X射线计算机化断层扫描系统 光圈位置调整机构及方法 【技术领域】
本发明涉及用于获得X射线照射对象的X射线断层摄影图像的X射线CT(计算机化断层扫描)系统的光圈位置调整机构、扫描龙门架装置及其控制方法。背景技术
X射线CT系统的主要功能是采集X射线穿透照射对象所获得的投影数据，进而根据这些投影数据重构出X射线断层摄影图像。具体地说，采取如下步骤：首先让照射对象躺在一个平台式装置上，然后将其送到扫描龙门架装置的空腔部分。然后，扫描龙门架装置的旋转部件(X射线管和X射线探测器整体地固定在该旋转部件上)转动。X射线从不同的角度射向照射对象，不同角度的射线穿透照射对象后分别被检测器所检测。然后所检测到的数据(投影数据)被操作台所接收，通过算术运算重构出X射线断层摄影图像。上述检测X射线的步骤系列通常称为扫描。
还有一种通常称为多切片X射线CT系统，此系统的X射线检测部分包括检测器阵列，该阵列包括沿着平台运送方向排列的多行检测器、使得通过一次扫描就能采集到多个切片的数据。多切片X射线CT系统的好处是通过一次扫描可以获得多幅X射线断层摄影图像。
众所周知，在上述扫描过程中，X射线管在产生X射线的过程中会逐渐积聚热量，使得X射线管地聚焦位置沿着平台的运送方向漂移(在下面的叙述中，有时又将这个方向称为Z轴)。关于这点，下面还会解释。
图7是关于X射线管焦点的示意图，沿着垂直于Z轴的方向布置着光圈和X射线检测器(包括A、B两行检测器)。
在该图中，焦点的开始位置用实线表示。此时，这样控制光圈在Z方向上的位置、使得X射线均等地入射到A、B两行检测器上。在这样一种环境下，通过实际驱动扫描龙门架装置，焦点沿着Z轴方向移动，如虚线所示。如果光圈的位置停留在图中所示的位置上，则X射线的照射范围沿着Z轴漂移到虚线所示的位置上。从图7可以看出，在这种情况下，X射线不再能够入射到A行检测器的整个表面。所造成的后果是，从各个检测器行输出的信号a和b的关系变成a＜b，导致各检测器行之间的不同的待重构的CT值(X射线断层摄影图像的像素值)和不同的成像范围(厚度)。
因此，通常一台包括多行检测器的X射线CT系统(多切片X射线CT系统)包括一种机构，这种机构通常把处于检测器元件(亦称为检测器通道)末端的检测器元件作为参考通道，当不同行的参考通道的输出不相等时，该机构作出焦点位置漂移的判断，并且沿着Z轴调整光圈的位置、使得各参考通道的输出相等。这种机构使X射线能均衡稳定地投射到所有检测器行上。
图8展示了常规的执行光圈位置调整的机构。图中元件上画斜线的部分表示该机构安装在扫描龙门架装置旋转部分的某基座上。
如图所示，光圈80配备有用来限定X射线的照射范围的缝隙80a并且由光圈基座板81所支撑。一对平行的移动导轨82a和82b沿着Z轴方向配置。直线导块83a和83b配置在光圈基座板的两端，并由导轨82a和82b支撑且可来回滑动。而且，滚珠丝杠84平行地配置在移动导轨82a的旁边，并且通过耦合器85联结到马达86的输出杆上面。最后，将安装在滚珠丝杠84上的螺母87固定到直线导块83a上，如图所示。
由马达87驱动的滚珠丝杠84的旋转运动被变换成螺母87的直线运动。由于螺母87固定在直线导块83a上，所以光圈基座板81将沿着导轨82a和82b(即沿Z轴方向)跟随着直线导块83a移动。由此实现光圈80的位置调整。
由于光圈位置调整的精确度要求达到几个微米的量级，所以要求尽可能消除螺母与滚珠丝杠之间的螺纹间隙效应。
然而，在上面所述的常规情况下，由于滚珠丝杠84被固定在光圈基座板81的一端，滚珠丝杠84的螺纹间隙以及滚珠丝杠84的弹性形变可能会引起光圈80的倾斜，导致不能达到所要求的精度。
但是又不能将滚珠丝杠84置于光圈中心来解决这个问题，因为光圈是X射线通过的地方。
另一种可供选择的方法是，可以设想在光圈基座板的相对的两端设置滚珠丝杠来减小螺纹间隙效应。但这样一来又会引起其它问题，如费用增加以及在装配时需要严格调准两条滚珠丝杠。发明内容
因此，本发明的目的是在X射线CT系统中低费用、高精度地提供光圈位置调整机制，以及提供扫描龙门架装置及其控制方法，以便能够稳定地重构X射线断层摄影图像。
根据本发明，提供一种X射线CT系统的光圈位置调整机构，后者能够调整具有用于限定X射线的照射范围的光圈开孔的光圈(6)的位置，所述机构包括：沿着调整光圈(6)位置的方向配置的一对导轨(21a，21b)，它们用来安装光圈(6)并使之可以滑动；空心的第一轴(23)，其膛孔(23a)与所述第一轴(23)的中心轴平行但又偏离中心轴，所述第一轴(23)被所述光圈(6)的基座部分(20)以垂直于导轨对(21a，21b)的方式支撑，同时可以转动；第二轴(25)，它被包容和支撑在所述第一轴(23)的膛孔(23a)内并可自由转动；以及驱动装置(7)，用于驱动所述第二轴(25)环绕偏离所述第二轴(25)中心轴的偏心轴在两个彼此相反的方向上旋转；所述机构的特点是：当所述第二轴(25)在驱动装置(7)的作用下作偏心转动、而且跟随着所述偏心转动、所述第一轴(23)将沿着与上述转动方向相反的方向环绕所述膛孔(23a)的中心轴偏心地转动时，所述光圈(6)将沿着所述导轨(21a，21b)移动。
此外，根据本发明，提供一种X射线系统的扫描龙门架装置，该装置包括所述光圈位置调整机构。
所述扫描龙门架装置最好包括X射线检测部分，其中沿着用于运送照射对象的平台的运送方向排列多行检测器，每一行检测器具有沿着垂直于所述运送方向排列的一组检测器元件，而且所述光圈位置的调整方向最好与所述运送方向相重合。
此外，所述扫描龙门架装置最好还包括控制装置，用于对所述驱动装置进行反馈控制、使得当X射线源的焦点漂移时所述检测器行的预定位置的各检测元件的输出保持均衡。
根据本发明，还提供一种控制X射线CT系统的扫描龙门架装置的方法，所述扫描龙门架装置包括：用于使X射线检测部分和X射线源整体地转动的扫描龙门架装置旋转部分，所述X射线检测部分包括沿着用于运送照射对象的平台的运送方向排列的多行检测器，所述各检测器行中每一行都具有一组沿着垂直于所述运送方向的方向排列的检测元件，所述X射线源设置在横跨用于插入所述平台的空腔与所述X射线检测部分相对的位置；光圈，它具有用于限定来自X射线源的X射线的照射范围的光圈开孔；以及用以沿着所述运送方向调节所述光圈位置的调节机构，所述调节机构包括：沿着光圈位置调节方向设置的一对导轨，用于可滑动地安装所述光圈；第一轴，所述第一轴是空心的并且配备有与所述第一轴的中心轴平行地穿过并处在偏离所述中心轴的位置的膛孔，所述第一轴由垂直于所述导轨对的所述光圈基座支撑并可自由转动；第二轴，它被包容和支撑在所述第一轴的所述膛孔内并可自由转动；以及驱动装置，用于驱动所述第二轴环绕偏离所述第二轴的中心轴的偏心轴在两个彼此相反的方向上旋转；所述方法的特征在于包括：扫描步骤，用于在所述扫描龙门架旋转部分转动的过程中进行扫描以便采集照射对象的X射线投影数据；以及控制步骤，用于在所述扫描龙门架旋转部分转动过程中当X射线源的焦点位置漂移时对所述驱动装置进行反馈控制、使得来自所述检测器行的预定位置的各检测元件的输出均衡。
本发明能够以低价格高精度的方式提供X射线CT系统的光圈位置调整机构，并且可以提供能够稳定地重构X射线断层摄影图像的扫描龙门架装置及其控制方法。附图说明
图1 是本发明实施例的X射线CT系统的配置方框图。
图2 是用于说明本发明实施例的光圈位置调整机构的视图。
图3 是用于说明本发明实施例的光圈位置调整机构的视图。
图4 是用于说明本发明实施例的光圈位置调整机构的操作的示意图。
图5 显示对应于本发明实施例的光圈位置调整机构的联杆机构。
图6 是表示本发明实施例中跟踪X射线管焦点位置移动、光圈移动控制处理的流程图。
图7 是用于说明与X射线管焦点移动有关现象的示意图。
图8 是用于说明传统的光圈位置调整机构的视图。具体实施方式
下面参考附图详细说明各实施例。
图1是某实施例的X射线CT系统的配置方框图。如图所示，所述系统包括：扫描龙门架装置100，用于利用X射线对照射对象进行辐照并检测穿透受照射对象的X射线；以及操作台200，用于进行关于扫描龙门架装置100若干种操作设置并且根据扫描龙门架装置100输出的数据重构X射线断层摄影图像以供显示之用。
扫描龙门架装置100包括用来控制整个装置100的主控制器1以及下面将讨论的各种部件。
标号2表示与操控台200通信的接口，而标号3表示扫描龙门架，它具有空腔，用以承载躺在平台11上的照射对象(病人)(在垂直于图纸平面的方向上，该方向以下将称作Z轴，而且通常与病人身体轴线相一致)。标号4表示X射线管，它是产生X射线的源并且由X射线管控制器5驱动和控制。
标号6表示光圈，它具有用于限制X射线照射范围的光圈开孔；标号7表示沿着Z轴方向调整光圈6的位置的位置控制马达；以及标号8表示用来驱动和控制位置控制马达7位置的控制马达驱动器。
稍后将详细说明用于控制上述光圈6位置的机构。
标号9表示用于驱动扫描龙门架3转动的转动马达，而标号10表示用于驱动转动马达9的转动马达驱动器。标号11表示承载照射对象的平台，标号12表示用于沿Z轴方向移动平台11的平台马达，而标号13表示用于驱动和控制平台马达12的平台马达驱动器。
标号14表示X射线检测部分，用于检测来自X射线管4穿过光圈6和扫描龙门架3中的空腔部分的X射线，在本实施例中该X射线检测部分包括沿着Z轴方向排列的两行检测器行，但是，本发明并没有限制检测器的行数，例如，可以考虑安排4至8行检测器。每一检测器行有多个(例如1000个)检测器通道，其排列长度取决于由光圈6所限定的照射范围。位于每一行末端的检测通道直接暴露于没有穿越照射对象的X射线束之下，作为参考通道使用。标号15表示数据采集部分，用于收集X射线检测部分14所获取的投影数据并把这些投影数据转换成数字数据。
操作控制台200通常又称为工作站，它包括：用于控制整个装置的CPU 51；存储引导程序等的ROM 52；作为主存储装置的RAM53，如图所示；以及以下各部件。
HDD 54是硬盘设备，它存储操作系统(OS)和诊断程序，用于向扫描龙门架装置提供若干种工作指令并且根据从扫描龙门架装置100接收的数据重构X射线断层摄影图像。VRAM 55是用于将待显示的图像数据显影(developing)的存储器，可以通过在那里将图像数据之类的数据显影而将图像数据显示于CRT(阴极射线管)56之上。标号57和58表示键盘和鼠标器，它们可用来作若干种参数设定操作。标号59表示用于与扫描龙门架装置100通信的接口。
上面所讲的就是本发明实施例的X射线CT系统的配置。在这样一种配置的CT系统中，投影数据采集的过程如下。
首先，操作者(技术员或医生)操纵操作台，以便指定若干扫描条件，然后发出扫描启动指令。接下来在控制台运行的诊断程序根据指定的条件向扫描龙门架装置(主控制器1)发出几条控制指令。扫描龙门架装置的主控制器1根据所述控制命令向X射线管控制器5、马达驱动器8、旋转马达驱动器10和平台马达驱动器13提供控制信号。从而，X射线检测部分14检测到由X射线管4产生并穿透照射对象的X射线，并且可以从数据采集部分15得到X射线投影数据。
具体地说，就是重复进行如下操作：当平台11的移动(carrying)停止时扫描龙门架3旋转一次，在此期间，X射线从X射线管4、以360°范围内的多个(如1000个)视向(view direction)向照射对象(即放射X射线)发射，所发射的X射线被X射线检测部分14检测到。所检测到的X射线在数据采集部分15被转换成数字值，并作为投影数据经由主控制器1被输送到操作控制台200。这样一个单一的操作序列称作一次扫描。然后扫描位置按照预先确定的数值沿着Z轴顺次移动一段距离，进行下一次扫描。这样一种扫描方式称为轴向扫描方式。然而，应该指出，扫描方式可以是螺旋扫描方式的，就是说，一边在连续移动平台11的同时转动扫描龙门架3，一边采集投影数据(这种方式就是X射线管4和X射线检测部分14环绕照射对象作螺旋式旋转)。
在操作控制台200运行的诊断程序使用已知的方法、根据所传输的投影数据进行处理、以重构X射线断层摄影图像，然后将重构的结果显示在CRT 56上面。
正如先前所述，本发明实施例中的X射线检测部分14沿Z轴安排了两行检测器A和B，以获取多切片X射线CT图像。换句话说，就是通过一次扫描同时采集两片投影数据。人们很容易理解，两个切片的投影数据可以组合起来提供一幅X光断层摄影图像，使所述切片的厚度相当于两个检测器行的宽度。
此外，提供了这样一种机制，当两检测器行参考通道输出不相等时，就可以断定X射线管4的焦点发生了漂移，进而通过反馈控制沿着Z轴方向调整光圈6的位置、使得所述输出均衡。因此，X射线可以恒定地均衡地照射到两检测器行上。
正如先前所讲的，执行上述光圈调整的传统机械结构是，驱动部署于光圈基座板末端附近的滚珠丝杠。但是这种传统的机构存在精度低的问题，这主要是由于滚珠丝杠的螺纹间隙和滚珠丝杠84的弹性形变所引起的。
本发明人通过采用具有组合偏心轴的结构来代替滚珠丝杠而成功地实现了高精度的位置调整机构。
本发明实施例的光圈位置调整机构如图2和3所示。图2是外部透视图，图3是前正视图(部分截面视图)。图中部件的斜线部分表示该机构安装在扫描龙门架3内某基座上。
如图所示，光圈6配备有用于限定X射线的照射范围的缝隙6a并且由光圈基座板20支撑。沿Z轴方向设置一对平行的移动导轨21a和21b，而光圈基座板20通过在光圈基座板20相对的两端形成的直线导块22a和22b由移动导轨21a和21b所支撑，并可来回滑动。这样，可以通过沿着移动导轨21a和21b移动光圈基座板20来调整光圈6的位置。
本发明实施例中，用于移动光圈基座板20的机械部分位于Z轴方向的一端(也就是在光圈6的后面)，这和常规的机构是不同的。
首先，大直径轴23是第一轴构件，它是空心的并且配备有膛孔23a，后者与大直径轴23的中心轴平行但偏离大直径轴23的中心轴一段预先确定的距离(处于偏心位置)。大直径轴23的膛孔23a的内圆周的相对的两端装配有第一轴承24a和24b。小直径轴25沿着膛孔23a插入到大直径轴23中，且被第一轴承24a和24b作可转动支撑。还有，在小直径轴25的一个端部的表面上，设置在与小直径轴25的中心轴偏离一段预先确定的距离的位置上的(处于偏心位置)一个膛孔被锁定到基轴构件26上，这样，小直径轴25的中心轴与基轴构件26的中心轴被以平行的方式固定。基轴构件26的另一端固定有皮带轮27，皮带29绕着皮带轮27和28拉紧，皮带轮28安装在反作用位置控制马达7的输出轮轴上。这样，通过驱动位置控制马达7，基轴构件26借助皮带29的作用，围绕着它的基轴转动。
大直径轴23的外圆周装配着第二轴承30a和30b，它们被装配在轴23的相对的两端，而轴承30a和30b被限制在各自的外壳31a和31b内。而外壳31a和31b又被固定到光圈基座板20沿着Z轴方向的一末端，使得大直径轴23垂直于移动导轨21a和21b。
虽然所述各图中两个轴承30a和30b(及其外壳31a和31b)配置成支撑大直径轴23的两端，但这种配置仅仅是一个示例而已。例如，大直径轴23还可以用这样一种结构支撑，就是，建造一个轴承和一个外壳，其宽度足以覆盖整个大直径轴23。
在上面所讲的配置中，光圈基座板如何沿着Z轴方向移动呢？下面将参照图4中所示的关于外壳31a的侧视图来说明。
在图4(a)中，参考符号O1是基轴，即，基轴构件26的旋转中心，O1也是小直径轴25的旋转中心。这就是说，小直径轴25起到了以O1为旋转中心的偏心凸轮的作用。参考符号O2是第一轴承24a的旋转中心。所以，作为偏心凸轮的小直径轴25的偏移距离是O1O2。当小直径轴25的外圆周上离开O1的距离最大的点用P代表时，直线O1P通过O2。
为便于说明，定义以O1为原点的Z-y坐标系。在图4A中，O2的位置就在O1的上面(也就是在y轴上)，因而P也刚好在O1的上面(也就是在y轴上)，如图所示。此时，第二轴承30a的旋转中心O3假定与O1重合。
而且，正如上面指出的那样，O2是第一轴承24a的旋转中心，又是大直径轴23的旋转中心。这就是说，大直径轴23起到以O2为旋转中心的偏心凸轮的作用。所以，作为偏心凸轮的大直径轴23的偏移距离为O3O2。当大直径轴23的外圆周上离开O2的距离最大的点用Q表示时，直线O2Q将通过O3。在图4A的情况下，Q在y轴上。
在本发明实施例中，在位置控制马达7的驱动下，通过在图纸所在的平面反时针方向旋转基轴构件26，点P可以在z-y坐标系的第二象限中移动。换句话说，当直线O3P与y轴的夹角是θ时，如图所示，点P可以在0°＜θ＜90°的范围内移动。在图4，虚线1表示P点在上述情况下的运动轨迹。
小直径轴25从点P靠近y轴的位置开始的旋转令直线O1P倾斜。同时，在直线O1P上的第一轴承24a的旋转中心O2以一定的倾斜角移动到左边，且其高度逐渐降低。这就是说，第一轴承24a本身的位置在作为偏心凸轮的小直径轴25的作用下移到左下方。
但是，由于外壳31a本身被固定在光圈基座板20上，限制了在高度方向上的运动，所以，当第一轴承24a运动到左下角时，大直径轴23绕着O2旋转，其旋转方向与小直径轴25的旋转方向相反，避免了第一轴承24a运动到下方。换句话说，小直径轴25的旋转将第一轴承24a的旋转中心O2移动到左下方，大直径轴23跟着小直径轴25作相反方向的转动使直线O2Q趋向于水平。同时，位于直线O2Q的第二轴承30a的旋转中心线O3移动到Z轴方向的左边。这就是说，第二轴承30a本身在大直径轴23偏心轮作用下移到左边。因而，跟随着O3的运动，固定到外壳31a的光圈基座板20被沿着导轨21a移动。图4B表示θ等于45°的情况，而图4C表示θ接近90°的情况。
通过上面所述的机理，光圈6的位置可以沿着Z轴加以调整。很容易理解，当控制马达7被反向旋转驱动时，基轴构件26相对于图纸平面作反时针方向旋转，使得光圈基座板在与上述过程完全相反的作用下，作相反方向的运动。
现在来考虑一下O2和O3相对于O1的运动。O2的轨迹是绕O1的弧线。另一方面，O3跟随着O2的运动在Z轴上运动。这种运动相当于连杆机构(滑块-曲柄机构)的运动，如图5所示。具体地说，直线O1O2相应于连杆A，而直线O2O3相应于连杆B，而O2沿X轴运动对应于小车的运动。
然而，根据本发明，由于两个起着偏心凸轮作用的小直径轴25和大直径轴23结合在一起，具有同时可以将驱动力传送到处于两端的外壳31a和31b的长度，如上所述，机构本身的尺寸可以缩小，这样做的一个巨大好处是，它可以起到普通连杆机构的作用，而刚度则可以增加。
此外，大直径轴23是空心轮轴，它可以通过钻出一个偏离中心轴的膛孔的方法来制造，而小直径轴25也可以通过钻膛孔的方法制造，只要膛孔足以把基轴构件26固定到偏离中心轴的位置上。而且，由于其它构件只是滚珠轴承之类零件，所以，本机构也是低成本的。
考虑到可控性，小直径轴25和大直径轴23的偏心距离及它们之间的位置关系最好设成：
O1O2＝O2O3 以及
∠O2O1O3＝∠O2O3O1
但是，本发明并没有局限于上述条件。
图6是说明在一次扫描过程中执行的、跟踪X射线管4的焦点运动的光圈6的移动控制处理的流程图。
响应来自操作台200上键盘57或鼠标58的、代表扫描开始指令的输入而开始所述处理过程(步骤S1)。所发出的扫描起始指令具有由操作员在操作台200上事先指定的若干种扫描条件的参数。
首先，把光圈6设置到Z轴方向的预先确定的起始位置上(步骤S2)。然后，通过开始扫描龙门架3的转动并驱动X射线管4而开始扫描(步骤S3)。
在下一步S4中，在执行扫描的过程中对光圈6的位置进行反馈控制。执行反馈控制的目标是：
XA/(XA+XB)＝XB/(XA+XB)，
这里XA是来自检测器行A的参考通道的输出，而XB是来自检测器行B的参考通道的输出。虽然最根本的是通过控制使XA和XB趋于相等，由于XA和XB的值对应于X射线曝光量取决于被诊断的区域等因素，所以这里采用检测器行参考通道输出与参考通道总输出(XA+XB)的比值，使得反馈控制目标值保持恒定。
在步骤S5中，进行关于扫描是否完成的检查，当需要继续扫描时，流程返回到步骤S4继续进行处理。当在步骤S5中确定扫描已经完成，则处理过程终止。
如上所述，根据本发明对光圈6沿Z轴进行位置控制的机构将由下列部件构成：
沿着Z轴配置的一对导轨21a和21b，用于以可滑动的方式安装光圈6；
作为第一轴的大直径轴23，它是空心的并且配备有膛孔23a，后者平行于大直径轴23的中心轴并且处在偏离所述中心轴的位置。
作为第二轴的小直径轴25，它被所包容和支撑在大直径轴23的膛孔23a中并可在其中转动；以及
作为驱动装置的位置控制马达7，用于使小直径轴25环绕偏离小直径轴25的中心轴的偏心轴在两个彼此相反的方向上转动。
借助这种结构，随着在位置控制马达7的驱动下小直径轴25偏心转动以及跟随着该偏心转动和与该转动方向相反的转动、大直径轴23环绕着膛孔23a的中心轴作偏心转动，而使光圈6沿着导轨21a和21b移动。
通过这样的配置，机构本身可以缩小尺寸，游隙可以减小，刚度可以增大。而且，上述结构可以使用相对少的元件用相对简单的工艺制造和用低廉的价格实现。
使用本发明可以构成许多不同的实施例，但没有脱离本发明的范畴和它的主要精神。应该指出，除了所附的权利要求之外，本发明不应局限于上述说明和特定的实施例。