层析X射线照相装置的模式化检测装置 相关申请
与本申请相关的申请有：申请人为Bernard M.Gorden、共同申请人为John Dobbs和David Banks、委托给本申请同一代理人(代理人备审卷号ANA-44)的同在审理中的美国专利申请Serial No.08/191,428和申请人为John Dobbs、共同申请人为David Banks和Leonhard Katz、委托给本申请同一代理人(代理人备审卷号ANA-47)的美国专利申请SerialNo.08/191,426。
【发明领域】
本发明一般涉及计算机辅助层析X射线照相术(CAT)，特别涉及层析照相的检测装置。
本发明的背景
现有CAT扫描设备一般体积大、结构笨重而十分昂贵。至少部分地由于上述原因，它的推广应用从而使用受到了限制。但直到现在，CAT扫描过程必然导致其设备十分庞大。
第三代CAT扫描设备包括分别装在一环形盘直径方向两端的一X射线源和X射线检测装置。该盘可转动地装在一台架上，从而扫描时该盘围绕一转动轴线转动，同时X射线从该X射线源穿过一放置在该盘该开口中的一物体而射到该检测装置。
该检测装置一般包括形状呈圆弧形的一排检测器阵列，该圆弧的曲率中心称为“焦点”，射线即在该“焦点”从X射线源射出。该X射线源和检测器阵列放置成该X射线源与每一个传感器之间的X射线路径都在与该盘的转动轴线正交的同一平面内(下面称为“断层平面”、“转动平面”或“扫描平面”)。由于X射线路径大致从一点光源发出而与各检测器相交成不同角度，因此这些光路呈扇形，从而常用“扇形”光束一词描述任一时刻的所有光路，扫描时某一测量时刻由一检测器检测到的X射线称为一根“光线”。该光线部分地被其光路中的所有质量衰减，从而光强测定值是该衰减值并从而是该光路中的质量地密度的函数。投影也即X射线光强的测量一般在该盘的许多角位的每一角位上进行。
根据扫描过程中从所有投影角度获得的数据重现的影象将是穿过被扫描物体的扫描平面上的一断层的影象。为了“重现”该物体的该“断层”在该转动平面中的密度影象，该影象一般以一象素阵列重现，其中，该阵列中的每一象素相当于在一表示扫描时穿过该物体的所有光线的衰减程度的值。由于X射线须和检测器围绕该物体转动，因此光线从不同方向或投射角穿透该物体，从而穿过不同的象素位置的组合。从这些测量值中可算出该物体在该断层平面中的密度分布，而每一象素的亮度值即代表该分布。结果是由不同亮度值的象素构成的一阵列表示出该断层平面的密度影象。
为再现影象，各光线的位置必须精确确定。众所周知，该检测器阵列如下安装在该转盘上：它在扫描平面中相对X射线源偏置一相当于两相邻检测器的中心之间的间距1/4的角度。在这一偏置下，第二个180°中的各测量值是与第一个180°中的检测器的间距相差1/4的检测器测得的，从而第二半圈的光线应位于第一半圈光线之间的中途的半径处。这使得光线的定位更为重要。
为了无需进行大量标准工作就能使光线精确定位，因此检测器须精确定位并在精确时刻进行测量，从而每次投影时每一检测器的角度都是预定的。
此外，由于密集物质会散射X射线，因此重要的是，检测器不测量不是以直线从X射线源传播到检测器的光线。为了除去这一散射光，一般在检测器与物体之间插入一系列与光线对准的非常薄的防散射板，从而只有在X射线与每一检测器之间以径向直线传播的光线才能通过，但不幸的是，防散射板的使用又造成新的问题，因为若它们把“阴影”投到检测器上，它们就会影响检测器的测量。不但受阴影笼罩的检测器的输出会减小，而且X射线源、防散射板和/或检测器即使发生极微小振动或横向移动，该输出也会受到调制。
若考虑到为了达到现代层析X射线照相扫描器所需的解象力，需要使用上百个检测器，从而在一扇形光束中就得有若干个检测器，那么满足这些要求的难度就可想而知了。这使得典型检测器的宽度为1毫米左右，典型防散射板的尺寸长约38毫米、宽约0.1毫米，从而要求检测器和防散射板的定位极其精确并校对得极直。使问题更复杂化的是，整个组件通常以约15-60rpm围绕被扫描物体转动，从而力的变动很大，从而需要使用坚固的安装技术。
为了满足这些困难的要求，现有的CAT机体积庞大、装配费钱费力、需精心校直防散射板与检测器。若出于某种原因需更换或重新校直一个或多个部件时，往往无法在现场进行更换或重新校直而必须把CAT机运回制造厂。
本发明的目的
本发明的一个目的是对层析X射线照相检测装置作出改进，从而在大大减少装配工作和降低成本的同时获得所需定位和校直精度。
本发明的另一个目的是提供其部件便于在现场更换的层析照相检测装置。
本发明的再一个目的是提供一种层析照相检测装置，其部件设计成它们便于使用按直角座标运转的标准机床制造；但这些部件的装配可达到层析照相扫描器的极座标所需的极高的位置精度。
本发明的其它目的一部分自明、一部分可从下文看出。因此本发明包括具有下述详细说明所例示的结构、部件组合和部件布置的所有装置，而本申请的范围可见权利要求。本发明概述
按照本发明，该检测装置包括作为底座件的梁、装到此梁上的许多防散射模件和许多检测模件以及把该梁装到台架的转盘上的部件。该梁最好有一基准平面，该平面在该梁正确装到转盘上时可放置成与扫描平面平行。该基准平面可使许多基准孔获得精确定位。每一防散射模件和检测模件各有一可与该梁的基准面抵靠的基准平面，从而相对该梁的基准面(从而扫描平面)固定该模件。每一模件最好包括使模件相对该梁以及相互之间精确定位的与该模件基准面正交的基准圆孔和基准槽。该防散射模件包括许多相对模件的基准孔、基准槽和基准面精确定位、定向的防散射板。每一检测模件包括许多相对模件的基准孔、基准槽和基准面精确定位、定向的检测器。该梁和各模件上的基准孔和基准槽可用现有机床的直角座标制精确定位在其基准面上。每一防散射模件和每一检测模件在梁上的精确定位用一插入在该模件的基准圆孔和梁的基准面上的基准孔中的暗销实现；每一防散射模件与每一检测模件的校直用一插入其基准槽和梁的基准孔中的一暗销实现。为了使偏差积累尽可能小，可用同一暗销和梁的基准孔确定防散射模件和检测模件的位置，而用梁的一主基准孔实现防散射模件的定位。
附图简述
从下述结合附图的详细说明中可更充分理解本发明及其目的，附图中：
图1为本发明优选实施例的CAT扫描器的轴向图；
图2为本发明检测装置优选实施例的模式装置的局部剖视的分解立体图。
图3为本发明检测模件优选实施例的立体图；
图4为固定支撑检测和防散射模件并把该检测组件装到台架上而使各模件与扫描器的扫描平面对准的一梁的优选实施例的轴向图；
图5为装到该检测组件优选实施例的该梁上的三个检测模件和一防散射模件的轴向图；
图6为沿图5中6-6线剖取的切向剖面图；
图7为把该梁装到该转盘上的立柱式支撑件的轴向图；
图8为图7所示立柱式支撑件的切向侧视图；
图9为图7和图8所示立柱式支撑件的径向图；
图10为图7-9所示立柱式支撑件的局部切向图；
图11为沿图10中11-11线剖取的径向剖面示意图；以及
图12为图7-11所示支撑件的分解立体图。
对附图的详细说明
参看各附图，以便更充分理解本发明装置，图1示出一可用来说明本发明原理的CAT扫描器8。为提供CAT扫描数据，扫描器8包括-X射线源12和装到一转盘10上的检测组件14、X射线源12和检测组件14围绕转动轴线16(与图1的图面垂直)转动，从而在CAT扫描时围绕穿过转盘中心开口的物体18转动。物体18可以是病人身体的某一部分，例如头或躯干。X射线源12在扫描平面(与转动轴线16垂直)中不断发出一扇形X射线光束20，该光束穿过物体18后由检测组件14检测，物体18与检测组件14之间有一防散射板阵列22从而大致防止散射光被检测器检测。在该优选实施例中共有384个检测器，它们排成48°的圆弧，尽管这一数量和角度可以变动。最好用铝等轻型材料制成的转盘10围绕转轴线16迅速、平稳地转动。转盘10为开口框架结构，因此物体18可位于转盘的开口中。物体18可托住在比方说托板或托台32上，当然X射线可穿透该托板32。当转盘10转动时，检测组件14周期性地取样而获得在扫描平面中从各投影角穿过物体18的X射线的离散测量值。这些测量值然后用合适的信号处理设备(未示出)按照公知的数学方法进行电子处理而产生最终的影像信息。该影象信息然后在计算机中进行存储、分析后适当显示。
在本发明之前，须精心校直每一检测器与防散射板以便确保这些部件在现有层析照相装置的转盘上的正确定位。在我们看来，该校直工作之所以困难，是因为各检测器与X射线源的相对位置是极座标关系，极座标的中心部是X射线源12的焦点，另一方面，在转盘上加工出安装孔的机床则通常是以直角座标制工作的。
因此按照本发明把该检测组件设计成：其部件可用在直角座标制中工作的标准机床加工，而当装配、固定到转盘10上时，却可在层析照相装置的极座标制中与X射线源精确对准。
确切说，从图1中可见，按照本发明该检测组件14包括一用作底座件的支撑基准梁28，该梁上有一便于在机床的直角座标制中精确加工的基准平面。检测器和防散射板分别装配成许多相同的模件24和26，这些模件也在标准机床的直角座标制中精确加工。然后把这些模件精确校直并固定到梁28的基准面上，而梁28用支撑件30之类的合适支撑件支撑在转盘10上而使检测器都位于扫描平面中且以X射线源12的焦点为圆心而具有相同的圆心角。
图2-12更详细地示出便于防散射板和检测器的精确定位和校直的本发明装置。请特别参见图2，该检测组件14包括梁28、检测模件24和防散射模件26。使用中，整个检测组件固定在转盘10上并可包括比方说一梁、8个防散射模件和24个检测模件，每个检测模件包括16个检测器。图4示出其平面图的梁28最好呈弧形，它在正确装到转盘10上时其曲率中心与X射线源12的焦点重合。从图6中可看最清楚，该梁还包括平行的两平面40和42，其中的平面40可作为前部基准面。从而可用现有标准机床在基准面上在该梁28中精确钻出与基准面垂直的基准孔。从图2和图4可看得最清楚，在一曲率一定的弧线46上有一系列主基准孔44，每一主基准孔用于一个防散射模件(因此该实施例中有8个主基准孔)，当把该梁正确装到转盘10上时这些孔与X射线源12即该弧线46的曲率中心的距离相等。各孔44相对该曲率中心的位置以及相互之间的相对位置精确确定。与每一主基准孔44相联的有两个位于同一弧线46且相对主基准孔44的位置精确限定的副基准孔48。在与弧线46同圆心的一弧线52上还有三个副基准孔50与主基准孔44相联并相对主基准孔44的位置精确限定。此外，从图2中可看得最清楚，与每一主基准孔44相联的还有安装孔54和攻有螺纹的安装盲孔56(见图2)。一对穿孔58(见图4)用来相对钻出所有基准孔的钻床夹紧梁28。在梁28的基准孔44、48和50中最好插入暗销60，所有基准孔的大小做成可供暗销紧紧插入而使暗销牢牢固定在孔中同时伸出在基准面40上方。从而暗销60为6根一组(如图4中虚线框中所示)，3个在弧线46上、3个在弧线52上，每一组中有一主基准孔44。最好是，弧线46上的一暗销与弧线52上且在穿过弧线46和52的曲率中心的同一径线、比方说径线64上的一暗销成为一对。
为了精确定位，首先把防散射板22装配成防散射模件26。一防散射模件26可包括装在一底板70与一顶板74之间的比方说48块防散射板22，该底板70如图2和图6所示有一作为基准面的外部平面72。底板70和顶板74的互相相对的表面最好都有支撑板22的部件，从而当该检测组件正确安装、固定到转盘上时每块板沿径线与焦点对准。这些部件最好为很薄的凸脊76，从而其间形成供防散射板22嵌入的定位槽。底板70上还有一唇部78以便在其上钻出定位孔80、82和定位槽84。孔80、82和槽84的中心位于一以X射线源的焦点为圆心的弧线上，该槽的长度方向与穿过孔80的槽84的该弧线一致。孔80、82和槽84的位置做成分别与梁的一基准孔44和二个相邻孔48对齐，从而当该梁固定在转盘上时这些散射板相对该焦点获得正确定位。孔80的大小做成可供一暗销60A紧紧插入而用作主基准孔。槽84的宽度做成可供一暗销60C紧紧插入而使防散射模件紧紧固定在穿过焦点的径向线上，但该槽的细长形长度又容许这两暗销之间的距离可有一定偏差。中间的孔82做得比第三暗销60B大，从而不会碰到插入在弧线46上的副基准孔48中的暗销60B。底板70和顶板74可用铝制成而稳定性好、质轻和热传导性高，虽然也可使用其它材料。防散射板22一般用钨制成，虽然也可使用其它材料或可用粗钢料制成。
图3详示出优选检测模件24、该模件包括一金属块90，其上有一固态检测器阵列92和装在其一表面上的多导线带式电缆94或其它柔性连线。金属块90最好用铝模锻而成，虽然，也可使用其它材料。每一检测器92可包括一把X射线能转换成光的闪烁晶体和一把光转换成电流的光电二极管。二极管可用公知技术制成在一基片96上，而晶体可直接粘接到二极管顶面上。多导线电缆94可钎焊到基片96上，从而每一检测器的输出可经电缆中的相应导线传到扫描器的信号处理部件。整个基片组件可粘接到金属块90上。模件24可包括比方说16个检测器。苦它们装在1/8度弧线中，则其中心相距不到2毫米。如前所述，为了把各测量值正确分配到重现影象的各象索上，检测器间距必须处处相同。尽管要求所有检测器的特性都相同，但实际上每一检测器最好可在预期温度范围内校正，因此要求热粘接性良好，以便检测器温度均匀。
金属块90有一与梁的基准面40接靠的平面98。该金属块在靠近检测器一边有一下凹部而形成一与平面98平行的另一平面100。下凹深度大于模块26的唇部78的厚度，从而当检测模件和防散射模件的表面98和22分别抵靠梁28的基准面40时表面100与该唇部顶面之间留有间隙。为使检测模件24获得精确定位，一垂直于表面100的基准圆孔102的位置和大小做成可供梁28上的穿过唇部78的孔80、82或槽84的暗销60A、60B或60C紧紧插入。表面98上的一基准槽104的长度方向位于一通过孔102且与检测器阵列垂直的一直线上。槽104在与检测器阵列平行方向上的宽度做成供暗销60D紧紧插入，但槽的长度方向上的尺寸容许与暗销60D成对的暗销60A、60B或60C之间可有一定偏差。金属块90中的一穿孔106的位置和大小做成可供一安装螺栓110(见图6)穿过并比攻有螺纹的安装盲孔56大，从而容许梁26的孔48、56和50在检测器固定其上的径向直线上可有一定偏差。检测器92相对基准孔102和基准槽104的定位非常精确。
当如图2所示装配成本发明的装置时，每个防散射模件26的平面72和每个检测模件24的平面98抵靠梁的基准面40。每一防散射模件的定位由穿过其基准孔80而插入主基准孔44中的暗销60A实现并由穿过其基准槽84而插入梁的基准孔48的暗销60C校直。穿过扩大孔82的暗销60B不触及模件26。每个检测模件24的定位由从其基准孔102中伸出、穿过防散射模件26的唇部78上的一孔而插入梁28的基准孔44或48中的暗销60A、60B或60C实现。它同样由从其基准槽104中伸出而插入梁28中的基准孔50中的暗销60D校直。穿过检测模件的孔106而旋入梁28的螺纹孔56中的螺栓110把模件24固紧到梁28上，而防散射模件用四个螺栓(未画出)紧固到该梁上。图5和图6示出该模式组件。
按照本发明的这一装置，由于下列各因素的结合，实现了把各检测器布置成间距处处相等、与X射线源等距；而把防散射板排列成落在各检测件之间而不遮住检测器的目标：首先，不是象现有技术那样把转盘的安装构件中的安装孔布置在径向上，而是使用一弧形梁，而该梁的平面与该弧的轴线垂直。这就形成一可在其上钻出与该弧的轴线平行的孔。这些平面使得基准孔的定位更精确。
其次，每一模件用插入在这些基准钻孔中的两根销精确定位，但只有一根销插入该模件的一圆孔中，另一根销插入在与该圆孔处于一直线上的一细长形槽中。从机械设计中可知，这种不用两圆孔而是一圆孔、一长槽的布置容许有一定的偏差。
最后，使一防散射模件定位的暗销同时用来使与之相联的三个检测模件中的两个定位。因此相联的检测器和防散射板销住在同一主基准位置上，而每一防散射模件销住在梁28的一主基准孔中。因此只需基准钻孔的精度高，模件的定位就精确而不会积累起偏差。结果是在把8个防散射模件和24个检测模件装配到该梁上时各模件所需的制造精度可降至最低，从而无需重新校直整个阵列即可在现场更换一个或多个模件。最后，可方便地用粗钢料制造模件24和26，使用标准机床的直角座标制即可实现防散射板和基准孔的精确定位。
图7-11示出用来把梁28的两端装到转盘10上的支撑件30的结构，而图12为部件的分解组装图。在这些图中把支撑件30靠近X射线源的一端作为顶部。支撑件30的主要部件包括在图7中用螺栓固紧到转盘10上的一支撑件主体120以及其相对两端用螺栓紧固到主体120和梁28上的一柔性安装薄板122。
出于申请人为Bernard M.，Gordon、共同申请人是John Dobbs和David Banks、委托给本申请同一代理人(代理人备审卷号ANA-44)的同在审理中的美国专利申请Serial No.一所述的理由，柔性板122夹在三个刚性表面中间，其中五个刚性表面位于加强板126、128、130、132和134上。从图8中可看得最清楚，第一加强板126用螺栓125把板122的上部紧固到主体120上。一对加强板128和130可用穿过加强板128和板122而旋入加强板130中的螺栓129紧固到板122中部的两面上。同样，对加强板132和134可用螺栓133紧固到板122下部的两面上。从图7和图8中可看得最清楚，另用穿过加强板132、134和板122的中心而旋入梁28端部的螺纹孔中的螺栓135把梁28紧固到加强件134并从而支撑件30上。
从图7和12中可看得最清楚，可用位于每一支撑件120顶部的一杆140、一枢球142、一螺钉144对梁28的径向位置进行微调而移近或移离X射线源12，从而确保所有检测器与该焦点相距同一距离。杆140的一端穿过板122上的一长方形孔146(见图12)。螺钉144穿过杆140的另一端后旋入主体120的顶部。一部分沉入主体120中、一部分沉入杆140中的球142用作支点，从而随着螺钉144在主体120中旋进或旋出，板122就抬高或下降。由于板122上供螺栓125穿过的孔148呈细长形，因此在紧固加强板122之前可作这一调节。插入在主体120和板122相应槽149和加强板126中的一对暗销147确保径向校直，其中，各槽的宽度做成可供对应销紧紧插入。
可用一对从主体121上的槽151中伸入板122上的孔152中的张紧杆150使板122始终张紧而在受到操作力时无法移动。这两根杆150在槽中可一穿过主体120和杆150的共同枢杆154为枢轴上下转动。从图10中可看得最清楚，可用一推杆156、一堆压缩垫圈158和一张紧螺钉160推动每一张紧杆150。这些压缩垫圈在一定移动范围内始终把一压力加到推杆156上从而始终把一张力加到板122上。可按所需张力选择垫圈的大小，而按最终调节所需移动量选择该堆垫圈的数量。
最后，为了可切向微调梁28从而检测组件，用在主体120中心线上的一螺纹孔中的调节螺栓162顶住加强板132。为了稳定加强板132的位置，一对张紧螺栓164(见图7和10)旋入在加强板132和134中。在每一螺栓164上，在其头部与主体120之间套有一堆压缩垫圈166从而在用螺栓162在其整个微调范围内进行调节时使梁28始终处于张紧位置。因此，支撑件30使梁28在所需调节范围内获得牢固的定位。
以上说明了用于层析照相装置的一检测组件的模式装置，该装置可在降低制造和装配成本的同时使检测器和防散射板获得精确定位和校直，并且便于在现场更换检测器和防散射板。尽管上面只例示出一种这样的装置，但在由后附权利要求限定的本发明范围内的其它种种装置对熟悉本技术领域的人士来说是一目了然的。
由于在本发明范围内可对上述装置作出种种改动，因此上述说明或附图中的所有内容应看成是例示性的而非限制性的。