一種三維造影掃描系統，包括：一造影平台，用以支撐一待造影物，該待造影物具有一聚焦點；以及至少一X光管負載機構，各該X光管負載機構包含一X光管、一擺動元件以及一旋轉元件，其中；該X光管包含一焦斑位置及一X光射束窗口，其中該焦斑位置為產生一X光射束的位置，且該X光射束通過該X光射束窗口；該擺動元件連接於該X光管，該擺動元件具有一第一旋轉軸，該第一旋轉軸通過該焦斑位置，且該擺動元件以該焦斑位置為圓心而繞著該第一旋轉軸旋轉以在一有限擺動範圍內擺動該X光管；及該旋轉元件連接於該擺動元件，該旋轉元件具有一第二旋轉軸，該第二旋轉軸通過該焦斑位置，該第一旋轉軸垂直於該第二旋轉軸，該旋轉元件繞該第二旋轉軸旋轉，以驅動該X光管及該擺動元件轉動，其中該旋轉元件轉動該X光管至該第一旋轉軸垂直於該焦斑位置至該聚焦點連線之角度，而該擺動元件擺動該X光管，使該X光射束指向該待造影物的該聚焦點。
9. 如申請專利範圍第8項所述之三維造影掃描系統，其中該第一旋轉軸垂直於X光射束中心方向，而該X光射束中心軸為該焦斑位置與該X光射束窗口中心點的兩點連線。
10. 如申請專利範圍第8項所述之三維造影掃描系統，其中該擺動元件包含一邊緣為弧形之部件，該邊緣為弧形之部件包含相對的一弧形邊緣第一端與一弧形邊緣第二端，該有限擺動範圍為在該邊緣為弧形之的該弧形邊緣第一端與該邊緣為弧形之的該弧形邊緣第二端之間。
11. 如申請專利範圍第10項所述之三維造影掃描系統，其中該邊緣為弧形之部件之外型為圓形、半圓形、橢圓形、扇形或具曲面形狀。
12. 如申請專利範圍第8項所述之三維造影掃描系統，其中該擺動元件包含一邊緣為弧形齒條之部件。
13. 如申請專利範圍第8項所述之三維造影掃描系統，其中該擺動元件包含一時規皮帶輪及導螺桿，或蝸桿及蝸輪。
14. 如申請專利範圍第8項所述之三維造影掃描系統，其中該擺動元件與該旋轉元件各包含一磁性元件與一電磁性元件。