CN100482165C - 用于x射线成像的悬臂式支架装置 - Google Patents

用于x射线成像的悬臂式支架装置 Download PDF

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Abstract

有可旋转地固定的通常O形的支架环的X射线扫描成像装置，它接在环的一端上以便以悬臂方式支撑诸如移动的手推车、天花板、地板、墙壁或患者检查台之类的结构。圆形支架壳体保持可旋转地固定而且携带能在支架里面围绕着待成像的物体连续地或以步进方式旋转的X射线扫描成像的装置。环能刚性地接到支撑上，或能经由能够在一个或多个轴上相对于支撑平移或倾斜的环定位单元接到支撑上。存在多种其它的实施方案，其中支架壳体仅仅在一端被接到地板、墙壁或天花板上。X射线装置对于二维的多平面X射线成像和/或三维的计算机断层摄影(CT)成像应用是特别有用的。

Description

用于X射线成像的悬臂式支架装置
相关的专利申请
这份申请要求申请于2002年6月11日的美国专利临时申请第60/388,063号的利益，在此通过引证将其全部教导并入本申请。
本发明的现有技术
卫生保健实践已表明三维成像主要作为放射科的诊断工具的巨大价值。其它的护理领域(包括手术室、特护部门和急诊部门)倚靠二维成像(荧光透视法、超声波成像、二维移动式X射线成像)作为诊断和医疗指导的主要方法。这主要是由于费用、大小和操作传统的三维装置所必需的专业技能。此外，应用辐射学质量的CT扫描仪已被设计出来，以牺牲移动性为代价取得最高的成像质量。能够在同一装置上完成2D和3D成像的用于“非放射科”的真正实用的移动式成像解决方案还有待研制。先前的尝试并未真正提出在满足预期的成像质量水平的同时维持大小相当的体积的需求。过去，已有两种类型的装置计划提出这种需求。一种类型的装置使用可移动的C-臂并且让它围绕着人体旋转，例如来自Siemens AG的Siremobil Iso-C3D系统。这些基于C-臂的尝试视野有限，程序上难以处理而且成像质量受到固有的限制。
其它人已尝试使固定孔口CT变成可移动的，例如Butler W.E.等人在A Mobile CT Scanner with Intraoperative and ICUApplication，1998，(http://neurosurgery.Mgh.harvard.edu/mobileCT.htm)中描述的装置。然而，这些所谓的“移动式CT扫描仪”以提高传统的固定式CT扫描仪的剂量水平为特色，它们是难以机动的，而且在需要的时候，它们不能完成2D成像。
一般地说，荧光检查法的C-臂尝试满足可动性和灵活性的标准，但是在成像质量和成像体积方面达不到标准。“移动式CT扫描仪”尝试满足成像体积和质量的标准，但是无法处理可用性和费用的实际问题。此外，最新技术水平的CT扫描仪不能以移动荧光透视系统的相同的方式平移和倾斜。
既适合“非放射科”的3-D成像也能够完成2D成像的真正可移动的实际的解决方案仍然不存在。这主要是由于当前的断层扫描仪实际上不能移动这一事实。不能用与移动式C-臂相同的自由度移动CT扫描仪已阻碍接受和使用移动式三维成像。这已经把三维计算机断层摄影成像的价值限制在主要作为放射科的诊断工具的领域。
因此，需要能在医院的手术室、加护病房、急诊室和其它科室、流动的外科手术中心、医师办公室和战场使用的真正可能移动的和能够完成2D和3DX射线成像的移动式CT扫描仪。
本发明的概述
本发明指向由有X射线源和检测器的通常0形的支架环组成的成像装置。支架环以悬臂方式在环的一侧刚性地或可移动地固定到诸如可移动的手推车、墙壁、天花板、地板或患者检查台之类的支撑结构上。
依照一个方面，定位器组件能以悬臂方式把支架环固定到支撑结构上，定位器组件允许支架相对于支撑结构在至少一个方向上平移和/或围绕着至少一个轴旋转。
依照一个方面，X射线源被装在支架环里面，与检测器阵列相对。X射线源(非必选地和检测器)能围绕着支架环的内部旋转，优选能从头到尾围绕着支架的内部空间完成全部的或部分的360度扫描。这种成像装置对于医学成像应用(包括3D计算机断层摄影术的(CT)成像和2DX-射线照相术的扫描)以及其它的医学、科学和工业的应用特别有利。
依照另一方面，用有借助环定位单元以悬臂方式固定到支撑结构上的实质上O形的支架的成像系统使物体成像的方法包括将物体在通常0形的支架的中心孔口里面定位；操作环定位单元使支架相对于支撑结构定位在预定的位置和方位；以及获得物体的图像。
附图简要说明
本发明的上述和其它的目标、特征和利益从下面关于用相似的参考符号在不同的视图中处处表示相同的零部件的附图举例说明的本发明的优选实施方案的更具体的描述将变得显而易见。这些图画不必依比例绘制，而是把重点放在举例说明本发明的原则上。
图1是依照本发明的一个实施方案有悬臂式0形支架的可移动的X射线扫描系统的示意图；
图2展示图1的扫描系统，其中悬臂式0形支架经由环定位单元处于平移和倾斜位置；
图3展示依照本发明的一个方面用来在三个方向上平移支架并且相对于一个轴倾斜支架的支架环定位单元；
图4展示用来在进/出方向平移支架环的环定位单元；
图5展示用来在垂直方向平移支架的环定位单元；
图6展示用来在横向的方向平移支架的环定位单元；
图7展示用来相对于一个轴倾斜支架的环定位单元；
图8展示用环定位单元安装在地板上的悬臂式支架环；
图9展示用环定位单元安装在墙壁上的悬臂式支架环；而
图10展示用环定位单元安装在天花板上的悬臂式支架环。
本发明的详细描述
本发明的优选实施方案描述如下。
图1是展示依照本发明的一个实施方案的X射线扫描系统10的示意图。X射线扫描系统10包括被固定到可能是可移动的或静止的手推车、患者检查台、墙壁、地板或天花板的支撑结构上的支架11。如图1所示，支架11经由环定位单元20以悬臂方式被固定到可移动的手推车12上。如同下面进一步详细描述的那样，环定位单元20能相对于支撑结构平移和/或倾斜支架11，以便将支架11按许多成像位置和方位定位。
图1中可移动的手推车12可以非必选地包括电源、X射线功率发生器和用来控制X射线扫描装置的操作和实现图像处理、X射线图像的储存或其它的信息处理功能的计算机系统。在优选的实施方案中，计算机系统控制定位单元20使之能够把支架11快速地移到使用者定义的特定的位置和方位。计算机优选有能够储存与特定的支架位置和/或方位有关的定位信息的存储器。这个储存的信息能用来一经请求就自动地把支架移动到预先定义的布局。
可移动的手推车12优选也包括用来显示X射线扫描仪获得的图像的显示系统60，例如平板显示器。显示器也可以包括诸如触摸屏控制器之类准许使用者与扫描系统的功能互动和控制扫描系统的功能的用户界面功能。在某些实施方案中，受使用者控制的悬架式操纵台或脚踏开关能控制扫描系统的功能。
人们将会理解一个或多个固定单元也能完成可移动的手推车12的任何功能。
依照一个方面，本发明的X射线扫描系统能用来获得物体(例如，患者)的二维平面的或三维的计算机断层摄影术(CT)的X射线图像。在图1所示的实施方案中，支架11是有将待成像的物体放进其中的中央孔口的通常圆形的即“O形的”壳体。支架11包含把X射线辐射束15投射到支架的中心孔口之中、穿过待成像的物体照射在位于支架的对置侧面的检测器阵列14(例如，平板数字式检测器阵列)之上的X射线源13(例如，旋转阳极脉冲式X射线源)。然后，在检测器14收到的X射线能被用来使用众所周知的技术产生物体的二维或三维图像。
X射线源13能够连续地或以步进的方式围绕着支架11的内部空间旋转，以致X射线波束能在部份的或全部的360度旋转范围内以各种不同的角度穿过物体和穿过共同的等角点投射。检测器阵列也与X射线源的旋转相协调地围绕着支架的内部空间旋转，以致对于X射线源的每个投射角度，检测器阵列的位置都与支架上的X射线源相对。因此，装置能够在部分的或完整的360度旋转范围内任何投射平面中获得目标物体的高质量X射线图像。
图2展示有借助环定位单元20处于已被平移和倾斜的位置的悬臂式0形支架11的图1的扫描系统。定位单元20一侧接到支架12上，从而以悬臂方式把支架固定到可移动的手推车12或其它的支撑上。定位单元20准许支架11相对支撑结构平移和/或旋转，包括，举例来说，至少沿着x-、y-和z-轴之一平移运动，和/或至少围绕着x-和y-轴之一旋转。如图2所示，定位器20能够在三个方向上相对于手推车12平移支架11，包括在垂直方向(即，上下方向)，进/出方向(即靠近/远离手推车的方向)，和横向方向(即沿着X射线源的旋转轴)。该定位器还能够围绕着一个或多个轴倾斜支架。人们将会理解本发明有各种其它的实施方案，其中悬臂式支架相对于支撑结构保持固定，或支架能够在某些方向平移或倾斜运动而在其它方向则不能。
支架定位单元20能用手控制，或者，在优选的实施方案中，它是能被电-机械地移动到预期的位置的电动系统。计算机化的运动控制系统能被附着到定位器的电动部件上，而一个或多个考虑周到的支架的位置和方位可以储存在计算机的存储器中。在X射线扫描仪的操作期间，预先定义的支架位置和方位可以被很快地和容易地恢复。
图3展示环定位单元20依照本发明的一个实施方案组装起来的零部件的示意图。支架环的相对运动是靠一组个别的定位器实现的，包括进/出定位器305、垂直定位器307、横向定位器309和倾斜定位器311。Z-支架313被用来把垂直定位器307、横向定位器309和倾斜定位器311刚性地连结到进/出定位器305上。
现在参照图4，进/出定位器305包括用来平移悬臂式支架环使之靠近或远离支撑结构的电动组件。进/出定位器包括用螺栓把Z-支架313(见图3)固定在它上面的顶板315。顶板315可借助与底板317上的导轨321配对的滑块319沿着底板317的长度移动。齿轮传动伺服马达323借助马达底座325刚性地附着到底板317上。滚球螺杆327安装在滚球螺杆底座329上，并且沿着平行于线性导轨321的底板317的长度铺设。滚球螺杆327与牢固地固定在顶板315上的滚球螺母333配对。马达323借助马达联轴器331按顺时针方向或反时针方向旋转滚球螺杆327。滚球螺杆327的旋转(要么按顺时针方向要么按反时针方向)引起滚球螺母333并因此引起顶板315沿着滚球螺杆327的长度上下移动。线性导轨和滑块在伺服马达323沿着底板317的长度平移顶板的时候控制顶板。以这种方式，悬臂式支架组件能以受控的方式平移到靠近或远离诸如可移动的手推车、地板、墙壁、天花板或患者检查台之类的支撑结构的位置。
图5展示用来相对于支撑结构垂直地平移通常O形的悬臂式支架的垂直定位器307。在图5所示的实施方案中，垂直定位器307是在结构和操作方面本质上与进/出定位器305完全相同的电动组件。然而，垂直定位器307是这样垂直定向的，以致顶板能相对于底板被向上或向下平移。如图5所示，垂直定位器包括借助骑在线性导轨321上的滑块319可移动地安装到底板317上的顶板315。如同结合图4所描述的那样，顶板315借助伺服马达323和滚球螺杆327相对于底板317平移。如图3所示，垂直定位器307的顶板被刚性地固定到Z-支架313上，而整个Z-支架组件被固定到进/出定位器305的顶板上。因此，垂直定位器307的顶板保持垂直地固定到Z-支架上，而垂直定位器307的底板能够以伸缩方式相对于Z-支架和进/出定位器垂直地上下平移。
图6展示用来相对于支撑结构在横向的方向上平移通常0形的悬臂式支架的横向定位器309。在这个实施方案中，横向定位器309包括在结构和操作方面本质上与先前描述的进/出定位器305和垂直定位器307同一的电动组件。然而，横向定位器309是在横向的方向上定向的，以致顶板能相对于底板从一边平移到另一边。如图6所示，横向定位器包括借助骑在线性导轨321上的滑块319可移动地安装在底板317上的顶板315。如同结合图4所描述的那样，顶板315借助伺服马达323和滚球螺杆327相对于底板317平移。如图3所示，横向定位器309的底板刚性地附着到垂直定位器307的底板上。因此，整个横向定位器309随着进出定位器305和垂直定位器307的相对运动进出或垂直地上下平移。横向定位器309的顶板能附着到支架环上，使环相对于Z-支架313和支撑结构横向地左右平移。
图7展示用来使通常0形的悬臂式支架相对于支撑结构倾斜的倾斜定位器311。内环335包括用来将环刚性地附着在横向定位器309的顶板上的安装孔337。直径大于内环335的外环339包括用来使外环339刚性地附着到支架11上的安装孔341。外环339包括有外齿的齿轮并且可相对于在轴承上的内环335旋转。完整的双环组件被称为回转环形齿轮345。借助马达底座349安装在横向定位器309上的齿轮传动伺服马达347借助有外齿的小齿轮351和同步皮带345旋转回转环形齿轮353。回转环形齿轮的旋转使悬臂式支架相对于横向定位器倾斜，如图2所示。人们将会理解结合图7描述的倾斜定位器能被用来使支架相对任何适当的轴倾斜。例如，倾斜定位器可能用来使进/出定位器305的顶板315与Z-支架结合，以允许支架围绕着垂直的轴旋转。
依照一个方面，每个组成环定位单元20的定位组件305、307、309、311都包括用来把定位反馈信息提供给各自的伺服马达使支架能够按照每度平移或旋转运动精确定位的机制。例如，参照图4，线性的编码器磁带可以附着到底板317的线性导轨321上，而且阅读磁头可以位于顶板315上，以便读编码器磁带并且提供指示顶板315和底板317的相对位置的反馈数据。类似地，参照图7，旋转编码器能用来确定回转环形齿轮345的内环335和外环339的相对角位置。优选的是定位反馈机制是绝对位置编码器系统，以致在任何给定的时刻，计算机化的运动控制系统都能精确地确定环定位单元在所有的自由度的平移和/或旋转位置，并因此能确定支架在三维空间中的位置和方位。
现在翻到图8-10，悬臂式0形支架11和环定位单元20的各种不同的实施方案被展示出来。在图8中，环定位单元20用进/出定位器的底板安装在地板355上。倾斜定位器311被安装在支架11的一侧。这允许悬臂式支架相对于固定的房间平移和倾斜。
图9展示一侧安装在墙壁357上而另一侧安装在支架11上因此允许悬臂式支架相对于固定的房间平移和倾斜的环定位单元20。在图10中，环定位单元20将一边固定到天花板359上而将另一边固定到支架11上。环定位单元20和支架11可能被同样地安装在任何适当的支撑结构上，例如，放置接受检查的患者的检查台。
本文描述的X射线成像系统和方法可以被有利地用于二维和/或三维的X射线扫描。根据支架旋转来自设定角度的个别的二维投射能被看到，或遍及部分的或全部的旋转收集的多重投射可以使用圆锥体或扇形物断层摄影重建技术重建。这项发明可能用来以准同时方式获得多平面的X射线图像，例如，在其全部教导在此通过引证被并入的2003年3月13日申请的共同拥有的美国专利申请第10/389,268号中所描述的。
本发明的检测器阵列包括二维平板固态检测器阵列。然而，人们将会理解，各种不同的检测器和检测器阵列能被用于这项发明，包括在诸如C-臂荧光镜、或单切片或多切片型CT扫描仪、或利用成像增强剂技术的可移动的和固定在房间中的荧光镜装置之类任何典型的扇形波束或锥形波束成像的诊断系统中使用的检测器配置。优选的检测器是使用无定形硅闪烁体技术的二维薄膜晶体管X射线检测器。
就大视野成像而言，检测器阵列能沿着与X射线源相对的直线或弧线(例如，借助电动的检测器导轨和轴承系统)平移到并因此在两个以上位置获得成像数据。这样的检测器系统和相关联的射束定位系统的例子是在2003年3月18日申请的共同拥有的美国专利申请第10/392,365号中描述的，其全部教导在此通过引证被并入。
在又一方面，0形支架可以包括至少部份地与支架环分离在支架环中提供待成像物体可以穿过它在径向方向上进出支架环的中央成像区域的敞开或“断开”的区段。这种类型的装置的优势在于有能力为了完成X射线成像围绕着患者这样的目标物体操纵X射线支架然后环绕着物体关闭支架从而使对物体破坏最小。用于X射线成像的“可断开的”支架装置的例子是在2002年12月12日申请的共同拥有的美国专利申请第10/319,407号中描述的，在此通过引证将其全部教导并入。
尽管这项发明已参照其优选的实施方案被具体地展示和描述，但是熟悉这项技术的人将理解在形式和细节方面各种不同的改变可以在不脱离权利要求书所囊括的本发明的范围的情况下完成。例如，虽然本文所展示和描述的特定的实施方案一般地涉及X射线成像应用，但是人们将进一步理解本发明的原则也可以扩展到其它的医学和非医学的成像应用，包括，例如，磁共振成像(MRI)、正电子发射断层摄影术(PET)、单一光子发射计算断层摄影术(SPECT)、超声波成像和照相成像。
另外，尽管在本文中展示和描述的实施方案一般地涉及医学成像，但是人们将理解本发明可以用于许多其它的应用，包括工业应用，例如材料的测试和分析、容器的检验和大物体的成像。

Claims (28)

1.一种成像装置，其中包括：
O形的支架环；
辐射源和位于支架环内的辐射检测器，所述的辐射源和辐射检测器中的至少一个可围绕支架环内部360度旋转，所述的旋转独立于支架环的任何运动
支撑结构；和
环定位单元，该环定位单元连接到支架环的一侧上以悬臂方式把支架环固定到支撑结构上，该环定位单元使支架环相对于支撑结构定位。
2.根据权利要求1的成像装置，其中环定位单元通过在朝向或远离支撑结构的方向上平移环将支架环定位。
3.根据权利要求1的成像装置，其中环定位单元通过在相对于支撑结构垂直的方向上平移环将支架环定位。
4.根据权利要求1的成像装置，其中环定位单元通过在相对于支撑结构横向的方向上平移环将支架环定位。
5.根据权利要求1的成像装置，其中环定位单元通过围绕着至少一个轴旋转支架环将支架环定位。
6.根据权利要求1的成像装置，其中环定位单元通过平移支架环三个垂直轴将支架环定位，而且围绕着至少一个轴旋转支架环。
7.根据权利要求1的成像装置，其中支撑结构包括可移动的支撑结构。
8.根据权利要求1的成像装置，其中支撑结构包括手推车。
9.根据权利要求8的成像装置，其中手推车是可移动的手推车。
10.根据权利要求1的成像装置，其中支撑结构至少包括地板、天花板和墙壁之一。
11.根据权利要求1的成像装置，其中支架环包括X射线源和与X射线源相对的检测器阵列。
12.根据权利要求11的成像装置，其中X射线源和检测器阵列两者都可围绕着支架环内部空间旋转。
13.根据权利要求12的成像装置，其中X射线源和检测器阵列两者都可围绕着支架环内部空间旋转360度。
14.根据权利要求1的成像装置，其中装置是为了获得物体的二维X射线图像可操作的。
15.根据权利要求1的成像装置，其中装置是为了获得物体的三维计算机断层摄影X射线图像可操作的。
16.根据权利要求1的成像装置，其中O型支架环的中心孔口适合将人类患者定位在孔口内。
17.根据权利要求1的装置，进一步包括指挥定位单元把支架环移动到使用者限定的位置和方位的控制系统。
18.根据权利要求17的装置，其中控制系统基于储存的定位信息指挥定位单元。
19.根据权利要求17的装置，进一步包括用来确定支架环相对于支撑结构的位置的定位反馈机制。
20.一种用有O形的支架环的成像系统使物体成像的方法，该支架环通过环定位单元以悬臂方式在一端被固定到支撑结构上，该方法包括：
将物体定位在O形的支架环的中心孔口里面；
操作环定位单元使支架环相对于支撑结构定位在预定的位置和方位；
围绕支架环的内部旋转辐射源和辐射检测器中的至少一个，所述的旋转独立于支架环的任何运动；以及
获得物体的图像。
21.根据权利要求20的方法，其中环定位单元通过在朝向或远离支撑结构的方向上平移环将支架环定位。
22.根据权利要求20的方法，其中环定位单元通过相对于支撑结构在垂直方向上平移环将支架环定位。
23.根据权利要求20的方法，其中环定位单元通过相对于支撑结构在横向方向上平移环将支架环定位。
24.根据权利要求20的方法，其中环定位单元通过围绕着至少一个轴旋转支架将支架环定位。
25.根据权利要求20的方法，其中环定位单元通过平移支架环三个垂直轴和围绕着至少一个轴旋转支架环将支架环定位。
26.一种X射线成像装置，其中包括：
有用来获得位于支架环内的物体的二维或三维图像的辐射源和检测器阵列的O形的支架环；以及
以悬臂方式在支架环的一端支撑支架环的移动支撑。
27.根据权利要求26的成像装置，进一步包括连接到支架环的一端上用来把支架环固定到移动支撑上并相对于移动支撑移动支架环的环定位单元。
28.一种成像装置，其中包括：
O形的支架环；
用来以悬臂方式在支架环的一端支撑支架环的装置；以及
用来相对于支撑将支架环定位的装置。
CNB03816521XA 2002-06-11 2003-06-11 用于x射线成像的悬臂式支架装置 Expired - Lifetime CN100482165C (zh)

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